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ic网：无线电力如何高性能的传输？
发布日期：2024-11-15 07:40     点击次数：171
1.简介随着无线电力传输在智能手机和充电站等消费电子产品中的日益普及，工业和医疗技术制造商越来越重视这项技术及其优势。 这项技术非常有吸引力，尤其是在工业领域，以及建筑机械、爆炸环境(ATEX)、农业和其他恶劣工作条件等领域。 例如，它可以替代昂贵且易损坏的集电环，从而降低维护要求并延长产品的生命周期。 在医疗技术领域，非接触式能量传输也有许多优势。 医疗设备和系统必须不仅满足卫生和消毒的特殊要求，而且能够承受高腐蚀性清洁剂和化学品。 无接触能量传输不需要使用特殊的连接器，例如密封特别好的连接器。 随着越来越多的数据通过无线网络、蓝牙和其他无线方式传输，无线传输所需的能量也变得有意义 本应用笔记旨在向开发人员展示如何简单有效地设计额定功率为数百瓦(包括数据传输)的独特非接触式电力传输系统 无线充电线圈 图1: wü rthelektronik无线充电线圈 无线电力传输原理 图2:无线电力传输原理 2。感应无线电力传输原理我们只使用近场能量传输 这种类型的传输包括基于两个线圈之间磁通量的感应耦合 如图2所示，传输路径由四个主要部分组成 在发射侧，有一个发射线圈和一个用作逆变器的振荡器。在接收端，有一个线圈和一个整流器，其功能是将交流输入转换成DC输出。 振荡器将输入DC电压转换成交流电流，然后在发射线圈中产生交变磁场(L1) 由于两个线圈之间的互感，能量可以在发射线圈(L1)和接收线圈(L2)之间传输 发射线圈中的交流电流在接收线圈中感应出交流电压(根据法拉第电磁感应定律)，该交流电压被整流并传输到负载 如果发射线圈和接收线圈之间的距离很大，杂散磁通量将急剧增加，导致能量传输效率降低，这与松散耦合变压器的功能相对应 然而，我们可以通过共振耦合来解决这个问题。 谐振耦合可以增加传输距离和传输效率 它是纯电感耦合的延伸。它利用发射线圈、接收线圈及其串联电容组成一个LC串联谐振电路(也称为“谐振腔”)，实现能量的无线传输。 为了获得最佳的能量传输效率，必须调整振荡电路的谐振频率。 将电容器与WPT线圈串联几乎可以完全补偿极高的杂散电感。 两个振荡电路之间的谐振可以提高发射线圈和接收线圈之间在选定谐振频率下的磁耦合。 共振感应能量转移原理 图3:共振感应能量转移原理 感应共振能量转移原理可以很容易地应用于实践 以下部分描述了专有解决方案 3。共振能量传输的实际应用3.1。全桥谐振转换器的设计图4是全桥谐振转换器的框图 电路图可分为以下几个部分:固定占空比(50%)振荡器和全桥场效应晶体管驱动器全桥电路，具有4个开关元件(场效应晶体管)谐振电容和串联谐振电路，具有WPT发射线圈谐振电容和串联谐振电路，具有WPT接收线圈整流器(桥式整流器或同步整流器)电路不是自激振荡电路，开关频率由振荡器决定并调谐到串联谐振电路的谐振频率 全桥谐振变换器的方框图 图4:全桥谐振变换器的方框图 这一概念的优点:可以灵活地从低功率扩展到超高功率(10瓦到几十千瓦)谐振电路和整流器中的电流是正弦电流，具有良好的电磁兼容特性MOSFET在零电压下开关，具有非常高的效率。90%以上的可以轻松扩展并适应各种不同的电压/电流并且可以通过改变开关频率将输出电压调整为高于或低于输入电压输出电压可以在接收器和发射器3.2之间传输数据。全桥谐振转换器的操作图5a和5b是发射器和接收器之间能量传递的示意图 发射线圈中的电流(谐振电流)是在零点附近振荡的正弦电流。 共振电流ICR/LR的两个半波能量传递 谐振电路正半波(ICR/左后)能量转移原理 图5a:谐振电路正半波(ICR/左后)能量转移原理 谐振电路负半波(ICR/左后)能量转移原理 图5b:谐振电路负半波(ICR/左后)能量转移原理波形图漏极信号A-B、C-D和线圈电流  图6：波形图漏极信号A-B、C-D和线圈电流（UIn=20V，UOut=17V，IOut=6A，POut=100W） 图6显示了谐振电路上的信号。信号“节点 CD”和“节点 AB”是全桥内的电压曲线。在节点AB的高电平阶段，节点CD上的电压较低，反之亦然。如前所述，谐振电路中的电流是正弦曲线，可以看到电压信号和电流信号之间的相移 发生这种相移是因为全桥的开关频率高于串联谐振电路的谐振频率 工作点位于串联谐振电路的电感范围内，电流将滞后于电压。 这对操作非常重要，因为ZVS(零电压开关)操作只能通过该相移进入电感范围来实现，从而实现最高效率。 如果相移进入电容范围，即电流领先电压，转换器将不再以ZVS模式工作，而是以零电流开关模式工作。 零电流开关操作具有高损耗，因为很难将电流换向到MOSFET的体二极管中。 在不利情况下，这可能会导致金属氧化物半导体场效应晶体管损坏。 3.3。开关频率和谐振频率之间的关系下面的仿真显示了左侧电路的简化模型。 这里只显示了发射器和接收器的谐振电路，这对于本文来说已经足够了。 不同负载条件下谐振行为的模拟 图7:不同负载条件下谐振行为的模拟 左侧电路是两个串联谐振电路，分别位于发射侧和接收侧 它们代表图4中的两个谐振电路 每侧都有一个400牛的电容和一个电感为5.8小时的WPT线圈(760 308 102 142) 两个振荡电路相互调谐 为了进行仿真，我们需要确定发射和接收线圈的耦合系数，这取决于两个线圈之间的距离。 本例中的距离设置为6mm， 亿配芯城 因此耦合系数为0.537 (0.54)，由测量确定。 由发射线圈和接收线圈组成的系统的谐振频率约为100千赫 右边波特图的x轴是频率，y轴是放大率。 当放大率=1(Vgain-Vin)时，不同负载条件下的所有曲线都通过同一点。 本例中的这一点为155kHz，对应于电路的开关频率。 如上所述，开关频率高于谐振电路的谐振频率，由此可以看出原因。 下面的波形图(图8)显示了开关频率和谐振电流 开关频率和磁化电流 图8:开关频率和磁化电流 (UIn=20V，UOut=17V，IOut=6A，POut=100W) 上述测量表明，开关频率约为150kHz，非常接近仿真结果 图8示出了开关节点A-B/碳-丁(橙色线)的电压曲线和流经发射侧串联谐振电路的谐振电流 从这两条曲线可以看出，在每半波期间，发射器和接收器之间发生完全的能量转移。 每次开关节点切换时，谐振电流达到磁化电流。 该系统在该操作点具有最高的操作效率 在发射侧，场效应晶体管在大约1V的漏极/源极电压下截止(ZVS操作)，这取决于场效应晶体管中续流二极管的特性 接收器至发射器数据传输 图9:接收器至发射器数据传输(UIn=20伏，UOut = 17V伏，IOut=6A，POut = 100W瓦) 根据MOSFET数据手册，典型值在0.93伏至1.2伏之间 在接收端，整流二极管或同步整流器以零电流开关模式工作 当谐振电路(接收侧)中的电流达到0A或发射侧的谐振电流达到磁化电流时，整流器中的两个电桥支路之间的电流将稍微反向 可以通过改变开关频率来改变输出电压 如果开关频率降低，工作点将接近谐振频率，输出电压将增加。 如果开关频率增加，工作点将远离谐振频率，同时输出电压降低。 请参考图8中的共振曲线 3.4。发射器和接收器之间的数据传输这种连接还可以通过调制线圈之间的交变磁场来实现发射器和接收器之间的数据传输。 请参考以下波形图(图9)数据以串行模式传输，传输速率约为9.6千波特 黄线是来自接收机的数据流，绿线是发射机输出端的解调信号。 在这个例子中，数据从WPT接收机传输到WPT发射机 一个实际的例子是压力、温度或其他类型应用的传感器 如图10所示，连接到WPT接收器的传感器通过WPT线圈提供能量，同时来自传感器的数据通过同一线圈同时传输到WPT发射器 从接收器到发射器的数据传输原理 图10:从接收器到发射器的数据传输原理 在接收器(数据源)侧，通过开关将另一个电容连接到现有谐振电容 该开关连接到微控制器的通用异步收发器输出端(见图10) 调幅解调器和异步收发器控制器在发射线圈接收来自调制信号的数据 发送端的数据可以显示在液晶显示器上(图12)，或者通过额外的射频模块发送到任何类型的云服务。 4概述和测量设置使用上述电路拓扑，可以实现几十千瓦的超高功率无线能量传输和数据传输 硬件开发人员可以根据需要修改或扩展电路，以适应他们的应用。 由于数据可以传输，输出电压也可以调整。 测量设置 图11:测量设置 除电路设计外，发射和接收线圈对于实现高效率和极其紧凑的设计也至关重要 würth Elektronik EISs可为类似设计和各种产品提供最高品质因数的线圈。 因此，可以实现高电感值，并且因此可以使用小谐振电容器 此外，只有高频绞合线(较低的交流损耗)和高品质铁氧体材料(高磁导率)才能用于额定功率较高的产品。 实际上，这意味着最高的效率和最佳的电磁兼容特性 WPT发射机和WPT接收机 图12: WPT发射机和WPT接收机亿配芯城 - 电子元器件网上商城，提供上1400万种电子元器件采购、集成电路价格查询及交易，集成芯片查询，保证原厂正品，是国内专业的电子元器件采购平台，ic网,电子市场网,集成芯片,电子集成电路,ic技术资料下载,电子IC芯片批发,ic交易网,电子采购网,电子元器件商城,电子元器件交易,中国电子元器件网,电子元器件采购平台,亿配芯城

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