基于磁耦合共振的能量收集技术及电力电子变换器中高频开关振荡的抑制方法

《Electric Power Systems Research》：Magnetic coupling resonance-based energy harvesting and high-frequency switching oscillation suppression in power electronic converters

　　•提出了一种非接触式磁共振能量采集方法。•能够采集功率变换器中的高频开关振荡能量。•可从开关振荡中获取数百毫瓦的功率输出。•在SiC MOSFET降压变换器中可将开关振荡降低32.4%。•在减轻开关振荡干扰的同时提升变换器效率。

引言
电力电子变换器在高效利用现代电能方面起着关键作用，超过50%的电能至少会经过一次电力电子变换器的处理[1]。由于其在可再生能源系统、电动汽车、智能电网以及能量存储系统等对安全性要求较高的应用领域的广泛应用，确保其运行可靠性显得尤为重要。为此，状态监测与预测性健康管理已成为维持系统长期性能的重要策略。一个由传感器网络支撑的健全监测框架，对于电力系统的有效运行至关重要。

为确保传感器获得稳定可靠的供电，是保障监测过程有效性的关键。随着传感器向小型化及低功耗方向发展，大多数传感器的工作电压范围在1.4–5伏之间。在空闲状态下，其电流消耗通常在纳安到微安级别，而在工作状态下则会在微安到几毫安之间。而一些功能更为复杂的传感器，如成像、气体检测和通信模块，则可能需要数百毫安的电流[2]。例如，LoRa模块传感器（如SX1276）的工作电压范围一般为1.8–3.9伏，传输时的电流消耗约为100毫安，而在睡眠模式下则可低至2.5微安。

一般来说，传感器可分为有线供电型和无线供电型两类。有线传感器通过物理电缆直接从电气系统中获取能量；然而，在空间受限、水下、地下或工业环境等场合，直接布设电缆往往并不现实。此外，有线供电传感器出现故障时，可能会导致电流或电压急剧上升，裸露的电缆还可能产生电火花，这两种情况都可能损坏其他设备，从而影响系统可靠性[3]。由于其灵活性和可移动性，具备独立供电功能的无线传感器已成为研究重点。无线传感器及其通信电路的寿命和性能至关重要，但它们的性能却受到 onboard能量存储装置（如电池）尺寸和重量的极大限制。这类电池体积大且维护更换成本高昂，也是其缺点所在[4]。因此，自供电无线传感器已成为热门的研究课题，市场对其需求也日益增长。由于从周围环境中采集能量能为无线传感器提供更好的能源支持，这一方向受到了广泛关注。

通常，周围环境存在多种形式的能量，包括太阳能、振动能、热能和电磁能。许多为无线传感器节点供电的设计都依赖于光伏电池阵列[5]、[6]、[7]。不过，由于无线传感器对环境条件（如光照强度、温度）较为敏感，太阳能并不总是理想的供电方式。此外，光伏电池易受恶劣天气影响，且维护成本较高，这也限制了其广泛应用。而振动能的普遍存在则为无线传感器供电提供了诸多可能性——纳米发电机能够将多种来源的振动能转化为电能[8]、[9]、[10]、[11]。尽管如此，此前开发的大多数能量采集器所能提供的能量仅为几毫瓦。鉴于振动具有间歇性，要在这样的能量水平下实现稳定高效的能源供应颇具挑战。热电发电机则具有时间与空间限制较小的优点，因为只要连接到热源，就能持续发电[12]、[13]、[14]。然而，结构上的限制以及刚性基底往往会导致热量在曲面处散失，从而降低转换效率。

在电磁能方面，可供利用的电磁能量主要来自超高频范围内的射频能量（如GHz频段）以及交流输电线路的磁场（50/60赫兹）[15]、[16]、[17]、[18]。一方面，超高频范围的射频能量确实能够提供一定量的能量。但由于传输过程中的严重衰减，以及距离和传输介质所带来的效率限制[19]、[20]，可用于为传感器节点供电的射频能量量大幅减少。另一方面，交流输电线路周围的工频磁场则为传感器节点提供了更为稳定的能源来源[21]。基于电磁感应的电流互感器和罗戈夫斯基线圈是常见的能量转换方式[22]。不过，电流互感器的输出电压取决于磁通密度的变化率，而突然的电流激增可能会产生过高电压，进而损坏二次电路。此外，研究表明，在电流较低的情况下（如低于100安培），从输电线路中获取的能量往往不足以满足传感器节点的供电需求[23]、[24]。因此，以非接触式且灵活的方式采集低频（尤其是工频）的磁能是一项极具挑战性的任务。鉴于这些限制，寻求一种新型的、非接触式的、小型化且高效的能量采集方法，以实现用于各类应用的自主供电无线传感器，显得十分重要。

电力电子变换器通过功率半导体器件的高速开关操作，实现了电能的转换与控制[1]。高频开关操作不可避免地会产生较高的dv/dt和di/dt值，这些值在与系统寄生参数相互作用时，会在电压和电流上引发高频振荡。电力电子变换器的每次导通和关断操作都会引发一次高频开关振荡[25]。本质上，开关振荡代表着不可忽视的高频瞬态电磁能量，其主导频率由系统的射频共振决定[26]。这种高频共振电磁能量通常被认为是诸多电磁干扰问题的根源[27]、[28]、[29]。尤其是随着宽禁带功率器件（如SiC和GaN）的广泛应用，这类器件的开关频率更高、开关速度更快，开关振荡现象也更加明显[29]。

为抑制宽禁带器件引发的高频开关振荡，人们提出了多种基于外部谐振网络和电感耦合结构的方法。其中，参考文献[30]对电子系统中的瞬态宇称时间对称现象进行了开创性研究，阐明了耦合谐振系统中的快速能量交换机制。这些研究结果不仅从新的物理角度深化了对振荡动态的理解，还为开发先进的高频振荡抑制策略提供了宝贵的理论指导。参考文献[31]采用强耦合外部谐振器，通过将振荡能量转移到辅助谐振网络中来抑制SiC MOSFET的振荡现象。参考文献[32]提出了电感耦合阻尼网络，旨在在保持快速开关性能的同时增强振荡抑制效果。参考文献[33]则利用辅助谐振电路来实现过电压抑制和能量反馈，从而降低开关损耗并提升变换器性能。

然而，现有的外部谐振器技术主要用于抑制开关振荡并提升开关性能，其研究重点在于减轻电磁瞬态效应。相比之下，作为可重复利用能源的振荡能量本身的潜力却未受到足够重视。考虑到高频开关振荡在电力电子变换器中极为常见，利用这种瞬态电磁能量不仅能有助于抑制振荡，还能为低功耗无线传感应用提供辅助能源。

正是基于这一思路，本文提出了一种基于磁耦合共振的非接触式能量采集方法。该方法利用谐振磁耦合效应，将高频开关振荡所伴随的瞬态电磁能量传递到外部采集装置，从而实现振荡抑制与能量回收的同步进行。在300伏/390瓦的SiC MOSFET降压变换器上进行的实验结果证明了该方法的有效性。此外，所设计的采集装置结构紧凑，安装灵活，且无需对主电源电路进行任何改动。本文的主要贡献如下：
1）提出了一种利用电力电子变换器中的高频开关振荡能量为无线传感器供电的能量采集方法，实现了原本会被浪费的振荡能量的回收与利用。
2）设计了一种基于磁耦合共振的非接触式能量采集装置。通过调整其谐振频率，使其与高频开关振荡的固有频率相匹配，从而实现高效的能量提取，同时降低振荡幅度及相关频谱峰值。

本文的其余部分结构如下：第二部分首先介绍该方法的原理，包括高频开关振荡的特性以及用于采集高频开关振荡能量的谐振耦合系统。第三部分针对300伏/390瓦的SiC MOSFET降压变换器进行了实验验证。最后，第四部分对全文进行总结。

片段摘录
电力电子变换器中的高频开关振荡
开关振荡是电力电子变换器中一种固有的高频电磁现象，由其内部功率器件的快速开关动作与系统的射频寄生参数相互作用所引发。图1展示了任何电力电子变换器中都可能出现的典型开关电压和电流振荡现象。开关振荡的成因可以用RLC谐振电路来解释——电路和器件封装中的寄生电感和电容会形成一个LC谐振腔……

实验系统搭建
测试系统的架构如图5所示。本研究对一款1200伏/30安培的CREE SiC MOSFET降压变换器进行了测试，其基本参数列于表1中。该降压变换器由DSP控制器TI TMS320F28335负责控制。所设计的用于采集高频开关振荡能量的装置被安装在开关振荡电流回路中。测量设备包括一台采样频率为125兆赫兹的高速数字示波器（Pico 5444D），以及一支差分电压探头（CYBERTEK……）

在SiC升压变换器上的验证
为进一步验证所提方法的适用性，研究人员还在一款输入电压为20伏、占空比为50%、负载电阻为150欧姆的SiC升压变换器上进行了额外实验。该变换器的开关振荡频率约为14.55兆赫兹，因此研究人员相应地调整了采集装置的谐振参数以实现频率匹配。由于输入电感的存在，高频振荡电流主要局限于输出电容支路及附近区域……

结论
本文提出了一种用于电力电子变换器中的非接触式能量采集及高频开关振荡抑制的新方法。本研究的主要结论如下：
1）所提出的非接触式能量采集方法通过磁耦合共振机制捕获电力电子变换器中的高频开关振荡能量，显著提升了能量采集效率。
2）该方法能有效抑制高频开关振荡，并降低与之相关的……

资金支持
本研究部分得到了中国国家自然科学基金[项目编号52477057、52177190]、湖南省重点研发计划[项目编号2024JK2046]、上海市自然科学基金[项目编号22ZR1425400]以及上海青年人才计划[项目编号23QA1404000]的支持。

作者贡献说明
郝利：方法设计、形式分析、概念构思。周宝珍：文章审阅与编辑、初稿撰写、概念构思。尹傲：文章审阅与编辑、初稿撰写、可视化处理。项大伟：监督工作、方法设计、实验研究。张然阳：资金筹措、形式分析、数据整理。张俊豪：可视化处理、软件应用、项目管理。
郝利|周宝珍|尹傲|项大伟|张然阳|张俊豪