数字家电用无线电力传输电源的研究

王春芳，陈杰民，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)

数字家电用无线电力传输电源的研究

王春芳1，陈杰民1，李聃2，孙会2

(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)

针对无线电力传输系统效率低、功率因数低的问题，设计了一款数字家电用无线电力传输电源。该电源的主电路由开关输入网络、谐振耦合网络和高频整流网络三部分组成。其中谐振耦合网络的原、副边线圈采用SP补偿法。采用互感模型法对主电路进行了分析，给出了主电路的等效电路图。推导了电压增益，并给出了电压增益随谐振网络参数变化的曲线。制作了一个额定功率为1000W的样机，采用频率查表模糊控制法对输出电压进行控制。进行了效率和功率因数随原、副边线圈位置变化的实验，实验结果验证了该设计方案及控制方法的可行性与有效性。

家用电器;电源;无线电力传输;零电流软开关

1 引言

无线电力传输(Inductive Power Transfer，IPT)作为一种时尚、安全的电能传输技术，近几年引起了人们的广泛关注。该技术目前仅局限于为手机充电等小功率应用场合，对于功率较大的家电领域，则尚未有成熟应用。对于IPT传输系统来说，其传输线圈原副边电路相互隔离，电路工作在开环状态，输出电压较难控制［1］，一般在接收端用DC/DC电路来稳定输出电压［2］;为了增加系统输出的有功功率，一般在原边电路中增加锁相环电路［3，4］，从而使线圈工作在谐振状态。但以上方法也存在一些问题，一方面由于在接收端增加了一级DC/DC电路，从而使IPT系统整体效率显著降低，一般只有50%～75%左右;另一方面谐振网络可能有多个谐振频率，导致谐振频率出现分叉现象［5，6］，从而使输出功率和系统稳定性显著降低。为了提高松耦合变压器的传输功率和效率，通常需要给原、副边线圈增加谐振补偿电容。对于原边采用串联补偿和副边采用并联补偿(简称SP补偿法)的IPT系统，文献［7］指出谐振频率的选取对系统传输功率的大小影响不大，能够最大限度地减少电磁干扰和设计成本。

针对上述问题，本文设计了一款数字家电用无线电力传输电源。该电源采用SP补偿。借助互感模型法［8］，对SP补偿的IPT电路进行了建模，分析了不同参数变化对电压传输特性的影响;针对谐振频率分叉的问题，在实际控制中采用频率查表模糊控制法来控制工作频率及输出电压，从而简化了控制电路，提高了系统的稳定性。

2 IPT系统

2.1 系统结构

系统框图如图1所示。系统由半桥逆变电路、谐振耦合电路、单片机控制电路、辅助电源、显示模块和无源射频识别模块组成。220V交流电经全桥整流和电感(Lin)、电容(由C1和C2串联而成，见图2)滤波后送给半桥逆变电路的输入端，半桥逆变电路将高频方波电压输入到谐振耦合电路，再由谐振耦合电路将能量传递给负载。

2.2 主电路参数的设计

图2为所研究的无线电力传输系统主电路原理图。该电路由开关输入网络、谐振耦合网络和高频整流网络三部分组成。谐振耦合网络的原边线圈采用串联电容Cp补偿，副边线圈采用并联电容Cs补偿。其中，Cp采用耐流大的电容，Cs采用耐压高的电容，且Cp、Cs的频率稳定性都较高，C1、C2采用耐压较高、容量较小的无极性电容，和Lin组成LC滤波器，以提高功率因数。

图1 系统结构图Fig．1System structure

图2 主电路Fig．2Main circuit

采用互感模型法对图2所示主电路进行分析，可得如图3所示的主电路等效电路图。

图3 主电路的等效电路图Fig．3Equivalent circuit of main circuit

图3中Lp、Ls为谐振网络中的原、副边线圈电感，Cp、Cs为原、副边补偿电容，Rp、Rs分别为原、副边线圈电阻，M为原、副边线圈的互感，R为负载电阻，Re为等效负载，Zs为次级回路的等效阻抗，Ze为从输入端看进去的等效阻抗。通过对图3所示主电路的等效电路进行建模和分析，并根据文献［5，6］可推导出以下电路参数表达式:

Ui．FHA为谐振网络的输入信号，该信号为一方波信号，其基波分量有效值为:

二次侧得到的电压为:

副边输出电压为:

由式(5)、式(6)可得谐振网络的电压增益为:

对式(7)进行归一化处理可得:

式中，ωn=ω/ωo为归一化工作频率，其中ωo为初级侧谐振角频率，为变压器有效匝比;p=Cp/Cs为原、副边补偿电容比;k为线圈耦合系数;Q=ωoLp/Re为负载品质因数;λp=Rp/Re，λs=Rs/Re分别为原、副边线圈电阻系数。由式(8)得到变换器直流增益MV随k及p变化的曲线，如图4所示。

通过分析主电路的电压增益曲线变化趋势，可确定谐振网络元件的参数值。

2.3 直流输出电压的控制

图4 电压增益变化曲线Fig．4Voltage gain curves

直流输出电压Uo控制采用频率查表模糊控制法。当电路稳定工作时，开关管工作在谐振频率上，此时可完全实现零电流软开关(ZCS)，开关损耗小，系统工作效率最高;当输出电压Uo降低或者增大时，电路检测到谐振电流幅值的变化，相应增大或者减小开关管工作频率，以此来稳定输出电压Uo。由图4可知，当电路工作频率在谐振频率附近时，电路的电压增益变化较大。因此，只要开关频率偏离值不超过某一值，开关管基本工作在ZCS状态。实验显示，当开关频率在谐振频率的±5%之内时，电压增益变化能够满足设计需要，并且工作效率仍能保持在84%以上。图5所示为零电流关断波形。

图5 零电流关断波形Fig．5ZCS curves

3 仿真与实验验证

设计了一台额定功率1000W的数字家电用无线电力传输电源样机，主要设计参数如下:输入电压为180～264VAC/50Hz，输出电压为Uo=220VDC，电感Lin=400μH，C1、C2采用耐压较高的1μF无极性电容，原边线圈直径19mm，电感Lp=500μH，内阻Rp=0.24Ω，副边线圈直径16mm，电感Ls=60μH，内阻Rs=0.1Ω，原、副边谐振电容均采用高频MKPH电容，原边谐振电容Cp=98nF，副边谐振电容Cs=721nF，原、副边线圈距离为20mm，原、副边互感为57μH，半桥开关管选用耐压较高的FGA25N120，副边整流二极管选用导通压降较小的MUR1560。

为验证所研究的电源性能，分别对该电源进行效率及功率因数实验。图6为当原、副边线圈中心对齐，且距离为设定值20mm时，输入电压和输入电流的波形，由图可知输入电流近似正弦波，且输入电压、输入电流同相位。

图6 输入电压、电流波形Fig．6Input voltage and current waveforms

当原、副边线圈垂直距离固定为20mm、中心偏移时，测量其效率及功率因数，绘制成曲线，如图7所示。由图可知，当线圈中心偏移在30mm内时，电源的效率能保证在85%左右，功率因数能保证在0.9以上。

图7 效率、功率因数随线圈中心偏移变化Fig．7Efficiency and power factor changing with coil center offset

当原、副边线圈中心对齐，垂直距离变化时，测量其效率及功率因数，绘制成曲线，如图8所示。由图可知，在设定距离20mm时，效率和功率因数均达到最高;垂直距离在40mm内，效率和功率因数均能保证较高值。

图8 效率、功率因数随线圈垂直偏移变化Fig．8Efficiency and power factor changing with coil vertical offset

4 结论

通过对数字家电用无线电力传输电源的研究，得出如下结论:①对于1000W左右功率等级的IPT系统采用由半桥逆变、SP补偿网络和全桥整流组成的主电路结构是合理的;②采用互感模型法对主电路进行等效分析和参数设计证明是行之有效的;③采用频率查表模糊控制法，简化了电路设计，提高了系统稳定性;④通过效率和功率因数实验，表明了所设计的IPT系统具有较高的效率和功率因数，有一定的应用推广价值。

［1］武瑛(Wu Ying)．新型无接触供电系统的研究(Research on a new contactless power transfer system)［D］．北京:中国科学院研究生院(Beijing:Graduate University of Chinese Academy of Sciences)，2004．

［2］夏晨阳(Xia Chenyang)．感应耦合电能传输系统能效特性的分析与优化研究(Research on analysis and optimization for transmission power and efficiency of inductively coupled power transfer system)［D］．重庆:重庆大学(Chongqing:Chongqing University)，2010．

［3］张宇帆(Zhang Yufan)．非接触感应耦合电能传输系统的优化分析与频率跟踪控制(Optimization analysis and tracking frequency control of inductively coupled power transfer system)［D］．重庆:重庆大学(Chongqing: Chongqing University)，2011．

［4］林宁(Lin Ning)．无接触电能传输系统的设计研究(Research on design of contactless energy transmission system)［D］．杭州:浙江大学(Hangzhou:Zhejiang University)，2011．

［5］Boys J T，Covic G A，Green A W．Stability and control of inductively coupled power transfer systems［J］．IEE Proceedings-Electric Power Applications，2000，147(1): 37-43．

［6］唐春森(Tang Chunsen)．非接触电能传输系统软开关工作点研究及应用(Study on soft switching operating points of contactless power transfer systems and their application)［D］．重庆:重庆大学(Chongqing: Chongqing University)，2009．

［7］孙跃，夏晨阳，赵志斌，等(Sun Yue，Xia Chenyang，Zhao Zhibin，et al．)．电压型ICPT系统功率传输特性的分析与优化(Analysis and optimization on power transmission characteristics for voltage-fed ICPT system)［J］．电工电能新技术(Advanced Technology of Electrical Engineering＆Energy)，2011，30(2):9-12．

［8］马皓，孙轩(Ma Hao，Sun Xuan)．原副边串联补偿的电压型耦合电能传输系统设计(Design of voltage source inductively coupled power transfer system with series compensation on both sides of transformer)［J］．中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2010，30 (15):48-52．

Research on IPT power supply in household application

WANG Chun-fang1，CHEN Jie-min1，LI Dan2，SUN Hui2
(1．School of Automation Engineering，Qingdao University，Qingdao 266071，China; 2．R＆D Center of Haier Group，Qingdao 266103，China)

In view of the disadvantages of the inductive power transfer，such as low efficiency and low power factor，a novel IPT power supply in household application was designed in this paper．The main circuit of the power supply contains three parts．They are the input switching network，the resonant coupling network and the high-frequencyrectifier network．The SP compensation method is adopted in the primary and secondary coil of the resonant coupling network．The main circuit is analyzed and the equivalent circuit of the main circuit is obtained by using the mutual inductance model method．The voltage gain is deduced to get the curves of the voltage gain changing with resonant network parameters．A prototype of a 1000W power supply is implemented．To control the output voltage，frequency look-up table fuzzy control method is adopted．The experiment of efficiency and power factor changing with the primary and secondary coil is done．The experiment results verify the correctness and effectiveness of the circuit design and control method．

household application;power supply;IPT;ZCS

TM42;TM46

A

1003-3076(2014)11-0065-05

2013-05-28

王春芳(1964-)，男，山西籍，副教授，博士，从事电能变换及其先进控制技术方面的研究;陈杰民(1989-)，男，山东籍，硕士研究生，从事电力电子技术应用的研究。