4基于軟開(kāi)關(guān)范圍的三相磁諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、基于軟開(kāi)關(guān)范圍的三相磁諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)，(南京航空航天大學(xué)、自動(dòng)化學(xué)院，江蘇省 南京市 210016)摘要：在中等傳輸距離無(wú)線電能傳輸(wirelesser transfer, WPT)應(yīng)用場(chǎng)合，多相磁耦合諧振式(magnetically coupled resonant, MCR)因其有效地降低了線圈空間位置對(duì)傳輸功率的限制，成為當(dāng)前最具應(yīng)用前景的技術(shù)之一。本文針對(duì)一種三相 MCR WPT 系統(tǒng)展開(kāi)，建立等效電路模型并對(duì)其進(jìn)行理論分析。在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)三相驅(qū)動(dòng)逆變器開(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)關(guān)(zero-voltage-switching, ZVS)的基礎(chǔ)上，分析了影響 ZVS的，包括輸入電

2、壓相位差、線圈匝數(shù)以及接收線圈相對(duì)發(fā)射線圈的空間位置等。通過(guò)具體不同輸入電壓相位差條件下線圈匝數(shù)、線圈空間位置與 ZVS 的關(guān)系，優(yōu)化設(shè)計(jì)線圈匝數(shù)，保證系統(tǒng)開(kāi)關(guān)管在接收線圈全偏移角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) ZVS。最后，搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)對(duì)理論分析進(jìn)行驗(yàn)證。：磁耦合諧振式；無(wú)線電能傳輸；輸入電壓相位差；線圈匝數(shù)；零電壓開(kāi)關(guān)Optimization of Coils for a Three-Phase Magnetically Coupled ResonantWirelesser Transfer System Oriented by theZero-Voltage-Switching RangeFU Xiewe

3、i, LIU Fuxin(College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)Abstract: Multi-phase magnetically coupled resonant (MCR) wirelesser transfer (WPT) technology hase one of the most promising technologieshemid-range applications, as it effectiv

4、ely reduthe limits of coils s tial locations oner transfer.his per, a kind of three-phase MCR WPT system wasinvestigated and the equivalent circuit mwas built for theoreticalysis. Meanwhile, this peryzed the influential factors on zero-voltage-switching(ZVS) conditions ofer switcheshe driver inverte

5、r, including input voltage phase difference, coil turns and s tial locations of receiving coil.eddiscuss on relationships betn coil turns, s tial locations and ZVS conditions were completed under different input voltage phase difference. Further, coilturns were optimized to ensure theer switches rea

6、lize ZVS with he full range oular misalignment, and the corresponding characteristic of outputerwas derived. Finally, the experiments had been carried out to confirm to the theoreticalysis.Keywords: magnetically coupled resonant; wirelesser transfer; input voltage phase difference; coil turns; zero-

7、voltage-switching出三相MCR WPT 系統(tǒng)中兩矩形線圈處于空間任意位置1 引言時(shí)的互感公式，進(jìn)而了接收線圈空間位置變化對(duì)系近年來(lái)，無(wú)線電能傳輸(wirelesser transfer, WPT)統(tǒng)傳輸特性的影響。文獻(xiàn)13針對(duì)單相 MCR WPT 系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)逆變器進(jìn)行分析，得出該電路拓?fù)淠芊駥?shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管作為一種新興技術(shù)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。它是一種電源側(cè)與負(fù)載側(cè)不直接進(jìn)行電氣連接的能量傳輸方式 1-3?；诜墙佑|的傳輸特點(diǎn)，WPT 技術(shù)顯著提高了設(shè)備的安全性和便捷性，已被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、便攜式移動(dòng)設(shè)備和可植入醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域4-7。零電壓開(kāi)關(guān)(zero-voltage-swi

8、tching, ZVS)和諧振耦合電路有直接聯(lián)系的結(jié)論，但對(duì)如何設(shè)計(jì)諧振耦合電路使系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)逆變器中的開(kāi)關(guān)管工作在ZVS 狀態(tài)，沒(méi)有進(jìn)一步闡述說(shuō)明。然而，上述沒(méi)有探索系統(tǒng)模型與系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)目前，磁場(chǎng)耦合式是無(wú)線電能傳輸領(lǐng)域的主要逆變器軟開(kāi)關(guān)條件之間的聯(lián)系，忽略了對(duì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)逆變熱點(diǎn)，其 聚焦于磁耦合感應(yīng)式(magnetically coupled inductive, MCI) 和磁耦合諧振式(magnetically coupled resonant, MCR)兩個(gè)方向。其中，MCI WPT 受傳輸距離的限制，僅在厘米級(jí)傳輸距離具有高傳輸效率，傳輸距器軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)的。本文了一種三相MCR WPT 系統(tǒng)

9、，利用基波分析法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，分析了旋轉(zhuǎn)偏移角、線圈匝數(shù)、等效輸入電壓相位差的變化對(duì)線圈間互感的影響以及對(duì)離一旦增大，傳輸效率急劇下降。MCR WPT 則在較遠(yuǎn)距系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)的影響?；趯?duì)等效電路模型離仍可以保持較高的傳輸效率。因此，在中等傳輸距離的理論分析，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)線圈匝數(shù)的范圍，保證三相(10-300cm)應(yīng)用場(chǎng)合，MCR WPT 具有更廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)MCR WPT 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不同，可分為單相系統(tǒng)和多相系統(tǒng)。在MCR WPT 系統(tǒng)中，接收線圈相對(duì)發(fā)射MCR WPT 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)逆變器的開(kāi)關(guān)管在接收線圈全偏移角度范圍內(nèi)工作在ZVS 狀態(tài)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論分析的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證

10、。線圈空間位置的變化會(huì)影響線圈之間的互感，進(jìn)而影響2 三相 MCR WPT 系統(tǒng)的建模分析WPT 系統(tǒng)的傳輸效率和輸出功率。相比單相系統(tǒng)，多相系統(tǒng)能有效降低線圈空間位置對(duì)傳輸功率的限制，而且2.1 三相 MCR WPT 系統(tǒng)拓?fù)浔疚乃娜?MCR WPT 系統(tǒng)電路拓?fù)淙鐖D 1所示。系統(tǒng)輸入為直流電壓源，經(jīng)過(guò)半橋逆變器后為每相同傳輸功率等級(jí)下使每相線圈的諧振電流相對(duì)較小。綜合上述優(yōu)點(diǎn)，在高傳輸功率和空間位置劇烈變化的應(yīng)用場(chǎng)合，多相MCR WPT 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯。一相的諧振腔供電，輸出電壓經(jīng)過(guò)倍壓整流得到。LA、 LB、LC 和 LS 分別為 A、B、C 三相線圈和接收線圈的自感， CA、CB、C

11、C 和 CS 分別為 A、B、C 三相發(fā)射端和接收端諧振腔的補(bǔ)償電容，M 表示三相發(fā)射線圈之間的互感， Mx(x=A, B, C)表示接收線圈與發(fā)射線圈之間的互感。ia、 ib、ic 和 is 分別表示流過(guò)三相發(fā)射端諧振腔和接收端諧振腔的電流。文獻(xiàn)8-9了一種發(fā)射線圈為正交式結(jié)構(gòu)的MCRWPT 系統(tǒng)，將線圈空間位置變化定義為接收線圈相對(duì)發(fā)射線圈旋轉(zhuǎn)偏移角度的變化，進(jìn)而分析了旋轉(zhuǎn)偏移角變化對(duì)系統(tǒng)傳輸效率的影響。文獻(xiàn)10提出了一種線圈結(jié)構(gòu)為三葉式的三相WPT 系統(tǒng)，并對(duì)其建立精確的模型以分析系統(tǒng)的電氣性能。文獻(xiàn)11了一種發(fā)射線圈和接收線圈均為三相結(jié)構(gòu)的 WPT 系統(tǒng)，并且將三相模型等效為圖 2 給

12、出了該系統(tǒng)線圈的空間結(jié)構(gòu)布局，系統(tǒng)發(fā)射利于簡(jiǎn)化分析的單相模型。文獻(xiàn)12根據(jù)公式推導(dǎo)線圈設(shè)計(jì)為三相結(jié)構(gòu)，接收線圈設(shè)計(jì)為單相結(jié)構(gòu)，其中發(fā)射線圈由 A、B、C 三個(gè)相同的矩形線圈組成，發(fā)射線2.2 三相 MCR WPT 系統(tǒng)建模圈寬為 l，高為 h，三個(gè)發(fā)射線圈之間的夾角為 60。接收線圈的尺寸與每一相發(fā)射線圈的尺寸相同，軸線與整個(gè)三相MCR WPT 系統(tǒng)采用三相半橋逆變器，每一相橋臂獨(dú)立控制，上下開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通。采用基波分析法發(fā)射線圈中軸線平行，兩者軸線之間的距離為 d。(fundamental harmonicysis, FHA)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，則三相諧振腔的等效輸入電壓為正弦基波分量。圖

13、4給出了基于 FHA 的系統(tǒng)解耦等效電路，三相等效輸入的Q1Q3Q5DR1icD CD CD CCC1 13 3ib5 5CVinCBisBDA ia電壓 u 、u 和 u 表達(dá)式為：CAMCfRLMABCCSxQ2Q4Q6M MDR2u (t) U cos(t )LA LB LCLSAmD2 C2D4 C4D6 C62u (t) U cos(t )圖1 三相MCR WPT系統(tǒng)電路拓?fù)銯ig. 1 Topology of three-phase MCR WPT system(1)Bm2u (t) U cos(t 22)Cmd其中 Um 為電壓最大值， 為諧振角頻率， 為三相輸入相位差，本文采用

14、改變 的相角控制策略。圖 5 給出了系統(tǒng)中 A 相的主要工作波形。vgs1 和 vgs2 分別為 A 相開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，vA 為橋臂中點(diǎn) A 的電壓波形，uA 為vA 基波分量波形，iA 為諧振腔的電流波形。6060ABChll發(fā)射線圈IACAjLIB接收線圈IsLAjLICRPjLILs CSA圖2 三相MCR WPT系統(tǒng)線圈空間結(jié)構(gòu)Fig. 2 Stereogram of the coil configuration+U AjLISIBCAjLIALAjLICRPjLI+U B直流輸入源jLIRW負(fù)載BS發(fā)射端諧振腔接收端諧振腔逆變器整流器ICCAjLIALAjLIBRPjLI+UCjL

15、IC圖3 三相MCR WPT系統(tǒng)框圖Fig. 3 Structure diagram of three-phase MCR WPT systemSRs圖4 三相MCR WPT系統(tǒng)解偶等效電路Fig. 4 Decoupled equivalent circuitMCR WPT 系統(tǒng)框圖如圖 3 所示。系統(tǒng)正常工作時(shí)，接收線圈和發(fā)射線圈需要在相同的諧振頻率下工作，才TSvgs10t能產(chǎn)生高效的能量傳輸通道，因此需要采用串聯(lián)或并聯(lián)vgs2t0vA諧振電容對(duì)線圈進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)發(fā)射線圈和接收線圈選ViniA0 t t tt0 1 23t擇補(bǔ)償方式的不同，系統(tǒng)諧振腔的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)可分為串串t4t5t6t7t8

16、t9型、串并型、并串型和并并型四種。分析表明，當(dāng)發(fā)射圖5 三相MCR WPT系統(tǒng)主要波形Fig. 5 Key waveforms in phase A端和接收端都采用串聯(lián)補(bǔ)償時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的諧振頻率不受發(fā)射線圈電阻和負(fù)載電阻的影響，同時(shí)，折合到發(fā)射基于 FHA，半橋型逆變器橋臂中點(diǎn)輸出電壓的最大端的等效電抗特性均呈純阻性。因此，文中三相 MCRWPT 系統(tǒng)拓?fù)洳捎么脱a(bǔ)償方式。值 Um 為：U 2 V(2)min+ + + +*等效負(fù)載電阻 RW 與系統(tǒng)實(shí)際負(fù)載電阻 RL 的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：互感的大小隨著線圈空間位置的變化而改變，所以有必要建立互感模型并計(jì)算互感值。通過(guò)公式計(jì)算互2感：R R(3)

17、WL 2M 0 NP NS dlP dlS(17)根據(jù)圖 4 所示三相 MCR WPT 解耦等效電路，結(jié)合4rPS電壓定律得：為了便于分析，本文中將線圈空間位置變化定義為UA Z I jMA 接收線圈相對(duì)發(fā)射線圈旋轉(zhuǎn)偏移角度的變化，圖 6 給出了三相 MCR WPT 系統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)的俯視圖。其中 為旋 jM IjMUB UC ZjM(4)B S jM jMC ZIA 轉(zhuǎn)偏移角。I Z I0 jMjMjM(5) B SS ABCIC 起始位置當(dāng)系統(tǒng)處于完全諧振的狀態(tài)下，發(fā)射端和接收端的等效阻抗為：6060C1ZP RP jLP RP(6)jC1終點(diǎn)位置P R jLR R RZ(7)圖6 三相MCR

18、 WPT系統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)俯視圖Fig. 6 Planform of coil configurationSSWSSWjCS為了簡(jiǎn)化表達(dá)式，令TUB UC U U AI I A(8)0 03M0BM0A0 025TIBIC (9)0 02jM ZPjMjMBjM ZP0 015A = jMjM (10) jMB jMA0 01ZP0 005jMC (11)00 20 40 60 80 100 120 140 160 180 ()代入式(4)、(5)化簡(jiǎn)：圖7 單匝接收線圈與發(fā)射線圈互感Fig. 7 Mutual inductance M0 xU A I BT IS(12)(13)0 B I Z Is

19、S如圖 6 所示，接收線圈的位置與整個(gè)發(fā)射線圈中軸根據(jù)上述等式計(jì)算出三相輸入電流 I，輸出電流IS ，輸出功率 Pout 表達(dá)式如下：線平行，始終繞發(fā)射線圈中心點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)且始終保持與虛線圓相切?？紤]對(duì)稱性，旋轉(zhuǎn)偏移角度 為 0180。s B U1I Z Z A B T(14)s由于三相發(fā)射線圈的位置固定，所以發(fā)射線圈之間的互I BZ A B BU1T(15)Ss感 M 為定值。圖 7 給出了單匝情況下接收線圈和發(fā)射線 ReR I IPout(16)W S S圈間互感值 M0 x(x=A, B, C)隨 的變化曲線，其中實(shí)際參數(shù)為：l =22cm，h =30cm，d =25cm。則 N 匝線圈

20、的互感2.3 三相 MCR WPT 系統(tǒng)互感模型分析由式(14)(16)可知，輸入電流、輸出電流和輸出功率估算公式為：均與線圈間互感值緊密聯(lián)系，而接收線圈與發(fā)射線圈間Mx N 2 M0 x(18)互感 (H)A Bd因此，在系統(tǒng)輸入相位差 、旋轉(zhuǎn)偏移角 確定的情管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)相同。對(duì)其余各相橋臂開(kāi)關(guān)管分析，也可況下，結(jié)合式(14)-(16)、(18),圈尺寸確定的情況下，得到相同結(jié)論?？梢詫⑷噍斎腚娏鳌⑤敵鲭娏?、輸出功率與互感的關(guān)上述原理分析說(shuō)明能否實(shí)現(xiàn)三相MCR WPT 系統(tǒng)驅(qū)系轉(zhuǎn)化為與線圈匝數(shù) N 的關(guān)系。動(dòng)逆變器開(kāi)關(guān)管的ZVS 開(kāi)通與諧振電流的相位有關(guān)。若要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)逆變器ZVS 狀態(tài)

21、，則需保證開(kāi)關(guān)管開(kāi)通之前諧振電流滯后于等效輸入基波電壓。3 三相系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)逆變器 ZVS 分析當(dāng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)逆變器的開(kāi)關(guān)管處于ZVS 工作狀態(tài)時(shí)，不僅可以減小系統(tǒng)開(kāi)關(guān)損耗，提高效率，而且系統(tǒng)能避4 三相 ZVS 系統(tǒng)線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)免硬開(kāi)關(guān)所帶來(lái)的諧振電流畸變和電磁干擾。本文選取在具體應(yīng)用場(chǎng)合下，線圈的尺寸是確定的，線圈匝旋轉(zhuǎn)偏移角 =0、輸入電壓相位差 =0時(shí)的情況，對(duì)三數(shù)往往是可變量。本文在給定輸入電壓相位差 的條件相MCR WPT 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)逆變器開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。具體參數(shù)如下：諧振頻率 f0=100kHz，Vin=72V，RL=1，N=14，RP=RS=0.4。下，通過(guò)優(yōu)化線圈匝數(shù) N 的

22、范圍，使系統(tǒng)在全偏移角度 范圍(0180)內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)逆變器開(kāi)關(guān)管 ZVS 開(kāi)通。由式(14)可知，三相輸入電流 ia、ib、ic 的大小和相位與輸入相位差 、接收線圈旋轉(zhuǎn)偏移角 和線圈匝數(shù) N有直接關(guān)系。根據(jù)前文的分析，諧振電流和開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)vgs1,2vvvgs1gs2gs1vgs3,4vvvgs3gs4gs3波形之間的相位差是實(shí)現(xiàn)ZVS 的關(guān)鍵，且由于橋臂vgs5,6vgs5vgs6vgs5ia b cib上下開(kāi)關(guān)管同時(shí)實(shí)現(xiàn)ZVS 開(kāi)通或者硬開(kāi)通，因此只需要對(duì)橋臂上開(kāi)關(guān)管展開(kāi)分析。圖 10 給出了每相諧振電流與t0t1 t2t1 t2圖8 系統(tǒng)主要波形Fig. 8 Key wavefor

23、m of the system上開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形，將兩者之間的相位差 P 定義為軟開(kāi)關(guān)角，則可推導(dǎo)出：Q1Q3Q5 D(19)R1D1 C1D3 C3D5 C5icCCCPx2ViBCBisinbDiaMCfRLACAMxCSQ2Q4Q6其中 x(x=A, B, C)表示每相諧振電流的相位。明顯，當(dāng) P 0，諧振電流相位滯后于等效輸入基波電壓，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)電流流經(jīng)自身寄生體二極管，實(shí)現(xiàn) ZVS 開(kāi)通；相反，M MDR2D2 C2D4C4D6 C6圖9 系統(tǒng)t0時(shí)刻模態(tài)圖Fig. 9 ZVS operation of the topology當(dāng) P 0，則開(kāi)關(guān)管為硬開(kāi)通。圖 8 為 =0和

24、=30時(shí)系統(tǒng)主要工作波形，圖 9 表vv示對(duì)應(yīng)的 A 相上開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)的電路模態(tài)圖。如圖 9 所示，A 相橋臂上開(kāi)關(guān)管 Q1 開(kāi)通之前，由于 A 相諧振電流滯后于等效輸入基波電壓，Q1 的結(jié)電容放電，諧振電流將流過(guò)其寄生二極管。因此，漏源極電壓在 Q1 開(kāi)通時(shí)被箝位在零，實(shí)現(xiàn)ZVS 開(kāi)通。同理，對(duì) A 相橋臂下開(kāi)關(guān)管uuippi(a) 0(b) 0PP圖10 軟開(kāi)關(guān)角P定義Fig. 10 Definition of PQ2 分析Q2 同樣實(shí)現(xiàn) ZVS 開(kāi)通，即同一橋臂的開(kāi)關(guān)*根據(jù)上述分析，、 和 N 將同時(shí)影響軟開(kāi)關(guān)角 P。為了簡(jiǎn)化分析，需在 一定的條件下，對(duì) P 隨 和 N 的變化的情況進(jìn)行

25、理論分析。圖 11 給出 =0時(shí)，A、B、C根據(jù)圖 11 和圖 12，P 的峰值總是在 處于 020、或者 160180范圍內(nèi)取到，且隨著 N 增大，此范圍內(nèi)的 P 峰值越趨近于 0。由于在具體應(yīng)用場(chǎng)合中 變化的不確定性，三相MCR WPT 系統(tǒng)必須保證驅(qū)動(dòng)逆變器開(kāi)關(guān)管在全偏移角度 范圍(0180)內(nèi)實(shí)現(xiàn) ZVS 開(kāi)通?？紤]三相諧振電流的P對(duì)應(yīng)不同N 的條件下隨 變化的曲線。如圖 11 所示，曲線中 P 峰值隨著 N 增大而增大；圖12(a)(c)分別表示 =10、=20、=30時(shí)，A 相諧振電為 P 留取有-5以充分實(shí)現(xiàn) ZVS 狀態(tài)，在不同 情流的 P 對(duì)應(yīng)不同 N 的條件下隨 變化的曲線

26、，同樣可以得出，曲線中 P 峰值隨著 N 增大而增大。同時(shí)，對(duì)比圖況下，選取 P -5臨界時(shí)所對(duì)應(yīng)的線圈最大匝數(shù) Nmax，到系統(tǒng)線圈最大可設(shè)計(jì)匝數(shù) Nmax 隨 變化的曲線。如圖 13 所示，隨著輸入相位差 增大，線圈最大可設(shè)計(jì)匝數(shù) Nmax 減小。當(dāng)輸入相位差 大于 40后，理論上不能在全偏移角度 范圍內(nèi)(0180)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)管 ZVS 開(kāi)11(a)和圖 12，圈匝數(shù)一定的情況下，曲線中 P 峰值隨著 增大而增大。0N=4-60N=4 N=6 N=8 N=10 N=12 N=14 N=19 N=20-10-20-30-40-50-60-70-80-90 0N=6 N=8 N=10 N=1

27、2 N=14 N=19 N=20-65-70通。因此，當(dāng)相位差 (40)確定的情況下，在優(yōu)化的-75-80N值范圍內(nèi)選取合適的線圈匝數(shù) N，均可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)max-85-90 0逆變器開(kāi)關(guān)管ZVS 開(kāi)通。201816141210864220 40 60 80 100 120 140 160 180 ()(a) A相0-10-20-30-40-50-60-70-802040 60 80 100 120 140 160 180 ()(b) B相N=4 N=6 N=8 N=10 N=12 N=14 N=19 N=20-900 20 4060 80 100 120 140 160 180 ()(c)

28、C相0圖11 P隨和N的變化曲線(=0)0 510 152025 30 35 40 ()Fig. 11 Curves of gainst with increasing N when =0圖13 Nmax隨的變化曲線-100-10-20-30-40-50-60-70-80-90 00-10-20-30-40-50-60-70-80N=4 N=6 N=8 N=10 N=12 N=14 N=17 N=20N=4N=12Fig. 13 Curve of Nversus N=6N=14maxN=8N=15N=105 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證-90 020 40 60 80 100 120 140 160 180 ()

29、(a) =100-10-20-302040 60 80 100 120 140 160 180 ()(b) =20-40-50-60-70-80-90N=4 N=6N=8 N=9圖14 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig. 14 Prototype of three-phase MCR WPT system0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 ()(c) =30圖12 A相P隨和N的變化曲線Fig. 12 Curves of P in phase A against with increasing N為了驗(yàn)證理論分析，在搭建了原理樣機(jī)，如圖 14 所示。綜合考慮線圈匝數(shù) N 和輸入電

30、壓相位差 ()()() ()()()Nmax對(duì)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)逆變器ZVS 狀態(tài)的影響，選取 N=14 匝為實(shí)驗(yàn)線圈繞制匝數(shù)。具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表 1 所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，圖 16 中以虛線描繪 =0時(shí) A、B、C 三相軟開(kāi)關(guān)角 P 的實(shí)驗(yàn)曲線，與實(shí)線描繪的理論曲線進(jìn)行對(duì)比。圖 17(a)(b)分別對(duì)應(yīng) =10、=20情況下表 1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)Tab1.rameters of the prototypeA 相的 P 的實(shí)驗(yàn)測(cè)試值與理論值的對(duì)比曲線。實(shí)驗(yàn)曲線趨勢(shì)與理論分析計(jì)算基本吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng) 從 0增加到 20時(shí)，曲線中 P 的峰值明顯變大且都小于實(shí)現(xiàn) ZVS 的臨界條件。因此，實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)逆變器開(kāi)

31、關(guān)管在全偏移角度 范圍內(nèi)(0180)實(shí)現(xiàn)了 ZVS 開(kāi)通。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，如果要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)逆變器開(kāi)關(guān)管ZVS 開(kāi)通，系統(tǒng)線圈匝數(shù)的設(shè)計(jì)范圍將受到系統(tǒng)輸入相位差條件的限制。0-10-20-30-40-50-60-70-800-10-20-30-40-50-60-70-80-90-900 2040 60 80 100 120 140 160 180 ()(a) A 相0-10-20-30-40-50-60-70-800 20 40 60 80 100 120 140 160 180 ()(b) B 相圖15 給出=0情況下的兩種典型位置的系統(tǒng)主要實(shí)驗(yàn)波形。由圖可知，A、B、C 三相發(fā)射線圈的諧振

32、電流均為正弦。開(kāi)關(guān)管 Q1 開(kāi)通之前，iA 諧振電流滯后于等效輸入基波電壓，即流過(guò)其寄生二極管 D1，將 Q1 的漏源極-90 0電壓箝位在零，因此 Q 實(shí)現(xiàn) ZVS 開(kāi)通。20 40 60 80 100 120 140 160 180 ()(c) C 相1圖16 實(shí)驗(yàn)P隨和N的變化曲線(=0)Fig. 16 Experimental curves of P when =00-10-20-30-40-50-60-70-800-10-20-30-40-50-60-70-80(a) =0, =0-90 0-90 02040 60 80 100 120 140 160 180 ()(a) =1020

33、 40 60 80 100 120 140 160 180 ()(b) =20圖17 實(shí)驗(yàn)A相P隨和N的變化曲線Fig. 17 Experimental curves of P in phase A6 總結(jié)本文了一種三相MCR WPT 系統(tǒng)，采用基波分(b) =0, =90圖15 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)主要波形Fig. 15 Experimental waveforms析法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。結(jié)合系統(tǒng)建模分析和系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)逆變器ZVS 分析，得到影響開(kāi)關(guān)管ZVS 開(kāi)通的， ()() ()() ()vgs1:10V/diviC:1 A/diviA:1 A/divi :1 A/divBvgs1:10V/diviC:

34、0 5 A/diviA:0 5 A/diviB:0 5 A/div發(fā)射線圈與接收線圈線圈匝數(shù)N14 匝自感Lx(x=A, B, C)LA=142.12 H LB=143.02 H LC=145.82 HLS=142.67 H補(bǔ)償電容Cx(x=A, B, C)CA=17.82 nF CB=17.71 nF CC=17.37 nFCS=17.8 nF直流輸入電壓Vin72 V系統(tǒng)工作頻率fs100k Hz傳輸距離d25 cm負(fù)載電阻RL5 Implemen ion of a transcutaneous charger for fully implantable middle ear hearin

35、g deviceC. IEEE Conference of Engineeringedicine and Biology Society, 2005: 6813-6816.推導(dǎo)出接收線圈旋轉(zhuǎn)偏移角、線圈匝數(shù)、等效輸入電壓相位差與開(kāi)關(guān)管 ZVS 開(kāi)通條件的關(guān)系。基于此給出了三相 MCR WPT 系統(tǒng)線圈匝數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)范圍，保證系統(tǒng)開(kāi)8Wang Dong, Zhu Yongxin, Guo Hongliang, Zhu Xinen,關(guān)管在接收線圈全偏移角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) ZVS 開(kāi)通。實(shí)驗(yàn)Mo TingTing, Huang Qiyu. Enabling multi-angle wirelesser結(jié)果

36、表明線圈匝數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)范圍與輸入電壓相位差有transmisvia magnetic resonant couplingC. Computing andConvergence Technology, 2012: 1395-1400.Wai M N, Zhang C, Lin D Y, Hui S Y R. Two and Three關(guān)，且隨著輸入電壓相位差增大而減小。最后搭建一臺(tái)9樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致。Dimenal Omnidirectional Wirelesser TransferJ. IEEE參考文獻(xiàn)Tranions oner Electronics, 2014,

37、29(9): 4470-4474.10Hirokazu M, Yasuhiko N, Hideyasu I, Daisuke T, Kouichi I,1趙,. 磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)Ryozo I. Trifoliate three-phase contactless case of winding-aligmentJ. IEEE TranElectronics, 2014, 61(1): 53-62.er transformer inions on Industrial新進(jìn)展J. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2003, 33(3): 1-13.Zhao Zhengming, Zhang Yi

38、ming, Chen Kainan. New progress ofmagnetically-coupledresonantwirelesstechnologyJ. CSEE, 2013, 33(3): 1-13. (in Chiertransfer)11Hirokazu M, Yasuhiko N, Kouichi I, Ryozo I. Mfor aThree-Phase Contactlesser Transfer SystemJ. IEEE2,. 無(wú)線電能傳輸技術(shù)與應(yīng)用綜述Tranions oner Electronics, 2011, 26(9): 2676-2687.J. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(10): 1-11.Huang Xueliang, Tan Linlin, Chen Zhong. Review and research12. 三相磁諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)建模與控制南京. 南京航空航天大學(xué).