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基于自激逆变器的无线电能传输系统

2020年03月30日 11:18 次阅读

(文章来源:电气新科技)

耦合谐振式无线电能传输(Wireless Power Transfer, WPT)系统,在没有电气直接接触的情况下,可通过高频磁场实现电能的有效传输,传输距离远,传输效率高。凭借其较好的适用范围和传输效果,谐振式无线电能传输技术受到了越来越多的关注,并有望应用于电动汽车(Electric Vehicle, EV)、中小功率电子产品和医疗设备等领域。

无线电能传输系统通常由三部分:高频交流电源、电磁谐振系统(由发射器和接收器组成)及高频整流装置组成。根据发射器和接收器的谐振类型(串联谐振或并联谐振),理论上可将WPT系统分为四个类型:串-串(Series-Series, SS)型、串-并(Series-Parallel, SP)型、并-串(Parallel-Series, PS)型及并-并(Parallel-Parallel, PP)型。

如果发射端采用串联谐振的方式,需要电压型交流电源供电;如果发射端采用并联谐振的方式,则需要电流型交流电源供电。目前的交流电源多采用电压型桥式逆变电路,因此基于SS型和SP型WPT系统的研究较多。

对于高频交流电源的设计,目前常用的全桥逆变电路需要4个MOS管,结构和驱动电路复杂,损耗较高。为了优化逆变器的工作效率,通常需要数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)等数字控制器和相应的控制算法来实现开关管的软开关控制以及WPT系统的频率跟踪功能,系统的结构和控制上的复杂度都较高,通常应用于大功率场合(几kW到几十kW)。

半桥逆变拓扑相比于全桥电路,结构上的复杂度减半,适合工作于中小功率场合,然而仍然需要数字控制器和相应的频率跟踪和软开关控制策略,控制上的复杂度依然很高。

相比而言,单管E类功率放大器具有结构简单、效率较高的优势,但E类功率放大器工作时,开关管漏源极两端电压最高为直流电源电压的3.562倍,高的电压应力限制了E类功率放大器的输出功率,而且E类功率放大器的最优参数设计与负载有关,当负载改变时,参数也应该同步变化,增加了系统的设计难度。

对于目前研究较多的SS型、SP型WPT系统,发射器都采用LC串联谐振的方式,当系统出现耦合互感M=0的情况时,接收回路等效到发射回路的阻抗为0,发射回路发生串联谐振相当于短路状态,高频电压源的负载只有电路寄生电阻,流经开关管的电流很大,系统存在极大的安全隐患。

有学者采用LCL-SS型拓扑,在SS型拓扑的发射端加入LCL补偿网络,实际上将发射端变成并联谐振的形式,补偿电感将高频电压源变成高频电流源,避免了M=0时发射回路短路的弊端,而且具有恒压输出特性。有学者在发射端采用LCC补偿网络,相比于LCL-SS型拓扑,减少了一个补偿电感的接入,也可以实现对串联发射回路的改进以及输出电压的恒定。但总的来说,补偿网络,尤其是补偿电感的加入增加了系统的体积和损耗,提高了系统的复杂度,不利于系统集成。

基于自激逆变器的无线电能传输系统

有学者在四线圈结构的WPT系统采用发射端并联谐振的PSSS型拓扑,互感M=0时,发射端并联谐振,相当于开路状态,不存在短路隐患,但其设计的电流型全桥逆变器需要脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)信号发生器,通常为了保证系统工作在谐振状态下还需要设计相应频率控制器,系统结构和控制都较为复杂。有学者引入了闭环控制策略,实现对发射端发射线圈的电流调控,从而可以保证系统的稳压输出,但是系统需要精确的电流检测装置和复杂的频率控制器以及相应的控制算法,因此系统的稳定性和可靠性都较差。

作者主要对并-串联谐振式无线电能传输系统展开研究。基于PS型拓扑设计了一套自激谐振式逆变器,可实现开关管的自驱动,无需PWM信号发生器和驱动电路即可实现直流到交流的逆变过程;同时还可实现开关管的零电压开通和零电压关断过程,并具有频率跟踪功能,极大地降低了逆变电源的复杂度。

作者设计的WPT装置还可以避免M=0时SS和SP型WPT系统发射端回路串联谐振短路问题。详细分析了PS型系统的工作原理以及系统的输出功率特性和效率特性,并给出了使PS型WPT系统具备恒压输出特性的设计条件。

仿真和实验结果验证了自激逆变器工作过程的有效性,实验结果显示,在传输距离为7cm的情况下,当负载电阻变化200%时,WPT系统的输出电压变化率仅为2.6%,表明所设计的PS型WPT系统的输出电压对负载变化有较强的鲁棒性。同时表明PS型WPT系统具有较好的恒压输出特性且可避免发射端回路的串联谐振短路问题。下一步的研究工作将集中于磁场屏蔽和系统功率损耗最小化。
      (责任编辑:fqj)

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