CN107979347A - 一种宽工作频带磁耦合谐振式无线电能传输e类功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽工作频带磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器，它的工作过程：输入信号(1)经过输入匹配电路(2),门极偏置电源(3)经过电源滤波电路(4)接于功率管(5)前端，反馈电路(6)并联于功率管(5)两端，漏极电源(7)经过电源滤波电路(8)接于功率管(5)后端，功率管(5)输出经过电抗补偿电路(9)输出匹配电路(10)，输出信号(11)。E类功放拓扑简单。其采用单管放大，相比全桥/半桥电路驱动部分更加简单易于控制。这种宽带E类功放效率高，因开关状态转换满足ZVS和ZDS条件，极大的减小开关管开通和关断时的损耗，工作频带宽，相较于传统单频点E类功放，可在较宽频带上保持理想的输出功率与效率。

Description

一种宽工作频带磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器

技术领域

由于本发明宽带型E类功率放大器主要应用于磁耦合谐振式无线电能传输，故主要涉及电子与射频领域。

背景技术

磁耦合谐振式无线电能传输技术是无线电能传输三大技术之一，也是当前国内外学者的研究的热点之一。但是目前无线电能传输的功率还不大，停留在百瓦级，还远远不能满足现实生活中的需要，而提高传输功率主要涉及以下三个问题：(1)大功率宽频带高频电源的设计(2)传输系统参数的阻抗匹配(3)电能传输稳定性问题，即谐振频率鲁棒性问题。

目前无线电能传输高频电源主要有两种实现方法，一种是利用电力电子器件通过全桥逆变或半桥逆变实现；一种是利用功放将信号功率进行放大实现。前者可实现较大功率，但是由于受电力电子器件开关频率的限制，电源频率一般不高，且不易调节频率。后者可以实现较大功率和频率，利用其前面信号发生电路实现调频也很方便，但是设备成本较高。

功率放大式高频电源由信号发生电路和功率放大电路组成，信号发生电路生成所需频率的信号，该信号经过功率放大器将信号发生电路输出的信号放大至所需功率。如果按放大器偏置和导通情况分，功率放大器可以分为A类、B类、AB类、C类、D类、E类、F类、S类等。A类、B类、AB类、C类通常划分为经典的功率放大器；D类、E类、F类、S类通常划分为开关模式功率放大器。

其中，开关类功放的一个主要思路是开关在理想情况下不消耗任何功率，或者开关的电流为零，或者开关两端的电压为零，因而开关的V、I乘积总是为零，这意味着晶体管没有任何功耗损失，其效率理论上可以达到100％。实际过程中,由于开关晶体管的导通压降与寄生电阻等因素的影响，E类功率放大器的效率要低于100％，但是通过修改负载电路参数进行优化,电路的实际效率还是很高的。由于高频电源属于磁耦合谐振式传输系统的发射前端，要提高整体系统传输效率务必减小每一部分的损耗，而宽带E类功放减小开关转换损耗满足我们对提高效率的要求。

发明内容

本发明设计的宽带E类功放按照是否为线性功放分属于非线性功放，采用单管放大，满足ZVS和ZDS条件,极大的减小开关状态间转换的损耗。

本发明所解决的技术问题在于提供一种宽工作频带的磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器。

实现本发明目的的技术解决方案为：

1.一种宽工作频带磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器，它的组成包括：输入信号(1)，输入匹配电路(2)，门极偏置电源(3)，电源滤波电路(4)，功率管(5)，反馈电路(6)，漏极供电电源(7)，电源滤波电路(8)，电抗补偿电路(9)，输出匹配电路(10)，输出信号(11)，其特征在于：输入信号(1)经过输入匹配电路(2),门极偏置电源(3)经过电源滤波电路(4)接于功率管(5)前端，反馈电路(6)并联于功率管(5)两端，漏极电源(7)经过电源滤波电路(8)接于功率管(5)后端，功率管(5)输出经过电抗补偿电路(9)输出匹配电路(10)，输出信号(11)。

2.输入匹配电路(2)由C2、C3、C4和L1、L2、L3组成，L1、L2、L3串联于电路中，C2、C3、C4并联接地。

3.电源滤波电路(4)由C5、C6、C7、C8、C9并联接地构成。

4.反馈电路(6)由R3和C10串联在功率管Q漏极和门极间构成。

5.电源滤波电路(8)由C11、C12、C13、C14、C15并联接地构成。

6.电抗补偿电路(9)由L4、L5和C16、C17组成，L5和C17串联于电路中，L4串联于漏极供电支路中，C16并连接地。

7.输出匹配电路(10)由C18、C19、C20和L6、L7、L8组成，L6、L7、L8串联于电路中，C18、C19、C20并联接地。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

1)对于无线电能传输系统频段针对性强。市场上大多数现有功放均为GHz通信频段，很少有满足无线电能传输系统对带宽的要求。

2)E类功放拓扑简单。其采用单管放大，相比全桥/半桥电路驱动部分更加简单易于控制。

3)E类功放效率高。因开关状态转换满足ZVS和ZDS条件，极大的减小开关管开通和关断时的损耗。

4)工作频带宽。相较于传统单频点E类功放，可在较宽频带上保持理想的输出功率与效率。

5)阻抗匹配电路带有一定的切比雪夫滤波特性，在对负载网络滤波特性要求不高时可代替专门的滤波电路，简化了电路结构。

6)系统频率方便调节。相比全桥/半桥逆变电路，只需要调节信号发生电路的输出信号频率即可。

正由于宽带E类功放具有如上优点，将其应用于磁耦合谐振式无线电能传输系统中不仅能够提高前端能量的利用率还能够通过调节频率来解决系统因频率分裂现象而导致输出功率急剧下降的问题。

附图说明

图1功率放大器组成框图

图2功率放大器原理图

图3功率放大器功率管理想电压电流波形

图4电抗补偿电路原理图图

图5功率放大器反馈示意图

图6最接近现有技术的宽带E类功率放大器

图中：1为输入信号，2为输入匹配电路，3为门极偏置电源，4为电源滤波电路，5为功率管，6为电抗补偿电路，7为漏极供电电源，8为电源滤波电路，9为电抗补偿电路，10为输出匹配电路，11为输出信号。

具体实施方式

1.宽带E类功率放大器

宽带E类功率放大器有多种不同拓扑结构，主要差别在于电抗补偿电路和匹配电路的类型，本发明采用的是使用单电抗补偿技术和切比雪夫低通阻抗变换电路的宽带E类功率放大器，其电路原理图如图2所示。

输入信号1，输入匹配电路2(由C2、C3、C4和L1、L2、L3组成，L1、L2、L3串联于电路中，C2、C3、C4并联接地)，门极偏置电源3为Vb，电源滤波电路4(由C5、C6、C7、C8、C9并联接地构成)，功率管5为Q，反馈电路6(由R3和C10串联在功率管Q漏极和门极间构成)，漏极供电电源7为Vcc，电源滤波电路8(由C11、C12、C13、C14、C15并联接地构成)，电抗补偿电路9(由L4、L5和C16、C17组成，L5和C17串联于电路中，L4串联于漏极供电支路中，C16并连接地)，输出匹配电路10(由C18、C19、C20和L6、L7、L8组成，L6、L7、L8串联于电路中，C18、C19、C20并联接地)，输出信号11。

主要元器件：飞思卡尔射频管MRF6V2150NBR1、高频扼流圈RFC、电抗补偿电路电容电感、电源滤波电容、匹配电路电容电感、隔直电容、门极偏置电源、漏极供电电源、反馈电路电容电阻、门极偏置和门极稳定电阻。

宽带E类功放为了实现最大效率的输出，其必须在宽频带上满足下述的ZVS条件和ZDS条件：

ZVS(zero-voltage switching)：当开关从关断(off)状态变为导通(on)状态时，集电极或者漏极的电压等于0；ZDS(zero-derivative switching)：当开关从关断(off)状态变为导通(on)状态时，集电极或者漏极的电压导数等于0。其理想电压电流波形如图3所示。

2.电抗补偿电路与匹配电路设计

在进行基础电路设计之前要对MRF6V2150NBR1开关晶体管的特性曲线进行仿真，根据其特性曲线选取功率损耗较小并且能够使得功率管完全导通的静态工作点。

设计出的基础功放电路为了能够输出最大的功率和最高的效率,必须获得基本功放电路的最佳负载阻抗和源阻抗。为了获得这两个阻抗值,本发明采用负载牵引(LoadPull)和源牵引(Source Pull)方法。负载牵引方法是通过在Smith圆图上画出给定输入功率情况下不同负载阻抗值的等输出功率曲线,从而确定最佳负载阻抗值。源牵引方法与负载牵引方法类似。在此基础上，为了实现在宽带型E类功放，在所设计频带内等间隔地选取几个频点，分别求得其最佳负载阻抗，并取其均值设为目标负载阻抗和目标源阻抗。

实际中,负载的值一般与目标阻抗值并不是相同的，并且目标阻抗值一般为复数，并非为纯电阻。本文设计输入匹配电路对目标源阻抗进行匹配，设计输出匹配电路对目标负载阻抗的电阻部分进行匹配，设计电抗补偿电路对目标负载阻抗的电抗部分进行匹配。电抗补偿电路的原理如图4所示，通过合理设计参数，使得电路中并联部分与串联部分的等效电抗在较宽频率带内互相补偿，保持整体等效电抗的恒定。下面先介绍负载牵引和源牵引设计,再分别介绍匹配电路和电抗补偿电路的设计。

设计过程如下：

(1)首先随意给定源阻抗，进行负载牵引，选取最佳负载阻抗。

(2)设置最佳负载阻抗，进行源牵引，确定最佳源阻抗。

(3)设置(2)中最佳源阻抗，重复(1)确定最佳负载阻抗。

(4)不断进行循环达到稳定的最佳源阻抗和负载阻抗。

(5)在所需频带下等间隔选取频点进行负载牵引和源牵引，得到目标负载阻抗和目标源阻抗。

(6)匹配电路使用切比雪夫阻抗变换电路，查阅切比雪夫阻抗变换器设计书设计各个元件参数，将实际负载阻抗与目标负载阻抗的实部相匹配。

(7)利用ADS软件smith圆图对阻抗变换电路的各个原件参数进行微调，保证电路在设计频带下的滤波特性以及传输特性，完成输出匹配电路的设计。

(8)使用切比雪夫低通阻抗变换电路将实际源阻抗与目标源阻抗的实部相匹配，适当增加阻抗变换电路最后一级电感的值，使得实际源阻抗与目标源阻抗的虚部想匹配。

(9)利用ADS软件smith圆图对阻抗变换电路的各个原件参数进行微调，保证电路在设计频带下的滤波特性以及传输特性，完成输入匹配电路的设计。

(10)电抗补偿电路使用单电抗补偿法，设计电抗补偿电路各个元件参数，使并联部分与串联部分的等效电抗在宽频带下相互补偿，整体电抗保持不变，使得实际负载阻抗与目标负载阻抗的虚部相匹配。

(11)利用ADS软件smith圆图对电抗补偿电路的各个原件参数进行微调，保证电路在设计频带下的等效电抗保持恒定，完成电抗补偿电路的设计。

3.反馈设计

对于工作在射频频段的晶体管来说,稳定是至关重要的。稳定性也是放大器电路必须满足的一个首要条件。只有稳定,才能保证电路不乏发生振荡的趋势。为了使得电路稳定系数K>1，通常采用如下措施：

(1)在门极通过电容和小电阻直接接地。

(2)在门极串接电阻和电容并联电路。

(3)在门极和门极偏置加电阻

(4)加入反馈电路

本发明是采取(3)和(4)两种措施，即加入反馈电路、在门极和门极偏置加电阻其，其中反馈电路的原理图如图5所示。

当某种因素导致晶体管漏极输出信号增大时，负反馈网络反馈的量随之增大，该反馈量与原输入信号做差后，原输入信号减小，从而导致漏极输出量减小。因此，负反馈网络是一个增益自动调节的环路，调节的最终结果是漏极输出量的变化被抑制。但其缺点在于，这种增益平坦化技术是以降低增益和效率为代价的。不仅加入负反馈电路是以降低增益和效率为代价换取稳定性和增益平坦化，在门极与门极偏置上加入电阻也是如此。

为了使电路能够稳定的工作，有更加好的性能，提供优质的直流电源是必需的。设计中考虑到供电电源可能存在纹波，同时防止电路的自激，提高电路的效率，设计了电源滤波电路，主要是釆用电容来完成，电容取值的选取与电路功率频率有关，一般选择都是釆用C＝l/f。这个值，同时再在这个值上下各取几个值。

当某种因素导致功率管漏极输出信号Xo增大，使得进入反馈电路的信号Xf随之成比例增大，由于进入门极信号Xi＝Xs-Xf，故在门极偏置电压不变情况下Xi将减小，又由于漏极输出信号Xo＝AXi，所以Xo也将减小。因此，负反馈网络是一个增益自动调节的环路，调节的最终结果是漏极输出量的变化被抑制。但其缺点在于，这种增益平坦化技术是以降低增益和效率为代价的。不仅加入负反馈电路是以降低增益和效率为代价换取稳定性和增益平坦化，在门极与门极偏置上加入电阻也是如此。

4.实现步骤：

1)选取宽带E类功率放大器功率管，查询Datasheet发现MRF6V2150NBR1符合我们的实验要求。

2)对选取的功率管进行直流分析，确定其静态工作点。

3)对选取功率管进行稳定性分析，稳定系数大于1，即认为稳定。

4)对宽带E类功放进行基本参数的设计。

5)对电抗补偿电路、输入输出匹配电路进行设计。

6)门极偏置电压和功率管漏极供电电压的电源滤波电路的设计。

7)对整个电路进行稳定性、输出性能(增益，功率，效率等)的仿真。

8)对功放进行制作。

5.最接近的现有技术

宽带E类功率放大器有多种不同拓扑结构，主要差别在于电抗补偿电路和匹配电路的类型，本发明最接近的宽带E类功率放大器，如图6所示。

其中，高频扼流线圈RFC2为漏极提供一个恒定的直流，R1、C10提高功率管的稳定性，由C17、C18、C19和L4、L5、L6组成的实数对复数切比雪夫低通阻抗变换电路，拥有电抗补偿、阻抗变换及滤波的功能，但电抗补偿的频率特性较差。C16为一个并联等效电容，由开关管漏源两极输出等效电容与外接接地电容组成。在激励信号的作用下，晶体管呈开关工作状态。当晶体管饱和导通时，集电极电压波形由晶体管决定；当晶体管截止时，集电极电压波形由负载网络的瞬变响应所决定。

Claims (7)

1.一种宽工作频带磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器，它的组成包括：输入信号(1)，输入匹配电路(2)，门极偏置电源(3)，电源滤波电路(4)，功率管(5)，反馈电路(6)，漏极供电电源(7)，电源滤波电路(8)，电抗补偿电路(9)，输出匹配电路(10)，输出信号(11)，其特征在于：输入信号(1)经过输入匹配电路(2),门极偏置电源(3)经过电源滤波电路(4)接于功率管(5)前端，反馈电路(6)并联于功率管(5)两端，漏极电源(7)经过电源滤波电路(8)接于功率管(5)后端，功率管(5)输出经过电抗补偿电路(9)输出匹配电路(10)，输出信号(11)。

2.根据权利要求1所述的宽工作频带磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器，其特征在于：所述的输入匹配电路(2)由C2、C3、C4和L1、L2、L3组成，L1、L2、L3串联于电路中，C2、C3、C4并联接地。

3.根据权利要求1所述的宽工作频带磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器，其特征在于：所述的电源滤波电路(4)由C5、C6、C7、C8、C9并联接地构成。

4.根据权利要求1所述的宽工作频带磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器，其特征在于：所述的反馈电路(6)由R3和C10串联在功率管Q漏极和门极间构成。

5.根据权利要求1所述的宽工作频带磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器，其特征在于：所述的电源滤波电路(8)由C11、C12、C13、C14、C15并联接地构成。

6.根据权利要求1所述的宽工作频带磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器，其特征在于：所述的电抗补偿电路(9)由L4、L5和C16、C17组成，L5和C17串联于电路中，L4串联于漏极供电支路中，C16并连接地。

7.根据权利要求1所述的宽工作频带磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器，其特征在于：所述的输出匹配电路(10)由C18、C19、C20和L6、L7、L8组成，L6、L7、L8串联于电路中，C18、C19、C20并联接地。