基于可调增益恒流/恒压式补偿网络的无线电能传输系统研究

摘要

感应式无线电能传输（Inductive Power Transmission,IPT）技术通过交变的电磁场完成电能从电源侧到负载侧的传输，无直接的电气接触，实现了电气与机械的双隔离，具有安全可靠、环境兼容性强、灵活方便等优势。目前，IPT技术已应用在许多领域，如电动汽车充电、移动电子、LED无线照明等。松耦合变压器是实现磁场耦合无线电能传输的关键器件，非接触传输距离的存在造成变压器漏感较大，因此补偿技术是实现其能量高效传输的关键。针对负载所需的恒定电流或恒定电压，IPT变换器应直接输出与负载无关的驱动电流/电压，避免多级功率变换器。此外，驱动电路还应避免无功功率，减小开关器件应力，实现器件软开关，提高效率。传统四种基本补偿方式下，输出增益多依赖变压器参数，然而变压器参数需要根据系统的输入输出反复迭代设计，过程十分复杂，且在一些距离或者空间位置受限的场合，松耦合变压器参数将很难满足需求。 针对上述问题，本文采用二端口网络理论，提出一族新型恒流/恒压补偿网络，不仅可同时满足以上目标，而且输出增益不再依赖变压器参数，可通过调节补偿网络器件参数灵活调节输出增益，增加变压器设计自由度。针对其中一个可调增益补偿网络，详细分析其电路特性，对无功环流、输出增益、高频分量抑制和软开关实现等问题进行研究，最后采用同一电路结构和变压器分别实现0.5A、1A、1.5A输出的IPT LED驱动电路，实验结果验证理论分析的正确性。该方法亦适用于其他高阶恒流或恒压补偿网络的推导。 此外，本文也将对IPT变换器中的谐波问题进行分析。由于二极管整流桥的非线性，当超出一定负载范围时，IPT变换器进入断续工作模式，基于传统的基波近似法以及输出与负载无关特性已不再适用。针对此问题，本文采用谐波近似法建立IPT谐振变换器的数学模型，对副边整流桥输入电压和电流进行定量分析，揭示波形发生断续的根本原因，给出连续工作模式与断续工作模式之间临界负载点的确定方法。最后，本文建立了两个高阶补偿电路的IPT谐振网络，来验证上述分析，且提出了一种通过增加高次谐波阻抗来扩宽连续工作模式下负载范围的方法。

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