[发明专利]一种改进的磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器

说明书

技术领域

由于本发明E类功率放大器主要应用于磁耦合谐振式无线电能传输，故主要涉及电子与射频领域。

背景技术

磁耦合谐振式无线电能传输技术是无线电能传输三大技术之一，也是当前国内外学者的研究的热点之一。但是目前无线电能传输的功率还不大，停留在百瓦级，还远远不能满足现实生活中的需要，而提高传输功率主要涉及以下三个问题：(1)大功率高频电源的设计(2)传输系统参数的阻抗匹配(3)电能传输稳定性问题，即谐振频率鲁棒性问题。

目前无线电能传输高频电源主要有两种实现方法，一种是利用电力电子器件通过全桥逆变或半桥逆变实现；一种是利用功放将信号功率进行放大实现。前者可实现较大功率，但是由于受电力电子器件开关频率的限制，电源频率一般不会很高，一般在几百KHz以内，而且频率调节不是很方便。后者可以实现较大功率和频率，利用其前面信号发生电路实现调频也很方便，但是设备成本较高。

功率放大式高频电源由信号发生电路和功率放大电路组成，信号发生电路生成所需频率的信号，该信号经过功率放大器将信号发生电路输出的信号放大至所需功率。

功率放大器按照不同的方式进行分类有三种方式：按照工作频带划分，分为宽带功率放大器和窄带功率放大器；按工作状态划分，可以分为线性功率放大器和非线性功率放大器；如果按放大器偏置和导通情况分，可以分为A类、B类、AB类、C类、D类、E类、F类、S类等。其中A类、B类、AB类、C类通常划分为经典的功率放大器；D类、E类、F类、S类通常划分为开关模式功率放大器。

A类功放在100％的时间里导通，B类功放在50％的时间里导通，AB类也就恰如它的名字所示，在50％-100％的某段时间里是导通的。AB类功放的电路结构采用和B类相似的推挽结构，晶体管偏置在阈值电压之上，偏置电压同时也决定了功放的效率更接近于A类还是B类。实际应用中，AB类功放的效率大概在30％到70％之间。开关类功放主要包括D类、E类、F类和S类，开关类功放的一个主要思路是开关在理想情况下不消耗任何功率，或者开关的电流为零，或者开关两端的电压为零，因而开关的V、I乘积总是为零，这意味着晶体管没有任何功耗损失，其效率理论上可以达到100％。实际过程中，E类功率放大器的效率要低于100％，主要有两方面的原因。一个方面是由于开关晶体管的导通压降为有限值，这样就存在了导通的功率损耗。另一个方面，由于存在了寄生电阻，会产生损耗。实际的效率会降低，但是通过修改负载电路参数进行优化，电路的实际效率还是很高的。在射频微波频段，为了减小电路 的插入损耗，输出匹配电路中还将采用微线带来替代集中参数设计，可达到很好的效率。

由于高频电源属于磁耦合谐振式传输系统的发射前端，要提高整体系统传输效率务必减小每一部分的损耗，而E类功放减小开关转换损耗满足我们对提高效率的要求。

发明内容

本发明设计的高效E类功放按照是否为线性功放分属于非线性功放，采用单管放大，满足ZVS和ZDS条件，极大的减小开关状态间转换的损耗。技术方案如下：

1.一种改进的磁耦合谐振式无线电能传输E类功率放大器，它的组成包括：输入信号1，输入匹配电路2，门极偏置电源3，电源滤波电路4，功率管5，反馈电路6，漏极供电电源7，电源滤波电路8，LC振荡电路9，输出匹配电路10，输出信号11，工作方式：输入信号1经过输入匹配电路2，门极偏置电源3经过电源滤波电路4为功率管5提供一个静态工作点，给输入信号提供电路通路，反馈电路6将漏极输出信号反馈给门极以调整输出信号强度，漏极电源7经过电源滤波电路8为输出回路提供功率，功率管5输出经过LC振荡电路9输出匹配电路10，输出信号11。

2.输入匹配电路2由C2和L1组成，L1串联于电路中，C2并联接地。

3.电源滤波电路4由C3、C4、C5、C6、C7并联接地构成。

4.反馈电路6由R3和C8串联在功率管Q漏极和门极间构成。

5.电源滤波电路8由C9、C10、C11、C12、C13并联接地构成。

6.LC振荡电路9L3和C14串联组成。

7.输出匹配电路10由C15和L4组成，L4串联于电路中，C15并联接地。

本发明的技术优势如下：

1)对于无线电能传输系统频段针对性强。市场上大多数现有功放均为GHz通信频段，很少有满足无线电能传输系统对带宽的要求。

2)E类功放拓扑简单。其采用单管放大，相比全桥/半桥电路驱动部分更加简单易于控制。