[发明专利]原边串联副边串并联补偿非接触谐振变换器

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的原边串联副边串并联补偿非接触谐振变换器，属于电能变换领域。

背景技术

非接触电能传输技术利用非接触变压器实现能量的无线传递，具有使用安全方便、无机械磨损、少维护、环境适应能力强等优点，已成为业界广泛关注的新型电能传输形式。非接触变压器是非接触电能传输系统的核心元件，分离的原、副边绕组及较大的气隙使其漏感较大、激磁电感较小。因而非接触变换器必须采用多元件谐振变换器，对漏感和激磁电感分别补偿，来提高电压增益和功率传输能力，同时减小环流损耗、提高变换效率。相应的，非接触谐振变换器的补偿方式一直以来就是非接触电能传输系统研究的重点之一。在电动汽车、有轨车辆等中大功率应用场合，一般采用两级电路结构进行功率变换：前级非接触变换器实现电能的无线传输、后级的DC/DC实现输出的精确控制。相应要求补偿方式除了要使输入阻抗接近阻性保证高效率外，还应能适应负载变化和非接触变压器气隙变化保证良好的控制特性。

双电容补偿是目前常用的非接触谐振变换器补偿方式，包括原边串联副边串联（简称串串补偿）、原边串联副边并联（简称串并补偿）、原边并联副边串联（简称并串补偿）以及原边并联副边并联（简称并并补偿）四种补偿方式。其中串串补偿、串并补偿适用于输入电压源型逆变电路，其原边开关管电压应力较小因而应用较多。为了适应负载的变化，让谐振变换器工作在增益交点处成为众多研究人员不约而同的选择。对于串串补偿来说，其输出电压增益交点的值是固定的，与负载大小无关，也不随变压器气隙变化而改变。香港理工大学2009年发表的文章“人工心脏用非接触变换器的分析设计和控制”：Chen Q.H., Wong S.C., and etc．Analysis, design, and control of a transcutaneous power regulator for artificial hearts [J]．IEEE Trans on Biomedical Circuits and Systems，2009，13(1)：23-31就是分析了串/串补偿的增益交点特性，并配合非接触变压器的匝比设计使得变换器在低压满载条件下自动工作在该增益交点处获得了良好的负载动态特性。南京航空航天大学的任小永还发表了“定增益自激式非接触谐振变换器的特性和控制”一文：Ren X.Y.，Chen Q.H., and etc. Characterization and control of self-oscillating contactless resonant converter with fixed voltage gain[C]．7th International Power Electronics and Motion Control Conference，Harbin，2012，利用自激控制方法使得非接触谐振变换器自动工作在增益交点处。但串串补偿增益交点处输入阻抗呈感性，原边环流较大、限制了系统的效率；且增益交点处输入相角对负载的变化敏感，不适合用于两级式电路。串并补偿的增益交点处输入相角为零，适合于宽负载变化和两级式控制，在中大功率场合应用较多。但是串并补偿增益交点值并不固定，对变压器气隙变化和原副边错位敏感，在气隙较大、耦合系数较小时，增益交点数值迅速增加给后级变换带来困难。

如何得到一种新型的补偿方式，既能具有串串补偿增益交点数值固定的优点同时还具有串并补偿增益交点与输入零相角统一的优点成为本发明设计的重点。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有补偿方式增益交点处输入阻抗相角对负载变化敏感、增益交点数值对非接触变压器气隙变化及原副边错位敏感的缺点，提出一种新型的补偿方式，提供一种适用于非接触电能传输系统中的原边串联副边串并联补偿非接触谐振变换器。它具有增益交点与输入阻抗零相角统一、增益交点数值与非接触变压器气隙变化无关的优点，可用于中大功率非接触供电系统，适于两级控制，具有良好的负载适应能力和非接触变压器气隙变化适应能力。

本发明的目的是通过以下方案实施的：