磁谐振式无线电能传输高频逆变电源的设计与系统测试

摘要

随着科学技术和经济水平的发展，无线电能传输的方式越发显示出它的优势。磁谐振式WPT技术作为一种新型的无线电能传输技术自被提出之后，吸引了大量国内外研究者投身其中。到目前为止，已有大量学者深入研究了磁谐振式WPT的工作原理，传输结构，传输特性等，但对该系统的重要组成部分——高频电源的研究则较少。现在用于WPT系统的高频电源主要由功率放大器和信号发生器组成，这种形式的高频电源存在匹配困难、功率较小等问题，因此，专门为WPT系统设计一个灵活适用的高频电源是非常必要的。
　　本文通过利用现代电力电子及变换器的基础知识，分析了磁谐振WPT系统中的基本单元与高频电源组成的电路，得到回路中电流的变化规律；而后结合实际应用情况，选择该领域内应用较为广泛的两线圈传输结构，且两线圈均采用串联谐振的传输结构作为前端高频逆变电源设计的整体负载；推导了系统的功率、效率与系统相关参数的关系，然后在MATLAB中仿真了功率、效率随距离变化的规律。
　　其次，完成了从逆变主电路拓扑选择、功率开关器件选型、光耦隔离电路设计、基于IRS2186驱动电路的设计、基于TMSDSP28335控制电路软硬件的设计，到消除电磁干扰的五阶巴特沃斯滤波器的设计，最后设计出了适用于磁谐振WPT系统的高频逆变电源，并制作了实物。对设计制作的高频逆变电源的性能、串联谐振电路中的电流波形进行了实验测试，测试结果表明该高频逆变电源可用于磁谐振WPT系统。
　　最后测试了150kHz—300kHz范围内高频逆变电源的性能，然后在搭建的磁谐振WPT系统实验平台上，测试了WPT系统的功率、效率随两线圈距离变化情况，并与仿真结果进行了对比。针对系统在单发射电源供电时，负载功率随接收线圈距离增大迅速下降的问题，将单发射电源改进为双发射电源供电的方案。介绍了双发射电源设计原理，给出了程序算法流程图，并完成了双发射电源的制作。在磁谐振WPT系统实验平台上，比较了系统分别在单发射电源与双发射电源供电情况下，负载功率随接收线圈距离改变的情况。接着设计了功率稳定性实验，通过实验证明了双发射电源可以维持负载功率的稳定。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2无线电能传输技术的分类

1.3磁谐振式WPT的研究现状

1.4高频发射电源技术的研究现状

1.5论文研究的主要内容

2 理论基础

2.1引言

2.2基本拓扑分析

2.3全桥逆变电源的原理

2.4磁谐振WPT系统的建模与特性分析

2.5系统传输特性的数值仿真分析

2.6本章小结

3 高频逆变电源的设计

3.1引言

3.2逆变主电路

3.3控制电路板的设计

3.4驱动电路设计

3.5 MOSFET栅极驱动电阻的选择

3.6高频逆变电源PCB设计与实现

3.7滤波器的设计

3.8本章小结

4 高频逆变电源参数优化与系统实验

4.1引言

4.2栅极驱动电阻对驱动波形的影响

4.3电源的输入输出特性实验

4.4电源在串联谐振电路中的仿真及实验

4.5高频逆变电源在传输系统中的应用

4.6本章小结

5 双发射电源在磁谐振系统中的应用

5.1引言

5.2双发射电源的实现

5.3双发射线圈WPT系统建模

5.4双发射电源实验部分

5.5本章小结

6 总结与展望

6.1本文的设计总结

6.2本文的改进及后期展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文及成果

B. 作者在攻读学位期间参与项目目录：