武汉大学科研团队研发出用于无线供电系统的三倍频逆变器

高频逆变器在无线电能传输（Wireless Power Transfer, WPT）、感应加热领域中有着广泛的应用，可将稳定直流源逆变成高频交流方波源，为后级电路提供稳定可控的激励。高频逆变器的工作效率、输出频率和处理功率等参数对整个系统运行性能有着至关重要的影响。

尤其在谐振式无线电能传输系统中，线圈的最优工作谐振频率与传输距离的三次方成正比，在电场耦合式水下无线电能传输系统中，增大工作频率可减小耦合机构的损耗，同时工作频率高频化有利于传输线圈和补偿元件的小型化与轻量化。

无线电能传输系统中常用的全桥逆变器、半桥逆变器、E类功率放大器以及其他驱动方案的性能对比见表1。

表1 不同方案高频逆变器性能对比

受开关器件工作频率的限制，传统高频方波逆变器输出电压的频率难以提高。为满足无线电能传输系统运行频率高频化的要求，武汉大学电气与自动化学院的赵建松、王军华、蔡昌松、牟建学、罗阳，在2022年第21期《电工技术学报》上撰文，基于传统移相全桥逆变器，提出一种输出方波频率为开关器件工作频率3倍的逆变器及其驱动策略，并分析了逆变器在无线电能传输系统等效模型下的工作模态。

图1 采用三倍频逆变器的实验平台

该三倍频逆变器基于传统移相全桥逆变器，利用全桥输出脉冲宽度不大于60°的逆变方波，以固定120°的相位差分时交替输出，在时域上叠加复合为三倍频逆变方波。其输出交流方波的频率提升为开关管工作频率的3倍，开关管的电流应力降低为原来的三分之一，单个开关管的导通损耗和开关损耗均有效降低，具有更高的输出频率和功率，可轻松实现软开关，并可利用简单成熟的移相控制方案或变频控制方案对输出功率进行调节，与表1中所提各个驱动方案相比具有一定的优势。

研究人员最后制作了三倍频逆变器样机，验证了理论分析的正确性及有效性；并搭建了无线电能传输实验平台，实现了开关管工作频率100kHz，输出逆变频率300kHz，各开关管均实现ZVS软开关，在20Ω的电阻负载下，整个无线电能传输系统传输效率最高为84.1%，输出功率达126W，同时验证了该逆变器抗负载扰动能力以及移相控制能力。

本文编自2022年第21期《电工技术学报》，论文标题为“基于分时复合的无线供电三倍频逆变器”。本课题得到国家重点研发计划和中国博士后科学基金的支持。