基于副邊斬波電路無線功率和信息傳輸系統

張 濤

（鄭州輕工業學院 電氣信息工程學院，河南 鄭州 450002）

0 引 言

近年來，無線電能傳輸系統在電動汽車、醫療設備和家用電器等領域應用逐漸廣泛。對于大多數應用，僅能實現功率傳輸。本文通過改變副邊功率開關頻率傳遞信息方法，介紹副邊斬控接收電路的工作原理[1]。副邊通過反饋控制實現恒定的負載電壓輸出，信息調制通過改變副邊開關器件的頻率進行設計。

1 副邊斬波無線電能傳輸系統模型

圖1為副邊斬波無線電能傳輸系統。Vin為原邊輸入電壓源，Q1～Q4組成原邊可控全橋結構，Lp、Ls、Rp、Rs、Cp、Cs分別是原邊和副邊的線圈自感值、電阻、串聯補償電容，RL為負載電阻，負載電壓值為Vo。

圖1 副邊斬波無線電能傳輸系統

副邊采用反饋控制，即使Q5控制信號頻率變化，通過閉環控制實時調節占空比，仍能保證輸出電壓恒定[2-3]。Q5關斷時，系統負載為RL，系統處于正常工作狀態，原邊電壓源向負載持續供電；Q5開通時，負載短路，系統處于震蕩狀態，原邊輸入電流經過一段時間震蕩后為0。根據基爾霍夫電壓定律，可得到電路方程為：

如圖2所示，通過控制開關導通、關斷信號獲得移相角2α和2β，并且通過控制Q5占空比d來調節β。

圖2 控制信號及電壓導通角

原、副邊諧振回路的輸入電壓Vp用基波分量有效值來表示，獲得α、d與負載電壓Vo的關系表達式如下：

由式（2）可以看出，系統硬件參數確定后，負載電壓Vo對應兩個可調角度α、d，通過控制α、d可以實現負載電壓恒定。本文中保持α恒定，通過閉環控制調節Q5的占空比d，保持系統輸出電壓恒定[4]。

2 信息反向傳輸分析

根據Q5開通關斷引起輸入電流的變化，原邊得到與Q5信號相同頻率信號。當Q5開關頻率低于電能傳輸頻率時，系統將受到沖擊。原邊的輸入電流將周期性變化，其頻率與Q5頻率一致。信號“1”對應Q5頻率6 kHz，信號“0”對應Q5頻率為10 kHz，如圖3所示。

3 仿真結果與分析

仿真結果如圖4所示。圖4（a）是傳輸信號，信號“1”對應Q5頻率6 kHz，信號“0”信號對應Q5頻率10 kHz；圖4（b）是原邊輸入電流Iin采樣信號（c）的低頻信號，它是圖3的Um波形；圖4（d）是與Q5頻率一致的矩形波信號，是圖3的Um4波形；圖4（e）是解調信號；圖4（f）是負載電壓，負載電壓穩定在50 V，信息反向傳輸[5]。

圖3 控制信號及電壓導通角

圖4 信息反向傳輸的仿真波形

4 結 論

本文分析副邊斬波電路無線電能傳輸結構，實現信息反向傳輸，通過仿真驗證得出以下結論：提出了一種新穎的副邊斬波電路無線電能傳輸系統，實現了原副邊相位控制；在給定α的情況下，輸出電壓通過反饋控制保持恒定，實現了1 kB/s信息反向傳輸；通過改變Q5的頻率，實現了信號調制。