磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸高頻電源的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸技術(shù)（Magnetic Resonance Coupling Wirless Power Transfer，MCR-WPT）作為一個(gè)新型的非接觸供電技術(shù)被提出之后，迅速成為了國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。不少學(xué)者對(duì)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸?shù)脑怼㈦娐方Y(jié)構(gòu)、線圈設(shè)計(jì)、傳輸特性等方面作了深入的分析，而對(duì)系統(tǒng)效率及相關(guān)性能有著重大影響的前端高頻電源則研究較少。目前系統(tǒng)前端高頻電源主要由信號(hào)發(fā)生器加功率放大器組成，這種高頻電源，輸出電

2、能頻率約為2MHz~30MHz，滿足著系統(tǒng)在諧振頻率為 MHz級(jí)上相關(guān)特性的研究，但過(guò)高的頻率可能對(duì)周圍的生物產(chǎn)生不確定性的影響，同時(shí)存在較大的內(nèi)阻，影響著系統(tǒng)的整體效率，也制約著大功率 MCR-WPT系統(tǒng)的研發(fā)。此外，頻率漂移造成系統(tǒng)失諧從而引起效率下降是制約 MCR-WPT技術(shù)應(yīng)用化的一大難題，本文采用電力電子器件，對(duì)磁耦合諧振式無(wú)線電能傳輸高頻電源進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。
　　首先，本文選擇 MCR-WPT系統(tǒng)中的線圈傳輸結(jié)構(gòu)作為

3、前端高頻電源研究的出發(fā)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛的兩線圈傳輸結(jié)構(gòu)和四線圈傳輸結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了對(duì)比研究，從諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和優(yōu)化輸出功率與系統(tǒng)效率的角度進(jìn)行了分析，通過(guò)數(shù)值仿真，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，確定了兩線圈中收發(fā)線圈均采用串聯(lián)諧振（SS）的傳輸結(jié)構(gòu)作為本文系統(tǒng)前端高頻電源設(shè)計(jì)的整體負(fù)載。
　　其次，本文采用電力電子器件，完成了MCR-WPT系統(tǒng)的開環(huán)高頻電源設(shè)計(jì)，包括逆變主電路及功率開關(guān)器件的選型、基于IR2110S的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、基于DS

4、P28335控制電路軟硬件的設(shè)計(jì)，搭建了MCR-WPT系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成了高頻電源輸出電壓占空比對(duì)系統(tǒng)工作影響的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
　　再次，本文對(duì)MCR-WPT系統(tǒng)失諧機(jī)理進(jìn)行了研究，得到了當(dāng)負(fù)載RL≥RLηmax時(shí)，發(fā)射線圈失諧是影響系統(tǒng)效率下降的主要因素之一。引入了鎖相環(huán)，通過(guò)采集高頻電源輸出電壓和發(fā)射線圈回路電流的相位對(duì)系統(tǒng)諧振頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，分析發(fā)現(xiàn)若系統(tǒng)失諧，且在RL遠(yuǎn)大于歸一化失諧阻抗值ωΔL的情況下，系統(tǒng)效率基本不變。依

5、據(jù)鎖相環(huán)的工作原理及其線性數(shù)學(xué)模型，搭建了基于鎖相環(huán)的MCR-WPT系統(tǒng)的Simulink仿真模型，仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)失諧時(shí)，通過(guò)鎖相環(huán)的調(diào)節(jié)作用，可使系統(tǒng)快速實(shí)現(xiàn)重新諧振，在 RL滿足上述條件下，保持系統(tǒng)效率基本不變。
　　最后，本文在開環(huán)高頻電源設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，完成了基于DSP28335的軟件鎖相環(huán)算法的設(shè)計(jì)，給出了算法流程圖；同時(shí)，完成了頻率跟蹤控制電路的硬件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，本論文設(shè)計(jì)的頻率跟蹤式高頻電源，在滿足前述理論分析的條