高频小功率无线充电技术研究

发布时间：2017-10-17 17:26

  本文关键词：高频小功率无线充电技术研究

  更多相关文章： 无线充电 磁耦合谐振 高频 小功率 E类功率放大器

【摘要】：近年来,无线充电作为一项新技术得到了飞速地发展,现已被广泛地应用到了可移动式设备上,尤其是如智能手机等需要频繁充电的设备上。无线充电系统可分为磁耦合感应式和磁耦合谐振式两类。目前已有的无线充电规范有:Wireless Power Consortium(WPC)制定的Qi规范和Alliance for Wireless Power(A4WP)制定的Rezence规范。一般地,将Qi规范划分为磁耦合感应式无线充电系统,而将Rezence规范划分为磁耦合谐振式无线充电系统。本文的主要研究内容是围绕基于Rezence规范的高频小功率无线充电系统的发射端设计以及系统的整体工作特性及其影响因素展开的。本文从原理上详细地介绍和分析了整个磁耦合谐振式无线充电系统的电路设计方案,包含发射端和接收端两个部分。线圈的谐振耦合理论分析主要采用了耦合回路模型和二端口网络模型,并得出了对系统传输效率和功率造成影响的主要因素,为无线充电系统的设计和优化提供了重要的理论参考。本文使用新型的Ga N功率场效应管设计出了一可作为无线充电系统发射端的E类功率放大器,其工作频率为6.78 MHz,在输出功率为8 W时的效率最高可达92%。另外,本文还提出了一种可以检测和控制发射端工作状态的方法。将发射端分为三种基本工作状态,分别是:无功率输出状态、低功率输出状态和功率传输状态。出于安全和节能的考虑,在没有有效接收端的情况下,发射端将关闭功率放大器的供电电源,进入无功率输出状态。在低功率输出状态下,发射端通过检测结果判断接收端是否满足系统正常工作所需的条件。功率传输状态是系统的正常工作状态,发射端将为接收端提供所需的功率,此时发射端的E类功率放大器工作于零电压开关状态,功率损耗小、工作效率高。发射端工作状态的判断是通过检测和分析功率放大器的直流供电电压、电流以及其输出端的入、反射功率的大小得出的,无需发射端与接收端之间相互通信。最后,本文利用E类功率放大器构成的发射端以及D类半波整流电路和降压型DC/DC变换电路构成的接收端搭建了一套手机无线充电系统,它们之间通过谐振耦合线圈相连。该系统在距离为35 mm、直流供电电压为15 V的情况下,能够为负载提供5 V的电压以及2.3 W的功率,系统的整体DC/DC效率为53%。实验结果进一步论证和说明了无线充电系统的基本工作特性和存在的问题,并提出了相应的改进方案和未来的研究方向。
【关键词】：无线充电 磁耦合谐振 高频 小功率 E类功率放大器
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM910.6
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题研究的背景和意义9-11
• 1.2 无线电能传输技术的研究现状及分析11-14
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.3 本文的主要研究内容14-16
• 第2章 线圈耦合模型分析16-29
• 2.1 引言16
• 2.2 耦合回路模型分析16-24
• 2.2.1 互感耦合回路的基本特性16-18
• 2.2.2 谐振耦合回路的基本特性18-24
• 2.3 二端口网络模型分析24-28
• 2.3.1 二端口网络的基本特性24-27
• 2.3.2 谐振耦合回路的等效二端口网络分析27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 功率放大器设计29-47
• 3.1 引言29
• 3.2 E类功率放大器的工作原理29-32
• 3.3 E类功率放大器的工程设计32-42
• 3.3.1 基本电路设计32-35
• 3.3.2 电路仿真分析35-37
• 3.3.3 输出阻抗匹配37-40
• 3.3.4 PCB设计40-42
• 3.4 E类功率放大器的测试与调整42-45
• 3.4.1 驱动波形的测试42
• 3.4.2 工作波形的调整42-44
• 3.4.3 输出功率和效率的测试44-45
• 3.5 E类功率放大器应用于无线充电系统的分析45-46
• 3.6 本章小结46-47
• 第4章 放大器检测及控制电路设计47-60
• 4.1 引言47
• 4.2 放大器检测及控制电路硬件设计47-52
• 4.2.1 硬件系统设计47-48
• 4.2.2 硬件电路设计48-52
• 4.3 放大器检测及控制电路软件设计52-57
• 4.3.1 软件系统设计52-53
• 4.3.2 软件程序设计53-57
• 4.4 放大器检测及控制电路的测试57-59
• 4.4.1 供电功率检测及控制电路的测试57-58
• 4.4.2 入、反射功率检测电路的测试58-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第5章 无线充电系统的实验研究60-71
• 5.1 引言60
• 5.2 耦合线圈与接收电路60-65
• 5.2.1 耦合线圈60-63
• 5.2.2 接收电路63-65
• 5.3 无线充电系统实验65-70
• 5.3.1 手机无线充电实验65-68
• 5.3.2 无线充电系统的性能评估及改进方案68-70
• 5.4 本章小结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-78
• 致谢78

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4 章旦e，

本文编号：1050096