推挽升壓型耦合電能傳輸系統(tǒng)DC／DC變換器研究

摘要：針對(duì)耦合電能傳輸(CPT)系統(tǒng)中品質(zhì)因數(shù)過(guò)高會(huì)使系統(tǒng)傳輸效率降低的問(wèn)題，提出一種帶推挽升壓變壓器的CPT系統(tǒng)DC／DC變換器，給出了品質(zhì)因數(shù)與電壓放大倍數(shù)的關(guān)系，從而通過(guò)合理選擇初、次級(jí)匝數(shù)比使系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)控制在合適范圍內(nèi)，該變換器還具有驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。基于交流阻抗分析，給出了該變換器的交流等效電路，對(duì)初級(jí)補(bǔ)償電容、輸入輸出電壓特性進(jìn)行了分析計(jì)算。最后，基于實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞：變換器；推挽升壓；阻抗分析；電壓特性

1 引言
CPT技術(shù)具有安全系數(shù)高、靈活性強(qiáng)、易維護(hù)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)車(chē)充電、水下鉆井等場(chǎng)合應(yīng)用廣泛。對(duì)于低壓輸入、高壓輸出的CPT應(yīng)用場(chǎng)合，由于變換器電壓放大倍數(shù)太大，若只利用初、次級(jí)線圈諧振來(lái)進(jìn)行升壓，會(huì)使系統(tǒng)品質(zhì)因數(shù)大大增加，從而增加系統(tǒng)損耗，降低效率。
此處利用推挽變壓器先進(jìn)行一次升壓，升壓輸出的次級(jí)接發(fā)射線圈與補(bǔ)償電容，通過(guò)調(diào)節(jié)推挽電路開(kāi)關(guān)頻率使發(fā)射線圈與補(bǔ)償電容諧振，接收線圈感應(yīng)到電能后通過(guò)整流橋變成所需直流電供負(fù)載使用。由于進(jìn)行了一次升壓，變換器品質(zhì)因數(shù)可大大降低，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該推挽升壓型變換器特別適合低壓輸入的CPT應(yīng)用場(chǎng)合。

2 電路構(gòu)成
2．1 傳統(tǒng)CPT電路構(gòu)成
典型的CPT系統(tǒng)主要由電氣隔離的兩部分構(gòu)成：電能供應(yīng)部分(包含諧振轉(zhuǎn)換器和主傳導(dǎo)回路)和能量接收部分(包含一個(gè)拾取線圈和功率調(diào)節(jié)電路)。圖1示出傳統(tǒng)CPT系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖。

系統(tǒng)采用三相或兩相電源供電，能量變換裝置將工頻電源經(jīng)整流、逆變后變成高頻方波電流提供給初級(jí)回路，高頻方波電流經(jīng)初級(jí)回路諧振網(wǎng)絡(luò)向外界輻射電磁能量，次級(jí)回路拾取線圈感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，能量拾取和調(diào)節(jié)部分將電能調(diào)理后供負(fù)載使用。若做成移動(dòng)形式，就可用于移動(dòng)電子設(shè)備供電或充電；若將電能供應(yīng)部分、能量拾取和調(diào)節(jié)部分都固定，就可形成固定的供電系統(tǒng)。由于電能供應(yīng)部分和能量拾取部分不存在電氣物理連接，故保證了用電的靈活性和安全性。
2．2 帶推挽升壓變壓器的CPT電路構(gòu)成
傳統(tǒng)CPT電路采用工頻整流后的高壓直流作為逆變電路輸入電源，且逆變器輸出直接接發(fā)射線圈，因此傳統(tǒng)CPT系統(tǒng)并不適用于電池、太陽(yáng)能板供電等低輸入電壓場(chǎng)合。圖2示出帶推挽升壓變壓器的變換器電路。其變壓器次級(jí)接初級(jí)發(fā)射線圈Lp和初級(jí)補(bǔ)償電容Cp，Lp，和Cp為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，次級(jí)接收線圈Ls和次級(jí)補(bǔ)償電容Cs為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，M為初、次級(jí)線圈互感，Ls，Cs輸出接整流橋，整流橋輸出接濾波電感Lo、濾波電容Co及負(fù)載Ro，C1，R1，C2，R2組成RC吸收電路，Cs1，Cs2為開(kāi)關(guān)管V1，V2的寄生電容。

推挽變換器中變壓器是雙向勵(lì)磁，相同尺寸的磁芯，推挽變換器可以比正激變換器傳輸更大的功率，利用率高。在工作過(guò)程中，輸入回路只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通壓降，產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗相對(duì)較小，因此特別適用于低壓輸入的電源系統(tǒng)，但也存在會(huì)出現(xiàn)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通關(guān)斷電壓尖峰及啟動(dòng)沖擊電流等問(wèn)題，采用RC吸收電路可減輕尖峰問(wèn)題。由于推挽側(cè)開(kāi)關(guān)管共地，因此驅(qū)動(dòng)無(wú)需隔離。

3 變換器等效電路分析
為減小系統(tǒng)無(wú)功功率容量，提高系統(tǒng)傳輸功率和效率，通常需對(duì)CPT系統(tǒng)初、次級(jí)電感進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)不同可分為電流型CPT系統(tǒng)(PS，PP)和電壓型CPT系統(tǒng)(SS，SP)，其中P為并聯(lián)，S為串聯(lián)，此處變換器采用SP結(jié)構(gòu)。假設(shè)推挽變壓器為理想變壓器，則推挽變壓器次級(jí)輸出電壓，即串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)輸入電壓為：
uT=2Uinnd (1)
式中：n為次級(jí)與初級(jí)的匝數(shù)比；Uin為變壓器初級(jí)輸入直流電壓；d為占空比。
此處取d=0．5，開(kāi)關(guān)頻率為Cp，Lp的諧振頻率f0，則uT為頻率為f0，幅值為nUin，d=0．5的方波信號(hào)。此信號(hào)接諧振網(wǎng)絡(luò)，只有基波分量會(huì)通過(guò)，則基波分量的有效值為：

次級(jí)整流橋輸入端為一并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，諧振頻率為f0。為簡(jiǎn)化分析，根據(jù)正弦等效原理，將變換器次級(jí)整流濾波電路等效為交流負(fù)載RL，則有：
RL=π2Ro／8 (3)
得到uT和RL后，假設(shè)初、次級(jí)線圈內(nèi)阻可忽略，則可得如圖3所示的交流等效電路。其中Zr為次級(jí)反射阻抗，即次級(jí)等效阻抗。

4 初級(jí)補(bǔ)償電容計(jì)算
交流阻抗分析是分析諧振電路阻抗及頻率特性最常用的方法。該方法從頻域角度出發(fā)分析系統(tǒng)，忽略器件開(kāi)關(guān)損耗及初、次級(jí)線圈內(nèi)阻，則有：

由式(7)可知，Cp與RL無(wú)關(guān)，即與Ro無(wú)關(guān)，故此變換器具有良好的負(fù)載適應(yīng)能力。