导抗变换器在感应耦合电能传输中的应用

蓝建宇，唐厚君，陆亭华

(上海交通大学 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室,上海 200240)

导抗变换器在感应耦合电能传输中的应用

蓝建宇，唐厚君，陆亭华

(上海交通大学 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室,上海 200240)

对于低阶补偿的感应耦合电能传输系统,松耦合变压器原边电流对负载变化敏感,这使得输出功率不稳定。针对这一问题提出一种基于导抗变换器原理的补偿拓扑。当系统工作频率为副边自然谐振频率时,松耦合变压器的原边绕组电流在负载变化时能够保持恒定。这使得感应耦合电能传输系统能较好应用于电流型负载。首先,介绍感应耦合系统工作原理并运用互感耦合理论建立了系统的阻抗模型。在此基础上,推导感应耦合电能传输系统工作于电流源特性的条件,然后讨论主要参数变化对松耦合变压器原边电流及电压增益的影响;并以体积最小为优化目标,介绍基于导抗变换器的感应耦合电能传输系统的优化设计过程。最后,仿真结果和实验数据验证了理论分析的正确性。

感应耦合;电能传输;松耦合变压器;导抗变换器;谐振频率

0 引 言

感应耦合电能传输(inductively coupled power transfer,ICPT)是一种根据电磁感应原理通过气隙把电能传输给用电设备的技术[1-5]。与传统的通过导线和插座的传输方式相比,ICPT更具灵活性和安全性。因此,ICPT在生物医疗、矿下作业及电动汽车充电等领域具有广泛的应用[6-10]。

ICPT是通过松耦合变压器来传递能量的,而松耦合变压器的耦合系数非常低,这使得ICPT的效率很低。通常采用电容补偿的方式来提高ICPT中松耦合变压器的功率因数,从而提高其功率传输能力和效率。传统的补偿拓扑采用单级电容耦合补偿方式。对电压源型逆变系统采用原边串联副边串联(primary-series-secondary-series,PSSS)或原边串联副边并联(primary-series-secondary-parallel,PSSP)的方式;对于电流源型逆变器采用原边并联副边串联(primary-parallel-secondary-series,PPSS)或原边并联副边并联(primary-parallel-secondary-parallel,PPSP)的方式[11]。文献[12-13]对单级补偿的感应耦合电能传输系统参数进行了最优化设计,提高了系统的输出效率。然而,负载变化对单级电容补偿拓扑的影响较大;负载的轻微变化会引起原边零电压开关工作频率的较大漂移,导致系统工作能力和传输效率的下降[14]。另外,单级电容补偿拓扑无法解决系统频率分叉问题[15-17],这给系统的稳定运行带来隐患。文献[18]提出阻抗变换的方法来稳定输出电压,但是在副边要加上DC/DC变换电路,这增加了系统的复杂性。针对低阶补偿拓扑以上存在的问题,文献[19]提出多级补偿拓扑的概念,针对电流源供电的ICPT系统采用电容—电感—电容(capacitanceinductance-capacitance,CLC)型谐振补偿,并论述了其可行性及设计方法。文献[20]对CLC型谐振电路进行广义状态空间平均(generalized state-space averaging,GSSA)建模,提出鲁棒控制的方法。文献[21]对断续电流模式的三阶补偿拓扑ICPT系统展开分析，并确定其稳定运行条件;文献[22]对电感—电容—电容(inductance-capacitance-capacitance,LCC)补偿型拓扑的ICPT系统数学建模及优化设计方面做了相关分析。

本文在引入导抗变换器原理的基础上,研究了一种具有电流源特性的电感—电容—电感(inductance-capacitance-inductance,LCL)补偿拓扑[23]。当系统工作在松耦合变压器副边自然谐振频率时,松耦合变压器原边电流不随负载的变化而变化。这种拓扑可以使ICPT系统更好地应用于电池充电、氩弧焊、发光二极管驱动等负载。论文首先介绍了基于导抗变换器的ICPT系统的组成,并根据导抗变换器原理推导了该系统具有恒流特性的条件;其次,分析了系统的电气性能。然后,以最小化系统体积为目标函数,对系统的优化设计方法进行了说明。最后,对本文所提的理论和方法进行了实验验证。

1 IC-ICPT系统

导抗变换器(immittance converter,IC)是导纳–阻抗变换器的简称,在实现导纳–阻抗变换特性的同时,可以实现电压源与电流源之间的转换[23-26]。本文提出的利用导抗变换器得到具有电流源特性的ICPT系统,称为IC-ICPT系统。图1所示为本文所研究的IC-ICPT系统，该系统应用半桥逆变器作为谐振电路的输入。如图,虚线框中为导抗变换器,由T型电感—电容—电感(inductance-capacitanceinductance,LCL)结构组成;M为松耦合变压器原副之间的互感;RL为负载;L1、C1、L2和C2组成PSSP型谐振补偿网络;T型导抗变换器与PSSP型谐振网络串联组成IC-ICPT系统。

图1 IC-ICPT系统拓扑Fig.1 IC-ICPT system topology

1.1 IC-ICPT系统恒流特性条件

采用基波分析法,可将图1电路简化为如图2所示。

图2 IC-ICPT系统简化模型Fig.2 Simpli fi ed model of IC-ICPT system

假设系统的工作频率为松耦合变压器副边绕组的自然谐振频率,即

则副边绕组折合到原边的阻抗为

1.2 IC-ICPT系统性能分析

由于IC-ICPT系统储能元件多,参数比较复杂,为便于分析将参数归一化处理,定义以下参数:归一化角频率ωn为

其中,ω0为自然谐振角频率。定义导抗器电感与副边电感比为

副边谐振网络品质因数为

松耦合变压器原副边匝比为

输出电压增益为

设松耦合变压器原边电流I1=1,可得到各储能元件电压、电流参数以原边电流归一化后的表达式,如表1所示。表1中参数下标N表示松耦合变压器原边电流归一化以后的参数。

表1 IC-ICPT系统归一化参数Tab.1 Normalized parameters of IC-ICPT system

下面分析IC-ICPT的电气特性,图3所示为k=0.3,n=1,m=0.3时,原边谐振电流归一化值I1N随副边品质因数变化曲线。

图3 不同品质因数下原边绕组电流Fig.3 Primary winding current at different quality factor Q2

如图,随着副边品质因数的变化,在ωn=1及附近,I1N值与品质因数无关,即A点所示。这意味着在谐振频率,IC-ICPT原边谐振电流不随负载变化而变化。

图4为k=0.3,n=1,m=0.3时,电压增益随副边品质因数变化曲线,从图中可以看出,在ωn=1附近,品质因数越大电压增益越小。品质因数越大，则增益曲线越陡,并且有两个电压增益峰值。

图4 不同品质因数下电压增益Fig.4 Voltage gain at different quality factor Q2

2 IC-ICPT系统参数优化

ICPT系统中,电感、电容元件体积所占比重较大,而IC-ICPT系统包含较多的电感、电容元件。因此,IC-ICPT参数设计的关键是在保证系统传输性能前提下,尽可能地减小系统的体积。在相同的输出功率条件下,谐振电路的体积与视在功率和有功功率的比值成正比关系。定义视在功率与有功功率比值为

其中,S是视在功率,P是有功功率,由式(5)和(9)-(13)可得到λ的表达式,

参数优化的目标是,在满足系统输出功率及器件应力的前提下尽可能使λ最小。因此,以参数λ为目标函数,品质因数Q2和电感比m为变量,对参数λ的最小值为目标进行优化。优化模型方程为

约束条件为

约束条件由两个等式约束条件及4个不等式约束条件组成,约束方程的边界参数及初始条件如表2所示。

表2约束方程参数Tab.2 Parameters of constraint equations

约束条件表达式中,Uin是导抗变换器输入端电压基波分量的幅值,与直流电压Udc的关系为

另外,Iinmax,I1max和Uoutmax分别表示导抗变换器最大允许输入电流,原边绕组最大允许输入电流和系统最大允许输出电压。选取SIMULINK工具箱中内点法为优化工具,选取[Q2,m]的初始值为[1,1],收敛精确度ε=1e−6,得到最优解为[2.979,0.283]。优化算法在迭代11次后趋于稳定,系统误差小于10−5,目标函数值8.857 2。由表1的换算关系可以得到优化后的IC-ICPT电气参数如表3所示。

表3 IC-ICPT系统优化参数Tab.3 IC-ICPT system optimized parameters

3 IC-ICPT系统实验验证

根据图1所示拓扑结构搭建实验平台验证ICICPT恒流特性及设计方法,实验参数用表3数据。实验波形如图5、6所示。图5为松耦合变压器原边绕组电流和副边绕组电流波形,图6为副边输出电压和原边绕组电流波形。逆变桥输出电流幅值Iin=5.6A,原边绕组电流I1=3.7A,副边绕组电流I2=3.8A,输出电压Uout=38V。

图5 导抗变换器电流和原边电流Fig.5 Immittance converter current and primary winding current

图6 输出电压和副边电流Fig.6 Output voltage and secondary winding current

图7为导抗变换器电流Iin及松耦合变压器原边绕组电流I1随负载变化曲线。从图中可以看出,原边绕组电流随着负载变化基本保持恒定,在负载率从0.2变化到1的情况下,原边绕组电流由3.8A变化到3.4A,变化了0.4A,而逆变桥电流由3.2A变化到8.1A,变化了4.9A,验证了IC-ICPT的恒流源特性。

图7 不同负载率时Iin和I1Fig.7 Iinand I1at different load rate

为分析IC-ICPT系统的传输效率特性,对不同负载情况下的效率进行了测量。图8为效率曲线,由图可知,当负载率较高时,系统效率也较高,当负载率低于0.5时,其效率较低且低于0.5。这是因为系统环流的存在使得系统效率有所下降,特别是在轻载时效率下降尤其明显。

图8 不同负载率时系统效率Fig.8 Ef fi ciency at different load rate

由上述分析可知,由无源器件组成的导抗变换器与变压器串联,在电源与变压器之间起缓冲的作用,使得变压器的原边电流能在负载变化时保持基本不变。但值得指出的是,引入导抗变换器同时也使得系统的环流较大,由于寄生参数的存在,IC-ICPT系统的效率有所下降。

4 结论

本文利用导抗变换器原理,提出在一定条件下可实现原边谐振回路电流恒定的IC-ICPT系统及设计方法。给出了满足恒流特性的条件并分析了IC-ICPT的电气特性。以系统功率密度最大为目标对IC-ICPT系统进行了优化设计。最后,通过实验数据验证了理论分析的正确性。

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(编辑：刘素菊)

Application of immittance converter on inductively coupled power transfer system

LAN Jian-yu,TANG Hou-jun,LU Ting-hua
(Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion,Ministry of Education,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

For an inductively coupled power transfer system with low order compensated topology,the primary current of contactless transformer is sensitive to the variety of load.This causes the output power to be unstable.Aiming at solving this problem,an inductively coupled power transfer system with immittance converter was proposed.When the inductively coupled system operates at the nature resonant frequency of the secondary side,the primary side winding current will be constant at different loads with immittance converter.This is helpful for loads which need the current source.At fi rst,the principle of inductively coupled power transfer system was introduced,and the impedance model was established by means of mutual inductance theory as well.Based on this,the condition of operation with constant current was deduced.Then,main parameters about the primary side current and the voltage gain was discussed.Furthermore,an optimization design method for achieving maximum power density of this system was proposed.Finally,simulation and experiment results veri fi ed the theoretical analysis.

inductively coupled;power transfer;contactless transformer;immittance converter;resonant frequency

TM 74

A

1007–449X(2013)10–0007–06

2012–10–08

国际热核聚变实验堆计划专项(2011GB113005);国家自然科学基金(51277120)

蓝建宇(1980—),男,博士研究生,研究方向为无线电能传输,谐振变换器;

唐厚君(1957—),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为无线电能传输,谐振变换器;

陆亭华(1989—),男,硕士研究生,研究方向为无线电能传输,谐振变换器。

蓝建宇