无线电能传输DC-AC功率变换器及其频率控制特性研究

摘要

磁耦合谐振无线电能传输系统(RWPT)在传输功率和传输距离上与感应式和电磁辐射式相比有明显的优势。因此RWPT有较大的应用价值。功率变换器是RWPT的重要组成结构，而由外界条件影响引起的系统工作频率偏离固有谐振频率会导致系统的传输功率和效率都下降。本文针对上述内容进行研究。
　　首先，对DC-AC功率变换器建立互感等效电路模型，分析了功率变换器特性和LC谐振电路特点。基于电路中的共振理论和电路模型，从理论和Multisim仿真上分析了不同条件下交流电源频率大小、传输距离和负载大小等因素对传输特性的影响。并且对不同拓扑结构的传输特性也进行研究。最终选用发射端串联、接收端并联的SP拓扑结构作为本课题的设计。
　　其次，通过对频率跟踪的理论上的学习，明确了对RWPT系统进行频率跟踪能使系统工作在固有谐振频率点上，实现更高效率、功率的传输。从理论公式基础上研究SP结构的频率特性。分别对串并的SP拓扑结构进行跟踪原边、跟踪副边和不具有跟踪三种情况的仿真设计，得到在起振的频率和负载发生变化时，只有跟踪原边的情况下系统会回归到固有的谐振频率上。
　　随着高频功率转换器发展，电力电子设备也朝着更高的开关频率发展，开关损耗成为迫切的问题。软开关开关管是有效切换损耗的解决方案之一，通过软开关实现零电流导通和零电压关断。单独考虑逆变电路部分可靠性，分别在硬开关和软开关状态进行电路元件可靠性分析和外界环境干扰的可靠性分析，生成可靠性分析报告。考虑到DC-AC逆变电路部分分别处在硬开关和软开关的状态下时，计算电路元件和外部环境的可靠性，并形成分析报告。报告显示，软开关下的DC-AC转换器的寿命比硬开关的寿命长14％。
　　最后，给出产生驱动脉冲的思路。通过硬件和软件设计，基于SAEJ2954标准85kHz传输频率，采用频率跟踪无线电能量传输实验平台，点亮白炽灯，并通过明暗的白炽灯变化验证理论。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 磁耦合谐振式无线电能传输的发展

1．2．1 RWPT国外发展现状

1．2．2 RWPT国内研究现状

1．2．3 国内外研究进展总结

1．2．4 相关技术标准

1．3 未来研究展望

1．4 课题主要内容和工作

第二章 磁耦合谐振式无线电能传输DC-AC功率变换器研究

2．1 引言

2．2 磁耦合谐振式无线电能传输功率变换器

2．2．1 DC-AC逆变电路

2．2．2 LC谐振电路

2．2．3 磁耦合谐振无线电能传输谐振耦合模型

2．3 无线电能传输原理仿真

2．4 传输特性受条件影响的研究

2．4．1 传输特性在不同交流电源频率下的变化

2．4．2 传输距离不同情况下传输特性变化

2．4．3 负载大小对传输特性影响

2．5 不同谐振拓扑的传输特性比较

2．6 本章总结

第三章 磁耦合谐振式无线电能传输频率跟踪控制研究

3．1 引言

3．2．1 频率跟踪原理研究

3．2．2 SP拓扑RWPT数学模型建立

3．2．3 SP拓扑RWPT的频率特性

3．3 频率跟踪控制仿真验证

3．3．1 SP拓扑频率跟踪的仿真研究

3．3．2 SP拓扑频率跟踪仿真结果

3．4 本章小结

第四章 软开关和可靠性分析

4．1 引言

4．2 软开关和硬开关

4．3 软开关仿真实现

4．4 可靠性

4．4．1 各元器件的工作失效率计算

4．4．2 电路总失效率和寿命

4．5 小结

第五章 实验设计和结果

5．1 引言

5．2．1 脉冲分析思路

5．2．2 频率跟踪思路

5．3 硬件电路设计

5．3．1 电路整体设计

5．3．2 DC／AC逆变电路设计

5．3．3 驱动电路设计

5．3．4 发射电路和接收电路设计

5．3．5 电流信号检测和调理

5．4 实验结果

5．4．1 驱动脉冲和全桥逆变主电路实验研究

5．4．2 基本的WPT实验研究

5．4．3 频率跟踪控制实验研究

5．5 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 课题总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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