FPGA的磁耦合諧振式無線能量傳輸系統設計

(遵義鋁業股份有限公司，遵義 563000)

引 言

目前，由于無線能量傳輸系統無需接觸式電氣連接、自動化程度高、無需人工操作等優點受到關注[1]，其已經被用于電動汽車[2]、工業機器人[3]、植入式醫療設備[4]、水下設備[5]等充電及供電操作。本文提出了一種以FPGA為控制芯片的串串結構無線能量傳輸系統實現方案,實現了原邊恒流輸出控制與系統諧振頻率跟蹤，提升了系統運行的穩定性。

1 無線能量傳輸系統基本原理

基本的無線能量傳輸系統主電路通常由以下幾部分構成：低頻整流及濾波電路、DC-DC電路、高頻逆變電路、諧振電路、高頻整流及濾波電路、負載。系統通過低頻整流電路從電網獲取能量并轉化為直流電源，通過DC-DC電路調節高頻逆變電路的輸出電流，高頻逆變電路將直流電源的能量轉化為高頻交流電流并通過磁耦合諧振電路將能量輸送至副邊電路。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 無線能量傳輸系統原理框圖

在進行理論分析時，系統電路可等效為如圖2所示的電路模型。

圖2 無線能量傳輸系統電路模型

系統電源等效為一個輸出電壓為方波的高頻交流電壓源，根據一次諧波等效原理，方波電源輸出的高頻方波電壓可以近似為高頻正弦交流電，計算方法為：

(1)

其中，Uin為高頻逆變電路的直流供電電壓，D=0～1為占空比，ω為輸出角頻率，根據基爾霍夫電壓電流定律有：

(2)

(3)

其中：

(4)

可以看出，影響原邊電流與系統諧振狀態的因素很多，如原邊虛部X1、副邊虛部X2、負載RL_eq、輸出頻率ω等，對于無線能量傳輸系統來說，原副邊設備沒有直接的電氣連接與信號連接，所以原邊恒流輸出是一種比較穩定的解決方案，同時維持系統的諧振狀態對于系統穩定性與能效特性也尤為重要。……