一种磁耦合谐振式无线能量传输系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，包括门极驱动信号源(1)、功率管(2)、漏极直流输入(3)、并联电容和LC谐振电路(4)、第二级线圈(5)、第三级线圈(6)、接收线圈(7)和输出负载(8)；门极驱动信号源(1)接入功率管(2)的栅极，漏极直流输入(3)接入功率管(2)的漏极，功率管(2)的漏极输出经并联电容和LC谐振电路(4)传输至第二级线圈(5)，第二级线圈(5)传输至第三级线圈(6)，第三级线圈(6)传输至接收线圈(7)，接收线圈(7)接入输出负载(8)。本实用新型专利技术结构简化、传输效率高、成本低。

A kind of wireless energy transmission system with magnetic coupling resonance

【技术实现步骤摘要】
一种磁耦合谐振式无线能量传输系统
本专利技术属于无线能量传输领域，具体涉及一种磁耦合谐振式无线能量传输系统。
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研究的热点之一。但是，目前无线电能传输的功率还不大，而提高传输功率需要以整体系统的高效率作为前提。整体系统效率的提高目前主要涉及一下几个方面：(1)电源效率的提高；(2)负载的准确匹配；(3)线圈寄生参数的减少；(4)谐振频率的高鲁棒性。然而，对于磁耦合谐振式无线能量传输系统的研究很少有从电源与线圈整合的角度出发，通过对整体系统结构的简化来降低系统损耗，这样不仅能够减少系统的中间损耗提高整体效率，同时也可以减少系统结构降低成本，本专利技术旨在提供一种将E类功率放大器和四线圈结构结合的磁耦合谐振式无线能量传输系统。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述存在的问题和不足，提出一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，无需专门的阻抗匹配电路，简化了系统结构，降低了成本，提高了输出功率和传输效率。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，包括门极驱动信号源(1)、功率管(2)、漏极直流输入(3)、并联电容和LC谐振电路(4)、第二级线圈(5)、第三级线圈(6)、接收线圈(7)和输出负载(8)；门极驱动信号源(1)接入功率管(2)的栅极，漏极直流输入(3)接入功率管(2)的漏极，功率管(2)的漏极输出经并联电容和LC谐振电路(4)传输至第二级线圈(5)，第二级线圈(5)传输至第三级线圈(6)，第三级线圈(6)传输至接收线圈(7)，接收线圈(7)接入输出负载(8)。进一步地完善上述技术方案，漏极直流输入(3)由电容C5、直流电压源V1和扼流线圈RFL组成，直流电压源V1的负极串联电容C5接地，直流电压源V1的正极串联扼流线圈RFL连接功率管(2)的漏极。进一步地，并联电容和LC谐振电路(4)由并联电容C0、谐振电感L1和谐振电容C1组成，并联电容C0并联在功率管(2)的漏极与源极之间，功率管(2)的源极接地，谐振电感L1和谐振电容C1串联接于并联电容C0的两端。进一步地，第二级线圈(5)由电感L2和电容C2串联而成。进一步地，第三级线圈(6)由电感L3和电容C3串联而成。进一步地，接收线圈(7)由电感L4和电容L4串联而成，电感L4、电容L4和输出负载(8)组成闭合回路。本专利技术的有益效果：本专利技术将E类功率放大器的谐振电感作为初级线圈，通过磁耦合谐振方式将初级线圈的能量耦合至第二级线圈，第二级线圈耦合至第三级线圈，第三级线圈耦合至接收线圈，接收线圈传输至输出负载，整体系统结构较传统结构简化，有利于提高系统效率，降低整体成本；本专利技术通过调节初级线圈与第二级线圈、第三级线圈和接收线圈之间的距离来改变四线圈结构对E类功率放大器的输入阻抗，从而达到负载匹配的目的，不需要依靠匹配电路来实现负载的匹配，进而简化了系统结构。附图说明图1为本专利技术所述无线能量传输系统结构框图；图2为图1的电路结构图；图3为图2的等效电路图；图4为图3中E类功率放大器的负载电流相位φ随负载(输入阻抗Rin)变化的关系图；图5为图3中E类功率放大器的效率ηE和功率PoE随负载(输入阻抗Rin)变化的关系图；图6为图3中四线圈结构的等效输入阻抗Rin随线圈匝数N和线圈半径r变化的关系图；图7为本专利技术整体系统输出功率Po随线圈匝数N和线圈半径r变化的关系图；图8为本专利技术整体系统的效率η随线圈匝数N和线圈半径r变化的关系图；图9为本专利技术整体系统输出功率Po随初级线圈与第二级线圈间距d12和第三级线圈与接收线圈间距d34变化的关系图；图10为本专利技术整体系统的效率η随初级线圈与第二级线圈间距d12和第三级线圈与接收线圈间距d34变化的关系图。图中，1、门极驱动信号源；2、功率管；3、漏极直流输入；4、并联电容和LC谐振电路；5、第二级线圈；6、第三级线圈；7、接收线圈；8、输出负载。具体实施方式为使本专利技术创造的内容更加清楚，下面结合附图，对本专利技术创造的具体实施方式作进一步详细描述。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本专利技术创造无关的、本领域普通技术人员已知的部件的表示和描述。实施例1：E类功率放大器的LC谐振电路的谐振频率与线圈的自谐振频率相同，因此可以将E类功率放大器的LC谐振电路同时作为四线圈结构的初级线圈；但是，需要通过线圈参数设计，使得E类功率放大器的谐振电感值与四线圈结构的初级线圈电感值一致，并通过对其他参数的精确设计使四线圈结构的等效输入阻抗与E类功率放大器的理想负载阻抗相等，从而在保证整体系统的传输功率和效率的基础上简化系统结构。1、E类功率放大器设计E类功率放大器的结构采用典型的带并联电容的E类功率放大器，为了实现最大效率的输出，其必须在工作频率上满足下述的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，功率管的集电极或漏极电压等于0；ZDS(zero-derivativeswitching)：当开关从关断(off)状态变为导通(on)状态时，功率管的集电极或漏极电压导数等于0。E类功率放大器包括门极驱动信号源(1)、功率管(2)、漏极直流输入(3)以及并联电容和LC谐振电路(4)；门极驱动信号源(1)接入功率管(2)的栅极；漏极直流输入(3)由直流电压源V1、电容C5和扼流线圈RFL组成，直流电压源V1的负极串联电容C5接地，直流电压源V1的正极串联扼流线圈RFL连接功率管(2)的漏极；并联电容和LC谐振电路(4)由并联电容C0、谐振电感L1和谐振电容C1组成，并联电容C0并联在功率管(2)的漏极与源极之间，功率管(2)的源极接地，谐振电感L1和谐振电容C1串联接于并联电容C0的两端。E类功率放大器的主要元器件：直流电压源V1、功率管Q1、扼流线圈RFL、并联电容C0、谐振电感L1和谐振电容C1。具体设计步骤如下：(1)在确定直流电压源V1、工作频率f、品质因数QL和输出功率Po的基础上，根据设计指标，对E类功率放大器的谐振电感L1、谐振电容C1和并联电容C0进行参数设计；对于占空比为0.5的E类功率放大器，其参数由以下公式得到；式中：R为E类功率放大器的理想负载阻抗，L1为谐振电感、C1为谐振电容、C0为并联电容、V1为直流电压源，Po为输出功率，QL为品质因数，f为工作频率。(2)在分析四线圈结构的传输特性时，需要将前端的电源部分等效为含内阻Rs的恒定电压源或电流源，而单频点E类功率放大器的最佳工作条件需要在确定的占空比、工作频率、输出功率及负载电阻下进行分析，但在无线能量传输系统中需要分析E类功率放大器在不同等效输入阻抗R本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，其特征在于：包括门极驱动信号源(1)、功率管(2)、漏极直流输入(3)、并联电容和LC谐振电路(4)、第二级线圈(5)、第三级线圈(6)、接收线圈(7)和输出负载(8)；/n门极驱动信号源(1)接入功率管(2)的栅极，漏极直流输入(3)接入功率管(2)的漏极，功率管(2)的漏极输出经并联电容和LC谐振电路(4)传输至第二级线圈(5)，第二级线圈(5)传输至第三级线圈(6)，第三级线圈(6)传输至接收线圈(7)，接收线圈(7)接入输出负载(8)。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁耦合谐振式无线能量传输系统，其特征在于：包括门极驱动信号源(1)、功率管(2)、漏极直流输入(3)、并联电容和LC谐振电路(4)、第二级线圈(5)、第三级线圈(6)、接收线圈(7)和输出负载(8)；
门极驱动信号源(1)接入功率管(2)的栅极，漏极直流输入(3)接入功率管(2)的漏极，功率管(2)的漏极输出经并联电容和LC谐振电路(4)传输至第二级线圈(5)，第二级线圈(5)传输至第三级线圈(6)，第三级线圈(6)传输至接收线圈(7)，接收线圈(7)接入输出负载(8)。


2.根据权利要求1所述的磁耦合谐振式无线能量传输系统，其特征在于：漏极直流输入(3)由电容C5、直流电压源V1和扼流线圈RFL组成，直流电压源V1的负极串联电容C5接地，直流电压源V1的正极串联扼流线圈RFL连接功率管(2)的漏极。...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶剑桥，王华芳，赵健，范绚然，陈大林，严嘉钰，周昊，周宇，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，国网江苏省电力有限公司，国家电网有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏;32