无线功率传输的便携性设备应用

摘要：为了使无线功率传输在给多个设备充电时不再需要电源线和庞大的充电设备，例如实验移动设备(如移动手机)放在无线传输设备附近能够实现充电，可以通过改变手机等设备的位置，角度，离发射设备的距离等实现无线充电。为了这解决了长期以来的兼容性难题，拟用电容性电能传输 (CPT)，应用AD—DC，DC—AC转换技术实现对移动设备的充电。通过改进设计，无论是整流桥还是偏置网络，我们均是通过采用开关电源来提高效率。这种解决方案比常规体系结构更适合集成电路(IC)实现。实验应用表明，该系统能提高无线功率传输效率90%。

关键词：无线传榆;磁耦合;功率发射器;AC/DC

由于顾客便捷性的充电需求，很多公司加入了于2008年成立的无线充电联盟(Wireless Power Consortium，WPC)，并建立了一个通用的无线传输标准(QI)。该标准使得不同型号，不同国家，不同电源需求的手提设备可以共用一个电源，多个设备在充电时不再需要电源线和庞大的充电设备，这解决了长期以来的兼容性难题。但是仅WPC标准下的功率传输效率不高，研究目标在于减少电能的无线传输损耗，实现为小功率的便携移动设备电池进行充电。

1 通过电磁耦合实现无线传输及其优点

尽管声耦合和光耦合也在发展，但是电磁耦合是最有效率的。传统的感性传输技术(IPT)存在明显的局限性。因为有其不能穿过金属屏障，传输效率低，易受电磁干扰等缺陷。而基于磁场谐振耦合的无线电力传输，通过共振建立发射与接收装置之间的传递通道，能实现通道间的远距离能量传输，通过优化功率变换电路及无功功率的补偿，可以尽最大可能地提高能量传递效率，从而有效地传输能量。实验研究了电感螺线圈直径和传输装置电路开关管工作时间对传输功率的影响。我们团队拟用电容性电能传输(CPT)，应用AC—DC，DC—AC转换技术实现对移动设备的充电。

无线容性功率传输(CPT)技术是最近被人们提出作为备用接触电力传输解决方案，CPT接口是在一对耦合的构造电容。电力转换系统的其余部分，包括逆变器和整流器结构仍然是一样的。由于磁感应的特点可以降低功耗，在某些功率水平，元件可以使用最小化电容结构。因此CPT最显著的优势是它的低功率损耗，成本和尺寸。然而，在高功率应用中，这不是一个优选的解决方案。出于这个原因，大多数现有的CPT的解决方案是专注于低功耗应用和便携式电子设备，如无线牙刷充电器，或无线手机充电器在电源传输接口与电容耦合的矩阵的点。

对于感性传输技术来说，CPT有以下特点：

1)CPT是基于电场耦合的，所以需要在耦合板上提供高频的AC电压。

2)一个完整的CPT系统至少含有两对耦合板以提供电源和接收器之间的完整的循环电流。

3)当耦合板间有金属屏障时，这种耦合可被认为是两个电容的串联，这意味着CPT能够通过金属屏障来传输能量。

4)相比于IPT来说，CPT系统因为大多数电场封闭在连接板体积内，电磁辐射干扰和功率损耗可被大大减少。

5)除去了重而昂贵的磁性材料和线圈，电路的尺寸可被减小。无线电池充电器的结构如下图1所示。

功率发射器连接在电网上，功率接收器集成在移动设备上。功率发出和功率接受是靠磁耦合。经过AC—DC和DC—AC转换，发出功率在合理控制共振箱的基础上再由AC—DC转换为直流电压为电池充电。耦合谐振式无线供电技术这种新型的供电方式不但可以使无线供电的距离提升到米级范畴，突破了无线能量传输距离这个瓶颈，同时还会分离开用电设备与供电设备之间的物理连接，这样在提高用电设备的美观，实用性的同时，还可以改善用电设备的安全性。

无线容性功率传输(CPT)技术最近有人提出作为备用接触电力传输解决方案，CPT接口是在一对耦合的构造电容。电力转换系统的其余部分，包括逆变器和整流器结构仍然是一样的。由于磁根据需要与不缩小降低功耗，在某些功率水平，成本和尺寸的电隔离元件可以与被最小化电容接口。因此最显著CPT的优势是它的低功率水平的成本和尺寸。然而，在高功率应用中，这不是一个优选的解决方案。出于这个原因，大多数现有的CPT的解决方案是专注于低功耗应用和便携式电子设备，如无线牙刷充电器，或无线手机充电器在电源传输接口与电容耦合的矩阵的点来实现。印刷和MEMS技术在应用程序CPT表明承诺的进步，这些验收技术在消费电子应用。

2 使用开关电源提高功率效率

在以往的结构中，功率效率是通过电阻调节系统调节的，它引入了一个严重降低效率且平行于桥式整流器电阻负载。交流-直流整流器是由一个全波整流器来实现。在这样的电路中，功率效率在很大程度上受这两种传导和开关损耗。此外，功率效率受偏置电路中功率损失的影响。最重要的是能为一些特殊场合带来更方便的供电，如水下检测、油田矿井、高山沙漠、化工等。因此，磁耦合谐振式无线供电技术具有良好的应用价值和研究意义。

改进设计，无论是整流桥和偏置网络，我们均是通过采用开关电源来提高效率。这种解决方案比常规体系结构更适合集成电路(IC)实现。另外，接收器架上的MOSFET具有极低的导通电阻，因此与使用二极管和电阻的常规系统相比，功率损耗被严重降低。

3 技术路线

3.1 基于电容耦合的非接触电能传输技术(CPT)

远距离功率传输的关键问题是减少损耗，提高效率，就目前的科技水平，即使是近距离传输的效率也难以与有线传输相比，所以感性传输技术显得尤为重要。根据需要，参考了两种耦合结构，它们都由两对金属板组成，每对金属板间的耦合距离为1 mm。

图2所示为碟形结构，两个圆盘形成了一对耦合板，下面的圆盘静止不动并连在输入电源上，上面的圆盘旋转并连在输出的负载上。

图3所示为柱形结构，圆柱1和2形成了一对耦合板，圆柱3和4形成了另一对。两个外部的圆柱静止不动并连在输入电源上，两个内部的圆柱旋转并连在输出的负载上。

可以证明，对于上述结构来说，当两对耦合板的耦合面积相等且板的总面积保持相同时，总的等效电容达到最大值。设计负载由多个最大阻值为1.3 Ω的传感器组成，其结果是，柱形结构的等效电容最大值是碟形结构的三倍，因此选用柱形结构作为优先型。典型的基于电容耦合的非接触电能传输系统如图4所示，直流输入电压Edc经过功率逆变器变换成高频交流电压，并作为原边金属板的输入电压，当副边的两块金属板与之邻近且存在电位差的时候，原边的交变电场就会对副边金属板产生感应，从而实现电场耦合并向负载Rl供能。

CPT系统的电路拓扑如图5，在原边，直流电源Edc与直流电感Ld共同组成准电流源，S1～S4构成高频能量变换环节，通过与这两个开关对180°交互导通。这两对开关管通过ZVS(zero voltage switching)的工作方式进行切换，即通过检测Vcp的过零点来完成开关对的切换过程，实现正反向两种能量注入模式。由于切换过程在过零点进行，其开关切换损耗在理论上为零。在电路中，CS的等效串联电阻ESR如下：

根据以上分析，通过将逆变网络输出端电路(虚线)看出二端口网络，可以建立谐振网络的等效电路，如图6所示。

在电路中，Cp构成并联谐振网络，Cs2为原副边电容耦合板的等效电容，调谐电感Ls与Cs1、Cs2构成串联谐振网络。

3.2 开关电源

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和 MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。开关电源可以分为隔离式DC/DC转换器和非隔离式DC/DC转换器。简单地说，开关电源的工作原理如下：

1)交流电源输入经整流滤波成直流;

2)通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管，将那个直流加到开关变压器初级上;

3)开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载。

4)输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的。

在功率相同时，开关频率越高，开关变压器的体积就越小，因而，与普通开关相比，开关电源可以用较小的体积实现较大的功率传输，且损耗较小。并通过将这种方法应用到实际ICPT系统中以验证该方法的有效性。

与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。开关电源伯特图脉冲的占空比由

开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

4 结束语

无线功率传输作为朝阳产业，有着广阔的前景和应用背景。会对人类未来的能源传输方式产生变革式的影响。其特点是损耗小，安全，方便，可以在特殊情况下使用。需要解决的问题是感性传输技术和开关电源的应用，提高效率，改善结构。