AGV无线充电全波同步整流尖峰电压抑制方法

自动导引运输车（AGV）电池组的无线充电要求是低压大电流，全波同步整流（FWSR）可以提高效率并降低成本。首先详细介绍了AGV无线充电拓扑和工作原理，其次针对实验过程发现的同步整流管电压尖峰问题，进行了理论建模和过程原因分析，并提出了有效的抑制措施和吸收电路设计，最后设计了一台样机，通过实验验证了方案的有效性。实验结果表明，该系统实现了3 kW的运行功率，效率可达91%以上，采用同步整流有效提高了系统功率密度。

目前常见的自动导引运输车(automated guided vehicle, AGV)的电池充电一般采用接触式充电方式，
由于其电压低电流大（24 V 或 48 V/80~150 A），其存在维护成本高、环境适应性差、供电安全性低
等缺点，无线电能传输技术的发展带来了充电效率极大提高及成本竞争优势，使得 AGV 引入感应耦
合式无线电能传输（inductive coupled power transfer, ICPT）技术成为可能，同时采用同步整流
(synchronous-rectification, SR)技术，对于提高工作效率具有重要作用。
文献[1]对 SR 技术在无线电能传输系统中的应用进行了研究，给出了全桥拓扑 SR 实现软开关的
控制方法；文献[2-4]运用 SS、SP 拓扑讨论了 AGV 无线充电系统的可行性，但功率和效率都不高；
文献[5-6]均采用 LCC-S 拓扑对 AGV 无线充电系统进行研究，其中文献[6]在副边运用了四开关
Buck-Boost 变换器(four-switches-Buck-Boost, FSBB)，虽然提高了工作效率，但较多的开关器件增加
了成本，且过高的输出电压并不适用于大部分 AGV 的低压电池组。为了提高 AGV 无线充电的灵活
性，文献[6]基于双边 LCC 补偿网络和全波整流，提出使用一种在 AGV 停车点使用间歇脉冲式的充
电方法，功率达到了 1.5 kW，但同样针对的是高压电池的充电，实用性并不高；文献[8]提出了一种
建立同步整流器的方法，低负荷时自动切换到被动不控整流，大功率传输时可以提高工作效率；文
献[9]设计了一种双独立可调输出的无 DC-DC 变换器无线电能传输(wireless power transmission, WPT)
系统，二次侧的整流电路只使用两个二极管和两个 MOSFET；文献[10]提出一种针对 AGV 的具有互
操作功率调节机构的模块化道路无线电力传输系统，系统设计包括一种基于检测阻抗的互操作功率
调节技术，从而了解 AGV 的运动位置，便于更灵活地调整各个传动模块的输出功率。文献[11]设计
了一种原边采用 LCL、副边采用复合型结构的新型无线充电系统，通过改变副边补偿电容工作参数，
实现恒压、恒流、最大功率三种工作模式的转换。针对上述文献中，很多整流拓扑采用的全桥电路，
导通电阻为两组串联开关管之和，与全波整流电路相比，同样的导通阻抗，开关管数量要增加一倍。
且由于存在开关换相死区，大电流下死区期间二极管的导通损耗也是不可忽略的。全波整流电路结
构比较简单、器件较少，同样数量的管子，其损耗会较低，因此有必要研究其在低压大电流充电场
景的实用性。但是在实验中发现， 全波同步整流(full-wave-synchronous-rectification, FWSR)的
MOSFET 关断 uds并不是理论上的两倍负载电压，其在大电流条件下，关断电压尖峰远大于 2 倍负载
电压，且存在高频振荡问题。针对此问题，本文进行了详细分析，提出了解决方法。
1 无线充电系统原理与设计
1.1 LCC-S 补偿 ICPT 系统工作原理
本文所设计的 ICPT 系统如图 1 所示，LCC-S 补偿是指一次侧发射端采用 LCC 补偿网络，二次
侧接收端采用串联（Series, S）电容补偿网络。