CN203691239U - 具有阻抗匹配网络的无线充电系统的高频变换电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了具有阻抗匹配网络的无线充电系统的高频变换电路，包括一个MOS管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、阻抗匹配网络、发射线圈、接收线圈、整流电路、DC-DC变换电路和负载。所述的高频变换电路通过MOS管的开通与关断实现DC-AC变换，并由第一电容实现MOS管的软开关；所述阻抗匹配网络可以把过大或过小的负载转换为合适的负载，以达到与设计电路的负载相匹配；所述发射线圈和接收线圈实现无线电能传输；所述的整流电路和DC-DC变换电路把接收线圈接收的电能调节为可给负载充电的电能；所述的负载为无线充电设备的等效负载。该实用新型电路结构简单、DC-AC转换效率高，并能够适应宽负载变化范围。

Description

具有阻抗匹配网络的无线充电系统的高频变换电路

技术领域

本实用新型属于无线电能传输技术领域，特别涉及具有阻抗匹配网络的无线充电系统的高频变换电路。 

背景技术

1894年，从M.Hutin和M.Leblanc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(Inductively Coupled Power Transfer，ICPT)技术，即感应耦合电能传输。2005年，香港城市大学的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功率放大电路，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效率不高的缺点，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。但已有的研究只是简单的把这些类型的功率放大电路应用于无线电能传输系统，并没有考虑到负载变化时阻抗不匹配对效率的影响。特别是对于开关型的功率放大电路，虽然具有效率高的优点，但是负载的变化容易导致电路失去软开关的功能，导致开关管发热严重，以致烧坏开关管。 

目前作为适合宽负载变化范围的无线电能传输发射电路的类型还是比较少，并且阻抗匹配技术只是应用于射频领域的无线电能传输，因此有必要提出一种新的技术解决无线充电系统宽负载变化范围的问题。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供具有阻抗匹配网络的无线充电系统的高频变换电路。 

本实用新型通过如下技术方案实现： 

具有阻抗匹配网络的无线充电系统的高频变换电路，包括一个MOS管、第一电感、第二电感、第一电容、第二电容、阻抗匹配网络、发射线圈、接收线圈、整流电路、DC-DC变换电路和负载。 

上述的具有阻抗匹配网络的无线充电系统的高频变换电路，MOS管内部结构包括反并联的二极管；第一电容并联在MOS管的两端，实现MOS管的软开关。 

上述的具有阻抗匹配网络的无线充电系统的高频变换电路，第一电感的 一端与MOS管的源极、第二电感的一端连接，另一端与直流电压源的负极连接；第二电感的另一端与第二电容的一端连接；第二电容的另一端与阻抗匹配网络连接；阻抗匹配网络连接发射线圈构成无线充电系统的发射部分；接收线圈分别与整流电路、DC-DC变换电路依次连接构成接收部分，并对负载R_L进行充电。 

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点： 

1、采用开关型的高频变换电路结构，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、所述的具有阻抗匹配网络的无线充电系统的高频变换电路只有一个MOS管，电路结构简单，控制电路容易实现。 

3、所述的具有阻抗匹配网络的无线充电系统的高频变换电路具有阻抗匹配的功能，能够实现宽负载变化范围。 

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。 

图2为本实用新型实施方案的具体电路图。 

图3a～图3c分别图2中负载两端的电压波形，MOS管的电流、电压波形。 

图4a～图4c分别为未加匹配电路时图2中负载两端的电压波形，MOS管的电流、电压波形。 

具体实施方式

以下结合附图对实用新型的具体实施作进一步描述，但本实用新型的实 施和保护不限于此。 

图1所示具有阻抗匹配网络的无线充电系统的高频变换电路中，第一电感L₀的一端与MOS管S的源极、第二电感L₁的一端连接，另一端与直流电压源V_in的负极连接；第二电感L₁的另一端与第二电容C₁的一端连接；第二电容C₁的另一端与阻抗匹配网络连接；阻抗匹配网络连接发射线圈构成无线充电系统的发射部分；接收线圈分别与整流电路、DC-DC变换电路依次连接构成接收部分，并对负载R_L进行充电。 

实施例 

图1为本实用新型的结构示意图。图2为本实用新型实施方案的具体电路图。阻抗匹配网络以简单的L型匹配为例，以L_m和C_m表示。发射线圈等效为原边电感L_P和原边电容C_P的串联，接收线圈等效为副边电感L_S和副边电容的C_S的串联，忽略发射线圈和接收线圈的内阻损耗。整流电路为全桥整流电路。图2中省略了DC-DC变换电路环节。 

本实施例电路的基本参数如表1所示。 

表1 

参数	值	参数	值
				输入电压：Vin	12V	匹配电容：Cm	11.13nF
工作频率：f	1MHz	原边电感：LP	12μH
				第一电感：L0	120μH	原边电容：CP	2.1nF
第一电容：C0	3.79nF	副边电感：LS	12μH
				第二电感：L1	11.84μH	副边电容：CS	2.1nF
第二电容：C1	2.48nF	互感：M	1.2μH

匹配电感：Lm

1.11μH

匹配电阻：R

7.15Ω

本实施例中，以手机充电为例，充电电压为5V，充电电流为1A，等效负载为5Ω。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： 

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

而副边反射到原边的电阻，则需要匹配的电阻R_m为： 

$R_m=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2}{R_{\mathrm{eq}}}$

式中，ω为角频率且ω＝2πf，M为互感。由于负载电阻R_L＝5Ω，则交流侧电阻R_eq＝4.05Ω，需要匹配的电阻为R_m＝14Ω。由于匹配电阻R＝7.15Ω，因此可以通过L型匹配把需要匹配的电阻R_m匹配到匹配电阻R。由此可以计算得到匹配参数如表1所示。 

图3a为图2中负载两端的电压波形。图4a和图4b分别为图2中MOS管S的电流、电压波形。从图3a可以看出，负载电压波形为标准的正弦波。从图4a和图4b可以看出，MOS管S实现了软开关，与设计的相符。更进一步，未加阻抗匹配网络时的MOS管S电流、电压波形如图4a和图4b所示，由图可以看出，由于未加阻抗匹配网络，输出电压小于加阻抗匹配网络时的，并且在开关管关断时出现电流尖峰，未能实现电压零导数开通。因此，验证了本实用新型应用于无线充电系统的有效性。 

Claims (3)

1.具有阻抗匹配网络的无线充电系统的高频变换电路，其特征在于包括一个MOS管（S）、第一电感（L ₀）、第二电感（L ₁）、第一电容（C ₀）、第二电容（C ₁）、阻抗匹配网络、发射线圈、接收线圈、整流电路、DC-DC变换电路和负载（R _L）；第一电感（L ₀）的一端与MOS管（S）的源极、第二电感（L ₁）的一端连接，另一端与直流电压源（V _in）的负极连接；第二电感（L ₁）的另一端与第二电容（C ₁）的一端连接；第二电容（C ₁）的另一端与阻抗匹配网络连接；第一电容（C ₀）并联在MOS管（S）的两端，实现MOS管（S）的软开关；阻抗匹配网络连接发射线圈构成无线充电系统的发射部分；接收线圈与整流电路、DC-DC变换电路依次连接构成接收部分，并对负载（R _L）进行充电。

2.根据权利要求1所述的具有阻抗匹配网络的无线充电系统的高频变换电路，其特征在于所述MOS管（S）内部结构包括反并联的二极管（D）。

3.根据权利要求1所述的具有阻抗匹配网络的无线充电系统的高频变换电路，其特征在于所述阻抗匹配网络为L型、CLC型和LCL型匹配网络。

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