电力电子技术
Power Electronics
第55卷第1期
2021年1月Vol.55, No.l January 2021
杜凯军 麦瑞坤2，余进1
(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛266111；
2.西南交通大学，电气工程学院，四川成都610031)
摘要：为了降低磁耦合谐振式无线供电系统中的线圈损耗，提升系统的能量传输效率，提出了一种基于半桥逆 变器的无线供电系统，该系统可在不影响电压增益的条件下对系统发射线圈和接收线圈中的电流大小进行优 化。同时提岀了通过调节半桥逆变器导通占空比，使系统电流分配和能量传输效率达到最优的控制方案。实验
表明，所提出的电路拓扑和效率优化方案可有效提升无线供电系统的传输效率。关键词：无线供电；半桥逆变器；效率优化
中图分类号:TM724 文献标识码：A 文章编号：1000-100X (2021)01 -0060-03
Research on Efficiency Optimization of Wireless Power Supply System
Based on Half-bridge Inverter
DU Kai-jun 1, MAI Rui-kun 2, YU Jin 1
(LCRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111 , China)
Abstract : To decrease the power loss in the coils of magnetically coupled resonant wireless power supply system and
improve the system efficiency , a wireless power supply system based on half-bridge inverter is proposed. T he proposed system can optimize magnitude of the currents in both transmitter coil and receiver coil , while the system voltage gain
is not affected.Meanwhile , the control scheme for further optimizing the system efficiency by regulating the duty cycle
食物模型of half-bridge inverter is proposed . Experimental results show that the proposed circuit topology and control scheme
can effectively improve the transmission efficiency of the wireless power supply system.
Keywords : wireless power supply ； half-bridge inverter ； efficiency optimization
Foundation Project : Supported by National Key R & D Program of China (No.2017YFB 1201003)
双电源控制器1引言
无线电能传输（WPT ）技术借助空间中的能量 载体（如电场、磁场、微波等），将电能由电源侧传 递到负载侧。其中，磁耦合谐振式WPT 技术作为 一种安全、可靠的非接触式供电技术，可解决传统
有线电能传输设备的诸多缺陷，避免了传统拔插 系统存在的接触火花、漏电等安全问题，并使人类
应用电能的方式更加灵活。目前，该技术已被广泛
应用于人体植入医疗设备、感应式加热器、电动车
以及手机等移动设备的无线充电平台it 。
在目前的磁耦合谐振式WPT 系统中，发射端
通常采用全桥逆变器，接收端则采用全桥整流器 以实现电磁能量的转换与接收。同时，为了扩大用
电设备的可充电范围，系统发射线圈的尺寸往往
会大于接收线圈的尺寸，这将导致发射线圈需要
基金项目：国家重点研发计划（2017YFB1201003）定稿日期：2020-05-28
作者简介：杜凯军（1989-），男，山东青岛人，硕士，工程 师，研究方向为轨道交通列车新型供电技术。
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更多的线材及更大的线圈内阻。发射线圈内阻过 大将会增加发射线圈中的损耗，极大地影响WPT 系统的供电效率11。
在此提出了一种基于半桥逆变器的WPT 系 统，并在接收端采用倍压整流器，在保证系统传输
增益的条件下，降低发射线圈中的电流，进而降低
发射线圈的功率损耗。同时，给出了所提出的WPT 系统效率优化方法，通过调节半桥逆变器及Buck- Boost 变换器的占空比，以优化发射线圈和接收线 圈中的电流比，降低线圈中的功率损耗。理论分析
和实验均验证了所提出的电路拓扑结构及效率优
化方法的有效性，为磁耦合谐振式WPT 系统的设 计提供了良好的参考。
2基于半桥逆变器的无线供电系统原理
2.1基于半桥逆变器的无线供电系统结构
所提出的磁耦合谐振式WPT 系统主要包含 以下几个部分：半桥逆变器、磁耦合谐振网络、倍 压整流器.Buck-Boost 变换器及负载。整个系统模
型如图I 所示，y 和V2分别为半桥逆变器的两个
基于半桥逆变器的无线供电系统效率优化研究
MOSFET,C V1和Cv2为其并联电容，半桥逆变器的
开关频率为/；vd，和VD2为倍压整流器的两个二
极管，Ca和Cym为其并联电容，仏为整流器输出
侧支撑电容;V C,VD…和厶为Buck-Boost变换器的
开关管、二极管和续流电感,Buck-Boost变换器的
开关频率为/;C<]为Buck-Boost变换器输出侧支
撑电容，心为系统负载电阻。磁耦合谐振网络采
用LCL-S拓扑,L P,L S分别为发射线圈和接收线圈
的自感；心和E分别为发射线圈和接收线圈的寄
生电阻；M为两线圈之间的互感；厶,C’和q为发
射端的谐振补偿网络；G为接收端的谐振补偿电
容;/?町为倍压整流器直流输出侧等效负载大小。
半桥逆变器磁耦合谐振网络倍压整流器Buck-Boost 变换器
图1基于半桥逆变器的WPT系统拓扑图
Fig.1Diagram of WPT system based on half-bridge inverter
2.2系统工作原理
磁耦合谐振网络釆用LCL-S拓扑结构，其交流侧的等效电路图如图2所示。
图2基于LCL-S拓扑的WPT系统等效电路模型Fig.2Equivalent circuit of WPT system based on LCL-S topology
当忽略线圈损耗及开关损耗，且系统工作在完全谐振状态时，由基尔霍夫定律，可列出系统方程：
u,=jwL^p
■订（jaC”）=j®ML（1）
式中：3为逆变器的工作角频率，3=2寸认为逆变器输出电流仏为发射线圈中的电流；i.为接收线圈中的电流。
由式（1）可以解出发射线圈与接收线圈中的电流大小为：
ip=s/（j®厶）（2）
E=Mui/（厶出』
对于半桥逆变器和倍压整流器，其直流和交流侧的电压关系式满足：
f uj=VT[2sin（tt Z））-1]t/^/Tr（3）
\u2=（VT/tt）（1-d）VJd-UJ
式中：血为系统输入电压；。为半桥逆变器的占空比；d为Buck-Boost变换器的占空比。
联立式（2）和式（3）可得系统输出电压%及整流器交流输入侧等效负载R叽的表达式为：
〃皿=M[2sin（irD）-1[厶（1-d）]（4）
R町=2仇（1-4）2/（十巧（5）由式（3）可知，当半桥逆变器的占空比约为50%（HP50%）,Buck-Boost变换器占空比也约为50%（即d=50%,Buck-Boost变换器输出增益为1）时，半桥逆变器和倍压整流器的直流侧和交流侧的电压关系式为：
J U[=y/2U&W（6）
lu2=\A2~sTl UJ f
由式（6）可得，相较于全桥逆变器，半桥逆变器在同样的输入电压&条件下，其交流侧电压s （逆变器输出电压）则为采用全桥逆变器时的一半。在发射端的LCC补偿参数和M不变时，必和接收端感应电压如（整流器输入电压）也为采用全桥逆变器时的一半，这将有利于改善能量传输效率。
在倍压整流器的作用下，其整流器输出侧的电压S为采用全桥整流器条件下的2倍。此时，可得%与U&的关系式为：
U M=MUJL r（7）由式（7）可知，在半桥逆变器和倍压整流器共同作用下，系统输出电压增益与采用全桥逆变器和全桥整流器时相同。
3效率优化策略
在忽略系统开关管管损和辐射损耗的条件下，系统损耗主要由磁耦合谐振回路中的无功元件寄生电阻所造成。其中，发射线圈和接收线圈的寄生内阻远大于其他无功元件，是影响WPT系统能量传输效率的主要因素。系统效率可表示为：
犷U0Ri⑻
L〃<「/心也2心+・沉I>由式（8）可知，在输出功率恒定条件下，必和匚的大小满足下式时，系统效率可以达到最优：
（9）将式（3）和式（5）回代入式（2），可得到必和i.关于D和d的表达式为：
i_A/T[2sin（iTD）-l]匕
「j讪1（10）
粉尘收集,ls_VTLRi（i_d）2“
由式（10）可知，可以通过调控D和d的大小，在保证系统输出电压和功率的同时，对必和i”进行优化，从而优化系统效率。
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第55卷第1期
2021年1月Vol.55 , No. 1January 2021
由式（4）可得，为在人和乩.不变的情况下保 证 %的恒定，d 和D 需满足：
厶t/z+MUkQsin （nD ） -1 ]
将式（11）代入式（10），可将式（10）化为:
虫[2血（丁0）-1]（4p juw 厶
<
■ V2tt L,U^
.L2M/?L 〃dc[2sin （iTD ）-l]
（11）
（12）
将式（9）与式（12）联立求解，即可得到当系统
效率达到最优点时，D 的取值0”为：
garcsm]于瓷「+川m （13）
此时,d 的取值心为：
g 亿皿+必必专屠门「（⑷
4 实验验证
为验证所提出的基于半桥逆变器的无线供电
系统理论分析及效率优化策略的正确性，搭建了
一套原理样机。系统包括直流电压源、半桥逆变 器、磁耦合谐振网络、倍压整流器.Buck-Boost 变
换器、负载及相关控制器，系统相关参数为：（4= 200 V, 〃皿=200 V,/=85 kHz , C V] =C V2=C vdi =^ =
12 jiF，厶=50.1 |iH,C r =70.1 nF，心=480.1 jjl H,C p =8.2 nF，厶= 149.8 jxH,G=23.4 nF,/?, =593.5
196.2 mQ 忆= 100 kHz,M =50.4 p.H,C L =940 jjl F,L c =60.2 jjl H , G=940 jjl F 。
同时，准备一套全桥逆变器和全桥整流器用
于对照实验。
4.1全桥逆变器系统效率测试
设置&=200 V,d=50%，将全桥整流器和全 桥逆变器接入主电路。此时，％ = 200 V 。调节R l , 即可对不同功率条件下的系统效率进行观察和记
录。设置心=1500，此时系统输出功率约为250 W,
此时u, ,L,u 2和•波形如图3所示。
压整流器接入主电路，设置/）=50%，此时,U 』200 V o 调节R l ，对不同功率条件下的系统效率进 行观察和记录。设置心=150 J1，此时系统输出功率
约为250 W，此时的u,,i r ,u 2和匸波形如图4所示。
s
'
a o o m
<4
//（5 ys/格）
图4实验波形2
4 Experimental waveforms 2
对比图3,4可知，采用半桥逆变器和倍压整
流器时，⑷和如约为采用全桥逆变器和全桥整流
器时的一半，同时i ”和匚则变为采用全桥逆变器
和全桥整流器时的2倍。
4.3优化半桥逆变器的效率测试
设置&=200 V,d=50%，将半桥逆变器和倍压 整流器接入主电路，在不同心条件下，按照式（13）
和式（14）对D 和d 进行设置，使系统输出电压维
持在200 V 左右，并对不同功率条件下的系统效
率进行观察和记录。设置乩=1500，此时系统输
出功率约为250 W，此时的和i *波形如
图5所示。
"（5ys/格）
"J -4P A]问-：麻
X Lb ：kr h
/!、丿 kj lw
/.j U
-J LxJ]
L ® LX.
图5实验波形3
Fig. 5 Experimental waveforms 3
对比图4,5可知，通过调节D 和d，可进一步
优化4和i.的大小，从而改善系统效率。
4.4效率对比分析
系统效率随输出功率变化趋势如图6所示。
//（5 ps/格）
图3实验波形1
Fig. 3 Experimental waveforms 14.2半桥逆变器系统效率测试
打孔文件夹设置&=200 V,d=50%，将半桥逆变器和倍
图6系统效率随输岀功率变化趋势
Fig. 6 System efficiency versus with output power
对比3种实验条件下不同传输功（下转第75页）
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电机模拟器的设计、仿真与实现
用模块化编程的思想编写程序，软件便于调试、修改和调用。系统的软件设计主要包括主程序、中断程序和控制程序。主程序主要完成系统运行前的一些初始化与准备操作，其功能包括DSP控制系统的初始化、通用输入/输出初始化、DSP中专用寄存器的初始化、中断服务程序设置和定义全局变量等；
中断程序是软件和硬件驱动事件，它使CPU暂停当前工作，并转而执行中断服务子程序，等待中断服务子程序完成后，CPU又回到刚才停下来的地方继续执行；控制程序则根据控制原理来计算输出PWM控制信号。其整流侧与逆变侧变流器的软件主程序流程图分别见图10a,b。
(a)整流侧变流器主程序(b)逆变侧变流器主程序
图10变流器主程序流程图
Fig.10Main program flowcharts of converter
8结论
运用电子负载的思想对PMSM提出一种新的功率模拟方法，即按照PMSM的特性控制PWM 变换器，使变换器输出的电流、转速、转矩等信息与实际电机一致。在输入PWM变换器侧采用滞环电流控制策略，以控制模拟电机运行；在输岀PWM变换器侧采用幅相控制策略，以将实验能量回馈电网。在Simulink环境下对该模拟电机与Simulink库中的电机进行了对比仿真，仿真结果表明：模拟电机各输出特性能较好地跟踪实际电机；直流环节的电容电压能稳定在给定值；电能回馈部分输出的电压与电网电压同幅、同频、同相，能将电能回馈至电网，证明该模拟PMSM模型的正确性和控制策略的有效性。
参考文献
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(上接第62页)率系统效率可知，对于发射线圈寄生电阻大于接收线圈的系统，采用半桥逆变器以替代全桥逆变器，并采用倍压整流器以替代全桥整流器，可有效提升系统传输效率。同时，通过对系统中D和d进行调节，可进一步提升系统传输效率，并保持在90%以上。
5结论
提岀一种基于半桥逆变器的无线供电系统，该系统通过采用半桥逆变器替代全桥逆变器，并采用倍压整流器以替代全桥整流器法，在不影响系统电压增益的条件下，将发射线圈中的电流减小至采用全桥逆变器时一半，以此优化WPT系统的供电效率。同时，可通过对半桥逆变器的占空比和Buck-Boost变换器的占空比进行调节，对发射线圈和接收线圈中的电流比进行优化，进一步改善系统的传输效率。通过理论计算和实验，验证上述电路拓扑的可行性及效率优化方法的准确性。
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强力磁盘34-37.
75
豫公网安备41160202000603
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