[发明专利]定增益自激式非接触谐振变换器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于非接触电能传输系统中的定增益自激式非接触谐振变换器及其控制方法，属于电能变换领域。

背景技术

非接触供电是基于磁场耦合实现“无线供电”的新型电能传输模式，利用原副边完全分离的非接触变压器，通过高频磁场的耦合传输电能，使得能量传递过程中供电侧和用电侧无物理连接。与传统的接触式供电相比，非接触供电使用方便、安全，无火花及触电危险，无积尘和接触损耗，无机械磨损和相应的维护问题，可适应多种恶劣天气和环境，便于实现自动供电。非接触供电技术因其特有的恶劣环境适应性、高安全性、少维护和方便性，在手机、机器人、人体植入设备、电动汽车等移动设备的供电场合，在油田、矿井、水下供电等环境恶劣或者易燃易爆场合均已得到了应用。

非接触电能传输中供电侧和受电侧一般都可相对运动，引起变换器中的核心部件——非接触变压器的气隙等结构参数的变化以及其耦合系数、漏感、激磁电感等电参数的变换。与其它功率变换器相比，非接触变换器不仅负载变化，主电路参数也不固定，因此非接触谐振变换器的控制除了要满足一般变换器的要求（如高效、高功率密度等），还应保证变负载及非接触变压器变参数条件下的可靠控制。

目前非接触变换器现有的控制方法为他控方式，主要有变频、恒频脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)及锁相环控制(Phase Lock Loop, PLL)三种。G. B. Joung, B. H. Cho. An energy transmission system for an artificial heart using leakage inductance compensation of transcutaneous transformer[J]. IEEE Trans. Power Electronics, 1998, 13(6): 1013–1022就应用变频控制完成一个60W的非接触变换器。由于非接触变压器漏感大、激磁电感小，为了提高变换效率和输出电压增益，非接触谐振变换器需要在原副边均加入补偿网络。高阶谐振网络谐振频率多解性所决定的频率分叉现象和输出特性的非单调，使得变频控制方式下的变换器容易失稳；PWM控制可以避免失控问题，对于谐振变换器却容易丢失软开关条件，影响变换效率；Qianhong Chen, Siu Chung Wong, Chi K. Tse, Xinbo Ruan,“Analysis, Design and Control of a Transcutaneous Power Regulator for Artificial Hearts”,IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems, 2009, 3(1):23-31所采用的脉宽调制(PWM)加锁相控制(PLL)的控制策略，在变负载及变耦合系数条件下能够实现高效、可靠控制，但是PWM环和PLL环路耦合，系统控制结构复杂，优化设计困难，且锁相环还存在跟踪调节速度较慢，入锁困难、容易失锁等问题，无法实时响应非接触电能变换应用场合经常出现的非接触变压器参数的变化。

相对他控方式，自激控制控制实现简单，还可直接利用变换器本身的电路特征转换为开关管的驱动信号，可以快速响应于变换器的参数变化，但是却存在输出增益变化大、输出电压不稳定的问题。

如何实现变负载及变耦合系数条件下，非接触变换器能快速响应、可靠控制并能保证输出电压稳定，成为非接触变换器领域设计和研究的难点。

发明内容

本发明的目的是为了保证非接触变换器在变负载及变耦合系数条件下的可靠控制和输出电压基本稳定。克服上述现有非接触变换器他控方式不利于对变换器的参数变化作出快速响应的不足，结合自激控制简单、可快速响应变换器参数变化的优点，提出一种适用于非接触电能传输系统中的定增益自激式非接触谐振变换器及其控制策略，使变换器自激工作于输出电压增益与负载无关的增益交点处，保证变负载时输出稳定和对变压器参数变化的实时响应。

本发明提供一种适用于非接触电能传输系统中的定增益自激式非接触谐振变换器及其控制方法。

本发明的目的是通过以下方案实施的：