本實(shí)用新型的電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)的非接觸變換器，屬于電能變換領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

非接觸供電利用磁場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn)“無線供電”，即采用原副邊完全分離的非接觸變壓器，通過高頻磁場(chǎng)的耦合傳輸電能，使得在能量傳遞過程中原邊(供電側(cè))和副邊(用電側(cè))無物理連接。與傳統(tǒng)的接觸式供電相比，非接觸供電使用方便、安全，無火花及觸電危險(xiǎn)，無積塵和接觸損耗，無機(jī)械磨損和相應(yīng)的維護(hù)問題，可適應(yīng)多種惡劣天氣和環(huán)境，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供電，具有良好的應(yīng)用前景。

一個(gè)完整的無線電能傳輸系統(tǒng)由電氣隔離的原邊和副邊組成。整個(gè)系統(tǒng)包括3個(gè)核心單元：高頻電能變換單元、諧振補(bǔ)償單元和非接觸變換單元。其中，非接觸變換單元屬于松耦合，其相比于緊耦合變壓器存在低耦合、大漏感的缺點(diǎn)，如果不進(jìn)行補(bǔ)償，整個(gè)系統(tǒng)中會(huì)存在大量的無功功率，大大降低了系統(tǒng)傳輸功率和系統(tǒng)整體效率，制約了非接觸供電技術(shù)的推廣和應(yīng)用。同時(shí)由于無線電能傳輸系統(tǒng)的原副邊完全分離，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)存在原副邊相對(duì)位置改變以及正對(duì)氣隙距離變化等多種工況，導(dǎo)致變壓器的電路參數(shù)發(fā)生較大變化，從而影響非接觸變換器的工作性能。除了原副邊相對(duì)位置變化引起的非接觸變壓器電路參數(shù)變化，類似于普通電源，無線電能傳輸系統(tǒng)應(yīng)該能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用對(duì)象、負(fù)載屬性及功率等級(jí)。

為了降低非接觸供電系統(tǒng)對(duì)一次供電側(cè)的電力容量需求，以及提高二次側(cè)能量傳輸能力。通常在非接觸變壓器的原副邊，分別采用電容補(bǔ)償?shù)姆绞絹硐└械挠绊?，也就是無線電能傳輸系統(tǒng)中的諧振補(bǔ)償單元。Chwei-Sen Wang；Stielau,O.H.；Covic,G.A.,"Design considerations for a contactless electric vehicle battery charger,"Industrial Electronics,IEEE Transactions on,vol.52,no.5,pp.1308,1314,Oct.2005給出了原副邊串并、串串、并并和并串四種基本補(bǔ)償形式的特性分析。其他不同的補(bǔ)償方式也有不同的文章對(duì)其進(jìn)行了探討。對(duì)不同的補(bǔ)償拓?fù)溥M(jìn)行歸納總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)：1、不同的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有不同的輸入輸出特性，且非接觸變換器的輸出特性是與耦合系數(shù)密切相關(guān)的；2、原副邊補(bǔ)償電容的取值都是在非接觸變壓器原副邊氣隙固定的情況下計(jì)算得到的，當(dāng)原副邊氣隙變化或出現(xiàn)偏移錯(cuò)位情況時(shí)，即耦合系數(shù)發(fā)生改變時(shí)，諧振頻率點(diǎn)會(huì)偏移原來的設(shè)計(jì)參考點(diǎn)，大大限制了非接觸供電系統(tǒng)的能量傳輸能力和適用性；3、一種補(bǔ)償拓?fù)淠軌驗(yàn)橛秒娫O(shè)備提供的電壓、電流、功率都是有限的。

為了提高原副邊錯(cuò)位偏移情況下非接觸供電系統(tǒng)的能量傳輸能力，奧克蘭Mickel Budhia,John T.Boys,Grant A.Covic and Chang-Yu Huang,"Development of a Single-Sided Flux Magnetic Coupler for Electric Vehicle IPT Charging Systems"IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.60,no.1,January 2013提出在非接觸變壓器副邊兩繞組(被簡(jiǎn)稱DD繞組)中間疊加與副邊繞組重疊的第三繞組(被簡(jiǎn)稱Q繞組)，減小次級(jí)輸出功率的橫向錯(cuò)位敏感度，較好地解決了錯(cuò)位時(shí)處于“進(jìn)、出磁通完全抵消”的“感應(yīng)盲點(diǎn)”而影響變壓器功率傳輸能力的問題。但是這種DDQ的繞組結(jié)構(gòu)僅能改善非接觸變壓器在橫向錯(cuò)位條件下的輸出特性，對(duì)原副邊垂直距離的變化(即氣隙變化)，這種“DDQ”的繞組結(jié)構(gòu)的輸出特性仍有很大變化?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中非接觸變壓器原副邊之前氣隙大小以及錯(cuò)位情況的不確定性，仍需要進(jìn)一步探討研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，提出一種電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)的非接觸變換器，有效提高變耦合系數(shù)條件下輸出特性的穩(wěn)定性。

技術(shù)方案：一種電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)非接觸變換電路，包括第一非接觸變換模塊支路和第二非接觸變換模塊支路；所述第一非接觸變換模塊支路由第一輸入源、第一原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、第一非接觸變壓器、第一副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、第一整流電路、第一濾波網(wǎng)絡(luò)依次串聯(lián)連接組成，所述第二非接觸變換模塊支路由第二輸入源、第二原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、第二非接觸變壓器、第二副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、第二整流電路、第二濾波網(wǎng)絡(luò)依次串聯(lián)組成，所述第一濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出和第二濾波網(wǎng)絡(luò)的輸出串聯(lián)或并聯(lián)連接后接在負(fù)載兩端。

進(jìn)一步的，流入其中一路非接觸變壓器原邊繞組的恒定電流通過LC變換網(wǎng)絡(luò)或控制電路的方式實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步的，所述第一輸入源和第二輸入源為交流恒壓源或交流恒流源，或直流輸入源加逆變電路變換得到。

進(jìn)一步的，兩路非接觸變換模塊中的第一原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和第二原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、第一副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和第二副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為串聯(lián)單電容補(bǔ)償、并聯(lián)單電容補(bǔ)償、串并聯(lián)電容補(bǔ)償、并串聯(lián)電容補(bǔ)償、串/并聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償、LCL形式補(bǔ)償、LCC形式補(bǔ)償，或者以上任意結(jié)構(gòu)的組合形式。

進(jìn)一步的，兩路非接觸變換模塊的副邊電路共用，形成原邊雙繞組副邊單繞組的非接觸變壓器結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，第一非接觸變壓器和第二非接觸變壓器的繞組結(jié)構(gòu)為單線圈結(jié)構(gòu)、雙線圈結(jié)構(gòu)或多線圈結(jié)構(gòu)，原邊磁芯和/或副邊磁芯的結(jié)構(gòu)為U型、I型、兩邊柱底部沿側(cè)邊向外擴(kuò)展的邊沿?cái)U(kuò)展型、十字形或者上述形狀的組合。

有益效果：本實(shí)用新型所提出的一種電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)非接觸變換電路與現(xiàn)有技術(shù)相比的主要技術(shù)特點(diǎn)是，利用非接觸變換器在恒壓源激勵(lì)下輸出特性與非接觸變壓器原副邊耦合系數(shù)(互感)成反比，在恒流源激勵(lì)下輸出特性與非接觸變壓器原副邊耦合系數(shù)(互感)成正比的特性，將電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)，組合輸出，消除或大大減小因耦合系數(shù)(互感)的改變而引起的系統(tǒng)輸出特性的變化，其有利于后級(jí)電路的設(shè)計(jì)，提升了單一非接觸供電系統(tǒng)在不同使用條件下的能量傳輸能力，有效地提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)性和適用性。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)的單電源激勵(lì)的非接觸變換電路。

圖2是單電源激勵(lì)的ac/ac非接觸變換單元的通用電路，圖2(a)為單電壓源激勵(lì)及其對(duì)應(yīng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路示意圖，圖2(b)為單電流源激勵(lì)及其對(duì)應(yīng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電路示意圖。

圖3是圖2所示單電源激勵(lì)ac/ac非接觸變換單元不同端口的二端網(wǎng)絡(luò)等效電路示意圖，圖3(a)是輸入源與原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的等效二端網(wǎng)絡(luò)示意圖，圖3(b)是輸入源與原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的通用等效二端網(wǎng)絡(luò)示意圖，圖3(c)是非接觸變壓器原邊輸入端口右側(cè)等效阻抗電路示意圖，圖3(d)是基于非接觸變壓器的互感模型得到的非接觸變壓器輸出端口左側(cè)二端網(wǎng)絡(luò)，圖3(e)是通用流壓、壓流轉(zhuǎn)換電路示意圖。

圖4(a)是本實(shí)用新型的電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)非接觸變換電路實(shí)施例一電路結(jié)構(gòu)示意圖，圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)均為圖4(a)的等效變換電路。

圖5是本實(shí)用新型的電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)非接觸變換電路實(shí)施例二電路示意圖。

圖6(a)是本實(shí)用新型的電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)非接觸變換電路實(shí)施例三電路結(jié)構(gòu)示意圖，圖6(b)是圖6(a)的基波等效電路。

圖7是本實(shí)用新型的電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)非接觸變換電路實(shí)施例四電路示意圖。

圖8是本實(shí)用新型的電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)非接觸變換電路實(shí)施例五電路示意圖。

圖9是本實(shí)用新型的電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)非接觸變換電路實(shí)施例六電路示意圖。

圖10是本實(shí)用新型的電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)非接觸變換電路實(shí)施例七電路示意圖。

圖11(a)是本實(shí)用新型的電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)非接觸變換電路測(cè)試實(shí)例一所用非接觸變壓器結(jié)構(gòu)圖，圖11(b)是測(cè)試實(shí)例一重載條件下輸出電壓增益仿真結(jié)果，圖11(c)是測(cè)試實(shí)例一輕載條件下輸出電壓增益仿真結(jié)果。

圖12是本實(shí)用新型的電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)非接觸變換電路測(cè)試實(shí)例二在不同負(fù)載條件下輸出電壓的仿真結(jié)果。

圖13是本實(shí)用新型的電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)非接觸變換電路結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做更進(jìn)一步的解釋。

圖1是傳統(tǒng)的單電源激勵(lì)的非接觸變換電路，包括逆變橋、非接觸變壓器、原副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和輸出整流濾波部分。逆變橋的可選電路很多，包括推挽、半橋、全橋電路等，根據(jù)其輸入電源特性又可分為電壓源饋電逆變橋和電流源饋電逆變橋。為凸顯本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，取圖1中的虛線框內(nèi)的ac/ac非接觸變換單元為本實(shí)用新型的研究對(duì)象。將逆變橋輸出等效為一個(gè)交流源，整流濾波電路等效為一個(gè)負(fù)載電阻。

圖2為單電源激勵(lì)的ac/ac非接觸變換單元的通用電路，包括輸入交流源1、原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)2、非接觸變壓器3、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)4、等效負(fù)載5。根據(jù)輸入電源特性的不同，可以將非接觸變換器分為電壓源輸入型非接觸變換器與電流源輸入型非接觸變換器，不同的輸入源特性需對(duì)應(yīng)不同的補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別如圖2(a)與圖2(b)所示。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由電感、電容等諧振元件組成，其中Z_P1、Z_P2、Z_S1、Z_S2分別為電壓源輸入型非接觸變換器原、副邊補(bǔ)償T網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)補(bǔ)償電抗參數(shù)，G_P、G_S分別為電壓源輸入型非接觸變換器原、副邊補(bǔ)償T網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)補(bǔ)償電導(dǎo)參數(shù)；G_P1、G_P2、G_S1、G_S2分別為電流源輸入型非接觸變換器原、副邊補(bǔ)償π網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)補(bǔ)償電導(dǎo)參數(shù)，Z_P、Z_S分別為電流源輸入型非接觸變換器原、副邊補(bǔ)償π網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)補(bǔ)償電抗參數(shù)。當(dāng)串聯(lián)補(bǔ)償電抗參數(shù)為零時(shí)，對(duì)應(yīng)支路短路；當(dāng)并聯(lián)補(bǔ)償電導(dǎo)參數(shù)為零時(shí)，對(duì)應(yīng)支路斷路。因此，通過改變補(bǔ)償T網(wǎng)絡(luò)與π網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的值，可以實(shí)現(xiàn)不同的補(bǔ)償方式。

圖3為圖2所示單電源激勵(lì)ac/ac非接觸變換單元不同端口的二端網(wǎng)絡(luò)等效電路。基于戴維南定理與諾頓定理，可以將圖2中的輸入交流源1與原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)2等效成一個(gè)以AB為端口二端網(wǎng)絡(luò)，等效的二端網(wǎng)絡(luò)的外特性與原電路拓?fù)漭敵鐾馓匦韵嗤？紤]到原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的取值的不同可能性，存在圖2(a)所示的四種可能的等效電路形式，其中v_e1、v_e2、i_e1、i_e2為等效后的受控源，Z_ev、Z_ei、G_ev、G_ei為AB左側(cè)二端網(wǎng)絡(luò)除源阻抗。根據(jù)戴維南等效，一個(gè)受控電壓源串聯(lián)一個(gè)阻抗可以等效為一個(gè)受控電流源并聯(lián)一個(gè)阻抗，即可以認(rèn)為圖2(a)中圖①與圖④等效；由電壓源與電流源的特性可知，電壓源并聯(lián)阻抗等效為電壓源，電流源串聯(lián)阻抗等效為電流源。因此可以將單電源激勵(lì)非接觸變換器的輸入交流源1與原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)2進(jìn)一步等效為如圖3(b)所示兩種二端網(wǎng)絡(luò)，其中受控電壓源v_e、受控電流源i_e與輸入交流電源、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的電感、電容等諧振元件參數(shù)、工作頻率相關(guān)，除源阻抗Z_e與補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的電感、電容等諧振元件參數(shù)、工作頻率相關(guān)，均與非接觸變壓器的電路參數(shù)無關(guān)。

基于非接觸變壓器的互感模型與阻抗的串并聯(lián)關(guān)系，可以將圖2中端口AB的右側(cè)電路非接觸變壓器3、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)4、負(fù)載電阻5等效為圖3(c)所示的二端網(wǎng)絡(luò)，其中Z_TS為非接觸變換器次級(jí)回路阻抗。同樣基于非接觸變壓器的互感模型，可以得到CD端口左側(cè)的二端網(wǎng)絡(luò)如圖3(d)所示。而CD端口右側(cè)的二端網(wǎng)絡(luò)為無源的阻抗連接網(wǎng)絡(luò)，由副邊諧振網(wǎng)絡(luò)的電感、電容與負(fù)載電阻串并聯(lián)連接而成，與非接觸變壓器的電路參數(shù)無關(guān)。

基于圖3所示單電源激勵(lì)ac/ac非接觸變換單元不同端口的二端網(wǎng)絡(luò)等效電路，可以求解得到負(fù)載電阻兩端的輸出電壓。當(dāng)AB端口左側(cè)二端網(wǎng)絡(luò)等效為受控電壓源串聯(lián)除源阻抗時(shí)，負(fù)載兩端輸出電壓可以表示為：

其中H為負(fù)載電阻在CD右側(cè)二端無源網(wǎng)絡(luò)上的電壓分壓系數(shù)。由前面的分析可知，式(1)中Z_TS、H、Z_e、v_e均與非接觸變壓器參數(shù)無關(guān)，因此當(dāng)jωL_P+Z_e＝0時(shí)，輸出電壓隨非接觸變壓器原副邊的互感成反比變化，此時(shí)流入原邊繞組的電流隨非接觸變壓器互感及負(fù)載變化而變化。

當(dāng)AB端口左側(cè)二端網(wǎng)絡(luò)等效為受控電流源時(shí)，即流入原邊繞組的電流為恒定值時(shí)，負(fù)載兩端輸出電壓可以表示為：

從式(2)可以看到，輸入交流電源(1)與原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(2)等效為受控電流源時(shí)，輸出電壓隨非接觸變壓器原副邊的互感成線性變化。結(jié)合式(1)與式(2)，可以發(fā)現(xiàn)非接觸變壓器輸入端口分別為電壓源與電流源輸入時(shí)，非接觸變壓器負(fù)載電阻兩端的電壓分別隨非接觸變壓器互感變化呈相反的變化趨勢(shì)，即當(dāng)非接觸變壓器為電壓源輸入時(shí)，輸出電壓隨互感M遞減變化；而當(dāng)非接觸變壓器為電流源輸入時(shí)，輸出電壓隨互感M遞增變化。

基于這樣的電路特性，可以說明本實(shí)用新型的工作原理，并由此引出本實(shí)用新型的技術(shù)方案與實(shí)施方式。

值得注意的是本實(shí)用新型的電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)的非接觸變換器中的電流源特指流入非接觸變壓器原邊繞組的電流為恒流源，可以為實(shí)際電流源激勵(lì)串聯(lián)變壓器原邊繞組，或者通過實(shí)際外加電壓源激勵(lì)串聯(lián)LC拓?fù)渥儞Q得到，如圖3(e)左側(cè)電路所示，或者通過控制電路控制流入原邊繞組的電流為恒定量；本實(shí)用新型中的電壓源可以為實(shí)際電壓源，也可以通過實(shí)際外加電流源激勵(lì)并聯(lián)LC拓?fù)渥儞Q得到，如圖3(e)右側(cè)電路所示。

實(shí)施例一：

圖4給出了本實(shí)用新型電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)的非接觸變換器第一種實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖。圖4(a)所示非接觸變換電路為DC-DC變換電路，兩路非接觸變換器，支路1與支路2在直流輸入側(cè)并聯(lián)連接，直流輸出側(cè)串聯(lián)連接而成。每一路非接觸變換模塊均包括直流輸入電壓源1_1、逆變器1_2、原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)2、非接觸變壓器3、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)4、整流電路5_1、濾波電路5_2、負(fù)載電阻5_3，其中直流輸入電壓源1_1與負(fù)載電阻5_3為兩路公用。為區(qū)別支路1與支路2，用附圖標(biāo)記“F”表示支路1，附圖標(biāo)記“S”表示支路2，兩路非接觸變換模塊中電路元器件的第一個(gè)下標(biāo)“F”或“S”用以區(qū)分支路1與支路2，第二個(gè)下標(biāo)用以區(qū)分各支路中相同的元器件。圖4(a)所示電路中，U_in為直流輸入電壓源，S_x1～S_x4為原邊逆變?nèi)珮蜷_關(guān)管，C_xP為原邊補(bǔ)償電容，C_xS為副邊補(bǔ)償電容，L_xP為非接觸變壓器原邊繞組自感，L_xS為非接觸變壓器副邊繞組自感，M_x為非接觸變壓器原副邊繞組互感，L_xq為串聯(lián)補(bǔ)償電感，D_x1～D_x4為副邊整流二極管，C_xf為濾波電容，R_L為負(fù)載電阻，下標(biāo)中的x表示“F”或“S”。

直流輸入電壓源1_1與逆變電路F1_2的輸出為一個(gè)交流方波，因此可以將端口FaFb的左側(cè)電路等效成一個(gè)方波交流輸入電壓源u_Fab；同理端口SaSb的左側(cè)電路也可以等效成一個(gè)方波交流輸入電壓源u_Sab；兩路非接觸變換器整流后直流側(cè)進(jìn)行串聯(lián)，兩路共用同一負(fù)載，基于電路基本定理，可以將負(fù)載電阻5_3等效成兩個(gè)電阻R_FL、R_SL串聯(lián)，從而可以將兩路非接觸變換模塊在源側(cè)與負(fù)載側(cè)解開，等效后電路如圖4(b)所示。為提高非接觸變換器的效率，一般設(shè)計(jì)變換器工作在諧振頻率點(diǎn)附近，諧振電感電流近似正弦，則可以采用基波近似分析法，將諧振網(wǎng)絡(luò)中的變量都用其基波分量近似替代。當(dāng)整流橋連續(xù)導(dǎo)通時(shí)，其橋臂中點(diǎn)的電壓和電流始終同相，則副邊整流橋5_1、濾波環(huán)節(jié)5_2及負(fù)載5_3均可等效為一個(gè)線性電阻R_E?；诨ǚ治?，可以將圖4(a)所示實(shí)施例電路拓?fù)溥M(jìn)一步等效為圖4(c)所示，圖中u_xs、i_xs、u_xo、i_xo分別為輸入電壓、電流，輸出電壓、電流的基波分量，下標(biāo)中的x表示“F”或“S”。從圖4(c)可以看到，各支路組成單元與圖2(a)一一對(duì)應(yīng)。

支路1的原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F2與非接觸變壓器F3的原邊自感構(gòu)成LCL補(bǔ)償拓?fù)?，設(shè)計(jì)L_Fq與非接觸變壓器F3的原邊自感L_FP相等，C_FP與L_FP諧振，副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F4為單電容串聯(lián)補(bǔ)償，串聯(lián)補(bǔ)償電容C_FS與非接觸變壓器F3的副邊自感L_FS諧振。在諧振頻率點(diǎn)處，基于戴維南等效原邊輸入電壓源F1與原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F3等效為一個(gè)受控電流源，如圖4(d)所示，此時(shí)流入支路1原邊繞組的電流僅與實(shí)際電壓源激勵(lì)和諧振電感L_Fq的感抗有關(guān)，當(dāng)電壓源激勵(lì)U_in恒定時(shí)，流入支路1原邊繞組的電流為恒定值，不隨非接觸變壓器原副邊位置變化及負(fù)載變化而變化。支路2的原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S2為串聯(lián)電容補(bǔ)償，補(bǔ)償電容C_SP與非接觸變壓器S3的原邊自感L_SP諧振，非接觸變壓器S3的副邊自感與副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S4構(gòu)成LCL補(bǔ)償拓?fù)?，設(shè)計(jì)L_Sq與非接觸變壓器S3的副邊自感L_SS相等，C_SS與L_SS諧振。支路2端口AB二端網(wǎng)絡(luò)為輸入電壓源串聯(lián)諧振阻抗，當(dāng)變壓器耦合系數(shù)變化或者負(fù)載變化時(shí)，等效到原邊的輸入阻抗變化，流入支路2非接觸變壓器原邊繞組的電流也會(huì)發(fā)生變化。因此本實(shí)用新型實(shí)施例兩路非接觸變換模塊的非接觸變壓器輸入端口分別為電壓源與電流源輸入。下面基于變壓器的互感模型，討論兩路非接觸變換模塊的輸出特性。諧振電感電容滿足：

其中ω₀為諧振頻率。圖4(c)所示支路1非接觸變換器的輸入電壓、電流，輸出電壓滿足：

其中Z_Fr為支路1非接觸變換器副邊的反射阻抗，對(duì)式(4)進(jìn)行化簡(jiǎn)，完全補(bǔ)償時(shí)，支路1的輸入阻抗Z_Fin與輸出電壓有效值U_FOS分別為：

其中U_Fs為輸入電壓的基波有效值。從式(5)可以看到，輸出電壓U_FOS與支路1非接觸變壓器原副邊互感M_F正相關(guān)，且輸出電壓與負(fù)載電阻值無關(guān)；輸入阻抗在完全補(bǔ)償頻率點(diǎn)處始終為純阻，阻抗大小與負(fù)載電阻與互感相關(guān)。

同理可以求出支路2在完全補(bǔ)償點(diǎn)處的輸入阻抗Z_Sin與輸出電壓有效值U_SOS分別為：

其中U_Ss為支路2輸入電壓的基波有效值。從式(6)可以看到，輸出電壓U_SOS與支路2非接觸變壓器原副邊互感M_S成反比，且輸出電壓與負(fù)載電阻值無關(guān)；輸入阻抗在完全補(bǔ)償頻率點(diǎn)處始終為純阻，阻抗大小與負(fù)載電阻與互感相關(guān)。結(jié)合式(5)與式(6)可知，總輸出電壓增益U_o為：

無線充電系統(tǒng)中，非接觸變壓器的原邊一般固定，副邊可移動(dòng)，當(dāng)非接觸變壓器的原副邊發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，本實(shí)施例中兩幅非接觸變壓器的副邊相對(duì)原邊運(yùn)動(dòng)方向相同，兩幅變壓器的互感M變化趨勢(shì)相同，結(jié)合式(7)可知，本實(shí)用新型實(shí)施例一的輸出電壓隨互感M的變化非單調(diào)，通過合理設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)，可有效地實(shí)現(xiàn)兩路非接觸變換模塊輸出電壓相互補(bǔ)償，提高變耦合系數(shù)條件下系統(tǒng)總輸出電壓的穩(wěn)定性；同時(shí)從式(7)可以看出，完全補(bǔ)償條件下本實(shí)用新型實(shí)施例一的輸出電壓與負(fù)載電阻無關(guān)，即在變負(fù)載條件下能實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定；結(jié)合式(5)與(6)中兩路非接觸變換模塊輸入阻抗表達(dá)式，可以發(fā)現(xiàn)完全補(bǔ)償條件下本實(shí)用新型實(shí)施例一的輸入阻抗始終為純阻性，即可取工作頻率略大于完全補(bǔ)償頻率保證兩路非接觸變換模塊始終工作在弱感性區(qū)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，提高系統(tǒng)效率。

當(dāng)偏離完全補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)，若支路1與支路2中的非接觸變壓器的原副邊的氣隙同時(shí)變小，即M_F，M_S同時(shí)變大，此時(shí)L_FP、L_FS、L_SP、L_SS都隨之改變，支路1和支路2的恒定增益點(diǎn)向低頻移動(dòng)，且支路1的電壓增益變大，支路2的電壓增益變低，若此時(shí)工作頻率也向低頻移動(dòng)則整體電壓增益可以得到補(bǔ)償；若支路1與支路2中的非接觸變壓器的原副邊的氣隙同時(shí)變大，即M_F，M_S同時(shí)變小，此時(shí)L_FP、L_FS、L_SP、L_SS都隨之改變，支路1和支路2的恒定增益點(diǎn)向高頻移動(dòng)，且支路1的電壓增益變小，支路2的電壓增益變大，若此時(shí)工作頻率也向高頻移動(dòng)則整體電壓增益可以得到補(bǔ)償。

為了使輸出電壓增益適應(yīng)更寬范圍互感變化，需保證輸出電壓極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的互感值在工作區(qū)間內(nèi)。由式(7)數(shù)學(xué)函數(shù)特性可知，需設(shè)計(jì)兩路非接觸變壓器參數(shù)在完全補(bǔ)償點(diǎn)處滿足式(8)。

非接觸變壓器F3和第二非接觸變壓器S3的繞組結(jié)構(gòu)為單線圈結(jié)構(gòu)、雙線圈結(jié)構(gòu)或多線圈結(jié)構(gòu)，原邊磁芯和/或副邊磁芯的結(jié)構(gòu)為U型、I型、兩邊柱底部沿側(cè)邊向外擴(kuò)展的邊沿?cái)U(kuò)展型、十字形或者上述形狀的組合。

實(shí)施例二：

圖5給出了本實(shí)用新型電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)的非接觸變換器第二種實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖。圖5所示兩路非接觸變換器，支路1與支路2在直流輸出側(cè)串聯(lián)連接。支路1由交流輸入電流源F1、原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F2、非接觸變壓器F3、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F4、整流電路F5_1、濾波電路F5_2、負(fù)載電阻5_3組成，其中直流輸入電壓源1_1與負(fù)載電阻5_3為兩路公用；支路2由直流輸入電壓源S1_1、逆變器S1_2、原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S2、非接觸變壓器S3、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S4、整流電路S5_1、濾波電路S5_2、負(fù)載電阻5_3組成。對(duì)比圖5與圖4(a)可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)施例二與實(shí)施例一的區(qū)別在于輸入源，在圖4(a)所示實(shí)施例一中，支路1的非接觸變壓器原邊端口的輸入電流源由直流輸入電壓源1_1、逆變器F2、原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F3等效變換得到；而圖5所示實(shí)施例二中，支路1的非接觸變壓器原邊端口的輸入電流源為外加直流激勵(lì)源F1。基于戴維南等效可知，當(dāng)實(shí)施例二中交流輸入電流源滿足：

式(9)中等號(hào)右邊參數(shù)為圖4所示實(shí)施例一中的電路參數(shù)。當(dāng)式(9)成立時(shí)，根據(jù)二端口等效模型可知，實(shí)施例二與實(shí)施例一有完全相同的輸出特性，這里不再贅述。

實(shí)施例三：

圖6給出了本實(shí)用新型電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)的非接觸變換器第三種實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖。圖6所示兩路非接觸變換器，支路1與支路2在直流輸入側(cè)并聯(lián)連接，直流輸出側(cè)并聯(lián)連接而成。每一路非接觸變換模塊均包括直流輸入電壓源1_1、逆變器1_2、原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)2、非接觸變壓器3、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)4、整流電路5_1、濾波電路5_2、負(fù)載電阻5_3，其中直流輸入電壓源1_1與負(fù)載電阻5_3為兩路公用。為區(qū)別支路1與支路2，用“F”表示支路1，“S”表示支路2，兩路非接觸變換模塊中電路元器件的第一個(gè)下標(biāo)“F”或“S”用以區(qū)分支路1與支路2，第二個(gè)下標(biāo)用以區(qū)分各支路中相同的元器件。圖6所示電路中，U_in為直流輸入電壓源，S_x1～S_x4為原邊逆變?nèi)珮蜷_關(guān)管，C_xP為原邊補(bǔ)償電容，C_xS為副邊補(bǔ)償電容，L_xP為非接觸變壓器原邊繞組自感，L_xS為非接觸變壓器副邊繞組自感，M_x為非接觸變壓器原副邊繞組互感，L_xq為串聯(lián)補(bǔ)償電感，D_x1～D_x4為副邊整流二極管，C_xf為濾波電容，R_L為負(fù)載電阻，下標(biāo)中的x表示“F”或“S”。

類似實(shí)施例一的分析方法，基于基波等效可以將圖6(a)等效成圖6(b)，圖中u_xs、i_xs、u_xo、i_xo分別為輸入電壓、電流，輸出電壓、電流的基波分量，下標(biāo)中的x表示“F”或“S”。支路1的原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F2為L(zhǎng)C網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)輸入電壓源轉(zhuǎn)換成輸入電流源，電容C_FP與L_Fq諧振，副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F4為單電容并聯(lián)補(bǔ)償，并聯(lián)補(bǔ)償電容C_FS與非接觸變壓器F3的副邊自感L_FS諧振。在諧振頻率點(diǎn)處，基于戴維南等效原邊輸入電壓源F1與原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F3等效為一個(gè)受控電流源，則流入支路1原邊繞組的電流僅與實(shí)際電壓源激勵(lì)和諧振電感L_Fq的感抗有關(guān)，當(dāng)電壓源激勵(lì)U_in恒定時(shí)，流入支路1原邊繞組的電流為恒定值，不隨非接觸變壓器原副邊位置變化及負(fù)載變化而變化。支路2的原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S2為串聯(lián)電容補(bǔ)償，補(bǔ)償電容C_SP與非接觸變壓器S3的原邊自感L_SP諧振，副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S4的串聯(lián)補(bǔ)償電容C_SS與非接觸變壓器S3的副邊自感L_SS諧振。支路2端口AB二端網(wǎng)絡(luò)為輸入電壓源串聯(lián)諧振阻抗，當(dāng)變壓器耦合系數(shù)變化或者負(fù)載變化時(shí)，等效到原邊的輸入阻抗變化，流入支路2非接觸變壓器原邊繞組的電流也會(huì)發(fā)生變化。因此本實(shí)用新型實(shí)施例兩路非接觸變換模塊的非接觸變壓器輸入端口分別為電壓源與電流源輸入。

基于變壓器的互感模型，可以得到兩路非接觸變換模塊的輸出特性。支路1非接觸變換器的輸入電壓、電流，輸出電壓滿足：

其中，ω₀為諧振頻率，Z_Fr為支路1非接觸變換器副邊的反射阻抗，支路2非接觸變換器的輸入電壓、電流，輸出電壓滿足：

其中Z_Sr為支路2非接觸變換器副邊的反射阻抗，分別對(duì)式(10)、式(11)進(jìn)行化簡(jiǎn)，可以得到完全補(bǔ)償時(shí)支路1與支路2的輸出電流有效值I_FOS、I_SOS分別為：

其中U_Fs、U_Ss分別為兩路輸入電壓的基波有效值。從式(12)可以看到，輸出電流I_FOS與支路1非接觸變壓器原副邊互感M_F正相關(guān)，且輸出電流與負(fù)載電阻值無關(guān)；輸出電流I_SOS與支路2非接觸變壓器原副邊互感M_S成反比，且與負(fù)載電阻值無關(guān)。則實(shí)施例三兩路非接觸變換器并聯(lián)輸出總電流為：

本實(shí)施例中兩幅非接觸變壓器的副邊相對(duì)原邊運(yùn)動(dòng)方向相同，兩幅變壓器的互感M變化趨勢(shì)相同，結(jié)合式(13)可知，本實(shí)用新型實(shí)施例三的輸出電流隨互感M的變化非單調(diào)，通過合理設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)，可有效地實(shí)現(xiàn)兩路非接觸變換模塊輸出電流相互補(bǔ)償，提高變耦合系數(shù)條件下系統(tǒng)總輸出電流的穩(wěn)定性；同時(shí)從式(13)可以看出，完全補(bǔ)償條件下本實(shí)用新型實(shí)施例三的輸出電流與負(fù)載電阻無關(guān)，即在變負(fù)載條件下能實(shí)現(xiàn)輸出電流恒定。

為了使輸出電流增益適應(yīng)更寬范圍互感變化，需保證輸出電流極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的互感值在工作區(qū)間內(nèi)。由式(13)數(shù)學(xué)函數(shù)特性可知，需設(shè)計(jì)兩路非接觸變壓器參數(shù)在完全補(bǔ)償點(diǎn)處滿足式(14)。

實(shí)施例四：

圖7給出了本實(shí)用新型電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)的非接觸變換器第四種實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖。圖7所示兩路非接觸變換器，支路1與支路2在直流輸出側(cè)并聯(lián)連接。支路1由直流輸入電壓源F1_1、逆變器F1_2、原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F2、非接觸變壓器F3、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F4、整流電路F5_1、濾波電路F5_2、負(fù)載電阻5_3組成，其中直流輸入電壓源1_1與負(fù)載電阻5_3為兩路公用；支路2由交流輸入電流源S1、原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S2、非接觸變壓器S3、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S4、整流電路S5_1、濾波電路S5_2、負(fù)載電阻5_3組成。圖7所示電路中，U_in為直流輸入電壓源，i_in為交流輸入電流源，S_F1～S_F4為原邊逆變?nèi)珮蜷_關(guān)管，C_xP為原邊補(bǔ)償電容，C_xS為副邊補(bǔ)償電容，L_xP為非接觸變壓器原邊繞組自感，L_xS為非接觸變壓器副邊繞組自感，M_x為非接觸變壓器原副邊繞組互感，L_xq為串聯(lián)補(bǔ)償電感，D_x1～D_x4為副邊整流二極管，C_xf為濾波電容，R_L為負(fù)載電阻，下標(biāo)中的x表示“F”或“S”。

支路1的原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F2為單電容串聯(lián)補(bǔ)償，串聯(lián)補(bǔ)償電容C_FP與非接觸變壓器F3的原邊自感L_FP諧振，副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F4也為單電容串聯(lián)補(bǔ)償，串聯(lián)補(bǔ)償電容C_FS與非接觸變壓器F3的副邊自感L_FS諧振。支路2的原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S2為串聯(lián)電容補(bǔ)償，補(bǔ)償電容C_SP與非接觸變壓器S3的原邊自感L_SP諧振，非接觸變壓器S3的副邊自感L_SS與副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S4構(gòu)成LCL補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)壓流轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)諧振電感L_Sq與非接觸變壓器S3的副邊自感L_SS相等，電容C_FP與L_Fq諧振。從圖7可以看到，支路1端口AB二端網(wǎng)絡(luò)為輸入電壓源串聯(lián)諧振阻抗，支路2端口AB二端網(wǎng)絡(luò)為輸入電流源串聯(lián)諧振阻抗，可等效為一個(gè)輸入電流源。因此本實(shí)用新型實(shí)施例兩路非接觸變換模塊的非接觸變壓器輸入端口分別為電壓源與電流源輸入。

采用基波分析方法，基于變壓器的互感模型，可以得到兩路非接觸變換模塊的輸出特性。支路1非接觸變換器的輸入電壓、電流，輸出電壓滿足：

其中ω₀為諧振頻率，Z_Fr為支路1非接觸變換器副邊的反射阻抗，支路2非接觸變換器的輸入電壓、電流，輸出電壓滿足：

其中Z_Sr為支路2非接觸變換器副邊的反射阻抗，

分別對(duì)式(15)、式(16)進(jìn)行化簡(jiǎn)，可以得到完全補(bǔ)償時(shí)支路1與支路2的輸出電流有效值I_FOS、I_SOS，輸入阻抗Z_Fin、Z_Sin分別為：

其中U_Fs、I_Ss分別為兩路輸入電壓、輸入電流的基波有效值。從式(17)可以看到，輸出電流I_FOS與支路1非接觸變壓器原副邊互感M_F成反比，且輸出電流與負(fù)載電阻值無關(guān)；輸出電流I_SOS與支路2非接觸變壓器原副邊互感M_S成正比，且與負(fù)載電阻值無關(guān)；兩路非接觸變換器的輸入阻抗在完全補(bǔ)償頻率點(diǎn)處始終為純阻，阻抗大小與負(fù)載電阻與互感相關(guān)。則實(shí)施例四兩路非接觸變換器并聯(lián)輸出總電流為：

本實(shí)施例中兩幅非接觸變壓器的副邊相對(duì)原邊運(yùn)動(dòng)方向相同，兩幅變壓器的互感M變化趨勢(shì)相同，結(jié)合式(18)可知，本實(shí)用新型實(shí)施例四的輸出電流隨互感M的變化非單調(diào)，通過合理設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)，可有效地實(shí)現(xiàn)兩路非接觸變換模塊輸出電流相互補(bǔ)償，提高變耦合系數(shù)條件下系統(tǒng)總輸出電流的穩(wěn)定性；同時(shí)從式(18)可以看出，完全補(bǔ)償條件下本實(shí)用新型實(shí)施例四的輸出電流與負(fù)載電阻無關(guān)，即在變負(fù)載條件下能實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定；從式(17)中兩路非接觸變換模塊輸入阻抗表達(dá)式，可以發(fā)現(xiàn)完全補(bǔ)償條件下本實(shí)用新型實(shí)施例四的輸入阻抗始終為純阻性，即可取工作頻率略大于完全補(bǔ)償頻率保證兩路非接觸變換模塊始終工作在弱感性區(qū)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，提高系統(tǒng)效率。

為了使輸出電流增益適應(yīng)更寬范圍互感變化，需保證輸出電流極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的互感值在工作區(qū)間內(nèi)。由式(18)數(shù)學(xué)函數(shù)特性可知，需設(shè)計(jì)兩路非接觸變壓器參數(shù)在完全補(bǔ)償點(diǎn)處滿足式(19)。

實(shí)施例五：

圖8給出了本實(shí)用新型電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)的非接觸變換器第五種實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖。圖8所示兩路非接觸變換器，支路1與支路2在直流輸出側(cè)并聯(lián)連接。支路1由交流輸入電流源F1、原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F2、非接觸變壓器F3、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F4、整流電路F5_1、濾波電路F5_2、負(fù)載電阻5_3組成；支路2由交流輸入電流源S1、原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S2、非接觸變壓器S3、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S4、整流電路S5_1、濾波電路S5_2、負(fù)載電阻5_3組成。圖8所示電路中，i_xin為交流輸入電流源，C_xP為原邊補(bǔ)償電容，C_xS為副邊補(bǔ)償電容，L_xP為非接觸變壓器原邊繞組自感，L_xS為非接觸變壓器副邊繞組自感，M_x為非接觸變壓器原副邊繞組互感，D_x1～D_x4為副邊整流二極管，L_xf為濾波電感，C_xf為濾波電容，R_L為負(fù)載電阻，下標(biāo)中的x表示“F”或“S”。

支路1的原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F2為單電容并聯(lián)補(bǔ)償，并聯(lián)補(bǔ)償電容C_FP與非接觸變壓器F3的原邊自感L_FP諧振，副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F4為單電容串聯(lián)補(bǔ)償，串聯(lián)補(bǔ)償電容C_FS與非接觸變壓器F3的副邊自感L_FS諧振，基于戴維南等效與諾頓等效，可以將一個(gè)電流源并聯(lián)阻抗等效變換為一個(gè)電壓源串聯(lián)阻抗，則支路1端口AB左側(cè)電路可以等效為一個(gè)受控電壓源的二端網(wǎng)絡(luò)。支路2的原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S2為串聯(lián)電容補(bǔ)償，補(bǔ)償電容C_SP與非接觸變壓器S3的原邊自感L_SP諧振，副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S4為單電容并聯(lián)補(bǔ)償，并聯(lián)補(bǔ)償電容C_SS與非接觸變壓器S3的副邊自感L_SS諧振，支路2端口AB二端網(wǎng)絡(luò)為輸入電流源串聯(lián)諧振阻抗，可等效為一個(gè)輸入電流源。因此本實(shí)用新型實(shí)施例兩路非接觸變換模塊的非接觸變壓器輸入端口分別為電壓源與電流源輸入。

采用基波分析方法，基于變壓器的互感模型，可以得到兩路非接觸變換模塊的輸出特性。支路1非接觸變換器的輸入電壓、電流，輸出電壓滿足：

其中ω₀為諧振頻率，Z_Fr為支路1非接觸變換器副邊的反射阻抗，支路2非接觸變換器的輸入電壓、電流，輸出電壓滿足：

其中Z_Sr為支路2非接觸變換器副邊的反射阻抗，

分別對(duì)式(20)、式(21)進(jìn)行化簡(jiǎn)，可以得到完全補(bǔ)償時(shí)支路1與支路2的輸出電流有效值I_FOS、I_SOS分別為：

其中I_Fin、I_Sin分別為兩路輸入電流的基波有效值。從式(22)可以看到，輸出電流I_FOS與支路1非接觸變壓器原副邊互感M_F成反比，且輸出電流與負(fù)載電阻值無關(guān)；輸出電流I_SOS與支路2非接觸變壓器原副邊互感M_S成正比，且與負(fù)載電阻值無關(guān)。則實(shí)施例五兩路非接觸變換器并聯(lián)輸出總電流為：

本實(shí)施例中兩幅非接觸變壓器的副邊相對(duì)原邊運(yùn)動(dòng)方向相同，兩幅變壓器的互感M變化趨勢(shì)相同，結(jié)合式(23)可知，本實(shí)用新型實(shí)施例五的輸出電流隨互感M的變化非單調(diào)，通過合理設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)，可有效地實(shí)現(xiàn)兩路非接觸變換模塊輸出電流相互補(bǔ)償，提高變耦合系數(shù)條件下系統(tǒng)總輸出電流的穩(wěn)定性；同時(shí)從式(23)可以看出，完全補(bǔ)償條件下本實(shí)用新型實(shí)施例五的輸出電流與負(fù)載電阻無關(guān)，即在變負(fù)載條件下能實(shí)現(xiàn)輸出電流恒定。

為了使輸出電流增益適應(yīng)更寬范圍互感變化，需保證輸出電流極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的互感值在工作區(qū)間內(nèi)。由式(23)數(shù)學(xué)函數(shù)特性可知，需設(shè)計(jì)兩路非接觸變壓器參數(shù)在完全補(bǔ)償點(diǎn)處滿足式(24)。

實(shí)施例六：

圖9給出了本實(shí)用新型電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)的非接觸變換器第六種實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖。圖9所示兩路非接觸變換器，支路1與支路2在直流輸出側(cè)并聯(lián)連接。支路1由交流輸入電壓源F1、原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F2、非接觸變壓器F3、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F4、整流電路F5_1、濾波電路F5_2、負(fù)載電阻5_3組成；支路2由交流輸入電流源S1、原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S2、非接觸變壓器S3、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S4、整流電路S5_1、濾波電路S5_2、負(fù)載電阻5_3組成。圖9所示電路中，u_Fin為交流輸入電壓源，i_Sin為交流輸入電流源，C_xP為原邊補(bǔ)償電容，C_xS為副邊補(bǔ)償電容，L_xP為非接觸變壓器原邊繞組自感，L_xS為非接觸變壓器副邊繞組自感，M_x為非接觸變壓器原副邊繞組互感，L_ST1、L_ST2、C_ST為支路2副邊補(bǔ)償T網(wǎng)絡(luò)的諧振電感、電容，D_x1～D_x4為副邊整流二極管，L_xf為濾波電感，C_xf為濾波電容，R_L為負(fù)載電阻，下標(biāo)中的x表示“F”或“S”。

支路1的原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F2、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F4均為單電容串聯(lián)補(bǔ)償，串聯(lián)補(bǔ)償電容C_FP、C_FS分別與非接觸變壓器F3的原邊自感L_FP、副邊自感L_FS諧振。支路2的原邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S2為串聯(lián)電容補(bǔ)償，補(bǔ)償電容C_SP與非接觸變壓器S3的原邊自感L_SP諧振，副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S4為由一個(gè)串聯(lián)補(bǔ)償電容串聯(lián)LCL的T網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，串聯(lián)補(bǔ)償電容C_SS與非接觸變壓器S3的副邊自感L_SS諧振，LCL型T網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)壓流轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)諧振電感L_ST1與L_ST2，諧振電容C_ST與L_ST2諧振，當(dāng)諧振電感L_ST1與非接觸變壓器S3的副邊自感L_SS感值相等時(shí)，可以將串聯(lián)補(bǔ)償電容C_SS與諧振電感L_ST1等效用導(dǎo)線替換。支路1端口AB二端網(wǎng)絡(luò)為輸入電壓源串聯(lián)諧振阻抗，支路2端口AB二端網(wǎng)絡(luò)為輸入電流源串聯(lián)諧振阻抗，可等效為一個(gè)輸入電流源。因此本實(shí)用新型實(shí)施例兩路非接觸變換模塊的非接觸變壓器輸入端口分別為電壓源與電流源輸入。

采用基波分析方法，基于變壓器的互感模型，可以得到兩路非接觸變換模塊的輸出特性。支路1非接觸變換器的輸入電壓、電流，輸出電壓滿足：

其中ω₀為諧振頻率，Z_Fr為支路1非接觸變換器副邊的反射阻抗，支路2非接觸變換器的輸入電壓、電流，輸出電壓滿足：

其中Z_Sr為支路2非接觸變換器副邊的反射阻抗：

分別對(duì)式(25)、式(26)進(jìn)行化簡(jiǎn)，可以得到完全補(bǔ)償時(shí)支路1與支路2的輸出電流有效值I_FOS、I_SOS分別為：

其中U_Fin、I_Sin分別為兩路輸入電壓、電流的基波有效值。從式(27)可以看到，輸出電流I_FOS與支路1非接觸變壓器原副邊互感M_F成反比，且輸出電流與負(fù)載電阻值無關(guān)；輸出電流I_SOS與支路2非接觸變壓器原副邊互感M_S成正比，且與負(fù)載電阻值無關(guān)。則實(shí)施例五兩路非接觸變換器并聯(lián)輸出總電流為：

本實(shí)施例中兩幅非接觸變壓器的副邊相對(duì)原邊運(yùn)動(dòng)方向相同，兩幅變壓器的互感M變化趨勢(shì)相同，結(jié)合式(28)可知，本實(shí)用新型實(shí)施例六的輸出電流隨互感M的變化非單調(diào)，通過合理設(shè)計(jì)變壓器參數(shù)，可有效地實(shí)現(xiàn)兩路非接觸變換模塊輸出電流相互補(bǔ)償，提高變耦合系數(shù)條件下系統(tǒng)總輸出電流的穩(wěn)定性；同時(shí)從式(28)可以看出，完全補(bǔ)償條件下本實(shí)用新型實(shí)施例六的輸出電流與負(fù)載電阻無關(guān)，即在變負(fù)載條件下能實(shí)現(xiàn)輸出電流恒定。

為了使輸出電流增益適應(yīng)更寬范圍互感變化，需保證輸出電流極值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的互感值在工作區(qū)間內(nèi)。由式(28)數(shù)學(xué)函數(shù)特性可知，需設(shè)計(jì)兩路非接觸變壓器參數(shù)在完全補(bǔ)償點(diǎn)處滿足式(29)。

實(shí)施例七：

圖10給出了本實(shí)用新型電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)的非接觸變換器第七種實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)圖。區(qū)別于前面所說的實(shí)施例一到實(shí)施例六，實(shí)施例七中的電壓源與電流源激勵(lì)作用于同一個(gè)非接觸變壓器3的原邊兩段繞組L_FP、L_SP上，副邊單繞組輸出。實(shí)施例七由交流輸入電壓源F1、第一個(gè)原邊繞組的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)F2、交流輸入電流源S1、第二個(gè)原邊繞組的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)S2、非接觸變壓器3、副邊補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)4、整流電路5_1、濾波電路5_2、負(fù)載電阻5_3組成。圖9所示電路中，u_Fin為交流輸入電壓源，i_Sin為交流輸入電流源，L_FP、L_SP分別為非接觸變壓器原邊兩段繞組的自感，C_FP、C_SP分別為非接觸變壓器原邊兩段繞組的補(bǔ)償電容，L_S為非接觸變壓器副邊繞組自感，C_S為副邊補(bǔ)償電容，M_F、M_S分別為非接觸變壓器兩個(gè)原邊與副邊繞組的互感，M_FS為非接觸變壓器原邊兩段繞組之間的互感，D₁～D₄為副邊整流二極管，L_f為濾波電感，C_f為濾波電容，R_L為負(fù)載電阻。原邊繞組L_FP的輸入端口AB左側(cè)的二端網(wǎng)絡(luò)為輸入電壓源串聯(lián)諧振阻抗，原邊繞組L_SP的輸入端口AB左側(cè)的二端網(wǎng)絡(luò)為輸入電流源串聯(lián)諧振阻抗，可等效為一個(gè)輸入電流源。因此本實(shí)用新型實(shí)施例非接觸變壓器兩路原邊繞組輸入端口分別為電壓源與電流源輸入。

采用基波分析方法，基于變壓器的互感模型，可以得到圖10所示非接觸變換單路基本的輸入輸出關(guān)系：

當(dāng)原邊兩繞組對(duì)稱繞制時(shí)，可以認(rèn)為兩路繞組參數(shù)相同，其繞組自感統(tǒng)一用L_p表示，兩路原邊繞組與副邊繞組互感統(tǒng)一用M表示，耦合系數(shù)統(tǒng)一用k表示，則由式(30)可以解得輸出電壓U_o在完全補(bǔ)償頻率點(diǎn)處的表達(dá)式為：

其中M₀為完全補(bǔ)償設(shè)計(jì)點(diǎn)處的原副邊互感值，設(shè)計(jì)副邊補(bǔ)償電容補(bǔ)償副邊自感值。從式(31)可以看到，輸出電壓隨互感M的變化非單調(diào)。同時(shí)由式(30)也可推導(dǎo)得到原邊兩路繞組在完全補(bǔ)償點(diǎn)處的交流輸入阻抗分別為：

其中k_FS為原邊兩繞組之間的耦合系數(shù)。則當(dāng)y為實(shí)數(shù)時(shí)，可以推得變參數(shù)條件下輸入阻抗Z_Fin始終為弱感性時(shí)原邊兩路繞組之間的耦合系數(shù)需要滿足的條件為：

即在完全補(bǔ)償點(diǎn)處，非接觸變壓器的耦合系數(shù)需滿足：

將式(35)代入式(33)，可以將輸入阻抗Z_Sin近似化簡(jiǎn)為：

Z_Sin≈y+jω₀L_P(1-k_FS) (35)

設(shè)計(jì)ω₀L_P(1-k₁₂)2y時(shí)，輸入阻抗Z_Sin近似為純感性。為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS，需要輸入阻抗純阻，因此需要在電流源輸入一路串聯(lián)電容補(bǔ)償阻抗，補(bǔ)償電容C_SP的容值近似為：

測(cè)試實(shí)例一：

為驗(yàn)證本實(shí)用新型的可行性，以圖3所示電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)非接觸變換電路為例，進(jìn)行了PSIM電路仿真驗(yàn)證。本實(shí)例中所采用非接觸變壓器均為邊沿拓展型非接觸變壓器，如圖11(a)所示，本實(shí)用新型同樣適用于其它變壓器結(jié)構(gòu)。下表為本測(cè)試所采用的非接觸變壓器的原副邊自感、互感以及耦合系數(shù)隨氣隙變化的具體參數(shù)。

表1：非接觸變壓器(F3)參數(shù)

表2：非接觸變壓器(S3)參數(shù)

支路1，支路2具體的原副邊補(bǔ)償電容取值見下表3。

表3：諧振元件參數(shù)

支路1和支路2的補(bǔ)償電容在10cm氣隙條件下基于式(3)計(jì)算得到。在直流輸入電壓為400V固定的情況下，改變變壓器原副邊之間的氣隙間距，非接觸組合供電電路的輸出電壓值見表4，不同負(fù)載條件下輸出電壓隨耦合系數(shù)變化曲線如圖11(b)、圖11(c)所示。從中可以看出本實(shí)用新型所提出的電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)非接觸變換電路可以有效提高大氣隙變化時(shí)非接觸供電系統(tǒng)輸出特性的穩(wěn)定程度，同時(shí)保持輸出電壓特性在變負(fù)載條件下的輸出穩(wěn)定性。

表4(a)：大負(fù)載(R_min)條件下兩路輸出電壓與總輸出電壓

表4(a)：小負(fù)載(R_max)條件下兩路輸出電壓與總輸出電壓

測(cè)試實(shí)例二：

為驗(yàn)證本實(shí)用新型的可行性，以圖10所示電壓源與電流源復(fù)合激勵(lì)非接觸變換電路為例，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。本實(shí)例中所用非接觸變壓器為原邊雙繞組，副邊單繞組非接觸變壓器，原邊兩路非接觸變壓器對(duì)稱繞制，兩路原邊繞組自感相等，與副邊繞組的互感值近似相等。表5為本測(cè)試所采用的非接觸變壓器的原副邊自感、互感以及耦合系數(shù)隨氣隙變化的具體參數(shù)。

表5：非接觸變壓器(3)參數(shù)

支路1，支路2具體的原副邊補(bǔ)償電容取值，輸入源等見下表。

表6：補(bǔ)償電容容值與輸入源

輸入交流電壓源激勵(lì)與輸入交流電流源相位差180°，工作頻率為91kHz。在變負(fù)載條件下改變變壓器原副邊之間的氣隙間距，非接觸組合供電電路的輸出電壓如圖12所示。從中可以看出本實(shí)用新型所提供的非接觸組合供電電路可以有效提高大氣隙變化時(shí)非接觸供電系統(tǒng)輸出特性的穩(wěn)定程度。為了實(shí)現(xiàn)輸入電流源側(cè)對(duì)應(yīng)逆變器的軟開關(guān)，實(shí)際應(yīng)用中可以在電流源輸入側(cè)串聯(lián)電容與小阻的方法將輸入阻抗調(diào)整到弱感性。

以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。