2014年---外文翻譯---130w磁耦合式無(wú)線充電變送器（譯文）

1、<p>　　中文3540字,2760單詞，14600英文字符</p><p>　　出處：Kim S M, Moon J I, Cho I K, et al. 130W power transmitter for wireless power charging using magnetic resonance[C]//Telecommunications Energy Conference (INTELE

2、C), 2014 IEEE 36th International. IEEE, 2014: 1-5.</p><p>　　130W磁耦合式無(wú)線充電變送器</p><p>　　Seong-Min Kim, Jung-Ick Moon, In-Kui Cho, Jae-Hoon Yoon, Woo-Jin Byun </p><p>　　摘要——本文提出了一種利用磁諧振

3、進(jìn)行無(wú)線電能傳輸?shù)碾娔茏兯推鳌Ｔ撟兯推饔蒁DS(Direct Digital Synthesizer)（產(chǎn)生RF信號(hào)），F(xiàn)類(lèi)功率放大器（放大RF信號(hào)至130W），F(xiàn)SK模塊（與接收端通信），直流交流變換器（為控制電路提供直流電）組成。其工作頻率從1.6MHZ到2.0MHZ，其輸出功率以2W為步進(jìn)從1W到130W可調(diào)以適應(yīng)1.7MHZ帶寬的無(wú)線充電系統(tǒng)。為了控制輸出功率，功率放大器的偏置電壓從30V到105V可調(diào)。利用分析回波損耗的方法，

4、該電能變送器具有頻率搜索和保護(hù)的功能。為了實(shí)現(xiàn)回波損耗的測(cè)量，我們使用了一個(gè)雙向耦合器和兩個(gè)電能監(jiān)測(cè)電路。從電能變送器的測(cè)量可得，在50W到130W的范圍內(nèi)，DC to RF 變換器的變換效率超過(guò)了80%。</p><p>　　無(wú)線充電系統(tǒng)能應(yīng)用于現(xiàn)有的電能變送器。該系統(tǒng)是為12V鋰-鐵電池的充電而設(shè)計(jì)的，這種電池常被使用在代步交通工具上。在電能發(fā)射器和接收器之間使用424MHZ的FSK通信系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行輸出功

5、率的控制還可以保證電能傳輸效率。充電過(guò)程中，系統(tǒng)的平均效率大約是50%。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無(wú)線電能、能量傳輸、功率控制、磁耦合</p><p><b>　　簡(jiǎn)介</b></p><p>　　自從2007年磁諧振無(wú)線電能傳輸?shù)募夹g(shù)被發(fā)表以來(lái)，許多理論和研究轉(zhuǎn)向了適用于手機(jī)等的低功率電子設(shè)備和電動(dòng)車(chē)的大功率電子設(shè)備，使得這些電子設(shè)備商業(yè)

6、化。但是對(duì)于中等功率的無(wú)線電能傳輸研究還很匱乏。中等功率部分與人們的生活聯(lián)系的更加緊密，因?yàn)樵诩抑泻娃k公室里，許多用電設(shè)備都是中等功率的。為了給人們生活提供更大的便利和靈活性，中等功率的無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)注定會(huì)被實(shí)現(xiàn)。目前有兩種非常有潛力的可應(yīng)用于中等功率的技術(shù)。第一種是磁感應(yīng)，第二種是磁諧振。其中磁感應(yīng)已經(jīng)應(yīng)用于低功率充電設(shè)備，例如手機(jī)等。磁感應(yīng)方式在短程能量傳輸方面具有許多優(yōu)勢(shì)，例如接近變壓器的效率，線圈尺寸小，但是其同時(shí)也限制了設(shè)備

7、本身的空間位置，而且當(dāng)多設(shè)備同時(shí)連接時(shí)具有先天缺點(diǎn)。而另一方面，磁諧振技術(shù)在傳輸距離和設(shè)備空間位置的靈活性方面具有許多優(yōu)勢(shì)。所以磁諧振技術(shù)更適用于中等功率的無(wú)線電能傳輸。</p><p>　　本文介紹了磁諧振式無(wú)線電能變送器，該變送器主要由DDS(Direct Digital Synthesizer)，F(xiàn)類(lèi)功率放大器，回波測(cè)量模塊，F(xiàn)SK (Frequency Shift Keying)模塊，微控制器MCU等組成

8、。其工作頻率從1.6MHZ到2.0MHZ可調(diào)，主要工作于1.7MHZ頻段。最大輸出功率為130W，以2W為步進(jìn)從1W到130W可調(diào)。當(dāng)輸出功率在50W到130W之間的時(shí)候，DC to RF 能量轉(zhuǎn)換器的效率超過(guò)80%</p><p><b>　　電能變換器的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　電能變換器，如圖1所示，由DDS（產(chǎn)生RF信號(hào)），F(xiàn)類(lèi)功率放大器（放大RF信號(hào)

9、至130W），回波測(cè)量模塊（測(cè)量電能變換器輸出的回波損耗以便于搜索最優(yōu)工作頻率和防止反射功率損壞電路），F(xiàn)SK模塊（與接收端通信）和MCU微控制器（控制電能變換器的運(yùn)行）。為了達(dá)到最大的無(wú)線電能傳輸效率，最優(yōu)的頻率搜索功能和輸出電能控制功能已經(jīng)集成到電能變換器里去了。</p><p><b>　　DDS模塊</b></p><p>　　DDS模塊是作為信號(hào)源來(lái)產(chǎn)生RF

10、射頻信號(hào)的。為便于磁諧振式無(wú)線電能傳輸，信號(hào)源必需有很快的鎖定時(shí)間和很高的頻率分辨率。有很多方式來(lái)產(chǎn)生信號(hào)，其中DDS具有很快的鎖定時(shí)間和很高的頻率分辨率。AD9912芯片被應(yīng)用于DDS模塊。圖2所示為DDS模塊的電路原理圖。左邊是DDS芯片，右邊是DDS芯片的時(shí)鐘電路。如圖2所示，960MHZ的標(biāo)準(zhǔn)振蕩器被用來(lái)產(chǎn)生準(zhǔn)確的單個(gè)的信號(hào)和1HZ頻率。</p><p><b>　　F類(lèi)功率放大器</b&

11、gt;</p><p>　　為了提高系統(tǒng)的整體效率，適用于無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的電能變送器需要大功率的RF射頻輸出信號(hào)。開(kāi)關(guān)式放大器可適用于大功率的放大器。理論上，開(kāi)關(guān)放大器的直流DC轉(zhuǎn)射頻RF的效率可達(dá)到100%，包括D類(lèi)，E類(lèi)，F(xiàn)類(lèi)放大器。D類(lèi)放大器是推免式結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的晶體管組成，而E類(lèi)和F類(lèi)放大器只使用一個(gè)晶體管。</p><p>　　本文使用F類(lèi)的功率放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率

12、和高效率的RF射頻信號(hào)。F類(lèi)功率放大器的電路原理圖如圖3所示。功率MOSFET管ARF 512，由“Advanced Power Technology”公司制造，被用于輸出130W的大功率。為了限制輸出信號(hào)的諧波分量，兩個(gè)串聯(lián)的諧振電路被用來(lái)消除2倍和3倍的諧波頻率。</p><p>　　可變的偏置電壓被用來(lái)控制電能變換器的輸出功率。為了得到此可變偏置電壓，AC to DC 變換器的輸出電壓范圍需要在直流30V到

13、105V之間。在偏置電壓的控制下，變送器的輸出功率可以實(shí)現(xiàn)以2W為步進(jìn)，從1W到30W可調(diào)。微控制器MCU可根據(jù)與無(wú)線電能系統(tǒng)的通信信號(hào)來(lái)調(diào)整輸出功率的大小。</p><p><b>　　回波損耗測(cè)量模塊</b></p><p>　　此回波損耗測(cè)量模塊專(zhuān)門(mén)應(yīng)用于電能變送器以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的頻率搜索功能和電路保護(hù)功能。這個(gè)模塊包含了一個(gè)-40dB的雙向耦合器和兩個(gè)功率測(cè)量電路

14、。變送器的輸出和反射功率的一部分可以通過(guò)雙向耦合器提取出來(lái)并且通過(guò)兩個(gè)功率測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，如圖4. 每一個(gè)功率測(cè)量電路都是測(cè)量功率的有效值的（RMS）。被轉(zhuǎn)換的直流信號(hào)被送到微控制器MCU來(lái)對(duì)回波損耗進(jìn)行計(jì)算。</p><p>　　回波損耗測(cè)量的數(shù)據(jù)可以很好的實(shí)現(xiàn)頻率搜索功能。在系統(tǒng)剛開(kāi)始運(yùn)行的時(shí)候，輸出信號(hào)的頻率從1.6MHZ逐漸變到2.0MHZ，同時(shí)每個(gè)頻率下的回波反射被測(cè)量。測(cè)量結(jié)束后，最大的回波反

15、射頻率就可以被挑選出來(lái)。為了防止電路被反射功率燒毀，參考回波損耗定為4dB?；夭〒p耗被捕間斷地測(cè)量，一旦回波損耗數(shù)值低于參考值，變送器的輸出信號(hào)就停止了，因此變送器不會(huì)被反射功率信號(hào)燒毀。</p><p><b>　　FSK模塊</b></p><p>　　FSK（(Frequency Shift Keying）模塊是用來(lái)在變送器與接收器之間通信的。無(wú)線電能傳輸?shù)倪^(guò)程

16、由通信模塊控制。FSK的通信速率是9.6kbps，通信頻率是424.70MHZ。FSK模塊的芯片是由“RF TECHWIN Co. Ltd”公司生產(chǎn)的iRF4020P。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)和測(cè)量</b></p><p>　　此130W的電能變送器被做成了一個(gè)410mm*250mm*90mm的封閉金屬盒子。所有原件都集成于此盒子中，并且用同軸電纜與RF射頻

17、模塊連接。此變送器有一個(gè)額外的電腦，被用來(lái)手動(dòng)控制頻率和功率，以及進(jìn)行人機(jī)界面(GUI)的顯示與操控。</p><p>　　傳輸效率是無(wú)線電能傳輸?shù)囊粋€(gè)重要指標(biāo)。DC to RF轉(zhuǎn)換效率占了整個(gè)系統(tǒng)效率的很大一部分。DC to RF 轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)平均效率如圖5所示。變送器的輸出頻率是1.8MHZ。如前所述，可調(diào)節(jié)的偏置電壓能夠在輸出功率范圍內(nèi)維持DC to RF 的轉(zhuǎn)換效率。如圖8所示，DC to RF 的轉(zhuǎn)換

18、效率在50W到130W之間能夠超過(guò)80%，在10W到130W之間能夠超過(guò)70%。</p><p>　　如圖6，輸出諧波抑制器的特征頻率是1.78MHZ，輸出功率是100W。二次諧波抑制能力是-40.53dB，三次諧波抑制能力是-25.15dB。</p><p><b>　　應(yīng)用</b></p><p>　　無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)由電能變送器實(shí)現(xiàn)，以確

19、保變送器的可行性。該系統(tǒng)采用磁諧振方式，變送頻率是1.8MHZ。應(yīng)用型無(wú)線充電系統(tǒng)是由助力車(chē)上的12V 20Ah 的鋰鐵蓄電池。</p><p>　　為了提高系統(tǒng)效率，發(fā)送端的諧振線圈與接收端的諧振線圈之間的功率變換效率需要盡量提高。諧振線圈間的效率與線圈的品質(zhì)因素Q，諧振線圈的阻抗匹配和電路的原件都有很大的關(guān)系。串聯(lián)的品質(zhì)因數(shù)與線圈的電感和諧振頻率成正比與線圈的電阻成反比。為了獲得更遠(yuǎn)的無(wú)線傳輸距離，品質(zhì)因數(shù)Q

20、的值應(yīng)該盡量提高。為了提高品質(zhì)因數(shù)Q值，諧振線圈需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。阻抗匹配是另外一個(gè)影響傳輸效率的因素。一個(gè)額外的集成原件，例如電容用來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。</p><p>　　本裝置設(shè)計(jì)使用了兩個(gè)諧振線圈，每一個(gè)諧振線圈由兩個(gè)螺旋線圈組成，用來(lái)提高電感值和進(jìn)行阻抗匹配。發(fā)射線圈和接收線圈的直徑分別為48cm和20cm，以確保傳輸時(shí)的空間自由度。在20cm以?xún)?nèi)，發(fā)射與接收線圈間的效率超過(guò)70%。由圖7可得10cm時(shí)的傳輸效

21、率。</p><p>　　接收器和充電電路都實(shí)現(xiàn)了，接收器可以將接收到的射頻功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。接收器使用了全橋二極管整流結(jié)構(gòu)，還包括匹配電路，保護(hù)電路。保護(hù)電路是專(zhuān)門(mén)用來(lái)保護(hù)接收器和充電電路不被過(guò)電壓和過(guò)電流輸入燒毀。充電電路用來(lái)對(duì)12V, 20Ah的鋰鐵電池進(jìn)行恒流充電。在充電電路部分，F(xiàn)SK模塊用來(lái)與發(fā)送端通信。通過(guò)使用FSK通信，傳輸?shù)倪M(jìn)程和傳輸?shù)墓β时豢刂埔跃S持系統(tǒng)效率</p><

22、;p>　　無(wú)線電能傳輸?shù)倪^(guò)程被分為4個(gè)階段。第一階段是等待充電開(kāi)始。在這一階段，變送器的輸出關(guān)閉，等待啟動(dòng)信號(hào)。第二階段是充電開(kāi)始階段，完成發(fā)送端與接收端的初始連接。通過(guò)回波損耗測(cè)量，找到最合適的傳輸頻率。第三階段是充電控制階段。接收器和電池的狀態(tài)信息通過(guò)FSK傳輸給發(fā)射器，發(fā)射器端的MCU計(jì)算得出發(fā)射器的發(fā)射功率并控制發(fā)射器發(fā)射功率。在這一階段，狀態(tài)信息每100ms更新一次。最后階段是充滿(mǎn)和結(jié)束階段。在這個(gè)階段，電池電壓會(huì)被反復(fù)

23、檢查，如果電池電壓高于滿(mǎn)電電壓，無(wú)線充電過(guò)程就停止。充電結(jié)束后，發(fā)射器和接收器都返回至第一階段。通過(guò)這四個(gè)階段，無(wú)線充電實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)運(yùn)行，如圖8所示。</p><p>　　如圖9所示，發(fā)射器和發(fā)射諧振線圈都集成在發(fā)射臺(tái)上，接收諧振線圈，RF射頻接收器和充電電路被安裝在助力小車(chē)上。通過(guò)測(cè)量，系統(tǒng)在充電工程中的DC to DC 平均效率大約是50%。</p><p><b>　　總結(jié)&

24、lt;/b></p><p>　　本文提出了一種無(wú)線電能變送方案。變送器包括DDS模塊和F類(lèi)功率放大器部分。工作頻率從1.6MHZ到2.0MHZ，輸出功率從1W到130W不等?；夭〒p耗測(cè)量模塊用來(lái)搜索最合適的傳輸頻率，F(xiàn)SK模塊根據(jù)通信消息來(lái)控制輸出功率，以保證傳輸效率。在50W到130W之間，DC到RF的轉(zhuǎn)換效率為80%。為了驗(yàn)證此功率變送器的實(shí)用性，無(wú)線充電系統(tǒng)被用來(lái)對(duì)一塊助力車(chē)的12V, 20Ah鋰鐵