4. 谐振网络基础
在谐振式无线充电系统中，谐振网络承担着“能量整形”和“阻抗变换”的双重任务。发射端与接收端线圈本身是弱耦合、漏感较大的松耦合变压器，若不进行补偿，系统功率因数低、无功环流大、开关管应力高。补偿拓扑的作用，就是通过电容与线圈电感的谐振，使变换器在特定频率下呈现所需阻抗特性，从而提升传输效率与功率密度。
一、核心原理：为什么需要谐振补偿
无线充电线圈可等效为漏感、励磁电感与寄生电阻的组合。以串联补偿为例，发射线圈自感为 Lp，串联补偿电容为 Cp，当工作频率满足 ω0 = 1/√(LpCp) 时，发射回路呈现纯阻性，电流与电压同相，无功功率被本地电容吸收，电源只需提供有功功率。接收端同理，通过补偿电容抵消接收线圈自感，使负载获得最大有功分量。
不同拓扑的本质区别在于：补偿电容与线圈是串联还是并联、是否引入额外谐振电感、以及是否利用变压器漏感作为谐振元件。这些结构差异直接决定了输入阻抗、输出增益、软开关范围和负载调整率。
二、四种典型补偿拓扑的结构与阻抗特性
下面用一张关系图对比串联谐振、并联谐振、LCC 与 LLC 四种拓扑的结构特征、阻抗表达式和典型适用条件。
三、方法流程：如何选择补偿拓扑
拓扑选择不是“越复杂越好”，而是围绕系统指标做权衡。建议按以下流程推进：
- 明确功率等级与传输距离。小功率（<100W）优先 SS/PP；中大功率（>1kW）优先 LCC/LLC。
- 评估耦合系数变化范围。耦合变化大时，SS 增益波动明显，LCC 的恒流特性更稳。
- 确定负载特性。恒流充电选 LCC 或 SS；恒压输出选 PP 或 LLC。
- 核算开关管应力。并联谐振环流大，需选低导通电阻器件；LLC 需关注励磁电流与死区时间。
- 验证软开关范围。LLC 通过双谐振峰拓宽 ZVS，LCC 需校核全负载段相位。
四、案例场景：EV 无线充电的 LCC-LCC 设计
某 3.3kW 电动汽车无线充电样机，发射端与接收端均采用 LCC 补偿。发射线圈自感 Lp = 120μH，接收线圈 Ls = 120μH，耦合系数 k 在 0.15～0.25 之间变化。设计目标为恒流输出 8A，工作频率 85kHz。
发射端 LCC 参数：
Lp1 = 40μH （串联谐振电感）
Cp1 = 88nF （并联补偿电容）
Cp2 = 35nF （串联补偿电容）
接收端 LCC 参数：
Ls1 = 40μH
Cs1 = 88nF
Cs2 = 35nF
谐振频率校核：
f0 = 1/(2π√(Lp1·Cp1)) ≈ 85.0kHz
恒流增益：
Iout ≈ Vin / (ω0·Lp1) ≈ 8.1A
实测表明，当耦合系数从 0.25 降至 0.15 时，输出电流仅变化 4.2%，验证了 LCC 的恒流特性。若改用 SS 拓扑，同样耦合变化下输出电流波动超过 30%，无法满足电池充电要求。
五、误区与复盘
误区一：谐振频率越高越好。提高频率可减小元件体积，但开关损耗、趋肤效应和 EMI 会同步上升。85kHz 是 Qi 与 EV 充电的折中选择。
误区二：忽略线圈寄生电阻。品质因数 Q = ωL/R 直接决定谐振峰尖锐度。若忽略 R，仿真增益会偏乐观，实测效率可能低 5%～10%。
误区三：LLC 一定比 LCC 好。LLC 适合宽电压范围 DC/DC，但在无线充电中，LCC 的恒流输出更契合电池充电曲线，且元件数量更少。
六、四种拓扑关键参数对比清单
| 拓扑 | 谐振元件 | 输出特性 | 耦合敏感度 | 典型功率 | 适用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| 串联谐振 SS | C 与 L 串联 | 恒流 | 高 | <500W | Qi 标准、小功率恒流 |
| 并联谐振 PP | C 与 L 并联 | 恒压 | 高 | <300W | 小功率恒压供电 |
| LCC | L + C + C | 恒流/恒压可切换 | 低 | 1–10kW | EV 无线充电、宽耦合 |
| LLC | L + L + C | 宽范围可调 | 中 | 1–20kW | 大功率 DC/DC、ZVS 场景 |
总结来看，串联与并联谐振是基础拓扑，结构简单但耦合敏感；LCC 通过引入串联电感实现负载无关恒流，适合电动汽车无线充电；LLC 利用双电感拓宽增益与软开关范围，适合宽电压输入的大功率变换。工程选型时，应把功率等级、耦合变化、负载曲线和控制复杂度放在同一张表里权衡，而不是孤立地比较单一指标。