一種基于串聯諧振的無線充電發射電路

何高翔，鄧垚光，陳泳林，王文烽

（廈門理工學院電氣工程與自動化學院，廈門 361024）

1 串聯諧振電路建模分析

近幾年來，無線充電技術受到了廣泛關注，它通過連接在發射和接收端的線圈之間的電磁感應將發射端的能量傳輸到接收端，給負載供電。由于不需借助實際的傳輸導線，因此具有更高的安全性和可靠性。無線充電的方式有多種，本文針對目前市場上常見的、技術較成熟的電磁感應式無線充電技術展開研究，設計無線充電電路的發射端。假定電壓源Us是正弦交流電壓，其角頻率為ω，依據相量法，電路的輸入阻抗為：

諧振頻率計算公式為：

諧振時電感與電容兩端電壓關系為：

特性阻抗與電阻比值Q為：

可得電感與電容兩端的電壓分別為：

由式（3）、式（5）及式（6）能得出，諧振時各元件電壓的關系為：

綜上可得出，該電路在諧振時，串聯的電容和電感理論上相當于導線，流過電路電流達到最大值，此時，電源只提供有功損耗。

2 主電路線圈及補償電容分析

系統開關頻率是一個影響充電系統輸出功率以及傳輸損耗的重要因素。本文的研究對象為小功率無線充電系統發射端，為了降低無線充電系統的傳輸損耗，需要選取合適的開關頻率。綜合對比分析，本文將發射端工作頻率設為145 kHz，再根據式（2）可確定補償電容的大小，其值為215 nF。由理論計算結合實際應用情況選用SWA53N53H30C11B型線圈，其電感值為10 uH。發射端主控芯片采用IDT公司生產的P9242芯片，具有低功耗、能指示電路狀態的優點。利用PSIM軟件搭建的無線充電電路仿真模型如圖1所示，發射端輸出電壓波形如圖2所示。當頻率為145 kHz時電路發生諧振，測得發射端與接收端電壓波形保持同步，說明電路參數選取正確、方案可行。

3 實驗驗證

發射端由P9242芯片實現145 kHz的SPWM逆變，接收端為8 uH線圈，發射線圈與接收線圈垂直距離為4mm，負載為20Ω，改變輸入電壓，得到測試結果如表1、表2所示。

通過實驗測試發現，充電效率隨電壓下降而降低，在電壓變化幅度不大的情況下，效率能夠穩定在70%以上。當輸入電壓保持不變時，改變負載電阻，觀察不同輸出功率下充電效率的變化情況，可知，隨著輸出功率的減小，充電效率也大幅下降。

圖1 主電路等效模型

圖2 發射端電壓波形

表1 改變輸入電壓測試結果

表2 改變電阻充電測試結果

4 結束語

本文對串聯諧振無線充電系統的發射端進行了理論分析與實驗研究，首先計算得到無線充電系統各元器件參數，然后利用PSIM搭建系統的仿真模型并測試發射端電壓和接收端電壓是否同步，最后通過實驗驗證電路可行性。實驗表明，為了獲得較高的電能傳輸效率，該串聯諧振無線充電發射端適用于小負載電路。