INT J CIRC THEOR APP 哈尔滨工业大学 刘洪臣 | 基于多模式切换与最

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为了提高BWPT系统在宽功率范围内的运行效率，本文提出了一种具有多自由度高效调节机制的混合BWPT系统。首先，通过利用传统补偿拓扑中外部相移角与输出功率之间的互补关系，构建了一族复合补偿拓扑。随后，选择输入串联输出并联的BWPT系统作为典型案例进行详细分析。以效率优化为主要目标，研究了实现功率半导体宽范围软开关的条件。此外，本文系统地分析了全桥、半桥和混合桥三种高频转换器模式，并研究了模式切换如何有效降低开关损耗，同时适应不同的参数和运行条件。最后，在额定功率为1.2kW实验样机上进行测试，以验证所提出的模型、方法和调节机制在各种模式组合下的性能。

正文导读

本文将基于SS补偿的BWPT系统与基于双边LCC补偿的BWPT系统这两种具有相反输出特性的补偿结构相结合，构造一族适用于水下无线电能传输领域的复合式BWPT拓扑，可以显著提升系统抗偏移能力。将SS补偿拓扑与双边LCC补偿拓扑的发射侧以及接收侧的网络进行合理的串并联，可得到一族如图1所示的复合式BWPT系统的拓扑等效电路。该系列复合补偿拓扑包括四类：输入并联输出并联(Input Parallel Output Parallel, IPOP)、输入串联输出并联(Input Series Output Parallel, ISOP)、输入并联输出串联(Input Parallel Output Series, IPOS)和输入串联输出串联(Input Series Output Series, ISOS)。

(a)

(b)

(c)

(d)

图1  一族复合补偿拓扑的等效电路图 (a) IPOP. (b) ISOP. (c) IPOS. (d) ISOS.

基于所提出的一族复合式BWPT拓扑及其特性总结，在四类复合拓扑中，ISOP型复合补偿结构不仅具备复合补偿的固有优势，还能避免过流和过压问题。因此，选取ISOP型复合式BWPT系统进行深入研究，其拓扑结构如图2所示。

图2  基于ISOP复合补偿的BWPT系统拓扑结构

通过分析系统充电、放电模式工作原理可知，BWPT系统传输功率受移相角α、β和γ三个自由度共同影响，因此可以通过调节控制这三个参数来改善系统功率。在此基础上提出基于多模式切换的效率最优移相控制方法，建立“多变量—多模式”联合调控策略，对应的效率最优调控轨迹计算流程如图3所示。

图3  效率最优调控轨迹计算流程图

系统控制框图如图4所示，其控制流程如下：

1）对输入电压Uin(n)、输出电压Uout(n)和负载电流Io(n)进行实时采样，计算输出功率标幺值与电压增益E；并将参考电压Uref与输出电压Uout(n)做差经PI控制器后输出电压补偿值；

2）在电流应力与ZVS优化单元中，根据与E确定功率区间，根据式(1)和式(2)计算α和β的值；

3）在动态性能优化单元中，将当前时刻的电压电流信息，电压补偿值和电流应力优化与ZVS优化单元计算得到的优化内移相角α和β带入式(1)和式(2)中；

4）基于重移相的控制策略产生驱动信号作用于基于ISOP的复合式BWPT系统中。

图4 系统控制框图

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