无线功率传输的便携性设备应用

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。