沈術凱 高強 李志超

摘 要：針對磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)中負載變化或外部干擾會導致系統(tǒng)輸出電壓的急劇變化，引起系統(tǒng)整體性能下降、失去穩(wěn)定等問題，以SS型諧振網(wǎng)絡拓撲結構為例，提出了一種基于移相調(diào)節(jié)原理的恒壓控制策略。該策略根據(jù)零電壓軟開關（ZVS）移相工作原理與諧振回路建模理論，推導出逆變器驅動信號移相角與系統(tǒng)輸出電壓的參數(shù)表達式，在負載電阻發(fā)生變化的情況下，通過調(diào)節(jié)逆變器驅動信號相位，從而可實現(xiàn)系統(tǒng)輸出電壓的恒定。仿真和實驗結果表明，該移相控制策略的控制器結構簡單，避免了繁瑣的參數(shù)計算和復雜的電路結構;在相同條件下，使用移相恒壓控制的閉環(huán)系統(tǒng)能夠解決負載突變時所引起的系統(tǒng)輸出電壓失穩(wěn)的問題，對負載具有更好地適應性。

關鍵詞：移相控制;無線電能傳輸;恒壓控制;磁耦合諧振

磁耦合諧振式無線電能傳輸技術（Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transmission）是一種新型的電能傳輸技術，即用電設備以非接觸的方式從電網(wǎng)端取電并傳輸給用電設備的技術，該技術具有安全、高效等優(yōu)點[1，2]。

在WPT系統(tǒng)的發(fā)展中，越來越多的問題顯現(xiàn)出來，尤其是系統(tǒng)對于負載的變化或擾動而隨之產(chǎn)生的系統(tǒng)輸出特性變化十分明顯，從而使WPT系統(tǒng)失去穩(wěn)定而無法可靠地進行無線電能傳輸，因此必須對系統(tǒng)進行恒壓運行控制。在實際的WPT應用中，能夠對系統(tǒng)輸出進行調(diào)節(jié)的控制策略主要分為兩種，一是在發(fā)射端的逆變器前段串聯(lián)一個DC/DC變換器，通過改變輸入到逆變器的能量，達到調(diào)節(jié)接收端輸出的作用[3，4]，二是通過改變電路拓撲結構來實現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓輸出[5，6]，但這兩種無疑增加了系統(tǒng)的體積和硬件開發(fā)成本，使系統(tǒng)的電路結構變得更加復雜，降低了系統(tǒng)效率和魯棒性。

綜合以上分析，本文基于移相控制策略設計WPT系統(tǒng)，拓撲結構采用SS型，工作模式為零電壓軟開關（ZVS）工作模式。其中，移相控制采用閉環(huán)控制策略，自適應系統(tǒng)參數(shù)的變化，對系統(tǒng)進行穩(wěn)定輸出控制，達到恒壓的目的。

1 移相控制的WPT系統(tǒng)

目前的WPT系統(tǒng)主要有四種拓撲結構，即串聯(lián)（SS），串并聯(lián)（SP），并聯(lián)-串聯(lián)（PS），并聯(lián)-并聯(lián)（PP）[7]。SS拓撲是最常見的補償類型之一，并且已廣泛應用于各種無線電能傳輸系統(tǒng)，而且SS結構的串聯(lián)諧振與耦合系數(shù)和負載條件無關。因此本文使用SS型拓撲結構的WPT系統(tǒng)作為移相控制的控制對象。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 全橋逆變WPT系統(tǒng)

SS型WPT系統(tǒng)拓撲電路結構如圖2所示，其中，Ui為直流輸入電源，供給四個開關管工作，全橋逆變電路由四個開關管Q1-Q4組成，Q1、Q2組成超前橋臂，Q3-Q4組成滯后橋臂;上橋臂為Q1、Q3，下橋臂為Q2、Q4;D1-D4為續(xù)流二極管;開關緩沖電容為C1-C4;發(fā)射端串聯(lián)諧振回路由Lp、Cp組成，接收端串聯(lián)諧振回路由Ls、Cs組成;D5-D8構成整流電路，Cf為濾波電容;RL為直流負載。

左側采用發(fā)射端電路結構，發(fā)射端部分主要由直流電源、全橋逆變電路、補償電容和諧振網(wǎng)絡組成。右側為接收端部分，接收端線圈用來耦合發(fā)射端線圈發(fā)出的磁場能，轉化為右側的電能，然后，由二極管構成的無源整流器可以將感應電能轉換為直流電能以供給負載。此外，諧振補償電容用于補償發(fā)射端和接收端，以增強功率傳輸容量并提高效率。

1.2 移相控制方法的基本原理

圖2所示的WPT系統(tǒng)只是傳統(tǒng)的拓撲結構，該結構不能進行電壓調(diào)節(jié)，這意味著當負載發(fā)生變化時，負載輸出將產(chǎn)生極大的變化，而本文提出的恒壓移相控制方法，可以通過控制移相角實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)節(jié)。

移相控制策略下的WPT系統(tǒng)橋臂占空比d為[8]：

通過分析式（2）可知，Ui為系統(tǒng)輸入直流電源，電壓值為固定值，逆變器輸出電壓有效值Up只受移相角θ控制。因此，當接收端直流負載發(fā)生變化時，對逆變器開關管驅動脈沖移相角θ進行控制調(diào)節(jié)可以逆變器注入到發(fā)射端串聯(lián)諧振網(wǎng)絡的能量，從而調(diào)節(jié)接收端耦合到的能量，最后可以達到實現(xiàn)WPT系統(tǒng)負載輸出電壓恒定的目的，即恒壓移相控制。

當系統(tǒng)工作于穩(wěn)定狀態(tài)下，此時不能忽略死區(qū)時間Td，假設系統(tǒng)只工作一個周期，在這一個周期內(nèi)可以將系統(tǒng)的工作狀態(tài)分為10種[9]，各種狀態(tài)的分析如下：

在0～t0時刻，ip為反向電流，此時Q1和Q4關斷、Q3導通，ip流經(jīng)D1;在t0時刻時，up電壓為零，Q1觸發(fā)脈沖S1的上升沿到來，Q1在此時刻被觸發(fā)導通，實現(xiàn)ZVS啟動。

（1）工作狀態(tài)1（t0～t1）。在t0～t1范圍，由于Q1和Q3導通、Q2和Q4關斷，Ui無法流通被阻斷在外，ip只能通過D1和Q3續(xù)流。此時間段的系統(tǒng)工作狀態(tài)為續(xù)流狀態(tài)。

（2）工作狀態(tài)2（t1～t2）。因為不能忽略死區(qū)時間，因此把死區(qū)時間作為一種工作狀態(tài)來分析，t1～t2這一時間段即為死區(qū)時間Td，在Td時間內(nèi)，Q3的觸發(fā)脈沖S3在t1時刻為下降沿，Q4的觸發(fā)脈沖S4在t2時刻為上升沿，所以在Q4導通前Q3已在t1時關斷。但是由于保護電容C3的作用，Q3兩端電壓并不會發(fā)生突變，因此可以近似認為Q3在t1時刻實現(xiàn)ZVS關斷。在此時間段內(nèi)，電流ip為反向，C3為充電狀態(tài)，C4為放電狀態(tài)。為保證電流ip能夠連續(xù)，C3需完全充電至電壓為Ui，C4將電量完全釋放至電壓為零。

（3）工作狀態(tài)3（t2～t2′）。在t2時刻，ip反向流過D4且在死區(qū)時間內(nèi)up斜升，Td時間極短，因此可認為Q4在t2時刻實現(xiàn)ZVS導通，在t2～t2′范圍內(nèi)，Q1和Q4為導通狀態(tài)，Q2和Q3為關斷狀態(tài);電流ip為反向，流經(jīng)Q1和Q4并對直流電源Ui進行放電，這種系統(tǒng)狀態(tài)稱為能量回饋狀態(tài)。

（4）工作狀態(tài)4（t2′～t3）。發(fā)射端諧振網(wǎng)絡電流ip在t2′過零點，t2′以后時刻ip換相，此時電流為正方向，直流電源Ui開始作為電源經(jīng)Q1和Q4向發(fā)射端諧振網(wǎng)絡注入能量，此時的系統(tǒng)狀態(tài)為能量注入狀態(tài)。