黃 杰,聶 蓉,曹衛(wèi)權(quán)

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通系,株洲 412005)

非接觸電能傳輸系統(tǒng)主變換器研究

黃 杰,聶 蓉,曹衛(wèi)權(quán)

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院軌道交通系,株洲 412005)

介紹了非接觸電能傳輸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與原理,詳細(xì)分析了傳統(tǒng)的全橋移相諧振變換器在非接觸能量傳輸系統(tǒng)中所受到的限制,提出了一種改進(jìn)型的全橋移相諧振變換器.最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)型全橋移相諧振變換器電路的正確性.

非接觸;全橋諧振逆變器;占空比

0 引 言

非接觸電能傳輸系統(tǒng)(CPT)的電能傳輸是基于電磁感應(yīng)耦合技術(shù)的,這種電能傳輸方式有效地克服了傳統(tǒng)的接觸傳輸方式存在的諸如移動(dòng)不靈活、電擊、火花、噪音等缺點(diǎn).CPT以其獨(dú)特的安全性、可靠傳輸性、靈活性等優(yōu)點(diǎn)廣泛運(yùn)用于化工、鉆井、工礦、水下探測、生物醫(yī)學(xué)等特殊領(lǐng)域[1].無線電能傳輸系統(tǒng)中的電磁耦合屬于松耦合,松耦合系統(tǒng)與傳統(tǒng)的變壓器和感應(yīng)電機(jī)等緊密耦合不同的是,松耦合系統(tǒng)原次級間存在著一個(gè)較大的氣隙,漏感較大,增加了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性.本文根據(jù)非接觸電能傳輸系統(tǒng)的這些特點(diǎn),提出了一種改進(jìn)型全橋并聯(lián)諧振逆變器電路拓?fù)?最后利用MAT LAB進(jìn)行了仿真,驗(yàn)證了理論分析的正確性.

1 非接觸電能傳輸系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)與原理

圖1 非接觸電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

非接觸電能傳輸系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.系統(tǒng)由獨(dú)立的初級系統(tǒng)和次級系統(tǒng)兩部分組成.初級系統(tǒng)與市電連接,次級系統(tǒng)與負(fù)載相連.初級與次級間通過無電接觸的松耦合變壓器傳遞能量.系統(tǒng)工作時(shí),將工頻交流電經(jīng)過整流、逆變轉(zhuǎn)換成高頻交流電供給初級繞組,次級繞組通過電磁耦合接受初級繞組發(fā)出的能量,通過相應(yīng)調(diào)節(jié),以滿足各類負(fù)載的供電要求[2].

2 全橋并聯(lián)諧振逆變器電路分析

移相控制全橋ZVS-PWM變換器是在基本全橋PWM控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展變化而來,保留了基本全橋移相控制變換器優(yōu)點(diǎn),并且能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開關(guān),降低了電路的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲,因而一出現(xiàn)就得到了迅速發(fā)展,成為了中、大功率傳輸中應(yīng)用廣泛的電路拓?fù)渲?圖2為移相控制全橋零電壓開關(guān)PWM變換器的電路原理圖.VT1和VT3組成的橋臂的導(dǎo)通角比VT4和VT2組成的橋臂超前一個(gè)相位,利用電感的諧振作用,實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān).

圖2 移相控制全橋ZVS-PWM變換器電路拓?fù)?/p>

副邊占空比的丟失是移相控制全橋ZVSPWM變換器中一個(gè)重要的現(xiàn)象.所謂副邊占空比丟失,就是說副邊的占空比Ds小于原邊的占空比Dp,即:Ds＜Dp,其差值就是副邊占空比丟失Dloss[3][4][5].

在原邊電流從正向(或負(fù)向)變化到負(fù)向(或正向)負(fù)載電流的時(shí)間里,即圖3中的[t2-t5]和[t8-t11]時(shí)段.在這段時(shí)間里,雖然原邊有正電壓方波(或負(fù)電壓方波),但原邊不足以提供負(fù)載電流,副邊整流管的所有二極管導(dǎo)通,負(fù)載處于續(xù)流狀態(tài),其兩端電壓為零.這樣副邊就丟失了[t2-t5]和[t8-t11]時(shí)段的電壓方波,圖3中虛線部分就是副邊丟失的電壓方波.這部分時(shí)間跟1/2開關(guān)周期的比值就是次級的占空比丟失Dloss,可以用式(1)表示.

由式1中可以得知:Lr越大,Dloss越大;負(fù)載越大,Dloss越大;Uin越低,Dloss越大.Dloss的產(chǎn)生使得副邊的占空比Ds減小了,降低了副邊輸出電壓.

圖3 移相控制全橋ZVS-PWM變換器工作波形

3 改進(jìn)型全橋諧振逆變器電路設(shè)計(jì)

非接觸電能傳輸系統(tǒng)與傳統(tǒng)的開關(guān)電源相比,最大的特點(diǎn)就是該系統(tǒng)是通過松耦合變壓器來傳輸能量的,不論變壓器的結(jié)構(gòu)如何改進(jìn),都會(huì)不可避免的存在變壓器耦合系數(shù)很低,漏感很大的問題.由于漏感的存在,移相控制FB-ZVS-PWM變換器不可避免的存在占空比丟失.本文對全橋電路進(jìn)行改進(jìn),得到了改進(jìn)型移相控制全橋諧振變換器.其電路拓?fù)淙鐖D4所示.

改進(jìn)型電路在圖2所示的基本移相控制FBZVS-PWM變換器的基礎(chǔ)上添加了諧振電容Cr、快速開關(guān)二極管D5和D6,其他元件不變,只是參數(shù)選擇有所差異.改進(jìn)型移相控制全橋諧振變換器依然采用移相控制的方式,其工作波形如圖5所示.

在t2時(shí)刻,關(guān)斷VT4,原邊電流 Ip給C4充電.由于C4的存在,VT4的電壓是從零開始慢慢上升的,因此,VT4是零電壓關(guān)斷.由于Cr的存在,電流Ip迅速減小.此時(shí),Uab=-Uc4,Uab的極性由零變?yōu)樨?fù).由于D5的存在,D2自然導(dǎo)通后,原邊電流Ip不能流向電源,C4的電壓迅速上升,在t3時(shí)刻,C4的電壓已經(jīng)大于Vin,原邊電流Ip下降到零.結(jié)束該開關(guān)模態(tài).

在t3時(shí)刻,D2自然導(dǎo)通,將VT2的電壓箝位在零位,此時(shí)開通VT2,那么VT2就是零電壓開通.雖然此時(shí)VT2已開通,但是VT2不流過電流,原邊繞組電壓也為零,Cr被電壓達(dá)到最大值.

在t3時(shí)刻,由于諧振電容Cr放電,原邊電流由正方向過零,并且負(fù)方向增加,由于C4上電壓很高,所以電流反方向增加很快.到t4時(shí)刻,該開關(guān)模態(tài)結(jié)束.此時(shí),整流管D5關(guān)斷,D6流過全部負(fù)載電流.與基本移相控制FB-ZVS-PWM 變換器工作波形相比,在原邊電流Ip反向恢復(fù)時(shí),改進(jìn)型電路在t4時(shí)刻就達(dá)到基本移相控制FB-ZVS-PWM變換器t5時(shí)刻才達(dá)到的值,從而早一個(gè)模態(tài)達(dá)到穩(wěn)定.這樣,占空比丟失就大大減少了.同時(shí),D5,D6的加入,限制了電路的環(huán)流,解決了變換器處于零狀態(tài)時(shí),初級有較大環(huán)流的問題.同時(shí)加入串聯(lián)諧振電容,對變壓器有防止偏磁的作用.相比基本移相控制FB-ZVS-PWM變換器,這種電路拓?fù)淠軌蚋玫臐M足無接觸電能傳輸系統(tǒng)的要求.

4 實(shí)驗(yàn)研究

在對系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析與研究后,制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,逆變器主回路開關(guān)管采用IXYS公司的IRF840MOSFET.副邊整流電路采用IN5819快恢復(fù)二極管,控制回路采用移相諧振控制芯片UC3875,驅(qū)動(dòng)電路采用IR2113專用驅(qū)動(dòng)集成電路驅(qū)動(dòng),系統(tǒng)頻率選擇50 kHz,輸入電壓采用直流穩(wěn)壓電源(0～60V),變壓器氣隙3 mm.樣機(jī)實(shí)物圖如圖6所示.

圖6 非接觸電能傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)照片

開關(guān)管2,4的VDS波形如圖7所示,其波形與理論分析基本吻合,開關(guān)管4的波形由于D5的作用,波形前言有尖峰,這個(gè)可以調(diào)整諧振電感得以改良.

圖7 開關(guān)管2,4的VDS波形

變壓器原副邊電壓波形如圖8所示,從圖形可以看出,原副變占空比基本相同,但是波形不是很規(guī)則,傳輸效率也比較低,這種些可能是原副邊還沒有達(dá)到很好的諧振狀態(tài)所致.調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù),調(diào)整系統(tǒng)頻率可以提高傳輸效率,這也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在,這個(gè)需要再進(jìn)一步改進(jìn)研究.

圖8 變壓器原副邊電壓波形圖

5 結(jié) 論

本文詳細(xì)分析了傳統(tǒng)的全橋移相諧振變換器在非接觸能量傳輸系統(tǒng)中所受到的限制,提出了一種改進(jìn)型的全橋移相諧振變換器,改善了傳統(tǒng)型占空比丟失,環(huán)流過大等問題.最后進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),通過實(shí)驗(yàn)波形的分析,驗(yàn)證了改進(jìn)型全橋移相諧振變換器電路的正確性.

[1]武 瑛,嚴(yán)陸光,黃常綱,等.新型無接觸電能傳輸系統(tǒng)的性能分析[J].電工電能新技術(shù),2003,22(4):10-13.

[2]Chwei-Sen Wang,Grant A Covic.Power Transfer Capability and Bifurcation Phenomena of Loosely Coupled Inductive Power Transfer Systems[J].IEEE Trans.on Industrial Electronics,2004,51(1):148-156.

[3]張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社,北京,2004.

[4]劉鳳君.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[5]Hideki Ayano,Kouki Yamamoto,Noriaki Hino etc.Highly Efficient Contactless Energy Transmission System.In:Proc of IEEE AFRICON 4th,2002:711-71.

Study for Main inverter of Contactless Power Transfer System

HUANG Jie,NIE Rong,CAO Wei-quan
(School of Rail Transit,Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou,412005,china)

In this paper,the basic structure and principles of contactless power transmission system have been introduced,the restrictions of the traditional bridge phase shifting resonant converters in non-contact energy transmission system have be detailed analysisde.An improved version of the full bridge phase shifting resonant converters be designed,Finally,the improved phase shifting the bridge resonance converter be proved by experiments.

contactless;full bridge bridge resonant converters;duty ratio

TM42

A

1671-119X(2011)02-0016-03

2010-12-15

黃 杰(1985-),男,碩士研究生,講師,研究方向:非接觸電能傳輸技術(shù)理論、開關(guān)電源技術(shù)、控制技術(shù).