殷 勇, 張小峰, 王成亮, 許慶強

0 引 言

磁耦合無線電能傳輸(Magnetically-Coupled Wireless Power Transfer,MC-WPT)技術(shù)作為無線電能傳輸技術(shù)的一種,能夠?qū)崿F(xiàn)中長距離的電能傳輸,近年來得到了大量的應(yīng)用[1]。多逆變MC-WPT系統(tǒng)是指在一套磁耦合無線電能傳輸系統(tǒng)中擁有兩個及以上的逆變器模組。該系統(tǒng)應(yīng)用在大功率無線電能傳輸領(lǐng)域中,能夠解決單個高頻逆變模塊自身功率容量、散熱條件、功率開關(guān)管價格等因素的限制,實現(xiàn)多路功率的合成,提升整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[2-7]。

近年來,國內(nèi)外對MC-WPT系統(tǒng)的軟開關(guān)的研究取得了很多新成果。文獻[8]提出一種簡單的軟開關(guān)高頻逆變器拓撲,并將其用于小功率的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中。文獻[9]基于交流阻抗分析法,采用零電流開關(guān)(Zero Current Switching,ZCS)控制使系統(tǒng)工作在諧振軟開關(guān)狀態(tài)。文獻[10]單獨考慮逆變電路部分可靠性,分別在硬開關(guān)和軟開關(guān)狀態(tài)進行電路元件和外界環(huán)境干擾的可靠性分析。文獻[11]將磁耦合諧振零電流開關(guān)全橋DC/DC變換器應(yīng)用于無線電能傳輸系統(tǒng),給出并分析無線電能傳輸系統(tǒng)的互感模型和諧振條件。文獻[12]針對電場耦合型無線電能傳輸系統(tǒng)中參數(shù)時變導致系統(tǒng)頻率漂移問題,提出一種利用電容矩陣方式實現(xiàn)調(diào)諧控制的方法,使得系統(tǒng)始終維持在軟開關(guān)工作狀態(tài)。文獻[13]采用一種基于微分環(huán)節(jié)鎖相環(huán)的頻率跟蹤失諧控制策略,主動跟蹤諧振頻率,通過對阻抗角的控制保持系統(tǒng)工作在合理的失諧率下,同時實現(xiàn)軟開關(guān)。文獻[14]針對現(xiàn)有系統(tǒng)使用運算放大器來平衡系統(tǒng)增益和損耗,導致系統(tǒng)傳輸功率較小的問題,提出一種將開關(guān)器件作為非線性飽和增益元件的方法,分別采用全橋、半橋和 E 類功率放大器電路來構(gòu)建宇稱時間對稱無線電能傳輸系統(tǒng)。但是這些成果大多只是研究了小功率單逆變WPT系統(tǒng),對于一些需要用到多個逆變器并聯(lián)的大功率無線電能傳輸?shù)膱龊涎芯枯^少。

因此,本文以雙逆變MC-WPT系統(tǒng)為例,推導了一次側(cè)LCC諧振網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)軟開關(guān)的條件,提出了一種通過一次側(cè)諧振網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)軟開關(guān)的參數(shù)設(shè)計方法,通過參數(shù)調(diào)整,找到合適的軟開關(guān)點,從而降低逆變器MOSFET的開通關(guān)斷損耗。

1 雙逆變MC-WPT系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)建模

雙逆變LCC-S型MC-WPT系統(tǒng)一次側(cè)結(jié)構(gòu)如圖1所示。E1、E2分別表示逆變器并聯(lián)模組中逆變器1、逆變器2的直流輸入電源;VT1～VT4為逆變器1的MOSFET開關(guān)器件,VT5～VT8為逆變器2的MOSFET開關(guān)器件;Lf1、Lf2分別為逆變器并聯(lián)模組中逆變器1和逆變器2的補償電感,Cf1、Cf2分別為逆變器并聯(lián)模組中逆變器1和逆變器2的補償電容;Cp為并聯(lián)逆變器模組的一次側(cè)電容,Lp為并聯(lián)逆變器模組的一次側(cè)電感;i1、i2分別為逆變器并聯(lián)模組中逆變器1和逆變器2的支路電流,兩個逆變器之路電流匯集后一同流過一次側(cè)電容和一次側(cè)電感。

圖1 雙逆變LCC-S型MC-WPT系統(tǒng)一次側(cè)結(jié)構(gòu)

一次側(cè)采用2個LCC補償網(wǎng)絡(luò),LCC結(jié)構(gòu)屬于T型結(jié)構(gòu)的一種。T型結(jié)構(gòu)等效電路圖如圖2所示。

圖2 T型結(jié)構(gòu)等效電路圖

輸入為交流電壓源,令輸入電壓的幅值為UIN,輸入電流的幅值為IIN,輸出電壓幅值UOUT,輸出電流幅值IOUT,Z1、Z2、Z3分別為T型結(jié)構(gòu)三端網(wǎng)絡(luò)等效阻抗,由基爾霍夫電壓定律和歐姆定律可得:

(1)

對式(1)進行化簡,令Γ=Z1Z2+Z1Z3+Z2Z3,可以計算出輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系以及輸入阻抗表達式為

(2)

根據(jù)式(2)可知,當要求輸出電壓恒定時(恒壓輸出),需要滿足Γ=0,即輸出電壓值與ZL大小無關(guān),電壓增益Gv為定值,即

(3)

當系統(tǒng)完全諧振時,輸入阻抗角和無功功率均為0,在T型電路結(jié)構(gòu)中,令各阻抗為

(4)

(5)

令X2+X3=0,X1+X3=0,當兩者同時為0時,Im(ZIN)=0,即輸入阻抗角為0,令

(6)

此時T電路變?yōu)門型對稱電路,T型對稱電路如圖3所示。

圖3 T型對稱電路

將各阻抗的值帶入,可計算出系統(tǒng)的電壓增益以及系統(tǒng)的輸入阻抗為

(7)

1.2 LCC軟開關(guān)設(shè)計

為了減少逆變模塊的損耗,可以用ZVS軟開關(guān)技術(shù),通過對系統(tǒng)一次側(cè)補償網(wǎng)絡(luò)進行參數(shù)不對稱設(shè)計,使系統(tǒng)的阻抗呈現(xiàn)弱感性特性,電流滯后于電壓,實現(xiàn)MOSFET的零電壓開通以及關(guān)斷,從而減小MOSFET的開關(guān)損耗。T型不對稱電路如圖4所示。

圖4 T型不對稱電路

令非對稱T型電路各阻抗值為

(8)

將各阻抗值帶入式(2),可以得出輸入阻抗Zin以及電壓增益Gv為

(9)

對分母進行平方差變換,求出輸入阻抗角為

(10)

用MATLAB對式(10)進行圖像分析,選取參數(shù),系統(tǒng)工作頻率f為85 kHz,一次側(cè)補償電感為40 μH,負載電阻RL為23 Ω,一次側(cè)線圈和二次側(cè)線圈互感M為41.5 μH。輸入阻抗角θ隨調(diào)整參數(shù)α、β變化的平面等高線圖如圖5所示。

圖5 阻抗角θ隨參數(shù)α、β變化的平面等高線圖

由圖5可見,當參數(shù)α、β為1時,一次側(cè)處于完全諧振狀態(tài),對等高線圖進行坐標重定義,將α=1、β=1,作為新的坐標參考線,此時右下方第四象限為感性區(qū)。參數(shù)選點應(yīng)從這個區(qū)選擇。通過MATLAB進行參數(shù)分析,選取α=1.014 3、β=0.564 9,此時輸入阻抗角θ為24.05°(弧度值為0.419 7)。對參數(shù)處理前后電壓增益進行比較,可得增益變化倍數(shù)T為

(11)

取α=1.014 3、β=0.564 9帶入式(11)可得參數(shù)處理后電壓增益為非處理前的0.993 7倍,損耗很小可以忽略不計。

2 實驗驗證

基于對一次側(cè)LCC諧振網(wǎng)絡(luò)以及參數(shù)處理后的軟開關(guān)點的研究,搭建了實驗平臺對系統(tǒng)進行實驗驗證。多逆變MC-WPT系統(tǒng)如圖6所示;系統(tǒng)實驗參數(shù)如表1所示。

圖6 多逆變MC-WPT系統(tǒng)

表1 系統(tǒng)實驗參數(shù)

實驗中,模擬大功率范圍內(nèi)的輸出,保持負載不變(23 Ω),調(diào)節(jié)輸入直流電壓,測量不同輸入直流電壓下的逆變輸出波形以及系統(tǒng)整體效率,不同輸入直流電壓下逆變輸出電壓、電流波形如圖7所示。

圖7 不同輸入直流電壓下逆變輸出電壓、電流波形

由圖7可見,在并聯(lián)逆變器系統(tǒng)輸出不同時,逆變器的輸出電流均滯后于輸出電壓,均能夠很好地實現(xiàn)系統(tǒng)的軟開關(guān),在MOSFET開關(guān)管高速切換狀態(tài)下,能夠很大程度地減小開關(guān)損耗,不同直流輸入時,系統(tǒng)的傳輸效率達到88%以上,實現(xiàn)了在大功率范圍內(nèi)的軟開關(guān)。

3 結(jié) 語

針對大功率無線電能傳輸中多個逆變器并聯(lián)MC-WPT系統(tǒng),本文以兩個逆變器并聯(lián)LCC-S型MC-WPT系統(tǒng)為例,推導了一次側(cè)LCC諧振網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)軟開關(guān)的條件,提出了一種通過一次側(cè)諧振網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)軟開關(guān)的參數(shù)設(shè)計方法,通過參數(shù)調(diào)整,找到合適的軟開關(guān)點。實驗證明,通過給定的參數(shù)設(shè)計方法,可以實現(xiàn)系統(tǒng)的軟開關(guān),使系統(tǒng)的阻抗呈現(xiàn)弱感性特性,電流滯后于電壓,實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通和關(guān)斷,能夠減少多個逆變器模塊的開通關(guān)斷損耗,使系統(tǒng)能夠較高效率地運行。