無線功率傳輸的便攜性設備應用

摘要：為了使無線功率傳輸在給多個設備充電時不再需要電源線和龐大的充電設備，例如實驗移動設備(如移動手機)放在無線傳輸設備附近能夠實現充電，可以通過改變手機等設備的位置，角度，離發射設備的距離等實現無線充電。為了這解決了長期以來的兼容性難題，擬用電容性電能傳輸 (CPT)，應用AD—DC，DC—AC轉換技術實現對移動設備的充電。通過改進設計，無論是整流橋還是偏置網絡，我們均是通過采用開關電源來提高效率。這種解決方案比常規體系結構更適合集成電路(IC)實現。實驗應用表明，該系統能提高無線功率傳輸效率90%。

關鍵詞：無線傳榆;磁耦合;功率發射器;AC/DC

由于顧客便捷性的充電需求，很多公司加入了于2008年成立的無線充電聯盟(Wireless Power Consortium，WPC)，并建立了一個通用的無線傳輸標準(QI)。該標準使得不同型號，不同國家，不同電源需求的手提設備可以共用一個電源，多個設備在充電時不再需要電源線和龐大的充電設備，這解決了長期以來的兼容性難題。但是僅WPC標準下的功率傳輸效率不高，研究目標在于減少電能的無線傳輸損耗，實現為小功率的便攜移動設備電池進行充電。

1 通過電磁耦合實現無線傳輸及其優點

盡管聲耦合和光耦合也在發展，但是電磁耦合是最有效率的。傳統的感性傳輸技術(IPT)存在明顯的局限性。因為有其不能穿過金屬屏障，傳輸效率低，易受電磁干擾等缺陷。而基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸，通過共振建立發射與接收裝置之間的傳遞通道，能實現通道間的遠距離能量傳輸，通過優化功率變換電路及無功功率的補償，可以盡最大可能地提高能量傳遞效率，從而有效地傳輸能量。實驗研究了電感螺線圈直徑和傳輸裝置電路開關管工作時間對傳輸功率的影響。我們團隊擬用電容性電能傳輸(CPT)，應用AC—DC，DC—AC轉換技術實現對移動設備的充電。

無線容性功率傳輸(CPT)技術是最近被人們提出作為備用接觸電力傳輸解決方案，CPT接口是在一對耦合的構造電容。電力轉換系統的其余部分，包括逆變器和整流器結構仍然是一樣的。由于磁感應的特點可以降低功耗，在某些功率水平，元件可以使用最小化電容結構。因此CPT最顯著的優勢是它的低功率損耗，成本和尺寸。然而，在高功率應用中，這不是一個優選的解決方案。出于這個原因，大多數現有的CPT的解決方案是專注于低功耗應用和便攜式電子設備，如無線牙刷充電器，或無線手機充電器在電源傳輸接口與電容耦合的矩陣的點。

對于感性傳輸技術來說，CPT有以下特點：

1)CPT是基于電場耦合的，所以需要在耦合板上提供高頻的AC電壓。

2)一個完整的CPT系統至少含有兩對耦合板以提供電源和接收器之間的完整的循環電流。

3)當耦合板間有金屬屏障時，這種耦合可被認為是兩個電容的串聯，這意味著CPT能夠通過金屬屏障來傳輸能量。

4)相比于IPT來說，CPT系統因為大多數電場封閉在連接板體積內，電磁輻射干擾和功率損耗可被大大減少。

5)除去了重而昂貴的磁性材料和線圈，電路的尺寸可被減小。無線電池充電器的結構如下圖1所示。

功率發射器連接在電網上，功率接收器集成在移動設備上。功率發出和功率接受是靠磁耦合。經過AC—DC和DC—AC轉換，發出功率在合理控制共振箱的基礎上再由AC—DC轉換為直流電壓為電池充電。耦合諧振式無線供電技術這種新型的供電方式不但可以使無線供電的距離提升到米級范疇，突破了無線能量傳輸距離這個瓶頸，同時還會分離開用電設備與供電設備之間的物理連接，這樣在提高用電設備的美觀，實用性的同時，還可以改善用電設備的安全性。

無線容性功率傳輸(CPT)技術最近有人提出作為備用接觸電力傳輸解決方案，CPT接口是在一對耦合的構造電容。電力轉換系統的其余部分，包括逆變器和整流器結構仍然是一樣的。由于磁根據需要與不縮小降低功耗，在某些功率水平，成本和尺寸的電隔離元件可以與被最小化電容接口。因此最顯著CPT的優勢是它的低功率水平的成本和尺寸。然而，在高功率應用中，這不是一個優選的解決方案。出于這個原因，大多數現有的CPT的解決方案是專注于低功耗應用和便攜式電子設備，如無線牙刷充電器，或無線手機充電器在電源傳輸接口與電容耦合的矩陣的點來實現。印刷和MEMS技術在應用程序CPT表明承諾的進步，這些驗收技術在消費電子應用。

2 使用開關電源提高功率效率

在以往的結構中，功率效率是通過電阻調節系統調節的，它引入了一個嚴重降低效率且平行于橋式整流器電阻負載。交流-直流整流器是由一個全波整流器來實現。在這樣的電路中，功率效率在很大程度上受這兩種傳導和開關損耗。此外，功率效率受偏置電路中功率損失的影響。最重要的是能為一些特殊場合帶來更方便的供電，如水下檢測、油田礦井、高山沙漠、化工等。因此，磁耦合諧振式無線供電技術具有良好的應用價值和研究意義。

改進設計，無論是整流橋和偏置網絡，我們均是通過采用開關電源來提高效率。這種解決方案比常規體系結構更適合集成電路(IC)實現。另外，接收器架上的MOSFET具有極低的導通電阻，因此與使用二極管和電阻的常規系統相比，功率損耗被嚴重降低。

3 技術路線

3.1 基于電容耦合的非接觸電能傳輸技術(CPT)

遠距離功率傳輸的關鍵問題是減少損耗，提高效率，就目前的科技水平，即使是近距離傳輸的效率也難以與有線傳輸相比，所以感性傳輸技術顯得尤為重要。根據需要，參考了兩種耦合結構，它們都由兩對金屬板組成，每對金屬板間的耦合距離為1 mm。

圖2所示為碟形結構，兩個圓盤形成了一對耦合板，下面的圓盤靜止不動并連在輸入電源上，上面的圓盤旋轉并連在輸出的負載上。

圖3所示為柱形結構，圓柱1和2形成了一對耦合板，圓柱3和4形成了另一對。兩個外部的圓柱靜止不動并連在輸入電源上，兩個內部的圓柱旋轉并連在輸出的負載上。

可以證明，對于上述結構來說，當兩對耦合板的耦合面積相等且板的總面積保持相同時，總的等效電容達到最大值。設計負載由多個最大阻值為1.3 Ω的傳感器組成，其結果是，柱形結構的等效電容最大值是碟形結構的三倍，因此選用柱形結構作為優先型。典型的基于電容耦合的非接觸電能傳輸系統如圖4所示，直流輸入電壓Edc經過功率逆變器變換成高頻交流電壓，并作為原邊金屬板的輸入電壓，當副邊的兩塊金屬板與之鄰近且存在電位差的時候，原邊的交變電場就會對副邊金屬板產生感應，從而實現電場耦合并向負載Rl供能。

CPT系統的電路拓撲如圖5，在原邊，直流電源Edc與直流電感Ld共同組成準電流源，S1～S4構成高頻能量變換環節，通過與這兩個開關對180°交互導通。這兩對開關管通過ZVS(zero voltage switching)的工作方式進行切換，即通過檢測Vcp的過零點來完成開關對的切換過程，實現正反向兩種能量注入模式。由于切換過程在過零點進行，其開關切換損耗在理論上為零。在電路中，CS的等效串聯電阻ESR如下：

根據以上分析，通過將逆變網絡輸出端電路(虛線)看出二端口網絡，可以建立諧振網絡的等效電路，如圖6所示。

在電路中，Cp構成并聯諧振網絡，Cs2為原副邊電容耦合板的等效電容，調諧電感Ls與Cs1、Cs2構成串聯諧振網絡。

3.2 開關電源

開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制(PWM)控制IC和 MOSFET構成。隨著電力電子技術的發展和創新，使得開關電源技術也在不斷地創新。目前，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產業飛速發展不可缺少的一種電源方式。開關電源可以分為隔離式DC/DC轉換器和非隔離式DC/DC轉換器。簡單地說，開關電源的工作原理如下：

1)交流電源輸入經整流濾波成直流;

2)通過高頻PWM(脈沖寬度調制)信號控制開關管，將那個直流加到開關變壓器初級上;

3)開關變壓器次級感應出高頻電壓，經整流濾波供給負載。

4)輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路，控制PWM占空比，以達到穩定輸出的目的。

在功率相同時，開關頻率越高，開關變壓器的體積就越小，因而，與普通開關相比，開關電源可以用較小的體積實現較大的功率傳輸，且損耗較小。并通過將這種方法應用到實際ICPT系統中以驗證該方法的有效性。

與線性電源相比，PWM開關電源更為有效的工作過程是通過“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現的。開關電源伯特圖脈沖的占空比由

開關電源的控制器來調節。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經過整流濾波后就得到直流輸出電壓。

4 結束語

無線功率傳輸作為朝陽產業，有著廣闊的前景和應用背景。會對人類未來的能源傳輸方式產生變革式的影響。其特點是損耗小，安全，方便，可以在特殊情況下使用。需要解決的問題是感性傳輸技術和開關電源的應用，提高效率，改善結構。