0 弁言
无线电能传输技能曾被美国《技能评论》杂志评定为未来十大科研方向之一[1]，其发展受到了国际社会的广泛关注。无线电能传输技能紧张分为三类[2]：电磁感应式无线电能传输技能、基于微波的无线电能传输技能和耦合谐振式无线电能传输技能。2006年MIT研究小组在美国AIP论坛上提出基于强耦合理论的磁耦合谐振式无线电能传输技能，并于2007年通过实验进行了验证，以40%的传输效率成功点亮了2 m以外的60 W灯泡[3]。该技能具有传输效率高、间隔远、传输功率大等优点，为中程无线电能传输的研究开辟了一个新的方向。
目前多数无线电能传输装置是基于LC串联谐振的耦合模型，但在实际系统中发射端每每采取并联谐振电容的连接办法，这种办法只得到了部分学者的初步研究。本文先容一种以LC并联谐振回路为核心的磁耦合谐振式无线电能传输装置的设计，并对该装置进行了测试，测试结果能够知足设计哀求。
1 系统总体设计
磁耦合谐振式无线电能传输装置电路设计的示意图如图1所示，系统紧张由发射端线圈谐振回路和吸收端线圈谐振回路组成。发射端包括发射端谐振线圈及与其并联的电容构成谐振回路，驱动电路供应大电流；吸收端包括吸收端谐振线圈及与其并联的电容构成谐振回路，以及花费能量的负载。
2 单元电路剖析与设计
2.1 LC并联谐振模型剖析
根据磁耦合谐振式无线电能传输技能的干系理论[4]，传输系统的谐振耦合电路模型如图2所示。个中Uin为高频发射源输入电压有效值，R1、R2分别为两谐振线圈在高频下的寄生电阻，L1、L2分别为谐振电感，C1、C2分别为谐振电容，RL为负载电阻，M为两线圈之间的互感，D为两线圈之间的间隔。
设传输系统的谐振角频率为?棕，发射端线圈电流有效值为I1，吸收端线圈电流有效值为I2，负载电流有效值为IL。经打算，当发射端、吸收端两线圈均处于自谐振状态时，有：
Q为线圈的品质因数，可以明显看出线圈的品质因数越高，系统的效率越大。提高系统输入电压Uin、谐振频率f、互感M能有效提高系统输出功率。但在实际运用中，输入电压和谐振频率还要受到器件的限定。当采取开关电路产生高频驱动旗子暗记时，输入电压有效值与驱动旗子暗记占空比有关。由式（3）可知，系统的传输效率紧张取决于互感M和线圈的品质因数Q。线圈互感系数打算公式为：
个中，u0为真空磁导率，n为线圈匝数，r为线圈半径，D为线圈间距。因此，在输入直流电压和线圈参数（包括线圈半径、线径、匝数）确定时，可以把系统负载功率和传输效率的影响因子简化为三个部分：系统谐振频率、驱动旗子暗记占空比和线圈间距。
2.2 驱动电路设计
首先旗子暗记源设计以FPGA为核心，FPGA具有速率快、精度高的特点。Verilog措辞编写程序产生PWM波，并通过按键对PWM波的频率和占空比进行步进调度。但由于旗子暗记源产生的PWM波电压较小，不敷以驱动MOS管，因此发射部分须要设计驱动电路使LC并联谐振。本设计采取专用的驱动芯片IR2110作为MOS管IRF3710的驱动芯片。驱动电路如图3所示。其优点是速率快，电路稳定，放大效果好，外围电路设计大略，利用方便。
2.3 稳压电路
采取LM2576开关型降压稳压芯片构成稳压电路，电路连接如图4所示。可以将输入的15 V电压稳定在5 V输出，用于为FPGA供电。
2.4 整流滤波电路
单相桥式整流电路由肖特基二极管组成，正向压降落，适宜速率高的电路。
电容滤波电路是最常见也是最大略的滤波电路，在整流电路的输出端并联一个电容即构成电容滤波电路，如图5所示。滤波电容容量较大，因而一样平常采取电解电容。电容滤波电路利用电容的充放电浸染，使输出电压趋于平滑。
3 测试方案及结果剖析
3.1 测试仪器
系统测试所用仪器如表1所示。
3.2 数据测试
（1）线圈直径20 cm，保持发射线圈与吸收线圈间间隔x=10 cm，通过调节可变电阻器使吸收端输出直流电流近似为0.5 A，用数字万用表测输出直流电压U2，担保U2≥8 V，将高精度数字万用表串在发射端电路中，测出输入电流I1，即可打算出该无线电能传输装置的效率（U1为输入端电压，I2为输出电流）；调节PWM占空比，谐振频率，使η值尽可能大。
用示波器接发射线圈的感应电压测试端口，数字万用表丈量输入和输出电压，台式数字万用表丈量输入和输出电流，结果如表2所示。
结论：在两线圈间距为10 cm时，效率最高可以达到34.2%。
（2）输入直流电压U1=15 V，输入直流电流不大于1 A，吸收端负载为2只串联LED灯（白色、1 W）。在保持LED灯不灭的条件下，丈量发射线圈与吸收线圈间最大间隔。
测试结果及剖析：将吸收线圈拉远，此时调节PWM波的频率和占空比，当频率为74.85 kHz时，电流为0.978 3 A，此时LED灯刚好能亮，两线圈间距最大为52 cm。
也可以接入中继线圈，中继线圈也是LC并联谐振回路，并且谐振频率和发射、吸收回路相同。适当调节中继线圈在发射和吸收线圈之间的间隔，使得LED刚好亮，此时发射和吸收线圈的间距最大为58 cm。
4 结论
本设计装置由发射部分和吸收部分构成。驱动电路的旗子暗记源以FPGA为核心器件产生PWM波；由IR2110芯片将TTL电平放大驱动MOS管，实现DC到AC转换。吸收部分将吸收线圈感应产生的正弦波经由单相桥式整流和滤波电路实现AC到DC的转换。装置整体由15 V外接电源供电，采取稳压电路供应5 V的FPGA电源电压。经由实验测试，线圈间隔为10 cm时能够达到的最大效率为34％；当输入电流不大于1 A且担保LED灯不灭时，两线圈间隔最大为52 cm，通过中间串插LC并联回路（中继线圈）将间隔增大至58 cm。装置能够较好地达到设计哀求，与理论剖析相同等。
参考文献
[1] 张茂春，王进华，石亚伟.无线电能传输技能综述[J].重庆工商大学学报（自然科学版），2009，26（4）：485-488.
[2] 王学通，冀文峰，薛卧龙.耦合谐振无线电力传输谐振频率跟随设计[J].微型机与运用，2013，32（8）：58-60.
[3] KURS A， KARALIS A， MOFFATT R， et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J]. Science， 2007， 317（6）：83-86.
[4] 任立涛.磁耦合谐振式无线能量传输功率特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.
