非接触电能传输系统松耦合变压器传输特性的研究

杜 波，刘 平，王文杰

（郑州大学 信息工程学院，河南 郑州 450001）

非接触电能传输系统松耦合变压器传输特性的研究

杜 波，刘 平，王文杰

（郑州大学 信息工程学院，河南 郑州 450001）

本文是对基于非接触感应电能传输技术的全桥谐振变换器的传输特性进行的研究。松耦合变压器是非接触电能传输系统中的关键部件，本文首先分析了松耦合变压器与传统紧耦合变压器的区别进而提出原副边补偿问题，其次计算出串串补偿和串并补偿电容的选取，再次计算当系统工作在谐振状态时电压的放大倍数并得出负载特性，最后通过PSpice软件搭建电路并仿真，证明分析和结论的正确性。

松耦合变压器；谐振变换器；原副边补偿；传输特性

变压器是通过磁场将能量从原边线圈传递到副边线圈的电气设备,其可分为紧密耦合变压器和松散耦合变压器。紧密耦合变压器原副边线圈之间的磁场耦合紧密，相对于磁化电感，漏感很小。而松耦合变压器原副边线圈的耦合很弱,漏感远大于磁化电感[1]。

由于松耦合变压器漏感较大，漏感表现为感性，必然会消耗大量的无功功率，使得系统的设备容量增加，系统中器件参数和规格的加大，增加系统的尺寸和成本，并且使得电能在传输过程中的损耗增加[2]。为了改善系统功率因数，减少对系统视在功率的要求，需要进行无功补偿。补偿的方式有原边补偿和副边补偿，补偿的作用有：提高系统能量传输能力；降低原副边功率器件电压电流定额；使系统表现为一定的特性（电压源或电流源）。

1 补偿分析

加入补偿电容的目的是为了补偿变压器原副边的漏感，使得系统的等效阻抗虚部为零。现分析原边串联副边串联补偿(串串补偿)和原边串联副边并联补偿(串并补偿)这两种情况。

图1和图2分别代表串串补偿和串并补偿的全桥谐振变换器的等效电路图，原边电源等效为交流电压源Vac，副边负载电阻等效为交流等效电阻RL，输出电压为等效为VRL。

图1 串串补偿等效电路图Fig.1 Primary series compensation and secondary series compensation(PSSS)equivalent circuit diagram

图2 串并补偿等效电路图Fig.2 Primary series compensation and secondary parallel compensation(PSSP)equivalent circuit diagram

对应图1和图2中关系，副边的负载阻抗用Zs表示，其值取决于副边补偿类型：

对于副边串联补偿来说，选择式(3)补偿电容Cs，可以使得副边无功功率为零。但对于副边并联补偿来说，选择式(3)电容，副边无功功率并不为零。据式(2)，令其虚部为零，解得副边补偿电容的大小如下式所示：

用反映阻抗Zr来描述副边负载对原边电路的影响，具体关系由式(5)给出

其中w表示系统工作角频率，M表示原副边电感的互感系数。

把式(1)和式(2)代入式(5)，可得到反映阻抗分别为：

串联补偿的反映阻抗为：

并联补偿的反映阻抗为：

反映阻抗体现了副边电路对原边电路的影响，且表示了功率的传输性能，反映电抗消耗的功率就是副边电路吸收的复功率，反应电阻消耗的功率就是副边电路消耗的有功功率。

此时副边阻抗最小，输出电压和电流同相位，负载获得的功率最大。则在谐振频率处副边反映到原边的反应电阻和反映电抗如表1所示：

原边采用串联补偿，由于副边电路耦合所产生的效应等效于在原边回路中串联一个反映阻抗，设原边等效总阻抗为 Zt，则 Zt可以表示为

表1副边工作在谐振频率的性能参数Tab.1 Secondary side worked in the resonance frequency of performance parameters

Zt的实部表示系统的有功功率，而虚部表示无功功率，为降低系统伏安容量等级，通常选择原边电容使原边等效总阻抗的虚部在副边谐振频率时为零。使原边等效总阻抗Zt在副边谐振频率w=w0时的虚部为0，则可求出原边补偿电容值。

表2原边谐振补偿电容值Tab.2 Primary resonant compensation capacitance values

由表2可知串串补偿拓扑的原边补偿电容不受互感系数和负载的影响，而串并补偿的原边补偿电容将受到互感系数的影响。

2 谐振时电压放大倍数及负载特性分析

2.1 串串补偿分析

根据图1串串补偿等效电路图对变压器原边和副边电路分别列写KVL[4]得：

由（10）可以求出

把（11）带入（9）并化简可得

电压放大倍数

图3 副边谐振时原边等效电路图Fig.3 When secondary resonant the primary equivalent circuit

2.2 串并补偿分析

如图2串并补偿等效电路图所示，负载RL支路的电流为is，则与负载并联的次级补偿电容Cs支路的电流为jwCsRLis，对变压器原边和副边电路分别列写KVL得：

由（16）可以求出

把（17）代入（15）化简可得

电压放大倍数

3 仿真实验

串串补偿时求出Cp=Cs=12.66 nF，当原边为电压源供电时，设电压源为Vac=50 V，负载表现为电流源特性，负载电流is=0.568 A，如图4所示。

当原边为电流源供电时，设电流源为ip=1 A，负载表现为电压源特性，负载电压VRL=jwMip=87.964 V，如图5所示。

图4 串串补偿电压源供电时负载电流波形图Fig.4 PSSS voltage source power supply load current waveform figure

图5串串补偿电流源供电时负载电压波形图Fig.5 PSSS current source power supply load current waveform figure

图6 串并补偿电压源供电时负载电压波形图Fig.6 PSSP voltage source power supply load current waveform figure

图7 串并补偿电流源供电时负载电流波形图Fig.7 PSSP current source power supply load current waveform figure

图中当负载变动时（图中□◇▽△○分别代表5个不同的电阻值），所得到的仿真曲线完全重合，从仿真波形图和数值上可以得出，仿真和理论计算完全吻合，证明分析和结论的正确性。

4 结论

由于松耦合变压器存在较大的漏感，增加了系统的无功功率，为了提高系统的功率传输能力，在松耦合变压器的原副边增加电容和漏感形成谐振电路，来减小无功功率，提高传输效率。

通过分析计算和仿真可以得出，串串补偿的松耦合全桥谐振变换器当原副边的谐振频率相等时，则系统在这个谐振频率下无功功率为零，恒压源供电时，输出得到恒流源特性；恒流源供电时，输出得到恒压源特性。串并补偿的松耦合全桥谐振变换器当选择合适的补偿参数，系统处于谐振时，系统无功功率为零，恒压源供电时，输出得到恒压源特性；恒流源供电时，输出得到恒流源特性。在非接触感应电能传输系统中设计一个松耦合变压器系统时，针对不同设计要求，该分析结果可以为系统参数的选取提供有效的理论依据。

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Research of loosely coupled transformer transfer characteristic in contactless power transfer system

DU Bo，LIU Ping，WANG Wen-jie
（School of Information Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China）

This article is mainly discuss the full-bridge resonant converter transmission characteristics based on non-contact inductive power transfer technology.Loosely coupled transformer is a critical component in the non-contact power transmission system,This paper analyzes the distinction between loosely coupled transformer and the traditional tight coupling transformer,Second,calculate the value of compensation capacitance,thirdly,summary voltage gain when the system operates in resonant state and draw load characteristics,finally use PSpice simulation software to build circuits,prove the correctness of analysis and conclusions.

Loosely coupled transformer;resonant converter;primary and secondary compensation;transfer characteristic

TN86

A

1674-6236（2014）17-088-04

2013-11-13 稿件编号：201311124

杜 波（1988—），男，河南民权人，硕士研究生。研究方向：开关电源、功率变换器、数字化控制。