電流型IPT系統(tǒng)新型輸出恒壓控制方法研究

闞超豪 朱曉威 程 源

（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009）

電流型IPT系統(tǒng)新型輸出恒壓控制方法研究

闞超豪 朱曉威 程 源

（合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，合肥 230009）

針對(duì)電流型感應(yīng)電能傳輸（IPT）系統(tǒng)負(fù)載變化時(shí)輸出電壓的穩(wěn)定性問題，提出一種基于恒定跨阻增益特性的原邊控制方法。以電流型IPT系統(tǒng)采用初次級(jí)并聯(lián)（PP）補(bǔ)償為研究對(duì)象，建立其互感等效電路并進(jìn)行分析，推導(dǎo)出在特定工作條件下該拓?fù)渚哂泻愣缱柙鲆嫣匦?。并進(jìn)一步分析了PP補(bǔ)償諧振網(wǎng)絡(luò)的效率特性，優(yōu)化諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使系統(tǒng)恒定跨阻增益頻率為效率最優(yōu)頻率。為保持原邊輸入直流母線電流恒定，在傳統(tǒng)電流型感應(yīng)電能傳輸拓?fù)渲屑尤牒懔骺刂葡到y(tǒng)，并闡述了恒流控制原理。本文還提出了基于新型控制方法在給定條件下的IPT系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)方法。最后，設(shè)計(jì)一臺(tái)80W樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析良好吻合，驗(yàn)證了論文所提控制方法的正確性。

電流型感應(yīng)電能傳輸；恒定跨阻增益；效率優(yōu)化；恒流；非接觸變壓器

IPT系統(tǒng)是基于電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)“無線供電”的新型電能傳輸模式，與傳統(tǒng)供電模式相比，具有安全、靈活、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在電動(dòng)汽車、小家電以及易燃易爆、水下等特殊環(huán)境的用電設(shè)備等方面有廣闊的應(yīng)用前景[1-5]。

IPT系統(tǒng)負(fù)載變化容易導(dǎo)致系統(tǒng)輸出性能下降，因此需要采用合適的控制方法保證輸出性能的穩(wěn)定。對(duì)于電流型IPT系統(tǒng)文獻(xiàn)[6]提出在副邊增加相控電抗器，通過控制相控電抗器的導(dǎo)通延遲角來改變導(dǎo)通電流大小，使負(fù)載端獲得穩(wěn)定的輸出電壓。文獻(xiàn)[7]的控制方法是采用副邊加入Boost環(huán)節(jié)調(diào)壓來實(shí)現(xiàn)原、副邊解耦。以上控制方法雖然都能夠?qū)崿F(xiàn)在一定負(fù)載范圍內(nèi)輸出穩(wěn)壓，但增加了系統(tǒng)的控制成本和副邊電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。

在此提出基于電流型IPT系統(tǒng)恒定跨阻增益特性的原邊控制方法。恒定跨阻增益特性是指系統(tǒng)工作在恒定跨阻增益頻率下，只要保證系統(tǒng)原邊輸入直流母線電流恒定，副邊輸出電壓即恒定的特性。該控制方法具有控制成本低和副邊電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。以PP補(bǔ)償為例分析了其恒定跨阻增益特性和諧振網(wǎng)絡(luò)效率特性，優(yōu)化諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使系統(tǒng)的恒定跨阻增益頻率為效率最優(yōu)頻率。同時(shí)，在系統(tǒng)輸入電源端加入Buck變換器，通過控制其占空比保持輸入直流母線電流等于設(shè)置的恒流控制目標(biāo)。本文從恒流控制目標(biāo)出發(fā)，提出了基于新型控制方法在給定變壓器材料和尺寸、氣隙、輸入輸出電壓、效率最優(yōu)、最大輸出功率條件下包括諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、恒流控制目標(biāo)和非接觸變壓器設(shè)計(jì)在內(nèi)的IPT系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)原理與恒定跨阻增益特性分析

1.1 電流型PP補(bǔ)償IPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電流型 PP補(bǔ)償 IPT系統(tǒng)包括原邊與副邊兩部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，原邊主要包括由直流電壓源Uin和輸入濾波電感Ldc組成的等效電流源、高頻逆變功率管V1—V4、串聯(lián)緩沖電感L1—L4、環(huán)流阻斷二極管VD1—VD4、原邊補(bǔ)償電容Cp及原邊發(fā)射線圈電感Lp。副邊主要包括副邊接收線圈電感Ls副邊補(bǔ)償電容Cs及負(fù)載R。M為原、副邊線圈互感，k為原、副邊線圈耦合系數(shù)，可表示為：

圖1 PP補(bǔ)償IPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 恒定跨阻增益特性分析

根據(jù)互感模型法對(duì)主電路進(jìn)行分析，電流型IPT系統(tǒng)采用PP補(bǔ)償?shù)姆蛛x互感等效電路如圖2所示。圖 2中：Rp、Rs為原、副邊線圈等效串聯(lián)電阻，Zr為副邊折射會(huì)原邊的反射阻抗。

式中，Zs為副邊等效阻抗，Zs=jωLs+Rs+R/(1+jωCsR)。原邊輸入總阻抗Zin為

式中，Z1=ω2M2+jω3CsR；Z2=R+jωLs?ω2LsCsR+ Rs(1+jωLsR)。

圖2 PP補(bǔ)償分離互感等效電路

由圖2可得，副邊輸出電壓可表示為

原邊輸入電流Idc的基波分量為

由于Rp、Rs與負(fù)載電阻R相比很小，對(duì)跨阻增益影響很小，為了便于分析，忽略其影響。由式（3）、式（4）可得跨阻增益為

式中，Δ=jωLs(1?ω2LpCp)+jω3M2Cp，p=1?ω2LpCp，q=1?ω2LsCs。

當(dāng)Δ=0時(shí)，系統(tǒng)的跨阻增益與負(fù)載無關(guān)，對(duì)應(yīng)的恒定跨阻增益角頻率ωN為

相應(yīng)的跨阻增益為

由式（6）可知，恒定跨阻增益頻率略高于諧振網(wǎng)絡(luò)固有諧振頻率，諧振網(wǎng)絡(luò)呈弱容性，滿足逆變功率管的軟開關(guān)條件。

2 諧振網(wǎng)絡(luò)效率優(yōu)化分析

PP補(bǔ)償IPT系統(tǒng)的有功損耗主要集中在諧振網(wǎng)絡(luò)中，本部分通過分析PP諧振網(wǎng)絡(luò)的效率特性，結(jié)合其恒定跨阻增益特性，優(yōu)化諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使系統(tǒng)恒定跨阻增益頻率為效率最優(yōu)頻率。由于諧振電感線圈的等效串聯(lián)電阻比諧振補(bǔ)償電容的等效串聯(lián)電阻大的多，所以在分析效率時(shí)只考慮電感線圈的等效串聯(lián)電阻的損耗。諧振網(wǎng)絡(luò)的總效率η 可表示為

式中，ηp為原邊效率；ηs為副邊效率。

對(duì)于PP補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，效率表達(dá)式為

式中，Qp為原邊線圈品質(zhì)因數(shù)，QP=ωLp/Rp；Qs為副邊線圈品質(zhì)因數(shù)，Qs=ωLs/Rs；QL為負(fù)載品質(zhì)因數(shù)，

令dη/dω=0可得

經(jīng)驗(yàn)證效率在ωM處取得最大值。一般原、副邊線圈選擇相同的導(dǎo)線，QP=Qs，且QLQs>>1，所以ωM的值與負(fù)載無關(guān)。使ωM=ωN，此時(shí)諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)滿足：

相應(yīng)的跨阻增益為

3 恒流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保持輸入直流母線電流恒定，在輸入電源端加入Buck型變換器，系統(tǒng)框圖如圖3所示，Va、Vb為Buck環(huán)節(jié)功率管，兩管互補(bǔ)導(dǎo)通，電感Li和電容 Ci支路的作用是在工作過程中使 Va、Vb管中電流反向，為兩管的軟開關(guān)提供條件，具體軟開關(guān)過程請(qǐng)參考文獻(xiàn)[8]，本文不再贅述。為了保證Buck環(huán)節(jié)與逆變環(huán)節(jié)同步工作，Buck環(huán)節(jié)工作頻率應(yīng)為逆變環(huán)節(jié)的兩倍[9]?？刂葡到y(tǒng)通過采樣電感電流峰值，前饋與恒流控制目標(biāo) It比較，控制功率管驅(qū)動(dòng)脈沖占空比，從而使電感電流峰值保持恒定。選擇合適大小的輸入濾波電感使輸入電流紋波達(dá)到要求，此時(shí)電感電流峰值近似等于電感電流平均值，達(dá)到控制輸入直流母線電流恒定的目的。

3.1 恒流控制目標(biāo)和非接觸變壓器設(shè)計(jì)

恒流控制目標(biāo)和非接觸變壓器的設(shè)計(jì)是恒定跨阻增益控制方法的關(guān)鍵，諧振網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、輸出功率、效率等都與兩者有關(guān)。由式（3）可得輸入相角?為

圖3 恒流控制系統(tǒng)框圖

Buck環(huán)節(jié)和逆變器環(huán)節(jié)的有功損耗主要包括功率管和二極管的導(dǎo)通損耗、輸入濾波電感和串聯(lián)小電感等效電阻損耗。設(shè)以上損耗的等效損耗電阻為Req，系統(tǒng)最大輸出功率為Pout，恒流控制目標(biāo)為It，則原邊輸入視在功率Sin為

根據(jù)文獻(xiàn)[5]中 Buck環(huán)節(jié)功率管軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)條件，可得Va管驅(qū)動(dòng)脈沖最大占空比為D，則實(shí)際需要輸入的電流Idc為

非接觸變壓器采用文獻(xiàn)[10]提出的帶有平面磁心和鋁屏蔽層結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有耦合系數(shù)大、漏磁通小等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。文獻(xiàn)[11]給出了線圈螺旋繞制且繞組半徑不超過磁平面半徑一半時(shí)的自感、互感的計(jì)算方法。

圖4 非接觸變壓器結(jié)構(gòu)

非接觸變壓器參數(shù)和恒流控制目標(biāo)與輸出功率、效率等設(shè)計(jì)指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)，需要通過迭代才能設(shè)計(jì)出滿足變壓器材料和尺寸、氣隙、輸入輸出電壓、效率最優(yōu)、最大輸出功率條件的非接觸變壓器和恒流控制目標(biāo)。已知耦合系數(shù)為 k，輸出電壓為Uout，迭代過程如圖5所示，設(shè)計(jì)步驟如下：

1）初選恒流控制目標(biāo)It，將It、Uout、k帶入式（12）可得滿足輸出電壓要求的Ls/Cp值。

2）為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，令Cp=Cs，為達(dá)到效率最優(yōu)，由式（11）可得Lp/Ls的值。

3）初選補(bǔ)償電容值Cp、Cs，可得Lp、Ls的值，如果此時(shí)的恒定跨阻增益頻率超過磁心的頻率范圍，則增大Cp、Cs的值重新計(jì)算。設(shè)每層繞制匝數(shù)為X，共Y層，可得匝數(shù)N=XY。初選X=1、Y=1，根據(jù)文獻(xiàn)[7]中的公式Lpeq、Lseq計(jì)算，如果Lpeq、Lseq小于Lp、Ls，則在Y不變的情況下增大X，重新根據(jù)公式迭代計(jì)算，當(dāng)線圈半徑超過磁面半徑一半時(shí)，保持X不變?cè)龃骙。

4）在步驟3）中增大Y會(huì)增大變壓器尺寸，當(dāng)變壓器尺寸超過規(guī)定尺寸時(shí)，需要減小Cp、Cs，返回步驟 3）重新迭代計(jì)算，減小變壓器尺寸，使其滿足要求。

5）根據(jù)設(shè)計(jì)出非接觸變壓器計(jì)算Rp、Rs，結(jié)合Cp、Cs、Lp、Ls、Req帶入式（9）、式（13）求出效率和輸入相角，進(jìn)而結(jié)合It、D、Uin由式（14）、式（15）計(jì)算得到實(shí)際輸入電流 Idc。如果 It＜Idc，則增大恒流控制目標(biāo)返回步驟 1）重新計(jì)算，即增大輸出功率，使其滿足輸出功率要求。

圖5 IPT系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

由于沒有考慮電路寄生參數(shù)的影響，所以實(shí)際設(shè)置的恒流控制目標(biāo)略高于設(shè)計(jì)值，相應(yīng)的調(diào)整補(bǔ)償電容大小來滿足輸出電壓要求，非接觸變壓器的設(shè)計(jì)不需要改變。

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述分析，按圖3搭建了一臺(tái)80W原理樣機(jī)，主要樣機(jī)參數(shù)：直流側(cè)輸入電壓Uin=24V；Buck環(huán)節(jié)最大占空比 D=0.94；輸入濾波電感Ldc=1mH；原、副邊補(bǔ)償電容Cp=Cs=2.5μF；恒定跨阻增益頻率fN=25kHz；輸出電壓峰值Uout=40V；控制系統(tǒng)以LM5041級(jí)聯(lián)PWM控制器為核心。根據(jù)文章第4部分的分析，設(shè)置恒流控制目標(biāo)It=4A，非接觸變壓器磁心選用TDK公司的鐵氧體材料PC40，磁心尺寸為 100mm×100mm×10mm，氣隙長(zhǎng)度 d=10mm。線圈選用 0.1mm×300股絲包線繞制，原邊共三層，每層 10匝，副邊共三層，前兩層每層 10匝，第三層6匝，QP=Qs=200。按照文獻(xiàn)[11]的計(jì)算方法得到的非接觸變壓器參數(shù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比見表1，可見兩者基本吻合。

表1 非接觸變壓器參數(shù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

圖6（a）、（b）分別給出負(fù)載為 50Ω和 10Ω時(shí)的功率管Va驅(qū)動(dòng)脈沖ugva、輸入直流母線電流Idc、輸出電壓Uout波形?？梢姡珺uck環(huán)節(jié)工作頻率是逆變環(huán)節(jié)的兩倍，Idc、Uout在負(fù)載變化時(shí)保持不變。由于Buck環(huán)節(jié)和原邊逆變電路切換造成Idc0.2A左右的紋波擾動(dòng)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖6 不同R下的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形

圖7給出了負(fù)載從10Ω跳變到50Ω時(shí)，Idc、Uout的動(dòng)態(tài)波形。由圖可見，在控制作用下Idc經(jīng)歷了1個(gè)1.2A左右的超調(diào)，Uout經(jīng)歷了1個(gè)11V左右的超調(diào)，經(jīng)過 500μs左右的調(diào)節(jié)過程后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，圖 7與圖6穩(wěn)態(tài)波形一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明恒流控制系統(tǒng)對(duì)于負(fù)載變化具有較好的抑制作用，也驗(yàn)證了上文分析與設(shè)計(jì)的有效性和正確性。

圖7 負(fù)載跳變動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形

圖8 效率隨工作頻率的變化曲線

圖8為不同負(fù)載電阻條件下系統(tǒng)的效率隨工作頻率變化曲線?？梢?，恒定跨阻增益頻率為效率最優(yōu)頻率，最高效率達(dá)到90.6%。

5 結(jié)論

本文對(duì)基于恒定跨阻增益特性的電流型IPT系統(tǒng)輸出恒壓控制策略進(jìn)行研究，理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：當(dāng)系統(tǒng)工作在恒定跨阻增益頻率時(shí)，輸出電壓僅于輸入直流母線電流有關(guān)，與負(fù)載無關(guān)，且恒定跨阻增益頻率為系統(tǒng)效率最優(yōu)頻率，最高效率達(dá)到 90.6%。恒流控制系統(tǒng)具有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和良好的穩(wěn)態(tài)精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的基于新型控制方法的電流型IPT系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)方法的有效性。

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Research on Novel Constant-voltage Output Control Method for Current-fed IPT System

Kan Chaohao Zhu Xiaowei Cheng Yuan
(School of Electrical &Automatic Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009)

The current-fed inductively power transfer (IPT) system,aiming at the Output-Voltage-instability problem on a dynamic load,based on the constant transimpedance gain characteristics of the primary side control method is proposed.Taking current-fed IPT system with parallel-primary and parallel-secondary (PP) compensate as an object,by building and analyzing the mutual inductance equivalent circuit,had the characteristics of constant-transimpedance-gain under certain working conditions are derivated.And the efficiency characteristics of PP compensated resonant network are analyzed,optimization of resonant network parameters make the system constanttransimpedance-gain frequency for the efficiency of the optimal frequency.In order to maintain the constant input bus current,the constant-current control system is added in the traditional current-fed IPT topology,and the principle of constant-current control is described.This paper gave design steps based on the novel control method under given conditions.Finally,designed a 80W prototype,the experimental results are in good agreement with the theoretical analysis and the correctness of the circuit topology and control strategy is verified.

current-fed IPT system;constant transimpedance gain;efficiency optimization;constant current;contactless transformer

闞超豪（1974-），男，安徽省宿州人，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦袘?yīng)電能傳輸、特種電機(jī)及其控制。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51377040）