宽负载恒压的小功率无线电能传输系统研究

发布时间：2021-06-06 18:43

　　采用单管E类功率放大器（E类功放）的无线电能传输（WPT）系统中,发射端E类功放存在对负载变化敏感而引起输出电压不稳定的问题,在此设计了一种宽负载恒压的小功率WPT系统。首先介绍了系统的工作原理,然后采用电路理论分析了匹配网络的阻抗特性,并设计了发射端匹配网络的参数。同时,利用电路仿真软件Saber验证了系统设计的可行性。最后,搭建一台12 W的实验样机,进行了距离5 cm的负载实验。实验结果表明,所设计的系统不仅能实现开关管的零电压开关（ZVS）,而且接收端具有宽负载恒压特性。 

【文章来源】：电力电子技术. 2020,54(09)北大核心CSCD

【文章页数】：4 页

【部分图文】：

图１系统电路原理图??Ｆｉｇ．?１?Ｓｙｓｔｅｍ?ｃｉｒｃｕｉｔ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ??

功放，在发射端匹??配网络增加Ｔ型匹配网络，系统电路原理见图１。??图１系统电路原理图??Ｆｉｇ．?１?Ｓｙｓｔｅｍ?ｃｉｒｃｕｉｔ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ??宽负载恒压的小功率ＷＰＴ系统电路包括开??关管Ｖ、扼流电感心、电容Ｃｆ；第１级串联谐振网??络／＜８，（：８；第２级并联谐振网络ＬＰ，ＣＰ；第３级串联??谐振网络Ｌａ，Ｃａ；发射端Ｔ型匹配网络及发射电感??Ｌ，；接收端串联谐振网络整流电路ＶＤ＾ＶＤｊ??以及负载札。在此所述电路有４个工作模态，关键??波形如图２所示。依次为开关管驱动信号开关??管漏源极电压＆、谐振电流Ｌ开关管关断时并接??电容Ｇ上的电流ｋ、开关管导通电流ｉｖ。??Ｉ／／Ｖ．／７Ａ??Ｍｇｓ??：，?：｜￣￣??０??Ａｌ??／［＼Ｎ?ｉ／［＼！?＂ｎｓ??０??＇?＾／ｒ?Ｉ?！！．—－ｋ?Ｉ?！?一＇！?！?＂ｎｓ??ｉ?ｘｉ?ｉ?＼Ｘ?ｉ?Ｘｉ?＼ｙ??０??ｉｃｔ??ｉ＇－＾—ｉ?ｒ＊??＾?／／ｎｓ??乂?ｒ??０??ｒｒ＾ｒ：??｜?／／ｎｓ??＜〇￣ｆｉ?ｈ￣?Ｊ／ｎｓ??图２系统关键波形??Ｆｉｇ．?２?Ｔｈｅ?ｋｅｙ?ｗａｖｅｆｏｒｍｓ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｓｙｓｔｅｍ??电路具体工作模态：??模态丨Ｖ处于关断状态。为了实现Ｖ??的软开关，必须使其关断时提前下降到零，即??在ｔ。时刻Ｕ（ｆｅ，ｉｖ＝ｏ，ｖ实现零电压关断。??模态＼仍处于关断状态。在？达到??最大时，ｋ正好由于放电过零，即在Ｖ到达转换??状态前Ａ从零开始增加，并且在Ｖ导通前，ｉｖ＜０，??＆下降到零。此时接收端匹配网络处于谐振状??态，续流二极管ＶＤ，，ＶＤ４

宽负我恒压的小功率无线电能传输系统研究??Ｍｕ＝??（７）??Ｚ，?（Ｚ／ｊａ／／ＺＩ＋ＺＱ，）［Ｚ？＋（Ｚ＾／／Ｚ１＋ＺＱａ）?／／Ｚｐ］??（ｊ？Ｃｐ）］；Ｚ．＝ｊ＜？Ｉ，＋?ｌ／（ｊＭＣ．）?〇??（８）??（ｂ＞筇效电路图??图３系统等效电路图??Ｆｉｇ．?３?Ｔｈｅ?ｓｙｓｔｅｍ?ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ?ｃｉｒｃｕｉｔ?ｄｉａｇｒａｉ??系统发射端匹配网络输入阻抗为：??Ｚ，＝Ｚ．＋ＺＰ／／?［ｚ＾＋Ｚｏ．／／?［ｙｏＬ，＋＾－＋Ｚ＾?）??ＲｅｔＺｊＪ＋ＩｍｔＺｉＪ??式中：〇＜为系统发射端电路固有谐振角频率＃＝ｉ／ＶＺ＾Ｔ。??Ａ实部越大，发射端匹配网络的品质因数（？??将越小，较小的（？值虽然能减小系统发射端的谐??振损耗，但增加了谐波量，使得系统损耗增加。因??此，（＞?值要选取适当，在此选取（＞＝１０。??为简化分析，将系统发射／接收端串联谐振网??络视为一个二端口网络，利用ＫＶＬ定律，可得到??二端口网络电路的特性方程为：??（９）??式中：Ｕ．，为二端口输入电压源；２，＇为二端口网络输入端的??阻抗丨／（恥〇。??根据式（９）可得二端口系统的传输效率为：??（ｗＭＹＲ？??Ｚ；?ｊ（〇Ｍ??ｊ（〇Ｍ?ＺＴ??０??Ｖ??？?ＰＭ?．??￣Ｐ￣＇??（１０）??２．２．２?系统电路参数设计??为避免系统的控制过于复杂，若要使接收端??得到恒定电压输出，需使功放输入谐振网络（匕和??Ｃｆ）的谐振频率为开关频率的１．５倍，串并联匹配??网络的谐振频率与开关频率相等，发射端Ｔ型匹??配网络的谐振频率需稍微错开。此时，额定负载／？??可由功放的输入电压和输出功率计算得到：??Ｒ＝

【参考文献】：
期刊论文
[1]远距离小功率无线电能传输系统性能优化研究[J]. 李振杰,逯仁贵,朱春波,宋凯,魏国.  电工技术学报. 2015(S1)
[2]E类逆变器在无线电能传输系统中的设计与应用[J]. 黄晓生,陈为.  福州大学学报(自然科学版). 2015(03)



本文编号：3214936