串-串補償與串-并補償非接觸諧振變換器特性分析與控制策略研究

1、串串補償與串併補償非接觸諧振變換器特性分析與控制策略研究嚴開沁，陳乾宏，曹玲玲，張巍，任小永(江蘇省新能源發(fā)電與電能變換重點實驗室(南京航空航天人學)，南京210016) 摘要：非接觸供電技術由于其供電靈活，具有少維護性及安全方便的優(yōu)點，在移動設備充電 場合、油出、水下供電場合具冇很大的優(yōu)勢。本文主要針對串串補償、串并補償兩種最為 常用的非接觸諧振變換器進行了分析。通過對兩種變換器輸出電壓增益、輸入阻抗的分析， 說明了串串補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，可獲得 較為恒定的輸岀和較窩的效率；而串并補償非接觸諧振變換器則更為適合采用pll控制。 最后，本文通過一臺60

2、w串-串補償和一臺1()()w串-并補償非接觸諧振變換器的實驗證明了 分析的正確性。關鍵詞：非接觸供電技術；串-串補償；串-并補償；特性分析；控制策略 中圖分類號：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是基于磁場耦介實現(xiàn)“無線供電'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，通過高頻磁場的耦合傳輸電能，能夠?qū)崿F(xiàn)能量傳遞過程中供電側 和用電側無物理連接。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、適應性和少維護性，因而在手機、人體植入設備、電動汽車等1-3移動設備的供電場合，在 油出、礦井、水下供電等4-6環(huán)境惡劣場介均已得到了應用。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目：國家自然科學基金(51077069):江蘇省自然科學基金(bk2009372):高等學校博士學科點 專項科研基金(20103218110013)作者簡介：嚴開沁(1989-),女，碩士研究生，主要研究方向為非接觸能量供電系統(tǒng)通信聯(lián)系人:陳乾宏(1974-),女,博上，博士生導師，研究方向為功率因數(shù)校正變換器，磁集成技術以及 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償及并并補償兩種，其電能輸入通常采用電 壓源串大電感來實現(xiàn)，其開關管應力較高，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償，串并補償，lcl補償 等，其中串串補償和串并補償諧振變換器也是最為常用的兩種電路拓撲。本文主要針對串串補償以及串并補償非接觸諧振變換器進行了電壓增益以及輸入阻抗 的詳細分析。通過mathcad軟件對理論分析中的結果進行了驗證并給出了不同變換器的控制 策略分析。最后通過一臺60w串-串補償非接觸諧振變換器和一臺100w串-并補償非接觸 諧振變換器的實驗驗證了變換器特性以及控制策略的

9、正確性。1串-串補償與串并補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，英由開關網(wǎng)絡（逆變器）、補償網(wǎng)絡、整流 濾波環(huán)節(jié)以及負載四部分構成。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償網(wǎng)絡諧振，產(chǎn)生高頻交變磁場，變壓器副邊則相應產(chǎn)生感應 電壓，經(jīng)副邊補償網(wǎng)絡及整流濾波電路給負載供電。圖1非接觸諧振變換器框圖fig. 1 diagram of a contactless resonant converter圖2分別給出了串串補償非接觸諧振變換器與串并補償非接觸諧振變換器的電路圖 （略去了開關網(wǎng)絡）。圖中，cp為原邊補償

10、電容，tr為非接觸變壓器，cs為副邊補償電容,圖2兩種補償方式的菲接觸變換器電路拓撲fig.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 橋臂中點電壓為其基波分量為vo5o采用基波近似分析法對這兩種補償拓撲進行分析， 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-串補償(b)串-并補償圖3兩種補償拓撲的基波等效模型fig.3 the fundamental equivalent circuits of the two topologies702變換器特性分析2.1串串補償非接觸諧振變換器首先分析串串補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，其等效負載為：d r rer? = (3)m漏感a/2和副邊補償電容cs可等效為 s和cslli =m , cr

12、n c $(4)n75串-串補償拓撲副邊電路參數(shù)按匝比折算至原邊片的數(shù)學模型如圖4所示。cp lnln/m cstti圖4串串補償原副邊阻抗等效后的變換器數(shù)學模型fig.4 equivalent circuit of a ss-type converter 運用戴維南等效定律，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電壓mr基波分量的幅值為：同時，對于全橋逆變器，假設輸入電壓mb是占空比為1 対英進行傅立葉級數(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=()時，gv與re無關，求解可以得到兩個頻率點：(13)(14)(15)其中,(dp =.1 , cos =,yjlvc?yjls cs當變換器工作在頻率e厶或coh時，變換器的電壓増益gv與負載re無關,g保持恒定，可使變換器在負載變化時穩(wěn)定工作。變換器的輸入阻抗農(nóng)達式可以很容易地由圖3得出：(16)即負載變化時1zin = /(0 s + + jco lmi /(yoj 厶,2

15、+j®cp(17)2.2串并補償非接觸諧振變換器95vos圖6串并補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rk / n 2mzp"vop = v zr+jl "/nr 十廠n jcori： g ）副邊整流橋橋臂屮點間電壓mr慕波分量的幅值為:rez+j3l .聽“+拠©(18)w；t °這111仍假設輸入電壓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=()時，gv與re無關,求解可得一個頻率點：100(23)當變換器工作在頻率ec時，變換器的電壓增益gv與負載re無關，可使變換器在負載105110115變化時穩(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償以及串并補償非接觸諧振變換器詳細的特性分析，然而這些并不 能玄觀地反應出變換器的性質(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串串補償非接觸諧振變換器控制策略分析串仲補償時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-串補償輸入阻抗(&”)(c)串-串補償增益(也”)k

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

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

22、 for sp-typcitl圖可知，串并補償非接觸諧振變換器僅存在一個增益交點，且非接觸變壓器參數(shù)的變化對增益交點處增益值影響很大。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，h均為輸入阻抗為零處。在控制策略上，串并補償?shù)姆墙佑|諧振變換器比較適合 采用pll控制。實際工作中，為獲得較高的效率，一般不工作在輸入阻抗為零處，而是設 定鎖相角為一較小的感性角，以實現(xiàn)原邊逆變器開關管的軟開關。在該控制策略下，變換器 的輸出電壓變化范圍較寬，需要在后級級聯(lián)調(diào)壓電路進行精確穩(wěn)壓。4實驗驗證為證明上文對屮串補償及串并補償非接觸諧振變換器特性分析及相應控制策略分析 的正確性，本文分別完成了一臺6

23、0w 口激控制的串-串補償非接觸諧振變換器和一臺100w pll控制的串并補償非接觸諧振變換器。兩臺變換器采用同一個非接觸變壓器，具具體參 數(shù)見表1。4.160w串串補償變換器實驗結果串串補償非接觸諧振變換器采川的元器件見表2?？诩た刂茣r變換器滿載波形如圖9所示，其中，us是逆變器橋怦中點電壓，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載調(diào)整率以及效率曲線，由圖可見在不 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。該串串補償非接140觸

24、諧振變換器在10mm氣隙下效率可達86%。 表2串串補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）p尸60w以加）圖9自激控制串串補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串串補償負載調(diào)整率load regulation for ss-type converter圖h串串補償效率fig.l 1 efficiency fo

26、r sstypc converter4.2100w串并補償變換器實驗結果145串并補償非接觸諧振變換器采用的元件列表見表3,未列出的元件與上述串串補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控制方法實現(xiàn)了不同耦合系數(shù)下逆變器開關管的軟開關。變換器的負載調(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,不僅驗證了前文的分析，還證明了后級采用調(diào)壓電路的必要性。該串并補償非接觸諧振變 換器在10mm氣隙下的效率

27、可達79.5%。表3串并補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)串并補償負載調(diào)整率1(0圖14p“ ( w)串并補償效率fig3 load regulation for sp-type converterfig.14 efficiency for sp-type converter5結論木文給出了串串補償以及串并補償非接觸諧振變換器的電壓增益和輸入阻抗的詳細 分析過程。通過采用mathcad軟件對兩種變換器的輸出電壓增益以及輸入阻抗曲線的繪制， 詳細分析了兩種變換器適用的控制策略。對于串串補償?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處，既能保證輸出的恒定，乂能獲得較高的效率; 對于串并補償非接觸諧振變換器，采用pll控制方法更為適用。最后，本文通過一臺60w 小出補償以及100w小并補償