[发明专利]一种基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统，尤其涉及一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统。

背景技术

双E类功率放大电路，即双E类功放，工作频率可以达到MHz以上，电路结构相对简单，容易实现软开关，电能转换效率理论上可以达到100％，而且输出功率是同等条件下普通E类功放的4倍，因此特别适合作为谐振式无线电能传输系统的高频功率源。当双E类功放内部各元件参数设计恰当的时候，双E类功放不仅可以工作在零电压开关(ZVS)状态，而且可以实现零电压导数开通(ZDS)状态，这时双E类功放将工作在最佳状态，此时双E类功放的输出电阻就是最佳电阻R。

谐振式无线电能传输技术具有传输距离远、传输效率相对较高、非辐射性等特点，特别适合于中等距离的无线电能传输。其主要组成部分是传输线圈和负载，传输线圈一般靠自谐振或者外接电容达到谐振状态，从而实现电能的有效传输。但在实际应用中，传输线圈并不是理想线圈，要考虑其内阻，负载电阻也不是越大越好，它存在一个最佳值使得系统传输效率最高。

但是在实际的系统中，传输线圈位置容易发生变化，这将引起线圈间的互感发生变化，进而引起系统的综合性能恶化，具体表现在两个方面，即：第一，双E类功放外部传输效率最高时对应的最佳负载值发生变化，引起传输效率大幅下降；第二，双E类功放外部的等效电阻发生变化，不等于其最佳输出电阻R，导致双E类功放内阻无法实现ZDS(零电压导数开通)，甚至无法实现ZVS(零电压开通)，使得开关管电压、电流应力增大，损耗增加，甚至烧坏开关管。

为了解决以上问题，提出了如参考图1所示的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统。通过在发射端和接收端分别添加适当的阻抗变换网络，本系统不仅可以保证在传输线圈位置发生变化的情况下双E类功放处于最佳工作状态，即满足ZVS和ZDS工作条件，而且可以使得双E类功放外部的谐振式无线电能传输效率达到最高，从而使得整个系统的性能最佳。并且在同等条件，双E类功放的输出功率是普通E类功放的4倍，这将大大提高谐振式无线电能传输系统的输出功率。

发明内容

本发明的目的在于克服目前基于普通E类功放的谐振式无线电能传输系统输出功率较小的问题，以及解决目前基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统存在几种实际问题，具体表现在：由于系统原来参数设计不合理，或者传输线圈位置发生变化时，双E类功放电路实际工作状态不佳，如开关管电压或者电流应力大，双E类功放内部损耗较大，以及外部的谐振式无线电能传输效率低下的问题。通过在发射线圈和接收线圈两侧分别添加适当的阻抗变换网络，不仅可以保证在线圈位置发生变化时双E类功放仍处于最佳工作状态，同时保证双E类功放外部的传输效率最高，从而使得整个系统的工作性能最佳，另外系统的输出功率也增加为基于普通E类功放的谐振式无线电能传输系统的4倍，负载获得功率大大增加。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现：

一种基于双E类功放的谐振式无线电能传输系统，包括双E类功放模块、传输线圈模块、原边阻抗变换网络、副边阻抗变换网络及负载；其中双E类功放模块由直流电压源、第一扼流电感、第二扼流电感、第一驱动信号、第二驱动信号、第一开关管、第二开关管、第一反向续流二极管、第二反向续流二极管、第一并联旁路电容、第二并联旁路电容、滤波电感、滤波电容组成，双E类功放的输出端产生高频正弦交流电，作为谐振式无线电能传输系统的高频功率源；传输线圈模块包括发射线圈和接收线圈，其中发射线圈等效为由发射线圈内阻、发射线圈电感和发射线圈谐振电容形成的RLC串联谐振模式，接收线圈等效为由接收线圈内阻、接收线圈电感和接收线圈谐振电容形成的串联谐振模式；原边阻抗变换网络的输入端与双E类功放的输出端相连，输出端与传输线圈模块中的发射线圈相连；副边阻抗变换网络的输入端与传输线圈模块中的接收线圈相连，输出端与负载相连。

进一步地，双E类功放模块工作在最佳状态时，即满足零电压开通(ZVS)和零电压导数开通(ZDS)条件，此时双E类功放的等效输出电阻就是其对应的最佳输出电阻；双E类功放模块内部的第一开关管由高频驱动信号来驱动；第二开关管由高频驱动信号来驱动，第一开关管和第二开光管各自驱动信号的作用下互补导通，交替关断；高频驱动信号的频率即系统频率f的范围为0.5MHz-50MHz之间，开关管的占空比D＝0.5。

进一步地，双E类功放模块中的滤波支路由滤波电感、滤波电容、等效输出电阻串联组成；滤波支路的品质因数Q一般在5-20范围内。