王 路，熊 胜，徐建超，宋忻怡

无线电能传输系统单相高频逆变器设计

王 路1，熊 胜2，徐建超2，宋忻怡2

（1.海军研究院，北京 100080；2.海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

无线电能传输成为电气自动化领域的研究热点之一。其中高频逆变器是无线供电系统的核心，关系到整个系统性能的优劣。本文对无线电能传输单相高频逆变器的软硬件进行设计，搭建了一台8 kW高频全桥逆变器，给出了主电路和控制电路的具体参数计算。最后给出了工程样机的仿真波形和实验波形，验证了理论分析与工程设计的正确性。

无线电能传输 高频逆变器 单相

0 引言

近年来，随着科技的发展，各种形形色色的家用电器使用量与日俱增，这些用电设备在给人们带来极大便利和享受的同时，也带来了许多安全隐患，错综复杂的线路结构限制了移动设备的灵活性，同时也影响环境的美观。无线电能传输技术的出现，为上述存在的问题找到了有效的解决方案，因此，越来越多的研究者投入到该领域的研究中。

无线电能传输技术是电能输送领域的一个热点课题[2-7]，它打破了传统有线电能传输的固有格局，摆脱了冗杂电线的束缚，使得供电电源和充电设备完全隔离，供电电路和充电电路实现独立封装，较好地解决了有线电能传输存在的电线裸露、易产生接触火花、可移动性差等问题，在某些极端环境和特殊条件下具有独特的优势，在电动汽车、工业生产、生物医疗、航空航天、海洋、高山海岛等多个领域具有广阔的应用前景。

1 无线供电系统单相逆变器工作原理

1.1 单相逆变器的主电路拓扑

为了减小直流侧的滤波电容体积，一些专家做了很多研究，但其开关器件多。综合考虑对比过后选用图1拓扑结构。

图1 单相逆变电源拓扑结构

本设计采用三相380 V/50 Hz交流电作为输入，PWM单相正弦逆变电源拓扑结构如图1所示。

1.2 单相逆变器的工作过程

为便于分析，单相逆变电源拓扑结构只画出逆变部分如图2。

图2 单相逆变电源简化电路结构

在全桥输出方式下，在同一时刻，只有2个开关能够导通。控制其开通关断频率达85 kHz，50％占空比。

2 无线电能传输单相高频逆变器的硬件设计

2.1 整流电路的设计

在某些设备（例如电镀、蓄电池充电等设备）中，这种电压的脉动是允许的。但是在大多数电子设备中，整流电路中都要加接隔离滤波器，以改善输出电压的脉动程度。电容滤波电路简单，输出电压较高，脉动也较小。因为薄膜电容无极性，绝缘阻抗很高，频率特性优异（频率响应宽广），而且介质损失很小，故本设计支撑电容类型选用薄膜电容设计电路如图3。

图3 整流电路拓扑结构

本课题设计目标为8 kW，由于：

根据公式（1）计算得出=12.15 A，且需留出两倍以上的余量故选用MDS60A-16型二极管。

将数据带入公式（2）得：

需要留出一定的余量因此支撑电容容值定为2000 μF。

2.2 逆变电路的设计

由于已简述逆变电路的工作原理，逆变电源主电路结构的选择应选用尽可能少的开关元件，还需尽量减少逆变系统中电容值、电感值，并减少它们的数量，这样能缩减整个设备体积，提高可靠性，降低成本。电路拓扑结构应有利于逆变电源最终输出电压频率调节和谐波的消除。故采用图2的拓扑结构作为所选用的拓扑结构。

整流过后的母线电压=1.35*380 V=514 V。将数据代入公式=，得=15.6 A需要保留两倍以上的余量，故选用耐压1200 V，72 A的SiC MOSFET，型号为SCT3030KL。

2.3 控制器设计

通常在电源设计过程中，控制器的硬件结构如图4所示。

图4 控制器设计

信号调理电路的主要作用是将传感器采样信号经过调理后获取理想信号并且能满足后续电路要求。本设计经AD调理后获得电压为+10 V~-10 V。

驱动电路主要是控制电路与逆变主电路之间的中间电路，控制电路产生的驱动信号，通过驱动电路对驱动信号进行处理，使得驱动信号在电压或电流能够符合功率管开、关的要求，保证功率开关管能够充分稳定的导通和关断。驱动电路还可以对控制电路和逆变主电路实现电气隔离，起到很好强电与弱电的隔离，保证系统能安全可靠运行。

3 仿真分析

根据3.1节所设计的参数及选用的器件型号，并且输出50％占空比的方波。

通过查询相关文献最终确定选取=100 μH，由于：

将数据代入公式（4）最终计算得RLC的选择参数数值。

运行后发射端的电压电流波形如图5所示。

图5 RLC支路电压电流波形

电阻中电流与两端电压波形如图6所示。

图6 电阻中电流与两端电压波形

电感中电流与两端电压波形如图7所示。

图7 电感中电流与两端电压波形

电容中电流与两端电压波形如图8所示。

图8 电容中电流与两端电压波形

从仿真中可以看出电阻两端峰值电压为267 V，电容峰值电压为4805 V，电感处的峰值电压为4807 V。通过公式（5）计算可得电阻和电容两端电压为4806 V，与仿真结果相吻合。可以得出结论，仿真结果正确。

4 总结

本文对无线电能传输单相高频逆变器硬件方面进行设计。具体体现在整流电路、逆变电路和控制器的设计上，对设计出的三大部分的器件进行计算，根据实验结果在市场上对器件进行选型。最后对无线电能传输单相高频逆变器进行仿真，并搭建实验平台进行了验证性实验，实验结果与理论分析一致。

[1]王兆安, 刘进军．电力电子技术(第5版) [M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.

[2]Kurs A, Karalis A, Moffatt R, et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J]. Science, 2007, 317(5834): 83-86.

[3]Campi T, Cruciani S, Feliziani M. Wireless power transfer technology applied to an autonomous electric UAV with a small secondary coil [J]. Energies, 2018, 11(2): 352.

[4]Li Siqi, Li Weihan, Deng Junjun, et al. A double-sided LCC compensation network and its tuning method for wireless power transfer[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2015, 64(6): 2261-2273.

[5]Kan Tianze, Nguyen T D, White J C, et al. A New integration method for an electric vehicle wireless charging system using LCC compensation topology: analysis and design[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(2): 1638-1650.

[6]Deng Junjun, Lu Fei, Li Siqi, et al. Development of a high efficiency primary side controlled 7 kW wireless power charger[C]. Electric Vehicle Conference. Florence: IEEE, 2015: 1-6.

[7]Sample A P , Meyer D A , Smith J R . Analysis, experimental results, and range adaptation of magnetically coupled resonators for wireless power transfer[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(2):544-554.

[8]Kiani M, Ghovanloo M. The circuit theory behind coupled-mode magnetic resonance-based wireless power transmission[J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems I Regular Papers, 2012, 59(9): 2065.

[9]Rim C T, Mi C. Introduction to Wireless Power Transfer [M]. Wireless Power Transfer for Electric Vehicles and Mobile Devices. John Wiley & Sons, Ltd, 2017: 19-42.

[10] Pantic Z, Bai S,Lukic S M. LCC-compensated resonant inverter for inductive-power-transfer application[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(8): 3500-3510.

[11] Ettorre M, Grbic A. A transponder-based, nonradiative wireless power transfer [J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2014, 11(2): 1150-1153.

[12] Talaat M, Metwally H M B, Arafa I. Experimental and simulation study of wireless power transfer using resonators with coupled electric fields[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2018, 46(7): 1-8.

[13] Lin C S , Lin S G , Chang C F , et al. Model of contactless power transfer system for linear track[C]// International Conference on Power Electronics & Drive Systems. IEEE, 2009.

[14] Yang Q , Li J , Chen H , et al. Design and analysis of new detachable coreless transformer used for contact-less electrical energy transmission system[C]// IEEE Vehicle Power & Propulsion Conference. IEEE, 2008.

Design of Single-phase High-frequency Inverter for Wireless Power Transmission System

Wang Lu1, Xiong Sheng2, Xu Jianchao2, Song Xinyi2

(1.Naval Academy, Beijing 100080, China; 2. Electronic Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

TM72

A

1003-4862（2019）02-010-04

2018-12-28

湖北省自然科学基金群体项目（2018CFA008）

王路（1983-），男，工程师。研究方向：舰船电气技术。E-mail: 2433657578@qq.com

熊胜（1992-），男，硕士研究生。研究方向：无线电能传输技术。E-mail: 631372278@qq.com