基于E类放大器的无线电能传输系统的参数设计与仿真
基于E类功放的无线电能传输装置设计
基于E类功放的无线电能传输装置设计【摘要】无线电能传输装置以能量变换为基础,通过磁共振方式传输能量。
前级采用软开关的E类功放和最适频率调节电路,将直流电逆变为交流电并通过空心线圈发射能量,最适频率自动调节保证系统效率达到最高。
后级LC串联谐振,经过整流电路为负载提供能量。
E类拓扑能够实现最高效率的无线能量传输,可以有效的解决物联网中的各种传感器供电的问题,摆脱大量电池更换的烦恼,本系统更能方便的实现单点发射、多点接收的功能,整个系统电路简洁,稳定可靠,克服传统有线传输方式的弊端,在改善能量供应方式上突显出强大优势。
【关键词】E类功放;最适频率调节;高效率;无线电能传输一、引言与传统的电力传输不同,无线电能传输(Wireless Power Transmission,WPT)也称无线电力传输或无线功率传输。
它通过能量转换和空间辐射来实现。
WPT 主要通过电场耦合、电磁感应、磁共振、无线电波四种方式来实现非接触式的电能传输,被美国《技术评论》杂志评选为未来十大科研方向之一。
近年来国内外各研究机构(如日本产学研国际中心,英国剑桥SplashPower 公司),相继研发出了短距离无线供电产品。
美国的Powercast公司开发出的无线充电技术,可为各种耗电量相对较低的电子产品(如手机、汽车零部件)充电或供电。
Powercast公司计划推出数百万个无线充电器。
该技术得到如此青睐,虽然目前在远距离、高效率仍处于瓶颈,但不久的将来一定会攻克,无线电能传输将开辟人类的一个新纪元。
在理解无线电能传输的基础上,本装置采用E类功放完成能量转换,发射与接收线圈以磁共振方式传输能量,非接触式地为负载提供电能,以满足摆脱移动设备电源线的束缚,实现电能无线传输的愿望。
二、基本原理系统电路整体框图如图1所示,主要由前级能量变换装置(和最适频率自动调节电路)通过空心线圈将能量传送,和后级采用同样空心线圈的接收能量装置并对能量进行合理转化两部分组成,两个分离的电气部分通过磁共振方式实现能量无线传输。
基于E类逆变器的无线电能传输创新实验设计
基于E类逆变器的无线电能传输创新实验设计刘洋; 逄海萍【期刊名称】《《实验技术与管理》》【年(卷),期】2019(036)012【总页数】6页(P66-71)【关键词】无线电能传输; E类逆变器; 创新实验【作者】刘洋; 逄海萍【作者单位】青岛科技大学自动化与电子工程学院山东青岛 266061【正文语种】中文【中图分类】TM724自麻省理工学院2007年首次提出磁耦合谐振(magnetic coupling resonance,MCR)式无线电能传输(wireless power transfer,WPT)技术以来,有关MCR-WPT的研究在国内外得到广泛开展[1]。
与磁感应耦合式WPT系统相比,MCR-WPT系统具有电能转换量大,传输距离远以及传输功率高等优势[2-4],在无尾家用电器、体内医疗设备无线充电以及电动汽车的无线充电等领域得到广泛应用[5-6]。
本文基于E类逆变器的MCR-WPT系统进行创新性仿真实验设计,并从分析和提升效率的角度进行启发式研究,目的是使学生掌握利用理论分析、仿真实验等手段分析和解决问题的方法,并且可以自己进行电路设计和参数设计,开展优化传输特性方案的研究和探讨,从而激发创新思维、培养创新能力。
MCR-WPT系统的结构如图1所示,主要由交流电源、整流电路、逆变电路、发射回路、接收回路、整流电路和负载组成。
系统涉及电路理论、电磁场理论、电力电子技术等多门科目,是培养电气、自动化等专业的学生综合运用所学知识进行分析问题和解决问题的一个良好案例,也是进行综合性和创新性实验的一个良好平台。
在电力电子技术课程中讲述的单相逆变电路主要有全桥和半桥逆变,其在kHz级别的WPT中得到了广泛应用[7-8]。
与其相比,E类逆变器具有结构简单、工作效率高等优点,已被应用在开关电源和MHz级别的WPT等领域中[9-12]。
研究已表明,谐振频率越高,MCR-WPT系统的传输效率也越高[13],并且合理的电路参数设计还可以使E类逆变器工作在高效率的软开关状态。
基于改进E类放大器的无线电能传输系统
2 0 1 6年 1 1月
电 力 电子 技 术
P o w e r E l e c t r o n i c s
V o 1 . 5 0, No . I 1 No v e mb e r 2 01 6
基于改进 E类放大器的无线电能传输 系统
张 军 歌 ,刘 宜 成 ,杜 玉 洁 ,宋 俊 霖
( S i c h d u 6 1 0 0 6 5 ,C h i n a )
Ab s t r a c t : A n i m p r o v e d c l a s s E a mp l i i f e r a s s o u r c e o f m a g n e t i c a l l y ・ c o u p l e d r e s o n a n t w i el r e s s p o w e r t r a n s f e r ( MC R-
泡, 传 输 效率 为 6 1 %, 验 证 了放大 器 的有效 性和模 型 的正确 性 。
关 键词 : 无 线 电能传 输 ;磁耦 合谐振 ;放 大器 ;频 率分裂
中图分类号 : V 2 4 2 . 3 文献标 识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 - 1 0 0 X( 2 0 1 6 ) 1 1 — 0 0 7 3 - 0 2
e r a n d c lc a u l a t e s he t es r et . An d he t es r u l t s h o ws ha t t it w h he t s a me o u t p u t p o w e r , he t v o l t a g e s t r e s s o n s it w c h i n g d e -
高效E类功放在无线电能传输系统中的应用
高效E类功放在无线电能传输系统中的应用原腾飞;陈欢;汪原浩【摘要】功率放大器作为无线电能传输系统的输入功率源,其性能的高低决定了整个电能传输系统的优劣.为了解决传统功率放大器效率较低的问题,设计了一款高效率E类功率放大器.该功放为L型匹配输出,以达到抑制谐波和匹配输出的目的.分析及测试表明,在E类功率放大器中采用高品质因数电感可以有效提高无线电能传输系统的传输效率.【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2016(036)001【总页数】5页(P37-41)【关键词】E类功率放大器;无线电能传输系统【作者】原腾飞;陈欢;汪原浩【作者单位】武汉船用电力推进装置研究所,武汉 430064;武汉船用电力推进装置研究所,武汉 430064;武汉大学电气工程学院,武汉430072【正文语种】中文【中图分类】TN722无线电能传输(WPT)系统能够为远程设备提供电能,使得用电设备更加方便和安全,因此是非常具有前景的一门技术,特别是应用在手机和平板电脑这类移动设备领域。
无线电能传输系统通常比有线电源系统的传输效率低,而且通过空气传输的电能容易被政府及法规所限制,因此就必须保证无线电能传输系统的传输效率始终保持在一个很高的状态[1]。
对工作于高频带的无线电能传输系统,E类1功率放大器的电路拓扑在电能传输方面前景巨大,因为该功放输出功率较高,通过简单的电路设计就能在理论上使电能传输效率达到100%[2]。
文献[3]研究了基于GaN 器件的高效率功率放大器,但因其制作成本高昂,该无线电能传输系统难以大范围应用于移动终端和电气设备。
因此,有必要采用高效且廉价的功率放大器以满足社会需求。
E类功率放大器结构是由Sokal于1975年提出来的[4],典型的E类功率放大器一般由开关晶体管、输入匹配电路、输出并联电容、用于晶体管偏置和直流馈电的电感、输出滤波器以及输出匹配电路组成。
在无线能量传输系统中,由于功率放大器和耦合线圈间的阻抗不匹配不仅会降低传输效率,而且能在放大器内部产生振荡信号[5]。
基于e类功放的谐振式无线电能传输控制设计
基于e类功放的谐振式无线电能传输控制设计绪论谐振式无线电能传输技术的发展,使得控制电机的方式发生了根本性的改变,e类功放技术成为更新换代的必要组件,其极高的无源控制精度是实现电机控制的重要前提。
本文针对使用e类功放技术的谐振式无线电能传输控制系统,结合该系统的特性,在其发射机、接收机端均采用MCLV02A型电机控制器。
通过合理的硬件电路设计,以及选用有效的控制算法,实现控制设计,最大限度的提高该系统的控制性能,从而满足控制的需要。
一、谐振式无线电能传输控制系统的整体结构谐振式无线电能传输控制系统,由发射机、接收机、无线电传输系统以及电机控制器四部分组成,无线电传输系统具有两块谐振电路,作为发射机及接收机之间无线电能传输的桥梁,控制系统的关键在于通用控制器的选择。
二、控制器的选择针对谐振式无线电能传输控制系统而言,考虑到测量精度和变换效率, MCLV02A型电机控制器是一种比较理想的选择。
MCLV02A电机控制器主要应用于电机控制和变频控制,其控制系统采用集成功放及电路芯片,兼顾控制性能与低功耗性能。
功放采用e类功放技术,噪声低,功率高,尤其能保证恒定负载输出信号。
三、谐振式无线电能传输控制电路的设计发射机的设计主要包括电机的控制电路,谐振器,电机控制器MCLV02A,以及无线电发射设备等部分。
其主要由三个部分组成,MCU,VCO,以及上述控制器共同构成。
对接收机来说,主要有电机控制器,谐振器,接收机,以及电机驱动器等部分。
其主要由接收机,解码器,以及上述控制易MCLV02A等三部分组成。
四、算法的选择对于无线控制系统,往往采用数字控制算法以实现需要的控制功能。
针对e类功放的谐振式无线电能传输控制装置,考虑到系统的实时性与稳定性,本文采用PID控制算法,以保证控制精度及控制稳定性,提高控制系统的稳定性及使用寿命,同时可以有效的抑制噪声干扰,提升系统的抗干扰能力。
基于E类放大器的无线电能传输系统的参数设计与仿真
目前 , 实现 无线 电能 传 输 的技 术 方 案 主要 包 括 感应 耦合 电能传 输 、 射 频 以及 电磁 共 振 。本 文 主 要研 究 了基 于 E类 放 大 器 的非 接 触 式 感 应 耦 合 电 能传 输技 术 。给 出 了基本 的参 数 设计 方 法 , 并利 用 S a b e r 软件建 立 了 电路 仿真模 型 , 进行 了设 计参 数 的 仿 真验证 。
第 13年 8月
科
学
技
术
与
工
程
Vo 1 .1 3 No .2 2 Au g .2 01 3
1 6 7 1 —1 8 1 5 ( 2 01 3 ) 2 2 — 6 4 6 0 — 0 5
S c i e n c e T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g
1 系统构成
感 应 耦 合 电能 传 输 系 统 的典 型 结 构 如 图 1所
图1 非接触式感应 电能传输 系统 的典 型结 构
示: 除弱电控制部分外 , 由发射 电路、 接收电路和耦
2 0 1 3年 4月 1 8日收到 国家级大学生创新训练项 目
1 . 1 发射 电路
为了使系统有较高的传输效率 , 发射 电路选择
电路模 型进行分析 。图中, L 、 L s 分别为发射与接收
线 圈的 自感值 , 、 为流 过发 射 与接 收线 圈 的 电流 ,
尺表示等效负载阻值 , k为耦合 系数 。考虑到线圈
问互 感 , 其 与 、 L 、 k之 间 的关 系 可 用 式 ( 1 )
表示 。
U g < U T 时, M O S 管截止 , 相 当于开关 断开 , 电压
基于DE类功放的无线电能传输系统设计与分析
基于DE类功放的无线电能传输系统设计与分析刘野然;曾怡达【摘要】To improve the efficiency of the wireless power transfer (WPT), a WPT system with class-DE amplifier is proposed. An equivalent model of WPT is established to find the design procedure of the parameters of the circuit for achieving soft switching. Based on the analyses above, the effect of the distance between two coils on the WPT system is explored by establishing a complex-frequency domain model using Laplace transform. The simulation result using PSpice validates the analyses, which the maximum efficiency achieves 95.1%, while the power is 8.9 W.%为了提高无线电能传输(WPT)的传输效率,提出了基于DE类功放的WPT系统。
通过对WPT系统建立等效模型,得出了实现电路软开关的参数设计方法,在此基础上,利用拉普拉斯变换对DE类功放的动态过程建立了复频域模型,分析了耦合线圈距离变化对WPT系统的参数和性能的影响。
最后利用PSpice仿真,得到所设计系统的最大传输效率为95.1%,功率为8.9 W,验证了理论分析和设计方法的正确性。
【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2015(000)002【总页数】4页(P98-101)【关键词】无线电能传输;DE类功放;谐振;软开关【作者】刘野然;曾怡达【作者单位】西南交通大学峨眉校区电气工程系,四川峨眉 614202;西南交通大学峨眉校区电气工程系,四川峨眉 614202【正文语种】中文【中图分类】TN722.5WPT作为一种减小空间占用,消除线路磨损和老化的电能传输方式,一直为人们所追求。
E类放大器的研究与仿真
摘要在许多领域必须要求用大功率的射频电能,例如,特种材料熔炼,介质加热,等离子源,大功率发射机等。
这就需要把直流电源转换为所需要的高频交流电源,功率放大器是转换过程中的重要装置,它正在朝着高频化,低功耗,高功率容量,高效率的方向发展。
本课题的E类功率放大器用电子管作为开关元件,目的是提高放大器的效率和频率,同时获得较大的功率输出。
本文针对E类高频放大器的组成形式、工作原理和设计,计算方法进行了研究。
为了提高高E类高频功率放大器的效率,本文首先对E类高频功率放大器的电路结构和工作原理进行了分析,推导出了输出功率、效率和有关的电压电流的计算公式,以及负载网络参数的设计计算方法。
为了验证了设计的可行性,根据现有的条件用RPOTEL99Se对电子管E类功率放大器的进行了仿真,在电路仿真过程中优化了负载网络参数,达到最佳工作状态。
最佳工作状态下效率为95%。
针对E类放大器的工作特性以及电子管的驱动特性,根据电子管栅极电压电流的特点,提出了驱动电路设计方案。
对驱动电路的组成进行了理论分析,并设计出实际应用电路。
经过实验,得到了理想的正弦波输出。
关键词:E类放大器;高频;大功率;电子管;效率ABSTRACTThe electrical energy with high-frequency and high power has been applied in many fields, such as high-frequency induction heating equipment,dielectric heating,plasma source,high power transmitter,ect... High-frequency and high power amplifier is necessary in converting the dc power to ac power.power amplifier is an important equipment in the transfer device,which has had a great development in the way of high frequency, low power loss, high power capability, high efficiency. In this subject vacuum tube is used as the switching component in the Class E power amplifier to get high output power with higher frequency.In this paper ,we made a research on structure form, operating principle and desigh calculating method of class E power amplifier.In order to improve the efficiency of class Epower amplifier, this paper circuit structure and operating principle were analyze. We deduced the calculating formula on output power, efficiency,voltage and circuit. Besides, the calculation for elements was used in class E power amplifier.To verify the feasibility of high-frequency class E power amplifier, according to existing conditions, circuit about class E power amplifier with vacuum tube has been simulated with PROTEL99se. In this simulating process, parameters in the load network have been optimized.The simulated circuit has reached optimum operation. The efficiency in simulation achieved 95%. We discussed and analyzed the phenomenon in the simulating process.The last part presented drive circuit according to the characteristics ofhigh-frequency class E power amplifier and the feature of vacuum tube. Then we analyzed the structure of drive circuit and designed actual applied circuit After experiment, perfect sinusoidal waveform has been obtained.KEY WORDS:class e power amplifier; high-frequency; highpower;vacuum tube;efficiency目录第一章绪论 (1)1.1课题背景及意义 (1)1.2开关功率放大器的国内外发展现状 (4)1.3高频大功率放大器对功率管的要求 (5)1.4论文主要任务及工作 (6)第二章E类高频大功率放大器的分析 (7)2.1 E类高频率大功率放大器的工作原理 (7)2.2 E类功率.放大器的数学分析 (11)2.2.1电路参数分析 (11)2.2.2负载网络分析 (19)2.2.3电路损耗分 (23)2.3大功率输出级开关功率管器件的选择 (26)2.4电子管的基本结构和特点 (26) (28)2.6小结 (31)第三章电子管E类高频功率放大器电路仿真 (33)3.1电路的仿真 (33)3.2大功率电子管放大器推论结果 (40)第四章结论 (42)致谢.......................................................................... (43)参考文献...................................................................... (44)第一章绪论功率放大器在很多领域都得到了广泛的应用,比如无线通信里的发射机,而只要有发射机,就一定有射频功率放大器。
视觉假体中基于E类功率放大电路的无线能量与数据传输
视觉假体中基于E类功率放大电路的无线能量与数据传输刘博;吴开杰;吴小贝;柴新禹
【期刊名称】《中国医疗器械杂志》
【年(卷),期】2011(035)004
【摘要】介绍了一种基于E类功率放大电路的无线传输装置,通过电磁耦合的方式,为人工视觉假体的体内装置传输能量与数据.该装置采用调制深度为25%、载波频率为10 MHz的幅移键控调制,通过一对耦合线圈同时传输能量与数据,减小了装置的体积,提高了可植入性.实验表明,该装置能同时为16通道微刺激器提供足够的能量,同时不归零码的传输速率可达到2Mbps.
【总页数】5页(P239-242,245)
【作者】刘博;吴开杰;吴小贝;柴新禹
【作者单位】上海交通大学生物医学工程,上海市,200240;上海交通大学生物医学工程,上海市,200240;上海交通大学生物医学工程,上海市,200240;上海交通大学生物医学工程,上海市,200240
【正文语种】中文
【中图分类】A318.18
【相关文献】
1.视觉假体中无线能量和数据传输的设计及优化 [J], 雷旭平;吴开杰;赵磊;柴新禹
2.基于生物电容的视觉假体无线能量传输系统建模及效率优化 [J], 李学平;杨媛;高勇;乔世杰
3.基于压缩感知与能量聚合视觉传感器数据传输系统 [J], 邓晓军;李玉龙;满君丰;欧阳旻
4.无线数据传输系统在基于视觉引导的AGV系统中的应用 [J], 王碧辉;魏生民;汪焰恩;闫小超;李西锋
5.基于无线电力载波的kW级非接触能量数据传输系统研究与设计 [J], 谢孟;马红波;杜娟;向乾尹;毛萌川;许建平
因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
基于新型E类放大器的磁耦合谐振式无线传输在负载变化时的效率
基于新型E类放大器的磁耦合谐振式无线传输在负载变化时的效率曹少卿;闫荣格;郭晓婷;陈俊杰;郜玉香【摘要】The efficiency of a new class E amplifier magnetically coupled resonant wireless power transmission system is studied when the load changes .Firstly, the theoretical analysis and mathematical modeling of the new class E amplifier are carried out .Then, the ZVS and ZDS conditions of the switch of the amplifier are realized by adopting the front-end impedance converter in the new class E amplifier , and the efficiency stability of the switching load is realized by using the back-end impedance converter .Finally , the simulation of the system is carried out by MATLAB.The simulation results show that the load efficiency of the amplifier is more stable under the condition of load change after adding double ended impedance converter in the new class E amplifier .%研究了在负载变化时的新型E类放大器磁耦合谐振式无线电能传输系统的效率.首先,对新型E类放大器进行了理论分析和数学建模.然后,通过在新型E类放大器上采用前端阻抗转换器实现了放大器的开关管的ZVS、ZDS条件;并采用后端阻抗转换器实现了负载变化时效率的稳定性.最后,通过MATLAB对该系统进行仿真研究.仿真结果表明,在新型E类放大器中加入双端阻抗转换器后,放大器在负载变化的情况下,负载效率更加稳定.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2018(018)014【总页数】7页(P30-36)【关键词】新型E类放大器;阻抗转换器;无线电能传输;ZVS;ZDS【作者】曹少卿;闫荣格;郭晓婷;陈俊杰;郜玉香【作者单位】河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室,电磁场与电器可靠性重点实验室,天津300130;河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室,电磁场与电器可靠性重点实验室,天津300130;河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室,电磁场与电器可靠性重点实验室,天津300130;河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室,电磁场与电器可靠性重点实验室,天津300130;河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室,电磁场与电器可靠性重点实验室,天津300130【正文语种】中文【中图分类】TM724自从法拉第发现了电磁感应现象后,电力就改变了人们的生活。
E类功率放大器研究与应用
E类功率放大器研究与应用崔顺;莫岳平;朱肖陈;史宏俊【摘要】分析了E类功率放大器的工作原理,并基于此设计出一种高效高频E类功放,作为无线电能传输系统中发射级的前端驱动电路.运用LTspice仿真软件,对其基本原理电路进行实验分析.为进一步提升输出功率和传输效率,电路还加入了阻抗匹配.仿真结果表明,此电路可实现在6.78 MHz下以85%左右的高效率进行10~30W的功率传输,整体电路结构简单,有实用价值.%The working principle of class E power amplifier was analyzed,and a class E power amplifier with high efficiency and high frequency was designed,which was used as the front end driving circuit in the wireless power ing LTspice simulation software,the basic schematic circuit was analyzed.In order to further improve the output power and transmission efficiency,the impedance matching circuit was added.The simulation results show that this circuit can realize the power transmission efficiency of about 85% in 10-30 W at 6.78 MHz.The whole circuit has simple structure and practical value.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2017(036)007【总页数】5页(P80-84)【关键词】无线电能传输;高频E类功率放大器;阻抗匹配;功率;驱动电路;LTspice 【作者】崔顺;莫岳平;朱肖陈;史宏俊【作者单位】扬州大学,江苏扬州225100;扬州大学,江苏扬州225100;扬州大学,江苏扬州225100;扬州大学,江苏扬州225100【正文语种】中文【中图分类】TN722.7-5在十九世纪末期,美国科学家特斯拉尝试将电能以无线的方式进行传输[1]。
E类放大器在远距离无线电能传输系统中的应用
E类放大器在远距离无线电能传输系统中的应用
曾智强;郑心城;陈为
【期刊名称】《电气开关》
【年(卷),期】2017(055)001
【摘要】在远距离无线电能传输系统中,两线圈的耦合系数很低.为了提高系统的输出功率,一般需要提高谐振频率,这就要求发射侧的逆变电路拓扑要适应较高的工作频率.E类放大器的拓扑简单,工作频率达MHz级别,且工作在软开关状态下,适合作为无线电能传输系统的高频激励源.由于实际应用中,各种寄生参数对E类放大器的调试会造成一些影响.本文基于E类放大器的基本工作原理,利用simplorer仿真并联电容大小对E类放大器的作用,为后期实验调试提供一定的指导方向.并且通过Maxwell和simplorer的联合仿真研制了一套无线电能传输系统,能够实现在两线圈距离50cm,功率大于10W的能量传输.并且运行状况良好.
【总页数】6页(P93-97,100)
【作者】曾智强;郑心城;陈为
【作者单位】福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350116;福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350116;福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350116
【正文语种】中文
【中图分类】TM72
【相关文献】
1.基于改进E类放大器的无线电能传输系统 [J], 张军歌;刘宜成;杜玉洁;宋俊霖
2.微波无线电能传输系统中微波功率放大器供电电源的研究 [J], 张旭
3.基于E类放大器的无线电能传输系统的参数设计与仿真 [J], 薛伟民;戴卫力;唐伟;张俊康
4.基于E类放大器的电场耦合式水下无线电能传输系统设计 [J], 高镇; 于广强; 刘宁
5.基于磁谐振式无线电能传输系统的E类功率放大器研究 [J], 杨靖宇;王维;王明睿因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
图l
非接触式感应电能传输系统的典型结构
1.1发射电路
为了使系统有较高的传输效率,发射电路选择
2013年4月18日收到
国家级大学生创新训练项目
(201 1 10294043)、江苏省输配电装备技术重点
了E类功率放大器拓扑。典型E类功率放大器由 单管MOS和负载网络等组成,如图2(a)所示。其 中,£。。为扼流电感,s为功率MOS管,c。为MOS管 外并电容,L。、C,为串联谐振支路,Rk为等效负载电
实验室开放基金(2010JSSPD01)资助 +通信作者简介:戴卫力:男,博士,副教授,硕士生导师,研究方向: 功率变换技术、新能源发电及电机设计与控制。
万方数据
22期
薛伟民,等:基于E类放大器的无线电能传输系统的参数设计与仿真
6461
阻,u。。为驱动MOS管电压。在驱动信号作用下, MOS管工作在开关状态。u。大于开启电压“时, MOS管饱和导通,相当于开关闭合,玑。接近于0; U。<UT时,MOS管截止,相当于开关断开,玑。电压 由负载网络决定,其等效工作电路如图2(b)所示。 其中,R。。为MOS管饱和导通电阻。
13卷
and Knowledge
ta
Mining;New
on
5
Han
Jiawei,Pei Jian,Yin
Orleans,Louisiana,USA:ACM,2003:
当MOS管关断时,玑。由负载网络的瞬时响应 来决定。因而,负载网络的QL会直接影响E类放大 器的工作状态。Q。过小时,MOS管由截止转换到饱 和导通的瞬间,由于c。上的电压不为零,必须在管 子导通期间放电。此时会造成%。、九均不为零,产 生较大的功耗,甚至会烧毁MOS管。Q。过大时,系 统阻尼较小,负载网络能量衰减较小,致使电容c。 上的电压即U。。提前摆动到零‘51‘6。。在工程设计 时,一般选取Q。=5~20。负载网络Q。值选定之 后,根据Q。的定义式可以求出负载网络中串联电 感值:
7 Raab F.Efects of circuit variations fier,IEEE
on
前,漏源极电压砜。已降为零,表明在该参数设置下 E类放大器已实现软开关,大大提高了能量传输 效率。 考虑到电感和耦合装置的寄生电阻R。。=R。=
the class E tuned power ampli-
Im[z。]=叫£,+x,=}端(7)
0,总等效阻抗互呈感性,造成系统功率因数较低, 限制了功率传输能力,因而需增加补偿电路。 会增加视在功率。所以,考虑采用串.并补偿结构。
Re隅]蛐,=器(6)
Z。=j£oLp+Z,
(5)
由于松耦合变压器k小于1,所以Im[Z。]大于
由文献[3]可知:串.并电容补偿适合电压型无 线电能传输系统,在获取更多的有功功率的同时不
c,2砸南(14)
Rk=MZRL/L;
(15)
(18)
求解电感L,的值为
L。=1.152R厶/∞。
若在图4中接收线圈后接整流桥与滤波电容, 若忽略其影响,则补偿后的耦合变压器及负载可以 被等效为电阻Rk,且由式(10)得
1.3接收电路 有
(19)
根据电感串联公式可得
L。=L,一L。
(20)
由于厶与串联电容co谐振于开关频率山。,所以 C,=(Lo∞;)一1 条件的实现,其容值可按式(22)计算∞J。
电路模型进行分析。图中,£p、三。分别为发射与接收 线圈的自感值,i,、is为流过发射与接收线圈的电流, 尺表示等效负载阻值,k为耦合系数。考虑到线圈 间互感肘,其与£p、L。、k之间的关系可用式(1) 表示。
强专
图4松耦合变压器互感电路模型
k=M/以万
图2
(1)
E类放大器电路
根据基尔霍夫定律,对原、副边分别列电压向 量方程得
J Solid-State Circuits,1978;SSC.13(2):239—247
(下转第6482页)
万方数据
6482
科学技术与工程
York,USA:ACM,2003:661—666
Yiwen.Mining frequent patterns without the ACM International 7 of the ACM International Conference Management;New 236—.245 Information
仿真波形如图7所示:依次为扼流电感电流波 形、驱动信号、MOS的漏源电压、谐振电容电压和谐
振电感电流波形。从图7可看出,MOS管开通之
电测与仪表。201l;1l:92—96 4王兆安,黄俊.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2008 5胡长阳。D类和E类开关模式功率放大器.北京:高等教育出版 社,1985 6眭聿文。负载网络参数对E类放大器输出电压的影响.安徽理 工大学学报(自然科学版),2004;24(1):75—78
Cd
接收电路是无线电能传输的一个重要环节,其 设计思想是将线圈中通过耦合得到的交流通过整 流、滤波转变为直流供负载使用。此处采用了桥式 整流电路。该电路输出电压脉动相对较小,平均电 压较高,其输出平均电压变化范围为0.9%~ 1.414巩H]。若所接负载对电压精度要求较高,则 可考虑在整流滤波环节之后加接DC/DC变换器。
关键词无线电能传输
E类放大器
电磁耦合
ZVS
中图法分类号TN801;文献标志码A
传统电气设备的供电都是通过插头或插座等 电连接件进行直接接触供电。这种传输方式由于 存在摩擦、磨损和裸露导线,很容易产生接触火花, 影响供电的安全和可靠性,缩短电气设备的使用寿 命。而无线电能传输使供电端与用电设备之间并 非直接连接,因此是一种安全、可靠的新型电能传 输方式,在电动汽车、航空航天、电力系统、新能源 发电、医疗仪器、通讯设备等领域具有广泛的应用
第13卷第22期2013年8月 167l~1815(2013)22-6460—05
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
V01.13
No.22
Aug.2013
@2013
Sci.Tech.Engrg.
基于E类放大器的无线电能传输系统的 参数设计与仿真
薛伟民戴卫力+ 唐伟 张俊康
前景。
合装置三大部分所组成。发射电路将直流电转换 为高频交流电并激发磁场,将电能转化为磁场能量 发射。接收电路则负责将磁场能量转换为电能,通 过整流滤波环节为直流负载供电。电磁耦合装置 作为中间环节,负责将发射电路激发的磁场能量传 输到接收电路,典型的电磁耦合装置是松耦合变压 器。相比于其他电磁耦合装置,松耦合变压器能够 较好的规范磁路,减小漏磁,因此具有较高的耦合
(21)
旁路电容c。为确保E类放大器ZVS、ZDS运行
5丁爵赢(22)
(23)
电感L。。的作用是使得输入电流接近直流,所以 理论上,电感值越大越好,实际工程应用中应
满足p1
2系统参数设计
2.1
L。h≥10/[(2而)2cd]
2.2驱动电路设计
E类放大器参数设计
E类放大器的工作状态很大程度上取决于其负 载网络的参数设计。负载网络的有载品质因数Q。 被定义为
261l
t/ms
100F
…:
…一…………
……...~
……、
图7系统关键参量仿真波形
R。=0.1
Q,根据波形测算输出电压有效值为49
V,
传输功率为8。05 w;输入电压为24 V,输入电流有 效值为0.38 A,计算得系统传输效率为88.3%。
4结论
本文分析了基于E类放大器的工作原理,并在 实现开关管ZVS和ZDS的基础上,给出了基本的参 数设计方法,建立了仿真模型,并对计算参数进行了 仿真验证,仿真结果表明:所给出的参数设计方法是
26
o万j……蠢l………~j;:i;i’i…
■ i
猫。菇j…~…‘ji.jiij………ji了i—面j。
。。一 …
■
了
接≈裂甜QR封F镌丰嗣 HCPL-3
—八厂———-^,v卜——一十
之。15 k……}………}¨………寸………}¨………一……j
了0¨_
i…:..i: Nhomakorabeai
:
i
:
i
二
v()h
|…J
11
专
120上
如图3所示,S闭合时,由于MOS管的尺。。很 小,u。。接近于零,而漏极电流i。受负载网络影响有 一个上升和下降过程;5断开时,i。为零,移。。则完全 由负载网络决定。从图中可看出:id和仉。不会同时 出现,大大降低了开关管的功耗,因而,理想E类放 大器效率趋近于100%。
严2 j∞‘卜j甜帆
tjtoMlp=jtoL,l,+RLl
(9)
,蛆,=≮甓等群…,
次级并联谐振补偿电容和原边总阻抗 c;=1/(∞;三。)
(12)
Re[列=丽高镶硒(10)
此时接收回路的谐振频率为∞。=(L,C:)-1/2。
设定∞。等于原边侧MOS管开关频率蛾,则可求出
z一赢+j∞0化”=
L,=Q。尺k/w;=QLRk/(2顸)
(13)
(17)
警+jk—wCp一半) 彳+j【∞‘一一等)
无线电能传输系统中的耦合装置通常为电磁 线圈或松耦合变压器,两者均可用如图4中的互感
万方数据
6462
科学技术与工程
13卷
加入补偿结构之后,副边总阻抗为z。副边阻抗折 算到原边阻抗值为Z。。
QL=oJL/R
(16)
式(16)中,∞为驱动信号基波角频率。
(8)
级=j∞t+两1+瓦1
z。=∞2M2/Z。
系数。
+
目前,实现无线电能传输的技术方案主要包括 感应耦合电能传输、射频以及电磁共振¨J。本文主 要研究了基于E类放大器的非接触式感应耦合电 能传输技术。给出了基本的参数设计方法,并利用 Saber软件建立了电路仿真模型,进行了设计参数的 仿真验证。