小型非接触式电能传输系统的设计与实现

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Zi 为次级反映到初级的等效阻抗；L 为初级电感 L1 与附加电感 L2 之和 图 4 互感模型及等效电路
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电阻：
RL=
8 π2
Ro
（1）
则次级阻抗为：
Zs＝jωL2+
1 jωCs+1/RL
（2）
由变压器的互感原理易得次级折算到初级的阻
高的 di/dt 和 du/dt，从而产生大量电磁干扰。 谐振软
图 3 示出设计的系统主电路拓扑结构。 电路以 开关通过在开关电路中增加很小的电感、 电容等谐
耦合器为界将电路分为发送和接收两部分。 前者包 振器件，在器件开关过程中引入谐振过程，使电压和
括：输入变压器 T，其初级接交流电网；整流滤波电 电流无重叠，并使瞬时功率降为零。 另外，由于感应
瓦特计测得。 由实验参数可见，在输入电压较低（15 V） 时， 采用谐振式逆变器即可得到很大的初级电流 （2.33 A）。 设计的罐状耦合器在频率为 56.4 kHz，气隙 为 7 mm 时，耦合系数达到了 0.415，初、次级电压传 输比达到了 77.8%，样机的整体效率达到了 56.7%。 由此证明，增大输入电压，减小高频整流模块的能量
路用于获得直流电压； 高频逆变电路用于给耦合器 耦合器漏感较大， 因此可利用串联谐振将该漏感作
初级绕组提供高频交流电流。后者包括：整流滤波电 为谐振电路中谐振电感的一部分参与谐振过程 （如
路用于将耦合器输出的交流电压变换成直流电压， 图 3 主电路拓扑所示），从而解决漏感带来的开关管
供直流负载使用； 输出显示部分用于指示电路的输 开关应力大、占空比丢失等问题，同时降低开关管的
抗为：
Zi＝
ω2M2RL （ωL2）2＋（1－ω2L2Cs）2RL2
－
j
ω3M2[L2+（1－ω2L2Cs）CsRL2] ω2L22+（1－ω2L2Cs）2RL2
（3）
当角频率满足 ω=1/姨L2Cs 时，初级等效阻抗为：
Zi＝
M2RL L22
－ jωM2 L2
（4）
电源侧输入阻抗为：
Zin=
M2RL L22
图 2 基于高频逆变的系统构成图
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第 43 卷第 1 期 2009 年 1 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.43 No.1 January，2009
方案①由于高频振荡电路的输出功率很小，必 0.5 mm 的漆包线，初级绕制 15 匝，次级 16 匝。
须经高频功率放大器加以放大。 而高频功率放大器 4 功率变换部分的设计
出状态。 电路中，耦合器的初级和次级是可分离的， 开通和关断损耗，以大大减小电流高次谐波，降低铁
这与开关电源中的变压器有着本质区别。
心及线圈的涡流损耗，改善输出电流品质，对提高非
接触能量传输系统的整体效率起到了重要作用。
4.2 谐振元件参数的计算
针对图 3 所示的拓扑结构，其互感模型及初级
等效电路如图 4 所示。
为了减小装置体积，提高系统的功率密度，必须 要提高磁场的频率。主要有两种方案获得高频信号： ①由高频振荡电路产生高频信号， 再经过高频功率 放大产生初级输入信号，系统构成如图 1 所示；②基 于 PWM 技术， 采用高频逆变方式将直流信号逆变 成高频信号提供给初级输入，系统构成如图 2 所示。
图 1 基于高频功放的系统构成图
第 43 卷第 1 期 2009 年 1 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.43 No.1 January，2009
小型非接触式电能传输系统的设计与实现
赵 彪， 冷志伟， 吕 良， 陈希有 （大连理工大学， 辽宁 大连 116024）
摘要：根据非接触式电能传输系统的实际应用，提出了该类系统的设计原则，并讨论了两种具体实现方案。 针对以高
入电压 15 V，直流输出电压 30.3 V，负载 60 Ω，系统 输 出 功 率 15.3 W；耦 合 器 电 压 比 77.8%，耦 合 系 数
到最好的实验效果。
0.415，整体效率 56.7%。 其中系统输入功率由 D26-W
5 样机实现及性能测试
实现了一套完整的样机，变压器为 10 W，3 路， 工 频 整 流 桥 型 号 D4SB60， 高 频 整 流 管 型 号 FR307ZG，开 关 管 型 号 IRG4PC50U， 关 联 二 极 管 型 号 FR307ZG，控制芯片型号 SG3525AN，驱动芯片型 号 IR2110710P。 在罐状铁氧体耦合器气隙为 7 mm，
+j ω2LL2Cr-ω2M2Cr-L2 ωCrL2
（5）
令上式虚部为零即发生串联谐振，求得谐振时
的电容为：
Cr＝
L2 ω2（LL2－M2）
（6）
根据 ω=1/姨L2Cs 和式（6），在气隙 为Байду номын сангаас7 mm 时 ，
小型非接触式电能传输系统的设计与实现
取 频 率 为 56.4 kHz，可 得Cs=0.187 μF，Cr=0.241 μF， 实验过程中以计算值为参考不断进行调整， 直到达
体积庞大，电路复杂，调试过程繁琐，功耗大，并且容 4.1 采用谐振软开关的必要性分析
易产生严重的高频干扰。 方案②基于 PWM 控制技
目前，全桥逆变技术主要有 PWM 硬开关和谐振
术，采用高频逆变将直流电直接逆变成高频交流电， 软开关两种技术。 PWM 硬开关在开关管开关工作时
电路的体积小、效率高，输出信号的占空比、频率等 随着频率的提高，开关损耗会变大。 而且，硬开关技
易于控制。其能量直接由电网整流后提供，系统功率 术无法避免在电路中产生高次谐波， 导致逆变回路
可以得到显著的提高。 在此，根据 2.1 节所述设计原 电流中的高次谐波分量增加， 感应耦合器的铁损也
则，选用方案②的系统构成来进行样机设计。
随之增加。 开关管工作在硬开关状态时还会产生很
2.3 系统主电路拓扑结构的选择
高效率的实际应用提供了实验依据。
关键词：电能； 传输 / 非接触； 感应耦合器； 功率变换
中 图 分 类 号 ：TM5
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-100X（2009）01-0049-03
Design and Implementation of Mini Contactless Electrical Power Transfer System
目前，耦合器线圈主要有圆形、矩形、跑道形等 形状，采用盘状和柱状等绕制方式。矩形线圈的耦合 随水平相对位移变化的平稳性较好，而圆形线圈的 耦合随水平气隙大小变化的平稳性较好。 跑道形线 圈综合了两者的优点，但绕制、定形比较困难。 结合 所选的罐状耦合器，选用圆形线圈进行柱状绕制。
考 虑 到 集 肤 效 应 的 影 响 ，100 kHz 时 铜 导 线 的 穿透深度 △= 姨2/（ωμr μ0γ） =0.209 mm[5]（ω 为角频率； γ 为常数， γ＝5.8×107 （Ω·m）－1； μr 为相对磁导率； μ0 为真空中的磁导率，μ0＝4π×10-7 H/m）。 线 径 至 少 为 2△，即约为 0.42 mm，所以实际采用单根导线直径为
接触式能量传输。
气隙、高效率的实际应用提供了新的技术方案。
2 系统设计原则及整体构成
2.1 系统的设计原则 非接触式电能传输系统大都采用电磁耦合原
理。 由于耦合器初、次级绕组间有一段较长的空气 隙，导致耦合系数很低，使得该技术的实际应用受到 限制。为了解决上述问题，系统设计必须遵循电能传 输效率高、功率密度大、电磁干扰小、系统稳定可靠、 变压器气隙可分离、成本低的原则。 2.2 系统构成
提出了非接触式电能传输系统的两种实现方 案。重点探讨了基于高频逆变原理的系统设计，给出 了具体的设计电路和参数，实现了一套独立的样机， 并对样机进行了性能测试。实验证明，所设计的样机 具有有体积小、功率密度大、电压传输比高和功率传 输效率高等优点。 为非接触式电能传输技术实现大
基 金 项 目 ：大 连 理 工 大 学 教 改 重 点 项 目 （ZD04） 定 稿 日 期 ：2008-09-01 作 者 简 介 ：赵 彪 （1987- ）， 男 ， 湖 北 洪 湖 人 ， 研 究 方 向 为 非
ZHAO Biao， LENG Zhi-wei， L譈 Liang， CHEN Xi-you
（Dalian University of Techology， Dalian 116024， China） Abstract：On the basis of analyzing contactless power energy transfer system，some design considerations are proposed and two concrete plans to compose the system are discussed.In view of the system constitution based on the HF-Inverter，the design issues of each part are discussed，including electric circuit topology as well as the parameter calculations.At last，a stand-alone prototype of the contactless electrical power transfer system is completed and experimental results are obtained to verify the validity of the design.The experimental results show that the prototype power transfer efficiency can reach to 56.7%.The setting up of the contactless electric power transfer system and correlative experiment analysis will provide a good foundation for deeper research work. Keywords：power； transmission / contactless； inductive coupler； power transformation Foundation Project：Supported by Education Reform Major Item of Dalian University of Technology （No.ZD04）