（电力电子与电力传动专业论文）一种无接触式充电电路的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e d a n g e r o ff r i c t i o na n d g e t t i n g a l le l e c t r i cs h o c kw i l lb e a v o i d e d ，a n da l s ot h ef l e x i b i l i t yo fp o w e rs u p p l yw i l lb ee n h a n c e dg r e a t l y b yu s i n gn o n c o n t a c tt r a n s f o r m e ri n s t e a do f t h et r a d i t i o n a lt r a n s f o r m e r t h i s p a p e rp r e s e n t s an o v e ln o n c o n t a c t c h a r g i n g c i r c u i tw h i c hi s s u i t a b l ef o r p o c k e te l e c t r i ca p p l i a n c e sc h a r g i n ga f t e rt h ed r a w b a c k o ft h e n o v e ln o n - c o n t a c tp o w e rt r a n s f e rs y s t e m t h ec i r c u i tc o n s i s t so fah a l f b r i d g es e r i e sr e s o n a n tp o w e rc o n v e r t e r , a n o n c o n t a c tt r a n s f o r m e ra n df u l l w a v e f o r mr e c t i f i e r b a s e do nt h ed i s c u s s i o no ft h e a p p l i c a t i o n o f s o f t s w i t c h i n gt e c h n i q u ei np o w e rs u p p l y , t h ep a p e ra n a l y z e st h ee f f e c t o ft h et e c h n i q u eo fz e r ov o l t a g es w i t c h i n gi nm i n i s h i n gt h es w i t c hl o s s e s t h ep a p e rg i v e sam o d e l i n ga n a l y s i so fl o o s e l yc o u p l e dp o w e rt r a n s f e r s y s t e m a n dt h e p r i m a r y a n d s e c o n d a r yc a p a c i t o rc o m p e n s a t i o n t e c h n i q u e s a r ed i s c u s s e d t h es t a b i l i z a t i o no f o u t p u ti ss oi m p o r t a n ti nc h a r g i n g c i r c u i tt h a tt h e p a p e rp r e s e n t s t w oc l o s e d l o o pc o n t r o ls t r a t e g y w h i c hi ss u i t a b l ef o r n o n c o n t a c tc h a r g i n gc i r c u i t a tl a s t ，t h ea p p l i c a t i o no ft h em a g n e t i c a m p l i f i e ri si n t r o d u c e da n d a t o p o l o g yo fv o l t a g e s t e a d y i n g c i r c u i ta n di t s w o r k i n gp r i n c i p l ei sp r o p o s e d k e y w o r d s ：n o n c o n t a c t ；z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ；s t a b i l i z a t i o n o f o u t p u t l i 浙江大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 引言 电力电子技术是使用电力半导体器件及电子技术对电气设备的电功率进行 变换和控制的技术，它以实现“高效率用电和商品质用电”为目标，是一门综合 电力半导体器件、电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术等许多学科的交 叉学科。电力电子技术在其近5 0 年来的发展过程中，对电气工程领域及其相关 学科的发展起到了极大的推动作用。目前，它的应用遍及各行各业，从发电、输 电到用电，可以说只要有电能存在的地方，就有电力电子技术的应用。电力电子 技术在为现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电网优化、电力工程、国 防工程等方面提供高质量、高效率、高可靠性的电能方面起着关键的作用。专家 学者认为：电力电子技术的发展是人类社会的第二次电子革命。 功率器件的发展是电力电子技术发展的基础，也是电力电子技术发展的强 大动力，电力电子技术的每一次发展都是以新器件的出现为契机。功率器件经历 r 从结型控制器件，如晶闸管、功率g t r 、g t o ，到场控器件，如功率m o s f e t 、 i g b r 、i g c t 的发展历程。9 0 年代出现了s m a r t 功率器件、智能功率模块i p m 、 f o p s w i t c h 等，努力将一个或多个功率器件与其驱动、保护、电隔离等电路集成 在一个硅片或一个模块上，形成了电力电子集成化的概念。大功率、高频化、低 功耗、驱动场控化为功率器件发展的重要特征。在目前功率变换器中功率m o s f e t 和i g b t 是应用最为广泛的。 功率场效应管m o s f e t 由于单极性多子导电，显著地减小了开关时间，因而 在高频玎关电源领域备受瞩目。降低通态电阻是k t o s f e t 发展的主要方向，法国 i n f i n i o n 公司最新开发的c o o l n o s 通过引入等效漂移区，在保持阻断电压能力 的前提下，有效地减少了m o s f e t 的导通电阻，比如6 0 0 v 耐压的c o o l m o s 的通态 电阻仅为普通m o s f e t 的1 5 。i g b t 综合了场控器件快速性优点和双极性器件低 通态压降的优点，一直追求高耐压、大电流、高速、低饱和压降、高可靠性和低 成本等指标，目前i g b t 的极限耐压已达到6 5 k v 。n p t ( n o n p u n c ht h r o u g h ) 型的i g b t 通过对单晶硅直接进行离子注入技术，合理地控制掺杂浓度，制造出 浙缸大学硕士学位论文 一种高速、低拖尾电流、正温度系数，且具有高的抗电热冲击能力的新型优质的 i g b t 。它的优点在于1 ) 在相同的压降时，n p t 比p t 型关断时间短，关断损耗小； 2 ) 正温度系数饱和压降，具有m o s f e t 特性，容易并联。 s j c 器件是2 1 世纪最有发展潜力的电力电子器件。s i c 的材料的耐压是硅材 料的l o 倍，导热率是硅材料的3 倍，结温达2 0 0 度。s i c 功率开关器件的开关 频率将显著提高，通态损耗和开关损耗减至1 1 0 。由于导热率和结温提高，散 热器设计变得容易，构成的装置的体积变得更小，同时s i c 器件得禁带宽、结电 压高，较适合于制造场控型器件。c r e e 公司已开发了6 0 0 v 1 a 、4 a 、6 a 、i o a 的 s j cs c h o t t k y 二极管产品，几乎没有反向恢复时间，它将广泛地应用于开关电 源、p f c 电路和电动汽车。s i c 器件将成为2 l 世纪电力电子技术地新驱动力“。 磁元件是电力电子电路中不可缺少的部件，在开关电源的设计和电磁兼容方 面占据重要的位置。磁技术的发展带动了电力电子技术的进一步发展。目前磁技 术发展趋势主要体现在以下几个方面：1 、高频化。提高开关频率可以显著地降 低变换器整体的体积和重量，现在开关器件已能够胜任高频工作，而频率提高必 然加大了磁元件的损耗，如何找到适应高频工作的磁芯材料成为关键；2 、平面 化。为了满足便携电源和板载电源低截面化，要求磁件高度降低。平面化的磁 芯具有较大的散热面积，降低了磁件热点到表面的热阻，从而能够提高功率密度； 3 、集成化。磁件集成技术发展很快，主要有两个含义：一是多个磁元件集成在 一个铁芯上；二是磁件与线路板之间的集成；4 、阵列化。传统磁件为块状结构， 阵列化将磁件结构离散成分布式结构，使传统的磁件集中发热变为阵列均匀发 热，并大大增加了散热面积，从而提高了电路的功率密度；5 、混合化。为了实 现电力电子模块的高功率密度，降低电路的分布参数对电路高频化的影响，把磁 件与开关器件、二级管、电容等合成制造在一起，消除连线带来分布参数的影响， 也可以通过薄膜工艺将铁氧体材料和绕组材料做在同一块硅基片上。 电力电子电路研究主要包括了a c d c 、d e d e 、d c a c 、a c a c 等电路，电路 拓扑是电力电子电路研究的主要内容。在基本电路拓扑的基础上也衍生出了很多 电路，如组合变换器、三电平及多电平变换器、矩阵变换器等。 a c d c 变换器主要应用在移动电话、蓄电池等的充电器、笔记本的适配器、 p c 机及服务器的开关电源、d c d c 变换器的前置调节器等。现在为了满足网侧电 浙江大学硕士学位论文 流谐波含量的要求，一般a c d c 都要求有p f c 功能。p f c 技术发展也比较成熟， 其中b o o s t 变换器由于有输入电感，在实现p f c 电路中有着独特的优势。实现 a p f c ( 有源功率因数校正) 有电流峰值控制、电流滞环控制、平均电流控制等方 法，a p f c 电路不仅提高了功率因数，治理了电网的谐波污染，也提高了电源的 整体工作效率。 d c d c 变换器中拓扑繁多，也是研究的热门。d c d c 交换器主要用在通信领 域，大部分的产品已经实现模块化。d c d c 变换器追求高的功率密度和高的可靠 性，因而采用了最佳工作频率、同步整流技术、软开关技术等。高功率密度的 a c d c 变换器和d c d c 变换器与电路拓扑、开关器件性能、无源元件性能、封装 技术等都有很大关系，随着数据处理系统的速度和效率的日益提高，低压大电流 d c d c 正追求更低的电压、更高的输出电流、快速的电流变换率。同步整流b u c k 电路利用低压m o s f e t 代替了肖特基整流管从而提高了效率和功率密度，但由于 滤波电感取得比较大，因而电流变化率不高。准方波b u c k 电路输出滤波电感远 远小于同步整流b u c k 电路，而且其开关管均可以实现零电压开通，但由于滤波 电感减小使输出电流纹波很大，增加了磁滞损耗。开关管电流有效值增大，通 态损耗增加。在准方波b u c k 电路的基础上通过交错并联技术，合理安排变换器 的控制脉冲，可以明显减小输出电流纹波，同时能满足电路静态和瞬态变化的要 求，该电路不仅能减小输出电流纹波也能减小输入电流纹波。 d c a c 也是研究的热门，很多需要交流输出的场合都需要逆变器，u p s 是逆 变器应用的主要场合。桥式电路是逆变电路的基本拓扑，不同于d c d c 变换器， 逆变器追求的是输出波形的品质，为此采用多电平交换器输出多个电平叠加，谐 波含量低，滤波容易，波形质量高。 p w 控制取代相控方式成为现在电力电子电路的主流控制方式，很多集成的 p w m 控制芯片使用起来十分方便。在逆变器中，p 哪控制的逆变器也取代了方波 逆变器，p w m 逆变电路兼具压控和频控功能，并且能减低输出电压的谐波含量。 由于开关变换器的强非线性，以及它具有的离散和变结构的特点，负载性质也是 多变的主电路的性能必须满足负载大范围的变化，所有这些使开关变换器的控制 和控制器的设计较为复杂。一些新的控制方法，如自适应控制、模糊控制、神 经网络控制以及各种调制策略在开关电源中应用，已引起人们的注意。 浙江大学硕士学位论文 各种电子设备虽然在功能、结构上各不相同，但它们都有一个共同点，就是 要有良好稳定的供电电源来为其提供能量。伴随着数字技术的不断发展，特别是 进入电子信息时代，各种大规模、超大规模的集成电路的出现，及各种灵敏的仪 表、设备、计算机和各种数据处理、自动控制系统的广泛应用，对电源品质要求 也更高，不仅要求供电电压稳定，还要能抑制电源噪声干扰。在近半个世纪的发 展过程中，开关电源因其所具有的体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳 定等优点，适应了节能化、高品质电源的要求，而逐渐取代传统技术制造的线性 电源，并广泛应用于电子整机及设备中。 开关电源分a c d c 、d c d c 两大类，主要应用领域有计算机、通讯办公设备、 控制设备、电子仪器等投资类产品及电视、摄像机、v c d ( d v d ) 、电子游戏机等消 费类产品。人们在开关电源技术领域里，边开发相关电子技术，边开发新型材料 和元器件，两者相互促进推动着丌关电源每年以超过两位数的增长率向轻、小、 薄、低噪声、高可靠、高稳定、抗干扰和实现模块化方向发展。电流型控制及多 环控制已在开关电源中得到较广泛的应用。电荷控制、单周控制、d s p 控制等技 术的开发及相应专用集成控制芯片的研制，使丌关电源动态性能有很大的提高， 电路也大幅简化。 电力电子技术在推进2 0 世纪人类科技发展中发挥了辉煌的成就，2 l 世纪电 力电予技术将在建设一个更环保、更美丽、适合人类生活的地球中发挥不可替代 的作用。 1 2 课题研究的背景 1 2 1 新型无接触能量传输系统 自从1 8 4 0 年科学家揭示电磁感应现象及可用导线传输电能至今，电能的传 输主要是由导线直接接触进行传输的。电工设备的充电一般是通过插头和插座来 进行，但是在进行大功率充电时，这种充电方式存在高压触电的危险。由于存在 摩擦和磨损，给高电压等级电力系统的安全性、可靠性带来一定的影响并缩短了 电力设备的使用寿命，特别是在化工、采矿等一些易燃、易爆领域，极易引发大 的安全事故。在给运动设备进行供电时，如城市交通中的电车，一般是采用滑动 接触的方式进行供电，这种方式在使用上存在诸如滑动磨损、接触火花、碳积和 4 浙江大学硕士学位论文 不安全裸露导体等弊端，这种接触式充电方式给人们的生产和生活带来了严重的 不便。实现供电系统和电气设备之间没有导体接触自然成为电能传输的重要研究 方向之一，而感应能量传递方法成为首选方法。感应能量传递技术已经在一系列 进行能量传递的商业化产品和系统中使用了长达一个多世纪，比较典型的商业化 产品是电机、变压器等。与电机相比，变压器传输能量有一个突出的优点，就是 不受速度的影响，但这种传统的感应能量传递系统的显著特点是子系统之间相对 位置固定。当电工设备与供电电源之间有相对运动时，这种系统的应用必然受到 限制，同时大大增加了负载系统的重量。新型无接触能量传递技术就是为了弥补 以上不足而发明的一种新技术，它完全克服了以上限制，该技术基于感应能量传 递原理，也称新型感应能量传输技术( i p t ) 。 新型无接触能量传递技术利用了变压器进行能量传输不受速度影响这一优 点，并将传统变压器的感应耦合磁路分开，初、次级绕组分别绕在不同的磁性结 构上( 如图1 1 所示) ，实现在电源和负载单元之间不需要物理连接进行的能量 耦合。初级边与供电电源相连，次级边与负载相连，初、次级系统之间可以保持 相对静止和运动的状态，这就是这种新型无接触能量传输系统的雏形。 图1 ，1 无接触的电磁耦合结构 这种初、次级分开的耦合能量传递技术不仅消除了摩擦、触电的危险，而 且大大提高了系统供电的灵活性，显著减小了负载系统的重量。随着电力电子技 术和磁性材料的巨大发展，以及多种场合下电工设备无接触馈电需求的增长，这 种新型的能量传递技术正逐步兴起，并逐渐发展出分离式、滑动式和旋转式三大 感应能量传输系统，分别用于给相对与初级系统保持静止、滑动和旋转状态的电 气设备供电。 浙江大学硕士学位论文 1 2 2 无接触能量传递系统的构成及工作原理 新型无接触能量传递系统的基本构成包括：交流电源，初、次级整流、逆变 电路，感应耦合电磁结构。初、次级子系统之间不存在物理连接。图1 2 给出了 系统构成框图。相对于传统的感应能量传递系统，无接触能量传输系统耦合程度 较小。为了提高系统的功率传输能力，初级绕组通常采用高频交流电压驱动。 丢纂整笆兰冀望【两 交流l 一交流 叫 “竺鍪型翌： 一 一无直气一- 韫一l 一 謇鎏。l 鼍警鎏一芦二焉篆r r 负载 厂一电路 、厂_ l 竺苎! 三型： 直流负载 图1 2 系统构成框图 系统工作时，在输入端将经整流、逆变的单相工频交流电转换为高频交流电 流供给初级绕组。次级端口输出的电流为高频电流，根据负载用电需要，若为直 流负载，则将高频电流经过整流为负载供电；若为交流负载，则还需要进行逆变 处理。对于滑动式无接触能量传输系统，进行长距离供电时通常需要一定的开关 摔制系统，实现初级绕组的分段式供电，提高传输效率。 这种能量传递方式有许多优点。首先，它可以保证系统各部分之间电气绝缘： 第二，没有裸露导体存在，感应耦合系统的能量传递能力不受环境因素的影响， 如尘土、污染物、水等。这种方式比起通过电气连接来传递能量，更为可靠、耐 用，且不发生火花，不存在机械磨损和摩擦；第三，采用多个次级绕组接受能量 可以同时为多个用电负载供电；第四，变压器初、次级可以相互分离，处于相对 静止或运动状态，打开了通向新型耦合领域的大门。 6 浙江大学硕士学位论文 1 2 3 国内外研究进展及应用前景u j 国外对无接触能量传输技术的研究较早，早在2 0 世纪7 0 年代中期就出现了 电动牙刷，随后发布了几项有关这类设备的美国专利。这一系统属于分离式无接 触能量传输系统。当牙刷不用时，杯型底座通过电磁感应给牙刷中的电池充电， 虽然传递的功率比较低，但感应耦合技术极好地满足了这种应用。由于牙刷经常 要暴露在水和灰尘当中，无接触的能量传递使充电过程中没有裸露导体接触，从 而大大提高了电动牙刷的可靠性和安全性。 目前，国外有许多科研院所和公司从事此项技术的研究，对该技术进行研究 和产品化的功率级别从几个千瓦到几百个千瓦。比较有代表性的研究机构是新西 兰奥克兰大学电子与电气工程系功率电子学研究中心，该中心从2 0 世纪9 0 年代 丌始主要从事滑动式无接触能量传输系统的研究。经过1 0 多年的努力，该技术 在理论和实践上已获得重大突破，先后获有关发明专利l l 项。主要研究集中在 给移动设备，特别是在恶劣环境下的供电问题，如电动汽车、起重机、运货车， 以及水下、井下设各。目前实用的设备己达到2 0 0 k w ，数公里的传输距离和8 5 以上的传输效率。目前该技术已被成功的推广到日本、德国、美国等地，其典 型的商业化产品有： ( 1 ) 日本大阪幅库公司的单轨型车和无电瓶自动运货车，这些设备目前已成功 地用于许多材料运输系统中，特别是一些恶劣的环境下，如喷漆车间等； ( 2 ) 新西兰奥克兰大学所属奇思公司成功地开发了两项有关i p t ( 新型感应能 量传输技术) 的实用项目：一是高速公路发光分道猫眼系统，目前正运行于新西 兰惠灵顿大隧道中；另一个使用于新西兰r o t o r u a 国家地热公园的4 0 k w 旅客电 动运输车，现已安全运行约5 年； ( 3 ) 德国奥姆富尔公司的载人电动列车已试车成功，在奥姆富尔总部的测试轨 是目前为止建造的最大的i p t 系统，总容量达1 5 0 k w ，轨道长度近4 0 0 米，气隙 为1 2 0 m m 。该系统允许该接收绕组向各个方向移动的位置公差为5 0 m m 。该公司还 成功地将这种新型无接触能量传输技术用于电动游船地水下驱动。 此外，美国通用汽车公司推出的e v l 型电车无接触感应充电系统也备受世 人瞩目。由美国通用汽车公司的一个分公司d e l c oe l e c t r o n i c s 公司研制的 m a g n e - - c h a r g e 是最先商业化的电车感应耦合充电器之一，现正由d e l c o 生产和 7 浙江大学硕士学位论文 出售，专门用于g m 的e v l 型电动车充电。e v l 型电车的一个电池组，包括2 6 个 铅酸电池，可储存约1 6 k w h 的能量，这个能量等效于一个高效发电机利用大约 1 加仑汽油产生的电能。要进行充电，只需将充电板插入车辆的充电端口即可。 感应耦合进行能量传递的频率可以在8 0 k h z 到3 5 0 k a z 范围内变动。充电可以反 复进行，过程简单、安全、高效。 有关新型无接触能量传输系统项目的开发研究仍然在不断进行中，它涉及 的领域也日渐广泛。除了有上述的交通、材料运输等领域外，还有生物医学、钻 井、工矿、水下作业等领域。如飞机座位上的无接触供电系统，这个系统用于给 每个座位上的娱乐设施提供能量，每个单元大约消耗5 0 w 能量。密封的功率传输 轨道嵌入乘客机舱的地板，座位上采用感应耦合功率接受绕组，与功率传输轨道 相对应，系统采用电流反馈耦合技术。该电能传输装置易拆开，易装上，使座位 在飞机上可以灵活的移动，同时利用感应耦合技术提高了系统的安全性、可靠性 和舒适度。 生物医学领域正利用这一技术进行人工心脏和恶性肿瘤疗法等的研究。这 些系统通过在病人皮肤下植入电路，由戴在病人腰间的感应耦合装置透过皮肤向 体内进行能量传递，开辟了新型的损伤性较小的医疗天地。由于耦合装置的放置 以及病人皮肤的厚度不同，系统的电力电子驱动设各必须能经受耦合参数的变 化。 上述研究和应用涉及的都是分离式或滑动感应能量传递。旋转式感应能量 传递系统的研究现在主要用于工厂中驱动机器的活动部位，实现能量和信号的无 接触传输。这种能量传递方式的显著优点是：整个驱动系统包括驱动电机、变换 器，电流、速度和位置控制回路都设置在机器人肢体中。在这种构造方式中，除 了电源电压阻外，只需要从外部获得控制信号即可。这个信号可以同样的方式进 行传递，从而避免了采用移动电缆导致机器的运动受限，以及由于电缆磨损所带 来的操作失误等缺点。 综合上述研究，我们可以看出，该系统的发展依赖于两大技术，即磁耦合 技术和电力电子技术。这两大技术的巨大进步是新型无接触能量传输系统得以生 存和进一步发展的根本保证。系统自身的特点也决定了要提高无接触能量传输系 统的性能，不断开发新的应用领域，就需要不断改善初、次级系统的供电性能， 浙扛大学硕士学位论文 并优化和改进磁耦合结构，提高耦合能力。 新型无接触能量传输系统的应用潜力是巨大的，前景主要体现在以下几个方 面： ( 1 ) 交通运输领域 随着人们环境意识的提高和对石油燃料资源耗尽危险的警觉，未来的交通运 输系统将逐渐向着绿色、环保、电气化的方向发展，未来的交通系统供电将为新 型无接触能量传输系统提供广阔的市场。 目前，电动车是唯一可以满足零排放的车辆，而且它既可以利用电池储能， 也可以给电池充电。电动车的电池充电问题将是未来的电动汽车生产商面临的最 主要的问题。采用新型无接触能量传输系统为电动车供电，可以克服传统的充电 方法带来的电击、易受环境影响等不足，实现了电能的绿色、安全、高效的传输。 此外，向未来的高速磁悬浮列车供电也是考虑中的应用之一。磁悬浮列车， 足综合了高新技术的产物，它脱离了传统的轮轨运行方式，实现了时速 4 0 0 k m h v 5 0 0 k n 们l 高速运行，是一种新型的陆上高速运输工具，代表着2 l 世纪 高速铁路技术发展的趋势。目前发展成熟的磁悬浮列车分别是德国的常导电磁式 悬浮列车和日本的超导电动式悬浮列车。在列车时速比较高的时候，都可以实现 大功率的无接触能量传输。但前提是列车必须高速运行，在低速运行时，仍然需 要其他的辅助设备来供电，这是其发展的一大不足。现正处于研究阶段的瑞士 s w i s s m e t r o 磁悬浮系统就采用这一技术进行能量传递，从而实现了电能在全速范 围内的传输。 今后的有轨电车、地铁都是无接触能量传递系统的潜在的应用领域。 f 2 ) 生产领域 现在的生产行业正逐步向机器化、智能化方向发展。采用新型无接触能量传 输系统为机器人供电可以保证能量和信号的安全、可靠的传输。 此外，采用该系统可以解决目前在采矿，水下探测等环境较恶劣的行业中存 在的电工设备供电问题。现在许多海底石油、天然气生产设备都采用感应能量传 输器进行充电。 ( 3 ) 其他领域 例如在生物医学，以及人们的日常生活领域中的应用，如便携式的家用电器， 9 浙江大学硕士学位论文 手机等的充电器。 该系统的研究必将导致大量新的研究领域的出现和产生新的经济增长点，使 电能的应用更为广阔。它打破了在化工、钻井、工矿、水下探测等特殊行业中的 某些场合下的电工设备馈电的限制，开拓了如在电动汽车、高速磁悬浮列车馈电 以及在生物医学、家用电器等方面的应用。因此，该系统的研究不仅有重要的科 学意义，而且有很大的使用价值和广阔的应用前景，具有巨大的经济和社会效益。 1 3 课题研究的内容及意义 当今多数电子消费品，如单放机、c d 机和无线电话等，都是便携式的，为 了给这些电子装置供应能量，急需找到一种安全有效的充电方式，本课题就是研 究一种适合于给小功率电器充电的无接触充电电路，它属于一种分离式的无接触 能量传输系统。 课题定的电路指标是稳定输出直流电压1 2 v ，功率2 0 w 左右。为实现这些 指标，从分析电路拓扑结构入手，寻找了一种合适的半桥式的串联准谐振变换器， 并针对该电路拓扑选择合适的控制芯片及控制方法实现了z v s 的软开关技术，有 效地减低了开关损耗，论文对电路的工作原理和波形进行了详细的分析。无接触 式的变压器的设计是个难点，论文使用变压器的互感模型对松耦合式的电能传输 系统进行了建模分析，并讨论了原副边的电容补偿对提高无接触电能传输系统的 传输能力的影响。对充电电路来说，电压的稳定输出显得尤其重要，所以论文重 点分析了课题中应用的适合于无接触式电路结构的电压和电流补偿两种闭环控 制方法，同时详细介绍了在输出端加入的磁放大器用于稳压的拓扑结构和工作原 理。 1 4 小结 本章首先在引言中简要地介绍了电力电子技术和开关电源技术在器件、电路 和控制方式方面的最新发展动态和应用。其次介绍了课题研究的背景新型无 接触能量传输系统的基本构成、工作原理及国内外研究进展和发展前景。晟后概 括了课题研究的内容和意义。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章串联谐振变换器的分析与设计 2 1d c d c 变换技术 随着生产的发展和技术的进步，作为能量转换环节的开关电源变换器在各种 电子产品中获得广泛应用。由于应用场合的不同，开关电源变换器的种类就很多。 按电网接入形式，开关电源可以分为一次电源和二次电源；按变换器的种类，可 以分为交流直流( a c d c ) 交换电源、直流，直流( d c d c ) 变换电源、直流交流 ( d c a c ) 变换电源和交流交流( a c a c ) 变换电源。 一次电源是以电网作为输入的电源，主要包括a c 仍c 变换电源和a c a c 变换电源，并以a c d c 变换电源用得较为广泛。a c d c 变换器电源结构可分为 单级电源和两级电源。单级电源主要应用于对功率因数和效率要求不高的小功率 场合；两级电源是指具有功率因数校_ i e ( p f c ) 和隔离d c d c 变换两个环节的电 源。具有高效率的功率因数校正电路也已经广泛应用于一次电源产品中，功率因 数校正技术在一次电源产品中的问题相对减少，而d e d e 变换仍然是重点。 二次电源是以一次电源的直流输出电源或者蓄电池电压作为输入的电源，主 要包括d c a c 变换电源和d c a c 变换电源，并以d c d c 变换电源用得较为广 泛。所以d c d c 变换技术依然是开关电源技术中的重点，也是开关电源技术发 展的基础。d c d c 变换是开关电源的基本单元，其他各种形式的变换电路部是 d c d c 变换电路的演变。d c d c 变换技术的发展伴随着开关电源技术发展，也 是发展的最快的电源变换技术之一。 2 1 1 硬开关和软开关技术 6 0 年代开始发展和应用的d c d cp w m 功率变换技术的优点是开关频率固 定，开关的通态损耗小。但它是一种硬开关技术，即功率开关管的开通或关断是 在器件上的电压或电流不等于零的状态下进行的。由于开关分布电容和线路分布 电感的影响，开通时，开关管的电流从零逐步上升，电压逐步下降，电流上升和 电压下降有个交叠过程，使得开通过程中开关管有功率损耗，我们称之为开通损 耗( t u r n o nl o s s ) 。同样在关断时，电流下降和电压上升有个交叠过程，使得关 浙江大学硕士学位论文 断过程中开关也有功率损耗，我们称之为关断损耗( t u r n o f f l o s s ) 。开通损耗和关 断损耗统称为开关损耗( s w i t c h i n g l o s s ) 开关管开关时的电压和电流波形如下 图所示： 尊 s v s 1 s 、 i s ( t ) t v c ( t ) 必i t d廿 t dt f t o nt o f f ( b ) 图2 1 开关管开关时的电压和电流波形 根据图2 1 ( a ) 有： u = t r + k ( 2 1 ) 开关过程损耗： 己= 工肛衍2 i 1 【，。z ( 2 2 ) 易2 z p 。衍2 石1u ，。o z ( 2 - - 3 ) 总的丌关损耗： p s w 4 。= 巴+ 易2 i 1 彤，( + o ) 。z ( 2 叫 根掘式( 2 4 ) 可知，开关频率越高，开关损耗越大。在实际电路中，由于 漏感、二极管的反向恢复特性的影响，功率器件的开关过程更加恶化，开关损耗 要比理想条件下大几倍，e m l 噪声较大。所以，应用硬开关技术的p w m 功率变 换器，其开关频率不宜过高，否则开关损耗太大，变换器的效率大大降低。所以 丌关损耗的存在限制了变换器的小型化和轻量化。 丌关管工作在硬开关时还会产生高的d i d t 和d v d t ，从而产生大的电磁干 扰。图2 2 给出了接感性负载时，开关管工作在硬开关条件下的开关管的开关轨 迹，图中虚线为双极性晶体管的安全工作区( s o a ) ，如不改善开关管的开关条 浙江大学硕士学位论文 件，其开关轨迹很可能会超出安全工作区，导致开关管的损坏。 矿。 图22 开关管工作在硬开关条件下的开关轨迹 增加缓冲电路可以减小功率器件的开关损耗。其基本思想是使开通时开关电 流缓慢上升，关断时开关电压缓慢上升，这样就改变了开关的动态轨迹，降低了 开关过程中的开关损耗。开关电流和开关电压缓慢上升程度由缓冲电路中的储能 元件l 和c 的值决定，其数值越大，缓冲能力越强，功率器件的开关损耗越小。 但缓冲电路的实质是将功率器件所减少的能耗转移到缓冲电路中，在强缓冲时， 开关电路的总损耗反而增加。无损缓冲电路的发展减小了这一突出矛盾，但要加 较多额外元件，增加了电路的复杂性。因此软开关技术就发展起来了。 图2 3 给出了开关管实现软开关的波形图。减小开通损耗有以下几种方法 1 ) 在开关管开通时，使其电流保持在零，或者限制电流的上升率，从而减小电 流与电压的交叠区，这就是所谓的零电流开通。从图2 3 ( a ) 可以看出，开 通损耗大大减小 2 ) 在开关管导通前，使其电压下降到零，这就是所谓的零电压开通。从图2 3 ( b ) 可以看出，开通损耗基本减小到零。 浙江大学硕士学位论文 3 ) 同时做到以上两点，开通损耗为零。 0 l ir - - - - - - - - ll 。1 1 。， 鼍 a r x d 只c ， 髓 撕 ( a ) 零电流开关 图2 3 开关管实现软开关的波形图 从上图中可以看出减小关断损耗有以下几种方法 妙l 倒! !，j 撕 ( b ) 零电压开关 1 1 在开关管关断前，使其电流减d , n 零，这就是所谓的零电流关断。从图2 3 ( a ) 可以看出，关断损耗基本减小到：零。 2 ) 在开关管关断时，使其电压保持在零，或者限制电压的上升率，从而减小电 流与电压的交叠区，这就是所谓的零电压关断。从图2 3 ( b ) 可以看出，关 断损耗大大减小。 3 ) 同时做到以上两点，在这种情况下，关断损耗为零。 浙江大学硕士学位论文 在高频化发展过程中，为了降低开关损耗，软开关技术开始发展起来。目前 研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路，而是真正减小开关损耗，而不是开关 损耗的转移。“软开关”是指零电压开关( z e r o v o l t a g e - s w i t c h i n g ，z v s ) 或零电 流开关( z e r o c u r r e n t - s w i t c h i n g ，z c s ) 。它是应用谐振原理，使开关变换器的开 关管中电流( 或电压) 按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时，使器件关 断；或当电压过零时，使器件开通，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高 到新的水平。换句话说软开关技术就是利用电感和电容对开关的开关轨迹进行整 形。直流开关电源的软开关技术一般可分为以下几类： ( 1 ) 串联谐振( s r c ) 或并联谐振( p r c ) 技术 串联谐振或者并联谐振是利用谐振原理，使电路工作于谐振状态，使得开关 零电压开通或零电流关断，以减小开关损耗，且降低了e m i ，噪声较小。由于有 l c 谐振，所以丌关的电流、电压应力较高，使得开关的通态损耗会增加；出于 l 。c 谐振频率固定，它通过调节变换器的工作频率来调节输出电流或电压。这类 变换器中，谐振元件一直谐振工作，参与能量变换的全过程。且与负载关系很大， 对负载的变化很敏感，一般采用频率调制方法。 ( 2 ) 准谐振( q r c ) 或多谐振( m r c ) 技术 这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器的特点是谐振元件参与能量变换的 某一个阶段，不是全程参与。当谐振回路元件多于两个时，称为多谐振。在高频 情况下，利用功率元件的寄生电感和电容或者外加的电感和电容，实现准谐振或 多谐振，以达到零电压或零电流的目的。多谐振变换器一般实现开关管的零电压 丌荚。这类变换器需要采用频率调制控制方法。 ( 3 ) z c s p w m 或z v s p w m 技术 在准谐振变换器中，增加一个辅助开关控制谐振元件的谐振过程，实现恒定 频率控制，即实现p w m 控制。与准谐振不同的是，谐振元件谐振工作时间与丌 关周期相比很短，一般为开关周期的1 l o - 1 5 。在一个开关周期内，主功率元件 按p w m 方式工作，通过控制辅助开关，使主功率元件在开关转换时，按准谐振 变换器方式工作，实现z c s 或z v s 。前：者称为z c s p w m 变换器，后者称为 z v s p w m 变换器。这样，变换器既有零电压或零电流的软开关特点，又有p w m 恒频调宽的特点，电路的效率较高。 浙江大学硕士学位论文 ( 4 ) 移相全桥z v s p w m 技术 传统的全桥( f u l l b r i d g e ，简称f b ) p w m 变换器适用于低压大功率的情况。 为了提高功率密度，就要提高工作频率。为避免开关损耗随频率增加而急剧上升， 可以采用移相控带1 ( p h a s es h i f t i n gc o n t r o l ，简称p s c ) 技术，利用功率m o s 管的 输出电容和输出变压器的漏感为谐振元件，使f bp w m 变换器的四个开关管依 次在零电压下导通，实现恒频软开关，称为p s cf bz v sp w m ( 简称p sf b p w m ) 变换器。该变换器已广泛用于通信a c d c 一次电源、分布式军用电源系统中。 ( 5 ) z c t - p w m 或z v t - p w m 技术 这是软开关技术的又一次飞跃。它的特点是变换器工作在p w m 方式下，辅 助谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间，实现开关管的软开关，在其他 时间则停止工作，这样辅助电路的损耗很小。z c s p w m 或z v s p w m 变换器的 谐振电感是串在主电路中，使得零开关条件与电源电压和负载变化范围有关，在 轻载可能失去零开关条件。通过将谐振网络与主丌关并联，从而改善零开关条件， 就有对应的z c t - p w m 变换器和z v t - p w m 变换器，统称为零转换p w m 变换器。 它的导通损耗和开关损耗最小，能实现零刀：关特性而不增加主开关的电压、电流 应力，适用于较高电压和大功率变换器。 2 1 2 串联谐振和并联谐振 随着d c d c 变换技术的发展，软开关、谐振变换技术的应用，d c d c 变换 电路的工作方式，从最初的硬开关p w m 式，向谐振式和谐振p w m 式方向发展。 每一种工作方式都有它的优点和不足，往往适用于某一电路或应用场合。适合用 于中功率d c d c 变换的拓扑结构也不少，如双管正激( d u a ls w i t c hf o r w a r d ) 、 有源钳位( a c t i v ec l a m p ) 、移相全桥( p s f b ) 、串联谐振( s r c ) 、并联谐振( p r c ) 和不对称半桥( a s y m m e t r i c a l h a l f b r i d g e ) 等，采用较多的是串联谐振和并联谐 振两种拓扑。串联谐振和并联谐振是典型的软开关谐振变换电路。接下来分析这 两种电路的基本原理和优缺点，并结合电路的优点，提出课题中采用的拓扑结构。 串联谐振半桥变换器结构十分简单，如图2 4 所示。它是由两个功率m o s 管s ，和s 。组成上下桥臂，还有s ，和s ：的体二极管d 。和d 。以及寄生电容c 。和c 。， 渚振电感l s 和谐振电容c s 是串联的，它们构成了一个串联回路，谐振回路将与 1 6 浙江太学硕士学位论文 负载串联在一起。从结构上来看，谐振回路和负载构成了一个分压器。如果改变 丌关管的工作频率，那么谐振回路的阻抗也将改变。那么负载上的电压也会改变。 串联谐振是一个分压电路，因此它的直流增益不会超过l ，当电路工作在谐振频 率时，谐振回路的阻抗最小，这时候增益最大。因此对于一个串联谐振变换器来 说，在谐振频率点它的增益将达到最大。 图2 4 串联谐振d c d c 变换器 对于串联谐振变换器来说，工作频率应该大于谐振频率，因为对于这种变换 器，为了实现原边管子的z v s ，开关频率必须大于谐振频率。如果开关频率低于 谐振频率时，变换器将工作在零电流开关状态。而对于功率m o s 管来说，零电压 开关是最好的选择。而在轻载的时候，它是通过大大增加工作频率来实现输出电 压不变的。因此轻载对于串联谐振来说是一个比较严重的问题。 串联谐振d c d c 变换器的优点在于： 2 ) 3 ) 4 ) 1 ) 2 ) 3 ) 工作频率f 大于谐振频率f s 时，原边管z v s 开通，副边管z c s 开通 电路结构简单，控制相对简单： 电路中的循环电流比较低： 准正弦整流电流，可采用不控整流： 功率器件反并二极管，无需外接二极管。 其缺点是： 轻载时电路的工作频率很高，不宜空载，若空载需加空载保护： 调节范围比较差，p f m 控制时在某些应用下有限制； 需高耐压的谐振电容，特别是品质因数q 值较大时。 浙江大学硕士学位论文 并联谐振半桥d c d c 变化器结构也十分简单，如图2 5 所示。它是由两个 功率m o s 管q 。和q 。组成上下桥臂，还有q ，和q 。的寄生电容c ，和c ：，平波电感l ， 和串联谐振变换器相比，它的开关管需外串二极管d l 和d 2 ，同时它的谐振电容 c 和谐振电感l r 是并联的。输出端并联在谐振电容两端，形成并联负载并联谐 振变换器。 l 图2 5 并联谐振d c d c 变换器 与串联谐振相比，并联谐振变换器的工：作范围比较小。在轻载的时候它稍微 增加开关频率就可以来调节输出电压的增益了。对于并联谐振来说，当负载比较 轻的时候，电路中的循环能量比较大。因为负载是和谐振电容并联的，当负载为 零时，就相当于只有谐振元件在参与工作，这时候电路的阻抗比较小，因此循环 能量比较高。 并联谐振d c d c 变换器的优点在于： 1 ) 工作频率f 大于谐振频率f s ，原边管实现z v s 开通： 2 ) 输出电流的有效值比较低； 3 ) 调节范围比较宽，可始终跟踪负载频率变化； 4 ) 可空载运行，拓扑本身有短路保护能力。 其缺点是： 1 ) 电路中的循环电流比较大，开关管需串联大功率高频二级管； 2 ) 输出滤波电感比较大，体积较大，结构和控制都较复杂。 一二 一 j 浙江大学硕士学位论文 实际上从电路原理来看，串联谐振逆变器和并联谐振逆变器在各种变量的波 形、电路的拓扑、还有电路的特性等方面都存在着对偶关系，如表1 、2 、3 所示。 电压型和电流型逆变器的对偶特性 表1 电压、电流波形的对偶 串联谐振逆变器并联谐振逆变器 入端电压为直流入端电流为直流 当工作在负载谐振频率时，入端电当工作在负载谐振频率时，入端电 流为全波整流波形压为全波整流波形 输出电压为方波输出电流为方波 输出电流为正弦波输出电压为正弦波 表2 电路特性的对偶 串联谐振逆变器并联谐振逆变器