应用于磁谐振式无线电能传输的高频功放的设计与实现

摘要

随着科学技术的进步与发展，与无线电能传输技术相关的应用产品愈加频繁地出现在人们的视野当中。磁谐振式无线电能传输技术作为无线电能传输技术中新兴的一个分支，凭借其传输效率高、传输距离较远的优势，成为近些年来国内外专家学者研究的热点领域。高频功率电源作为磁谐振式无线电能传输系统的功率输出前端，其性能的优劣对系统整体的传输效率有很大的影响，而现阶段关于该领域的研究并不常见。因此，专门设计一款应用于磁谐振式无线电能传输系统的高效率高频功率放大器具有重要的实际意义。　　本文归纳总结了磁谐振式无线电能传输系统及高频功率放大器的发展概况和国内外研究现状，介绍了功率放大器的种类和技术指标，并基于电路原理和模拟电子技术等相关理论，从提高效率的角度，设计了一款中心频率在800kHz的E类功率放大器。在设计阶段，本文将功率放大器分为驱动电路模块、有源开关模块以及负载匹配网络三个部分，完成了开关管的选取、栅极驱动电阻的选取、驱动电路的设计、电路参数的计算、负载匹配网络的设计等工作。为了满足功率放大器工作频率高的条件，选择具有快速开关响应的MOSFET作为该功放的有源开关管，通过研究MOSFET的开通关断过程，设计出合理的驱动电路使MOSFET工作在低损耗的高速开关状态。通过设计负载匹配网络，控制MOSFET漏极和源极两端的电压波形，使 MOSFET 上的大电压和大电流不同时出现，尽可能地减少MOSFET的导通损耗和渡越损耗，提高功率放大器的整体效率。　　完成功率放大器的设计工作后，利用Altium Designer软件绘制出功率放大器的PCB板，并完成实物的组装和焊接。在搭建的调试平台上，通过观察MOSFET栅极电压的波形并与理想波形作对比，确定了最终的栅极电阻。同时，调节负载匹配网络中的电容参数，使MOSFET的漏极电压波形贴近理想波形。随后，对功率放大器的性能进行测试，结果显示，功率放大器的工作频带为550kHz~1MHz，输出功率达6.91W，最大效率为81.2%。　　最后，将制作的功率放大器与信号发生器、直流稳压电源组合在一起，构成磁谐振式无线电能传输系统的高频电源模块，应用在由盘式线圈组成的无线电能传输系统中，对系统的传输功率和效率进行测试。结果表明，无线电能传输系统在磁谐振状态时，工作状态良好，功率放大器实现了对系统的电能供给。

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

1.2.1 磁感应耦合式

1.2.2 磁谐振耦合式

1.3 磁谐振式无线电能传输技术的国内外发展现状

1.4 功率放大器的发展概况

1.5 本文的主要内容

2 磁谐振式WPT系统的电路模型与功率放大器的相关理论

2.1 引言

2.2 磁谐振式WPT系统的电路模型

2.3 功率放大器的设计指标

2.4 功率放大器的分类

2.4.1 A类功率放大器

2.4.2 B类功率放大器

2.4.3 AB类功率放大器

2.4.4 C类功率放大器

2.4.5 D类功率放大器

2.4.6 E类功率放大器

2.4.7 功率放大器的选择

2.5 E类功放的基础理论

2.5.1 E类功率放大器工作过程的分析

2.5.2 E类功率放大器的最佳工作状态分析

2.5.3 E类功率放大器的损耗分析

2.6 本章小结

3 E类功率放大器的设计

3.1 引言

3.2 开关管的选取

3.2.1 功率MOSFET的开关模型

3.2.2 功率MOSFET的开关特性

3.3 驱动电路的设计

3.3.1 驱动芯片的结构与主要参数

3.3.2 MOSFET开关过程的分析

3.3.3 MOSFET栅极驱动电阻的确定

3.4 E类功放电路的参数计算

3.4.1 负载匹配网络品质因数QL的分析与选取

3.4.2 功放电路相关参数的计算

3.5 E类功率放大器负载匹配网络的调整与优化

3.6 阻抗变换网络的设计

3.7 E类功放PCB板的制作与元器件的装配

3.8 本章小结

4E类功放的调试过程与系统实验

4.1 引言

4.2 栅极驱动电阻的调节过程

4.3 E类功放中MOSFET的漏极电压波形调试

4.4 E类功放性能指标的测试

4.4.1 功放的工作带宽测试

4.2.2 功放的输出功率和效率测试

4.5 磁谐振式WPT系统实验

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文的设计总结

5.2 本文的改进及后期展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间所发表的文章目录

B. 作者在攻读硕士学位期间所参加的科研项目

致谢