[发明专利]一种基于E类功放的谐振式无线电能传输系统

说明书

本发明提供了一种基于E类功放的谐振式无线电能传输系统，系统包括E类功放模块、原边阻抗变换网络、副边阻抗变换网络、传输线圈模块、负载。其中E类功放模块可以产生高频正弦波，并为整个系统提供电能。原边阻抗变换网络分别与E类功放模块和发射线圈相连，可以保证传输线圈位置发生变化的情况下保证E类功放工作在最佳状态；副边阻抗变换网络分别与接收线圈和负载相连，可以实现E类功放模块外部传输效率最高。本发明通过在谐振式无线电能传输系统的原边和副边分别添加适当的阻抗变换网络，可以实现在线圈位置发生变化的情况下E类功放仍处于最佳工作状态，同时系统获得最高传输效率，从而使得基于E类功放的谐振式无线电能传输系统性能最佳。

技术领域

本发明涉及一种基于E类功放的谐振式无线电能传输系统，尤其涉及一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统。

背景技术

E类功率放大电路，即E类功放，工作频率可以达到MHz以上，而且电路结构非常简单，容易实现软开关，电能转换效率理论上可以达到100％，因此比较适合作为谐振式无线电能传输系统的高频功率源。当E类功放内部各元件参数设计恰当的时候，E类功放不仅可以工作在零电压开关(ZVS)状态，而且可以实现零电压导数开通(ZDS)状态，这时E类功放将工作在最佳状态，此时E类功放的输出电阻就是最佳电阻R。

谐振式无线电能传输技术具有传输距离远、传输效率相对较高、非辐射性等特点，特别适合于中等距离的无线电能传输。其主要组成部分是传输线圈和负载，传输线圈一般靠自谐振或者外接电容达到谐振状态，从而实现电能的有效传输。但在实际应用中，传输线圈并不是理想线圈，要考虑其内阻，负载电阻也不是越大越好，它存在一个最佳值使得系统传输效率最高。

但是在实际的系统中，传输线圈位置容易发生变化，这将引起线圈间的互感发生变化，进而引起系统的综合性能恶化，具体表现在两个方面，即：第一，E类功放外部传输效率最高时对应的最佳负载值发生变化，引起传输效率大幅下降；第二，E类功放外部的等效电阻发生变化，不等于其最佳输出电阻R，导致E类功放内阻无法实现ZDS(零电压导数开通)，甚至无法实现ZVS(零电压开通)，使得开关管电压、电流应力增大，损耗增加，甚至烧坏开关管。

为了解决以上问题，提出了如参考图1所示的一种添加双端阻抗变换网络的谐振式无线电能传输系统。通过在发射端和接收端分别添加适当的阻抗变换网络，本系统不仅可以保证在传输线圈位置发生变化的情况下E类功放处于最佳工作状态，即满足ZVS和ZDS工作条件，而且可以使得E类功放外部的谐振式无线电能传输效率达到最高，从而使得整个系统的性能最佳。

发明内容

本发明的目的在于解决目前基于E类功放的谐振式无线电能传输系统存在几种实际问题，具体表现在：由于系统原来参数设计不合理，或者传输线圈位置发生变化时，E类功放电路实际工作状态不佳，如开关管电压或者电流应力大，E类功放内部损耗较大，以及外部的谐振式无线电能传输效率低下的问题。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现：

一种基于E类功放的谐振式无线电能传输系统，包括E类功放模块、传输线圈模块、原边阻抗变换网络、副边阻抗变换网络及负载(R_L)；其中E类功放模块由直流电压源、扼流电感、驱动信号、开关管、反向续流二极管、并联旁路电容、滤波电感、滤波电容组成，E类功放模块的输出端产生高频正弦交流电，作为谐振式无线电能传输系统的高频功率源；传输线圈模块包括发射线圈和接收线圈，其中发射线圈等效为由发射线圈内阻、发射线圈电感和发射线圈谐振电容形成的RLC串联谐振模式，接收线圈等效为由接收线圈内阻、接收线圈电感和接收线圈谐振电容形成的RLC串联谐振模式；原边阻抗变换网络的输入端与E类功放的输出端相连，输出端与传输线圈模块中的发射线圈相连；副边阻抗匹配网络的输入端与传输线圈模块中的接收线圈相连，输出端与负载相连。