CN103647468A - 一种谐振式无线电能传输系统的高频变换电路 - Google Patents

一种谐振式无线电能传输系统的高频变换电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种谐振式无线电能传输系统的高频变换电路，包括第一开关管，第二开关管、第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容、第三电容和负载；输入直流源的正极与第一开关管的漏极、第二开关管的漏极、第一电容的一端、第二电容的一端连接；第一开关管的源极与第一电容的另一端、第一电感的一端、第三电感的一端连接；第二开关管的源极与第二电容的另一端、第二电感的一端、第三电容的一端、负载的一端连接；第一电感的另一端与第二电感的另一端、输入直流源的负极连接。第三电感的另一端与第三电容的另一端、负载的另一端连接。本发明通过控制两个开关管的通断实现DC-AC变换，并实现软开关，提高了转换效率。

Description

一种谐振式无线电能传输系统的高频变换电路
技术领域
本发明属于无线电能传输技术的应用领域，特别涉及一种谐振式无线电能传输系统的高频变换电路。
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（Nicola Tesla）在实验上得到尝试。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，该实验不仅仅是特斯拉实验的重现，更是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，因此有必要提出一种新的谐振式无线电能传输发射电路拓扑。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种谐振式无线电能传输系统的高频变换电路。
本发明通过如下技术方案实现：
一种谐振式无线电能传输系统的高频变换电路，包括第一开关管、第二开关管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和负载网络；输入直流源的正极与第一开关管的漏极、第二开关管的漏极、第一电容的一端、第二电容的一端连接；第一开关管的源极与第一电容的另一端、第一电感的一端、负载网络的一端连接；第二开关管的源极与第二电容的另一端、第二电感的一端、负载网络的另一端连接；第一电感的另一端与第二电感的另一端、输入直流源的负极连接。
所述的一种谐振式无线电能传输系统的高频变换电路，其特征在于第一电容和第二电容的作用在于实现第一开关管和第二开关管的软开关。
所述的一种谐振式无线电能传输系统的高频变换电路，其特征在于第三电感和第三电容和负载组成负载网络。第三电感与第三电容实现LC谐振。
与现有技术相比，本发明具有如下优点： 
1、采用开关型的变换电路结构，根据电压、电流不同时出现的原理设计，DC-AC转换效率高，理论效率达到100%。
2、所设计的电路具有参数对称的结构，因此，设计简单。
附图说明
图1为本发明的谐振式无线电能传输系统高频变换电路。
图2为本发明实施方案中在不同阶段（t 0-t 1）的工作示意图。
图3a~图3b为实施方案中不同工作阶段对应的工作模态示意图。
具体实施方案
以下结合附图对发明的具体实施作进一步描述，但本发明的实施和保护不限于此。
实施例
如图1，一种谐振式无线电能传输系统的高频变换电路，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一电感L 1、第二电感L 2、第一电容C 1，第二电容C 2和负载网络；所述负载网络由第三电感L和第三电容C和负载R组成。
第一电容C 1和第二电容C 2的作用在于实现第一开关管S1和第二开关管S2的软开关。
图2给出了本发明的工作原理，图3给出了本发明的工作模态。电路稳态工作时，本发明的工作过程如下：
（1）当t=t 0时，第一开关管S1由导通变为关断，第二开关管S2由关断变为导通。此时，第一开关管S1两端的电压为零，即实现零电压关断；第二开关管S2两端的电压也为零，实现零电压开通。输入直流源V in开始给第一电容C 1充电。输入直流源V in通过第二开关管S2给负载网络供电。
（2）在t 0~t 1阶段，第一开关管S1保持关断，第二开关管S2保持导通。在此阶段过程中，第一电容C 1两端的电压先增大后减小，如果负载R选择合适，在此阶段结束时，第一电容C 1两端的电压将会下降为零。等效电路如图3a所示。
（3）当t=t 1时，第一开关管S1由关断变为导通，第二开关管S2由导通变为关断。此时，第一开关管S1两端的电压为零，实现零电压开通；第二开关管S2两端的电压也为零，实现零电压关断。输入直流源V in开始给第二电容C 2充电。输入直流源V in通过第一开关管S1给负载网络供电。
（4）在t 1~t 2阶段，第一开关管S1保持导通，第二开关管S2保持关断。在此阶段过程中，第二电容C 2两端的电压先增大后减小，如果负载R选择合适，在此阶段结束时，第二电容C 2两端的电压将会下降为零。等效电路如图3b所示。
为验证本发明的一种谐振式无线电能传输系统的高频变换电路的正确性，进行了仿真实验，结果表明该电路实现了软开关，理论效率达到100%。

Claims (3)

1.一种谐振式无线电能传输系统的高频变换电路，其特征在于包括第一开关管（S1）、第二开关管（S2）、第一电感（L 1）、第二电感（L 2）、第一电容（C 1）、第二电容（C 2）和负载网络；输入直流源（V in）的正极与第一开关管（S1）的漏极、第二开关管（S2）的漏极、第一电容（C 1）的一端、第二电容（C 2）的一端连接；第一开关管（S1）的源极与第一电容（C 1）的另一端、第一电感（L 1）的一端、负载网络的一端连接；第二开关管（S2）的源极与第二电容（C 2）的另一端、第二电感（L 2）的一端、负载网络的另一端连接；第一电感（L 1）的另一端与第二电感（L 2）的另一端、输入直流源（V in）的负极连接。
2.根据权利要求1所述的一种谐振式无线电能传输系统的高频变换电路，其特征在于第一电容（C 1）和第二电容（C 2）实现第一开关管（S1）和第二开关管（S2）的软开关。
3.根据权利要求1所述的一种谐振式无线电能传输系统的高频变换电路，其特征在于第三电感（L）和第三电容（C）和负载（R）组成负载网络，第三电感（L）与第三电容（C）实现LC谐振。
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