[发明专利]一种高效率谐振型无线电能传输系统

说明书

本发明提出了一种高效率谐振型无线电能传输系统，包括（1）耦合线圈L_Tx和L_Rx及谐振电容C_Tx和C_Rx构成串联谐振网络；（2）发射侧输入电压V_dc，输入扼流电感L_in，主开关管M_Tx和其并联电容C_ds1构成E类逆变电路；（3）接收侧输出电容C_o，输出扼流电感L_out，同步开关管M_Rx和其并联电容C_ds2构成E类同步整流电路。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M_Rx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。

技术领域

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L_Tx和L_Rx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，U_in为输入的交流源，L_Tx和L_Rx为耦合的电感线圈，C_Tx和C_Rx为谐振电容，R_Tx和R_Rx为谐振回路的内阻，R_L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V_dc，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，L_r和C_o)。

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V_dc，L_in，M和C_ds)；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C_o，L_out，D和C_d)。

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。

发明内容