基于电感复用与全波整流的S/SP补偿恒流无线充电系统设计与实现

《Wireless Power Transfer》：A constant-current WPT system with S/S compensated topology and full-wave rectification

本文提出了一种基于S/SP补偿拓扑的恒流（CC）输出无线充电系统。该系统创新性地将全波整流结构中变压器的励磁电感（Lm）复用为谐振网络的一部分，实现了零相角（ZPA）运行和逆变器软开关。实验结果表明，在4倍负载变化范围内，系统输出电流波动小于±1.3%，峰值效率高达94.2%，验证了该设计在实现高安全、高效率恒流充电方面的显著优势。

　　

引言

无线充电（WPT）技术以其非接触式能量传输的便利性，在电动汽车、消费电子、生物医学及工业领域展现出广阔的应用前景。在无线充电应用中，恒流（CC）充电是至关重要的阶段，要求系统在特定负载范围内维持稳定的电流输出。常见的恒流补偿拓扑包括S/S和LCC/LCC结构。其中，LCC/LCC拓扑虽然安全稳定，但谐振元件众多导致环路损耗大，限制了效率提升；而S/S拓扑结构简单、效率高，但在空载时发射端会进入短路状态，存在安全隐患。

在接收端，为了最大化输出能力，通常选择全桥或全波整流器作为AC-DC转换器件。全波整流器在任何时刻仅有一个整流二极管导通，具有更低的电压降和功率损耗。然而，全波整流结构中中心抽头变压器的励磁电感会破坏零相角（ZPA）运行。因此，本文提出了一种新颖的复用设计方法，将全波整流器变压器的励磁电感集成到谐振网络中，旨在实现一种兼具高效率、高安全性和设计灵活性的恒流输出无线充电系统。

系统概述与全波整流器建模

本文提出的S/S补偿恒流输出无线充电系统由级联逆变器、带串联补偿拓扑的耦合线圈以及全波整流器组成，最终在指定负载范围内输出恒定的直流电流I_L。该系统采用1:1:1中心抽头紧耦合变压器，其励磁电感效应不可忽略。

全波整流器在单个周期内存在两种工作状态。在状态I中，变压器输入电压为正，电流从L_R1绕组流向负载，L_R2绕组因二极管单向导通性而截止。在状态II中，变压器输入电压为负，电流从L_R2绕组流向负载，L_R1绕组截止。模态分析表明，带中心抽头变压器的全波整流结构可以等效为一个1:1紧耦合变压器驱动一个阻性负载。该等效电路可以进一步变换为1:1变压器的励磁电感L_m与等效电阻负载R_eq的并联模型，其中R_eq= 8R_L/π²。

S/SP补偿拓扑与复用设计

本文提出了一种新颖的S/SP恒流输出补偿拓扑。该拓扑在初级和次级均采用串联谐振电容，并利用中心抽头变压器的励磁电感L_m来实现恒流输出。通过二端口网络分析，推导出实现恒流输出和零相角（ZPA）的阻抗条件。分析表明，该拓扑通过满足特定的乘积关系而非固定的参数组合，即可实现恒流输出和ZPA，相比传统的S/S拓扑具有更高的设计自由度。

在满足上述设计原则后，系统可实现与负载无关的恒流输出，输出电流I_o= V_in/(ωM)。结合复用设计，无线充电系统的负载无关输出电流最终为I_L= 8V_in/(π²ωM)。该结果表明，通过精心设计谐振补偿参数，可以可靠地实现负载无关的恒流输出。虽然该结构会导致耦合线圈内存在无功功率循环，产生额外的功率损耗，但由于采用了转换效率更高的全波整流器，系统的整体DC-DC转换效率与传统S/S补偿系统相比并无显著差异。

零相角（ZPA）运行

根据前述推导，存在多种参数组合能够同时实现恒流输出和零相角（ZPA）。本文选取了其中一种特定的参数组合进行详细分析。通过复用设计，全波整流器的输入阻抗可以表示为Z_re= jωMR_eq/(jωM + R_eq)。逆变器的等效负载Z_in可以简化为Z_in= (ωM)²/R_eq。该表达式表明，等效输入阻抗是纯阻性的，使得系统能够在指定频率下实现零相角（ZPA）。

仿真分析进一步证实了系统在指定100kHz工作点维持零相角（ZPA）的能力。在变化的负载条件下，系统输入阻抗角保持一致，证明了系统在实现谐振运行方面的鲁棒性。此外，分析还指出，如果系统工作频率偏离100kHz，则需要复杂的脉冲频率调制才能实现负载无关的零相角（ZPA），且恒流输出也无法保证，因此参数设计不应基于此零度线。

实验结果与分析

为验证所提设计方法的有效性，搭建了实验样机。样机采用PQ35-35铁氧体磁芯绕制的中心抽头变压器，整流二极管为MBR20200CTG，全桥逆变器采用IRF640NPBF MOSFET。系统参数严格按照所提设计方法确定。

实验结果表明，在2Ω、5Ω和8Ω负载下，逆变器输出波形均无显著电压尖峰，系统保持良好的谐振状态。逆变器MOSFET的V_DS和V_GS波形测试表明，在指定负载范围内，逆变器均实现了软开关运行。随着负载增加，样机的软开关裕度减小。在实际应用中，可以通过调节耦合线圈互感M和次级阻抗Z_s1的相对值来调整软开关裕度，从而实现高效率的逆变器运行。

电压尖峰的成功抑制以及逆变器的软开关运行，有力地验证了零相角（ZPA）的实现以及所提设计方法的整体有效性。系统在2Ω至8Ω的负载变化范围内，输出电流相对于6A额定值的偏差极小，始终小于0.1A，表现出卓越的恒流输出性能。在负载突变时，系统能够维持稳定的瞬态输出电流，响应精确。由于输出滤波元件的设计裕度充足，在负载阶跃变化期间未观察到显著的电压尖峰，瞬态响应也较为平缓。

除了极小的输出电流波动外，样机在指定负载范围内表现出较高的整体效率。在该范围内，系统输出功率随负载增加而迅速增加，但由于恒流输出，系统损耗的上升并不显著，导致效率呈持续上升趋势。在额定5Ω负载下，系统转换效率高达92.6%。

结论

本文提出了一种新颖的S/S补偿恒流输出方案，该方案巧妙地复用了全波整流器变压器的励磁电感。该设计将全波整流器变压器的励磁电感精确地集成到谐振网络中，同时补偿了耦合线圈的部分自感，从而在定义的负载范围内实现了高精度的恒流输出。实验验证证实了所提方法具有卓越的输出稳定性和转换效率。具体而言，在2Ω至8Ω的负载范围内，系统维持了稳定的6A输出电流，波动小于1.3%。此外，逆变器在整个负载范围内始终保持软开关运行，有助于实现高转换效率，在额定5Ω负载下效率达到92.6%。这种创新的复用设计作为一种实用的解决方案，在各种应用中具有广阔的前景。