CN112311204A - 减小谐振变换器线圈损耗的分段串联补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种减小谐振变换器线圈损耗的分段串联补偿方法，属于电力电子谐振变换器技术领域。本发明针对现有谐振变换器线圈寄生电容造成的线圈损耗采用集中式串联补偿，使系统体积增大，并影响系统的传输效率和功率密度的问题。包括：对于低频工作条件下的谐振线圈，按线圈绕制顺序在其线圈的相邻层之间依次串联层间补偿电容进行单层分段补偿；并按谐振线圈的等效模型确定层间补偿电容的值；对于高频工作条件下的谐振线圈，按线圈绕制顺序在其线圈的每相邻匝之间依次串联匝间补偿电容进行单匝分段补偿，并按谐振线圈的等效模型确定匝间补偿电容的值。本发明有效地减小了系统体积，提高了系统的传输效率和功率密度。

Description

减小谐振变换器线圈损耗的分段串联补偿方法

技术领域

本发明涉及减小谐振变换器线圈损耗的分段串联补偿方法，属于电力电子谐振变换器技术领域。

背景技术

谐振变换器是电力电子变换器中非常常见的一种电能变换装置。电感或者变压器所用的线圈是谐振变化器的核心元件，其损耗占比往往比较大。

以感应式无线电能传输系统为例，松耦合变压器的线圈损耗在系统总的损耗的占比较大，且耦合系数越低，往往线圈的损耗占比越大，而线圈寄生电容的损耗是线圈的主要损耗之一。寄生电容的损耗会随着频率和电感值的增加而增加，在耦合系数较小的无线电能传输系统中，往往需要提高频率或者线圈的自感值来提升系统的功率传输能力，所以寄生电容的损耗也大大增加，导致线圈的品质因数降低。在一些应用中，由于灌胶和绕制方式等因素，导致线圈的寄生电容增加，品质因数降低，即使耦合系数比较高，寄生电容的损耗也比较大。研究人员建立了不同的谐振线圈寄生电容模型，但是设计思路大都是通过增加相邻两匝线圈之间的间距减小寄生电容，这种做法能减弱寄生电容的影响，但是线圈寄生电容的损耗并不能被大幅度降低，没有从根本上解决问题，而且往往导致松耦合变压器的尺寸大大增加。寄生电容的不良影响限制了感应式无线电能传输技术在许多场合的应用，严重阻碍了该技术的进一步发展。

寄生电容对线圈的影响在高距径比、远距离的无线电能传输应用中表现十分明显。为了提高系统的传输能力，研究人员通常采用两种方法。第一种方法是选择较低的工作频率，此时需要采用具有大自感的单层电磁线圈，该方法的缺点是极大地增加了系统体积。第二种方法是让系统工作在较高频率，同时设计线圈稀疏，但该方法的参数敏感性非常高，并且系统所占体积也较大。就以上两种方法而言，庞大的系统体积都显著缩小了功率密度。除此之外，上述方法采用的低频大电感线圈或高频线圈都使得寄生电容的影响非常显著。首先，寄生电容较低的品质因数会使线圈的整体品质因数明显减小，降低了系统传输效率；其次，寄生电容引起的额外损耗还会降低系统功率等级，进一步减小了系统的功率密度。高距径比、远距离的感应式无线电能传输系统，寄生电容的影响比较明显。低频条件下，例如国际电动汽车充电标准J2954中的85kHz，多层紧密绕制时寄生电容的影响同样不能被忽略。

因此，一种减小线圈寄生电容影响的方案亟待提出。

发明内容

针对现有谐振变换器线圈寄生电容造成的线圈损耗采用集中式串联补偿，使系统体积增大，并影响系统的传输效率和功率密度的问题，本发明提供一种减小谐振变换器线圈损耗的分段串联补偿方法。

本发明的一种减小谐振变换器线圈损耗的分段串联补偿方法，包括，

按预设区分标准，将谐振线圈按工作频率的高低分为低频工作条件下的谐振线圈和高频工作条件下的谐振线圈；

所述工作频率的高低以谐振线圈的参数而定，为相对值；

对于低频工作条件下的谐振线圈，按线圈绕制顺序在其线圈的相邻层之间依次串联层间补偿电容进行单层分段补偿；并按谐振线圈的等效模型确定层间补偿电容的值；

对于高频工作条件下的谐振线圈，按线圈绕制顺序在其线圈的每相邻匝之间依次串联匝间补偿电容进行单匝分段补偿，并按谐振线圈的等效模型确定匝间补偿电容的值。

根据本发明的减小谐振变换器线圈损耗的分段串联补偿方法，所述层间补偿电容的计算方法包括：

其中d为每层线圈的匝数，b为谐振线圈的层数，n为线圈的总匝数，ω为线圈的谐振频率；C₁表示按绕制顺序线圈的第一层与第b层之间串联的层间补偿电容；L_{1_layer}是第一层线圈的等效自感和与其他层线圈的互感之和，L_{b_layer}是第b层线圈的等效自感和与其他层线圈的互感之和；

C_dm+1是第m层线圈与第m+1层线圈之间串联的层间补偿电容；L_{m_layer}是第m层线圈的等效自感和与其他层线圈的互感之和；L_d(m-1)+x为m层第x匝线圈的等效自感，M_(x,y)为第m层第x匝线圈与除了它本身以外变压器所有层线圈中第y匝线圈的等效互感。

根据本发明的减小谐振变换器线圈损耗的分段串联补偿方法，所述层间补偿电容的计算方法包括：

使所有层间补偿电容的容值相等：

式中d为每层线圈的匝数，b为谐振线圈的层数，n为线圈的总匝数；ω为线圈的谐振频率，L为线圈的等效自感。

根据本发明的减小谐振变换器线圈损耗的分段串联补偿方法，所述匝间补偿电容的计算方法包括：

式中C₁表示按绕制顺序的线圈第一匝起始侧串联的匝间补偿电容；C_m表示按绕制顺序的线圈第m-1匝与第m匝之间串联的匝间补偿电容；ω为线圈的谐振频率；

L_{1_turn}为第一匝线圈的等效自感和与其他匝线圈的互感之和，L_{n_turn}为第n匝线圈的等效自感和与其他匝线圈的互感之和，L_{m-1_turn}为第m-1匝线圈的等效自感和与其他匝线圈的互感之和，L_{m_turn}为第m匝线圈的等效自感和与其他匝线圈的互感之和；L_m为第m匝线圈的等效自感，M_(m,y)为第m匝线圈与除了它本身以外的第y匝线圈的等效互感，n为线圈的总匝数。

根据本发明的减小谐振变换器线圈损耗的分段串联补偿方法，所述匝间补偿电容的计算方法包括：

使所有匝间补偿电容的容值相等：

式中C₁表示按绕制顺序线圈的第一匝起始侧串联的匝间补偿电容，C_n表示按绕制顺序线圈的第n-1匝与第n匝之间串联的匝间补偿电容；n为线圈的总匝数，ω为线圈的谐振频率，L为线圈的等效自感。

本发明的有益效果：本发明方法通过分段串联补偿的方式减小谐振变换器线圈的损耗，在不增加系统成本和复杂度的前提下，可显著提高线圈整体品质因数。相对于传统的集中式串联补偿方法，本发明方法有效地减小了系统体积，降低了由寄生电容引起的额外损耗，极大地提高了系统的传输效率和功率密度，增强了IPT系统的传输能力。

附图说明

图1是谐振线圈单边线圈的等效模型I；

图2是谐振线圈单边线圈的等效模型II；

图3是谐振线圈单边线圈的等效模型III；

图4是对于低频工作条件下的松耦合变压器单边谐振线圈，b层n匝线圈的单层分段补偿示意图；

图5是低频工作条件下的松耦合变压器单边谐振线圈的单层分段串联补偿等效电路；

图6是对于高频工作条件下的松耦合变压器单边谐振线圈，单层平面螺旋线圈的单匝分段补偿电路连接关系示意图；

图7是单层螺线管线圈分段补偿电路的连接关系示意图；

图8是单匝分段补偿电路的等效电路图；

图9是四层24匝的方形线圈模型示意图，其中(a)为线圈模型图；(b)为(a)去除骨架之后的线圈模型图；(c)为(b)的正视图，(d)为(c)的局部放大正视图，(e)为(b)的俯视图，(f)为(e)的局部放大俯视图；

图10是图9的多层线圈寄生电容分布图；

图11是效果验证中采用的对比电路连接示意图，其中(a)为方案一的绕制方式及电路连接示意图，(b)为方案二的绕制方式及电路连接示意图；

图12是效果验证中采用的三种方案电感随频率变化曲线图；

图13是方案一的效果图，其中(a)为电感支路电流图，(b)为寄生电容电流分布图；

图14是方案二的效果图，其中(a)为电感支路电流图，(b)为寄生电容电流分布图；

图15是方案三的效果图，其中(a)为电感支路电流图，(b)为寄生电容电流分布图；

图16是单层15匝圆形线圈模型图，其中(a)为模型的俯视图，(b)为(a)的局部放大图；

图17是单层圆形线圈的寄生电容分布图；

图18是单匝分段串联补偿验证中，采用的方案一和方案二的电感随频率变化曲线图；

图19是单匝分段串联补偿验证中，方案一的效果图，其中(a)为电感支路电流图，(b)为寄生电容电流分布图；

图20是单匝分段串联补偿验证中，方案二的效果图，其中(a)为电感支路电流图，(b)为寄生电容电流分布图；

图21是具体实施例中，双边LCC补偿拓扑的系统电路图；

图22是实验一中逆变器的输出电压和电流及流入第一和第二层线圈的电流图；图中u_AB是逆变器的输出电压，i_LP1是逆变器的输出电流，i₁是流入第一层的线圈电流，i₇是流入第二层的线圈电流；

图23是实验一中逆变器的输出电压和电流及流入第一和第三层线圈的电流图；图中i₁₃是流入第三层的线圈电流；

图24是实验一中逆变器的输出电压和电流及流入第一和第四层线圈的电流图；图中i₁₉是流入第四层的线圈电流；

图25是实验二中逆变器的输出电压和电流及流入第一和第二层线圈的电流图；图中Time表示时间；图中u_AB是逆变器的输出电压，i_LP1是逆变器的输出电流，i₁是流入第一层的线圈电流，i₇是流入第二层的线圈电流；

图26是实验二中逆变器的输出电压和电流及流入第一和第三层线圈的电流图；图中i₁₃是流入第三层的线圈电流

图27是实验二中逆变器的输出电压和电流及流入第一和第四层线圈的电流图，图中i₁₉是流入第四层的线圈电流。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1至图8所示，本发明提供了一种减小谐振变换器线圈损耗的分段串联补偿方法，包括，

按预设区分标准，将谐振线圈按工作频率的高低分为低频工作条件下的谐振线圈和高频工作条件下的谐振线圈；

所述工作频率的高低以谐振线圈的参数而定，为相对值；例如：可以将设计工作频率和超低频条件下的线圈自感进行对比，超低频条件小，线圈自感几乎不随频率变化，当比例在1～1.04以内时，仅采用单个电容在端部补偿；比例在1.04～1.2以内时，仅采用单层分段串联补偿；比例在1.2以上时，仅采用单匝分段串联补偿。另一方面，某些线圈只有一层，仅有一种单匝分段串联补偿可以使用，比例在1～1.04以内时，仅采用单个电容在端部补偿；比例在1.04以上时，仅采用单匝分段串联补偿。在传输距离和线圈尺寸比值比较大的应用中，线圈损耗在整个系统总损耗的占比非常高，以上选值范围需要进一步调整缩小比例范围。

对于低频工作条件下的谐振线圈，按线圈绕制顺序在其线圈的相邻层之间依次串联层间补偿电容进行单层分段补偿；并按谐振线圈的等效模型确定层间补偿电容的值；

对于高频工作条件下的谐振线圈，按线圈绕制顺序在其线圈的每相邻匝之间依次串联匝间补偿电容进行单匝分段补偿，并按谐振线圈的等效模型确定匝间补偿电容的值。

寄生电容的损耗在线圈损耗中的占比随线圈的工作频率升高而升高，同时，由于寄生电容的影响，线圈等效自感也随着工作频率的升高而升高。

通过分段串联补偿可以减小寄生电容损耗的占比，同时也可以减缓等效线圈自感随频率升高而升高的趋势；一定工作频率下，分段补偿可以保持线圈自感基本不变，但是工作频率进一步升高，等效线圈自感随频率升高而升高，损耗占比也增加，这时需要采用单匝分段串联补偿。单匝分段串联补偿的线圈损耗要比单层分段串联补偿小，但是绕指工艺更加负载复杂，线头多，需要串联的电容个数也多。

所述预设区分标准可以根据实际情况自行设定，或者根据本领域的实践经验进行设定。例如，可以将低频和设计工作频率条件下的线圈自感进行对比，当采用单层分段串联补偿线圈自感明显增加时，例如线圈自感增大了百分之一，说明线圈寄生电容的影响已经比较大了，其损耗也不能忽略，须改用单匝串联补偿。在传输距离和线圈尺寸比值比较大的应用中，线圈损耗在整个系统总损耗的占比非常高，线圈自感增大千分之一也不能被忽略，需要采用单匝分段串联补偿。

为了确定层间补偿电容或匝间补偿电容的容值，首先需要对谐振线圈进行等效处理。

图1是谐振线圈的等效模型I。线圈L分为n个部分，它们的电感值(称为分段电感)分别为L₁-L_n，它们的寄生电阻分别为R_L1-R_Ln；各部分之间存在寄生电容和耦合，它们之间的互感为M_(p，q)，其中p＝1、2、…、n，q＝1、2、…、n，并且p≠q；它们之间的寄生电容为C_(p，q)，这些寄生电容器的寄生电阻为R_C(p，q)；I₁-I_n是分别流入L₁-L_n的电流，U₁-U_n分别是电感L₁-L_n中点的电压，I_C(p，q)分别是寄生电容器C_(p，q)的电流。

并且，线圈的每个部分都被寄生电容分成两部分。L_m被分为L_(m，1)和L_(m，2)，R_Lm被分为R_L(m，1)和R_L(m，2)；M_{[(m，1)，(m，1)]}是L_(m，1)和L_(m，2)的互感，其中m＝1、2、…、n，它们满足公式(1)；M_{[(p1，p2)，(q1，q2)]}是L_(p1，p2)和L_(q1，q2)的互感，其中p1＝1、2、…、n，q1＝1、2、…、n，其中p1≠q1，p2＝1或2，q2＝1或2，它们满足公式(2)。因此，谐振线圈的等效模型II如图2所示。

将图2中所示的等效电路模型II用图3所示的等效电路III代替，电路的参数可通过公式(3)计算，式中L_m'，M'_(p，q)以及R'_Lm分别表示相应的等效分段电感、等效分段互感以及等效分段电感的寄生电阻。

一)下面对低频工作条件下的谐振线圈的补偿方式进行说明：

图4中，每层线圈的匝数为d＝n/b；补偿电容的参数设计如公式(4)，其中C_dm+1为第m层与第m+1层线圈之间的补偿电容取值。

作为第一种示例，所述层间补偿电容的计算方法可以包括：

其中d为每层线圈的匝数，b为谐振线圈的层数，n为线圈的总匝数，ω为线圈的谐振频率；C₁表示按绕制顺序线圈的第一层与第b层之间串联的层间补偿电容；L_{1_layer}是第一层线圈的等效自感和与其他层线圈的互感之和，L_{b_layer}是第b层线圈的等效自感和与其他层线圈的互感之和；

C_dm+1是第m层线圈与第m+1层线圈之间串联的层间补偿电容；L_{m_layer}是第m层线圈的等效自感和与其他层线圈的互感之和；L_d(m-1)+x为m层第x匝线圈的等效自感，M_(x,y)为第m层第x匝线圈与除了它本身以外变压器所有层线圈中第y匝线圈的等效互感。

结合图5所示，可以看到，经过单层分段补偿后，不同层相邻两匝线圈之间的电压差接近于零，则流过二者之间寄生电容的电流也非常小，谐振线圈的自感几乎不随频率变化，于是线圈的品质因数大大增加。

另外，所述第一种示例的电容值计算方法是为了达到最佳的补偿效果的理想化取值参考，实际工程应用中，为了方便取值，降低系统复杂度和系统成本，可令全部补偿电容的容值相等：

作为第二种示例，所述层间补偿电容的计算方法还可以包括：

使所有层间补偿电容的容值相等：

式中d为每层线圈的匝数，b为耦合变压器原边或副边线圈的层数，n为线圈的总匝数；ω为线圈的谐振频率，L为线圈的等效自感。

二)下面对高频工作条件下的谐振线圈的单匝分段串联补偿设计的补偿方式进行说明：

结合图6所示，当线圈为多层时可按照线圈绕制顺序为每一匝线圈串联补偿电容。

除此之外，螺线管线圈也是一种常见的线圈，被广泛应用于各种无线电能传输系统中。它可以看成是多层线圈的特例(即每层匝数d＝1，线圈匝数与层数相等)，对它进行单层分段补偿即为单匝分段补偿。图7是单层螺线管线圈分段补偿电路的连接关系示意图，线圈为多层时按照线圈绕制顺序为每一匝线圈串联补偿电容。

为了达到最佳的补偿效果，尽可能减小线圈寄生电容的影响，补偿电容的参数设计可按照公式(6)选取；

作为第三种示例，所述匝间补偿电容的计算方法可以包括：

式中C₁表示按绕制顺序的线圈第一匝起始侧串联的匝间补偿电容；C_m表示按绕制顺序的线圈第m-1匝与第m匝之间串联的匝间补偿电容；ω为线圈的谐振频率；

L_{1_turn}为第一匝线圈的等效自感和与其他匝线圈的互感之和，L_{n_turn}为第n匝线圈的等效自感和与其他匝线圈的互感之和，L_{m-1_turn}为第m-1匝线圈的等效自感和与其他匝线圈的互感之和，L_{m_turn}为第m匝线圈的等效自感和与其他匝线圈的互感之和；L_m为第m匝线圈的等效自感，M_(m,y)为第m匝线圈与除了它本身以外的第y匝线圈的等效互感，n为线圈的总匝数。

对于螺线管线圈而言，由于其每匝线圈长度相等，寄生电容分布高度对称，有时候为方便起见，也可令补偿电容取相同容值，尽管这种做法的补偿效果并非最佳，但是相比于传统的集中式串联补偿系统性能已经有很大提升，并且大大降低了计算的复杂度和系统成本，补偿电容的容值由公式(7)给出。

作为第四种示例，所述匝间补偿电容的计算方法还可以包括：

使所有匝间补偿电容的容值相等：

式中C₁表示按绕制顺序线圈的第一匝起始侧串联的匝间补偿电容，C_n表示按绕制顺序线圈的第n-1匝与第n匝之间串联的匝间补偿电容；n为线圈的总匝数，ω为线圈的谐振频率，L为线圈的等效自感。

结合图8所示，经过单匝分段补偿之后相邻两匝线圈之间的电压差几乎为零，其间寄生电容上流过的电流也很小，线圈自感不再随频率变化，线圈的整体品质因数得到提升。

下面，对本发明方法的效果进行验证：

1、单层分段串联补偿验证：

图9是一个四层24匝的方形线圈模型，线圈的外尺寸为16.6×153.4×153.4mm。对每一匝线圈进行编号如下：第一层从外到内编号为1-6，第二层从外到内编号为7-12，第三层从外到内编号为13-18，第四层从外到内编号为19-24。

多层线圈的寄生电容分布如图10所示，同时它们满足公式(8)，其中C_(p,q)表示第p匝线圈和第q匝线圈之间的寄生电容(p≠q)。由图10可知同一层中相邻的两匝线圈和不同层中的相邻线圈的寄生电容相对较大。

根据线圈缠绕方式和补偿的不同有三种方案。方案一：采用传统绕组方法和传统补偿方法，其电路连接如图11(a)所示。方案二：采用改进的绕组方法和传统的补偿方法，它的电路连接如图11(b)所示。方案三：采用改进的绕组方法和单层分段补偿方法，电路连接如图4所示。三种方案对应的线圈等效电感随频率变化曲线如图12所示，可以看到，与方案一相比，在改变相同频率的前提下，方案二采用改进缠绕方式的线圈自感变化量显著减小；方案三中线圈等效自感的变化量则是三者之中最小的，在2MHz的频率范围内自感几乎不随频率变化，这说明改进的绕制方式和新型的单层分段串联补偿方法均能有效减小寄生电容的影响。

选取一组参数进行仿真，不同方案的电路参数如表1所示。由表1可知三种方案的等效串联电容值相同，但是电路的谐振频率却不相同，其中方案一的谐振频率最低，方案三的谐振频率最高，这是因为相同频率下方案一的等效电感最大，方案三的等效电感值最小。

表1不同方案的电路参数I

在不同的方案下，当流入线圈的电流为1A时，流过线圈每一匝的电流和线圈的寄生电容的电流如图13至图15所示。与方案一相比，方案二中流过线圈的电流要小得多，这说明方案二流过线圈寄生电容的电流较小。但是，与流过线圈的电流相比，流过寄生电容的电流最高占比可达8％，故由寄生电容引起的损耗仍然很大。与其他两种方案相比，第三方案中流过寄生电容的电流大大减小，其损耗也大大减小。

2、单匝分段串联补偿验证：

图16是一个15匝的单层圆形线圈模型，从外到内编号依次为1-15。

如图17所示，显然相邻两匝线圈之间的寄生电容最大，因此有必要在相邻线圈之间进行补偿，即采取单匝分段补偿的方法尽可能消除寄生电容的影响；各寄生电容之间的关系满足公式(8)。

为了证明单匝分段串联补偿的有效性，设置了两个对比方案，它们采用了不同的补偿方法。方案一：传统的补偿方法即端部补偿方式；方案二：单匝分段串联补偿。两种方案对应的等效电感随频率变化曲线如图18所示，与方案一相比，改变相同频率，方案二中改进缠绕方式的线圈自感的变化量大大减小，线圈等效自感几乎不随频率发生变化。

选取一组参数进行仿真，不同方案的电路参数如表2所示。两种方案的等效串联电容值相同，但是电路的谐振频率却不相同，方案二的谐振频率大于方案一，这是因为相同频率下方案一的等效电感比方案二的等效电感值大。

表2不同方案的电路参数II

在两种不同的方案下，当流入线圈的电流为1A时，流经线圈每匝的电流和线圈的寄生电容的电流如图19和图20所示。与方案一相比，流经方案二中线圈寄生电容的电流大大减小，其损耗也大大减小。

综上所述可知，本发明方法所提出的新型分段串联补偿方法可以大大降低寄生电容两端的电压，减少流过寄生电容的电流，从而减小系统额外损耗，提高传输效率，增强系统传输能力。

下面通过具体实施例进行进一步说明：

具体实施例：

为了验证分段串联补偿的有效性，绕制了两个如图9所示的4层24匝的方形线圈，两个线圈平行正对放置，传输距离45cm。线圈缠绕方式如图11所示。设置两个对比实验，实验一：分别对原副边线圈进行单个端部串联补偿；实验二：分别对原副边线圈进行单层分段串联补偿。采用双边LCC补偿拓扑，系统的电路图如图21所示，原边线圈在逆变器一侧，副边线圈在整流器一侧。

实验一的电路参数如表3所示。输入电压为26V，输入功率55W，由于寄生电容的影响，降低了线圈的整体品质因素，产生了大量的额外损耗，导致输出功率仅有2.2W，系统效率仅有4.1％。

表3 S/SP补偿拓扑电路参数I

实验一中逆变器的输出电压和电流及流入原边每层线圈的电流如图22至图24所示。通过观察发现，流入第二、第三和第四层线圈的电流明显大于流入第一层线圈的电流，流入第三层线圈的电流略大于流入第二和第四线圈的电流，这与上述分析相符。相邻两层电流的差值被线圈的寄生电容吸收，由于寄生电容的品质因数非常低，导致系统的效率非常低。

实验二的电路参数如表4所示。系统输入电压为42V，工作频率为1.468Mhz，在耦合系数和输入功率基本不变的情况下，输出功率由传统补偿方法的2.2W提升至20W，系统效率也由传统方法的4.1％提升至37％。

表4 S/SP补偿拓扑电路参数II

实验二中逆变器的输出电压和电流及流入每层线圈的电流如图25至图27所示，流入第一、第二、第三和第四层线圈的电流基本相同，相邻两层电流的差值非常小，所以流经线圈寄生电容的电流也非常小，系统效率被大幅度提升。

分别对实验一和实验二进行寄生参数分析和线圈损耗分析，结果对比如下：

表5寄生参数和线圈损耗对比

综上所述，所提出谐振线圈的新型分段串联补偿方法能有效减小寄生电容的影响。与传统的串联补偿方法相比，该方法能有效增大线圈的品质因数，降低线圈损耗。在实际应用中，采用新型分段串联补偿方法，能显著提升系统传输效率，增大系统功率密度。该方法有望在高距径比、远距离传输的IPT系统中取得广泛的应用。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。

Claims (5)

1.一种减小谐振变换器线圈损耗的分段串联补偿方法，其特征在于包括，

按预设区分标准，将谐振线圈按工作频率的高低分为低频工作条件下的谐振线圈和高频工作条件下的谐振线圈；

所述工作频率的高低以谐振线圈的参数而定，为相对值；

对于低频工作条件下的谐振线圈，按线圈绕制顺序在其线圈的相邻层之间依次串联层间补偿电容进行单层分段补偿；并按谐振线圈的等效模型确定层间补偿电容的值；

对于高频工作条件下的谐振线圈，按线圈绕制顺序在其线圈的每相邻匝之间依次串联匝间补偿电容进行单匝分段补偿，并按谐振线圈的等效模型确定匝间补偿电容的值。

2.根据权利要求1所述的减小谐振变换器线圈损耗的分段串联补偿方法，其特征在于，所述层间补偿电容的计算方法包括：

其中d为每层线圈的匝数，b为谐振线圈的层数，n为线圈的总匝数，ω为线圈的谐振频率；C₁表示按绕制顺序线圈的第一层与第b层之间串联的层间补偿电容；L_{1_layer}是第一层线圈的等效自感和与其他层线圈的互感之和，L_{b_layer}是第b层线圈的等效自感和与其他层线圈的互感之和；

C_dm+1是第m层线圈与第m+1层线圈之间串联的层间补偿电容；L_{m_layer}是第m层线圈的等效自感和与其他层线圈的互感之和；L_d(m-1)+x为m层第x匝线圈的等效自感，M_(x,y)为第m层第x匝线圈与除了它本身以外变压器所有层线圈中第y匝线圈的等效互感。

3.根据权利要求1所述的减小谐振变换器线圈损耗的分段串联补偿方法，其特征在于，所述层间补偿电容的计算方法包括：

使所有层间补偿电容的容值相等：

式中d为每层线圈的匝数，b为谐振线圈的层数，n为线圈的总匝数；ω为线圈的谐振频率，L为线圈的等效自感。

4.根据权利要求1所述的减小谐振变换器线圈损耗的分段串联补偿方法，其特征在于，所述匝间补偿电容的计算方法包括：

式中C₁表示按绕制顺序的线圈第一匝起始侧串联的匝间补偿电容；C_m表示按绕制顺序的线圈第m-1匝与第m匝之间串联的匝间补偿电容；ω为线圈的谐振频率；

L_{1_turn}为第一匝线圈的等效自感和与其他匝线圈的互感之和，L_{n_turn}为第n匝线圈的等效自感和与其他匝线圈的互感之和，L_{m-1_turn}为第m-1匝线圈的等效自感和与其他匝线圈的互感之和，L_{m_turn}为第m匝线圈的等效自感和与其他匝线圈的互感之和；L_m为第m匝线圈的等效自感，M_(m,y)为第m匝线圈与除了它本身以外的第y匝线圈的等效互感，n为线圈的总匝数。

5.根据权利要求1所述的减小谐振变换器线圈损耗的分段串联补偿方法，其特征在于，所述匝间补偿电容的计算方法包括：

使所有匝间补偿电容的容值相等：

式中C₁表示按绕制顺序线圈的第一匝起始侧串联的匝间补偿电容，C_n表示按绕制顺序线圈的第n-1匝与第n匝之间串联的匝间补偿电容；n为线圈的总匝数，ω为线圈的谐振频率，L为线圈的等效自感。

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