隨著無(wú)線(xiàn)充電技術(shù)在便攜電子設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)終端和電動(dòng)交通工具中的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)在高效率、輕量化與高頻工作能力方面提出了更高要求。其中串聯(lián)（SS）補(bǔ)償結(jié)構(gòu)因其拓?fù)浜?jiǎn)單、調(diào)制方式清晰而在感應(yīng)功率傳輸（IPT）系統(tǒng)中被廣泛采用。但傳統(tǒng)建模方法往往無(wú)法同時(shí)兼顧準(zhǔn)確度和便捷度，難以準(zhǔn)確描述多諧波成分對(duì)系統(tǒng)性能的影響，特別是在復(fù)雜系統(tǒng)中，建模誤差顯著增加，影響調(diào)制優(yōu)化與軟開(kāi)關(guān)分析的精度。

圖1 SS補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的IPT系統(tǒng)

為解決上述問(wèn)題，上?？萍即髮W(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院智慧電氣科學(xué)中心王浩宇教授團(tuán)隊(duì)在SS補(bǔ)償型IPT系統(tǒng)建模領(lǐng)域提出一種基于狀態(tài)平面（state-plane）分析的頻域建模新方法。該方法通過(guò)數(shù)學(xué)解耦耦合諧振網(wǎng)絡(luò)，建立兩個(gè)互不關(guān)聯(lián)的等效串聯(lián)諧振回路模型，并結(jié)合傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)獲取各階諧波分量的幅值與相位，從而兼具頻域與時(shí)域建模優(yōu)勢(shì)。研究進(jìn)一步構(gòu)建了等效電路狀態(tài)軌跡圖，揭示了不同頻率與相位條件下的開(kāi)關(guān)電流行為和ZVS實(shí)現(xiàn)邊界。

圖2 解耦后的等效電路

圖3 解耦后進(jìn)行等效電路的狀態(tài)平面分析

圖4 不同功率下的電流有效值最低點(diǎn)

基于該建?？蚣?，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種優(yōu)化調(diào)制策略，實(shí)現(xiàn)在全負(fù)載范圍內(nèi)開(kāi)關(guān)器件的軟開(kāi)通，并最小化導(dǎo)通損耗與電流應(yīng)力。在功率輸出從100 W至400 W、功率增益比例從0.8至1.2的全工況條件下，系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)ZVS開(kāi)通，且所有MOSFET均處于低應(yīng)力、高效率的工作狀態(tài)。

為驗(yàn)證理論模型與優(yōu)化策略的有效性，研究團(tuán)隊(duì)搭建了一套400 W、100 kHz的SS補(bǔ)償型IPT實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，模型對(duì)諧波成分、開(kāi)關(guān)電流、功率輸出的預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)高度一致。優(yōu)化調(diào)制方案使系統(tǒng)在滿(mǎn)載條件下實(shí)現(xiàn)高達(dá)95.61%的峰值效率，并在100 W輸出時(shí)將系統(tǒng)總損耗從26.63 W顯著降低至4.59 W。

該成果以“State-Plane-Based Frequency Domain Analysis and Optimal Design for SS Compensated IPT Systems”為題發(fā)表于IEEE Transactions on Industrial Electronics。上科大信息學(xué)院2023級(jí)碩士生吳宜涵為第一作者，王浩宇教授為通訊作者，上科大為第一完成單位。

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11077777