[发明专利]基于负电阻的无线电能传输阻抗匹配方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于负电阻的无线电能传输阻抗匹配方法及装置，基于负电阻的阻抗匹配电路利用负电阻代替匹配电路里的可调电容元件，解决传统阻抗匹配电路存在匹配禁区的问题，本发明具有广泛的实用性，可应用于T型、Π型、Γ型、反Γ型等多种匹配电路。

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，特别是涉及到一种基于负电阻的无线电能传输 阻抗匹配方法及装置。

背景技术

19世纪60年代，德国人西门子发明了电动机，标志着人类从灼热的“蒸汽时代”跨进了“电气时代”。与传统能源不同，电能作为一种二次能源，可以与其他形式的能量 (如：太阳能、机械能、化学能等)进行便捷的转化，这使得电能逐渐成为了工业文明 不可或缺的原动力，一直以来推动着人类文明的进步。

随着现代大型电力系统的发展，使得各类电气设备可以便捷地通过电缆从电网中取 电，因此，电气设备广泛依赖于“发电-输电-变电-配电-用电”的现代输配电模式。随 着社会的发展，人们对于移动式或不便于从电网中取电的设备的需求得以快速增长，这 使得传统用电模式的弊端逐渐凸显出来。然而关于电能的无线传输技术却发展较为缓慢， 目前的传输方式为使用有形介质的直接接触为主，电工设备通过电线、电缆与电能供给 侧连接才可进行工作，即使是短距离的电能传输同样需要插头与插座相连供电，这种方 式在一定程度上增加了实际布线的繁琐过程并占用较大的空间，而且在进行大功率的电 能输送过程中，存在高压触电的危险。在实际生产生活中，由于导线间的摩擦与磨损， 电能传输的安全性、可靠性以及使用寿命等存在极大问题，特别是在化工、矿井等特殊 工作环境当中极易引发重大事故。而无线电能传输技术可以完全克服上述问题与隐患， 因此对该技术的探究作为一种新兴的研究领域迅速发展起来。无线电能传输技术采用电 磁感应原理、电力电子技术以及控制理论相结合的方式，并且根据原理的不同，无线电 能传输大致上可以分为三类：第一类是变压器原理的感应式无线电能传输技术，这种方 式功率虽然较大，但是仅适于近距离；第二类是电磁波无线电能传输技术，直接利用电 磁波能量可以通过天线发射和接收的原理，这种方式虽然实现了长距离和大功率能量的 传输，但是能量传输受方向限制，也不能绕过障碍物，并且损耗较大，对人体和其它生 物都有严重伤害；第三类是非辐射磁耦合谐振式无线电能传输技术，该技术可以在有障 碍物的情况下传输，传输距离也比较远，传输功率也较大，而且对人体没有伤害。

在实际系统运行中，无线电能传输系统存在近距离功率效率下降的问题，而造成这 一问题的原因是系统输入阻抗失配。当系统输入阻抗出现失配，由射频功放输出的正向高频功率将在阻抗突变截面产生反射功率，这部分功率将在功放输出端与阻抗突变截面间的同轴电缆中往复传播，并最终以热的形式耗散在功放内阻和电缆电阻中，因此阻抗 失配会造成系统效率的降低，而当系统功率等级较高且阻抗失配严重时，甚至会造成射 频功放的损毁。而通过阻抗匹配可以有效解决这一问题。对阻抗匹配技术的研究是无线 电能传输系统的最终研究目标，因为如果谐振系统达到了输入端的阻抗匹配状态，将会 大大优化系统的传输效率与传输功率，同时也能改善近距离传输过程中产生的频率分裂 现象。

目前对无线电能传输系统的阻抗匹配研究方法仍比较少，可以大致分为两类，一种 是从其他领域借鉴的具有通用性的经典阻抗匹配方法，另一种是针对无线电能传输系统 特性而提出的通过改变系统参数进行匹配的无线电能传输阻抗匹配方法。

经典阻抗匹配方法一般通过在系统中附加电路实现，根据附加电路构成元件的不同， 可以将其分为无源匹配方法和有源匹配方法。无源匹配方法通过一系列无功元件的串并 联构造阻抗匹配网络进行匹配，该方法历史悠久，但直到P.H.Smith于1939年提出了 实用的阻抗匹配网络设计工具(即史密斯圆图)之后才变得简单实用。无源匹配方法广 泛应用于射频微波天线、射频功放以及传输线的阻抗匹配中。为了更加便捷地对阻抗进 行匹配，一种利用级联Boost-Buck变换器进行阻抗调节的有源匹配方法也被提出。通过 控制开关管的占空比，可以方便地调节系统输入阻抗，进而实现系统阻抗的最优控制。