諧振式無線電能傳輸電源方案設(shè)計分析

(江南大學(xué) 電氣自動化研究所，江蘇 無錫 214122)

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)，作為無線電能傳輸技術(shù)中一種高效的中距離傳輸方式，近年來得到了廣泛的研究，它可以用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療等各個場合。該技術(shù)由于不用導(dǎo)線連接，因而更加安全且節(jié)省材料[1]。它被美國《技術(shù)評論》雜志評選為未來十大科研方向之一。在中國科協(xié)成立五十周年的系列慶?；顒又校瑹o線能量傳輸技術(shù)被列為“10項引領(lǐng)未來的科學(xué)技術(shù)”之一。高頻電源是磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)闹黧w之一，直接決定了無線電能傳輸?shù)墓β蚀笮∫灿绊懫鋫鬏斝?，文獻[2]給出了傳輸效率與系統(tǒng)頻率之間的關(guān)系，得出了無線電能傳輸需要高頻來提高耦合程度，進而提高傳輸效率。然而，由于受到開關(guān)器件自身工藝的限制，頻率不可能無限提高，目前MOSFET管最高可達到兆赫茲以上，而IGBT只有幾百千赫茲。MOSFET雖然可以達到幾百千赫茲或者兆赫茲以上，但因為MOSFET的擊穿源電壓極低，限制了功放的輸出功率，且在高壓的“開”狀態(tài)下的源漏電阻很高(壓降高),而且隨著器件的電壓等級迅速增長(耐壓越高導(dǎo)通電阻越大)，其傳導(dǎo)損耗很高。IGBT優(yōu)點是驅(qū)動簡單、導(dǎo)通壓降小、耐壓高，其缺點是開關(guān)頻率小、開關(guān)損耗大而且有擎住效應(yīng)[3]。

目前，對無線電傳輸電源而言，其高頻電源主要有兩種結(jié)構(gòu)，一種是全橋或半橋逆變電路，另一種則是E類功率放大器。第一種高頻電源的功率級別較大，但由于開關(guān)器件的工藝限制，其頻率不高；第二種高頻電源的功率級別較小，但其頻率遠高于第一種結(jié)構(gòu)[4]。

本文通過仿真并結(jié)合MOSFET以及IGBT的特點，分析了E類功率放大器、雙E類功率放大器以及全橋、半橋和三相全橋逆變電路的特點，并將IGBT作為E類功率放大器的開關(guān)器件，使得E類功率放大器的輸出達到幾百瓦左右的中等功率場合。在小功率場合，提出用三相E類功率放大器的拓?fù)?，可同時為3個負(fù)載供電，實現(xiàn)多負(fù)載輸出。

1 磁耦合諧振式無線電能傳輸(MCR-WPT)系統(tǒng)

圖1為SSSS型MCR-WPT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。US為高頻電源；RS為電源內(nèi)阻；R1、R2為線圈內(nèi)阻、反射電阻等電路損耗電阻；L1、L2為發(fā)射線圈和接受線圈；C1、C2分別為L1、L2的諧振電容；M為L1、L2的互感；RL為負(fù)載電阻。

圖1 磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)電路模型

在分析MCR-WPT的傳輸效率之前，先設(shè)L1=L2，C1=C2。

(1)

設(shè)Z1=R1+RS+jX1,Z2=R2+RL+jX2?？梢郧蟮?/p>

當(dāng)MCR-WPT系統(tǒng)諧振時，即ω=ω0時，有X1=X2=0。所以系統(tǒng)的傳輸效率為

(2)

可以看出當(dāng)頻率較低時，ω0M較小，耦合效果差，所以導(dǎo)致傳輸效率降低[8]。

2 無線電能傳輸系統(tǒng)的高頻電源

2.1 功率放大器

2.1.1 E類功率放大器

圖2為典型的E類功率放大器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中V1為直流電源，L1為扼流電感，當(dāng)L1足夠大時，就相當(dāng)于一個恒流源，即I0恒定。L2、C2構(gòu)成濾波器，C1是旁路電容，可以實現(xiàn)零電壓開關(guān)(Zero Voltage Switching,ZVS)和零電壓導(dǎo)數(shù)切換(Zero Voltage Derivate Switching,ZVDS)。E類功放是典型的開關(guān)類功率放大器，晶體管的理想工作狀態(tài)類似于一個開關(guān)，在不計無源匹配電路損耗的情況下，E類功放電路在理論上可以得到100%的效率。文獻[5]、文獻[6]對E類功率放大器的工作過程做出了詳細的分析，這里不再贅述。E類功率放大器的優(yōu)點是其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡單，只有一個開關(guān)管，電路可靠性較高，軟開關(guān)ZVS條件容易滿足，電路損耗較小，效率高；但其缺點是在理想工作狀態(tài)下，開關(guān)管電壓應(yīng)力約為輸入直流電壓的3.6倍，電流最大應(yīng)力也約為直流輸入電流的2.9倍，如果在非理想狀態(tài)下開關(guān)管的電壓、電流應(yīng)力將會更高，鑒于目前市場上常用MOSFET管可承受的電壓、電流應(yīng)力有限，因此E類功放的輸出功率受到了很大限制，進而導(dǎo)致基于E類功放的諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)無法輸出較大功率，一般在幾十瓦左右。E類功率放大器的各參數(shù)計算如下[6]：

(3)

(4)

(5)

(6)

圖2 E類功率放大器

2.1.2 雙E類功率放大器

雙E類功率放大電路如圖3所示，主要由以下元件組成：直流電壓源V1、扼流電感L1和L2、開關(guān)管S1和S2、旁路并聯(lián)電容C1和C2、門極驅(qū)動信號vg1、vg2、負(fù)載支路濾波電感L3、濾波電容C3、負(fù)載電阻R，各支路電路參考方向已在圖中標(biāo)出。在工作過程中，開關(guān)管S1和S2交替導(dǎo)通，各工作半個周期，電感L1、L2為高頻扼流電感，如果電感量較大，可以認(rèn)為它們所在支路電流近似恒定。與經(jīng)典E類功率放大器一樣也可以實現(xiàn)ZVS和ZVDS。其工作過程可參考文獻[6]。電路中各參數(shù)基本與E類功率放大器相同，但旁路電容是E類功率放大器中的兩倍。相比于E類功率放大器，雙E類功率放大器的輸出功率大約是E類功率放大器的4倍[6]，有效地提高了功率放大器的功率等級。

圖3 雙E類功率放大器

2.1.3 三相E類功率放大器

在無線電能傳輸系統(tǒng)中，經(jīng)常需要同時為多個負(fù)載供電，若采用E類功率放大器并聯(lián)輸出給多個負(fù)載，總的輸出功率分給每個負(fù)載，由于E類功率放大器的輸出功率本來就很小，因此會極大地限制E類功率放大器的負(fù)載范圍。針對這一點，本文設(shè)計了三相式E類功率放大器，當(dāng)輸入直流電壓與E類功率放大器相同時，每相負(fù)載上的輸出電壓與E類功率放大器負(fù)載上的輸出電壓大致相同，總輸出功率也遠遠大于E類功率放大器。其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，其工作原理與E類功率放大器大致相同，其優(yōu)點是可以根據(jù)式(4)～式(6)設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)同時為3個不同的負(fù)載供電。S1、S2、S3構(gòu)成A、B、C三相的開關(guān)電路，每個開關(guān)管的觸發(fā)脈沖相差120°，R1為A相負(fù)載，R2為B相負(fù)載，R3為C相負(fù)載。參數(shù)與E類功率放大器的參數(shù)相同。

圖4 三相E類功率放大器

圖5為基于三相E類功率放大器的無線電能傳輸系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，就是將圖4中的3個負(fù)載換成圖5中的發(fā)射線圈和接受線圈，LT1，LT2，LT3，CT1，CT2，CT3構(gòu)成三相發(fā)射端，LR1，LR2，LR3，CR1，CR2，CR3為對應(yīng)的接收端，當(dāng)發(fā)射線圈和接受線圈在同一頻率都達到諧振時，就實現(xiàn)了磁耦合諧振式無線電能傳輸，此時圖5的等效電路就是圖4，所以它們的理論輸出結(jié)果相同。

圖5 基于三相E類功率放大器的無線電能傳輸系統(tǒng)

2.2 逆變電路

2.2.1 單相半橋逆變電路

圖6為單相半橋逆變電路，T1、T2為一個橋臂。C01、C02為分壓電容，若C01、C02足夠大且C01=C02，則在工作過程中可以看作是兩個電壓為VD/2的電壓源。兩個開關(guān)管的的驅(qū)動信號互補，相差180°，同時在實際應(yīng)用中要保證兩個開關(guān)管不同時處于導(dǎo)通狀態(tài)，否則會出現(xiàn)直流側(cè)短路，因此要設(shè)置一個死區(qū)時間。若在0≤ωt≤π期間，T1導(dǎo)通，T2截止，這時van=VD/2；若在π≤ωt≤2π期間，T2導(dǎo)通，T1截止，這時van=-VD/2。半橋逆變電路的優(yōu)點是開關(guān)器件較少，但是缺點是輸出電壓幅值僅是輸入直流電壓的一半。

圖6 單相半橋逆變電路

2.2.2 單相全橋逆變電路

圖7為單相全橋逆變電路，其中T1、T4同時通斷，即它們的觸發(fā)信號相同，T2、T3同時通斷，T1、T4與T2、T3的驅(qū)動信號互補，相差180°。其工作過程類似于半橋逆變電路，在0≤ωt≤π期間，T1、T4導(dǎo)通，T2、T3截止，這時Vab=VD；在π≤ωt≤2π期間，T1、T4截止，T2、T3導(dǎo)通，這時Vab=-VD。與半橋逆變電路相比，雖然開關(guān)器件的數(shù)量較多，但輸出電壓是半橋逆變電路的兩倍。圖8為基于單相全橋逆變電路的MCR-WPT系統(tǒng)，L1、C1構(gòu)成發(fā)射端，L2、C2為接受端，R為負(fù)載電阻。E類功率放大器會產(chǎn)生很大的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力，而半橋和全橋逆變電路開關(guān)管兩端的電壓就是輸入直流電壓VD，所以可以用于幾千瓦甚至幾十千瓦的大功率場合，但缺點是大功率時需要用到高壓特性好的IGBT作為開關(guān)器件，而IGBT的開關(guān)頻率只有幾百千赫茲。

圖7 單相全橋逆變電路

圖8 基于單相全橋逆變電路的MCR-WPT系統(tǒng)

2.2.3 三相橋式逆變電路

圖9為三相橋式逆變電路，它可以看作由3個單相逆變電路組成，每個單相逆變電路可以是半橋也可以是全橋。每3個單相逆變電路之間的觸發(fā)脈沖相差120°，其工作過程與單相逆變電路相同。輸出的三相電壓VA、VB、VC大小相等，相位各相差120°，構(gòu)成了一個對稱的交流電源。同樣，同一橋臂上的開關(guān)管互補導(dǎo)通。圖9(b)中開關(guān)管的導(dǎo)通順序為1、2、3→2、3、4→3、4、5→4、5、6→5、6、1→6、1、2，如此循環(huán)。采用三相橋式逆變電路作為無線電能傳輸?shù)母哳l電源可以和三相E類功率放大器一樣，用于多負(fù)載的情況。三相E類功率放大器的優(yōu)點是其結(jié)構(gòu)比三相橋式逆變電路簡單，只有3個開關(guān)管，而且選用MOFET管作為開關(guān)器件，其頻率可以達到兆赫茲以上，而三相橋式逆變電路則用于大功率場合，但由于大功率只能用IGBT作為開關(guān)器件，所以頻率只有幾百千赫茲。此外，三相橋式電路可以用來產(chǎn)生空間旋轉(zhuǎn)磁場，這樣可以使MCR-WPT系統(tǒng)實現(xiàn)全方向傳輸[7]。

圖9 三相橋式逆變電路

3 MCR-WPT系統(tǒng)的仿真與實驗

本節(jié)以E類功率放大器作為磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)母哳l電源為例，設(shè)計了系統(tǒng)的仿真模型和實驗樣機。圖10(a)為基于E類功率放大器的MCR-WPT系統(tǒng)的仿真模型，圖10(b)為基于E類功率放大器的MCR-WPT系統(tǒng)的實驗樣機，圖10(a)中的參數(shù)如表1所示。仿真結(jié)果和實驗結(jié)果如圖11(a)和圖11(b)所示。

圖10 基于E類功率放大器的MCR-WPT系統(tǒng)

表1基于E類功放的MCR-WPT系統(tǒng)仿真參數(shù)

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值V215VL153.2μHL11300μHL149.07μHC102.9nFC130.7nFL1314.1μHR3、R45ΩC121.8nFC16、C170.317nFL19、L2080μHRL11100Ω

圖11 仿真與實驗波形

仿真中直流輸入電壓為15 V，直流電源的輸入電流為0.31 A，輸入功率為4.65 W，取耦合系數(shù)為0.15，負(fù)載輸出電壓峰值約為27.3 V，輸出功率為3.73 W，系統(tǒng)的整體效率約為80%。實驗中輸入功率為6 W，傳輸距離為0.15 m，接受端電壓峰值約為26.7 V，負(fù)載輸出功率為3.56 W，系統(tǒng)的整體效率約為59.3%。由于實驗所搭建的磁耦合線圈系統(tǒng)存在一定的位置偏移和損耗，導(dǎo)致發(fā)射線圈與接收線圈的耦合程度較低，從而使得傳輸效率低于仿真結(jié)果。

4 結(jié)論

本文通過MCR-WPT系統(tǒng)的理論分析，得出其傳輸效率主要取決于線圈的耦合程度ωM，根據(jù)式(2)可以看出ωM越大，傳輸效率越高，當(dāng)互感M確定后，要想提高系統(tǒng)的傳輸效率就需要通過提高頻率實現(xiàn)，但是由于受到開關(guān)器件的自身限制，不同功率場合所使用的開關(guān)器件決定了高頻電源的頻率。通過對不同高頻電源以及開關(guān)器件的分析，得出了不同功率下的最佳電源選擇：

(1) 在幾十瓦以內(nèi)的小功率場合可以選擇控制更加簡單的功率放大器作為高頻電源。用E類功率放大器或雙E類功率放大器作為單負(fù)載的高頻電源，選擇三相E類功率放大器作為多負(fù)載的高頻電源。同時選取頻率可以達到兆赫茲以上的MOSFET管作為小功率場合開關(guān)器件。

(2) 在幾百瓦左右的中等功率場合，選取用IGBT作為開關(guān)器件的E類功率放大器，相比于全橋逆變電路，雖然其電壓應(yīng)力較大，但控制簡單；相比于MOFET管，IGBT的容量大，高壓損耗小。由于在參數(shù)不理想的狀態(tài)下，會產(chǎn)生更高的尖峰電壓和尖峰電流，所以實際中要根據(jù)開關(guān)器件的耐壓和耐流選擇合適的輸入電壓。

(3) 在幾千瓦以上的大功率場合，選取半橋或全橋的單相或三相逆變電路，由于MOSFET的容量小，而且高壓下?lián)p耗會增加，所以開關(guān)器件選擇IGBT。與功率放大器相比，逆變電路雖然也可以選擇MOFET管作為開關(guān)器件用于小功率場合，但全橋的開關(guān)器件較多，控制較復(fù)雜，而半橋的輸出電壓只有輸入電壓的一半。