劉天陽(yáng)畢業(yè)論文-簡(jiǎn)易無(wú)線充電裝置研制

1、第一章 緒論 無(wú)線充電是一項(xiàng)令人興奮的技術(shù)。顧名思義，無(wú)線充電是指具有電池的裝置透過(guò)無(wú)線感應(yīng)的方式取得電力而進(jìn)行充電1。今年，無(wú)線充電技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)年的推廣與演進(jìn)后開始受到各界矚目。其方便性可以讓消費(fèi)者愿意支付額外的費(fèi)用購(gòu)買無(wú)線充電相關(guān)產(chǎn)品；由于這產(chǎn)技術(shù)相當(dāng)新穎且各廠商有自己對(duì)技術(shù)的表述，所以無(wú)線充電、感應(yīng)式電力、非接觸充電、無(wú)接點(diǎn)充電都是泛指相同的技術(shù)，距離1mm到數(shù)公尺都是一樣是無(wú)線，供電端與受電端交互作用就稱感應(yīng)，所以無(wú)線充電是廣義的名詞沒有一定的規(guī)格。無(wú)線充電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于便捷性和通用性，可使得多種設(shè)備使用一臺(tái)充電基站，也許在不久的將來(lái)，各種電源適配器剪不斷理還亂的情況將不復(fù)存在，而利用公

2、共移動(dòng)設(shè)備充電站成為現(xiàn)實(shí)。其給大眾帶來(lái)的意義與影響非同凡響。1.1研究的目的和意義無(wú)線供電的設(shè)想最早由交流電之父特斯拉在一百多年前就已經(jīng)由此構(gòu)想了。他設(shè)計(jì)在地球和電離層之間建立起8Hz左右的低頻共振，再利用環(huán)繞地球的電磁波來(lái)傳輸電力，就像無(wú)線電通信一樣，但后來(lái)特斯拉在1908年停止了這項(xiàng)宏大的實(shí)驗(yàn)，他所建造的鐵塔也因經(jīng)濟(jì)困難而被拆除抵債。在那以后，人類對(duì)無(wú)線供電技術(shù)的研究一直在繼續(xù)，尤其在航天領(lǐng)域里，人們想建立衛(wèi)星太陽(yáng)能電站，那么就必須實(shí)現(xiàn)高效率的無(wú)線供電。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，無(wú)線供電技術(shù)開始在民用領(lǐng)域頻繁露面，各公司紛紛推出自己的產(chǎn)品。而在科研領(lǐng)域最廣為人知的是07年麻省理工作出的成果，利用電

3、磁共振技術(shù)，在兩米外點(diǎn)亮的60W的燈泡。無(wú)線充電可以解決很多問題2。第一，它可以改變目前電子產(chǎn)品充電接口不兼容的情況，讓用戶不再需要攜帶一大堆充電器和電線，只要將代充電的設(shè)備置于發(fā)射器附近，就可以充電了。 第二，目前很多傳感器需要無(wú)線充電，比如埋在墻里的傳感器，把它拿出來(lái)充電是不太可能的，還有一些遠(yuǎn)程的監(jiān)控用途的傳感器，一樣地需要無(wú)線充電技術(shù)。 第三，就是目前廣泛應(yīng)用的植入性醫(yī)療器件，如心臟起搏器，每隔七八年病人就需要做手術(shù)來(lái)更換電池。如果可以對(duì)起搏器進(jìn)行無(wú)線充電，就不需要做危險(xiǎn)的手術(shù)了。 第四，無(wú)線充電技術(shù)還可在市政交通方面有所建樹。2010年3月，第一輛無(wú)線充電電動(dòng)車在韓國(guó)京畿道果川市的首

4、爾大公園試運(yùn)行。這種電動(dòng)車在鋪有電感應(yīng)帶的路面上行駛時(shí)可以無(wú)線充電，而不用像傳統(tǒng)電動(dòng)車那樣需要通過(guò)路軌或車頂電線獲得電力。該車被稱作網(wǎng)E電動(dòng)車，由植入地面下約5 cm處的充電帶提供電力驅(qū)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)線充電系統(tǒng)中所使用的磁場(chǎng)對(duì)人體健康并無(wú)危害，通過(guò)使用分割技術(shù)，分幾個(gè)部分提供電力，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度被最小化。據(jù)介紹，“在線”電動(dòng)車不需直接與電感應(yīng)帶接觸。這種在線電動(dòng)車系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用僅為一般電車的13，非常適合我國(guó)仍有電車運(yùn)行的城市。第五，無(wú)線充電技術(shù)還可以提高設(shè)備的安全性，尤其是一些在潮濕環(huán)境中工作的設(shè)備，外露的充電接口是潛在的安全隱患。使用無(wú)線充電技術(shù)，能量接收端內(nèi)置于設(shè)備中，設(shè)備的外表面就可

5、以全封閉了。最重要的是，從宏觀上看，如今人類對(duì)電能的熱愛非常強(qiáng)烈，消耗越來(lái)越大，亂如麻的電線和污染環(huán)境的電池，帶來(lái)更多的困撓，無(wú)線充電技術(shù)是解決這些問題很好的途徑。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)無(wú)線充電技術(shù)目前可通過(guò)三種方式實(shí)現(xiàn)：電磁感應(yīng)式(利用電流通過(guò)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)近程無(wú)線供電)、磁場(chǎng)共振式(利用磁耦合共振效應(yīng)近程無(wú)線供電)、電波輻射式(電力轉(zhuǎn)換成電波以輻射傳輸供電) 3。 1.2.1 電磁感應(yīng)方式電磁感應(yīng)式是使用最廣的一種方式，其原理類似于分離的空心變壓器。飛利浦的電動(dòng)牙刷就是此類應(yīng)用。目前許多公司都在開發(fā)這方面的技術(shù)。但電磁感應(yīng)技術(shù)的一個(gè)不足就是用以傳遞能量的變化磁場(chǎng)，會(huì)隨著兩個(gè)線圈的

6、距離增加而迅速減小，所以傳輸距離非常有限。 目前常見的充電墊也是利用了電磁感應(yīng)原理，將多個(gè)電子產(chǎn)品，如手機(jī)、相機(jī)、MP3等放到同一個(gè)充電墊上，能進(jìn)行同時(shí)充電，而且無(wú)需精確定位，原因是充電墊內(nèi)裝有密集的小型線圈陣列，能在各個(gè)方向上建立磁場(chǎng)。接收線圈由磁性合金繞以電線制成，它附著于電子設(shè)備的充電電池上，充電時(shí)置于充電墊磁場(chǎng)中的接收線圈就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，能量就從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩?。由于充電墊產(chǎn)生的磁場(chǎng)很弱，所以不會(huì)對(duì)附近的信用卡、錄像帶等利用性記錄數(shù)據(jù)的物品造成不受影響。該解決方案提供商包括英國(guó)Splash power、美國(guó)wild Charge等公司。這種接觸式無(wú)線電力傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)是制造成本較低

7、、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)可靠，但是傳輸功率較小、傳送距離短，一般只適用于為小型便攜式電子設(shè)備供電。1.2.2電磁耦合共振方式07年MIT的一個(gè)無(wú)線供電的研究成果使世界為之一嘆4，其背后的原理就是電磁耦合共振。在07年，MIT的助理教授馬林·索爾賈?？?Marin Soljacic)和他的研究小組在長(zhǎng)達(dá)4年的實(shí)驗(yàn)研究中終于獲得重大突破。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用了兩個(gè)直徑為50cm的銅線圈，通過(guò)調(diào)整發(fā)射頻率使兩個(gè)線圈在10MHz產(chǎn)生共振，從而成功點(diǎn)亮了距離電力發(fā)射端2m以外的一盞60W燈泡，效率為45%。而且，即使在電源與燈泡中間擺上木頭、金屬或其它電器，都不會(huì)影響燈泡發(fā)光。另外還有采用射頻點(diǎn)播發(fā)射能量

8、的方法。美國(guó)的Powercast，目前占有射頻波段無(wú)線能量傳輸?shù)念I(lǐng)先地位。與需要接觸的充電墊子不同，Powercast公司推出的無(wú)線供電組件，在915Mhz的波段下，可以在一米的范圍內(nèi)給小型電子設(shè)備充電，而接收器則利用共振線圈吸收射頻電波。1.2.3微波/激光輻射方式理論上，無(wú)線電波波長(zhǎng)越短，其定向性越好，彌散越小，所以，可利用微波或激光形式來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)程傳輸， 這對(duì)于新能源的開發(fā)和利用、解決未來(lái)能源短缺等問題也有著重要意義。因此，許多國(guó)家都沒有放棄這方面的研究。1968年，美國(guó)工程師彼得格拉澤提出了空間太陽(yáng)能發(fā)電(Space Solar Power，SSP)的概念，其構(gòu)想是在地球外層空間建

9、立太陽(yáng)能發(fā)電基地，通過(guò)微波將電能送回地球。1979年，美國(guó)航空航天局NASA和美國(guó)能源部聯(lián)合提出太陽(yáng)能計(jì)劃，建立“SPS太陽(yáng)能衛(wèi)星基準(zhǔn)系統(tǒng)” ， SPS(Solar Power satellite)是太陽(yáng)能發(fā)電衛(wèi)星， 處在地球約36000km的靜止軌道上，那里太陽(yáng)的能量約為地球上的14倍。據(jù)預(yù)測(cè)，一個(gè)SPS所裝載的太陽(yáng)電池的直流輸出功率為IOGW，電池輸出的電力通過(guò)振蕩器變換成微波電力， 從送電的天線向地球表面以微波(245GHz)形式無(wú)線送電。地球上的接收天線由半波長(zhǎng)的偶極天線、整流二極管、低通濾波器及旁路電容組成，可接收到5GW的電力。目前，SPS的建設(shè)方法、天線的放射特性、微波發(fā)送裝置的

10、姿態(tài)控制、宇宙空間的微波傳播特性、為確保故障時(shí)安全的保安系統(tǒng)等都是亟待解決的技術(shù)問題。歐盟在非洲的留尼汪島建造了一座10萬(wàn)千瓦的實(shí)驗(yàn)型微波輸電裝置，已于2003年向當(dāng)?shù)卮迩f送電。日本擬于2020年建造試驗(yàn)型太空太陽(yáng)能發(fā)電站SPS2000，2050年進(jìn)入規(guī)模運(yùn)行。1.2.4國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)于此有關(guān)的研究主要是“松耦合變壓器技術(shù)”領(lǐng)域5 6，這個(gè)技術(shù)主要針對(duì)于磁懸浮列車或水下感應(yīng)充電等方面的應(yīng)用，無(wú)線傳能的距離在幾毫米到幾十毫米之間。與國(guó)外相比，ICPT（感應(yīng)耦合電能傳輸）技術(shù)在國(guó)內(nèi)還剛剛起步，西安石油學(xué)院的李宏在2001年第2期的電氣傳動(dòng)上發(fā)表了一篇相關(guān)的綜述性文章。近年中科院院士嚴(yán)陸光和

11、西安交通大學(xué)的王兆安等人也開始對(duì)該新型電能接入技術(shù)進(jìn)行了研究，并在國(guó)內(nèi)雜志上發(fā)表了幾篇文章。重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院非接觸電能傳輸技術(shù)研發(fā)課題組自2001年便開始了對(duì)國(guó)內(nèi)外非接觸式電能接入技術(shù)相關(guān)基礎(chǔ)理論與實(shí)用技術(shù)的密切跟蹤和研究，并與國(guó)際上在該領(lǐng)域研發(fā)工作處于領(lǐng)先水平的新西蘭奧克蘭大學(xué)波依斯(ProBoys)教授為首的課題組核心成員Patrick Aiguo Hu(呼愛國(guó))博士進(jìn)行了深層次的學(xué)術(shù)交流與科技合作，在理論和技術(shù)成果上有了較大的突破。2007年2月，課題組攻克了非接觸感應(yīng)供電的關(guān)鍵技術(shù)難題，建立了完整的理論體系，并研制出了非接觸電能傳輸裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)600至1000W的電能輸出，傳

12、輸效率為70，并且能夠向多個(gè)用電設(shè)備同時(shí)供電，即使用電設(shè)備頻繁增減，也不會(huì)影響其供電的穩(wěn)定性。目前國(guó)內(nèi)主要的研究方向集中在系統(tǒng)諧振頻率及原副邊的補(bǔ)償電路拓?fù)涞确矫?，基本上都還處在理論領(lǐng)域進(jìn)行研究，在應(yīng)用領(lǐng)域最近兩年才有所突破，但都還停留在實(shí)驗(yàn)室階段。1.3設(shè)計(jì)要求和實(shí)現(xiàn)思路任務(wù)：設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線感應(yīng)的充電裝置目標(biāo)：輸入用12V供電，距離35cm，輸出5V，功率1W左右設(shè)計(jì)思路： 依靠電磁感應(yīng)和諧振原理，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如下7 8。 實(shí)現(xiàn)思路：1.設(shè)計(jì)頻率可調(diào)的方波發(fā)生器2.用漆包線繞制線圈。3.選擇穩(wěn)定、低溫漂、低功耗的電容。4.選擇合適的負(fù)載。根據(jù)要求，負(fù)載選用25歐的功率電阻，但市面上買不到25歐的

13、功率電阻，所以選擇22歐的功率電阻做負(fù)載。5.設(shè)計(jì)功率放大電路。功率放大電路采用H橋逆變電路，用低阻抗MOS管搭建。6.收端的整流部分，消耗要小。整流二極管選用快恢復(fù)，低壓降的二極管。、第二章 理論基礎(chǔ)2.1系統(tǒng)的模型 本設(shè)計(jì)的無(wú)線充電系統(tǒng)，基于電磁感應(yīng)原理，利用原、副邊的兩個(gè)線圈的電磁耦合9，實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。系統(tǒng)的電路圖如下。 圖2-1 互感原理圖L1為原邊線圈電感，L2為副邊線圈電感，R1為原邊電阻，R2為副邊電阻，RL為負(fù)載電阻，M為互感。由于原副邊線圈之間的漏感較大，故不能忽略，可以將電路等效為如下的模型10。 圖2-2 等效電路圖Lm為線圈之間的互感，L1S為原邊線圈的漏感，L2S為

14、副邊線圈的漏感，其余同上。設(shè)線圈間的耦合系數(shù)為K，R1與L1S的合阻抗為Z1，R2與L2S的合阻抗為Z2，Lm的阻抗為Zm。 （2.1） （2.2） （2.3）無(wú)線傳能的傳輸效率可表示為 （2.4）為負(fù)載上的電壓和電流，為電源的電壓和電流。由于線圈之間是間隙耦合，K值很小，由上式顯然可見，漏感L1S,L2S很大，使得Z1,Z2很大，從而使系統(tǒng)的傳輸效率很低。接下來(lái)將探討各種參數(shù)對(duì)傳輸效率的影響，找出提高系統(tǒng)傳輸效率的方法。2.2參數(shù)分析 在無(wú)線充電系統(tǒng)中，決定充電效率的因素有很多，下面就一一分析10 11 12 13。2.2.1距離與效率的關(guān)系 根據(jù)畢奧一薩伐爾定律，穩(wěn)恒電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí)在導(dǎo)線外

15、一點(diǎn)P處產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為11： （2.5）首先計(jì)算單個(gè)載流圓線圈軸線上的磁場(chǎng)。設(shè)圓線圈的中心為0，半徑為R，載有電流I。如圖2.3 圖2-3 在線圈上任取一電流元，設(shè)電流元到P點(diǎn)的矢徑為，由于恒與垂直，由畢奧一薩伐爾定律知，電流元在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為 （2.6）其中，在與中軸所在平面內(nèi)，并垂直與。顯然，線圈上各電流元在P點(diǎn)所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度方向是各不相同的，因此，必須把分成垂直于軸線的分矢量和平行與軸線的分矢量，由于對(duì)稱關(guān)系，相互抵消，相互加強(qiáng)。有 （2.7）由（2.7）式可知，線圈在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)，與P點(diǎn)到線圈的距離的三次方成反比，與線圈的半徑成正比。即有如下關(guān)系 （2.8）因?yàn)榇磐?/p>

16、，又上面幾個(gè)式子可以看出，dB與互感M成一次正比關(guān)系。又因?yàn)轳詈舷禂?shù)，可以得出 （2.9）由此式可知，要提高無(wú)線傳能的效率，得要增大耦合線圈的半徑，以及減小線圈之間的距離。 本設(shè)計(jì)采用的是直徑為一毫米的漆包線繞制的線圈，直徑8.5cm，匝數(shù)N=10，L1=21.46uH，L2=21.57uH，R1=630m，R2=678m。 下面的數(shù)據(jù)和圖標(biāo)為實(shí)驗(yàn)所得的，線圈間的耦合系數(shù)與距離的關(guān)系。測(cè)試方法：將初級(jí)線圈接入電感表，次級(jí)線圈兩端用導(dǎo)線接在一起。如下圖 圖2-4兩線圈正對(duì)，移動(dòng)次級(jí)線圈，記錄在不同的距離L下，初級(jí)線圈的電感值，用初級(jí)線圈的原電感值減去有次級(jí)線圈影響時(shí)的電感值，即是此距離下兩個(gè)線圈

17、之間的互感。測(cè)試頻率=180KHz，測(cè)試電壓Vp=1V。表2-1 距離與互感測(cè)試距離cm互感uH耦合系數(shù)距離cm互感uH耦合系數(shù)07.090.332.80.630.0290.25.890.2730.550.0260.44.650.223.40.420.020.63.910.183.80.330.0150.83.110.1440.280.01312.610.124.60.190.0091.22.170.150.160.0071.41.840.0865.50.120.0061.61.530.07160.090.0041.81.310.066.50.070.00321.110.05170.050.0

18、022.40.830.039圖2-5 距離與互感的關(guān)系曲線實(shí)驗(yàn)符合上述理論關(guān)系。2.2.2補(bǔ)償結(jié)構(gòu) 單邊補(bǔ)償分析由于原、副邊線圈存在很大的漏感，所以要提高系統(tǒng)的效率，需要加入適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，減小漏感的能量消耗，使電路工作在諧振的狀態(tài)10 12。 電路的補(bǔ)償有四種結(jié)構(gòu)，分別是初級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償（PS），初級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償(PP)，次級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償(SS)，次級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償(SP)。 圖2-6初級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償PS 等效電路圖圖2-7初級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償PP 等效電路圖圖2-8次級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償SS 等效電路圖圖2-9次級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償SP 等效電路圖各種補(bǔ)償就是在線圈兩端加入合適大小的電容。設(shè)系統(tǒng)的工作頻率不變，初級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償（PS）等效電路如圖

19、2.5所示，C1為加在原邊的補(bǔ)償電容。在這種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)下，阻抗Z1,Z2,Zm可表示為 （2.10） （2.11） （2.12）將2.10，2.11，2.12帶入式2.4，可得 （2.13）分析此式可知，當(dāng)時(shí)，取得最大值，即系統(tǒng)的等量傳輸效率最高。所以，在初級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償下，要使系統(tǒng)的效率最高，初級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償電容應(yīng)取。以同樣的方法，對(duì)其他三種補(bǔ)償進(jìn)行分析，分別可以得到這三種補(bǔ)償?shù)淖罴央娙葸x取值。初級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償（PP），次級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償（SS），次級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償（SP）， 當(dāng)采用初級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償電容與漏感發(fā)生諧振，發(fā)生諧振時(shí)Z1為零，消除了在阻抗Z1上要消耗的大量無(wú)功功率，從而提高了初級(jí)系統(tǒng)的功率因數(shù)，使初級(jí)

20、可以發(fā)射較大線圈。 采用初級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償電容與漏感并聯(lián)諧振，有，也就是，當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，導(dǎo)納為零，阻抗無(wú)窮大。實(shí)際上，因?yàn)榛ジ械拇嬖?，能量?huì)被負(fù)載消耗掉，而電源會(huì)同時(shí)為L(zhǎng)C電路補(bǔ)充能量，但因?yàn)榫€圈見的互感比較小，所以這種方式的功率因數(shù)，比較串聯(lián)補(bǔ)償要低很多，不能發(fā)射很大的功率。 綜上考慮，初級(jí)線圈采用串聯(lián)補(bǔ)償為佳。雙邊補(bǔ)償分析 由于系統(tǒng)的初級(jí)，次級(jí)線圈都有漏感的存在，所以對(duì)雙邊同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，會(huì)有很好的補(bǔ)償效果，能進(jìn)一步提高系統(tǒng)的傳輸效率。 四種雙邊補(bǔ)償結(jié)構(gòu)如下圖。圖2-10 初級(jí)串聯(lián)，次級(jí)串聯(lián)PSSS圖2-11初級(jí)串聯(lián)，次級(jí)并聯(lián)PSSP圖2-12初級(jí)并聯(lián)，次級(jí)串聯(lián)PPSS圖2-13初級(jí)并聯(lián)，

21、次級(jí)并聯(lián)PPSP 當(dāng)采用雙邊補(bǔ)償時(shí)，次級(jí)補(bǔ)償?shù)募尤霑?huì)對(duì)初級(jí)補(bǔ)償參數(shù)的確定產(chǎn)生影響，根據(jù)上文的阻抗公式與分析方法，可以得出四種補(bǔ)償?shù)墓β室驍?shù)。 （2.14） （2.15） （2.16） （2.17）由上面的公式可得出，諧振時(shí)，使系統(tǒng)的效率最大，初級(jí)，次級(jí)應(yīng)選擇的電容值，如下表表2.2 四種補(bǔ)償?shù)碾娙葸x擇公式PSSSPSSPPPSSPPSPC1C2由此表可以看出，當(dāng)線圈間的距離增大時(shí)，線圈的漏感會(huì)增大，那么系統(tǒng)的諧振頻率就會(huì)降低。2.2.3負(fù)載對(duì)傳輸效率的影響 上一節(jié)討論了四種不同的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，在諧振頻率下的效率公式。當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，（2.14）到（2.17）式可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為如下形式。 采用初級(jí)串聯(lián)

22、補(bǔ)償，次級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償時(shí) （2.18）采用初級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償，次級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償時(shí) （2.19）采用初級(jí)并聯(lián)，次級(jí)串聯(lián)時(shí)補(bǔ)償時(shí) （2.20）采用初級(jí)并聯(lián)，次級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償時(shí)（2.21）根據(jù)上面的分析，可知初級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償，比初級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償傳輸效率高，所以下面只考慮初級(jí)串聯(lián)/次級(jí)串聯(lián)PSSS，和初級(jí)串聯(lián)/次級(jí)并聯(lián)PSSP兩種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。對(duì)兩種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的效率公式，用matlab仿真，如下。當(dāng)距離L=0cm時(shí)，互感系數(shù)k=0.33圖2-14 K=0.33時(shí)，效率隨負(fù)載的變化當(dāng)距離L=1cm時(shí)，互感系數(shù)k=0.12圖2-15 K=0.12時(shí)，效率隨負(fù)載的變化當(dāng)距離L=2cm時(shí)，互感系數(shù)K=0.051圖2-16 K=0.051時(shí)，

23、效率隨負(fù)載的變化由這些仿真結(jié)果可以看出，隨著距離的增加，兩種補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的效率都在降低，但共同的特點(diǎn)是，負(fù)載RL小于25歐時(shí)，次級(jí)串聯(lián)補(bǔ)償效率較高，RL大于25歐時(shí)，次級(jí)并聯(lián)補(bǔ)償效率較高。本設(shè)計(jì)采用的是22歐的負(fù)載電阻，所以選用初級(jí)串聯(lián)，次級(jí)串聯(lián)的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，效果會(huì)略好于初級(jí)串聯(lián)-次級(jí)并聯(lián)的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。2.2.4線圈的相對(duì)位置 線圈的相對(duì)位置，極大地影響著線圈之間的互感大小，實(shí)驗(yàn)如下。1.線圈之間的軸心偏移與互感的關(guān)系 圖2-17 軸心偏移示意圖表2-3 軸心偏移與互感關(guān)系測(cè)試線圈間軸心偏移與互感的關(guān)系f=180kL1=23.4uH距離1.5cm軸心偏移cm測(cè)得電感互感uH020.363.040.52

24、0.462.94120.762.641.521.172.23221.551.852.521.951.45322.281.123.522.550.85422.80.64.523.020.38523.150.25 圖2-18 軸心偏移與互感關(guān)系曲線將測(cè)得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為圖，如上圖。根據(jù)所得數(shù)據(jù)，可以得出這樣的結(jié)論：線圈間的互感與軸心間的偏移距離成反比，也就是說(shuō)，要達(dá)到最大的無(wú)線充電效率，就要使兩個(gè)線圈之間的軸心偏移為0。2.線圈之間的軸心偏移與互感的關(guān)系測(cè)試方法：將線圈擺放成一定角度，測(cè)試線圈間的互感圖2-19 線圈夾角示意圖表2-4 旋轉(zhuǎn)角度與互感測(cè)試旋轉(zhuǎn)角度測(cè)得電感互感021.831.573022.

25、261.144522.90.56023.070.339023.40圖2-20 線圈夾角與互感關(guān)系根據(jù)上面的數(shù)據(jù)與圖表可以得出這樣的結(jié)論：在0-90°范圍內(nèi)，線圈的互感與線圈間的夾角成反比。所以如果要達(dá)到最大的無(wú)線充電效率，兩個(gè)線圈要平行放置。2.2.5本章小結(jié) 以上四個(gè)小結(jié)分別討論了影響無(wú)線充電裝置傳輸效率的因素，它們是：相對(duì)位置、補(bǔ)償結(jié)構(gòu)、距離、負(fù)載、頻率。根據(jù)以上的理論分析，可以得出如下結(jié)論： 使無(wú)線充電裝置效率傳輸最大化的條件：1. 兩線圈要平行放置，軸心在一條線上。2. 根據(jù)負(fù)載的大小，選擇合適的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。使系統(tǒng)要工作在諧振頻率上。本設(shè)計(jì)的負(fù)載為22歐功率電阻，選用初級(jí)串聯(lián)-

26、初級(jí)串聯(lián)或初級(jí)串聯(lián)-次級(jí)并聯(lián)均可。3. 傳輸效率會(huì)隨著距離的增大而減小，距離與效率成倒數(shù)關(guān)系。4. 系統(tǒng)的諧振頻率會(huì)隨著距離的增加而減小，所以要根據(jù)距離調(diào)整頻率。第三章 硬件電路的設(shè)計(jì)3.1方波發(fā)生器 本設(shè)計(jì)的方波發(fā)生器采用555芯片實(shí)現(xiàn)14。頻率范圍，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)電位器，可以改變輸出的頻率，并使輸出波形的占空比為50%。NE555芯片的引腳結(jié)構(gòu)圖3-1 555芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3-2 方波發(fā)生器原理圖引腳功能 1-地 2-觸發(fā)3-輸出 4-復(fù)位5-控制電壓 6-門限7-放電 8-電源方波發(fā)生器的電路與工作原理 電路上電時(shí)，電源通過(guò)R1,R2支路給電容C1充電，此時(shí)3腳輸出高電平，當(dāng)C1的電位充

27、至2/3Vcc時(shí)，555內(nèi)部比較器使RS觸發(fā)器輸出低電平，通過(guò)與非門打開放電回路，電容放電，此時(shí)輸出低電平，當(dāng)電容電位放到1/3Vcc時(shí)，比較器使RS觸發(fā)器輸出高電平，放電回路關(guān)閉，電容充電，輸出高電平。實(shí)際電路的充放電波形如下圖。圖3-3 方波發(fā)生器輸出波形與充電波形單個(gè)周期內(nèi)，電路的充電時(shí)間放電時(shí)間輸出的方波頻率為理論上，在保持50%占空比的條件下，R2=0,R3=5K時(shí)，電路輸出的方波頻率最高R2=45K,R3=50K時(shí)，輸出頻率最小但實(shí)際上，輸出頻率最大為220KHz，其主要原因是二極管在高頻下有等效阻抗，降低了充放電的速度。圖3-4 方波發(fā)生器實(shí)際電路圖3.2 功率放大電路 本設(shè)計(jì)的

28、功率放大電路，采用MOS管的H橋?qū)崿F(xiàn)。其功能是可以將+12V直流電壓逆變?yōu)?#177;12V的交流電壓。實(shí)際的設(shè)計(jì)最大可以輸出12W的功率15。H橋逆變電路的設(shè)計(jì)右圖為原理圖 圖3-5 H橋逆變電路H橋的工作原理：如圖，四個(gè)MOS開關(guān)管組成此H橋電路。當(dāng)橋臂1和4導(dǎo)通時(shí)，2和3截至，電流由橋臂1經(jīng)LC電路到橋臂4。當(dāng)橋臂2和3導(dǎo)通時(shí)，橋臂1和4同時(shí)截至，電流經(jīng)由橋臂2、LC到橋臂3。如此循環(huán)，將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，供給LC電路發(fā)射。器件的選擇： 在H橋逆變電路中，對(duì)MOS管的選擇十分關(guān)鍵，MOS管的參數(shù)將影響系統(tǒng)的傳輸效率。對(duì)于本設(shè)計(jì)，好的MOS管要滿足如下條件：1.Vgs正向?qū)?，也就是N溝

29、道的MOS管。2.導(dǎo)通電阻小3.開關(guān)延時(shí)短以下是常用N-channel MOS管的比較表3-1 幾種MOS管的比較型號(hào)導(dǎo)通電阻開關(guān)延遲ns（上升+下降）最大電壓Vds最大電流IdMAX VgsIRF54055毫歐105+70100V22A± 20VIRF8400.85歐37+69500V8A± 20VIRF28042毫歐133+26040V75A± 20VIRF29032.4毫歐124+8530V75A± 20VIRF32058毫歐115+11555V110A± 20VIRFB38131.95毫歐206+9330V260A± 20V

30、經(jīng)比較和篩選，及考慮成本因素，最終選用了IRF3205，作為H橋的開關(guān)器件。IRF3205是IR公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款低阻抗，快速開關(guān)管。其主要性能如下16。 1.導(dǎo)通電阻 8豪歐2.工作范圍-55到175攝氏度3.極快的開關(guān)速度：開延時(shí)14nS,上升時(shí)間101nS,關(guān)延時(shí)50nS,下降時(shí)間65nS驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 如果僅僅用前端電路產(chǎn)生的方波驅(qū)動(dòng)H橋的開關(guān)管，會(huì)出現(xiàn)以下問題：當(dāng)高端橋臂導(dǎo)通時(shí)（1或2橋臂），由于負(fù)載的存在，S極的點(diǎn)位將被抬升與G相同，那么此時(shí)Vgs=0，導(dǎo)致高端橋臂不能持續(xù)導(dǎo)通，所以需要加入驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)芯片IR211017 驅(qū)動(dòng)芯片選擇的是IR2110，其主要參數(shù)如下1.最高耐壓

31、500V2.G級(jí)驅(qū)動(dòng)10-20V3.驅(qū)動(dòng)保護(hù)，防止同側(cè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通而短路。4.邏輯電平范圍3.3V-20V圖3-6 H橋的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路工作過(guò)程： 方波發(fā)生其產(chǎn)生的方波電流，輸出后分成兩路，一路送給第一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片，作為邏輯電平輸入，另一路經(jīng)過(guò)反相器CD4069反相后，輸入到第二個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片，作為邏輯電平輸入。兩路信號(hào)一正一反，使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片交替導(dǎo)通H橋的兩路橋臂。完成直流到交流的逆變。實(shí)際效果圖：圖3-7 H橋逆變電路的輸出波形（左圖為雙端波形，右圖為單端波形）圖3-8 驅(qū)動(dòng)芯片輸出波形 圖3-9 線圈發(fā)射波形3.3接收端電路 本設(shè)計(jì)的接收端電路設(shè)計(jì)原理圖如下圖3-9 接收端電路圖1.LC采用串聯(lián)補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)。2.補(bǔ)償電容C8選用333的聚苯電容，這種電