05.21 无线电力传输接收系统RF-DC转换模块的设计

0 引言

磁耦合谐振式无线电力传输技术能够有效避免电线连接方式传输电能存在的缺陷^[1]，实现电子电器的无线供电，传输功率可达几千瓦，传输距离可达收发线圈半径的八倍，能够穿透非金属物质，在一定条件下对人体没有危害，安全可靠，具有广阔的应用前景。

接收模块是无线电力传输系统的重要组成部分，RF-DC变换电路又是接收模块的核心，因此提高RF-DC变换效率对于提高无线电力传输系统的效率具有重要作用。E类RF-DC变换电路在开关切换状态满足零电压开关（Zero Voltage Switching，ZVS）和零电压导数切换（Zero Voltage Derivate Switching，ZVDS）两个边界条件^[2]，通过并联电容对二极管两端电压整形，当二极管导通（或关断）的瞬间，只有当二极管的电压（或电流）降为0后，二极管才能导通（或关断），避免在二极管内同时产生大的电压或电流，有效避免了二极管的开关损耗，可以在高频率实现高功率高效率RF-DC变换^[3]。

2 E类RF-DC变换电路设计

2.1 参数设计

2.2 E类RF-DC变换电路的电压电流波形

设二极管开关占空比D=0.5，则在一个周期内，0

3 E类RF-DC变换电路仿真

仿真条件：采用multisim软件对E类RF-DC变换电路进行仿真，f=8 MHz，D=0.5,输入电流i(t)=0.44sin(ωt+φ)A，输出负载R_L=30 Ω。

将输入电流代入式(6)，可得输出电流I_O=0.24 A，代入式(3)可得I_DM=0.68 A。当R_L=30 Ω，V_O=7.2 V，代入式(14)可得V_DM=25.6 V。综上所述，本文选取肖基特二极管10BQ040，其主要参数如表1。电路元件参数如表2所示。

二极管的电压电流波形及负载RL的仿真波形如图3。

4 结语

本文采用E类RF-DC变换电路的设计方法，以肖基特二极管10BQ040作为变换元件，设计了谐振频率8 MHz，输入功率为1.21 W，负载为30 Ω的无线电能传输接收模块。相较于传统的RF-DC变换电路（谐振频率8 MHz，输入功率为0.5 W，负载为50 Ω，RF-DC变换效率为77%）^[5]E类RF-DC变换电路输出功率为1.11 W，效率可达到92%。在电路设计中考虑了二极管的损耗，利用其ZVS和ZVDS两个特点降低二极管的导通损耗。本文给出了电路设计方法，通过理论分析及仿真分析该电路达到了设计要求，降低了二极管的导通损耗。

参考文献

[1] 冀文峰.磁共振无线电力传输发射系统的研究与设计[D].河北：河北大学，2014.

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[4] KAZIMIERCZUK M K.Analysis of class E zero-voltage-switching rectifier[J].Circuits & Systems IEEE Transactions on，1990，37(6)：747-755.

[5] 张晨阳，王秉森，周禹，等.关于无线电能传输接收模块RF-DC变换二次谐波应用的探讨[C].电磁干扰专业委员会第十六届学术会议论文集，2016.

作者信息:

陈 莉，张晨阳，王秉森，刘宝航

(河北大学 电信学院,河北 保定065700)

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