《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于半控整流電路的無線電能傳輸技術(shù)的研究
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
林 將,，謝 岳
中國計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,，浙江 杭州310018
摘要： 提出了一種無線電能傳輸最大效率恒壓輸出技術(shù),，該技術(shù)采用半控整流電路替代接收回路常用的二極管整流電路,，并利用Boost電路調(diào)節(jié)輸出電壓,。通過同時在線調(diào)節(jié)半控整流電路和Boost電路的占空比,，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在負(fù)載和耦合線圈間互感變化時保持最大效率下的恒壓輸出,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提技術(shù)的可行性和理論分析的正確性,。
中圖分類號： TM72
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182581
中文引用格式： 林將,，謝岳. 基于半控整流電路的無線電能傳輸技術(shù)的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2019，45(4)：127-130,，134.
英文引用格式： Lin Jiang,，Xie Yue. Research on a technique of wireless power transfer based on semi-bridge rectifier[J]. Application of Electronic Technique，2019,，45(4)：127-130,，134.
Research on a technique of wireless power transfer based on semi-bridge rectifier
Lin Jiang，Xie Yue
Institute of Mechanical and Electrical Engineering,，China Jiliang University,，Hangzhou 310018，China
Abstract： This paper proposed a technique of maximum efficiency and constant voltage output for wireless power transfer system. A semi-bridge rectifier is used to replace the common diode rectifier on the receiver side, and a Boost circuit is adopted to regulate the system output voltage. The duty cycles of the semi-bridge rectifier and the Boost circuit are online adjusted so that the wireless power transfer system can keep both maximum efficiency and constant voltage output when load varies and mutual inductance of coupled coils changes. Experimental results verified the feasibility of the proposed technique and the correctness of the theoretical analysis.
Key words : wireless power transfer; maximum efficiency; constant voltage output

0 引言

    無線電能傳輸技術(shù)主要應(yīng)用于電動汽車,、植入式醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)電子設(shè)備[1-3],。提高無線電能傳輸系統(tǒng)的效率是非常必要的[4]，而另一方面,，無線電能傳輸?shù)呢?fù)載多為電池或者電機(jī)負(fù)載[5-6],，因此通常希望系統(tǒng)輸出電壓或電流保持恒定[7-8]。為了盡可能提高無線電能傳輸系統(tǒng)的效率,，人們提出了多種技術(shù)方案,。例如可以根據(jù)效率的函數(shù)表達(dá)式，在接收回路進(jìn)行最大效率工作點(diǎn)的阻抗匹配[9-11],。在發(fā)射回路和接收回路分別放置DC/DC電路,，通過改變接收回路DC/DC進(jìn)行阻抗匹配以提高系統(tǒng)效率，同時控制發(fā)射回路DC/DC電路保持輸出電壓恒定[12],，但該方法需要無線通信,，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度,。利用接收回路DC/DC電路控制系統(tǒng)輸出電壓，同時通過等步長調(diào)節(jié)發(fā)射回路DC/DC電路輸出電壓搜索最小輸入電流點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最大效率[13-14],，然而該方法雖然去除了無線通信環(huán)節(jié),，但調(diào)節(jié)緩慢。利用半控整流電路代替接收回路的二極管整流電路控制輸出電流,，因此不需要添加額外環(huán)節(jié),，它同樣采用等步長調(diào)節(jié)發(fā)射回路DC/DC電路輸出電壓尋找最小輸入電流點(diǎn)使得系統(tǒng)效率最大[8]。然而半控整流電路開關(guān)頻率由系統(tǒng)諧振頻率決定,，半控整流電路的開關(guān)損耗較大,，并且半控整流電路控制復(fù)雜[15]。

    本文提出了一種利用半控整流電路實(shí)現(xiàn)線圈傳輸效率最大的控制方式,，與文獻(xiàn)[15]相比,，它降低了開關(guān)頻率并且簡化了控制復(fù)雜程度，通過對半控整流電路和Boost電路的控制同時實(shí)現(xiàn)最大傳輸效率和恒定電壓輸出,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方法的可行性和正確性,。

1 電磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)

1.1 無線電能傳輸系統(tǒng)工作原理分析

    圖1所示為電磁感應(yīng)式無線電能傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖中E為直流電壓源,，開關(guān)管VD1～VD4構(gòu)成高頻逆變電路,，L1、L2和M分別為發(fā)射線圈自感,、接收線圈自感以及這兩個耦合線圈間的互感,，C1和C2分別為發(fā)射回路和接收回路的串聯(lián)諧振補(bǔ)償電容，r1和r2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的內(nèi)阻,，二極管D1,、D2和開關(guān)管VD5、VD6構(gòu)成半控整流電路,，電感L3,、開關(guān)管VD7、二極管D3和電容C4構(gòu)成Boost電路,。U1和I1分別為高頻逆變電路的輸出電壓和電流,，U2和I2分別為半控整流電路的輸入電壓和電流，Udc為半控整流電路的輸出電壓,，Uo為系統(tǒng)輸出電壓,，RL為負(fù)載電阻。半控整流電路工作在兩種狀態(tài)下：當(dāng)VD5和VD6不導(dǎo)通時處于全橋整流狀態(tài),，當(dāng)VD5和VD6同時導(dǎo)通時處于短路狀態(tài),，短路狀態(tài)時它在發(fā)射回路的反射電阻為無窮大，因此系統(tǒng)不傳遞能量。

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    根據(jù)圖1可得如下方程：

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1.2 等效負(fù)載模型

    為了簡化分析,，將Boost電路及其負(fù)載RL等效成一個電阻Re1,。Boost電路的輸入電壓Udc與輸出電壓Uo的關(guān)系為Uo=Udc/(1-d1)，式中d1為Boost電路的占空比,，理想情況下有[13]：

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2 控制方法

    直流電壓源E的輸出值保持恒定,，系統(tǒng)最大效率恒壓輸出的控制由在線調(diào)節(jié)占空比d1和d2來實(shí)現(xiàn)。通過測量半控整流電路的輸出電壓Udc和接收線圈電流I2可以得到等效電阻Re：

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3 實(shí)驗(yàn)方法

    為了驗(yàn)證所提無線電能傳輸系統(tǒng)最大效率恒壓輸出技術(shù)的正確性,，按照圖1搭建了如圖2所示的基于STM32F103RCT6的無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),，其中VD1～VD7均為K2372型號的MOSFET開關(guān)管。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示,，表中d為同軸平行放置的發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離,，發(fā)射線圈與接收線圈均采用單股線徑0.1 mm的500股利茲線繞制成大小相同的圓盤形，其中發(fā)射線圈為單層線圈,，接收線圈為雙層線圈，D1和D2分別為線圈的外徑和內(nèi)徑,，fR和fB分別為半控整流電路和Boost電路的工作頻率,。過高的半控整流電路開關(guān)頻率會造成開關(guān)損耗增大、控制效果不明顯,，然而過低的開關(guān)頻率會造成穩(wěn)壓電容C3的增大,，因此本文半控整流開關(guān)頻率fR采用1 kHz。

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    圖3～圖5分別為負(fù)載RL=40 Ω時無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各組成部分在一個半控整流電路工作周期下的實(shí)驗(yàn)波形結(jié)果,。圖3為半控整流電路的輸入電壓U2和輸入電流I2的波形圖,。從圖中可以看出，當(dāng)半控整流電路于短路狀態(tài)時,，U2很小,，而由于SS結(jié)構(gòu)的特性I2保持不變，此時系統(tǒng)幾乎不傳遞電能,。圖4為半控整流電路輸出電壓Udc和電流Idc波形圖,，從圖4可見半控整流電路輸出電壓Udc=71 V，而由式(14)計(jì)算得到Udcηmax=70.53 V,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與系統(tǒng)最大效率時的輸出電壓Udcηmax理論分析相符,，即系統(tǒng)工作在最大效率點(diǎn)。圖5為系統(tǒng)輸出電壓Uo波形圖,，可見輸出電壓保持在設(shè)定值100 V,。

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    系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時，會出現(xiàn)負(fù)載變化和線圈相對位置變化引起的互感變化,，此時系統(tǒng)為了滿足最大效率和恒壓輸出,，Boost電路占空比d1與半控整流電路占空比d2會發(fā)生相應(yīng)變化。圖6為上述實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下,，僅改變系統(tǒng)負(fù)載功率時d1和d2的理論值與實(shí)驗(yàn)值的對比圖,。由式(14)和式(7)可見,，由于互感M及線圈內(nèi)阻等參數(shù)是固定的，因此d1的理論值為恒定值,，而負(fù)載功率變大時,，需要無線傳輸更多的電能，因此d2變小,，實(shí)驗(yàn)值與理論值基本符合,。圖7為僅改變互感M時的d1和d2理論值與實(shí)驗(yàn)值的對比圖。由式(8)和式(14)可見,，d1對互感變化不敏感,，因此d1基本保持恒定，而由于互感增大,，最大效率時的接收功率減小,，為了傳輸更多的電能，因此d2變小,，實(shí)驗(yàn)值與理論值基本相符合,。

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    在上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)參數(shù)都不變的條件下，用二極管整流電路替代半控整流電路,，構(gòu)成二極管整流的無線電能傳輸系統(tǒng),，同時通過控制Boost電路使系統(tǒng)輸出電壓同樣為100 V。通過實(shí)驗(yàn)可以比較二極管整流和半控整流電路下無線電能傳輸?shù)男?。圖8給出了二種整流電路的無線電能傳輸系統(tǒng)在不同負(fù)載功率下的系統(tǒng)效率以及耦合線圈間無線電能傳輸效率的曲線圖,。從圖中可看出，采用二極管整流電路時的效率明顯低于采用半控整流電路時的效率,。隨著負(fù)載功率變小,，采用二極管整流電路的系統(tǒng)效率變小，而采用半控整流電路的系統(tǒng)可以保持傳輸效率幾乎不變,，并且耦合線圈間的傳輸效率保持在一個很高的水平,。

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4 結(jié)論

    本文提出了一種無線電能傳輸最大效率恒壓輸出技術(shù)，該技術(shù)通過在線控制接收回路半控整流電路和Boost電路的占空比,，使系統(tǒng)在互感變化和負(fù)載變化時能保持最大效率恒壓輸出,。在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了諧振頻率為40 kHz的磁感應(yīng)無線電能傳輸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提方法的可行性和正確性,。由于本文主要關(guān)注最大效率恒壓輸出技術(shù)有效性的研究，因此沒有對無線電能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各組成部分采取降低損耗的措施,。

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作者信息:

林  將，謝  岳

（中國計(jì)量大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,，浙江 杭州310018）

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