一种新型无线充电发射端谐振电路的设计

一种新型无线充电发射端谐振电路的设计李博群（江南大学，江苏无锡214122）摘要：无线充电发射电路通常采用串联谐振电路。串联谐振也称电压谐振，当逆变器直流侧为电压源时，该电路拓扑能有效提高系统的传输功率与效率，但在启动过程中有时会产生很大的启动电流，严重时可能会烧毁线路，存在很大的安全隐患。为了克服这一缺点，设计了一款新型的CCL谐振电路。对其进行建模分析发现，当逆变器频率与元器件参数满足一定条件时，CCL谐振电路能近似等效为串联谐振电路，同样具有电压谐振的优点。最后对其进行仿真发现，该电路在启动时电流平缓上升，不会出现很大的电流跳变，安全性很高。关键词：无线充电；电压谐振；启动电流；串联谐振；CCL谐振0引言无线充电是近年来比较热门的一个话题，因其省去了充电线，使用方便且大大降低了生产成本，开始逐渐渗透到各个领域，特别在小型电器行业得到了大规模商用，有着良好的应用前景。无线充电的方式有多种，本文对市面上最常见、技术最为成熟的电磁感应式无线充电技术进行研究[1-2]。电磁感应式无线充电系统分为发射模块与接收模块。发射模块中的逆变电路将直流电源提供的直流电逆变为交流电传送给发射电路。发射电路中的电感线圈产生交变磁通传递给接收模块中的接收电路，根据电磁感应原理，接收电路会产生交变感应电动势，经过接收模块中的高频整流环节将交流电变为直流电后给电池充电。无线充电发射电路多采用谐振电路，因为谐振电路理论上消耗的无功功率为0，极大地提高了电路的功率因数。常见的谐振电路有串联谐振与并联谐振电路两种。串联谐振也称电压谐振，适用于电压型逆变电路；并联谐振也称电流谐振，适用于电流型逆变电路。由于市面上大多数无线充电系统逆变电路的直流侧采用电压源，所以本文只对串联谐振与新型的CCL谐振电路进行对比研究。1串联谐振电路的建模分析串联谐振电路的拓扑结构如图1所示[3]。对该电路通入角频率为棕的正弦交流电压uS，电路中流过的电流为i。电阻R、电感L、电容C两端的电压分别为uR、uL、uC。根据相量法，该电路的输入阻抗为：Z（j棕）=R+j棕L-1棕C蓸蔀（1）谐振频率为：f0=棕02仔=12仔LC姨（2）谐振时电感与电容两端电压的关系为：U觶L+U觶C=j棕0L-1棕0C蓸蔀I觶=0（3）谐振电路的品质因数Q为：Q=棕0LR=1棕0RC=1RLC姨（4）由此可以求得电感与电容两端的电压分别为：U觶L=j棕0LI觶=j棕0LRU觶S=jQU觶S（5）U觶C=1j棕0CI觶=1j棕0CRU觶S=-jQU觶S（6）由式（3）、式（5）及式（6）可以得到，谐振时电感电压、电容电压、电阻电压及电源电压四者的关系为：U觶L=-U觶C=jQU觶R=jQU觶S（7）由以上分析可知，串联谐振电路在谐振时，电路呈纯阻性，端电压与总电流同相，此时等效阻抗最小，总电流最大，在电感和电容上可能产生比电源电压大很多倍的电压，因此串联谐振也称电压谐振，当逆变电路为电压型时，使用串联谐振电路可以极大地提高电路的输出功率与效率。2CCL谐振电路的建模分析CCL谐振电路的拓扑结构如图2所示[4]。当电路中通入角频率为棕的正弦交流电压uS时，根据相量法，该电路的输入阻抗为：Z（j棕）=1j棕C1+R+j棕L1-棕2LC2+j棕RC2（8）当满足如下条件：棕2LC2垲1棕RC2垲1嗓（9）这时，该电路的输入阻抗约为：Z（j棕）≈R+j棕L-1棕C1蓸蔀（10）与串联谐振电路的输入阻抗形式一致。CCL谐振电路的谐振频率约为：f0=棕02仔=12仔LC1姨（11）由以上分析可知，当CCL谐振电路满足式（9）的近似条件图1串联谐振电路图2CCL谐振电路电气工程与自动化◆DianqiGongchengyuZidonghua8并发生谐振时，电路输入阻抗的形式与串联谐振负载电路一致，可以近似等效为串联谐振电路。因此，CCL谐振电路在上述条件下同样具有电压谐振的优点，当逆变器直流侧为电压源时同样可以大大提高电路的输出功率与效率。3两种谐振电路的仿真对比分析在Simulink中分别画出串联谐振与CCL谐振的电路仿真图，如图3与图4所示。对于串联谐振电路，电压型逆变电路的直流侧电压设为+5V，频率设为160kHz，稳压电容Cw的值设为22滋F。电路参数设置如表1所示。求取谐振频率：f0=12仔LC姨=12仔×3.3×10-6×0.3×10-6姨Hz≈160kHz（12）满足谐振条件。对于CCL谐振电路，电压型逆变电路的直流侧电压与频率同样设为+5V与160kHz，稳压电容Cw的值同样设为22滋F。电路参数设置如表2所示。经验证：棕2LC2=（160×103）2×3.3×10-6×0.001×10-6=8.4×10-5垲1棕RC2=160×103×1×0.001×10-6=1.6×10-4垲1嗓（13）满足近似条件。求取谐振频率：f0=12仔LC1姨=12仔×3.3×10-6×0.3×10-6姨Hz≈160kHz（14）满足谐振条件。仿真后分别可以得到两者的负载电压U与电感电流I关于时间t的变化曲线，如图5与图6所示。由此可知，串联谐振电路启动时的电流较大，最高能达到27A左右，容易引起开关管与线圈发热，甚至烧毁开关管与线圈；而CCL谐振负载电路启动电流较小，幅值平缓增加，最终稳定，能有效避免元器件发热甚至烧毁等安全隐患。4结语无线充电发射装置常用的串联谐振电路具有电压谐振的优点，但在启动过程中可能会产生很大的启动电流，造成安全隐患。本文针对此问题设计了一款CCL谐振电路，当满足一定条件时，既能保留电压谐振的优点，又能有效降低启动电流，具有很高的实用价值。［参考文献］[1]张献，杨庆新，陈海燕，等.电磁耦合谐振式无线电能传输系统的建模、设计与实验验证[J].中国电机工程学报，2012，32（21）：153-158.[2]周豪，姚钢，赵子玉，等.基于LCL谐振型感应耦合电能传输系统[J].中国电机工程学报，2013，33（33）：9-16.[3]梁勖，赵读亮，林颖，等.基于可控LC串联谐振的高重频高精度脉冲充电电源[J].高电压技术，2018，44（9）：3022-3027.[4]崔玉龙，蔡伟平，相春蕾.基于CCL谐振拓扑的移动式无线电能传输装置设计与可靠性分析[J].电器与能效管理技术，2017（16）：16-21.收稿日期：2019-05-27作者简介：李博群（1997—），男，江苏泰州人，研究方向：电气工程及其自动化。图4CCL谐振仿真图图3串联谐振仿真图表1串联谐振电路参数设置元器件RLC参数1赘3.3滋H0.3滋F表2CCL谐振电路参数设置元器件RL参数1赘3.3滋HC10.3滋FC20.001滋F图5串联谐振仿真效果图图6CCL谐振仿真效果图DianqiGongchengyuZidonghua◆电气工程与自动化9