单级式无线电能传输实验平台建设_王春芳.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 2 期 2023 年 2 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.2 Feb.2023 收稿日期:2022-06-28 基金项目:国家自然科学基金项目（51877113）；教育部产学合作协同育人项目（202002109017）作者简介:王春芳（1964），男，山东青岛，博士，教授，主要研究方向为电能变换技术与新能源开发技术，。通信作者:卢心雨（1999），男，山东日照，硕士研究生，主要研究方向为无线电能传输技术，。引文格式:王春芳，卢心雨，郑建芬.单级式无线电能传输实验平台建设J.实验技术与管理,2023,40(2):154-158.Cite this article:WANG C F,LU X Y,ZHENG J F.Construction of single-stage wireless power transfer experimental platformJ.Experimental Technology and Management,2023,40(2):154-158.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.02.026 单级式无线电能传输实验平台建设 王春芳，卢心雨，郑建芬（青岛大学 电气工程学院，山东 青岛 266071）摘 要：目前的无线电能传输系统一般为多级功率变换结构，存在可靠性低、成本高、传输效率低、功率密度低等问题，极大地影响了这一技术的应用普及。该文提出一种基于 Boost 全桥 AC-AC 变换器的单级式全桥无线电能传输供电方案，并通过建立实验平台进行了验证。文章介绍了该单级式无线电能传输供电方案的电路结构、工作原理、相应的调制方式及具有恒压输出特性的 S-LCC 补偿网络，对系统主电路参数及磁耦合器进行了设计，搭建了系统仿真模型，借助仿真结果建立了实验平台，最后通过实验验证了所提方案的正确性。该综合实验平台包含的硬件和多种软件，可用于电力电子教学。关键词：无线电能传输；单级变换器；非对称调制；恒压输出 中图分类号：TM 724 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)02-0154-05 Construction of single-stage wireless power transfer experimental platform WANG Chunfang,LU Xinyu,ZHENG Jianfen(College of Electrical Engineering,Qingdao University,Qingdao 266071,China)Abstract:The current wireless power transfer system generally adopts multi-level power conversion structure.Due to the low reliability,high cost,low transmission efficiency,low power density and other problems,the application and popularization of this technology are greatly affected.A single-stage full bridge wireless power supply scheme based on Boost full bridge AC-AC converter is proposed in this paper,and it is verified by establishing an experimental platform.This paper introduces the circuit structure,operation principles,corresponding modulation method and S-LCC compensation network with constant voltage output characteristics of this single-stage system.The main circuit parameters and magnetic coupler of the system are designed,the system simulation model is built,and the experimental platform is established with the help of the simulation results.Finally,the correctness of the proposed scheme is verified through experiments.The comprehensive experimental platform contains both hardware and a variety of software,which can be used for teaching of power electronics.Key words:wireless power transfer;single-stage converter;asymmetric modulation;constant voltage output 无线电能传输（wireless power transfer，WPT）技术是随着工业互联网、物联网、人工智能、5G 等信息技术发展而来的前沿科技，是中国制造 2025 高端绿色制造的重大需求技术，已纳入能源技术革命创新行动计划（20162030 年）1，并被中国科协列入十项引领未来技术。WPT 技术未来将可广泛应用于家用电子设备、智能家居、医疗设备、工业机器人、物联网、水下探测 王春芳，等：单级式无线电能传输实验平台建设 155 设备、交通和航空航天等领域2-5。但目前的无线电能传输系统一般采用多级功率变换结构，存在可靠性低、成本高、传输效率低、功率密度低等问题，这极大地影响了无线电能传输技术的应用和推广6-7。针对这些问题，本文提出一种基于 Boost 全桥 AC-AC 变换器的单级式全桥无线电能传输供电方案，用单级 AC-AC 变换器取代 WPT 电路中普遍使用的多级原边变换器，并采用具有恒压输出特性的 S-LCC 补偿网络，以保持输出电压的恒定。本文设计并建立了一个额定功率为 720 W 的实验平台，用于验证所提出的单级 WPT 变换器的功率因数校正能力、软开关特性及不同负载下的输出特性。该实验平台由软硬件两部分组成。硬件部分以具有功率因数校正功能的Boost全桥AC-AC变换器作为WPT 的主电路；软件部分采用 Maxwell 进行有限元分析来设计和优化磁耦合器，并通过 Saber 搭建功率电路进行仿真，以验证恒压供电特性和软开关特性。本文重点对实验平台的硬件部分进行详细介绍。1 WPT 变换器结构 1.1 传统 WPT 变换器结构 传统 WPT 系统电路结构如图 1 所示，其原边电路由多级功率变换电路组成，工频交流电经过整流、功率因数校正和高频逆变后变换为 WPT 所需的高频交流电。除原边多级功率变换电路外，还包括原边和副边补偿网络、磁耦合器、副边高频整流电路及负载。由于来自电网的电能需要经过多级功率变换才能传递到负载端，从而对 WPT 系统的效率、成本和体积产生不利影响。近年来，人们开始重视对原边电路的研究，希望通过减少功率变换级数来提高 WPT 系统的整体性能8-11。图 1 传统 WPT 系统电路结构 1.2 单级 WPT 变换器结构 图腾柱无桥整流器具有共模干扰低、器件利用率高、器件数量少等优点，能够与全桥逆变器集成为升压全桥 AC-AC 变换器，将低频交流电直接变换为高频交流电12-13。将这种单级 AC-AC 变换器应用于WPT 变换器的原边电路，即本文所提出的单级式 WPT电路结构，如图 2 所示。其中 uin是 50 Hz 的工频交流电源，Lif和 Cif构成输入滤波器。电路中应用了具有恒压输出特性的 S-LCC 补偿网络，原边仅有一个补偿电容 Cp，进一步减少了原边电路中器件的用量。副边补偿网络输出高频交流电，经过整流和滤波后输出负载所需的直流电。图 2 单级 WPT 变换器电路结构 2 单级 WPT 变换器工作原理 图腾柱无桥整流器可以工作于连续导通模式、断续导通模式和临界导通模式14。设计实验平台时，选择令图腾柱无桥整流器工作在断续导通模式，即升压电感 Lb中的电流 iLb为断续，以便能以恒定的开关频率实现功率因数校正，同时更容易实现与全桥逆变器的集成。因为开关频率远高于工频，所以可近似认为每个开关周期内输入电压的大小保持不变。在输入工频交流电的正半周：开关管 S2导通而 S1关断时，iLb从零开始线性增大，开关管 S1导通而 S2关断时，iLb从峰值开始线性减小至零。在输入电压的负半周：开关管 S1导通而 S2关断时，iLb从零开始线性增大，开关管 S2导通而 S1关断时，iLb从峰值开始线性减小至零。由上述分析可得一个工频周期内输入电压 uin和流过电感 Lb的电流 iLb的波形如图 3 所示。由输入滤波器滤除 iLb中的高次谐波后可实现功率因数校正。图 3 输入电压和电感电流波形 为了在实现功率因数校正的同时能够调节输出电压，本文采用了如图 4 所示的非对称调制方式。其中Gs1Gs4分别为开关管 S1S4的驱动信号，uab为原边AC-AC 变换器的输出电压。Ts为开关周期，da和 db分别为两个桥臂的导通占空比。对输入电压 uin进行采样并判断其正负，在输入电压的正半周和负半周所采用的调制方式分别如图 4(a)和图 4(b)所示。功率因数156 实 验 技 术 与 管 理 大小与直流母线电容 Cbus两端的直流母线电压 Ubus有关15，为了在获得较高功率因数的同时减小器件的电压应力，可以根据负载的变化调节开关管 S1和 S2的导通占空比 da使 Ubus保持恒定。为了在较大的负载范围内实现恒压输出，在补偿网络具有恒压输出特性的基础上，根据负载的变化调节开关管 S3和 S4的导通占空比 db，可以使负载上的电压保持稳定。本文中采用的非对称调制具有两个控制变量 da和 db，能够同时实现对直流母线电压和输出电压的控制。图 4 非对称调制方式 3 补偿网络设计 当实验平台工作在恒压输出模式时，单级全桥无线电能传输系统的 S-LCC 补偿网络及其基于回转器的等效电路模型如图 5 所示。图 5(a)为 S-LCC 补偿网络的电路模型，其中 Req为副边高频整流电路的等效输入电阻。忽略单级AC-AC 变换器的输出电压 uab中的高次谐波，则补偿网络的输入电压为开关频率的高频正弦交流电。忽略器件的寄生电阻，令 Lp和 Cp、Lx和 Cs2分别在开关频率下发生谐振，即：sppxs211L CL C=（1）将耦合电感和并串联谐振电路 Cs2-Lx分别用基于回转器的等效电路模型表示，则图 5(a)所示的电路模型可以转换为图 5(b)所示的等效电路模型。图 5(b)中虚线和点划线方框内的部分分别为耦合电感和并串联谐振电路 Cs2-Lx的等效电路模型。因为 Lp和 Cp已在开关频率下发生谐振，所以图 5(b)中的串联谐振电路Lp-Cp可等效为短路。此外，回转器具有非端接阻抗反演特性，利用这一特性可将与回转器的某一端口串联的电感（电容）转换为与另一端口并联的电容（电感）。图 5 S-LCC 补偿网络及其基于回转器的等效电路模型 因此，图 5(b)所示的等效电路模型可以进一步转换为图 5(c)所示的等效电路模型。图 5(c)中两个级联的回转器可以等效为一个理想变压器，