基于开关可控电容和半控整流桥的功率源型感应式耦合电能传输系统

黄智聪 邹博维 黄振威

基于开关可控电容和半控整流桥的功率源型感应式耦合电能传输系统

黄智聪 邹博维 黄振威

（华南理工大学吴贤铭智能工程学院 广州 511442）

该文提出一种单级功率源型感应式耦合电能传输（ICPT）系统，该系统的输出功率在负载发生变化时可以保持恒定。相较于传统电流源型或电压源型ICPT系统，该ICPT系统具有可编程配置的功率源输出能力，实现更宽的输出范围，可以兼容适配不同规格电池模组或超级电容充电。该功率源型ICPT系统在一次侧采用LCC补偿结构，二次侧包括串联一个开关可控电容（SCC）以及一个半控整流桥（SAR）。该文还提出一种协同控制SCC和SAR的方法，实现ICPT系统二次侧工作在谐振的状态，以及可以通过配置二次侧等效负载阻抗实现可调输出功率。由于控制方案是基于固定工作频率和二次侧实时调节，所以无需一次、二次侧无线反馈通信。此外，该单变换器级ICPT系统的开关器件始终工作在软开关模式，减少了开关损耗。最后，通过对ICPT系统进行仿真分析和实验验证，证明了ICPT系统及其控制方法的可行性。

感应式耦合电能传输 恒功率 开关可控电容 半控整流桥 宽输出范围

感应式耦合电能传输（Inductive Coupled Power Transfer, ICPT）是一种新兴技术，无需任何物理接触，即可无线传输电能。该技术通过一个松散耦合的磁感应链接将电能从系统一侧传输到另一侧。由于负载端和供电端不存在直接的电气接触，无裸露的金属接插件，消除了火花和电击风险[1-2]，不受恶劣天气的影响，更加安全可靠。因此，ICPT技术潜在应用领域众多，包括消费电子、医疗电子、水下充电和电动汽车等[3-8]。

针对ICPT变换器输出特性的研究，国内外众多学者从补偿电路设计出发，以恒定或近似恒定的电压增益、跨导、跨阻或电流增益为目标[9-12]，使得ICPT变换器具有电流源或电压源输出特性，不受负载变化的影响。相比于传统的SS（一次侧串联- 二次侧串联）型、SP（一次侧串联-二次侧并联）型、PS（一次侧并联-二次侧串联）型、PP（一次侧并联-二次侧并联）型补偿拓扑，LCC-S型补偿网络具有如下优点：①一次侧采用LCC拓扑结构，形成一个导抗网络[13-14]，一次线圈获得恒流激励，因此二次侧感应电压与耦合系数呈线性单调递增关系，便于二次侧的设计和控制[15]。②二次侧采用S型拓扑结构，一方面减少二次侧元器件数量、降低负载端设备质量；
另一方面获得电压源型输出。基于上述优点，LCC-S型ICPT变换器被广泛研究和应用。

一般而言，利用补偿结构的固有输出特性，ICPT变换器可以作为电流源和电压源工作，通过增加多级变换器以实现对电池的先恒流后恒压充电策略。文献[16]在谐振变换电路的前级和后级分别加入了一个DC-DC变换器，通过调节逆变器前和整流桥后的直流母线电压1,dc和2,dc来进行系统增益控制。这种采用两个DC-DC变换器的方法将控制复杂度进一步降低，谐振变换电路在轻载或大偏移范围下的传输效率得到提升。文献[17]采用改变谐振变换电路的输入电压in和逆变器的工作频率来实现恒流-恒压的输出控制。文献[18]在谐振变换电路一级的后端级联了两路交错并联的Boost型变换器来降低输出电流纹波。但是增加额外的变换器会使得系统传输效率低，且体积增大。为此，越来越多的学者开始研究单级ICPT变换器。单级ICPT变换器可以通过跳变工作频率点[19-20]，或通过切换补偿电路[21-24]，实现从电流源到电压源输出的切换，两种控制设计都较为简单。文献[25]进一步提出采用高阶补偿电路，通过补偿参数优化设计，摆脱松耦合变压器参数对输出特性的束缚，可以自由设计电流源和电压源的输出幅值。而为了抑制松耦合变压器发生位置偏移的影响，文献[26]则提出复合补偿电路，在发生位置偏移的情况下，ICPT变换器依然能够取得近似于电流源或电压源输出特性。

然而，一旦松耦合变压器和补偿电路的参数固定以后，ICPT变换器固有的电流源和电压源输出特性不可调，因而输出电压电流范围受限，在实际应用中仍有很大局限性。ICPT变换器的输出特性曲线示意图如图1所示。ICPT变换器的最大传输容量取决于松耦合变压器[27]，理想情况下不考虑无功影响，存在一个额定的最大输出有功功率，如图1虚线所示。利用ICPT变换器固有的电流源或电压源输出特性，允许的最大输出电压电流范围受限于额定功率，分别如图1a的阴影区域和图1b的阴影区域所示。考虑到负载变化，这就需要额外的前端变换器或后端变换器来调节输出功率。文献[28-29]提出级联DC-DC变换器，通过占空比控制调节改变电压源或电流源的输出幅值，但是增加额外变换器会导致损耗、体积和成本的增加。而文献[30]提出使用有源整流电路代替级联DC-DC变换器，虽然可以减少一级变换器，但是硬开关的调制方式造成效率不高的问题不可忽视。同时，通过图1的对比可知，当ICPT变换器工作在电流源或电压源模式并应用于电池充电，仅额定工作点达到最大功率。而如果把ICPT变换器设计成功率源型系统并采用恒功率充电，可以一直维持最大功率充电。因此，单变换器级功率源型ICPT系统具有研究意义。

图1 ICPT变换器的V-I输出特性曲线

为了使ICPT系统在负载发生变化时可以保持恒定的输出功率，本文提出并探讨了一种单变换器功率源型ICPT系统的构造和控制方法。可编程恒功率无线传能系统的原理如图2所示，该ICPT系统的一次侧采用LCC补偿，在二次侧串联一个开关可控电容（Switched-Controlled Capacitor, SCC）和一个半控整流桥（Semi-Active Rectifier, SAR）。本文还提出了一种二次侧协同控制的操作方法，通过控制开关可控电容的控制角和半控整流桥的导通角，具有与负载传输特性无关和系统零相角（Zero Phase Angle, ZPA）特性工作的优点，配置二次侧等效负载阻抗实现可编程恒功率输出，可以兼容适配不同规格电池模组或超级电容充电等工况。该控制方案基于固定工作频率和二次侧实时调节，无需无线反馈通信。此外，该单变换器级ICPT系统的开关器件始终工作在软开关模式，减少了开关损耗。最后，本文对所提单变换器级功率源型ICPT系统进行了仿真分析和实验验证，证明其可行性。

图2 可编程恒功率无线传能系统的原理

1.1 系统结构

1.2 半控整流桥建模

式中，等效电阻和相应的电抗分别为

图3 半控整流桥的开关序列和工作波形

式中，L为电池或超级电容的等效负载。

除非另有标注，否则在本文的其余部分中，表示由其下标部件的相应电抗。

1.3 开关可控电容

图4 开关可控电容的开关序列和工作波形

据研究，SCC可以通过考虑S和SCC的基波分量来计算[35-36]。SCC的等效容抗计算得

图5 SCC的等效电抗与控制角

1.4 等效电路模型

图6中，SCC和eq在二次侧中提供容性电抗，它们可以由二次侧等效补偿电容S,eq表示，其电抗满足

图6 系统的交流等效电路模型

因此，由图6电路可得

系统谐振频率等于逆变器工作频率，二次侧通过控制开关可控电容的等效容值可以使得二次线圈电感S与半控整流桥产生的电抗稳定在串联谐振状态，二次侧等效阻抗为纯电阻，控制方法将在第2.2节中详细介绍，因此各电路补偿参数通常满足

2.1 可编程式恒功率输出

进一步地，可以得到所提系统的输出功率O为

式中，下标RMS表示该相量的有效值。

将式（14）代入式（15）中，可得

当负载电阻L大范围变化时，即L∈[L,min,L,max]，为了保持系统输出功率O,ref恒定，通过调节半控整流桥等效为匹配的参考负载eq,ref，即满足

图7 不同负载下可编程恒功率输出与导通角的关系

图8 与负载无关输出特性和ZPA特性的可编程恒功率输出的控制方法

2.2 开关可控电容与半控整流桥协同控制

表1 ICPT系统的基本参数

Tab.1 Basic system parameters

图9 开关可控电容与半控整流桥协同控制的仿真结果

图10 不同负载电阻值下的输出功率PO和对应导通角的关系

2.3 控制框图及协同控制的实现

图11 可编程恒功率无线传能系统的二次侧控制

图12 无线传能系统实验平台

3.1 稳态模型验证

图13 交流输入以及直流输出实验结果

图15 稳态下系统的效率实验结果

进一步测量系统在变负载过程中的效率变化情况，绘制系统效率的曲线，如图16所示。

图16 变负载过程中系统效率实验结果

3.2 负载变化时的瞬态响应

在第2.3节中介绍的闭环二次阻抗协同控制方案在DSP中实现，用于恒功率充电和保证整个充电过程中的ZPA特性。设置恒功率输出O,ref=50W，图17中显示了当负载突变时的瞬态波形。系统输出功率O由O和O相乘来计算。从图中可以看出，由于O受到所提控制策略的调制，在负载发生突变的时刻，O未见明显漂移，系统响应时间较快，稳定性强。

图17 负载阶跃变化时的实验结果

3.3 可编程式恒功率输出验证

如图18a所示，设置的参考输出功率O,ref=40W。而考虑到实际器件的损耗等因素，在实验中相应的输出功率在38.6W时近似恒定，完全在可以接受的范围内。对比图18a～图18c可知，在同样负载L变化的范围内，输出功率可以实现不同等级的恒功率输出，并且系统响应快、稳定性高。实验结果验证了所提系统的可编程式功率源输出特性。

本文提出了一种单级功率源型ICPT系统，在整个传能过程实现可编程式的恒功率输出。提出了一种新的调制方法：通过控制SCC的控制角和SAR的导通角，结合了与负载无关的传输特性和系统ZPA特性的优点，是实现可编程配置恒功率输出的简单解决方案。所提系统能最大限度地拓宽单级ICPT变换器的输出电压电流范围，兼容适配不同电池模组或超级电容的充电要求。所提ICPT变换器的工作频率是固定的，只在二次侧采用简单的PI控制来实现可编程式恒功率输出，控制无需无线反馈通信。同时所有开关器件都实现了ZVS，减少系统开关损耗，优化了系统效率。

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Programmable Constant-Power Inductive Coupled Power Transfer System Based on Switch-Controlled Capacitor and Semi-Active Rectifier

（SHIEN-MING WU School of Intelligent Engineering South China University of Technology Guangzhou 511442 China）

This paper proposed a single-stage inductive coupled power transfer (ICPT) system with constant power (CP) outputs against load variation. Compared with conventional ICPT systems with constant current or constant voltage output characteristics, CP output characteristics can maximize the output power capability of the ICPT system, which is suitable for battery or supercapacitor charging applications. The proposed ICPT system uses an LCC compensation structure on the primary side and a switched-controlled capacitor (SCC) in series with a semi-active rectifier (SAR) on the secondary side. This paper also proposed a coordinative control method for the SCC and SAR to achieve a resonant secondary side of the ICPT system and adjustable output power by configuring the equivalent load impedance of the secondary side. Since the control scheme is based on a fixed operating frequency and real-time regulation on the secondary side, no wireless feedback communication is required. Moreover, all power switches realize soft-switching to reduce switching losses. Finally, simulation and experiment verify the correctness and feasibility of the proposed model and method.

Inductive coupled power transfer, constant power, switch-controlled capacitor, semi- active rectifier, wide output range

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220915

TM724

国家自然科学基金（52007067）、广东省自然科学基金（2022A1515011581）和广州市基础研究计划（202102020381）资助项目。

2022-05-26

2022-08-038

黄智聪 男，1987年生，博士，副教授，研究方向为无线电能传输机理及应用。E-mail: zhiconghuang@scut.edu.cn（通信作者）

邹博维 男，1996年生，博士研究生，研究方向为无线电能的传输技术。E-mail: wizoubowei@mail.scut.edu.cn

（编辑 陈 诚）