一種接收端有源整流的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉飛廉，李志忠，邱 煒，張亦弛

（廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引 言

無(wú)線電能傳輸（Wireless Power Transfer，WPT）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了供電端與負(fù)載端的電氣隔離，在全球范圍成為眾多學(xué)者的研究熱點(diǎn)[1-3]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為滿足用電設(shè)備的供電電壓要求，需要WPT系統(tǒng)接收端提供穩(wěn)定的輸出電壓，而系統(tǒng)拓?fù)?、傳輸距離、偏移程度以及負(fù)載特性等因素都會(huì)影響接收端的輸出電壓[4-7]。文獻(xiàn)[8]采用接收端后級(jí)接入DC-DC的方法來(lái)達(dá)到控制電壓的效果，但添加DC-DC后接收端體積和損耗增大。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)以確保精準(zhǔn)控制，但通信延遲限制了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，使控制回路設(shè)計(jì)復(fù)雜。文獻(xiàn)[11]提出一種基于S-S補(bǔ)償系統(tǒng)的接收端有源整流器控制方法，但控制過(guò)程中會(huì)影響負(fù)載阻抗，增加無(wú)功功率，且該方法不適用于其他補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)LCC-S補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，控制接收端有源整流器實(shí)現(xiàn)恒壓功能的WPT系統(tǒng)。該系統(tǒng)在無(wú)需控制發(fā)射端的情況下，僅控制接收端提供恒定的輸出電壓且保持等效負(fù)載阻抗為純阻性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作模態(tài)

本文所介紹的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)如圖1所示，主要包括3部分，即高頻逆變器、發(fā)射及接收補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、有源整流器。高頻逆變器由4個(gè)MOSFET管Q1—Q4構(gòu)成，發(fā)射端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包括L1、C1、Cp、Lp，接收端補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)包括Ls、Cs，兩個(gè)二極管D1、D2和兩個(gè)MOSFET管Q5、Q6構(gòu)成有源整流器。另外RL為系統(tǒng)負(fù)載，M為發(fā)射、接收線圈的互感。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

接收端工作波形如圖2所示，依次為諧振電流is、控制信號(hào)UQ5和UQ6、整流側(cè)信號(hào)Urec以及整流側(cè)電流irec，工作模態(tài)如圖3所示。（1）模態(tài)1：Q5導(dǎo)通、Q6截止，D1、D2截止。正向諧振電流is經(jīng)過(guò)Q5和Q6的體二極管形成回路，Urec為零，RL的能量?jī)H由輸出電容Cout提供。（2）模態(tài)2：Q5截止、Q6導(dǎo)通，D1導(dǎo)通、D2截止。正向諧振電流is經(jīng)過(guò)D1、Q6向Cout和RL傳遞能量，Urec為+Uo。（3）模態(tài)3：Q5截止、Q6導(dǎo)通，D1、D2截止。負(fù)向諧振電流is經(jīng)過(guò)Q6和Q5的體二極管形成回路，Urec為零，RL的能量?jī)H由輸出電容Cout提供。（4）模態(tài)4：Q5導(dǎo)通、Q6截止，D1截止、D2導(dǎo)通。負(fù)向諧振電流is經(jīng)過(guò)D2、Q5向Cout和RL傳遞能量，Urec為-Uo。

圖2 接收端關(guān)鍵波形

圖3 4種工作模態(tài)圖

2 原理分析

系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)各電流表達(dá)式滿足：

整流側(cè)電壓的基波分量表達(dá)式為：

式中，θ=ωt0(0≤θ≤ 90°)為 MOS管 Q5和 Q6的導(dǎo)通角度。

基波分量與諧振電流零相位差，令接收端諧振電流為：

式中，Isrms為諧振電流is的有效值。

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，負(fù)載輸出電流Io在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)可表達(dá)為：

接收端的整流側(cè)輸入等效阻抗為：

根據(jù)以上公式可得：

系統(tǒng)輸出與輸入電壓增益可表示為：

由式（7）可知，M與L1為定值的情況下，系統(tǒng)輸出與輸入的電壓增益與cosθ成反比，故可以通過(guò)控制θ的導(dǎo)通時(shí)間改變系統(tǒng)增益，從而實(shí)現(xiàn)控制輸出電壓的效果。

3 控制策略

圖4為系統(tǒng)輸出電壓閉環(huán)控制策略框圖。由上述內(nèi)容可知，為了滿足接收諧振電流is與整流側(cè)電壓基波Urec,1零相位差，關(guān)鍵在于采樣接收諧振電流的頻率與相位。如圖4，采樣電流通過(guò)低通濾波和過(guò)零檢測(cè)等處理后提取出頻率與相位，檢測(cè)輸出電壓PI控制器的輸出作為參考比較電壓，在輸出電壓大于參考電壓時(shí)，有效導(dǎo)通角會(huì)隨之減小，反之亦然。

圖4 控制環(huán)路策略框圖

4 實(shí)驗(yàn)與分析

本文所設(shè)計(jì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的電路參數(shù)如表1所示。

表1 電路參數(shù)

為了驗(yàn)證本文的系統(tǒng)拓?fù)浼翱刂撇呗缘挠行?，使用?的電路參數(shù)搭建如圖5所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖

圖6為系統(tǒng)接收端的穩(wěn)態(tài)波形，圖7為負(fù)載變化時(shí)輸出電壓結(jié)果統(tǒng)計(jì)圖。在不同的負(fù)載條件下，系統(tǒng)接收端調(diào)整有源整流器的導(dǎo)通角，使輸出穩(wěn)定。由圖6可見(jiàn)諧振電流與整流側(cè)電壓基本同相位，由圖7可知，系統(tǒng)在變負(fù)載的情況下輸出電壓穩(wěn)定在24 V左右，其中在負(fù)載為10 Ω時(shí)，系統(tǒng)傳輸效率最大約為84.4%，驗(yàn)證了本文的準(zhǔn)確性。

圖6 系統(tǒng)接收端的穩(wěn)態(tài)波形

5 結(jié) 論

本文針對(duì)LCC-S補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的WPT系統(tǒng)，在接收端使用有源整流控制來(lái)實(shí)現(xiàn)恒定的輸出電壓。首先結(jié)合具體的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)分析了電壓輸出、等效輸入阻抗、電壓增益與導(dǎo)通角的關(guān)系，其次結(jié)合控制策略進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，最后搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)負(fù)載變化響應(yīng)，在實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)性能的同時(shí)保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。