无线电能传输装置

12014年全国大学生电子设计竞赛电能无线传输装置（F题）【本科组】队号：SZ013参赛学校：苏州大学学生姓名：王益新茅胜荣肖家文2目录无线电能传输装置........................................................................................................3一.设计方案工作原理........................................................................................41.发射端电路.........................................................................................5（1）高频逆变器..............................................................................5（2）补偿拓补电路..........................................................................5（3）信号产生电路..........................................................................62.谐振耦合电路..................................................................................63.接收端电路.......................................................................................7（1）高频整流电路..........................................................................7二.核心部件电路设计........................................................................................7（1）发射端电路..............................................................................91）高频谐振逆变模块..........................................................92）稳压模块........................................................................104）555频率产生模块.........................................................12（2）接收端电路............................................................................131）整流模块........................................................................13三．系统测试性能指标与分析..........................................................................141.系统测试性能指标................................................................................14（1）传输距离对传输特性的影响................................................14（2）传输距离D=10cm,负载RL变化对传输特性的影响.......142.系统性能分析与改进............................................................................153.创新之处................................................................................................15四．参考文献......................................................................................................15aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa3无线电能传输装置摘要：本系统基于磁耦合谐振原理及锁相环频率跟踪，设计并实现了无线电能传输。本系统由发射电路、谐振电路、接收电路三个电路组成。发射电路高频谐振逆变模块、稳压模块、驱动模块、频率产生模块，实现对MOSFET的驱动、输入直流信号的高频逆变、产生谐振频率；谐振电路由发射线圈、接收线圈谐振，实现电能的传输；接收电路由整流模块和负载，实现直流传输。测试结果表明，本系统可实现输入直流电压U1=15V、接收端输出直流电流I2=0.4A、输出直流电压U2=8V，传输装置的效率为26.7%。关键词：电能；无线传输；效率Abstract:ThesystemisbasedontheprincipleofresonantcouplingPLLfrequencytracking,whichdesignsandrealizesawirelesspowertransmissiondevice.Thesystemcircuitismainlymadeofthreeparts:thetransmittercircuit,theresonantcouplingandthereceivingsidecircuit.Thetransmittercircuitincludesahighfrequencyresonantinvertermodule,thestablevoltagemodule,thefrequencyproducingmodule,whichismadetodriveMOSFET,converttheinputDCsignalintothehighfrequencysignal,andproducingfrequency;Theresonantcouplingmodulecomprisesatransmittingcoilandreceivingcoiltoachievewirelesspowertransmission.Thereceivercircuitincludesaresonancecompensationcircuit,theloadvoltage,sothereceivedpowerisrectifiedtoachieveaDCoutput.ThetestresultsshowthatthesystemcanmakeitwhentheinputDCvoltageU1is15V,thereceiveroutputDCcurrentI2is0.4A,theoutputDCvoltageU2is8V,andefficiencyofthetransmissionapparatusis26.7%.Keyword:Energy;WirelessTransmission;Efficiency.aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa4一.设计方案工作原理任务目标：设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图1所示：图1电能无线传输装置结构图具体要求如下：发射线圈与接收线圈间距离x=10cm输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A接收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2≥8V接收端负载为2只串联LED灯（白色、1W）2线圈磁耦合谐振式WPT系统结构示意图，如图1所示。发射端由高频交流电源Vs、发射线圈Ls和谐振补偿电容Cs组成；接收端由接收线圈Lt、谐振补偿电容Ct、负载RL组成，发射线圈Ls、Cs和接收线圈的Lt、Ct参数相同，此时，发射线圈和接收线圈组成了用于能量传输的谐振器，发射线圈与接收线圈之间的距离即为能量的传输距离d。系统正常工作时，由于发射线圈与高频交流电源相连，使得线圈周围产生一个交变的磁场，由磁耦合谐振原理可知，该磁场的交变频率与两个谐振器的固有频率相同，从而两谐振器发生谐振，组成一个磁耦合谐振系统，实现了磁场能在两个线圈间的传输。由于磁耦合谐振式WPT系统由于耦合谐振的作用，在传输过程中，磁场能量的辐射很低，能量损耗很小，从而可实现能量远距离、高效率的传输。5图2本文设计的谐振耦合式电能无线传输装置结构图1.发射端电路（1）高频逆变器高频逆变电路是将输入的直流稳压电转换成高频的交流电，设计的高频逆变器应满足以下几个条件：开关损耗小，控制简单；可工作在高开关频率（800KHz以上）；输出功率要尽可能大，效率高。方案一采用低功耗开关管。目前，最新一代的高效、低功耗功率元件为SiC(碳化硅)功率元件。SiC作为一种宽禁带半导体材料，不但击穿电场强度高、热性好，还具有热导率高等特点，非常适用于高功率的应用场合，但由于SiC材料的MOS成本较高，导致目前并没有得到普遍应用。方案二采用软开关技术。软开关技术一般通过电感或电容的谐振实现，谐振时，开关器件中的电压(电流)的变化符合正弦或准正弦规律，当电压为零时，使开关管导通，即零电压导通，当电流为零时，使开关管关断，即零电流关断。但是控制复杂。方案三E类谐振式拓扑结构，针对1MHz以上的高频谐振逆变器的设计用的最多的是E类谐振逆变器。用单管工作，不存在死区时间的限制。与传统的桥式逆变器相比，很大程度的降低了系统能量损失，提高了系统效率。本文选择方案三，E类谐振式拓扑结构。（2）补偿拓补电路由于通过具有较大漏感的变压器传递能量，效率比较低。为了提高功率传输能力，通常采用谐振电路对漏感进行一定的补偿。方案一单谐振补偿，只在原边或副边一侧进行补偿的电路称为单谐振补偿，优点是电路简6单，但是原边和副边不易达到谐振频率一致。方案二多谐振补偿，在原边和副边两侧都进行补偿，主要包括四种形式：串联一串联补偿拓扑(SS)、串联一并联补偿拓扑(SP)、并联一串联补偿拓扑(PS)、