[发明专利]一种宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法

权利要求书

1.一种宽频整流输出的无线电能传输系统设计方法，其特征在于：所述无线电能传输系统由激励源、电磁发射端、电磁接收端和负载组成，其中电磁发射端包括相互串联的发射端电路拓扑结构和发射线圈，用于将激励源提供的电能转化成磁能发射到电磁接收端，电磁接收端包括相互串联的接收线圈、宽频结构和接收侧整流单元，用于通过接收线圈接收发射线圈发射的磁能并给负载供电，发射侧电路拓扑结构包含补偿电容和电阻；

所述宽频结构由两个反串联二极管D组成，其等效电容用C₂表示，宽频结构的电路设计方法如下：

步骤一：建立系统的电路方程，将电磁发射端等效到电磁接收端得到等效后电路的激励源V_th、等效后的电感L和等效后的电阻R，整流电路两端电压用V_d表示，根据基尔霍夫电压定律，系统电路方程表示为：

LQ”+RQ'+v_c+V_d＝V_th cos(ωt)

其中

式中，Q为等效电容C₂的电荷量，Q”为电荷求二阶导数，Q'为电荷求一阶导数，v_c为等效电容C₂两端电压，谐振频率和激励频率相同，激励频率为ω，k₁和k₃分别为电荷量Q的一次项和三次项系数，Q被表示为一个余弦函数，幅值为q，即Q＝qcos(ωt)，将v_c的表达式代入系统电路方程得到细化的系统电路方程：

步骤二：求出系统的幅-频曲线方程，将v_c进一步等效为即与等效，又因为Q＝qcos(ωt)，得到以下等式：

求解上式得到将v_c的表达式代入到步骤一中的细化的系统电路方程，该细化的系统电路方程的向量形式表示为：

将上式展开，得：

将上式两边取模的平方，并将k_eff的表达式代入，得到如下的幅-频曲线方程：

由上式得到在等效后电感L、等效后电阻R以及V_th和V_d固定时，幅值q与k₁、k₃的大小有关，根据幅-频曲线方程求出在幅值q取最大值的时候，k₁和k₃的取值，方法如下：

首先，将k₃看成常数，k₁为未知数，上述幅-频曲线方程两边分别对k₁求导，并令导数等于零，得到当幅值q取最大值时k₁的取值；

然后，将k₁看成常数，k₃为未知数，上述幅-频曲线方程两边分别对k₃求导，并令导数等于零，得到当幅值q取最大值时k₃的取值；

最后，通过上述两步得到k₁和k₃的值；

步骤三：根据反串联二极管结构，确定k₁和k₃与二极管结电压V_j和结电容C_j以及分级系数n的关系，从而确定二极管的选择；

一个二极管的C-V曲线关系为：

式中，C_j为结电容，V_r为反向偏置电压，V_j为结电压，C_p为很小的量可忽略，上式用麦克劳林展开表示为：

式中，C_sⁿ(0)为在0处的n阶泰勒公式；

上式的前三阶次表示为：

a₀＝C_s(0)＝C_j

式中，n为分级系数，不同的反串联二极管组成的等效电容的分级系数n不同，忽略高于三次的阶数，得到C(v)≈a₀+a₁v+a₂v²，式中，v是二极管两端电压；

根据以上各式，将两个二极管进行反串联，得到：

C(v₁)＝a₀-a₁v₁+a₂v₁²

C(v₂)＝a₀+a₁v₂+a₂v₂²

式中，v₁和v₂分别是两个二极管两端电压，对两个二极管求电荷量，得：

假设两个二极管完全相同，令q₁(v₁)＝q₂(v₂)＝Q，根据级数反演法，得到v₁和v₂的表达式为：

将v₁和v₂相加，得到：

式中，v_c为反串联二极管构成的等效电容C₂两端电压；

最后，联立与得：

又因为：

a₀＝C_s(0)＝C_j

得到：

通过步骤二确定的k₁和k₃的取值大小得到结电压V_j、结电容C_j和分级系数n，从而确定二极管的选择。