感應供電系統(tǒng)的設計

閆大鵬，文珊珊，林名潤，杜明俊，梁 宇，王 杰

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245）

感應電能傳輸（IPT）技術基于法拉第電磁感應原理，可借助于電磁場進行能量傳輸。傳輸系統(tǒng)中原邊側線圈受交變電流的激發(fā)產生交變磁場，副邊側線圈在交變磁場中感應出交變電壓，由此將電能從原邊側傳送給副邊側，從而實現(xiàn)了電能的無線傳輸。此技術相比傳統(tǒng)供電方式有完全電氣隔離、安全、可靠等諸多優(yōu)點，例如可在水下和易燃易爆等特殊環(huán)境中應用，避免漏電、電弧或電火花等所引起的安全隱患，保證了電能供應的可靠性。

1 IPT系統(tǒng)結構圖

IPT系統(tǒng)結構如圖1所示，系統(tǒng)由原邊側能量發(fā)射部分與副邊側能量接收部分組成。原邊側功率變換部分對電源發(fā)出的直流電進行逆變，將逆變得到的高頻交變電流通入發(fā)射線圈，激發(fā)出交變磁場，根據(jù)法拉第電磁感性定律，副邊側接收線圈將通過磁場耦合感應出交變電壓，再經(jīng)功率變換部分后得到滿足要求的電能，從而實現(xiàn)對負載的供電。

圖1 IPT系統(tǒng)結構圖

2 系統(tǒng)電路拓撲結構

原邊側高頻逆變部分可分電壓型逆變與電流型逆變兩種，電流型逆變有低電磁干擾（EMI）、易實現(xiàn)柔性狀態(tài)切換等諸多優(yōu)點，本方案功率變換部分即采用電流型逆變結構。線圈與電容構成的并聯(lián)諧振網(wǎng)絡具有限流能力強、短路保護可靠的特點，常與電流型逆變電路相連接，組成能量發(fā)射機構。線圈與電容構成的串聯(lián)諧振網(wǎng)絡可保證較大的輸出功率與較好的恒頻恒壓特性，因此，將其應用在副邊能量接收機構中。

整個系統(tǒng)的拓撲結構如圖2所示。在原邊側，恒壓源Edc與大電感Ldc構成準電流源；MOS管VT1～VT4構成高頻逆變橋；Cp和Lp構成原邊側發(fā)射端并聯(lián)諧振回路；CS和LS構成副邊側接收端串聯(lián)諧振回路；在此結構中為簡化分析，將整流濾波環(huán)節(jié)與負載等效為一電阻負載Req.

圖2 系統(tǒng)拓撲結構圖

3 具有軟開關特性的系統(tǒng)設計方法

頻閃映射方法是一種離散映射建模方法，即以某一頻率對目標系統(tǒng)進行采樣，通常該頻率與系統(tǒng)工作頻率相同。如果目標系統(tǒng)狀態(tài)呈周期變化，其頻閃模型必然對應為一個不動點。

將表達式為=f（x）的非線性系統(tǒng)分段線性化為k個線性模態(tài)，各模態(tài)的狀態(tài)空間描述為：

式（1）中：x為系統(tǒng)向量，ui為系統(tǒng)輸入向量，Ai為系統(tǒng)狀態(tài)系數(shù)矩陣，Bi為系統(tǒng)輸入系數(shù)矩陣。

對式（1）進行整理可得系統(tǒng)狀態(tài)的時間映射函數(shù)：

設穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)運行周期為T，各線性模態(tài)的工作時間為ξi，即：

由此可得各模態(tài)下的狀態(tài)映射函數(shù)：

假設xn為體統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的周期初始狀態(tài)，xn+1為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時周期結束狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)的狀態(tài)向量周期性重復，則xn+1=xn.

由此可得系統(tǒng)周期不動點x*為：

式（5）中：○為復合映射算子，含義為f○g（t）=f[g（t）]。各模態(tài)切換邊界條件為：

式（6）中：Yj（j=1，2，…，k）為狀態(tài)選擇矩陣，用來將邊界條件涉及到的某個狀態(tài)變量從狀態(tài)向量x中提取出來。

對于圖2中的電路，系統(tǒng)軟開關工作條件為開關瞬間，開關管漏源極兩端的電壓為0，即0電壓開關。對圖2中電路建模，利用上述方法通過狀態(tài)選擇矩陣提取出電容Cp的電壓?？芍谲涢_關狀態(tài)下，開關管兩端的電壓也為0，則同時該電容電壓也應為0，即利用式（6）提取出電容Cp的電壓，令該量為0.如果把周期T看作變量，由此則可計算出所有可實現(xiàn)軟開關的周期值Ti（i=1，2，…，k）。為了保證系統(tǒng)功率傳輸能力，選取其中最大軟開關周期Tmax，進而可推算出各元器件參數(shù)值。

根據(jù)要求系統(tǒng)輸入電壓為24 V，所帶負載的額定電壓與額定功率分別為12 V與4 W。利用上述方法，結合系統(tǒng)應用環(huán)境下結構尺寸的限定條件，設計出系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。對系統(tǒng)性能進行測試，結果如圖3所示。

表1 IPT系統(tǒng)實驗參數(shù)

圖3 IPT系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電壓電流波形

由圖3可見，諧振腔輸入電壓up與原邊側電感電流iLp呈正弦波形，相位角相差90°，原邊側電感與電容達諧振狀態(tài)，在開關管驅動高低電平切換瞬間，up波形過0，開關管完成通斷切換，說明開關管工作在ZVS狀態(tài)。

4 結束語

本文介紹了頻閃映射建模方法和周期不動點理論，由此總結出一種系統(tǒng)軟開關工作點的計算方法，根據(jù)輸入輸出要求設計了一款IPT供電系統(tǒng)，實驗結果可驗證設計參數(shù)的正確性。

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