磁耦合共振及負載并聯(lián)諧振式無線供電設計

陳銀燕 賀建 韓艷杰 周海軍

摘? 要：設計了基于并聯(lián)諧振原理的磁耦合諧振式高效無線輸電裝置，電路由能量轉換模塊、諧波生成模塊、并聯(lián)無線輸電模塊、無線接收模塊及負載模塊構成。通過對電源中的電能進行調制，用諧振的方式通過開關電源電路提供到無線發(fā)射端的電源部分，并且高效地傳輸轉化得到的能量。諧波生成模塊頻率與金屬線圈剛好匹配，用來調制線圈電流。無線輸電模塊中的發(fā)射線圈的前端采用全橋逆變，通過對線圈等效電感的計算，選擇合適的諧振電容，可使傳輸能力最大化。實驗驗證了接受端線圈可實現(xiàn)50cm的范圍內10W的功率傳輸，效果符合要求。

關鍵詞：磁耦合諧振? 無線供電? 并聯(lián)諧振? 線圈

中圖分類號：TM464? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）05（c）-0127-04

Design of Wireless Power Supply based on Magnetic Coupling Resonance and Load Parallel Resonance

CHEN Yinyan1? HE Jian2? HAN Yanjie2? ZHOU Haijun2*

（1.Chuzhou Polytechnic College， College of Information Engineering， Chuzhou， Anhui Province， 239000 China;2.Chuzhou University， College of mechanical and electrical engineering， Chuzhou， Anhui

Province， 239000 China）

Abstract： A magnetic coupling resonant high-efficiency wireless transmission device based on parallel resonance principle is designed. The circuit is composed of energy conversion module， harmonic generation module， parallel wireless transmission module， wireless receiving module and load module. By modulating the electric energy in the power supply， it is provided to the power supply part of the wireless transmitting end through the switching power supply circuit in a resonant manner， and the converted energy is transmitted efficiently. The frequency of the harmonic generation module is just matched with the metal coil to modulate the coil current. The front end of the transmitting coil in the wireless transmission module adopts full bridge inverter. Through the calculation of the coil equivalent inductance and the selection of appropriate resonant capacitance， the transmission capacity can be maximized. Experiments show that the receiving end coil can realize 10W power transmission in the range of 50cm， and the effect meets the requirements.

Key Words： Magnetic coupling resonance; Wireless power supply; Parallel resonance; Coil

1? 工作原理

當前，無線供電技術在很多領域都有自己獨到的用處，且在近距離感應原理傳輸電能方面有很大進展。科學研究中無線充電技術的實現(xiàn)主要通過以下4種方式：電磁感應式、無線電波式、磁場諧振式、電場耦合式。這4種都是基于電磁學的物理原理，進行能量的相互轉換[1]。這4種之中電磁感應式和磁場諧振式是使用最為廣泛的兩種。磁耦合諧振的優(yōu)勢在于傳輸功率大，最高可達數(shù)kW，傳輸距離相對于電磁感應式也提升了幾十倍達到了數(shù)百倍。對接收端無位置和姿態(tài)要求，在傳輸范圍之內即可諧振，而且可以有多個接收端共同接收，實現(xiàn)一對多的高效傳輸。所以磁耦合共振式是適合遠距離、大功率的傳輸方式，在實際使用中抗干擾能力強，使用的場景多樣化，輸電更為可靠[2-4]。

在負載電源阻抗，并聯(lián)諧振的負載電路對電源的阻抗特性是高阻抗，使用電流源供電更為合適，為了保護前級電路，電源末端必須要并接大容量的電感器。但并聯(lián)諧振在轉換失敗時，由于電路中有著大容量電感，所以其電流受電感的大電抗限制，無法產生大的電流沖擊，整體電路較易保護。在輸入輸出波形上，并聯(lián)諧振是恒定的輸入電流和正弦波的輸出電壓，所以電橋電路在MOS管上電流過零點之前進行換流行為。使用并聯(lián)諧振整個電路的阻抗要相匹配，并且并聯(lián)諧振電路所匹配的工作頻率必須要比負載電路的固有震蕩頻率要低。這是因為只有并聯(lián)諧振的工作頻率低于固有頻率，才會使電路有充足時間讓全橋電路的上、下橋臂全部處于非直通狀態(tài)，如果這個換流時間過長，可能會導致?lián)Q流失敗，電路無法工作[5]。

2? 系統(tǒng)結構設計

如圖1所示，設計的無線供電系統(tǒng)主要由以下幾個模塊構成：能量轉化模塊、并聯(lián)輸電模塊、震蕩模塊、控制系統(tǒng)模塊、無線發(fā)射及驅動模塊、無線接收模塊、用電設備。當無線供電的用電設備的功率和阻抗發(fā)生變化時，對無線供電的波形及效率都會產生較大影響。

2.1 能量轉化模塊

本電路設計可以由多電源提供電能，可以使用普通直流電源供電和太陽能電池板供電。由于太陽能電池板的光照不穩(wěn)定特性，當太陽光光照強度達到126800Lx以上時，有足夠光能轉換，太陽能供電系統(tǒng)可以產生12～20V不等的電壓輸出。此時，太陽能電池板可以等效于普通直流電源，低于126800Lx時，供電電能無法滿足系統(tǒng)需要，供電效率和系統(tǒng)性能將成比例下降[6]。

2.2 并聯(lián)輸電模塊

本設計的無線充電系統(tǒng)主要通過發(fā)射與接收線圈進行相同頻率的能量耦合實現(xiàn)能量的傳遞。系統(tǒng)工作時用12～24V直流電源或太陽能電池板直接為系統(tǒng)供電，經過7805模塊轉變成5V后給芯片供電，12～24V可以直接加到MOSFET的S極，來實現(xiàn)銅質線圈中的交流電，同時，線圈中的較高電壓可以保證輸距離的大小和波形的穩(wěn)定，幾個470uf的電容也是為了吸收電路中換流產生的尖峰電流。

2.3 震蕩模塊

電路的震蕩部分為無限發(fā)射端電路提供標準的可調方波震蕩。如圖2所示，主體結構由晶振、電容、反相器構成，由于晶振的特性，可以輸出穩(wěn)定的方波。在本設計中，選用了CD4069作為起振芯片，CD4069是一個擁有6個反相器的反相門器件，用一個反相器和有源晶振做一個多諧振蕩器，后面5個剩余的與非門就并聯(lián)在一起接在振蕩器后面來為電路提供更大電流，更大的電流意味著有更強的帶負載能力[7]。此部分可輸出512kHz可調的方波信號，此方波信號為后級的MOS管提供驅動信號。

2.4 無線發(fā)射及驅動模塊

發(fā)射端采用大功率MOS管IRF840，開啟的內阻為0.85Ω，最大電流8A，在MOS管工作時，需要加裝散熱片，因為MOS管會產生大量的熱量。Vds最大工作電壓500V;Vdg（20kΩ下）耐壓500V;Vgs柵源電壓正負20V;Id在25℃時為8A，在100℃時為5.1A;IDM最大工作電流32A;Ptot溫度在25℃時峰值功率為12W。線路利用電流的正弦信號產生磁場，使電路工作在固有頻率內，保持與接收回路的耦合，這樣可以使能量最大效率地傳輸?shù)浇邮斩恕?/p>

驅動部分利用兩個參數(shù)相對的三極管S8550及S8050組成一個MOSFET管的驅動電路，驅動后級的N型MOSFET IRF840，如圖3所示。對前級的震蕩電路產生的可調方波進行處理，使用二階低通濾波器進行濾波，濾除電容產生的高次諧波，最終得到穩(wěn)定的正弦波輸出，正弦波具有最大的傳輸效率，使電路產生更大功率，MOS管波形更好，更易于諧振傳輸與接收。

2.5 無線接收模塊

設計采用了線徑是1.2mm的銅質導線作為耦合線圈的材料，自己繞制的線圈直徑有12cm，繞制20圈，電感大概在56uH左右。有并聯(lián)諧振的電容計算公式可以得出諧振的電容容值在660pF左右，在660pF電容下接收電路與發(fā)射電路相匹配，所以選擇661型號的電容。

無線傳輸與接受部分采用并聯(lián)諧振電路，L1與L2這兩個銅芯線圈一定要配上合適的諧振電容，諧振情況的好壞會直接影響到傳輸?shù)暮脡呐c傳輸距離，盡量避免諧振工作在高次諧波的頻率上，此處經實踐應用滌綸電容或聚乙烯電容。此外發(fā)射端的波形也占有一定地位，波形失真太大會使MOSFET工作在非線性區(qū)，而非開關狀態(tài)，這樣會使電能傳輸效率大幅下降，如圖4所示。

3? 硬件設計與運行

圖5是硬件電路運行過程實物圖。通過萬用表及精度較高的數(shù)字示波器觀看無線供電的電源端的電壓值、電流值、電流紋波、開關尖峰等，確定整個電路的電源是穩(wěn)定、有效的。圖6是諧波生成的電路產生的波形頻率和矩形波。

無線發(fā)射模塊的MOSFET全橋的工作狀態(tài)，用示波器看發(fā)射線圈端的電壓波形，監(jiān)視MOS管在前級三級管的驅動下工作在開關狀態(tài)。MOS管的S級電壓波形如圖7所示，是半個周期導通的正弦波，導通的時長是由方波的占空比來決定，占空比越大，導通時間越長，傳輸電流也就越多。無線發(fā)射線圈上的電壓波形如圖8所示，理論上是一個正弦波，但由于前面二階濾波器的元件精度和自己焊接的電路影響，正弦波存在一定的失真，對傳輸效率有一定影響，但是影響不大。

4? 結語

本設計采用了磁共振耦合原理的無線供電方式，此方式的整體特點是傳輸效率高、傳輸距離遠。其發(fā)射回路與接收回路之間具有相同的諧振頻率的傳輸方式，為整個無線供電體系帶來了巨大的改變。首先相比于電磁感應方式，接收電路的位置可以自由移動，不受限制，整體電路的重量也比較輕，易攜帶;其次與無線電波式相比，可以系統(tǒng)提升整體供電效率，提升傳輸電流，有著更強的實用性;最后與電場耦合相比，在繼續(xù)延長傳輸距離時有優(yōu)勢，電場耦合傳輸距離的加大意味著電場面積的加大。磁耦合共振及負載并聯(lián)諧振式無線供電具有高效率、高功率、遠距離、體積小等優(yōu)勢。

參考文獻

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[2] 徐勇軍，谷博文，陳前斌，等.基于能效最大的無線供電反向散射網絡資源分配算法[J].通信學報，2020，41（10）：202-210.

[3] 張波，張青.兩個負載接收線圈的諧振耦合無線輸電系統(tǒng)特性分析[J].華南理工大學學報：自然科學版，2012，40（10）：152-158.

[4] 曹娟等.負載阻抗特性對引信磁共振耦合無線裝定系統(tǒng)傳輸特性影響[J].兵工學報，2018，39（12）：2330-2337.

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[7] 楊睿，張翔，汪陽.基于磁耦合諧振式無線供電系統(tǒng)的分析研究[J].應用能源技術，2019（8）：49-54.