【正文】 開始向負(fù)載傳遞能量。開關(guān)頻率高于諧振頻率時(shí)，開關(guān)管是零電壓開通的，但是開關(guān)管關(guān)斷時(shí)卻存在較大的損耗，為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟關(guān)斷，通常給開關(guān)管并聯(lián)電容，限制關(guān)斷時(shí)開關(guān)管兩端的電壓上升率，從而降低關(guān)斷損耗，如圖 所示， 1C — 4C 為緩沖電容。 因此，帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器可以等效為圖 。 帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器的諧振頻率 采用帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器作為非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的功率變換器。 高頻逆變部分是非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)的核心組成部分之一，輸出高頻電壓或電流，對(duì)非接觸感應(yīng)傳輸系統(tǒng)的傳輸能力和傳輸效率產(chǎn)生影響。圖 (b)中，補(bǔ)償電容 sC 與變壓器副邊電感 sL 在頻率諧振處，副邊等效為一電阻，輸出電壓與負(fù)載無(wú)關(guān)，等效于輸出電壓為副邊感應(yīng)電壓的恒壓源，適用于需要直流母線電壓的場(chǎng)合。串聯(lián)補(bǔ)償中補(bǔ)償電容和可分離變壓器的原、副邊繞組是串聯(lián)的；并聯(lián)補(bǔ)償中補(bǔ)償電容和可分離變壓器的原、副邊繞組是并聯(lián)的。 圖 給出了采用互感模型的可分離變壓器等效電路，忽略原、副邊繞組的電阻。當(dāng)磁芯總長(zhǎng)度一定時(shí)，應(yīng)令 L 略大于 2 倍氣隙長(zhǎng)度，從而可有效利用磁芯長(zhǎng)度盡量提高全耦合磁通比例，提高變壓器耦合系數(shù) [2]。 增加 W，所有磁阻同時(shí)減小。 根據(jù)電磁場(chǎng)仿真結(jié)果，結(jié)合磁通分類原則，可按照?qǐng)D 來(lái)定義非接觸變壓器的磁阻，進(jìn)而畫出非接觸變壓器的等效磁路圖，如圖 所示 [2]。 這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文獻(xiàn) [9]給出的等效磁路和耦合系數(shù)近似分析方法有一定的局限性，不能夠準(zhǔn)確地描述改進(jìn)型非接觸變壓器的磁通分布及耦合系數(shù) [2]。 表 1 平面 U 型磁芯兩種繞組布置方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 磁芯 質(zhì)量 /g L/mm 繞組形式 耦合系數(shù) 平面 U43（ Planar E43/10/28 磨掉中柱） 59 集中式 分布式 注：原副邊繞組均為 25 匝，氣隙 10mm，頻率 300kHz。 g 固定， cL 越大，耦合系數(shù)越高，大氣隙引起的 /aLRR較大是非接觸變壓器耦合系數(shù)小的根本原因。但是可分離變壓器的原邊和副邊是分離的，如圖 所示，存在較大的氣隙，空氣磁路長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了常規(guī)變壓器的長(zhǎng)度，變壓器處于松耦合狀態(tài)，磁路中有較大距離的空氣磁路，磁動(dòng)勢(shì)中相當(dāng)一部分消耗在空氣磁路部分，變壓器漏磁較大，耦合系數(shù)不高；而常規(guī)變壓器的磁路中氣隙很小，其磁動(dòng)勢(shì)主要分布在鐵芯磁路部分，而鐵芯所具有的高磁導(dǎo)率決定了常規(guī)變壓器的磁阻較小，需要的勵(lì)磁電流較小 [12,15]。為了給變壓器原邊繞組提供波形質(zhì)量較好的交流電流，減少電磁干擾和電磁輻射，常采用諧振變換器給可分離變壓器的原邊繞組提供正弦電流?？煞蛛x變壓器的原邊繞組和副邊繞組是可分離的，這和開關(guān)電源中的變壓器有很大的不同。 本文研究的內(nèi)容 本文對(duì)非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容如下： ? 第一章在概述研究背景的基礎(chǔ)上，介紹了非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，指出本文的研究意義和研究?jī)?nèi)容。非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的研究正逐步向兩個(gè)方面發(fā)展：一是以磁懸浮列車為代表的大功率方向，包括汽車充電站、磁懸浮列車等等；另一種是小功率方向，主要是對(duì)一些日常小電器進(jìn)行無(wú)接觸充電。 非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) 非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)是近些年發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，國(guó)際上至今還沒有制訂相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。 20 世紀(jì) 90 年代初，新西蘭奧克蘭大學(xué)電子與電氣工程系功率電子學(xué)研究中心 Boys 教授 3 以及由他領(lǐng)導(dǎo)的課題組率先對(duì)非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。這種傳輸方式由于存在摩擦、磨損和裸露導(dǎo)線，很容易產(chǎn)生接觸火花，影響了供電的安全性和可靠性，縮短了電氣設(shè)備的使用壽命。非接觸電能傳輸可通過磁場(chǎng)或電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，緊耦合的傳輸形式如變壓器、電容，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)電氣連接的能量傳輸，但是由于磁場(chǎng)鐵芯和電場(chǎng)媒質(zhì)的 限制，它們不適合向運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行大氣隙的能量傳輸。 ② 快速充電，多為直流充電，一次充電需要 1020 分鐘左右；存在問題：在短時(shí)間內(nèi)充電完畢需要一個(gè)兆瓦級(jí)的充電站，難以實(shí)現(xiàn)。 電動(dòng)汽車的研究表明，其能源效率已超過汽油機(jī)汽車。 33 1 第一章 緒 論 論文選題背景 隨著 “汽車社會(huì) ”的逐漸形成，汽車保有量在不斷地呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而石油等資源卻捉襟見肘，另一方面，吞下大量汽油的車輛不斷排放著有害 氣體和污染物質(zhì)。 32 致 謝 31 參考文獻(xiàn) 18 帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器電路特性分析 16 可分離變壓器的等效電路模型 7 可分離變壓器的分類 2 非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 首先介紹了非接觸感應(yīng)電能傳輸?shù)脑?、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。 本文對(duì)非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中的功率變 換器的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。 full bridge series resonant converter iii 目 錄 摘 要 1 論文選題背景 7 可分離變壓器概述 19 帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器的作用及優(yōu)點(diǎn) 19 帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器的諧振頻率 23 采用移相控制方式的全橋串聯(lián)諧振變換器電路仿真 噪聲對(duì)人的聽覺、神經(jīng)、心血管、消化、內(nèi)分泌、免疫系統(tǒng)也是有危害的。 傳統(tǒng)電動(dòng)汽車充電模式有： ① 普通充電，多為交流充電， 電壓 220V 或 380V，一次需要810 小時(shí)充滿；存在問題：需要大量的充電站，占用許多城市用地。除傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接傳輸外，非接觸電能傳輸包括感應(yīng)傳輸、容性傳輸、電磁波傳輸。 非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 自從 1831 年法拉第揭示電磁感應(yīng)現(xiàn)象以來(lái)，電能的傳輸主要是由導(dǎo)線直接接觸進(jìn)行的，電氣設(shè)備一般通過插頭和插座等電連接器的接觸進(jìn)行供電 [4]。隨著功率變換技術(shù)、控制技術(shù)和磁性材料的發(fā)展，以及非接觸感應(yīng)電能傳輸需求的增長(zhǎng)，非接觸感 應(yīng)電能傳輸技術(shù)得到了迅速的發(fā)展 [3]。 在我國(guó)，非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的研究剛開始起步，僅有綜述性文獻(xiàn)和個(gè)別小功率樣機(jī)的研究報(bào)道。此外，不斷提高功率等級(jí)、系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性、增加分離式變壓器的氣隙也是非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)需要解決的難點(diǎn)。比如，當(dāng)采用車載充電器時(shí)，傳統(tǒng)的充電系統(tǒng)在交流電源段分開，整個(gè)系統(tǒng)幾乎都在車上，而無(wú)接觸電能傳輸方式實(shí)現(xiàn)初、次級(jí)繞組之間分離，從而可將大部分的設(shè)備置于車外。變壓器原、副邊采用無(wú)線通訊的方式對(duì)能量變換進(jìn)行檢測(cè)和控制。 (2) 采用諧振變換器作為非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的功率變換器。可分離變壓器和常規(guī)變 壓器在原理上類似，都是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電能從變壓器原邊到副邊的變換。 L cg Ra Ra F RL Ra RL （ a）變壓器結(jié)構(gòu) （ b）等效磁阻電路 圖 變壓器結(jié)構(gòu)及其等效磁阻電路 文獻(xiàn) [17]基于該磁路模型推導(dǎo)了其耦合系數(shù)近似公式，指出耦合系數(shù)的大小取決于變壓器中柱和邊柱的中心距離 cL 與氣隙 g 的比值。實(shí)驗(yàn)表明分布式繞組更有利于提 10 高變壓器的 耦合系數(shù)。耦合系數(shù) k 表達(dá)式為 ? ?? ? ? ? ? ?121 2 1 2/2 1/ 2 / 2 / 1aaLF F Rk F F R F F R g L???? ? ? ? （ ） R a R a 1F 2FL 圖 等效磁路圖 然而，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，該模型及耦合系數(shù)公式不能很好地解釋下述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： (1) 如表 1 所示，采用平面 U43 磁芯， L 為 ，比文獻(xiàn)中磁芯對(duì)應(yīng)的參數(shù) ()大，但相同氣隙條件下耦合系數(shù)反而??； (2) 采用平面 U64 磁芯 (Planar E64/10/50 磨掉中柱 )， 相比表 1 中的磁芯， L 從 增大到 ，但 10mm 氣隙條件下的耦合系數(shù)僅從 增加到 ， 不符合式 ()描述的耦合系數(shù)變化規(guī)律； (3) 按照式 ()預(yù)測(cè)，平面 U43 變壓器耦合系數(shù)為 ，平面 U64 變壓器耦合系數(shù)為 ，均遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值。 MF? 為由原邊電流產(chǎn)生，匝鏈副邊所有繞組的磁通。因此， L 應(yīng)略大于 2g，宜采 用增大 f 的方法提高 k。該新型磁芯結(jié)構(gòu)通過增加原副邊磁芯正對(duì)面積，提高全耦合磁通的比例，增大耦合系數(shù)；將磁芯邊沿的擴(kuò)展部分限制在邊柱的底部，因而能在獲得高耦合系數(shù)的同時(shí)顯著降低 變壓器的體積和質(zhì)量。因此用互感模型來(lái)表示可分離變壓器的等效電路模型更為適用 [15,16,18,19]。 補(bǔ)償方式可以分為串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償兩類?；镜难a(bǔ)償方式有串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償，如圖 所示。通過原邊繞組與副邊繞組的感應(yīng)電磁耦合將電能經(jīng)過整流濾波和功率調(diào)節(jié)后提供給用電設(shè)備。 綜上所述，可以采用全橋諧振式逆變器的拓?fù)?，可以有效利用漏感，使漏感能量參與諧振，而且可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)，減小了開關(guān)損耗，提高效率。 由式（ ）、式（ ）可知， 反映電阻 eR 和反映電容 eC 的大小是由可分離變壓器的副邊電感 sL 、互感 M，負(fù)載 0R 和變換器的工作角頻率 ω決定的。 24 2S3S4SacV LpI?1S 圖 移相控制主要波形圖 橋臂電壓 acV? 的基波有效值為 022 s in 9 0 2a c inVV ?? ???????? （ ） 由式（ ）可 知，控制移相角 ? 的大小可以控制橋臂電壓的大小。此時(shí)可以零電壓開通開關(guān)管 4S 。 當(dāng)緩沖電容過大時(shí)，諧振電流不能完全抽走緩沖電容的電荷，無(wú)法實(shí)現(xiàn)開關(guān)管 的零電壓開通；當(dāng)緩沖電容過小時(shí)，開關(guān)管的軟關(guān)斷效果變差，關(guān)斷損耗將增加。 圖 帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變化器的 saber仿真圖 圖 中與開關(guān)管串聯(lián)的電阻是考慮到開關(guān)管具有導(dǎo)通壓降 。分析了變換 器的基本電路特性，對(duì)移相控制的變換器進(jìn)行了仿真，同時(shí)分析了移相角的改變對(duì)變換器相關(guān)特性的影響。在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，張 老師總是在我學(xué)習(xí)遇到 困難 的時(shí)候，出現(xiàn)在我的面前，及時(shí)的給予指導(dǎo)， 不斷對(duì)我得到的結(jié)論進(jìn)行總結(jié)，并提 出新的問題，使得我的畢業(yè)設(shè)計(jì) 內(nèi)容 能夠深入地進(jìn)行下去，也使我接觸到了許多理論和實(shí)際上的新問題， 使 我做了許多有益的思考。 ? 帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器也可在雙極性控制方式下工作，并可進(jìn)行相關(guān)仿真 。 31 第五章 總結(jié)與展望 本文主要工作總結(jié) ? 介紹了研究背景，回顧了非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀，討論了非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。 采用移相控制方式的全橋串聯(lián)諧振變換器電路仿真 對(duì)圖 中所示的帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器進(jìn)行電路仿真。 1S2S4SacV LpI0t 1t 3t 5t 6t 8t2t 4t 7t3S 圖 考慮死區(qū)的移相控制主要波形圖 26 V i n C o R e S 1 S 2 S 4 S 3 V a c L p C 4 C 2 C 1 C 3 inI LpI V i n C o R e S 1 S 2 S 4 S 3 V a c L p C 4 C 2 C 1 C 3 L p I inI （ a） （ b） V i nC oR eS 1S 2 S 4S 3V a cL pC 4C 2C 1 C 3LpIV i n