用單個開關管實現1 000 W感應耦合式電能傳輸

齊 飛，王春芳，馬 超，李 聃，孫 會

（1青島大學自動化工程學院，山東 青島266071；2．海爾集團技術研發中心，山東 青島266103）

0 引 言

近幾年，電磁感應耦合電能傳輸技術（Inductively Coupled Power Transmission，ICPT）已逐漸成為研究的熱點［1］。隨著研究人員對ICPT技術研究不斷深入，在原副邊補償拓撲方面已取得了許多進展［2，3］。目前原邊諧振電路多采用全橋或半橋逆變拓撲［4－6］，而這兩種逆變拓撲均存在成本較高、體積較大、控制復雜等缺點。

本文提出了一種僅用一個開關管逆變就能實現ICPT的系統。該ICPT系統可在原邊發射線圈和副邊接收線圈相距35 mm的范圍內，使傳輸功率達到1 kW。通過脈頻調制（PFM）和脈寬調制（PWM）相結合的控制方式，在負載或輸入電壓發生變化時，該ICPT系統可實現恒壓輸出。

1 系統結構

圖1所示為單管ICPT系統框圖。該系統初、次級電路均采用并聯補償方式，這種補償方式可以在提高品質因數的同時實現大功率傳輸。過零檢測電路用來檢測開關管是否實現零電壓開通（ZVS）。

圖1 系統框圖

2 等效電路模型

本文采用基于互感的數學模型將原副邊電路進行等效變換，圖2所示即為該設計的等效模型。該模型很好地反映了電能傳輸關系，為確定電路參數進而實現ZVS提供了依據。

圖2 系統等效模型

該變換器通過控制開關管Q的開通和關斷實現電路諧振，從而將能量從原邊傳輸到副邊，開關過程如圖3所示。一個周期內電壓諧振變換器的工作過程分為四個階段來討論。

（1）［t0～t1］：電感充電階段。定義開關管剛剛有電流的時刻為t0。按照主開關零電壓開通的特點，t0時刻，主開關上的電壓UQ＝0。如圖3（a）所示，主開關開通后，電源電壓Ud加在與Cp的并聯支路兩端，此時Uc＝Ud，流過主開關管Q的電流iq與流過的電流il相等?？傻孟铝蟹匠蹋?/p>

分析可知在一個周期內，il（t）等于零時，對應uc（t）的兩個極值點，此時若極大值點等于輸入電壓ud，則可以實現零電壓開通，由此可求得滿足零電壓開通的臨界條件。

（3）［t2～t3］：諧振階段二。如圖3（c）所示，t2時刻，電感電流il下降為零并且開始反向增加。由于該階段較上一階段電路結構沒有發生變化，所以可得方程如式（4）。

（4）［t3－t4］：電感放電階段。t3時刻開關管閉合，由于二極管導通，開關管電壓被鉗位于零，沒有電流通過，如圖3（d）所示。該階段與［t0～t1］階段有相同電路結構，可得方程如式（1）。

圖3 工作過程

3 控制方法

本設計要求在滿足可變負載的前提下實現恒壓輸出，即無論負載是哪一個功率等級，輸出端的電壓要求不變。由于該電路中開關管在開通和關斷階段都有能量傳到次級，所以PWM調節對于恒壓控制作用不大，但是在檢測開關管是否實現零電壓開通時需要用到PWM調節。

本文采用PFM和PWM相結合的方式對系統進行控制。圖4所示為電壓增益隨頻率的變化曲線，由該圖可知存在一個最佳頻率使得系統實現最大傳輸增益，并且當進行負載切換時，可以通過調節開關頻率實現恒壓控制。

圖4 電壓增益隨頻率的變化曲線

該設計采樣控制簡易流程圖如圖5所示，通過采樣環節采集到輸出端的有效值，將有效值和給定值進行比較，進而控制開關頻率的增大或減小。這種控制方法可以在變負載的情況下快速實現調節輸出電壓的穩定調節。

圖5 簡易控制流程圖

4 實驗結果

在仿真結果滿足設計要求的前提下，采用設計出的電路進行試驗驗證，圖6所示為開關管驅動波形Ug和承受的耐壓波形UQ，由于對參數設定的合理性，可以使電路實現開關管的零電壓開通和零電壓關斷，這就極大提高了電能的傳輸效率。

圖6 開關管驅動波形和耐壓波形

圖7所示為負載由1 000 W切換到500 W，再由500 W切換到1 000 W時的輸出電壓Uo波形，PFM 和PWM的調制作用，使得電壓在很短的時間內恢復到恒定值，基本滿足設計要求。

圖7 輸出電壓波形

5 結 論

和傳統的全橋或半橋逆變電路相比，該系統的單個開關管所承受的耐壓要稍高一些，通過等效分析可知，合理的參數選擇不僅可以有效地控制開關管耐壓，而且能夠使之實現ZVS。PFM＋PWM的控制方法，使得系統在切換負載或者輸入電壓變化時實現恒壓輸出，滿足了不同功率等級的應用要求，實現了對電能的高效利用。

［1］ 曾 翔．無線電力傳輸技術研究［J］．硅谷，2010（10）：82－82．

［2］ Zhou W，Ma H．Design considerations of compensation topologies in ICPT system ［C］．Applied Power Electronics Conference， APEC 2007－Twenty Second Annual IEEE，2007．

［3］ Juan L V，Jesus S，Jose F S O，etal．High－Misalignment Tolerant Compensation Topology For ICPT Systems［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59（1）：945－951．

［4］ 馬 皓，周雯琪．電流型松散耦合電能傳輸系統的建模分析［J］．電工技術學報，2005，20（10）：66－71．

［5］ 杜貴平，盛松濤，張 波，等．感應耦合式無接觸電能傳輸系統建模及仿真［C］．中國電工技術學會電力電子學會第十一屆學術年會，2008．

［6］ 李 宏，賀昱曜，王崇武．一種全橋負載串聯諧振逆變器諧振頻率跟蹤和輸出功率控制方法［J］．電工技術學報，2010，25（7）：93－99．