基于开关电容的电流馈电型无线电能传输系统的研究

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为了满足电气化交通领域与电子消费领域不断增长的便捷化需求,无线电能传输技术获得了广泛的关注。感应式电能传输技术本身具有的传输功率大、传输距离中等与安全性较高的优点使其更适用于电动汽车与便捷式设备等电气电子消费领域的商业应用。传统的感应式电能传输技术通过电容补偿网络对松耦合变压器的自感或漏感进行补偿以获得最大的传输功率与传输效率。实际应用中不可避免的松耦合变压器偏移与负载变化限制了感应式电能传输系统的应用场合。负载与感抗的变化使谐振点发生偏移,导致感应式电能传输系统的直流输出电压变化和零相位角特性失效,进而引起系统的视在功率提高、开关管电压和电流应力增大等问题。针对现有感应式电能传输系统的不足,提出一种基于开关电容的电流馈电型无线电能传输系统。该系统根据松耦合变压器在偏移情况下的参数变化特性,以自感作为补偿对象,采用基于互感模型的PS/S补偿网络,结合串联补偿与并联补偿的优点,在定频条件下通过补偿电容的动态调节改善了系统的性能。提出的开关电容结构适用于负载变化与松耦合变压器发生偏移的情况,通过控制移相角,调节单个周期内开关电容的充放电时间。当系统工作参数发生变化时,可以动态调节开关电容等效电容量,实现逆变器输出电压与输出电流零相位角的操作。同时,系统工作参数的变化会造成直流电压增益系数发生变化,为了实现恒定的电压输出,提出了一种新的调制方法,通过调节逆变器输出电流的零电平状态时间,达到调节输出电压的目的。在完成PS/S补偿网络、移相角与等效电容量的关系和直流电压增益的理论分析与推导后,运用PSIM软件进行仿真分析,并搭建120W的原理样机进行实验验证。仿真与实验结果验证了所提出的基于开关电容的电流馈电型无线电能传输系统在偏移与负载变化情况下的可行性与优越性。
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