这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：

无线能量传输系统中LCC-S补偿拓扑的混合控制策略研究

作者及发表信息
本研究的作者包括Xiaoqiang Wang、Jianping Xu（IEEE会员）、Minrui Leng（IEEE学生会员）、Hongbo Ma（IEEE会员）和Shuze He，均来自中国西南交通大学电气工程学院及磁悬浮技术与磁浮车辆教育部重点实验室。研究成果发表于2021年9月的《IEEE Transactions on Industrial Electronics》（第68卷第9期），论文标题为《A Hybrid Control Strategy of LCC-S Compensated WPT System for Wide Output Voltage and ZVS Range with Minimized Reactive Current》。

学术背景
无线能量传输（Wireless Power Transfer, WPT）技术因其安全、便捷和电气隔离等优势，在电动汽车充电和储能系统中备受关注。然而，传统WPT系统在宽输出电压调节和高效零电压开关（Zero Voltage Switching, ZVS）方面存在挑战。LCC-S（电感-电容-电容串联）补偿拓扑因其对耦合系数不敏感且具有固有短路保护特性，成为研究热点。然而，现有控制策略（如相位偏移调制PSM）在轻载时存在谐振槽无功电流大、效率低等问题。本研究旨在提出一种结合PSM和开关控制电容（Switch-Controlled Capacitor, SCC）的混合控制策略，以实现宽输出电压范围、ZVS操作及最小化无功电流。

研究流程
1. 系统建模与分析
- 研究对象：LCC-S补偿拓扑的WPT系统，输入电压400V，输出电压100–250V，功率500W。
- 方法：通过频域和时域模型分析LCC-S拓扑的输入阻抗、谐振电流特性，推导输出电压与相位偏移角ϕ的关系（公式6）。
- 创新点：提出通过调节等效电容（β参数）实现ZVS，并利用SCC动态调整β值。

1. 混合控制策略设计

   • SCC工作原理：通过控制开关角度δ调节等效电容（公式15），结合电压分压电容Cy抑制开关峰值电压。
     
   • PSM与SCC协同：建立ϕ与δ的非线性关系（公式33），通过单反馈环路同时调节输出电压和ZVS条件。
     
   • 实验验证：搭建500W原型机，测试不同输出电压（100V、180V、250V）下的ZVS性能和谐振电流。
     

2. 效率优化与损耗分析

   • 损耗模型：量化逆变器、磁耦合器、SCC和整流器的损耗（公式16–21），对比传统PSM-nβ（固定β=1）和PSM-sβ（固定β=0.12）策略的效率差异。
     
   • 热性能测试：通过红外热像仪（FLIR E40）测量关键部件温升，验证系统稳定性。
     

主要结果
1. ZVS与无功电流优化
- 在100–250V全输出电压范围内，混合控制策略实现了ZVS操作，阈值电流izvs稳定在2A（图18），而传统PSM-nβ在轻载时无法满足ZVS条件（图16）。
- 谐振槽无功电流显著降低，PSM-sβ的无功电流高达16.2A（图17），而混合策略将其控制在2A左右（图18）。

1. 效率提升

   • 混合策略的峰值效率达94.7%，较PSM-sβ（91.0%）和PSM-nβ（92.6%）分别提升3.7%和2.1%（图24）。
     
   • 轻载时（100W），效率仍优于传统方法（图25），得益于SCC的ZVS操作和动态β调节。
     

2. 动态响应与鲁棒性

   • 输出电压阶跃变化（140V→210V）的响应时间为35ms，负载突变（100W→500W）为42ms（图21）。
     
   • 耦合系数从0.2降至0.15时，系统仍能稳定输出200V，但izvs从2.5A增至6.2A（图23）。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 提出了一种基于非线性拟合的混合控制策略，首次实现LCC-S拓扑在宽电压范围内的ZVS与最小无功电流协同优化。
- 揭示了β参数对ZVS和谐振电流的影响机制（图11），为WPT系统设计提供了理论依据。

1. 应用价值
   
   • 适用于电动汽车充电等需宽电压调节的场景，避免了传统两级结构的效率损失。
     
   • 单反馈环路设计简化了控制复杂度，降低了硬件成本。
     

研究亮点
1. 创新方法：结合SCC与PSM的混合控制策略，仅需单反馈环路即可同步调节输出电压和ZVS。
2. 实验验证：通过500W原型机全面验证了理论分析，数据与仿真高度吻合（图11）。
3. 多目标优化：同时解决宽电压调节、ZVS、效率提升三大挑战，为WPT领域提供了新思路。

其他价值
- 提出的SCC控制方法可扩展至其他谐振拓扑（如LLC），为高频功率转换器设计提供参考。
- 无线通信链路故障保护机制（1ms断电响应）增强了系统可靠性（图22）。

（报告总字数：约1500字）