基于原边硬件复用与逆变器(inverter)模式选择的无线功率传输(WPT, Wireless Power Transfer)系统多级功率输出方法

《Inventions》：Multi-Level Power Output for Wireless Power Transfer System Based on Hardware Reuse and Inverter Mode Selection at Primary Side

　　

为满足无线功率传输（WPT, Wireless Power Transfer）系统对多级功率输出（multi-level power output）的需求，研究人员提出了一种基于原边（primary-side）硬件复用与逆变器（inverter）模式选择的多级功率调节策略。该方法在多样化功率需求下降低了硬件复杂度与控制难度，同时消除了宽范围占空比调制引起的逆变器性能退化。研究人员首先给出所建立系统的拓扑结构，在维持全桥逆变器（full-bridge inverter）固有输出连接不变的前提下，分析并推导了通过功率器件门控控制实现的两种工作模式（operational modes）。在此基础上，构建了融合原边硬件复用的多级功率输出系统电路解析模型，并研究了系统对应的静态特性。结合不同规格接收线圈（receiving coils）的应用，进一步制定了依托逆变器模式选择优化的多级功率输出方案。最终，实验验证表明原型系统仅通过原边硬件复用与模式切换，在不改动电路连接或调节占空比的情况下实现了四级离散功率等级；各等级下最大接收功率分别为405 W、212 W、101 W和51 W，相应的直流—直流（DC–DC）效率分别维持在92.6%、91.5%、92.3%和90.92%。

论文解读：基于原边硬件复用与逆变器模式选择的WPT系统多级功率输出方法

一、研究背景及开展本研究的必要性

无线功率传输（WPT, Wireless Power Transfer）技术因安全性高、适应性强，被广泛用于电动汽车、植入式医疗设备、无人机等领域。现有WPT系统的输出功率调节多采用原/副边附加DC–DC变换级、相移调制（phase-shift modulation）、变频脉宽调制或复杂多逆变器协同控制。这些方法虽在一定范围内可调功，但通常引入额外硬件、增加控制复杂度，且宽范围占空比或相移调节易导致逆变器软开关（soft-switching）条件丢失、开关损耗增加及系统效率下降。此外，已有文献多聚焦单负载调控或多负载同时供电，较少关注非同时、不同功率等级负载下对同一套发射端硬件的兼容与复用。为此，研究人员开展本研究，提出仅通过原边全桥逆变器在全桥（full-bridge）与半桥（half-bridge）模式间切换并结合不同接收线圈实现WPT系统多级功率输出，在不改变电路连接、不调整占空比、不增设调压环节的前提下达成多功率等级高效传输。

二、主要关键技术方法

研究人员选用LCC-S补偿拓扑WPT系统，直流输入电压80 V，工作频率100 kHz。原边采用含L_f、C_f、C_p的LCC补偿网络与可切换全桥/半桥模式的全桥逆变器（MOSFET IRFP4227PBF，驱动由TMS320F28335 DSP产生）；副边可选配两种接收线圈——较大方形平面螺旋线圈（边长32 cm，23匝）与较小圆形三维螺旋线圈（半径10 cm，20匝），均接S(Series)-S补偿电容与不可控全桥整流器（二极管DSEP15-06A）及可调电子负载。通过对全桥与半桥模式下逆变器输出电压进行傅里叶分解得到基波幅值关系（全桥基波有效值U_{AB_rms_FB}=2V_dc/π，半桥为V_dc/π），建立LCC-S WPT高频交流等效电路模型并推导初、次级电流、输出功率及DC–DC效率表达式。利用三维电磁仿真获取两组线圈与发射线圈间互电感M（方形线圈对M≈39.814 μH，圆形线圈对M≈27.162 μH），将参数代入理论公式获得四种组合下的理论特性，再通过搭建实验样机实测对比验证。

三、研究结果

3.1. Simulation of Multi-Level Power Output Mode（多级功率输出模式仿真）

研究人员通过三维仿真建立发射方形线圈分别与方形、圆形接收线圈组合的磁耦合机构模型，测定互电感与线圈内阻。定义四种工作模式：模式1—全桥逆变+方形接收线圈；模式2—全桥逆变+圆形接收线圈；模式3—半桥逆变+方形接收线圈；模式4—半桥逆变+圆形接收线圈。将仿真所得M及系统参数代入推导公式计算，得到四种模式下原/副边电流、输入/输出功率及效率的理论值，确认半桥模式输出功率为同线圈全桥模式的约1/4，效率基本相当。磁场分布云图显示不同模式磁密分布随线圈构型变化。

3.1.2. Analysis of Output Power and Efficiency Characteristics of the System（系统输出功率与效率特性分析）

研究人员在仿真中令接收线圈发生横向偏移（lateral offset）及负载电阻变化（20–40 Ω），计算四种模式下接收功率与效率的变化曲线。结果表明：四种模式下输出功率与效率随偏移增大而下降；采用方形接收线圈的模式1、模式3受偏移影响较小，效率在偏移≤10 cm时尚能保持较高水平；采用圆形接收线圈的模式2、模式4受偏移及负载变化影响相对更明显，但在偏移≤10 cm、负载20–40 Ω范围内效率仍可维持于较高水平，验证了方案对偏移与负载波动具一定鲁棒性。

3.2. Experimental Verification（实验验证）

研究人员按仿真参数绕制线圈并实测自感与内阻（发射线圈L≈203.18 μH，R≈0.18 Ω；方形接收线圈L≈201.31 μH，R≈0.18 Ω；圆形接收线圈L≈58.52 μH，R≈0.074 Ω），配置LCC补偿参数L_f=27.75 μH，C_f=91.3 nF，C_p=14.5 nF，副边串联补偿电容分别为12.5 nF（方形）与43.2 nF（圆形）。通过只控制全桥逆变器开关管导通逻辑实现全桥/半桥模式切换，配合更换接收线圈构成四种组合。在负载30 Ω、不同横向偏移位置测量输入直流电压/电流与负载侧整流直流电压/电流。实验测得四种模式最大接收功率依次为405 W、212 W、101 W、51 W，对应DC–DC效率分别为92.6%、91.5%、92.3%、90.92%。测试波形显示全桥与半桥模式下逆变器输出电压幅值符合理论1:0.5关系，副边电压/电流相应缩放。理论与实验功率值吻合良好，效率略低于理论计算（源于谐振元件附加阻抗、开关损耗及参数偏差未完全计入），对齐位置效率均高于90%，证实方法可行。

四、讨论与结论翻译

讨论指出仿真与实验表明四种组合可实现分明分级功率输出且无初/次级过流，系统效率较高；方形线圈组合抗偏移能力优于圆形线圈组合；理论与实验功率偏差可控，效率略低但仍保持高水平。结论如下：

研究人员针对传统多功率WPT系统硬件复杂、控制难度高的问题，提出基于发射端硬件复用与逆变器模式切换的WPT系统多级功率输出方法。基于LCC-S补偿拓扑，复用同一套发射硬件，仅将全桥逆变器切换于全桥与半桥控制模式，并结合两种不同尺寸接收线圈灵活形成四种系统工作组合。通过建模推导出全桥与半桥控制模式下输出电压、初/次级电流、输入/输出功率及效率表达式。在直流输入电压恒定、占空比固定条件下实现四级功率输出，且接收线圈发生横向偏移时仍能保持较高效率。研究人员搭建并制作了基于原边硬件复用与逆变器模式选择的多级功率输出无线充电实验样机，实现四种不同等级功率输出，各输出等级最大接收功率分别为405 W、212 W、101 W和51 W，对应效率分别为92.6%、91.5%、92.3%和90.92%。

论文发表于《Inventions》。