串-串補(bǔ)償與串-并補(bǔ)償非接觸諧振變換器特性分析與控制策略研究

1、串串補(bǔ)償與串併補(bǔ)償非接觸諧振變換器特性分析與控制策略研究嚴(yán)開(kāi)沁，陳乾宏，曹玲玲，張巍，任小永(江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京航空航天人學(xué))，南京210016) 摘要：非接觸供電技術(shù)由于其供電靈活，具有少維護(hù)性及安全方便的優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)設(shè)備充電 場(chǎng)合、油出、水下供電場(chǎng)合具冇很大的優(yōu)勢(shì)。本文主要針對(duì)串串補(bǔ)償、串并補(bǔ)償兩種最為 常用的非接觸諧振變換器進(jìn)行了分析。通過(guò)對(duì)兩種變換器輸出電壓增益、輸入阻抗的分析， 說(shuō)明了串串補(bǔ)償非接觸諧振變換器更適合采用口激控制方法工作丁高頻増益交點(diǎn)，可獲得 較為恒定的輸岀和較窩的效率；而串并補(bǔ)償非接觸諧振變換器則更為適合采用pll控制。 最后，本文通過(guò)一臺(tái)60

2、w串-串補(bǔ)償和一臺(tái)1()()w串-并補(bǔ)償非接觸諧振變換器的實(shí)驗(yàn)證明了 分析的正確性。關(guān)鍵詞：非接觸供電技術(shù)；串-串補(bǔ)償；串-并補(bǔ)償；特性分析；控制策略 中圖分類號(hào)：tm46analysis and control strategies for ss-type and sp-typecontactless resonant converteryan kaiqin, chen qianhong, cao lingling, zhang wei, ren xiaoyong(jiangsu key-laboratory ofnew energy generation and power convers

3、ion, nanjing universityof aeronautics and astronautics, nanjing 210016)abstract: contactless power transmission (cpt) is of great superiority in mobile devices, minal, underwater applications due to its safety, convenience, high flexibility and low maintenance cost this paper focuses on the analysis

4、 of ss-type contactless resanant converter (crc) and sp-type crc. the input-to-output voltage gain and the input impedance of both converters are discussed in detail. with the help of software mathcad, the suitable control strategies for the converters are analyzed for ss-type crc, nearly constant v

5、oltage gain and high efficiency can be obtained with self-oscillating control, by which the operation frequency is set at the higher voltage gain intersection. for sp-type crc, phase lock loop (pll) control strategy is more suitable. finally, a 60w ss-type crc and a 100w sp-type crc are fabricated a

6、nd the experimental results verify the validity of the above analysis.key words: contactless power transmission; ss-typc; sp-typc; characteristic analysis; control strategy0引言非接觸供電技術(shù)是基于磁場(chǎng)耦介實(shí)現(xiàn)“無(wú)線供電'的新型電能傳輸方式。其利用原副邊 完全分離的非接觸變壓器，通過(guò)高頻磁場(chǎng)的耦合傳輸電能，能夠?qū)崿F(xiàn)能量傳遞過(guò)程中供電側(cè) 和用電側(cè)無(wú)物理連接。與傳統(tǒng)的供電方式和比，非接觸供電使用方便、安全，具有惡劣環(huán)境

7、適應(yīng)性和少維護(hù)性，因而在手機(jī)、人體植入設(shè)備、電動(dòng)汽車等1-3移動(dòng)設(shè)備的供電場(chǎng)合，在 油出、礦井、水下供電等4-6環(huán)境惡劣場(chǎng)介均已得到了應(yīng)用。非接他諧振變換器按其所需供電電源的特性可分為兩種：輸入電壓源型和輸入電流源基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51077069):江蘇省自然科學(xué)基金(bk2009372):高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn) 專項(xiàng)科研基金(20103218110013)作者簡(jiǎn)介：嚴(yán)開(kāi)沁(1989-),女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榉墙佑|能量供電系統(tǒng)通信聯(lián)系人:陳乾宏(1974-),女,博上，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣β室驍?shù)校正變換器，磁集成技術(shù)以及 非接觸能量供電系統(tǒng).e-mail: chenqh型

8、。輸入電流源型非接觸諧振變換器有并串補(bǔ)償及并并補(bǔ)償兩種，其電能輸入通常采用電 壓源串大電感來(lái)實(shí)現(xiàn)，其開(kāi)關(guān)管應(yīng)力較高，因而現(xiàn)在最為廣泛采用的是輸入電壓源型非接觸 諧振變換器。輸入電壓源型非接觸諧振變換器主要包括串小補(bǔ)償，串并補(bǔ)償，lcl補(bǔ)償 等，其中串串補(bǔ)償和串并補(bǔ)償諧振變換器也是最為常用的兩種電路拓?fù)?。本文主要針?duì)串串補(bǔ)償以及串并補(bǔ)償非接觸諧振變換器進(jìn)行了電壓增益以及輸入阻抗 的詳細(xì)分析。通過(guò)mathcad軟件對(duì)理論分析中的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證并給出了不同變換器的控制 策略分析。最后通過(guò)一臺(tái)60w串-串補(bǔ)償非接觸諧振變換器和一臺(tái)100w串-并補(bǔ)償非接觸 諧振變換器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了變換器特性以及控制策略的

9、正確性。1串-串補(bǔ)償與串并補(bǔ)償非接觸諧振變換器基波等效模型1.1電路組成圖1給岀了非接觸諧振變換器的電路框圖，英由開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)（逆變器）、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、整流 濾波環(huán)節(jié)以及負(fù)載四部分構(gòu)成。直流電壓v1n經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l交變電壓,該交變電壓使 得非接觸變壓器原邊與原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)諧振，產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng)，變壓器副邊則相應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng) 電壓，經(jīng)副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)及整流濾波電路給負(fù)載供電。圖1非接觸諧振變換器框圖fig. 1 diagram of a contactless resonant converter圖2分別給出了串串補(bǔ)償非接觸諧振變換器與串并補(bǔ)償非接觸諧振變換器的電路圖 （略去了開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)）。圖中，cp為原邊補(bǔ)償

10、電容，tr為非接觸變壓器，cs為副邊補(bǔ)償電容,圖2兩種補(bǔ)償方式的菲接觸變換器電路拓?fù)鋐ig.2 topologies of contactless resonant converter with different compensation method1.2基波等效模型首先，定義v5為輸入方波的基波分量，原邊電流為z1,副邊電流為72,副邊整流橋 橋臂中點(diǎn)電壓為其基波分量為vo5o采用基波近似分析法對(duì)這兩種補(bǔ)償拓?fù)溥M(jìn)行分析， 可得如圖3所示的基波等效電路。圖3中，變壓器釆用漏感等效模型，5、5分別為變壓器原副邊漏感，3為激磁電感， re為負(fù)載rlj和整流橋部分的等效電阻。lp、ls則分別為變

11、壓器原副邊自感，k為耦合系數(shù), 滿足：cp ln+v5>-厶(2)cplnvos(1)lp = l i+厶耐，ls = l12 + n lm(a)串-串補(bǔ)償(b)串-并補(bǔ)償圖3兩種補(bǔ)償拓?fù)涞幕ǖ刃Ｐ蚮ig.3 the fundamental equivalent circuits of the two topologies702變換器特性分析2.1串串補(bǔ)償非接觸諧振變換器首先分析串串補(bǔ)償非接觸諧振變換器的增益特性。先將變壓器的副邊元件等效至原邊。等效電阻re折算至原邊后，其等效負(fù)載為：d r rer? = (3)m漏感a/2和副邊補(bǔ)償電容cs可等效為 s和cslli =m , cr

12、n c $(4)n75串-串補(bǔ)償拓?fù)涓边呺娐穮?shù)按匝比折算至原邊片的數(shù)學(xué)模型如圖4所示。cp lnln/m cstti圖4串串補(bǔ)償原副邊阻抗等效后的變換器數(shù)學(xué)模型fig.4 equivalent circuit of a ss-type converter 運(yùn)用戴維南等效定律，可由圖4得到圖5。圖5戴維南等效后的等效電路pig 5 equivalent circuit with thevenin's theorem令原、副邊阻抗分別為:iz/*= j(g) lp -;) , zs = 7(g) ls -ocp則在圖5中，有 jo) lmvt = vs zp(丿0)厶”)仃0)厶/】+

13、)/cocpzt = lu / /(厶/i + cp) =j(j®l w) + (丿 0)厶"+ )jscpkop= v zr +j®l i2 / hzre / w2丿3厶”=vsn 2 乙z+丿®厶re! hi111 / yit j®cs n:副邊整流橋橋臂中點(diǎn)電壓mr基波分量的幅值為：同時(shí)，對(duì)于全橋逆變器，假設(shè)輸入電壓mb是占空比為1 対英進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分析，可得以基波分量的幅值：|r|=r 加的方波，方波幅值為輸入電爪(9)vin.(10)由式(9)和式(10),冇則變換器的電壓增益為:g、(o) =丿 co/7 厶 m rezp (zs

14、 + re ) + h2(0i lmizpj(0 lm /cd bcpcs re lu(11)(12)其中2a = co 4cpcs (m lm2 - lp ls) +(o 2 (lpcp + lscs) -1當(dāng)=()時(shí)，gv與re無(wú)關(guān)，求解可以得到兩個(gè)頻率點(diǎn)：(13)(14)(15)其中,(dp =.1 , cos =,yjlvc?yjls cs當(dāng)變換器工作在頻率e厶或coh時(shí)，變換器的電壓増益gv與負(fù)載re無(wú)關(guān),g保持恒定，可使變換器在負(fù)載變化時(shí)穩(wěn)定工作。變換器的輸入阻抗農(nóng)達(dá)式可以很容易地由圖3得出：(16)即負(fù)載變化時(shí)1zin = /(0 s + + jco lmi /(yoj 厶,2

15、+j®cp(17)2.2串并補(bǔ)償非接觸諧振變換器95vos圖6串并補(bǔ)償非接觸諧振變換器的等效電路fig.6 equivalent circuit lor sp-type topology類似的，串并補(bǔ)償非接觸諧振變換器可等效為圖6所示，vt仍然滿足式（6）, 電壓為：j®lvop點(diǎn)rk / n 2mzp"vop = v zr+jl "/nr 十廠n jcori： g ）副邊整流橋橋臂屮點(diǎn)間電壓mr慕波分量的幅值為:rez+j3l .聽(tīng)“+拠©(18)w；t °這111仍假設(shè)輸入電壓vab是占空比為1的方波，方波幅值為輸入電壓匕”，由式

16、（10）和式（19）, 冇：(19)vosvs(20)則變換器的電爪增益為:-<1=5二 1) ci lc l$ cr + co 2 (lpcp 4-c$)二 1neo 2 lm cp+川一一cp re(21)其中(22) = (co? lpcp 7jlu + m f(d?cp lm lu lm )(dc =當(dāng)=()時(shí)，gv與re無(wú)關(guān),求解可得一個(gè)頻率點(diǎn)：100(23)當(dāng)變換器工作在頻率ec時(shí)，變換器的電壓增益gv與負(fù)載re無(wú)關(guān)，可使變換器在負(fù)載105110115變化時(shí)穩(wěn)定工作。變換器的輸入阻抗可山圖3分析得到:z" = jcoan +jzl" /(j0)厶/2 +;

17、(ogre)=zp +zjscs re +1®ls +"jmcs re +1(24)3變換器控制策略分析上文給出了串串補(bǔ)償以及串并補(bǔ)償非接觸諧振變換器詳細(xì)的特性分析，然而這些并不 能玄觀地反應(yīng)出變換器的性質(zhì)，不利于變換器控制策略的分析。因此本文采用mathcad軟件, 以一特定非接觸變壓器的兩組參數(shù)繪制了不同變換器的輸出電壓增益及輸入阻抗曲線，非接 觸變壓器的參數(shù)見(jiàn)農(nóng)lo表1非接觸變壓器參數(shù)氣隙klp (ph)ls (ph)ln (gh)lo (ph)厶m (ph)m (ph)1 omm0.53251.3644.1323.2821.6528.0825.1320mm0.273

18、42.6038.1330.3228.3012.2710.98tab.l parameters of a contactless transformer3.1串串補(bǔ)償非接觸諧振變換器控制策略分析串仲補(bǔ)償時(shí)采用的諧振電容參數(shù)為：q=27.2nf, cs=29.25nfo采用mathcad軟件分別 畫(huà)出兩組變壓器參數(shù)f的電壓增益及輸入阻抗曲線，6如圖7所示。1niiicol kmax1(oh km(ixrlrl_mmu 111.04 1'2()u(a)串 t0 160 f5(khz)i補(bǔ)償増益g0 2(x)0 22(in111出k. rl. auxmlkmin/'(ohi hi kn

19、 mini> rl. trjdn. rf. min£ b 12)131 14016)170 18020) 2201593-3-15 1(輸入阻抗0(°)906090輸入阻抗 相加inin(f)l kmax0jh_kmaxk«iu.rl muirl wav60mkh刀(b)串一串補(bǔ)償輸入匪i抗(皿)90i11111(t)l_kmax0)h_kmaxrt)njkwoi*kk>u«klhu«rl matrl. wrl rtiiu220-300-306090fs(klh)(d)串-串補(bǔ)償輸入阻抗(&”)(c)串-串補(bǔ)償增益(也”)k

20、 7串串補(bǔ)償?shù)碾妷涸鲆婕拜斎胱杩沟膍athcad計(jì)算結(jié)果fig.7 calculated results of input-to-output voltage gain for ss-type由圖7可知，串-串補(bǔ)償非接觸諧振變換器始終存在兩個(gè)增益交點(diǎn)，在非接觸變壓器參 數(shù)發(fā)生變化時(shí)，增益交點(diǎn)的增益值變化很小。在低頻增益交點(diǎn)處，變換器的輸入阻抗為容性; 在高頻增益交點(diǎn)處，變換器的輸入阻抗為感性。在控制策略的選擇上，我們通常需要同時(shí)考慮變換器的輸出穩(wěn)定性及效率。對(duì)于小巾補(bǔ)償非接觸諧振變換器，nj以將其工作點(diǎn)設(shè)定在 増益交點(diǎn)（dh附近，既能保證原邊逆變器開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，乂能提高變換器對(duì)變參數(shù)的適應(yīng)

21、能力，得到較為恒定的輸出。該控制方法可以通過(guò)文獻(xiàn)8提出的口激控制方法，即保證逆變 器橋忖中點(diǎn)電壓與副邊電流同相得以實(shí)現(xiàn)。3.2串并補(bǔ)償非接觸諧振變換器控制策略分析串/并補(bǔ)償時(shí)釆用的諧振電容參數(shù)為:cp=1709nf, cul3nf,同樣地釆用mathcad軟件畫(huà)岀兩組變爪器參數(shù)下的電爪增益及輸入阻抗曲線，如圖8所示。（a）串-并補(bǔ)償增益（仏）（b）串-并補(bǔ)償輸入阻抗（也）（c）串-并補(bǔ)償增益（也初）（d）串-并補(bǔ)償輸入阻抗（亦）圖8吊并補(bǔ)償?shù)碾妷涸鲆婕拜斎胱杩沟膍athcad計(jì)算結(jié)果fig.8 calculated results of input-to-output voltage gain

22、 for sp-typcitl圖可知，串并補(bǔ)償非接觸諧振變換器僅存在一個(gè)增益交點(diǎn)，且非接觸變壓器參數(shù)的變化對(duì)增益交點(diǎn)處增益值影響很大。而在不同變壓器參數(shù)卜，變換器的輸入阻抗曲線始終存在交點(diǎn)，h均為輸入阻抗為零處。在控制策略上，串并補(bǔ)償?shù)姆墙佑|諧振變換器比較適合 采用pll控制。實(shí)際工作中，為獲得較高的效率，一般不工作在輸入阻抗為零處，而是設(shè) 定鎖相角為一較小的感性角，以實(shí)現(xiàn)原邊逆變器開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)。在該控制策略下，變換器 的輸出電壓變化范圍較寬，需要在后級(jí)級(jí)聯(lián)調(diào)壓電路進(jìn)行精確穩(wěn)壓。4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為證明上文對(duì)屮串補(bǔ)償及串并補(bǔ)償非接觸諧振變換器特性分析及相應(yīng)控制策略分析 的正確性，本文分別完成了一臺(tái)6

23、0w 口激控制的串-串補(bǔ)償非接觸諧振變換器和一臺(tái)100w pll控制的串并補(bǔ)償非接觸諧振變換器。兩臺(tái)變換器采用同一個(gè)非接觸變壓器，具具體參 數(shù)見(jiàn)表1。4.160w串串補(bǔ)償變換器實(shí)驗(yàn)結(jié)果串串補(bǔ)償非接觸諧振變換器采川的元器件見(jiàn)表2。口激控制時(shí)變換器滿載波形如圖9所示，其中，us是逆變器橋怦中點(diǎn)電壓，力是變換器原邊電流，72是變換器副邊電流。山圖 9可知在自激控制方法下，vs與12同相，逆變器橋臂中點(diǎn)電壓超前于原邊電流，能夠?qū)崿F(xiàn)變 換器的zvso圖10和圖11分別給出了變換器的負(fù)載調(diào)整率以及效率曲線，由圖可見(jiàn)在不 同氣隙下的變換器的輸出電壓基本恒尢，證明了上述控制策略的有效性。該串串補(bǔ)償非接140觸

24、諧振變換器在10mm氣隙下效率可達(dá)86%。 表2串串補(bǔ)償非接觸變壓器元件列表tab.2 components list of the sstypc contactless resonant converter電路器件種類功率 mosfet01-q4irf8010(100v/80a)反并二極管mbr10100(100v/10a)電容cp27.2nf電容cs29.3nf肖特基二極管dri-drambr2535l(35v/25a)電容cf33opf/5ov鐵氧體3f3,平面e磁芯64/10/50非接觸變壓器np=9 匝，利茲線 awg38#x32x3ns=17 匝，利茲線 awg38#x32x3人:

25、20刃則i:5a/divii:5a/div一人:20刃d紉、i:5a/divi2：5a/div、us/div< rw.f（a）p°=60w （也負(fù)）p尸60w以加）圖9自激控制串串補(bǔ)償非接觸諧振變換器滿載波形fig. 10fig.9 selfoscillating controlled wavefonns of the ss-type resonant converted full load)84.083.082.081.0圖10串串補(bǔ)償負(fù)載調(diào)整率load regulation for ss-type converter圖h串串補(bǔ)償效率fig.l 1 efficiency fo

26、r sstypc converter4.2100w串并補(bǔ)償變換器實(shí)驗(yàn)結(jié)果145串并補(bǔ)償非接觸諧振變換器采用的元件列表見(jiàn)表3,未列出的元件與上述串串補(bǔ)償非接觸諧振變換器一致。圖12給出了 pll控制方法下變換器的滿載波形，其中，vs是逆變器 橋臂中點(diǎn)電壓，力是變換器原邊電流，,2是變換器副邊電流，決為整流橋輸入電流。由圖12 可知，pll控制方法實(shí)現(xiàn)了不同耦合系數(shù)下逆變器開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)。變換器的負(fù)載調(diào)整率以 及效率山圖13和圖14給出。圖13顯示岀釆用pll控制方法下的串并輸出電壓范圍較寬,不僅驗(yàn)證了前文的分析，還證明了后級(jí)采用調(diào)壓電路的必要性。該串并補(bǔ)償非接觸諧振變 換器在10mm氣隙下的效率

27、可達(dá)79.5%。表3串并補(bǔ)償非接觸變換器元件列表tab.3 components list of the sp-type contactless resonant converter電路器件種類電容cp電容cs副邊整流二極管dr-dra電感l(wèi)f17.3nf12.2nfdesi 2x101 (600v/2x96a)100phk：50ra/vvs5vidiyh:20a/divir：0a/aivi2：5a!divir：5a/divh:5a/divtime:us/divtme: us/div(a)po= 100w (knua)(b)只尸 100w (皿)圖12 pll控制串并補(bǔ)償非接觸諧振變換器滿載波

28、形fig.12 pll controlled waveforms of the 100w sp-type resonant converter(fiill load)80.0l80.078.0|打70.0k 1*kvrri/76.0kwiw60.074.0> 50.072.0月 70.040.03 68.030.066.064.0120.012：3(j40506070l8090k)t) 2b圖30134o '5060'70 '80 1 9(1p。(w)串并補(bǔ)償負(fù)載調(diào)整率1(0圖14p“ ( w)串并補(bǔ)償效率fig3 load regulation for sp-type converterfig.14 efficiency for sp-type converter5結(jié)論木文給出了串串補(bǔ)償以及串并補(bǔ)償非接觸諧振變換器的電壓增益和輸入阻抗的詳細(xì) 分析過(guò)程。通過(guò)采用mathcad軟件對(duì)兩種變換器的輸出電壓增益以及輸入阻抗曲線的繪制， 詳細(xì)分析了兩種變換器適用的控制策略。對(duì)于串串補(bǔ)償?shù)姆墙佑|諧振變換器，町以采用a 激控制方法，使其工作在高頻電壓增益交點(diǎn)處，既能保證輸出的恒定，乂能獲得較高的效率; 對(duì)于串并補(bǔ)償非接觸諧振變換器，采用pll控制方法更為適用。最后，本文通過(guò)一臺(tái)60w 小出補(bǔ)償以及100w小并補(bǔ)償