雙逆變MC-WPT系統一次側軟開關研究

殷 勇, 張小峰, 王成亮, 許慶強

0 引 言

磁耦合無線電能傳輸(Magnetically-Coupled Wireless Power Transfer,MC-WPT)技術作為無線電能傳輸技術的一種,能夠實現中長距離的電能傳輸,近年來得到了大量的應用[1]。多逆變MC-WPT系統是指在一套磁耦合無線電能傳輸系統中擁有兩個及以上的逆變器模組。該系統應用在大功率無線電能傳輸領域中,能夠解決單個高頻逆變模塊自身功率容量、散熱條件、功率開關管價格等因素的限制,實現多路功率的合成,提升整個系統的穩定性和可靠性[2-7]。

近年來,國內外對MC-WPT系統的軟開關的研究取得了很多新成果。文獻[8]提出一種簡單的軟開關高頻逆變器拓撲,并將其用于小功率的諧振式無線電能傳輸系統中。文獻[9]基于交流阻抗分析法,采用零電流開關(Zero Current Switching,ZCS)控制使系統工作在諧振軟開關狀態。文獻[10]單獨考慮逆變電路部分可靠性,分別在硬開關和軟開關狀態進行電路元件和外界環境干擾的可靠性分析。文獻[11]將磁耦合諧振零電流開關全橋DC/DC變換器應用于無線電能傳輸系統,給出并分析無線電能傳輸系統的互感模型和諧振條件。文獻[12]針對電場耦合型無線電能傳輸系統中參數時變導致系統頻率漂移問題,提出一種利用電容矩陣方式實現調諧控制的方法,使得系統始終維持在軟開關工作狀態。文獻[13]采用一種基于微分環節鎖相環的頻率跟蹤失諧控制策略,主動跟蹤諧振頻率,通過對阻抗角的控制保持系統工作在合理的失諧率下,同時實現軟開關。文獻[14]針對現有系統使用運算放大器來平衡系統增益和損耗,導致系統傳輸功率較小的問題,提出一種將開關器件作為非線性飽和增益元件的方法,分別采用全橋、半橋和 E 類功率放大器電路來構建宇稱時間對稱無線電能傳輸系統。但是這些成果大多只是研究了小功率單逆變WPT系統,對于一些需要用到多個逆變器并聯的大功率無線電能傳輸的場合研究較少。

因此,本文以雙逆變MC-WPT系統為例,推導了一次側LCC諧振網絡實現軟開關的條件,提出了一種通過一次側諧振網絡實現軟開關的參數設計方法,通過參數調整,找到合適的軟開關點,從而降低逆變器MOSFET的開通關斷損耗。

1 雙逆變MC-WPT系統

1.1 系統建模

雙逆變LCC-S型MC-WPT系統一次側結構如圖1所示。E1、E2分別表示逆變器并聯模組中逆變器1、逆變器2的直流輸入電源;VT1～VT4為逆變器1的MOSFET開關器件,VT5～VT8為逆變器2的MOSFET開關器件;Lf1、Lf2分別為逆變器并聯模組中逆變器1和逆變器2的補償電感,Cf1、Cf2分別為逆變器并聯模組中逆變器1和逆變器2的補償電容;Cp為并聯逆變器模組的一次側電容,Lp為并聯逆變器模組的一次側電感;i1、i2分別為逆變器并聯模組中逆變器1和逆變器2的支路電流,兩個逆變器之路電流匯集后一同流過一次側電容和一次側電感。

圖1 雙逆變LCC-S型MC-WPT系統一次側結構

一次側采用2個LCC補償網絡,LCC結構屬于T型結構的一種。T型結構等效電路圖如圖2所示。

圖2 T型結構等效電路圖

輸入為交流電壓源,令輸入電壓的幅值為UIN,輸入電流的幅值為IIN,輸出電壓幅值UOUT,輸出電流幅值IOUT,Z1、Z2、Z3分別為T型結構三端網絡等效阻抗,由基爾霍夫電壓定律和歐姆定律可得:

(1)

對式(1)進行化簡,令Γ=Z1Z2+Z1Z3+Z2Z3,可以計算出輸出電壓與輸入電壓的關系以及輸入阻抗表達式為

(2)

根據式(2)可知,當要求輸出電壓恒定時(恒壓輸出),需要滿足Γ=0,即輸出電壓值與ZL大小無關,電壓增益Gv為定值,即

(3)

當系統完全諧振時,輸入阻抗角和無功功率均為0,在T型電路結構中,令各阻抗為

(4)

(5)

令X2+X3=0,X1+X3=0,當兩者同時為0時,Im(ZIN)=0,即輸入阻抗角為0,令

(6)

此時T電路變為T型對稱電路,T型對稱電路如圖3所示。

圖3 T型對稱電路

將各阻抗的值帶入,可計算出系統的電壓增益以及系統的輸入阻抗為

(7)

1.2 LCC軟開關設計

為了減少逆變模塊的損耗,可以用ZVS軟開關技術,通過對系統一次側補償網絡進行參數不對稱設計,使系統的阻抗呈現弱感性特性,電流滯后于電壓,實現MOSFET的零電壓開通以及關斷,從而減小MOSFET的開關損耗。T型不對稱電路如圖4所示。

圖4 T型不對稱電路

令非對稱T型電路各阻抗值為

(8)

將各阻抗值帶入式(2),可以得出輸入阻抗Zin以及電壓增益Gv為

(9)

對分母進行平方差變換,求出輸入阻抗角為

(10)

用MATLAB對式(10)進行圖像分析,選取參數,系統工作頻率f為85 kHz,一次側補償電感為40 μH,負載電阻RL為23 Ω,一次側線圈和二次側線圈互感M為41.5 μH。輸入阻抗角θ隨調整參數α、β變化的平面等高線圖如圖5所示。

圖5 阻抗角θ隨參數α、β變化的平面等高線圖

由圖5可見,當參數α、β為1時,一次側處于完全諧振狀態,對等高線圖進行坐標重定義,將α=1、β=1,作為新的坐標參考線,此時右下方第四象限為感性區。參數選點應從這個區選擇。通過MATLAB進行參數分析,選取α=1.014 3、β=0.564 9,此時輸入阻抗角θ為24.05°(弧度值為0.419 7)。對參數處理前后電壓增益進行比較,可得增益變化倍數T為

(11)

取α=1.014 3、β=0.564 9帶入式(11)可得參數處理后電壓增益為非處理前的0.993 7倍,損耗很小可以忽略不計。

2 實驗驗證

基于對一次側LCC諧振網絡以及參數處理后的軟開關點的研究,搭建了實驗平臺對系統進行實驗驗證。多逆變MC-WPT系統如圖6所示;系統實驗參數如表1所示。

圖6 多逆變MC-WPT系統

表1 系統實驗參數

實驗中,模擬大功率范圍內的輸出,保持負載不變(23 Ω),調節輸入直流電壓,測量不同輸入直流電壓下的逆變輸出波形以及系統整體效率,不同輸入直流電壓下逆變輸出電壓、電流波形如圖7所示。

圖7 不同輸入直流電壓下逆變輸出電壓、電流波形

由圖7可見,在并聯逆變器系統輸出不同時,逆變器的輸出電流均滯后于輸出電壓,均能夠很好地實現系統的軟開關,在MOSFET開關管高速切換狀態下,能夠很大程度地減小開關損耗,不同直流輸入時,系統的傳輸效率達到88%以上,實現了在大功率范圍內的軟開關。

3 結 語

針對大功率無線電能傳輸中多個逆變器并聯MC-WPT系統,本文以兩個逆變器并聯LCC-S型MC-WPT系統為例,推導了一次側LCC諧振網絡實現軟開關的條件,提出了一種通過一次側諧振網絡實現軟開關的參數設計方法,通過參數調整,找到合適的軟開關點。實驗證明,通過給定的參數設計方法,可以實現系統的軟開關,使系統的阻抗呈現弱感性特性,電流滯后于電壓,實現開關管的零電壓開通和關斷,能夠減少多個逆變器模塊的開通關斷損耗,使系統能夠較高效率地運行。