一种中距离无线输电系统及其高频电源的制作方法

本发明属于无线电能传输系统领域，更具体地，涉及一种中距离无线输电系统及其高频电源。

背景技术：

随着科技的发展，电子设备出现在我们生活的方方面面，使我们的生活变的更加方便快捷，但也受到过多的电源供给线、数据线等的困扰，这迫使我们寻求一种新的能量传输方式。无线电能传输技术作为一种新的能量传输形式将用来解决这个问题，逐渐受到人类的重视，它具有广阔的应用场景和非常重要的开发价值。

目前，磁耦合谐振式无线电能传输系统具有较好的应用场景，由于其传输距离远、传输效率高相对于其他形式的无线电能传输技术。而该系统一般工作在兆赫兹级别，现有的功率电源一般多为几百到几十千赫兹。而兆赫兹级别的功率电源设计复杂，价格昂贵，功率等级多为毫瓦级别，且随着负载变化时电源效率会大幅度降低，无法满足无线输电领域大部分的应用场景。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种中距离无线输电系统及其高频电源，旨在解决现有技术电源效率较低的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种中距离无线输电系统的高频电源，包括第一pwm信号发生模块、驱动模块、直流电源模块、功率放大模块、无线输电模块、阻抗测量模块、第二pwm信号发生模块、阻抗匹配模块；

第一pwm信号发生模块用于产生第一pwm信号控制驱动模块；驱动模块的输入端与第一pwm信号发生模块连接，输出端与功率放大模块连接，用于电源驱动；直流电源模块用于将工频电源转化为电压可控的电压源输入到功率放大模块；功率放大模块一端与驱动模块连接，一端与电源模块连接，用于放大第一pwm信号；无线输电模块的原边与功率放大模块连接，副边与阻抗匹配模块连接，用于产生高频谐振电流；阻抗测量模块用以测量功率放大模块输出端的等效电阻；第二pwm信号发生模块用于产生第二pwm信号控制阻抗匹配模块；阻抗匹配模块用于匹配所述功率放大模块输出端等效阻抗与预设阻抗相等。

进一步地，本发明提供的高频电源的功率放大模块采用的是e类功率放大拓扑，供电设备的多样性，对电源的设计提出挑战，常规的依据输送功率设计不在合适，对e类功率放大器拓扑做细致分析很有必要。根据实际情况，对于大多数应用场合，往往负载为纯阻性的，且工作频率固定。

进一步地，功率放大器包括一个开关管，一般采用sic器件，并且对于旁路电容应该减去开关管自身携带的漏源电容，这对于电源效率的提升也是必要的。

进一步地，无线输电模块的原边和副边处于电路谐振，且谐振频率与电源的工作频率一致，负载映射到功率放大模块的等效阻抗与原副边互感和阻抗匹配模块有关。

进一步地，阻抗测量模块通过测量功率放大模块的输出电压电流从而得到实际阻抗，通过调节阻抗匹配模块使得实际阻抗与功率放大模块设计时使用的阻抗相同，从而得到最大的电源输出效率。

进一步地，阻抗匹配模块包括整流电路和dc/dc电路，通过改变dc/dc电路的占空比，实现等效负载与电源匹配，实现电源输出。dc/dc电路为升压电路、降压电路或者升降压电路。在实际应用中可以根据负载的大小进行选择。

进一步地，第一和第二pwm信号发生模块，采用dds技术，通过mcu实现对dds芯片的控制，分别产生频率可变的第一pwm信号和占空比可调的第二pwm信号，作为驱动模块和阻抗匹配模块的输入。

进一步，本发明功率放大模块输出端的等效阻抗，是经过无线输电模块与阻抗匹配模块后得到，其具有下述关系，阻抗匹配模块中的dc/dc电路的阻抗变换系数为k，整流电路的阻抗变换系数为8/π²，则经过阻抗匹配模块后，负载rl映射到无限输电模块的阻抗r'l为：

无线输电模块原边和副边处于电路谐振，且谐振频率与系统角频率相等，原副边互感为m，则负载经过无线输电模块和阻抗匹配模块之后的阻抗r'l'为：

其中，ω为系统角频率。对于一般的应用场景m一般会固定，尽管负载rl会变化，但是可以通过调节阻抗匹配模块，进而改变k，使得r'l'与功率放大模块的设计参数r相等，进而实现了功率放大模块的高效输出，实现了电源的高效输出。

按照本发明的另一方面，提供了一种中距离无线输电系统，包括所述的高频电源。

按照本发明的另一方面，提供了一种中距离无线输电的高频电源的控制方法，包括如下步骤：

接收负载功率传输所需要的频率参数，根据频率参数生产驱动信号，驱动信号经过放大，输出端等效电阻经过阻抗匹配后输入负载。

本发明提供了一种高频高效功率可调电源的设计方法和及其解决方案，最大能实现千瓦级别的功率输出，满足了大部分电子设备的功率要求，且保证了高效的能量传输。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，在本发明功率放大模块中考虑了开关管器件的自身参数，以及驱动电路模块驱动电阻的选择，使得设计方案更加合理可行；在不同负载情况下，无法保证等效负载与功率放大模块的设计参数r相同，将导致电源输出效率的大幅度下降，而本发明引入了阻抗匹配模块，通过调节阻抗匹配模块中的dc/dc部分占空比，进而改变阻抗变换系数k，从而使的等效电阻与功率放大模块匹配，从而保证电源的最大效率输出。

附图说明

图1是是本发明提供的高频电源的结构框图；

图2是本发明实施例提供的功率放大模块的拓扑图；

图3是本发明实施例提供的高频电源的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的阻抗匹配模块的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的第一和第二pwm信号测试结果示意图；

图6是本发明实施例提供的高频电源的输出功率与效率关系曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1示出了本发明提供的中距离无线输电系统的高频电源的结构框图，包括第一pwm信号发生模块、驱动模块、直流电源模块、功率放大模块、无线输电模块、阻抗测量模块、第二pwm信号发生模块、阻抗匹配模块；

第一pwm信号发生模块用于产生第一pwm信号控制驱动模块；驱动模块的输入端与第一pwm信号发生模块连接，输出端与功率放大模块连接，用于电源驱动；直流电源模块用于将工频电源转化为电压可控的电压源输入到功率放大模块；功率放大模块一端与驱动模块连接，一端与电源模块连接，用于放大第一pwm信号；无线输电模块的原边与功率放大模块连接，副边与阻抗匹配模块连接，用于产生高频谐振电流；阻抗测量模块用以测量功率放大模块输出端的等效电阻；第二pwm信号发生模块用于产生第二pwm信号控制阻抗匹配模块；阻抗匹配模块用于匹配所述功率放大模块输出端等效阻抗与预设阻抗相等。

具体地，本发明实施例采用的功率放大模块为e类功率放大拓扑结构，如图2所示，针对这种情况本实施例给出了如下的设计方案：

令负载电流为：

i＝imsin(ωt+φ)

其中im是负载电流的幅值，φ是负载电流初始相位，ω是系统角频率，根据kcl定理有：

is+ic1＝i1-i＝i1-imsin(ωt+φ)

其中，is为开关管上电流，ic1为旁路电容电流，i1为直流电源电流，假定0＜ωt≤π时，开关管导通，π＜ωt≤2π时开关管关断，开关管导通时旁路电容上的电流为零，则开关管上一个周期内的电流可以表示为：

开关管关断时，通过开关管的电流为0，此时流过旁路电容电流如下表达式：

对旁路电容电流的积分即是开关管电压vs，如下表示：

根据zvs(zerovoltageswitch，零电压开关)条件有vs(2π)＝0由此得到：

进一步得到：

又根据zds(zerocurrentswitch，零电流开关)条件，即在ωt＝2π时dvs/d(ωt)＝0，可以得到：

于是得到：

φ＝147.52°

进而得到：

由于扼流电感为理想器件，可以得到开关管电压的平均值与直流电源电压的平均值v1相同，则有：

进而得到：

考虑到串联lc滤波，负载电压即为开关管电压的傅里叶分解发基波部分，假设条件下高次谐波为零，则有：

其中vrm为负载最大电压幅值，vlb为电感l非谐振部分电压最大值，由此可得：

令ωl＝qlr，其中ql可以作为输出波形为正弦波一个程度量，当ql＞2.5时，输出即为较好正弦波，ql越大，输出高次谐波含量越少，在无线输电系统领域，ql取8—10，基本可以满足要求，在本发明设计高频电源时将其看为一固定值，则谐振电感有如下关系：

谐振电容的求取，必须去掉谐振电感中的非谐振部分lb，可得：

由谐振关系即谐振部分阻抗为零可得谐振电感c：

在本实施例中，取ql为8，固定负载r为10欧姆得主要参数为：旁路电容c1＝1.46nf，滤波电感l＝6.37uh，谐振电感c＝1.16nf，扼流电感lf取1.5mh，驱动电阻取1.8欧姆，同时考虑到开关管漏源电容的影响，旁路电容的取值在原有基础上减去80pf，进一步减小了开关损耗，高频电源结构框图如图3所示。

具体地，本实施例功率放大模块输出端的等效阻抗，是经过无线输电模块与阻抗匹配模块后得到，如图4所示，具有下述关系，阻抗匹配模块中的dc/dc电路的阻抗变换系数为k，整流电路的阻抗变换系数为8/π²，则经过阻抗匹配模块后，负载rl映射到无限输电模块的阻抗r'l为：

无线输电模块原边和副边处于电路谐振，且谐振频率与系统角频率相等，原副边互感为m，则负载经过无线输电模块和阻抗匹配模块之后的阻抗r”l为：

其中，ω为系统角频率。对于一般的应用场景m一般会固定，尽管负载rl会变化，但是可以通过调节阻抗匹配模块，进而改变k，使得r”l与功率放大模块的设计参数r相等，进而实现了功率放大模块的高效输出，实现了电源的高效输出。

基于ad9850芯片，设计合理的外围电路，并采用dds技术，利用stc89c51实现对ad9850芯片的控制，信号发生器测试结果如图5所示。

焊接好50欧姆负载后，调节阻抗匹配模块使得功率放大模块输出端等效电阻接近10欧姆，最后对装置效率做了测试，结果如图6所示。从图中可以看到用本发明的设计方法，可以得到输出功率较大，输出效率在96％以上的高频电源，符合中距离无线输电系统要求，实用性强。

以上2mhz高频电源的设计为实验效果较好实例，如需改变电源频率只需在参数的选取做相应改变，按照上述推导关系做计算即可。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。