一種基于雙e類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于雙E類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),尤其涉及一種添加 雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 雙E類功率放大電路,即雙E類功放,工作頻率可以達(dá)到MHz以上,電路結(jié)構(gòu)相對(duì) 簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān),電能轉(zhuǎn)換效率理論上可以達(dá)到1〇〇%,而且輸出功率是同等條件下 普通E類功放的4倍,因此特別適合作為諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的高頻功率源。當(dāng)雙E 類功放內(nèi)部各元件參數(shù)設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候,雙E類功放不僅可以工作在零電壓開關(guān)(ZVS)狀 態(tài),而且可以實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)數(shù)開通(ZDS)狀態(tài),這時(shí)雙E類功放將工作在最佳狀態(tài),此時(shí)雙 E類功放的輸出電阻就是最佳電阻R。
[0003] 諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸效率相對(duì)較高、非輻射性等特點(diǎn), 特別適合于中等距離的無(wú)線電能傳輸。其主要組成部分是傳輸線圈和負(fù)載,傳輸線圈一般 靠自諧振或者外接電容達(dá)到諧振狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)電能的有效傳輸。但在實(shí)際應(yīng)用中,傳輸線 圈并不是理想線圈,要考慮其內(nèi)阻,負(fù)載電阻也不是越大越好,它存在一個(gè)最佳值使得系統(tǒng) 傳輸效率最高。
[0004] 但是在實(shí)際的系統(tǒng)中,傳輸線圈位置容易發(fā)生變化,這將引起線圈間的互感發(fā)生 變化,進(jìn)而引起系統(tǒng)的綜合性能惡化,具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面,即:第一,雙E類功放外部傳輸 效率最高時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳負(fù)載值發(fā)生變化,引起傳輸效率大幅下降;第二,雙E類功放外部的 等效電阻發(fā)生變化,不等于其最佳輸出電阻R,導(dǎo)致雙E類功放內(nèi)阻無(wú)法實(shí)現(xiàn)ZDS(零電壓導(dǎo) 數(shù)開通),甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)ZVS(零電壓開通),使得開關(guān)管電壓、電流應(yīng)力增大,損耗增加,甚 至燒壞開關(guān)管。
[0005] 為了解決以上問(wèn)題,提出了如參考圖1所示的一種添加雙端阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的諧振 式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)。通過(guò)在發(fā)射端和接收端分別添加適當(dāng)?shù)淖杩棺儞Q網(wǎng)絡(luò),本系統(tǒng)不僅 可以保證在傳輸線圈位置發(fā)生變化的情況下雙E類功放處于最佳工作狀態(tài),即滿足ZVS和 ZDS工作條件,而且可以使得雙E類功放外部的諧振式無(wú)線電能傳輸效率達(dá)到最高,從而使 得整個(gè)系統(tǒng)的性能最佳。并且在同等條件,雙E類功放的輸出功率是普通E類功放的4倍, 這將大大提高諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的輸出功率。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 本發(fā)明的目的在于克服目前基于普通E類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)輸出 功率較小的問(wèn)題,以及解決目前基于雙E類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)存在幾種實(shí)際 問(wèn)題,具體表現(xiàn)在:由于系統(tǒng)原來(lái)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理,或者傳輸線圈位置發(fā)生變化時(shí),雙E類 功放電路實(shí)際工作狀態(tài)不佳,如開關(guān)管電壓或者電流應(yīng)力大,雙E類功放內(nèi)部損耗較大,以 及外部的諧振式無(wú)線電能傳輸效率低下的問(wèn)題。通過(guò)在發(fā)射線圈和接收線圈兩側(cè)分別添加 適當(dāng)?shù)淖杩棺儞Q網(wǎng)絡(luò),不僅可以保證在線圈位置發(fā)生變化時(shí)雙E類功放仍處于最佳工作狀 態(tài),同時(shí)保證雙E類功放外部的傳輸效率最高,從而使得整個(gè)系統(tǒng)的工作性能最佳,另外系 統(tǒng)的輸出功率也增加為基于普通E類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的4倍,負(fù)載獲得功 率大大增加。
[0007] 本發(fā)明的目的至少通過(guò)如下技術(shù)方案之一實(shí)現(xiàn):
[0008] 一種基于雙E類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),包括雙E類功放模塊、傳輸線圈 模塊、原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)、副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)及負(fù)載;其中雙E類功放模塊由直流電壓源、 第一扼流電感、第二扼流電感、第一驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)、第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第 一反向續(xù)流二極管、第二反向續(xù)流二極管、第一并聯(lián)旁路電容、第二并聯(lián)旁路電容、濾波電 感、濾波電容組成,雙E類功放的輸出端產(chǎn)生高頻正弦交流電,作為諧振式無(wú)線電能傳輸系 統(tǒng)的高頻功率源;傳輸線圈模塊包括發(fā)射線圈和接收線圈,其中發(fā)射線圈等效為由發(fā)射線 圈內(nèi)阻、發(fā)射線圈電感和發(fā)射線圈諧振電容形成的RLC串聯(lián)諧振模式,接收線圈等效為由 接收線圈內(nèi)阻、接收線圈電感和接收線圈諧振電容形成的串聯(lián)諧振模式;原邊阻抗變換網(wǎng) 絡(luò)的輸入端與雙E類功放的輸出端相連,輸出端與傳輸線圈模塊中的發(fā)射線圈相連;副邊 阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的輸入端與傳輸線圈模塊中的接收線圈相連,輸出端與負(fù)載相連。
[0009] 進(jìn)一步地,雙E類功放模塊工作在最佳狀態(tài)時(shí),即滿足零電壓開通(ZVS)和零電壓 導(dǎo)數(shù)開通(ZDS)條件,此時(shí)雙E類功放的等效輸出電阻就是其對(duì)應(yīng)的最佳輸出電阻;雙E類 功放模塊內(nèi)部的第一開關(guān)管由高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng);第二開關(guān)管由高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng), 第一開關(guān)管和第二開光管各自驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下互補(bǔ)導(dǎo)通,交替關(guān)斷;高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻 率即系統(tǒng)頻率f的范圍為〇. 5MHz-50MHz之間,開關(guān)管的占空比D= 0. 5。
[0010] 進(jìn)一步地,雙E類功放模塊中的濾波支路由濾波電感、濾波電容、等效輸出電阻串 聯(lián)組成;濾波支路的品質(zhì)因數(shù)Q-般在5-20范圍內(nèi)。
[0011] 進(jìn)一步地,發(fā)射線圈內(nèi)阻和接收線圈內(nèi)阻均包括歐姆內(nèi)阻和輻射內(nèi)阻;發(fā)射線圈 和接收線圈滿足關(guān)系
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于雙E類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),其特征在于包括雙E類功放模塊 (I)、傳輸線圈模塊(Π )、原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)(NI)、副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)(N2)及負(fù)載(RJ ;其 中雙E類功放模塊(I)由直流電壓源(VJ、第一扼流電感(LI)、第二扼流電感(L2)、第一 驅(qū)動(dòng)信號(hào)(Vgl)、第二驅(qū)動(dòng)信號(hào)(Vg2)、第一開關(guān)管(SI)、第二開關(guān)管(S2)、第一反向續(xù)流二 極管(VDl)、第二反向續(xù)流二極管(VD2)、第一并聯(lián)旁路電容(Cl)、第二并聯(lián)旁路電容(C2)、 濾波電感(L3)、濾波電容(C3)組成,雙E類功放的輸出端(1Γ )產(chǎn)生高頻正弦交流電,作 為諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的高頻功率源;傳輸線圈模塊(II)包括發(fā)射線圈(TX)和接收 線圈(RX),其中發(fā)射線圈(TX)等效為由發(fā)射線圈內(nèi)阻(R m)、發(fā)射線圈電感(L4)和發(fā)射線 圈諧振電容(C4)形成的RLC串聯(lián)諧振模式,接收線圈(RX)等效為由接收線圈內(nèi)阻(R w)、 接收線圈電感(L5)和接收線圈諧振電容(C5)形成的RLC串聯(lián)諧振模式;原邊阻抗變換網(wǎng) 絡(luò)(NI)的輸入端與雙E類功放的輸出端相連,輸出端與傳輸線圈模塊(II)中的發(fā)射線圈 TX相連;副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)(N2)的輸入端與傳輸線圈模塊(II)中的接收線圈(RX)相連, 輸出端與負(fù)載(RJ相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙E類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),其特征在 于,所述雙E類功放模塊(I)工作在最佳狀態(tài)時(shí),即滿足零電壓開通(ZVS)和零電壓導(dǎo)數(shù)開 通(ZDS)條件,此時(shí)雙E類功放的等效輸出電阻(R)就是其對(duì)應(yīng)的最佳輸出電阻;雙E類功 放模塊內(nèi)部的第一開關(guān)管(SI)由高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)(Vgl)來(lái)驅(qū)動(dòng);第二開關(guān)管(S2)由高頻驅(qū) 動(dòng)信號(hào)(Vg2)來(lái)驅(qū)動(dòng),第一開關(guān)管和第二開光管各自驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下互補(bǔ)導(dǎo)通,交替關(guān) 斷;高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率即系統(tǒng)頻率f的范圍為〇. 5MHz-50MHz之間,開關(guān)管的占空比D = 0. 5〇
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于雙E類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),其特征在 于,雙E類功放模塊中的濾波支路由濾波電感(L3)、濾波電容(C3)、等效輸出電阻(R)串聯(lián) 組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙E類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),其特征在 于發(fā)射線圈內(nèi)阻(Rm)和接收線圈內(nèi)阻(R m)均包括歐姆內(nèi)阻和輻射內(nèi)阻;發(fā)射線圈(TX)和 接收線圈(RX)滿足關(guān)系:
1 ω為系統(tǒng)角頻率,滿足ω = 2 π f,L4S 發(fā)射線圈電感,C4為發(fā)射線圈諧振電容,L5為接收線圈電感,C5為接收線圈諧振電容,即發(fā) 射線圈(TX)和接收線圈(RX)在系統(tǒng)頻率下發(fā)生串聯(lián)諧振,另外發(fā)射線圈(TX)和接收線圈 (RX)之間的互感大小為M,互感隨著發(fā)射線圈(TX)和接收線圈(RX)之間的相對(duì)位置即傳 輸線圈位置的變化而變化。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙E類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),其特征在 于,負(fù)載為純阻性質(zhì)、阻感性質(zhì)或者阻容性質(zhì)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙E類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),其特征在 于,原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)(NI)和副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)(N2)中均由儲(chǔ)能元件組成,不消耗電能, 儲(chǔ)能元件包括電容和電感,原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)(NI)和副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)(N2)的電路形式 為L(zhǎng)型、T型或Π 型,其中,L型阻抗變換網(wǎng)絡(luò)可以分為兩種,即正L型和倒L型,正L型具有 放大等效電阻的作用,倒L型具有減小等效電阻的作用。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙E類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),其特征 在于,雙E類功放模塊外部的傳輸效率η在線圈位置確定的情況下存在一個(gè)最優(yōu)負(fù)載^ Optimal,使得傳輸效率最高,這個(gè)最優(yōu)負(fù)載電阻滿萬(wàn)
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于雙E類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),其特征在 于,當(dāng)負(fù)載心不等于最優(yōu)負(fù)載I^0ptimal時(shí),通過(guò)接收線圈(RX)和負(fù)載R l之間添加的副邊阻 抗變換網(wǎng)絡(luò)(N2),使得從接收線圈輸出端(44')向負(fù)載看進(jìn)去的等效電阻值為Ruptimal; 由于副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)N2不消耗電能,則等效電阻Ru ptimaJ_耗的電能就等于負(fù)載RJI耗 的電能,即此時(shí)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)最尚效率傳輸。
9. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于雙E類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),其特征在 于,雙E類功模塊外部的等效電阻Rrai滿足:
當(dāng)傳輸線圈位置 發(fā)生變化時(shí),等效電阻R^1也將發(fā)生變化,當(dāng)R %不等于雙E類功放最佳輸出電阻R時(shí),通過(guò) 在雙E類功放模塊⑴輸出端(11')和發(fā)射線圈(TX)的輸入端(33')之間添加原邊 阻抗變換網(wǎng)絡(luò)(NI),使得從高頻功率源模塊(I)輸出端(11')向發(fā)射線圈看進(jìn)去的等效 電阻W %滿足μ= R,則此時(shí)雙E類功放模塊(I)將工作在最佳狀態(tài),即滿足ZVS和 ZDS條件;由于原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)(NI)由儲(chǔ)能元件電容和電感構(gòu)成,并不消耗電能,因此雙 E類功放模塊(I)輸出的電能等于發(fā)射線圈(TX)的輸入端(33')消耗的電能。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于雙E類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng),系統(tǒng)包括雙E類功放模塊、原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)、副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)、傳輸線圈模塊、負(fù)載。其中雙E類功放模塊可以產(chǎn)生高頻正弦波,作為系統(tǒng)的高頻功率源。原邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)分別與雙E類功放模塊和發(fā)射線圈相連,保證傳輸線圈位置發(fā)生變化的情況下E類功放仍工作在最佳狀態(tài);副邊阻抗變換網(wǎng)絡(luò)分別與接收線圈和負(fù)載相連,可以實(shí)現(xiàn)雙E類功放模塊外部傳輸效率最高。本發(fā)明通過(guò)在諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的原邊和副邊分別添加適當(dāng)?shù)淖杩棺儞Q網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)現(xiàn)在線圈位置發(fā)生變化的情況下雙E類功放仍處于最佳工作狀態(tài),同時(shí)獲得最高傳輸效率,從而使得基于雙E類功放的諧振式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)性能最佳。
【IPC分類】H02J17-00
【公開號(hào)】CN104868611
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510272046
【發(fā)明人】王學(xué)梅, 王振亞, 張波, 鄭浩
【申請(qǐng)人】華南理工大學(xué)
【公開日】2015年8月26日
【申請(qǐng)日】2015年5月25日