基于双边LCC的感应耦合电能传输系统软开关参数设计

张 珂

应用研究

基于双边LCC的感应耦合电能传输系统软开关参数设计

张 珂

（海装驻青岛地区第一军事代表室，山东青岛 266102）

补偿网络作为电源、耦合器以及负载的通道，是无线电能传输系统中必不可少的环节。本文针对现阶段感应耦合电能传输系统中常用的双边LCC补偿网络进行参数设计并实现软开关，减小无线电能传输系统的无功损耗，提升整体效率。首先介绍了4种基本的补偿网络的传输特性，然后引出双边LCC补偿网络。基于软开关特性，对双边LCC的谐振网络进行了参数设计。

感应耦合电能传输 双边LCC软开关 参数设计

0 引言

无线电能传输技术具备工作性能稳定、安全系数高等优点，且有效避免了有线插拔方式存在磨损等问题，是一种安全可靠的能量供给方式。感应耦合电能传输（ICPT）系统利用电磁耦合原理，实现能量从初级侧到次级侧的无接触的传递。在ICPT系统中，收发线圈间存在较大间隙，导致整个系统能量传输效率较低。因此需要加入补偿电容，通过谐振的方式提高原副边耦合度，实现无线电能传输系统原副边能量传输效率的提升[1～3]。，补偿网络LCC、LCL被提出，其中LCL网络可实现原边电流恒定，且具有一定的滤波功能，并且可以减小传递至副边的谐波；但是LCL网络参数配置不灵活，原边自感值与谐振自感值需相同。因此将LCL补偿拓扑的自感串联一个补偿电容，使得自感与谐振电感无关联，实现了补偿网络参数的配置灵活。双边LCC补偿网络不仅具有LCL拓扑结构的优势，同时其补偿网络结构参数对称且完成相同，参数设计过程简单，因此双边LCC拓扑结构被广泛应用于磁耦合式无线能量传输系统[4～10]。

1 四种基本的补偿网络

根据无线电能传输系统原副边补偿电容以及电感的连接形式，可将其分为如下四种基本补偿网络结构，如图1所示。

图1 ICPT系统对应的四种基本拓扑结构

在ICPT系统中，对于四种基本的补偿网络参数设计研究较为深入，因此对这四种双边补偿网络特性参数归纳如表1所示。

表1 四种基本的补偿网络特性参数

根据表1不难发现串并补偿以及并串补偿网络的原边补偿电容与耦合器耦合系数相关，同时并补偿其谐振网络参数与线圈互感以及负载相关。而无线电能传输系统参数补丁且接收端负载参数极易变化，因此对于串并、并串、并并补偿网络的系统极易失谐导致无线电能传输系统传输效率下降[11～15]。因此输入阻抗角为零的串-串补偿应用更加广泛。

2 基于双边LCC补偿的ICPT系统

无线电能传输系统中S-S补偿的谐振网络可实现其传输性能与负载参数以及耦合系数无关，但是S-S谐振结构的传输功率随耦合器互感系数的增大而减小，因此串-串补偿难以实现大功率环境下的高效传输。因此高阶补偿网络应运而生，其中双边LCC补偿网络设计过程简单，原边电流恒定，因此得到了广泛应用。

图2 基于双边LCC谐振网络的ICPT系统等效电路

由于双边LCC补偿的ICPT系统为三阶补偿网络，若进行整体分析相当复杂，因此通过叠加原理对其电路各个部分进行分析。将U和U的响应单独分析，虚线部分代表无电流流过。U单独作用时等效电路如图3所示，U单独作用时等效电路如图4所示。

图3 UAB单独作用时等效电路

图4 Uab单独作用时等效电路

不难发现，对于双边LCC系统，当原边输入为恒压源，副边输出为恒流源。同时在Simulink中搭建双边LCC仿真平台，系统原副边电压电流波形如图5所示。

由图5可知在基于双边LCC补偿网络的ICPT系统中原边发射线圈电压超前副边接收线圈电压90度，同时其原边电压也超前副边电流90度。

3 参数优化与软开关实现

通过对于无线电能传输系统中谐振网络的参数设计进行有利于实现软开关。在无线电能传输系统的谐振点设计基础上，对谐振网络参数进行些许调整进而实现逆变器的零电压关断或者零电流关断。全桥逆变器的零电压开通可以减小开关损耗。MOSFET两端存在结电容致使其开关管两端电压上升较慢，进而有利于减小关断损耗。由此可知ZVS更加适配于无线电能传输系统全桥逆变器。

对于无线电能传输中MOSFET实现零电压开关需要使其谐振网络呈现感性，即电压超前电流。但是如果将全桥逆变器的感性成分增加太多，会导致无线电能传输系统的谐振点发生偏移。因此需要对其谐振网络的参数调整范围进行控制，实现电压些许超前于电流即可实现逆变器的ZVS。

图6 原边逆变器软开关输出波形

因此需要确保MOSFET的关断电流在一个死区时间内确保MOSFET的阶段电容实现充放电，故实现ZVS的条件可以表示为：

关断电流又可以表示为：

4 结论

由于双边LCC无线电能传输系统传输功率与线圈互感成正比，因此在大功率无线电能传输中较为适用。同时基于双边LCC补偿网络的无线电能传输系统可以实现负载无关的输出，且通过对于双边LCC补偿网络原边串联补偿电容进行参数微调，使其补偿网络呈现弱感性有助于实现逆变器的零电压开关。

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Parameter selection of soft switching for inductively coupled power transmission system based on bilateral LCC

Zhang Ke

(School of Electrical Engineering, Naval Engineering University, Qingdao 266102, Shandong, China)

TM154

A

1003-4862（2022）01-0041-03

2021-04-19

张珂（1979-）工学硕士，主要研究方向船用电工技术与电气设备。E-mail: 957297910@qq.com