基于阻抗匹配的ipt系统调谐电容特性-孙跃.pdf

《基于阻抗匹配的ipt系统调谐电容特性-孙跃.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于阻抗匹配的ipt系统调谐电容特性-孙跃.pdf（6页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第44卷第5期2016年5月华南理工大学学报(自然科学版)Joumal of South China University of Technology(Natural Science Edition)V0144 NO5Mav 2016文章编号：1000565X(2016)05004206基于阻抗匹配的IPT系统调谐电容特性木孙跃12 张静2 叶兆虹2 王智慧2(1重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044；2重庆大学自动化学院，重庆400044)摘要：针对阻抗不匹配引起感应电能传输系统谐振频率不稳定的问题，提出了用于动态调谐的三电容组态阵列，分析了谐振电容与系统频率的

2、关系以及电容阵列的容值分布、范围、输出精度，并采用遗传算法对三电容阵列的电容值进行优化仿真实验结果表明，文中所提出的三电容阵列可获得较宽的输出电容范围及较高精度的可调电容值，适用于对输出电容值范围及可调精度要求较高的系统关键词：感应耦合电能传输；阻抗匹配；三电容阵列；电容值优化中图分类号：TM 131 doi：103969jissn1000565X201605007感应电能传输(I门)系统基于电磁感应原理，通过将原边回路的电能传送给副边回路的负载来实现无线电能传输。8。无线电能传输技术具有安全、灵活、可靠等优点，已在交通、水下、矿井、医疗、厨房家电等领域得到广泛的应用，如在1w系统通用能量供电

3、平台实现了不同功率等级的家用电器的无线供电感应电能传输系统具有松耦合性质，当系统工作在高频时，会消耗大量的无功功率，通常采用电容补偿方式(即谐振电容储存的无功功率补偿谐振电感所需的无功功率)使系统工作在谐振状态但在实际应用过程中，负载、传输距离、温度的变化或器件老化都将引起系统参数的变化，从而导致原边回路阻抗不匹配，使得系统频率失谐因此，定值调谐电容已不能满足频率变化的要求，需要可变电容进行调节目前，可变电容的应用范围很广泛当配电网中负荷电压波动较大时，需通过在配电网线路上串联可调电容来稳定负荷侧电压一J在电气化铁道牵引供电系统中，负荷的动态变化也需要动态电容进行无功功率补偿1 0I在感应电能

4、传输领域，对动态电容的研究也有很多文献11通过并联电容组构成可控电容阵列，但随着对电容值范围和可调精度要求的提高，并联电容组个数越多，其体积和控制难度越大文献12提出了一种电容阵列，列举了可调电容的输出值，但没有对电容阵列的一般性应用进行分析文献13提出了基于电容阵列的自适应阻抗匹配，但没有就电容阵列的电容值组合特性做具体说明针对以上问题，文中提出了三电容组态阵列，分析了可变电容的电容个数、输出电容值范围和精度，并采用遗传算法对可变电容模块的电容值进行优化，得到构成三电容阵列的电容取值；然后以谐振网络拓扑为原边电路串联、副边电路并联(SP)型的IPT系统为研究对象，根据系统负载的变化范围对三电

5、容阵列的电容取值进行仿真分析，以验证其有效性收稿日期：20150911$基金项目：国家自然科学基金资助项目(51277192)；国家“863”计划项目(2015AA010402)Foundation items：Supposed by the National Natural Science Foundation of China(5 1 277 1 92)and the National HighTech R&DProgram of China(2015AA010402)作者简介：孙跃(1960一)，男，教授，博士生导师，主要从事电力电子技术及其应用、感应耦合电能传输技术研究Email：sy

6、ue06cqueducn万方数据第5期 孙跃等：基于阻抗匹配的I阴系统调谐电容特性 431 电路工作原理I胛系统根据原、副边回路电容补偿方式的不同可分为4种最基本的谐振拓扑：SS、SP、PS、PP-l 4I文中以sP型拓扑结构为研究对象，SP型I胛系统的电路结构如图l所示，其中系统工作角频率为叫，C。、C。分别为原、副边谐振电感L。、L。的调谐电容，M为L。、。之间的互感，尺。为原边耦合电感的内阻，R。为阻性负载直流输入电压E。通过逆变网络s，一s。产生高频方波电压源，经。、c。串联谐振网络形成高频正弦交流电，其产生的磁链与副边线圈交链，从而在副边电路产生感应交变电动势，供给副边回路图1 SP

7、型IPI系统的电路结构Fig1 Circuit structure of SP IPT system由图1计算可知，副边电路总阻抗Z；为弘似。+拦瓮 基于交流阻抗法，副边等效到原边的反射阻抗Z，为Z，：o_)2厂M2：Re(z。)+Im(z，) (2)故原边系统总阻抗z为zt=Jr+赢枷一+Zr (3)由于系统工作在固有谐振点上，其原边总阻抗z。的虚部为0，即Im(z。)=0，由此可得到c一2 i百志丽玎 (4)由式(4)可知，原边调谐电容C。与反射阻抗的虚部Im(Z，)(关于R。和肘的函数)有关负载的变化且使副边到原边的反射阻抗也发生变化，导致原边电路总阻抗不匹配(Im(Z。)0)，从而引起

8、系统谐振频率发生漂移为保证系统工作频率不变，调谐电容c。与负载R。变化的趋势如图2所示因此，当负载尺。发生变化时，定值调谐电容不能实现系统工作频率的稳定图2原边谐振电容与负载的关系Fig2 Relationship between primary tuned capacitor and load综上所述，对于I胛系统因参数变化导致谐振频率发生漂移的问题，需要动态改变原边调谐电容值，以便在负载发生变化时能补偿原边回路阻抗，从而保证IPT系统的工作频率稳定2 可变电容模块设计为了保证I门系统的工作频率与副边电路的固有频率保持一致，实现动态改变调谐电容，需要提供一个可变电容进行动态调谐基于对可变电容

9、的随机性和近似连续性的要求，可变电容应具有宽泛的容值范围以及较高的调节精度因此，文中利用少量的定值电容，按照一定的组织结构和切换控制策略来设计能输出宽泛电容值范围和高精度电容值的可变电容模块其中，电容个数、输出电容值的范围及精度是可变电容模块的评价标准假设可变电容模块中的个电容的电容值分别为c，c：，c，输出等效电容值为c。由于可变电容模块是通过切换控制方式实现若干标准电容的串并联组合来获得所需的等效电容值，因此输出等效电容值的最大值Coq,max和最小值Ceq 为,minC。=Ci=1H Ci (5)c eqIIIi。2 i旦l_一【 c。一。ci+。ci一。G2+C。一lC2C。此外，离散

10、程度可以反映可变电容模块的调节精度，文中根据输出等效电容值的范围和电容组合个数h来定义平均离散度0：p：鱼唑善世100 (6)凡电容个数为2、3、4时的可变电容模块参数如万方数据华南理工大学学报(自然科学版) 第44卷表1所示表1可变电容模块参数Table 1 Parameters of variable capacitor moduleN C。q。 C。qh 0j生 4 7 5C1+C2s C1+C2+C3雨 ，4 C1+C2+C3+C4丽再蒜鬻可丽s，os由表1可知，随着电容个数的增加，输出等效电容的最大值在逐渐增大，输出等效电容的最小值在逐渐减小，即输出等效电容值的范围越来越大，组合个数

11、也越来越多以IPrr系统为例，设额定负载为50Q，在负载100的变化范围内，电容的变化范围在15左右，在输出电容值范围一定的情况下，随着电容个数的增加，其平均离散度越来越小一般的工程要求误差控制在5以内，而且在I PrI系统稳态条件下，频率允许工作在，：范围内，因此如果可变电容的输出电容值过于密集，则可能导致系统稳定时间过长或切换控制动作过于频繁此外，在满足系统输出等效电容值范围和精度要求下，为了减小阵列的体积和控制难度，可变电容模块中的电容个数越少越好而电容个数为3时是最简的形式，因此文中用3个标准容值电容器(C。、c2、G)和6个开关器件(S，一S。)构成可变电容模块来实现输出电容值的变化

12、，称为三电容模块，其结构如图3所示CS图3可变电容模块结构Fig3 Structure of variable capacitor module根据不同的切换控制，该三电容模块可输出17组等效电容值在实际应用中，为满足特殊工程性需要，在电容值范围要求大和调节精度高的情况下，可以将n个三电容模块并联，构成多模块可变电容阵列，如图4所示图4多模块可变电容阵列结构Fig4 Structure of multimodule variable capacitor array多个三电容模块并联，通过比例系数k，(i=1，2，rt)连接，如C，。=klC，可提高输出电容值范围以及改善调节精度以两个三电容模块

13、组成的阵列为例进行分析，在可变电容模块电容值C，、C，、C，以及模块间比例系数k确定后，该阵列与单模块的输出电容值范围对比如图5所示图5单模块与两模块三电容阵列的输出电容值比较Fig5 Comparison of output capacitance between onemoduleand two-module three-rcapacitor array假设三电容模块的电容值c，、C：、C，分别取10、05、20，模块间比例系数k取05两模块三电容阵列可以输出215个不同电容值由图5可知，在输出电容值范围一致的情况下，两模块三电容阵列的平均离散度要明显小于单模块三电容阵列，且在输出电容值范

14、围上也有明显的优势因此，对输出电容值范围和精度要求很高的系统可以通过多模块连接来满足系统要求3 三电容模块电容值的优化设计为了使三电容模块能够更好地满足系统的要求，文中采用遗传算法对三电容模块的电容c、c：、G的取值进行优化设计，使得在三电容模块应用于不同功率等级系统时，都有与之对应的一组优化电万方数据第5期 孙跃等：基于阻抗匹配的I胛系统调谐电容特性 45容取值，从而满足输出等效电容值范围和调节精度的要求以期望电容值C。和三电容模块输出电容值Coq的最小偏差作为目标函数，即minZ。bi=C。一CR (8)同时将式(5)转换成不等式约束，期望等效电容值c。应包含在不等式内，即C eq。CRC

15、 eq一 (9)根据系统参数的变化范围推导出期望等效电容值C。的范围C。柚C。C。一，结合式(5)、(9)得到关于三电容模块电容值C，、c2、c3的不等式约束，即C1+C2+C3CR。再CR,mina根据式(8)的目标函数和式(10)的变量约束，文中采用启发式遗传算法纠来优化三电容模块的电容(C。、C：、C，)取值，具体步骤如下：首先采用二进制编码方法对各个变量进行编码，产生初始群体，将个目标值z出按照由小到大的顺序排序，且分别赋予由大到小的适应度值；然后利用轮盘赌选择方法进行选择操作；最后以合适的概率对群体进行交叉及变异操作，得到优化的电容取值4优化及仿真验证IPT系统已知条件为：负载变化范

16、围为1100 n，原边电感L。=156斗H，拾取电感L。=156 IxH，互感M=51 IxH，原边调谐电容C。=047斗F，副边调谐电容C。=043 IxF由此可知该系统的期望电容值变化范围为045054心采用遗传算法对三电容模块电容取值C，、C：、c，进行优化，结果如图6所示图6遗传算法的优化结果Fig6 Optimization result of GA由图6可知，遗传算法经过70代迭代后收敛，得到的电容取值为C。=0481斗F、C2=0051 IxF、C。=0458 txF通过切换控制方式得到三电容模块的输出电容值C。与期望电容值C。的比较结果，如图7(a)所示组合个数(a)单模块电容

17、组合个数(h)两模块电容图7单模块与两模块三电容阵列的Ceq与Cn比较Fig7 Comparison between C。and CR for onemodule and twomodule threecapacitor array由图7(a)可知，经遗传算法优化得到的三电容模块的电容取值(c。、c：、c，)，在验证过程中以期望电容值为基准，可变电容的输出电容值与期望等效电容值的误差基本上控制在001心以内，因此采用遗传算法对三电容模块的电容取值进行优化，可以取得很好的效果，这也说明了三电容模块能够满足系统的输出电容值范围及调节精度要求此外，将两模块三电容阵列输出电容值与上述期望电容值进行对比

18、，采用遗传算法得到其电容取值为Cl=0388 IxF、C2=0100 IxF、C3=0361斗F、k=0153，最后输出的电容值与期望电容值的比较如图7(b)所示由图7(b)可知，两模块三电容阵列的输出电容值与期望电容值误差很小，仅在0003心以内另外，两模块三电容阵列可输出323个不同的电容值，扩大了输出电容值范围且提高了可调精度，从而说明了三电容阵列可适用于对输出电容值范围万方数据华南理工大学学报(自然科学版) 第44卷及可调精度要求更高的系统5 结论为了实现对工作频率稳定的控制，文中提出了三电容阵列，分析了可变电容的输出电容值范围、精度以及电容个数，同时采用遗传算法对电容阵列电容取值进行

19、优化，得到优化的电容取值，并通过仿真验证了三电容阵列的有效性本研究对可变电容的研究有一定的参考价值，对三电容阵列的切换控制是今后的研究内容参考文献：1234567SALLAN J，VILLA J L，LLOMBART A，et a1Optimal design of ICPT systems applied to electric vehicle batterychargeJIEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56(6)：21402149HU A P，HUSSMANN SImproved power flow control for

20、contactless moving sensor applicationsJIEEE PowerElectronics Letters，2004，2(4)：135138VILLA J L，SALLAN J，LLOMBART A，et a1Design of ahigh frequency inductively coupled power transfer systemfor electric vehicle battery chargeJApplied Energy，2009，86(3)：355363HSU J U W。HU A PSWAIN AA wireless power picku

21、pbased on directional tuning control of magnetic amplifierJIEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56(7)：27712781SI P，HU A P，MALPAS Set a1A frequency control methodfor regalating wireless power to implantable devicesJIEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems，2008，2(1)：2229张波，张青两个

22、负载接收线圈的谐振耦合无线输电系统特性分析J华南理工大学学报(自然科学版)，2012，40(10)：152158ZHANG Bo，ZHANG QingCharacteristic analysis of magnetic resonant coupling-base wireless power transfer sys-tern with two receiversJJournal of South China University of Technology(Natural Science Edition)，2012，40(10)：152158孙跃，夏晨阳，苏玉刚，等导轨式非接触电能传输系

23、统功率和效率的分析与优化J华南理工大学学报(自然科学版)，2010，38(10)：123129SUN Yue，XIA Chenyang，SU Yugang，et a1Analysisand optimization of transmission power and efficiency forrailtype contactless power transfer systemJJournal ofSouth China University of Technology(Natural ScienceEdition)，2010，38(10)：1231298 范兴明，莫小勇，张鑫无线电能传输技术

24、的研究现状与应用J中国电机工程学报，2015，35(10)：2584-2600FAN Xing-ming，MO Xiaoyong，ZHANG XinResearchstatus and application of wireless power transmission technologyJProceeding of the CSEE，2015，35(10)：258426009 张先泰，蔡金锭，丁智华，等电容补偿在配电网电压调节中的应用J电力自动化设备，201l，31(2)：116118ZHANG Xiantai，CAI Jinding，DING Zhihua，et a1Ap-plicati

25、on of capacitance compensation in voltage adjustment of distribution power systemJElectric Power Automation Equipment，2011，31(2)：116一11810 贺建闽，黄治清，李群湛牵引变电所固定并联电容补偿有效性评价J铁道学报，2004，26(3)：41-45HE Jianmin，HUANG Zhiqing，LI QnnzhanEvaluation of the effectiveness of the fixed parallel capacitorcompensation

26、 used in traction substation JJournal ofthe China Railway Society，2004，26(3)：414511 孙跃，吴静，王智慧，等ICPT系统基于电容阵列的稳频控制策略J电子科技大学学报，2014，43(1)：5459SUN Yue，WU Jing，WANG Zhihui，et a1Frequencystabilization control method for ICPT system based oncapacitor arrayJJournal of University of ElectronicScience and Tec

27、hnology of China，2014，43(1)：545912 戴欣，周继昆，孙跃基于谐振电容阵列的CPT系统输出控制方法J电子科技大学学报，2012，41(5)：729734DAI Xin，ZHOU Jikun，SUN YueStudy on output voltage stability of CPT system based on resonant capacitorarrayJJournal of University of Electronic Scienceand Technology of China，2012，41(5)：729-73413LIM Y，TANG H，LI

28、M S，et a1An adaptive impedancematching network based on a novel capacitor matrix forwireless power transferJIEEE Transactions on PowerElectronics，2014，29(8)：4403441314 WANG C S，COVIC G A，STIELAU O HPower transfercapability and bifurcation phenomena of loosely coupledinductive power transfer systemsJ

29、IEEE Transactionson Industrial Electronics，2004，51(1)：14815715 张治国，谢运祥，袁兆梅高功率因数LCC谐振电路的多目标优化J华南理工大学学报(自然科学版)，2012，40(11)：94100ZHANG Zhiguo，XIE Yunxiang，YUAN ZhaomeiMultiobjective optimization of LCC resonant circuit with highpower factorJJournal of South Claim University of Technology(Natural Scienc

30、e Edition)，2012，40(11)：94100万方数据第5期 孙跃等：基于阻抗匹配的IPT系统调谐电容特性 47Characteristic of Tuned Capacitor in IPT System Basedon Impedance MatchingSUN Yuel2 ZHANG Jin92 YE Zhaohon92 WANG Zhihui2(1State Key Laboratory of Power Transmission Equipment and System Security and New Technology，Chongqing University，Cho

31、ngqing 400044，China；2School of Automation，Chongqing University，Chongqing 400044，China)Abstract：In order to overcome the instable resonance frequency of inductive power transmission system caused byimpedance mismatch，a threecapacitor configuration array for dynamic tuning is proposed，and the relation

32、shipbetween resonant capacitance and system frequency is analyzedMoreover，the value distribution，scope and out-put precision of capacitor array are discussed，and the capacitance value of the three-capacitor array is optimizedby means of genetic algorithmSimulated results indicate that，as the propose

33、d three-capacitor array presentswidescope output capacitance and hi【gh-precision adjustable capacitance，it can be applied to the system thatrequires large output capacitance range and high adjustable precisionKey words：inductive coupling power transmission；impedance matching；threecapacitor array；cap

34、acitanceoptimization(上接第41页)Defect Localization Method of 3D Stacked-Die Packaged Integrated CircuitsLIN Xiao-lin91 EN Yun-feil YAO Ruo船2(1Science and Technology on Reliability Physics and Application of Electronic Component Laboratory，The Fifth ElectronicsResearch Institute of the Ministry of Indus

35、try and Information Technology，Guangzhou 510610，Guangdong，China；2Schoolof Electronic and Information Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China)Abstract：Threedimension(3 D)stackeddie package is one of the important package types of highperformancedevicesIts uni

36、que packaging brings new challenges to defect localizationIn this paper，a localization method ofdefects inside 3 D stacked-die packaged integrated circuits，which integrates both lockin thermography imaging andXray detection technology，is proposedFirstly，Xray detection technology is used to obtain in

37、ternal structure ofthe device horizontally and vertically，and thus the chip location and size，the stack layers and the wire bondingmode inside the package can be determinedSecondly，the propagation delay information of defects inside packageand the defect location on xy plane are obtained via lockin

38、thermography imagingThen，more exact location information of the defect in z direction is obtained by calculating the phase shift at different frequenciesFinally，some experiments are carried out to discover the localization of defects inside a plastic packaging SDRAM，and thecorresponding physical analysis is madeThe results show that the integration of lockin thermography imaging withXray detection technology helps localize defects of 3D stackeddie packaged devices without decapping the deviceKey words：3 D stackeddie package；integrated circuit；defect localization；failure analysis万方数据