基于單級(jí)AC/DC 脈沖激勵(lì)源的電容式無線輸電系統(tǒng)

李克喆，肖文勛

（華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣州 510000）

近年來，無線電能傳輸（WPT）領(lǐng)域的進(jìn)步是顯著的，無線電能傳輸摒棄使用笨重的電力線，借助空間中不可見的軟介質(zhì)（如磁場(chǎng)、電場(chǎng)、激光、微波等），通過無直接電連接的形式，實(shí)現(xiàn)了電能從能量發(fā)射端到能量接收端的傳輸，在電動(dòng)汽車、家用電器、醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。電容式無線輸電（CPT）系統(tǒng)是利用耦合電場(chǎng)傳輸能量的無線電能傳輸技術(shù)，CPT 系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如可以穿過金屬進(jìn)行傳導(dǎo)[1]，同時(shí)傳輸功率和數(shù)據(jù)[2-3]，具有出色的共模抑制[3]，提供電流隔離[4]，并且具有良好的信噪比性能。同時(shí)由于耦合極板可以使用金屬板和鋁箔等常用材料構(gòu)造，CPT 系統(tǒng)的建造成本非常低廉。

在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合中，往往只能直接獲取工頻交流電，這就需要用電力電子變換器將50/60 Hz 的工頻交流電變換為幾十kHz～MHz 的高頻交流電或直流脈沖，為CPT 系統(tǒng)提供高頻激勵(lì)源。傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式是將兩級(jí)變換器級(jí)聯(lián)，首先將工頻交流電整流成直流電，再通過逆變器或斬波變換器將直流電變換成高頻交流電或直流脈沖，這種方式容易控制輸入電流，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，但會(huì)使得變換器級(jí)聯(lián)數(shù)增加，系統(tǒng)的整體效率降低。大多數(shù)現(xiàn)有的對(duì)WPT 系統(tǒng)激勵(lì)源的研究集中在用于大功率場(chǎng)合的電壓型逆變器[5]、電流饋送逆變器[6]，以及用于MHz系統(tǒng)的E 類變換器[7]，和φ2類逆變器[8]。

近年來，AC/AC 變換器也受到了廣大研究人員的關(guān)注，其通過單級(jí)變換器，直接實(shí)現(xiàn)了工頻交流電到高頻交流電的變換。文獻(xiàn)[9]則通過變頻控制的方式實(shí)現(xiàn)AC/AC 變換，并控制所有開關(guān)器件工作于軟開關(guān)狀態(tài)，減少了開關(guān)損耗和電磁干擾；文獻(xiàn)[10]提出了一種應(yīng)用于雙向無線電能傳輸?shù)腁C/AC 變換器，實(shí)現(xiàn)了1 kW 的功率傳輸，整機(jī)效率達(dá)到89.6%。

本文提出了一種新型AC/DC 變換器，可以將工頻交流電直接變換成可為CPT 系統(tǒng)供電的高頻直流脈沖激勵(lì)。所提出的變換器僅包括2 個(gè)二極管和2 個(gè)開關(guān)管，使用較少的半導(dǎo)體和無源元件實(shí)現(xiàn)了零電壓開關(guān)和功率因數(shù)校正功能。

1 CPT 系統(tǒng)及脈沖激勵(lì)源工作原理

1.1 系統(tǒng)描述

基于單級(jí)AC/DC 脈沖激勵(lì)源的CPT 系統(tǒng)如圖1 所示，包括LC 濾波電路，兩開關(guān)單級(jí)AC/DC 脈沖激勵(lì)源，電容式無線電能傳輸機(jī)構(gòu)以及二極管整流橋與負(fù)載電阻。該AC/DC 變換器通過共用2 個(gè)開關(guān)管，集成了無橋圖騰柱PFC 電路與半橋電路，發(fā)出高頻脈沖波為CPT 系統(tǒng)提供高頻電源。無橋圖騰柱PFC 電路由電感Lb，二極管D1和D2，開關(guān)管S1和S2以及直流側(cè)電容Cd組成。后端將開關(guān)管S2的漏源級(jí)電壓作為CPT 系統(tǒng)所需要的高頻脈沖激勵(lì)，Cp1和Cp2為電容耦合極板等效電容，Lp1和Lp2為諧振補(bǔ)償電感。Co為輸出濾波電容，RL為負(fù)載電阻，uin為工頻交流電，Cf和Lf為工頻濾波電容和濾波電感。

圖1 基于單級(jí)AC/DC 脈沖激勵(lì)源的CPT 系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 CPT system topology based on single-stage AC/DC pulse excitation source

1.2 工作原理及分析

本文所提出的單級(jí)AC/DC 脈沖激勵(lì)源以工頻交流電壓作為輸入，以開關(guān)管S2的漏源極電壓作為輸出，為便于分析，將輸出端脈沖電壓命名為uso。所提出CPT 系統(tǒng)的時(shí)域運(yùn)行波形如圖2 所示，該CPT系統(tǒng)的簡(jiǎn)化等效拓?fù)淙鐖D3 所示。

圖2 系統(tǒng)在一個(gè)開關(guān)運(yùn)行周期內(nèi)的波形Fig.2 Waveforms of system during one switching operation cycle

圖3 CPT 系統(tǒng)等效拓?fù)銯ig.3 Equivalent topology of CPT system

模態(tài)1［t0-t1］：二極管D1和開關(guān)管S1正向?qū)?，工頻交流電通過D1和S1向電感Lb充電，由于開關(guān)管頻率遠(yuǎn)大于工頻交流電頻率，因此可認(rèn)為在一個(gè)開關(guān)管的工作周期內(nèi)輸入電壓保持不變，流經(jīng)電感Lb的電流iLb線性增大，如式（1）所示：

同時(shí)直流母線電容Cd通過開關(guān)管S1對(duì)CPT 諧振回路放電，流經(jīng)開關(guān)管S1電流為電感電流iLb與諧振電流iLp之和，即：

模態(tài)2［t1-t2］：t=t1時(shí)刻，開關(guān)管S1關(guān)斷，升壓電感電流iLb與諧振電流iLp同時(shí)對(duì)開關(guān)管S1的體電容CS1充電，而開關(guān)管S2的體電容CS2通過諧振電流iLp放電，當(dāng)電容的電壓uS2=0 時(shí)，模態(tài)2 結(jié)束。

模態(tài)3［t2-t3］：t=t2時(shí)刻，當(dāng)電容CS2的電壓uS2=0 時(shí)，開關(guān)管S2續(xù)流二極管DS2導(dǎo)通，開關(guān)管S2導(dǎo)通的驅(qū)動(dòng)信號(hào)被觸發(fā)，但由于二極管DS2的作用，開關(guān)管S2并未導(dǎo)通，流過電感Lb的電流持續(xù)減小，如式（3）所示：

流過二極管DS2的電流為

當(dāng)諧振電流iLp在t=t3時(shí)刻降低至0 時(shí)，模態(tài)3結(jié)束。

模態(tài)4［t3-t4］：t=t3時(shí)刻，諧振電流iLp減小至0，并開始下降為負(fù)值，開關(guān)管S2正向?qū)?，由于續(xù)流二極管DS2的鉗制作用，開關(guān)管S2實(shí)現(xiàn)ZVS，電感Lb通過電容Cd和諧振回路繼續(xù)放電，電感電流iLb繼續(xù)減小，當(dāng)iLb減小至0 時(shí)刻，模態(tài)4 結(jié)束。

模態(tài)5［t4-t5］：t=t4時(shí)刻，電感電流iLb降低至0，流經(jīng)開關(guān)管S2的電流與諧振電流iLp相等，即：

模態(tài)6［t5-t6］：t=t5時(shí)刻，開關(guān)管S2關(guān)斷，開關(guān)管S1的體電容CS1通過諧振電流iLp放電，而開關(guān)管S2的體電容CS2通過諧振電流iLp充電。當(dāng)體電容CS1的電壓uS1等于輸入電壓uac時(shí)，模態(tài)6 結(jié)束。

模態(tài)7［t6-t7］：t=t6時(shí)刻，電容CS1的電壓uS1等于輸入電壓uac并繼續(xù)減小，二極管D1導(dǎo)通，電感Lb開始吸收能量，在t=t7時(shí)刻，uS1降低至0，模態(tài)7結(jié)束。

模態(tài)8［t7-t8］：t=t7時(shí)刻，uS1降低至0，續(xù)流二極管DS1導(dǎo)通，開關(guān)管S1的導(dǎo)通信號(hào)被觸發(fā)，但由于續(xù)流二極管DS1的作用，開關(guān)管S1并未導(dǎo)通。電感Lb繼續(xù)吸收能量，電流iLb線性增大，如式（6）所示：

當(dāng)諧振電流iLp由負(fù)變?yōu)? 時(shí)，模態(tài)8 結(jié)束。

t=t8時(shí)刻，諧振電流iLp變?yōu)?，并繼續(xù)增大為正值，開關(guān)管S1正向?qū)ǎ到y(tǒng)模態(tài)回到模態(tài)1，在整個(gè)工頻電源正半周期，系統(tǒng)將重復(fù)上述工作狀態(tài)。在工頻電源的負(fù)半周期，工作狀態(tài)與上述分析類似。

2 單級(jí)AC/DC 脈沖激勵(lì)源的輸入功率因數(shù)校正方法

為了實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能，需要在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)將電感電流從0 增加到峰值，然后從峰值降低到0。由于系統(tǒng)開關(guān)使用恒定占空比，因此需要在固定占空比下將電感電流降低至0。

由于CPT 諧振模塊等同于連接到前級(jí)單級(jí)AC/DC 變換器的負(fù)載，為了方便解釋PFC 的實(shí)現(xiàn)，將后端的CPT 諧振模塊簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)換為阻性負(fù)載。以工頻電源正半周期為例，當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷時(shí)，電感電流和輸入工頻電壓之間的關(guān)系為

式中：iLb為電感電流；uLb為電感 電壓；Ts為開關(guān)周期；D1為電感電流增加至峰值時(shí)的占空比；iLbpeak為電感電流的峰值。由式（7）可以得到電感電流峰值表達(dá)式為

式中：fs為開關(guān)頻率。

當(dāng)開關(guān)管S2導(dǎo)通，S1關(guān)斷時(shí)。前端電感電流與輸入電壓的關(guān)系為

式中：D2是電感電流由峰值降低至0 時(shí)的占空比。由式（9）可以推得：

由式（8）和式（10）可以得到：

其中：uac=Umsinωt。

由上述等式可知，為保證PFC 功能的實(shí)現(xiàn)，則有：

即：

簡(jiǎn)化公式（13），可以得到：

當(dāng)D1=0.5 時(shí)，uCd＞2Umsinωt，式（14）表明，當(dāng)直流母線電容電壓大于輸入工頻電壓峰值的2 倍時(shí)，可以保證PFC 功能的實(shí)現(xiàn)，即：

該過程可以理解為，當(dāng)電感電流上升時(shí)，電流變化斜率可以寫作：

當(dāng)電感電流下降時(shí)，電流變化斜率可以寫作：

為保證PFC 可以實(shí)現(xiàn)，應(yīng)保證K1＜-K2，即式（15）成立。此時(shí)電感Lb工作在DCM 模式，利用電感的伏秒平衡關(guān)系，可以推導(dǎo)出通過電感Lb的平均電流表達(dá)式：

式中：ton為電感電流上升時(shí)間；toff為電感電流下降時(shí)間。

為確保PFC 模塊的正常工作，應(yīng)調(diào)整UCd來減小電感電流，影響UCd大小的其他關(guān)系是在工頻電壓的正半周期內(nèi)，每個(gè)開關(guān)信號(hào)的平均輸入功率為

式中：N=T/2Ts，T 為工頻周期。

根據(jù)式（8）和式（11），將iLbpeak和D2分別替換入式（19），可以得到：

由于開關(guān)周期遠(yuǎn)小于工頻周期，式（20）可以表示為

因此，該變換器的功率因數(shù)可以表示為

由式（22）可以看到，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，系統(tǒng)功率因數(shù)只與工頻電壓峰值對(duì)直流母線電壓的比值相關(guān)。

由于直流母線電容Cd在開關(guān)管S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷的狀態(tài)下向負(fù)載提供能量，根據(jù)基波分析法，輸出功率可以表示為

當(dāng)假設(shè)系統(tǒng)無損耗，效率為1 時(shí)，即Pin=Pout，由式（21）和式（23）則可以推導(dǎo)出：

由式（24）可以看到，在負(fù)載Re和開關(guān)頻率fs恒定的情況下，若保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PFC 功能，需要UCd＞2Um，當(dāng)D1=0.5 時(shí)，電感Lb的最大臨界值為

因此，在實(shí)際操作中需要應(yīng)用小于臨界值的電感。

另外，為保證變換器開關(guān)管工作在ZVS 情況下，應(yīng)將純阻性負(fù)載看作弱感性阻抗，因此對(duì)于上述理論分析，需將式（23）替換為

式中：Z＝Re+jX，，同理適用于對(duì)臨界電感Lb的分析。

3 CPT 傳輸特性

補(bǔ)償結(jié)構(gòu)是CPT 系統(tǒng)的重要組成部分，它起著補(bǔ)償耦合機(jī)構(gòu)容性無功，構(gòu)成諧振回路以提高功率因數(shù)，提高系統(tǒng)傳輸效率等重要作用。本文所提出的電容式無線電能傳輸系統(tǒng)采用串聯(lián)-串聯(lián)（SS）補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，是CPT 系統(tǒng)的一種基本補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。對(duì)于水平四極板結(jié)構(gòu)，在兩對(duì)極板水平距離較遠(yuǎn)時(shí)，為簡(jiǎn)化分析，忽略極板間較小電容的影響，僅考慮耦合極板的等效自電容，其等效模型如圖4 所示，其中，USO為脈沖激勵(lì)方波。

圖4 串聯(lián)-串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的CPT 等效模型Fig.4 CPT equivalent model for series-tandem compensation structure

由圖4，輸入阻抗Zin為

當(dāng)系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)，且極板等效電容相等，即，Cp1=Cp2=Cp時(shí)，系統(tǒng)輸入阻抗呈純阻性，補(bǔ)償電感滿足：

為實(shí)現(xiàn)開關(guān)管ZVS，輸入阻抗為弱感性，補(bǔ)償電感應(yīng)略大于完全諧振時(shí)的電感值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證所提變換器的功能，建立了功率為25 W的CPT 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖5 所示。根據(jù)式（21）計(jì)算得電感Lb的臨界值約為24 μH，取值為22 μH。其它各項(xiàng)參數(shù)如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Experimental parameters

輸入電壓、輸入電流與電感電流的波形如圖6所示，輸入電壓與輸入電流波形穩(wěn)定且相位基本一致，電感電流包絡(luò)線為正弦，系統(tǒng)功率因數(shù)達(dá)到0.983，驗(yàn)證了系統(tǒng)的PFC 功能。

圖6 系統(tǒng)功率因數(shù)校正波形Fig.6 Waveform for power factor correction

開關(guān)管S1和S2的驅(qū)動(dòng)電壓與漏源極電壓的波形如圖7 所示，由圖可知2 個(gè)開關(guān)管同時(shí)實(shí)現(xiàn)了零電壓導(dǎo)通，驗(yàn)證了系統(tǒng)的軟開關(guān)功能。

圖7 零電壓開關(guān)波形Fig.7 Waveform of zero voltage switch

CPT 機(jī)構(gòu)輸入脈沖激勵(lì)電壓、輸入端電流與接收端的電流波形如圖8 所示，電能通過電容耦合極板進(jìn)行傳輸，驗(yàn)證了所提出的AC/DC 脈沖激勵(lì)源變換器在CPT 系統(tǒng)中的有效性。

圖8 CPT 系統(tǒng)輸入端與接收端波形Fig.8 Waveforms at the input and receiver of CPT system

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于兩開關(guān)AC/DC 脈沖激勵(lì)源的電容式無線電能傳輸系統(tǒng)，與傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換電路相比，所提出的轉(zhuǎn)換電路具有以下特點(diǎn)：將兩級(jí)變換集成在一起共用2 個(gè)開關(guān)管，減少了功率器件的數(shù)量；通過實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管的ZVS 降低了開關(guān)損耗；系統(tǒng)通過PFC 環(huán)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)。本文介紹了電路工作原理與設(shè)計(jì)過程，對(duì)功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)分析。最后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了所提出的變換器在電容式無線電能傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性和有效性。