【SP拓扑】基于移相控制的磁耦合谐振无线电能传输系统仿真附Simulink仿真

最新推荐文章于 2025-12-22 22:11:53 发布

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🔥 内容介绍

一、系统概述

磁耦合谐振无线电能传输（Magnetically Coupled Resonant Wireless Power Transfer, MCR-WPT）技术凭借其传输距离远、效率高、电磁辐射低等优势，在电动汽车充电、医疗设备供电、智能家居等领域具有广泛的应用前景。SP拓扑作为磁耦合谐振无线电能传输系统中一种典型的补偿拓扑结构，具有结构简洁、电压增益稳定等特点，可有效提升系统的传输性能。

移相控制技术通过调节逆变器输出电压的相位差，实现对系统输出功率和电压的灵活调节，同时有助于降低开关损耗、提升系统稳定性。本文针对基于移相控制的SP拓扑磁耦合谐振无线电能传输系统，开展仿真设计与分析，旨在明确系统各部分的工作机制，验证移相控制对系统性能的调控效果，为实际系统的设计与优化提供理论支撑和仿真依据。

二、SP拓扑结构与工作原理

2.1 SP拓扑结构组成

SP拓扑即原边串联（Series）补偿、副边并联（Parallel）补偿的拓扑结构，主要由直流电源、高频逆变器、原边串联补偿网络、磁耦合机构、副边并联补偿网络、整流滤波电路以及负载组成。各部分功能如下：

直流电源：为系统提供稳定的直流输入电压，通常由市电经整流滤波后获得。
高频逆变器：将直流电压转换为高频交流电压，为原边谐振网络提供激励信号，常用的拓扑形式为全桥逆变器。
原边串联补偿网络：由补偿电感和补偿电容串联组成，用于抵消原边线圈的漏感，使原边电路工作在谐振状态，提升能量传输效率。
磁耦合机构：通常由两个相互耦合的线圈组成，是实现能量无线传输的核心部件，通过磁场耦合将原边能量传递至副边。
副边并联补偿网络：由补偿电容并联在副边线圈两端组成，用于抵消副边线圈的漏感，使副边电路工作在谐振状态，提高能量接收效率。
整流滤波电路：将副边获得的高频交流电压转换为稳定的直流电压，为负载供电，通常由二极管整流桥和滤波电容组成。
负载：接收系统传输的电能，可为电阻性负载、电感性负载或非线性负载，具体根据实际应用场景确定。

2.2 SP拓扑工作原理

系统工作时，直流电源向高频逆变器供电，逆变器在驱动信号的作用下将直流电压逆变为高频交流电压。原边串联补偿网络与逆变器输出的高频交流电压谐振，使原边线圈产生高频交变磁场。通过磁耦合机构的耦合作用，副边线圈感应产生高频感应电动势，副边并联补偿网络与副边线圈感应电动势谐振，提升副边线圈两端的电压。随后，整流滤波电路将副边的高频交流电压转换为稳定的直流电压，为负载提供电能。

SP拓扑的核心优势在于，串联补偿的原边电路可实现恒流输出特性，并联补偿的副边电路可实现恒压输出特性，在负载变化范围较大的场景下，仍能保证输出电压的稳定性，适用于对输出电压精度要求较高的应用场景。

三、移相控制原理与实现方式

3.1 移相控制原理

在基于全桥逆变器的MCR-WPT系统中，移相控制通过调节全桥逆变器桥臂开关管的驱动信号相位差，改变逆变器输出电压的有效值，进而实现对系统输出功率和电压的调节。全桥逆变器由四个开关管组成，分为两组对角桥臂，正常工作时，两组对角桥臂交替导通。移相控制通过使一组桥臂的导通时刻相对于另一组桥臂延迟一个相位角（即移相角），改变逆变器输出电压的脉冲宽度，从而改变输出电压的有效值。

设逆变器输入直流电压为U，开关频率为f，移相角为θ（0≤θ≤π），则逆变器输出电压的有效值U可表示为：U = (2√2/π)Ucos(θ/2)。由公式可知，当移相角θ在0~π范围内变化时，逆变器输出电压有效值U随cos(θ/2)线性变化，因此通过调节移相角θ，可实现对逆变器输出电压的连续调节，进而调控系统的输出功率和负载电压。

3.2 移相控制实现方式

移相控制的实现主要依赖于脉冲宽度调制（PWM）驱动电路，具体实现步骤如下：

生成基准时钟信号：根据系统设计的开关频率，生成高频基准时钟信号，作为开关管驱动信号的时间基准。
生成初始驱动信号：基于基准时钟信号，生成两组相位相差180°的初始驱动信号，分别驱动全桥逆变器的两组对角桥臂开关管。
引入移相角调节：通过控制电路调节其中一组驱动信号的相位，使两组驱动信号之间产生预设的移相角θ。移相角的调节可通过微控制器（如MCU、DSP）实现，根据系统的输出电压或功率反馈信号，动态调整移相角的大小。
驱动开关管工作：将调节后的驱动信号通过驱动芯片放大后，输入至全桥逆变器的开关管栅极，控制开关管的导通与关断，实现移相控制下的高频交流电压输出。

四、仿真模型搭建

4.1 仿真软件选择

本次仿真采用MATLAB/Simulink软件，该软件具有强大的数值计算和仿真建模功能，提供了丰富的电力电子、电路仿真模块，可快速搭建磁耦合谐振无线电能传输系统的仿真模型，准确模拟系统的动态和静态特性。

4.2 仿真参数设计

根据系统设计要求，确定以下关键仿真参数：

直流输入电压U：48V
开关频率f：100kHz（与系统谐振频率一致）
原边线圈电感L：100μH，电阻R：0.5Ω
副边线圈电感L：100μH，电阻R：0.5Ω
耦合系数k：0.2~0.6（可调节，用于模拟不同传输距离下的耦合情况）
原边串联补偿电容C：25.3nF（根据谐振频率f=1/(2π√(LC))计算得出）
副边并联补偿电容C：25.3nF（根据谐振频率f=1/(2π√(LC))计算得出）
负载电阻R：50Ω（可变，用于模拟负载变化）
移相角调节范围θ：0~π

4.3 仿真模型各模块搭建

基于上述参数，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，各模块具体搭建如下：

直流电源模块：选用“DC Voltage Source”模块，设置输出电压为48V，为系统提供直流输入。
高频逆变器模块：选用“Universal Bridge”模块，设置为全桥拓扑，开关管类型选择“MOSFET”，并添加“Gate Driver”模块，生成移相控制驱动信号，驱动全桥逆变器工作。
原边串联补偿网络模块：将“Inductor”模块（原边线圈L）与“Capacitor”模块（原边补偿电容C）串联，构成原边串联补偿网络，连接在逆变器输出端。
磁耦合机构模块：选用“Mutual Inductor”模块，设置原副边线圈电感L、L和耦合系数k，模拟原副边线圈之间的磁场耦合。
副边并联补偿网络模块：将“Capacitor”模块（副边补偿电容C）并联在副边线圈L两端，构成副边并联补偿网络。
整流滤波模块：选用“Diode Bridge Rectifier”模块实现整流功能，搭配“Capacitor”模块（滤波电容）实现滤波，将副边高频交流电压转换为稳定的直流电压。
负载模块：选用“Resistor”模块作为负载R，连接在整流滤波模块输出端。
测量与示波器模块：添加“Voltage Measurement”“Current Measurement”模块测量系统关键节点的电压和电流，选用“Scope”模块观测测量结果，如逆变器输出电压、原边电流、副边电压、负载电压等。

五、仿真结果分析

5.1 谐振状态验证

当系统工作在谐振频率（100kHz）时，原边串联补偿网络和副边并联补偿网络均处于谐振状态，此时原边电流与逆变器输出电压同相，副边电压与副边电流同相，系统传输效率最高。通过示波器观测原边电流与逆变器输出电压的相位关系、副边电压与副边电流的相位关系，验证系统是否达到谐振状态。仿真结果显示，在100kHz频率下，原边电流与逆变器输出电压相位差为0°，副边电压与副边电流相位差为0°，表明系统成功工作在谐振状态。

5.2 移相角对输出电压的影响

固定负载电阻R=50Ω、耦合系数k=0.4，调节移相角θ从0°变化至180°，观测负载电压的变化情况。仿真结果表明，当移相角θ=0°时，逆变器输出电压有效值最大，负载电压达到最大值；随着移相角θ的增大，逆变器输出电压有效值逐渐减小，负载电压也随之线性降低；当移相角θ=180°时，逆变器输出电压有效值为0，负载电压也为0。这与移相控制原理中输出电压与移相角的关系公式一致，验证了移相控制对输出电压的调节作用。

5.3 耦合系数对系统性能的影响

固定移相角θ=30°、负载电阻R=50Ω，调节耦合系数k从0.2变化至0.6，观测系统传输效率和负载电压的变化情况。仿真结果显示，随着耦合系数k的增大，原副边线圈之间的磁耦合作用增强，系统传输效率逐渐提高，负载电压也随之增大。当k=0.6时，系统传输效率达到最高，约为85%，负载电压稳定在36V左右；当k=0.2时，系统传输效率较低，约为50%，负载电压降至20V左右。这表明耦合系数对系统传输性能影响显著，实际应用中需合理设计磁耦合机构，保证一定的耦合系数，以提升系统传输效率。

5.4 负载变化对系统性能的影响

固定移相角θ=30°、耦合系数k=0.4，调节负载电阻R从20Ω变化至100Ω，观测负载电压和系统传输效率的变化情况。仿真结果表明，由于SP拓扑副边采用并联补偿具有恒压特性，当负载电阻变化时，负载电压变化较小，波动幅度不超过5%；系统传输效率在负载电阻为50Ω时达到最大值，当负载电阻偏离50Ω时，传输效率略有下降，但整体保持在75%以上。这验证了SP拓扑在负载变化场景下的电压稳定性优势。

六、结论与展望

6.1 结论

本文搭建了基于移相控制的SP拓扑磁耦合谐振无线电能传输系统仿真模型，通过仿真分析验证了系统的工作特性。结果表明：SP拓扑具有良好的恒压输出特性，在负载变化时能保持输出电压的稳定；移相控制可实现对系统输出电压的连续调节，调节范围宽、控制精度高；耦合系数对系统传输效率影响显著，增大耦合系数可有效提升传输效率。该系统在负载变化范围较大、对输出电压精度要求较高的应用场景中具有良好的适用性。

6.2 展望

未来可从以下方面对系统进行进一步优化和研究：一是优化磁耦合机构的结构设计，采用新型磁性材料或阵列线圈结构，提升耦合系数和能量传输距离；二是改进移相控制策略，结合模糊控制、PID控制等智能控制算法，提高系统的动态响应速度和抗干扰能力；三是考虑实际应用中的非线性因素（如开关管寄生参数、线圈损耗等），建立更精准的仿真模型，使仿真结果更接近实际系统；四是开展实验研究，搭建硬件实验平台，验证仿真结果的准确性，推动系统的实际应用。