【正文】 器的全橋串聯(lián)諧振變換器的諧振頻率。從仿真波形可以看出，開關(guān)管 1S 開通前原邊繞組電流 LpI 流過(guò)開關(guān)管 1S 、 4S 的反并二極管，開關(guān)管兩端電壓為零，開關(guān)管 1S 、 4S實(shí)現(xiàn)了零電壓開通。開關(guān)管的零電壓關(guān)斷是 無(wú)條件實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)殚_關(guān)管中會(huì)自帶集成電容，通過(guò)電容的緩沖作用達(dá) 到關(guān) 斷緩沖的效果，減小關(guān)斷損耗。 開關(guān)模態(tài) 3[ 2t ， 3t ]（如圖 （ c）所示）： 2t 時(shí)刻，開關(guān)管 4S 兩端電壓下降到零，開關(guān)管 3S 兩端電壓上升到 Vin，電流 LpI 流過(guò)開關(guān)管 1S 和 4S 的反并二極管，變換器處于能量回饋階段。開關(guān)管 1S 和 2S 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別超前于開關(guān)管 4S 和 3S 一個(gè)相位，定義該相位為移相角 ? 。根據(jù)式（ ），可得 ? ?222 2Le sLMRR LR??? ? （ ） ? ?2 242sLe sLRC ML?? ?? （ ） eR 稱為反映電阻， eC 稱為反映電容。 帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器的高頻逆變部分的開關(guān)管因自帶集成電容的充放電緩沖作用能實(shí)現(xiàn)關(guān)斷緩沖，減小關(guān)斷損耗；同時(shí)因自帶二極管的續(xù)流導(dǎo)通能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通，減小開通損耗。變壓器原邊由交流電網(wǎng)輸入，整流濾波成直流電，并經(jīng)過(guò)功率因數(shù)校正，通過(guò)高頻逆變給變壓器原邊繞組提供高頻交流電流。 如果可分離變壓器副邊繞組直接與負(fù)載相連，變換器的輸出電壓和電流都會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，限制了功率的傳輸，因此必須對(duì)變換器副邊進(jìn)行補(bǔ)償。 ocV?sL scI? sL （ a）戴維南等效電路 （ b）諾頓等效電路 圖 圖 中， ocV? 是變換器副邊感應(yīng)電壓 oc LpV j M I???? （ ） scI? 是變換器副邊短路電流， /sc oc sI V j L???? （ ） 變換器負(fù)載為電阻 R 時(shí)，變換器的輸出功率為 ? ?2 22 oco sVRP RL?? ? （ ） 由電工學(xué)知識(shí)可知，變換器向負(fù)載 R 提供最大功率的條件是 sRL?? 最大輸出功率為 : 2m a x 122oco oc scsVP V IL?? ? ? （ ） 18 變換器的補(bǔ)償電路 變換器的原、副邊補(bǔ)償電路是指在非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中，為了降低變換器原邊開關(guān)管 的電壓電流定額、改善變換器的輸出特性加入的電路，通常采取加入補(bǔ)償電容的方式來(lái)實(shí)現(xiàn) [14,19,21]?？煞蛛x變壓器的耦合性能較差，處于松耦合狀態(tài)，原、副邊電壓不滿足匝比關(guān)系。繞組分繞在兩個(gè)底部向外擴(kuò)展的磁芯邊柱上，為分布式平面繞組結(jié)構(gòu)。對(duì)比兩種方法，可知兩種磁芯質(zhì)量相同，但增大 f，可減小 MFR ， MF? 所占比例較大，耦合系數(shù)更高。 3 區(qū)為第 3 部分，完全耦合磁通為 MF? 。參考文獻(xiàn) [9]，可得到改進(jìn)后非接觸變壓器的磁路模型，如圖 所示，其中 F1 = F2 = Ni /2。 原 邊繞 組副 邊繞 組原 邊 磁 芯副 邊 磁 芯 (a) 集中式繞組 原 邊 繞 組副 邊 繞 組原 邊 磁 芯副 邊 磁 芯 (b) 分布式繞組 圖 繞組結(jié)構(gòu)比較 為了分析兩種繞組布置方法對(duì)耦合系數(shù)的影響，本文采用 PlanarE43/10/28 磨掉中柱作為磁芯，在相同的條件下進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表 1 所示。 其中 ， F = Ni， Ra、 LR 分別為 g 和 cL 方向的磁阻。 7 第三章 可分離變壓器概述與新型非接觸變壓器的磁路模型及其優(yōu)化 可分離變壓器概述 可分離變壓器特點(diǎn) 可分離變壓器是非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，實(shí)現(xiàn)電能的非接觸傳輸。選取合適的變壓器鐵芯結(jié)構(gòu)和繞組位置，可以提高可分離變壓器的耦合系數(shù)，提高能量傳輸?shù)哪芰ΑＭㄟ^(guò)原邊繞組與副邊繞組的感應(yīng)電磁耦合將電能經(jīng)過(guò)整流濾波和功率調(diào)節(jié)后提供給用電設(shè)備。采用新型無(wú)接觸能量傳輸系統(tǒng)為電動(dòng)車供電，具有一定優(yōu)越性。由于非接觸供電效率較低，并且有一定的電磁輻射，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保問(wèn)題也是非接觸感應(yīng)電能傳輸技 術(shù)應(yīng)考慮的一個(gè)重要方面。 1995 年 1 月，美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)根據(jù) MagnechargeTM 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，制訂了在美國(guó)使用非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)進(jìn)行電動(dòng)汽車充電的條例 ——SAE J1773[13,14]。 非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)早在 100 年前就已經(jīng)為人所知，并進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)嘗試，但因?yàn)樾?率太低，沒能商業(yè)化。因此本文將對(duì)非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)進(jìn)行研究 [5]。隨著功率半導(dǎo)體器件和功率變換技術(shù)的發(fā)展，一種新型的感應(yīng)電能傳輸技術(shù)使大氣隙的非接觸傳輸成為可能。除此之外，如果夜間向蓄電池充電，還可以避開用電高峰，有利于電網(wǎng)均衡負(fù)荷，減少費(fèi)用。電動(dòng)汽車無(wú)內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的噪聲，電動(dòng)機(jī)的噪聲也較內(nèi)燃機(jī)小。 31 后續(xù)研究工作展望 16 功率變換器的模型 10 改進(jìn)型磁路模型 10 原有磁路模型的限制 5 第三章 可分離變壓器概述與新型非接觸變壓器的磁路模型及其優(yōu)化 5 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成 2 非接觸感應(yīng)能量傳輸系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì) i Abstract Magic circuit model。 作者簽名： 年 月 日 （學(xué)號(hào)）： i 電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)研究 摘 要 非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)是一種新型電能傳輸技術(shù)，利用電磁感應(yīng)理論實(shí)現(xiàn)電能有效、安全的傳輸，在交通運(yùn)輸、航空航天、機(jī)器人、醫(yī)療器械、照明、便攜式電子產(chǎn)品、礦井和水下應(yīng)用等場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用前景。針對(duì)非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成，討論了非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，在闡述可分離變壓器特點(diǎn)和分類的基礎(chǔ)上，對(duì)可分離變壓器的磁路進(jìn)行了分析，進(jìn)而給出了新型非接觸變壓器的磁路模型。 1 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) 5 非接觸感應(yīng)電能傳輸?shù)脑砑皟?yōu)點(diǎn) 5 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 13 邊沿?cái)U(kuò)展平面 U 型非接觸變壓器 27 第五章 總結(jié)與展望 最終的解決之道當(dāng)然不是限制汽車工業(yè)發(fā)展，而是開 發(fā) 替代石油的新能源，幾乎所有的世界汽車巨頭都在研制新能源汽車。特別是在城市運(yùn)行，汽車走走停停，行駛速度不高，電動(dòng)汽車更加適宜。 ③ 電池更換，時(shí)間短，能保證汽車的正常行駛；存在問(wèn)題：電池組標(biāo)準(zhǔn)化比較困難，電池組心的問(wèn)題就難以解決。在變壓器松耦合的方式下，如果工作頻率足夠高，磁場(chǎng)的變化率將在原、副邊繞組之間引起很強(qiáng)的電磁感應(yīng)，這使大氣隙的能量傳輸變得可行，這是感應(yīng)電能傳輸?shù)幕靖拍睢Ｔ诘V井、油田鉆采等場(chǎng)合，采用傳統(tǒng)的導(dǎo)線直接接觸供 電方式，因接觸摩擦產(chǎn)生的微小電火花，很容易引起爆炸，造成重大事故。經(jīng)過(guò) 10 多年的努力，先后獲得多項(xiàng)發(fā)明專利，該項(xiàng)技術(shù)已被成功推往美國(guó)、日本、德國(guó)和法國(guó)等地。非接觸電能傳輸技術(shù)涵 蓋功率變換技術(shù)、電磁感應(yīng)技術(shù)等。大功率方向是非接觸感應(yīng)電能傳輸技術(shù)的難點(diǎn) [1213]。 ? 第二章介紹了非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成，非接觸感應(yīng)電能傳輸?shù)脑砗蛢?yōu)點(diǎn)，討論了一些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并介紹了高頻逆變拓?fù)涞倪x取。此外，可分離變壓器可以保持相對(duì)靜止或運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合 [5]。 (3) 實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)。 （ a）常規(guī)變壓器 （ b）可分離變壓器 圖 變壓器示意圖 可分離變壓器的分類 根據(jù)可分 離變壓器原邊和副邊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同，可以將可分離變壓器分為三類： 靜止式，原邊和副邊保持靜止。因此，可采用平面磁芯 (通常 cL 比非平面磁芯大 )并去掉中柱，來(lái)獲得更大的 cL ，來(lái)提高耦合系數(shù)、同時(shí)減小磁芯的體積質(zhì)量。 圖 給出變壓器在 300kHz 副邊開路條件下的 Ansoft2D 磁場(chǎng)仿真結(jié)果 (原邊 電流3iA? )。 改進(jìn)型磁路模型 結(jié)合圖 (b)給出的磁場(chǎng)仿真結(jié)果，根據(jù)磁通耦合程度可將原邊電流產(chǎn)生的所有磁通分為 3 個(gè)部分，如圖 所示。 圖 磁阻定義示意圖 13 1F 2F1LR 2LR 2LR1MR1MR2MR 2MRMF?MF? MP?MP?1 B?1 B?3LR3LR1A? 圖 非接觸變壓器精確磁路模型 非接觸變壓器的優(yōu)化 變壓器優(yōu)化方法 進(jìn)一步優(yōu)化非接觸變壓器的結(jié)構(gòu)，在提高耦合系數(shù)的同時(shí)減小變壓器的體積質(zhì)量。為了避免漏磁阻減小影響耦合系數(shù)，可增大側(cè)柱部分的磁芯寬度、同時(shí)減小中央 U 部分的磁芯寬度，如圖 (b)所示。 15 圖 非接觸變壓器磁芯結(jié)構(gòu) 16 第四章 非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)全橋串聯(lián)諧振變換器 的電路特性分析 功率變換器的模型 可分離變壓器的等效電路模型 在功率變換電路中，常采用變壓器模型來(lái)描述原、副邊繞組的耦合關(guān)系。圖 中， pV? 、 sV? 分別表示可分離變 壓器的原邊繞組電壓和副邊繞組電壓， pL 、 sL 分別表示可分離變壓器的原邊電感和副邊電感， M 表示可分離變壓器的互感， ω是開關(guān)角頻率，變壓器原、副邊繞組電流 LpI? 、 LsI? 參考方向如圖所示。 原邊補(bǔ)償可以采用串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償兩種方式，如圖 所示。圖 (c)中，補(bǔ)償電容 sC 與變壓器副邊電感 Ls 在頻率諧振處，變換器副邊等效為純電導(dǎo)，輸出電流與負(fù)載無(wú)關(guān)，等效于輸出電流為副邊短路電流的恒流源。 產(chǎn)生高頻電壓（電流）通?？梢圆捎脙煞N方法： SPWM 技術(shù)和諧振變換技術(shù)。帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器如圖 所示， 1S 4S 是開關(guān)管（ IGBT）， PC 是諧振電容（同時(shí)也是變換器的原邊串聯(lián)補(bǔ)償電容）， PL 、 SL 分別是可分離變壓器的原邊電感和副邊電感， M 是可分離變壓器的互感， 1D 4D 是整流二極管， fC 是濾波電容， 0R 是阻性負(fù)載，變換器副邊未加補(bǔ)償電容。 22 V i nC pR eS 1S 2 S 4S 3I l pV a cL pC e 圖 帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器的等效電路 在圖 中，將諧振電容 pC 和反映電容 eC 等效為電容 0C ，可得 ? ?? ?2 224 2 2s L ppeope s p s LL R CCCCCC M L C L R??????????? ?????? （ ） 因此，圖 可以等效為圖 。為了防止變換器的橋臂直通，必須加入死區(qū)時(shí)間，變換器主要波形圖如圖 所示。 開關(guān)模態(tài) 4[ 3t ， 4t ]（如圖 （ d）所示）： 3t 時(shí)刻，關(guān)斷開關(guān)管 1S ， LpI 給開關(guān)管 1S 的緩沖電容 1C 充電，同時(shí)給開關(guān)管 2S 的緩沖電容 C2 放電，在 1C 和 2C 的緩沖作用下， 1S 近似零電壓關(guān)斷。 MOS 管的損耗分為開通損耗、導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗，通過(guò)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通來(lái)減小開通損耗，導(dǎo)通損耗無(wú)法避免，與所選 MOS 管有關(guān)，關(guān)斷損耗在保證能實(shí)現(xiàn)零電壓開通的前提下，使緩沖電容盡量大。 觀察圖 （ b）中 ? ?Ugs 、 ? ?Uds 的波形可以看出，開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓開通。 ? 可以做一些相關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作：對(duì)全橋串聯(lián)諧振變換器構(gòu)成的非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)設(shè)計(jì)的可分離變壓器的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。 謹(jǐn)以此文獻(xiàn)給所有關(guān)心、支持和幫助我的朋友、老師和同學(xué)們！ 最后，向百忙之中審閱此文的專家、 教授們致以深深的感謝！