CN204376748U - 谐振耦合式无线电能传输装置的高频功率源 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供谐振耦合式无线电能传输装置的高频功率源。该高频功率源由开关管、缓冲电容、发射线圈、调谐电容和储能滤波电感组成，可以输出高频正弦交流电，并实现开关管的软开关，提高了高频功率源的效率。由于本实用新型的高频功率源结构简单，使用的元器件较少，成本低，而且损耗接近于零，非常适合用作无线电能传输装置的发射线圈的交流激励源。

Description

谐振耦合式无线电能传输装置的高频功率源

技术领域

本实用新型属于无线输电应用领域，涉及一种高频功率源的电路。

背景技术

谐振耦合式无线电能传输技术要求发射线圈和接收线圈工作在高频状态，其频率达到1兆赫兹以上，因此为发射线圈提供交流电的功率源也要工作在高频状态，并且要能提供1兆赫兹以上的正弦交流电。现有的逆变电路如半桥逆变电路、全桥逆变电路，当它们工作在如此高的频率时，其开关管的开关损耗和滤波电路的损耗将变得非常高。而且这些电路使用的开关管和元器件较多，用作高频功率源时，电路较复杂、成本较高、损耗大。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，简化电路结构，提供一种适用于谐振耦合式无线电能传输装置的高频功率源。本实用新型既可以实现开关管的软开关，开关损耗接近零，又可以为发射线圈提供高频正弦交流电。

本实用新型通过如下技术方案实现：

谐振耦合式无线电能传输装置的高频功率源，其包含MOSFET开关管、缓冲电容、发射线圈、第一调谐电容、储能滤波电感、接收线圈和第二调谐电容；MOSFET开关管的漏极与缓冲电容的一端连接，然后再与发射线圈的一端连接；MOSFET开关管的源极与缓冲电容的另一端连接，然后再与第一调谐电容的一端连接；第一调谐电容的另一端与发射线圈的另一端连接；MOSFET开关管的漏极与储能滤波电感的一端连接；储能滤波电感的另一端与直流电压源的正极连接；MOSFET开关管的源极与直流电压源的负极连接；接收线圈的一端与第二调谐电容的一端连接，接收线圈的另一端与负载的一端连接，第二调谐电容的另一端与负载的另一端连接；高频功率源输出的能量通过发射线圈和接收线圈的谐振耦合传递给负载。

上述的谐振耦合式无线电能传输装置的高频功率源中，MOSFET开关管导通时，发射线圈与第一调谐电容谐振；MOSFET开关管断开瞬间，缓冲电容缓冲MOSFET开关管的电压上升，使MOSFET开关管实现近似零电压关断；在MOSFET开关管关断期间，发射线圈、第一调谐电容与缓冲电容发生谐振，抽走缓冲电容的电荷，使缓冲电容在MOSFET开关管开通前下降到零，从而使MOSFET开关管实现零电压开通。

上述的谐振耦合式无线电能传输装置的高频功率源中，

为了使发射线圈能够高效率地传递能量给接收线圈，并使MOSFET开关管实现零电压开通，发射线圈和第一调谐电容谐振时的频率f₁，发射线圈、第一调谐电容与缓冲电容谐振时的频率f₂，接收线圈和第二调谐电容谐振时的频率f₃，MOSFET开关管的开关频率f _S要满足以下关系：f₁<f₃＝f_S<f₂。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和技术效果：

本实用新型电路结构简单，成本低。该高频功率源由直流电压源供电，通过开关管的导通和关断将直流电压斩波成高频脉冲波，并在开关管的导通期间通过LC谐振，和在开关管的关断期间通过LCC谐振将高频脉冲波滤波成高频正弦交流电，该正弦交流电通过发射线圈和接收线圈的谐振耦合传递给负载，实现能量的无线传输。在开关管关断瞬间通过电容的缓冲作用实现近似零电压关断，并在开关管关断期间通过LCC谐振抽走开关管并联电容的电荷，使开关管在开通前被箝位在零电位，从而实现零电压开通，因此开关管可以实现软开关，使开关损耗降至零，非常适合用作无线电能传输装置的发射线圈的交流激励源。

附图说明

图1为谐振耦合式无线电能传输装置的高频功率源电路图。

图2为本实用新型实施方式中的主要电流、电压波形图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的具体实施作进一步描述，但本实用新型的实施和保护不限于此。

如图1所示电路是谐振耦合式无线电能传输装置的高频功率源电路图，该电路包含MOSFET开关管S₁、缓冲电容C₁、发射线圈Ls、第一调谐电容C2、储能滤波电感L₁、接收线圈L_D和第二调谐电容C3。其特征在于MOSFET开关管S₁的漏极与缓冲电容C₁的一端连接，然后再与发射线圈Ls的一端连接。MOSFET开关管S₁的源极与缓冲电容C₁的另一端连接，然后再与第一调谐电容C2的一端连接。第一调谐电容C2的另一端与发射线圈Ls的另一端连接。MOSFET开关管S₁的漏极与储能滤波电感L₁的一端连接。储能滤波电感L₁的另一端与直流电压源Vs的正极连接。MOSFET开关管S₁的源极与直流电压源Vs的负极连接。接收线圈L_D的一端与第二调谐电容C3的一端连接，接收线圈L_D的另一端与负载R_L的一端连接，第二调谐电容C3的另一端与负载R_L的另一端连接。高频功率源输出的能量通过发射线圈Ls和接收线圈L_D的谐振耦合传递给负载R_L。

如图2所示本实用新型电路工作时的主要电流、电压波形图，其中u_p是MOSFET开关管S₁的驱动电压，u_C1是缓冲电容C₁的电压，i_S是发射线圈Ls的电流，i_D是第一调谐电容C2的电压。当MOSFET开关管S₁导通时，发射线圈Ls与第一调谐电容C2谐振；MOSFET开关管S₁断开瞬间，缓冲电容C₁缓冲MOSFET开关管S₁的电压上升，使MOSFET开关管S₁实现近似零电压关断；在MOSFET开关管S₁关断期间，发射线圈Ls、第一调谐电容C2与缓冲电容C₁发生谐振，抽走缓冲电容C₁的电荷，使缓冲电容C₁在MOSFET开关管S₁开通前下降到零，从而使MOSFET开关管S₁实现零电压开通。为了使发射线圈能够高效率地传递能量给接收线圈，并使MOSFET开关管S₁实现零电压开通，发射线圈Ls和第一调谐电容C2谐振时的频率f₁，发射线圈Ls、第一调谐电容C2与缓冲电容C₁谐振时的频率f₂，接收线圈L_D和第二调谐电容C3谐振时的频率f₃，MOSFET开关管S₁的开关频率f _S要满足以下关系：f₁<f₃＝f_S<f₂，而且f₃越接近f₁能量无线传输的效率越高。

为保证缓冲电容C₁在MOSFET开关管S₁开通前下降到零，缓冲电容C₁的电容值由下式计算：

$C_1=\frac{1}{2\mathrm{\&pi;}{f}_{S}R\&times;5.447}---\left(1\right)$

其中R是发射线圈Ls和第一调谐电容C2的等效串联电阻与接收线圈的电阻R_D耦合至发射线圈的等效电阻R_DS之和，而R_D是接收线圈L_D和第二调谐电容C3的等效串联电阻与负载R_L之和。

由于本实用新型仅使用一个开关管、一个缓冲电容和一个储能滤波电感，并结合发射线圈与发射线圈的调谐电容就可以构造高频功率源，电路的结构简单，使用的元器件较少，成本低，而且损耗接近于零，非常适合用作无线电能传输装置的发射线圈的交流激励源。

Claims (1)

1.谐振耦合式无线电能传输装置的高频功率源，其特征在于包含MOSFET开关管（S₁）、缓冲电容（C₁）、发射线圈（Ls）、第一调谐电容（C2）、储能滤波电感（L₁）、接收线圈（L_D）和第二调谐电容（C3）； MOSFET开关管（S₁）的漏极与缓冲电容（C₁）的一端连接，然后再与发射线圈（Ls）的一端连接；MOSFET开关管（S₁）的源极与缓冲电容（C₁）的另一端连接，然后再与第一调谐电容（C2）的一端连接；第一调谐电容（C2）的另一端与发射线圈（Ls）的另一端连接；MOSFET开关管（S₁）的漏极与储能滤波电感（L₁）的一端连接；储能滤波电感（L₁）的另一端与直流电压源（Vs）的正极连接；MOSFET开关管（S₁）的源极与直流电压源（Vs）的负极连接；接收线圈（L_D）的一端与第二调谐电容（C3）的一端连接，接收线圈（L_D）的另一端与负载（R_L）的一端连接，第二调谐电容（C3）的另一端与负载（R_L）的另一端连接；高频功率源输出的能量通过发射线圈（Ls）和接收线圈（L_D）的谐振耦合传递给负载（R_L）。