一种接收端有源整流的无线电能传输系统设计

刘飞廉，李志忠，邱 炜，张亦弛

（广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 510006）

0 引 言

无线电能传输（Wireless Power Transfer，WPT）技术实现了供电端与负载端的电气隔离，在全球范围成为众多学者的研究热点[1-3]。在实际应用过程中，为满足用电设备的供电电压要求，需要WPT系统接收端提供稳定的输出电压，而系统拓扑、传输距离、偏移程度以及负载特性等因素都会影响接收端的输出电压[4-7]。文献[8]采用接收端后级接入DC-DC的方法来达到控制电压的效果，但添加DC-DC后接收端体积和损耗增大。文献[9]和文献[10]通过通信网络以确保精准控制，但通信延迟限制了系统的动态性能，使控制回路设计复杂。文献[11]提出一种基于S-S补偿系统的接收端有源整流器控制方法，但控制过程中会影响负载阻抗，增加无功功率，且该方法不适用于其他补偿网络。

针对上述问题，本文设计了一种针对LCC-S补偿网络，控制接收端有源整流器实现恒压功能的WPT系统。该系统在无需控制发射端的情况下，仅控制接收端提供恒定的输出电压且保持等效负载阻抗为纯阻性。

1 系统结构与工作模态

本文所介绍的无线电能传输系统如图1所示，主要包括3部分，即高频逆变器、发射及接收补偿网络、有源整流器。高频逆变器由4个MOSFET管Q1—Q4构成，发射端补偿网络包括L1、C1、Cp、Lp，接收端补偿网络包括Ls、Cs，两个二极管D1、D2和两个MOSFET管Q5、Q6构成有源整流器。另外RL为系统负载，M为发射、接收线圈的互感。

图1 系统结构框图

接收端工作波形如图2所示，依次为谐振电流is、控制信号UQ5和UQ6、整流侧信号Urec以及整流侧电流irec，工作模态如图3所示。（1）模态1：Q5导通、Q6截止，D1、D2截止。正向谐振电流is经过Q5和Q6的体二极管形成回路，Urec为零，RL的能量仅由输出电容Cout提供。（2）模态2：Q5截止、Q6导通，D1导通、D2截止。正向谐振电流is经过D1、Q6向Cout和RL传递能量，Urec为+Uo。（3）模态3：Q5截止、Q6导通，D1、D2截止。负向谐振电流is经过Q6和Q5的体二极管形成回路，Urec为零，RL的能量仅由输出电容Cout提供。（4）模态4：Q5导通、Q6截止，D1截止、D2导通。负向谐振电流is经过D2、Q5向Cout和RL传递能量，Urec为-Uo。

图2 接收端关键波形

图3 4种工作模态图

2 原理分析

系统稳定时各电流表达式满足：

整流侧电压的基波分量表达式为：

式中，θ=ωt0(0≤θ≤ 90°)为 MOS管 Q5和 Q6的导通角度。

基波分量与谐振电流零相位差，令接收端谐振电流为：

式中，Isrms为谐振电流is的有效值。

当系统稳定时，负载输出电流Io在一个开关周期内可表达为：

接收端的整流侧输入等效阻抗为：

根据以上公式可得：

系统输出与输入电压增益可表示为：

由式（7）可知，M与L1为定值的情况下，系统输出与输入的电压增益与cosθ成反比，故可以通过控制θ的导通时间改变系统增益，从而实现控制输出电压的效果。

3 控制策略

图4为系统输出电压闭环控制策略框图。由上述内容可知，为了满足接收谐振电流is与整流侧电压基波Urec,1零相位差，关键在于采样接收谐振电流的频率与相位。如图4，采样电流通过低通滤波和过零检测等处理后提取出频率与相位，检测输出电压PI控制器的输出作为参考比较电压，在输出电压大于参考电压时，有效导通角会随之减小，反之亦然。

图4 控制环路策略框图

4 实验与分析

本文所设计无线电能传输系统的电路参数如表1所示。

表1 电路参数

为了验证本文的系统拓扑及控制策略的有效性，使用表1的电路参数搭建如图5所示的实验平台。

图5 实验平台图

图6为系统接收端的稳态波形，图7为负载变化时输出电压结果统计图。在不同的负载条件下，系统接收端调整有源整流器的导通角，使输出稳定。由图6可见谐振电流与整流侧电压基本同相位，由图7可知，系统在变负载的情况下输出电压稳定在24 V左右，其中在负载为10 Ω时，系统传输效率最大约为84.4%，验证了本文的准确性。

图6 系统接收端的稳态波形

5 结 论

本文针对LCC-S补偿网络的WPT系统，在接收端使用有源整流控制来实现恒定的输出电压。首先结合具体的补偿网络分析了电压输出、等效输入阻抗、电压增益与导通角的关系，其次结合控制策略进行了详细说明，最后搭建实验平台，通过负载变化响应，在实现动态性能的同时保证系统的稳定性，验证了本文设计的准确性。