闫大鹏，文珊珊，林名润，杜明俊，梁 宇，王 杰

（上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245）

感应电能传输（IPT）技术基于法拉第电磁感应原理，可借助于电磁场进行能量传输。传输系统中原边侧线圈受交变电流的激发产生交变磁场，副边侧线圈在交变磁场中感应出交变电压，由此将电能从原边侧传送给副边侧，从而实现了电能的无线传输。此技术相比传统供电方式有完全电气隔离、安全、可靠等诸多优点，例如可在水下和易燃易爆等特殊环境中应用，避免漏电、电弧或电火花等所引起的安全隐患，保证了电能供应的可靠性。

1 IPT系统结构图

IPT系统结构如图1所示，系统由原边侧能量发射部分与副边侧能量接收部分组成。原边侧功率变换部分对电源发出的直流电进行逆变，将逆变得到的高频交变电流通入发射线圈，激发出交变磁场，根据法拉第电磁感性定律，副边侧接收线圈将通过磁场耦合感应出交变电压，再经功率变换部分后得到满足要求的电能，从而实现对负载的供电。

图1 IPT系统结构图

2 系统电路拓扑结构

原边侧高频逆变部分可分电压型逆变与电流型逆变两种，电流型逆变有低电磁干扰（EMI）、易实现柔性状态切换等诸多优点，本方案功率变换部分即采用电流型逆变结构。线圈与电容构成的并联谐振网络具有限流能力强、短路保护可靠的特点，常与电流型逆变电路相连接，组成能量发射机构。线圈与电容构成的串联谐振网络可保证较大的输出功率与较好的恒频恒压特性，因此，将其应用在副边能量接收机构中。

整个系统的拓扑结构如图2所示。在原边侧，恒压源Edc与大电感Ldc构成准电流源；MOS管VT1～VT4构成高频逆变桥；Cp和Lp构成原边侧发射端并联谐振回路；CS和LS构成副边侧接收端串联谐振回路；在此结构中为简化分析，将整流滤波环节与负载等效为一电阻负载Req.

图2 系统拓扑结构图

3 具有软开关特性的系统设计方法

频闪映射方法是一种离散映射建模方法，即以某一频率对目标系统进行采样，通常该频率与系统工作频率相同。如果目标系统状态呈周期变化，其频闪模型必然对应为一个不动点。

将表达式为=f（x）的非线性系统分段线性化为k个线性模态，各模态的状态空间描述为：

式（1）中：x为系统向量，ui为系统输入向量，Ai为系统状态系数矩阵，Bi为系统输入系数矩阵。

对式（1）进行整理可得系统状态的时间映射函数：

设稳态时，系统运行周期为T，各线性模态的工作时间为ξi，即：

由此可得各模态下的状态映射函数：

假设xn为体统稳态时的周期初始状态，xn+1为系统稳态时周期结束状态，稳态时，系统的状态向量周期性重复，则xn+1=xn.

由此可得系统周期不动点x*为：

式（5）中：○为复合映射算子，含义为f○g（t）=f[g（t）]。各模态切换边界条件为：

式（6）中：Yj（j=1，2，…，k）为状态选择矩阵，用来将边界条件涉及到的某个状态变量从状态向量x中提取出来。

对于图2中的电路，系统软开关工作条件为开关瞬间，开关管漏源极两端的电压为0，即0电压开关。对图2中电路建模，利用上述方法通过状态选择矩阵提取出电容Cp的电压。可知在软开关状态下，开关管两端的电压也为0，则同时该电容电压也应为0，即利用式（6）提取出电容Cp的电压，令该量为0.如果把周期T看作变量，由此则可计算出所有可实现软开关的周期值Ti（i=1，2，…，k）。为了保证系统功率传输能力，选取其中最大软开关周期Tmax，进而可推算出各元器件参数值。

根据要求系统输入电压为24 V，所带负载的额定电压与额定功率分别为12 V与4 W。利用上述方法，结合系统应用环境下结构尺寸的限定条件，设计出系统参数如表1所示。对系统性能进行测试，结果如图3所示。

表1 IPT系统实验参数

图3 IPT系统稳态电压电流波形

由图3可见，谐振腔输入电压up与原边侧电感电流iLp呈正弦波形，相位角相差90°，原边侧电感与电容达谐振状态，在开关管驱动高低电平切换瞬间，up波形过0，开关管完成通断切换，说明开关管工作在ZVS状态。

4 结束语

本文介绍了频闪映射建模方法和周期不动点理论，由此总结出一种系统软开关工作点的计算方法，根据输入输出要求设计了一款IPT供电系统，实验结果可验证设计参数的正确性。

参考文献：

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