一種接收端有源整流的無線電能傳輸系統設計

劉飛廉，李志忠，邱 煒，張亦弛

（廣東工業大學 信息工程學院，廣東 廣州 510006）

0 引 言

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer，WPT）技術實現了供電端與負載端的電氣隔離，在全球范圍成為眾多學者的研究熱點[1-3]。在實際應用過程中，為滿足用電設備的供電電壓要求，需要WPT系統接收端提供穩定的輸出電壓，而系統拓撲、傳輸距離、偏移程度以及負載特性等因素都會影響接收端的輸出電壓[4-7]。文獻[8]采用接收端后級接入DC-DC的方法來達到控制電壓的效果，但添加DC-DC后接收端體積和損耗增大。文獻[9]和文獻[10]通過通信網絡以確保精準控制，但通信延遲限制了系統的動態性能，使控制回路設計復雜。文獻[11]提出一種基于S-S補償系統的接收端有源整流器控制方法，但控制過程中會影響負載阻抗，增加無功功率，且該方法不適用于其他補償網絡。

針對上述問題，本文設計了一種針對LCC-S補償網絡，控制接收端有源整流器實現恒壓功能的WPT系統。該系統在無需控制發射端的情況下，僅控制接收端提供恒定的輸出電壓且保持等效負載阻抗為純阻性。

1 系統結構與工作模態

本文所介紹的無線電能傳輸系統如圖1所示，主要包括3部分，即高頻逆變器、發射及接收補償網絡、有源整流器。高頻逆變器由4個MOSFET管Q1—Q4構成，發射端補償網絡包括L1、C1、Cp、Lp，接收端補償網絡包括Ls、Cs，兩個二極管D1、D2和兩個MOSFET管Q5、Q6構成有源整流器。另外RL為系統負載，M為發射、接收線圈的互感。

圖1 系統結構框圖

接收端工作波形如圖2所示，依次為諧振電流is、控制信號UQ5和UQ6、整流側信號Urec以及整流側電流irec，工作模態如圖3所示。（1）模態1：Q5導通、Q6截止，D1、D2截止。正向諧振電流is經過Q5和Q6的體二極管形成回路，Urec為零，RL的能量僅由輸出電容Cout提供。（2）模態2：Q5截止、Q6導通，D1導通、D2截止。正向諧振電流is經過D1、Q6向Cout和RL傳遞能量，Urec為+Uo。（3）模態3：Q5截止、Q6導通，D1、D2截止。負向諧振電流is經過Q6和Q5的體二極管形成回路，Urec為零，RL的能量僅由輸出電容Cout提供。（4）模態4：Q5導通、Q6截止，D1截止、D2導通。負向諧振電流is經過D2、Q5向Cout和RL傳遞能量，Urec為-Uo。

圖2 接收端關鍵波形

圖3 4種工作模態圖

2 原理分析

系統穩定時各電流表達式滿足：

整流側電壓的基波分量表達式為：

式中，θ=ωt0(0≤θ≤ 90°)為 MOS管 Q5和 Q6的導通角度。

基波分量與諧振電流零相位差，令接收端諧振電流為：

式中，Isrms為諧振電流is的有效值。

當系統穩定時，負載輸出電流Io在一個開關周期內可表達為：

接收端的整流側輸入等效阻抗為：

根據以上公式可得：

系統輸出與輸入電壓增益可表示為：

由式（7）可知，M與L1為定值的情況下，系統輸出與輸入的電壓增益與cosθ成反比，故可以通過控制θ的導通時間改變系統增益，從而實現控制輸出電壓的效果。

3 控制策略

圖4為系統輸出電壓閉環控制策略框圖。由上述內容可知，為了滿足接收諧振電流is與整流側電壓基波Urec,1零相位差，關鍵在于采樣接收諧振電流的頻率與相位。如圖4，采樣電流通過低通濾波和過零檢測等處理后提取出頻率與相位，檢測輸出電壓PI控制器的輸出作為參考比較電壓，在輸出電壓大于參考電壓時，有效導通角會隨之減小，反之亦然。

圖4 控制環路策略框圖

4 實驗與分析

本文所設計無線電能傳輸系統的電路參數如表1所示。

表1 電路參數

為了驗證本文的系統拓撲及控制策略的有效性，使用表1的電路參數搭建如圖5所示的實驗平臺。

圖5 實驗平臺圖

圖6為系統接收端的穩態波形，圖7為負載變化時輸出電壓結果統計圖。在不同的負載條件下，系統接收端調整有源整流器的導通角，使輸出穩定。由圖6可見諧振電流與整流側電壓基本同相位，由圖7可知，系統在變負載的情況下輸出電壓穩定在24 V左右，其中在負載為10 Ω時，系統傳輸效率最大約為84.4%，驗證了本文的準確性。

圖6 系統接收端的穩態波形

5 結 論

本文針對LCC-S補償網絡的WPT系統，在接收端使用有源整流控制來實現恒定的輸出電壓。首先結合具體的補償網絡分析了電壓輸出、等效輸入阻抗、電壓增益與導通角的關系，其次結合控制策略進行了詳細說明，最后搭建實驗平臺，通過負載變化響應，在實現動態性能的同時保證系統的穩定性，驗證了本文設計的準確性。