無線充電系統(tǒng)不對稱半橋反激PFC電路研究

邵明鋒

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

無線充電系統(tǒng)不對稱半橋反激PFC電路研究

邵明鋒

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

為了減輕無線充電過程中對電網(wǎng)造成的諧波污染，本文結(jié)合不對稱半橋變換器和反激變換器的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了無線充電系統(tǒng)不對稱半橋反激式PFC電路，分析了此新型PFC電路的工作原理以及實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的條件，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：不對稱半橋反激式PFC可實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS運(yùn)行，該電路使開關(guān)損耗明顯降低，降低了EMI，提高了無線充電設(shè)備的功率因數(shù)，降低了對電網(wǎng)的諧波污染。

電動汽車；無線充電；磁耦合諧振；不對稱半橋；反激式PFC；ZVS

電動汽車是以電能作為能源，通過電動機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為動能的裝置，并具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，所以電動汽車可作為解決能源短缺，環(huán)境污染等問題的有效途徑，并且得到了快速發(fā)展。目前電動汽車電池常見的充電方法是有線充電，即通過導(dǎo)線與電網(wǎng)電源相連接來獲得電能。這種充電方式不夠靈活，極易受到場地、環(huán)境、距離以及安全性等因素的限制。無線充電是一類新型的充電技術(shù)，可以將傳輸線圈埋于地下，不用導(dǎo)線將汽車與電源系統(tǒng)相連接，這樣就能夠有效減少電接觸磨損、雨水等造成的傷害。因此，無線充電不會出現(xiàn)電火花與漏電的危險(xiǎn)，無積塵和接觸耗損，維護(hù)簡單方便，受到越來越多專家學(xué)者的關(guān)注[1-2]。

隨著電力電子技術(shù)以及電源技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)的諧波污染也更加的嚴(yán)重，是以功率因數(shù)矯正技術(shù)（PFC）成為了時(shí)下的一個(gè)熱門研究課題。功率因數(shù)校正技術(shù)主要有兩種：無源PFC和有源PFC。無源功率因數(shù)校正是由電容和電感構(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò)來消除高次諧波以及無功補(bǔ)償，是一種被動的矯正方式。無源網(wǎng)絡(luò)雖然具有電路簡單，高效、可靠、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，但功率因數(shù)確難以較大提高。有源PFC技術(shù)是一種主動矯正方式，從上個(gè)世紀(jì)80年代以后，有源PFC技術(shù)得到了快速發(fā)展，此技術(shù)對功率因數(shù)的提高，諧波的抑制有很大的作用[3]。

傳統(tǒng)的反激變換器不但結(jié)構(gòu)簡單而且成本低廉。在電源設(shè)計(jì)中被多次使用，然則反激變換器的開關(guān)器件并非工作在軟開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，電磁干擾大，并不適合于大功率場合。不對稱半橋變換器是一種新的變換器，它具有的優(yōu)點(diǎn)是：效率高、EMI干擾小，但結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而且變壓器會因出現(xiàn)偏磁而導(dǎo)致?lián)p壞。不對稱半橋反激變換器把反激變換器和不對稱半橋變換器的優(yōu)點(diǎn)利用起來，利用隔直電容和變壓器漏感的諧振，使開關(guān)管運(yùn)行在ZVS，整流二極管工作在ZCS，降低了開關(guān)損耗和EMI，并且變壓器工作在反激狀態(tài)，不對稱半橋變換器克服了偏磁的缺點(diǎn)，所以不對稱半橋反激變換器受到了學(xué)者的廣泛研究。因此，把不對稱反激PFC應(yīng)用于電動汽車無線充電系統(tǒng)，將有利于提高充電設(shè)備的功率因數(shù)以及充電效率，還可以降低充電系統(tǒng)對電網(wǎng)的諧波污染[4-5]。

1 電動汽車無線充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

而今常用的無線充電方式主要有電磁感應(yīng)式、磁耦合諧振式、無線電波式[10]。目前最常用的是磁耦合諧振式無線能量傳輸，磁耦合諧振式無線能量傳輸方法的傳輸功率比電磁感應(yīng)方式小，但它的傳輸距離比電磁感應(yīng)式遠(yuǎn)很多，而且效率更高，在安放位置上不需初級發(fā)射線圈和次級接收線圈完全一致；與電波式能量傳輸方式相對比，其傳輸功率等級和傳輸效率更高，但傳輸距離短?？紤]到電動汽車無線充電的特點(diǎn)，車底盤距地面的距離一般在數(shù)十厘米上下，功率級別一般在千瓦級別，通過幾種方案的對比，磁耦合共振式無線能量傳輸方案十分符合設(shè)計(jì)的要求，因此采取磁耦合諧振式無線能量傳輸方案。磁場耦合諧振式無線能量傳輸方法對于開發(fā)新的充電方法有很大的幫助，采用這個(gè)方法，可以將傳輸線圈安裝在公路路面以下或者停車場地面下，為行駛中的電動汽車不停地補(bǔ)充電能，電動車停在停車場內(nèi)進(jìn)行電能補(bǔ)充。圖1為磁耦合共振式無線充電結(jié)構(gòu)框圖。它的工作原理是，交流電經(jīng)過電源管理系統(tǒng)整流為直流電，然后通過功率因數(shù)矯正環(huán)節(jié)，最后通過高頻逆變電路和功放電路產(chǎn)生高頻電磁場由發(fā)射線圈發(fā)出，接收線圈通過與發(fā)射線圈的耦合諧振獲得電能，再通過AC-DC整流降壓環(huán)節(jié)，再通過電池管理系統(tǒng)對動力電池進(jìn)行充電。

圖1 磁耦合共振式無線充電結(jié)構(gòu)框圖

2 無線充電系統(tǒng)不對稱半橋反激PFC電路設(shè)計(jì)分析

不對稱半橋反激PFC同時(shí)具有反激變換器和不對稱半橋變換器的優(yōu)點(diǎn)，利用電感Lm和電容Cr諧振，使原邊功率管工作在ZVS狀態(tài)，整流二極管工作于ZCS，極大地降低了開關(guān)損耗及電磁干擾，得到普遍應(yīng)用。圖2為無線充電系統(tǒng)不對稱半橋反激PFC 電路結(jié)構(gòu)圖[6-7，12]。

圖2 不對稱半橋反激式PFC電路結(jié)構(gòu)圖

由圖知，S1和S2為主功率開關(guān)管，變壓器一、二側(cè)匝數(shù)比為n，n1和n2。為了簡化分析，特作了以下的假定：1）所有器件均是理想器件，工作在電流連續(xù)模式。2）變壓器勵(lì)磁電感要遠(yuǎn)大于變壓器漏感，即Lm＞＞Lr。3）開關(guān)管的寄生電容不隨兩頭電壓變化而發(fā)生變化，可以認(rèn)定是恒定的。4）占空比 0＜D＜0.5。5）電容Cr，Co足夠大，兩端電壓認(rèn)為是恒定不變的。6）下面的分析對任意匝比都適用，所有分析對半波、全波整流（n1=n2）均適用。

2.1 工作過程分析

圖3給出了主要工作波形，下面主要分6個(gè)時(shí)間段進(jìn)行簡要分析[5-8，13]。

1）t0-t1段：S1在t0時(shí)導(dǎo)通。在這個(gè)時(shí)間段，二極管D1、D2、D3和S2均沒有導(dǎo)通，而D4導(dǎo)通。電壓Vm也逐漸下降但仍保持為正，所以電流Im是以較低的斜率逐漸增加的。在t1時(shí)，電壓Vp減小到0，電流Im上升到最大值，此時(shí)D3才開始導(dǎo)通。

圖3 不對稱半橋反激式PFC電路工作波形

2） t1-t2段： 在此階段中 D3、D4 導(dǎo)通，S1、S2 和Dl、D2關(guān)斷。S2寄生電容C2和電感Lr發(fā)生諧振，C2上的電壓開始以諧振方式連續(xù)減小。由于D3、D4導(dǎo)通，變壓器的副邊出現(xiàn)短路，電壓Vm和Vf為零，電流Im保持恒定不變。二極管D3電流不斷增加，D4電流不斷減小。因此折射到原邊的電流逐漸下降，在t2時(shí)下降為0。

3） t2-t3段： 在 t2時(shí) D3、D4 繼續(xù)導(dǎo)通，S1、S2 和D1、D2仍然截止。在這期間電壓Vm和Vf保持為零，電容C2和Lr繼續(xù)保持諧振。在t3時(shí)刻D4的電流全部轉(zhuǎn)移到D3，下降為零時(shí)自然關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)了ZCS，極大的減小了二極管的關(guān)斷損耗。

4）t3-t4段：在 t3時(shí) S1、S2、D1、D2 和 D4 截止，D3開通。此時(shí)電壓Vm為負(fù)，Im逐漸下降，電容C2連續(xù)線性放電。只要在開關(guān)管S2導(dǎo)通前C2電壓下降為零，D2就會導(dǎo)通，把開關(guān)管S2上的電壓保持在0 V，那么S2就能實(shí)現(xiàn)ZVS。

5）t4-t5段：當(dāng) t=t4時(shí)，S2 關(guān)斷，為了防止 S1，S2同時(shí)導(dǎo)通短路，變壓器一次側(cè)電流ir給C1放電，此時(shí)寄生電容C2電壓增加，變壓器初級側(cè)電流ir開始正向增加，在t5時(shí)，C1放電結(jié)束，Vs1下降到零。

6）t5-t6段：在t5時(shí)，寄生電容C1電壓減小到零，變壓器一次側(cè)電流開始通過二極管D1，同時(shí)一次側(cè)電流ir線性增加，在t6時(shí)，S1柵極加上驅(qū)動脈沖，S1導(dǎo)通，此時(shí)S1為ZVS導(dǎo)通。當(dāng)t6時(shí)，勵(lì)磁電感電流與漏感電流大小相等，二極管D3電流減小為零時(shí)關(guān)斷，顯然工作于ZCS狀態(tài)。

2.2 開關(guān)管ZVS實(shí)現(xiàn)條件分析

由階段5和階段6的分析可知，要使S1實(shí)現(xiàn)ZVS，變壓器漏感Lr必須足夠大，才會有足夠的能量，使寄生電容C1電壓從Vin減小到零，同時(shí)S2的寄生電容C2兩端電壓被充電到Vin，因此有：

即S1實(shí)現(xiàn)ZVS的條件是：

而由工作波形可以看出，當(dāng)t=t4時(shí)，得到：

從前面分析可知，整流二極管D3、D4都是在電流為零時(shí)自然關(guān)斷的，因此它們都能實(shí)現(xiàn)ZCS[8-9]。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，特利用MATLABSimulink搭建了仿真電路，并進(jìn)行了仿真分析[14-15]，部分參數(shù)如下：輸入電壓Vac=390 V，輸出電壓Vo=24 V，開關(guān)頻率為30 kHz，Lr=22 μH，Cr=40 μF，輸出濾波電容Co=2 000 μF，電阻性負(fù)載。圖4為功率開關(guān)管驅(qū)動波形以及DS兩端電壓波形，由圖可看出開關(guān)管S1，S2交替導(dǎo)通，為了防止兩管同時(shí)導(dǎo)通造成短路，中間留有相應(yīng)的死區(qū)時(shí)間，兩開關(guān)管均可實(shí)現(xiàn)ZVS。圖5為輸出電壓波形，從圖中可以看出，輸出電壓經(jīng)過一段時(shí)間的震蕩后保持恒定不變，系統(tǒng)功率因數(shù)大大提高。

圖4 開關(guān)管驅(qū)動波形及DS電壓波形

圖5 輸出電壓波形

4 結(jié)束語

文中首先對無線充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及電動汽車無線充電優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析闡述，結(jié)合反激變換器和不對稱半橋變換器各自的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了無線充電系統(tǒng)不對稱半橋反激式PFC電路，并利用MATLAB進(jìn)行了仿真分析。通過對電路工作原理及波形的分析得知，該電路在提高功率因數(shù)矯正的同時(shí)，減小了開關(guān)管的電壓應(yīng)力、實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)、降低了開關(guān)損耗、減小了EMI以及無線充電系統(tǒng)對電網(wǎng)的諧波污染。

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Research of wireless charging system asymmetrical half bridge flyback circuit on PFC

SHAO Ming-feng
（School of Internet of Things Engineering ，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

In order to reduce harmonic pollution to electric network in the process of wireless charging，this paper combines the flyback converter and the advantages of asymmetrical half bridge，designed an asymmetric half-bridge flyback type PFC circuit of the wireless charging system.working principle of PFC circuit and soft switching conditions are analyzed and simulation and experiment was built for verification.The experimental data shows that the asymmetrical half-bridge flyback type PFC can realize ZVS operation ，and this circuit made significantly lower switching loss，the EMI and the harmonic pollution to power network are reduced,the power factor of the wireless charging equipment are improved.

electric vehicles； wireless charging； magnetic coupling resonance；asymmetrical half bridge；flyback PFC;ZVS

TM461

A

1674－6236（2017）16-0158-04

2016-08-25稿件編號：201608196

邵明鋒（1989—），男，河南商丘人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。