浅谈电力电子技术在无线充电领域中的应用

浅谈电力电子技术在无线充电领域中的应用

摘要：无线充电技术将改变人们的生活，带来一场充电概念上的革命。本文分别从无线电力传输的历史，无线充电产品的介绍，无线充电技术的电力电子实现，无线充电面临的技术问题，以及无线充电领域未来的展望等部分内容介绍了目前国际上新兴的无线充电技术。

关键词：电力电子技术；无线充电；电磁感应

1 引言

随着IT产业的快速发展，笔记本电脑、手机、MP3、PSP、DV等越来越多的电子产品深入到人们的日常生活中。带来众多新技术体验的同时亦逐渐显露出了隐含的弊端。几乎各款电子产品之间均有不同规格、不同类型的电源接口与电源充电器。彼此间的不兼容，使得新世纪的人们在成为信息技术的享用者的同时亦成为了不折不扣的“电奴”。因此，在继Wi-Fi、GPRS、Bluetooth之后将电力网络或者小范围内的电源连接网络利用无线充电设备摆脱电线的束缚，实现更深层次、更广意义上的无线生活是全世界科学家与工程师正在挑战的一个新的方向。

无线充电是利用电磁波，在一定空间范围内，向各种用电设备无连接传输电能的新型充电概念。由于电磁波的传输与设备的充电接口无关，因此无线技术在能去除插座与电源线的束缚，使得充电更为便利的同时解决充电器接口之争，实现不同品牌、不同类型的多个电子产品共享充电的乐趣。而且由于去除了电线的连接器，电子设备的尺寸可以做得更小，外观可以做得更加简洁。

无线充电技术因其独特而新颖的构想，广泛而现实的应用需求，一经提出便引起了国内外众多关注。在IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）美国电气及电子工程师协会其成立125周年的庆祝活动上，突出展示了七项能改变未来世界的技术，其中向普通消费电子设备无线传输电力的技术就位居榜首。除此之外，在《pc world China》等众多国内外期刊公布的对未来技术发展方向的预测中无线充电技术均位列其中。

2 无线电力传输的历史与现状

无线电力传输其实并不是什么最新的技术，早在1890年，物理学家兼电气工程师尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)就已经通过实验实现了无线输电。基于此，特斯拉构想出了利用电磁波，在环绕地球的表面来实现电能的传输。

1968年，美国工程师彼得·格拉泽(Peter Glaser)提出了空间太阳能发电(Space

Solar Power，SSP)的概念，其构想是在地球外层空间建立太阳能发电基地，通过微波将电能传送回地球。欧盟则在非洲的留尼汪岛建造了一座10万千瓦的实验型微波输电装置，已于2003年实现向当地村庄送电。

英国SplashPower公司2005年初上市的无线充电器Splash pads和WildCharge公司推出的两款无线充电器产品WildCharger和WildCharger-Mini均是利用变压器原理商业化的无线充电产品。

3无线充电器简易电力电子实现

笔者在这里讨论感应式无线充电系统的工作原理。

感应式无线充电器利用了普通线圈绕组的可分离式变压器作为能量转换装置，不需要物理上的连接就能将电能以电磁感应方式传输给电子设备，并且这种用铁素体作为磁芯的可分离式变压器体积不大，方便携带。

无线充电系统由电源电路，高频振荡电路，功率放大电路，电磁发射、接受线圈，高频整流滤波电路五部分组成。最后可给充电电池充电。

下面介绍用电力电子技术解决无线充电的技术和方案：

3.1 高频振荡电路

（1）频率的选择

无线电力传输的原理并不复杂，从原理上，电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播，要产生电磁波首先要有电磁振荡，电磁波的频率越高其向空间辐射能量强度就越大，电磁振荡的频率至少要高于100kHz，才有足够的电磁辐射。在简易无线充电器中，我们选用2MHz石英晶体振荡器，或在无振荡晶体时用300KHz的高频振荡电路来实现。

（2）电路的设计

石英晶体振荡器设计举例：用高速CMOS 四与非门74HC00的晶体振荡电路。

用高速CMOS做的晶体振荡电路广泛应用于各种电子电路中，它在高频段特别容易起振。

3.2 高频功率放大电路

由于放大后的振荡输出是用于能量功率，而不是信号，波形的失真并不重要，不但要有足够的振幅，电路还要简单。这里选用功率场效应管电路，仅一级功放就有一定的功率输出。高频功率放大电路的负载是初级发射线圈，接在漏极电路

上。

3.3电源电路

整机的电源电路用副边输出电压为12V的交流电源变压器供电。也可用输出是12V的开关电源供电，但整流二级管必需选用快恢复二极管，普通整流二极管不能用。

3.4高频滤波整流电路

如果电源电路用副边为12V的50Hz交流电源变压器，可用普通整流二极管。但充电电路副边线圈接收的是高频电磁波，将高频交变电流整流为直流电流是不能用普通整流二极管的，将普通整流二极管用于高频电路，不但效率低下而且会迅速发热烧毁。影响高频整流效率的主要参数是二极管的反向恢复时间t (Reverse Recovery Time)和结电容(junction capacitance)，特别是反向恢复时间影响最大。

从整流二极管的性能来看，肖特基二极管(Schottky Barrier Rectifiers)最显著的特点为反向恢复时间极短，正向导通压降仅0．4V左右，属一种低功耗、超高速半导体器件。但它的反向耐压值较低，一般不超过100V，因此适宜在低压、大电流情况下工作。正符合充电电路全桥整流电路设计的要求。

3.5 整体实现电路图

4 无线充电依然面临的挑战

前面从技术角度分析了无线充电的实现过程，但笔者认为无线充电器作为一个产品想要取得成功，在市场上实现普及，甚至带来一场真正意义上的充电革命，还急需解决如下问题：

4.1 电能的无线传输效率问题

我们知道，电磁波向空间各个方向以类似水面波纹状向四周扩散，若空间耗散的能量远与被充电电池接收的能量之比不能满足能量的高效率利用的条件，那么在当今能源紧张，能源危机凸显的时代，无线充电技术无疑是空想主义产物而没有实际的应用价值。

4.2 无线充电的距离问题

接触式无线充电，仅仅是一个过渡产品。只是通过电磁感应原理解决了各类电子产品之间充电器互不兼容的麻烦，提供了多种电子产品能够共享的一个充电平台。现有的射频无线充电技术，也仅能够为1m范围内的设备提供电能。但真