SiC雙全橋無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)恒功率傳輸效率優(yōu)化研究

竇智峰 趙崇焱 何帥彪 金楠

摘要：針對(duì)不同負(fù)載下無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)保持恒功率電能傳輸時(shí)的傳輸效率變化問(wèn)題，通過(guò)建立SiC雙全橋結(jié)構(gòu)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)模型，推導(dǎo)出原邊電壓導(dǎo)通角與系統(tǒng)傳輸功率、副邊電壓導(dǎo)通角與傳輸效率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而研究恒功率傳輸效率優(yōu)化問(wèn)題.結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)節(jié)副邊電壓導(dǎo)通角使等效負(fù)載為最優(yōu)值，可在變負(fù)載情況下使傳輸效率最大.雙全橋結(jié)構(gòu)和副邊不控橋結(jié)構(gòu)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該雙全橋結(jié)構(gòu)可顯著提升能量傳輸效率，當(dāng)負(fù)載為30 Ω，傳輸功率為100 W時(shí)，效率提升19%.

關(guān)鍵詞：SiC雙全橋無(wú)線電能傳輸;傳輸功率調(diào)節(jié);效率優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TM712;TS01文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3969/j.issn.2096-1553.2019.01.013

文章編號(hào)：2096-1553（2019）01-0094-07

0 引言

傳統(tǒng)電氣設(shè)備通常采用金屬導(dǎo)線連接，存在摩擦、老化等問(wèn)題，特別是在采礦工業(yè)、水下作業(yè)等特殊工業(yè)環(huán)境下，傳統(tǒng)供電方式的可靠性和安全性存在很大隱患.無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電氣設(shè)備傳輸回路的非接觸連接，是一種安全、可靠、靈活的電能傳輸方式，在醫(yī)療器械、家用電器、電子設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-5].

電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)基于電磁感應(yīng)定律，在感應(yīng)耦合線圈之間進(jìn)行能量傳遞.無(wú)線充電技術(shù)主要采用電磁感應(yīng)式電能傳輸系統(tǒng)對(duì)電池進(jìn)行充電.以往，無(wú)線充電技術(shù)多采用恒電壓充電方式，充電速度慢，因此有研究人員提出恒功率充電方式，以實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品的快速充電.

功率和效率是衡量無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)性能的兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這兩方面展開(kāi)了廣泛的研究，特別是在實(shí)現(xiàn)效率提升的方法方面取得了一定的成果.單/雙全橋無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)能夠?qū)υ吇螂p邊可控全橋進(jìn)行獨(dú)立控制，通過(guò)調(diào)節(jié)控制信號(hào)改變?cè)⒏边呺妷簩?dǎo)通角，可實(shí)現(xiàn)效率提升、負(fù)載電壓調(diào)節(jié)和輸出功率調(diào)節(jié)[6-13].X.Liu等[6]研究了雙全橋結(jié)構(gòu)下副邊不諧振的情況，通過(guò)控制原、副邊可控全橋進(jìn)行負(fù)載匹配，可在補(bǔ)償副邊電抗的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)和效率優(yōu)化.麥瑞坤等[11]提出一種副邊半控整流橋結(jié)構(gòu)，通過(guò)分析最大傳輸效率所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)負(fù)載電阻，提出一種使其等效負(fù)載恒為最優(yōu)交流負(fù)載電阻的控制方法.李富林等[12]提出的拓?fù)錇楦边叢豢貥蚪Y(jié)構(gòu)，通過(guò)在副邊線圈后側(cè)增加一個(gè)匹配饋電線圈形成新的阻抗變換結(jié)構(gòu)，讓負(fù)載達(dá)到最佳匹配條件，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳輸效率的最大化.然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)資料大多只針對(duì)恒電壓電能傳輸時(shí)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的效率提升展開(kāi)研究，沒(méi)有涉及恒功率的情況.

另外，在無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)中，多選用器件損耗較小、導(dǎo)通關(guān)斷較快的SiC MOSFET器件.

鑒于此，本文擬針對(duì)SiC雙全橋無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)，采用等效電路分析系統(tǒng)的傳輸功率和效率，在負(fù)載變化情況下，保持恒功率電能傳輸，

得到原邊電壓導(dǎo)通角與負(fù)載電壓及傳輸功率的關(guān)系、副邊電壓導(dǎo)通角與傳輸效率的關(guān)系，以揭示系統(tǒng)效率的變化規(guī)律，

并通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證變負(fù)載恒功率輸出條件下雙全橋無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)效率的提升效果.

1 SiC雙全橋無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)模型

SiC雙全橋無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)原理和等效電路如圖1所示.系統(tǒng)由直流電壓源供電，逆變后產(chǎn)生高頻交流電，原邊線圈和副邊線圈通過(guò)電磁感應(yīng)傳輸電能，副邊將高頻交流電整流成直流后供負(fù)載使用.在逆變器與原邊線圈之間，以及副邊線圈與整流電路之間，加入串聯(lián)諧振補(bǔ)償電路，用于抵消電路中感性元件產(chǎn)生的無(wú)功功率，以提高電路的功率因數(shù).

4 結(jié)論

本文分析了SiC雙全橋無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)在可變負(fù)載條件下恒功率電能傳輸?shù)男首兓?guī)律，推導(dǎo)了最高效率點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)條件，揭示了不同負(fù)載下最優(yōu)副邊電壓導(dǎo)通角與最大傳輸效率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并得出負(fù)載電阻最優(yōu)副邊電壓導(dǎo)通角關(guān)系曲線.分析表明，通過(guò)改變副邊電壓導(dǎo)通角，可將副邊等效負(fù)載控制在最優(yōu)值附近，從而使系統(tǒng)效率達(dá)到最高.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SiC雙全橋結(jié)構(gòu)可有效提高無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的傳輸效率.文中理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，所得結(jié)論對(duì)于高效率無(wú)線電能傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定參考意義，同時(shí)也為能量和信息同時(shí)雙向傳輸?shù)难芯康於死碚摵蛯?shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

參考文獻(xiàn)：

[1]GARCIA D T，VAZQUEZ J，RONCERO S P.Design，implementation issues and performance of an inductive power transfer system for electric vehicle chargers with series＼|series compensation[J]. IET Power Electron，2015，8（10）：1920.

[2]高鍵鑫，吳旭升，高嵬.電磁感應(yīng)式非接觸電能傳輸技術(shù)研究綜述[J].電源學(xué)報(bào)，2017，15（2）：166.

[3]廖承林，李均鋒，陶成軒，等.無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)控制方法綜述[J].電氣工程學(xué)報(bào)，2015，10（6）：1.

[4]范興明，莫小勇，張?chǎng)?無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（10）：2584.

[5]張波，疏許健，黃潤(rùn)鴻.感應(yīng)和諧振無(wú)線電能傳輸技術(shù)的發(fā)展[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，32（18）：3.

[6]LIU X，WANG T F，YANG X.Analysis and design of wireless power transfer system with dual active bridges[J].Energies，2017，10（10）：1588.

[7]ZHONG W X，HUI S Y R.Maximum energy efficiency tracking for wireless power transfer systems[J].IEEE Trans Power Electron，2015（7）：4025.

[8]LI H C，LI J，WANG K P.A maximum efficiency point tracking control scheme for wireless power transfer systems using magnetic resonant coupling[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30（7） ：3998.

[9]蔡華，史黎明，李勇，等.基于諧波移相閉環(huán)控制的無(wú)線電能傳輸技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2018，33（1）：1.

[10]宋顯錦，張超，徐小宇.無(wú)線電能傳輸中的高頻阻抗匹配特性分析[J].電源學(xué)報(bào)，2018，12（17）：1.

[11]麥瑞坤，劉野然，陳陽(yáng).基于最優(yōu)等效負(fù)載控制的感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)效率優(yōu)化方法研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（23）：6468.

[12]李富林，樊紹勝，李森濤.無(wú)線電能傳輸最優(yōu)效率下的阻抗匹配方法研究[J].電力電子技術(shù)，2015，49（4）：105.

[13]張焱強(qiáng)，金楠，唐厚君.無(wú)線電能傳輸基于負(fù)載阻抗匹配的最大效率追蹤[J].電力電子技術(shù)，2018，52（5）：25.