- 頭條基于自激逆變器的無線電能傳輸系統2021-01-23 作者：王堯 劉衛國 皇甫宜耿 劉云天 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語陜西省微特電機及驅動重點實驗室（西北工業大學自動化學院）的研究人員王堯、劉衛國、皇甫宜耿、劉云天，在2019年第22期《電工技術學報》上撰文，為了降低無線電能傳輸系統（WPT）的復雜度，設計了一款自激式逆變電源，無需數字控制器和脈沖寬度調制（PWM）信號發生器即可實現開關管的零電壓開通和零電壓關斷，同時具有頻率跟蹤功能，極大地簡化了逆變電源的設計。
磁耦合諧振式無線電能傳輸（Wireless Power Transfer, WPT）系統，在沒有電氣直接接觸的情況下，可通過高頻磁場實現電能的有效傳輸，傳輸距離遠，傳輸效率高。憑借其較好的適用范圍和傳輸效果，諧振式無線電能傳輸技術受到了越來越多的關注，并有望應用于電動汽車（Electric Vehicle, EV）、中小功率電子產品和醫療設備等領域。
無線電能傳輸系統通常由三部分：高頻交流電源、電磁諧振系統（由發射器和接收器組成）及高頻整流裝置組成。根據發射器和接收器的諧振類型（串聯諧振或并聯諧振），理論上可將WPT系統分為四個類型：串-串（Series-Series, SS）型、串-并（Series-Parallel, SP）型、并-串（Parallel-Series, PS）型及并-并（Parallel-Parallel, PP）型。
如果發射端采用串聯諧振的方式，需要電壓型交流電源供電；如果發射端采用并聯諧振的方式，則需要電流型交流電源供電。目前的交流電源多采用電壓型橋式逆變電路，因此基于SS型和SP型WPT系統的研究較多。
對于高頻交流電源的設計，目前常用的全橋逆變電路需要4個MOS管，結構和驅動電路復雜，損耗較高。為了優化逆變器的工作效率，通常需要數字信號處理器（Digital Signal Processor, DSP）等數字控制器和相應的控制算法來實現開關管的軟開關控制以及WPT系統的頻率跟蹤功能，系統的結構和控制上的復雜度都較高，通常應用于大功率場合（幾kW到幾十kW）。
半橋逆變拓撲相比于全橋電路，結構上的復雜度減半，適合工作于中小功率場合，然而仍然需要數字控制器和相應的頻率跟蹤和軟開關控制策略，控制上的復雜度依然很高。
相比而言，單管E類功率放大器具有結構簡單、效率較高的優勢，但E類功率放大器工作時，開關管漏源極兩端電壓最高為直流電源電壓的3.562倍，高的電壓應力限制了E類功率放大器的輸出功率，而且E類功率放大器的最優參數設計與負載有關，當負載改變時，參數也應該同步變化，增加了系統的設計難度。
對于目前研究較多的SS型、SP型WPT系統，發射器都采用LC串聯諧振的方式，當系統出現耦合互感M=0的情況時，接收回路等效到發射回路的阻抗為0，發射回路發生串聯諧振相當于短路狀態，高頻電壓源的負載只有電路寄生電阻，流經開關管的電流很大，系統存在極大的安全隱患。
- 有學者采用LCL-SS型拓撲，在SS型拓撲的發射端加入LCL補償網絡，實際上將發射端變成并聯諧振的形式，補償電感將高頻電壓源變成高頻電流源，避免了M=0時發射回路短路的弊端，而且具有恒壓輸出特性。
- 有學者在發射端采用LCC補償網絡，相比于LCL-SS型拓撲，減少了一個補償電感的接入，也可以實現對串聯發射回路的改進以及輸出電壓的恒定。但總的來說，補償網絡，尤其是補償電感的加入增加了系統的體積和損耗，提高了系統的復雜度，不利于系統集成。
- 有學者在四線圈結構的WPT系統采用發射端并聯諧振的PSSS型拓撲，互感M=0時，發射端并聯諧振，相當于開路狀態，不存在短路隱患，但其設計的電流型全橋逆變器需要脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）信號發生器，通常為了保證系統工作在諧振狀態下還需要設計相應頻率控制器，系統結構和控制都較為復雜。
- 有學者引入了閉環控制策略，實現對發射端發射線圈的電流調控，從而可以保證系統的穩壓輸出，但是系統需要精確的電流檢測裝置和復雜的頻率控制器以及相應的控制算法，因此系統的穩定性和可靠性都較差。
基于上述分析，為了降低高頻逆變電源設計的復雜度，陜西省微特電機及驅動重點實驗室（西北工業大學自動化學院）的研究人員王堯、劉衛國、皇甫宜耿、劉云天，在2019年第22期《電工技術學報》上撰文，提出一款自激式逆變電源設計方案，無需數字控制器和PWM信號發生器即可實現直流到交流的逆變過程，無需額外的控制策略即可實現開關管的零電壓開通和零電壓關斷過程，同時具有頻率跟蹤功能，極大地簡化了逆變電源的設計。
圖1 自激諧振式無線電能傳輸系統
作者主要對并-串聯諧振式無線電能傳輸系統展開研究。基于PS型拓撲設計了一套自激諧振式逆變器，可實現開關管的自驅動，無需PWM信號發生器和驅動電路即可實現直流到交流的逆變過程；同時還可實現開關管的零電壓開通和零電壓關斷過程，并具有頻率跟蹤功能，極大地降低了逆變電源的復雜度。
圖7 PS型WPT系統樣機
作者設計的WPT裝置還可以避免M=0時SS和SP型WPT系統發射端回路串聯諧振短路問題。詳細分析了PS型系統的工作原理以及系統的輸出功率特性和效率特性，并給出了使PS型WPT系統具備恒壓輸出特性的設計條件。
仿真和實驗結果驗證了自激逆變器工作過程的有效性，實驗結果顯示，在傳輸距離為7cm的情況下，當負載電阻變化200%時，WPT系統的輸出電壓變化率僅為2.6%，表明所設計的PS型WPT系統的輸出電壓對負載變化有較強的魯棒性。同時表明PS型WPT系統具有較好的恒壓輸出特性且可避免發射端回路的串聯諧振短路問題。下一步的研究工作將集中于磁場屏蔽和系統功率損耗最小化。
