ZVS E类逆变器的磁谐振无线输电系统参数分析和设计

E类逆变器用作磁耦合谐振式无线输电MCR-WPT系统的激励源时,其等效负载由线圈参数和系统负载决定,由此导致E类逆变器的优化设计较为困难。为此,研究了两螺线管线圈间的互感算法,分析了互感随线圈间距变化的特性,并探讨了MCR-WPT系统两螺线管线圈的传输效率、输出功率及E类逆变器的等效负载与线圈间距的解析关系,给出E类逆变器实现零电压开关ZVS(zero voltage switch)的参数设计方法,仿真验证了互感算法和系统参数设计方法的精确性。实验结果表明,当线圈间距为26 cm时可实现ZVS,且系统效率达到86.3%,验证了理论和仿真分析的有效性和准确性。     

多相并联LLC电压型谐振逆变电源控制与调节

目前,逆变电源的相移控制一般应用在单个逆变器中,而逆变电源容量的提高常采用多管并联或高频变压器并联的方式实现.提出了一种控制、调节逆变电源并提高其输出功率的新方法.该方法通过控制多个逆变器间的相移来有效控制和调节逆变电源的输出功率,同时通过多相并联电感一电感一电容(LLC)电压型谐振逆变器来提高逆变电源输出功率.推导出了不同相移控制下各相逆变器输出电流、输出有功功率及负载电流和电源效率的计算公式,并对不同相移时逆变器输出有功功率、无功功率和负载功率进行了仿真分析,同时设计了两相并联相移控制LLC电压型谐振逆变电源实验样机,进行了实验验证.仿真和实验结果表明,所提出的新方法能有效控制和调节逆变电源的输出功率,提高电源容量,简化功率调节过程,降低开关损耗,从而提高系统效率.     

基于E类逆变磁耦合无线电能高效率传输设计

针对无线电能传输(WPT)系统效率低的问题,提出了一种基于E类双管逆变器和FPGA频率跟踪控制的磁耦合谐振式WPT(MCR-WPT)系统。设计了双E类高频逆变电路,推导出带有E类逆变MCR-WPT系统传输效率的表达式。利用Multisim进行了电路仿真和分析,研究了线圈位置和半径对耦合系数的影响,得出了耦合系数、传输距离和有无频率跟踪对传输效率的影响曲线。研制了小功率WPT装置,在传输距离为8 cm左右时,获得最大传输功率为98,效率为84%。实验结果证明了理论分析的正确性。     

基于改进E类放大器的无线电能传输系统

以改进E类放大器作为高频激励源建立完整的磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)系统。根据改进E类放大器的工作原理建立微分方程,并计算出电路参数,结果表明与传统的E类放大器相比,在输出功率相同的情况下,器件需要承受的电压值降低了20%。然后进行仿真并成功实现了改进E类放大器,整个工作频域上效率均在80%以上。对整个无线充电系统建立起4线圈结构的传输系统模型,并分析传输距离对传输功率和效率的影响。最后搭建了完整的MCR-WPT系统,在20 cm远的距离上可以点亮9W的发光二极管(LED)灯泡,传输效率为61%,验证了放大器的有效性和模型的正确性。     

可抗负载敏感性的大功率D/E类逆变器设计

逆变器作为无线电能传输系统的发射前端,关系到整个系统性能的优劣。但是,常见全半桥逆变器在高频下开关损耗大、控制复杂,而高频化的E类逆变拓扑又存在着对负载变化敏感等缺点。此处结合半桥与E类逆变拓扑技术,提出一种基于D/E类逆变拓扑结构以实现500 kHz下大功率无线电能传输。该拓扑结构不仅继承了半桥逆变器MOSFET电压应力低,可实现大功率逆变的优点,还具备E类逆变拓扑的高效性,并且有效降低了逆变器对阻抗的变化敏感程度。在线圈距离微变化扰动情况下,发射端逆变器可以保持在零电压开启(ZVS)状态,实现了高效率输出。实验结果验证了D/E类逆变器在高频化无线传能系统中的可靠性,实现了传输功率500 W下线圈距离变化1 cm时,其仍具有软开关特性,有效降低了逆变器对于负载的实部、虚部变化的敏感性,其输出效率大于95%。     

基于E类功放的谐振式无线电能传输控制设计

磁耦合谐振式无线电能传输是一种中距离无线电能传输技术,传输距离和传输效率是该技术取得突破的瓶颈。本文通过电路模型分析了传输特性,并基于E类功放设计了一套无线电能传输装置,通过对E类功放开关过程的分析,确定E类放大器在电能传输过程产生损耗的主要原因。设计了脉冲检测式频率控制电路,通过检测MOSFET输出端电压,判断系统工作状态,调节驱动信号频率,使E类功放在负载变化的情况下能迅速做出调整,大大提高了系统的工作效率和传输功率。     

基于DPLL的高频逆变电源建模与研究

采用基于DSP的数字锁相环(DPLL)对高频逆变电源输出频率进行实时控制,可实现逆变器工作频率对负载谐振频率的同步跟踪,确保逆变器开关器件工作在零电压零电流软开关(ZVZCS)状态,显著减小功率器件的开关损耗和提高装置效率。本文以负载串联谐振逆变电源为模型,针对负载参数变化引起的固有谐振频率变化,导致逆变器效率降低及开关器件应力增加的普遍现象,提出一种基于DPLL控制的逆变电源。结合锁相环的数学模型,讨论了DPLL控制的逆变电源的数学建模,在Simulink环境中该电源的构筑及串联谐振负载的模型,给出了相应的仿真波形和实用电源试验波形,为分析和设计逆变电源提供了必要的理论依据。     

高频感应加热电源新逆变器拓扑结构研究

为了实现感应加热电源的高频化、高效率化及高功率输出能力,提出了以MOSFET作为开关的T型并联谐振逆变器电路拓扑结构.它能够输出理想的正弦电压波形,开关元件工作在ZVS软开关状态,降低了开关损耗,使工作频率和效率得以提高.逆变器的ZVS工作状态不受负载的影响,且工作状态稳定、易控制.详述了电路的构成及工作原理,研究和分析了电流、电压的关系,给出了实验结果.     

双开关T型并联谐振逆变器拓扑结构研究

为实现感应加热电源高频化、高效率化及高功率输出能力,提出了以MOSFET作为开关的T型并联谐振逆变器电路拓扑结构。它能够输出理想的正弦电压波形,开关元件工作在零电压开关(ZVS)状态,降低了开关损耗,提高了工作频率和效率。逆变器的ZVS工作状态不受负载影响,且工作状态稳定,易控制。详述了电路构成及工作原理,研究并分析了电流、电压的关系,最后给出了实验结果。     

宽频磁耦合谐振式无线电能传输系统电源变换器技术

设计了一种宽频磁耦合谐振式无线电能传输系统变换器,采用E类功率放大器为主电路拓扑,对电路性能进行分析,通过优化工作状态和匹配网络,提高系统的负载功率和传输效率。同时对系统的宽频特性进行优化,结合发射、接收谐振器负载网络匹配设计,对变换器在不同谐振频率、不同谐振器下的传输特性进行分析。并利用设计的变换器进行了宽频范围0.15~8MHz、传输距离30cm的仿真和实验研究,在宽频范围内实现零电压开通和关断的工作状态,提高了宽频系统效率,完成了理论、仿真分析和实验的相互验证。     

低速转动多负载MCR-WPT系统研究

目前，磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT（magnetic coupling resonance-wireless power transmission）的研究主要集中在单发射多负载静止和单发射单负载转动2种形式。通过对单发射低速转动多负载状态下的系统进行研究，建立单发射多负载系统并进行理论分析，使用COMSOL对静止状态下多负载接收线圈进行仿真，设置静止状态与旋转状态作对比实验，分析接收端转动对MCR-WPT系统传输效率的影响，探讨低速旋转状态下系统传输效率的变化规律。结果表明，在低速转动三负载时，系统能够保持稳定的功率输出，单个负载的传输效率可以达到23.260%，总传输效率达到69.768%，低速转动对传输效率影响较小。     

磁耦合谐振式无线电能传输系统频率跟踪研究

采用SS补偿结构的磁耦合谐振式无线电能传输(MCR-WPT)系统工作在过耦合区域时的频率分裂现象会导致基于逆变器输出电压和初级电流的频率跟踪方法无法始终跟踪固有谐振频率,从而降低系统的传输效率。在此分析了系统工作在过耦合和欠耦合情况下逆变器输出电压和次级电流的相位关系,设计了采用锁相环(PLL),基于逆变器输出电压和次级电流的频率跟踪实验方案。实验结果表明采用基于逆变器输出电压和次级电流的频率跟踪方法可以在任何互感和负载条件下始终跟踪系统的固有谐振频率而不受频率分裂现象的影响,从而提高系统的传输效率。     

场效应管逆变弧焊电源功率增大的途径

探讨了场效应管逆变电源增大输出功率的途径,采取场效应管并联小,小容量高频变压器并联和全桥式逆变器并联等措施,研制成功了额定焊接电流６３０Ａ的逆变弧焊电源。     

新型LLC谐振负载感应加热电源移相控制研究

为了提高电源效率,使电源输出额定功率,采用静电耦合的方法设计LLC谐振负载实现负载匹配,分析了LLC谐振负载的特性和负载匹配实现的原理以及感应加热电源控制变量的选取.另外,在LLC谐振负载的基础上,针对感应加热电源移相调功时,具有较大的开关损耗问题,提出了一种新型LLC谐振负载感应加热电源拓扑结构,该结构下逆变器开关器件基本上都能够实现软开关,给出了移相调功的工作原理和输出功率的分析计算,并通过仿真,验证了理论分析的合理性.     

三线圈MCR-WPT系统中继线圈轴向位置的优化研究

探究三线圈磁耦合谐振式无线电能传输系统中继线圈的最优轴向位置对优化系统传输性能至关重要,为此深入研究三线圈MCR-WPT系统的传输特性,应用电路互感耦合理论结合同轴线圈互感计算方法得出了系统最大功率和最大效率传输条件;基于上述最优传输条件,对宽负载范围内中继线圈轴向偏移对系统传输特性的影响进行了电磁仿真。仿真结果表明：中继线圈传输功率和传输效率的最优轴向位置与负载有关,均随负载的增大向接收线圈一侧偏移,当电源内阻与负载相等,中继线圈位于耦合机构中间位置时系统可获得最大传输功率,靠近发射线圈一侧时可获得最大传输效率。最后,搭建了三线圈MCR-WPT系统实验平台,实验验证了理论与仿真的正确性。     

SEPIC型高频功率变换器及其磁性元件的设计

采用理论推导与频域分析等方式,对SEPIC型高频功率变换器的参数进行了优化设计,并使主电路开关管在宽负载范围内具有零电压开关(ZVS)特性。在传统硬驱动电路的基础上加入谐振电感,实现了对开关管的正弦驱动,提升了系统的工作效率。提出了优化的印制电路板(PCB)线圈电感设计方法,提高了PCB线圈电感的品质因数和变换器的效率。设计并搭建了一台8 V输入、5 V/5 W输出的20 MHz SEPIC型DC/DC功率变换器的实验样机,在额定条件下,系统的工作效率为76.3%。     

基于最优负载匹配WPT系统的最大效率跟踪

磁耦合谐振式无线电能传输MCR-WPT(magnetically-coupled resonant wireless power transfer)因其具有在中长距离传输较大电能的优势,获得较高的潜在应用价值。针对一类具有串-串结构等效电路的MCR-WPT系统,首先分析其传输效率,得出发射和接收回路同时处于相同频率的谐振状态仅仅是系统取得最大效率的必要条件;进一步分析并证明在线圈互感一定的情况下,存在一个最优负载使系统的效率达到谐振状态下可能达到的最大值;然后引入DC-DC阻抗变换电路使系统在任意实际负载下都可获得等效的最优负载,提出并设计带锁相环谐振频率跟踪的基于最优阻抗匹配的最大效率跟踪方案;最后通过仿真和实验验证了方案的有效性和可行性。     

应用于水处理的高频数字化电源

高频电源可实现高频功率输出,其后再加特定装置产生磁场,用以研究高频磁场下水的特性变化。为了在宽功率范围实现移相全桥的零电压开关ZVS （zero-voltage-switching）,提高整机效率,在Boost-PWM与移相PWM双自由度控制的基础上提出一种基于模型前馈的控制方法。通过建立输出功率模型,加以模型前馈控制,结合闭环PI控制,不但可以保证输出功率满足要求和全功率范围内实现ZVS,还能够提高对于负载突变时的动态性能。首先提出该高频变换器的拓扑结构,再详细分析其工作原理和运行状态,得到精确的基于负载输出功率数学模型,给出相对应的输出功率范围和ZVS软开关范围,最终设计基于DSP和碳化硅（SiC） MOS管的电源样机。实验结果验证了所提理论的正确性,且该电源可以满足水处理实验的基本要求。     

基于电动汽车无线充电的宽负载范围逆变器

电动汽车无线充电系统会工作在重载、轻载和空载等多种工况,因此其逆变器需要满足宽负载范围内的零电压开关(ZVS)要求。电动汽车无线充电系统一般采用移相全桥逆变器,而传统的移相全桥逆变器存在滞后臂难以实现ZVS的问题,无法满足宽负载工作范围的要求。该文采用带辅助网络的电流增强型全桥逆变器拓扑,对电动汽车无线充电系统的宽输出范围逆变器进行设计,通过分析实际系统中的电压/电流尖峰产生机理,采用相应的尖峰抑制措施,搭建了宽范围输出的逆变器硬件系统,实验结果表明在系统重载、轻载和空载状态下,逆变器均能实现ZVS软开关。     

200kW/400kHz固态高频感应加热电源

随着大功率半导体器件的发展,固态高频电源在容量和频率两方面都得到很大提高,除在一些特殊应用领域(如高频介质加热等行业)外,固态高频电源完全能取代电子管高频电源,而成为新一代感应加热电源的代表。本文以MOSFET作为逆变器的开关器件,以多管并联的方式开发出容量为50kW的单桥,然后以逆变桥并联的方式研制出200kW/400kHz的逆变器。设计了特殊的大功率驱动电路,实现了对器件多管并联的可靠驱动。采用PI控制的锁相环(PhaseLockedLoop,PLL)方法,实现了对负载频率的准确跟踪和对逆变状态的可靠控制,保证了逆变器的安全。采用高频变压器实现负载阻抗的匹配,不仅保证了逆变器的高输出功率,而且实现了逆变器之间的均流。