導抗變換器在感應耦合電能傳輸中的應用

藍建宇，唐厚君，陸亭華

(上海交通大學 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室,上海 200240)

導抗變換器在感應耦合電能傳輸中的應用

藍建宇，唐厚君，陸亭華

(上海交通大學 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室,上海 200240)

對于低階補償的感應耦合電能傳輸系統,松耦合變壓器原邊電流對負載變化敏感,這使得輸出功率不穩定。針對這一問題提出一種基于導抗變換器原理的補償拓撲。當系統工作頻率為副邊自然諧振頻率時,松耦合變壓器的原邊繞組電流在負載變化時能夠保持恒定。這使得感應耦合電能傳輸系統能較好應用于電流型負載。首先,介紹感應耦合系統工作原理并運用互感耦合理論建立了系統的阻抗模型。在此基礎上,推導感應耦合電能傳輸系統工作于電流源特性的條件,然后討論主要參數變化對松耦合變壓器原邊電流及電壓增益的影響;并以體積最小為優化目標,介紹基于導抗變換器的感應耦合電能傳輸系統的優化設計過程。最后,仿真結果和實驗數據驗證了理論分析的正確性。

感應耦合;電能傳輸;松耦合變壓器;導抗變換器;諧振頻率

0 引 言

感應耦合電能傳輸(inductively coupled power transfer,ICPT)是一種根據電磁感應原理通過氣隙把電能傳輸給用電設備的技術[1-5]。與傳統的通過導線和插座的傳輸方式相比,ICPT更具靈活性和安全性。因此,ICPT在生物醫療、礦下作業及電動汽車充電等領域具有廣泛的應用[6-10]。

ICPT是通過松耦合變壓器來傳遞能量的,而松耦合變壓器的耦合系數非常低,這使得ICPT的效率很低。通常采用電容補償的方式來提高ICPT中松耦合變壓器的功率因數,從而提高其功率傳輸能力和效率。傳統的補償拓撲采用單級電容耦合補償方式。對電壓源型逆變系統采用原邊串聯副邊串聯(primary-series-secondary-series,PSSS)或原邊串聯副邊并聯(primary-series-secondary-parallel,PSSP)的方式;對于電流源型逆變器采用原邊并聯副邊串聯(primary-parallel-secondary-series,PPSS)或原邊并聯副邊并聯(primary-parallel-secondary-parallel,PPSP)的方式[11]。文獻[12-13]對單級補償的感應耦合電能傳輸系統參數進行了最優化設計,提高了系統的輸出效率。然而,負載變化對單級電容補償拓撲的影響較大;負載的輕微變化會引起原邊零電壓開關工作頻率的較大漂移,導致系統工作能力和傳輸效率的下降[14]。另外,單級電容補償拓撲無法解決系統頻率分叉問題[15-17],這給系統的穩定運行帶來隱患。文獻[18]提出阻抗變換的方法來穩定輸出電壓,但是在副邊要加上DC/DC變換電路,這增加了系統的復雜性。針對低階補償拓撲以上存在的問題,文獻[19]提出多級補償拓撲的概念,針對電流源供電的ICPT系統采用電容—電感—電容(capacitanceinductance-capacitance,CLC)型諧振補償,并論述了其可行性及設計方法。文獻[20]對CLC型諧振電路進行廣義狀態空間平均(generalized state-space averaging,GSSA)建模,提出魯棒控制的方法。文獻[21]對斷續電流模式的三階補償拓撲ICPT系統展開分析，并確定其穩定運行條件;文獻[22]對電感—電容—電容(inductance-capacitance-capacitance,LCC)補償型拓撲的ICPT系統數學建模及優化設計方面做了相關分析。

本文在引入導抗變換器原理的基礎上,研究了一種具有電流源特性的電感—電容—電感(inductance-capacitance-inductance,LCL)補償拓撲[23]。當系統工作在松耦合變壓器副邊自然諧振頻率時,松耦合變壓器原邊電流不隨負載的變化而變化。這種拓撲可以使ICPT系統更好地應用于電池充電、氬弧焊、發光二極管驅動等負載。論文首先介紹了基于導抗變換器的ICPT系統的組成,并根據導抗變換器原理推導了該系統具有恒流特性的條件;其次,分析了系統的電氣性能。然后,以最小化系統體積為目標函數,對系統的優化設計方法進行了說明。最后,對本文所提的理論和方法進行了實驗驗證。

1 IC-ICPT系統

導抗變換器(immittance converter,IC)是導納–阻抗變換器的簡稱,在實現導納–阻抗變換特性的同時,可以實現電壓源與電流源之間的轉換[23-26]。本文提出的利用導抗變換器得到具有電流源特性的ICPT系統,稱為IC-ICPT系統。圖1所示為本文所研究的IC-ICPT系統，該系統應用半橋逆變器作為諧振電路的輸入。如圖,虛線框中為導抗變換器,由T型電感—電容—電感(inductance-capacitanceinductance,LCL)結構組成;M為松耦合變壓器原副之間的互感;RL為負載;L1、C1、L2和C2組成PSSP型諧振補償網絡;T型導抗變換器與PSSP型諧振網絡串聯組成IC-ICPT系統。

圖1 IC-ICPT系統拓撲Fig.1 IC-ICPT system topology

1.1 IC-ICPT系統恒流特性條件

采用基波分析法,可將圖1電路簡化為如圖2所示。

圖2 IC-ICPT系統簡化模型Fig.2 Simpli fi ed model of IC-ICPT system

假設系統的工作頻率為松耦合變壓器副邊繞組的自然諧振頻率,即

則副邊繞組折合到原邊的阻抗為

1.2 IC-ICPT系統性能分析

由于IC-ICPT系統儲能元件多,參數比較復雜,為便于分析將參數歸一化處理,定義以下參數:歸一化角頻率ωn為

其中,ω0為自然諧振角頻率。定義導抗器電感與副邊電感比為

副邊諧振網絡品質因數為

松耦合變壓器原副邊匝比為

輸出電壓增益為

設松耦合變壓器原邊電流I1=1,可得到各儲能元件電壓、電流參數以原邊電流歸一化后的表達式,如表1所示。表1中參數下標N表示松耦合變壓器原邊電流歸一化以后的參數。

表1 IC-ICPT系統歸一化參數Tab.1 Normalized parameters of IC-ICPT system

下面分析IC-ICPT的電氣特性,圖3所示為k=0.3,n=1,m=0.3時,原邊諧振電流歸一化值I1N隨副邊品質因數變化曲線。

圖3 不同品質因數下原邊繞組電流Fig.3 Primary winding current at different quality factor Q2

如圖,隨著副邊品質因數的變化,在ωn=1及附近,I1N值與品質因數無關,即A點所示。這意味著在諧振頻率,IC-ICPT原邊諧振電流不隨負載變化而變化。

圖4為k=0.3,n=1,m=0.3時,電壓增益隨副邊品質因數變化曲線,從圖中可以看出,在ωn=1附近,品質因數越大電壓增益越小。品質因數越大，則增益曲線越陡,并且有兩個電壓增益峰值。

圖4 不同品質因數下電壓增益Fig.4 Voltage gain at different quality factor Q2

2 IC-ICPT系統參數優化

ICPT系統中,電感、電容元件體積所占比重較大,而IC-ICPT系統包含較多的電感、電容元件。因此,IC-ICPT參數設計的關鍵是在保證系統傳輸性能前提下,盡可能地減小系統的體積。在相同的輸出功率條件下,諧振電路的體積與視在功率和有功功率的比值成正比關系。定義視在功率與有功功率比值為

其中,S是視在功率,P是有功功率,由式(5)和(9)-(13)可得到λ的表達式,

參數優化的目標是,在滿足系統輸出功率及器件應力的前提下盡可能使λ最小。因此,以參數λ為目標函數,品質因數Q2和電感比m為變量,對參數λ的最小值為目標進行優化。優化模型方程為

約束條件為

約束條件由兩個等式約束條件及4個不等式約束條件組成,約束方程的邊界參數及初始條件如表2所示。

表2約束方程參數Tab.2 Parameters of constraint equations

約束條件表達式中,Uin是導抗變換器輸入端電壓基波分量的幅值,與直流電壓Udc的關系為

另外,Iinmax,I1max和Uoutmax分別表示導抗變換器最大允許輸入電流,原邊繞組最大允許輸入電流和系統最大允許輸出電壓。選取SIMULINK工具箱中內點法為優化工具,選取[Q2,m]的初始值為[1,1],收斂精確度ε=1e?6,得到最優解為[2.979,0.283]。優化算法在迭代11次后趨于穩定,系統誤差小于10?5,目標函數值8.857 2。由表1的換算關系可以得到優化后的IC-ICPT電氣參數如表3所示。

表3 IC-ICPT系統優化參數Tab.3 IC-ICPT system optimized parameters

3 IC-ICPT系統實驗驗證

根據圖1所示拓撲結構搭建實驗平臺驗證ICICPT恒流特性及設計方法,實驗參數用表3數據。實驗波形如圖5、6所示。圖5為松耦合變壓器原邊繞組電流和副邊繞組電流波形,圖6為副邊輸出電壓和原邊繞組電流波形。逆變橋輸出電流幅值Iin=5.6A,原邊繞組電流I1=3.7A,副邊繞組電流I2=3.8A,輸出電壓Uout=38V。

圖5 導抗變換器電流和原邊電流Fig.5 Immittance converter current and primary winding current

圖6 輸出電壓和副邊電流Fig.6 Output voltage and secondary winding current

圖7為導抗變換器電流Iin及松耦合變壓器原邊繞組電流I1隨負載變化曲線。從圖中可以看出,原邊繞組電流隨著負載變化基本保持恒定,在負載率從0.2變化到1的情況下,原邊繞組電流由3.8A變化到3.4A,變化了0.4A,而逆變橋電流由3.2A變化到8.1A,變化了4.9A,驗證了IC-ICPT的恒流源特性。

圖7 不同負載率時Iin和I1Fig.7 Iinand I1at different load rate

為分析IC-ICPT系統的傳輸效率特性,對不同負載情況下的效率進行了測量。圖8為效率曲線,由圖可知,當負載率較高時,系統效率也較高,當負載率低于0.5時,其效率較低且低于0.5。這是因為系統環流的存在使得系統效率有所下降,特別是在輕載時效率下降尤其明顯。

圖8 不同負載率時系統效率Fig.8 Ef fi ciency at different load rate

由上述分析可知,由無源器件組成的導抗變換器與變壓器串聯,在電源與變壓器之間起緩沖的作用,使得變壓器的原邊電流能在負載變化時保持基本不變。但值得指出的是,引入導抗變換器同時也使得系統的環流較大,由于寄生參數的存在,IC-ICPT系統的效率有所下降。

4 結論

本文利用導抗變換器原理,提出在一定條件下可實現原邊諧振回路電流恒定的IC-ICPT系統及設計方法。給出了滿足恒流特性的條件并分析了IC-ICPT的電氣特性。以系統功率密度最大為目標對IC-ICPT系統進行了優化設計。最后,通過實驗數據驗證了理論分析的正確性。

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(編輯：劉素菊)

Application of immittance converter on inductively coupled power transfer system

LAN Jian-yu,TANG Hou-jun,LU Ting-hua
(Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion,Ministry of Education,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

For an inductively coupled power transfer system with low order compensated topology,the primary current of contactless transformer is sensitive to the variety of load.This causes the output power to be unstable.Aiming at solving this problem,an inductively coupled power transfer system with immittance converter was proposed.When the inductively coupled system operates at the nature resonant frequency of the secondary side,the primary side winding current will be constant at different loads with immittance converter.This is helpful for loads which need the current source.At fi rst,the principle of inductively coupled power transfer system was introduced,and the impedance model was established by means of mutual inductance theory as well.Based on this,the condition of operation with constant current was deduced.Then,main parameters about the primary side current and the voltage gain was discussed.Furthermore,an optimization design method for achieving maximum power density of this system was proposed.Finally,simulation and experiment results veri fi ed the theoretical analysis.

inductively coupled;power transfer;contactless transformer;immittance converter;resonant frequency

TM 74

A

1007–449X(2013)10–0007–06

2012–10–08

國際熱核聚變實驗堆計劃專項(2011GB113005);國家自然科學基金(51277120)

藍建宇(1980—),男,博士研究生,研究方向為無線電能傳輸,諧振變換器;

唐厚君(1957—),男,博士,教授,博士生導師,研究方向為無線電能傳輸,諧振變換器;

陸亭華(1989—),男,碩士研究生,研究方向為無線電能傳輸,諧振變換器。

藍建宇