黃雅琪，肖文勛

(華南理工大學電力學院，廣東 廣州 510641)

近年來，無線電能傳輸技術(shù)成為一種備受關(guān)注的傳能方式，其原理是利用線圈的磁耦合結(jié)構(gòu)在諧振狀態(tài)下形成的強耦合實現(xiàn)能量傳遞。目前普遍使用的無線輸電系統(tǒng)主要由以下幾個部分構(gòu)成：AC-DC整流、高頻DC-AC變換、磁耦合結(jié)構(gòu)和負載[1-2]。其中，AC-DC模塊將工頻交流電整流成直流電，供給高頻DC-AC變換模塊作為輸入直流電源。為了進一步提高電能的利用率，AC-DC模塊通常有功率因數(shù)校正的功能。為了增大無線電能傳輸?shù)木嚯x、提高耦合線圈之間的傳輸效率，通常將AC-DC模塊的輸出逆變成高頻的交流電作為發(fā)射線圈的輸入電源。用于無線輸電系統(tǒng)的高頻DC-AC變換器有全橋型、半橋型和E類放大器等拓撲結(jié)構(gòu)。全橋型電路根據(jù)耦合線圈結(jié)構(gòu)的不同又分為電壓源型和電流源型[3-5]。由以上四部分組成的無線輸電系統(tǒng)級聯(lián)較多，不僅增加了系統(tǒng)的成本、體積，還降低了功率密度，同時也使得系統(tǒng)的控制變得較為復雜。

除了改善高頻逆變電路的性能外，改善從工頻交流電到直流電的整流環(huán)節(jié)也是一個選擇。通過將不控整流和Boost PFC優(yōu)化成一個單級電路，也可以大大改善系統(tǒng)的損耗。此外，也有研究將PFC環(huán)節(jié)與隔離型DC-DC變換器優(yōu)化成一個單級電路。文獻[6]和[7]提出了一種只使用一個開關(guān)管的單端準諧振變換器。文獻[8]和[9]用單級Z源電路代替了PFC環(huán)節(jié)，但此種方法仍需保留前級的不控整流電路。文獻[10]提出一種將無橋Boost PFC電路和全橋電路融合在一起的單級諧振變換器，減少了開關(guān)管的數(shù)量并改善了效率。文獻[11-13]研究了一種基于雙向開關(guān)的能量注入式AC-AC直接變換器，但是能量注入式AC-AC直接變換器缺少PFC整流環(huán)節(jié)，并不能保證輸入電流的品質(zhì)。當負載變化導致一次側(cè)諧振網(wǎng)絡頻率發(fā)生變化時，該變換器系統(tǒng)可能會發(fā)生絮亂，因此需要動態(tài)調(diào)頻。

本文提出一種帶有PFC整流環(huán)節(jié)的單級AC-AC諧振變換器，將工頻電源直接變換成發(fā)射線圈的高頻輸入電源，并對應用于SS型拓撲的諧振式無線輸電系統(tǒng)的變換器進行工作模態(tài)的分析。最后，通過實驗驗證了所提出的帶有PFC整流環(huán)節(jié)的單級AC-AC諧振電路應用在無線電能傳輸系統(tǒng)中的可行性。

1 電路拓撲結(jié)構(gòu)及工作原理

單級AC-AC變換器結(jié)構(gòu)如圖1所示。它包括Boost PFC整流電路和DC-AC逆變電路，只是兩個電路共用了兩個開關(guān)器件。同時，由于直流母線電容的存在，可將電路分成兩個環(huán)節(jié)進行分析。以下，首先從一個工頻正半周內(nèi)介紹所提出的電路的工作模態(tài)，為后續(xù)做基礎準備。

圖1 單級AC-AC變換器的電路原理圖Fig.1 Schematics of the single-stage AC-AC converter

圖2為一個工作周期內(nèi)的工作模態(tài)圖。
圖3是變換器工作在輸入電壓處于一個工頻正半周期的模態(tài)圖。其中，Rac為接收端等效交流負載。由于負半波的工作原理與正半波對稱，以下只針對vin>0的情況進行分析，各物理量所選取的參考方向如圖1所示。

模態(tài)1(t0-t1)：t0時刻，二極管D1和開關(guān)管S1正向?qū)?，輸入電壓通過D1、S1對電感Lb充電，由于開關(guān)周期遠大于工頻周期，因此可認為輸入電壓在開關(guān)周期內(nèi)保持不變。由此根據(jù)電感伏安特性可知，電流iLb線性增大。同時，直流母線電容Cd對由諧振電容Cp和諧振線圈Lp構(gòu)成的諧振回路放電，流過開關(guān)管S1的電流為流過儲能電感Lb和原邊諧振電感Lp的電流之和。

模態(tài)2(t1-t2)：t1時刻，開關(guān)管S1關(guān)斷，諧振電流iLp對S2的體電容CS2放電，儲能電感電流iLb和iLp同時對S1的體電容CS1充電。當CS2放電結(jié)束時，S2的體二極管DS2導通，儲能電感Lb經(jīng)Cd和DS2放電，儲能電感Lb電流iLb線性減小。此時，開關(guān)管S1所承受的電壓應力為直流母線電容的電壓值，同時Cp、Lp和DS2構(gòu)成諧振回路，流經(jīng)DS2的電流為電感Lb電流iLb和諧振電流iLp之和。當諧振電流減小至零反向時，模態(tài)2結(jié)束。

模態(tài)3(t2-t3)：t2時刻，諧振電流反向。儲能電感Lb經(jīng)Cd和DS2放電，vin、D1、Lb、Cd、Lp、Cp構(gòu)成諧振回路。由于DS2導通，諧振回路方程不變，原邊諧振電感電流iLp和電容電壓vCp表達式與模態(tài)2相同。當諧振電流iLp增大至等于儲能電感電流iLb時，模態(tài)3結(jié)束。

圖2 一個開關(guān)周期內(nèi)的電路波形圖Fig.2 Operation waveforms of the proposed converter during Ts

圖3 工頻正半周的電路工作模態(tài)圖Fig.3 Operation modes of the proposed converter during positive half line period

模態(tài)4(t3-t4)：t3時刻，諧振電流iLp增大至等于iLb，iDS2減小至零，開關(guān)管S2正向?qū)?，同時由于開關(guān)管反并聯(lián)二極管的鉗位作用，開關(guān)管S2實現(xiàn)ZVS。儲能電感Lb經(jīng)Cd、Lp和Cp放電，Lp、Cp和S2構(gòu)成諧振回路，電感Lb電流iLb繼續(xù)減小，當iLb減小至零時，模態(tài)4結(jié)束。

模態(tài)5(t4-t5)：t4時刻，儲能電感電流iLb減小至零。Lp、Cp和S2構(gòu)成諧振回路，諧振電流iLp等于開關(guān)管S2電流iS2。

模態(tài)6(t5-t6)：t5時刻，開關(guān)管S2關(guān)斷。諧振電流iLp對S1的體電容CS1放電，同時對S2的體電容CS2充電。當CS1放電結(jié)束時，開關(guān)管S1的體二極管DS1導通，Lp、Cp和DS1和電容Cd構(gòu)成諧振回路。由于開關(guān)管S1的體二極管DS1導通，二極管D1正向?qū)ǎ斎腚妷和ㄟ^D1、Cd、Lp、Cp對電感Lb充電電感電流開始增加。同時，由于開關(guān)管S1的體二極管DS1的鉗位作用，在開關(guān)管S1的開通信號來臨時，S1實現(xiàn)ZVS。

由以上分析可知，所提出的電路結(jié)合了無橋Boost PFC和橋式逆變的特點，在任一工作模態(tài)下，電路中導通的半導體器件最多只有兩個，而上下開關(guān)管均能實現(xiàn)ZVS的條件是電感Lb工作在斷續(xù)模式，且必須保證在開關(guān)管導通時發(fā)射端線圈電流的初始值為負。因此，根據(jù)以上的結(jié)論，可以探討相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)的設計。

2 電路關(guān)鍵參數(shù)分析

由上一小節(jié)的分析可知，由于直流母線電容Cd的存在，電路可以簡化成Boost環(huán)節(jié)和LC諧振環(huán)節(jié)進行分析，由此定量分析穩(wěn)態(tài)下對電路工作模態(tài)起決定性作用的參數(shù)。在整個系統(tǒng)中，直流母線電容起到平衡前后兩個環(huán)節(jié)的功率的作用，因此穩(wěn)態(tài)下VCd會達到一恒定值。于是，可將無橋Boost PFC環(huán)節(jié)的輸出電壓視為VCd，而LC諧振環(huán)節(jié)的輸入電壓為VCd。無橋Boost PFC環(huán)節(jié)關(guān)注的是電感Lb的工作狀態(tài)，通過分析電感Lb的平均電流和功率守恒定律，可求得電感Lb的取值范圍。LC諧振環(huán)節(jié)關(guān)注的是負載變化對直流母線電容Cd、電壓VCd的影響，進而分析其對系統(tǒng)整體工作狀態(tài)的影響。

2.1 無橋Boost PFC環(huán)節(jié)分析

根據(jù)無橋boost PFC變換器的工作原理可知，其工作在斷續(xù)模式下可實現(xiàn)開關(guān)管的零電流開通、二極管零電流關(guān)斷。而在所提出的電路中，由于LC諧振環(huán)節(jié)的存在，當PFC環(huán)節(jié)工作在斷續(xù)模式下，可實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通和二極管零電流關(guān)斷。

設穩(wěn)態(tài)時直流母線電容的電壓為VCd，則輸入交流電壓為

vin(t)=Vinsin(ωt)

(1)

此時，根據(jù)伏秒平衡原理可得電感Lb的平均電流

(2)

設輸入交流電壓的幅值與直流母線電容電壓的比值為m，如式(3)所示。

(3)

由式(1)和式(2)可得輸入功率Pin為

(4)

由式(1)和式(4)可得功率因數(shù)PF

(5)

根據(jù)式(4)可以繪出PF的曲線，如圖4所示。從圖4中可以觀察到，m的取值越小，PF越大。但m越小，由式(3)可知，直流母線電容電壓VCd越高，這意味著開關(guān)管的電壓應力會隨著PF的增大而升高。

為了保證無橋boost PFC環(huán)節(jié)工作在斷續(xù)模式下，則有該環(huán)節(jié)的二極管導通時間小于開關(guān)周期，即

(6)

由此，在工頻周期內(nèi)占空比的取值必須滿足下式：

(7)

若定義DDCM=1-m，則由

(8)

可知，在恒定占空比控制下，所給定的占空比小于DDCM時，是無橋boost PFC環(huán)節(jié)工作在斷續(xù)模式的條件之一。

圖4 電壓比值m與PF的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve between voltage ratio m and PF

2.2 諧振環(huán)節(jié)分析

根據(jù)基波分析法和傅里葉級數(shù)展開可知，LC諧振環(huán)節(jié)的基波輸入電壓為：

(9)

在諧振狀態(tài)下，從接收端反射到發(fā)射端的等效阻抗為純阻性，其表達式為：

(10)

因此，由式(9)、(10)和(3)可得輸出功率：

(11)

根據(jù)功率守恒定理，以及式(4)和(11)，并考慮系統(tǒng)效率η，可得電感的表達式為：

(12)

3 實驗結(jié)果

本文所設計的實驗裝置的額定功率為60 W，輸入交流電壓有效值為110 V，頻率為50 Hz。根據(jù)之前的分析可知，當m取為0.5，占空比D為0.5時，開關(guān)管電壓應力為輸入交流電壓峰值的2倍，同時理論PF值為0.99，較為合適。且，系統(tǒng)工作在輸入特性較好的狀態(tài)下時，適當?shù)靥岣甙l(fā)射線圈的回路品質(zhì)因數(shù)，有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。表1列出了系統(tǒng)的設計參數(shù)。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of the system

實驗波形如圖5-7所示。由圖5可知，輸入電流與輸入電壓同相位，實際測得的功率因數(shù)為0.98，且輸出電流穩(wěn)定。圖6為發(fā)射端和接收端線圈的電流波形，發(fā)射端線圈電流有效值為614 mA，接收端線圈電流有效值為7 A，顯示功率傳遞到了接收端。圖7為開關(guān)管的電壓波形，由圖可知開關(guān)管實現(xiàn)了ZVS，開關(guān)電壓應力為320 V，即母線電容電壓值。從圖中可知，輸入電流的有效值為1.15 A，輸出電流平均值為6.16 A，計算可得系統(tǒng)效率為46%。由以上數(shù)據(jù)可知，目前整體系統(tǒng)較低，其一是因為由于線圈本身內(nèi)阻較大，使得磁耦合結(jié)構(gòu)的傳輸效率較低，其二是實驗所選用開關(guān)管型號導通電阻較大，因此開關(guān)管導通損耗較大。

圖5 輸入電壓、輸入電流和輸出電流波形Fig.5 Waveforms of line voltage, line current and output current

圖6 發(fā)射端和接收端線圈電流波形Fig.6 Waveforms of current of primary and secondary coils

圖7 開關(guān)管ZVS電壓波形Fig.7 Waveforms of zero voltage switching

由以上實驗結(jié)果可知，WPT系統(tǒng)實現(xiàn)了較高的功率因數(shù)，并且單級AC-DC變換器實現(xiàn)了ZVS，與理論分析結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

本文提出一種AC-AC諧振變換器，用于SS型諧振式無線輸電系統(tǒng)的高頻激勵源；基于SS型諧振式無線輸電系統(tǒng)，根據(jù)FHA對所提出的電路進行了簡化，得到了恒定占空比控制下的穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的參數(shù)設計依據(jù)。且，所提出的變換器具有以下優(yōu)點：1)帶有PFC整流環(huán)節(jié)的單級AC-AC諧振電路將工頻交流電源直接通過一級電路變換成發(fā)射線圈的高頻輸入電源；2)由于結(jié)合了Boost PFC整流電路和DC-AC高頻逆變的特點，因此具有相對較高的功率因數(shù)；3)結(jié)合了兩級電路，從而減少了功率器件的個數(shù)，相對于傳統(tǒng)的由整流變換器和橋式逆變器構(gòu)成的兩級電路減少了兩個整流二極管和兩個開關(guān)管。