硕士学位论文-基于DSP的非接触电能传输系统初级变换电路的研究.pdf

河北工业大学硕士学位论文基于DSP的非接触电能传输系统初级变换电路的研究申请学位级别：硕士专业：电气工程河北工业大学硕士学位论文i基于DSP的非接触电能传输系统初级变换电路的研究基于DSP的非接触电能传输系统初级变换电路的研究摘要摘要非接触电能传输是一种新型的电能传输技术，它综合利用电磁耦合技术及现代电力电子技术，实现了电能的无接触传输。系统的供电部分和能量接收部分没有直接的物理连接，可以独立的安装、密封和绝缘，实现了供电系统和用电系统相互分离，目前作为水下设施、矿井设施、航空航天、机器人、车间运输系统、人工器官及辅助器件等的供电装置得到了广泛的应用。本文首先对初级变换电路的负载，即疏松耦合变压器进行了阻抗分析，给出了负载电路的等效电路模型；对非接触电能传输系统初级变换电路的移相全桥串联谐振电路的工作原理进行了分析。对移相全桥串联谐振变换电路进行了软件仿真，仿真结果证实了该设计方案的可行性。以TMS320F2812芯片为微处理核心设计出非接触电能传输系统初级变换电路，并对DSP芯片控制电路、PWM控制与保护电路、IGBT的驱动保护电路以及频率跟踪电路进行了详细分析。关键词：关键词：非接触，串联谐振，初级变换，DSP无接触能量传输系统初级变换器的设计iiSTUDYONDSP-BASEDPRIMARYCONVERTERFORCONTECTLESSENERGYTRANSMISSIONSYSTEMABSTRACTContactlesspowertransmissiontechniqueisanovelpowertransferwhichutilizestheelectromagneticcouplingtechnologyandpowerelectronictechnologytoachievecontactlesspowertransfer.Thesystemspowersupplyandenergyreceiverassemblyhavenophysicalconnectionssotheycanbeindependentlyinstalledsealedandinsulated.NowadaysCEETsystemsarewidelyusedinunderwaterfacilitieselectricvehiclescranesworkshoptransportsystemauxiliarydevicesandartificialorgan.Theequivalentcircuitmodelofthecontactlesstranserisgiventhroughanalysisoftheloadoftheconverter.TMS32OF2812DSPisusedtodesignthehardwarecircuitofprimaryconverterincontactlesspowertransmissionsystem.AhardwareframeworkofcontrolsystemisgivenandthemaincircuittheDSPcontrolcircuitPWMcontrolandprotectioncircuitandswitchtubedriveprotectioncircuitareanalyzedindetail.Thecharacteristicsofthefullbridgeseriesparallelandseries-parallelresonantconverterswiththeseparatetranserareanalyzedandthesuitabledeviceparametersareselected.TheresonantfrequencycompensationcapacitorunderresonantfrequencyandtheconstraintconditionstoachieveZVScontrolarediscussed.Thefullbridgeseriesresonantconverterisanalyzedbycircuitsimulation.KEYWORDS：Contactless，Series-connectedResonant，Primaryconverter，DSP河北工业大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1非接触电能传输技术简介非接触电能传输技术简介现在电能的传输主要是通过带电导体互相接触的形式进行的。这种电能的传输方式非常普遍，应用技术也较成熟，但在某些情况下，这种电能传输的方式也有它的不足之处。环境因素在电能传输时，有着很大的影响，如：空气中硫化物的含量、湿度、灰尘等都对电接触的有效性有着很大的威胁。当发生接触不良时，很可能引发火灾事故，尤其是在一些易燃、易爆的环境，如化工车间、矿井等地方。接触方式供电存在诸如易受到腐蚀、受潮、灰尘和污物的影响等诸多缺点。非接触电能传输（ContactlessPowerTransmission）技术的研究时间还不长，只是最近才被人们所重视，然而非接触电能传输的优越性使得人们越来越重视对它的应用基础的研究。它是一门综合性很强的应用技术，是一种基于感应能量传递原理的新技术。将电磁耦合技术、电力电子技术与现代的控制技术紧密的结合起来，供电部分和用电部分没有直接的物理导线连接，电能通过气隙直接传递。非接触电能传输系统的系统框图如图1.1所示。图1.1非接触电能传输系统框图Fig.1.1BlockdiagramofCPTsystem非接触电能传输技术（以下简称CPT技术）的应用可以有效的解决接触形式的电能传输所具有的不足，随着CPT技术的应用研究的逐步深入，有效地解决了对接触供电有着严格限制的特殊行业中的电能传输的限制，例如在电气化交通、医疗电子和办公家用电器等方面，已经有了较好的应用产品，取得了非常不错的应用效果。具有较高的理论研究意义和广阔的应用前景。CPT系统具有安全性好、可靠性高、维护费用低以及环境亲和性强等优点，目前越来越受到国内外研究机构的关注。它可以很好地应用于潮湿、易燃、易爆等恶劣环境，保障了安全生产的无故障运行。此外，还能很方便地应用于要求电能灵活接入的移动用电设备（如电气轨道交通）和电能接入较困难的场所。1.2非接触电能传输技术的研究现状和发展前景非接触电能传输技术的研究现状和发展前景1非接触电能传输系统初级变换器的设计1.2.1非接触电能传输技术的国内外研究现状非接触电能传输技术的国内外研究现状在20世纪80年代，日本国家研究院与Yaskawa电气公司联合提出了非接触式电能传输技术问题。经过多年的努力，该技术在理论和实践上已获得重大突破。下面对国外的一些研究现状作简要介绍：20世纪90年代，新西兰奥克兰大学以JohnT.Boys教授为首的科研团队在此领域作了较为深入的研究，对非接触电能传输技术的原理和设计，以及轨道车辆非接触供电和感应充电等应用方面进行了较为详尽的分析2-6。新西兰奥克兰大学所属奇思(UNISERVICES)公司基于该技术，成功地开发了两个项目：一是新西兰惠灵顿大隧道的高速公路发光分道猫眼系统；另一个用于Rotorua国家地热公园的30KW无接触电动机车，现处于安全运行阶段7。来自日本KumamotoInstituteofTechnology的工作人员对非接触电能传输技术进行了大量相关的研究，已经在IEEE期刊及国际会议上发表了十余篇论文。日本大阪DAIFUKU公司的单轨行车和无电瓶自动运货车如图1.2所示，这些费接触供电设备已成功地应用于物资运输系统。图1.2DAIFUKU公司的单轨行车Fig.1.2SingleTrackTravellingCraneoftheDAIFUKUCompany德国WAMPELER公司研制的200KW载人电动火车已试车成功，在WAMPELER总部建造的试验轨道是目前为止世界上最大的非接触电能传输系统，总容量为150KW，轨道长度将近400m，气隙宽度为120mm，车辆上安装了6个能量接收绕组，每个绕组接收初级绕组输出25KW。美国通用汽车公司研制出的Magne-charge商用电动车感应耦合充电器WM7200，专门用于GM的EV1型电动车充电，感应耦合传递能量的频率可以在80KHz到350KHz范围内变动，感应耦合的效率达到了99.511。图1.3通用汽车公司的Magne-charge电动车非接触充电器Fig.1.3Magne-chargecontactlesselectricvehiclechargerofGM2河北工业大学硕士学位论文3韩国KyungpookNationalUniversity的ByungchoChoi等研究了手机非接触充电装置的设计与制作，通过采用印刷电路板上印制的线圈来大大减小初、次级线圈的体积，从而使得系统的副边拾取部分及整流充电电路部分可以全部内置于手机内部。目前国内在该领域的研究还处于起步阶段，对该技术及装置的研究还不够，还没有成熟的应用产品。随着国内各界对研究非接触电能传输技术的重要性和必要性越来越重视，相信我国在这方面很快就能取得较大发展。香港城市大学的S.Y.Hui、H.Chung和S.C.Tang等人研究了无接触电能传输技术及微型化应用，如手机充电器等。近年来，中科院电工所和西安交通大学电力电子系也开始对该新型电能传输技术进行研究，并在国内杂志上发表一些文章。主要对非接触电能传输系统的可分离变压器、系统稳定性及出现的非线性现象等理论和技术进行了大量分析。重庆大学自动化学院非接触电能传输技术课题组于2001年开始对国内外“非接触式电能接入技术”相关基础理论与实用技术进行密切跟踪和研究，在理论和技术成果上有了较大的突破。1.2.2非接触电能传输技术的发展前景非接触电能传输技术的发展前景非接触电能传输技术因为不需要物理电路的连接，因此，其具有较高的可靠性、安全性、灵活性高等特点，在不同的领域都具有较广阔的发展前景，主要体现在以下几个方面：(1)特殊生产领域机器化、智能化已经成为现代化大生产发展的主要方向。采用新型非接触能量传输系统可以解决目前在采矿，水下探测，火山探测等环境较恶劣的行业中存在的接触供电较难的问题。由于其不存在电接触不会产生电火花，因而能够有效防止因为电接触不良导致的事故发生。使得电能的传输变得更加可靠安全。(2)电气轨道交通我国的电气轨道交通运输系统非常之庞大，由于电气接触不良造成的损失将会不堪设想。非接触能量传输系统在有轨电车、地铁等领域都有着非常大的应用潜力。(3)生物医学工程领域生物医学领域利用了这一技术进行人工心脏和恶性肿瘤疗法等的研究。通过非接触能量传输系统向植入体内的器件进行能量传递。有效的解决了这种特殊的环境下电能传输的问题。非接触能量传输技术的出现有效地解决了在一些电接触有限制或者电路连接比较困难的的场合下电能传输的问题。揭开了一个崭新的应用领域，如在电动汽车、高速磁悬浮列车馈电以及在生物医学工程等方面，非接触能量传输技术的出现必然会促进大量新的技术和新的经济增长点产生，使电能的传输应用更为灵活方便。因此，该技术的研究不仅有重要的理论意义，而且具有巨大的应用前景。1.3本文的研究意义和主要内容本文的研究意义和主要内容对于非接触电能传输技术来说，初级变换电路的设计是一项关键技术。要提高整个系统传输效率，非接触电能传输系统初级变换器的设计4就必须要尽可能地提高初级变换电路的变换效率，降低开关损耗。本文将对初级变换电路的各个环节进行具体分析，并选择适合的拓扑结构，设置最佳的系统参数，设计系统初级变换电路并进行理论和仿真分析，通过提高非接触电能传输系统的工作频率、进行无功补偿、使用软开关技术等，降低高频工作条件下的开关损耗，从而提高传输效率、优化传输性能。本文首先对CPT技术的工作原理及系统构成进行了简单的介绍；其次对系统初级变换电路的负载电路（疏松耦合变压器）运用互感等效模型进行了阻抗分析；对移相全桥串联谐振变换电路的工作原理进行了简要介绍，并针对电路的各个工作模态分析了换流过程；通过计算选择了最佳的系统参数，并利用PSPICE电路仿真软件对整个变换电路进行了仿真及分析，仿真结果满足系统设计要求；在之前工作的基础上设计了基于DSP的初级变换电路的硬件电路及PWM控制电路、IGBT驱动和保护电路，设计了基于锁相环技术的系统频率自动跟踪控制电路，对系统初级变换电路的工作频率进行实时跟踪和控制。河北工业大学硕士学位论文第二章第二章负载电路结构及分析负载电路结构及分析非接触电能量传输系统电能的传输是经由初级变换电路将市电进行高频变换以后通过疏松耦合变压器供给负载的。因此，可以把疏松耦合变压器看作是系统初级变换电路的负载。为了对初级变换电路进行研究，有必要对其负载电路(疏松耦合变压器)进行分析，并从简化电路和保障系统稳定工作的要求出发，选择适合的疏松耦合变压器的结构形式。2.1疏松耦合变压器的等效电路及数学模型疏松耦合变压器的等效电路及数学模型由于疏松耦合变压器在高频工作状态下有更高的功率密度和更低的材料损耗，所以我们选择让系统在较高频率下工作，使得变压器的体积可以更小。随着电力电子电路与系统的高频化，在低频下可以忽略的某些寄生参数，在高频下将对某些电路性能(如开关尖峰能量、噪声水平等)产生重要影响，尤其是磁元件的涡流、漏电感、绕组交流电阻和分布电容等在低频和高频下有很大不同的表现。高频磁元件(如储能电感等)的设计决定了高效率电力电子电路的性能、损耗分布和波形。因此变压器的高频耦合就成为非接触电能传输技术的关键部分之一。根据系统的应用场合不同，常见疏松耦合变压器有同轴绕组变压器、扁平绕组变压器和旋转式变压器三种结构30。2.1.1疏松耦合变压器等效电路模型2.1.1疏松耦合变压器等效电路模型根据应用场合的不同，疏松耦合变压器的供电有电流源和电压源两种供电方式。本文的研究选择电压源供电方式。疏松耦合变压器与传统变压器的本质区别在于初、次级之间的耦合性能的差异。传统的变压器，耦合系数一般在0.95-0.98之间，接近于1。可分离变压器的疏松耦合系数比较低，耦合系数通常在0.8以下，有的甚至在0.1以下漏电感非常大。目前用于分析变压器初次级绕组之间耦合性能的电路模型主要有传统的变压器模型和互感等效模型两种。传统的变压器模型使用电压和负载电流的概念来描述绕组间的耦合性能。在分析中，必须将激磁电感和漏电感分开考虑，所以这种模型比较适合于紧密耦合的传统变压器，其漏电感通常非常的低，因而可以忽略不计。互感模型可分为初级回路和次级回路，采用反映阻抗的概念来描述初、次级系统之间的耦合效应，感应电压和反映电压都通过互感来表达。这种模型分析的优点是能够反映电压表示次级对于初级绕组的全部影响，不需要分开考虑互感与漏电感。考虑到采用互感模型分析的优点和变压器的疏松耦合的特点，本文应用互感模型来分析疏松耦合变压器初、次级绕组之间的耦合。如图2.1所示，初级绕组的参数为和，次级绕组参数为和，绕组间的互感为M。实验初、次级绕组的自感和互感可以通过空载实验可以同时测得。pRpLsRsL5非接触电能传输系统初级变换器的设计图2.1疏松耦合变压器互感模型Fig.2.1Mutualinductancemodelofcontactlesstranser初级电感PL为：221pUPpoIIppoL=（2-1）绕组间互感为：()ocpoMVI=（2-2）其中，poI为空载电流，为空载损耗，为初级两端所施加电压，为次级空载电压。oPpUocV初、次级之间的耦合系数为：psMKLL=（2-3）2.1.2初、次级等效电路及阻抗分析2.1.2初、次级等效电路及阻抗分析设变压器次级端所接负载为阻性负载初级绕组中的电流为，两端电压为。为初级电流在次级中的感应电压值，为由于次级中的电流LRpIpUpIMjpIsIMjsI而在初级线圈中的感应电压值。在相互感应的过程中，实现了能量传递。根据图3.1中给出的电流的正方向，可得初、次级电路的复数形式的方程为:对初级电路:6ppppspIjLIRIjMU+=（2-4）对次级电路:sssssLpIjLIRIRIjM+=（2-5）假设初级端为电压源供电，可得初级电流pI和次级电流sI为:河北工业大学硕士学位论文22ppppsLsUIMRjLRRjL=+（2-6）22ppssLsjMUZIpRRjLMZ=+（2-7）根据式(2-6)和式(2-7)可得初、次级等效电路如图2.2(a)、(b)所示。图（a)为从初级端口看到的等效电路，图(b)为从负载侧看进去的有源端口的等效电路。其中，pppLjRZ+=，sssLjRZ+=。次级系统对初级的影响以反映阻抗来体现，即考虑变压器次级电路负载对初级电路电流的影响，而反映到初级电路中的等效阻抗(与串联)。反映阻抗直接反映了系统的功率传输性能。反映阻抗吸收的复功率就是次级系统吸收的复功率。rZoRoL（a)初级（b）次级图2.2电压源供电的变压器初、次级等效电路Fig.2.2PrimaryandsecondaryequivalentcircuitofvoltagesupplytranserjMIsjZRXrrIpr=+(2-8)其中为次级反映电阻，为次级反映电抗。将式(2-6)和（2-7）代入（2-8）得：rRrX()(22222rsLsM)sLRRRRRL=+（2-9）()32222srsLsMLXRRL=+（2-10）忽略初、次级的电阻和得到反映阻抗：pRsR7非接触电能传输系统初级变换器的设计()()+=sLsLsLrLMRLjRLRMZ442222221（2-11）其中，为逆变器的工作角频率。因此次级在没有补偿电路时逆变器次级反映到初级的阻抗是容性阻抗。反映阻抗可以以电阻和电容的串联的形式来表示。rZeReC()2222LesLMRRLR=+（2-12）()2242sLeLRCM+=（2-13）2.2本章小结本章小结本章主要对非接触电能传输系统的负载电路进行了简单介绍，给出了疏松耦合变压器的互感等效电路模型，对其进行了阻抗分析。8河北工业大学硕士学位论文第三章第三章初级变换电路拓扑结构的选择初级变换电路拓扑结构的选择非接触电能传输系统初级变换电路在结构上可以分为整流滤波电路、逆变电路两部分，此外还包括相应的控制和保护电路。工频交流电源经初级变换后带动疏松耦合变压器，将能量感应到次级，然后经次级变换后带负载工作。3.1整流滤波电路的选择整流滤波电路的选择把交流电通过变换变为脉动的直流电的过程就叫做整流。可以从各种角度对整流电路进行分类，主要分类方法有：按组成的器件可分为不可控、半控、全控三种；按电路结构可分为桥式电路和零式电路；按交流输入相数可分为单相电路和多相电路；按变压器的二次侧电流的方向有单向或双相，又可分为单拍电路和双拍电路。单相桥式整流电路的应用最为广泛，这是由于其输出电压为单相半波整流电路的两倍，输出电压纹波系数比较小，电路中二极管承受反向电压是单相全波整流电路的二分之一，较倍压整流电路也小得多，二极管电流为负载电流的一半。所以本文选用单相全桥不可控整流电路。如图3.1所示，采用220V单相工频电源作为系统的电源，经过整流滤波后得到直流，供给逆变器进行高频逆变。图3.1全桥整流滤波电路Fig.3.1Fullbridgerectifierandfiltercircuit当电路输入电压为正半周时，二极管D2和D3承受导通而D1和D4截止；当输入电压为副半周时，二极管D1和D4导通而D2和D3截止。从图中可以看出，输出电流的方向始终保持不变。单相桥式整流电路的输出电压含有较大的纹波，所以需要采取措施尽量降低输出电压中的纹波含量，使输出电压的波形更加平滑和接近直流电压。选用电容滤波电路时，电容越大滤波输出电压的纹波系数越小。9非接触电能传输系统初级变换器的设计3.2逆变电路的选择逆变电路的选择与整流电路相对，逆变电路的作用是把直流变换为交流。逆变电路的输出电压电流的幅值和频率都可以灵活地调节。3.2.1逆变技术的分类逆变技术的分类逆变技术的分类方式很多，主要分类方式叙述如下。（1）按逆变器输出交流的频率分为：工频（50-60Hz）逆变、中频（400Hz到几十kHz）逆变和高频（几十kHz到几MHz；（2）按逆变器输出交流能量的去向分为：有源逆变和无源逆变；（3）按逆变器功率的流动方向分为：单向逆变和双向逆变；（4）按逆变器输出电压的波形分为：正弦波逆变和非正弦波逆变；（5）按逆变器输出电压的电平分为：二电平逆变和多电平逆变；（6）按逆变器输出交流的相数分为：单相逆变、三项逆变和多相逆变；（7）按逆变器输入与输出地电气隔离分为：非隔离型逆变、低频链逆变和高频链逆变；（8）按逆变器输入直流电源的性质分为：电压源逆变和电流源逆变；（9）按逆变器的电路结构分为：单端式逆变、推挽式逆变、半桥式逆变和全桥式逆变；（10）按逆变器的功率开关管分为：大功率晶体管（GTR）逆变、晶闸管（SCR）逆变、可关断晶闸管（GRO）逆变、功率场效应管（MOSFET）逆变和绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变；（11）按逆变器的功率开关管工作方式分为：硬开关逆变、谐振式逆变和软开关逆变；（12）按逆变器的控制方式分为：脉宽调制（PWM）逆变、脉频调制（PFM）逆变和数字逆变。3.2.2逆变电路类型的选择逆变电路类型的选择逆变环节是初级变换电路最主要的环节。多数情况下，逆变是靠谐振逆变的方法来实现，可以将直流电变换成几百kHz甚至几MHz的高频交流电。谐振型逆变器主要的两种形式：电压源型串联谐振逆变器和电流源型并联谐振逆变器。原理图如图3.2和图3.3所示。两种逆变器在拓扑结构上是对偶的。图3.2电压源串联谐振逆变电路Fig.3.2Seriesresonantinvertercircuit10河北工业大学硕士学位论文图3.3电流源并联谐振逆变电路Fig.3.3Parallelresonantinvertercircuit下面对电压源串联谐振逆变器和电流源并联谐振逆变器的工作特点进行比较，确定适合于非接触电能传输系统的逆变器类型。(1)电流源并联谐振逆变器的输出电流波形为交变矩形波，输出电压波形为准正弦波；电压源串联谐振电压源逆变器的输出电流波形在感性负载时为按正弦规律变化的波形，含有较多的高次谐波分量，输出电压的波形为交变矩形波。(2)电流源并联谐振逆变器采用电流型闭环控制，可以做到响应速度快、动态特性好；电压源串联谐振逆变器因为有很大的输入滤波电容，所以实现电流控制比较困难但相对前者更易于实现电压闭环控制。(3)电流源并联谐振逆变器对布线要求较高。在工程应用中，负载与电源之间总是有一定距离的，需要很长的连接线。在高频电路中，线路对各种分布参数都很敏感。在电流源并联谐振逆变器中，这两根较长的引线上的分布电感会对负载电路的结构产生影响，从而影响到逆变器的工作。电压源串联谐振逆变器对布线的要求则相对较低。在电压源串联谐振逆变器中，负载引出线的分布电感只会改变串联负载回路中电感的大小，而不会对整个负载电路的结构产生影响。通过调节感应线圈的电感就可以对负载电路电感进行调整。因此，电压源串联谐振逆变器的负载电路可以通过适当的增加电源和负载的距离来减少负载电路的高频电磁辐射对系统控制电路的干扰。(4)并联谐振电路属于电流谐振，谐振电容两端的电压较低，在提供无功功率一定的情况下，需要较多的并联电容，使得成本增加，因此，一般采用倍压电路，使负载电路更加复杂，逆变器的可靠性随之降低。串联谐振电路属于电压谐振，谐振电容两端电压即为谐振电压，在要求提供无功功率一定时，需要的电容较少，有效地降低了变换电路的成本。(5)并联谐振逆变器的可靠性较差。在逆变器工作时，如果负载电路的参数发生变化，负载谐振频率也随之发生变化。这时，如果控制电路不能准确而及时地跟踪负载电路的谐振频率并进行控制，逆变器就有可能会停振严重的甚至可能造成逆变颠覆。相对而言，串联谐振逆变器工作较为可靠。当负载谐振频率产生变化时，仅造成功率因数的变化，而不会停振或发生逆变颠覆。综上所述，电压源串联谐振逆变器比电流源并联谐振逆变器更适用于非接触电能传输系统，所以本11非接触电能传输系统初级变换器的设计12系统采用电压源串联谐振逆变器来实现非接触电能传输系统初级变换电路的逆变环节。3.3本章小结本章小结本章主要介绍了非接触电能传输系统初级变换电路的组成结构。选取了合适的整流电路的形式；介绍了逆变电路的几种形式，根据系统需要确定选择直流电压源供电的电压源串联谐振逆变电路。河北工业大学硕士学位论文第四章第四章初级变换电路的软件仿真与分析初级变换电路的软件仿真与分析4.1初级变换电路的工作原理初级变换电路的工作原理4.1.1移相全桥串联谐振变换器的工作原理分析移相全桥串联谐振变换器的工作原理分析图4.1所示为移相控制全桥ZVSPWM谐振变换器电路拓扑。Vin为输入直流电压。S1-S4为四个参数相同的功率开关管，C1-C4为相应的体二极管和输出结电容，功率开关管的输出结电容和输出变压器的漏电感Lp为谐振元件，使4个开关管依次在零电压下导通，实现恒频软开关。S1和S2构成超前臂，S3和S4构成滞后臂。图4.1串联谐振变换电路Fig.4.1Seriesresonantconverter移相全桥串联谐振变换器开关管的驱动信号如图4.2所示。S1和S4，S2和S3之间的驱动信号存在移相角，通过调节角的大小，可调节输出电压的大小，实现稳压控制。为了防止桥臂直通，S1和S2，S3和S4之间人为地加入了死区时间t，它是根据开通延时和关断不延时原则来设置的。图4.2移相控制变换器主要波形图Fig.4.2Mainwaveofphaseshiftcontrolconverter13非接触电能传输系统初级变换器的设计4.1.2各工作模态分析各工作模态分析在一个开关周期内，变换器有八个工作模态，如图4.3所示。图4.3移相全桥串联谐振变换器工作原理图Fig.4.3Workprincipleofphaseshiftfullbridgeseriesresonantconverter14河北工业大学硕士学位论文开关模态1（如图4.3（a）所示）：在时刻，开关管两端电压都下降到零，电流流过开关管的反并二极管和开关管，此时，零电压开通开关管。该阶段，桥臂电压始终保持为零。0t1t0t1SLPI1S3S1SacV开关模态2，（如图4.3（b）所示）：在时刻，关断开关管，在给开关管的缓冲电容充电的同时还给开关管的缓冲电容放电，在和的共同缓冲作用下，近似零电压关断。1t2t1t3SLPI3S3C4S4C3C4C3S开关模态3，（如图4.3（c）所示）：在时刻，开关管的两端电压下降到零，开关管两端电压则上升到，此时电流流过开关管和的反并联二极管，变换器处于能量回馈阶段。在这个阶段2t3t2t4S3SinVLPI1S4S零电压开通开关管。随着电流方向的改变，变换器因同时从开关管和流过而开始向负载传递能量。4SLPILPI1S4S开关模态4，（如图4.3（d）所示）：在时刻，关断开关管，同时给开关管的缓冲电容充电和开关管的缓冲电容放电，在和的共同缓冲作用下，近似零电压关断。3t4t3t1SLPI1S1C2S2C1C2C1S此后，当开关管两端电压等于，开关管两端电压则下降到零，同时流过的反并联二极管和开关管，变换器由此开始另一半周期工作，其工作情况类似于上述的半个周期。1SinV2SLPI2S4S通过以上分析可知，为了实现开关管的零电压开关，减小开关损耗和电磁干扰，进一步提高系统的传输性能，可以采用开关频率高于谐振频率的移相全桥串联谐振变换器。4.2初级变换电路的仿真分析初级变换电路的仿真分析4.2.1电路元件和参数的选择电路元件和参数的选择（1）功率开关管元件的选择在如今的市场上晶闸管和晶体管是应用于逆变电源的电力电子器件中常见的两大类，而应用面最广最普遍的则是最早进入电源领域的阻断型换流关断晶闸管(SCR)，而以后派生出的逆导型晶闸管、双向晶闸管和光导型晶闸管，它们的门极只能使功率开关管导通，不能使其关断。开关管导通后，使门极恢复控制，只能依靠外部换流电路使流过开关管的电流下降为零，或使开关管两端的电压反向而关断。通常情况下，高频电源不采用这种器件。此后，关断型器件得到进一步的发展，主要包括功率场效应晶体管(MOSFET)，晶闸管类的可关断晶闸管(GTO)，静电感应晶闸管(SITH)以及MOS栅控晶闸管(MCT)，晶体管类的特大功率晶体管(GTR)，静电感应晶体管(SIT)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。以上这些都是自15非接触电能传输系统初级变换器的设计关断全控型开关器件。双极型电流驱动器件包括了GTO和GTR，它们的通流能量很大，是因为具有电导调制作用。但是这类器件有一个缺点就是开关速度较低，驱动功率较大以及控制电路复杂。功率MOSFET是单极性电压驱动器件，其优点是开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好以及驱动功率小和控制简单。同时它也存在着缺点在通态电阻较大和电流容量较小。IGBT是新型电力电子器件的主流器件之一，在设计上将MOS和双极型晶体管结合起来，在性能上兼有双极型器件压降小、电流密度大和MOS器件开关快、频率特性好的双重优点。在制造业上，IGBT在高电压、大电流的晶闸管制造技术基础上采用了集成电路微细加工技术。由于IGBT具有功率MOSFET和大功率晶体管（GTR）的双重优点，所以被认为是最具代表性的电力电子器件。IGBT是一种电压驱动型器件，因而栅极驱动电路简单，它有较高的开关频率、易于实现的保护特性和didt、dudt特性，是目前100kHz以下各种功率变换器中应用最普遍和使用最多的功率器件。IGBT的开关速度高，开关损耗小，在电压在100V以上时，开关损耗只有GTR的110，与功率MOSFET相当；在相同电压和电流条件下，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击的能力；通态压降比功率MOSFET低，特别是在电流较大的区域；输入阻抗高，输入特性与功率MOSFET类似；IGBT与功率MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同事保持开关频率高的特点。与其它电力电子器件相比，IGBT具有高可靠性、驱动简单、保护容易实现、不用缓冲电路、开关频率高、电压型驱动、驱动功率小、开关速度高、饱和压降低以及可耐高电压、大电流等一系列应用上的优点，并可用IC来实现驱动和控制，进而发展到将IGBT芯片、快速二极管芯片、控制和驱动电路、过压保护电路、过流保护电路、过热保护电路、欠压保护电路、箝位电路以及自诊断电路等封装在同一绝缘外壳内，具有智能化的IGBT模块（IPM）。它为电力电子设备的高频化、小型化、高可靠性和高性能奠定了器件基础。IGBT器件已成为当前工业领域中应用最广泛的电力半导体器件，其硬开关频率达25kHZ，软开关频率可达100kHz。而新研制成德霹雳（Thunderbolt）型IGBT，其硬开关频率可达150kHZ，在谐振逆变软开关电路中可达300kHZ。综上所述，我们选择IGBT来作为本系统的功率开关管。设定逆变器的输入直流电压为，此时最大的直流电流为。inVmaxIIGBT的额定电压()inNVU22.1=（4-1）由于串联谐振逆变器的输出电压近似为交变的方波，对做傅里叶变换得acVacV()(4cossinsin2innmacnnntntVntVV)=（4-2）ooCL1=（4-3）所以，的基波幅值为：acV16河北工业大学硕士学位论文2cos42cos41ininmacVtVV=（4-4）式中移相角为t=，=t。其有效值为：2cos221inacVV=(4-5)由于变换器工作于准谐振状态，负载对高次谐波电流呈现高阻抗，而对基波电流阻抗很小，因此，基波电流占主要地位。所以，变换器输出电流有效值近似基波电流。输出电流的基波幅值为：omacmacRVI111cos=（4-6）所以，选择IGBT型号为BSM100GB100D。（2）最佳死区时间的设置开关器件关断电流：oinomacfTRVII011sincos2cos4sin=（4-7）式中1为基波位移角：221+=+=oot（4-8）式中0为移相角0=时的负载阻抗角。0()cDCDttt0=+=+=（4-9）式中c是开关管缓冲电容被充电到（或放电到0）所经历的角度，对应于时段；sCinVctD是D导通的角度，对应于时段。Dt为了保证臂内自然换流，使开关管S有ZVS换流环境对于滞后臂需满足条件：cott（4-10）对于超前臂需满足条件：cottt+（4-11）由于，因此只须保证即可保证电路能够实现ZVS换流。0tctt017非接触电能传输系统初级变换器的设计负载固有谐振频率：oooCLf21=（4-12）负载谐振电路品质因数：oooRLQ=（4-13）则串联谐振电路的负载阻抗角：=ffffQarctgooo（4-14）负载阻抗角对应时间为：002tT=（4-15）取逆变电路开关管缓冲电容1234sCCCCC=，由于缓冲电容充放电时间非常短，为了简化分析，认为充放电过程中关断电流是恒定的。这时缓冲电容端电压被恒流充电到（或放电到0），这时有：fTIinVfTinscIVCt2=（4-16）当保证时，即可保证电路能够实现ZVS换流。选取死区时间略大于即可。过小会使谐振电流不能完全抽走缓冲电容的电荷；过大，则会使开关管的软开关效果变差，开关损耗增加。ctt0deadtctdeadtdeadt4.2.2PSPICE软件简介软件简介1972年，美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言，开发了用于模拟电路仿真的SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）软件。它对于大规模集成电路的计算机辅助设计有着很重要的作用。同年，SPICE的正式版SPICE2G面试，其优点是能在小型机中运行。在之后的十年里，伯克利分校又用C语言对SPICE进行了修改，由MICROSIM公司推出。三年后，SPICE被选定为美国国家工业生产标准。各种同时代的商用模拟电路仿真软件在SPICE的基础上进行了实用化的修改，使得以SPICE为核心的仿真软件成为了世界上使用率最高的电子电路仿真软件。在我国，从80年代开始广泛使用的是采用自由格式的PSPICE5.0版本，之后又在6.0版本中添加了图形界面。二十世纪90年代末，闻名于世的EDA商用软件开发商ORCAD公司与之前的Microsim公司合并，ORCAD的EDA系统中融入了强大的PSPICE产品。不久后，ORCAD公司开发出了ORCADPSPICERelease10.5与旧版本相比实现了多方面的重要改革和突破：第一，不仅能对模拟电路进行交直流以及瞬态等基本电路特性进行分析，也实现了对最坏情况分析、最坏情况分析以及优化设计等一些比较复杂的电路特性分析；其次，可以更为广泛地对模拟、数字以及数模混合电路进行仿真；最后，集成度得到了很大的提高，在完成电路图的绘制以后，可以直接进行电路仿真的作业，并且可以观察分析仿真结果。尤其是在大学中，PSPICE已经成为工科类学生必不可少的电路分析与设计的软件工具。在各大公18河北工业大学硕士学位论文19司中也得到了十分广泛的使用。PSPICE在电路图绘制功能、元器件符号制作功能、图形后处理功能以及电路模拟仿真功能上都十分强大，能够以图形的方式进行出入，检查电路，生成图表模拟并计算电路。不仅能够用于各种电路信号系统和电子线路系统的计算机辅助教学，也可以用于优化设计和对电路进行分析，用途十分广泛。PSPICE在电路系统仿真方面也有着其他软件无法媲美的特色。它作为一个多功能电路模拟实验平台，有着很好的收敛性，适合进行系统以及电路的仿真，十分精准快速。（1）图形界面简洁明了，易于操作；（2）仿真效果良好，实用性极强；（3）有很高的集成度，各类功能强大。PSPICE软件由以下几个组件组成：（1）电路原理图编辑程序SchematicsPSPICE有着两种输入形式：一种是文本文件形式，另一种是电路原理图形式。相比较来说，后者比前者更为简单直观，既可以新建电路原理图文件，也可以打开原有的文件。电路元器件符号库中除了常用的电阻，电容，电感，晶体管，电源等符号外，还有宏观模型级符号，如运算放大器，比较器等一起组成电路图，原理图文件后缀为.sch。原理图由图形文字编辑器自动转化为电路文本文件以提供给模拟计算程序运行仿真。（2）激励源编辑程序StimulusEditorPSPICE中有许多丰富的信号源，例如脉冲源，正弦源，指数源，分段线性源，单频调频源等。这个程序可用来完成各种模拟信号和数字信号的建立与修改，并且可以直观的显示这些信号源的波形且速度很快十分方便。（3）电路仿真程序PSPICEAD电路仿真程序（PSPICEAD）也叫做模拟计算程序，它是该软件的核心部分。从PSPICE4.1版本之后的高级版本开始，该仿真程序有了更强大的能力数字电路和模拟电路的混合仿真功能。它能够接收由电路输入程序确定的电路拓扑网络结构和元器件参数信息，再经过元器件模型的一些处理后形成电路方程，然后进行求解电路方程的操作最后得出的计算结果，最后产生出以.dat为扩展名为的数据文件和以.out为扩展名的电路输出文本文件。电路仿真程序只能打开以.cir为扩展名的电路输入文件，而不能打开以为.sch扩展名的电路输入文件。因此在Schematics的运行环境下，运行电路仿真程序时，系统必须首先将原理图.sch文件转换为.cir文件，然后再运行PSPICEAD进行模拟分析。（4）输出结果绘图程序Probe输出结果绘图程序是PSPICE的图形输出后处理软件包。该程序输入的文件是用户作业文本文件或图形文件仿真运行后形成的以.dat命名的数据文件。它有着万用表的功能，同时具有示波器和扫描仪的作用，能在屏幕上绘制出仿真结果的波形和曲线。随着计算机操作系统windows95982000XP的出现，图形功能得到不断增强，Probe的绘图能力在计算机上也越来越强。(5)模型参数提取程序ModelEditor非接触电能传输系统初级变换器的设计如今，元器件模型参数的精度决定了电路仿真分析的精度和可靠性。尽管PSPICE的模型参数库有着成千上万种元器件模型，但是很多时候用户需要根据自己的所需来决定采用哪种元器件的模型及参数，甚至有时候得自行制作。这时可以调用模型参数提取程序，从元器件特性中得到该器件的模型参数。(6)元件模型参数库LIBPSPICE有着自建元件模型的功能，以元件的物理原理为基础进行建立，模型参数与物理特性有着紧密的关系。元件的等效应模型还与其工作条件与分析要求相联系。在直流分析中，非线性元件以小信号线性等效电路作为等效模型；而在在瞬态分析中，还需要考虑到电荷存储效应。结型场效应管运用了SHICHMAN-HODGFS的场效应管模型方式；双极管型晶体管则采用了GUMMEL-POON的积分电荷控制模型方式。而二极管模型既能用于结型二极管，同时也可以用于肖特基势垒二极管。MOS1由I-V特性进行描述，MOS2是一种解析形模型，而MOS3则是一种半经验模型。元件模型参数库中有分立元件参数库和集成电路宏模型库，并提供了一些著名器件和IC生产厂家常用的专有元器件参数库。4.2.3仿真结果及分析仿真结果及分析如图4.4所示为系统初级变换电路的仿真电路图。取电路输入交流电压，缓冲电容VVin220=12340.005sCCCCCF=，FCo64.0=，=500R，移相角，谐振频率为5.22=20ofKHz=，HLo100=。由于电路在感性状态下工作，取25fKHz=。可以求得：stc1=sto9.1=。因为，满足实现ZVS的条件，需要设置死区时间，所以取死区时间ctt0cdeadttstdead2=。图4.4系统初级变换电路的仿真电路Fig.4.4Simulationcircuitoftheprimaryconverter20河北工业大学硕士学位论文PSPICE仿真波形如图4.5所示。(a)开关管S1驱动电压波形(b)开关管S4驱动电压波形(c)变换器输出电压波形(d)变换器输出电流波形(e)通过二极管D1电流波形(f)通过开关管S1电流波形21非接触电能传输系统初级变换器的设计(g)通过缓冲电容C1的电流波形(h)电感Lo功率波形(i)电容Co功率波形(j)电阻Ro功率波形图4.5移相全桥串联谐振变换器的仿真波形Fig.4.5Simulationwavesofphaseshiftfullbridgeseriesresonantconverter通过波形图对比可以看出，开关管的驱动脉冲信号超前移相角1S4S。变换器输出电压为交变的近似方波电压，输出电流为近似正弦波。由于开关频率大于谐振频率，电路工作在感性负载状态，因此电压相位超前电流一个角度。在开关管导通之前，电流首先转移到并联缓冲电容，放电到电压为零充电到电压为，然后开关管的反并联二极管导通，此时可以零电压开通；关断时，由于电容两端电压不能突变，在电容和的作用下可以实现零电压关断。因此，开关管实现了ZVS换流。其它几只开关管导通与关断时的工作原理和相同。变换器输出电流为幅值约为4V的正弦交流电，电阻Ro=25，功率幅值约为400W，波形近似正弦波。电感Lo功率波形和电容Co功率波形近似反相，相互抵消，谐波得到补偿。由图5.6可以看出，器件开关时刻的尖峰电流明显较小，从而使开关管在开关瞬间所消耗的功率显著降低。实现了开关管的ZVS换流提高了系统的整体效率，改善了系统1S1C1C2CinV1S1S1S1C2C1S1S22河北工业大学硕士学位论文23的传输性能，有利于系统在更高开关频率下高效、稳定运行。移相全桥串联谐振ZVS变换器具有拓扑结构简单开关器件电压电流应力小的优点。这种拓扑形式使器件的杂散参数得以利用到电路工作中实现主要开关器件的零电压软开关，使开关损耗大为降低可使自关断器件充分发挥其开关频率高的优点Miller效应被减小到最低程度并减小了装置的电磁干扰（EMI），同时使装置滤波器的设计优化减小了滤波部分的体积，有效地消除了硬开关方式中分布参数的不利影响。4.3本章小结本章小结本章简单地介绍了移相全桥串联谐振变换器的工作原理，以及选择了合适的开关器件和元件参数对变换电路进行PSPICE软件仿真。最后的仿真结果证明，电路结构及参数选择完全正确，满足ZVS软开关条件，输出电能波形基本满足系统要求。非接触电能传输系统初级变换器的设计24第五章第五章系统设计系统设计5.1DSP芯片芯片TMS320F2812概述概述DSP即数字信号处理器，是一种特别适于进行数字信号处理的微处理器。DSP芯片集成了高速乘法器，具有多组内部总线，能够进行快速乘法和加法运算，适用于高速数字信号处理的高速、高位单片计算机，这种器件常常被称为单片数字信号处理器。DSP芯片的选择是DSP应用系统设计最