本發(fā)明屬于無線電能傳輸技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種磁耦合串聯(lián)諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，特別涉及一種基于MAX038芯片和E類功率放大器的磁耦合串聯(lián)諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

自從電磁感應定律被提出以來，人類迅速由蒸汽時代進入電氣時代，經(jīng)過一百多年的發(fā)展，到目前為止，幾乎所有的電能傳輸過程仍然需要傳輸介質(zhì)，即使是短距離的電能傳輸，如計算機，臺燈，手機也必須使用金屬導線等連接方式才行。一方面，導線的布線非常麻煩，占據(jù)空間，消耗金屬資源而且還存在一定的安全隱患。因此無線電能傳輸裝置被提上研究議程，關(guān)于無線電能傳輸?shù)难芯孔钤缡加谖锢韺W家特斯拉，一百多年來，也陸續(xù)有科學家從事與無線電能傳輸?shù)难芯?，但進展緩慢。目前主要的無線電能傳輸方式主要有3種，電磁感應式，微波式和電磁耦合諧振式。電磁感應式要求傳輸距離非常近，一般要小于10cm，而且要求傳輸線圈一對一中心對準，因為傳輸距離太近，并不能夠給人們生活帶來方便。微波式的原理是利用微波束代替導線，利用天線進行微波的接受和發(fā)射，但是微波在空氣中傳輸時損耗大，效率低，且對人體有害，不適宜日常生活中使用。而近兩年興起的磁耦合諧振式無線能量傳輸系統(tǒng)傳輸距離遠，一般大于30cm，能量損耗小，能量只在共振系統(tǒng)中流動，對共振系統(tǒng)外的物體無影響，而且無方向性還具有良好穿透性。

無線能量傳輸裝置一般設(shè)計思路是：設(shè)計一款大功率高頻交流電源，電磁發(fā)射系統(tǒng)和電磁接收系統(tǒng)。控制高頻交流電源的頻率，電磁發(fā)射系統(tǒng)諧振頻率和電磁接收系統(tǒng)的諧振頻率三者相同，當高頻交流電源驅(qū)動電流流經(jīng)電磁發(fā)射線圈時，發(fā)生共振現(xiàn)象，能量可以從發(fā)射端流入接收端。而大功率高頻交流電源的設(shè)計多采用逆變電路的方法，一般要用到DSP控制逆變電路開關(guān)管的開通和關(guān)斷，由于開關(guān)管開關(guān)頻率限制，大功率交流電源頻率難以達到兆赫茲以上，頻率不夠高則電磁諧振系統(tǒng)的體積會很大，串聯(lián)系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)被限制，電磁發(fā)射系統(tǒng)的傳遞距離，功率和效率也會受影響，而且對于一般逆變電路，工作頻率幾百K赫茲時，開關(guān)管損耗就已經(jīng)非常大了。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種磁耦合串聯(lián)諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)。

技術(shù)方案

一種磁耦合串聯(lián)諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，其特征在于包括發(fā)送裝置和接收端線圈；所述發(fā)送裝置包括MAX038芯片、THS4031放大電路、UCC27321驅(qū)動芯片、E類功率放大器以及L1電感和L2電感構(gòu)成的發(fā)射和接收線圈；MAX038芯片產(chǎn)生0.1～20MH高頻交流小信號，其輸出連接THS4031放大電路，THS4031放大電路的輸出連接UCC27321驅(qū)動芯片，UCC27321驅(qū)動芯片的輸出連接E類功率放大器的輸入，E類功率放大器的輸出電流流經(jīng)發(fā)射線圈和C1電容回路，接收線圈通過C2電容連接負載。

所述E類功率放大器包括開關(guān)管Q₁，二極管D₁，扼流電感RFC，電感L，以及電容C和C₃；開關(guān)管Q₁的柵極連接驅(qū)動電路的輸出，其漏極通過扼流電感RFC至電源，同時經(jīng)過電感L和電容C作為輸出端；二極管D₁與電容C₃并聯(lián)于開關(guān)管Q₁的漏極與源極之間，二極管D₁的負端連接于Q₂MOS管的漏極。

所述開關(guān)管Q₁采用ARF461A開關(guān)管。

所述L1電感和L2電感的發(fā)射和接收線圈，采用1.3mm的漆包銅線繞制，匝數(shù)4匝，直徑50cm，且L₁＝L₂，電感量為24.6uH。

所述電容C₁＝C₂，均為500pF。

有益效果

本發(fā)明提出的一種磁耦合串聯(lián)諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)，基于MAX038芯片和E類功率放大器大功率高頻電源來代替一般的以逆變電路為核心的高頻交流電源，MAX038芯片可產(chǎn)生0.1～20MH頻率可調(diào)高頻交流小信號，配以E類功率放大器構(gòu)成大功率高頻電源，解決了逆變電路頻率限制的問題，無需使用DSP，E類功率放大器工作在零電壓開通狀態(tài)，開關(guān)損耗極小，解決了逆變電路開關(guān)管損耗過大的問題。系統(tǒng)工作頻率的提高可以減小電磁諧振系統(tǒng)的體積，有利于改善系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)。MAX038芯片輸出頻率范圍為0.1～20MHz，頻率調(diào)節(jié)過程簡單。經(jīng)實驗驗證，在發(fā)射線圈接收線圈相距25cm時考慮到非最佳負載工作條件，效率最大依然可達到85％。

附圖說明

圖1是本發(fā)明無線電能傳輸系統(tǒng)方框圖

圖2是本發(fā)明實施例具體設(shè)計電路圖

圖3是MAX038模塊電路圖

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合實施例、附圖對本發(fā)明作進一步描述：

本實施例利用MAX038芯片產(chǎn)生0.1～20MH高頻交流小信號，頻率可調(diào)，利用THS4031芯片將高頻小信號進行初步放大，通過UCC27321驅(qū)動芯片后用以驅(qū)動E類功率放大器的開關(guān)管。以ARF461A開關(guān)管為基礎(chǔ)，設(shè)計E類功率放大器(參考圖2，放大器由直流電源DC，開關(guān)管Q₁，二極管D₁，扼流電感RFC，電感L，以及電容C和C₃組成)，該功率放大器工作在開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)損耗極小。以LM7805，LM7905和LM2596-adj芯片設(shè)計供電電源，LM7805和LM7905給MAX038模塊供電，LM2596-adj給ARF461A的驅(qū)動電路供電。采用1.3mm漆包線繞制對稱的發(fā)射線圈L₁和接收線圈L₂，采用CBB電容做發(fā)射系統(tǒng)諧振電容C₁和接收系統(tǒng)的諧振電容C₂。其中L₁＝L₂，C₁＝C₂。通過調(diào)節(jié)MAX038的輸出信號頻率，可以控制流經(jīng)發(fā)射線圈電流的頻率，當調(diào)節(jié)高頻電源頻率等于電磁系統(tǒng)諧振頻率時，諧振產(chǎn)生，電能可以快速高效地從發(fā)射系統(tǒng)流入接收系統(tǒng)。E類功率放大器的直流供電電壓DC的值越大，系統(tǒng)傳輸?shù)墓β试酱蟆?/p>

實驗過程，用1.3mm的漆包銅線繞制發(fā)射線圈和接受線圈，匝數(shù)4匝，直徑50cm，L₁和L₂的電感量均為24.6uH，電容C₁，C₂均為500pF。經(jīng)實驗驗證，當發(fā)射線圈和接收線圈相距25cm時，諧振頻率為1.45MHz時，E類功率放大器的直流供電電壓20V，負載為額定電壓12V額定功率20W的G4燈珠，傳遞效率最高可達85％，如果工作條件為最佳負載時，傳遞效率會更高，傳輸功率主要取決于E類功率放大器的直流供電電壓，此外實驗測得，直流供電電壓為15V時，傳輸距離在60cm處依然可以微弱點亮10W小燈泡，說明該系統(tǒng)的傳輸距離能力較強。

參見圖1，顯示了該無線電能傳輸系統(tǒng)的所有模塊，核心模塊是高頻信號發(fā)生模塊，和E類功率放大器。高頻信號發(fā)生模塊使用MAX038芯片，E類功率放大器使用ARF461A開關(guān)管，電源部分使用LM7805，LM7905和LM2596芯片。具體實施過程如下：給經(jīng)由LM7805和LM7905給MAX038模塊上電后，MAX038模塊可以輸出高頻交流小信號，通過調(diào)節(jié)電位器R₄，R₅和P₁跳帽連接端，可以改變輸出高頻信號的頻率。輸出的信號峰峰值只有2V，通過THS4031進行初步放大可達到6～8V，輸出電流能力只有100mA，此時THS4031輸出的信號還不足以驅(qū)動ARF461A，高頻小信號經(jīng)過UCC27321驅(qū)動電路的再次放大后，輸出電流能力增強，將具有驅(qū)動MOS管的能力。如圖2所示，E類功率放大器的MOS管在驅(qū)動信號的作用下，ARF461A將呈周期性的開通和關(guān)斷。MOS管開通時，C₂兩端電壓為0V，MOS關(guān)斷時，C₂兩端電壓先上升再下降，是一電壓單峰。電容元件C隔直通交，高頻交流信號通過L₁，C₁時產(chǎn)生串聯(lián)諧振。實際過程中有L₁＞＞L，C₁＜＜C,則基本上對L，C電磁發(fā)射系統(tǒng)自振頻率影響非常小，我們調(diào)節(jié)MAX038輸出信號頻率，使輸出信號頻率與發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的自振頻率相同，理想情況下，發(fā)射線圈和接收線圈產(chǎn)生諧振，電路呈現(xiàn)純電阻電路，此時線圈之間的磁場最強，傳遞的能量也最大，可以實現(xiàn)在較遠的距離實現(xiàn)較高的傳遞效率和傳輸功率。