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近年來(lái)，在高壓大功率變換中，多電平換流器技術(shù)尤其是模塊化多電平換流器技術(shù)發(fā)展迅速。模塊化多電平換流器由多個(gè)全橋模塊組成，不僅可以顯著降低開(kāi)關(guān)應(yīng)力，而且可以降低輸出電壓的諧波含有率。但是，對(duì)于多電平換流器來(lái)說(shuō)，由于所有的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路都由同一電源供電，加在開(kāi)關(guān)器件上的電壓最高可達(dá)母線電壓，故為每個(gè)全橋模塊門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路供電的電源與驅(qū)動(dòng)電路之間要有很強(qiáng)的隔離和絕緣。

通常，主要采用干式繞線型變壓器為全橋模塊門(mén)極驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電源提供隔離和絕緣。這種方式的不足之處在于變壓器中有磁心，因此會(huì)受周圍電磁環(huán)境的影響。一些學(xué)者采用無(wú)磁心高頻磁感應(yīng)式非接觸電能傳輸技術(shù)（Inductively Contactless Power Transfer, ICPT）設(shè)計(jì)了門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路隔離電源。在ICPT技術(shù)中，電能從發(fā)射線圈傳遞到接收線圈，整流濾波后給門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路供電。發(fā)射線圈和接收線圈之間是空氣，因此在避免使用磁心的同時(shí)保障了隔離和絕緣。

在有學(xué)者提出的采用ICPT技術(shù)的驅(qū)動(dòng)電路隔離電源中，發(fā)射線圈和接收線圈的距離為25mm。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)（International Electro technical Commission, IEC）的標(biāo)準(zhǔn)，25mm的空氣間隙絕緣強(qiáng)度可達(dá)7.6kV。有學(xué)者采用更大距離的發(fā)射線圈和接收線圈來(lái)保證更高強(qiáng)度的隔離和絕緣。在有學(xué)者的研究中，一個(gè)發(fā)射線圈正對(duì)6個(gè)接收線圈，做到了采用ICPT技術(shù)同時(shí)為6個(gè)不同全橋模塊的驅(qū)動(dòng)電路供電。但是，ICPT技術(shù)主要依靠電磁場(chǎng)傳輸能量，在模塊化多電平換流器中，存在大量開(kāi)關(guān)器件和電氣元件，電磁環(huán)境十分復(fù)雜，這會(huì)影響使用ICPT技術(shù)為門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行供電的電磁安全性。

超聲波式非接觸電能傳輸技術(shù)（Ultrasonic Contactless Power Transfer, UCPT）又稱電聲電型非電氣接觸電能傳輸技術(shù)，是一種新興的非接觸電能傳輸技術(shù)。UCPT系統(tǒng)的基本組成如圖1所示，在發(fā)射側(cè)，發(fā)射換能器將高頻電源發(fā)出的電能經(jīng)補(bǔ)償后轉(zhuǎn)換為超聲波能量；在接收側(cè)，接收換能器將從介質(zhì)傳遞過(guò)來(lái)的超聲波能量重新轉(zhuǎn)換為電能并經(jīng)能量轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后給負(fù)載使用。此處所講的“非接觸”不是指沒(méi)有任何物理接觸，而是指“非電氣接觸”。

UCPT技術(shù)主要依靠超聲波來(lái)進(jìn)行能量傳輸。超聲波是一種機(jī)械波而不是電磁波，不會(huì)受到周圍電磁環(huán)境的影響；超聲波的頻率遠(yuǎn)超周圍環(huán)境的振動(dòng)頻率，不會(huì)受到周圍機(jī)械振動(dòng)的影響。多電平換流器的各全橋模塊電磁環(huán)境十分復(fù)雜，而UCPT技術(shù)可以在保證絕緣和隔離強(qiáng)度的前提下為驅(qū)動(dòng)電路安全可靠地提供所需電能。

圖1 UCPT系統(tǒng)基本組成

基于超聲波式非接觸電能傳輸技術(shù)，大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員針對(duì)電聲電型非電氣接觸式全橋模塊門(mén)極隔離電源（以下簡(jiǎn)稱“電聲電型隔離電源”）進(jìn)行了研究。

圖2 電聲電型隔離電源結(jié)構(gòu)

首先對(duì)電聲電型隔離電源的整體結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹，接下來(lái)分別介紹每一部分的選擇方案和理由。介紹了郎之萬(wàn)型換能器的等效電路，采用COMSOL軟件進(jìn)行仿真并觀察諧振頻率下的換能器工作狀態(tài)，給出壓電換能器的最簡(jiǎn)等效電路。為了使UCPT系統(tǒng)的輸入電壓降低和輸出電壓穩(wěn)定，分別在發(fā)射側(cè)和接收側(cè)設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路，進(jìn)行詳細(xì)的分析并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)所提出的補(bǔ)償方案進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)UCPT技術(shù)與ICPT技術(shù)進(jìn)行了抗電磁干擾能力的對(duì)比。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖4 全橋模塊實(shí)物

理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）郎之萬(wàn)型壓電換能器和亞克力棒傳輸介質(zhì)可以在保證隔離和絕緣的情況下，有效地將能量從發(fā)射側(cè)傳遞到接收側(cè)。

2）發(fā)射側(cè)補(bǔ)償電路可以補(bǔ)償電源的無(wú)功功率，且能在保證接收側(cè)輸出電壓不變的情況下降低輸入電壓。

3）接收側(cè)補(bǔ)償電路可以維持輸出電壓穩(wěn)定。

4）UCPT技術(shù)比ICPT技術(shù)有更強(qiáng)的抗電磁干擾能力。

5）所設(shè)計(jì)的電聲電型隔離電源可以有效為門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路供電，是一種良好的傳統(tǒng)變壓器替代方案，適用于電磁環(huán)境復(fù)雜的各種門(mén)極驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。

以上研究成果發(fā)表在2020年第4期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“電聲電型非電氣接觸式全橋模塊門(mén)極隔離電源研究”，作者為吳茂鵬、陳希有、齊琛、牟憲民。