负载适应型中频共振电源.doc

负载适应型中频共振电源（Load Adaptive Medium Frequency Resonant Power Supply）摘要-低功率电子器件、微型计算机系统和无线通信的快速发展使得全新的廉价的电力供应的系统概念得以发展。在一些应用场合下，有线的电力传送并不适合而且甚至不可能应用。比如：在机器人应用、全自动的制造领域还有对绝缘性有十分高的要求的中压以及高压领域等。在不含传统变压器的解决方案中：磁路中有一段很大的空间间隔，器件以谐振开关方式运行，来向负载提供电源。在这篇文章中，我们将向您展示一个谐振电源转换系统，他通过向下提供辅助电源来使完全意义上的无线设备成为了可能。它并不借助导线，而是通过一定距离甚至几米远的磁场，包括了100立方米的空间，这使之适合于机器人应用或者高度自动化的生产设备（传感器、通信、促动器等）。介绍近年来，智能工业、过程和电能分配领域中的电子和微型计算机系统出现了一场革命：电子器件变得越来越廉价化、微型化、智能化和可通信化(比如：无线)。传感器已经变得更加微型、廉价而且通常是集成化的。集成了先进的通讯技术的控制和自动化系统（比如：PLC）同时也变得更加小巧、更加低功耗、更加低成本并且提供可变的、先进的工程支持。在以上这些领域中，成本大幅下降，先进的技术也得到了发展。当前，为了适应各种的应用要求，新的通信技术（如：蓝牙等）被开发了出来。在传感器领域的更进一步的革命将要伴随着微型化、电子化、机械化的系统MEMS（微机电系统）而兴起，它集成了机械结构、多功能材料和微型电路到一块芯片上。这样设计的前景是创造一个可以感知、思考、动作和通信的芯片。因此，自动化在工业应用、中压配电、对新技术有需求的仪器和建筑领域在提高系统的性能的前提下降低成本。考虑到工程技术、成本、尺寸和寿命问题，有线的解决方案通常并不适合，特别是在机器人应用、移动系统和对绝缘性有很高要求的领域。提供一种廉价的、可靠的高电压电力供应是有困难的，特别是在低功率场合。当下常见的解决方案（50Hz）变压器是昂贵的，其可靠性低、体积大。所以他们并不再适合有着传感、驱动和通信功能的系统。以上这些要求大部分可以很容易地通过一个借助于电磁场的真正的无线系统来平衡。其中的变压器含有一个很大的空气间隔（提供绝缘性和低电容），或者甚至从来就没有变压器的核心。在机器人和制造领域，线缆存在着高成本和可靠性不佳的问题。无线通讯已经展示出了他强大的优越性，但是一个明显的问题仍然是向小功率用户无线地传输电能，比如下图中典型的制造平台是向一个特定的区域中的10到100个用户传输电能。我们可以很容易地看出，在这个电源系统中的是通过磁场来耦合的。这种形式的能量分配系统有非常特殊的要求：电源向整个区域完整地提供可以适应各种尺寸的平台对负载补偿可以变化，如：机器人的运动可以低损失地产生必需的电磁场低耦合暗示着如果工作在常见的变压器模式下很低的功率转换成为了可能。因此必须使用一个谐振的方法来补偿一次侧和二次侧的电感漏磁。电路然后就运行在了低得多的输入电压的模式下，其控制方式与多共振整流器相似。然而由于工作在共振模式下，在变压器末端的电压将会很高。 这篇文章的目标是描述一个负载适应型电源的转换系统，其主要适用于完全无线的电能转换，无线的距离可变并可以达到数米远。对比应用于感应加热的方法，为了能使二次侧或接受侧电路可以运行，控制和调整的方法是频率必须精确地确定。说明这里描述的电源（一次侧）将通过一段很大的空气间隔向独立的接受器件（二次侧）提供电源。电能的传送媒体使用的是磁场。相比于“标准的开关电源变压器”设计，普遍可用的工业系统的一个明显问题便是以下的参数是变动的：主电感缠绕的尺寸。一次侧（发送端）与二次侧（接收端）之间的距离。接收线圈和二次侧负载的类型。所以，电源不得不面对电磁耦合情况的巨大变化，这代表了在一次侧的一个很大范围的电感性负载，其比率可能达到1:7。 为了使一次侧和二次侧系统分别独立开来，电源的频率必须精确地达到某一个值，二次侧也同样必须工作在谐振条件下来获得高的电压等级。因为这种解决方案只考虑传送正弦电流或场强，并且是不含调制和通信的共振电源传送，其频率或者场强符合美国供应管理协会（ISM）的标准，而且ISM也并没有针对于信号频率低于150kHZ的限制。在全球应用的最低ISM频段是13MHz频段。借助该频段，令人期待的大规模应用已经开始，但是其电磁兼容性（EMC）表现却不令人满意。一个用于通信目的（短距装置，SRD）外表类似电感线圈系统的、允许100%占空比的工作方式已经应用于频率区间在119kHZ-135kHz的频段中（选择在120kHz的工作频率）。为了使期望中的大空气间隔得以实现，且考虑到场强可能会影响到其中的操作器件，所以必须要观察安全等级（国际非电离辐射保护委员会提供的值在表1中）。当然，只有很低的正弦磁场传递失真才能满足电磁兼容性的要求。原理就像前文讨论过的，我们的目标是提供不需要线缆的辅助电源。考虑到几种可能性，借助非常大的空气间隔进行磁场耦合看起来像是最适合的选择。我们可以描述一个这样一个有着原边和或多或少独立性的副边的这样的系统。正如在一个变压器中一样，两个线圈是通过磁场耦合的，在本文章中只涉及原边。原边的目的是产生足够强的场强提供给副边使之能处于巨大变化的电磁场耦合中并提供负载需要。在这个弱耦合系统中产生场强需要一个相对于有功来说比率很大的无功，而大部分需要的有功将流失。在电路中（整流器、补偿电容器）。在线圈中。由于环境中的涡流损耗，比如：被提供电能的装置的金属部分。由于驱动级必须同时适合大电流和大电压，所以直接向电源或者变流器提供无功的方式是不经济的。幸运的是，在共振模式下可以提供无功。由于整流器边工作在低电压模式下使其可以使用低损耗半导体，且因为场的强度控制可以很容易地感知非直接使用的电压源变流器，所以使用串联谐振。然而，并联谐振也同样是可以选择的。在本例中，整流器并不需要通过谐振电流，但是必须限制可观的高电压。图2谐振的工作模式还有更大的优点，它可以减少由于可能的零电压或者电流开关（零电压开关、零电流开关）产生的功率级开关损失。谐振的工作方式同样可以十分好地适合低谐波要求。包括原边在内的谐振线圈由于弱耦合，有很高的最佳平坦响应，其实际值有100-200.在共振频率附近一定会有最高的响应增益。正如在说明中已经描述过的，由于原边和副边的是独立的，因此传输磁场的频率和由此而确定的电能位必须固定。而且为了适应在很宽范围内变化的负载电感，只有通过调整谐振电路其本身才能有可能调谐共振工作点。由于耦合变化和发射器尺寸使得发射器线圈的电感可以发生很大的变化，这使在很长一段距离外进行共振电路调整十分必要。几种方法：通过在不同的共振电路和电路元件之间选择并使用不同的工作频率来获得等价的共振频率。这种解决方法的缺点是，工作过程中开关器件在适当的位置截断电流将引入失真，并且开关器件必须是双向的。图3高开关频率的电容器和电感。这种解决方法原则上与前一种方法类似，但通过使用了更高频率来获得更好的波形。更高的频率需求意味着比工作频率还要更高（比如十倍），在本例中这是不具备优势的，因为那意味着1MHz，这样其功率等级将太高（硬开关=高损失）。电容和电感的低频率开关。8位分辨率代表工作频率在100kHz的最大频率误差在100Hz解决方法。这种解决方案在本例中看起来像是可行的，但是需要大量的双向开关器件。通过在原边串联可饱和电感来进行线性调整。这种解决方法使简单的谐振频率线性调整成为了可能，但是也会导致高损耗和在调整幅度与额定电流功率的要求下引起的尺寸的快速变大的缺点。可饱和器件的引入同样给共振电路带来了谐波失真。因此这里选择后两种方案的混合作为解决方法：一个通过2位分辨率的开关电容实现的逐步的调整方案和一个通过可饱和线圈调谐的线性调整方案。在控制思想上，更重要的是原边的磁场以及由此决定的原边电流大小必须是可变的。控制上必须满足：调整谐振频率与电源频率相符。在发射线圈中调谐电流的幅值。在原边的谐振频率调整仍存在两种可能性：调整线圈电流使之达到最大值（MPP），然后原边的谐振频率就显然地调制到了共振频率。通过调整共振电路来控制共振电压和电流的相位，直至为零。第二种解决方案是如果在一个确定的相位控制下（除了零相位的），零电流开关模式的电能位操作有优势。相位移的控制展现了进一步的使用同样的方法调谐电源的可能性。通过获得不同的相位移我们也可以改变共振电路的增益并且调谐电路中电流的幅值。但因为共振电路的高滤波增益而引起的失真导致这种解决方法并不能得到认同。通过控制磁场我们同样可以调制输入电压等级。以上的电压等级被开关级用来向共振电路提供电源（见图2）。这样的目标是可以实现的，比如通过一个可控输出电压的电源。实现图5展现了完整的电源的电路图，其可以分为三个部分。A PFC与场的控制“场的控制”这一部分的任务是通过提供一个对应于场强的参考电压来调整传送的电能。这个设备是一个标准的有着PWM电压控制的直流转直流的整流装置。参考电压由谐振电路控制产生。这里所用的整流装置是一个升压器（PFC）和一个输出电压为0到60V（600W）的前置整流器。其值可以很容易地去符合各种电源要求。这一级的电能必须不但符合二次侧负载的需求，也要涵盖共振回路的损失（其可能是所需电能的主要部分）。B 频率发生器这一级的功能是提供谐振回路的振荡能量。在本例中，电路与前文提到过的相同，且将工作在一个固定的频率下。对于串联谐振电路来说直流偏移是不利的。一个单相的开关级可以实现这个功能。这个单相开关级产生了一个矩形的电压，且其振幅由场的控制的输出电压来确定。这个矩形电压向谐振电路提供电能。这一级的控制信号是一个固定频率的占空比为50%的信号。谐振工作方式的三种情况可以确定为（图6）：电源级的频率低于共振频率。电源级的频率正好是共振频率。电源级的频率比共振频率要高。图6只有最后一种模式专注于减少开关损失，在半桥中二级管到开关的电流交换在本例中是一个自然换相。由于对于两个开关的打开和关断之间对于死区的需求，精确的调整方法又引入了四个开关结果（由于在开关结果中电流非常小所以这样的处理方法是可以接受的）。为了可以让电路获得可能有的最好的滤波增益，相位移必须尽可能地为零。因为我们想在不增加整流转换的前提下达到最高的滤波增益，所以整流转换的安全的死区时间边缘必须尽可能的小。因此，应该考虑通过一个有效的门驱动电路来减少开关时间。由于共振电路的高品质因数值，这一级的输入电压不需要很高。设计中的最重要的准则是输入电容和开关的选择必须考虑到最大共振电流。相位捕获通过一个普通的比较器来实现。为了在零相位移附近获得清晰可以辨认的相位信号，其中一个测量过的信号必须有90度的相位移。在我们的例子中，我们将电流的相位进行了移动，并用门驱动电压作为电压相位信号。C共振调试本级构造了带有负载的共振电路。其必须解决电能传送的有功和无功要求。就像在第三段里已经讨论过的，对于负载阻抗变化的补偿是通过一个3位的逐步调整和对余下的范围的线性调节来实现的。逐步调整的方式必须将阻抗变化的全部范围分为大小相等的8个部分，而这个可以通过并联或者串联的开关电容来实现。这里选择了一个固定的树形开关电容器。这样选择的优点是，只有固定电容器需要设计地能承受完全的共振电压（这里可能达到1kV100kHz）,而树形电容器和开关则可以只需要能承受共振电压的一部分就可以了。在日常工作时，我们只希望负载的变化是缓慢的（比如一些设置的调整）。我们已经选择了（当然是双向的）继电器作为开关，但是我们也可以将他们替换为半控的双向电子开关，特别是某些使用开关数量比较多的地方。剩下的需要进行补偿的地方将由电源中线性调整模块进行补偿。现行共振电路的调整有可饱和电感实现。出于这个原因而设计出了一种很特殊的电感。将主线圈（图7）平均地分配到E形铁芯的气隙分支，使交变磁通大部分的流入到了这些分支中。为了消除对称精度引起的在中央分支上的剩磁，在这个分支（图7-2）上加上了单匝的回线电路。饱和线圈可以通过简单的低电压电流调节。为了使每一个支路都在饱和工作点，需要双方的气隙都精确的对称。正如我们可以在图8中看到的，在一半的磁芯中饱和磁通是相加的而在另一半中饱和磁通是相减的，因此饱和的非线性失真被补偿掉了。这种改变是我们拥有了持续可变的电感，容易控制且出人意料地接近线性。还剩下一个问题是需要大的空气间隔来控制强烈交变的磁场，并且需要将满足磁路饱和的能量考虑在内。 结果图9中的原型产品实现了24A的输出和10-70H的可调电感。其最大无功大约30kVA，但是最大需要的有功600W。在第一次产生电能的应用测试中，我们发现需要更多的功率和更高的设置。一种解决方式是将两个电源和其线圈并联。由于共振电路的高品质因数，两个共振回路之间的每一个小的差别将导致电流分配的问题。即使两个电源电流之和仍是正弦，但不同的电源的电流将发生严重失真。这个结果的出现是由于线圈的不对称性和不可再饱和性。新的电源设计方案避免了这些问题并且减少了安装难度。他可以同时向两个线圈供电并且由一个controller控制，这使他更容易安装以及具有更大的灵活性。图10（共振电路的输入电流和电压在图10中展示。他清晰地显示出相位移必须十分接近0度并且谐波失真很低（二