一种改进的磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器制造技术

本发明专利技术主要公开了一种针对磁耦合谐振式无线电能传输系统高频电源部分E类功率放大器的设计和实现，在原有E类基础上进行参数改进和拓扑优化来满足磁耦合谐振式无线电能传输系统对带宽和功率的要求。E类功率放大器采用单管放大的拓扑结构，并且开关管导通和关断满足ZVS和ZDS条件，很大程度上减小了开关管在导通关断时的功率损耗，从而极大提高了整个E类功率放大器的效率，克服了经典功放效率较低的问题，但E类线性度却没有经典功放高，由于磁耦合谐振式无线电能传输系统带宽较窄，主要对输入信号的频率进行放大，故E类功放适用于磁耦合谐振式无线电能传输系统。

【技术实现步骤摘要】
一种改进的磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器
由于本专利技术E类功率放大器主要应用于磁耦合谐振式无线电能传输，故主要涉及电子与射频领域。
技术介绍
磁耦合谐振式无线电能传输技术是无线电能传输三大技术之一，也是当前国内外学者的研究的热点之一。但是目前无线电能传输的功率还不大，停留在百瓦级，还远远不能满足现实生活中的需要，而提高传输功率主要涉及以下三个问题：(1)大功率高频电源的设计(2)传输系统参数的阻抗匹配(3)电能传输稳定性问题，即谐振频率鲁棒性问题。目前无线电能传输高频电源主要有两种实现方法，一种是利用电力电子器件通过全桥逆变或半桥逆变实现；一种是利用功放将信号功率进行放大实现。前者可实现较大功率，但是由于受电力电子器件开关频率的限制，电源频率一般不会很高，一般在几百KHz以内，而且频率调节不是很方便。后者可以实现较大功率和频率，利用其前面信号发生电路实现调频也很方便，但是设备成本较高。功率放大式高频电源由信号发生电路和功率放大电路组成，信号发生电路生成所需频率的信号，该信号经过功率放大器将信号发生电路输出的信号放大至所需功率。功率放大器按照不同的方式进行分类有三种方式：按照工作频带划分，分为宽带功率放大器和窄带功率放大器；按工作状态划分，可以分为线性功率放大器和非线性功率放大器；如果按放大器偏置和导通情况分，可以分为A类、B类、AB类、C类、D类、E类、F类、S类等。其中A类、B类、AB类、C类通常划分为经典的功率放大器；D类、E类、F类、S类通常划分为开关模式功率放大器。A类功放在100％的时间里导通，B类功放在50％的时间里导通，AB类也就恰如它的名字所示，在50％-100％的某段时间里是导通的。AB类功放的电路结构采用和B类相似的推挽结构，晶体管偏置在阈值电压之上，偏置电压同时也决定了功放的效率更接近于A类还是B类。实际应用中，AB类功放的效率大概在30％到70％之间。开关类功放主要包括D类、E类、F类和S类，开关类功放的一个主要思路是开关在理想情况下不消耗任何功率，或者开关的电流为零，或者开关两端的电压为零，因而开关的V、I乘积总是为零，这意味着晶体管没有任何功耗损失，其效率理论上可以达到100％。实际过程中，E类功率放大器的效率要低于100％，主要有两方面的原因。一个方面是由于开关晶体管的导通压降为有限值，这样就存在了导通的功率损耗。另一个方面，由于存在了寄生电阻，会产生损耗。实际的效率会降低，但是通过修改负载电路参数进行优化，电路的实际效率还是很高的。在射频微波频段，为了减小电路的插入损耗，输出匹配电路中还将采用微线带来替代集中参数设计，可达到很好的效率。由于高频电源属于磁耦合谐振式传输系统的发射前端，要提高整体系统传输效率务必减小每一部分的损耗，而E类功放减小开关转换损耗满足我们对提高效率的要求。
技术实现思路
本专利技术设计的高效E类功放按照是否为线性功放分属于非线性功放，采用单管放大，满足ZVS和ZDS条件，极大的减小开关状态间转换的损耗。技术方案如下：1.一种改进的磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器，它的组成包括：输入信号1，输入匹配电路2，门极偏置电源3，电源滤波电路4，功率管5，反馈电路6，漏极供电电源7，电源滤波电路8，LC振荡电路9，输出匹配电路10，输出信号11，工作方式：输入信号1经过输入匹配电路2，门极偏置电源3经过电源滤波电路4为功率管5提供一个静态工作点，给输入信号提供电路通路，反馈电路6将漏极输出信号反馈给门极以调整输出信号强度，漏极电源7经过电源滤波电路8为输出回路提供功率，功率管5输出经过LC振荡电路9输出匹配电路10，输出信号11。2.输入匹配电路2由C2和L1组成，L1串联于电路中，C2并联接地。3.电源滤波电路4由C3、C4、C5、C6、C7并联接地构成。4.反馈电路6由R3和C8串联在功率管Q漏极和门极间构成。5.电源滤波电路8由C9、C10、C11、C12、C13并联接地构成。6.LC振荡电路9L3和C14串联组成。7.输出匹配电路10由C15和L4组成，L4串联于电路中，C15并联接地。本专利技术的技术优势如下：1)对于无线电能传输系统频段针对性强。市场上大多数现有功放均为GHz通信频段，很少有满足无线电能传输系统对带宽的要求。2)E类功放拓扑简单。其采用单管放大，相比全桥/半桥电路驱动部分更加简单易于控制。3)E类功放效率高。因开关状态转换满足ZVS和ZDS条件，极大的减小开关管开通和关断时的损耗。4)系统频率方便调节。相比全桥/半桥逆变电路，只需要调节信号发生电路的输出信号频率即可。正由于E类功放具有如上优点，将其应用于磁耦合谐振式无线电能传输系统中不仅能够提高前端能量的利用率还能够在一定范围内快速调节系统频率节省实验的时间和人力。附图说明图1功率放大器组成框图图2功率放大器原理图图3功率放大器理想电压电流波形图4功率放大器反馈示意图图5最接近现有技术的E功率放大器图中：1为输入信号，2为输入匹配电路，3为门极偏置电源，4为电源滤波电路，5为功率管，6为反馈电路，7为漏极供电电源，8为电源滤波电路，9为LC振荡电路，10为输出匹配电路。11为输出信号。具体实施方式1.E类功率放大器E类功率放大器有多种不同拓扑结构，主要差别在于是并联还是串联电容或者电感，本专利技术采用的是并联电容的E类功率放大器，其电路原理图如图2所示。输入信号1，输入匹配电路2(由C2和L1组成，L1串联，C2并联接地)，门极偏置电源3为Vb，电源滤波电路4(由C3、C4、C5、C6、C7并联接地构成)，功率管5为Q，反馈电路6(由R3和C8串联在功率管Q漏极和门极间构成)，漏极供电电源7为Vcc，电源滤波电路8(由C9、C10、C11、C12、C13并联接地构成)，LC振荡电路9(L3和C14串联组成)，输出匹配电路10(由C15和L4组成，L4串联，C15并联接地)，输出信号11。主要元器件：飞思卡尔射频管MRF6V2300、高频扼流圈RFC、LC振荡器、电源滤波电容、匹配电路电容电感、输出电容、门极偏置电源、漏极供电电源、反馈电路RC串联、门极偏置和门极稳定电阻。E类功放为了实现最大效率的输出，其必须满足下述的ZVS条件和ZDS条件：ZVS(zero-voltageswitching)：当开关从关断(off)状态变为导通(on)状态时，集电极或者漏极的电压等于0；ZDS(zero-derivativeswitching)：当开关从关断(off)状态变为导通(on)状态时，集电极或者漏极的电压导数等于0。其理想电压电流波形如图3所示。2.匹配电路设计在进行基础电路设计之前要对MRF6V2300NBR1开关晶体管的特性曲线进行仿真，根据其特性曲线选取功率损耗较小并且能够使得功率管完全导通的静态工作点。设计出的基础功放电路为了能够输出最大的功率和最高的效率，必须获得基本功放电路的最佳负载阻抗和源阻抗。为了获得这两个阻抗值，本专利技术采用负载牵引(LoadPull)和源牵引(SourcePull)方法。负载牵引方法是通过在Smith圆图上画出给定输入功率情况下不同负载阻抗值的等输出功率曲线，从而确定最佳负载阻抗值。源牵引方法与负载牵引方法类似。实际中，负载的值和源阻抗的值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进的磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器，它的组成包括：输入信号(1)，输入匹配电路(2)，门极偏置电源(3)，电源滤波电路(4)，功率管(5)，反馈电路(6)，漏极供电电源(7)，电源滤波电路(8)，LC振荡电路(9)，输出匹配电路(10)，输出信号(11)，其特征在于：输入信号(1)经过输入匹配电路(2)，门极偏置电源(3)经过电源滤波电路(4)为功率管(5)提供一个静态工作点，给输入信号提供电路通路，反馈电路(6)将漏极输出信号反馈给门极以调整输出信号强度，漏极电源(7)经过电源滤波电路(8)为输出回路提供功率，功率管(5)输出经过LC振荡电路(9)输出匹配电路(10)，输出信号(11)。

【技术特征摘要】
1.一种改进的磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器，它的组成包括：输入信号(1)，输入匹配电路(2)，门极偏置电源(3)，电源滤波电路(4)，功率管(5)，反馈电路(6)，漏极供电电源(7)，电源滤波电路(8)，LC振荡电路(9)，输出匹配电路(10)，输出信号(11)，其特征在于：输入信号(1)经过输入匹配电路(2)，门极偏置电源(3)经过电源滤波电路(4)为功率管(5)提供一个静态工作点，给输入信号提供电路通路，反馈电路(6)将漏极输出信号反馈给门极以调整输出信号强度，漏极电源(7)经过电源滤波电路(8)为输出回路提供功率，功率管(5)输出经过LC振荡电路(9)输出匹配电路(10)，输出信号(11)。2.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器，其特征在于：所述的输入匹配电路(2)由C2和L1组成，L1串...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，谭畅，宋俊超，赵怀友，邵立伟，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32