周继昆，孙 跃，戴 欣

(1.中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳621900；2.重庆大学自动化学院，重庆400030)

LCL谐振型感应电能传输系统软开关方法研究

周继昆1，孙 跃2，戴 欣2

(1.中国工程物理研究院总体工程研究所，四川绵阳621900；2.重庆大学自动化学院，重庆400030)

LCL谐振型感应电能传输(IPT)系统由于受到副边反射阻抗的影响，系统的软开关频率会随着负载的变化而发生漂移，甚至出现消失的情况。针对上述问题，利用互感耦合建模分析方法，研究了LCL谐振网络的参数匹配，得出了使系统存在软开关频率点的参数边界约束条件，并利用数值方法研究了系统在变负载情况下的频率特性。基于理论分析，提出了一种自激振荡反馈式频率跟踪方法，可以使逆变器的工作频率跟踪系统的软开关频率，搭建了实验系统对理论分析和频率跟踪方法的有效性进行了验证。

LCL谐振；感应电能传输；软开关；频率跟踪

感应电能传输(IPT)技术是一种借助于高频电磁场实现电能无线传输的技术，近几年来受到了学者的广泛关注[1-3]。IPT系统由原边谐振变换器和副边能量拾取机构组成，原边谐振变换器将直流电能转换为10～200 kHz的高频电能并注入到谐振网络，从而在谐振网络的发射线圈周围激发一个高频交变磁场，处于磁场中的副边能量拾取线圈就会产生感应电动势，该电动势驱动负载运行[4-5]。LCL谐振网络比LC谐振网络有更大的谐振容量、更高的传输效率和更好的滤波特性，LCL谐振变换器已经大量应用于IPT系统中[6]。

为了减小变换器中开关管在工作过程中所承受电压、电流应力，提高IPT系统的传输效率，通常需要逆变器的开关管工作在软开关模式[7]。但经研究表明，由于原副边之间的耦合作用，系统的软开关频率会受到副边反射阻抗的影响，LCL型IPT系统的软开关频率在负载变化时会发生漂移[8]。目前，针对LCL谐振型IPT系统，主要通过使逆变器输出电流断续的方式实现软开关，基于电流断续的软开关方法有移相控制策略[9]、非对称占空比控制策略[10]、非对称电压控制策略[11]，但上述方法会使系统的输入电流产生严重畸变，降低系统的功率因数和传输效率，系统的传输能力受到一定限制。

本文研究了一种通过使逆变器的工作频率跟踪系统软开关频率实现软开关的方法，由于该方法是在逆变器输出电流连续模式下实现，可以有效降低输入电流的谐波含量，提高系统的功率因数。基于系统的互感耦合模型，配置了系统原边补偿参数，并得出了系统参数存在软开关频率点边界约束条件，分析了变负载情况下系统的频率特性，为本文所采用的软开关方法提供了理论依据，结合理论分析，提出了一种自激振荡反馈式频率跟踪方法。

1 系统谐振参数匹配

LCL谐振型IPT系统指原边采用LCL谐振网络，副边采用LC或其它谐振网络的IPT系统。本文以原边为LCL谐振网络，副边为LC并联谐振网络的IPT系统为例进行研究，其它拓扑形式可采用类似的方法进行分析，系统电路拓扑结构如图1所示。

图1 LCL谐振型IPT系统电路拓扑

在配置IPT系统谐振参数时，应充分考虑副边反射阻抗对原边固有谐振频率的影响，通过配置原边补偿电容的参数，使原边的软开关频率(逆变器输出电压与电流同相位)与副边固有谐振频率相等，这样可以让系统获得最大的电能传输能力，且无功功率最小[5]。因此，有必要通过系统的互感耦合等效模型来研究原边补偿拓扑参数的设计，互感耦合模型电路如图2所示，其中和分别为和的有效值，ω为系统的工作频率，分别为原副边之间的感应电动势。

图2 互感耦合模型电路

系统副边的等效阻抗为：

当系统的工作频率等于副边的固有谐振频率，即：

将式(2)和式(4)代入式(3)，得：

将式(5)代入式(6)得：

式(10)为系统可实现软开关工作的参数边界约束条件，只有当系统满足此条件时，系统才存在与副边固有谐振频率相等的软开关频率点。

2 变负载情况下系统频率特性

设系统参数按50 Ω的负载阻值进行配置，如表1所示，式(11)中ω0为负载为50 Ω时系统的软开关频率，ω表示负载变化后系统的软开关频率，μ为两者之比。

表1 系统参数表

设负载电阻值变化范围为10～90 Ω，步长为10 Ω。当负载发生变化后，让归一化频率μ在0～2之间变化，步长为0.001，每变化一个步长，计算一次式(3)虚部的值，若计算结果为零，此时的频率μω0为系统的软开关频率。

不同负载下系统的软开关频率如图3所示，系统的软开关频率确实会随着负载的变化而发生漂移，且归一化频率存在两个实数解，说明系统存在两个软开关频率。以参数设计点(负载50 Ω)为例，归一化频率的两个解分别为μ1=1，μ2=0.87，则系统的两个软开关频率分别为ω0和0.87ω0。

图3 不同负载对应的软开关频率

为了进一步验证系统在这两个频率点上是否都以正弦规律振荡，在Matlab/Simulink中搭建了系统的电路拓扑，并以强迫振荡的方式让系统工作在这两个软开关频率上，逆变器输出电压与电流波形如图4所示，利用本文给出的系统参数匹配方法所设计的系统参数只有一个呈正弦规律振荡的频率点μ1ω0，当系统在μ2ω0这个频率点工作时，虽然开关管在电流过零点切换，但逆变器输出电流出现了很大的畸变，且幅值很小，属于非正弦特性谐振点，系统不会自激振荡到这样的软开关频率点上[5]。

图4 逆变器输出电压(虚线)与电流(实线)

3 自激振荡反馈式频率跟踪方法

由于系统只存在一个正弦规律振荡的软开关工作频率，提出一种自激振荡反馈式率跟踪方法，让逆变器工作频率跟踪系统软开关频率，利用逆变器的输出电流的相位特征信号同步逆变器开关管的切换，从而使逆变器的输出电压与电流同相位，实现系统的软开关运行。

在实现闭环频率跟踪控制时，主要要求控制器处理较多的逻辑运算，而FPGA具有很强的逻辑处理能力，因此，本文选用Altera公司的EP2C5T144C8作为控制器，实现频率跟踪算法。闭环频率跟踪方法原理图如图5所示。

图5 闭环频率跟踪方法原理图

式中：逻辑“1”表示开通开关管；逻辑“0”表示关断开关管。

4 实验研究

图6 开关管驱动信号逆变器输出电流波形

为了验证上述理论分析的正确性以及频率跟踪方法的有效性，根据图5搭建实验电路。负载为50 Ω时，首先以强迫振荡的方式让系统分别工作于软开关频率点μ1ω0和μ2ω0，开关管驱动信号和逆变器输出电流的波形如图6所示，当系统工作在软开关频率点μ1ω0时，逆变器输出电流的正弦特性良好，由FFT变化可知谐波含量较低；当系统处于谐振点2时，由驱动波形可知，虽然开关管也在电流的过零点切换，但电流出现了严重的畸变且幅值很小，有较大的谐波含量，这与理论分析的结果一致。

在频率跟踪实验中，设置了两个不同阻值的负载，分别为30和80 Ω，验证当负载跳变时逆变器的工作频率是否能够跟踪系统软开关频率，实验结果如图7所示，当负载发生跳变后，由于副边反射到原边的等效阻抗发生了变化，使得电流的幅值和软开关频率也随之变化，本文设计的频率跟踪方法可以使逆变器的工作频率迅速跟踪系统软开关频率，保证了在谐振电流过零点切换开关管。

图7 负载跳变时频率跟踪效果

5 结论

本文基于对LCL型IPT系统参数匹配方法和频率特性的研究，提出了一种自激振荡反馈式频率跟踪方法，并搭建了实验系统，实验证明，本文设计的软开关方法可以在较宽负载变化范围内有效跟踪系统软开关频率，逆变器的开关管对实现ZCS切换，系统输入电流有较好的正弦特性和连续性，相对于电流断续模式下的软开关方法[11]，系统的谐波含量明显减少。本文设计的软开关方法对其它拓扑结构的IPT系统实现软开关有一定的指导意义。

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Study on soft-switch method of LCL resonant type IPT system

For LCL resonant type IPT system，the soft-switch frequency is varied or even disappeared with the load because of the reflect impedance from the secondary.To deal with these futures， the mutual inductance coupling model was used to study on the parameter compensation of the LCL resonant network，which obtains the constraint condition of the system parameter that can ensure the system owns a soft-switch frequency point.Moreover，the frequency characteristic was analyzed under the load variation.Based on the theoretical analysis，a self oscillation feedback frequency tracking method was presented， which can make the operate frequency of inventor track the soft-switch frequency.The experimental prototype was built up to validate the theoretical predictions.

LCL resonant;inductive power transfer;soft-switch;frequency tracking

TM 73

A

1002-087 X(2016)04-0885-04

2015-09-15

国家自然科学基金(51277192)；中国工程物理研究院总体工程研究所创新与发展基金(13CXj24)

周继昆(1987—)，男，重庆市人，硕士，主要研究方向为感应电能传输技术。