CN108011601A - 一种用于磁耦合谐振式无线电能传输的e类功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于磁耦合谐振式无线电能传输的E类功率放大器，它的组成包括：方波发生电路(1)，门级驱动电路(2)，功率管(3)，漏极直流输入(4)，LC谐振电路(5)，输出匹配电路(6)，输出负载(7)，其特征在于：方波发生电路(1)经过门级驱动电路(2),接于功率管(3)前端，漏极直流输入(4)接于功率管(3)后端，功率管(3)输出经过LC谐振电路(5)，输出匹配电路(6)，输出负载(7)。本发明相较于传统的E类功放，可在适合中距离无线能量传输的MHZ频段实现大功率条件下的功率输出；系统频率调节方便，通过调节驱动信号频率，可实现MHZ范围的E类功率放大器。

Description

一种用于磁耦合谐振式无线电能传输的E类功率放大器

技术领域

本发明涉及的E类功率放大器主要应用于磁耦合谐振式无线电能传输的高频激励源等领域。

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，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。

其中，开关类功放的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％。由于高频电源属于磁耦合谐振式传输系统的发射前端，而之前的E类功放并不为大功率能量传输设计，所以很有必要设计一种适用于大功率磁耦合谐振式无线电能传输的高效E类功率放大器。

发明内容

本发明设计的E类功放可实现MHZ级别的大功率能量输出，采用环形振荡器产生方波电路驱动谐振门级驱动电路，进而驱动主MOS管带动E类功率放大电路，经负载匹配电路，向负载进行大功率能量输出。

本发明所解决的技术问题在于提供一种用于磁耦合谐振式无线电能传输的E类功率放大器。

实现本发明目的的技术解决方案为：

1)一种用于磁耦合谐振式无线电能传输的E类功率放大器，它的组成包括：方波发生电路1，门级驱动电路2，功率管3，漏极直流输入4，LC谐振电路5，输出匹配电路6，输出负载7，其中：方波发生电路1经过门级驱动电路2,接于功率管3前端，漏极直流输入4接于功率管3后端，功率管3输出经过LC谐振电路5，输出匹配电路6，输出负载7。

2)方波发生电路1由F1、F2、F3和R1、R2、C1组成，F1、F2、F3、R1、R2串联形成环路，C1并联在F2、R1两端。

3)门级驱动电路2由Q1、Q2、S1、S2、L1、C2、V1组成，Q1、Q2门级并联连接，Q1源极接电源V1，Q1漏极接S1与Q2漏极接S2后并联，再与L1串联接入功率管前端，Q2源极接地。

4)漏极直流输入4由C3、V2、RFL组成，电源V2负极串联C3接地，电源V2正极串联RFL扼流线圈接Q3漏极。

5)LC谐振电路5由L2、C4、C5组成，L2、C5串联接Q3漏极，C4并联在漏极和源极两端接地。

6)输出匹配电路6由C6、L3组成，L3串联于电路中，C6并联接地。

本发明的技术优势如下：

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为GHz通信频段，很少有满足无线电能传输系统对频率的要求。

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)输出功率大。相较于传统的E类功放，可在适合中距离无线能量传输的MHZ频段实现大功率条件下的功率输出。

5)系统频率调节方便。通过调节驱动信号频率，可实现MHZ范围的E类功率放大器。

正由于具有如上优点，将其应用于磁耦合谐振式无线电能传输系统中不仅能设计出MHZ范围内的大功率能量输出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放大器工作状态主要波形

图中：1为方波发生电路，2为门级驱动电路，3为功率管，4为漏极直流输入，5为LC谐振电路，6为输出匹配电路，7为输出负载。

具体实施方式

1.E类功率放大器总体设计

本E类功率放大器由四部分组成，分别为高频方波发生电路，门级驱动电路，E类功放电路，负载匹配电路，其总体电路原理图如图2所示。

方波发生电路1(由F1、F2、F3和R1、R2、C1组成，F1、F2、F3、R1、R2串联形成环路，C1并联在F2、R1两端)，门级驱动电路2(由Q1、Q2、S1、S2、L1、C2、V1组成，Q1、Q2门级并联连接，Q1源极接电源V1，Q1漏极接S1与Q2漏极接S2后并联，再与L1串联接入功率管前端，Q2源极接地)，功率管3，漏极直流输入4(由C3、V2、RFL组成，电源V2负极串联C3接地，电源V2正极串联RFL扼流线圈接Q3漏极)，LC谐振电路5(由L2、C4、C5组成，L2、C5串联接Q3漏极，C4并联在漏极和源极两端接地)，输出匹配电路6(由C6、L3组成，L3串联于电路中，C6并联接地)，输出负载7。

主要元器件：功率管、高频扼流圈RFC、储能并联电容，谐振电容电感、电源滤波电容、匹配电路电容电感、漏极供电电源。

系统整体工作流程如下：方波发生电路产生方波电压，假设当t＝0时，方波正处在由零电压开始的上升沿，且Q3输入电容已被冲为负值，开关管Q1关断，Q2导通。当方波上升沿电压大于Q1开通电压时，Q1开通，Q2关断，电流通过Q1，S1，进入L1和Q3输入电容组成的谐振电路，产生上半周期的正弦波，当驱动正弦电压大于功率管门级开通电压时，主功率管导通，供电电流流过RFL和Q3，在L2和C5上产生谐振，同时为并联电容C4充能，L2和C5产生的谐振电压经过输出匹配电路在负载上产生正弦电压，可进行后续的无线能量传输工作。当方波电压开始进入下降沿后，Q1关断，Q2导通，电流流过Q2和S2且反向流过电感L1，输入电容先放电再反向充电，同样发生谐振，电压波形为下降部分的半个周期正弦波，此时Q3不会立刻关断，当驱动电压低于功率管Q3的门级开通电压时，Q3关断，L2和C5利用C4中储存的能量继续完成谐振，直至C4能量耗尽，一个周期完成，功率管重新导通为C4冲能，循环往复，在负载端产生高频正弦电压。如图3所示。

E类功放的结构采用典型的带并联电容的E类功放，为了实现最大效率的输出，其必须在工作频率上满足下述的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。这是参数设计后，进行实际电路调试时的标准。

在E类功放元件的选取中，功率管的选取是最关键的，功率管选取时需要考虑以下几点：

1)尽可能小的导通电阻，这是功率管损耗的主要来源之一。

2)符合参数设计的耐压值和最大导通电流，并留有一定安全余量。

3)竟可能小的Qg和Ciss，输入电容过大会导致对驱动电路的带负载要求提高，将导致门级无法正常开通关断或需要附加的增大功率电路但会使稳定性下降。

4)方便安装散热片，进行大功率能量传输时，MOS管上及时效率较高也会有可观的发热，散热片是必须要安装的部分。

5)开关延时和下降时间尽可能短，这一参数直接影响开关管的关断损耗。

2.门级驱动设计

门级驱动电路采用谐振栅极驱动，利用外加电感和功率管的输入电容产生谐振驱动信号。由于结构简单，能量交换只发生在参与谐振的L1和Q3的输入电容上，这使得能量损耗小，所以可满足在较高频率下工作。而且功率管输入电容参与谐振，所以驱动电压直接产生在门级，这使得电路其他部分的杂散电感参与到整个电路的工作中，而不会产生回路震荡等情况。

由于采用谐振产生驱动电压，开关管的电压要远低于驱动电压的正弦波峰值，这对高频驱动源来说至关重要，用低电压驱动开关管可以使开关管损耗明显降低，是门级驱动在高频率下稳定工作。

在门级设计时需要根据预设的工作频率和功率管的输入电容计算出谐振电感的参数，然后根据所需的驱动功率选择合适的驱动管，驱动管需要有较低的导通电阻和输出电容，通常选择小功率的mos管。

具体设计步骤如下：

1)根据MOS管的输入电容、Qgs和Qgd进行谐振参数的计算。

2)若Qgd(米勒电容)较大时，可考虑在门级并联一个小电容，降低Qgd在整体Qg中的占比，起到稳定门级电压的作用。

3)挑选驱动管，驱动管需要有较低的导通电阻和输出电容，通常选用一些小功率的MOS管。

4)挑选二极管，需要选择正向压降低和反向恢复能力快的。

5)在proteus等仿真软件进行仿真模拟，进行不同参数MOS管的对比挑选。

6)进行实际电路的调试。

3.方波发生电路设计

由于这里涉及的磁耦合谐振式无线电能传输系统需要工作在MHZ频率下，一般的单片机难以达到，而环形振荡器结构简单起振容易，可以产生谐振驱动电路所需的高频方波，可以通过控制环形振荡器的起振和关断，来作为门级谐振驱动电路的驱动信号，控制驱动管的开通关断。

所谓环形振荡器就是将奇数个反相器的头与尾输入与输出相连接，形成一个环形的结构，而且反相器的个数至少为三个。可以通过改变电阻和电容的值改变电路的充放电时间，从而改变输出方波的频率。

具体设计时通过参数计算得出R1、R2，C3的具体参数，其中R1和R2的值不能太大，否则由于输入端漏电流的存在不能保持F3为低电平。反向器应当选择延时短的，实际制作时R1为可调电阻，可根据实际需求进行频率的调整。

具体设计步骤如下：

1)根据设计所需频率挑选合适的CMOS反相器，延时时间应不大于10ns，且尽可能小，相比于整个周期应可以忽略不计。

2)根据所选CMOS反相器的V_OH和V_TH计算出工作周期与R1、C3之间的关系，在保证R1不会太大的情况下选择C3，一般R1选择千欧级。

3)使用proteus等仿真软件进行仿真模拟，可以对之前选择元件参数进行验证和调试。

4)硬件调试，R1采用可调电阻，可以实现频率的一定范围调整，根据输出的方波电压确认电路的工作情况。

4.负载匹配电路设计

阻抗匹配的目的是将负载电阻或电抗转化为在特定电压和工作频率时产生所需要的输出功率所要求的阻抗。一般来说实际负载阻抗与E类功放参数所给并不一致，因此需要一个匹配电路来进行阻抗的向上或向下变化。阻抗匹配电路有多种拓扑，这里采用串接电感和并联电容的匹配结构，并使用ADS仿真软件利用负载牵引法得到确切的匹配负载。

具体设计步骤如下：

1)在ADS仿真软件中搭建E类功放的电路原理图。

2)利用ADS软件进行负载牵引，在图中选取输出功率和效率较为理想的最佳负载，往往最佳效率与功率并不是同一点，根据自己的设计需求进行选择。

3)利用ADS软件中的smith圆图进行匹配结构参数的确定。

4)进行硬件电路的实际调试。

2.整体实现步骤：

1)对E类功放进行基本参数的设计。

2)对门级驱动进行参数设计。

3)根据设计参数考虑工作电压、电流及功率管输入输出电容，选取E类功率放大器功率管和门极驱动MOSFET对管。

4)根据设计频率选用高速CMOS反向器设计高频方波发生器。

5)设计负载匹配电路。

6)对整体电路进行稳定性、输出性能(增益，功率，效率等)的仿真。

7)依次进行高频方波发生电路，门级驱动电路，E类功放电路，负载匹配电路的整体电路制作。

8)调试电路。

Claims (6)

1.一种用于磁耦合谐振式无线电能传输的E类功率放大器，它的组成包括：方波发生电路(1)，门级驱动电路(2)，功率管(3)，漏极直流输入(4)，LC谐振电路(5)，输出匹配电路(6)，输出负载(7)，其特征在于：方波发生电路(1)经过门级驱动电路(2),接于功率管(3)前端，漏极直流输入(4)接于功率管(3)后端，功率管(3)输出经过LC谐振电路(5)，输出匹配电路(6)，输出负载(7)。

2.根据权利要求1所述的E类功率放大器，其特征在于：所述的方波发生电路(1)由F1、F2、F3和R1、R2、C1组成，F1、F2、F3、R1、R2串联形成环路，C1并联在F2、R1两端。

3.根据权利要求1所述的E类功率放大器，其特征在于：所述的门级驱动电路(2)由Q1、Q2、S1、S2、L1、C2、V1组成，Q1、Q2门级并联连接，Q1源极接电源V1，Q1漏极接S1与Q2漏极接S2后并联，再与L1串联接入功率管前端，Q2源极接地。

4.根据权利要求1所述的E类功率放大器，其特征在于：所述的漏极直流输入(4)由C3、V2、RFL组成，电源V2负极串联C3接地，电源V2正极串联RFL扼流线圈接Q3漏极。

5.根据权利要求1所述的一种用于磁耦合谐振式无线电能传输的E类功率放大器，其特征在于：所述的LC谐振电路(5)由L2、C4、C5组成，L2、C5串联接Q3漏极，C4并联在漏极和源极两端接地。

6.根据权利要求1所述的E类功率放大器，其特征在于：所述的输出匹配电路(6)由C6、L3组成，L3串联于电路中，C6并联接地。