非接觸電能傳輸系統松耦合變壓器傳輸特性的研究

杜 波，劉 平，王文杰

（鄭州大學 信息工程學院，河南 鄭州 450001）

非接觸電能傳輸系統松耦合變壓器傳輸特性的研究

杜 波，劉 平，王文杰

（鄭州大學 信息工程學院，河南 鄭州 450001）

本文是對基于非接觸感應電能傳輸技術的全橋諧振變換器的傳輸特性進行的研究。松耦合變壓器是非接觸電能傳輸系統中的關鍵部件，本文首先分析了松耦合變壓器與傳統緊耦合變壓器的區別進而提出原副邊補償問題，其次計算出串串補償和串并補償電容的選取，再次計算當系統工作在諧振狀態時電壓的放大倍數并得出負載特性，最后通過PSpice軟件搭建電路并仿真，證明分析和結論的正確性。

松耦合變壓器；諧振變換器；原副邊補償；傳輸特性

變壓器是通過磁場將能量從原邊線圈傳遞到副邊線圈的電氣設備,其可分為緊密耦合變壓器和松散耦合變壓器。緊密耦合變壓器原副邊線圈之間的磁場耦合緊密，相對于磁化電感，漏感很小。而松耦合變壓器原副邊線圈的耦合很弱,漏感遠大于磁化電感[1]。

由于松耦合變壓器漏感較大，漏感表現為感性，必然會消耗大量的無功功率，使得系統的設備容量增加，系統中器件參數和規格的加大，增加系統的尺寸和成本，并且使得電能在傳輸過程中的損耗增加[2]。為了改善系統功率因數，減少對系統視在功率的要求，需要進行無功補償。補償的方式有原邊補償和副邊補償，補償的作用有：提高系統能量傳輸能力；降低原副邊功率器件電壓電流定額；使系統表現為一定的特性（電壓源或電流源）。

1 補償分析

加入補償電容的目的是為了補償變壓器原副邊的漏感，使得系統的等效阻抗虛部為零。現分析原邊串聯副邊串聯補償(串串補償)和原邊串聯副邊并聯補償(串并補償)這兩種情況。

圖1和圖2分別代表串串補償和串并補償的全橋諧振變換器的等效電路圖，原邊電源等效為交流電壓源Vac，副邊負載電阻等效為交流等效電阻RL，輸出電壓為等效為VRL。

圖1 串串補償等效電路圖Fig.1 Primary series compensation and secondary series compensation(PSSS)equivalent circuit diagram

圖2 串并補償等效電路圖Fig.2 Primary series compensation and secondary parallel compensation(PSSP)equivalent circuit diagram

對應圖1和圖2中關系，副邊的負載阻抗用Zs表示，其值取決于副邊補償類型：

對于副邊串聯補償來說，選擇式(3)補償電容Cs，可以使得副邊無功功率為零。但對于副邊并聯補償來說，選擇式(3)電容，副邊無功功率并不為零。據式(2)，令其虛部為零，解得副邊補償電容的大小如下式所示：

用反映阻抗Zr來描述副邊負載對原邊電路的影響，具體關系由式(5)給出

其中w表示系統工作角頻率，M表示原副邊電感的互感系數。

把式(1)和式(2)代入式(5)，可得到反映阻抗分別為：

串聯補償的反映阻抗為：

并聯補償的反映阻抗為：

反映阻抗體現了副邊電路對原邊電路的影響，且表示了功率的傳輸性能，反映電抗消耗的功率就是副邊電路吸收的復功率，反應電阻消耗的功率就是副邊電路消耗的有功功率。

此時副邊阻抗最小，輸出電壓和電流同相位，負載獲得的功率最大。則在諧振頻率處副邊反映到原邊的反應電阻和反映電抗如表1所示：

原邊采用串聯補償，由于副邊電路耦合所產生的效應等效于在原邊回路中串聯一個反映阻抗，設原邊等效總阻抗為 Zt，則 Zt可以表示為

表1副邊工作在諧振頻率的性能參數Tab.1 Secondary side worked in the resonance frequency of performance parameters

Zt的實部表示系統的有功功率，而虛部表示無功功率，為降低系統伏安容量等級，通常選擇原邊電容使原邊等效總阻抗的虛部在副邊諧振頻率時為零。使原邊等效總阻抗Zt在副邊諧振頻率w=w0時的虛部為0，則可求出原邊補償電容值。

表2原邊諧振補償電容值Tab.2 Primary resonant compensation capacitance values

由表2可知串串補償拓撲的原邊補償電容不受互感系數和負載的影響，而串并補償的原邊補償電容將受到互感系數的影響。

2 諧振時電壓放大倍數及負載特性分析

2.1 串串補償分析

根據圖1串串補償等效電路圖對變壓器原邊和副邊電路分別列寫KVL[4]得：

由（10）可以求出

把（11）帶入（9）并化簡可得

電壓放大倍數

圖3 副邊諧振時原邊等效電路圖Fig.3 When secondary resonant the primary equivalent circuit

2.2 串并補償分析

如圖2串并補償等效電路圖所示，負載RL支路的電流為is，則與負載并聯的次級補償電容Cs支路的電流為jwCsRLis，對變壓器原邊和副邊電路分別列寫KVL得：

由（16）可以求出

把（17）代入（15）化簡可得

電壓放大倍數

3 仿真實驗

串串補償時求出Cp=Cs=12.66 nF，當原邊為電壓源供電時，設電壓源為Vac=50 V，負載表現為電流源特性，負載電流is=0.568 A，如圖4所示。

當原邊為電流源供電時，設電流源為ip=1 A，負載表現為電壓源特性，負載電壓VRL=jwMip=87.964 V，如圖5所示。

圖4 串串補償電壓源供電時負載電流波形圖Fig.4 PSSS voltage source power supply load current waveform figure

圖5串串補償電流源供電時負載電壓波形圖Fig.5 PSSS current source power supply load current waveform figure

圖6 串并補償電壓源供電時負載電壓波形圖Fig.6 PSSP voltage source power supply load current waveform figure

圖7 串并補償電流源供電時負載電流波形圖Fig.7 PSSP current source power supply load current waveform figure

圖中當負載變動時（圖中□◇▽△○分別代表5個不同的電阻值），所得到的仿真曲線完全重合，從仿真波形圖和數值上可以得出，仿真和理論計算完全吻合，證明分析和結論的正確性。

4 結論

由于松耦合變壓器存在較大的漏感，增加了系統的無功功率，為了提高系統的功率傳輸能力，在松耦合變壓器的原副邊增加電容和漏感形成諧振電路，來減小無功功率，提高傳輸效率。

通過分析計算和仿真可以得出，串串補償的松耦合全橋諧振變換器當原副邊的諧振頻率相等時，則系統在這個諧振頻率下無功功率為零，恒壓源供電時，輸出得到恒流源特性；恒流源供電時，輸出得到恒壓源特性。串并補償的松耦合全橋諧振變換器當選擇合適的補償參數，系統處于諧振時，系統無功功率為零，恒壓源供電時，輸出得到恒壓源特性；恒流源供電時，輸出得到恒流源特性。在非接觸感應電能傳輸系統中設計一個松耦合變壓器系統時，針對不同設計要求，該分析結果可以為系統參數的選取提供有效的理論依據。

[1]張肅文.高頻電子線路[M].北京：高等教育出版社,2009.

[2]張峰，王惠貞.非接觸感應能量傳輸系統中松耦合變壓器的

研究[J],電源技術應用，2007，10（4），2007:54-58.

ZHANG Feng,WANG Hui-zhen.Study of loosely coupled transformer in contactless inductive energy transmission system [J].Power Supply Technologies And Applications,2007,10(4),:54-58.

[3]Ryu M,Cha H,Park Y,et al.Analysis of the contactless power transfer system using modelling and analysis of the contactless transformer[C]//32nd Annual Conference of IEEE Indus trial Electronics Society,2005:1036-1042.

[4]邱關源.電路[M].北京：高等教育出版社，2008.

[5]封阿明.基于全橋諧振變換器的非接觸電能傳輸基本特性研究[D].南京：南京航空航天大學.2011.

[6]張敏，周雒維.松耦合感應電能傳輸系統的分析[J].重慶大學學報:自然科學版,2006,29(7)：33-37.

ZHANG Min,ZHOU Luo-wei.Loosely coupled inductive power transfer system analysis[J].Journal of Chongqing University:Natural Science,2006,29(7):33-37.

[7]詹厚劍，吳杰康，趙楠，等.非接觸感應電能傳輸系統松耦合變壓器參數設計[J].現代電力，2009,26(1)：40-44.

ZHAN Hou-jian,WU Jie-kang,ZHAO Nan,et al.Contactless inductive power transmission ystem design looselys coupled transformerparameters[J].Modern Electric Power，2009,26(1):40-44.

Research of loosely coupled transformer transfer characteristic in contactless power transfer system

DU Bo，LIU Ping，WANG Wen-jie
（School of Information Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China）

This article is mainly discuss the full-bridge resonant converter transmission characteristics based on non-contact inductive power transfer technology.Loosely coupled transformer is a critical component in the non-contact power transmission system,This paper analyzes the distinction between loosely coupled transformer and the traditional tight coupling transformer,Second,calculate the value of compensation capacitance,thirdly,summary voltage gain when the system operates in resonant state and draw load characteristics,finally use PSpice simulation software to build circuits,prove the correctness of analysis and conclusions.

Loosely coupled transformer;resonant converter;primary and secondary compensation;transfer characteristic

TN86

A

1674-6236（2014）17-088-04

2013-11-13 稿件編號：201311124

杜 波（1988—），男，河南民權人，碩士研究生。研究方向：開關電源、功率變換器、數字化控制。