单管无线电能传输系统主电路参数的优化设计.pdf

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1、第34卷第5期电工电能新技术Vo1．34，No．52015年5月AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyMav2015单管无线电能传输系统主电路参数的优化设计王春芳，齐飞，陈杰民，李聃，孙会(1．青岛大学自动化工程学院，山东青岛266071；2．海尔集团技术研发中心，山东青岛266103)摘要：常见的单管逆变电路只能在开关管开通或关断期间实现能量传输。本文提出了一种单管感应耦合式电能传榆系统，该系统不仅可以实现零电压开通和零电压关断，而且在两种开关状态下都能传递能量。为了使该设计方案能够高效、稳定地传输能量，给出一种基于电压传输

2、特性的主电路参数设计方法。在对主电路进行动态分析的基础上，对其谐振网路进行了等效变换，得出系统的电压增益函数。在优化原副边谐振频率的过程中得出了开关管实现ZVS的条件和系统实现最大电压增益的参数配置。完成了系统全局最优设计。最后通过仿真和实验验证了设计的正确性。关键词：无线电能传输；单管逆变；谐振；零电压开关中图分类号：TM42；TM46文献标识码：A文章编号：1003,3076(2015)05-0059-041引言2电路模型和动态分析近几年，感应耦合电能传输技术(Inductively图1为用单个开关管实现无线电能传输的系统CoupledPowerTrans~r，ICPT)被广泛应用于

3、小功率主电路。领域，如移植器官、便携手机、办公桌面用电等¨引。nY、一．，目前，中大功率的家用电器也在涉足该技术领域，中国海尔集团自主研发生产的无尾厨电就是典型的代表。随着科研人员对ICPT技术探索的不断深入，系丰一牛统稳定性控制及原副边补偿拓扑等方面的研究有了长足的进展。目前，无线电能传输系统主电路逆变拓扑多采用全桥逆变方式"】，少部分采用半．桥逆变方式。由于以上两种电路拓扑成本较高、图l单管无线电力传输主电路体积较大、控制复杂，基本没有能够投入到市场应用Fig．1MaincircuitofsingletubeWPT当中。本文提出了一种用单个开关管逆变就能实现感通过控制主电路开关管Q的

4、开通和关断可使应耦合电能传输的系统。通过对主电路参数的合理电路发生谐振，原副边线圈之间产生互感，从而将能优化设计和．PWM+PFM组合的控制方法，既可使开量从原边传输到副边。电路主要波形如图2所示。关管实现零电压开通和零电压关断，又使系统在开由图2可知，无论开关管处于开通还是关断状关管开通和关断期间均可传输能量，从而降低了开态，都有能量从原边传递到副边。下面是一个开关关损耗，增加了可靠性，并且完成了较高的功率输周期中各阶段的动态过程分析。出，保证了电能的高效利用。[t。～t]：开关管Q导通，电感。电流正向增大，t时刻达到最大。’收稿日期：2014-01—26基金项目：青岛大学和海尔集团合

5、作研究项目(2013158)作者简介：齐飞(1988．)，男，山东籍，硕士研究生，从事电力电子技术应用的研究；王春芳(1964．)，男，山西籍，副教授，博士，从事电能变换及其先进控制技术方面的研究。60电工电能新技术第34卷IIIIJltl、lII一＼．／／＼图3原边等效电路／——一～＼Fig．3Equivalentcircuitofprimaryside／．，Q式中，r。为原边线圈内阻；Z为副边等效到原边的阻／／，／抗；为原副边线圈之间的互感；z为副边总阻【，f抗。图4为副边电路的等效模型，图4(a)中一为原边对副边的互感电压；r。为副边线圈内阻；。为副边线图2主要波形图圈的电感；C为

6、副边的补偿电容；R。为负载电阻。可Fig．2Waveformsofmainparameters将图4(a)等效为图4(b)，则z为副边总阻抗。[t一t：]：开关管Q关断，和c相互交换能量而发生谐振，t时刻开关管Q电压和原边补偿电容c电压均达到最大。[t：～t]：t时刻电感电流开始反向增大，直到谐振电容C。电压降为零时达到最大。[t，～t]：t，时刻开关管闭合，由于二极管导通，开关管电压被钳位于零，没有电流通过，直到t时刻电感。电流降为零，二极管自然阻断，开关管开通。由图2可知，t：。时刻，开关管Q两端电压降为由图4可得：零，此后开通该开关管可以实现零电压开通。t时U⋯=jtoMl。(3)

7、刻，开关管虽然开通，但是并没有电流通过，在经过了t～t的时间后，二极管自然阻断，主开关才z：j。+r+(4)真正开通，则实际占空比D小于开关驱动脉冲的1+尺。占空比D，造成占空比的丢失。这是该变换器必然式中，lp为原边输入电流。存在的现象，只要电路参数选配合适，不会有不利该系统的电压增益函数为：影响。=3系统主要参数的优化设计II㈣由图4(a)可得：本文以一个额定输入电压为220VAC、额定输出功率为1kW、开关频率为21kHz、额