推挽升压型耦合电能传输系统DC／DC变换器研究

摘要：针对耦合电能传输(CPT)系统中品质因数过高会使系统传输效率降低的问题，提出一种带推挽升压变压器的CPT系统DC／DC变换器，给出了品质因数与电压放大倍数的关系，从而通过合理选择初、次级匝数比使系统品质因数控制在合适范围内，该变换器还具有驱动简单，负载适应性强的特点。基于交流阻抗分析，给出了该变换器的交流等效电路，对初级补偿电容、输入输出电压特性进行了分析计算。最后，基于实验样机对理论分析进行了验证。
关键词：变换器；推挽升压；阻抗分析；电压特性

1 引言
CPT技术具有安全系数高、灵活性强、易维护、环境适应性强等优点，在电动车充电、水下钻井等场合应用广泛。对于低压输入、高压输出的CPT应用场合，由于变换器电压放大倍数太大，若只利用初、次级线圈谐振来进行升压，会使系统品质因数大大增加，从而增加系统损耗，降低效率。
此处利用推挽变压器先进行一次升压，升压输出的次级接发射线圈与补偿电容，通过调节推挽电路开关频率使发射线圈与补偿电容谐振，接收线圈感应到电能后通过整流桥变成所需直流电供负载使用。由于进行了一次升压，变换器品质因数可大大降低，通过实验证明了该推挽升压型变换器特别适合低压输入的CPT应用场合。

2 电路构成
2．1 传统CPT电路构成
典型的CPT系统主要由电气隔离的两部分构成：电能供应部分(包含谐振转换器和主传导回路)和能量接收部分(包含一个拾取线圈和功率调节电路)。图1示出传统CPT系统基本结构图。

系统采用三相或两相电源供电，能量变换装置将工频电源经整流、逆变后变成高频方波电流提供给初级回路，高频方波电流经初级回路谐振网络向外界辐射电磁能量，次级回路拾取线圈感应产生电动势，能量拾取和调节部分将电能调理后供负载使用。若做成移动形式，就可用于移动电子设备供电或充电；若将电能供应部分、能量拾取和调节部分都固定，就可形成固定的供电系统。由于电能供应部分和能量拾取部分不存在电气物理连接，故保证了用电的灵活性和安全性。
2．2 带推挽升压变压器的CPT电路构成
传统CPT电路采用工频整流后的高压直流作为逆变电路输入电源，且逆变器输出直接接发射线圈，因此传统CPT系统并不适用于电池、太阳能板供电等低输入电压场合。图2示出带推挽升压变压器的变换器电路。其变压器次级接初级发射线圈Lp和初级补偿电容Cp，Lp，和Cp为串联结构，次级接收线圈Ls和次级补偿电容Cs为并联结构，M为初、次级线圈互感，Ls，Cs输出接整流桥，整流桥输出接滤波电感Lo、滤波电容Co及负载Ro，C1，R1，C2，R2组成RC吸收电路，Cs1，Cs2为开关管V1，V2的寄生电容。

推挽变换器中变压器是双向励磁，相同尺寸的磁芯，推挽变换器可以比正激变换器传输更大的功率，利用率高。在工作过程中，输入回路只有一个开关管的导通压降，产生的导通损耗相对较小，因此特别适用于低压输入的电源系统，但也存在会出现开关管开通关断电压尖峰及启动冲击电流等问题，采用RC吸收电路可减轻尖峰问题。由于推挽侧开关管共地，因此驱动无需隔离。

3 变换器等效电路分析
为减小系统无功功率容量，提高系统传输功率和效率，通常需对CPT系统初、次级电感进行补偿。根据补偿环节不同可分为电流型CPT系统(PS，PP)和电压型CPT系统(SS，SP)，其中P为并联，S为串联，此处变换器采用SP结构。假设推挽变压器为理想变压器，则推挽变压器次级输出电压，即串联谐振网络输入电压为：
uT=2Uinnd (1)
式中：n为次级与初级的匝数比；Uin为变压器初级输入直流电压；d为占空比。
此处取d=0．5，开关频率为Cp，Lp的谐振频率f0，则uT为频率为f0，幅值为nUin，d=0．5的方波信号。此信号接谐振网络，只有基波分量会通过，则基波分量的有效值为：

次级整流桥输入端为一并联谐振网络，谐振频率为f0。为简化分析，根据正弦等效原理，将变换器次级整流滤波电路等效为交流负载RL，则有：
RL=π2Ro／8 (3)
得到uT和RL后，假设初、次级线圈内阻可忽略，则可得如图3所示的交流等效电路。其中Zr为次级反射阻抗，即次级等效阻抗。

4 初级补偿电容计算
交流阻抗分析是分析谐振电路阻抗及频率特性最常用的方法。该方法从频域角度出发分析系统，忽略器件开关损耗及初、次级线圈内阻，则有：

由式(7)可知，Cp与RL无关，即与Ro无关，故此变换器具有良好的负载适应能力。
[p]
5 初级品质因数与输入输出电压特性分析
为对系统主要特性进行分析，假设系统工作在谐振状态，忽略系统初、次级线圈内阻。等效负载输出功率为：

f0，Lp，Ls及M等参数不变时，由式(10)，(11)可知，Uin恒定时，即可保证Uo恒定。
对于CPT系统，品质因数Qp过大会使系统损耗增加，从而使CPT传输效率降低，对于SP系统，Qp与系统其他参数的关系式为：

CPT系统中，f0一般在15～30 kHz之间，此处，Uin=12 V，Uo=360 V，则A=30。令f0=20 kHz，Lp=200 μH，则可得Qp随Ro变化曲线如图4所示。再令Ro=50 Ω，则可得Qp随A变化曲线如图5所示。由图4，5可见，不采用推挽变压器时，若要满足输入输出电压要求，则Qp最高可达1 200，最低也达到了200，当采用推挽变压器后Qp大大降低，通过合理选择n可将Qp控制在合适的范围内。

6 实验
按照图2制作了一台带推挽变压器的CPT系统DC／DC变换器样机。推挽变压器采用EI型铁氧体磁芯，初、次级绕组匝数分别为6，60，Uin =12V，开关管采用IRF540，为减少趋肤效应，初、次级绕组及初、次级线圈均采用李兹线绕制，电容采用高压无感电容，f0=26kHz，Lp=174 μH，Ls=81 μH，Cp=0．22 μF，Cs=0．47 μH。实验中采用SG3525来产生两路互补驱动信号给高速MOSFET驱动芯片IXDN404，实验波形如图6所示。图6a，b为系统偏离谐振点及系统在谐振点且Ro=100 Ω时变换器波形，图中由上至下分别为uT、初级发射线圈两端电压uLp、次级收线圈两端电压uLs和整流后Uo波形。由于引线电感的存在使开关管开通关断时产生电压尖峰，尽管次级输出电压也存在电压尖峰，但此电压尖峰经谐振回路后在接收端会被消除。由于推挽变压器输出电压升高10倍，相同输出功率下，串联谐振网络电流减少10倍，谐振回路损耗由于与电流平方成正比，因此大大降低，故由增加变压器所带来的损耗也大大降低，经实验验证，加入推挽变压器后，同等输入输出电压及输出功率条件下，系统输出效率最高可提高22％。在实验中还发现，Uin不变时，改变负载，Po会发生变化但Uo基本无变化，与理论分析一致。

7 结论
在低压输入高压输出的耦合电能传输应用场合，仅靠初、次级线圈谐振来升压存在电压增益太大从而使系统品质因数过高的缺点，品质因数过高会使耦合电能传输损耗增大，效率降低，带推挽升压变压器的耦合电能传输系统可利用变压器进行一次升压，再由谐振电路进行二次升压，因此可解决上述问题，由于开关管共地，驱动无需隔离，从而使驱动电路设计变简单。由于开关管工作在硬开关工作模式下，故系统存在开关损耗，如何使系统工作在软开关模式下，从而进一步提高系统传输效率是下一步需要解决的问题。