E類源磁諧振無線驅(qū)動(dòng)LED系統(tǒng)的恒流設(shè)計(jì)

盧偉國(guó)　夏艷　李惠榮　劉黎輝　周雒維

摘 要：采用E類放大器的磁諧振方式無線驅(qū)動(dòng)LED系統(tǒng)中，由于前端E類放大器對(duì)末端負(fù)載變化敏感，而影響LED負(fù)載的恒流驅(qū)動(dòng)特性?；诖耍紫韧ㄟ^引入改進(jìn)E類放大器實(shí)現(xiàn)其恒壓輸出特性，進(jìn)一步在線圈傳輸網(wǎng)絡(luò)的輸出側(cè)增加無源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)其輸出阻抗近似為無窮大，以實(shí)現(xiàn)LED負(fù)載的恒流驅(qū)動(dòng)。無源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用二端口傳輸矩陣法設(shè)計(jì)其輸出阻抗，并根據(jù)設(shè)計(jì)條件確定出相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)。最后考慮了在寄生參數(shù)影響的情況下，對(duì)磁諧振無線電能驅(qū)動(dòng)LED系統(tǒng)的傳輸特性進(jìn)行了分析，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)恒流設(shè)計(jì)方法的有效性。

關(guān)鍵詞：磁諧振；改進(jìn)E類放大器；無源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；LED驅(qū)動(dòng)；恒流設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM 13；TM 72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2018）01-0001-07

0 引 言

無線電能傳輸 （wireless power transfer，WPT） 技術(shù)以其安全、便捷等優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)療儀器、電動(dòng)汽車充電以及水下供電等領(lǐng)域備受關(guān)注[1-3]；而在日常的家電應(yīng)用領(lǐng)域中，小功率設(shè)備普遍存在，如便攜式設(shè)備和照明等，嘗試應(yīng)用磁諧振技術(shù)實(shí)現(xiàn)其無線供電也同樣引起了學(xué)者的關(guān)注[4-5]。此外，在小功率設(shè)備中較多負(fù)載需滿足恒流或恒壓的工作特性，如電池充電和發(fā)光二極管（LED）等。以小功率LED為例，文獻(xiàn)[6]報(bào)道了電磁感應(yīng)式無線驅(qū)動(dòng)LED，通過簡(jiǎn)單的串聯(lián)電容補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了LED負(fù)載的恒流工作特性；但是研究表明在耦合系數(shù)較小的情況下，串串型兩線圈結(jié)構(gòu)的傳輸效率在最優(yōu)負(fù)載之外下降較快[7-8]。因此，在傳輸距離固定的情況下，為減少負(fù)載變化對(duì)傳輸效率的影響，可以考慮在線圈與負(fù)載之間添加復(fù)合型無源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)方式以改善系統(tǒng)的傳輸效率[9]。

目前關(guān)于探討恒流輸出特性的文獻(xiàn)中，高頻驅(qū)動(dòng)源大部分采用全橋逆變方式[10-12]，通過閉環(huán)控制使其輸出電壓不隨負(fù)載變化；而采用E類放大器的磁諧振方式無線驅(qū)動(dòng)LED系統(tǒng)中，前端E類放大器對(duì)負(fù)載敏感性較高[13]，其工作狀態(tài)和輸出電壓受后級(jí)負(fù)載影響大。因此在磁諧振WPT驅(qū)動(dòng)LED系統(tǒng)中，僅考慮在線圈傳輸網(wǎng)絡(luò)側(cè)引入無源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)并不能保證可變LED負(fù)載的恒流特性。因E類放大器的軟開關(guān)工作狀態(tài)與元件參數(shù)、開關(guān)激勵(lì)都有緊密聯(lián)系[14-16]，采用閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)其恒壓輸出特性需對(duì)開關(guān)激勵(lì)和輸入電壓進(jìn)行微調(diào)[17-18]，控制變量多且實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[19]通過綜合E類放大器和單開關(guān)逆變器的特性，得到了寬負(fù)載范圍變化的改進(jìn)E類放大器且輸出電壓恒定，其實(shí)現(xiàn)方法相對(duì)閉環(huán)控制簡(jiǎn)單。

針對(duì)所提磁諧振LED目標(biāo)系統(tǒng)，若期望采用無源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)LED負(fù)載的輸出恒流特性，首先需要解決前端E類放大器對(duì)其所接負(fù)載的適應(yīng)能力問題。本文擬采用思路是首先從設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)E類放大器輸出的恒壓特性，將線圈傳輸網(wǎng)絡(luò)等效簡(jiǎn)化為理想電壓源激勵(lì)的線性電路系統(tǒng)，進(jìn)一步在接收線圈側(cè)引入復(fù)合型無源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)其輸出阻抗特性實(shí)現(xiàn)磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)對(duì)LED的恒流驅(qū)動(dòng)。E類放大器擬引用文獻(xiàn)[19]中的改進(jìn)E類放大電路實(shí)現(xiàn)恒壓設(shè)計(jì)，重點(diǎn)探討對(duì)無源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)LED的恒流驅(qū)動(dòng)。關(guān)鍵的無源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì)擬統(tǒng)一采用傳輸參數(shù)（即T參數(shù)）法進(jìn)行，最后給出最終磁諧振目標(biāo)系統(tǒng)的傳輸特性分析，并完成有關(guān)仿真與實(shí)驗(yàn)工作。

1 E類源磁諧振WPT驅(qū)動(dòng)LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

E類源磁諧振WPT系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)LED的整體結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，當(dāng)末端負(fù)載LED顆數(shù)n變化，整流橋等效負(fù)載RL隨之變化，同步造成E類放大器后端等效負(fù)載出現(xiàn)變化，如此會(huì)造成E類放大器的工作狀態(tài)改變。本文引入文獻(xiàn)[19]提出的改進(jìn)E類放大電路以實(shí)現(xiàn)其輸出電壓恒定，進(jìn)一步在接收線圈側(cè)引入無源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)N，經(jīng)整流濾波后實(shí)現(xiàn)LED恒流驅(qū)動(dòng)。此外，無源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)N將接收線圈的補(bǔ)償電容包含為一個(gè)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，以簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)末端整流橋負(fù)載參考文獻(xiàn)[20]將整流橋LED等效處理為純電阻RL，如圖1（a）右側(cè)所示?？紤]二極管前向?qū)▔航礦D下等效電阻RL為

RL≈Ra+8π2R′LED。（1）

其中：Ra=16VD/π2ILED；R′LED=n（VLED/ILED+RLED）；Vcc為直流源；v1為E類放大器輸出電壓；C1為發(fā)射線圈的補(bǔ)償電容；L1和L2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的等效電感；M為兩線圈間互感；D1～D4為快恢復(fù)二極管；Cf為濾波電容。

改進(jìn)E類放大電路如圖1（b）所示，當(dāng)串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)（L0和C0）和并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)（LP和CP）的諧振頻率等于工作頻率，輸入網(wǎng)絡(luò)（LF和CF）的頻率滿足工作頻率的1.5倍，可實(shí)現(xiàn)E類放大器的輸出電壓恒定?；诟倪M(jìn)E類放大器的恒壓輸出特性，將其等效為高頻恒壓源，如圖1（c）所示，同時(shí)設(shè)計(jì)無源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)N的輸出阻抗ZSout→∞，以實(shí)現(xiàn)LED恒流驅(qū)動(dòng)。

此外，LED的額定電流為0.35 A，考慮線圈寄生參數(shù)及二極管導(dǎo)通壓降的影響，假定ILED=0.38 A，因E類放大器的輸出電壓V1約為17 V，通過式（12）得a=0.468，再由式（9）即可得補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)N的參數(shù)取值。最后，通過式（16）可確定出LED為12顆時(shí)理論傳輸效率最大，并以點(diǎn)亮8～15顆LED為目標(biāo)。綜上，改進(jìn)E類放大器和無源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)N的取值如表2所示。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)前面的理論分析結(jié)論，得到最終WPT電路如圖5所示。根據(jù)表1和表2所列參數(shù)，不同LED顆數(shù)下改進(jìn)E類放大器輸出電壓及LED電流仿真波形如圖6所示。仿真結(jié)果表明，不同LED顆數(shù)下輸出電壓峰峰值基本維持在50.855～51.717 V之間，LED電流基本恒定在0.334～0.365 A之間，與理論計(jì)算基本相符，基本實(shí)現(xiàn)了E類放大器的輸出恒壓特性和末端LED負(fù)載近似電流恒定。

搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)裝置如圖7所示，高頻開關(guān)管選取為IRF540，不同LED顆數(shù)下實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，結(jié)果包括E類放大器的輸出電壓峰峰值v1p-p和電流峰峰值i1p-p，以及串聯(lián)LED的電壓vL和電流iLED大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，E類放大器輸出電壓的峰峰值穩(wěn)定在49.6～51.4 V之間，LED電流維持在0.336～0.351 A之間，與仿真結(jié)果基本吻合。

具體的8顆和12顆所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。其中改進(jìn)E類放大器的開關(guān)管與輸出電壓實(shí)驗(yàn)波形如圖8（a），開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)開關(guān)管電壓vS已提前到0，即改進(jìn)E類放大器實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)。在圖8（b）所示的改進(jìn)E類放大器輸出電壓和輸出電流實(shí)驗(yàn)波形中，輸出電壓v1與電流i1同相，該結(jié)果與理論設(shè)計(jì)相符，即接收線圈端折算到源端為純電阻。圖8（c）為L(zhǎng)ED的電壓與電流波形，可知輸出電流iLED基本恒定。

改進(jìn)E類放大器與LED負(fù)載之間傳輸效率的仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表4所示，總體上可看出實(shí)驗(yàn)與仿真效率比較接近，且LED顆數(shù)變化較大時(shí)，系統(tǒng)傳輸效率均維持較高。此外，從仿真與實(shí)驗(yàn)傳輸效率數(shù)據(jù)可知，LED為12顆時(shí)效率均出現(xiàn)最大值，與理論計(jì)算結(jié)果相符。

4 結(jié) 論

本文通過在接收線圈側(cè)引入無源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)其輸出阻抗條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED負(fù)載的恒流驅(qū)動(dòng)，并通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了恒流設(shè)計(jì)方法的有效性，得到實(shí)驗(yàn)傳輸效率為84.01%。文中引入改進(jìn)E類放大器實(shí)現(xiàn)其輸出電壓恒定，避免LED顆數(shù)發(fā)生改變時(shí)，同步造成E類放大器的輸出電壓改變而影響LED的恒流驅(qū)動(dòng)效果；采用T參數(shù)法對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行整體性分析，便于對(duì)無源補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，該恒流設(shè)計(jì)方法可為工程應(yīng)用提供一定的參考。在實(shí)驗(yàn)中，由于PCB布線不夠完善以及高頻下寄生參數(shù)的影響，開關(guān)管電壓實(shí)驗(yàn)波形存在寄生振蕩問題，后續(xù)研究將予以關(guān)注解決。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：張 楠）