功率變換器的案例
電動汽車電驅動系統詳解及常見故障分析
但是，直流電機的絕對效率低，體積、質量大，碳刷和換向器維護量大，散熱困難等缺陷，使其在現代電動汽車中應用越來越少。隨著電力電子技術、大規模集成電路和計算機技術的發展以及新材料的出現和現代控制理論的應用，機電一體化的交流驅動系統顯示了它的優越性，如效率高、能量密度大、驅動力大、有效的再生制動、工作可靠和幾乎無需維護等，使得交流驅動系統開始越來越多地應用于電動汽車中。目前在電動汽車中，主要采用永磁同步電機(PMSM)驅動系統、開關磁阻電機(SRM)驅動系統和異步感應電機(肼)驅動系統。
2．變速器
電動汽車用的驅動電機具有寬廣的運行范圍，并且在低速恒轉矩區和高速弱磁區具有良好的轉矩．轉速性能，為了提高傳動系統效率，可以去掉內燃機汽車中必備的十分笨重的機械齒輪變速器，代之以固定速比減速器的傳動系統。固定速比的確非常重要，如果選擇不合適，將對整車的性能產生不利影響。通過多次仿真和實驗測試，可對電動汽車的固定速比進行優化設計，使之具有良好的傳動性能。
3．功率變換器
在現代電動汽車電驅動系統中，通過功率變換器將電池儲存的直流電經電壓/頻率變換后供給電機和其他交流負載使用。功率轉換器技術發展的目標是要達到高功率密度、高效率、高可控性和高可靠性。功率變換器常見的是三相全橋的拓撲結構，其中，尤以電壓型逆變器為研究最多，而控制方式也是PWM調制占主流。此外，某些電驅動系統的能量源如超級電容等，也會用到DC—DC變換器以控制各能量源的功率流動。對于電動汽車，在選用功率器件時，必須考慮額定值、轉換效率、功率損耗、基極/門極的可驅動性、動態特性、堅固可靠性、成熟性與成本等要求。
4、電子控制器
電子控制器即電動機調速控制裝置是為電動汽車的變速和方向變換等設置的，其作用是控制電動機的電壓或電流，完成電動機的驅動轉矩和旋轉方向的控制。
展開 2025大賽優秀作品 | 有直流偏磁PWM波電壓勵磁磁心損耗的有限元仿真
然而，其內部自帶的磁心損耗密度模型不足以支持現有功率變換器中磁性元件磁心損耗仿真計算。但是，結合有限元仿真軟件Maxwell 和PyAnsys 二次開發接口，給有直流偏磁PWM波電壓勵磁磁心損耗的精確仿真提供有力支持。并且有望實現更復雜的高低頻復合波勵磁磁心損耗的精確仿真計算。
功率變換器中磁性元件的勵磁波形
有直流偏磁高頻脈寬調制波（Pulse Width Modulation, PWM）電壓勵磁的磁心損耗精確計算是業內難點。本文基于磁性材料磁化特性和磁心損耗的準確測量和模型建立，利用有限元仿真軟件Ansys Maxwell 提出精確獲得磁心交流磁通密度和直流磁通密度分布的方法，進一步提出能精確計算有直流偏磁高頻PWM 波勵磁磁心損耗的仿真方案。利用提出的仿真方案分析計算標準磁環和EE 形磁心的磁心損耗，將仿真結果與實驗測量結果比較驗證精度。該方案為同材質不同形狀的異型磁心磁心損耗的精確計算提供理論依據。
挑戰/需求
功率變換器中磁性元件的磁心形狀
磁性元件的體積、損耗和重量在功率變換器中占比非常大。磁性元件磁心損耗精確量化是磁性元件優化設計和熱設計的必備條件。磁性元件的勵磁波形是有/無直流偏置PWM 波電壓，磁心形狀復雜多樣，磁心材料種類繁多。磁性元件磁心損耗的精確量化非常困難。
展開 集成式無線充電：開創AGV機器人充電新境界
目前市場上大部分工業無線充采用的是分立式無線充電系統，分立式無線充電系統是采取功率變換器與耦合線圈分離設計，這樣做不僅增加了硬件數量，還導致整個系統更加龐大和復雜，占用更多空間，并給安裝與維護工作增添了難度。相比之下，集成式無線充電系統就顯示出了其優勢。
集成式無線充電系統通過將發射和接收端的功率變換器與線圈集成到同一殼體中，大幅減少了組件數量，簡化了整體設計。這進一步降低了設備的尺寸和重量，非常適合對載重和體積有特別要求的應用場景，如AGV搬運機器人。這些機器人需要搬運重物同時保持自身輕巧以提升移動靈活性和效率，集成式無線充電技術恰好滿足了這些需求。
集成式系統的緊湊設計還有一個附加好處——提升機器人在高速移動時的穩定性和安全性。由于無線充電的功率變換器和耦合線圈緊密集成，它們之間的能效傳輸更加高效，減少了能量損耗，提高了充電速率。這對于需要24小時不間斷工作的AGV搬運機器人來說，是保持高效運作的關鍵要素。
機器人在實際工作中，還需面對各種熱量管理問題，而集成式無線充電系統因其構造中已包含散熱組件，使AGV機器人的設計者無需過多考慮額外的散熱措施。AGV機器人因此可以保持更長的工作周期，減少故障和維護時間，實現更高的可靠性和壽命。
集成式無線充電系統之所以十分適合AGV機器人，還因為其模塊化的設計理念。這種設計與過去的定制解決方案不同，模塊化組件可以快速方便地適配不同型號的機器人，大大減少了設計和組裝時間。生產商和終端用戶都能因此更靈活地部署和升級他們的機器人。
隨著市場需求的變化和技術的不斷進步，AGV機器人在未來可能會遇到新挑戰。
展開 物流自動化的未來趨勢：全球AGV無線充電標準大揭秘
魯渝能源AGV無線充電產品使用磁耦合諧振原理，采用高效率功率變換器，可以實現業界最小尺寸的接收端功率變換器，相比傳統的功率變換器，設備體積減小50%以上。并對耦合線圈進行了優化設計，可以實現最大充電電流200A的充電電流輸出，傳輸功率最大可以達到12KW，可以滿足各類大中小型AGV無線充電的需求。
隨著技術的不斷進步，未來是否會出現統一的全球AGV無線充電標準還需要觀察，但可以確定的是，無線充電技術將在AGV領域得到越來越廣泛的應用，并持續推動工業自動化和智能制造的發展。
AGV/AMR搬運機器人大功率無線充電方案
魯渝AGV無線充電器采用高效的功率變換器拓撲，優化耦合線圈設計，可實現最大充電電流200A的輸出，傳輸功率高達12KW，滿足各類大中小型AGV無線充電需求。產品集成了發射功率變換器與發射線圈耦合機構，模塊化接收線圈耦合機構和接收功率變換模組，便于用戶安裝和使用。</p><p>魯渝能源AGV/AMR大功率無線充電系統具備以下亮點特性：</p><p>1. 集成式整機設計：摒棄傳統無線充電產品的復雜設計，實現功能模組的高度集成。</p><p>2. 超高系統效率：充電電流最大可達200A，輔助高速充電進一步提升AGV的工作效率，系統效率達90%以上。</p><p>3. 多樣化安裝方式：內嵌式、隱藏式、外貼式三種安裝方式一應俱全，滿足不同AGV客戶需求。</p><p>4. 自適應多種電池類型：系統內置多種充電曲線，兼容鋰電池、鉛酸電池、鎳鉻電池等主流通用電池。</p><p>5. 多重安全保護：產品具備過壓、過流、過溫短路等多重安全保護機制，安全系數高。</p><p>魯渝能源深耕機器人無線充電領域十余載，致力于讓充電在智能機器世界變得更加靈動。讓我們共同期待AGV/AMR無線充電為工業領域帶來更大的革新與突破。</p>
展開 AGV無線充電效率：工業自動化的關鍵驅動力
磁感應充電技術已經在眾多消費性電子產品中得到了普及，而磁共振充電技術，更適用于大功率無線充電，則以其更遠的傳輸距離和更高的空間自由度漸漸受到矚目。
磁共振充電技術基于共振耦合的原理，通過在一定頻率下實現發送端和接收端線圈之間的共振，進而提高能量的傳輸效率和范圍。相較于磁感應充電技術，磁共振充電能夠處理更遠的傳輸距離和更加靈活的位置對準，使其更適合AGV這類自動化移動設備的應用。磁共振充電的效率可以高達85%以上，有效提升AGV的作業效率并減少能量損耗，在與傳統接觸式的自動充電系統相比也展現了明顯的優勢。
在這個技術的前沿領域，魯渝能源通過不懈的努力與創新，擁有40多項專利發明及總計80多項專利，展示了其在無線充電技術、尤其是大功率無線充電領域研究與開發方面的深厚實力。魯渝能源的無線充電產品可以實現最高200A的充電電流，所有千瓦級充電產品效率都能達到 85%-95% 區間，顛覆了公眾對無線充電相較有線充電低效的固有印象。
利用磁場耦合諧振的原理，魯渝能源的AGV無線充電技術，采用了高效率的功率變換器拓撲，并對耦合線圈進行了精心的優化設計，實現了高達200A的充電電流輸出和最大12KW的傳輸功率，整體系統效率達到90%以上。這一創新不僅實現了高效率的能量傳輸，也使得充電過程無需插拔、無需接觸，僅需靠近便可向機器人傳遞電能。
此外，該系統在支持快速充電的同時，保證了發熱量最小和功率變換器的低溫升，確保了高穩定性和超過5萬小時的長期穩定工作。AGV無線充電系統內置了多樣的充電曲線，能夠自動兼容各類型電池，包括鋰電池、鉛酸電池以及鎳鉻電池等，滿足各種規模的AGV無線充電需求。
展開 AGV無人叉車充電新選擇：魯渝能源的高效無線充電解決方案
為此，魯渝能源憑借十余年深耕無線充電行業的豐富經驗，推出了專為AGV無人叉車設計的大功率無線充電系統，打造智能物流。
魯渝能源的無線充電系統是集成式設計，通過將發射和接收端的功率變換器與線圈集成到同一殼體中，大幅減少了組件數量，簡化了整體設計。這種創新的設計大大降低了設備的尺寸和重量，非常適合對載重和體積有特別要求的應用場景。對于需要搬運重物且要求自身輕巧以提升移動靈活性的AGV無人叉車器人來說，這一集成式無線充電技術恰到好處地滿足了其需求。
魯渝能源的無線充電系統不僅體積小巧，還具備卓越的充電效率。其大功率無線充電系統整體效率高達90%以上，能夠實現大電流充電無火花操作，確保安全性的同時提升充電速度。無需精確調整位置，高自由度的充電方式，使得AGV無人叉車能夠利用碎片化時間輕松完成充電，從而最大限度地提高工作效率。
安全可靠性是魯渝能源無線充電系統的核心優勢之一。其產品具備IP67防護等級，具有防水、防塵、防爆等特性，確保在各種惡劣環境下的穩定運行。此外，該系統的工作溫度范圍廣泛，從-40℃到50℃不等，濕度范圍覆蓋0-90%，表現出優異的耐候性能，適用于各種極端環境。
高效熱管理是魯渝能源無線充電系統的另一大特色。系統采用高效功率變換器，配備背置金屬鋁外殼，具有超強的散熱效果，確保設備在高功率充電過程中保持穩定的溫度，進一步提升了充電效率和設備壽命。
為了確保客戶的無憂使用體驗，魯渝能源提供全方位的專業技術服務。無論是現場安裝、培訓、設備調試，還是24小時響應服務，魯渝能源都力求做到盡善盡美。
展開 新能源汽車四種常用電機驅動系統詳解
另外，由于開關磁阻電動機輸出轉矩波動較大，功率變換器的直流電流波動也較大，所以在直流母線上需要裝置一個很大的濾波電容器。
(3)開關磁阻電動機的控制系統
開關磁阻電動機驅動系統的核心是開關磁阻電動機(SRM)，它涉及到電動機，電力電子，微機，控制，光電轉換，角度測量等等多學科知識，結構比較復雜，控制系統要求也比較獨特，感應電動機和永磁同步電動機的控制方法通常難以滿足系統的控制要求。目前電動汽車應用較少。它的主要研究方向是模型研究。
由于開關磁阻電機具有明顯的非線性特性，系統難于建模，一般的線性控制方式不適于開關磁阻電機系統。目前主要利用模糊邏輯控制、神經網絡控制等。
它的控制系統包括功率變換器、控制器和位置傳感器及速度檢測器等部分。
①功率變換器
開關磁阻電動機的勵磁繞組，無論通過正向電流或反向電流，其轉矩方向不變，期換向，每相只需要一個容量較小的功率開關管，功率變換器電路較簡單，不會出現直通故障，可靠性好，易于實現系統的軟啟動和四象限運行，具有較強的再生制動能力。成本比交流三相感應電動機的逆變器控制系統要低。
②控制器
控制器由微處理器、數字邏輯電路等元件組成。微處理器根據駕駛員輸入的命令，同時對位置檢測器、電流檢測器所反饋的電動機轉子位置，進行分析、處理，并在瞬間做出決策，發出一系列執行命令，來控制開關磁阻電動機適應電動汽車不同條件下運行。控制器性能好壞和調節的靈活性，取決于微處理器的軟件和硬件的性能配合關系。
展開 收藏｜常見開關電源優缺點對比
良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。
全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
施加在FET上的電壓是輸入電壓的兩倍。
8、Half-Bridge半橋
較高功率變換器極為常用的拓撲結構。
開關的驅動不同相，進行脈沖寬度調制以調節輸出電壓。
良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。而且初級繞組的利用率優于推挽電路。
全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
施加在FET上的電壓與輸入電壓相等。
9、Full-Bridge全橋
較高功率變換器最為常用的拓撲結構。
開關以對角對的形式驅動，進行脈沖寬度調制以調節輸出電壓。
良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。
全波拓撲結構，所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
施加在 FETs上的電壓與輸入電壓相等。
在給定的功率下，初級電流是半橋的一半。
10、SEPIC單端初級電感變換器
輸出電壓可以大于或小于輸入電壓。
與升壓電路一樣，輸入電流平滑，但是輸出電流不連續。
能量通過電容從輸入傳輸至輸出。
需要兩個電感。
11、C’uk(Slobodan C’uk的專利)
輸出反相。
輸出電壓的幅度可以大于或小于輸入。
輸入電流和輸出電流都是平滑的。
能量通過電容從輸入傳輸至輸出。
需要兩個電感。
電感可以耦合獲得零紋波電感電流。
三、電路工作的細節
下面講解幾種拓撲結構的工作細節。
1、Buck-降壓調整器-連續導電
電感電流連續。
展開 收藏｜常見開關電源優缺點對比
良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。
全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
施加在FET上的電壓是輸入電壓的兩倍。
8、Half-Bridge半橋
較高功率變換器極為常用的拓撲結構。
開關的驅動不同相，進行脈沖寬度調制以調節輸出電壓。
良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。而且初級繞組的利用率優于推挽電路。
全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
施加在FET上的電壓與輸入電壓相等。
9、Full-Bridge全橋
較高功率變換器最為常用的拓撲結構。
開關以對角對的形式驅動，進行脈沖寬度調制以調節輸出電壓。
良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。
全波拓撲結構，所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
施加在 FETs上的電壓與輸入電壓相等。
在給定的功率下，初級電流是半橋的一半。
10、SEPIC單端初級電感變換器
輸出電壓可以大于或小于輸入電壓。
與升壓電路一樣，輸入電流平滑，但是輸出電流不連續。
能量通過電容從輸入傳輸至輸出。
需要兩個電感。
11、C’uk(Slobodan C’uk的專利)
輸出反相。
輸出電壓的幅度可以大于或小于輸入。
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良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。
全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
施加在FET上的電壓是輸入電壓的兩倍。
8、Half-Bridge半橋
較高功率變換器極為常用的拓撲結構。
開關的驅動不同相，進行脈沖寬度調制以調節輸出電壓。
良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。而且初級繞組的利用率優于推挽電路。
全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
施加在FET上的電壓與輸入電壓相等。
9、Full-Bridge全橋
較高功率變換器最為常用的拓撲結構。
開關以對角對的形式驅動，進行脈沖寬度調制以調節輸出電壓。
良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。
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施加在 FETs上的電壓與輸入電壓相等。
在給定的功率下，初級電流是半橋的一半。
10、SEPIC單端初級電感變換器
輸出電壓可以大于或小于輸入電壓。
與升壓電路一樣，輸入電流平滑，但是輸出電流不連續。
能量通過電容從輸入傳輸至輸出。
需要兩個電感。
11、C’uk(Slobodan C’uk的專利)
輸出反相。
輸出電壓的幅度可以大于或小于輸入。
展開 
無線賦能，無限可能：魯渝能源——工業級無線充電技術提供商
</p><p> </p><p><strong>二、全場景覆蓋：從10W到30kW的完整產品矩陣</strong></p><p>工業無線充電的魅力在于其場景的多樣性——從幾瓦的傳感器到數十千瓦的重型車輛，不同設備對充電功率、體積、環境適應性有著截然不同的要求。魯渝能源的產品功率覆蓋10W至30kW，形成了三大系列、數十個型號的完整產品矩陣：</p><p>l <strong>防水無線充電系列</strong>：120W、180W、300W、600W、1200W、1500W、3000W、4500W、6000W等，防護等級IP67，適用于煤礦、電力、畜牧等潮濕、腐蝕性氣體或粉塵環境。</p><p>l <strong>防爆無線充電系列</strong>：180W、450W、500W、1200W、3000W等，通過Ex mb IIC T6 Gb / Ex mb IIIC T80℃ Db防爆認證，適用于石油、化工、煤礦等易燃易爆氣體或粉塵環境。</p><p>l <strong>AGV/AMR大功率無線充電系列</strong>：1500W、3000W、4500W、5500W、6000W及12kW/20kW開發中，適配產線AGV、無人叉車、重載RGV等移動機器人。</p><p><strong>每款產品均采用集成式設計——將功率變換器與耦合線圈封裝于同一殼體，相比傳統分立式方案體積減小約60%，安裝時間大幅縮短，可靠性顯著提升。</strong>基于宇稱-時間對稱性原理的PTSmart?技術，使產品在全工作范圍內（X、Y、Z三軸偏移）保持輸出功率和效率基本不變，無需高精度停靠對準。
展開 盤點 | 11種開關電源的拓撲結構特點
良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。
全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
施加在FET上的電壓是輸入電壓的兩倍。
8、Half-Bridge半橋
較高功率變換器極為常用的拓撲結構。
開關的驅動不同相，進行脈沖寬度調制以調節輸出電壓。
良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。而且初級繞組的利用率優于推挽電路。
全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
施加在FET上的電壓與輸入電壓相等。
9、Full-Bridge全橋
較高功率變換器最為常用的拓撲結構。
開關以對角對的形式驅動，進行脈沖寬度調制以調節輸出電壓。
良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。
全波拓撲結構，所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
施加在 FETs上的電壓與輸入電壓相等。
在給定的功率下，初級電流是半橋的一半。
10、SEPIC單端初級電感變換器
輸出電壓可以大于或小于輸入電壓。
與升壓電路一樣，輸入電流平滑，但是輸出電流不連續。
能量通過電容從輸入傳輸至輸出。
需要兩個電感。
11、C’uk(Slobodan C’uk的專利)
輸出反相。
輸出電壓的幅度可以大于或小于輸入。
輸入電流和輸出電流都是平滑的。
能量通過電容從輸入傳輸至輸出。
需要兩個電感。
電感可以耦合獲得零紋波電感電流。
展開 無位置傳感器的直流無刷電機控制系統設計與實現
該芯片具有高性能的16位定點DSP內核，采用改進的哈佛總線結構，具有專門的硬件乘法器，采用流水線操作，具有30MIPS的處理能力，大多數指令在單周期內即可執行完成。TMS320LF240x可以實現用軟件取代模擬器件，完成復雜的控制算法，方便地修改控制策略，修正控制參數，能滿足無傳感器直流無刷電機控制系統對實時控制的要求。
2.2DSP控制系統的硬件實現
DSP系統由TMS320LF2407A與仿真口（JTAG）等外圍電路構成。DSP內部已有32K字的FlashROM，但為了調試的方便（FlashROM中的程序不能設置斷點，且需專門的下載程序），外加了程序RAM，在程序經多次調試，成熟可靠時可寫人內部的FlashROM，通過設置相應的跳線，DSP復位時即可從內部的FlashROM來執行程序。DSP片上有544字的雙口RAM（DARAM），全部配置到數據空間，將程序中頻繁存取的變量分配到這部分雙口RAM中，以提高處理的速度。DSP片上還有2K字的單口RAM（SARAM）配置到數據空間，也用來存放臨時變量。
圖3是根據前述控制原理設計的基于DSP的直流無刷電機控制系統。該系統主要由直流無刷電機、功率變換器電路、電機轉子位置檢測電路、各種保護電路以及以TMS320LF240x為核心的數字控制器等構成，其中功率變換器電路由整流濾波電路、逆變器電路（IPM功率模塊）和相應的保護電路組成。
逆變器電路中的IPM模塊集成了多種保護功能，如過電壓保護、欠電壓保護以及過流保護等，當達到保護閾值時，IPM模塊通過FO引腳輸出一個低電平信號，并將此低電平信號送入DSP的PDPINTx引腳，觸發功率驅動保護中斷，將所有PWM輸出引腳設置為高阻態，以此來關斷驅動信號，起到保護電路的作用。
展開 常見開關電源優缺點對比
良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。
全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
施加在FET上的電壓是輸入電壓的兩倍。
8、Half-Bridge半橋
較高功率變換器極為常用的拓撲結構。
開關的驅動不同相，進行脈沖寬度調制以調節輸出電壓。
良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。而且初級繞組的利用率優于推挽電路。
全波拓撲結構,所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
施加在FET上的電壓與輸入電壓相等。
9、Full-Bridge全橋
較高功率變換器最為常用的拓撲結構。
開關以對角對的形式驅動，進行脈沖寬度調制以調節輸出電壓。
良好的變壓器磁芯利用率——在兩個半周期中都傳輸功率。
全波拓撲結構，所以輸出紋波頻率是變壓器頻率的兩倍。
施加在 FETs上的電壓與輸入電壓相等。
在給定的功率下，初級電流是半橋的一半。
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