（电力电子与电力传动专业论文）非接触式手机充电平台的设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a san e ww a yt ot r a n s f e re n e r g y , c o n t a c t l e s sp o w e rt r a n s f e rh a sr e c e i v e dm u c h a t t e n t i o nr e c e n t l y t h ec h a r g i n gp l a t f o r ma p p l i c a t i o nf o rt h ec o n s u m e re l e c t r i c e q u i p m e n t ss u c ha sc e l l p h o n ea t t r a c t sm a n yr e s e a r c hi n s t i t u t e sa n dc o m p a n i e s i tc a n g e tr i do ft h er e s t r i c t i o no ft h et r a d i t i o n a lc a b l e sa n d h a sap r o m i s i n gp r o s p e c t t h ec o n t a c t l e s sc h a r g i n gp l a t f o r mf o rc e l l p h o n ei ss t u d i e di n t h i sp a p e r a n a l y s e so ft h et o p o l o g i e so fh i g hf r e q u e n c yi n v e r t e ra n dr e s o n a n tc o n v e r t e ra r e p r e s e n t e df i r s t t h e nt h ec o m p e n s a t i o nt o p o l o g i e so ft h el o o s e l yc o u p l e dt r a n s f o r m e r a r ed i s c u s s e di nd e t a i l m o d e l i n ga n da n a l y s i so ft h ec o n t a c t l e s sc h a r g i n gp l a t f o r mf o r c e l l p h o n ew i t ho n el o a d o rm u l t i - l o a d sa r ed e s c r i b e d ，i n c l u d i n gt h el i n e a rl o a d c o n d i t i o na n dt h er e c t i f y i n gb r i d g el o a dc o n d i t i o n t a k i n gt h el i n e a rl o a dc o n d i t i o na s a ne x a m p l e ，i n f l u e n c e st ot h ev o l t a g eg a i na r ed i s c u s s e dw h e nt h ep a r a m e t e r so ft h e s y s t e mv a r yr e s p e c t i v e l y ad e s i g nm e t h o d o l o g yb a s e do n t h ev o l t a g eg a i ni s d e s c r i b e da n dv e r i f i e db yt h ee x p e f i m e n m lr e s u l t s a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ec o n t a c t l e s sc h a r g i n gp l a t f o r mf o rc e l l p h o n e ， t h ep r i m a r ys t r u c t u r eo ft h el o o s e l yc o u p l e dt r a n s f o r m e ri sc o n c e r n e dw i t ht h e m a g n e t i c f i e l dd i s t r i b u t i o na b o v et h ec h a r g i n gp l a t f o r m t h es t r u c t u r e a n dt h e m a g n e t i c - f i e l dd i s t r i b u t i o no ft h el o o s e l yc o u p l e dt r a n s f o r m e ra r es t u d i e d ap r a c t i c a l c h a r g i n gp l a t f o r mi sb u i l t ，s i m u l a t e d ，a n dt h et h e o r yi sv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s k e y w o r d s ：c o n t a c t l e s sc h a r g i n gp l a t f o r mf o rc e l l p h o n e ，v o l t a g eg a i n ，l o o s e l y c o u p l e dt r a n s f o r m e r , m o d e l i n ga n da n a l y s i s ，c o m p e n s a t i o nt o p o l o g i e s i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：孔杆签字1 3 期：卅p 年；月s 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江太堂有权保留并向国家有关部门或机构送 交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙鎏太堂可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 孙暂 签字日期：wj p 年；月2 f j 渺川 签 卅 臌 少 浙江大学硕士学位论文 致谢 本文是在马老师的悉心指导和关怀下完成的。在攻读硕士期间，马老师的热 情关怀和悉心教导让我感动。马老师知识渊博，治学态度严谨，工作认真踏实， 他诲人不倦的高尚师德，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。在本文 完成之际，特向尊敬的马老师表达最崇高的敬意和衷心的感谢。 感谢周雯琪师姐、许飞师兄、张尧师兄、董亮师兄，他们热情的帮助和指导 让我受益匪浅。感谢实验室俞宏霞、刁智海、季悦、陈雪冰、丁银江、吕亚东、 韩晓明、赵国强、阳彩、郭津、马菱妮、郭倩及陈隆字等对我的关心和支持。能 够在这样一个充满温馨、团结向上的团队中学习和工作我深感幸运，实验室两年 半的学习和生活是我一生难忘的美好岁月。 感谢我的父母，在我的求学过程中，你们给予我鼓励和支持，使我能够顺利 完成学业。感谢你们的养育之恩，我的每一点成长，每一分成绩都有你们的心血 感谢我的弟弟和妹妹，你们给予了我最珍贵的手足之情，感谢你们的信任和支持。 感谢禹化然，感谢你这么多年的陪伴和支持，感谢你在生活上对我的无微不 至的关爱和照顾。感谢你在我心情低落时的鼓励，彷徨时的指引，沮丧时的支持。 你给我信心，你给我勇气，慢慢的求学路上有你的陪伴我才能始终充满希望，一 路向前。 感谢所有帮助过我，关心过我的人。 轩 2 0 1 0 年1 月2 2 日于应电楼1 0 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 概述 传统的供电方式需要导线将电源和设备连接起来，在户外及环境恶劣的场合， 这种供电方式存在着弊端，例如易受天气的影响、接触及碳积会引起火花等。而 采用非接触的方式供电【1 。3 】贝0 由于具有方便、安全、可靠等优点近年来受到了广 泛的关注。非接触式电能传输不需要引线，在一些特殊场合得到了应用例如户外、 水下、矿井、材料处理、生物医疗及移动负载4 刁1 等。 根据电能传输的原理不同，现有的非接触电能传输方式可以分为以下几种： 1 ) 利用电磁感应原理传递能量【k 刀。磁通量作为媒介，利用原、副边可分离的变 压器进行能量的传递。原、副边相距比较近，当其中一个线圈中通过电流时，在 磁通量的作用下，另一个线圈中就会产生感应电动势，能量就从变压器的原边传 递到了副边。利用电磁感应原理理论上可以传递上百k w 的能量，但是传输的距 离比较短。2 ) 利用电磁波传递能量。能量以电磁波的方式在空间传递，利用天 线进行发送和接收，能量直接在发射端和接收端之间进行传递。利用整流电路将 接收到的交流无线电波整流变成直流电流然后加以利用。这种能量传输方式传输 的距离较大，目前可以实现几c m 1 0 m 的传输范围。但是传输的功率较小，目前 所能传输的功率等级为m w 级。在便携设备里，这只能提供待机能量。3 ) 利用 电磁共振【8 】的方式传递能量，在目前的技术条件下可在3 4 m 距离内传递几k w 的 能量。m i t 研究小组利用此技术成功点亮了2 m 以外的6 0 w 灯泡。 随着科技的日新月异，越来越多的消费类电子产品进入人们的日常生活，例 如手机相机、m p 3 、p d a 等。传统的供电方式是利用引线供电，每种电子产品 或同种电子产品的不同型号都有专门的充电器匹配，这种充电方式在居家使用时 简单有效，但是当人们需要携带这些电子产品外出时引线供电方式的弊端就显现 出来了。由于电子设备接口不统一，充电器的专有匹配性，导致了人们不得不随 身携带多个充电器，这给人们的出行带来了不便。非接触充电【9 - 1 3 1 可以有效地避 免上述问题，近年来受到了人们的关注。非接触充电是指以无线方式供电为电子 设备充电的技术。待充电设备需要充电时，只需放到充电器上即可。由于充电器 与待充电电子设备之间没有接点，因此无需担心接点的耐久性、接触不良，短路 以及因进水等导致的漏电现象此外，利用非接触式充电平台，人们还可以省去 携带多个克电器的麻烦，可使多个手机同时充电，这种充电方式在火车站、机场 这样的场台尤其适用。 1 2 非接触式手机充电平台的研究现状 目前关于非接魁式充电平台的研究包括运输系统例如电动汽车i ) 4 - 1 s 1 等大功 率和消费类电子设备例如手机1 2 - 1 3 , 1 6 1 等中小功率方面。已经报导的应用于手机等 消费类电子设备的非接触克电系统，以电磁感应方式3 恃递能量的供电方式占 主流。能量发射线圈安装在充电平台中，能量接收线圈安装在手机等电子设备终 端中，当充电平台中流过交流电流耐，通过电磁感应能量就从充电平台传递到了 副边，同时实现了电子设备的无接触充电。这种充电方式摆脱7 传统线缆的束缚， 设计更加人性化关于手机等消费类电子设备的充电平台，一些研究机构和公司 都有相关研究成果报导 利用感应耦台电能传输原理设计非接触式充电平台的研究成果中，香港城市 大学许树琢教授研究小组研制成功的“非接触电池充电平台”可同时对数个不同 类型的电子产品充电，如图11 所示。日本松下电工p a n a s o n i c ) 开发出的便携 田1 _ i 一站式克电平台同时蛤多十电子设备充电( 来薄：香港城市大学) 产品用超薄型非接触充电模块，采用绕线型线圈，通过改进构造实现了薄型化， 充电模块厚度减小到了i m m 毗下，如图l2 所示电源电压为55 v 时，消耗电 流为5 0 0 m a ，效率约为7 0 日本精工爱普生( s e i k oe p s o n ) 与村田制作所共 同开发的非接触快速充电系统，采用电磁感应方式传输电能，传输功率为1 2 w 时的效率为7 0 与0 7 年相比，0 8 年研发的产品体积缩小至厚来的l ，4 左右。 目前已有2s w 非接触充电产品模块用在手机中，可提供5 v 5 0 0 m a 电力，具备 误充电金属检测功能，温度拴测功能和i d 识别功能等，如图i3 所示用于给 2 * # t x 配备有8 0 0 m a h 充电电池的普通手机克电时，约1 5 小时即可充满 图12 橙下电工开发的超薄型非接触充电模块( 来耀：橙下电工 豢纂 宣团 鞫盈罡圃 隧 圈圜 占蠢矗剃 图l j 精工爱普生的产品示倒( 右下方的模块带有f c c 的认证犏号) ( 来褥：精工爱瞢生) a a k 公司试制的非接触手机充电模块采用电磁感应方式供电，充电时只需 将一端连接至手机，另一端放到充电面板上印可充电( 见囤1 4 ) 。东光公司的手 机用非接触充电系统，利用电磁感应原理传输电能，由供电的充电器和接受电能 的手机组成，通过充电器可进行5 v 3 0 0 m a 的充电，效率为6 0 一7 0 左右，使 用普通手机约25 小时即可充满电充电的同时还可进行最大为1 2 0 0 b p s 秒的数 据传输，以交换充电设备的i d 认证信息等 ( a 1 只频将充电电池装进去便可充电( b ) 放在黑色充电盘上面的便是内置2 次线 圈和稳压电路等的受电部分 田i4 a a k 公司试制的手机充电模块( 柬源：a a k 3 m 学学位论文 美国m o j o m o b i l i t y j 岔司开发的n f p ( n e a rf i e l d p o w e r ) 电磁感应型非接触充 电平台系统，利用印制电路板技术将p c b 线圈嵌入印刷电路底板，如图l5 所示。 该系统包含两个线圈，一个发射能量，一个接受能量，可同时给多达4 个电子设 备充电，传递25 w 4 w 的功率，充电时的效率包括周边电路在内可确保7 0 以 上。美国p a l m 公司2 0 0 9 年上市的手机p a l mp r e 配有一款电磁感应无线充电底座 t o u c h s t o n e ，充电底座中置有磁芯，专用的手机后盖中有能量接受线圈、当手机 放在充电底座上时，能量就无接触地从亢电底座传递到7 手机中，如图16 所示。 二 函 圈15 n f p ( 桌探 右侧为能量发射电路 m 叫om o b i l i t y ) 左侧为能量接受电路 矽一 佃) 充电底座 c j 专用手机后盖 田16p a l m 公司的p a l mp 积底座和专用手机后兰等( 来豫：p a l m ) 此外，关于电磁感应型非接触充电平台的相关研究成果还有美国w l l d c h a r g e 4 * 学颈学位论文 公司大功率应用的w i l d c h a r g e r 和中小功率应用的w i l d c h a r g e r - m i n i 。英 虱s p l a s h p o w e r j a 司的形同鼠标垫子的无线冲d l 器- - s p l a s hp a d s ，只要便携终端安装有电 能接收器即可放到上面充电。以色列p o w e r m a t 公司的采用r f i d 技术来识别待充 电设备、效率达9 3 的非接触充电系统等。 e 矗 图l 7 收发履方通过共振瞳传输能量( 来深：p o w e n a s t ) 除7 利用电磁感应原理进行无线充电外，利用磁共振原理进行无线充电的研 究成果也有报导。美国p o w e r c a s t 公司推出7 适合中短距离的无线充电装置，该 装置包含两个部件：p o w e r c a s t e r 发射墨模块和p o w e rh a r v e s l c r 接收器模块。前 者可插入插座内，后者安装在电子产品上，如图l7 所示此无线充电系统发送 器利用9 1 5 m h z 频段把射频能量发送出去，而接收器利用共振线圈吸收射频电渡 从而实现充电，电子设备在距离发送器约l 米范围内的任何地方都可以充电。它 独特的电磁波接收装置能够根据负载的不同、电场强度的大小作相应调整，阱维 持稳定的直流电压 f u l t o n 公司开发了e c o u p l e d 无线充电技术，采用碰共振技术传递能量。 e c o u p l e d 技术使用感应祸合电源电路，动态地探测电场磁场的共振程度，并通 过调整供电电路的工作状态来满足充电设备用电需要e c o u p l e d 技术的工作过程 大致可分为以下几个步骤：供电底座识别放置其上的嵌有e c o u p l e d 技术的待充 电电子设备；确定充电设备需要的能量；供电线圈发射能量，同时便携设备上的 线圈接受能量：宴时检测并调节传精的能量以满足充电设备的需求：充电完毕或 者待克电设备离开充电底座后停止传递能量。美国高通( q u a l e o m m ) 公司开发 的“磁共振方式”无线供电技术“e z o n e ”可以为苹果i p h o n e 手机进行无线充电。 其原理是通过内置受电元件的i p h o n e 充电进行充电，该充电平台可同时为5 6 部手机充电，如图i8 所示。该系统使用1 35 6 m h z 频率传输电力，能提供5 0 0 m a - 越 * 学学位论文 6 0 0 m a 的充电电流终端设备置于充电平台上时的能量传输效率约为6 0 ，即 使终端稍微脱离充电平台也可充电，但效率很低。 警薰、 镌蛋、 ( a ) 手机等无接触充电演示( b ) 充电模块，机壳内侧安装有5 圈左右的线圈 圉l8 高通公司研制的充电平台及充电模块( 来探美国高通) 1 3 非接触武手机充电平台技术中的关键点 原副边可分 堪舞誊辑图 图1 , 9 摩应耦畚电能传输系统结构框圉 典型的感应耦合电能传输系统的结构框图如图19 所示，主要包含四部分： 电源部分、高颠逆变部分，原副边可分离的松散耦台变压器和副边整流变换部分。 电源部分可毗是直流电耀供电也可是交流电经过整流之后得到的直流电，经过高 频逆变之后在变压器厚边产生高频电流，变压器副边线圈通过电磁感应耦台接收 到原边线圈发射的能量，经过整流变换之后供给负载。为了提高变压器的功率传 输能力同时降低电琢的祝在功率，通常需要在松散耦台变压器的原边或副边加补 偿电容 日前非接触电能传输技术方面的研究在电能变换与补偿拓扑研究、松散耦台 变压器结构及设计等方面较多m 对于手机等消费类电子设备充电平台的理论 研究及成果转化方面，主要有以下几个关键问题 1 、安全 主要是非充电设备位于充电平台上时引起的误充电问趣因为电磁感应将台 给所有感应区域内的金属物体传输能量，因此如何识别受电模块从而只把能量传 6 浙江大学硕士学位论文 输到受电模块上的线圈上是一个需要关注的问题。目前可采用r f i d 认证技术， 在充电座和终端间使用特定的i d 号码，利用磁传感器识j jj i d 。当检测到有异物 时，充电平台会自动终止提供能量。 另外，高频电路磁场散射引起的电磁辐射问题也是人们关注的一个焦点。 2 、效率 目前非接触充电大多利用近场电磁感应原理进行能量的传递，效率比较低， 由此引发了一系列问题，例如局部感应发热问题、位置偏移时充电效率降低等问 题。系统设计的最终目标是实现较高的传输效率，且外部因素造成的热量限制在 一定范围内。 3 、距离 由于利用电磁感应原理传递能量只适用于较近的距离，因此当待充电电子设 备远离充电平台时，能量传递的效率就比较低，因此怎样克服距离的限制也是非 接触充电设计中的一个关键问题。 4 ，线圈技术 采用电磁感应原理进行非接触能量传输时，变压器原边能量发射线圈的结构 及副边能量接收线圈与副边电路的有效隔离是一个比较重要的问题。变压器原边 线圈的结构决定了充电平台上方的磁场分布情况，理想的设计是在充电平台上方 形成分布均匀的磁场，当待充电设备在平台上移动时或者是多个设备同时充电时， 不同位置的设备上都能获得基本恒定的电压。 5 、能量传输方式 美国麻省理工学院( m i t ) 2 0 0 7 年提出了利用磁场共振原理【6 】解决无线电力 传输的距离问题。m i t 研究小组试制了无线电力传输装置“磁场耦合共振器 ( m a g n e t i c a l l yc o u p l e dr e s o n a t o r s ) ”，利用一对具备l c 电路特性的线圈组成一对 天线，直径有数十厘米。当其中一根天线通过几m h z 的交流电时，周围产生振动 磁场，通过共振向位于数段波长之内的另一根天线传输能量。传输距离为2 m 时 效率约为4 0 ，距离为l m 时效率约为9 0 。m i t 研究小组采用磁场共振方式传 递能量解决了能量散射问题，并把这一技术概念命名为“w i t r i c i t y ”。 1 4 本文主要研究内容 本文对应用于手机充电平台的感应祸合电能传输系统( i c p t ) 进行了研究 7 浙江大学硕士学位论文 分析。首先对i c p t 系统中高频逆变和谐振变换部分拓扑结构进行了分析，并对 松散祸合变压器的补偿拓扑结构进行研究。在此基础上，给出了单负载和多负载 条件下非接触式手机充电平台系统的建模分析，包括线性负载和整流桥负载两种 情况，并以线性负载情况为例研究电路参数变化对系统电压增益的影响，基于分 析研究给出了一种基于电压增益的系统参数设计方法，并进行了实验研究。 松散耦合变压器作为非接触式充电平台中的重要元件，变压器原边线圈的结 构影响到充电平台上方的磁场分布。文中对松散耦合变压器原边线圈结构及磁场 分布情况进行了分析研究，构建了实际的手机充电平台，并进行了仿真和实验研 究。 浙江大学硕士学位论文 第二章非接触式手机充电平台拓扑结构的研究 2 1 逆变拓扑结构 2 1 1 全桥逆交拓扑结构 典型的全桥逆变拓扑结构如图2 1 所示【1 8 】，四只相同的开关管接成电桥结构 驱动变压器原边。图中s l 、s 4 为一对，由同一组信号驱动，同时导通或关断； s 2 、s 3 为一对，由另一组信号驱动，同时导通或关断。两组驱动信号之间存在一 定的死区，防止同一桥臂两只管子直通。两对开关管轮流导通或关断，在变压器 原边线圈中形成正、负交变的电流。 全桥电路中的变压器双向励磁，变压器利用率高，可以传输较大的功率，通 常使用在l k w 以上的中大功率开关电源电路中；开关管不需要很高的耐压，承 受的最大反压为输入电压，且输入到变压器原边的电压幅值为输入电压。缺点为 结构复杂，使用的开关管数量多，成本提高，且要求开关管参数的一致性好；驱 动电路复杂，可靠性降低；同一组驱动信号实现同步比较困难；变压器磁芯存在 直流偏磁现象；每一桥臂上下两只开关管存在直通的危险，需要用隔离型的驱动 电路或者是非隔离型的浮地驱动电路进行驱动。 2 1 1 半桥逆变拓扑结构 图2 1 全桥变换器 半桥逆变电路结构与全桥类似，只是把其中一个桥臂的两只开关管( 图2 1 中s 3 、s 4 ) 换成了两只等值大电容( 图2 2 中c l 、c 2 ) ，如图2 2 所示【1 8 1 。半桥 电路对电路对称性要求不是很严格，开关管也不需要很高的耐压值，承受的最大 浙江大学硕士学位论文 反压为输入电压；开关管数量减少，电路成本比全桥电路低；能适应从几十瓦到 几千瓦的功率范围。半桥电路的缺点在于上下两只开关管之间存在直通的危险， 需要用隔离型的驱动电路或者是非隔离型的浮地驱动电路进行驱动，可靠性降低。 2 2 谐振变换器 图2 2 半桥交换器 电力电子变换器中开关损耗的存在限制了开关电源的高频化，减小开关损耗 的途径之一是实现软开关。谐振变换器利用电路中的电感元件和电容元件对开关 管的开关轨迹进行整形，从而达到降低开关损耗的目的【1 9 】。谐振变换器可以实 现高效率、高频率、高功率密度从而成为研究的热点。 2 2 1 串联谐振交换器 典型的串联谐振变换器结构如图2 3 所示【1 9 - 2 0 ，谐振元件厶、g 与负载串联 构成一个串联谐振槽路。其等效电路如图2 4 所示，直流电压k 。经过半桥逆变 电路后变成一个方波信号施加在谐振网络上。当逆变器输出电压 v a b 的频率与谐 振频率相等时，串联谐振电路的l c 具有滤波功能，只允许基波电流分量通过， 高次谐波电流将被阻止，等效电阻尺即上的输出电压近似为一正弦波。改变开关 频率，可以改变串联谐振网络的阻抗，从而改变负载上的电压。串联谐振变换器 的谐振网络电压增益总小于等于l ，最大增益出现在谐振频率处。 l o 浙江大学硕士学位论文 图2 3 串联谐振交换器 图2 4 串联谐振交换器等效电路 串联谐振网络的电压增益可由下式得到： e o 一 l g o c o o 1 + j o 一哝 国一 ( 2 1 ) 式中：e o 为等效负载r e q 上的电压有效值，为谐振单元输入电压p a b 的有效 值，q 2 等，哦2 志一观矿 d e m o 图2 5 串联谐振网络电压增益曲线 串联谐振变换器电压增益曲线如图2 5 所示，以谐振频率为界限，电压增益 曲线图可以划分为两个区域：f f o 和f f o 和f f o 。在f | | 匕 =i 剑童 ：kjl l 、， j 一， ， 尺 图3 1 线性负载时非接触式手机充电平台结构图 3 1 1 松散耦合变压器模型分析 非接触式电能传输系统中松散祸合变压器等效模型主要有两种：一种是t 型 等效模型 3 2 - 3 5 】，变压器的原边或副边通常需要进行折算；另外一种是互感等效模 型 3 6 - 3 9 】，变压器原、副边的耦合效应通过互感来表达。图3 2 、3 3 分别给出了变 压器的t 型等效模型和互感等效模型，其中。l 为变压器原边漏感，厶：为折算到 变压器原边的副边漏感，m 为变压器励磁电感，三口、三。分别为变压器原、副边 线圈电感量，m 为变压器原、副边之间的互感。 图3 2 松散耦合交压器的漏感等效模型 图3 3 松散耦合变压器的互感等效模型 浙江大学硕士学位论文 3 1 2 基于变压器互感等效模型的线性负载系统建模分析 基于松散祸合，趸压器的互感等效模型，对原、副边串联补偿的非接触式手机 充电平台进行建模，等效电路如图3 4 所示。图中：岛、。分别为变压器原、副 边线圈的电感量；，p 珞分别为变压器原、副边线圈电阻；c p 、c s 分别为变压器 原、副边补偿电容；r 为负载电阻；z r 为次级回路等效阻抗z s 在初级回路的反射 阻抗，可由下式计算得到： z r = 警 ( 3 1 ) 式中： z s = j 鸣+ 壶+ 气枷 ( 3 2 ) 从谐振单元输入侧看进去的等效阻抗z 晶可由下式得到： 乙2 j 鸣+ 志+ 名+ z r ( 3 3 ) + v o - 图3 4 线性负载时非接触式手机充电平台互感等效模型 原边谐振单元的输入信号是一个具有直流分量的方波信号，其基波分量 有效值k n 为： 圪：亟( 3 4 ) 初级回路电流向量可由下式计算得到： 矿 = 辛一 ( 3 5 ) j 鸣+ 高+ 名+ z r 浙江大学硕士学位论文 初级回路电流在副边产生的感应电压向量k 为： 曩：j 刎c ：上 j 鸣+ 高+ 名+ 互 式中圪为谐振单元输入电压向量。 i c p t 系统的电压增益函数眠可由下式得到： 耻毒惜 式中：i i o 为输出电压有效值，；为次级回路电流向量。 将式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 和式( 3 6 ) 代人式( 3 7 ) 化简可得： 帆= j 厕很 j 咄+ 壶+ ，；般 时瓦1 吲脚a 壶产m 2 埘r 采用归一化方法化简可得电压增益眠： 式中： 帆= j l + j q ( n 2 - 毒) + y m l _ - 丁) + , t ? ：c n n 2 k 2 q 2 秒n 2 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 哝2 赤翮绷鲥赫粹 ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) ( 3 1 3 ) 她警一分旁唯 浙江大学硕士学位论文 七：- 7 箬f 为变压器的耦合系数 ( 3 1 4 ) 0 l p l s 口= 暑为变压器原、副蚓、偿电容比率 ( 3 1 5 ) 夕= 丢为变压器原边线圈电阻系数 ( 3 1 6 ) y = 素为变压器副边线圈电阻系数 ( 3 1 7 ) 3 2 整流桥负载时系统的建模 3 2 i 整流桥负载的交流等效电阻 高频逆变电路产生的方波信号通过谐振网络后，主要是其基波成分传送到整 流电路，为负载提供能量。因此，在分析谐振变换器的稳态特性时可以只考虑其 基波分量。做如下假设： ( 1 ) 变换器中的所有开关元件均为理想元件，所有无源元件均为线性元件。 ( 2 ) 逆变器的输出电压是一个理想方波信号，占空比为5 0 。 ( 3 ) 电路的x - 作频率厂接近谐振频率厶 图3 5 电流源驱动的整流桥负载交流等效电路【2 0 在上述假设的基础上分析电路，如果整流桥负载是电流源驱动的，如图3 5 所示，输出滤波采用电容滤波形式。假设输出滤波电容足够大，则输出电压可近 似认为是直流，其有效值用表示。整流桥输入电压v a b 是以k 为幅值的方波 信号，其基波分量有效值b 为： ( 3 1 8 ) 圪 压一兀 ， 趴一。 筋 = 浙江大学硕士学位论文 假设输入电流为i ( t ) = i p s i n ( o j t ) ，则整流桥输出电流i l ( t ) 茭j ： f l ( d = i p s i n ( c o t ) i ( 3 1 9 ) 式中昂是输入电流以) 的峰值。 整流桥输出电流经过电容滤波后其直流分量即为负载电流，则负载电流有效 值厶可由下式得到： 厶：2 i 。：丝k 7 【7 【 式中为输入电流f ( d 的有效值。 ( 3 2 0 ) 从整流桥输入侧看进去的等效电阻r a b 可由下式计算得到： = 笔= 詈= 了8 尺 2 ， 睇弓。 uu 一 _ - 一 一 = 二7 zz 砬 ：只 a c - - 砸) b 一 zz 图3 6 电压源驱动的整流桥负载交流等效电路哪i 对于图3 6 所示的电压源驱动整流桥负载情况，用类似的办法可以推导出其 交流等效电阻为： 氏= 等尺 ( 3 2 2 ) 3 2 2 基于变压器互感等效模型的整流桥负载系统建模分析 昔霉 刊雌 l z a ? r、z 圈3 7 整流桥负载时的系统结构图 2 6 浙江大学硕士学位论文 采用图3 7 所示结构设计非接触式手机充电平台，并以此为例进行介绍。由 3 2 1 节分析可知： = 孑8 尺 ( 3 2 3 ) ：丝圪( 3 2 4 ) 式中r a b 为从整流桥左侧看进去的等效电阻，b 为整流桥输入电压的有效 值，r 为负载电阻，圪为输出电压有效值。 则整流桥负载时系统的等效电路如图3 8 所示，由式( 3 9 ) 和式( 3 2 3 ) - ( 3 2 4 ) 可得到系统的电压增益眠，如式( 3 2 5 ) 所示。 + v a b _ 图3 8 整流桥负载时非接触式手机充电平台互感等效模型 m = j 拿跏 了蜘 州詈蝴2 一吾， 亭呻专l 州吾0 ) 1 3 2 毒专 3 3 系统特性的分析和基于电压传输特性的参数设计方法 ( 3 2 5 ) 下面以一个输入电压1 5 v 、输出电压有效值4 v 、额定负载1 2 q 的非接触式 手机充电平台系统为例分析模型中几个主要参数的变化对系统电压传输特性的 影响。 3 3 1 负载品质因数q 由式( 3 1 2 ) 可知，q 变化反映的是变压器原边线圈电感量l p 或负载电阻尺的 变化。i c p t 系统电路工作点一般选择在副边谐振频率然处，媳由下式决定： 2 7 浙江大学硕士学位论文 q ：币1 _ ( 3 2 6 )q 2 丽 王2 6 当初级回路谐振角频率- 9 次级回路谐振频率相等时，k ( 3 3 ) 中z e q 的虚部为 零，初级回路输入电压、电流同相位，此时电路可以实现最大功率传输。由l ( 3 9 ) 可得到此时的电压传递函数： m 。= 。m 嵋k ( 3 2 7 ) 由上式可知，当r 增加( 即q 减小) 时，电压增益峰值增加；反之电压增 益峰值将减小。而当l ，增加时，z 晶的虚部变为正，从谐振单元输入侧看进去的 等效电路呈现感性，电路中的无功功率增加，传递到负载的有功功率减小，电压 增益峰值减小。 图3 9 给出了q 变化时的电压增益曲线。从图中可以看出，q 愈小，谐振频 率( c o 。= 1 ) 附近的电压增益曲线愈陡峭，对频率的变化愈敏感，愈难保持输出电 压的稳定；而当q 增大时，谐振点附近的电压增益曲线变化缓慢，但电压增益 值降低，相同的输出电压所需的输入电压和原边电流增大，线路的损耗增大。因 此q 可折中选为3 6 。 图3 9 不同q 时的电压增益曲线 ( 一= 0 7 ，詹= 田1 5 ，铲：o 4 9 ，声刍o 0 6 , 7 = 0 0 2 ) 3 3 2 变压器耦合系数k 由式( 3 1 4 ) 可知耦合系数k 的变化反映的是变压器原、副边线圈互感的变化。 2 8 浙江大学硕士学位论文 式( 3 2 7 ) 变换可得到下式： m 。= c o o r 班i “等固 ( 3 2 8 ) 由上式分析可知，在一定的参数条件下，变压器原、副边之间的互感m 存 在一个值慨( 即存在一个耦合系数氏) 使得电压增益峰值达到最大；当k 小于 图3 1 0 不同k 时的电压增益曲线 ( q = 5 ，n - - - o 7 ，删4 9 ，夕b 0 0 6 , r = o o z ) 时，电压增益峰值随着k 的增加而增加；当k 大于时，电压增益峰值随着k 的增加而减小。 图3 1 0 给出了电压增益特性随k 变化的一组曲线，从图中可以看出，电压 增益曲线随k 变化的趋势与理论分析相吻合。为了达到系统所需电压增益，需合 理设计松散耦合变压器。 3 3 3 变压器有效匝比t 由式( 3 1 3 ) 可知，l ，或。的变化都会引起变压器有效匝比n 的变化。当聆 的变化由。引起时，电路的谐振频率将随着n 的增加而降低，反之增加；当n 的变化由厶引起时，负载品质因数q 也同时发生变化，二者共同作用的结果是 使电压增益峰值将随着n 的减小而减小；而当n 的变化由岛和三。共同作用时， 电压增益曲线的变化趋势主要由二者之中变化量较大的决定。 图3 1 1 反映了电压增益曲线随疗的变化趋势。从图中可以看出，n 值较小 ( 例如小于o 1 ) 时，电压增益在整个频率范围内都较小； 较大( 例如大于0 7 ) 2 9 浙江大学硕士学位论文 时，电压增益曲线较为陡峭，较小的频率变化就会引起较大的电压增益变化。因 此，n 值可折中选为o 5 1 。 图3 1 l 不同以时的电压增益曲线 ( q = 5 ，k - - 0 1 5 ，a = 0 4 9 ，伊：0 0 6 , 7 = 0 0 2 ) 3 3 4 原、副边补偿电容比率口 由式( 3 1 5 ) 可知，口变化反映的是变压器原边或副边补偿电容的变化。原、副 边谐振频率相等时，萨，1 2 关系式成立，而当口变化时，电路谐振频率也将发生偏 移，如图3 1 2 所示，因此矾值应尽量接近n 2 。 图3 1 2 不同茯时的电压增益曲线 ( q = 5 ，以= 0 7 ，k = 0 1 5 ，p = o 0 6 , 7 = 0 0 2 ) 3 4 基于电压增益的单负载系统参数设计方法 在第3 3 节分析的基础上设计电路，电路的设计目标为输入电压1 5 v 、输出 电压有效值4 v 、额定负载1 2 q 、额定工作频率为1 m h z 。基于3 3 节分析取q ：5 5 、 3 0 浙江大学硕士学位论文 n = 0 7 ，= 1 0 5 较为合适，电路中各参数的计算过程如下： 1 ) c o 。 ：旦一一一106rad；co眦一o 59 8 x 1 0r a d s 2 9 ) 2 2 【3 2 ) 岛 厶：业：1 1 0 4 b h ( 3 3 0 ) 魄 实验电路中原边采用正方形螺旋线圈结构，两股0 2 3 m m 铜线绞和绕制， 最内层线圈边长为最外层线圈边长的一半，且相邻两匝线圈之间的间距相等，如 图3 1 3 所示。采用m t 4 0 8 0 a l c r 表测得电感量为1 1 6 6l a h 。 3 ) c p q 2 六乏- 4 n f ( 3 3 1 ) 因此实验电路中c p 取2 2 n f 。 。4 ) l 。 丘= ，2 2 勺= 5 7 1 9 h ( 3 3 2 ) 实验电路中，副边采用正方形集中线圈结构，即每匝线圈的尺寸均相同，采 用两股加2 3 m m 铜线绞和绕制，如图3 1 4 所示。采用m t 4 0 8 0 al c r 表测量得 到电感量为5 8 2 7 9 h 。 图3 1 3 变压器原边线圈结构参数 浙江大学硕士学位论文 一2 0 r a m 1 薹 n i 图3 1 4 燹压器副边线圈结构参数 5 ) c s e = 导= 导一n f ( 3 3 3 ， 因此实验电路中g 取4 4 n f 。 6 ) k 利用耦合电感正向串联反向串联测量互感的原理计算得到变压器原副边之 间的互感m 为1 2 1 9 h ，由- f 式计算得到变压器的耦合系数k 为0 1 5 。 七：了等：o 1 5 ( 3 3 4 ) 。厶 7 ) 检验参数q ， 搬值是否合适 由于实验电路参数的取值与理论计算值存在偏差，因此为了实现结果最优， 需要检验实际得到的q 、n ，口等参数取值是否合适。 q = 竿= 去层面。6 3 5 ， 。 r 尺、c 、 肛压一o 7 盯 3 6 ， 口专一o 5 3 7 ， 通过以上计算可知q 、口，的取值基本符合3 3 节分析，说明参数的选取 比较合理。否则，需重新选定q 、n 重复以上设计步骤直到计算得到的参数值与 理论值相符为l e 。按照实验电。路参数得到的电。路归一化工作频率a h 为1 0 9 。 3 2 浙江大学硕士学位论文 3 5 实验结果分析 0 8 50 9 00 9 5i ，0 01 0 51 1 0 c o n 图3 1 5 不同q 时的电压增益曲线 鑫| 蟛r 口、r 埘v ；走| r1r 一 曰1- jl 一 叫 l jl l v o 十 代j付“1 7 t ， 4 弋 盯 。 烈 ， ， t 、三；、 + 一+ 卜彳h “ ：，、毒 k 一 f 、 、；p 八 、|、 | 矿 蟮v l 时卜av 方 丰 图3 1 6 满载时谐振单元输入电压v i 。，原边电流及输出电压 n邯af 。i 寸 j| r 、 v | v v口 弋 八一h _3j 4 - 。 卜。i |厂|r 。| vu yv ll ry 。jp、孙。八八 iu心v _ 、| 圈3 1 7 半载时变压器原边电压、原边电流昂及输出电压 采用上述设计的电路进行实验并对结果进行分析。q 的变化通过改变负载来 实现，图3 1 5 示出了q = 3 和q = 6 时电压增益的理论值和实测值，两者基本吻合。 图3 1 6 和图3 1 7 给出了满载和半载时谐振单元输入电压、原边电流和输出电压 的波形。从图中可以看出，电压相位略超前电流，电路具有z v s 的特性，开关 管可以实现z v s 。 卫翌圈团团团 臼圈团 浙江大学硕士学位论文 在上述电路参数的基础上，通过变化副边补偿电容的大小来改变口参数，图 3 1 8 给出了不同雄对应的电压增益的理论值与实测值，两者相近。 图3 1 8 不同窿时的电压增益曲线 由电压增益函数表达式可知，当电路参数确定后，系统的电压增益随之确定， 输出电压应随输入电压做线性变化。图3 1 9 给出了满载时输出电压随输入电压 的变化曲线，实验结果符合理论分析。 3 6 小结 1 21 31 4 1 51 61 71 8 1 92 02 12 2 2 3 2 4 k 。，v 图3 1 9 满载时输出电压随输入电压的变化 基于变压器互感等效模型的电压增益模型能较为准确地描述非接触式手机 充电平台的电压传输特性，能根据不同的负载情况较为准确地估计系统的输出电 压。基于电压传输特性的非接触式手机充电平台系统参数设计的方法可行，具有 一定的参考性。 浙江大学硕士学位论文 第四章多负载时非接触式手机充电平台系统的建模分析 4 1 松散耦合变压器研究 4 1 i 松散耦合变压器结构探讨 与传统的变压器不同，松散耦合变压器原、副边可分离，线圈绕在相互分离 的磁芯上【4 1 】或者采用相互分离的p c b 线圈作为变压器原副边 4 2 - 4 3 】。在便携式 电子设备充电平台的应用中，松散耦合变压器原边位于充电平台内部，副边位于 待充电电子设备内，当待充电电子设备放置在充电平台上时，副边线圈感应到原 边线圈产生的磁通量，能量就从变压器的原边传递到副边。 因此，怎样设计变压器原边线圈结构以保证电子设备在充电平台上方移动时 副边线圈都能接收到基本不变的磁通量是充电平台设计中的关键问题。为了适应 电子设备轻薄的发展趋势，能形成垂直于充电平台分布磁场的线圈结构是较为合 适的选择。目前产生垂直磁通的变压器原边线圈结构主要有以