《電子技術(shù)應(yīng)用》
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無線電力傳輸接收系統(tǒng)RF-DC轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第5期
陳 莉，張晨陽，王秉森，劉寶航
河北大學(xué) 電信學(xué)院,河北 保定065700
摘要： 傳統(tǒng)橋式全波RF-DC變換電路在設(shè)計過程中忽略了二極管導(dǎo)通損耗，從而影響系統(tǒng)效率。采用了E類零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switching，ZVS）RF-DC變換電路，設(shè)計了諧振頻率為8 MHz，輸入功率為1.21 W的無線電力傳輸系統(tǒng)接收模塊。并利用multisim軟件進行了仿真。結(jié)果表明，該設(shè)計方法降低了二極管導(dǎo)通損耗，有效避免了傳統(tǒng)橋式全波RF-DC變換電路存在的缺陷，效率可達(dá)92%。
中圖分類號： TM724
文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174221
中文引用格式： 陳莉，張晨陽，王秉森，等. 無線電力傳輸接收系統(tǒng)RF-DC轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(5)：33-35，38.
英文引用格式： Chen Li，Zhang Chenyang，Wang Bingsen，et al. Design on RF-DC converter of the receiving system of wireless-
power transmission[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(5)：33-35，38.
Design on RF-DC converter of the receiving system of wirelesspower transmission
Chen Li，Zhang Chenyang，Wang Bingsen，Liu Baohang
School of Telecommunications，Hebei University，Baoding 065700，China
Abstract： The traditional bridage full wave RF-DC conversion circuit ignores the diode conduction loss resulting to system efficiency down. This paper design a RF-DC converter circuit of the receiving system of wireless power transmission based on class-E zero-voltage-switching at 8 MHz of resonant frequency and 1.21 W of an input power. The simulation results show the efficiency of RF-DC converter is higher than the traditional bridge full wave RF-DC converter circuit. The efficiency of RF-DC converter is about 92%.
Key words : wireless power transmission；class-E zero voltage switching；RF-DC converter

0 引言

    磁耦合諧振式無線電力傳輸技術(shù)能夠有效避免電線連接方式傳輸電能存在的缺陷[1]，實現(xiàn)電子電器的無線供電，傳輸功率可達(dá)幾千瓦，傳輸距離可達(dá)收發(fā)線圈半徑的八倍，能夠穿透非金屬物質(zhì)，在一定條件下對人體沒有危害，安全可靠，具有廣闊的應(yīng)用前景。

    接收模塊是無線電力傳輸系統(tǒng)的重要組成部分，RF-DC變換電路又是接收模塊的核心，因此提高RF-DC變換效率對于提高無線電力傳輸系統(tǒng)的效率具有重要作用。E類RF-DC變換電路在開關(guān)切換狀態(tài)滿足零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switching，ZVS）和零電壓導(dǎo)數(shù)切換（Zero Voltage Derivate Switching，ZVDS）兩個邊界條件[2]，通過并聯(lián)電容對二極管兩端電壓整形，當(dāng)二極管導(dǎo)通（或關(guān)斷）的瞬間，只有當(dāng)二極管的電壓（或電流）降為0后，二極管才能導(dǎo)通（或關(guān)斷），避免在二極管內(nèi)同時產(chǎn)生大的電壓或電流，有效避免了二極管的開關(guān)損耗，可以在高頻率實現(xiàn)高功率高效率RF-DC變換[3]。

1 E類RF-DC變換電路原理

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2 E類RF-DC變換電路設(shè)計

2.1 參數(shù)設(shè)計

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2.2 E類RF-DC變換電路的電壓電流波形

    設(shè)二極管開關(guān)占空比D=0.5，則在一個周期內(nèi)，0<ωt≤π時二極管關(guān)斷狀態(tài)，π<ωt≤2π二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。波形圖如圖2所示。

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3 E類RF-DC變換電路仿真

    仿真條件：采用multisim軟件對E類RF-DC變換電路進行仿真，f=8 MHz，D=0.5,輸入電流i(t)=0.44sin(ωt+φ)A，輸出負(fù)載RL=30 Ω。

    將輸入電流代入式(6)，可得輸出電流IO=0.24 A，代入式(3)可得IDM=0.68 A。當(dāng)RL=30 Ω，VO=7.2 V，代入式(14)可得VDM=25.6 V。綜上所述，本文選取肖基特二極管10BQ040，其主要參數(shù)如表1。電路元件參數(shù)如表2所示。

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    二極管的電壓電流波形及負(fù)載RL的仿真波形如圖3。

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4 結(jié)語

    本文采用E類RF-DC變換電路的設(shè)計方法，以肖基特二極管10BQ040作為變換元件，設(shè)計了諧振頻率8 MHz，輸入功率為1.21 W，負(fù)載為30 Ω的無線電能傳輸接收模塊。相較于傳統(tǒng)的RF-DC變換電路（諧振頻率8 MHz，輸入功率為0.5 W，負(fù)載為50 Ω，RF-DC變換效率為77%）[5]E類RF-DC變換電路輸出功率為1.11 W，效率可達(dá)到92%。在電路設(shè)計中考慮了二極管的損耗，利用其ZVS和ZVDS兩個特點降低二極管的導(dǎo)通損耗。本文給出了電路設(shè)計方法，通過理論分析及仿真分析該電路達(dá)到了設(shè)計要求，降低了二極管的導(dǎo)通損耗。

參考文獻(xiàn)

[1] 冀文峰.磁共振無線電力傳輸發(fā)射系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].河北：河北大學(xué)，2014.

[2] 游飛.E類功率放大器研究[D].四川：電子科技大學(xué)，2009：23-24.

[3] NAGASHIMA T，Wei Xiuqin，BOV E，et al.Analytical design procedure for resonant inductively coupled wireless power transfer system with class-E inverter and class-DE rectifier[C].ISCAS 2015.

[4] KAZIMIERCZUK M K.Analysis of class E zero-voltage-switching rectifier[J].Circuits & Systems IEEE Transactions on，1990，37(6)：747-755. 

[5] 張晨陽，王秉森，周禹，等.關(guān)于無線電能傳輸接收模塊RF-DC變換二次諧波應(yīng)用的探討[C].電磁干擾專業(yè)委員會第十六屆學(xué)術(shù)會議論文集，2016.



作者信息:

陳  莉，張晨陽，王秉森，劉寶航

(河北大學(xué) 電信學(xué)院,河北 保定065700)

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