本文是一篇电力论文，本文根据目前中高容量功率场合下门极驱动器供电系统存在的问题，研究了一种高阶补偿网络作为中继单元将能量在本级利用同时传向后级的多米诺WPT系统为门极驱动器供电。
1绪论
1.1研究背景
上世纪60年代起，前苏联、美国、日本等国开始进行高压输电的可行性研究。前苏联是最早开展高压输电技术研究的国家之一，于1985年建成了埃基巴斯图兹-科克切塔夫高压交流线路，总长约900km。日本于1993年在此前盐原、赤诚等高压研究基地的基础上建设了总长约430km的高压输电线路。同时美国、意大利等国也均在进行高压输电相关技术的研究，并取得了重要成果[1]。自上世纪80年代以来，我国电力传输技术的发展明显加快，既有高压直流输电和柔性交流输电等高新技术，同时也有对现有高压交流输电线路的增容改造技术。随着国内舟山五端、厦门工程以及豫鄂柔性直流输电工程顺利运行，将我国高压输电技术推向了一个崭新的台阶[2]，在高压输电领域内遥遥领先。
在高压输电技术发展如火如荼的今天，如何为这类中高容量功率场合下变换器内级联的多个开关器件的门极驱动器提供更加安全、稳定的供电方式，成为了目前建设新的高压输电线路和确保已有高压输电线路平稳可靠运行的关键。如图1-1、图1-2所示，目前针对中高容量功率场合下的门极驱动器传统供电方式的研究多种多样，比如采用输入端串联输出端并联结构（input-series and output-parallel，ISOP）的反激变换器、级联变压器搭配多磁环和利用蓝宝石衬底由底层向顶层实现电气隔离等供电方式。
1.2研究意义
传统ISOP反激变换器供电方式的控制方式较为复杂，并且需要增加控制电路和输入电压不平衡保护电路，否则各变换器间的输入电压分布均匀和同步启动难以保证。而级联变压器搭配多磁环的供电方式设计复杂、建设成本高，不同驱动器的供电单元由于存在耦合会相互影响可能导致主电路开关器件的误动作。此外，利用蓝宝石衬底由底层向顶层实现电气隔离等供电方式大都存在不满足安全需要或系统体积庞大、设备成本高等问题。
相比于传统的门极驱动器供电系统，将WPT供电系统应用在中高容量功率场合下门极驱动器的供电方式上展现出了自己的优越性。最大的特点就是WPT系统天然存在气隙，无需施加复杂的辅助电路或控制方式即可达到电气隔离的目的，安全性和经济性较好[11]。尤其随着高压输电技术的进一步发展，中高容量功率场合下的传统门极驱动器供电系统设计上可能会出现控制方式变得更加复杂，电路设计成本和复杂性进一步提高等情况。因此，WPT方式就是一个很好的选择。
但是在采用WPT方式供电时，门极驱动器供电系统与传统电动汽车或有轨电车等场合下的储能型负载相比具有一定的特殊性，因此对WPT系统提出了以下几点要求：
1、为了能够实现多路输出对多个门极驱动器供电，所以耦合机构需要采用单发射线圈多接收线圈或多发射线圈多接收线圈的结构；
2、中高压主系统需要运行在平稳可靠安全的状态下，多个门极驱动器需要保证同时供电，这是多个门极驱动器供电系统的硬性要求，所以WPT供电系统的多个接收单元需要能够同时工作；
2多米诺WPT系统原理及中继单元设计
2.1 WPT原理及系统构成
电磁耦合式WPT系统由发射端、耦合机构和接收端组成。工频交流电经过整流、高频逆变送入原边发射端，通过原边补偿网络产生高频交变电流，根据电磁感应原理，副边接收端感应到原边产生的高频磁场后再产生交变电流，经过副边补偿网络为负载供能，实现能量的无线传输。
2.1.1线圈的互感耦合模型
目前，学者们通常采用耦合模理论或互感理论对电磁耦合式WPT系统进行建模分析。互感理论相较于耦合模理论分析、计算较为简便，它将WPT系统补偿网络等效成为互感模型或漏感模型进行分析，逐渐成为WPT系统的主流分析方法。
磁通量存在于电磁耦合式WPT系统可以根据副边有无负载分为两种情况，如图2-1所示，图中N1为原边线圈，N2为副边线圈，Φ11、Φ22、Φ12和Φ21分别为自身和其他线圈产生磁场穿过线圈的磁通量。
图2-1（a）和（b）分别为接收端带负载和不带负载时的磁通量示意图。图2-1（b）与图2-1（a）的不同之处在于接收端通过负载能够形成通路，当发射端接入交流电压源时，接收端感应到原边产生的高频交变磁场后，接收端产生的磁通链也会对影响发射线圈电流，发射端与接收端通过这样的方式构成能量传输通道。
2.2高阶补偿网络输出特性分析
WPT系统中，采用高阶补偿网络具有输出增益易调节、设计自由度高等优点。通常对其进行T型或型等效以便快速分析出高阶网络的输出特性和其他特性。本章节分析了T型和型两种网络不同输入源时的输出特性，并且基于此进一步研究了高阶组合补偿网络的特性，以便分析选取出本文适用的网络。
在WPT系统中，不论是原副边直接采用T型或型高阶补偿网络补偿网络进行补偿，还是一侧采用单电容或L型基本补偿拓扑，均可以根据互感原理与耦合机构组成T型或型网络，进而化为高阶组合补偿网络整体进行分析。本文进一步分析了高阶组合补偿网络的输出特性和ZPA条件。由于门极驱动器需要恒定电压供电，因此在分析时仅考虑了负载无关特性下恒压输出的情况。
S-CLC补偿网络具有补偿元件数量适中、设计自由度高、对参数敏感性较低等优点，并且仅含有一个补偿电感元件，在高频情况下能够减少补偿电感的趋肤效应和邻近效应引起的发热和效率降低。因此本文选用S-CLC网络作为WPT系统内中继单元的补偿网络。本文采用上节高阶组合补偿网络的分析方法将S-CLC网络设计成为不同工作模式的组合，推导出其负载无关特性下恒压输出条件和简化输入阻抗表达式，以此设计补偿元件来实现系统的ZPA特性。
3 多米诺WPT系统负载无关特性分析 .......................... 27
3.1 忽略寄生电阻时多米诺WPT系统模型及负载无关特性分析 .. 27
3.2 考虑寄生电阻时多米诺WPT系统模型及负载无关特性分析 .. 28
4 仿真与实验验证 .............................. 39
4.1 仿真分析验证 ................................ 39
4.1.1 电路模型及参数 ........................... 39
4.1.2 理想情况仿真验证 ............................ 40
5 总结与展望..................... 52
5.1 总结 .................................. 52
5.2 展望 ................................ 52
4仿真与实验验证
4.1仿真分析验证
为了验证多米诺WPT供电系统设计的合理性以及负载无关特性下恒压输出分析的正确性，本章在PSIM仿真软件中搭建了电路模型进行仿真，并对仿真结果进行分析。
4.1.1电路模型及参数
搭建的电路仿真模型如图4-1所示，表4-1和表4-2为主要仿真参数。其中四个中继单元分别对四个驱动电阻供电，负载处用延时触发开关来模拟WPT系统供电过程中驱动电阻RL的变化，以来验证负载无关特性下恒压输出的效果。
5总结与展望
5.1总结
本文根据目前中高容量功率场合下门极驱动器供电系统存在的问题，研究了一种高阶补偿网络作为中继单元将能量在本级利用同时传向后级的多米诺WPT系统为门极驱动器供电。相比于传统供电方式，WPT供电方式具有设计简便、成本较低、电气隔离能力强以及安全性高等优点。但是门极驱动器供电系统与传统单储能型负载不同，对WPT系统提出了能够多负载运行、输出电压不受驱动电阻变化影响的要求。
根据门极驱动器供电系统的要求，本文首先对WPT技术原理和系统构成进行了说明，进一步对多米诺WPT系统进行设计，其中主要利用二端口网络分析方法对T型、型补偿网络和高阶组合网络的不同工作模式进行建模分析。基于高阶组合网络的分析，将S-CLC网络构建为双T型网络，推导出其在不同工作模式下的输出特性和ZPA条件，从而确立了S-CLC补偿网络作为多米诺WPT系统中继单元的适用性。然后对忽略寄生电阻时的系统模型进行分析，推导出了电压增益表达式及影响负载无关特性下恒压输出效果的主要参数。并且针对线圈寄生电阻对系统输出电压造成的影响进行分析，推导出使电压均匀分布的设计方法，给出了完整的系统参数设计步骤和流程图。最后搭建PSIM仿真模型和实验平台，仿真和实验结果表明该电路在供电过程中能够实现多路负载无关特性下的恒压输出和ZPA特性，验证了本文设计方案应用在多个门极驱动器供电系统中的正确性和有效性。
参考文献（略）
