基于副边斩波电路无线功率和信息传输系统

2019-02-21张涛

通信电源技术 2019年1期

张涛

（郑州轻工业学院电气信息工程学院，河南郑州 450002）

0 引言

近年来，无线电能传输系统在电动汽车、医疗设备和家用电器等领域应用逐渐广泛。对于大多数应用，仅能实现功率传输。本文通过改变副边功率开关频率传递信息方法，介绍副边斩控接收电路的工作原理[1]。副边通过反馈控制实现恒定的负载电压输出，信息调制通过改变副边开关器件的频率进行设计。

1 副边斩波无线电能传输系统模型

图1为副边斩波无线电能传输系统。Vin为原边输入电压源，Q1～Q4组成原边可控全桥结构，Lp、Ls、Rp、Rs、Cp、Cs分别是原边和副边的线圈自感值、电阻、串联补偿电容，RL为负载电阻，负载电压值为Vo。

图1 副边斩波无线电能传输系统

副边采用反馈控制，即使Q5控制信号频率变化，通过闭环控制实时调节占空比，仍能保证输出电压恒定[2-3]。Q5关断时，系统负载为RL，系统处于正常工作状态，原边电压源向负载持续供电；Q5开通时，负载短路，系统处于震荡状态，原边输入电流经过一段时间震荡后为0。根据基尔霍夫电压定律，可得到电路方程为：

如图2所示，通过控制开关导通、关断信号获得移相角2α和2β，并且通过控制Q5占空比d来调节β。

图2 控制信号及电压导通角

原、副边谐振回路的输入电压Vp用基波分量有效值来表示，获得α、d与负载电压Vo的关系表达式如下：

由式（2）可以看出，系统硬件参数确定后，负载电压Vo对应两个可调角度α、d，通过控制α、d可以实现负载电压恒定。本文中保持α恒定，通过闭环控制调节Q5的占空比d，保持系统输出电压恒定[4]。

2 信息反向传输分析

根据Q5开通关断引起输入电流的变化，原边得到与Q5信号相同频率信号。当Q5开关频率低于电能传输频率时，系统将受到冲击。原边的输入电流将周期性变化，其频率与Q5频率一致。信号“1”对应Q5频率6 kHz，信号“0”对应Q5频率为10 kHz，如图3所示。

3 仿真结果与分析

仿真结果如图4所示。图4（a）是传输信号，信号“1”对应Q5频率6 kHz，信号“0”信号对应Q5频率10 kHz；图4（b）是原边输入电流Iin采样信号（c）的低频信号，它是图3的Um波形；图4（d）是与Q5频率一致的矩形波信号，是图3的Um4波形；图4（e）是解调信号；图4（f）是负载电压，负载电压稳定在50 V，信息反向传输[5]。