CN206542256U - 一种磁耦合串联谐振式无线电能传输系统 - Google Patents

一种磁耦合串联谐振式无线电能传输系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及一种磁耦合串联谐振式无线电能传输系统，基于MAX038芯片和E类功率放大器大功率高频电源来代替一般的以逆变电路为核心的高频交流电源，MAX038芯片可产生0.1～20MH频率可调高频交流小信号，配以E类功率放大器构成大功率高频电源，解决了逆变电路频率限制的问题，无需使用DSP，E类功率放大器工作在零电压开通状态，开关损耗极小，解决了逆变电路开关管损耗过大的问题。系统工作频率的提高可以减小电磁谐振系统的体积，有利于改善系统的品质因数。MAX038芯片输出频率范围为0.1～20MHz，频率调节过程简单。经实验验证，在发射线圈接收线圈相距25cm时考虑到非最佳负载工作条件，效率最大依然可达到85％。

Description

一种磁耦合串联谐振式无线电能传输系统
技术领域
本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种磁耦合串联谐振式无线电能传输系统，特别涉及一种基于MAX038芯片和E类功率放大器的磁耦合串联谐振式无线电能传输系统。
背景技术
自从电磁感应定律被提出以来，人类迅速由蒸汽时代进入电气时代，经过一百多年的发展，到目前为止，几乎所有的电能传输过程仍然需要传输介质，即使是短距离的电能传输，如计算机，台灯，手机也必须使用金属导线等连接方式才行。一方面，导线的布线非常麻烦，占据空间，消耗金属资源而且还存在一定的安全隐患。因此无线电能传输装置被提上研究议程，关于无线电能传输的研究最早始于物理学家特斯拉，一百多年来，也陆续有科学家从事与无线电能传输的研究，但进展缓慢。目前主要的无线电能传输方式主要有3种，电磁感应式，微波式和电磁耦合谐振式。电磁感应式要求传输距离非常近，一般要小于10cm，而且要求传输线圈一对一中心对准，因为传输距离太近，并不能够给人们生活带来方便。微波式的原理是利用微波束代替导线，利用天线进行微波的接受和发射，但是微波在空气中传输时损耗大，效率低，且对人体有害，不适宜日常生活中使用。而近两年兴起的磁耦合谐振式无线能量传输系统传输距离远，一般大于30cm，能量损耗小，能量只在共振系统中流动，对共振系统外的物体无影响，而且无方向性还具有良好穿透性。
无线能量传输装置一般设计思路是：设计一款大功率高频交流电源，电磁发射系统和电磁接收系统。控制高频交流电源的频率，电磁发射系统谐振频率和电磁接收系统的谐振频率三者相同，当高频交流电源驱动电流流经电磁发射线圈时，发生共振现象，能量可以从发射端流入接收端。而大功率高频交流电源的设计多采用逆变电路的方法，一般要用到DSP控制逆变电路开关管的开通和关断，由于开关管开关频率限制，大功率交流电源频率难以达到兆赫兹以上，频率不够高则电磁谐振系统的体积会很大，串联系统的品质因数被限制，电磁发射系统的传递距离，功率和效率也会受影响，而且对于一般逆变电路，工作频率几百K赫兹时，开关管损耗就已经非常大了。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种磁耦合串联谐振式无线电能传输系统。
技术方案
一种磁耦合串联谐振式无线电能传输系统，其特征在于包括发送装置和接收端线圈；所述发送装置包括MAX038芯片、THS4031放大电路、UCC27321驱动芯片、E类功率放大器以及L1电感和L2电感构成的发射和接收线圈；MAX038芯片产生0.1～20MH高频交流小信号，其输出连接THS4031放大电路，THS4031放大电路的输出连接UCC27321驱动芯片，UCC27321驱动芯片的输出连接E类功率放大器的输入，E类功率放大器的输出电流流经发射线圈和C1电容回路，接收线圈通过C2电容连接负载。
所述E类功率放大器包括开关管Q1，二极管D1，扼流电感RFC，电感L，以及电容C和C3；开关管Q1的栅极连接驱动电路的输出，其漏极通过扼流电感RFC至电源，同时经过电感L和电容C作为输出端；二极管D1与电容C3并联于开关管Q1的漏极与源极之间，二极管D1的负端连接于Q2MOS管的漏极。
所述开关管Q1采用ARF461A开关管。
所述L1电感和L2电感的发射和接收线圈，采用1.3mm的漆包铜线绕制，匝数4匝，直径50cm，且L1＝L2，电感量为24.6uH。
所述电容C1＝C2，均为500pF。
有益效果
本发明提出的一种磁耦合串联谐振式无线电能传输系统，基于MAX038芯片和E类功率放大器大功率高频电源来代替一般的以逆变电路为核心的高频交流电源，MAX038芯片可产生0.1～20MH频率可调高频交流小信号，配以E类功率放大器构成大功率高频电源，解决了逆变电路频率限制的问题，无需使用DSP，E类功率放大器工作在零电压开通状态，开关损耗极小，解决了逆变电路开关管损耗过大的问题。系统工作频率的提高可以减小电磁谐振系统的体积，有利于改善系统的品质因数。MAX038芯片输出频率范围为0.1～20MHz，频率调节过程简单。经实验验证，在发射线圈接收线圈相距25cm时考虑到非最佳负载工作条件，效率最大依然可达到85％。
附图说明
图1是本发明无线电能传输系统方框图
图2是本发明实施例具体设计电路图
图3是MAX038模块电路图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本实施例利用MAX038芯片产生0.1～20MH高频交流小信号，频率可调，利用THS4031芯片将高频小信号进行初步放大，通过UCC27321驱动芯片后用以驱动E类功率放大器的开关管。以ARF461A开关管为基础，设计E类功率放大器(参考图2，放大器由直流电源DC，开关管Q1，二极管D1，扼流电感RFC，电感L，以及电容C和C3组成)，该功率放大器工作在开关状态下，开关损耗极小。以LM7805，LM7905和LM2596-adj芯片设计供电电源，LM7805和LM7905给MAX038模块供电，LM2596-adj给ARF461A的驱动电路供电。采用1.3mm漆包线绕制对称的发射线圈L1和接收线圈L2，采用CBB电容做发射系统谐振电容C1和接收系统的谐振电容C2。其中L1＝L2，C1＝C2。通过调节MAX038的输出信号频率，可以控制流经发射线圈电流的频率，当调节高频电源频率等于电磁系统谐振频率时，谐振产生，电能可以快速高效地从发射系统流入接收系统。E类功率放大器的直流供电电压DC的值越大，系统传输的功率越大。
实验过程，用1.3mm的漆包铜线绕制发射线圈和接受线圈，匝数4匝，直径50cm，L1和L2的电感量均为24.6uH，电容C1，C2均为500pF。经实验验证，当发射线圈和接收线圈相距25cm时，谐振频率为1.45MHz时，E类功率放大器的直流供电电压20V，负载为额定电压12V额定功率20W的G4灯珠，传递效率最高可达85％，如果工作条件为最佳负载时，传递效率会更高，传输功率主要取决于E类功率放大器的直流供电电压，此外实验测得，直流供电电压为15V时，传输距离在60cm处依然可以微弱点亮10W小灯泡，说明该系统的传输距离能力较强。
参见图1，显示了该无线电能传输系统的所有模块，核心模块是高频信号发生模块，和E类功率放大器。高频信号发生模块使用MAX038芯片，E类功率放大器使用ARF461A开关管，电源部分使用LM7805，LM7905和LM2596芯片。具体实施过程如下：给经由LM7805和LM7905给MAX038模块上电后，MAX038模块可以输出高频交流小信号，通过调节电位器R4，R5和P1跳帽连接端，可以改变输出高频信号的频率。输出的信号峰峰值只有2V，通过THS4031进行初步放大可达到6～8V，输出电流能力只有100mA，此时THS4031输出的信号还不足以驱动ARF461A，高频小信号经过UCC27321驱动电路的再次放大后，输出电流能力增强，将具有驱动MOS管的能力。如图2所示，E类功率放大器的MOS管在驱动信号的作用下，ARF461A将呈周期性的开通和关断。MOS管开通时，C2两端电压为0V，MOS关断时，C2两端电压先上升再下降，是一电压单峰。电容元件C隔直通交，高频交流信号通过L1，C1时产生串联谐振。实际过程中有L1＞＞L，C1＜＜C,则基本上对L，C电磁发射系统自振频率影响非常小，我们调节MAX038输出信号频率，使输出信号频率与发射系统和接收系统的自振频率相同，理想情况下，发射线圈和接收线圈产生谐振，电路呈现纯电阻电路，此时线圈之间的磁场最强，传递的能量也最大，可以实现在较远的距离实现较高的传递效率和传输功率。

Claims (5)

1.一种磁耦合串联谐振式无线电能传输系统，其特征在于包括发送装置和接收端线圈；所述发送装置包括MAX038芯片、THS4031放大电路、UCC27321驱动芯片、E类功率放大器以及L1电感和L2电感构成的发射和接收线圈；MAX038芯片产生0.1～20MH高频交流小信号，其输出连接THS4031放大电路，THS4031放大电路的输出连接UCC27321驱动芯片，UCC27321驱动芯片的输出连接E类功率放大器的输入，E类功率放大器的输出电流流经发射线圈和C1电容回路，接收线圈通过C2电容连接负载。
2.根据权利要求1所述磁耦合串联谐振式无线电能传输系统，其特征在于：所述E类功率放大器包括开关管Q1，二极管D1，扼流电感RFC，电感L，以及电容C和C3；开关管Q1的栅极连接驱动电路的输出，其漏极通过扼流电感RFC至电源，同时经过电感L和电容C作为输出端；二极管D1与电容C3并联于开关管Q1的漏极与源极之间，二极管D1的负端连接于Q2MOS管的漏极。
3.根据权利要求2所述磁耦合串联谐振式无线电能传输系统，其特征在于：所述开关管Q1采用ARF461A开关管。
4.根据权利要求1所述磁耦合串联谐振式无线电能传输系统，其特征在于：所述L1电感和L2电感的发射和接收线圈，采用1.3mm的漆包铜线绕制，匝数4匝，直径50cm，且L1＝L2，电感量为24.6uH。
5.根据权利要求1所述磁耦合串联谐振式无线电能传输系统，其特征在于：所述电容C1＝C2，均为500pF。
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