摘要：為了使無線功率傳輸在給多個(gè)設(shè)備充電時(shí)不再需要電源線和龐大的充電設(shè)備，例如實(shí)驗(yàn)移動(dòng)設(shè)備（如移動(dòng)手機(jī)）放在無線傳輸設(shè)備附近能夠?qū)崿F(xiàn)充電，可以通過改變手機(jī)等設(shè)備的位置，角度，離發(fā)射設(shè)備的距離等實(shí)現(xiàn)無線充電。為了這解決了長期以來的兼容性難題，擬用電容性電能傳輸 （CPT），應(yīng)用AD—DC，DC—AC轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)設(shè)備的充電。通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，無論是整流橋還是偏置網(wǎng)絡(luò)，我們均是通過采用開關(guān)電源來提高效率。這種解決方案比常規(guī)體系結(jié)構(gòu)更適合集成電路（IC）實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能提高無線功率傳輸效率90%。

　　關(guān)鍵詞：無線傳榆;磁耦合;功率發(fā)射器;AC/DC

　　由于顧客便捷性的充電需求，很多公司加入了于2008年成立的無線充電聯(lián)盟（Wireless Power Consortium，WPC），并建立了一個(gè)通用的無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)（QI）。該標(biāo)準(zhǔn)使得不同型號(hào)，不同國家，不同電源需求的手提設(shè)備可以共用一個(gè)電源，多個(gè)設(shè)備在充電時(shí)不再需要電源線和龐大的充電設(shè)備，這解決了長期以來的兼容性難題。但是僅WPC標(biāo)準(zhǔn)下的功率傳輸效率不高，研究目標(biāo)在于減少電能的無線傳輸損耗，實(shí)現(xiàn)為小功率的便攜移動(dòng)設(shè)備電池進(jìn)行充電。

　　1 通過電磁耦合實(shí)現(xiàn)無線傳輸及其優(yōu)點(diǎn)

　　盡管聲耦合和光耦合也在發(fā)展，但是電磁耦合是最有效率的。傳統(tǒng)的感性傳輸技術(shù)（IPT）存在明顯的局限性。因?yàn)橛衅洳荒艽┻^金屬屏障，傳輸效率低，易受電磁干擾等缺陷。而基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸，通過共振建立發(fā)射與接收裝置之間的傳遞通道，能實(shí)現(xiàn)通道間的遠(yuǎn)距離能量傳輸，通過優(yōu)化功率變換電路及無功功率的補(bǔ)償，可以盡最大可能地提高能量傳遞效率，從而有效地傳輸能量。實(shí)驗(yàn)研究了電感螺線圈直徑和傳輸裝置電路開關(guān)管工作時(shí)間對(duì)傳輸功率的影響。我們團(tuán)隊(duì)擬用電容性電能傳輸（CPT），應(yīng)用AC—DC，DC—AC轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)設(shè)備的充電。

　　無線容性功率傳輸（CPT）技術(shù)是最近被人們提出作為備用接觸電力傳輸解決方案，CPT接口是在一對(duì)耦合的構(gòu)造電容。電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的其余部分，包括逆變器和整流器結(jié)構(gòu)仍然是一樣的。由于磁感應(yīng)的特點(diǎn)可以降低功耗，在某些功率水平，元件可以使用最小化電容結(jié)構(gòu)。因此CPT最顯著的優(yōu)勢是它的低功率損耗，成本和尺寸。然而，在高功率應(yīng)用中，這不是一個(gè)優(yōu)選的解決方案。出于這個(gè)原因，大多數(shù)現(xiàn)有的CPT的解決方案是專注于低功耗應(yīng)用和便攜式電子設(shè)備，如無線牙刷充電器，或無線手機(jī)充電器在電源傳輸接口與電容耦合的矩陣的點(diǎn)。

　　對(duì)于感性傳輸技術(shù)來說，CPT有以下特點(diǎn)：

　　1）CPT是基于電場耦合的，所以需要在耦合板上提供高頻的AC電壓。

　　2）一個(gè)完整的CPT系統(tǒng)至少含有兩對(duì)耦合板以提供電源和接收器之間的完整的循環(huán)電流。

　　3）當(dāng)耦合板間有金屬屏障時(shí)，這種耦合可被認(rèn)為是兩個(gè)電容的串聯(lián)，這意味著CPT能夠通過金屬屏障來傳輸能量。

　　4）相比于IPT來說，CPT系統(tǒng)因?yàn)榇蠖鄶?shù)電場封閉在連接板體積內(nèi)，電磁輻射干擾和功率損耗可被大大減少。

　　5）除去了重而昂貴的磁性材料和線圈，電路的尺寸可被減小。無線電池充電器的結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

　　功率發(fā)射器連接在電網(wǎng)上，功率接收器集成在移動(dòng)設(shè)備上。功率發(fā)出和功率接受是靠磁耦合。經(jīng)過AC—DC和DC—AC轉(zhuǎn)換，發(fā)出功率在合理控制共振箱的基礎(chǔ)上再由AC—DC轉(zhuǎn)換為直流電壓為電池充電。耦合諧振式無線供電技術(shù)這種新型的供電方式不但可以使無線供電的距離提升到米級(jí)范疇，突破了無線能量傳輸距離這個(gè)瓶頸，同時(shí)還會(huì)分離開用電設(shè)備與供電設(shè)備之間的物理連接，這樣在提高用電設(shè)備的美觀，實(shí)用性的同時(shí)，還可以改善用電設(shè)備的安全性。

　　無線容性功率傳輸（CPT）技術(shù)最近有人提出作為備用接觸電力傳輸解決方案，CPT接口是在一對(duì)耦合的構(gòu)造電容。電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的其余部分，包括逆變器和整流器結(jié)構(gòu)仍然是一樣的。由于磁根據(jù)需要與不縮小降低功耗，在某些功率水平，成本和尺寸的電隔離元件可以與被最小化電容接口。因此最顯著CPT的優(yōu)勢是它的低功率水平的成本和尺寸。然而，在高功率應(yīng)用中，這不是一個(gè)優(yōu)選的解決方案。出于這個(gè)原因，大多數(shù)現(xiàn)有的CPT的解決方案是專注于低功耗應(yīng)用和便攜式電子設(shè)備，如無線牙刷充電器，或無線手機(jī)充電器在電源傳輸接口與電容耦合的矩陣的點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。印刷和MEMS技術(shù)在應(yīng)用程序CPT表明承諾的進(jìn)步，這些驗(yàn)收技術(shù)在消費(fèi)電子應(yīng)用。

　　2 使用開關(guān)電源提高功率效率

　　在以往的結(jié)構(gòu)中，功率效率是通過電阻調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的，它引入了一個(gè)嚴(yán)重降低效率且平行于橋式整流器電阻負(fù)載。交流-直流整流器是由一個(gè)全波整流器來實(shí)現(xiàn)。在這樣的電路中，功率效率在很大程度上受這兩種傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。此外，功率效率受偏置電路中功率損失的影響。最重要的是能為一些特殊場合帶來更方便的供電，如水下檢測、油田礦井、高山沙漠、化工等。因此，磁耦合諧振式無線供電技術(shù)具有良好的應(yīng)用價(jià)值和研究意義。

　　改進(jìn)設(shè)計(jì)，無論是整流橋和偏置網(wǎng)絡(luò)，我們均是通過采用開關(guān)電源來提高效率。這種解決方案比常規(guī)體系結(jié)構(gòu)更適合集成電路（IC）實(shí)現(xiàn)。另外，接收器架上的MOSFET具有極低的導(dǎo)通電阻，因此與使用二極管和電阻的常規(guī)系統(tǒng)相比，功率損耗被嚴(yán)重降低。