谐振式无线电能传输系统中高频逆变器的特性分析和参数设计
韩冲 张波
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.171603
1
导语
磁耦合谐振式无线电能传输技术具有传输距离远、效率高、功率大的优点，近年来得到学者的广泛关注和研究。然而谐振无线电能传输技术要求20kHz~20MHz高频交流供电，几百kHz到MHz的工作频率给高频逆变器选择和设计提出挑战。
本文结合谐振无线电能传输系统的特点，剖析了高频逆变器的设计难点，对应用于MCR-WPT系统的高频逆变器进行了系统的分析，深入研究了它们的工作特性，探讨了它们的控制技术，并提出了高频逆变器参数设计和元件选型方法，为谐振无线电能传输技术的发展提供了技术基础。
2
研究背景
磁耦合谐振式无线电能传输技术（Magnetic Coupling Resonance Wireless Power Transfer，简称为MCR-WPT）自2007年麻省理工大学M. Soljacic教授首次提出以来，在国内外得到了广泛的研究和关注，是目前最具有发展前景的技术之一。
MCR-WPT系统线圈间的传输距离、效率在一定范围内随着系统的工作频率的提高而提高，一般要求高频逆变器的工作频率为20kHz~20MHz。几百kHz到MHz的工作频率给逆变器的工作性能提出了挑战：（1）开关损耗将增加；（2）寄生参数的影响变得不可忽视；（3）开关管的驱动困难。目前，MCR-WPT系统中所采用的逆变器拓扑有电压型全桥逆变器、电流型全桥逆变器、D类功率放大器、E类功率放大器等。不同的逆变器拓扑具有不同的性能，适用于不同的频率和功率场合。
此外，MCR-WPT还要求逆变器具有高的动态特性，体现为一是传输距离变化的动态性，以适应发射和接收线圈间的距离变化和偏移；二是负载变化动态性，以适应不同负载的接入。传输距离和负载的变化都会导致WPT系统的传输功率和传输效率的变化。因此，高频逆变器的控制也是需要关注的关键技术。
3
论文所解决的问题及意义
本文首先在分析MCR-WPT系统特性对逆变器要求的基础上，剖析了高频逆变器的设计难点；然后，对现有MCR-WPT系统中高频逆变器的工作特性进行了分析，系统归纳和比较了它们的优缺点；再者，对MCR-WPT系统高频逆变器的控制技术进行了研究；最后，提出MCR-WPT系统高频逆变器的参数设计和元件选型方法。本文为谐振无线电能传输技术的发展提供技术基础。
4
论文的方法及创新点
本文采用系统方法对谐振式无线电能传输系统中的高频逆变器技术进行了深入的分析，提出了谐振式无线电能传输系统中高频逆变器的设计和选型方法。
5
结论
MCR-WPT系统具有高频性和动态性的特点。高频性要求逆变器工作在软开关工作状态，以减少损耗；动态性要求MCR-WPT系统的闭环控制同时实现恒定输出和高效率，而逆变器控制技术在其中起到关键作用。
MCR-WPT系统高频逆变器主要分为桥式逆变器和E类功率放大器及其衍生拓扑两大类型，本文从结构特征和工作特性上对不同高频逆变器进行了分析和对比。应用于MCR-WPT系统高频逆变器的控制技术包括频率控制、移相控制、On-Off控制等。本文对这些控制技术的控制原理、控制算法进行了分析和论述。
最后，本文对MCR-WPT系统逆变器的参数设计和元件选型等技术问题进行了归纳了总结，为MCR-WPT系统的设计提供了技术支持。
韩冲, 张波. 谐振式无线电能传输系统中高频逆变器的特性分析和参数设计[J]. 电工技术学报, 2018, 33(21): 5036-5050.
Han Chong, Zhang Bo. Characteristics Analysis and Parameters Design of High Frequency Inverters in Magnetic Coupling Resonance Wireless Power Transfer System. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(21): 5036-5050.
团 队 及 作 者 简 介
华南理工大学
华南理工大学电力电子系统分析与控制团队现有教授、博士生导师5名，副教授2名，讲师1名，博士后1名，博士7名，硕士研究生48名，团队长期从事电力电子系统非线性分析及控制、无线电能传输技术、新能源高效电能变换、先进电气传动技术等方面研究。
课题组先后获得2项国家自然科学基金重点项目、15项国家自然科学基金面上项目、1项国家重点研发计划项目课题、1项国家科技支撑计划、1项国家863项目、2项广东省战略性新兴产业专项资金项目、2项粤港关键领域重点突破项目、1项广东省自然科学基金团队项目、2项广东省自然科学基金重点项目、10项广东省自然科学基金面上项目及1项广东省重大攻关项目在内的30多个项目支持。
发表SCI、EI检索论文700余篇，获得美国专利授权3项，国内发明专利授权155项，国内实用新型专利授权294项。获得国家技术发明二等奖1项、中国专利优秀奖3项、中国机械工业科学技术发明一等奖1项、教育部技术发明二等奖1项、广东省技术发明二等奖1项，以及其他省部级科学技术奖励8项。
韩 冲 男，1993年生，硕士，主要从事无线电能传输机理及应用方面的研究。研究生阶段发表SCI、EI论文2篇，公开公示发明专利11项。
张 波 男，华南理工大学的二级教授，中达学者、国务院特殊津贴专家、广东省丁颖科技奖获得者。现任中国电源学会副理事长、中国电工技术学会无线电能传输技术专业委员会副主任、广东省电源协会副会长。主要从事新能源高效电能变换及无线电能传输技术的研究。
近年来先后主持过2项国家自然科学基金重点项目、4项国家自然科学基金面上项目、1项国家重点研发计划项目课题、1项国家科技支撑计划、1项国家863项目、1项广东省战略性新兴产业专项资金项目、1项粤港关键领域重点突破项目、1项广东省自然科学基金团队项目、2项广东省自然科学基金重点项目、2项广东省自然科学基金面上项目及1项广东省重大攻关项目在内的30多个项目。
在国际知名出版社Wiley、Springer、科学出版社出版英文专著6部、中文专著2部，在国内外重要刊物发表学术论文450多篇，其中SCI收录110多篇，EI收录230多篇；授权发明专利130项，其中美国发明专利3项；获得国家技术发明二等奖1项、中国专利优秀奖3项、中国机械工业科学技术发明一等奖1项、教育部技术发明二等奖1项、广东省技术发明二等奖1项，以及其他省部级科学技术奖励8项。