引言

無線充電是近年來比較熱門的一個(gè)話題,因其省去了充電線,使用方便且大大降低了生產(chǎn)成本,開始逐漸滲透到各個(gè)領(lǐng)域,特別在小型電器行業(yè)得到了大規(guī)模商用,有著良好的應(yīng)用前景。

無線充電的方式有多種,本文對(duì)市面上最常見、技術(shù)最為成熟的電磁感應(yīng)式無線充電技術(shù)進(jìn)行研究。電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)分為發(fā)射模塊與接收模塊。發(fā)射模塊中的逆變電路將直流電源提供的直流電逆變?yōu)榻涣麟妭魉徒o發(fā)射電路。發(fā)射電路中的電感線圈產(chǎn)生交變磁通傳遞給接收模塊中的接收電路,根據(jù)電磁感應(yīng)原理,接收電路會(huì)產(chǎn)生交變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),經(jīng)過接收模塊中的高頻整流環(huán)節(jié)將交流電變?yōu)橹绷麟姾蠼o電池充電。

無線充電發(fā)射電路多采用諧振電路,因?yàn)橹C振電路理論上消耗的無功功率為0,極大地提高了電路的功率因數(shù)。常見的諧振電路有串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振電路兩種。串聯(lián)諧振也稱電壓諧振,適用于電壓型逆變電路:并聯(lián)諧振也稱電流諧振,適用于電流型逆變電路。由于市面上大多數(shù)無線充電系統(tǒng)逆變電路的直流側(cè)采用電壓源,所以本文只對(duì)串聯(lián)諧振與新型的CCL諧振電路進(jìn)行對(duì)比研究。

1串聯(lián)諧振電路的建模分析

串聯(lián)諧振電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。對(duì)該電路通入角頻率為0的正弦交流電壓us,電路中流過的電流為i。電阻R、電感L、電容c兩端的電壓分別為uR、uL、uC。

根據(jù)相量法,該電路的輸入阻抗為:

諧振頻率為:

諧振時(shí)電感與電容兩端電壓的關(guān)系為:

諧振電路的品質(zhì)因數(shù)0為:

由此可以求得電感與電容兩端的電壓分別為:

由式（3）、式（5）及式（6）可以得到,諧振時(shí)電感電壓、電容電壓、電阻電壓及電源電壓四者的關(guān)系為:

由以上分析可知,串聯(lián)諧振電路在諧振時(shí),電路呈純阻性,端電壓與總電流同相,此時(shí)等效阻抗最小,總電流最大,在電感和電容上可能產(chǎn)生比電源電壓大很多倍的電壓,因此串聯(lián)諧振也稱電壓諧振,當(dāng)逆變電路為電壓型時(shí),使用串聯(lián)諧振電路可以極大地提高電路的輸出功率與效率。

2CCL諧振電路的建模分析

CCL諧振電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)電路中通入角頻率為o的正弦交流電壓us時(shí),根據(jù)相量法,該電路的輸入阻抗為:

當(dāng)滿足如下條件:

這時(shí),該電路的輸入阻抗約為:

與串聯(lián)諧振電路的輸入阻抗形式一致。

CCL諧振電路的諧振頻率約為:

由以上分析可知,當(dāng)CCL諧振電路滿足式（9）的近似條件并發(fā)生諧振時(shí),電路輸入阻抗的形式與串聯(lián)諧振負(fù)載電路一致,可以近似等效為串聯(lián)諧振電路。因此,CCL諧振電路在上述條件下同樣具有電壓諧振的優(yōu)點(diǎn),當(dāng)逆變器直流側(cè)為電壓源時(shí)同樣可以大大提高電路的輸出功率與效率。

3兩種諧振電路的仿真對(duì)比分析

在simulink中分別畫出串聯(lián)諧振與CCL諧振的電路仿真圖,如圖3與圖4所示。

對(duì)于串聯(lián)諧振電路,電壓型逆變電路的直流側(cè)電壓設(shè)為+5V,頻率設(shè)為160kHz,穩(wěn)壓電容Cw的值設(shè)為22uF。電路參數(shù)設(shè)置如表1所示。

求取諧振頻率:

滿足諧振條件。

對(duì)于CCL諧振電路,電壓型逆變電路的直流側(cè)電壓與頻率同樣設(shè)為+5V與160kHz,穩(wěn)壓電容Cw的值同樣設(shè)為22uF。電路參數(shù)設(shè)置如表2所示。

經(jīng)驗(yàn)證:

滿足近似條件。

求取諧振頻率:

滿足諧振條件。

仿真后分別可以得到兩者的負(fù)載電壓U與電感電流I關(guān)于時(shí)間1的變化曲線,如圖5與圖6所示。

由此可知,串聯(lián)諧振電路啟動(dòng)時(shí)的電流較大,最高能達(dá)到27A左右,容易引起開關(guān)管與線圈發(fā)熱,甚至燒毀開關(guān)管與線圈:而CCL諧振負(fù)載電路啟動(dòng)電流較小,幅值平緩增加,最終穩(wěn)定,能有效避免元器件發(fā)熱甚至燒毀等安全隱患。

4結(jié)語(yǔ)

無線充電發(fā)射裝置常用的串聯(lián)諧振電路具有電壓諧振的優(yōu)點(diǎn),但在啟動(dòng)過程中可能會(huì)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流,造成安全隱患。本文針對(duì)此問題設(shè)計(jì)了一款CCL諧振電路,當(dāng)滿足一定條件時(shí),既能保留電壓諧振的優(yōu)點(diǎn),又能有效降低啟動(dòng)電流,具有很高的實(shí)用價(jià)值。