串-串补偿与串-并补偿非接触谐振变换器特性分析与控制策略研究

1、串串补偿与串併补偿非接触谐振变换器特性分析与控制策略研究严开沁，陈乾宏，曹玲玲，张巍，任小永(江苏省新能源发电与电能变换重点实验室(南京航空航天人学)，南京210016) 摘要：非接触供电技术由于其供电灵活，具有少维护性及安全方便的优点，在移动设备充电 场合、油出、水下供电场合具冇很大的优势。本文主要针对串串补偿、串并补偿两种最为 常用的非接触谐振变换器进行了分析。通过对两种变换器输出电压增益、输入阻抗的分析， 说明了串串补偿非接触谐振变换器更适合采用口激控制方法工作丁高频増益交点，可获得 较为恒定的输岀和较窩的效率；而串并补偿非接触谐振变换器则更为适合采用pll控制。 最后，本文通过一台60

2、w串-串补偿和一台1()()w串-并补偿非接触谐振变换器的实验证明了 分析的正确性。关键词：非接触供电技术；串-串补偿；串-并补偿；特性分析；控制策略 中图分类号：tm46analysis and control strategies for ss-type and sp-typecontactless resonant converteryan kaiqin, chen qianhong, cao lingling, zhang wei, ren xiaoyong(jiangsu key-laboratory ofnew energy generation and power convers

3、ion, nanjing universityof aeronautics and astronautics, nanjing 210016)abstract: contactless power transmission (cpt) is of great superiority in mobile devices, minal, underwater applications due to its safety, convenience, high flexibility and low maintenance cost this paper focuses on the analysis

4、 of ss-type contactless resanant converter (crc) and sp-type crc. the input-to-output voltage gain and the input impedance of both converters are discussed in detail. with the help of software mathcad, the suitable control strategies for the converters are analyzed for ss-type crc, nearly constant v

5、oltage gain and high efficiency can be obtained with self-oscillating control, by which the operation frequency is set at the higher voltage gain intersection. for sp-type crc, phase lock loop (pll) control strategy is more suitable. finally, a 60w ss-type crc and a 100w sp-type crc are fabricated a

6、nd the experimental results verify the validity of the above analysis.key words: contactless power transmission; ss-typc; sp-typc; characteristic analysis; control strategy0引言非接触供电技术是基于磁场耦介实现“无线供电'的新型电能传输方式。其利用原副边 完全分离的非接触变压器，通过高频磁场的耦合传输电能，能够实现能量传递过程中供电侧 和用电侧无物理连接。与传统的供电方式和比，非接触供电使用方便、安全，具有恶劣环境

7、适应性和少维护性，因而在手机、人体植入设备、电动汽车等1-3移动设备的供电场合，在 油出、矿井、水下供电等4-6环境恶劣场介均已得到了应用。非接他谐振变换器按其所需供电电源的特性可分为两种：输入电压源型和输入电流源基金项目：国家自然科学基金(51077069):江苏省自然科学基金(bk2009372):高等学校博士学科点 专项科研基金(20103218110013)作者简介：严开沁(1989-),女，硕士研究生，主要研究方向为非接触能量供电系统通信联系人:陈乾宏(1974-),女,博上，博士生导师，研究方向为功率因数校正变换器，磁集成技术以及 非接触能量供电系统.e-mail: chenqh型

8、。输入电流源型非接触谐振变换器有并串补偿及并并补偿两种，其电能输入通常采用电 压源串大电感来实现，其开关管应力较高，因而现在最为广泛采用的是输入电压源型非接触 谐振变换器。输入电压源型非接触谐振变换器主要包括串小补偿，串并补偿，lcl补偿 等，其中串串补偿和串并补偿谐振变换器也是最为常用的两种电路拓扑。本文主要针对串串补偿以及串并补偿非接触谐振变换器进行了电压增益以及输入阻抗 的详细分析。通过mathcad软件对理论分析中的结果进行了验证并给出了不同变换器的控制 策略分析。最后通过一台60w串-串补偿非接触谐振变换器和一台100w串-并补偿非接触 谐振变换器的实验验证了变换器特性以及控制策略的

9、正确性。1串-串补偿与串并补偿非接触谐振变换器基波等效模型1.1电路组成图1给岀了非接触谐振变换器的电路框图，英由开关网络（逆变器）、补偿网络、整流 滤波环节以及负载四部分构成。直流电压v1n经逆变器转变为高频交变电压,该交变电压使 得非接触变压器原边与原边补偿网络谐振，产生高频交变磁场，变压器副边则相应产生感应 电压，经副边补偿网络及整流滤波电路给负载供电。图1非接触谐振变换器框图fig. 1 diagram of a contactless resonant converter图2分别给出了串串补偿非接触谐振变换器与串并补偿非接触谐振变换器的电路图 （略去了开关网络）。图中，cp为原边补偿

10、电容，tr为非接触变压器，cs为副边补偿电容,图2两种补偿方式的菲接触变换器电路拓扑fig.2 topologies of contactless resonant converter with different compensation method1.2基波等效模型首先，定义v5为输入方波的基波分量，原边电流为z1,副边电流为72,副边整流桥 桥臂中点电压为其基波分量为vo5o采用基波近似分析法对这两种补偿拓扑进行分析， 可得如图3所示的基波等效电路。图3中，变压器釆用漏感等效模型，5、5分别为变压器原副边漏感，3为激磁电感， re为负载rlj和整流桥部分的等效电阻。lp、ls则分别为变

11、压器原副边自感，k为耦合系数, 满足：cp ln+v5>-厶(2)cplnvos(1)lp = l i+厶耐，ls = l12 + n lm(a)串-串补偿(b)串-并补偿图3两种补偿拓扑的基波等效模型fig.3 the fundamental equivalent circuits of the two topologies702变换器特性分析2.1串串补偿非接触谐振变换器首先分析串串补偿非接触谐振变换器的增益特性。先将变压器的副边元件等效至原边。等效电阻re折算至原边后，其等效负载为：d r rer? = (3)m漏感a/2和副边补偿电容cs可等效为 s和cslli =m , cr

12、n c $(4)n75串-串补偿拓扑副边电路参数按匝比折算至原边片的数学模型如图4所示。cp lnln/m cstti图4串串补偿原副边阻抗等效后的变换器数学模型fig.4 equivalent circuit of a ss-type converter 运用戴维南等效定律，可由图4得到图5。图5戴维南等效后的等效电路pig 5 equivalent circuit with thevenin's theorem令原、副边阻抗分别为:iz/*= j(g) lp -;) , zs = 7(g) ls -ocp则在图5中，有 jo) lmvt = vs zp(丿0)厶”)仃0)厶/】+

13、)/cocpzt = lu / /(厶/i + cp) =j(j®l w) + (丿 0)厶"+ )jscpkop= v zr +j®l i2 / hzre / w2丿3厶”=vsn 2 乙z+丿®厶re! hi111 / yit j®cs n:副边整流桥桥臂中点电压mr基波分量的幅值为：同时，对于全桥逆变器，假设输入电压mb是占空比为1 対英进行傅立叶级数分析，可得以基波分量的幅值：|r|=r 加的方波，方波幅值为输入电爪(9)vin.(10)由式(9)和式(10),冇则变换器的电压增益为:g、(o) =丿 co/7 厶 m rezp (zs

14、 + re ) + h2(0i lmizpj(0 lm /cd bcpcs re lu(11)(12)其中2a = co 4cpcs (m lm2 - lp ls) +(o 2 (lpcp + lscs) -1当=()时，gv与re无关，求解可以得到两个频率点：(13)(14)(15)其中,(dp =.1 , cos =,yjlvc?yjls cs当变换器工作在频率e厶或coh时，变换器的电压増益gv与负载re无关,g保持恒定，可使变换器在负载变化时稳定工作。变换器的输入阻抗农达式可以很容易地由图3得出：(16)即负载变化时1zin = /(0 s + + jco lmi /(yoj 厶,2

15、+j®cp(17)2.2串并补偿非接触谐振变换器95vos图6串并补偿非接触谐振变换器的等效电路fig.6 equivalent circuit lor sp-type topology类似的，串并补偿非接触谐振变换器可等效为图6所示，vt仍然满足式（6）, 电压为：j®lvop点rk / n 2mzp"vop = v zr+jl "/nr 十厂n jcori： g ）副边整流桥桥臂屮点间电压mr慕波分量的幅值为:rez+j3l .听“+拠©(18)w；t °这111仍假设输入电压vab是占空比为1的方波，方波幅值为输入电压匕”，由式

16、（10）和式（19）, 冇：(19)vosvs(20)则变换器的电爪增益为:-<1=5二 1) ci lc l$ cr + co 2 (lpcp 4-c$)二 1neo 2 lm cp+川一一cp re(21)其中(22) = (co? lpcp 7jlu + m f(d?cp lm lu lm )(dc =当=()时，gv与re无关,求解可得一个频率点：100(23)当变换器工作在频率ec时，变换器的电压增益gv与负载re无关，可使变换器在负载105110115变化时稳定工作。变换器的输入阻抗可山图3分析得到:z" = jcoan +jzl" /(j0)厶/2 +;

17、(ogre)=zp +zjscs re +1®ls +"jmcs re +1(24)3变换器控制策略分析上文给出了串串补偿以及串并补偿非接触谐振变换器详细的特性分析，然而这些并不 能玄观地反应出变换器的性质，不利于变换器控制策略的分析。因此本文采用mathcad软件, 以一特定非接触变压器的两组参数绘制了不同变换器的输出电压增益及输入阻抗曲线，非接 触变压器的参数见农lo表1非接触变压器参数气隙klp (ph)ls (ph)ln (gh)lo (ph)厶m (ph)m (ph)1 omm0.53251.3644.1323.2821.6528.0825.1320mm0.273

18、42.6038.1330.3228.3012.2710.98tab.l parameters of a contactless transformer3.1串串补偿非接触谐振变换器控制策略分析串仲补偿时采用的谐振电容参数为：q=27.2nf, cs=29.25nfo采用mathcad软件分别 画出两组变压器参数f的电压增益及输入阻抗曲线，6如图7所示。1niiicol kmax1(oh km(ixrlrl_mmu 111.04 1'2()u(a)串 t0 160 f5(khz)i补偿増益g0 2(x)0 22(in111出k. rl. auxmlkmin/'(ohi hi kn

19、 mini> rl. trjdn. rf. min£ b 12)131 14016)170 18020) 2201593-3-15 1(输入阻抗0(°)906090输入阻抗 相加inin(f)l kmax0jh_kmaxk«iu.rl muirl wav60mkh刀(b)串一串补偿输入匪i抗(皿)90i11111(t)l_kmax0)h_kmaxrt)njkwoi*kk>u«klhu«rl matrl. wrl rtiiu220-300-306090fs(klh)(d)串-串补偿输入阻抗(&”)(c)串-串补偿增益(也”)k

20、 7串串补偿的电压增益及输入阻抗的mathcad计算结果fig.7 calculated results of input-to-output voltage gain for ss-type由图7可知，串-串补偿非接触谐振变换器始终存在两个增益交点，在非接触变压器参 数发生变化时，增益交点的增益值变化很小。在低频增益交点处，变换器的输入阻抗为容性; 在高频增益交点处，变换器的输入阻抗为感性。在控制策略的选择上，我们通常需要同时考虑变换器的输出稳定性及效率。对于小巾补偿非接触谐振变换器，nj以将其工作点设定在 増益交点（dh附近，既能保证原边逆变器开关管的软开关，乂能提高变换器对变参数的适应

21、能力，得到较为恒定的输出。该控制方法可以通过文献8提出的口激控制方法，即保证逆变 器桥忖中点电压与副边电流同相得以实现。3.2串并补偿非接触谐振变换器控制策略分析串/并补偿时釆用的谐振电容参数为:cp=1709nf, cul3nf,同样地釆用mathcad软件画岀两组变爪器参数下的电爪增益及输入阻抗曲线，如图8所示。（a）串-并补偿增益（仏）（b）串-并补偿输入阻抗（也）（c）串-并补偿增益（也初）（d）串-并补偿输入阻抗（亦）图8吊并补偿的电压增益及输入阻抗的mathcad计算结果fig.8 calculated results of input-to-output voltage gain

22、 for sp-typcitl图可知，串并补偿非接触谐振变换器仅存在一个增益交点，且非接触变压器参数的变化对增益交点处增益值影响很大。而在不同变压器参数卜，变换器的输入阻抗曲线始终存在交点，h均为输入阻抗为零处。在控制策略上，串并补偿的非接触谐振变换器比较适合 采用pll控制。实际工作中，为获得较高的效率，一般不工作在输入阻抗为零处，而是设 定锁相角为一较小的感性角，以实现原边逆变器开关管的软开关。在该控制策略下，变换器 的输出电压变化范围较宽，需要在后级级联调压电路进行精确稳压。4实验验证为证明上文对屮串补偿及串并补偿非接触谐振变换器特性分析及相应控制策略分析 的正确性，本文分别完成了一台6

23、0w 口激控制的串-串补偿非接触谐振变换器和一台100w pll控制的串并补偿非接触谐振变换器。两台变换器采用同一个非接触变压器，具具体参 数见表1。4.160w串串补偿变换器实验结果串串补偿非接触谐振变换器采川的元器件见表2。口激控制时变换器满载波形如图9所示，其中，us是逆变器桥怦中点电压，力是变换器原边电流，72是变换器副边电流。山图 9可知在自激控制方法下，vs与12同相，逆变器桥臂中点电压超前于原边电流，能够实现变 换器的zvso图10和图11分别给出了变换器的负载调整率以及效率曲线，由图可见在不 同气隙下的变换器的输出电压基本恒尢，证明了上述控制策略的有效性。该串串补偿非接140触

24、谐振变换器在10mm气隙下效率可达86%。 表2串串补偿非接触变压器元件列表tab.2 components list of the sstypc contactless resonant converter电路器件种类功率 mosfet01-q4irf8010(100v/80a)反并二极管mbr10100(100v/10a)电容cp27.2nf电容cs29.3nf肖特基二极管dri-drambr2535l(35v/25a)电容cf33opf/5ov铁氧体3f3,平面e磁芯64/10/50非接触变压器np=9 匝，利兹线 awg38#x32x3ns=17 匝，利兹线 awg38#x32x3人:

25、20刃则i:5a/divii:5a/div一人:20刃d纫、i:5a/divi2：5a/div、us/div< rw.f（a）p°=60w （也负）p尸60w以加）图9自激控制串串补偿非接触谐振变换器满载波形fig. 10fig.9 selfoscillating controlled wavefonns of the ss-type resonant converted full load)84.083.082.081.0图10串串补偿负载调整率load regulation for ss-type converter图h串串补偿效率fig.l 1 efficiency fo

26、r sstypc converter4.2100w串并补偿变换器实验结果145串并补偿非接触谐振变换器采用的元件列表见表3,未列出的元件与上述串串补偿非接触谐振变换器一致。图12给出了 pll控制方法下变换器的满载波形，其中，vs是逆变器 桥臂中点电压，力是变换器原边电流，,2是变换器副边电流，决为整流桥输入电流。由图12 可知，pll控制方法实现了不同耦合系数下逆变器开关管的软开关。变换器的负载调整率以 及效率山图13和图14给出。图13显示岀釆用pll控制方法下的串并输出电压范围较宽,不仅验证了前文的分析，还证明了后级采用调压电路的必要性。该串并补偿非接触谐振变 换器在10mm气隙下的效率

27、可达79.5%。表3串并补偿非接触变换器元件列表tab.3 components list of the sp-type contactless resonant converter电路器件种类电容cp电容cs副边整流二极管dr-dra电感lf17.3nf12.2nfdesi 2x101 (600v/2x96a)100phk：50ra/vvs5vidiyh:20a/divir：0a/aivi2：5a!divir：5a/divh:5a/divtime:us/divtme: us/div(a)po= 100w (knua)(b)只尸 100w (皿)图12 pll控制串并补偿非接触谐振变换器满载波

28、形fig.12 pll controlled waveforms of the 100w sp-type resonant converter(fiill load)80.0l80.078.0|打70.0k 1*kvrri/76.0kwiw60.074.0> 50.072.0月 70.040.03 68.030.066.064.0120.012：3(j40506070l8090k)t) 2b图30134o '5060'70 '80 1 9(1p。(w)串并补偿负载调整率1(0图14p“ ( w)串并补偿效率fig3 load regulation for sp-type converterfig.14 efficiency for sp-type converter5结论木文给出了串串补偿以及串并补偿非接触谐振变换器的电压增益和输入阻抗的详细 分析过程。通过采用mathcad软件对两种变换器的输出电压增益以及输入阻抗曲线的绘制， 详细分析了两种变换器适用的控制策略。对于串串补偿的非接触谐振变换器，町以采用a 激控制方法，使其工作在高频电压增益交点处，既能保证输出的恒定，乂能获得较高的效率; 对于串并补偿非接触谐振变换器，采用pll控制方法更为适用。最后，本文通过一台60w 小出补偿以及100w小并补偿