磁耦合谐振式高频自激振荡无线电能传输系统设计

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　　摘  要：对于应用前景广阔的谐振式无线充电，文章提出将高频自激逆变电路作为系统激励源，这在效率、稳定性以及成本等方面有着明显的优势。首先对耦合系统进行分析，得出系统能够谐振的基本条件，然后介绍系统电路构成以及其原理。最后实验结果表明，该装置能够在15-20cm中远距离给小灯泡稳定供电，另外为了进一步优化系统，还对如何提高传输距离和效率进行了研究。该实验装置对谐振无线充电的研究有着重要的价值。
　　关键词：磁耦合谐振;无线充电;高频自激;耦合系统
　　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
　　无线充电技术便捷了小功率电子产品的使用，使得其相关研究备受关注。无线电能传输主要通过电磁的感应式、谐振式以及辐射式三种形式来实现，其中电磁谐振式无线电能传输在中等距离传输时，依然保持着良好的传输能力和效率特性，并且可以穿透非磁性障碍物。其在传输距离上较电磁感应式更远，对电磁环境的影响较电磁辐射式更低，且拥有较大的传输功率，因此对谐振式无线电能传输的研究越来越多。
　　然而，大多数电磁共振式无线电能传输设计采用传统的功率放大器充当驱动电路，这类放大器存在效率低或对功率晶体管要求较高、难调试等缺点。为此，本系统基于电磁谐振原理，采用了高频自激振荡逆变电路作为驱动电路，整个系统工作频率约为150kHz，逆变转换效率在95%以上，能在发射线圈和接收线圈距离15-20cm的情况实现电能传输点亮小灯，系统整体效率较其他方案显著提高，具有易控制、高稳定、高效率、小损耗以及低成本等优点。
　　2 电磁谐振耦合机理分析
　　2.1 基本原理
　　该系统分为发射系统和接收系统，其中发射系统由发射电路和线圈组成，接收系统由接收电路和线圈组成。由导线绕制的发射线圈等效为一空芯电感，此空芯电感器与谐振电容器构成谐振体，当电路工作时，该谐振体将具有能在电磁场中振荡的能量，且此振动频率由其自身条件决定，进而可以通过线圈（即磁场）进行传输;同样，在接收线圈有着与发射线圈相同的结构，当接收线圈谐振体的能量振动频率与发射线圈谐振体的能量振荡频率达到一致，两者便可通过相隔一定距离的线圈来实现能量的交換，即实现无线电能中远距离传输。
　　2.2 电磁谐振模型分析
　　对于耦合系统中的初、次级采用电感与电容并联谐振的方式，结构图如图1所示。
　　先对电路原理图进行分析。由基尔霍夫电压定律得，该谐振回路的等效回路阻抗为[1]：
　　令lm（Z）=0，可得谐振条件L-R2C-？棕2L2C=0，从而解得谐振角频率为
　　当负载电阻R<时能满足谐振条件，在本设计中只要调整负载电阻R的大小就满足系统谐振条件，并且可通过提高两线圈的耦合系数及品质参数来提升耦合效率[1]。
　　3 系统电路设计
　　本次的高频自激振荡无线电能传输系统由发射电路和接收电路组成，其中发射电路由高频自激逆变电路、谐振电路以及铜丝线圈组成，接收电路由谐振电路、整流滤波电路以及铜丝线圈组成。系统电路运行是通过高频驱动电路将输入电压逆变为高频的交流电，再经谐振耦合电路将交流电传输到接收端，接着再整流成直流电来点亮小灯，最终完成了小功率电能在较长距离范围内的无线传输。
　　3.1 高频自激振荡逆变电路
　　3.1.1 电路结构
　　高频自激振荡电路结构图如图2所示，此电路能将电源提供的直流稳压电经双MOS管振荡逆变工作后输出具有稳定正弦曲线的高频交流电，具有小损耗、高效率、高稳定性、易于控制且低成本等优点，能实现ZVS，其逆变转换效率在95%以上，提升了系统整体效率。
　　3.1.2 电路原理
　　如图2结构图所示，当电路接通15V的VCC电源时，电压经过R1、R3电阻分压后施加到MOS管的栅极上，其中R1、R3起降压保护作用，防止突然启动的电压过大烧坏MOS管，与此同时，电流经过L1、L2电流开始通过初级并到达MOS管的漏极，这样两个MOS管便被开启工作;显然每个元器件都存在差异性，这一差异将会导致其中一个MOS管会承受更多的电流电压，而另一MOS管上接收的电流会减少，直到门级电压降低到MOS管停止工作。 　　从电路图中可以看出，两个MOS管Q1、Q2所处的结构地位相同。所以可以假设Q1先导通。Q1稳态导通后，会引起电容C和电感L2的LC谐振，于是Q1的漏极电压将会随着这一谐振开始按正弦函数曲线变化，又由于输入电压恒定，所以此时Q2的漏极电压开始呈负正弦变化;当Q1漏极电压 达到峰值，Q1漏极电压减小到Q1关闭;相反，Q1漏极电压到达零值时，Q2达到峰值，这样便完成了由Q1的开启关断到Q2开启的过程。接着，正弦函数的周期性保证了Q2开启后将会重复相同的工作，使得该高频自激电路循环往复振荡工作，输出具有稳定正弦波形的交流电。
　　3.2 LC谐振耦合电路
　　LC耦合电路是否能成功谐振是系统电能传输的关键，它将高频自激振荡电路输出交流电隔空传输给接收电路供电。对于谐振电感，LC 谐振耦合电路的谐振电感是由线径1mm铜芯漆包线紧密缠绕成的直径15cm的线圈。对于线圈来说，它的参数主要有绝缘导体间形成的分布电容和其等效的电感以及负载电阻。由于以上参数的原因，系统在工作的时候，线圈的电感和负载电阻会增大，会导致线圈的不稳定从而影响效率。
　　对于谐振电容，由于本系统线圈缠绕紧密，线圈分布电容极小，所以依靠线圈自身分布电容不能使线圈谐振频率工作在规定频率左右，因此外加谐振电容能使线圈谐振频率工作在规定频率附近[2]。另外本系统工作的频率为150kHz左
　　右，对电容的要求较高，经过比较发现CBB电容在高频电路中具有优异的电性能、自愈性能、可靠性以及高的耐热性等优点，所以本设计中的谐振电容使用CBB电容。
　　3.3 整流滤波电路
　　因为经谐振后二级系统得到的是高频交流电，所以需要通过整流滤波电路来实现向直流电的转变。该电路采用单相桥式整流，后接滤波电容。利用二极管的单向导通特性，用四个相同的桥式连接的二极管，达到将输入信号转变为直流电的目的。但在实际中，不能忽视二极管导通电压的影响，所以二极管采用导通电压为0.7V左右的硅管，这样最后得到的电压就会下降相应的电压。
　　4 实验结果与分析
　　4.1 系统硬件测试
　　本次设计的无线传能系统的基本参数，两线圈的直径为15cm;发射和接收线圈的电感量均为3.7？滋H，并联谐振电容选取6.8nF的CBB电容;系统工作频率在140-150kHz之间，整体系统效率在40%左右。
　　当给发射系统外加直流电压，经高频振荡后输出电压为稳定的半波正弦信号。经耦合系统谐振后，接收线圈会得到一个相应的正弦波波形。最后经过桥式整流，提供给负载稳定的直流电压。
　　4.2 系统优化措施
　　4.2.1 系统整体效率优化
　　谐振耦合系统是影响无线电能传输整体效率的关键部分，因此需要进一步对其分析来优化系统整体效率。系统整体耦合效率为初、次级耦合效率之积[3]：
　　 其中Q为两线圈的品质因数，K为两线圈的耦合系数。可以看出其中初、次级线圈间的耦合系数及其品质参数和负载阻值为影响耦合效率的主要因素。由谐振电路品质因素计算公式可知，当R越小线圈的品质因素就越高，又因为线圈内阻与线圈线径成反比，所以可以通过增大线圈线径的措施来提高线圈的品质因数;另外两线圈的互感量会直接影响耦合系数，两平行放置的线圈，其相隔距离和直径是决定互感量的主要因素。但过大或过小的线圈直径都会阻碍互感量的提升[4]，过小的线圈直径会使互感量下降速度变快，而线圈直径过大会导致互感量保持一个较低值，所以在实验过程中，需要不断调整线圈直径大小，使得其与传输距离匹配达到最佳效率。
　　4.2.2 傳输距离优化
　　对于系统的传输距离，通过实验分析，提出了以下的优化措施。多股导线并联改造线圈结构[5]。当线径增大时，电阻会降低，线圈上的电流增大，从而加强磁场强度，增加传输距离，但同时不能忽视趋肤效应带来的影响，随着线圈线径的增大，导线电阻会增大，从而减小了谐振体的能量，于是缩短了磁场范围，影响传输距离。为此，提出多股导线并联改造线圈结构来增大线圈线径，通过实验对比，该方案不仅能削弱趋肤效应对导线电阻增大的作用，还能进一步地提高传输距离。
　　5 结束语
　　本文基于电磁耦合原理，设计一款可以实现中远距离传输的小功率无线充电系统。该系统激励源采用高频自激振荡电路，具有易控制、高稳定、高效率、小损耗以及低成本等优点。
　　系统工作频率150kHz左右，系统整体效率45%左右，传输距离为15cm-20cm，能够基本满足小功率电子设备的充电需求。这款无线充电装置，在传输距离和系统效率相比于其他装置有着明显的优势，这对于磁耦合谐振式无线电能传输的研究很有价值。
　　参考文献：
　　[1]高玉青.磁谐振式无线电能传输系统特性研究与系统设计[D].浙江：浙江大学，2017.
　　[2]任立涛.磁耦合谐振式无线能量传输功率特性研究[D].黑龙江：哈尔滨工业大学，2009.
　　[3]汪都.高频小功率无线充电技术研究[D].黑龙江：哈尔滨工业大学，2016.
　　[4]陈忠华，卢韦，时光，等.无线电能传输系统的线圈参数及耦合系数研究[J].高压电器，2019，55（4）：205-210.
　　[5]张小壮.磁耦合谐振式无线能量传输距离特性及其实验装置研究[D].黑龙江：哈尔滨工业大学，2009.
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