無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)全橋逆變器性能優(yōu)化研究

摘 "要： 針對(duì)無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)中全橋逆變器開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷存在振鈴，能量傳輸波形紋波大，導(dǎo)致逆變器溫升大和工作不穩(wěn)定的問(wèn)題，進(jìn)行了電路建模分析，開(kāi)展了全橋逆變器性能優(yōu)化研究。首先，對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了簡(jiǎn)化，建立了RLC串聯(lián)諧振電路模型，分析了驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)逆變器性能的影響規(guī)律，得出了優(yōu)化方法；其次，分析了逆變器紋波大的問(wèn)題，給出了優(yōu)化方法；最后，搭建了300 W無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化方法的正確性和有效性，逆變器性能得到了改善，溫升得到了有效控制，系統(tǒng)傳輸效率提高了5.3%，整機(jī)效率達(dá)到了89.3%。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線(xiàn)電能傳輸； 全橋逆變器； 紋波抑制； 串聯(lián)諧振電路； RLC電路； 開(kāi)關(guān)管

中圖分類(lèi)號(hào)： TN751.3?34； TM724 " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）18?0089?06

Research on performance optimization of full?bridge inverter in WPT system

LIU Suqi， YAN Xueying， LIU Yuping

（School of Mechanical and Electrical Engineering， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： In order to solve the problems of ringing in the turn?on and turn?off of switching tube of full?bridge inverter in wireless power transfer （WPT） system and large ripple in the energy transmission waveform， which lead to high temperature rise and unstable operation of the inverter， the circuit modeling analysis is carried out， and the performance optimization of full?bridge inverter is carried out. The driving circuit of the inverter switching tube is simplified， an RLC series resonant circuit model is established， and the influence of driving circuit structural parameters on inverter performance is analyzed， so that the optimization method is derived. The problem of large ripple in inverter is analyzed to provide the optimization method. In the end， A 300 W WPT system was built， and the correctness and effectiveness of the optimization method were verified by experiments. The inverter performance is improved， the temperature rise is controlled effectively， the system transfer efficiency is increased by 5.3%， and the overall efficiency can reach 89.3%.

Keywords： wireless power transfer; full?bridge inverter; ripple suppression; series resonant circuit; RLC circuit; switching tube

0 "引 "言

無(wú)線(xiàn)電能傳輸（Wireless Power Transfer， WPT）技術(shù)是用電設(shè)備以非接觸方式從電源獲取能量的一項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電源和用電設(shè)備的完全電氣隔離，傳輸過(guò)程安全可靠、靈活度高，為人類(lèi)擺脫電線(xiàn)束縛提供了可能[1?5]。2007年美國(guó)麻省理工學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)突破性地提出了磁耦合諧振式WPT技術(shù)[1]，開(kāi)啟了磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)電能傳輸技術(shù)研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在理論建模[6?7]、性能優(yōu)化[8?9]、傳輸特性[10?13]、多線(xiàn)圈振動(dòng)機(jī)理[14?15]等多方面展開(kāi)了研究，該技術(shù)經(jīng)過(guò)十多年發(fā)展，在理論研究和技術(shù)應(yīng)用上取得了長(zhǎng)足發(fā)展。

在性能優(yōu)化方面，文獻(xiàn)[16]針對(duì)串聯(lián)?串聯(lián)拓?fù)涞臒o(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)隨著工作頻率的提高，開(kāi)關(guān)器件會(huì)產(chǎn)生較大的硬開(kāi)關(guān)損耗，導(dǎo)致該系統(tǒng)傳輸效率下降的問(wèn)題，提出一種實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的全橋變換器，并分析諧振網(wǎng)絡(luò)中補(bǔ)償方式特性，計(jì)算開(kāi)關(guān)器件的輸出電容，給出軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)條件和死區(qū)時(shí)間設(shè)計(jì)，使得整機(jī)傳輸效率提升了4.9%。文獻(xiàn)[17]為了降低系統(tǒng)接收端的復(fù)雜度且控制輸出，并解決現(xiàn)有控制方法存在的非阻性阻抗下效率低、控制策略設(shè)計(jì)復(fù)雜等問(wèn)題，提出了次級(jí)改進(jìn)型有源整流控制策略，降低了開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗及開(kāi)關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)了效率優(yōu)化。文獻(xiàn)[8]針對(duì)多線(xiàn)圈的單管無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)，提出一種P#型LCC?S補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和輸入電流紋波抑制方法，以改善輸入電流波形，降低輸入電流THD及紋波，從而提高系統(tǒng)效率。文獻(xiàn)[18]針對(duì)目前無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出了一種隔直型拓?fù)洳⒙?lián)無(wú)線(xiàn)電能傳輸發(fā)射端電路。該系統(tǒng)發(fā)射端采用隔直型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)抑制輸入端電流沖擊和突變，并且通過(guò)移相的方式改善輸入電流紋波，進(jìn)而提高系統(tǒng)效率，減小系統(tǒng)靜耗和電流振蕩對(duì)電源側(cè)的損耗。

以上研究主要集中在理論分析方面，在改善傳輸特性、提高傳輸效率等方面做了較多工作，取得了較多成果。對(duì)于電能變換器，特別是高頻逆變器來(lái)說(shuō)，減少損耗、改善傳輸性能是提高效率的主要途徑。為此，本文開(kāi)展全橋逆變器性能優(yōu)化研究，目的是揭示影響逆變器性能的關(guān)鍵參數(shù)并獲得優(yōu)化方法，為設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)提供理論和技術(shù)依據(jù)。

首先，對(duì)逆變器開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了簡(jiǎn)化，建立了RLC串聯(lián)諧振電路模型，分析了電路結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)逆變器性能的影響規(guī)律；其次，分析了逆變器紋波大的問(wèn)題，給出了優(yōu)化方法；最后，搭建了300 W的無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)，驗(yàn)證了優(yōu)化方法的正確性和有效性。

1 "全橋逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化及電路建模分析

1.1 "全橋逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

本文以一個(gè)全橋逆變串聯(lián)諧振電路構(gòu)成的WPT系統(tǒng)為對(duì)象進(jìn)行分析，諧振回路采用串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖中，Vdc為直流電壓源；Q1、Q2、Q3和Q4為全橋逆變器開(kāi)關(guān)管；D1、D2、D3和D4為體二極管；i1、i2分別為初級(jí)、次級(jí)線(xiàn)圈回路高頻電流；L1、L2分別為初級(jí)、次級(jí)線(xiàn)圈電感；C1、C2分別為初級(jí)、次級(jí)線(xiàn)圈等效電容；R1為初級(jí)線(xiàn)圈的損耗電阻和輻射電阻之和；R2為次級(jí)線(xiàn)圈的損耗電阻和輻射電阻之和；RL為負(fù)載電阻；UL為負(fù)載電壓；M1為初級(jí)、次級(jí)線(xiàn)圈間互感。

全橋逆變器中的開(kāi)關(guān)管一般采用開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)IC進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)IC需通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接到開(kāi)關(guān)管的柵極，但由于布線(xiàn)的原因，導(dǎo)線(xiàn)存在分布電阻、寄生電感以及開(kāi)關(guān)管的寄生電容，其簡(jiǎn)化后的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。其中，R為驅(qū)動(dòng)電阻和PCB線(xiàn)路分布電阻之和；L為PCB線(xiàn)路寄生電感；C為開(kāi)關(guān)管寄生電容；Qn為全橋逆變開(kāi)關(guān)管的任意一支；Dn為體二極管。

這些參數(shù)的存在，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)IC輸出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)到達(dá)開(kāi)關(guān)管的柵極，不是純正的PWM信號(hào)；其次，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷可能出現(xiàn)振鈴和過(guò)沖現(xiàn)象，致使開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)功耗增大。

對(duì)圖2作進(jìn)一步等效，可等效為如圖3所示的等效電路，其中，ui（t）為等效電路的輸入信號(hào)，即開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)IC輸出的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，是一階躍信號(hào)；uo（t）為等效電路的輸出信號(hào)，即開(kāi)關(guān)管柵極控制信號(hào)；i（t）為等效電路回路電流。

1.2 "電路建模分析

如圖3所示，根據(jù)基爾霍夫電壓定律（KVL），可建立如下公式：

[ui（t）=i（t）R+Ldi（t）dt+1Ci（t）dtuo（t）=1Ci（t）dt] （1）

對(duì)式（1）進(jìn)行拉普拉斯變換，可得：

[ui（s）=RI（s）+LsI（s）+1CsI（s）uo（s）=1CsI（s）] （2）

消去[I（s）]，可得[ui（s）=（LCs2+RCs+1）uo（s）]，則傳遞函數(shù)為：

[G（s）=uo（s）ui（s）=1LCs2+RCs+1 " " " " "=ω2ns2+2ζωns+ω2n] （3）

該式為一典型二階系統(tǒng)。其中： ωn為系統(tǒng)固有頻率，[ωn=1LC]；ζ為阻尼系數(shù)，[ζ=12RCL]。

開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)IC輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為一非單位階躍信號(hào)，為了便于分析，使用單位階躍信號(hào)進(jìn)行分析，同理，可分析出非單位階躍信號(hào)響應(yīng)結(jié)果。下面根據(jù)阻尼系數(shù)ζ進(jìn)行分類(lèi)，開(kāi)展建模特性分析。

1） 欠阻尼

當(dāng)0lt;ζlt;1時(shí)，為欠阻尼。此時(shí)二階系統(tǒng)的極點(diǎn)為一對(duì)共軛復(fù)根，若為單位階躍輸入信號(hào)xi（t）=1（t），則時(shí)域響應(yīng)方程為：

[uo（t）=1-e-ζωnt1-ζ2sinωdt+arctan1-ζ2ζ·1（t）] （4）

式中[ωd=ωn1-ζ2]。欠阻尼系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖4所示。

由圖4可知，隨著ζ的減小，系統(tǒng)振蕩幅度加大，即驅(qū)動(dòng)電阻R和寄生電容減小、PCB線(xiàn)路寄生電感增大，則振蕩幅度加大?？傊纷枘崆闆r下，電路一定會(huì)發(fā)生振蕩。

2） 零阻尼

當(dāng)ζ=0時(shí)，為零阻尼。此時(shí)二階系統(tǒng)的極點(diǎn)為一對(duì)共軛虛根，若為單位階躍輸入信號(hào)xi（t）=1（t），則時(shí)域響應(yīng)方程為：

[uo（t）=（1-cosωnt）·1（t）] （5）

零阻尼系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖5所示。由圖可知，系統(tǒng)為無(wú)阻尼等幅振蕩。

3） 臨界阻尼

當(dāng)ζ=1時(shí)，為臨界阻尼。此時(shí)二階系統(tǒng)的極點(diǎn)為二重實(shí)根，若為單位階躍輸入信號(hào)xi（t）=1（t），則時(shí)域響應(yīng)方程為：

[uo（t）=（1-ωnte-ωnt-e-ωnt）·1（t）] （6）

臨界阻尼系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖6所示，由圖可知，系統(tǒng)沒(méi)有超調(diào)。

4） 過(guò)阻尼

當(dāng)ζgt;1時(shí)，為過(guò)阻尼。此時(shí)二階系統(tǒng)的極點(diǎn)為2個(gè)負(fù)實(shí)根，若為單位階躍輸入信號(hào)xi（t）=1（t），則時(shí)域響應(yīng)方程為：

[uo（t）=1-12（-ζ2+ζζ2-1+1）e-（ζ-ζ2-1）ωnt- " "12（-ζ2-ζζ2-1+1）e-（ζ+ζ2-1）ωnt·1（t）] "（7）

過(guò)阻尼系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)如圖7所示。由圖可知，系統(tǒng)沒(méi)有超調(diào)，不會(huì)發(fā)生振蕩，但過(guò)渡時(shí)間較長(zhǎng)。

綜上所述，根據(jù)阻尼系數(shù)[ζ=RCL2]不同取值下的分析結(jié)果，可得出以下結(jié)論。

1） 對(duì)于一個(gè)確定的電路，分布電阻、寄生電感和寄生電容是一定的，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩時(shí)，由阻尼系數(shù)ζ的定義可知，增大驅(qū)動(dòng)電阻可減少甚至消除振蕩，一般選擇一個(gè)接近臨界阻尼的阻值來(lái)解決。

2） PCB設(shè)計(jì)時(shí)，減小PCB走線(xiàn)寄生電感，即增加阻尼系數(shù)值，使其值接近于臨界阻尼值。

3） 在開(kāi)關(guān)管的G、S極間并聯(lián)一個(gè)匹配電容，即增加阻尼系數(shù)值，使其值接近于臨界阻尼值。

總之，阻尼系數(shù)過(guò)小，易于在開(kāi)關(guān)管的柵極端出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象；其次，阻尼系數(shù)過(guò)大，階躍信號(hào)的上升沿過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)，上升緩慢。因此，需要調(diào)節(jié)電路參數(shù)，得到一個(gè)合適的阻尼系數(shù)。

2 "逆變器紋波分析及性能優(yōu)化

直流電源經(jīng)普通電解電容濾波后加載到逆變器，逆變器工作時(shí)方波紋波增大，變成尖峰，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的波形如圖8、圖9所示。隨著收、發(fā)線(xiàn)圈間的耦合距離增加，尖峰幅值增大；其次，隨著工作時(shí)間增加，普通電解電容發(fā)熱嚴(yán)重，給逆變器正常運(yùn)行帶來(lái)了安全隱患。

本文對(duì)逆變器紋波進(jìn)行分析，建立了普通電解電容等效電路圖，如圖10所示。因普通電解電容容易發(fā)生漏電，電容內(nèi)阻大，致使普通電解電容發(fā)熱嚴(yán)重；其次，普通濾波電容不適合高頻濾波，濾波效果差；再次，全橋逆變器是將直流逆變成高頻交流，隨著耦合距離的增加，尖峰越大，普通電容無(wú)法完成高頻濾波。圖中：Rc是漏電阻；Ln是寄生電感；Rn是其他原因引起的損耗電阻；C為電容。

綜上所述，逆變器存在紋波較大的問(wèn)題，有以下優(yōu)化方法。

1） 選用高頻通信領(lǐng)域使用的大容量、高頻、低阻、長(zhǎng)壽命和耐高溫電解電容，作為逆變器高頻逆變的濾波電容。

2） 選用電容量和介質(zhì)損耗穩(wěn)定、受溫度影響小的NPO電容，作為逆變器中諧波成分濾波電容。

3 "實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證優(yōu)化方法的正確性和有效性，搭建了如圖11所示的300 W無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)，測(cè)試儀器及相關(guān)設(shè)備主要包括TH2827A電橋分析儀、紅外熱成像儀、P6022電流探頭和DS1054數(shù)字示波器。WPT系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

當(dāng)無(wú)線(xiàn)電能傳輸系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，利用紅外熱成像儀測(cè)量了發(fā)射端的溫度圖像，如圖12所示，逆變器的4個(gè)開(kāi)關(guān)管和電源輸入端的2顆普通電解電容溫升明顯，達(dá)到了90.8 ℃；其次，利用示波器測(cè)量了開(kāi)關(guān)管的柵極信號(hào)，如圖13所示，出現(xiàn)了理論分析的欠阻尼時(shí)的衰減振蕩，即振鈴衰減振蕩。針對(duì)以上問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，本文開(kāi)展了兩方面的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。

1） 對(duì)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)果如圖14所示。選取了合適柵極驅(qū)動(dòng)電阻R2、R5、R7與R10，阻值為5 Ω；其次，增加了開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的電流釋放回路，分別是D1與R1、D2與R4、D3與R6、D4與R9；在上管的柵極并聯(lián)了一個(gè)10 kΩ的電阻，分別是R3、R8。在下管的柵極并聯(lián)了一個(gè)102電容，分別是C5、C10。優(yōu)化后測(cè)量了開(kāi)關(guān)管的柵極信號(hào)，其結(jié)果如圖15所示，圖中信號(hào)未出現(xiàn)衰減振蕩，信號(hào)質(zhì)量明顯改善。

2） 如圖14所示，對(duì)電源輸入端的2顆普通電解電容進(jìn)行了更換，選用了2顆Rubycon YXF系列的63 V 1 000 μF高頻、低阻、長(zhǎng)壽命、耐高溫電容進(jìn)行紋波濾波，分別是C1、C6；其次，增加了6顆NPO電容，對(duì)高頻諧波進(jìn)行濾波，分別是C2、C3、C4、C7、C8、C9。優(yōu)化后，能量波形平滑，不再出現(xiàn)尖峰。

本文對(duì)優(yōu)化前后的傳輸效率進(jìn)行分析，得到優(yōu)化后的傳輸效率提高5.3%，整機(jī)效率達(dá)到89.3%；其次，分析優(yōu)化前后的逆變器溫度圖像和濾波電容的溫度圖像，得出優(yōu)化后的溫度維持在56 ℃，溫度得到了有效控制。

綜上所述，本文的理論建模、分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所得出的優(yōu)化方法是正確和有效的，逆變器性能得到了改善，溫度得到了有效控制，系統(tǒng)傳輸效率提高了5.3%，整機(jī)效率達(dá)到了89.3%。

優(yōu)化后的逆變器如圖16所示。

4 "結(jié) "論

1） 選取合適的調(diào)節(jié)電路參數(shù)，得到一個(gè)合適的阻尼系數(shù)，避免阻尼系數(shù)過(guò)小，造成開(kāi)關(guān)管的柵極端出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象；其次，避免阻尼系數(shù)過(guò)大，階躍信號(hào)的上升沿過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)，上升緩慢。

2） 選用大容量、高頻、低阻、長(zhǎng)壽命和耐高溫電解電容作為逆變器高頻逆變的濾波電容；其次，選用電容量和介質(zhì)損耗穩(wěn)定、受溫度影響小的NPO電容，作為逆變器中諧波成分的濾波電容。

經(jīng)過(guò)以上兩項(xiàng)優(yōu)化措施之后，逆變器性能得到了明顯改善，溫升得到了有效控制，系統(tǒng)傳輸效率提高了5.3%，整機(jī)效率達(dá)到了89.3%。

注：本文通訊作者為劉溯奇。

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