无线充电系统不对称半桥反激PFC电路研究

邵明锋

（江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122）

无线充电系统不对称半桥反激PFC电路研究

邵明锋

（江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122）

为了减轻无线充电过程中对电网造成的谐波污染，本文结合不对称半桥变换器和反激变换器的优点，设计了无线充电系统不对称半桥反激式PFC电路，分析了此新型PFC电路的工作原理以及实现软开关的条件，并进行了仿真验证。实验数据表明：不对称半桥反激式PFC可实现开关管的ZVS运行，该电路使开关损耗明显降低，降低了EMI，提高了无线充电设备的功率因数，降低了对电网的谐波污染。

电动汽车；无线充电；磁耦合谐振；不对称半桥；反激式PFC；ZVS

电动汽车是以电能作为能源，通过电动机将电能转化为动能的装置，并具有节能环保的优点，所以电动汽车可作为解决能源短缺，环境污染等问题的有效途径，并且得到了快速发展。目前电动汽车电池常见的充电方法是有线充电，即通过导线与电网电源相连接来获得电能。这种充电方式不够灵活，极易受到场地、环境、距离以及安全性等因素的限制。无线充电是一类新型的充电技术，可以将传输线圈埋于地下，不用导线将汽车与电源系统相连接，这样就能够有效减少电接触磨损、雨水等造成的伤害。因此，无线充电不会出现电火花与漏电的危险，无积尘和接触耗损，维护简单方便，受到越来越多专家学者的关注[1-2]。

随着电力电子技术以及电源技术的发展，电网的谐波污染也更加的严重，是以功率因数矫正技术（PFC）成为了时下的一个热门研究课题。功率因数校正技术主要有两种：无源PFC和有源PFC。无源功率因数校正是由电容和电感构成的无源网络来消除高次谐波以及无功补偿，是一种被动的矫正方式。无源网络虽然具有电路简单，高效、可靠、价格低等优点，但功率因数确难以较大提高。有源PFC技术是一种主动矫正方式，从上个世纪80年代以后，有源PFC技术得到了快速发展，此技术对功率因数的提高，谐波的抑制有很大的作用[3]。

传统的反激变换器不但结构简单而且成本低廉。在电源设计中被多次使用，然则反激变换器的开关器件并非工作在软开关状态，开关损耗大，电磁干扰大，并不适合于大功率场合。不对称半桥变换器是一种新的变换器，它具有的优点是：效率高、EMI干扰小，但结构非常复杂，而且变压器会因出现偏磁而导致损坏。不对称半桥反激变换器把反激变换器和不对称半桥变换器的优点利用起来，利用隔直电容和变压器漏感的谐振，使开关管运行在ZVS，整流二极管工作在ZCS，降低了开关损耗和EMI，并且变压器工作在反激状态，不对称半桥变换器克服了偏磁的缺点，所以不对称半桥反激变换器受到了学者的广泛研究。因此，把不对称反激PFC应用于电动汽车无线充电系统，将有利于提高充电设备的功率因数以及充电效率，还可以降低充电系统对电网的谐波污染[4-5]。

1 电动汽车无线充电系统结构分析

而今常用的无线充电方式主要有电磁感应式、磁耦合谐振式、无线电波式[10]。目前最常用的是磁耦合谐振式无线能量传输，磁耦合谐振式无线能量传输方法的传输功率比电磁感应方式小，但它的传输距离比电磁感应式远很多，而且效率更高，在安放位置上不需初级发射线圈和次级接收线圈完全一致；与电波式能量传输方式相对比，其传输功率等级和传输效率更高，但传输距离短。考虑到电动汽车无线充电的特点，车底盘距地面的距离一般在数十厘米上下，功率级别一般在千瓦级别，通过几种方案的对比，磁耦合共振式无线能量传输方案十分符合设计的要求，因此采取磁耦合谐振式无线能量传输方案。磁场耦合谐振式无线能量传输方法对于开发新的充电方法有很大的帮助，采用这个方法，可以将传输线圈安装在公路路面以下或者停车场地面下，为行驶中的电动汽车不停地补充电能，电动车停在停车场内进行电能补充。图1为磁耦合共振式无线充电结构框图。它的工作原理是，交流电经过电源管理系统整流为直流电，然后通过功率因数矫正环节，最后通过高频逆变电路和功放电路产生高频电磁场由发射线圈发出，接收线圈通过与发射线圈的耦合谐振获得电能，再通过AC-DC整流降压环节，再通过电池管理系统对动力电池进行充电。

图1 磁耦合共振式无线充电结构框图

2 无线充电系统不对称半桥反激PFC电路设计分析

不对称半桥反激PFC同时具有反激变换器和不对称半桥变换器的优点，利用电感Lm和电容Cr谐振，使原边功率管工作在ZVS状态，整流二极管工作于ZCS，极大地降低了开关损耗及电磁干扰，得到普遍应用。图2为无线充电系统不对称半桥反激PFC 电路结构图[6-7，12]。

图2 不对称半桥反激式PFC电路结构图

由图知，S1和S2为主功率开关管，变压器一、二侧匝数比为n，n1和n2。为了简化分析，特作了以下的假定：1）所有器件均是理想器件，工作在电流连续模式。2）变压器励磁电感要远大于变压器漏感，即Lm＞＞Lr。3）开关管的寄生电容不随两头电压变化而发生变化，可以认定是恒定的。4）占空比 0＜D＜0.5。5）电容Cr，Co足够大，两端电压认为是恒定不变的。6）下面的分析对任意匝比都适用，所有分析对半波、全波整流（n1=n2）均适用。

2.1 工作过程分析

图3给出了主要工作波形，下面主要分6个时间段进行简要分析[5-8，13]。

1）t0-t1段：S1在t0时导通。在这个时间段，二极管D1、D2、D3和S2均没有导通，而D4导通。电压Vm也逐渐下降但仍保持为正，所以电流Im是以较低的斜率逐渐增加的。在t1时，电压Vp减小到0，电流Im上升到最大值，此时D3才开始导通。

图3 不对称半桥反激式PFC电路工作波形

2） t1-t2段： 在此阶段中 D3、D4 导通，S1、S2 和Dl、D2关断。S2寄生电容C2和电感Lr发生谐振，C2上的电压开始以谐振方式连续减小。由于D3、D4导通，变压器的副边出现短路，电压Vm和Vf为零，电流Im保持恒定不变。二极管D3电流不断增加，D4电流不断减小。因此折射到原边的电流逐渐下降，在t2时下降为0。

3） t2-t3段： 在 t2时 D3、D4 继续导通，S1、S2 和D1、D2仍然截止。在这期间电压Vm和Vf保持为零，电容C2和Lr继续保持谐振。在t3时刻D4的电流全部转移到D3，下降为零时自然关断，实现了ZCS，极大的减小了二极管的关断损耗。

4）t3-t4段：在 t3时 S1、S2、D1、D2 和 D4 截止，D3开通。此时电压Vm为负，Im逐渐下降，电容C2连续线性放电。只要在开关管S2导通前C2电压下降为零，D2就会导通，把开关管S2上的电压保持在0 V，那么S2就能实现ZVS。

5）t4-t5段：当 t=t4时，S2 关断，为了防止 S1，S2同时导通短路，变压器一次侧电流ir给C1放电，此时寄生电容C2电压增加，变压器初级侧电流ir开始正向增加，在t5时，C1放电结束，Vs1下降到零。

6）t5-t6段：在t5时，寄生电容C1电压减小到零，变压器一次侧电流开始通过二极管D1，同时一次侧电流ir线性增加，在t6时，S1栅极加上驱动脉冲，S1导通，此时S1为ZVS导通。当t6时，励磁电感电流与漏感电流大小相等，二极管D3电流减小为零时关断，显然工作于ZCS状态。

2.2 开关管ZVS实现条件分析

由阶段5和阶段6的分析可知，要使S1实现ZVS，变压器漏感Lr必须足够大，才会有足够的能量，使寄生电容C1电压从Vin减小到零，同时S2的寄生电容C2两端电压被充电到Vin，因此有：

即S1实现ZVS的条件是：

而由工作波形可以看出，当t=t4时，得到：

从前面分析可知，整流二极管D3、D4都是在电流为零时自然关断的，因此它们都能实现ZCS[8-9]。

3 仿真分析

为了验证设计的可行性，特利用MATLABSimulink搭建了仿真电路，并进行了仿真分析[14-15]，部分参数如下：输入电压Vac=390 V，输出电压Vo=24 V，开关频率为30 kHz，Lr=22 μH，Cr=40 μF，输出滤波电容Co=2 000 μF，电阻性负载。图4为功率开关管驱动波形以及DS两端电压波形，由图可看出开关管S1，S2交替导通，为了防止两管同时导通造成短路，中间留有相应的死区时间，两开关管均可实现ZVS。图5为输出电压波形，从图中可以看出，输出电压经过一段时间的震荡后保持恒定不变，系统功率因数大大提高。

图4 开关管驱动波形及DS电压波形

图5 输出电压波形

4 结束语

文中首先对无线充电系统的结构以及电动汽车无线充电优点进行了分析阐述，结合反激变换器和不对称半桥变换器各自的优点，设计了无线充电系统不对称半桥反激式PFC电路，并利用MATLAB进行了仿真分析。通过对电路工作原理及波形的分析得知，该电路在提高功率因数矫正的同时，减小了开关管的电压应力、实现了软开关、降低了开关损耗、减小了EMI以及无线充电系统对电网的谐波污染。

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Research of wireless charging system asymmetrical half bridge flyback circuit on PFC

SHAO Ming-feng
（School of Internet of Things Engineering ，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

In order to reduce harmonic pollution to electric network in the process of wireless charging，this paper combines the flyback converter and the advantages of asymmetrical half bridge，designed an asymmetric half-bridge flyback type PFC circuit of the wireless charging system.working principle of PFC circuit and soft switching conditions are analyzed and simulation and experiment was built for verification.The experimental data shows that the asymmetrical half-bridge flyback type PFC can realize ZVS operation ，and this circuit made significantly lower switching loss，the EMI and the harmonic pollution to power network are reduced,the power factor of the wireless charging equipment are improved.

electric vehicles； wireless charging； magnetic coupling resonance；asymmetrical half bridge；flyback PFC;ZVS

TM461

A

1674－6236（2017）16-0158-04

2016-08-25稿件编号：201608196

邵明锋（1989—），男，河南商丘人，硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。