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推挽升压型耦合电能传输系统DC/DC变换器研究

时间:03-20 来源:互联网 点击:

摘要:针对耦合电能传输(CPT)系统中品质因数过高会使系统传输效率降低的问题,提出一种带推挽升压变压器的CPT系统DC/DC变换器,给出了品质因数与电压放大倍数的关系,从而通过合理选择初、次级匝数比使系统品质因数控制在合适范围内,该变换器还具有驱动简单,负载适应性强的特点。基于交流阻抗分析,给出了该变换器的交流等效电路,对初级补偿电容、输入输出电压特性进行了分析计算。最后,基于实验样机对理论分析进行了验证。
关键词:变换器;推挽升压;阻抗分析;电压特性

1 引言
CPT技术具有安全系数高、灵活性强、易维护、环境适应性强等优点,在电动车充电、水下钻井等场合应用广泛。对于低压输入、高压输出的CPT应用场合,由于变换器电压放大倍数太大,若只利用初、次级线圈谐振来进行升压,会使系统品质因数大大增加,从而增加系统损耗,降低效率。
此处利用推挽变压器先进行一次升压,升压输出的次级接发射线圈与补偿电容,通过调节推挽电路开关频率使发射线圈与补偿电容谐振,接收线圈感应到电能后通过整流桥变成所需直流电供负载使用。由于进行了一次升压,变换器品质因数可大大降低,通过实验证明了该推挽升压型变换器特别适合低压输入的CPT应用场合。

2 电路构成
2.1 传统CPT电路构成
典型的CPT系统主要由电气隔离的两部分构成:电能供应部分(包含谐振转换器和主传导回路)和能量接收部分(包含一个拾取线圈和功率调节电路)。图1示出传统CPT系统基本结构图。

系统采用三相或两相电源供电,能量变换装置将工频电源经整流、逆变后变成高频方波电流提供给初级回路,高频方波电流经初级回路谐振网络向外界辐射电磁能量,次级回路拾取线圈感应产生电动势,能量拾取和调节部分将电能调理后供负载使用。若做成移动形式,就可用于移动电子设备供电或充电;若将电能供应部分、能量拾取和调节部分都固定,就可形成固定的供电系统。由于电能供应部分和能量拾取部分不存在电气物理连接,故保证了用电的灵活性和安全性。
2.2 带推挽升压变压器的CPT电路构成
传统CPT电路采用工频整流后的高压直流作为逆变电路输入电源,且逆变器输出直接接发射线圈,因此传统CPT系统并不适用于电池、太阳能板供电等低输入电压场合。图2示出带推挽升压变压器的变换器电路。其变压器次级接初级发射线圈Lp和初级补偿电容Cp,Lp,和Cp为串联结构,次级接收线圈Ls和次级补偿电容Cs为并联结构,M为初、次级线圈互感,Ls,Cs输出接整流桥,整流桥输出接滤波电感Lo、滤波电容Co及负载Ro,C1,R1,C2,R2组成RC吸收电路,Cs1,Cs2为开关管V1,V2的寄生电容。

推挽变换器中变压器是双向励磁,相同尺寸的磁芯,推挽变换器可以比正激变换器传输更大的功率,利用率高。在工作过程中,输入回路只有一个开关管的导通压降,产生的导通损耗相对较小,因此特别适用于低压输入的电源系统,但也存在会出现开关管开通关断电压尖峰及启动冲击电流等问题,采用RC吸收电路可减轻尖峰问题。由于推挽侧开关管共地,因此驱动无需隔离。

3 变换器等效电路分析
为减小系统无功功率容量,提高系统传输功率和效率,通常需对CPT系统初、次级电感进行补偿。根据补偿环节不同可分为电流型CPT系统(PS,PP)和电压型CPT系统(SS,SP),其中P为并联,S为串联,此处变换器采用SP结构。假设推挽变压器为理想变压器,则推挽变压器次级输出电压,即串联谐振网络输入电压为:
uT=2Uinnd (1)
式中:n为次级与初级的匝数比;Uin为变压器初级输入直流电压;d为占空比。
此处取d=0.5,开关频率为Cp,Lp的谐振频率f0,则uT为频率为f0,幅值为nUin,d=0.5的方波信号。此信号接谐振网络,只有基波分量会通过,则基波分量的有效值为:

次级整流桥输入端为一并联谐振网络,谐振频率为f0。为简化分析,根据正弦等效原理,将变换器次级整流滤波电路等效为交流负载RL,则有:
RL=π2Ro/8 (3)
得到uT和RL后,假设初、次级线圈内阻可忽略,则可得如图3所示的交流等效电路。其中Zr为次级反射阻抗,即次级等效阻抗。

4 初级补偿电容计算
交流阻抗分析是分析谐振电路阻抗及频率特性最常用的方法。该方法从频域角度出发分析系统,忽略器件开关损耗及初、次级线圈内阻,则有:

由式(7)可知,Cp与RL无关,即与Ro无关,故此变换器具有良好的负载适应能力。

5 初级品质因数与输入输出电压特性分析
为对系统主要特性进行分析,假设系统工作在谐振状态,忽略系统初、次级线圈内阻。等效负载输出功率为:

f0,Lp,Ls及M等参数不变时,由式(10),(11)可知,Uin恒定时,即可保证Uo恒定。
对于CPT系统,品质因数Qp过大会使系统损耗增加,从而使CPT传输效率降低,对于SP系统,Qp与系统其他参数的关系式为:

CPT系统中,f0一般在15~30 kHz之间,此处,Uin=12 V,Uo=360 V,则A=30。令f0=20 kHz,Lp=200 μH,则可得Qp随Ro变化曲线如图4所示。再令Ro=50 Ω,则可得Qp随A变化曲线如图5所示。由图4,5可见,不采用推挽变压器时,若要满足输入输出电压要求,则Qp最高可达1 200,最低也达到了200,当采用推挽变压器后Qp大大降低,通过合理选择n可将Qp控制在合适的范围内。

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