【正文】 開始向負載傳遞能量。開關頻率高于諧振頻率時，開關管是零電壓開通的，但是開關管關斷時卻存在較大的損耗，為了實現(xiàn)開關管的軟關斷，通常給開關管并聯(lián)電容，限制關斷時開關管兩端的電壓上升率，從而降低關斷損耗，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，對非接觸感應傳輸系統(tǒng)的傳輸能力和傳輸效率產(chǎn)生影響。圖 (b)中，補償電容 sC 與變壓器副邊電感 sL 在頻率諧振處，副邊等效為一電阻，輸出電壓與負載無關，等效于輸出電壓為副邊感應電壓的恒壓源，適用于需要直流母線電壓的場合。串聯(lián)補償中補償電容和可分離變壓器的原、副邊繞組是串聯(lián)的；并聯(lián)補償中補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。當磁芯總長度一定時，應令 L 略大于 2 倍氣隙長度，從而可有效利用磁芯長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，所有磁阻同時減小。 根據(jù)電磁場仿真結果，結合磁通分類原則，可按照圖 來定義非接觸變壓器的磁阻，進而畫出非接觸變壓器的等效磁路圖，如圖 所示 [2]。 這些實驗結果表明，文獻 [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，不能夠準確地描述改進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驗結果 磁芯 質量 /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，空氣磁路長度遠遠超過了常規(guī)變壓器的長度，變壓器處于松耦合狀態(tài)，磁路中有較大距離的空氣磁路，磁動勢中相當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，其磁動勢主要分布在鐵芯磁路部分，而鐵芯所具有的高磁導率決定了常規(guī)變壓器的磁阻較小，需要的勵磁電流較小 [12,15]。為了給變壓器原邊繞組提供波形質量較好的交流電流，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。可分離變壓器的原邊繞組和副邊繞組是可分離的，這和開關電源中的變壓器有很大的不同。 本文研究的內(nèi)容 本文對非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)的關鍵技術進行了研究，主要內(nèi)容如下： ? 第一章在概述研究背景的基礎上，介紹了非接觸感應電能傳輸技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，指出本文的研究意義和研究內(nèi)容。非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)的研究正逐步向兩個方面發(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，主要是對一些日常小電器進行無接觸充電。 非接觸感應能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 非接觸感應電能傳輸技術是近些年發(fā)展的一項新技術，國際上至今還沒有制訂相關的標準。 20 世紀 90 年代初，新西蘭奧克蘭大學電子與電氣工程系功率電子學研究中心 Boys 教授 3 以及由他領導的課題組率先對非接觸感應電能傳輸技術進行了系統(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，縮短了電氣設備的使用壽命。非接觸電能傳輸可通過磁場或電場實現(xiàn)，緊耦合的傳輸形式如變壓器、電容，可以實現(xiàn)無電氣連接的能量傳輸，但是由于磁場鐵芯和電場媒質的 限制，它們不適合向運動的物體進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：在短時間內(nèi)充電完畢需要一個兆瓦級的充電站，難以實現(xiàn)。 電動汽車的研究表明，其能源效率已超過汽油機汽車。 33 1 第一章 緒 論 論文選題背景 隨著 “汽車社會 ”的逐漸形成，汽車保有量在不斷地呈現(xiàn)上升趨勢，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。 32 致 謝 31 參考文獻 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 非接觸感應能量傳輸系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 首先介紹了非接觸感應電能傳輸?shù)脑?、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。 本文對非接觸感應電能傳輸系統(tǒng)中的功率變 換器的一些關鍵技術進行了研究。 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 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)的導線連接傳輸外，非接觸電能傳輸包括感應傳輸、容性傳輸、電磁波傳輸。 非接觸感應能量傳輸系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 非接觸感應能量傳輸系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 自從 1831 年法拉第揭示電磁感應現(xiàn)象以來，電能的傳輸主要是由導線直接接觸進行的，電氣設備一般通過插頭和插座等電連接器的接觸進行供電 [4]。隨著功率變換技術、控制技術和磁性材料的發(fā)展，以及非接觸感應電能傳輸需求的增長，非接觸感 應電能傳輸技術得到了迅速的發(fā)展 [3]。 在我國，非接觸感應電能傳輸技術的研究剛開始起步，僅有綜述性文獻和個別小功率樣機的研究報道。此外，不斷提高功率等級、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電能傳輸技術需要解決的難點。比如，當采用車載充電器時，傳統(tǒng)的充電系統(tǒng)在交流電源段分開，整個系統(tǒng)幾乎都在車上，而無接觸電能傳輸方式實現(xiàn)初、次級繞組之間分離，從而可將大部分的設備置于車外。變壓器原、副邊采用無線通訊的方式對能量變換進行檢測和控制。 (2) 采用諧振變換器作為非接觸感應電能傳輸系統(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，都是應用電磁感應原理實現(xiàn)電能從變壓器原邊到副邊的變換。 L cg Ra Ra F RL Ra RL （ a）變壓器結構 （ b）等效磁阻電路 圖 變壓器結構及其等效磁阻電路 文獻 [17]基于該磁路模型推導了其耦合系數(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。實驗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，實驗中發(fā)現(xiàn)，該模型及耦合系數(shù)公式不能很好地解釋下述實驗現(xiàn)象： (1) 如表 1 所示，采用平面 U43 磁芯， L 為 ，比文獻中磁芯對應的參數(shù) ()大，但相同氣隙條件下耦合系數(shù)反而小； (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 ()預測，平面 U43 變壓器耦合系數(shù)為 ，平面 U64 變壓器耦合系數(shù)為 ，均遠大于實測值。 MF? 為由原邊電流產(chǎn)生，匝鏈副邊所有繞組的磁通。因此， L 應略大于 2g，宜采 用增大 f 的方法提高 k。該新型磁芯結構通過增加原副邊磁芯正對面積，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)的同時顯著降低 變壓器的體積和質量。因此用互感模型來表示可分離變壓器的等效電路模型更為適用 [15,16,18,19]。 補償方式可以分為串聯(lián)補償和并聯(lián)補償兩類?；镜难a償方式有串聯(lián)補償和并聯(lián)補償，如圖 所示。通過原邊繞組與副邊繞組的感應電磁耦合將電能經(jīng)過整流濾波和功率調節(jié)后提供給用電設備。 綜上所述，可以采用全橋諧振式逆變器的拓撲，可以有效利用漏感，使漏感能量參與諧振，而且可以實現(xiàn)開關管的軟開關，減小了開關損耗，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。此時可以零電壓開通開關管 4S 。 當緩沖電容過大時，諧振電流不能完全抽走緩沖電容的電荷，無法實現(xiàn)開關管 的零電壓開通；當緩沖電容過小時，開關管的軟關斷效果變差，關斷損耗將增加。 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 中與開關管串聯(lián)的電阻是考慮到開關管具有導通壓降 。分析了變換 器的基本電路特性，對移相控制的變換器進行了仿真，同時分析了移相角的改變對變換器相關特性的影響。在整個畢業(yè)設計過程中，張 老師總是在我學習遇到 困難 的時候，出現(xiàn)在我的面前，及時的給予指導， 不斷對我得到的結論進行總結，并提 出新的問題，使得我的畢業(yè)設計 內(nèi)容 能夠深入地進行下去，也使我接觸到了許多理論和實際上的新問題， 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，并可進行相關仿真 。 31 第五章 總結與展望 本文主要工作總結 ? 介紹了研究背景，回顧了非接觸感應電能傳輸技術的研究現(xiàn)狀，討論了非接觸感應電能傳輸技術的發(fā)展趨勢。 采用移相控制方式的全橋串聯(lián)諧振變換器電路仿真 對圖 中所示的帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器進行電路仿真。 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