感應供電系統的設計

閆大鵬，文珊珊，林名潤，杜明俊，梁 宇，王 杰

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245）

感應電能傳輸（IPT）技術基于法拉第電磁感應原理，可借助于電磁場進行能量傳輸。傳輸系統中原邊側線圈受交變電流的激發產生交變磁場，副邊側線圈在交變磁場中感應出交變電壓，由此將電能從原邊側傳送給副邊側，從而實現了電能的無線傳輸。此技術相比傳統供電方式有完全電氣隔離、安全、可靠等諸多優點，例如可在水下和易燃易爆等特殊環境中應用，避免漏電、電弧或電火花等所引起的安全隱患，保證了電能供應的可靠性。

1 IPT系統結構圖

IPT系統結構如圖1所示，系統由原邊側能量發射部分與副邊側能量接收部分組成。原邊側功率變換部分對電源發出的直流電進行逆變，將逆變得到的高頻交變電流通入發射線圈，激發出交變磁場，根據法拉第電磁感性定律，副邊側接收線圈將通過磁場耦合感應出交變電壓，再經功率變換部分后得到滿足要求的電能，從而實現對負載的供電。

圖1 IPT系統結構圖

2 系統電路拓撲結構

原邊側高頻逆變部分可分電壓型逆變與電流型逆變兩種，電流型逆變有低電磁干擾（EMI）、易實現柔性狀態切換等諸多優點，本方案功率變換部分即采用電流型逆變結構。線圈與電容構成的并聯諧振網絡具有限流能力強、短路保護可靠的特點，常與電流型逆變電路相連接，組成能量發射機構。線圈與電容構成的串聯諧振網絡可保證較大的輸出功率與較好的恒頻恒壓特性，因此，將其應用在副邊能量接收機構中。

整個系統的拓撲結構如圖2所示。在原邊側，恒壓源Edc與大電感Ldc構成準電流源；MOS管VT1～VT4構成高頻逆變橋；Cp和Lp構成原邊側發射端并聯諧振回路；CS和LS構成副邊側接收端串聯諧振回路；在此結構中為簡化分析，將整流濾波環節與負載等效為一電阻負載Req.

圖2 系統拓撲結構圖

3 具有軟開關特性的系統設計方法

頻閃映射方法是一種離散映射建模方法，即以某一頻率對目標系統進行采樣，通常該頻率與系統工作頻率相同。如果目標系統狀態呈周期變化，其頻閃模型必然對應為一個不動點。

將表達式為=f（x）的非線性系統分段線性化為k個線性模態，各模態的狀態空間描述為：

式（1）中：x為系統向量，ui為系統輸入向量，Ai為系統狀態系數矩陣，Bi為系統輸入系數矩陣。

對式（1）進行整理可得系統狀態的時間映射函數：

設穩態時，系統運行周期為T，各線性模態的工作時間為ξi，即：

由此可得各模態下的狀態映射函數：

假設xn為體統穩態時的周期初始狀態，xn+1為系統穩態時周期結束狀態，穩態時，系統的狀態向量周期性重復，則xn+1=xn.

由此可得系統周期不動點x*為：

式（5）中：○為復合映射算子，含義為f○g（t）=f[g（t）]。各模態切換邊界條件為：

式（6）中：Yj（j=1，2，…，k）為狀態選擇矩陣，用來將邊界條件涉及到的某個狀態變量從狀態向量x中提取出來。

對于圖2中的電路，系統軟開關工作條件為開關瞬間，開關管漏源極兩端的電壓為0，即0電壓開關。對圖2中電路建模，利用上述方法通過狀態選擇矩陣提取出電容Cp的電壓。可知在軟開關狀態下，開關管兩端的電壓也為0，則同時該電容電壓也應為0，即利用式（6）提取出電容Cp的電壓，令該量為0.如果把周期T看作變量，由此則可計算出所有可實現軟開關的周期值Ti（i=1，2，…，k）。為了保證系統功率傳輸能力，選取其中最大軟開關周期Tmax，進而可推算出各元器件參數值。

根據要求系統輸入電壓為24 V，所帶負載的額定電壓與額定功率分別為12 V與4 W。利用上述方法，結合系統應用環境下結構尺寸的限定條件，設計出系統參數如表1所示。對系統性能進行測試，結果如圖3所示。

表1 IPT系統實驗參數

圖3 IPT系統穩態電壓電流波形

由圖3可見，諧振腔輸入電壓up與原邊側電感電流iLp呈正弦波形，相位角相差90°，原邊側電感與電容達諧振狀態，在開關管驅動高低電平切換瞬間，up波形過0，開關管完成通斷切換，說明開關管工作在ZVS狀態。

4 結束語

本文介紹了頻閃映射建模方法和周期不動點理論，由此總結出一種系統軟開關工作點的計算方法，根據輸入輸出要求設計了一款IPT供電系統，實驗結果可驗證設計參數的正確性。

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