CN103633749B - 一种谐振式无线电能传输发射电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振式无线电能传输发射电路，包括开关管（S）、储能电感（L₀）、软开关辅助电容（C₀）及谐振负载网络；所述开关管（S）的漏极与直流电压源正极连接，开关管（S）的源极分别与储能电感（L₀）的一端、谐振负载网络的一端连接；所述谐振负载网络的另一端、储能电感（L₀）的另一端与直流电压源负极连接；所述软开关辅助电容（C₀）并联在开关管（S）的两端，或并联在储能电感（L₀）两端。本发明采用一个开关管，电路结构简单，容易实现，适用于中小功率无线电能传输发射电路。

Description

一种谐振式无线电能传输发射电路

技术领域

本发明涉及无线电能传输技术领域，特别涉及一种谐振式无线电能传输发射电路。

背景技术

无线电能传输技术早在100多年前就由美国发明家特斯拉（NicolaTesla）在实验上得到尝试。1894年，从M.Hutin和M.Leblanc申请的专利（U.S.Patent527857）显示，他们尝试用3kHz的交流电给牵引电车感应供电，这可能是世界上第一个用感应方式给牵引电车供电的尝试。20世纪60年代非接触供电在植入式医疗设备的供电得到尝试。20世纪70年代的时候出现旋转变压器的概念，开始了现代感应式无线电能传输的研究。20世纪80年代感应式电能传输在电动汽车的无线充电方面得到了很好的理论探索和实践。20世纪90年代，新西兰奥克兰大学的学者丰富和完善了ICPT（InductivelyCoupledPowerTransfer，ICPT）技术，即感应耦合电能传输，其在1991年申请的专利（U.S.Patent5293308）成为近20年来感应电能传输系统的一个奠基石。2005年，香港城市大学的研究团队研制成功非接触充电平台，对无线电能传输的发展具有重要意义。2006年，麻省理工学院（MIT）的研究人员利用物理的共振技术成功的在2m距离左右以40%的效率点亮了一个60W的灯泡，该实验成为了无线电能传输技术的又一个新突破，并且掀起了无线电能传输研究的热潮。

无线电能传输技术是一种广泛应用前景的电能传输方式，具有安全、可靠、灵活、方便等优点，已经日益受到世界各国的重视，并越来越广泛应用于各种不适合或不方便使用有导线接触传输电能的地方，如植入式医疗设备、移动电子产品、机器人、轨道电车供电等场合，并有望在不久的将来能够在小功率电子产品无线充电方面取代传统的插头充电。

作为无线电能传输的发射电路，特别是作为高频的谐振式无线电能传输的发射电路，国内外已经有了比较深入的研究。作为传统的线性功率放大电路，如A类、B类、C类功率放大电路，其技术已经相当成熟，但这些功率放大电路普遍存在效率不高的问题。开关型的D类、E类、DE类功率放大电路克服了传统型功率放大电路的缺点，使开关管工作在开关状态，提高了功率放大电路的转换效率。谐振变换器作为无线电能传输的发射装置也早已有研究，但是由于功率器件的技术限制了输出功率和工作频率无法做得很高。并且，开关器件的增多也增加了系统的复杂性和成本。

目前作为无线电能传输发射电路的类型还是比较少，而且很多功率放大电路也不适合作为无线电能传输的发射电路。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种谐振式无线电能传输发射电路。

本发明通过如下技术方案实现：

一种谐振式无线电能传输发射电路，包括开关管S、储能电感L₀、软开关辅助电容C₀及谐振负载网络；

所述开关管S的漏极与直流电压源正极连接，开关管S的源极分别与储能电感L₀的一端、谐振负载网络的一端连接；

所述谐振负载网络的另一端、储能电感L₀的另一端与直流电压源负极连接；

所述软开关辅助电容C₀并联在开关管S的两端，或并联在储能电感L₀两端。

所述谐振负载网络包括依次连接的谐振电感L₁、谐振电容C₁和等效负载R。

本发明的有益效果：

（1）本发明采用开关型功率放大电路结构，DC-AC转换效率高，理论效率达到100%；

（2）本发明采用一个开关管，电路结构简单，容易实现，适用于中小功率无线电能传输发射电路。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种谐振式无线电能传输发射电路的结构图；

图2为图1的输出电压波形图；

图3（a）～图3（b）为图1的开关管电流、电压波形图，其中图3（a）是开关管电流波形图，图3（b）是开关管电压波形图；

图4为本发明实施例2的一种谐振式无线电能传输发射电路的结构图；

图5为图4的输出电压波形图；

图6（a）～图6（b）为图1的开关管电流、电压波形图，其中图6（a）是开关管电流波形图，图6（b）是开关管电压波形图；

图7为本发明实施例3的电路结构图；

图8（a）～图8（b）为图7所示电路的开关管电流、电压波形图，其中图8（a）为电流波形图，图8（b）为电压波形图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种谐振式无线电能传输发射电路，包括开关管S、储能电感L₀、软开关辅助电容C₀及谐振负载网络；

所述开关管S的漏极与直流电压源正极连接，开关管S的源极分别与储能电感L₀的一端、谐振负载网络的一端连接；

所述谐振负载网络的另一端、储能电感L₀与直流电压源负极连接；

所述软开关辅助电容C₀并联在开关管S的两端，实现开关管S的零电压软开关和开关管S的电压零导数关断。

如图2、图3（a）～图3（b）分别为图1所示谐振负载网络等效负载R的输出电压波形和开关管S的电流、电压波形，由上述仿真结果看出，本发明的输出电压波形为畸变很小的正弦波，可以满足作为谐振式无线电能传输发射装置的要求。

实施例2

如图4所示，本实施例与实施例1不同之处在于，所述软开关辅助电容C₀并联在储能电感L₀的两端，实现开关管S的零电压软开关和开关管S的电压零导数关断。如图5、图6（a）～图6（b）为图4所示电路谐振负载网络等效负载R的输出电压波形和开关管S电流、电压波形，由上述仿真结果看出，本发明的输出电压波形为畸变很小的正弦波，可以满足作为谐振式无线电能传输发射装置的要求。

实施例1及实施例2电路中基本参数如下：输入电压：V_in=12V；工作频率：f=1MHz；储能电感：L₀=120μH；软开关辅助电容：C₀=3.79nF；谐振网络参数：L₁=11.84μH，C₁=2.48nF，R=7.15Ω。

实施例3

如图7所示为图1所示谐振式无线电能传输发射电路的结构构成的无线电能传输系统的示意图，发射线圈并联在发射电路的输出两端，取代等效负载R的位置，发射线圈可以等效为电感L_P和寄生电容C_P的串联。

发射线圈与接收线圈（等效为电感L_S和寄生电容C_S的串联）通过互感M形成电磁耦合的关系，实现电能的无线传输。本实施例中，由于接收装置加了整流电路，根据交流等效原理，对于电流源型的串联谐振变换器，直流侧负载R_L等效到交流侧的交流电阻为：

$R_{\mathrm{eq}}=\frac{8}{{\mathrm{\π}}^2}{R}_L$

而接收线圈反射到发射线圈的电阻，即为以上所述的等效电阻R为：

$R=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{W}^2}{R_{\mathrm{eq}}}$

式中，ω为角频率且ω=2πf，M为互感。设计的等效负载R=7.15Ω交流侧电阻R_eq=6.63Ω，根据上述两式可以计算出负载电阻R_L=8.18Ω。

图8（a）～图8（b）为图7所示的电路的开关管S的电流、电压波形图，从图8（a）～图8（b）的开关管S的电流和电压波形可以看出，开关管S实现了软开关，验证了本发明应用于谐振式无线电能传输系统的有效性。

实施例3中采用的各个电器件的参数为：输入电压：V_in=12V；储能电感：L₀=120μH；软开关辅助电容：C₀=3.79nF；谐振网络参数：L₁=11.84μH，C₁=2.48nF。原边电感：L_P=12μH；原边电容：C_P=2.1nF；副边电感：L_S=12μH；副边电容：C_S=2.1nF。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种谐振式无线电能传输发射电路，其特征在于，包括开关管(S)、储能电感(L₀)、软开关辅助电容(C₀)及谐振负载网络；

所述开关管(S)的漏极与直流电压源正极连接，开关管(S)的源极分别与储能电感(L₀)的一端、谐振负载网络的一端连接；

所述谐振负载网络的另一端、储能电感(L₀)的另一端与直流电压源负极连接；

所述软开关辅助电容(C₀)并联在开关管(S)的两端，或并联在储能电感(L₀)两端；

所述软开关辅助电容(C₀)并联在储能电感(L₀)的两端，实现开关管(S)的零电压软开关和开关管(S)的电压零导数关断；

所述软开关辅助电容(C₀)并联在开关管(S)的两端，实现开关管(S)的零电压软开关和开关管(S)的电压零导数关断。

2.根据权利要求1所述的一种谐振式无线电能传输发射电路，其特征在于，所述谐振负载网络包括依次连接的谐振电感(L₁)、谐振电容(C₁)和等效负载(R)。