非接触电能传输系统主变换器研究

黄 杰,聂 蓉,曹卫权

(湖南铁道职业技术学院轨道交通系,株洲 412005)

非接触电能传输系统主变换器研究

黄 杰,聂 蓉,曹卫权

(湖南铁道职业技术学院轨道交通系,株洲 412005)

介绍了非接触电能传输系统的基本结构与原理,详细分析了传统的全桥移相谐振变换器在非接触能量传输系统中所受到的限制,提出了一种改进型的全桥移相谐振变换器.最后通过实验验证了改进型全桥移相谐振变换器电路的正确性.

非接触;全桥谐振逆变器;占空比

0 引 言

非接触电能传输系统(CPT)的电能传输是基于电磁感应耦合技术的,这种电能传输方式有效地克服了传统的接触传输方式存在的诸如移动不灵活、电击、火花、噪音等缺点.CPT以其独特的安全性、可靠传输性、灵活性等优点广泛运用于化工、钻井、工矿、水下探测、生物医学等特殊领域[1].无线电能传输系统中的电磁耦合属于松耦合,松耦合系统与传统的变压器和感应电机等紧密耦合不同的是,松耦合系统原次级间存在着一个较大的气隙,漏感较大,增加了电路设计的复杂性.本文根据非接触电能传输系统的这些特点,提出了一种改进型全桥并联谐振逆变器电路拓扑,最后利用MAT LAB进行了仿真,验证了理论分析的正确性.

1 非接触电能传输系统基本结构与原理

图1 非接触电能传输系统结构图

非接触电能传输系统基本结构如图1所示.系统由独立的初级系统和次级系统两部分组成.初级系统与市电连接,次级系统与负载相连.初级与次级间通过无电接触的松耦合变压器传递能量.系统工作时,将工频交流电经过整流、逆变转换成高频交流电供给初级绕组,次级绕组通过电磁耦合接受初级绕组发出的能量,通过相应调节,以满足各类负载的供电要求[2].

2 全桥并联谐振逆变器电路分析

移相控制全桥ZVS-PWM变换器是在基本全桥PWM控制器的基础上发展变化而来,保留了基本全桥移相控制变换器优点,并且能实现开关管的零电压开关,降低了电路的开关损耗和开关噪声,因而一出现就得到了迅速发展,成为了中、大功率传输中应用广泛的电路拓扑之一.图2为移相控制全桥零电压开关PWM变换器的电路原理图.VT1和VT3组成的桥臂的导通角比VT4和VT2组成的桥臂超前一个相位,利用电感的谐振作用,实现开关管的软开关.

图2 移相控制全桥ZVS-PWM变换器电路拓扑

副边占空比的丢失是移相控制全桥ZVSPWM变换器中一个重要的现象.所谓副边占空比丢失,就是说副边的占空比Ds小于原边的占空比Dp,即:Ds＜Dp,其差值就是副边占空比丢失Dloss[3][4][5].

在原边电流从正向(或负向)变化到负向(或正向)负载电流的时间里,即图3中的[t2-t5]和[t8-t11]时段.在这段时间里,虽然原边有正电压方波(或负电压方波),但原边不足以提供负载电流,副边整流管的所有二极管导通,负载处于续流状态,其两端电压为零.这样副边就丢失了[t2-t5]和[t8-t11]时段的电压方波,图3中虚线部分就是副边丢失的电压方波.这部分时间跟1/2开关周期的比值就是次级的占空比丢失Dloss,可以用式(1)表示.

由式1中可以得知:Lr越大,Dloss越大;负载越大,Dloss越大;Uin越低,Dloss越大.Dloss的产生使得副边的占空比Ds减小了,降低了副边输出电压.

图3 移相控制全桥ZVS-PWM变换器工作波形

3 改进型全桥谐振逆变器电路设计

非接触电能传输系统与传统的开关电源相比,最大的特点就是该系统是通过松耦合变压器来传输能量的,不论变压器的结构如何改进,都会不可避免的存在变压器耦合系数很低,漏感很大的问题.由于漏感的存在,移相控制FB-ZVS-PWM变换器不可避免的存在占空比丢失.本文对全桥电路进行改进,得到了改进型移相控制全桥谐振变换器.其电路拓扑如图4所示.

改进型电路在图2所示的基本移相控制FBZVS-PWM变换器的基础上添加了谐振电容Cr、快速开关二极管D5和D6,其他元件不变,只是参数选择有所差异.改进型移相控制全桥谐振变换器依然采用移相控制的方式,其工作波形如图5所示.

在t2时刻,关断VT4,原边电流 Ip给C4充电.由于C4的存在,VT4的电压是从零开始慢慢上升的,因此,VT4是零电压关断.由于Cr的存在,电流Ip迅速减小.此时,Uab=-Uc4,Uab的极性由零变为负.由于D5的存在,D2自然导通后,原边电流Ip不能流向电源,C4的电压迅速上升,在t3时刻,C4的电压已经大于Vin,原边电流Ip下降到零.结束该开关模态.

在t3时刻,D2自然导通,将VT2的电压箝位在零位,此时开通VT2,那么VT2就是零电压开通.虽然此时VT2已开通,但是VT2不流过电流,原边绕组电压也为零,Cr被电压达到最大值.

在t3时刻,由于谐振电容Cr放电,原边电流由正方向过零,并且负方向增加,由于C4上电压很高,所以电流反方向增加很快.到t4时刻,该开关模态结束.此时,整流管D5关断,D6流过全部负载电流.与基本移相控制FB-ZVS-PWM 变换器工作波形相比,在原边电流Ip反向恢复时,改进型电路在t4时刻就达到基本移相控制FB-ZVS-PWM变换器t5时刻才达到的值,从而早一个模态达到稳定.这样,占空比丢失就大大减少了.同时,D5,D6的加入,限制了电路的环流,解决了变换器处于零状态时,初级有较大环流的问题.同时加入串联谐振电容,对变压器有防止偏磁的作用.相比基本移相控制FB-ZVS-PWM变换器,这种电路拓扑能够更好的满足无接触电能传输系统的要求.

4 实验研究

在对系统进行了理论分析与研究后,制作了实验样机进行实验研究,逆变器主回路开关管采用IXYS公司的IRF840MOSFET.副边整流电路采用IN5819快恢复二极管,控制回路采用移相谐振控制芯片UC3875,驱动电路采用IR2113专用驱动集成电路驱动,系统频率选择50 kHz,输入电压采用直流稳压电源(0～60V),变压器气隙3 mm.样机实物图如图6所示.

图6 非接触电能传输系统实验样机照片

开关管2,4的VDS波形如图7所示,其波形与理论分析基本吻合,开关管4的波形由于D5的作用,波形前言有尖峰,这个可以调整谐振电感得以改良.

图7 开关管2,4的VDS波形

变压器原副边电压波形如图8所示,从图形可以看出,原副变占空比基本相同,但是波形不是很规则,传输效率也比较低,这种些可能是原副边还没有达到很好的谐振状态所致.调节各个参数,调整系统频率可以提高传输效率,这也是系统设计的难点所在,这个需要再进一步改进研究.

图8 变压器原副边电压波形图

5 结 论

本文详细分析了传统的全桥移相谐振变换器在非接触能量传输系统中所受到的限制,提出了一种改进型的全桥移相谐振变换器,改善了传统型占空比丢失,环流过大等问题.最后进行了实验,通过实验波形的分析,验证了改进型全桥移相谐振变换器电路的正确性.

[1]武 瑛,严陆光,黄常纲,等.新型无接触电能传输系统的性能分析[J].电工电能新技术,2003,22(4):10-13.

[2]Chwei-Sen Wang,Grant A Covic.Power Transfer Capability and Bifurcation Phenomena of Loosely Coupled Inductive Power Transfer Systems[J].IEEE Trans.on Industrial Electronics,2004,51(1):148-156.

[3]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].电子工业出版社,北京,2004.

[4]刘凤君.现代高频开关电源技术及应用[M].北京:电子工业出版社,2008.

[5]Hideki Ayano,Kouki Yamamoto,Noriaki Hino etc.Highly Efficient Contactless Energy Transmission System.In:Proc of IEEE AFRICON 4th,2002:711-71.

Study for Main inverter of Contactless Power Transfer System

HUANG Jie,NIE Rong,CAO Wei-quan
(School of Rail Transit,Hunan Railway Professional Technology College,Zhuzhou,412005,china)

In this paper,the basic structure and principles of contactless power transmission system have been introduced,the restrictions of the traditional bridge phase shifting resonant converters in non-contact energy transmission system have be detailed analysisde.An improved version of the full bridge phase shifting resonant converters be designed,Finally,the improved phase shifting the bridge resonance converter be proved by experiments.

contactless;full bridge bridge resonant converters;duty ratio

TM42

A

1671-119X(2011)02-0016-03

2010-12-15

黄 杰(1985-),男,硕士研究生,讲师,研究方向:非接触电能传输技术理论、开关电源技术、控制技术.