磁耦合諧振式高頻自激振蕩無線電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計

潘飛 潘建 龐胤鈮 李光志

摘? 要：對于應(yīng)用前景廣闊的諧振式無線充電，文章提出將高頻自激逆變電路作為系統(tǒng)激勵源，這在效率、穩(wěn)定性以及成本等方面有著明顯的優(yōu)勢。首先對耦合系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出系統(tǒng)能夠諧振的基本條件，然后介紹系統(tǒng)電路構(gòu)成以及其原理。最后實驗結(jié)果表明，該裝置能夠在15-20cm中遠(yuǎn)距離給小燈泡穩(wěn)定供電，另外為了進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，還對如何提高傳輸距離和效率進(jìn)行了研究。該實驗裝置對諧振無線充電的研究有著重要的價值。

關(guān)鍵詞：磁耦合諧振;無線充電;高頻自激;耦合系統(tǒng)

Abstract： For the resonant wireless charging with broad application prospects， this paper proposes to use the high-frequency self-excited inverter circuit as the system excitation source， which has obvious advantages in efficiency， stability and cost. First of all， the coupling system is analyzed， and the basic conditions under which the system can resonate are obtained， and then the circuit structure and principle of the system are introduced. Finally， the experimental results show that the device can supply stable power to the small light bulb within 15-20cm. In addition， in order to further optimize the system， how to improve the transmission distance and efficiency is also studied. The experimental device is of great value to the research of resonant wireless charging.

1 概述

無線充電技術(shù)便捷了小功率電子產(chǎn)品的使用，使得其相關(guān)研究備受關(guān)注。無線電能傳輸主要通過電磁的感應(yīng)式、諧振式以及輻射式三種形式來實現(xiàn)，其中電磁諧振式無線電能傳輸在中等距離傳輸時，依然保持著良好的傳輸能力和效率特性，并且可以穿透非磁性障礙物。其在傳輸距離上較電磁感應(yīng)式更遠(yuǎn)，對電磁環(huán)境的影響較電磁輻射式更低，且擁有較大的傳輸功率，因此對諧振式無線電能傳輸?shù)难芯吭絹碓蕉唷?/p>

然而，大多數(shù)電磁共振式無線電能傳輸設(shè)計采用傳統(tǒng)的功率放大器充當(dāng)驅(qū)動電路，這類放大器存在效率低或?qū)β示w管要求較高、難調(diào)試等缺點。為此，本系統(tǒng)基于電磁諧振原理，采用了高頻自激振蕩逆變電路作為驅(qū)動電路，整個系統(tǒng)工作頻率約為150kHz，逆變轉(zhuǎn)換效率在95%以上，能在發(fā)射線圈和接收線圈距離15-20cm的情況實現(xiàn)電能傳輸點亮小燈，系統(tǒng)整體效率較其他方案顯著提高，具有易控制、高穩(wěn)定、高效率、小損耗以及低成本等優(yōu)點。

2 電磁諧振耦合機(jī)理分析

2.1 基本原理

該系統(tǒng)分為發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)，其中發(fā)射系統(tǒng)由發(fā)射電路和線圈組成，接收系統(tǒng)由接收電路和線圈組成。由導(dǎo)線繞制的發(fā)射線圈等效為一空芯電感，此空芯電感器與諧振電容器構(gòu)成諧振體，當(dāng)電路工作時，該諧振體將具有能在電磁場中振蕩的能量，且此振動頻率由其自身條件決定，進(jìn)而可以通過線圈（即磁場）進(jìn)行傳輸;同樣，在接收線圈有著與發(fā)射線圈相同的結(jié)構(gòu)，當(dāng)接收線圈諧振體的能量振動頻率與發(fā)射線圈諧振體的能量振蕩頻率達(dá)到一致，兩者便可通過相隔一定距離的線圈來實現(xiàn)能量的交換，即實現(xiàn)無線電能中遠(yuǎn)距離傳輸。

2.2 電磁諧振模型分析

對于耦合系統(tǒng)中的初、次級采用電感與電容并聯(lián)諧振的方式，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

先對電路原理圖進(jìn)行分析。由基爾霍夫電壓定律得，該諧振回路的等效回路阻抗為[1]：

令lm（Z）=0，可得諧振條件L-R2C-？棕2L2C=0，從而解得諧振角頻率為

當(dāng)負(fù)載電阻R<時能滿足諧振條件，在本設(shè)計中只要調(diào)整負(fù)載電阻R的大小就滿足系統(tǒng)諧振條件，并且可通過提高兩線圈的耦合系數(shù)及品質(zhì)參數(shù)來提升耦合效率[1]。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計

本次的高頻自激振蕩無線電能傳輸系統(tǒng)由發(fā)射電路和接收電路組成，其中發(fā)射電路由高頻自激逆變電路、諧振電路以及銅絲線圈組成，接收電路由諧振電路、整流濾波電路以及銅絲線圈組成。系統(tǒng)電路運行是通過高頻驅(qū)動電路將輸入電壓逆變?yōu)楦哳l的交流電，再經(jīng)諧振耦合電路將交流電傳輸?shù)浇邮斩?，接著再整流成直流電來點亮小燈，最終完成了小功率電能在較長距離范圍內(nèi)的無線傳輸。

3.1 高頻自激振蕩逆變電路

3.1.1 電路結(jié)構(gòu)

高頻自激振蕩電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，此電路能將電源提供的直流穩(wěn)壓電經(jīng)雙MOS管振蕩逆變工作后輸出具有穩(wěn)定正弦曲線的高頻交流電，具有小損耗、高效率、高穩(wěn)定性、易于控制且低成本等優(yōu)點，能實現(xiàn)ZVS，其逆變轉(zhuǎn)換效率在95%以上，提升了系統(tǒng)整體效率。

3.1.2 電路原理

如圖2結(jié)構(gòu)圖所示，當(dāng)電路接通15V的VCC電源時，電壓經(jīng)過R1、R3電阻分壓后施加到MOS管的柵極上，其中R1、R3起降壓保護(hù)作用，防止突然啟動的電壓過大燒壞MOS管，與此同時，電流經(jīng)過L1、L2電流開始通過初級并到達(dá)MOS管的漏極，這樣兩個MOS管便被開啟工作;顯然每個元器件都存在差異性，這一差異將會導(dǎo)致其中一個MOS管會承受更多的電流電壓，而另一MOS管上接收的電流會減少，直到門級電壓降低到MOS管停止工作。

從電路圖中可以看出，兩個MOS管Q1、Q2所處的結(jié)構(gòu)地位相同。所以可以假設(shè)Q1先導(dǎo)通。Q1穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通后，會引起電容C和電感L2的LC諧振，于是Q1的漏極電壓將會隨著這一諧振開始按正弦函數(shù)曲線變化，又由于輸入電壓恒定，所以此時Q2的漏極電壓開始呈負(fù)正弦變化;當(dāng)Q1漏極電壓 達(dá)到峰值，Q1漏極電壓減小到Q1關(guān)閉;相反，Q1漏極電壓到達(dá)零值時，Q2達(dá)到峰值，這樣便完成了由Q1的開啟關(guān)斷到Q2開啟的過程。接著，正弦函數(shù)的周期性保證了Q2開啟后將會重復(fù)相同的工作，使得該高頻自激電路循環(huán)往復(fù)振蕩工作，輸出具有穩(wěn)定正弦波形的交流電。

3.2 LC諧振耦合電路

LC耦合電路是否能成功諧振是系統(tǒng)電能傳輸?shù)年P(guān)鍵，它將高頻自激振蕩電路輸出交流電隔空傳輸給接收電路供電。對于諧振電感，LC 諧振耦合電路的諧振電感是由線徑1mm銅芯漆包線緊密纏繞成的直徑15cm的線圈。對于線圈來說，它的參數(shù)主要有絕緣導(dǎo)體間形成的分布電容和其等效的電感以及負(fù)載電阻。由于以上參數(shù)的原因，系統(tǒng)在工作的時候，線圈的電感和負(fù)載電阻會增大，會導(dǎo)致線圈的不穩(wěn)定從而影響效率。

對于諧振電容，由于本系統(tǒng)線圈纏繞緊密，線圈分布電容極小，所以依靠線圈自身分布電容不能使線圈諧振頻率工作在規(guī)定頻率左右，因此外加諧振電容能使線圈諧振頻率工作在規(guī)定頻率附近[2]。另外本系統(tǒng)工作的頻率為150kHz左

右，對電容的要求較高，經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)CBB電容在高頻電路中具有優(yōu)異的電性能、自愈性能、可靠性以及高的耐熱性等優(yōu)點，所以本設(shè)計中的諧振電容使用CBB電容。

3.3 整流濾波電路

因為經(jīng)諧振后二級系統(tǒng)得到的是高頻交流電，所以需要通過整流濾波電路來實現(xiàn)向直流電的轉(zhuǎn)變。該電路采用單相橋式整流，后接濾波電容。利用二極管的單向?qū)ㄌ匦?，用四個相同的橋式連接的二極管，達(dá)到將輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷哪康摹５趯嶋H中，不能忽視二極管導(dǎo)通電壓的影響，所以二極管采用導(dǎo)通電壓為0.7V左右的硅管，這樣最后得到的電壓就會下降相應(yīng)的電壓。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 系統(tǒng)硬件測試

本次設(shè)計的無線傳能系統(tǒng)的基本參數(shù)，兩線圈的直徑為15cm;發(fā)射和接收線圈的電感量均為3.7？滋H，并聯(lián)諧振電容選取6.8nF的CBB電容;系統(tǒng)工作頻率在140-150kHz之間，整體系統(tǒng)效率在40%左右。

當(dāng)給發(fā)射系統(tǒng)外加直流電壓，經(jīng)高頻振蕩后輸出電壓為穩(wěn)定的半波正弦信號。經(jīng)耦合系統(tǒng)諧振后，接收線圈會得到一個相應(yīng)的正弦波波形。最后經(jīng)過橋式整流，提供給負(fù)載穩(wěn)定的直流電壓。

4.2 系統(tǒng)優(yōu)化措施

4.2.1 系統(tǒng)整體效率優(yōu)化

諧振耦合系統(tǒng)是影響無線電能傳輸整體效率的關(guān)鍵部分，因此需要進(jìn)一步對其分析來優(yōu)化系統(tǒng)整體效率。系統(tǒng)整體耦合效率為初、次級耦合效率之積[3]：

其中Q為兩線圈的品質(zhì)因數(shù)，K為兩線圈的耦合系數(shù)?？梢钥闯銎渲谐酢⒋渭壘€圈間的耦合系數(shù)及其品質(zhì)參數(shù)和負(fù)載阻值為影響耦合效率的主要因素。由諧振電路品質(zhì)因素計算公式可知，當(dāng)R越小線圈的品質(zhì)因素就越高，又因為線圈內(nèi)阻與線圈線徑成反比，所以可以通過增大線圈線徑的措施來提高線圈的品質(zhì)因數(shù);另外兩線圈的互感量會直接影響耦合系數(shù)，兩平行放置的線圈，其相隔距離和直徑是決定互感量的主要因素。但過大或過小的線圈直徑都會阻礙互感量的提升[4]，過小的線圈直徑會使互感量下降速度變快，而線圈直徑過大會導(dǎo)致互感量保持一個較低值，所以在實驗過程中，需要不斷調(diào)整線圈直徑大小，使得其與傳輸距離匹配達(dá)到最佳效率。

4.2.2 傳輸距離優(yōu)化

對于系統(tǒng)的傳輸距離，通過實驗分析，提出了以下的優(yōu)化措施。多股導(dǎo)線并聯(lián)改造線圈結(jié)構(gòu)[5]。當(dāng)線徑增大時，電阻會降低，線圈上的電流增大，從而加強(qiáng)磁場強(qiáng)度，增加傳輸距離，但同時不能忽視趨膚效應(yīng)帶來的影響，隨著線圈線徑的增大，導(dǎo)線電阻會增大，從而減小了諧振體的能量，于是縮短了磁場范圍，影響傳輸距離。為此，提出多股導(dǎo)線并聯(lián)改造線圈結(jié)構(gòu)來增大線圈線徑，通過實驗對比，該方案不僅能削弱趨膚效應(yīng)對導(dǎo)線電阻增大的作用，還能進(jìn)一步地提高傳輸距離。

5 結(jié)束語

本文基于電磁耦合原理，設(shè)計一款可以實現(xiàn)中遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男」β薀o線充電系統(tǒng)。該系統(tǒng)激勵源采用高頻自激振蕩電路，具有易控制、高穩(wěn)定、高效率、小損耗以及低成本等優(yōu)點。

系統(tǒng)工作頻率150kHz左右，系統(tǒng)整體效率45%左右，傳輸距離為15cm-20cm，能夠基本滿足小功率電子設(shè)備的充電需求。這款無線充電裝置，在傳輸距離和系統(tǒng)效率相比于其他裝置有著明顯的優(yōu)勢，這對于磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)难芯亢苡袃r值。

參考文獻(xiàn)：

[1]高玉青.磁諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)特性研究與系統(tǒng)設(shè)計[D].浙江：浙江大學(xué)，2017.

[2]任立濤.磁耦合諧振式無線能量傳輸功率特性研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

[3]汪都.高頻小功率無線充電技術(shù)研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.

[4]陳忠華，盧韋，時光，等.無線電能傳輸系統(tǒng)的線圈參數(shù)及耦合系數(shù)研究[J].高壓電器，2019，55（4）：205-210.

[5]張小壯.磁耦合諧振式無線能量傳輸距離特性及其實驗裝置研究[D].黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.