基于磁耦合谐振式的AC/DC功率变换器研究

本文设计的无线充电模组利用磁耦合谐振式无线充电原理，采用直流供电方式通过逆变电路转化成所需的交流电，产生高频正弦振荡电流驱动发射线圈，令发射电路处于谐振状态，再通过高频电磁场把能量传递给接收电路，带动接收回路进入谐振，最后通过整流滤波电路为负载提供较为稳定的直流电，由此完成电能的无线传输。本研究主要针对无线充电模组、功率器件驱动、逆变和整流滤波电路进行设计和工作过程分析，使设计的系统整体运行稳定可靠，实现无线输电的功能。

随着社会电气化的高度发展，电气设备的充电方式成为了人们日益关注的问题，有线充电因其电能转化效率高，产品生产测试相对成熟，应用范围广泛，依旧是当前大部分设备主要的充电方式。但随着技术的进步有线充电的弊端也逐渐暴露出来，其一就是不同的接口不互通，Lightning、Micro USB、Type C 是市场上最为常见的三种接口，充电时因其接口差异要使用相匹配的传输线，导致各种类型的数据线占用了大量的生活空间浪费了资源。除此之外，有线充电方式因为充电设备与被充电设备必须接触，所以一定会有插头、插座此类的结构，存在易产生火花、漏电，易磨损，触点可能发热、着火，功率受限等问题。基于以上原因，有线充电方式已给人们的生活带来不便，无线充电的需求也随着人们对电子产品的增多而逐渐增加[1] [2]。相较于传统的有线充电，无线充电解决了有线充电易缠绕、出现接触不良， 充电接口不统一的问题，同时避免了电火花产生，减少了许多安全隐患，进而防范火灾、爆炸以及重大危险事故的发生，在一些特种作业，例如石油开采，矿井下钻的情况下提高了作业的安全性。

无线充电是以非接触方式，在用电设备和电源中间实现能量传输，以此对用电设备进行充电，该技术称为无线充电技术又称无接触能量传输技术，其优势在于充电器与用电装置之间以磁场传送能量，两者之间不用电线连接， 因此充电器及用电装置都可以做到无导电接点外露。

如今无线充电方式共有六种， 包括电磁感应、磁共振、无线电波、超声波、红外激光以及电场耦合[3]。目前世界上大部分无线充电方案都是电磁感应式和磁共振式[4]，小功率无线充电通常采用电磁感应式，而大功率无线充电通常采用谐振式。电磁感应技术目前是世界范围内使用最广泛的无线充电技术，其能在短距离以电磁波为媒介进行传输，但需要发射和接收设备有很强的辨别能力，而且电磁波的方向不能改变，除此之外它的传输距离较近且功率较小[5] [6]，会向四周发射，因此造成的损失较大。磁共振式传输距离更远、效率也更高、功率能达到电磁感应式的数十数百倍，潜在的实用价值相对更高[7]。为了满足人们的需求，无线充电发展迅速，广泛应用于手机等数码产品、智能穿戴设备以及电动汽车等行业，其使用率也在迅速提高[8]。

2. 系统设计理念与传输原理 2.1. 无线电能传输系统的设计理念 无线充电模组采用磁耦合谐振无线充电原理， 使用直流电源为DC/AC 逆变电路供电， 产生高频正弦振荡电流驱动发射线圈，发射电路由此进入谐振状态，再通过高频电磁场把能量传递给接收电路，带动