一种基于D类功率放大器的无线电能传输装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种基于D类功率放大器的无线电能传输装置，包括电源模块、高频信号产生模块、驱动模块和无线电能传输模块；电源模块包括DC15V驱动电源和外接功率电源；无线电能传输模块包括碳化硅MOS管Q1和Q2、电容C1、电容C6、发射线圈电感L1、匹配电感Lf、接收线圈电感L2和C2；高频信号产生模块产生振荡频率信号输出至驱动模块；本实用新型专利技术以D类功率放大器拓扑设计磁耦合谐振式无线电能传输系统，相比于桥式逆变电源，该拓扑结构简单，效率高，相比于E类功率放大器，D类功率放大器解决了负载敏感性问题，开关管关断时承受的电压应力要比E类功放开关管小得多，输出功率得以提升，而且对参数的设计要求较低，仿真结果表明所提出的阻抗匹配电路能够有效提升系统输出功率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于D类功率放大器的无线电能传输装置
本专利技术属于无线电能传输
，涉及一种基于D类功率放大器的无线电能传输装置，具体涉及一种基于D类功率放大器的磁耦合串联谐振式无线电能传输装置。
技术介绍
无线电能传输技术又称无接触式电能传输技术，是在无电气直接接触的形式下，实现电能从电源端到负载端的有效传输。目前根据传输机理不同，无线电能传输技术主要可分为微波式，电场耦合式，电磁感应式和磁耦合谐振式。微波式的原理是利用微波束代替导线进行能量传输，但是微波在空气中传输时会产生损耗，不能穿越障碍物，且对人体有害，不适宜日常生活中使用。电场耦式无线电能传输是利用平板电容器的电场耦合作用实现电能的无线传输。但平板电容器的电容只有pF级别，极板两端会产生高电压，极板间的高强度电场对人体有害。电磁感应式无线电能传输是利用变压器的电磁感应原理进行能量传输，只有在较短的距离下(小于10cm)，才能实现较大功率和较高效率的电能传输，当距离增大后，传输效率急速下降。磁耦合谐振式无线电能传输是在磁场弱耦合的条件下基于谐振原理实现电能的无线传输。谐振式无线能量传输系统能量传输距离远，损耗小，能量只在共振系统中流动，对共振系统外的物体无影响，无方向性还具有良好穿透性。基于磁耦合谐振原理设计无线电能传输系统，其中关键部分是高频电源的设计。而目前常用的高频电源设计方案主要有桥式逆变电路和E类功率放大器。桥式逆变电源输出功率大，电源特性好，但开关管数目多，驱动复杂且损耗较高。相比而言E类拓扑只需要一个开关管，容易设计在软开关工作条件下，结构简单且效率较高，但E类功放在开关管关断时，开关管两端电压应力非常大，最高为直流电源电压的3.562倍，为了保证开关管不被击穿，直流电源电压不能太大，从而导致输出功率受限。此外E类功率放大器对参数的设计要求高，参数设计非常复杂，E类功率放大器存在一个理论最佳负载电阻Ropt，只有当实际负载电阻RL的阻值与Ropt相等时，E类功率放大器才工作在最佳状态，当两者不等尤其是当RL>Ropt，系统的传输功率和效率都会显著降低，E类功率放大器适合恒负载条件下工作，对负载的变化敏感，工作条件要求苛刻。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于D类功率放大器的无线电能传输装置，提出了一种简单有效的阻抗匹配方法，阻抗匹配电路能够有效地提升系统输出功率。技术方案一种基于D类功率放大器的无线电能传输装置，其特征在于包括电源模块、高频信号产生模块、驱动模块和无线电能传输模块；所述电源模块包括DC15V驱动电源和外接功率电源；所述无线电能传输模块包括碳化硅MOS管Q1和Q2、电容C1、电容C6、发射线圈电感L1、匹配电感Lf、接收线圈电感L2和C2；高频信号产生模块产生振荡频率信号输出至驱动模块；驱动模块输出双路PWM信号至半桥电路分别控制高低端的驱动信号；一路输出信号连接MOS管Q1的栅极，另一路输出信号连接MOS管Q2的栅极；MOS管Q2的漏极连接MOS管Q1的源极MOS管Q1的漏极与外接功率电源连接；发射线圈电感L1与匹配电感Lf的并联电路的一端连接MOS管Q2的漏极，另一端通过电容C1与Q2的源极相连接并接地；接收线圈电感L2与C2以及负载相串联；所述DC15V驱动电源为高频信号产生模块和驱动模块的工作电源。所述高频信号产生模块采用模拟芯片TC35C25及配置电阻和电容：R1、R2、R3、电容CT、，电位器RT、电阻RD、和电容Cs；TC35C25芯片的IN-引脚通过R1电阻接地，IN+引脚通过电阻R3接地，IN+引脚与VRE引脚之间跨接R2电阻，Discharge引脚通过电阻RD与CT引脚并联再通过电容CT接地，RT引脚通过电位器RT接地，Soft引脚通过电容Cs接地，VIN引脚与VDD引脚与DC15V正极相连接，GND引脚与SD引脚接地；TC35C25芯片的OutputB引脚和OutputA引脚输出PWM波，输出至驱动模块的输入端，OutputB引脚输出OUTA，OutputA引脚输出OUTB；所述R1＝R2＝R3。所述驱动模块采用IR2110驱动模块及偏置电路：C3电容、C4电容、二极管D1、R8电阻、R9电阻；HIN引脚为PWM波OUTA的输入端，LIN为PWM波OUTB的输入端，VDD引脚与DC15V正极相连接，SD引脚和VSS引脚接地，C3电容跨接于VB引脚和VS引脚，C4电容跨接于VCC引脚和COM引脚，D1二极管跨接于VB引脚和VCC引脚，HO引脚、LO引脚和VS引脚为输出端，HO引脚通过R8电阻，LO引脚通过R9电阻相对于VS引脚输出双路PWM信号；所述C3电容的正端连接VB引脚；所述C4电容的正端连接VCC引脚；所述D1二极管的正端连接VCC引脚和DC15V正极。C5电容与C7电容并联为DC15V的滤波电容。C6电容为外接功率电源的滤波电容。所述D1是二极管1N4148。有益效果本专利技术提出的一种基于D类功率放大器的无线电能传输装置，以D类功率放大器拓扑设计磁耦合谐振式无线电能传输系统，D类功率放大器拓扑中使用两个开关管，理想情况下两个开关管可工作在零电压开通的软开关条件下，传输效率高，而且负载电阻变化时不影响系统工作状态，相比于桥式逆变电源，D类功率放大器拓扑结构简单，效率高，相比于E类功率放大器，D类功率放大器拓扑解决了负载敏感性问题，开关管关断时承受的电压应力要比E类功放开关管小得多，输出功率得以提升，而且对参数的设计要求较低。通过系统仿真来表明本专利技术的有益效果，在MATLAB建立仿真系统，仿真参数设计如下表：表1无线电能传输系统仿真参数设计本专利技术主要实现了3个有益效果：1，实现开关管的零电压开通降低损耗开关管开通和关断过程中电压电流波形如图所示，开关管两端电压波形Vds为100V时，表明此时开关管处于关断状态，Vds为0V时，表明开关管处于导通状态。当开关管两端电压Vds由100V跳变为0V时，说明开关管由关断变成导通，处于开通过程，由附图5可以看出，当Vds由100V跳变为0V过程中，流经开关管的电流Ids为负，表明此时开关管由体二极管续流，忽略二极管导通压降，即开关管导通过程中实现了零电压开通，相比于普通桥式逆变电源，传输效率高。2，阻抗匹配方法提升系统输出功率分析阻抗匹配方法对提升系统输出功率的作用，设计两组装置，一组没有电感Lf进行阻抗匹配，一组有Lf进行阻抗匹配，分别使系统工作在相同的直流电压(100V)和频率(100K)下，发射线圈(100uH)，接收线圈(100uH)的参数一致，耦合互感都为30uH，在三组负载电阻条件得到以下数据：表2R＝20Ω时两组装置传输效果数据表3R＝30Ω时两组装置传输效果数据表4R＝40Ω时两组装置传输效果数据由以上表中数据可以看出，负载电阻相同时，采用100uH的阻抗匹配电感能够明显的提升系统输出功率。采用阻抗匹配的装置与无阻抗匹配的装置相比，传输效率波动小于0.7％，而输出功率是无阻抗匹配装置的4倍。仿真发现，系统未采用阻抗匹配时，最大传输功率小于500W，当R＝130Ω，传输功率为438.4W，传输效率为86％，远小于同功率等级下采用阻抗匹配装置94.9％的传输效率。以上分析表明该阻抗匹配本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于D类功率放大器的无线电能传输装置，其特征在于包括电源模块、高频信号产生模块、驱动模块和无线电能传输模块；所述电源模块包括DC15V驱动电源和外接功率电源；所述无线电能传输模块包括碳化硅MOS管Q1和Q2、电容C1、电容C6、发射线圈电感L1、匹配电感Lf、接收线圈电感L2和C2；高频信号产生模块产生振荡频率信号输出至驱动模块；驱动模块输出双路PWM信号至半桥电路分别控制高低端的驱动信号；一路输出信号连接MOS管Q1的栅极，另一路输出信号连接MOS管Q2的栅极；MOS管Q2的漏极连接MOS管Q1的源极，MOS管Q1的漏极与外接功率电源连接；发射线圈电感L1与匹配电感Lf的并联电路的一端连接MOS管Q2的漏极，另一端通过电容C1与Q2的源极相连接并接地；接收线圈电感L2与C2以及负载相串联；所述DC15V驱动电源为高频信号产生模块和驱动模块的工作电源。

【技术特征摘要】
1.一种基于D类功率放大器的无线电能传输装置，其特征在于包括电源模块、高频信号产生模块、驱动模块和无线电能传输模块；所述电源模块包括DC15V驱动电源和外接功率电源；所述无线电能传输模块包括碳化硅MOS管Q1和Q2、电容C1、电容C6、发射线圈电感L1、匹配电感Lf、接收线圈电感L2和C2；高频信号产生模块产生振荡频率信号输出至驱动模块；驱动模块输出双路PWM信号至半桥电路分别控制高低端的驱动信号；一路输出信号连接MOS管Q1的栅极，另一路输出信号连接MOS管Q2的栅极；MOS管Q2的漏极连接MOS管Q1的源极，MOS管Q1的漏极与外接功率电源连接；发射线圈电感L1与匹配电感Lf的并联电路的一端连接MOS管Q2的漏极，另一端通过电容C1与Q2的源极相连接并接地；接收线圈电感L2与C2以及负载相串联；所述DC15V驱动电源为高频信号产生模块和驱动模块的工作电源。2.根据权利要求1所述基于D类功率放大器的无线电能传输装置，其特征在于：所述高频信号产生模块采用模拟芯片TC35C25及配置电阻和电容：R1、R2、R3、电容CT，电位器RT、电阻RD、和电容Cs；TC35C25芯片的IN-引脚通过R1电阻接地，IN+引脚通过电阻R3接地，IN+引脚与VRE引脚之间跨接R2电阻，Discharge引脚通过电阻RD与CT引脚并联再通过电容CT接地，RT引脚通过电位器RT接地，Soft引脚通过电容Cs接地，VIN引...

【专利技术属性】
技术研发人员：王尧，刘卫国，左鹏，田璐，魏晨露，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：新型
国别省市：陕西,61