LCL諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)軟開關(guān)方法研究

周繼昆，孫 躍，戴 欣

(1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽621900；2.重慶大學(xué)自動化學(xué)院，重慶400030)

LCL諧振型感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)軟開關(guān)方法研究

周繼昆1，孫 躍2，戴 欣2

(1.中國工程物理研究院總體工程研究所，四川綿陽621900；2.重慶大學(xué)自動化學(xué)院，重慶400030)

LCL諧振型感應(yīng)電能傳輸(IPT)系統(tǒng)由于受到副邊反射阻抗的影響，系統(tǒng)的軟開關(guān)頻率會隨著負(fù)載的變化而發(fā)生漂移，甚至出現(xiàn)消失的情況。針對上述問題，利用互感耦合建模分析方法，研究了LCL諧振網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)匹配，得出了使系統(tǒng)存在軟開關(guān)頻率點的參數(shù)邊界約束條件，并利用數(shù)值方法研究了系統(tǒng)在變負(fù)載情況下的頻率特性?；诶碚摲治?，提出了一種自激振蕩反饋式頻率跟蹤方法，可以使逆變器的工作頻率跟蹤系統(tǒng)的軟開關(guān)頻率，搭建了實驗系統(tǒng)對理論分析和頻率跟蹤方法的有效性進(jìn)行了驗證。

LCL諧振；感應(yīng)電能傳輸；軟開關(guān)；頻率跟蹤

感應(yīng)電能傳輸(IPT)技術(shù)是一種借助于高頻電磁場實現(xiàn)電能無線傳輸?shù)募夹g(shù)，近幾年來受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-3]。IPT系統(tǒng)由原邊諧振變換器和副邊能量拾取機構(gòu)組成，原邊諧振變換器將直流電能轉(zhuǎn)換為10～200 kHz的高頻電能并注入到諧振網(wǎng)絡(luò)，從而在諧振網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射線圈周圍激發(fā)一個高頻交變磁場，處于磁場中的副邊能量拾取線圈就會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該電動勢驅(qū)動負(fù)載運行[4-5]。LCL諧振網(wǎng)絡(luò)比LC諧振網(wǎng)絡(luò)有更大的諧振容量、更高的傳輸效率和更好的濾波特性，LCL諧振變換器已經(jīng)大量應(yīng)用于IPT系統(tǒng)中[6]。

為了減小變換器中開關(guān)管在工作過程中所承受電壓、電流應(yīng)力，提高IPT系統(tǒng)的傳輸效率，通常需要逆變器的開關(guān)管工作在軟開關(guān)模式[7]。但經(jīng)研究表明，由于原副邊之間的耦合作用，系統(tǒng)的軟開關(guān)頻率會受到副邊反射阻抗的影響，LCL型IPT系統(tǒng)的軟開關(guān)頻率在負(fù)載變化時會發(fā)生漂移[8]。目前，針對LCL諧振型IPT系統(tǒng)，主要通過使逆變器輸出電流斷續(xù)的方式實現(xiàn)軟開關(guān)，基于電流斷續(xù)的軟開關(guān)方法有移相控制策略[9]、非對稱占空比控制策略[10]、非對稱電壓控制策略[11]，但上述方法會使系統(tǒng)的輸入電流產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，降低系統(tǒng)的功率因數(shù)和傳輸效率，系統(tǒng)的傳輸能力受到一定限制。

本文研究了一種通過使逆變器的工作頻率跟蹤系統(tǒng)軟開關(guān)頻率實現(xiàn)軟開關(guān)的方法，由于該方法是在逆變器輸出電流連續(xù)模式下實現(xiàn)，可以有效降低輸入電流的諧波含量，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)?；谙到y(tǒng)的互感耦合模型，配置了系統(tǒng)原邊補償參數(shù)，并得出了系統(tǒng)參數(shù)存在軟開關(guān)頻率點邊界約束條件，分析了變負(fù)載情況下系統(tǒng)的頻率特性，為本文所采用的軟開關(guān)方法提供了理論依據(jù)，結(jié)合理論分析，提出了一種自激振蕩反饋式頻率跟蹤方法。

1 系統(tǒng)諧振參數(shù)匹配

LCL諧振型IPT系統(tǒng)指原邊采用LCL諧振網(wǎng)絡(luò)，副邊采用LC或其它諧振網(wǎng)絡(luò)的IPT系統(tǒng)。本文以原邊為LCL諧振網(wǎng)絡(luò)，副邊為LC并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的IPT系統(tǒng)為例進(jìn)行研究，其它拓?fù)湫问娇刹捎妙愃频姆椒ㄟM(jìn)行分析，系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 LCL諧振型IPT系統(tǒng)電路拓?fù)?/p>

在配置IPT系統(tǒng)諧振參數(shù)時，應(yīng)充分考慮副邊反射阻抗對原邊固有諧振頻率的影響，通過配置原邊補償電容的參數(shù)，使原邊的軟開關(guān)頻率(逆變器輸出電壓與電流同相位)與副邊固有諧振頻率相等，這樣可以讓系統(tǒng)獲得最大的電能傳輸能力，且無功功率最小[5]。因此，有必要通過系統(tǒng)的互感耦合等效模型來研究原邊補償拓?fù)鋮?shù)的設(shè)計，互感耦合模型電路如圖2所示，其中和分別為和的有效值，ω為系統(tǒng)的工作頻率，分別為原副邊之間的感應(yīng)電動勢。

圖2 互感耦合模型電路

系統(tǒng)副邊的等效阻抗為：

當(dāng)系統(tǒng)的工作頻率等于副邊的固有諧振頻率，即：

將式(2)和式(4)代入式(3)，得：

將式(5)代入式(6)得：

式(10)為系統(tǒng)可實現(xiàn)軟開關(guān)工作的參數(shù)邊界約束條件，只有當(dāng)系統(tǒng)滿足此條件時，系統(tǒng)才存在與副邊固有諧振頻率相等的軟開關(guān)頻率點。

2 變負(fù)載情況下系統(tǒng)頻率特性

設(shè)系統(tǒng)參數(shù)按50 Ω的負(fù)載阻值進(jìn)行配置，如表1所示，式(11)中ω0為負(fù)載為50 Ω時系統(tǒng)的軟開關(guān)頻率，ω表示負(fù)載變化后系統(tǒng)的軟開關(guān)頻率，μ為兩者之比。

表1 系統(tǒng)參數(shù)表

設(shè)負(fù)載電阻值變化范圍為10～90 Ω，步長為10 Ω。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化后，讓歸一化頻率μ在0～2之間變化，步長為0.001，每變化一個步長，計算一次式(3)虛部的值，若計算結(jié)果為零，此時的頻率μω0為系統(tǒng)的軟開關(guān)頻率。

不同負(fù)載下系統(tǒng)的軟開關(guān)頻率如圖3所示，系統(tǒng)的軟開關(guān)頻率確實會隨著負(fù)載的變化而發(fā)生漂移，且歸一化頻率存在兩個實數(shù)解，說明系統(tǒng)存在兩個軟開關(guān)頻率。以參數(shù)設(shè)計點(負(fù)載50 Ω)為例，歸一化頻率的兩個解分別為μ1=1，μ2=0.87，則系統(tǒng)的兩個軟開關(guān)頻率分別為ω0和0.87ω0。

圖3 不同負(fù)載對應(yīng)的軟開關(guān)頻率

為了進(jìn)一步驗證系統(tǒng)在這兩個頻率點上是否都以正弦規(guī)律振蕩，在Matlab/Simulink中搭建了系統(tǒng)的電路拓?fù)?，并以強迫振蕩的方式讓系統(tǒng)工作在這兩個軟開關(guān)頻率上，逆變器輸出電壓與電流波形如圖4所示，利用本文給出的系統(tǒng)參數(shù)匹配方法所設(shè)計的系統(tǒng)參數(shù)只有一個呈正弦規(guī)律振蕩的頻率點μ1ω0，當(dāng)系統(tǒng)在μ2ω0這個頻率點工作時，雖然開關(guān)管在電流過零點切換，但逆變器輸出電流出現(xiàn)了很大的畸變，且幅值很小，屬于非正弦特性諧振點，系統(tǒng)不會自激振蕩到這樣的軟開關(guān)頻率點上[5]。

圖4 逆變器輸出電壓(虛線)與電流(實線)

3 自激振蕩反饋式頻率跟蹤方法

由于系統(tǒng)只存在一個正弦規(guī)律振蕩的軟開關(guān)工作頻率，提出一種自激振蕩反饋式率跟蹤方法，讓逆變器工作頻率跟蹤系統(tǒng)軟開關(guān)頻率，利用逆變器的輸出電流的相位特征信號同步逆變器開關(guān)管的切換，從而使逆變器的輸出電壓與電流同相位，實現(xiàn)系統(tǒng)的軟開關(guān)運行。

在實現(xiàn)閉環(huán)頻率跟蹤控制時，主要要求控制器處理較多的邏輯運算，而FPGA具有很強的邏輯處理能力，因此，本文選用Altera公司的EP2C5T144C8作為控制器，實現(xiàn)頻率跟蹤算法。閉環(huán)頻率跟蹤方法原理圖如圖5所示。

圖5 閉環(huán)頻率跟蹤方法原理圖

式中：邏輯“1”表示開通開關(guān)管；邏輯“0”表示關(guān)斷開關(guān)管。

4 實驗研究

圖6 開關(guān)管驅(qū)動信號逆變器輸出電流波形

為了驗證上述理論分析的正確性以及頻率跟蹤方法的有效性，根據(jù)圖5搭建實驗電路。負(fù)載為50 Ω時，首先以強迫振蕩的方式讓系統(tǒng)分別工作于軟開關(guān)頻率點μ1ω0和μ2ω0，開關(guān)管驅(qū)動信號和逆變器輸出電流的波形如圖6所示，當(dāng)系統(tǒng)工作在軟開關(guān)頻率點μ1ω0時，逆變器輸出電流的正弦特性良好，由FFT變化可知諧波含量較低；當(dāng)系統(tǒng)處于諧振點2時，由驅(qū)動波形可知，雖然開關(guān)管也在電流的過零點切換，但電流出現(xiàn)了嚴(yán)重的畸變且幅值很小，有較大的諧波含量，這與理論分析的結(jié)果一致。

在頻率跟蹤實驗中，設(shè)置了兩個不同阻值的負(fù)載，分別為30和80 Ω，驗證當(dāng)負(fù)載跳變時逆變器的工作頻率是否能夠跟蹤系統(tǒng)軟開關(guān)頻率，實驗結(jié)果如圖7所示，當(dāng)負(fù)載發(fā)生跳變后，由于副邊反射到原邊的等效阻抗發(fā)生了變化，使得電流的幅值和軟開關(guān)頻率也隨之變化，本文設(shè)計的頻率跟蹤方法可以使逆變器的工作頻率迅速跟蹤系統(tǒng)軟開關(guān)頻率，保證了在諧振電流過零點切換開關(guān)管。

圖7 負(fù)載跳變時頻率跟蹤效果

5 結(jié)論

本文基于對LCL型IPT系統(tǒng)參數(shù)匹配方法和頻率特性的研究，提出了一種自激振蕩反饋式頻率跟蹤方法，并搭建了實驗系統(tǒng)，實驗證明，本文設(shè)計的軟開關(guān)方法可以在較寬負(fù)載變化范圍內(nèi)有效跟蹤系統(tǒng)軟開關(guān)頻率，逆變器的開關(guān)管對實現(xiàn)ZCS切換，系統(tǒng)輸入電流有較好的正弦特性和連續(xù)性，相對于電流斷續(xù)模式下的軟開關(guān)方法[11]，系統(tǒng)的諧波含量明顯減少。本文設(shè)計的軟開關(guān)方法對其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的IPT系統(tǒng)實現(xiàn)軟開關(guān)有一定的指導(dǎo)意義。

[1]趙爭鳴，張藝明，陳凱楠.磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)新進(jìn)展[J].中國電機工程學(xué)報，2013，33(3)：1-13.

[2]WU H H，COVIC G A，BOYS J T，et al.A series-tuned inductivepower-transfer pickup with a controllable AC-voltage output[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(1):98-109.

[3]SWAIN A K，NEATH M J，MADAWALA U K，et al.A dynamic multivariable state-space model for bidirectional inductive power transfer systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，11(27):4772-4780.

[4]戴欣，孫躍.感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)能量注入控制方式研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報，2011，40(1)：69-72.

[5]WANG C S，COVIC G A，STIELAU O H.Power transfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupled inductive power transfer systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004，51(1):148-157.

[6]李硯玲，孫躍，戴欣，等.LCL型雙向感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)建模及控制[J].重慶大學(xué)學(xué)報，2012，35(10)：117-123.

[7]黃學(xué)良，吉青晶，譚林林，等.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)串并式模型研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013，28(3)：171-175.

[8]TANG C S，SUN Y，SU Y G，et al.Determining multiple steadystate ZCS operating points of a switch-mode contactless power transfer system[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2007，24(2):416-425.

[9]COVIC G A，BOYS J T，KISSIN M L G，et al.A three-phase inductive power transfer system for roadway-powered vehicles[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2007，54(6):3370-3378.

[10]BORAGE M B，NAGESH K V，BHATIA M S，et al.Characteristics and design of an asymmetrical duty-cycle-controlled LCL-T resonant converte[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(10):2268-2275.

[11]BARRAGAN L A，BURDIO J M，ARTIGAS J I，et al.Efficiency optimization in ZVS series resonant inverters with asymmetrical voltage-cancellation control[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2005，20(5):1036-1044.

Study on soft-switch method of LCL resonant type IPT system

For LCL resonant type IPT system，the soft-switch frequency is varied or even disappeared with the load because of the reflect impedance from the secondary.To deal with these futures， the mutual inductance coupling model was used to study on the parameter compensation of the LCL resonant network，which obtains the constraint condition of the system parameter that can ensure the system owns a soft-switch frequency point.Moreover，the frequency characteristic was analyzed under the load variation.Based on the theoretical analysis，a self oscillation feedback frequency tracking method was presented， which can make the operate frequency of inventor track the soft-switch frequency.The experimental prototype was built up to validate the theoretical predictions.

LCL resonant;inductive power transfer;soft-switch;frequency tracking

TM 73

A

1002-087 X(2016)04-0885-04

2015-09-15

國家自然科學(xué)基金(51277192)；中國工程物理研究院總體工程研究所創(chuàng)新與發(fā)展基金(13CXj24)

周繼昆(1987—)，男，重慶市人，碩士，主要研究方向為感應(yīng)電能傳輸技術(shù)。