推挽升压型耦合电能传输系统DC／DC变换器研究

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。