基于全局负载牵引的兆赫兹恒压输出无线电能传输系统优化设计方法

发布时间：2021-08-11 04:32

　　近年来无线电能传输技术在消费电子领域得到广泛应用,而接收端的恒压/恒流输出特性可以显著简化负载功率的控制。兆赫兹（MHz）无线电能传输系统由于其各环节复杂的阻抗特性,使得千赫兹（kHz）系统中常用的恒压/恒流拓扑设计难以达到其应有效果。首先,详细分析了E类兆赫兹无线电能传输系统的各部分特性,提出一种基于全局负载牵引的系统优化设计方法。该方法在结构上仅需在发射端增加一枚电容即可实现接收端的恒压/恒流输出,同时使得系统效率在负载变化时稳定在较高水平。最后,搭建了工作频率为6.78 MHz的20 W、10 V恒压输出无线电能传输系统样机,并与传统单点负载优化设计的系统进行比较。该系统在5～20Ω的负载变化范围内电压浮动范围在1 V以内,效率保持在76%～84%,实验结果证明了所提方案的有效性。 

【文章来源】：电源学报. 2020,18(05)北大核心CSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

不同输出负载点下的单端E类功放开关管电压波形

相比于局部负载牵引，全局负载牵引将系统的最终负载RL作为扫参变量，设计匹配网络使接收端保持恒压/恒流输出，同时使功放高效工作。采用全局负载牵引的WPT系统各环节阻抗变化情况如图7所示。当负载RL变化时，若没有阻抗匹配网络，则Zpa=Znet，阻抗变化如图7中Znet所示。在这种情况下，随着RL的增大，功放会脱离高效工作区间从而导致系统效率显著降低。此时，通过仿真软件或数值计算的方法调整阻抗匹配网络的参数，使得功放的负载阻抗由Znet被转化为处在高效区间内的Zpa；同时由式（7）可知，在RL增大时Zpa的变化方向应如图7所示，由点C指向点A（接收端恒压输出），或由点A指向点C（接收端恒流输出）。根据系统最大设计输出功率，取线圈和整流器的效率分别为95%和92%，可以估算出功放所需的最大输出功率为

为了验证所提出的设计方法，本文设计了一台输出电压10 V、最大输出功率20 W的试验样机，如图8所示，系统工作频率为6.78 MHz。接收与发射线圈皆为直径7.2 cm的圆形PCB螺旋线圈，传输距离为2.3 cm，线圈参数见表1。值得注意的是，由于系统工作在MHz情况下，因此耦合机构中不再需要额外的铁氧体来增强磁场，这有效降低了系统的成本和重量。由于本文采用了T网络作为发射端阻抗匹配网络，其参数LT1可以并入功放的输出网络L0和C0中，LT2可以并入发射线圈Ltx及其谐振电容Ctx中，因此相比于传统设计，本文提出的发射端只增加了1个电容CT，经过合并后的发射端拓扑结构如图9所示，图中带“*”变量表示相应元件的值在网络合并后有变化。

【参考文献】：
期刊论文
[1]感应耦合能量传输系统中双边LCC谐振腔恒流和恒压模式的研究[J]. 陆江华,朱国荣,黎文静,李博,姜晶.  中国电机工程学报. 2019(09)
[2]超高频功率变换器研究综述[J]. 徐殿国,管乐诗,王懿杰,张相军,王卫.  电工技术学报. 2016(19)



本文编号：3335460