基于simulink无线电能传输系统高频逆变器的效率优化设计
摘要 磁耦合谐振式无线输电系统是一种被广泛应用的无线电能传输技术，具有传输效率高、传输距离中等的优点。高频逆变器是系统的重要组成部分，但随着脉冲频率的提高，功率器件开关管损耗导致的传输效率变低、开关管器件产生不可修复性损耗等问题成为了阻碍高频逆变器发展的重要原因。本设计在此系统背景下，以优化系统中高频逆变器的效率为目标，完成本设计以下工作。
首先，阐释了磁耦合谐振式无线输电系统的结构和工作原理，指出逆变环节在系统的重要作用；其次，通过对比不同逆变电路拓扑结构和开关管性能，选择IRFP450型号MOSFET单相全桥串联型逆变器结构；然后，为了降低开关管损耗，在开关管两侧并联谐振极电容，配置好合理的参数，实现了逆变器的零电压开通和关断的软开关；同时，从电路本身出发，分析了高频逆变器的开关管过电流和过电压的原因，给出了合理的高频逆变保护电路。最后，在Simlink中对建立的单相全桥高频逆变电路模型进行了仿真。仿真结果表明，本设计中涉及的高频逆变器软开控制技术，在一定程度上降低了开关管损耗，提升了逆变器的转换效率。
关键词：磁耦合谐振式无线电能传输 高频逆变器 软开关技术
Efficiency optimization design of high frequency inverter in radio energy transmission system
Abstract Magnetic coupling resonant wireless transmission system is a widely used radio energy transmission technology, which has the advantages of high transmission efficiency and medium transmission distance. High frequency inverter is an important part of the system, but with the increase of pulse frequency, the transmission efficiency caused by the loss of power devices and the irreparable loss of switching devices have become an important reason to hinder the development of high frequency inverter. Under this system background, aiming at optimizing the efficiency of high-frequency inverter in the system, this paper completes the following work of this design.
Firstly, the structure and working principle of magnetic coupling resonant wireless transmission system are explained, and the important role of inverter in the system is pointed out; Secondly, by comparing different inverter circuit topologies and switch performance, irfp450 MOSFET single-phase full bridge series inverter structure is selected; Then, in order to reduce the loss of the switch tube, the resonant pole capacitors are connected in parallel on both sides of the switch tube, and the reasonable parameters are configured to realize the soft switching of zero voltage on and off of the inverter; At the same time, starting from the circuit itself, the causes of switching tube over-current and over-voltage of high-frequency inverter are analyzed, and a reasonable high-frequency inverter protection circuit is given. Finally, the single-phase full bridge high-frequency inverter circuit model is simulated in SIMLINK. The simulation results show that the soft on control technology of high-frequency inverter involved in this design reduces the switching loss and improves the conversion efficiency of the inverter to a certain extent.
Key words: magnetic coupling resonant radio energy transmission high frequency inverter Soft switching technology
目录
第一章 绪论 1
1.1课题研究意义 1
1.2课题研究背景及现状 1
1.3 本设计主要工作 3
第二章 磁耦合无线电能传输系统 4
2.1 磁耦合谐振式无线电能输电系统结构和原理 4
2.2 磁耦合谐振式无线电能输电系统的四种基本无功拓扑 5
2.3 无线电能传输系统的逆变环节 7
2.4 本章小结 9
第三章 高频逆变器结构设计方案 10
3.1高频逆变器主电路拓扑分类 10
3.2 高频逆变主电路拓扑选型 12
3.3单相全桥逆变电路开关管选型 15
3.4 本章小结 16
第四章 软开关技术 17
4.1软开关技术基本原理 17
4.2脉冲调制技术 17
4.3基于PWM控制技术实现的软开关逆变电路 18
4.4 MOSFET保护电路设计 19
4.5 本章小结 21
第五章 逆变电路的仿真与验证 22
5.1 SPWM信号发生器设计 22
5.2 高频逆变电路仿真 24
5.3 本章小结 27
第六章 总结 28
致谢 29
参考文献 30
第一章绪论
1.1课题研究意义
磁耦合谐振式无线输电系统（MCR-WPT）的传输效率高，约在40%~90%之间，输送距离较远，从几厘米到几十米，发展前景广阔。在MCR-WPT中，高频逆变电路是其重要组成环节，为了增大传输的功率和传输效率，通常会在逆变环节增加电感量或者增加开关管工作频率，但过大的电感量会使得系统体积和成本增加，故不予考虑。故往往采用高频工作方式，但较高的调制频率往往使得开关损耗增加，本设计设计了一款新型单相全桥逆变器，解决了高频下的开关损耗以及开关管的电压应力问题，优化了无线传输逆变电路的线路结构，保证线路在高效率运行状态。
1.2课题研究背景及现状
早在十九世纪末,无线电能传输技术即由当时举世闻名的电气工程师尼古拉特斯拉所发明,并开展了相应的试验研究。受早期由于受科技财力等原因的影响导致该技术只局限于概念阶段,却也给后来无线电电子计量学与量能传输技术的爱好者们描绘了理想的蓝图,并积累了一定的研究基础[1]。
无线传输系统脱离用电设备与电源之间的连接方式，通过电磁场传递能量。随着无线电能输电系统的发展，人们对电能传输要求越来越高，为满足传输要求，需要利用逆变器把直流电转化为固定频率的交流电。因此，逆变器技术是无线电能输电系统的重要环节。
1.2.1 高频逆变器的发展
逆变器是具有将直流电转化为交流电的电能转换设施。逆变器发明初期，电力电子技术发展缓慢，导致技术水平比较低下，制造出来的相关产品具有一定缺陷，直到20世纪60年代后期，美国贝尔研究所发明出晶闸管（SCR），它是一种半控型电力电子器件，具有在门极施加脉冲就可以导通晶闸管的优点，具有较高的电压电流耐受力，这使得逆变器具有一定的发展，由于晶闸管没有消弧功能，不具备换流电路，这导致逆变电路的设计繁琐无比，使得逆变器成本过高，且无法小型化，让人们对逆变器技术的发展停滞不前。
20世纪80年代，为开拓大容量、高频化逆变技术，人们发现选用全控功率器件可以实现逆变器的进步，常见的有晶闸管衍生出来的GTO、功率MOSFET和IGBT。与半控型器件相比，全控型器件不需要太复杂的控制电路就可以自我关断，可以说是质的飞跃。
逆变技术在这类自关断半导体器件基础上经历了三个阶段[2]。
非隔离逆变技术。此种电路核心是工频逆变环节加入滤波器构成由源向负载提供电能的变换装置实现直流量输入交流量输出。优点：逆变电路结构简单，高效率。不足点有很多，比如抗干扰能力差、电压匹配能力不强。
低频环节逆变技术优化了前者结构的短板，加入入线端和出线端电气隔离和电压调整，其性能可靠，但工作在频率很低的状态，还有其他缺点。譬如逆变电路动态性能差、不易小型化等。此项逆变技术经过优化后在工业领域可以得到很多应用。
高频环节逆变技术。前两种技术占用空间多、功能性低等缺点将成为逆变发展道路的绊脚石。高频隔离式单级式逆变器具有无中间储能环节的高频隔离型拓扑。高频逆变技术相对复杂，但其功率密度大效率高、性能好，在电气领域应用广泛。
1.2.2高频逆变器PWM控制技术的发展
高频逆变器不断更新的同时，对应的脉宽调制技术也发展的炉火纯青。PWM通过调制不同脉冲宽度和间隙的方式，将逆变系统极性不变的直流电压转化为交流电压，使得输出信号有效值得到控制。PWM控制技术多种多样。谐振软开关控制PWM对提高开关频率具有巨大的影响，使得高频无噪声逆变系统成为可能。本设计针对谐振软开关技术对逆变电路的优化进行研究。
传统逆变控制技术原理是依靠载波和调制波的比较产生高电平和低电平控制开关管的门极脉冲驱动。当前在高频逆变电路应用较为广泛的是正弦脉宽调制技术。正弦脉宽调制的原理是PWM中通过正弦波调制出输出方波，输出的方波按照正弦规律变化。得到预期波形的方法有很多。其中最典型的是等面积采样法，除此之外还有自然采样技术法和利用微机实现规则采样技术法等。其调制波为正弦波。在两种波形交点控制脉冲输入功率开关管的是自然采样技术法。这种技术法要涉及脉宽的控制方程，不易实现实时控制，不易满足环境要求。规则采样技术法在此基础上采用相类似的方程代替此控制方程，控制线性度好且实现起来相对容易。等面积技术法用正弦波的每一份与时间轴相交围成面积相等的小矩形脉冲作为控制脉冲。此法响应快，准确度高。各种PWM控制法使得逆变电路的控制技术取得了飞速发展。
高频逆变技术在生活中的广泛应用带动了PWM控制技术的高速发展，并向着高效率低电磁干扰的方向进步。
1.2.3 逆变器软开关技术的发展及现状
为使得逆变器兼顾小型化和高效化，排除增加电感电容的工作方式，采用增加开关频率的工作方式。针对开关频率过高会造成电磁干扰和开关损耗等问题，软开关技术应声而出。
所谓软开关技术，即通过增加LC谐振环节在逆变器电路，使得开关管实现零电压或者零电流的开通与关断。
20世纪90年代初期，来自维康星大学的美国科学家Divan经过潜心研究创造一种谐振直流环节逆变器，自此以后，软开关技术在电气领域获得了广泛应用，随后出现各种各样的软开关逆变器拓扑[3]。
较典型的有谐振DC环节逆变技术和谐振极软开关逆变技术。前者通过谐振让输入端电压或者电流下降为零，实现电路的软开关工作方式。缺点也有很多，如母线的电压电流峰值过高，必须考虑元器件的耐受性，又譬如会产生大量的次谐波，降低系统稳定性等问题。后者在感应电机领域应用广泛，谐振极方式主要包括准谐振模式逆变器、辅助谐振变换极逆变器、辅助二极管变换极逆变器等。其他软开关逆变拓扑还包括负载侧谐振、辅助谐振缓冲器等等。
虽然软开关逆变器在逆变器的发展上具有很大优势，但这种技术并未进入成熟时期，愈多的地方需要改进和优化。将来的软开关逆变器将会从以下几个方面发展：1、结构简便、开关管低损耗低应力；2、用适合的控制规律控制电路工作；3、设计合理的高频谐振电容电感参数[3]。软开关高频逆变器具有良好的发展前景。
1.3 本设计主要工作
以无线输电系统中高频逆变器的高效优化为核心，本设计研究如下：
（1）分析了磁耦合无线输电体系的总体布局；阐释逆变器在磁耦合背景下的无线电能输电系统的主要功能。
（2）为选用合适的高频逆变器拓扑结构，对比串联逆变器与并联逆变器的优缺点，并对开关管型号选型。
（3）在软开关技术的加持下，实现高频逆变电路的零电压开通与关断。
（4）在simulink软件中，对高频逆变电路设计构架模型，确定合理的器件参数，并运用PWM控制技术，为开关管施加脉冲，最终实现高频软开关逆变电路。
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