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磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验设计

1磁耦合谐振式无线电能传输系统的总体方案设计

在对磁耦合谐振式无线电能传输系统的原理研究以及仿真分析的基础上，将搭建磁耦

合谐振无线电能传输系统的实验平台。通过理论研究，本章将在图4.1所示无线电能传输

系统装置系统框图基础上设计的磁耦合谐振式无线电能传输系统的实验装置。图4.1所示

的系统框图主要包括四大核心部分。第一部分是高频电路，其功能是将低压直流电逆变为

高频低压交流电，然后经过高频变压器升压后，输入到发射线圈；第二部分是谐振补偿电

路，其功能是把电容中的电场能与电感中的磁场能相互转换，此增彼减，完全补偿；第三

部分整流滤波电路，其功能是把交流电能转换为直流电能，然后传递到整流电路；第四部

分稳压电路，其功能是在整流滤波电路输入电压、负载、环境温度、电路等参数发生变化

时仍能保持输出电压的恒定。

图4.1无线电能传输系统装置的系统框图

要形成高频交变磁场，就需要对驱动信号与电源频率进行调试，这样才能使发射线圈、

接收线圈产生谐振。在谐振状态下，发射线圈与接收线圈之间会出现高频磁场，使接收线

圈能接收到发射线圈的能量。最终，通过不断的能量传输，接收线圈具有足够能量提供给

负载。本次实验装置是通过线圈间的谐振耦合状态完成无线电能的传输，图4.2所示是线

圈之间传输电能的机理的示意图。

图4.2系统电能传输示意图

2系统的参数设计

磁耦合谐振式无线电能系统的传输性能会受到多种因素的干扰，影响磁耦合谐振式无

线电能传输系统的主要因素有：高频逆变过程、谐振耦合过程、整流滤波过程和线圈的布

置与参数。综上所述，磁耦合谐振式无线电能系统的实验装置的设置甚为重要。

2.1高频逆变电路的选型

此类电路可使直流电在导入后借助电路处理而以高频交流形式呈现。这一过程效能直

观地透过系统传输效率进行展现。本章是在功率较低条件下进行磁耦合谐振式无线电能传

输，因而其高频逆变电路应当满足两方面要求：系统工作期间，频率不能低于500kHz；

当尽可能维持效率在较高水平。

目前比较普遍的高频逆变电路有半桥、全桥、推挽式、能量注入型、E类谐振式等。

(1)反激式逆变电路。此类电路框架较简单，如图4.3所示。当开关未启动时，电感中

的电流会有线性增长现象，那么能量就可进入电感中；当开关进入开启状态时，电感、电

容构建谐振回路空间，能量可导入负载。它在功率较低的设备中应用比较普遍。如果它的

开关管按照相反方向断开时，将带来比较高的电压，因此在实验中一般不会予以应用。

(2)全桥式逆变电路。图4.4所示为全桥类型对应的拓扑框架，其电路应配备4个N沟

道增强型MOS管，借助开关管S、S和S、S形成轮流输送、暂停效果，射频线圈L

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将在这一作用下产生交替的能量信号，以此达成能量逆变效果。它和正激类型的逆变电路

区别在于：全桥类型逆变电路具有较理想的效率条件，功率高而波动性较小。但全桥式逆

变电路结构更为复杂，需投入资金较大，桥臂直通几率较大。

图4.3反激式逆变电路图4.4全桥式逆变电路

(3)半桥式逆变电路。图4.5所示为半桥类逆变电路框架，其电路不存在复杂的结构，

成本较低，易于管控处理，不过其驱动条件限制为专门IC，所以本本章的实验不采用此类

电路模型。

(4)Royer电路。Royer电路的构造简单，波动性较小，技术条件成熟，造价成本低。

它的电路涉及四部分内容：磁芯、电阻、电容、PNP三极管，这四个部分共同作用形成推

挽工作效果。图4.6所示为Royer电路拓扑框架，它凭借开关晶体管、电压转换器铁芯的

磁密度上限达成自激振荡，使开关管有所变化。

图4.5半桥式逆变电路图4.6Royer电路

2.2线圈的选型及优化设计

影响磁耦合谐振式无线电能传输系统传输性能的关键因素之一是线圈的参数，线圈的

参数会直接影响线圈的品质因数高，线圈的品质因数会对