用单个开关管实现1 000 W感应耦合式电能传输

齐 飞，王春芳，马 超，李 聃，孙 会

（1青岛大学自动化工程学院，山东 青岛266071；2．海尔集团技术研发中心，山东 青岛266103）

0 引 言

近几年，电磁感应耦合电能传输技术（Inductively Coupled Power Transmission，ICPT）已逐渐成为研究的热点［1］。随着研究人员对ICPT技术研究不断深入，在原副边补偿拓扑方面已取得了许多进展［2，3］。目前原边谐振电路多采用全桥或半桥逆变拓扑［4－6］，而这两种逆变拓扑均存在成本较高、体积较大、控制复杂等缺点。

本文提出了一种仅用一个开关管逆变就能实现ICPT的系统。该ICPT系统可在原边发射线圈和副边接收线圈相距35 mm的范围内，使传输功率达到1 kW。通过脉频调制（PFM）和脉宽调制（PWM）相结合的控制方式，在负载或输入电压发生变化时，该ICPT系统可实现恒压输出。

1 系统结构

图1所示为单管ICPT系统框图。该系统初、次级电路均采用并联补偿方式，这种补偿方式可以在提高品质因数的同时实现大功率传输。过零检测电路用来检测开关管是否实现零电压开通（ZVS）。

图1 系统框图

2 等效电路模型

本文采用基于互感的数学模型将原副边电路进行等效变换，图2所示即为该设计的等效模型。该模型很好地反映了电能传输关系，为确定电路参数进而实现ZVS提供了依据。

图2 系统等效模型

该变换器通过控制开关管Q的开通和关断实现电路谐振，从而将能量从原边传输到副边，开关过程如图3所示。一个周期内电压谐振变换器的工作过程分为四个阶段来讨论。

（1）［t0～t1］：电感充电阶段。定义开关管刚刚有电流的时刻为t0。按照主开关零电压开通的特点，t0时刻，主开关上的电压UQ＝0。如图3（a）所示，主开关开通后，电源电压Ud加在与Cp的并联支路两端，此时Uc＝Ud，流过主开关管Q的电流iq与流过的电流il相等。可得下列方程：

分析可知在一个周期内，il（t）等于零时，对应uc（t）的两个极值点，此时若极大值点等于输入电压ud，则可以实现零电压开通，由此可求得满足零电压开通的临界条件。

（3）［t2～t3］：谐振阶段二。如图3（c）所示，t2时刻，电感电流il下降为零并且开始反向增加。由于该阶段较上一阶段电路结构没有发生变化，所以可得方程如式（4）。

（4）［t3－t4］：电感放电阶段。t3时刻开关管闭合，由于二极管导通，开关管电压被钳位于零，没有电流通过，如图3（d）所示。该阶段与［t0～t1］阶段有相同电路结构，可得方程如式（1）。

图3 工作过程

3 控制方法

本设计要求在满足可变负载的前提下实现恒压输出，即无论负载是哪一个功率等级，输出端的电压要求不变。由于该电路中开关管在开通和关断阶段都有能量传到次级，所以PWM调节对于恒压控制作用不大，但是在检测开关管是否实现零电压开通时需要用到PWM调节。

本文采用PFM和PWM相结合的方式对系统进行控制。图4所示为电压增益随频率的变化曲线，由该图可知存在一个最佳频率使得系统实现最大传输增益，并且当进行负载切换时，可以通过调节开关频率实现恒压控制。

图4 电压增益随频率的变化曲线

该设计采样控制简易流程图如图5所示，通过采样环节采集到输出端的有效值，将有效值和给定值进行比较，进而控制开关频率的增大或减小。这种控制方法可以在变负载的情况下快速实现调节输出电压的稳定调节。

图5 简易控制流程图

4 实验结果

在仿真结果满足设计要求的前提下，采用设计出的电路进行试验验证，图6所示为开关管驱动波形Ug和承受的耐压波形UQ，由于对参数设定的合理性，可以使电路实现开关管的零电压开通和零电压关断，这就极大提高了电能的传输效率。

图6 开关管驱动波形和耐压波形

图7所示为负载由1 000 W切换到500 W，再由500 W切换到1 000 W时的输出电压Uo波形，PFM 和PWM的调制作用，使得电压在很短的时间内恢复到恒定值，基本满足设计要求。

图7 输出电压波形

5 结 论

和传统的全桥或半桥逆变电路相比，该系统的单个开关管所承受的耐压要稍高一些，通过等效分析可知，合理的参数选择不仅可以有效地控制开关管耐压，而且能够使之实现ZVS。PFM＋PWM的控制方法，使得系统在切换负载或者输入电压变化时实现恒压输出，满足了不同功率等级的应用要求，实现了对电能的高效利用。

［1］ 曾 翔．无线电力传输技术研究［J］．硅谷，2010（10）：82－82．

［2］ Zhou W，Ma H．Design considerations of compensation topologies in ICPT system ［C］．Applied Power Electronics Conference， APEC 2007－Twenty Second Annual IEEE，2007．

［3］ Juan L V，Jesus S，Jose F S O，etal．High－Misalignment Tolerant Compensation Topology For ICPT Systems［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59（1）：945－951．

［4］ 马 皓，周雯琪．电流型松散耦合电能传输系统的建模分析［J］．电工技术学报，2005，20（10）：66－71．

［5］ 杜贵平，盛松涛，张 波，等．感应耦合式无接触电能传输系统建模及仿真［C］．中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会，2008．

［6］ 李 宏，贺昱曜，王崇武．一种全桥负载串联谐振逆变器谐振频率跟踪和输出功率控制方法［J］．电工技术学报，2010，25（7）：93－99．