【正文】 。本章最后部分介紹了整流逆變電路，推導(dǎo)了交流等效電 阻與直流電阻的關(guān)系。通常情況下，為避免同一橋臂上下兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，造成橋臂直通短路，將 一組開關(guān)管設(shè)置死區(qū)時(shí)間，這樣輸出方波占空比不再為50%，即輸出交流電流中不可避免 要出現(xiàn)直流分量。,幵關(guān)管關(guān)斷時(shí)承受反向電壓為163。 半橋逆變電路中，輪流導(dǎo)通VTdDVT2，輸出為交流方波，幅度為五，幵關(guān)管關(guān)斷時(shí) 承受反向電壓為五，因分壓電容的存在，輸出交流電流中不含直流分量。r]上變化時(shí)，上式修正為：計(jì)算電壓％的直流輸出平均值％為：對(duì)于由全橋整流器和濾波電容組成的整流電路，討論分析其交流等效阻抗與直流 阻抗昊的關(guān)系。在正負(fù)半周，輸入電流方向相反且波形對(duì) 稱，平均值為0，即直流分量為0。 171。為簡(jiǎn)單分析計(jì)，假定可控晶閘管的觸發(fā)角均為0。sin((uth晶閘管VTdDVT2組成一 對(duì)橋臂，乂丁3和165。輸入w,為正弦交流電壓，有效值為[/,，有u39。實(shí)際上很少采用此種電路, 僅作理論上的分析研宄。r]上變化時(shí)，輸出電壓將更低。輸入電壓％為正弦交流電壓，輸出電壓％為負(fù)載端電壓，％、的波形圖如下 。，只考慮負(fù)載為純電阻情況。 整流與逆變電路 整流電路本節(jié)只簡(jiǎn)單討論單相整流與逆變電路，三相整流逆變與本課題研究無(wú)關(guān)，不再贅述。 在SS補(bǔ)償方式下，有可能出現(xiàn)頻率分叉現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)電路時(shí)必須予以避免。本課題研宄的鋰電池?zé)o線充電平臺(tái)系統(tǒng)中，負(fù)載為直流充電回路，要求電源為恒流源， 對(duì)比上述補(bǔ)償方式，可知唯一滿足要求的補(bǔ)償方式為SS補(bǔ)償方式。雙邊補(bǔ)償時(shí)，原邊的并補(bǔ)電容將 極大地使相關(guān)參數(shù)的計(jì)算復(fù)雜化，而且均與線圈寄生電阻相關(guān)，忽略時(shí)造成較大計(jì)算誤差。副邊串聯(lián)時(shí)會(huì)出現(xiàn)頻率分叉現(xiàn)象，副邊并聯(lián)時(shí)原邊又不可能諧振，起不到補(bǔ)償作用。上文詳細(xì)分析了單邊補(bǔ)償四種方式以及雙邊補(bǔ)償?shù)乃姆N方式，每種補(bǔ)償方式都具有各 自的特點(diǎn)。此時(shí)，式（253)簡(jiǎn)化為一個(gè)純電阻，結(jié)果如下：原邊繞組電流為：分析副邊繞組電流情況，可知關(guān)系式滿足式（243),這里不再列寫相同方程，直接 給出結(jié)果如下：可知，負(fù)載電流與原邊繞組電流同相位，電流大小與負(fù)載本身有關(guān)，無(wú)恒流源特性。 PP補(bǔ)償時(shí)，副邊電路與SP補(bǔ)償時(shí)一致，由上文分析結(jié)果可知，副邊阻抗Z2與式(238)有相同形式，忽略繞組寄生電阻后，解得副邊補(bǔ)償電容值為(：2=—|一，為最簡(jiǎn)形式。計(jì)算公式復(fù)雜，涉及變量較多，在 對(duì)負(fù)載電流需要精確控制的場(chǎng)合，不宜采用PS補(bǔ)償方式。忽略繞組寄生電阻后，上式簡(jiǎn)化為：可以得出：上式（250)與式（228)形式一致，即PS雙邊補(bǔ)償電壓增益特性與副邊單邊串聯(lián) 補(bǔ)償電壓增益特性一致，可知，原邊補(bǔ)償電容并聯(lián)時(shí)，對(duì)電路的電壓增益不構(gòu)成影響。由上文分析可直接得出副邊諧振補(bǔ)償電容值為C2 —，副邊阻抗為Z2 =r2 + RL,(o L2二次側(cè)反應(yīng)阻抗為z丨，則一次側(cè)阻抗為：r2+RL整理為實(shí)部加虛部的形式，如下：令上式虛部為0，解得原邊補(bǔ)償電容值為：過(guò)補(bǔ)償，即令原邊補(bǔ)償電容值為最簡(jiǎn)形(:,=4一，這種情況下，原邊阻抗不再為純電阻，0)1^可見，補(bǔ)償電容值與負(fù)載和互感存在關(guān)系，使電路不具有靈活性。二次繞組電流比一次繞 組電流滯后一定相位角，滯后角度與二次側(cè)電路品質(zhì)因數(shù)相關(guān)。 負(fù)載中流過(guò)的電流與原邊電流同相位，但大小與負(fù)載本身有關(guān)，不再為恒流源。 r2 w r, w 0 ,上式可繼續(xù)簡(jiǎn)化為：分析SP補(bǔ)償特性。 r2 171。此種補(bǔ)償方式適用于恒流負(fù)載場(chǎng)合，如充電回路。雙邊諧振時(shí)，上式（233)簡(jiǎn)化為：進(jìn)一步得出如下式：可見，在SS補(bǔ)償方式下，補(bǔ)償電容具有最簡(jiǎn)形，原、副邊在同一頻率下同時(shí)工作于 諧振態(tài)，負(fù)載電流不受負(fù)載大小影響，成為恒流源。分析SS補(bǔ)償特性。括號(hào)中第一個(gè)字母代表原邊，第二個(gè)字母代表副邊，S表示串聯(lián)補(bǔ)償，P 表示并聯(lián)補(bǔ)償。所以，無(wú)線傳輸?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)，一般采用雙邊補(bǔ)償 方式，單邊補(bǔ)償只做理論性研究，或者用于負(fù)載固定的特殊場(chǎng)合，這里不再贅述。上文討論了單邊補(bǔ)償?shù)乃姆N方式：原邊串聯(lián)、原邊并聯(lián)、副邊串聯(lián)、副邊并聯(lián)。不同之處只在LC諧振回路內(nèi)部，串聯(lián)時(shí)發(fā) 生電壓諧振，并聯(lián)時(shí)發(fā)生電流諧振。 分析副邊單邊并聯(lián)補(bǔ)償特性?？梢钥闯?，原邊 k諧振只有在副邊電路滿足一定條件下才可能實(shí)現(xiàn)，而且，補(bǔ)償電容值不唯一，導(dǎo)致系統(tǒng)出 現(xiàn)多個(gè)諧振點(diǎn)，即頻率分叉現(xiàn)象。補(bǔ)償電容為：此時(shí)一次側(cè)阻抗為感性阻抗，如下式所示：系統(tǒng)電壓增益為：考慮原邊諧振，此時(shí)有式（224)的虛部為0,解補(bǔ)償電容方程如下所示：其中/^171。分析副邊單邊串聯(lián)補(bǔ)償特性。不同的是，電壓增益只 與電路參數(shù)和頻率相關(guān)，與頻率成雙曲線關(guān)系。 分析原邊單邊并聯(lián)補(bǔ)償特性。電路穩(wěn)定性較 差，不具有靈活性。艮由M = k^I；，々為耦合系數(shù)，解上式，得出補(bǔ)償電容的取值為：當(dāng)負(fù)載為純電阻，即^=0時(shí)，上式簡(jiǎn)化為：上式與式（212)聯(lián)立，解得：電路工作于諧振狀態(tài)，即式（28)虛部為0，電路阻抗為純電阻，艮P:當(dāng)負(fù)載為純電阻，即義時(shí)，上式簡(jiǎn)化為：可見，采用原邊單邊串聯(lián)補(bǔ)償方式時(shí)，在電路參數(shù)確定后，需設(shè)定電路的工作頻率， 據(jù)此確定補(bǔ)償電容值。2. 分析原邊單邊串聯(lián)補(bǔ)償特性。補(bǔ)償電路是通過(guò)增加補(bǔ)償電容C,使之與線圈的等效電感L 構(gòu)成LC諧振電路，從而提高傳輸能力，增大功率因數(shù)。雙邊補(bǔ)償則在原邊和副邊都裝設(shè)補(bǔ)償電路。補(bǔ)償電路有單邊補(bǔ)償和雙邊補(bǔ)償之分。當(dāng)副邊線圈置于平臺(tái)區(qū)域上，要求不同位置耦合性能一致。它直接決定了繞組的傳輸效率和系統(tǒng)的靜態(tài)功耗，在多負(fù)載應(yīng)用場(chǎng) 合，原邊線圈的性能直接決定了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另一種可行的設(shè)計(jì)方案，將原邊線圈制作成PCB線圈。 14本文研宄的鋰電池?zé)o線充電平臺(tái)，就是采用上圖所示的螺旋線圈。，這種變壓器完全由兩組螺旋線圈耦合而成，直 觀上更像互感繞組。只有當(dāng)負(fù)載為純 電阻或者阻抗角很小時(shí)，頻率與效率之間存在較為明顯的關(guān)系。 需要指出的是，為了減小線圈的功耗，要求等效內(nèi)阻rp 〃2盡可能小，分析電路時(shí)通常為了簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)〃1=〃2171?？傻脗鬏斝蕿椋?分析上式，在電路工作狀態(tài)確定的情況下，即々、矣、n、rM、amp。整理得出可知，一次側(cè)相當(dāng)于電源，二次側(cè)相當(dāng)于負(fù)載，整個(gè)二次回路對(duì)一次側(cè)電路的影響可 以用一個(gè)等效阻抗$來(lái)表示，見下式。先討論傳輸效率/7與工作頻率/的關(guān)系。、么分別為線圈的端電壓，〃2分別為繞組的等效內(nèi)阻，amp。 12下標(biāo)為1代表一次側(cè)，即原邊，能量發(fā)射線圈，下標(biāo)為2代表二次側(cè)，即副邊，能量 接收線圈。將可分離變壓器等效為兩個(gè)具有 $磁耦合關(guān)系的線圈，當(dāng)一、二次側(cè)繞組相對(duì)距離變化或中心偏移或相對(duì)位置變化時(shí)，表 現(xiàn)為耦合系數(shù)即互感值的變化。實(shí)際上，使用T型等效電路分析仿真可分離變壓器，僅適用于特殊場(chǎng)合，例如可 分離變壓器帶鐵芯或磁芯，氣隙很小，而且氣隙固定，一、二次側(cè)繞組無(wú)相對(duì)位移，變壓 器工作狀態(tài)無(wú)較大變化[31]。在仿真可分離變壓器時(shí)，當(dāng)耦合系數(shù)改變時(shí)，將引起以上兩個(gè)量變化，且變化量不直觀，導(dǎo)致計(jì)算公式繁瑣，通常為分析簡(jiǎn)單計(jì)，不考慮該種建模方法。 T型等效電路適用于變壓器對(duì)稱、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。變壓器二次側(cè)折算后，常用T型等效電路表示。 EE55型可分離高頻變壓器 對(duì)可分離變壓器的建模分析[18_22]，通常有兩種近似模型：普通變壓器的T型等效電路 模型和互感線圈模型[354G]。 頻可分離變壓器的幾種磁芯類型。根據(jù)互感線圈有無(wú)磁芯，可分為兩類：有磁芯的和無(wú)磁芯的。通常來(lái)講，單邊式和雙邊式都能達(dá)到 控制要求，從控制精度來(lái)看，雙邊式更有優(yōu)勢(shì)，但電路更為復(fù)雜，設(shè)計(jì)成本高。需要指明的是，雙邊式控制方式中，反饋信號(hào)必須由副邊無(wú)線傳輸至原邊接收，具體方式可根據(jù)適用場(chǎng)合確定，比 如光電耦合、紅外傳輸、射頻，或者載波調(diào)制等，這樣，原邊至副邊能量的傳輸，副邊至 原邊信號(hào)的反饋，都通過(guò)無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)，使得無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)具有了名副其實(shí)的意義。這種方法電路簡(jiǎn)單，易于實(shí) 現(xiàn)，但功耗較大，效率偏低，也歸結(jié)為單邊控制方式[17】?？刂菩盘?hào)取自原 邊繞組的電流或電壓，反饋至原邊開關(guān)電路，與基準(zhǔn)值作比較，從而調(diào)節(jié)輸出功率，改變 傳遞到副邊的電能，間接調(diào)節(jié)負(fù)載端電壓或電流，稱之為單邊反饋控制方式。這是無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的主電路框圖，不同應(yīng)用場(chǎng)合，系統(tǒng)的電路組成會(huì)不一樣，控 制電路也不相同。直流電源提供電能，經(jīng)過(guò)DC/AC逆變電路 轉(zhuǎn)化為高頻交流電，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償電容，進(jìn)入能量發(fā)射線圈，即可分離變壓器的原邊，經(jīng)過(guò)電 磁耦合作用，可分離變壓器副邊接收到高頻交流電能，副邊的補(bǔ)償電路與副邊繞組構(gòu)成諧 振電路，濾掉高次諧波，感應(yīng)出正弦基波電能供給后續(xù)電路。也 可以有多個(gè)用電回路，供給多個(gè)負(fù)載，形成一對(duì)多的供電系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)室條件下，直接采 用直流電源，再逆變?yōu)楦哳l交流電，提供給原邊能量發(fā)射線圈，所以圖中未給出原邊電路 的整流部分。補(bǔ)償電容容量的選擇跟補(bǔ)償方式也有關(guān)，依據(jù)電路的工作頻率，適當(dāng)選擇補(bǔ)償電容值, 使能量傳輸電路工作在LC諧振狀態(tài)或準(zhǔn)諧振狀態(tài)，此時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)最大，接近于 1，傳輸效率最高。可分離變壓器系松耦合，漏磁通很大，導(dǎo)致整個(gè)電能傳輸系統(tǒng)的功率因數(shù)低下，能量傳輸效率低?？煞蛛x 變壓器因氣隙較大，導(dǎo)致能量傳輸效率低下，為提高能量輸送效率，通常提高交流頻率， 采用高頻交流電，而不再是我國(guó)市電規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)50Hz。電能是利用電磁耦合原理從可分離變壓器的原邊傳遞到副邊，因此所傳遞的電能只能 為交流電能。也就是說(shuō)，負(fù)載端和電源端在機(jī)械上仍連在一起，負(fù)載端和電源端不存在相對(duì)位 移。無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)以可分離變壓器為核心【16】[33]，正是可分離變壓器的存在，將傳統(tǒng)電 能傳輸?shù)碾娏骰芈贩指顬閮蓚€(gè)回路，從而實(shí)現(xiàn)電氣隔離。而且，無(wú)線電能傳輸方式大大簡(jiǎn)約了電路布 線，節(jié)約空間，美化環(huán)境，正因如此，對(duì)無(wú)線電能傳輸技術(shù)的研究己經(jīng)成為近年來(lái)的研究 熱點(diǎn)[12_15]。感應(yīng)耦合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)以可分離變壓器為核心，將傳 統(tǒng)電能傳輸?shù)囊粋€(gè)電流閉合回路，調(diào)整為兩個(gè)獨(dú)立的電流回路，即原邊電路和副邊電路， 也稱之為能量發(fā)送端和能量接收端，從而實(shí)現(xiàn)了電源與負(fù)載之間真正意義上的電氣隔離。2感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)拓?fù)溲芯?傳統(tǒng)的電能傳輸方式，是利用金屬導(dǎo)線、插頭和插座等將電源和負(fù)載連接起來(lái)，構(gòu)成 一個(gè)完整的電流回路，從而傳輸和消費(fèi)電能。5) 系統(tǒng)采用市電220V交流為供電電源，需要先整流，再高頻逆變，送入能量發(fā)射線圈， 需要整流模塊和斬波模塊。3) 在設(shè)置系統(tǒng)工作頻率時(shí)，需要考慮到頻率分叉現(xiàn)象并予以避免，而且要考慮電壓增益 特性，補(bǔ)償電路的電壓應(yīng)力，得出系統(tǒng)工作時(shí)最優(yōu)頻率范圍以及原邊線圈的自感參數(shù)?；诒疚牡难绣衬康模ㄟ^(guò)對(duì)課題的深入分析，多負(fù)載感應(yīng)耦合式鋰電池?zé)o線充電平臺(tái)的開發(fā)過(guò)程中，總結(jié)出如下幾個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，需要特別注意：1) 原邊能量發(fā)射線圈采用平面線圈，在最優(yōu)L參數(shù)下合理布局線圈的形狀位置，使得高 頻逆變電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)盡可能在有效區(qū)域內(nèi)均勻分布。全橋變換器采用ZVZCS軟開關(guān)技術(shù)，并詳 細(xì)分析了 ZVZCS下的原邊電路的工作原理。3)設(shè)計(jì)多負(fù)載鋰電池充電平臺(tái)，給出系統(tǒng)原理框圖，以兩負(fù)載為例，推導(dǎo)了原邊恒壓時(shí)、 原邊恒流時(shí)，原邊線圈的輸出功率隨負(fù)載電阻的變化關(guān)系，具體到鋰電池充電平臺(tái)系 統(tǒng)電路，給出了原邊恒流的控制方案，并與最大傳輸功率控制方案作比較，原邊恒流 實(shí)現(xiàn)了副邊線圈的解耦控制。采樣原邊電流，實(shí)時(shí)控制電流大小，利用鎖相環(huán)使工作點(diǎn)處于諧振狀態(tài)，最大 效率傳輸功率。對(duì)補(bǔ)償方式的分析是重點(diǎn)。根據(jù)此研宄目標(biāo)，可將本課題的主要研宄工作細(xì)分如下：1) 構(gòu)建低功率感應(yīng)耦合式無(wú)線充電系統(tǒng)的電路拓?fù)?，?duì)可分離變壓器進(jìn)行特性分析，根 據(jù)充電平臺(tái)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)原副邊感應(yīng)耦合線圈，對(duì)其磁場(chǎng)特性進(jìn)行分析。本文研宄的鋰電池?zé)o線充電平臺(tái)，設(shè)計(jì)負(fù)載最多為3個(gè)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)電池的無(wú) 線充電，,考 慮整機(jī)的電能傳輸效率，設(shè)定可接受最小值為60%，則能量發(fā)送端輸出功率最大值約為 10W。同時(shí)提 高整機(jī)的電能傳輸效率。2010年，海爾采用MIT的無(wú)線電能傳輸專利開發(fā)出全球 首款無(wú)尾電視，電視的通信信號(hào)和電力供應(yīng)均采用無(wú)線方式進(jìn)行供給，實(shí)現(xiàn)了高清電視的 真正意義的無(wú)線傳輸[4]。在2011年無(wú)線充電技術(shù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體驗(yàn)會(huì)上， 桑菲、海爾等中國(guó)企業(yè)向大家展示了集成應(yīng)用Qi標(biāo)準(zhǔn)的電子產(chǎn)品。截止2011年9月，WPC擁有來(lái)自行業(yè)各個(gè)細(xì)分 市場(chǎng)的96個(gè)成員，深圳桑菲消費(fèi)通信有限公司為聯(lián)盟發(fā)起單位之一，積極參與了 Qi的制定工作，現(xiàn)為聯(lián)盟10家常務(wù)理事成員中唯 家中國(guó)企業(yè)[6】。也有學(xué)者_(dá)制作了微 型化電車，采用無(wú)接觸供電方式，原邊無(wú)芯線圈作為導(dǎo)軌，副邊采用E型鐵心線圈，工作 時(shí)在原邊導(dǎo)軌上滑動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電車在模擬軌道上行駛，效率為50%[5]。通過(guò)采樣原邊電流來(lái)進(jìn)行鎖相控制，使得在3?4mm的傳輸距離 內(nèi)，輸出電壓維持4V不變[5]。利用感應(yīng)耦合無(wú)線電能傳輸方式實(shí) 現(xiàn)相同的傳輸效率，[4】。 —站式充電平臺(tái)同時(shí)給多個(gè)設(shè)備充電（來(lái)源：cityU)香港理工大學(xué)的王軍華博士對(duì)感應(yīng)耦合無(wú)線電能傳輸和磁諧振耦合無(wú)線電能傳輸進(jìn) 行了對(duì)比研究。相比而言，香港、臺(tái)灣地區(qū)對(duì)無(wú)線電能傳輸?shù)难绣掣鼉A向于實(shí)用化。如西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)、重慶大學(xué)、 南京航空航天大學(xué)以及中科院電工所等。（來(lái)源：iSuppli) 5中國(guó)大陸地區(qū)對(duì)無(wú)線電能傳輸?shù)难绣称鸩奖容^晚，目前仍主要集中在理論研宄上。另外蘋果公司也有意推動(dòng)自家標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)線充電協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)入多元競(jìng)爭(zhēng)的格局。（來(lái)源：Splashpower)2008年底成立了無(wú)線充電聯(lián)盟（WPC),諾基亞、三星、德州儀器、飛利浦、美國(guó)國(guó) 家半導(dǎo)體等世界知名公司均已加盟，2010年制定出Qi標(biāo)準(zhǔn)[6]，已有認(rèn)證產(chǎn)品問(wèn)世。87 Mobility公司的NPF產(chǎn)品展示（來(lái)源：Mojo Mob