本发明涉及能力传输系统，特别涉及一种高效率谐振型无线电能传输系统。
背景技术：
磁耦合谐振型无线能量传输系统核心架构如图1所示，通过两个电感线圈LTx和LRx的耦合，实现电能的传输。由于线圈漏感的存在使得直接耦合状态下，传输的功率和效率都很低，所以将电感线圈与电容串联形成谐振，构成谐振型无线能量传输系统以提高效率和功率。图1中，Uin为输入的交流源，LTx和LRx为耦合的电感线圈，CTx和CRx为谐振电容，RTx和RRx为谐振回路的内阻，RL为等效交流负载电阻。但核心架构仅完成高频下“交流-交流”的传输，不适合常规“直流-直流”(DC-DC)的应用。
桥式拓扑下DC-DC无线能量传输系统的电路拓扑如图2所示，其中交流电压源由逆变电路提供，通常为半桥型逆变电路(包括图中的Vdc，M1和M2)或全桥型逆变电路；而等效负载由整流电路构成，通常为全桥整流电路(包括二极管D1～D4，Lr和Co)。
E类拓扑下“直流-直流”无线能量传输系统的电路拓扑如图3所示，其中交流电压源由逆变电路提供，通常为E类逆变电路(包括图中的Vdc，Lin，M和Cds)；而等效负载由整流电路构成，通常为全桥整流电路(包括图中的Co，Lout，D和Cd)。
桥式拓扑下DC-DC无线能量传输系统设计方法成熟，电压应力较低适合较大功率运行；也可以工作于D类谐振功率放大模式以完成零电压开通(ZVS)。但是D类谐振功率放大电路有着一些不可避免的缺陷：(1)桥式电路需要死区电路，所以限制了最高工作频率；(2)桥式电路驱动会有栓锁效应，影响系统可靠性；(3)输入电流不连续需要额外的输入滤波电路；(4)二极管反向导通时间较长降低系统效率。
E类拓扑下DC-DC无线能量传输系统由于其：(1)单管结构对地驱动简单可靠可以解决死区问题和驱动问题；(2)输入电感使电流电续；(3)波形除了有ZVS特性还有近似ZDS(零电压斜率)特性，可以解决二极管反向损耗问题；使无线电能传输系统能够应用在更高的传输频率中。
但是E类拓扑下“直流-直流”无线能量传输系统仍然有许多待以解决的问题包括：(1)整流侧二极管的损耗较大，影响系统效率；(2)传统的同步整流技术需要从发射端将信号传至接收端，但在无线充电应用中不同于一般隔离电源，由于距离限制，无法增加额外的变压器或光耦传递同步整流信息；(3)在较高电压(>24V)的应用中，发射端和接收端辅助电源的供电若采用线性电路供电，会产生额外功耗，降低系统效率。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种高效率谐振型无线电能传输系统。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种高效率谐振型无线电能传输系统，包括耦合电感线圈LTX和LRX、谐振电容CTX和CRX、E类逆变电路及E类整流电路；所述LTX的一端接地，LTX的另一端与CTX的一端相连，所述CTX的另一端与E类逆变电路相连；所述LRX的一端接地，LRX的另一端与CRX的一端相连，所述CRX的另一端与E类整流电路相连；其中，所述E类逆变电路包括直流供电电源Vdc、厄流线圈Lin、开关管MTX、与MTX并联的电容Cds1；所述Lin的一端与直流供电电源相连，Lin的另一端与所述开关管MTX的一端相连；所述开关管MTX的一端与CTX相连，MTX的另一端接地；所述E类整流电路包括同步整流开关管MRX、与MRX并联电容Cds2、输出厄流线圈Lout以及输出电容Cout；其中，所述Lout的一端与输出电容Cout的一端相连，Lout的另一端与所述开关管MRX的一端相连，所述输出电容Cout的另一端接地；所述开关管MRX的一端与CRX相连，MRX的另一端接地；所述E类逆变电路还包括高效率辅助源电路，所述辅助源电路生成辅助源Vaux1给时钟电路及驱动电路供电；所述辅助源电路包括变压器取能电路和线性稳压电路II，其中，采用由变压器T1，隔直电容CB1，二极管DF1，电容CF1构成的变压器取能电路作为辅助源电路的主体，从谐振网络上高效率地取能，经由线性稳压电路II产生稳定的输出电压Vaux1。
作为本发明的进一步改进，所述辅助源电路还包括线性稳压电路I、竞争输出电路；在启动时变压器取能电路无法获取能量，由所述线性稳压电路I提供启动能量；所述竞争电路用于在启动完成后，低效率的线性稳压电路I不再提供能量。
作为本发明的进一步改进，所述E类逆变电路还包括驱动电路和低功耗的时钟电路，所述低功耗的时钟电路用于产生固定的占空比和频率信号，经过驱动电路电流放大以驱动发射端开关管MTx。
作为本发明的进一步改进，所述E类整流电路还包括高效率辅助源电路，所述辅助源电路生成辅助源Vaux2给时钟电路及同步整流电路供电；所述辅助源电路包括变压器取能电路和线性稳压电路III，其中，采用由变压器T2，隔直电容CB2，二极管DF2，电容CF2构成的变压器取能电路作为辅助源电路的主体，从谐振网络上高效率地取能，经由线性稳压电路IV，产生稳定的输出电压Vaux2。
作为本发明的进一步改进，所述辅助源电路还包括线性稳压电路IV、竞争输出电路；在启动时变压器取能电路无法获取能量，由所述线性稳压电路IV提供启动能量；所述竞争电路用于在启动完成后，低效率的线性稳压电路I不再提供能量。
作为本发明的进一步改进，所述变压器取能电路的取能点并联在谐振电容的两端，或并联在谐振电感的两端，或开关管并联电容的两端。
本发明的有益效果是：本发明采用E类同步整流电路替代常规的二极管整流，能够大幅减少损耗二极管的导通损耗，提升系统效率；同步整流控制信号与发射端信号相互独立，直接从接收端开关管MRx的导通压降处获得开通和关断信息，避免了传统同步整流技术的问题；基于变压器取能的高效率辅助源电路，能够大幅减少传统线性辅助源的低效率问题，提升系统总效率。
附图说明
图1是磁耦合谐振型无线能量传输系统电路图；
图2是基于桥式拓扑的DC-DC无线能量传输系统电路图；
图3是基于E类拓扑的DC-DC无线能量传输系统电路图；
图4是本发明的基于E类拓扑的无线能量传输系统主功率部分电路图；
图5(a)是发射侧MTx上典型的电压电流波形；
图5(b)是接收侧MRx上典型的电压电流波形；
图6是发射侧主功率及其他辅助电路图；
图7是接收侧主功率及其他辅助电路图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明的无线能量传输系统基于E类拓扑，并且对现有技术中E类拓扑的缺点进行改进，使其达到较高的效率。首先在电路的接收侧引入同步整流MOSFET(MRx)代替整流用的二极管，电路主功率部分如图4所示。
主功率电路包括以下组成部分：(1)耦合线圈LTx和LRx及谐振电容CTx和CRx构成串联谐振网络；(2)发射侧输入电压Vdc，输入扼流电感Lin，主开关管MTx和其并联电容Cds1构成E类逆变电路；(3)接收侧输出电容Co，输出扼流电感Lout，同步开关管MRx和其并联电容Cds2构成E类同步整流电路。
主功率两个开关管MTx和MRx上典型的电压电流波形如图5所示，电路在开通时不仅仅保证了零电压通断(ZVS)，而且此时电压变化率也接近零(ZDS)，所以二极管反向导通电流可以忽略，所以损耗更小，效率更高。
发射侧详细电路如图6所示，除了前文介绍Vdc，Lin，MTx，Cds1，LTx和CTx还有一系列辅助电路实现电路的高效率运行。首先有低功耗的时钟电路产生固定的占空比和频率信号，经过驱动电路电流放大以驱动发射端开关管MTx，此二者可以使逆变电路工作起来。
除此之外，电路中还有高效率辅助源电路生成辅助源Vaux1，其包括四个环节(1)线性稳压电路I(2)变压器取能电路(3)竞争输出电路(4)线性稳压电路II。传统的线性稳压电路如前文背景所述，在高输入电压(Vdc>30V)应用场合效率低，影响系统整体效率。所以采用由变压器T1，隔直电容CB1，二极管DF1，电容CF1构成的变压器取能电路作为辅助源电路的主体，从谐振网络上高效率地取能，经由线性稳压电路II，产生稳定的输出电压Vaux1给时钟电路及驱动电路供电。考虑到启动问题，在启动时变压器取能电路无法获取能量，所以加入线性稳压电路I提供启动能量。DX1，DY1和CA1构成的竞争电路可以保证启动完成后，低效率的线性稳压电路I不再提供能量，所有辅助源能量均由变压器取能电路获得，从而提升系统总效率。
接收侧详细电路如图7所示，除了前文介绍的Cout，Lout，MRx，Cds2，LRx和CRx还有一系列辅助电路实现电路的高效率运行。首先有同步整流电路，实时采样Vds2的电压，以驱动接受端同步开关管MRx，大幅减少二极管的导通压降，使电路处于高效率的运行状态获得较高的效率。具体工作过程可参照图5，首先MRx的反并联二极管导通，Vds2产生一个低于门限阈值的电压，同步整流电路输出高电平驱动MRx达到同步整流的目的，随后随着电流Ids2的降低，Vds2高于一个门限阈值后同步整流电路输出低电平关断MRx。
除此之外，电路中还有高效率辅助源电路生成辅助源Vaux2，其包括四个环节(1)线性稳压电路III(2)变压器取能电路(3)竞争输出电路(4)线性稳压电路IV。传统的线性稳压电路如前文背景所述，在高输入电压(Vdc>30V)应用场合效率低，影响系统整体效率。所以采用由变压器T2，隔直电容CB2，二极管DF2，电容CF2构成的变压器取能电路作为辅助源电路的主体，从谐振网络上高效率地取能，经由线性稳压电路IV，产生稳定的输出电压Vaux2给时钟电路及同步整流电路供电。考虑到启动问题，在启动时变压器取能电路无法获取能量，所以加入线性稳压电路III提供启动能量。DX2，DY2和CA2构成的竞争电路可以保证启动完成后，低效率的线性稳压电路III不再提供能量，所有辅助源能量均由变压器取能电路获得，从而提升系统总效率。
变压器取能电路的取能点，不仅仅可以并联在谐振电容(CTx和CRx)的两端，也可以并联在谐振电感(TTx和TRx)的两端或开关管并联电容(Cds1和Cds2)的两端。
本发明能够得到如下一些有益效果：(1)单管结构对地驱动简单可靠可以解决死区问题和驱动问题；(2)输入电感使电流电续；(3)波形除了有ZVS特性还有近似ZDS(零电压斜率)特性，可以解决二极管反向损耗问题；使无线电能传输系统能够应用在更高的传输频率中。此外，采用一些新技术解决了上述问题，包括：(4)E类同步整流电路替代常规的二极管整流，能够大幅减少损耗二极管的导通损耗，提升系统效率；(5)同步整流控制信号与发射端信号相互独立，直接从接收端开关管MRx的导通压降处获得开通和关断信息，避免了传统同步整流技术的问题；(6)基于变压器取能的高效率辅助源电路，能够大幅减少传统线性辅助源的低效率问题，提升系统总效率。
上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。