無(wú)線(xiàn)功率傳輸?shù)谋銛y性設(shè)備應(yīng)用

摘要：為了使無(wú)線(xiàn)功率傳輸在給多個(gè)設(shè)備充電時(shí)不再需要電源線(xiàn)和龐大的充電設(shè)備，例如實(shí)驗(yàn)移動(dòng)設(shè)備(如移動(dòng)手機(jī))放在無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)備附近能夠?qū)崿F(xiàn)充電，可以通過(guò)改變手機(jī)等設(shè)備的位置，角度，離發(fā)射設(shè)備的距離等實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)充電。為了這解決了長(zhǎng)期以來(lái)的兼容性難題，擬用電容性電能傳輸 (CPT)，應(yīng)用AD—DC，DC—AC轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)設(shè)備的充電。通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，無(wú)論是整流橋還是偏置網(wǎng)絡(luò)，我們均是通過(guò)采用開(kāi)關(guān)電源來(lái)提高效率。這種解決方案比常規(guī)體系結(jié)構(gòu)更適合集成電路(IC)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能提高無(wú)線(xiàn)功率傳輸效率90%。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳榆;磁耦合;功率發(fā)射器;AC/DC

由于顧客便捷性的充電需求，很多公司加入了于2008年成立的無(wú)線(xiàn)充電聯(lián)盟(Wireless Power Consortium，WPC)，并建立了一個(gè)通用的無(wú)線(xiàn)傳輸標(biāo)準(zhǔn)(QI)。該標(biāo)準(zhǔn)使得不同型號(hào)，不同國(guó)家，不同電源需求的手提設(shè)備可以共用一個(gè)電源，多個(gè)設(shè)備在充電時(shí)不再需要電源線(xiàn)和龐大的充電設(shè)備，這解決了長(zhǎng)期以來(lái)的兼容性難題。但是僅WPC標(biāo)準(zhǔn)下的功率傳輸效率不高，研究目標(biāo)在于減少電能的無(wú)線(xiàn)傳輸損耗，實(shí)現(xiàn)為小功率的便攜移動(dòng)設(shè)備電池進(jìn)行充電。

1 通過(guò)電磁耦合實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳輸及其優(yōu)點(diǎn)

盡管聲耦合和光耦合也在發(fā)展，但是電磁耦合是最有效率的。傳統(tǒng)的感性傳輸技術(shù)(IPT)存在明顯的局限性。因?yàn)橛衅洳荒艽┻^(guò)金屬屏障，傳輸效率低，易受電磁干擾等缺陷。而基于磁場(chǎng)諧振耦合的無(wú)線(xiàn)電力傳輸，通過(guò)共振建立發(fā)射與接收裝置之間的傳遞通道，能實(shí)現(xiàn)通道間的遠(yuǎn)距離能量傳輸，通過(guò)優(yōu)化功率變換電路及無(wú)功功率的補(bǔ)償，可以盡最大可能地提高能量傳遞效率，從而有效地傳輸能量。實(shí)驗(yàn)研究了電感螺線(xiàn)圈直徑和傳輸裝置電路開(kāi)關(guān)管工作時(shí)間對(duì)傳輸功率的影響。我們團(tuán)隊(duì)擬用電容性電能傳輸(CPT)，應(yīng)用AC—DC，DC—AC轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)設(shè)備的充電。

無(wú)線(xiàn)容性功率傳輸(CPT)技術(shù)是最近被人們提出作為備用接觸電力傳輸解決方案，CPT接口是在一對(duì)耦合的構(gòu)造電容。電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的其余部分，包括逆變器和整流器結(jié)構(gòu)仍然是一樣的。由于磁感應(yīng)的特點(diǎn)可以降低功耗，在某些功率水平，元件可以使用最小化電容結(jié)構(gòu)。因此CPT最顯著的優(yōu)勢(shì)是它的低功率損耗，成本和尺寸。然而，在高功率應(yīng)用中，這不是一個(gè)優(yōu)選的解決方案。出于這個(gè)原因，大多數(shù)現(xiàn)有的CPT的解決方案是專(zhuān)注于低功耗應(yīng)用和便攜式電子設(shè)備，如無(wú)線(xiàn)牙刷充電器，或無(wú)線(xiàn)手機(jī)充電器在電源傳輸接口與電容耦合的矩陣的點(diǎn)。

對(duì)于感性傳輸技術(shù)來(lái)說(shuō)，CPT有以下特點(diǎn)：

1)CPT是基于電場(chǎng)耦合的，所以需要在耦合板上提供高頻的AC電壓。

2)一個(gè)完整的CPT系統(tǒng)至少含有兩對(duì)耦合板以提供電源和接收器之間的完整的循環(huán)電流。

3)當(dāng)耦合板間有金屬屏障時(shí)，這種耦合可被認(rèn)為是兩個(gè)電容的串聯(lián)，這意味著CPT能夠通過(guò)金屬屏障來(lái)傳輸能量。

4)相比于IPT來(lái)說(shuō)，CPT系統(tǒng)因?yàn)榇蠖鄶?shù)電場(chǎng)封閉在連接板體積內(nèi)，電磁輻射干擾和功率損耗可被大大減少。

5)除去了重而昂貴的磁性材料和線(xiàn)圈，電路的尺寸可被減小。無(wú)線(xiàn)電池充電器的結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

功率發(fā)射器連接在電網(wǎng)上，功率接收器集成在移動(dòng)設(shè)備上。功率發(fā)出和功率接受是靠磁耦合。經(jīng)過(guò)AC—DC和DC—AC轉(zhuǎn)換，發(fā)出功率在合理控制共振箱的基礎(chǔ)上再由AC—DC轉(zhuǎn)換為直流電壓為電池充電。耦合諧振式無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)這種新型的供電方式不但可以使無(wú)線(xiàn)供電的距離提升到米級(jí)范疇，突破了無(wú)線(xiàn)能量傳輸距離這個(gè)瓶頸，同時(shí)還會(huì)分離開(kāi)用電設(shè)備與供電設(shè)備之間的物理連接，這樣在提高用電設(shè)備的美觀(guān)，實(shí)用性的同時(shí)，還可以改善用電設(shè)備的安全性。

無(wú)線(xiàn)容性功率傳輸(CPT)技術(shù)最近有人提出作為備用接觸電力傳輸解決方案，CPT接口是在一對(duì)耦合的構(gòu)造電容。電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的其余部分，包括逆變器和整流器結(jié)構(gòu)仍然是一樣的。由于磁根據(jù)需要與不縮小降低功耗，在某些功率水平，成本和尺寸的電隔離元件可以與被最小化電容接口。因此最顯著CPT的優(yōu)勢(shì)是它的低功率水平的成本和尺寸。然而，在高功率應(yīng)用中，這不是一個(gè)優(yōu)選的解決方案。出于這個(gè)原因，大多數(shù)現(xiàn)有的CPT的解決方案是專(zhuān)注于低功耗應(yīng)用和便攜式電子設(shè)備，如無(wú)線(xiàn)牙刷充電器，或無(wú)線(xiàn)手機(jī)充電器在電源傳輸接口與電容耦合的矩陣的點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。印刷和MEMS技術(shù)在應(yīng)用程序CPT表明承諾的進(jìn)步，這些驗(yàn)收技術(shù)在消費(fèi)電子應(yīng)用。

2 使用開(kāi)關(guān)電源提高功率效率

在以往的結(jié)構(gòu)中，功率效率是通過(guò)電阻調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的，它引入了一個(gè)嚴(yán)重降低效率且平行于橋式整流器電阻負(fù)載。交流-直流整流器是由一個(gè)全波整流器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這樣的電路中，功率效率在很大程度上受這兩種傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗。此外，功率效率受偏置電路中功率損失的影響。最重要的是能為一些特殊場(chǎng)合帶來(lái)更方便的供電，如水下檢測(cè)、油田礦井、高山沙漠、化工等。因此，磁耦合諧振式無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)具有良好的應(yīng)用價(jià)值和研究意義。

改進(jìn)設(shè)計(jì)，無(wú)論是整流橋和偏置網(wǎng)絡(luò)，我們均是通過(guò)采用開(kāi)關(guān)電源來(lái)提高效率。這種解決方案比常規(guī)體系結(jié)構(gòu)更適合集成電路(IC)實(shí)現(xiàn)。另外，接收器架上的MOSFET具有極低的導(dǎo)通電阻，因此與使用二極管和電阻的常規(guī)系統(tǒng)相比，功率損耗被嚴(yán)重降低。

3 技術(shù)路線(xiàn)

3.1 基于電容耦合的非接觸電能傳輸技術(shù)(CPT)

遠(yuǎn)距離功率傳輸?shù)年P(guān)鍵問(wèn)題是減少損耗，提高效率，就目前的科技水平，即使是近距離傳輸?shù)男室搽y以與有線(xiàn)傳輸相比，所以感性傳輸技術(shù)顯得尤為重要。根據(jù)需要，參考了兩種耦合結(jié)構(gòu)，它們都由兩對(duì)金屬板組成，每對(duì)金屬板間的耦合距離為1 mm。

圖2所示為碟形結(jié)構(gòu)，兩個(gè)圓盤(pán)形成了一對(duì)耦合板，下面的圓盤(pán)靜止不動(dòng)并連在輸入電源上，上面的圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)并連在輸出的負(fù)載上。

圖3所示為柱形結(jié)構(gòu)，圓柱1和2形成了一對(duì)耦合板，圓柱3和4形成了另一對(duì)。兩個(gè)外部的圓柱靜止不動(dòng)并連在輸入電源上，兩個(gè)內(nèi)部的圓柱旋轉(zhuǎn)并連在輸出的負(fù)載上。

可以證明，對(duì)于上述結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，當(dāng)兩對(duì)耦合板的耦合面積相等且板的總面積保持相同時(shí)，總的等效電容達(dá)到最大值。設(shè)計(jì)負(fù)載由多個(gè)最大阻值為1.3 Ω的傳感器組成，其結(jié)果是，柱形結(jié)構(gòu)的等效電容最大值是碟形結(jié)構(gòu)的三倍，因此選用柱形結(jié)構(gòu)作為優(yōu)先型。典型的基于電容耦合的非接觸電能傳輸系統(tǒng)如圖4所示，直流輸入電壓Edc經(jīng)過(guò)功率逆變器變換成高頻交流電壓，并作為原邊金屬板的輸入電壓，當(dāng)副邊的兩塊金屬板與之鄰近且存在電位差的時(shí)候，原邊的交變電場(chǎng)就會(huì)對(duì)副邊金屬板產(chǎn)生感應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)耦合并向負(fù)載Rl供能。

CPT系統(tǒng)的電路拓?fù)淙鐖D5，在原邊，直流電源Edc與直流電感Ld共同組成準(zhǔn)電流源，S1～S4構(gòu)成高頻能量變換環(huán)節(jié)，通過(guò)與這兩個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)180°交互導(dǎo)通。這兩對(duì)開(kāi)關(guān)管通過(guò)ZVS(zero voltage switching)的工作方式進(jìn)行切換，即通過(guò)檢測(cè)Vcp的過(guò)零點(diǎn)來(lái)完成開(kāi)關(guān)對(duì)的切換過(guò)程，實(shí)現(xiàn)正反向兩種能量注入模式。由于切換過(guò)程在過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行，其開(kāi)關(guān)切換損耗在理論上為零。在電路中，CS的等效串聯(lián)電阻ESR如下：

根據(jù)以上分析，通過(guò)將逆變網(wǎng)絡(luò)輸出端電路(虛線(xiàn))看出二端口網(wǎng)絡(luò)，可以建立諧振網(wǎng)絡(luò)的等效電路，如圖6所示。

在電路中，Cp構(gòu)成并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，Cs2為原副邊電容耦合板的等效電容，調(diào)諧電感Ls與Cs1、Cs2構(gòu)成串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。

3.2 開(kāi)關(guān)電源

開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和 MOSFET構(gòu)成。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。目前，開(kāi)關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。開(kāi)關(guān)電源可以分為隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器和非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。簡(jiǎn)單地說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源的工作原理如下：

1)交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流;

2)通過(guò)高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管，將那個(gè)直流加到開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)上;

3)開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)感應(yīng)出高頻電壓，經(jīng)整流濾波供給負(fù)載。

4)輸出部分通過(guò)一定的電路反饋給控制電路，控制PWM占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的。

在功率相同時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)變壓器的體積就越小，因而，與普通開(kāi)關(guān)相比，開(kāi)關(guān)電源可以用較小的體積實(shí)現(xiàn)較大的功率傳輸，且損耗較小。并通過(guò)將這種方法應(yīng)用到實(shí)際ICPT系統(tǒng)中以驗(yàn)證該方法的有效性。

與線(xiàn)性電源相比，PWM開(kāi)關(guān)電源更為有效的工作過(guò)程是通過(guò)“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。開(kāi)關(guān)電源伯特圖脈沖的占空比由

開(kāi)關(guān)電源的控制器來(lái)調(diào)節(jié)。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過(guò)變壓器來(lái)升高或降低。通過(guò)增加變壓器的二次繞組數(shù)就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過(guò)整流濾波后就得到直流輸出電壓。

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線(xiàn)功率傳輸作為朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，有著廣闊的前景和應(yīng)用背景。會(huì)對(duì)人類(lèi)未來(lái)的能源傳輸方式產(chǎn)生變革式的影響。其特點(diǎn)是損耗小，安全，方便，可以在特殊情況下使用。需要解決的問(wèn)題是感性傳輸技術(shù)和開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用，提高效率，改善結(jié)構(gòu)。