基于移相控制的WPT系統(tǒng)恒壓輸出研究

沈術(shù)凱 高強 李志超

摘 要：針對磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中負載變化或外部干擾會導(dǎo)致系統(tǒng)輸出電壓的急劇變化，引起系統(tǒng)整體性能下降、失去穩(wěn)定等問題，以SS型諧振網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為例，提出了一種基于移相調(diào)節(jié)原理的恒壓控制策略。該策略根據(jù)零電壓軟開關(guān)（ZVS）移相工作原理與諧振回路建模理論，推導(dǎo)出逆變器驅(qū)動信號移相角與系統(tǒng)輸出電壓的參數(shù)表達式，在負載電阻發(fā)生變化的情況下，通過調(diào)節(jié)逆變器驅(qū)動信號相位，從而可實現(xiàn)系統(tǒng)輸出電壓的恒定。仿真和實驗結(jié)果表明，該移相控制策略的控制器結(jié)構(gòu)簡單，避免了繁瑣的參數(shù)計算和復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu);在相同條件下，使用移相恒壓控制的閉環(huán)系統(tǒng)能夠解決負載突變時所引起的系統(tǒng)輸出電壓失穩(wěn)的問題，對負載具有更好地適應(yīng)性。

關(guān)鍵詞：移相控制;無線電能傳輸;恒壓控制;磁耦合諧振

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)（Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transmission）是一種新型的電能傳輸技術(shù)，即用電設(shè)備以非接觸的方式從電網(wǎng)端取電并傳輸給用電設(shè)備的技術(shù)，該技術(shù)具有安全、高效等優(yōu)點[1，2]。

在WPT系統(tǒng)的發(fā)展中，越來越多的問題顯現(xiàn)出來，尤其是系統(tǒng)對于負載的變化或擾動而隨之產(chǎn)生的系統(tǒng)輸出特性變化十分明顯，從而使WPT系統(tǒng)失去穩(wěn)定而無法可靠地進行無線電能傳輸，因此必須對系統(tǒng)進行恒壓運行控制。在實際的WPT應(yīng)用中，能夠?qū)ο到y(tǒng)輸出進行調(diào)節(jié)的控制策略主要分為兩種，一是在發(fā)射端的逆變器前段串聯(lián)一個DC/DC變換器，通過改變輸入到逆變器的能量，達到調(diào)節(jié)接收端輸出的作用[3，4]，二是通過改變電路拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓輸出[5，6]，但這兩種無疑增加了系統(tǒng)的體積和硬件開發(fā)成本，使系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，降低了系統(tǒng)效率和魯棒性。

綜合以上分析，本文基于移相控制策略設(shè)計WPT系統(tǒng)，拓撲結(jié)構(gòu)采用SS型，工作模式為零電壓軟開關(guān)（ZVS）工作模式。其中，移相控制采用閉環(huán)控制策略，自適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的變化，對系統(tǒng)進行穩(wěn)定輸出控制，達到恒壓的目的。

1 移相控制的WPT系統(tǒng)

目前的WPT系統(tǒng)主要有四種拓撲結(jié)構(gòu)，即串聯(lián)（SS），串并聯(lián)（SP），并聯(lián)-串聯(lián)（PS），并聯(lián)-并聯(lián)（PP）[7]。SS拓撲是最常見的補償類型之一，并且已廣泛應(yīng)用于各種無線電能傳輸系統(tǒng)，而且SS結(jié)構(gòu)的串聯(lián)諧振與耦合系數(shù)和負載條件無關(guān)。因此本文使用SS型拓撲結(jié)構(gòu)的WPT系統(tǒng)作為移相控制的控制對象。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 全橋逆變WPT系統(tǒng)

SS型WPT系統(tǒng)拓撲電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，Ui為直流輸入電源，供給四個開關(guān)管工作，全橋逆變電路由四個開關(guān)管Q1-Q4組成，Q1、Q2組成超前橋臂，Q3-Q4組成滯后橋臂;上橋臂為Q1、Q3，下橋臂為Q2、Q4;D1-D4為續(xù)流二極管;開關(guān)緩沖電容為C1-C4;發(fā)射端串聯(lián)諧振回路由Lp、Cp組成，接收端串聯(lián)諧振回路由Ls、Cs組成;D5-D8構(gòu)成整流電路，Cf為濾波電容;RL為直流負載。

左側(cè)采用發(fā)射端電路結(jié)構(gòu)，發(fā)射端部分主要由直流電源、全橋逆變電路、補償電容和諧振網(wǎng)絡(luò)組成。右側(cè)為接收端部分，接收端線圈用來耦合發(fā)射端線圈發(fā)出的磁場能，轉(zhuǎn)化為右側(cè)的電能，然后，由二極管構(gòu)成的無源整流器可以將感應(yīng)電能轉(zhuǎn)換為直流電能以供給負載。此外，諧振補償電容用于補償發(fā)射端和接收端，以增強功率傳輸容量并提高效率。

1.2 移相控制方法的基本原理

圖2所示的WPT系統(tǒng)只是傳統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不能進行電壓調(diào)節(jié)，這意味著當(dāng)負載發(fā)生變化時，負載輸出將產(chǎn)生極大的變化，而本文提出的恒壓移相控制方法，可以通過控制移相角實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)。

移相控制策略下的WPT系統(tǒng)橋臂占空比d為[8]：

通過分析式（2）可知，Ui為系統(tǒng)輸入直流電源，電壓值為固定值，逆變器輸出電壓有效值Up只受移相角θ控制。因此，當(dāng)接收端直流負載發(fā)生變化時，對逆變器開關(guān)管驅(qū)動脈沖移相角θ進行控制調(diào)節(jié)可以逆變器注入到發(fā)射端串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)的能量，從而調(diào)節(jié)接收端耦合到的能量，最后可以達到實現(xiàn)WPT系統(tǒng)負載輸出電壓恒定的目的，即恒壓移相控制。

當(dāng)系統(tǒng)工作于穩(wěn)定狀態(tài)下，此時不能忽略死區(qū)時間Td，假設(shè)系統(tǒng)只工作一個周期，在這一個周期內(nèi)可以將系統(tǒng)的工作狀態(tài)分為10種[9]，各種狀態(tài)的分析如下：

在0～t0時刻，ip為反向電流，此時Q1和Q4關(guān)斷、Q3導(dǎo)通，ip流經(jīng)D1;在t0時刻時，up電壓為零，Q1觸發(fā)脈沖S1的上升沿到來，Q1在此時刻被觸發(fā)導(dǎo)通，實現(xiàn)ZVS啟動。

（1）工作狀態(tài)1（t0～t1）。在t0～t1范圍，由于Q1和Q3導(dǎo)通、Q2和Q4關(guān)斷，Ui無法流通被阻斷在外，ip只能通過D1和Q3續(xù)流。此時間段的系統(tǒng)工作狀態(tài)為續(xù)流狀態(tài)。

（2）工作狀態(tài)2（t1～t2）。因為不能忽略死區(qū)時間，因此把死區(qū)時間作為一種工作狀態(tài)來分析，t1～t2這一時間段即為死區(qū)時間Td，在Td時間內(nèi)，Q3的觸發(fā)脈沖S3在t1時刻為下降沿，Q4的觸發(fā)脈沖S4在t2時刻為上升沿，所以在Q4導(dǎo)通前Q3已在t1時關(guān)斷。但是由于保護電容C3的作用，Q3兩端電壓并不會發(fā)生突變，因此可以近似認為Q3在t1時刻實現(xiàn)ZVS關(guān)斷。在此時間段內(nèi)，電流ip為反向，C3為充電狀態(tài)，C4為放電狀態(tài)。為保證電流ip能夠連續(xù)，C3需完全充電至電壓為Ui，C4將電量完全釋放至電壓為零。

（3）工作狀態(tài)3（t2～t2′）。在t2時刻，ip反向流過D4且在死區(qū)時間內(nèi)up斜升，Td時間極短，因此可認為Q4在t2時刻實現(xiàn)ZVS導(dǎo)通，在t2～t2′范圍內(nèi)，Q1和Q4為導(dǎo)通狀態(tài)，Q2和Q3為關(guān)斷狀態(tài);電流ip為反向，流經(jīng)Q1和Q4并對直流電源Ui進行放電，這種系統(tǒng)狀態(tài)稱為能量回饋狀態(tài)。

（4）工作狀態(tài)4（t2′～t3）。發(fā)射端諧振網(wǎng)絡(luò)電流ip在t2′過零點，t2′以后時刻ip換相，此時電流為正方向，直流電源Ui開始作為電源經(jīng)Q1和Q4向發(fā)射端諧振網(wǎng)絡(luò)注入能量，此時的系統(tǒng)狀態(tài)為能量注入狀態(tài)。