畢業(yè)設計--智能家居環(huán)境檢測與監(jiān)控系統(tǒng)的設計

1、<p>　　畢業(yè)設計（ 論 文）說明書</p><p>　　論文題目 智能家居環(huán)境檢測與監(jiān)控系統(tǒng)的設計 </p><p>　　學 號 </p><p>　　學生姓名

2、 </p><p>　　專業(yè)班級 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　總評成績

3、 </p><p>　　2015 年 6月 4 日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要II</b></p><p>　　AbstractIII</p><p><b&g

4、t;　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 無線電力傳輸背景、目的和意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 無線電能傳輸方式3</p><p>　　1.4 解決的主要問題和達到的技術要求4</p><p>　　1.5 各章節(jié)安排4<

5、;/p><p>　　第二章 無線電能傳輸?shù)睦碚摲治?</p><p>　　2.1 電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的理論基礎6</p><p>　　2.2 電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的工作原理7</p><p>　　2.3 電磁諧振耦合電能無線傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)構成8</p><p>　　2.4 本章小結(jié)8</p

6、><p>　　第三章 磁耦合無線供電傳輸特性分析9</p><p>　　3.1磁耦合諧振式無線供電影響因素分析9</p><p>　　3.2磁耦合諧振回路的影響9</p><p>　　3.3品質(zhì)因數(shù)的影響10</p><p>　　3.4諧振頻率對整個系統(tǒng)的影響10</p><p>　　3.

7、5 本章小結(jié)11</p><p>　　第四章 無線電能傳輸系統(tǒng)電路設計12</p><p>　　4.1耦合諧振式無線供電傳輸系統(tǒng)總體構架12</p><p>　　4.2發(fā)射回路的設計12</p><p>　　4.3接收回路的設計18</p><p>　　4.4本章小結(jié)20</p><p&

8、gt;<b>　　總 結(jié)21</b></p><p><b>　　致 謝22</b></p><p><b>　　參考文獻23</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，越來越多的電源連接線開始

9、困擾人們的生活，而電磁諧振耦合無線電能傳輸技術正可以很好解決對距離有較高要求的這類問題。電磁諧振耦合無線電能傳輸技術是近幾年剛被提出的無線電能傳輸技術，它依靠近電磁場中近區(qū)場和諧振線圈的強耦合實現(xiàn)了電能的中程距離的高效傳輸。它改善了傳統(tǒng)無線電能傳輸中技術中距離跟效率之間的不足，具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。</p><p>　　本文首先運用耦合模理論，通過借用 LC 諧振回路方程，結(jié)合耦合模理論分析了在有無

10、損耗情況下電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)兩諧振線圈之間能量傳輸關系。然后論文詳細介紹了電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)各部分電路的選型和設計，主要包括發(fā)射電路、傳輸電路和接收電路三大部分。由于諧振線圈對頻率精度要求較高，因此以信號發(fā)生器作為信號源，利用 E 類功放對其功率進行放大，同時介紹了 E類功放的設計方法；接下來對傳輸電路中諧振線圈的設計進行了介紹，常用線圈的主要形狀可分為螺旋型與平面型，本系統(tǒng)選用螺旋線圈，同時分析了諧振線圈的損耗、分

11、布參數(shù)等；最后針對接收電路中整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路的選擇都做了詳細介紹。 </p><p>　　關鍵詞：無線電能傳輸；諧振耦合；諧振頻率；功率放大；頻率分裂 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the rapid development of electronic products, mo

12、re and more Power cable began to </p><p>　　plague the lives of people, the electromagnetic resonant coupling wireless power transmission technology can solve this problem of higher requirements is the distan

13、ce. The electromagnetic </p><p>　　resonant coupling wireless transmission technology is a new type of wireless transmission technology, which utilizes non-radiated magnetic field of the near field coupling

14、 and the resonance principle to realize the distance to the mid-range and effective transfer of electrical energy. It overcomes the disadvantages of traditional wireless power transfer and has important research value a

15、nd broad application prospects. </p><p>　　Firstly, the paper uses the coupled mode theory, with the decoupling of the LC resonant circuit equation analysis of the relationship between the energy conversion

16、between two resonant coil magnetic resonance coupling wireless power transmission system. The ratio of the coupling coefficient and the coil loss determines the strength of the coupling between the coils, the greater th

17、e loss of energy exchange between the smaller the value of coil. Finally, we use the wireless power transmission sy</p><p>　　Keywords:wireless power transmission;resonant coupling; resonant frequency, power

18、amplifier;frequency splitting </p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 無線電力傳輸背景、目的和意義</p><p>　　無線供電技術一直是人類研究的熱門話題，主要是以非接觸的方式對供電設備進行電能傳輸。與傳統(tǒng)的有線供電相比，它避免了用電設備之間主要通過導線連接獲取能量過程中

19、產(chǎn)生電火花、導線裸露、磨損等不安全供電因素。無線供電技術的出現(xiàn)為一些特殊場合：比如，密封環(huán)境、旋轉(zhuǎn)部件、水下監(jiān)測等的供電開辟了新的供電途徑；同時開拓了在感應電動汽車、高速磁懸浮列車饋電、醫(yī)療設備、消費電子及傳感器網(wǎng)絡等方面的應用。隨著無線供電技術理論的不斷成熟和實驗研究的不斷深入，將會出現(xiàn)大量新的應用領域及相關的產(chǎn)品，為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和人類日常生活提供了極大的方便。因此，對該技術的研究具有良好的研究意義和應用價值。</p>

20、<p>　　無線供電技術經(jīng)歷了從理論假設構想到實踐應用的過程，對無線供電的研究可以追溯到十九世紀九十年代，當時是由美國科學家尼古．特拉斯根據(jù)其研究搭建了第一個無線電波傳輸試驗系統(tǒng)，試圖把能量傳輸?shù)绞澜绺鞯?，為人類的生活起居提供照明。到后?1968年美國工程師提出了一種使用微波電能傳輸技術的太陽能發(fā)電衛(wèi)星。該技術能利用無限的太陽能通過微波或激光傳輸轉(zhuǎn)換成為地面人類所能利用的電能。20 世紀80 年代后期，由加拿大團隊提出了 S

21、HARP 研究項目，試圖建立一個用于轉(zhuǎn)接遠距離無線通信信號的長時間漂浮高空平臺，并得到了一定的應用。針對上述無線供電研究尚未成熟及能量傳輸?shù)娜秉c：方向的不定性、效率較低、傳輸距離的限制、穿越障礙物的限制及對周圍人和動物磁輻射較大，于是在 2006 年 11 月在美國物理學會工業(yè)物理論壇上首次正式提出了磁耦合諧振式無線能量傳輸技術，理論性分析了該技術在實現(xiàn)中距離能量傳輸?shù)目赡苄?，并?2007 年 6 月由 MIT 的（Soljacic）

22、教授所領導的研究團隊，成功地完成了在 2.74米外，點亮一只功率為 60 瓦特的燈泡實驗</p><p>　　目前，無線供電技術在很多領域都有了廣泛的應用，主要體現(xiàn)： </p><p>　?。?）在傳動轉(zhuǎn)軸部件上的應用：船舶柴油機曲軸、列車及現(xiàn)代汽車等的傳動軸上都要通過傳感器檢測正常工作時的壓力、溫度、扭矩等參數(shù)，對傳感器芯片供電若采用傳統(tǒng)的有線傳輸方式將很難實現(xiàn)，而無線供電卻能良好的解決

23、這一難題。 </p><p>　?。?）在消費電子產(chǎn)品領域：無線供電技術能給人類日常生活消費電子產(chǎn)品帶來極大方便，一般應用于小功率產(chǎn)品，比如：手機、筆記本、MP3 隨身聽、溫度傳感器、助聽器、藍牙耳機、電動牙刷，甚至汽車零部件和醫(yī)療儀器等。 </p><p>　?。?）在生活醫(yī)療領域：目前無線供電技術在醫(yī)療方面的應用主要有：人造器官、心臟起搏器、人工耳蝸、助聽器、醫(yī)用體內(nèi)微型機器人、人造耳

24、等，它避免了傳統(tǒng)植入電池對體內(nèi)電子設備進行供電的各種不便及缺點（如電池的更換、取出和植入存在的傷口感染隱患等）。此外，在植入式醫(yī)療手術中利用外部電源無線供電不僅能為植入式醫(yī)療電子設備進行高效供電，而且配合無線射頻技術還能有效的對電子設備進行檢測和控制，還能大大減輕移植手術病人的痛苦，提供更舒適、安全的醫(yī)療質(zhì)量。因此，無線電技術在醫(yī)療領域?qū)兄鴱V泛的應用前景。 </p><p>　　（4）在交通運輸領域：對交通工

25、具的節(jié)能、綠色環(huán)保、電氣及自動化一直是人類研究的夢想，無線供電技術是最佳的選擇方案。隨著無線供電技術相關理論的不斷發(fā)展和科研實驗的不斷深入，目前已經(jīng)在高鐵懸浮磁列車、城市公交、電動車等交通領域有所建樹。比如，日本國土交通省于 2009 年 10 月在奈良市，就針對充電式混合動力巴士組織過兩次實際應用實驗；2010 年 3 月在韓國首爾一座游樂園內(nèi)試運行一種新型電車，這種電車在鋪有電感應條的路面上行駛時可“無線充電”，不像傳統(tǒng)電車需通過路

26、軌或車頂電線獲得電能。</p><p>　　（5）在新型無線傳感器網(wǎng)絡領域：隨著工業(yè)、醫(yī)療、生物學等領域?qū)o線傳感器網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，需要在檢測區(qū)域內(nèi)部署大量的微型傳感器，并把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息，通過全局、自組織網(wǎng)絡傳輸給觀測者。無線供電技術解決了上述對大量傳感器芯片的供電。 此外，這種新興的無線供電技術不受周圍惡劣環(huán)境及天氣的影響，能有效解決海底石油、油田礦井、水下探測、及天然氣生產(chǎn)設備的供電；與此同時，無線供

27、電技術也存在一些不足，比如：傳輸功率較小不能滿足大功率輸出，目前只能達到 kW 級別，傳輸距離及效率還不太理想。另外，在無線供電過程中，磁輻射對周圍環(huán)境是否造成傷害尚不明確，且對于大功率、長距離供電的研究成本較高。但隨著技術的不斷更新和科研員不懈的努力，相信無線供電技術會不斷發(fā)展并取得重大的突破，逐步取代傳統(tǒng)的有線電能傳輸。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　

28、1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 </p><p>　　麻省理工學院（MIT）的研究小組，于2007年運用磁諧振耦合技術式實現(xiàn)了電能在中等距離（米級）的無線傳輸。在圖所示的實驗中，發(fā)射和接收諧振線圈是兩個參數(shù)相同的螺旋線圈。線圈直徑600mm、線圈線徑為3mm、線圈匝數(shù)為5.25圈、匝間距為38mm。在其諧振頻率9.90MHz情況下，兩個線圈相距2m時，能量傳輸效率約40％；而兩個線圈相距1m時，能量傳輸效率為90％。&

29、lt;/p><p>　　西雅圖Intel實驗室的研究小組，于2008年8月，運用諧振耦合技術研制出能夠為小電器充電的無線傳輸裝置。改實驗小組，研制的另一個電磁諧振耦合無線傳輸裝置能在相距1m時，點亮一個60W的燈泡，效率為75%</p><p>　　美國匹茲堡大學的課題組從2008年開始，就已經(jīng)對體內(nèi)植入電子器件的無線傳能傳輸技術進行了深入研究，匹茲堡大學的無線電能傳輸實驗，在傳輸裝置相距20

30、cm時，傳輸效率為50%。</p><p>　　日本富士通公司，在2010年運用電磁諧振耦合無線電能傳輸技術可以為多個設備進行充電。該實驗裝置對充電器和設備之間的相對位置沒有任何限制，無線傳輸距離為15cm左右，特別振奮人心的是，手機運用該裝置充電時的充電時間只相當于當前有線充電技術充電時間的0.5%。</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 </p><p>

31、;　　國內(nèi)在這方面的研究起步雖然較晚，但是也取得了一定的研究成果。哈爾濱工業(yè)大學用串接電容的方式，制作了直徑為50cm的LC 諧振器，此實驗裝置在相距0.7m時，能傳輸23W的能量，傳輸效率為50%。</p><p>　　重慶大學的課題組，有一套完整的理論體系，其研制出的無線電能傳輸裝置，可以傳輸600W到1000W的電能，最高傳輸效率為70%。是該課題組制造的最具有代表性的無線供電小車。</p>

32、<p>　　華南理工大學的課題組設計制作了多組諧振耦合無線電能傳輸裝置，這些傳輸裝置的參數(shù)都不相同，通過對這幾組無線電能傳輸裝置進行比較試驗，對諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的線圈尺寸以及距離與傳輸效率之間的關系；設計出了頻率跟蹤系統(tǒng)，解決了電磁諧振耦合電能無線傳輸中諧振頻率失諧的問題。</p><p>　　國內(nèi)南理工大學由張波教授牽頭的課題組利用電路分析理論，建立諧振耦合合無線電能傳輸系統(tǒng)的電路模型，利用所

33、建模型分析了距離、線圈尺寸等因素與諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)輸出功率及效率之間的關系；改變線圈的半徑、線徑等參數(shù)進行對比試驗得到諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)最優(yōu)輸出性能的條件；設計頻率跟蹤系統(tǒng),讓系統(tǒng)始終工作在諧振頻率以保證系統(tǒng)的輸出功率及效率。哈爾濱工業(yè)大學對諧振耦合無線電能傳輸也進行了研究，朱春波教授采用電容與直徑50cm的空心銅線圈串接的方式構成諧振線圈，將23W的能量傳輸?shù)骄嚯x發(fā)射線圈0.7m的地方，其獲得的最高系統(tǒng)效率為50%。香港

34、理工大學無線電能傳輸技術課題組在傅為農(nóng)教授帶領下，深入對比研究了感應耦合無線電能傳輸技術和諧振耦合無線電能傳輸技術。他們設計并且制作了平面薄膜諧振器，通過對比實驗，感應耦合無線電能傳輸技術傳輸距離較近，利用諧振頻率5.5MHz的諧振器傳輸能量時在發(fā)射諧振器和接收諧振器相距20cm時，傳輸效率為46%,然而如果利用感應耦合傳輸方式僅能在0.5cm實現(xiàn)相同的傳輸效果。</p><p>　　1.3 無線電能傳輸方式 &

35、lt;/p><p>　　尼古拉·特斯拉在1990年就已經(jīng)開始進行了無線電能傳輸試驗。雖然特斯拉并沒有完成他實現(xiàn)電能無線傳輸?shù)膫ゴ罄硐?，但是無線電能傳輸技術卻沒有停止發(fā)展的腳步，現(xiàn)有的無線電能傳輸方式主要有三種：電磁感應方式、電磁諧振耦合方式和微波方式。</p><p>　　1.3.1 電磁感應式無線電能傳輸 </p><p>　　電磁感應式無線電能傳輸技術利用

36、可分離變壓器的原理，運用電磁感應耦合來實現(xiàn)電能的無線傳輸。首先將輸入的能量通過整流濾波轉(zhuǎn)換成直流電，再通過高頻逆變把直流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電，把能量傳給原邊；其次電能通過感應耦合由原邊傳給副邊，最后通過副邊補償和整流濾波輸出直流電。由于可分離變壓器的耦合性能對系統(tǒng)的傳輸效率有著巨大的影響。而傳輸距離會直接影響耦合性能，從而影響其傳輸?shù)男?。傳輸距離越大，耦合系數(shù)就越小，系統(tǒng)能量傳輸效率越低。因此，電磁感應式無線電能傳輸技術只適用于近距離的

37、能量傳輸，傳輸距離一般為幾到幾十毫米。</p><p>　　電磁感應式無線電能傳輸技術是目前三種無線電能傳輸方式中技術度最成熟的一種電能無線傳輸方式。國內(nèi)已有高校和企業(yè)對電磁感應式無線電能傳輸技術進行了深入的研究，重慶大學和海爾集團已經(jīng)合作研制了一些電子產(chǎn)品的樣機；而國外已經(jīng)開始運用到一些小型的電子產(chǎn)品中，如手機和MP3等移動產(chǎn)品。但是，該技術傳輸距離太近，所以至今仍未得到普及。</p><p

38、>　　1.3.2 電磁諧振耦合無線電能傳輸 </p><p>　　電磁諧振耦合無線電能傳輸技術是由麻省理工學院（MIT）的研究小組于2007 年，在美國物理學會上首次提出的新型無線電能傳輸技術。他們在相距兩米遠的距離，“隔空”點亮了一個60W燈泡；傳輸效率達到40%至50%，在距離相距1時的傳輸效率為百分之九十。</p><p>　　電磁諧振耦合無線電能傳輸技術的理論基礎是“耦合模理

39、論”。假如能量發(fā)射裝置與接收裝置的諧振頻率相同，并且激發(fā)發(fā)射器在這個特定的諧振頻率下產(chǎn)生交變磁場，發(fā)射裝置在這個交變磁場下先產(chǎn)生自諧振，并產(chǎn)生相同頻率的交變磁場，當接收裝置靠近發(fā)射裝置時，也會產(chǎn)生自諧振，接收裝置不斷集聚能量并傳給負載，這樣就實現(xiàn)了能量的無線傳輸。</p><p>　　該技術運用了諧振技術，可以實現(xiàn)能量在中等距離的高效傳輸。在中等距離的無線電能傳輸領域中有著廣闊的應用前景。</p>

40、<p>　　1.3.3 微波無線電能傳輸</p><p>　　微波無線電能傳輸技術，就是在自由空間，利用微波把電能從發(fā)射端傳到接收端。其傳輸示意，直流電先經(jīng)過微波轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成為微波，再由天線發(fā)射出去；接收天線再從這些攜帶能量的微波中吸收能量，最后通過微波轉(zhuǎn)換裝置再轉(zhuǎn)換成需要的直流電。該技術的主要優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)大功率的無線能量傳輸。但是微波在空氣中傳輸?shù)倪^程中，能量衰減非常迅速，傳輸效率低；所以此技術一

41、般只能在太陽能發(fā)電站、微波飛機、衛(wèi)星等特殊領域中應用。</p><p>　　1.4 解決的主要問題和達到的技術要求</p><p>　　電容和電感線圈在高頻下都有高頻效應，電磁諧振耦合電能無線傳輸中諧振頻率失諧問題，發(fā)射線圈與接收線圈的品質(zhì)因數(shù)問題，如何在大氣隙下盡可能提高兩磁耦合線圈耦合系數(shù)，保證接收線圈能獲得盡量多的磁場，尤其是當發(fā)射線圈和接收線圈發(fā)生提高和偏移時。</p>

42、<p>　　1）關鍵技術之一是發(fā)射、接收線圈的形狀、安裝位置和參數(shù)的設計。要盡量保證接收線圈能夠與發(fā)射線圈磁路耦合系數(shù)最大化。</p><p>　　2）關鍵技術之二是傳輸電路的設計。分離式變壓器又稱松耦合變壓器，其中，初級與次級線圈間存有較大的空氣間隙，因此其耦合系數(shù)較小，有較大的漏磁，故電壓增益降，傳輸效率低。</p><p><b>　　1.5 各章節(jié)安排<

43、;/b></p><p>　　第一章緒論首先介紹了無線電能傳輸技術的產(chǎn)生背景，接著闡述了目前主要研究了三種無線電能傳輸技術以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，通過對比了解到諧振耦合無線電能傳輸技術在中程距離上傳輸距離和效率上有較大優(yōu)勢，有著比較好的應用前景。最后介紹了本文的研究目的、意義以及主要研究內(nèi)容。</p><p>　　第二章磁耦合諧振式無線供電基本原理分析及模型建立，詳細論述了磁耦合諧振式

44、無線供電技術的基本原理和傳輸機理，根據(jù)已有的無線供電系統(tǒng)組成建立了其等效電路模型，最后闡述了磁耦合諧振式無線供電系統(tǒng)工作的基本原理，即相同的諧振體之間通過磁場耦合進行能量的無接觸傳遞。 </p><p>　　第三章磁耦合諧振式無線供電技術傳輸特性研究，主要根據(jù)磁耦合諧振式無線供電系統(tǒng)的電路原理圖，推導研究出影響系統(tǒng)傳輸效率、輸出功率及傳輸距離的主要因素（比如：諧振回路補償結(jié)構的選擇、諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)、諧振電容、

45、電感、線圈參數(shù)、負載等），并詳細地通過理論和實驗結(jié)合的方法分析了各因子與系統(tǒng)傳輸效率、輸出功率及傳輸距離的關系。</p><p>　　第四章磁耦合諧振式無線供電技術傳輸系統(tǒng)實驗裝置研究，主要完成對磁耦合無線供電系統(tǒng)實驗裝置設計，分析了各個環(huán)節(jié)設計原理及步驟，其中詳細研究了高頻逆變部分的設計和選型。</p><p>　　第二章 無線電能傳輸?shù)睦碚摲治?lt;/p><p>

46、　　2.1 電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的理論基礎 </p><p>　　電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的基本理論是麥克斯韋電磁場理論，下面將從理論出發(fā)分析電磁諧振耦合無線電能傳輸過程中磁場的傳播途徑和方式。麥克斯韋電磁場理論認為運動著的電荷或者交變的電場在其周圍能夠產(chǎn)生磁場；而交變的磁場又能夠產(chǎn)生電場。圖2.1是螺旋線圈周圍磁場的分布圖，H表示磁場強度，當螺旋線圈中通過交變電流時它的周圍將產(chǎn)生交變磁場。離中心線圈

47、越近，磁場強度H越大。</p><p>　　圖2.1 螺旋線圈周圍磁場分布圖</p><p>　　將發(fā)射線圈看作是高頻發(fā)射源，x為接收線圈到發(fā)射線圈中心的距離，分析傳輸系統(tǒng)兩個線圈周圍磁場的分布情況，如圖2.2所示。在這里,將高頻發(fā)射源周圍的磁場分為兩大部分，既近場區(qū)和遠場區(qū)。近場區(qū)為距發(fā)射線圈中心λ/2π（λ為電磁波波長）的距離，遠場區(qū)為λ/2π到無窮遠的距離。磁場強度和電場之間在近場區(qū)

48、范圍內(nèi)沒有明確的比例關系，但這兩者之間在遠場區(qū)范圍卻有比例關系。通常情況下，高電壓小電流的場合，電場強度遠大于磁場強度；而在低電壓大電流的場合，磁場強度遠大于電場強度。 </p><p>　　圖 2.2 近場和遠場區(qū)域的劃分 </p><p>　　在近場區(qū)電磁場的能量基本上在發(fā)射與接收端之間周期性的來回流動；但是在遠場區(qū)電磁場強

49、度會逐漸減弱，衰減速率隨著距離的增大越來越快，電磁場波如果進入遠場區(qū)將不能再返回對線圈產(chǎn)生諧振作用。 </p><p>　　電磁場在近場區(qū)較強,而在遠場區(qū)較弱。距離發(fā)射線圈中心λ/2π的范圍內(nèi)為系統(tǒng)傳輸電能的有效區(qū)域,超出這個區(qū)域傳送電能的能力就非常弱，所以電磁諧振耦合電能無線傳輸系統(tǒng)的傳輸距離范圍主要是在近場區(qū)。</p><p>　　2.2 電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的工作原理 <

50、;/p><p>　　如同聲音的諧振、鐘擺的運行諧振都是廣泛存在于自然界的物理現(xiàn)象，我們統(tǒng)稱為諧振。在這么多諧振中，電磁諧振耦合無線電能傳輸技術利用的是電路中的諧振。依據(jù)耦合模理論，假如物體m由外界驅(qū)動產(chǎn)生振動，并和物體n（可能是多個體）產(chǎn)生諧振。</p><p>　　假設只有兩個物體相互諧振，即發(fā)射線圈S和接收線圈D；κ為耦合系數(shù)；假如接收線圈直接和負載相連，則接收線圈D的衰減率中包括其本身的

51、衰減率Γ1和由負載引起的附加衰減率Γ2，所以接收線圈總的衰減率為Γ1 = Γ1 + Γ2，而發(fā)射線圈的衰減率表示為Γ3。在這里我們定義傳輸效率為負載所獲得的能量和諧振源所提供能量的比值，根據(jù)耦合模理論，可知，當兩個線圈同時達到完全共振時，這時傳輸效率η將達到最大值。</p><p>　　在電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)中，究竟是如何利“諧振”來實現(xiàn)能量的傳輸，下面就以MIT實驗室的能量傳輸實驗系統(tǒng)為例進行說明，如圖

52、2.3所示。 </p><p>　　圖2.3 強磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)原理示意圖</p><p>　　圖中，A是發(fā)射電路，S是發(fā)射線圈，D是接收線圈，B是負載電路。發(fā)射電路作為激勵源，產(chǎn)生高頻的磁場，為系統(tǒng)提供高頻信號。需要特別說明的是A、S、D、B具有相同的固有頻率。首先由發(fā)射電路A產(chǎn)生高頻磁場，S在高頻磁場下發(fā)生諧振，此時發(fā)射諧振線圈S與接收諧振線圈D在諧振頻率下發(fā)生強磁耦合

53、諧振，最后，接收線圈D再通過耦合把能量傳遞給負載回路B。所以上述能量的傳輸過程是由A傳遞到S，再由S傳遞到D，最后由D傳遞給B，這就是電磁諧振耦合無線電能傳輸?shù)恼麄€過程。</p><p>　　一般情況下，相隔一定距離的兩個電磁系統(tǒng)之間只是弱耦合，但是假如兩個系統(tǒng)自身固有諧振頻率相同，它們就能夠在這個諧振頻率下產(chǎn)生強電磁諧振。電磁諧振耦合無線電傳輸正是利用此原理，當發(fā)射端以某一特定頻率發(fā)出能量時，如果接收端的自諧振

54、頻率與這個特定頻率一樣時，就會產(chǎn)生諧振，線圈回路的阻抗達到最小值，此時發(fā)出的能量大部分都傳給了接收端。</p><p>　　通過以上的描述，我們總結(jié)出電磁諧振耦合無線電能傳輸?shù)幕驹砥鋵嵕褪请姶鸥袘?。電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的兩個線圈在同一個頻率下自諧振，產(chǎn)生以諧振線圈為中心的時變磁場，兩個諧振線圈之間通過時變磁場不斷的進行能量交換，這樣就實現(xiàn)了電能的無線傳輸。</p><p>

55、　　2.3 電磁諧振耦合電能無線傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)構成</p><p>　　電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)包括發(fā)射端和接收端兩大部分。發(fā)射端包括發(fā)射線圈和高頻逆變電路；接收端包括接收線圈、整流濾波電和負載。</p><p>　　頻逆變、諧振耦合、整流濾波是電磁諧振耦合無線電能傳輸需要解決的三個關鍵技術。下面就從這三個方面對系統(tǒng)的主要部分進行大體的介紹。</p><p>&

56、lt;b>　?。?）髙頻逆變技術</b></p><p>　　電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)中，高頻逆變基本都是將直流電壓（電流）逆變成高頻電壓（電流），然后給發(fā)射線圈提供高頻正弦波電流。</p><p>　　電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的高頻逆變器還需要滿足：1）開關管應該工作在高頻狀態(tài)下，0.5-25MHz是諧振耦合式無線電能傳輸系統(tǒng)的典型頻率范圍；2）輸出的高頻電流應

57、是具有較低波形畸變度的正弦波電流，這樣可以減小空心線圈集膚效應以及對環(huán)境的電磁干擾；3）盡量控制并降低高頻逆變部分的損耗，這樣可以提高整個系統(tǒng)的效率。</p><p><b>　　（2）諧振耦合技術</b></p><p>　　發(fā)射線圈和接收線圈的諧振耦合是實現(xiàn)電能無線傳輸?shù)幕A，是電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)中最核心的部分。兩個具有相同特定諧振頻率的空心線圈，當這個

58、特定諧振頻率的高頻交變電流通過發(fā)射線圈時，發(fā)射線圈會向其周圍發(fā)射電磁能量，此時接收線圈與發(fā)射線圈產(chǎn)生共振，接線圈中會產(chǎn)生相同頻率的感應電流。</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié) </b></p><p>　　本章首先從物理學的角度對電磁諧振耦合無線電能傳輸進行了理論分析，將電磁場劃分為近區(qū)磁場和遠區(qū)磁場,分析得出系統(tǒng)的傳輸范圍主要在近區(qū)磁場。其次，介紹了電磁

59、諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的工作原理，即系統(tǒng)的兩個線圈在同一個頻率下自諧振，產(chǎn)生以諧振線圈為中心的時變磁場，兩個諧振線圈之間通過時變磁場不斷的進行能量交換，這樣就實現(xiàn)了電能的無線傳輸。最后本章還介紹了電磁諧振耦合無線電能傳輸?shù)南到y(tǒng)結(jié)構，并對其關鍵技術：高頻逆變技術、諧振耦合技術進行了簡要介紹。</p><p>　　第三章 磁耦合無線供電傳輸特性分析</p><p>　　磁耦合諧振式無線供電比

60、傳統(tǒng)的有線供電更復雜，且傳輸效率也很容易受到外界的干擾。由于整個無線能量傳輸系統(tǒng)中，各個模塊是高度相關聯(lián)的，它們自身的特性都將會對整個系統(tǒng)的傳輸效率造成影響。因此，設計一個可靠性的無線供電系統(tǒng)，需要對其傳輸特性進行研究分析。 </p><p>　　對整個無線電能傳輸系統(tǒng)來說，能影響其傳輸效果的主要是對傳輸電能進行變換的部分，主要分為：高頻逆變部分及控制和驅(qū)動電路、耦合發(fā)射和接收線圈部分、諧振電容補償部分。下面將一

61、一研究這些系統(tǒng)傳輸特性的影響因子。</p><p>　　3.1磁耦合諧振式無線供電影響因素分析 </p><p>　　1）等效電路的核心是反射阻抗的概念，反射阻抗的大小與兩耦合回路間耦合電抗 ωM的平方成正比，與耦合回路本身的阻抗成反比。 </p><p>　　2）反射阻抗的性質(zhì)是當耦合回路的阻抗為電感性時，對另一回路的反射阻抗為電容性；當耦合回路的阻抗為電容性時，

62、對另一回路的反射阻抗為電感性；回路阻抗為電阻性時，對另一回路的反射阻抗也為電阻性，反射電阻恒為正值。</p><p>　　3）耦合發(fā)射等效電路是在耦合發(fā)射回路中增加了一個反射阻抗 Δ Z；耦合接收等效電路是在耦合接收回路中增加了一個反射阻抗Δ Z和一個等效電壓。雖然發(fā)射和接收</p><p>　　回路沒有直接連接，但因為線圈間的磁耦合作用，使閉合的接收電路增加了一個反射電壓從而產(chǎn)生了電流I

63、 。這個電流反過來又影響著發(fā)射回路中的電流和電壓。反射電阻 Δ R的符號是正的，所以，它所吸收的功率就代表發(fā)射回路通過磁耦合的作用向接收回路輸送的功率。也就是說，由于反射電阻的存在，使電源供給的功率變?yōu)镻 = (R+ΔR)</p><p>　　。其中R為原發(fā)射回路消耗的功率，則ΔR是反射電阻消耗的功率．它就是接收回路電阻及負載電阻所消耗掉的功率之和。</p><p>　　若改變發(fā)射和接收回

64、路間的耦合系數(shù)M ，使反射電阻ΔR等于初級回路電阻R，則ΔR上可獲得最大功率，也就是接收回路上獲得最大功率，從而使負載R 上獲得功率也提高。 </p><p>　　3.2磁耦合諧振回路的影響</p><p>　　在電路中，只有純電阻才消耗能量，而電路中的電容、電感只是完成電場能和磁場能的相互轉(zhuǎn)化，并不消耗能量，但是磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)一般工作在高頻狀態(tài)下，且當輸入電壓或輸入電流恒定

65、時，電路中的電抗必然會消耗大量的無功功率，并且回路中電流也會增大，從而導致電能在傳輸過程中損耗較多，能量傳輸效率也會降低。針對上述情況，可引入補償電容使電路發(fā)生電路諧振來解決上述存在的問題，主要在于電路發(fā)生諧振時，可使電容和電感上消耗的無功功率近似為0。</p><p>　　根據(jù)接收和發(fā)射諧振回路電容補償方式不同，可分為：串-串（SS），串-并（SP），并-串（PS）和并-并（PP）4 種結(jié)構。 </p&g

66、t;<p>　　為了提高系統(tǒng)輸出功率，可以對接收回路采取串聯(lián)或并聯(lián)補償?？紤]到本論文研究的是小功率輸出，負載為 20w 的燈泡，其工作時等效電感小，基本呈純電阻性，對反射阻抗、諧振電路影響小，滿足并聯(lián)補償特點。所以本實驗設計中，對接收回路采用并聯(lián)諧振補償。 </p><p>　　當發(fā)射回路串聯(lián)諧振補償時，C1 的值與負載 R0 無關，不會隨負載變化而波動，而當發(fā)射回路并聯(lián)諧振補償時，補償電容 C1

67、的大小與負載有關，會跟隨負載而變化，因此為了考慮能量傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)控制部分的設計，本實驗設計中對發(fā)射回路采用串聯(lián)補償結(jié)構。</p><p>　　3.3品質(zhì)因數(shù)的影響 </p><p>　　在無線能量傳輸過程中，品質(zhì)因數(shù)是一個極其重要的參數(shù)。在電磁學理論中，通常根據(jù)電路參數(shù)，將品質(zhì)因數(shù) Q 定義為儲能元件所儲能量與耗散能量之比，通常 Q 值越高，諧振回路的選擇性越高。</p

68、><p>　　綜上所述，當電路工作于諧振狀態(tài)時，回路品質(zhì)因數(shù)和線圈間耦合系數(shù)越大，系統(tǒng)傳輸效率越高。但考慮到無線供電的傳輸距離和實驗裝置中元器件本身的電路特性影響，線圈間的耦合系數(shù)和回路品質(zhì)因數(shù)會被限制在一定的范圍內(nèi)，同時實驗結(jié)果也會與理論分析結(jié)果略有偏差。因此，在具體的實驗過程中想要獲得較高的傳輸效率，需要選擇合適的回路品質(zhì)因數(shù)。 </p><p>　　3.4諧振頻率對整個系統(tǒng)的影響 <

69、;/p><p>　　諧振頻率對于磁耦合諧振式系統(tǒng)的能量傳輸有著很大的影響。在無線能量傳輸系統(tǒng)</p><p>　　中，是利用諧振式耦合原理進行電能的無線傳輸，諧振頻率包括耦合發(fā)射和接收回路自諧振頻率以及開關管驅(qū)動頻率。電路工作過程中主要通過調(diào)節(jié)逆變電路的驅(qū)動頻率使發(fā)射和接收回路到達諧振狀態(tài)，通過研究發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)正常工作過程中高頻驅(qū)動頻率一般略小于耦合線圈的諧振頻率。接下來研究諧振頻率對整個系統(tǒng)的影

70、響（主要針對負載吸收功率和系統(tǒng)的傳輸效率而言）。 </p><p>　　負載功率隨著輸入電壓增加呈現(xiàn)上升的趨勢，而負載獲得最大功率值是在電路頻率的某個點上，實際上也就是說，當電路工作在諧振頻率下，負載吸收的功率達到最大，偏離此諧振值時，負載吸收功率會有所下降。因此在實驗過程中，盡量使電路工作在諧振狀態(tài)下，這樣系統(tǒng)能量傳輸效率會更理想。 </p><p>　　接收端負載吸收的功率隨著線圈間的

71、耦合系數(shù)增大而變大，頻率對負載功率的影響，在 0~200KHZ，隨著頻率增加負載功率增加比較快，當頻率繼續(xù)增加（大于200KHz）負載功率不但沒變大反而略有所下降。 </p><p>　　對于電路傳輸效率來說，不是負載越大越好，而是有一個最佳匹配值；線圈內(nèi)阻與能量傳輸效率的關系：其阻值越大，效率會降低。因此實驗中盡量選擇線圈線徑大的，負載的設計要綜合考慮實際的電路參數(shù)（比如諧振頻率，傳輸距離、發(fā)射功率、線圈參數(shù)等

72、）。 </p><p>　　綜上所述，為了使系統(tǒng)獲得較高的負載吸收功率P 和電路傳輸效率η ，需要選擇合適的諧振頻率，偏離此諧振頻率P 和η 都會有所下降。實驗中對諧振頻率設定必須考慮電路元器件（如驅(qū)動芯片、開關管、補償電容、線圈等）的頻率特性，如果諧振頻率選擇太高，可能導致元器件損壞，電路損耗也會比較多，一般電路諧振頻率f 設置在 50KHz~1MHz之間。另外，對耦合線圈參數(shù)（比如匝數(shù) N、半徑 R、線徑 r

73、）和負載 R0 的優(yōu)化，都能有效的提高負載吸收功率P 和電路傳輸效率η 。 </p><p><b>　　3.5 本章小結(jié) </b></p><p>　　本章首先根據(jù)磁耦合諧振式無線傳輸系統(tǒng)的等效電路模型，分析出影響系統(tǒng)傳輸效率及功率的有關因素（如，發(fā)射和接收回路補償方式、回路品質(zhì)因數(shù)、諧振電感和電容、線圈參數(shù)、負載、頻率等）；然后對各個影響因子進行了理論研究和實驗數(shù)

74、據(jù)分析；最后總結(jié)了提高系統(tǒng)傳輸效率和距離的有效措施：1、可以適當提高系統(tǒng)的工作頻率及輸入電壓；2、增加線圈匝數(shù)和半徑；3、合理的匹配負載和補償電容等。</p><p>　　第四章 無線電能傳輸系統(tǒng)電路設計</p><p>　　4.1耦合諧振式無線供電傳輸系統(tǒng)總體構架 </p><p>　　電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)主要包括高頻逆變電路、發(fā)射線圈、接收線圈和整流濾波

75、電路。系統(tǒng)各個部分的選型與分析都非常重要，因為只有各個部分都滿足了一定的要求，系統(tǒng)的電能傳輸才能達到最優(yōu)化。</p><p><b>　　磁場諧振耦合</b></p><p>　　圖3.1電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)構架</p><p>　　主要包括濾波整流、高頻逆變、發(fā)射諧振回路和接收諧振回路。其中每個部分的設計都需要滿足一定的要求，無線能量

76、傳輸系統(tǒng)才能在高效率下工作，由于本論文中無線能量傳輸系統(tǒng)是在高頻（50kHz~1MHz）下工作，且負載是 20 瓦的燈泡，因此，對高頻逆變部分要有一定的功率輸出和較高的轉(zhuǎn)換效率，另外，發(fā)射和接收回路中電感和補償電容的高頻效應加以適當?shù)目紤]。下面幾節(jié)分別介紹系統(tǒng)的各個部分設計。</p><p>　　4.2發(fā)射回路的設計</p><p>　　發(fā)射回路電路部分設計是無線電能傳輸系統(tǒng)設計的重點，其

77、主要電路原理圖，如圖 4.2所示。 </p><p>　　圖 4.2 發(fā)射回路部分電路原理示意圖 </p><p>　　系統(tǒng)結(jié)構的選取非常重要，而且對傳輸特性的分析也相當復雜；這是因為逆變工作方式有很多種,發(fā)射線圈和接收線圈的磁路耦合方式也并非完全相同。而影響系統(tǒng)傳輸特性的因素主要有：電路結(jié)構的選型、諧振耦合機構、器件的參數(shù)和導線材料。</p><p>　　影

78、響系統(tǒng)傳輸距離和最優(yōu)化傳輸?shù)闹饕蛩赜校弘娐穮?shù)和結(jié)構的選取，及磁耦合的方式；而系統(tǒng)電路中逆變電路的功率容量和發(fā)射功率，以及接收電路的整流和接收效率主要由器件和導線的參數(shù)決定。線圈繞制方式和線圈的直徑、線徑、匝數(shù)等又決定了系統(tǒng)發(fā)射與接收的傳輸比例和效率。由于高頻逆變電路、諧振耦合環(huán)節(jié)、整流濾波電路是影響系統(tǒng)傳輸特性的主要因素，下面就主要對這些環(huán)節(jié)進行仔細分析，并給出電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)一般性的設計指導措施。</p>

79、<p>　　整個發(fā)射回路由半橋驅(qū)動電路、LC 串聯(lián)回路以及兩個高頻變換開關管電路組成。其中驅(qū)動電路控制信號（方波輸入信號）由函數(shù)信號發(fā)生器（JC5620P）產(chǎn)生，它能輸出占空比可調(diào)的矩形波、脈沖波、鋸齒波、正弦波，并且波形穩(wěn)定、抗干擾能力強、頻率可到達 10MHz，非常適合實驗設計；發(fā)射線圈回路輸入電壓（半橋上臂開關管 Q1 漏極電壓）由輸出穩(wěn)定、電壓可調(diào)、輸出功率較大的穩(wěn)壓直流電壓源（JC3005A）提供。 下面主要研究高

80、頻逆變電路及其驅(qū)動電路的設計、耦合發(fā)射線圈及補償電容的選擇。</p><p>　　4.2.1逆變電路設計 </p><p>　　高頻逆變電路是無線能量傳輸技術中非常重要的組成部分，主要將直流電轉(zhuǎn)化為交流電為發(fā)射回路提供交流能量，其設計將很大程度上影響系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和高效性。高頻逆變電路設計主要注意以下：（1）電路工作頻率能達到 MHz，滿足實驗設計要求；（2）具有一定的功率輸出并且轉(zhuǎn)換

81、效率要高、損耗要??；（3）具有較高的安全性和穩(wěn)定性；（4）抗干擾能力強、控制簡單等特點。傳統(tǒng)的逆變器一般效率和頻率都比較低，不能滿足磁耦合無線傳輸系統(tǒng)的設計要求，因此需要選擇更合適的逆變電路。目前，根據(jù)逆變器主回路拓撲結(jié)構不同，可分為全橋拓撲、半橋拓撲、推挽式拓撲、能量注入型諧振式拓撲、自激振蕩式諧振拓撲、E 類諧振式拓撲等等。 </p><p>　　橋式逆變器與其他逆變器相比，具有如下優(yōu)點：1、對輸入電壓和負載

82、變化的動態(tài)響應特性好；2、引入軟開關技術使得逆變效率高，開關損耗??；3、抗干擾能力強、噪聲?。?、電路工作時，可以避免回路中產(chǎn)生很大的沖擊陡峭電流和電壓，因此降低了直流電供電電源和開關管的要求；5 能夠通過諧振渠道有效地釋放電路中的產(chǎn)生的高次諧波分量等等。此外最突出的特點是能將變換器初級線圈中出現(xiàn)的尖峰脈沖電壓鉗位于輸入電壓，并將漏感存儲的能量歸還到發(fā)射線圈回路中，而不是消耗于電阻元件中。因此，接下來主要介紹全橋拓撲和半橋拓撲逆變器。

83、</p><p>　　全橋逆變器電路原理圖，如圖 4.3 所示：其中 Q1、Q2、Q3、Q4 構成全橋逆變器的四個橋臂，電容 C1 和電感 L1 構成發(fā)射電路（采用串聯(lián)補償拓撲結(jié)構），電容 C2 和電感 L2構成接收電路（采用并聯(lián)補償拓撲結(jié)構）。</p><p>　　圖 4.3 全橋逆變電路原理示意圖</p><p>　　簡單的介紹其工作過程：在全橋逆變驅(qū)動電路下

84、 Q1、Q4 和 Q2、Q3 輪流導通或截止，一般導通和截止時間均不超過半個周期。當 Q1、Q4 導通，Q2、Q3 截止時流過 Q4、L1、C1、Q1 的電流不斷增加，并達到飽和狀態(tài)；當 Q1、Q4 截止，Q2、Q3 導通時，電流會通過 Q3、C1、L1、Q4 并不斷增加達到飽和狀態(tài)。這樣在發(fā)射回路 L1 上產(chǎn)生交變電流，通過磁場耦合作用，L2 上也會得到感應交流電，從而實現(xiàn)能量從發(fā)射回路向接受回路的傳遞。 </p>&l

85、t;p>　　圖 4.4 為半橋逆變電路工作原理圖：其中 Q1、Q2 為 NMOSFET 晶體管作為半橋兩開關管元件，電容 C1 和電感 L1 構成發(fā)射回路電路（采用串聯(lián)補償拓撲結(jié)構），電容 C2 和電感 L2 構成接收回路電路（采用并聯(lián)補償拓撲結(jié)構）。 </p><p>　　圖 4.4 半橋逆變電路原理圖 </p><p>　　雖然以上兩種變換電路都根據(jù)橋式電路原理工作，但兩者

86、會有各自的電路特性和應用場合：全橋逆變電路轉(zhuǎn)換效率較高，電路工作時不會引起很高的尖峰電壓和電流，若引入諧振軟開關技術會獲得更高的逆變效率，由于采用的是全橋結(jié)構，所以電路工作平衡性較好，能有效提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，再有橋式逆變電路輸出功率較大，特別適合高功率輸出場合；但是如果全橋逆變電路常工作在硬開關狀態(tài)下，由于開關管極間電容和電路中寄生電感等雜散參數(shù)的影響，在開關管工作關斷和導通過程中產(chǎn)生過高的 dv/dt 和 di/dt，造成嚴重

87、的開關噪音，開關損耗也會增加。再有，全橋逆變電路驅(qū)動控制電路較為復雜，對直流電供電電源要求較高，元器件使用比較多，成本較高。 </p><p>　　相比全橋式逆變電路，半橋逆變電路的逆變效率和輸出功率較低，但其控制電路簡單，使用元器件較少，系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性較好，特別適用小功率輸出場合。</p><p>　　由于實驗中接收回路負載是 20w 的燈泡，屬于小功率短距離傳輸，再考慮到電路中直

88、流電供電電源的要求，控制電路及實驗成本，所以本論文設計選擇半橋逆變器作為能量轉(zhuǎn)換的高頻逆變部分。</p><p>　　4.2.2半橋開關管及其驅(qū)動電路設計</p><p>　　半橋功率放大逆變電路中核心元件為開關管和驅(qū)動芯片，為了提高半橋逆變電路的轉(zhuǎn)換效率和電路工作時需要滿足的實驗條件，需要對半橋逆變電路損耗部分和逆變電路元器件參數(shù)進行分析，并以此作為對半橋逆變驅(qū)動電路設計和開關管進行選型

89、的依據(jù)。其中半橋逆變電路的損耗主要包括以下三個方面：1、開關管的導通和截止損耗；2、開關管導通電阻損耗；3、體內(nèi)二極管的導通損耗；4、極間電容損耗。 </p><p>　　為了減少半橋逆變電路中開關元件的損耗，需要根據(jù)實際電路對其進行優(yōu)化，選擇時應考慮： </p><p>　　1）工作電流：開關管的工作峰值電流應小于其允許的最大電流Imax，一般控制在60%~80%之間。 </p&g

90、t;<p>　　2）工作電壓：開關管件工作過程中產(chǎn)生的浪涌電壓應小于其漏、源擊穿電壓VB，而且需要留出一定余量。 </p><p>　　3）工作頻率：開關管的最高工作頻f 必須滿足設計電路的要求。 </p><p>　　4）導通時間t和關斷時間t：導通和關斷時間決定開關管的速度，一般來說，t越小越好，說明開關特性越好。 </p><p>　　5）損耗：

91、設計過程盡量減小開關管的導通和截止損耗、開關導通電阻損耗。 </p><p>　　目前常用的開關元件有很多種類，例如雙極型晶體管 Tr、快速晶閘管 SCR、可關斷晶閘管 GTO、場效應晶體管 MOSFET 和絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 等。其中，經(jīng)常使用的是場效應晶體管和 IGBT，由于場效應晶體管 MOSFET 自身的特點：工作頻率高、開關速度快，電壓控制型，驅(qū)動功率小和驅(qū)動電路簡單，很容易并聯(lián)，因此常用于高

92、頻逆變器的設計中。絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 綜合了雙極型晶體管 Tr 和 MOSFET 管的優(yōu)點，但不及 MOSFET 管動作快，頻率高，因此限制了它的適用范圍。還有 MOSFET 管不存在二次擊穿，具有正溫度系數(shù)，可以自動均衡電流，因此本論文選用了 IR 公司的一款 N 溝道MOSFET 管（IRF640）作為諧振逆變部分的開關元件。其主要參數(shù)：最大漏源電壓和電流分別為 200V 和 16A。</p><p&g

93、t;　　表4-1 IRF640 主要參數(shù)</p><p>　　根據(jù)表格參數(shù)可計算其工作頻率：f=12MHz，完全能滿足本論文系統(tǒng)工作時的諧振頻率一般在 50kHz~1MHz。</p><p>　　為了配合開關管（IRF640），在本論文設計中選擇一款專用于 N 溝道 MOSFET 高速半橋驅(qū)動的芯片（IR2103），它是 IR 公司專為驅(qū)動功率開關管而設計的，是一種高電壓高速的功率 M

94、OSFET 和 IGBT 驅(qū)動器。IR2103 具有的特點是：（1）浮置通道具有自舉電路，工作電壓可達 600V；（2）驅(qū)動電壓為 10~20V；（3）低壓自鎖功能；（4）5V 施密特觸發(fā)邏輯；（5）禁止直通邏輯（一個橋的上下臂不能直通）；（6）兩個傳輸通道延時相同；（7）內(nèi)部設有死區(qū)；（8）高端輸出與 HIN 輸入相位相同，低端輸出與/LIN 相位相同。</p><p>　　IR2103 芯片總共有8個引腳：H

95、O和LO為兩個獨立的高端和低端輸出通道，可以同時驅(qū)動兩個功率MOSFET或IGBT管。HIN和LIN為方波控制信號輸入端。VCC和 COM端，分別為此芯片的供電及接地引腳。VB和VS分別為高端浮置電源電壓和高端對地懸浮源電壓端，與外接電容構成自舉電路。 </p><p>　　4.2.3諧振電感、電容</p><p>　　諧振電容和電感決定整個電路的工作頻率，對系統(tǒng)的傳輸效率也有著至關重要的

96、影</p><p>　　響。因此，對諧振線圈和補償電容器的設計顯得尤為重要。 </p><p>　　結(jié)合 4.3 節(jié)對諧振線圈的分析，了解了其高頻特性：寄生電容 C 和內(nèi)阻 R 越小、電感L 越大，能量傳輸效率越高，但隨著頻率的增加，線圈的寄生電容和內(nèi)阻會變大，對能量傳輸效率造成很大影響。在實驗過程中必須對諧振線圈進行優(yōu)化，主要體現(xiàn)在：1、諧振線圈材質(zhì)；2、繞制方式。 </p>

97、<p>　　對于線圈材質(zhì)已選定，其電感量的大小主要取決于線圈的匝數(shù)及繞制方式。從上面的研究可知，線圈匝數(shù)越多，線徑越大互感線圈電感量就越大。一般來說，實驗所需的線圈電感量大小是由具體實驗所決定的。在高頻諧振電路中，對互感線圈等效電感量精度要求較高。本實驗中采用單層線圈作為發(fā)射回路和接收回路的等效諧振電感，主要是由于單層線圈高頻等效電感較小（一般在幾微亨到幾十微亨之間）、高電感值及高 Q 值等特點，特別適用于高頻諧振系統(tǒng)中。

98、而單層線圈又分為密繞、間繞及脫胎繞三種方法。 </p><p>　　單層線圈密繞法就是將線圈導線一圈緊挨一圈的纏繞在線圈骨架上，該繞制方法具有較大的電感量，但其分布電容較大，為了改善密繞法線圈的性能，可采用多股絲包線或線圈匝數(shù)。 </p><p>　　單層線圈間繞法是將線圈導線每匝之間隔一定距離纏繞在線圈骨架上，該繞制方法能有效的減小其分布電容，特別適用于高頻電路中。常采用鍍銀方式來改善該

99、繞制方式下線圈的性能。 </p><p>　　單層線圈間脫胎繞法的線圈其實就是空心螺旋線圈，也可以說是密繞法和間繞法的變形，即抽出兩種線圈繞法的骨架，該繞制方法可以通過適當?shù)母淖兙€圈每匝之間的距離或直接改變其形狀來滿足所需要求指標（比如：電感、分布電容及 Q 值）。它一般作為諧振電感應用于高頻電路中。 </p><p>　　目前，無線能量傳輸研究中，常見的線圈繞制形狀主要有同心圓形狀、空心

100、螺旋形狀類似“蚊香”狀和矩形形狀。除此之外，在一些特殊領域還會繞制成立體線圈，為了使得每個方向上的感應均衡，以減小線圈方向、角度變化對傳輸系統(tǒng)的影響。 </p><p>　　最后，本論文選擇了 0.5mm 和 0.3mm 的漆包銅線，并對同心圓和矩形兩種繞制方式進行了嘗試。</p><p>　　補償電容器的選擇主要從以下幾個方面考慮：1、性能參數(shù)，主要體現(xiàn)在，額定電容量及容量允許的誤差；額

101、定工作電壓；工作頻率，要求電容器在交流下工作時必須給出工作頻率上限，以檢查其發(fā)熱情況，在脈動電壓下工作時，要給出脈動電壓交流分量的振幅和頻率。特殊場合應用的電容器還應考慮相應工作條件及量值。工作溫度范圍。便于進行電容器的發(fā)熱計算，電容器的電容溫度系數(shù)或電容量的溫度特性。工作環(huán)境的相對濕度。對選擇電容器的外形結(jié)構有意義，工作環(huán)境的氣壓等。電容器的這些性能參數(shù)反映其在工作過程中發(fā)揮作用的優(yōu)劣。要求電容器所具有的性能參數(shù)要符合應用的標準，性能

102、參數(shù)的高低、大小要符合技術標準。在應用場合明確要求的情況下，要具有高精度。2、穩(wěn)定性，電容器在工作、儲存過程中，由于受電負荷、機械作用和環(huán)境條件等客觀影響以及自身的老化使性能參數(shù)發(fā)生變化，從而影響到電子設備的正常工作。所以，對電容器的性能參數(shù)必須要求其具有一定的穩(wěn)定性，才能保持參數(shù)的精確度，保證系統(tǒng)的正常工作。3、可靠性，電子設備中任何一只電容器的失效都將影響到系統(tǒng)的可靠性，影響到系統(tǒng)的正常工作。4、抗干擾性, 系統(tǒng)要在各種復雜環(huán)境中

103、正常工作，就要求所用材料</p><p>　　基于本論文對補償電容器的要求主要表現(xiàn)在：高頻特性、耐熱性、穩(wěn)定性等。系統(tǒng)頻率一般在 50kHz~1MHz 之間，對補償電容高頻選擇性要強（頻率響應寬廣）；諧振電路中還會出現(xiàn)電壓和電流峰波，要求補償電容具有優(yōu)越的峰值電壓和電流處理能力；耐熱性也要求較高，針對上述這些特點選用無極薄膜電容作為本實驗設計中發(fā)射回路和接收回路諧振補償電容（一般電容值在 pf 級別）。此外，無極

104、薄膜電容器還具有不易破損，高穩(wěn)定性，介質(zhì)損耗較小及長久使用壽命，且價錢便宜等優(yōu)點，宜適合大量的實驗研究中。</p><p>　　4.3接收回路的設計</p><p>　　本論文接收回路采用并聯(lián)諧振補償電路，圖 4.3 是其電路原理圖。 </p><p><b>　　圖4.3接收原理圖</b></p><p>　　系統(tǒng)接收

105、端接收到的是高頻交流電壓，必須對它進行整流處理。在實際應用中半波式整流、倍壓整流和橋式整流是比較常用的整流電路。半波整流電路雖然具有結(jié)構簡單，而且電路中二極管的數(shù)量也較少的優(yōu)點，但是因為該電路只對交流電壓的半個周期進行了有效利用,導致其效率較低，且脈動較大、輸出電壓也較低。所以，電磁諧振耦合無線電能傳輸系統(tǒng)的接收端不適合選擇半波整流電路對接收端進行整流。倍壓整流電路雖然能很好的利用濾波電容的儲能特性，運用電容和二極管輸出的電壓是接收線圈