双逆变MC-WPT系统一次侧软开关研究

殷 勇, 张小峰, 王成亮, 许庆强

0 引 言

磁耦合无线电能传输(Magnetically-Coupled Wireless Power Transfer,MC-WPT)技术作为无线电能传输技术的一种,能够实现中长距离的电能传输,近年来得到了大量的应用[1]。多逆变MC-WPT系统是指在一套磁耦合无线电能传输系统中拥有两个及以上的逆变器模组。该系统应用在大功率无线电能传输领域中,能够解决单个高频逆变模块自身功率容量、散热条件、功率开关管价格等因素的限制,实现多路功率的合成,提升整个系统的稳定性和可靠性[2-7]。

近年来,国内外对MC-WPT系统的软开关的研究取得了很多新成果。文献[8]提出一种简单的软开关高频逆变器拓扑,并将其用于小功率的谐振式无线电能传输系统中。文献[9]基于交流阻抗分析法,采用零电流开关(Zero Current Switching,ZCS)控制使系统工作在谐振软开关状态。文献[10]单独考虑逆变电路部分可靠性,分别在硬开关和软开关状态进行电路元件和外界环境干扰的可靠性分析。文献[11]将磁耦合谐振零电流开关全桥DC/DC变换器应用于无线电能传输系统,给出并分析无线电能传输系统的互感模型和谐振条件。文献[12]针对电场耦合型无线电能传输系统中参数时变导致系统频率漂移问题,提出一种利用电容矩阵方式实现调谐控制的方法,使得系统始终维持在软开关工作状态。文献[13]采用一种基于微分环节锁相环的频率跟踪失谐控制策略,主动跟踪谐振频率,通过对阻抗角的控制保持系统工作在合理的失谐率下,同时实现软开关。文献[14]针对现有系统使用运算放大器来平衡系统增益和损耗,导致系统传输功率较小的问题,提出一种将开关器件作为非线性饱和增益元件的方法,分别采用全桥、半桥和 E 类功率放大器电路来构建宇称时间对称无线电能传输系统。但是这些成果大多只是研究了小功率单逆变WPT系统,对于一些需要用到多个逆变器并联的大功率无线电能传输的场合研究较少。

因此,本文以双逆变MC-WPT系统为例,推导了一次侧LCC谐振网络实现软开关的条件,提出了一种通过一次侧谐振网络实现软开关的参数设计方法,通过参数调整,找到合适的软开关点,从而降低逆变器MOSFET的开通关断损耗。

1 双逆变MC-WPT系统

1.1 系统建模

双逆变LCC-S型MC-WPT系统一次侧结构如图1所示。E1、E2分别表示逆变器并联模组中逆变器1、逆变器2的直流输入电源;VT1～VT4为逆变器1的MOSFET开关器件,VT5～VT8为逆变器2的MOSFET开关器件;Lf1、Lf2分别为逆变器并联模组中逆变器1和逆变器2的补偿电感,Cf1、Cf2分别为逆变器并联模组中逆变器1和逆变器2的补偿电容;Cp为并联逆变器模组的一次侧电容,Lp为并联逆变器模组的一次侧电感;i1、i2分别为逆变器并联模组中逆变器1和逆变器2的支路电流,两个逆变器之路电流汇集后一同流过一次侧电容和一次侧电感。

图1 双逆变LCC-S型MC-WPT系统一次侧结构

一次侧采用2个LCC补偿网络,LCC结构属于T型结构的一种。T型结构等效电路图如图2所示。

图2 T型结构等效电路图

输入为交流电压源,令输入电压的幅值为UIN,输入电流的幅值为IIN,输出电压幅值UOUT,输出电流幅值IOUT,Z1、Z2、Z3分别为T型结构三端网络等效阻抗,由基尔霍夫电压定律和欧姆定律可得:

(1)

对式(1)进行化简,令Γ=Z1Z2+Z1Z3+Z2Z3,可以计算出输出电压与输入电压的关系以及输入阻抗表达式为

(2)

根据式(2)可知,当要求输出电压恒定时(恒压输出),需要满足Γ=0,即输出电压值与ZL大小无关,电压增益Gv为定值,即

(3)

当系统完全谐振时,输入阻抗角和无功功率均为0,在T型电路结构中,令各阻抗为

(4)

(5)

令X2+X3=0,X1+X3=0,当两者同时为0时,Im(ZIN)=0,即输入阻抗角为0,令

(6)

此时T电路变为T型对称电路,T型对称电路如图3所示。

图3 T型对称电路

将各阻抗的值带入,可计算出系统的电压增益以及系统的输入阻抗为

(7)

1.2 LCC软开关设计

为了减少逆变模块的损耗,可以用ZVS软开关技术,通过对系统一次侧补偿网络进行参数不对称设计,使系统的阻抗呈现弱感性特性,电流滞后于电压,实现MOSFET的零电压开通以及关断,从而减小MOSFET的开关损耗。T型不对称电路如图4所示。

图4 T型不对称电路

令非对称T型电路各阻抗值为

(8)

将各阻抗值带入式(2),可以得出输入阻抗Zin以及电压增益Gv为

(9)

对分母进行平方差变换,求出输入阻抗角为

(10)

用MATLAB对式(10)进行图像分析,选取参数,系统工作频率f为85 kHz,一次侧补偿电感为40 μH,负载电阻RL为23 Ω,一次侧线圈和二次侧线圈互感M为41.5 μH。输入阻抗角θ随调整参数α、β变化的平面等高线图如图5所示。

图5 阻抗角θ随参数α、β变化的平面等高线图

由图5可见,当参数α、β为1时,一次侧处于完全谐振状态,对等高线图进行坐标重定义,将α=1、β=1,作为新的坐标参考线,此时右下方第四象限为感性区。参数选点应从这个区选择。通过MATLAB进行参数分析,选取α=1.014 3、β=0.564 9,此时输入阻抗角θ为24.05°(弧度值为0.419 7)。对参数处理前后电压增益进行比较,可得增益变化倍数T为

(11)

取α=1.014 3、β=0.564 9带入式(11)可得参数处理后电压增益为非处理前的0.993 7倍,损耗很小可以忽略不计。

2 实验验证

基于对一次侧LCC谐振网络以及参数处理后的软开关点的研究,搭建了实验平台对系统进行实验验证。多逆变MC-WPT系统如图6所示;系统实验参数如表1所示。

图6 多逆变MC-WPT系统

表1 系统实验参数

实验中,模拟大功率范围内的输出,保持负载不变(23 Ω),调节输入直流电压,测量不同输入直流电压下的逆变输出波形以及系统整体效率,不同输入直流电压下逆变输出电压、电流波形如图7所示。

图7 不同输入直流电压下逆变输出电压、电流波形

由图7可见,在并联逆变器系统输出不同时,逆变器的输出电流均滞后于输出电压,均能够很好地实现系统的软开关,在MOSFET开关管高速切换状态下,能够很大程度地减小开关损耗,不同直流输入时,系统的传输效率达到88%以上,实现了在大功率范围内的软开关。

3 结 语

针对大功率无线电能传输中多个逆变器并联MC-WPT系统,本文以两个逆变器并联LCC-S型MC-WPT系统为例,推导了一次侧LCC谐振网络实现软开关的条件,提出了一种通过一次侧谐振网络实现软开关的参数设计方法,通过参数调整,找到合适的软开关点。实验证明,通过给定的参数设计方法,可以实现系统的软开关,使系统的阻抗呈现弱感性特性,电流滞后于电压,实现开关管的零电压开通和关断,能够减少多个逆变器模块的开通关断损耗,使系统能够较高效率地运行。