单管双端逆变感应耦合电能传输系统的研究

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感应耦合电能传输(Inductively Coupled Power Transfer，ICPT)技术是一种基于法拉第电磁感应原理、实现向移动设备非接触供电的新型电能传输技术^[1]，相比于传统的接触电能传输技术，其具有安全、可靠、灵活等特点。目前该技术已部分应用于家用电器、电动汽车、医疗器械、矿井及水下机器人供电等领域^[2]。从ICPT系统电路拓扑的角度看，国内外学者研究最多的电路拓扑为全桥电流型逆变电路^[3-5] 和全桥电压型逆变电路^[6-7]，其次为推挽电流型谐振逆变电路^[8-10]和单臂桥LLC电压型谐振逆变电路^[11]，极少研究单开关型电路拓扑。文献[12]虽然给出了一种用单个开关管实现的小功率半波逆变电路，但其主要用于人工耳蜗植入设备和手持非接触供电系统，当原边侧和副边侧线圈气隙在1-12mm范围内变化时，ICPT系统效率只有 32%-42%。一般全桥型电路至少需要四个开关管（三相需要六个）、四套驱动电路及为驱动和控制供电的电源电路；半桥型和推挽型电路需要两个开关管、两套驱动电路及为驱动和控制供电的电源电路；单开关型电路则只需要一个开关管、一套驱动电路及为其驱动和控制供电的电源电路（有时驱动和控制不需要单独供电）。两个开关管以上ICPT系统的驱动电路及控制电路相对复杂，特别是上下桥臂的开关管容易直通，开关管越多，可靠性越低。从降低ICPT系统成本、提高系统可靠性、减小体积和重量的角度看，在满足传输功率和距离要求的情况下，传输电源使用的开关管越少则其导通损耗和开关损耗越小。研究电源的学者一般认为单开关管电路属于单端拓扑，变压器的利用率只有一半，其用于紧耦合变压器时也只能做成小功率电源。那么，能否用单个开关管逆变电路传输较大功率和较长距离呢？
针对上述问题，我们提出了单开关管双端逆变电路拓扑，开关管在控制上实现了零电压导通和零电压关断，在开关管导通和关断期间均可向用电端传输能量，在输出功率1kW、传输距离35mm的情况下，做了实验验证。