推挽升壓型耦合電能傳輸系統DC／DC變換器研究

摘要：針對耦合電能傳輸(CPT)系統中品質因數過高會使系統傳輸效率降低的問題，提出一種帶推挽升壓變壓器的CPT系統DC／DC變換器，給出了品質因數與電壓放大倍數的關系，從而通過合理選擇初、次級匝數比使系統品質因數控制在合適范圍內，該變換器還具有驅動簡單，負載適應性強的特點。基于交流阻抗分析，給出了該變換器的交流等效電路，對初級補償電容、輸入輸出電壓特性進行了分析計算。最后，基于實驗樣機對理論分析進行了驗證。
關鍵詞：變換器；推挽升壓；阻抗分析；電壓特性

1 引言
CPT技術具有安全系數高、靈活性強、易維護、環境適應性強等優點，在電動車充電、水下鉆井等場合應用廣泛。對于低壓輸入、高壓輸出的CPT應用場合，由于變換器電壓放大倍數太大，若只利用初、次級線圈諧振來進行升壓，會使系統品質因數大大增加，從而增加系統損耗，降低效率。
此處利用推挽變壓器先進行一次升壓，升壓輸出的次級接發射線圈與補償電容，通過調節推挽電路開關頻率使發射線圈與補償電容諧振，接收線圈感應到電能后通過整流橋變成所需直流電供負載使用。由于進行了一次升壓，變換器品質因數可大大降低，通過實驗證明了該推挽升壓型變換器特別適合低壓輸入的CPT應用場合。

2 電路構成
2．1 傳統CPT電路構成
典型的CPT系統主要由電氣隔離的兩部分構成：電能供應部分(包含諧振轉換器和主傳導回路)和能量接收部分(包含一個拾取線圈和功率調節電路)。圖1示出傳統CPT系統基本結構圖。

系統采用三相或兩相電源供電，能量變換裝置將工頻電源經整流、逆變后變成高頻方波電流提供給初級回路，高頻方波電流經初級回路諧振網絡向外界輻射電磁能量，次級回路拾取線圈感應產生電動勢，能量拾取和調節部分將電能調理后供負載使用。若做成移動形式，就可用于移動電子設備供電或充電；若將電能供應部分、能量拾取和調節部分都固定，就可形成固定的供電系統。由于電能供應部分和能量拾取部分不存在電氣物理連接，故保證了用電的靈活性和安全性。
2．2 帶推挽升壓變壓器的CPT電路構成
傳統CPT電路采用工頻整流后的高壓直流作為逆變電路輸入電源，且逆變器輸出直接接發射線圈，因此傳統CPT系統并不適用于電池、太陽能板供電等低輸入電壓場合。圖2示出帶推挽升壓變壓器的變換器電路。其變壓器次級接初級發射線圈Lp和初級補償電容Cp，Lp，和Cp為串聯結構，次級接收線圈Ls和次級補償電容Cs為并聯結構，M為初、次級線圈互感，Ls，Cs輸出接整流橋，整流橋輸出接濾波電感Lo、濾波電容Co及負載Ro，C1，R1，C2，R2組成RC吸收電路，Cs1，Cs2為開關管V1，V2的寄生電容。

推挽變換器中變壓器是雙向勵磁，相同尺寸的磁芯，推挽變換器可以比正激變換器傳輸更大的功率，利用率高。在工作過程中，輸入回路只有一個開關管的導通壓降，產生的導通損耗相對較小，因此特別適用于低壓輸入的電源系統，但也存在會出現開關管開通關斷電壓尖峰及啟動沖擊電流等問題，采用RC吸收電路可減輕尖峰問題。由于推挽側開關管共地，因此驅動無需隔離。

3 變換器等效電路分析
為減小系統無功功率容量，提高系統傳輸功率和效率，通常需對CPT系統初、次級電感進行補償。根據補償環節不同可分為電流型CPT系統(PS，PP)和電壓型CPT系統(SS，SP)，其中P為并聯，S為串聯，此處變換器采用SP結構。假設推挽變壓器為理想變壓器，則推挽變壓器次級輸出電壓，即串聯諧振網絡輸入電壓為：
uT=2Uinnd (1)
式中：n為次級與初級的匝數比；Uin為變壓器初級輸入直流電壓；d為占空比。
此處取d=0．5，開關頻率為Cp，Lp的諧振頻率f0，則uT為頻率為f0，幅值為nUin，d=0．5的方波信號。此信號接諧振網絡，只有基波分量會通過，則基波分量的有效值為：

次級整流橋輸入端為一并聯諧振網絡，諧振頻率為f0。為簡化分析，根據正弦等效原理，將變換器次級整流濾波電路等效為交流負載RL，則有：
RL=π2Ro／8 (3)
得到uT和RL后，假設初、次級線圈內阻可忽略，則可得如圖3所示的交流等效電路。其中Zr為次級反射阻抗，即次級等效阻抗。

4 初級補償電容計算
交流阻抗分析是分析諧振電路阻抗及頻率特性最常用的方法。該方法從頻域角度出發分析系統，忽略器件開關損耗及初、次級線圈內阻，則有：

由式(7)可知，Cp與RL無關，即與Ro無關，故此變換器具有良好的負載適應能力。