1.簡介
　　隨著無線電力傳輸在智能手機和充電站等消費電子產(chǎn)品中日益普及，工業(yè)和醫(yī)療技術(shù)制造商也愈加關(guān)注這項技術(shù)及其優(yōu)勢。這項技術(shù)很有吸引力，特別是在工業(yè)，以及如建筑機械、易爆環(huán)境（ATEX）、農(nóng)業(yè)等工作條件較為惡劣的領(lǐng)域。例如，它可以取代昂貴且易損的集電環(huán)，從而降低維護需求，延長產(chǎn)品的生命周期。
　　在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域，非接觸式能量轉(zhuǎn)移也有許多優(yōu)勢。醫(yī)療設(shè)備和系統(tǒng)不僅要適用衛(wèi)生和消毒的特殊要求，還必須能夠耐受強腐蝕性清潔劑和化學(xué)品。非接觸式能量傳輸不需要使用特殊連接器，例如密封特別出色的連接器。由于越來越多的數(shù)據(jù)都通過WiFi、藍牙等無線方式來進行傳輸，因此，無線傳輸所需的能量也變得有意義了。本應(yīng)用筆記旨在向開發(fā)人員展示如何簡單有效地設(shè)計一套額定功率數(shù)百瓦（含數(shù)據(jù)傳輸）的獨特的非接觸式電力傳輸系統(tǒng)。
　　圖 1：Würth Elektronik 無線充電線圈
　　

　　圖 2：無線電力傳輸?shù)脑?br /> 　　2.感應(yīng)式無線電力傳輸?shù)墓ぷ髟?br /> 　　我們只使用近場能量傳輸。這種類型的傳輸涉及到基于兩個線圈之間磁通量的電感耦合。如圖2所示，傳輸路徑由四個主要器件組成。在發(fā)射側(cè)，有一個發(fā)射線圈和振蕩器，振蕩器用作逆變器；在接收側(cè)，有一個線圈和整流器，整流器的作用是將交流輸入轉(zhuǎn)換成直流輸出。振蕩器將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電流，然后在發(fā)射線圈 (L1) 中產(chǎn)生交變場。由于兩個線圈之間的互感，能量可以在發(fā)射線圈 (L1) 和接收線圈 (L2) 之間傳輸。發(fā)射線圈中的交流電流在接收線圈中感應(yīng)出交流電壓（根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律），經(jīng)整流后傳遞至負(fù)載。
　　若發(fā)射線圈和接收線圈之間的距離較大，雜散磁通量會急劇增加，從而導(dǎo)致能量傳輸效率降低，這與松耦合變壓器的功能相對應(yīng)。不過，我們可以通過諧振式耦合來解決這個問題。
　　諧振式耦合可以增加傳輸距離，增大傳輸效率。其是純電感耦合的擴展，它利用發(fā)射線圈和接收線圈，以及彼此的串聯(lián)電容，共同組成LC串聯(lián)諧振電路（又稱“諧振腔”），從而實現(xiàn)能量的無線傳輸。為了達到能量傳輸效率，必須調(diào)整振蕩電路的諧振頻率。將電容與WPT線圈串聯(lián)，幾乎可以完全補償極高的雜散電感。兩個振蕩電路之間的諧振可以改善所選諧振頻率下發(fā)射和接收線圈之間的磁耦合。

　　諧振式感應(yīng)能量傳輸原理
　　圖3：諧振感應(yīng)能量傳輸?shù)脑?br /> 　　感應(yīng)諧振能量傳輸?shù)脑砜梢苑浅Ｈ菀椎貞?yīng)用于實踐。以下章節(jié)介紹了一種專有解決方案。
　　3.諧振式能量傳輸?shù)膶嶋H應(yīng)用
　　3.1.全橋諧振轉(zhuǎn)換器的設(shè)計
　　圖 4 為全橋諧振轉(zhuǎn)換器的框圖。電路圖可分為以下幾個部分：
　　§ 固定占空比 (50 %) 振蕩器和全橋MOSFET驅(qū)動器§ 具有4個開關(guān)元件(MOSFET)的全橋電路
　　§ 諧振電容和WPT發(fā)射線圈組成的串聯(lián)諧振電路§ 諧振電容和WPT接收線圈組成的串聯(lián)諧振電路§ 整流器（橋式整流器或同步整流器）
　　該電路不是自激振蕩電路，開關(guān)頻率由振蕩器確定，并調(diào)諧為串聯(lián)諧振電路的諧振頻率。

　　全橋諧振轉(zhuǎn)換器框圖
　　圖4：全橋諧振轉(zhuǎn)換器框圖
　　此概念的優(yōu)點：
　　§ 可從低功率靈活擴展至超高功率（十瓦至數(shù)十千瓦）§ 諧振電路和整流器中的電流為正弦電流，具有良好的EMC特性§ MOSFET在零電壓下開關(guān)，效率非常高，超過90%§ 可輕松擴展適配多種不同的電壓/電流
　　§ 可通過改變開關(guān)頻率使輸出電壓高于或低于輸入電壓§ 可調(diào)節(jié)輸出電壓
　　§ 可在接收器和發(fā)射器之間傳輸數(shù)據(jù)
　　3.2.全橋諧振轉(zhuǎn)換器的操作
　　圖5a和5b為發(fā)射器和接收器之間的能量傳遞示意圖。發(fā)射線圈中的電流（諧振電流）是在零點附近振蕩的正弦電流。能量在諧振電流ICR/LR的兩個半波中傳遞。

　　諧振電路中正半波 (ICR/LR) 期間的能量傳遞原理圖

    5a：諧振電路中正半波 (ICR/LR) 期間的能量傳遞原理圖

    5b：諧振電路中負(fù)半波 (ICR/LR) 期間的能量傳遞原理圖

    6：波形圖漏極信號A-B、C-D和線圈電流
　?。║In=20V，UOut=17V，IOut=6A，POut=100W）圖6顯示了諧振電路上的信號。信號“節(jié)點 CD”和“節(jié)點 AB”是全橋內(nèi)的電壓曲線。在節(jié)點AB的高電平階段，節(jié)點CD上的電壓較低，反之亦然。
　　如前所述，諧振電路中的電流是正弦電流，并且可以看到電壓信號和電流信號之間有相移。出現(xiàn)這一相移是因為全橋的開關(guān)頻率高于串聯(lián)諧振電路的諧振頻率。操作點位于串聯(lián)諧振電路的感性范圍內(nèi)，電流將滯后電壓。
　　這對于操作非常重要，因為只有通過這一相移進入感性范圍，才能實現(xiàn)ZVS（零電壓開關(guān)）操作，這樣可以達到效率。如果相移進入容性范圍，即電流超前電壓，則轉(zhuǎn)換器不會再在ZVS模式下工作，而是在ZCS（零電流開關(guān)）模式下工作。
　　ZCS操作的損耗較高，因為電流很難換向流入MOSFET的體二極管。在不利情況下，這可能會導(dǎo)致MOSFET損壞。
　　3.3.開關(guān)頻率與諧振頻率之間的關(guān)系
　　以下仿真左側(cè)為該電路的簡化模型。此處僅顯示發(fā)射器和接收器的諧振電路，就本文內(nèi)容而言已經(jīng)足夠。

　　　　圖 7：不同負(fù)載條件下的諧振行為仿真
　　左側(cè)電路為兩個串聯(lián)諧振電路，分別位于發(fā)射側(cè)和接收側(cè)。它們代表著圖4中的兩個諧振電路。每側(cè)各有一個400nF的電容和一個電感為5.8?H的WPT線圈 (760 308 102 142)。兩個振蕩電路彼此調(diào)諧。為進行仿真，我們需要確定發(fā)射和接收線圈的耦合系數(shù)，該耦合系數(shù)取決于兩個線圈之間的距離。本例中的距離設(shè)置為6mm，因此耦合系數(shù)為0.537 (0.54)，該值通過測量確定。由發(fā)射和接收線圈組成的系統(tǒng)諧振頻率約為100kHz。
　　右側(cè)波特圖的X軸為頻率，Y軸為放大倍率。放大倍率=1(Vgain-Vin) 時，不同負(fù)載條件下的所有曲線都經(jīng)過同一個點。本例中這個點在155kHz 處，對應(yīng)電路的開關(guān)頻率。如上所述，開關(guān)頻率高于諧振電路的諧振頻率，從此處可以看出原因。以下波形圖（圖8）顯示了開關(guān)頻率和諧振電流。
　　?。║In=20V，UOut=17V，IOut=6A，POut=100W）以上測量顯示開關(guān)頻率約為150kHz，非常接近仿真結(jié)果。圖8顯示了開關(guān)節(jié)點A-B/C-D（橙色線）的電壓曲線，以及流經(jīng)發(fā)射側(cè)串聯(lián)諧振電路的諧振電流。
　　從這兩條曲線可以看出，每個半波期間，發(fā)射器和接收器之間均會發(fā)生完整的能量傳遞。每次開關(guān)節(jié)點切換時，諧振電流達到磁化電流。系統(tǒng)在此操作點的運行效率。在發(fā)射側(cè)，MOSFET以大約1V 的漏極/源極電壓關(guān)斷（ZVS 操作），該電壓取決于MOSFET中續(xù)流二極管的特性。
　　接收器到發(fā)射器的數(shù)據(jù)傳輸（UIn=20 V，UOut=17V，IOut=6A，POut=100W）根據(jù)MOSFET的數(shù)據(jù)手冊，其典型值介于0.93V和1.2V之間。
　　在接收側(cè)，整流二極管或同步整流器在ZCS（零電流開關(guān)）模式下工作。當(dāng)諧振電路（接收側(cè)）中的電流達到0A，或者發(fā)射側(cè)的諧振電流達到磁化電流時，電流會在整流器中的兩個電橋分支之間輕微換向。可以通過改變開關(guān)頻率來改變輸出電壓。如果開關(guān)頻率降低，操作點會靠近諧振頻率移動，同時輸出電壓增加。
　　如果開關(guān)頻率增加，操作點會遠離諧振頻率移動，同時輸出電壓降低。請參見圖8中的諧振曲線。
　　3.4.發(fā)射器和接收器之間的數(shù)據(jù)傳輸
　　這種連接還能通過調(diào)制線圈之間的交變場，實現(xiàn)發(fā)射器和接收器之間的數(shù)據(jù)傳輸。請參見以下波形圖（圖9）。
　　數(shù)據(jù)以串行方式傳輸，傳輸速率約為9.6kBaud。黃色線為來自接收器的數(shù)據(jù)流，綠色線為發(fā)射器輸出端的解調(diào)信號。在本例中，數(shù)據(jù)從WPT接收器傳輸至WPT發(fā)射器。一個實際的例子是用于壓力、溫度，或其他類型應(yīng)用的傳感器。如圖10 所示，連接到WPT接收器的傳感器通過WPT線圈提供能量，而來自傳感器的數(shù)據(jù)通過同一線圈同時傳輸?shù)絎PT發(fā)射器。
　　在接收器（數(shù)據(jù)源）側(cè)，通過開關(guān)將另一個電容連接到現(xiàn)有諧振電容。該開關(guān)連接到微控制器的UART輸出（參見圖10）。AM解調(diào)器和UART控制器從發(fā)射線圈處的調(diào)制信號接收數(shù)據(jù)。發(fā)射側(cè)的數(shù)據(jù)可以顯示在LCD顯示器上（圖12），也可以通過附加的RF模塊發(fā)送至任何類型的云服務(wù)。
　　4總結(jié)和測量設(shè)置
　　利用上面介紹的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)數(shù)十千瓦的超大功率無線能量傳輸，以及數(shù)據(jù)傳輸。硬件開發(fā)人員可根據(jù)需要修改或擴展電路以適配其應(yīng)用。由于可以傳輸數(shù)據(jù)，因此也可以調(diào)節(jié)輸出電壓。
　　　除了電路設(shè)計之外，發(fā)射和接收線圈對實現(xiàn)高效率和緊湊的設(shè)計也至關(guān)重要。Würth Elektronik eiSos可以提供同類設(shè)計中品質(zhì)因子的線圈，以及其廣泛的產(chǎn)品。因此，可以實現(xiàn)高電感值，從而可以使用小型諧振電容。
　　此外，對于額定功率較高的產(chǎn)品，只能使用HF絞合線（交流損耗更低）和高質(zhì)量鐵氧體材料（磁導(dǎo)率高）。在實踐中，這意味著的效率和的EMC特性。