磁耦合谐振式无线电能传输系统高效E类功放设计和实现

摘要

随着科技和经济的发展，实现无线电能传输逐渐成为人们追寻的一个目标。磁耦合谐振式（共振耦合式）无线电能传输（无接触电能传输）技术被提出后，迅速成为国内外研究热点，在磁耦合谐振式无线传能的原理、电路结构、传能能力、传输特性等方面有着较为深入的研究。而对系统效率和性能有较大影响的前端高频功率放大器，研究则较少。已有的研究大都采用传统的功率放大器充当电源，这类放大器效率较低且工作频段针对性不强。因此十分有必要设计一款针对磁耦合谐振式无线电能传输系统的高效高频电源。
　　论文在分析国内外磁耦合谐振式无线电能传输研究现状的基本上，通过比较各种不同类型功率放大器，提出了采用E类功率放大器实现磁耦合谐振式无线电能传输系统高效高频电源的方案。论文对设计E类功率放大器相关的电路理论进行了介绍，提出了功率放大器电路设计的指标，完成了E类功率放大器基础电路的设计和仿真，包括开关晶体管的选取和特性仿真、稳定性电路和基本电路参数设计、阻抗匹配电路和电源滤波电路设计。并通过ADS仿真软件对电路的整体性能进行了仿真。为了确保E类功率放大器实物性能，对E类功率放大器PCB电路板进行了合理设计，并利用矩量法MOM提取S参数，完成了版图联合仿真，仿真达到设计指标要求。
　　在此基础上，论文设计了E类功率放大器的相应信号发生电路和直流电源电路，使之构成了一个完整的磁耦合谐振式E类功率放大器系统。
　　为了验证提出设计方案的正确性和可行性，论文制作了一款E类功率放大器系统实验样机，并设计了E类功率放大器的散热器和屏蔽盒。实验测试结果显示在宽带范围7.5MHz-9.5MHz内，输出的附加功率效率高于80％，最大可达90％以上;输出功率在20W以上，增益维持在19-20dB。同时为了研究该功率放大器的适用性，进行了多组负载阻抗不匹配时的测试，测试显示即使在极端不匹配的情况下，也有60％以上的效率。可见该磁耦合谐振式E类功率放大器系统性能良好。最后将该功放系统应用于无线电能传输系统中，系统工作状态良好。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源

1．2 课题研究的背景和意义

1．3 目前的研究现状

1．3．1 无线电能的分类

1．3．2 磁耦合谐振式无线电能传输的研究现状

1．3．3 磁耦合谐振式无线电能的待研究问题

1．4 本文的主要内容和章节安排

1．5 本章小结

第二章 功率放大器基本理论介绍

2．1 功率放大器的性能指标

2．2 功率放大器匹配网络设计

2．2．1 匹配网络

2．2．2 Smith圆图

2．3 功率放大器散射参数的提取

2．3．1 散射S参数

2．3．2 MOM法提取S参数简介

2．4 功率放大器的设计方法

2．5 本章小结

第三章 功率放大器的分类

3．1 传统类功率放大器

3．1．1 A类功率放大器

3．2．2 B类功率放大器

3．1．3 AB类功率放大器

3．1．4 C类功率放大器

3．2 开关类功率放大器

3．2．1 D类功率放大器

3．2．2 E类功率放大器

3．2．3 F类功率放大器

3．3 其他类功率放大器

3．4 各类功率放大器对比

3．5 本章小结

第四章 磁耦合谐振式E类功放设计和仿真

4．1 磁耦合谐振式E类功率放大器的设计指标

4．2 射频ADS仿真软件介绍

4．3 磁耦合谐振式E类功放电路设计与仿真

4．3．1 开关晶体管的选取

4．3．2 开关晶体管特性分析

4．3．3 稳定性分析与设计

4．3．4 基本电路参数的设计

4．3．5 匹配电路设计

4．3．6 电源滤波电路设计

4．3．7 整体电路的仿真

4．4 磁耦合谐振式E类功放的PCB设计和仿真

4．4．1 PCB版图的设计

4．4．2 MOM矩量法仿真

4．5 磁耦合谐振式E类功放的版图联合仿真

4．6 磁耦合谐振式E类功放的信号发生电路设计

4．7 磁耦合谐振式E类功放的电源电路设计

4．8 本章小结

第五章 磁耦合谐振式E类功放系统的实现

5．1 功率放大器的装配

5．1．1 电感线圈的绕制

5．1．2 E类功放的散热

5．1．3 屏蔽盒设计

5．1．4 整体装配

5．2 功放放大器的测试

5．2．1 信号源和电源电路的测试

5．2．2 E类功率放大器的测试

5．3 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 磁耦合谐振式E类功率放大器设计总结

6．2 设计心得体会

6．3 本文的改进和后期展望

致谢

作者攻读研究生期间发表的论文

参考文献