基于E類功率放大器的非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)

牟 憲 民, 陳 希 有, 焦 海 坤, 周 宇 翔

( 1.大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024； 2.中電投吉林核電有限公司， 吉林 長(zhǎng)春 130000 )

基于E類功率放大器的非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)

牟 憲 民*1, 陳 希 有1, 焦 海 坤1, 周 宇 翔2

( 1.大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024； 2.中電投吉林核電有限公司， 吉林 長(zhǎng)春 130000 )

為了提高非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)的可靠性，提出了一種基于E類功率放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)．將發(fā)射線圈和接收線圈的耦合電感進(jìn)行等效變換，把發(fā)射線圈的漏感作為E類功率放大器諧振單元，把勵(lì)磁電感作為折算后負(fù)載電阻的匹配電感．在電能非接觸傳輸?shù)耐瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)了阻抗變換，把等效負(fù)載電阻限制在一定的范圍內(nèi)．提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需額外的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)．并且負(fù)載電阻變化時(shí)，均能滿足E類功率放大器的零電壓軟開(kāi)關(guān)條件．仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路的可行性．

非接觸電能傳輸；感應(yīng)耦合；E類功率放大器；逆變器電路；零電壓軟開(kāi)關(guān)

0 引 言

非接觸感應(yīng)式電能傳輸技術(shù)基于感應(yīng)耦合原理，通過(guò)發(fā)射線圈和接收線圈實(shí)現(xiàn)電能的非接觸傳輸．對(duì)于移動(dòng)設(shè)備供電，非接觸電能傳輸技術(shù)相比于有線的電能傳輸方式，具有可靠、靈活和易用等顯著的優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)得到了廣泛的關(guān)注．對(duì)于感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究可以追溯到20世紀(jì)的法拉第和特斯拉時(shí)代[1]．2000年奧克蘭大學(xué)的學(xué)者首先定義了感應(yīng)耦合電能傳輸?shù)母拍頪2]，隨后深入研究了基本原理和控制策略等內(nèi)容，獲得了一系列成果[3-4]．

E類功率放大器在1975年被Sokal等提出之后，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高，得到了廣泛關(guān)注[5-7]．近年來(lái)的許多研究工作將E類功率放大器應(yīng)用到非接觸的電能傳輸系統(tǒng)中．文獻(xiàn)[8]給出了一種可以自振蕩激勵(lì)的E類功率放大器，實(shí)現(xiàn)了非接觸的電能傳輸．文獻(xiàn)[9-11]給出了非接觸電能傳輸系統(tǒng)元件參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算方法，將發(fā)射線圈的自感作為E類功率放大器的諧振電感，設(shè)計(jì)了接收線圈的補(bǔ)償諧振回路．文獻(xiàn)[12]給出了發(fā)射線圈和接收線圈側(cè)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，并給出了負(fù)載電阻變化時(shí)的有計(jì)劃設(shè)計(jì)方法．文獻(xiàn)[13]提出了一種雙路E類放大器拓?fù)?，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高效工作．文獻(xiàn)[14]和[15]采用閉環(huán)進(jìn)行系統(tǒng)的頻率控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)頻率跟蹤．目前采用E類功率放大器的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在工作頻率點(diǎn)有效的諧振狀態(tài)運(yùn)行，在發(fā)射側(cè)和接收側(cè)都使用電容進(jìn)行了補(bǔ)償．

E類功率放大器工作在軟開(kāi)關(guān)條件，具有效率高的特點(diǎn)．一般需要根據(jù)負(fù)載的大小，進(jìn)行相應(yīng)的諧振電路元件設(shè)計(jì)．當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，諧振電路的諧振條件發(fā)生變化，可能使E類功率放大器工作在非軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)，效率降低．因此一般E類功率放大器在工作時(shí)，需要限制負(fù)載電阻變化范圍．

非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)包括發(fā)射線圈和接收線圈，發(fā)射線圈和接收線圈耦合系數(shù)較小，為獲得較大的傳輸功率和效率，發(fā)射側(cè)和接收側(cè)都要進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)在運(yùn)行時(shí)采用頻率跟蹤方法使系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)．一般采用的補(bǔ)償方式有串聯(lián)-串聯(lián)補(bǔ)償、串聯(lián)-并聯(lián)補(bǔ)償、并聯(lián)-串聯(lián)補(bǔ)償、并聯(lián)-并聯(lián)補(bǔ)償．不同形式的補(bǔ)償電路具有不同的特點(diǎn)，可以根據(jù)需要采用不同的補(bǔ)償方式．然而補(bǔ)償電路的存在使得系統(tǒng)變得復(fù)雜．當(dāng)需要較好的系統(tǒng)特性時(shí)，需要采用具有更多元件的高階補(bǔ)償電路，使得電路變得更加復(fù)雜，難以控制．

本文提出基于E類功率放大器的非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)，發(fā)射側(cè)和接收側(cè)無(wú)須進(jìn)行補(bǔ)償，元件數(shù)量顯著減少，使系統(tǒng)效率和可靠性得到顯著提高．

1 E類功率放大器工作原理

E類功率放大器電路如圖1所示，直流電感L0和電壓源Ui構(gòu)成一個(gè)電流源，開(kāi)關(guān)管為MOSFET，與開(kāi)關(guān)管Q并聯(lián)電容Cp，形成一個(gè)由Ls、Cs、Rl構(gòu)成的L-C-R諧振網(wǎng)絡(luò)．其中并聯(lián)電容Cp可以利用開(kāi)關(guān)管的漏源結(jié)電容實(shí)現(xiàn)．諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因數(shù)足夠大，負(fù)載電阻中電流io近似正弦．在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間，由于并聯(lián)電容Cp被短路，諧振網(wǎng)絡(luò)包括串聯(lián)電感Ls、串聯(lián)電容Cs和負(fù)載電阻Rl；開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)期間，諧振網(wǎng)絡(luò)則包含串聯(lián)電感Ls、串聯(lián)電容Cs、負(fù)載Rl和并聯(lián)電容Cp，等效電容Ceq為Cs和Cp的串聯(lián)電容．負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的特性由這兩種情況下的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)決定．

圖1 E類功率放大器原理圖

通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，可以使E類功率放大器在特定負(fù)載電阻下同時(shí)滿足零電壓(ZVS)條件和零電壓導(dǎo)數(shù)(ZDS)條件．ZVS條件保證漏源電壓為零；ZDS條件保證漏源電壓導(dǎo)數(shù)為零，也就是并聯(lián)電容電流為零．此時(shí)開(kāi)關(guān)管MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗達(dá)到最小，實(shí)現(xiàn)E類功率放大器的最優(yōu)設(shè)計(jì)，負(fù)載電阻為最佳負(fù)載電阻．當(dāng)負(fù)載電阻為最佳負(fù)載電阻時(shí)，同時(shí)滿足ZVS和ZDS條件；當(dāng)負(fù)載電阻小于最佳負(fù)載電阻時(shí)，可以滿足ZVS條件，但不滿足ZDS條件；當(dāng)負(fù)載電阻大于最佳負(fù)載電阻時(shí)，ZVS和ZDS條件都不滿足，因此E類功率放大器的效率最低．為實(shí)現(xiàn)E類功率放大器高效工作，要求負(fù)載電阻在變化時(shí)滿足小于最佳負(fù)載電阻．圖2給出了理想條件下的E類功率放大器MOSFET的柵極電壓ugs、漏極電流id、并聯(lián)電容Cp的電流ic和漏極電壓uds波形．圖2(a)為最佳負(fù)載電阻時(shí)的波形．圖2(b)為負(fù)載電阻小于最佳負(fù)載電阻條件下的波形．圖2(c)為負(fù)載電阻大于最佳負(fù)載電阻條件下的波形．

圖2 E類功率放大器不同負(fù)載電阻時(shí)的波形

2 新型非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)

本文提出的新型非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸(ICPT)系統(tǒng)如圖3所示．電壓源Ui和電感L0構(gòu)成電流型電源輸入級(jí)，開(kāi)關(guān)管Q、電容Cp、電容Cs和耦合電感的L1(發(fā)射線圈)組成E類功率放大器，其中負(fù)載電阻Rl并聯(lián)連接在耦合電感L2(接收線圈)的兩端．

圖3 基于E類功率放大器的非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)

Fig.3 Contactless ICPT system based on class E power amplifier

系統(tǒng)中，發(fā)射線圈L1和接收線圈L2采用耦合電感M模型，實(shí)現(xiàn)電能的非接觸傳輸．利用耦合電感的等效變壓器模型，將耦合電感M等效成理想變壓器T、漏感L1k和勵(lì)磁電感Lm三部分，如圖4所示．

圖4 負(fù)載理想變壓器等效電路

圖中的參數(shù)，變壓器變比n、勵(lì)磁電感Lm和漏感L1k分別為

(1)

Lm=k2L1

(2)

L1k=(1-k2)L1

(3)

將負(fù)載電阻Rl折算到理想變壓器的一次側(cè)，等效電路如圖5所示．折算后電阻Rl1=n2Rl．

圖5 負(fù)載電阻折算后的等效電路

隨后將勵(lì)磁電感和電阻并聯(lián)電路轉(zhuǎn)換成等效的串聯(lián)形式．電路如圖6所示．

其中，串聯(lián)電感Lms的串聯(lián)電阻Rls和感抗分別為

(4)

(5)

式中：XLm為圖5中勵(lì)磁電感的感抗．

圖6 并聯(lián)阻感電路的串聯(lián)等效電路

負(fù)載電阻Rl發(fā)生變化時(shí)，串聯(lián)等效電阻和串聯(lián)等效感抗也發(fā)生變化，變化趨勢(shì)如圖7所示．當(dāng)n2RlXLm時(shí)，串聯(lián)等效電阻Rls隨負(fù)載電阻Rl增加而減小，當(dāng)n2Rl=∞時(shí)達(dá)到最小值，此時(shí)Rls=0．串聯(lián)等效感抗XLms隨負(fù)載電阻Rl增加而增加，當(dāng)n2Rl=XLm時(shí)，XLms=0.5XLm；當(dāng)n2Rl=∞時(shí)達(dá)到最大值，此時(shí)XLms=XLm．

圖7 串聯(lián)等效電路的參數(shù)變化曲線

根據(jù)E類功率放大器的特點(diǎn)，負(fù)載電阻小于最佳負(fù)載電阻時(shí)，可以滿足ZVS條件，實(shí)現(xiàn)E類功率放大器的開(kāi)關(guān)元件的軟開(kāi)關(guān)．

本文提出的基于E類功率放大器非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)的等效電路如圖8所示．在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，使經(jīng)過(guò)等效后的負(fù)載電阻Rls的最大值為最佳負(fù)載電阻，即可以保證E類功率放大器的ZVS軟開(kāi)關(guān)條件．

等效電路中耦合電感的漏感L1k和等效串聯(lián)電感Lms共同作為E類功率放大器的諧振網(wǎng)絡(luò)電感．

電路參數(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程如下：(1)選定開(kāi)關(guān)頻率．(2)按照傳統(tǒng)E類功率放大器確定最大功率輸出時(shí)的電阻值．(3)根據(jù)系統(tǒng)的耦合電感參數(shù)及式(4)和式(5)確定Rls和Lms的大?。?4)確定E類功率放大器的其他參數(shù)．

圖8 非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)等效電路

3 仿真及實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真模型

給定開(kāi)關(guān)頻率100 kHz、電源電壓24 V及最大輸出功率100 W等具體要求，根據(jù)簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)過(guò)程，確定表1中的參數(shù)進(jìn)行仿真．仿真模型如圖9所示．

表1 仿真模型參數(shù)

圖9中下半部分為仿真電路原理圖，包括電源V1、開(kāi)關(guān)M1、并聯(lián)電容C1，E類功率放大器的諧振電容C2及耦合電感L1和L2．仿真結(jié)果波形在圖中上半部分，給出了負(fù)載電阻上的輸出電壓波形Voutput，近似正弦；開(kāi)關(guān)兩端的電壓Vcp電壓波形為半波，在開(kāi)關(guān)截止時(shí)電壓開(kāi)始上升，電壓下降到零之后，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通．改變負(fù)載電阻大小，得到不同電阻時(shí)的輸出電壓和功率，繪制曲線結(jié)果見(jiàn)圖10．負(fù)載電阻減小時(shí)，輸出電流增大，輸出電壓減小，輸出功率先增加、后減小，存在最大輸出功率．

圖9 非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)仿真模型及仿真結(jié)果波形

Fig.9 Simulation model and waveform of contactless ICPT system

圖10 系統(tǒng)輸出特性仿真結(jié)果

3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

根據(jù)仿真模型的參數(shù)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．

圖11給出了負(fù)載電阻7 Ω和330 Ω時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果．

圖中最下側(cè)波形(第1通道)為開(kāi)關(guān)兩端電壓波形，可以看到開(kāi)關(guān)在零電壓開(kāi)通；中間波形(第3通道)為負(fù)載電阻的電流；最上側(cè)波形(第4通道)為負(fù)載電阻的電壓．負(fù)載電阻電壓和電流存在相位差，是由于采用的大功率負(fù)載電阻為繞線型金屬絲電阻，較大的電感值導(dǎo)致電流滯后電壓一個(gè)角度，呈感性．

改變負(fù)載電阻大小，測(cè)量輸出電壓和輸出功率，繪制曲線如圖12所示．結(jié)果與仿真結(jié)果接近．

(a) Rl=7 Ω

(b)Rl=330 Ω

圖11 非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果波形

Fig.11 Experimental result waveform of contactless ICPT system

圖12 輸出特性曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)本文提出的新型基于E類功率放大器的非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)中的E類功率放大器，開(kāi)關(guān)元件少，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；

(2)除基本的E類功率放大器所需的諧振電感和電容，無(wú)需其他補(bǔ)償元件；

(3)系統(tǒng)可以在任何負(fù)載大小情況下實(shí)現(xiàn)E類功率放大器的零電壓軟開(kāi)關(guān)條件，實(shí)現(xiàn)電能的高效率傳輸；

(4)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率固定，開(kāi)環(huán)工作，無(wú)需閉環(huán)控制電路，簡(jiǎn)單可靠．

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ContactlessinductivecoupledpowertransfersystembasedonclassEpoweramplifier

MUXianmin*1,CHENXiyou1,JIAOHaikun1,ZHOUYuxiang2

(1.SchoolofElectricalEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China；2.CPIJilinNuclearPowerCo.,Ltd.,Changchun130000,China)

To improve the performance of contactless inductive coupled power transfer system, topology structure based on class E power amplifier is proposed. For transforming coupling inductance of the transmitting and the receiving coils, the leakage inductance of the transmitting coil is used as the class E power amplifier resonating unit, and the excitation inductance is used as the matching inductance of the converted load resistance. The equivalent load resistance is limited while the power is contactlessly transforming. The proposed topology structure is simple and no additional compensation network is required. The zero-voltage soft-switching conditions of class E power amplifier can be met while load resistance changing. Simulation and experimental results verify the feasibility of new topology structure circuit.

contactless power transfer; inductive couple; class E power amplifier; inverter circuit; zero-voltage soft-switching

1000-8608(2017)06-0644-06

TM724

A

10.7511/dllgxb201706014

2017-04-05；

2017-09-26．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61371026)；中電投吉林核電有限公司資助項(xiàng)目(2015-083-2HD-KJ-X).

牟憲民*(1973-)，男，博士，副教授，E-mail:muxm@dlut.edu.cn.