SiC双全桥无线电能传输系统恒功率传输效率优化研究

2022.08.19

窦智峰赵崇焱何帅彪金楠

摘要：针对不同负载下无线电能传输系统保持恒功率电能传输时的传输效率变化问题，通过建立SiC双全桥结构无线电能传输系统模型，推导出原边电压导通角与系统传输功率、副边电压导通角与传输效率的对应关系，进而研究恒功率传输效率优化问题.结果表明，通过调节副边电压导通角使等效负载为最优值，可在变负载情况下使传输效率最大.双全桥结构和副边不控桥结构的对比实验验证了该双全桥结构可显著提升能量传输效率，当负载为30 Ω，传输功率为100 W时，效率提升19%.

关键词：SiC双全桥无线电能传输;传输功率调节;效率优化

中图分类号：TM712;TS01文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.2096-1553.2019.01.013

文章编号：2096-1553（2019）01-0094-07

0 引言

传统电气设备通常采用金属导线连接，存在摩擦、老化等问题，特别是在采矿工业、水下作业等特殊工业环境下，传统供电方式的可靠性和安全性存在很大隐患.无线电能传输系统实现了电气设备传输回路的非接触连接，是一种安全、可靠、灵活的电能传输方式，在医疗器械、家用电器、电子设备等領域具有广泛的应用前景[1-5].

电磁感应式无线电能传输系统基于电磁感应定律，在感应耦合线圈之间进行能量传递.无线充电技术主要采用电磁感应式电能传输系统对电池进行充电.以往，无线充电技术多采用恒电压充电方式，充电速度慢，因此有研究人员提出恒功率充电方式，以实现电子产品的快速充电.

功率和效率是衡量无线电能传输系统性能的两个重要技术指标，国内外学者针对这两方面展开了广泛的研究，特别是在实现效率提升的方法方面取得了一定的成果.单/双全桥无线电能传输系统能够对原边或双边可控全桥进行独立控制，通过调节控制信号改变原、副边电压导通角，可实现效率提升、负载电压调节和输出功率调节[6-13].X.Liu等[6]研究了双全桥结构下副边不谐振的情况，通过控制原、副边可控全桥进行负载匹配，可在补偿副边电抗的同时，实现电压调节和效率优化.麦瑞坤等[11]提出一种副边半控整流桥结构，通过分析最大传输效率所对应的最优负载电阻，提出一种使其等效负载恒为最优交流负载电阻的控制方法.李富林等[12]提出的拓扑为副边不控桥结构，通过在副边线圈后侧增加一个匹配馈电线圈形成新的阻抗变换结构，让负载达到最佳匹配条件，以实现系统传输效率的最大化.然而，现有文献资料大多只针对恒电压电能传输时无线电能传输系统的效率提升展开研究，没有涉及恒功率的情况.

另外，在无线电能传输系统中，多选用器件损耗较小、导通关断较快的SiC MOSFET器件.

鉴于此，本文拟针对SiC双全桥无线电能传输系统，采用等效电路分析系统的传输功率和效率，在负载变化情况下，保持恒功率电能传输，

得到原边电压导通角与负载电压及传输功率的关系、副边电压导通角与传输效率的关系，以揭示系统效率的变化规律，

并通过对比实验验证变负载恒功率输出条件下双全桥无线电能传输系统效率的提升效果.

1 SiC双全桥无线电能传输系统模型

SiC双全桥无线电能传输系统原理和等效电路如图1所示.系统由直流电压源供电，逆变后产生高频交流电，原边线圈和副边线圈通过电磁感应传输电能，副边将高频交流电整流成直流后供负载使用.在逆变器与原边线圈之间，以及副边线圈与整流电路之间，加入串联谐振补偿电路，用于抵消电路中感性元件产生的无功功率，以提高电路的功率因数.

4 结论

本文分析了SiC双全桥无线电能传输系统在可变负载条件下恒功率电能传输的效率变化规律，推导了最高效率点的实现条件，揭示了不同负载下最优副边电压导通角与最大传输效率的对应关系，并得出负载电阻最优副边电压导通角关系曲线.分析表明，通过改变副边电压导通角，可将副边等效负载控制在最优值附近，从而使系统效率达到最高.实验验证了SiC双全桥结构可有效提高无线电能传输系统的传输效率.文中理论分析结果与实验结果一致，所得结论对于高效率无线电能传输结构设计具有一定参考意义，同时也为能量和信息同时双向传输的研究奠定了理论和实验基础.

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