感应耦合功率传输系统的工作原理

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1、1感应耦合功率传输系统的工作原理1.1感应耦合功率传输系统的构成感应耦合功率传输系统的基本结构包括：电源、初级侧整流及逆变部分、初级侧载流线圈、次级侧感应线圈、次级侧整流及调节部分和负载。图2.1给出了系统的基本构成框图：图2.1感应耦合功率传输系统结构图Fig.2.1BasicstructureofatypicalICPTsystem其中，电源、初级侧整流及逆变部分和初级侧载流线圈属于固定不动部分；次级侧感应线圈、次级侧整流及调节部分和负载可以做成移动部分。初、次级子系统之间不存在电气连接。1.2感应耦合功率传输技术的工作原

2、理感应耦合功率传输技术的最基本理论依据就是电磁感应原理[14~19]。高频电流通过初级侧载流线圈产生交变磁力线，交变磁力线与次级侧感应线圈相耦合产生感应电动势，从而利用产生的电动势来驱动负载。相对于传统的感应能量传递系统，ICPT系统耦合程度较小。为了提高系统的功率传输能力，初级绕组通常采用高频交流电压驱动。系统工作时，输入端首先将普通工频市电整流成直流，再经DC/AC转换，变成合适的高频交流电，作为初次侧载流线圈的电流输入。经磁路耦合，在次级侧感应出高频交流电。由于存在气隙，耦合系数较小，传输功率较低。需要根据负载的要求对次

3、级侧交流电进行各种处理。若为直流负载，则将高频电流经过整流为负载供电；若为交流负载，则还需要进行逆变处理。所以不存在一种对所有负载都最优的电路拓扑结构，必须根据需要，针对不同性质的负载设计出不同的电路。对于滑动式ICPT系统，进行长距离供电时通常需要一定的开关控制系统，实现初级绕组的分段式供电，提高传输效率。ICPT等效于疏松耦合结构连接的传输系统，其次级侧的拓扑结构，如图2.2：图2.2次级侧等效电路图Fig.2.2TheequivalentcircuitdiagramofICPT设变压器的原边激磁电感为；副边激磁电感为；互

4、感为；原边线圈流过角频率为电流有效值为的交流电，根据耦合关系，副边电路接受线圈将会感应出电压：（2.1）相应的诺顿等效电路短路电流为：（2.2）若副边线圈的品质因数为：。则由以上三式可得出传输功率：（2.3）可以看出，提高电能传输的大小可以通过增大、、和，或减小，但受应用场合机械安装和成本限制，ICPT系统中，值一般较小，而且一旦系统设计完成后，和的值就基本固定了。能够做调整的是乘积量。从设计角度考虑，在参数选择设计中，的值一般不会超过10，否则系统工作状态将对负载变化、元件参数变化和频率变化非常敏感。由此，对传输电能大小调节

5、余度最大的是乘积。从该关系式可见频率与原边电流的关系：提高频率，可以减小原边电流，反之亦然。所以在传输相等电能及其他相关量不变的情况下，采用高频的系统与低频的系统相比，所需初级载流线圈电流大大降低，系统成本大大降低。因此，ICPT系统比较适合采用高频系统。但限于目前功率电子技术及器件的水平，系统频率受到限制，所以一般采用的频率范围为10~100KHz。在本课题设计中，采用的频率为90KHz。1.1感应耦合功率传输系统的类型根据输入载流线圈的电能形式，感应耦合功率传输系统可分为电压馈送串联谐振转换电源电路和电流馈送并联谐振转换电

6、源电路[4]。1.1.1电压馈送串联谐振转换电源电路电压馈送串联谐振转换电源电路又可分为全桥式电路和半桥式电路。其中半桥式电路是由全桥式电路演变而来，它是用两个大容量电容代替全桥式一侧的两个开关管而成，如图1.3中（b）所示：图1.3全桥式和半桥式电压馈送串联谐振电源转换电路Fig.1.3Fullbridgeandhalfvoltage-fedseriesresonanceconverter其中：——直流电源；、、、——功率开关管；——串联谐振电容；——初次侧载流线圈电感；——载流线圈本身电阻和二次侧耦合到一次侧负载阻抗的总和

7、；图中与开关管反并联的二极管为功率开关管本身所衍生。当开关管用功率场效应管（MOSFET）时，图中二极管为源极和漏极形成的寄生二极管。稳态情况下，半桥式电压馈送串联谐振转换电路中的两个代替功率开关管的电容电压波动较小，对于串联谐振网络的电压输入相当于电源电压的一半。初次侧载流线圈的感应输出电压的频率、幅值和初始相角都可以通过控制开关管的导通时刻来改变。1.1.1电流馈送并联谐振转换电源电路电流馈送并联谐振转换电源电路和电压馈送串联谐振转换电源电路具有对偶关系，也有全桥式和推挽式电路两种[11]，如图2.4所示：图1.4全桥式和

8、推挽式电流馈送并联谐振转换电源电路Fig.1.4Fullbridgeandpullpushcurrent-parallelresonanceconverter其中：——直流电感；、——分裂电感；电流馈送并联谐振电源电路一般用一个电感值较大的直流电感和电压源相串联来构成类似电流