感应电能传输系统输出电压调压电路研究

孙 跃 陈 宇 唐春森 王智慧 戴 欣

（1.重庆大学自动化学院 重庆 400030 2.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 重庆 400030）

1 引言

感应电能传输（IPT）是利用电磁感应原理实现非接触无线电能传输的技术，具有安全、可靠、环保等特点，广泛应用于消费电子产品[1]、家用电器、生物医电[2]、电动汽车[3]等领域。

在IPT系统中，输出电压受原边电流、频率、线圈距离（互感）、负载、谐振参数等多种因素的影响。为了保证在输出端获得稳定的输出电压，常见的方法有：（1）在副边利用DCDC调压电路实现稳压[4]；（2）调节原边输出电流/电压等参数实现稳压[5]。增加DCDC调压电路会带来体积、效率等问题,除此之外，整流环节对于DCDC调压电路是必不可少的。而对于无需整流的加热、照明等应用，增加整流环节又引入了不必要的损耗。采用调节原边电流/电压的方法可以简化副边的电路结构，但是需要引入额外的通信环节。除此之外，为了控制原边电流/电压，一定程度上会增加原边电路的复杂度，同样会带来体积、功耗、价格等问题。

本文提出一种用于IPT系统副边的调压电路。此电路利用IPT系统自身的特点实现电压的调节，在交流侧实现电压的调节，对于无需整流的场合有较好的效果。文中首先利用基波近似法对提出的电路进行了分析，得到输出电压与控制输入的关系式,然后分析了利用单向开关的简化电路，最后通过仿真验证了电路的有效性。

2 基本电路及分析

2.1 基本电路

调压电路如图 1所示，除副边线圈LS与负载RL外，调压电路还包括2个电容 CS1、CS2及双向开关S1。CS1与CS2的大小由副边电感 LS及原边电流频率ω确定，满足：

图1 系统原理图Fig.1 Schematic of system

图中IP为原边线圈电流，IS为副边电流，IS1为流过开关管的电流，ICS1、ICS2分别为流过电容CS1、CS2的电流，IO为输出电流。

为了简化分析，可以将副边线圈等价为一个交流电压源与一个电感串联（电压型），或一个交流电流源与一个电感并联（电流型）[6]，等效电路图如图2所示。本文采用电压型等效，其中电感PL等于副边线圈自感，电压源SU满足：

图2 副边等效原理图Fig.2 Equalvent schematic of secondary side:(a)Voltage-fed(b)Current-fed

当 S1闭合时，电容CS1被短路，电路等价于并联谐振型副边电路，其输出电压为[7]：

其中品质因数Q为：

当S1断开时，LS与CS1形成串联谐振电路，因此负载RL两端的电压满足：

当S1以一定占空比d周期通断时，系统输出电压UOd满足：

通过控制占空比d即能实现输出电压的控制。

为了减小开关损耗，提高系统效率，S1采用ZVS软开关控制。在电容CS1两端增加电压过零检测，当电压UCS1过零时开通S1，开通占空比则由闭环控制算法决定。

2.2 输出电压分析

本文通过基波近似法计算开关占空比为d时开关与CS1并联后的等效阻抗ZCS1，从而获得输出电压与占空比d之间的关系。

当系统稳定时，副边电流近似为正弦波，而CS1两端电压及电流如图3所示：

图3 系统稳定时C1S两端电压及电流Fig.3 Voltage and current waveform of C1S at stable state

设副边电流表达式为：

且t0时刻系统处于稳定状态，且满足：t0ω+θ=2nπ+π/2，其中n为正整数。则CS1从 t0到t0+T时刻的电流满足：

iCS1(t)通过傅里叶变换可表示为：

其中：

将（8）代入（10），可得

则iCS1(t)的基波分量为：

uCS1(t)的基波分量为：

对于CS1与开关并联后的等效电容，其电压等于CS1两端电压，而电流为副边线圈电流，因此其等效阻抗为：

副边电流可表示为：

系统输出电压为：

将（4）、（14）、（15）代入（16），可得输出电压表达式为：

当Q=6，US=50 V时，输出电压与占空比关系图如图4所示：

图4 输出电压曲线，其中Q=6，US=50 VFig.4 Output voltage curve when Q=6,US=50 V

从图4中可以看出，利用本电路能实现输出电压从US到QUS之间的调节。

3 简化电路

图1中的电路采用双向开关S1对输出电压进行控制，而常用的开关器件MOSFET与IGBT均为单向开关，双向开关的引入，在一定程度上会影响系统的成本、效率。对于本文提出的电路，可以采用单个MOSFET或IGBT代替双向开关，实现类似的调压功能。

用单向开关替换双向开关会导致输出电压存在直流偏置的情况，可以通过在系统输出串联一个隔直电容 CS3克服这个问题。简化后的系统原理图如图5所示。

图5 采用单向开关的简化原理图Fig.5 Simplified schematic with unidirectional switch

4 仿真验证

为验证上述电路的有效性，建立仿真模型分别对双向开关的基本电路与单向开关的简化电路进行仿真。同时对简化电路增加闭环控制，验证在负载变化条件下系统的稳压效果。仿真系统原边采用并联谐振，仿真参数如表1所示：

表1 仿真参数Tab.1 Simulation Parameters

开始仿真后20 ms内保持占空比为0，之后每2 ms将占空比增加5%，仿真结果如下图所示：

图6 基本电路仿真结果Fig.6 Simulation result of basic circuit

从图中可以看出，当占空比较小时，输出电压增长较慢，随着占空比的增加，输出电压增长变快。其输出电压特性与Boost电路较为接近，且与图 4所示曲线一致。

采用单向开关，且不增加隔直电容时，改变占空比，其输出电压如图7a所示，输出电压展开后的波形如图7b所示。

可以看出，输出电压存在直流偏置的现象。除此之外，使用单向开关时，其输出电压特性与双向开关时类似。

增加隔直电容后，仿真结果如图8所示。

其结果与图6、图7结果类似。图8（b）为系统负载从800 Ω切换为400 Ω再切回800 Ω时的输出电压及占空比波形，可以看出，系统有较好的稳压效果。通过改进控制算法可以进一步提高系统动态性能。

图7 不添加隔直电容时的仿真结果Fig.7 Simulation result without DC blocking capacitor in circuit.(a)Output voltage and dutycycle.(b)Output voltage waveform at small time scale

图8 增加隔直电容后的仿真结果Fig.8 Simulation result with DC blocking capacitor in circuit.(a)The waveform of output voltage when dutycycle is changed.(b)The waveform of output voltage and dutycycle when load is changed.

图9中为开关管两端电压、电流，在开通时，系统在电压为0时开通，开通后电压为0。关断时，由于电容Cs1的存在，两端电压不会立即上升。可以看出，系统在开、关时均满足ZVS条件。

图9 开关管两端电压及流过的电流Fig.9 Voltage and current of switching device

5 结论

本文提出一种应用于 IPT系统副边的调压电路。利用基波近似法分析了电路的输出特性，并提出、分析了利用单向开关的简化电路。最后通过仿真验证了系统的有效性。

[1] Jang,Y.and M.M.Jovanovic,A contactless electrical energy transmission system for portabletelephone battery chargers.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2003.50(3):p.520-527.

[2] Jiang,H.,et al.,A low-frequency versatile wireless power transfer technology for biomedical implants.IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems,2013.7(4):p.526-535.

[3] Shin,J.,et al.,Design and implementation of shaped magnetic-resonance-based wireless power transfer system for roadway-powered moving electric vehicles.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2014.61(3):p.1179-1192.

[4] Huang,C.Y.,J.T.Boys and G.A.Covic,LCL Pickup Circulating Current Controller for Inductive Power Transfer Systems.Power Electronics,IEEE Transactions on,2013.28(4):p.2081-2093.

[5] Hua,C.,S.Liming and L.Yaohua,Harmonic-Based Phase-Shifted Control of Inductively Coupled Power Transfer.Power Electronics,IEEE Transactions on,2014.29(2):p.594-602.

[6] Hu,A.P.,Selected resonant converters for IPT power supplies.2001,The University of Auckland:Auckland.p.240.

[7].Wang,C.,G.A.Covic and O.H.Stielau,Power Transfer Capability and Bifurcation Phenomena of Loosely Coupled Inductive Power Transfer Systems.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2004.51(1):p.148-157.