【導(dǎo)讀】盡本人所知，除了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容。水下應(yīng)用等場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用前景。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。針對(duì)非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成，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。相控制的帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器進(jìn)行了電路仿真。最終的仿真結(jié)果能夠滿(mǎn)足。系統(tǒng)的要求，并能夠穩(wěn)定工作，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

　　

【正文】 p o pL L L C R C R L??? ? ? ?? ? ?? ? ? ?? ? ? ? 222 28 0s p p oL L C R?????? ? ????????? （ ） 因此，變換器總存在諧振點(diǎn)使電路發(fā)生諧振。 移相控制帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器的分析 移相控制帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖 所示。開(kāi)關(guān)管 1S 和 2S 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別超前于開(kāi)關(guān)管 4S 和 3S 一個(gè)相位，定義該相位為移相角 ? 。 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。開(kāi)關(guān)頻率高于諧振頻率時(shí)，開(kāi)關(guān)管是零電壓開(kāi)通的，但是開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)卻存在較大的損耗，為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟關(guān)斷，通常給開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容，限制關(guān)斷時(shí)開(kāi)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。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。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)， 變換器有八個(gè)工作模態(tài)，如圖 所示。 V i nC oR eS 1S 2 S 4S 3I l pV a cL pC 4C 2C 1 C 3 圖 加緩沖電容的全橋串聯(lián)諧振變換器的等效電路 開(kāi)關(guān)模態(tài) 1[ 0t ， 1t ]（如圖 （ a）所示）： 0t 時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管 1S 兩端電壓下降到零，電流 LpI流過(guò)開(kāi)關(guān) 管 1S 的反并二極管和開(kāi)關(guān)管 3S ，此時(shí)，可以零電壓開(kāi)通開(kāi)關(guān)管 1S 。該階段，橋臂電 25 壓 acV 保持為零。 開(kāi)關(guān)模態(tài) 2[ 1t ， 2t ]（如圖 （ b）所示）： 1t 時(shí)刻，關(guān)斷 開(kāi)關(guān)管 3S ， LpI 給開(kāi)關(guān)管 3S 的緩沖電容 3C 充電，同時(shí)給開(kāi)關(guān)管 4S 的緩沖電容 4C 放電，在 3C 和 4C 的緩沖作用下， 3S 近似零電壓關(guān)斷。 開(kāi)關(guān)模態(tài) 3[ 2t ， 3t ]（如圖 （ c）所示）： 2t 時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管 4S 兩端電壓下降到零，開(kāi)關(guān)管 3S 兩端電壓上升到 Vin，電流 LpI 流過(guò)開(kāi)關(guān)管 1S 和 4S 的反并二極管，變換器處于能量回饋階段。此時(shí)可以零電壓開(kāi)通開(kāi)關(guān)管 4S 。隨著電流 LpI 方向的改變， LpI 從開(kāi)關(guān)管 S1 和 4S 流過(guò)，變換器開(kāi)始向負(fù)載傳遞能量。 開(kāi)關(guān)模態(tài) 4[ 3t ， 4t ]（如圖 （ d）所示）： 3t 時(shí)刻，關(guān)斷開(kāi)關(guān)管 1S ， LpI 給開(kāi)關(guān)管 1S 的緩沖電容 1C 充電，同時(shí)給開(kāi)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。此后，當(dāng)開(kāi)關(guān)管 1S 兩端電壓上升到 Vin，開(kāi)關(guān)管 2S 兩端電壓下降到零， LpI 流過(guò) 2S 的反并二極管和開(kāi)關(guān)管 4S ，變換器開(kāi)始另一半周期工作，其工作情況類(lèi)似于上述的半個(gè)周期。 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 nC oR eS 1S 2 S 4S 3V a cL pC 4C 2C 1 C 3LpI （ c） （ d） V i nC oR eS 1S 2 S 4S 3V a cL pC 4C 2C 1 C 3 LpIV i nC oR eS 1S 2 S 4S 3V a cL pC 4C 2C 1 C 3 LpI （ e） （ f） 27 V i nC oR eS 1S 2 S 4S 3V a cL pC 4C 2C 1 C 3 LpIV i nC oR eS 1S 2 S 4S 3V a cL pC 4C 2C 1 C 3 LpI （ g） （ h） 圖 移相控制全橋串聯(lián)諧振變換器的開(kāi)關(guān)模態(tài)圖 通過(guò)以上分析可知，開(kāi)關(guān)頻率高于諧振頻率的移相控制全橋串聯(lián)諧振變換器可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)，減小開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾。但是零電壓開(kāi)通是有條件的。 為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通 (如 1S 管 )，當(dāng)開(kāi)關(guān)管 1S 處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)， LpI 必須滿(mǎn)足221423p Lp s inL I C V? ，因此， LpI 要盡量大使得 1C 放完電，二極管 1D 續(xù)流導(dǎo)通，同時(shí) 1C 要選取較小值。開(kāi)關(guān)管的零電壓關(guān)斷是 無(wú)條件實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)殚_(kāi)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。 當(dāng)緩沖電容過(guò)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(kāi)關(guān)管 的零電壓開(kāi)通；當(dāng)緩沖電容過(guò)小時(shí)，開(kāi)關(guān)管的軟關(guān)斷效果變差，關(guān)斷損耗將增加。因此，緩沖電容的大小應(yīng)該綜合考慮。 MOS 管的損耗分為開(kāi)通損耗、導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗，通過(guò)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)通來(lái)減小開(kāi)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(kāi)通的前提下，使緩沖電容盡量大。二極管應(yīng)選導(dǎo)通壓降小的，且要選快恢復(fù)二極管以減小關(guān)斷 損耗。 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。圖 是帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧 振變化器的 saber 仿真圖，圖 是移相控制帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器的仿真波形，仿真參數(shù)為：可分離變壓器原、副邊電感 pL = sL =60uH，耦合系數(shù) K=，諧振電容 pC =，負(fù)載 R=10 歐姆 ,輸入電壓 inV =100V，開(kāi)關(guān)頻率為 50kHz， 28 移相角為 45 度。圖 中從下往上依次是開(kāi)關(guān)管 1S 、 4S 的驅(qū)動(dòng)電壓波形 ? ?1gsVS、 ? ?4gsVS、橋臂電壓波形 acV 、變換器的原、副邊繞組電流 LpI 、 LsI 。從仿真波形可以看出，開(kāi)關(guān)管 1S 開(kāi)通前原邊繞組電流 LpI 流過(guò)開(kāi)關(guān)管 1S 、 4S 的反并二極管，開(kāi)關(guān)管兩端電壓為零，開(kāi)關(guān)管 1S 、 4S實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通。 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(kāi)關(guān)管串聯(lián)的電阻是考慮到開(kāi)關(guān)管具有導(dǎo)通壓降 。 （ a） 29 （ b） 圖 移相控制帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器仿真波 形 觀察圖 （ b）中 ? ?oUC 、 ? ?rIL 的波形可以看出，當(dāng) ? ?oUC =0 時(shí)， ? ?rIL 為最大值；當(dāng) ? ?rIL =0 時(shí)， ? ?oUC 為最大值；所以 oC 、 rL 中的能量相互交換，處于諧振狀態(tài)。 觀察圖 （ b）中 ? ?Ugs 、 ? ?Uds 的波形可以看出，開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通。 改變移相角，觀察其對(duì)變換器相關(guān)特性的影響： 移相角為 90o 時(shí)，其余仿真參數(shù)不變，得到如下仿真波形： 圖 移相角 90o為時(shí)的仿真波形 30 移相角為 45o 時(shí)，其余仿真參數(shù)不變，得到如下仿真波形： 圖 移相角 45o為時(shí)的仿真波形 移相角為 0o 時(shí)，其余仿真參數(shù)不變，得到如下仿真波形： 圖 移相角 0o為時(shí)的仿真波形 由以上三組波形的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)：隨著移相角 ? 的增加，變換器的原邊繞組電壓會(huì)減小，原、副邊繞組電流也會(huì)減小， 由于原邊繞組電壓的減小，導(dǎo)致耦合到副邊的變壓也相應(yīng)減小，造成整流后的輸出電壓也減小， 因此得出結(jié)論：通過(guò)改變移相角 ? 的大小，可以有效地對(duì)變換器的原邊繞組電壓，原、副邊繞組電流， 進(jìn)而對(duì)輸出電壓，輸出功率進(jìn)行控制。 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)。 ? 介紹了非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成，針對(duì)應(yīng)用可分離變壓器實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，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(lèi)的基礎(chǔ)上，對(duì)改進(jìn)型非接觸變壓器的磁路模型進(jìn)行了分析，并給出了非接觸變壓器的優(yōu)化方案。 ? 介紹了可分離變壓器的等效電路模型， 分析了帶可分離變壓器的全橋串聯(lián)諧振變換器的諧振頻率。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。 后續(xù)研究工作展望 本文由于 作者 時(shí)間和水平有限，本 設(shè)計(jì) 還有以下工作有待深入研究： ? 討論了繞組位置和氣隙對(duì)可分離變壓器參數(shù)的影響，得出了變壓器參數(shù)隨氣隙變化的規(guī)律。 ? 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。 ? 對(duì)變換器的原、副邊補(bǔ)償電路進(jìn)行阻抗分析。 ? 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 。 32 參考文獻(xiàn) [1] 電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)充電系統(tǒng)概述 [M]. 北汽新能源 [2] 張巍 ， 陳乾宏 ， S. C. Wong Michael Tse，等 . 新型非接觸變壓器的磁路模型及其優(yōu)化 [J].中國(guó)工程電機(jī)學(xué)報(bào) . 2021， (27):108116. [3] 武瑛，嚴(yán)陸光，黃常綱 ， 等 . 新型無(wú)接觸電能傳輸系統(tǒng)的性能分析 [M]，電工電能新技術(shù) ,2021，22(4), [4] 李宏，感應(yīng)電能傳輸 —電力電子及電氣自動(dòng)化的新領(lǐng)域 [M]，電氣傳動(dòng)， 2021 年第 2 期， [5] 毛賽君，非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究 [D]. 南京，南京航空航天大學(xué)， 2021 [6] ,. Critical Q analysis of a currentfed resonant converter for ICPT applications. Letters,2021,14401441. [7] ,. Pickup transformer for ICPT applications. Letters,2021, [8] ,. Frequency analysis and putation of a currentfed resonant converter for ICPT power supplies. conference on power system technology,2021, [9] Bieler,T.,Perrottet,M.,Nguyen,V.,et al. Contactless power and information transmission. IEEE Transactions on Industry Electronics,2021, [10] Yungtaek Jang,Jovanovic,. A Contactless Electrical Energy Transmission System for PortableTelephone Battery Chargers. 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