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基于Class-E2无线电能传输系统的平面电感优化

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  • 更新日期:2021-08-02 10:09
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详细介绍
本文优化基于Class-E2无线电能传输(WPT)的平面电感;由于平面电感的连接方式不同,其电感的磁芯损耗和铜损也会不同,因此提出了平面电感四种优化方法,并以利兹线电感作为对照组,分析得出最小损耗连接方法;在此基础上,搭建基于推挽式Class-E逆变器和Class-E整流器的无线电能传输系统。

近年来,开关电源往高频、高功率密度、高效率和小体积发展,而磁性元件占据了大部分空间。因此,增加开关频率和减小功率变换器中磁性元件的体积成为研究热点。与利兹线(Litz)电感相比,平面电感器具有体积小,制造价格低廉和散热性好等优点。在文献[1]中讨论了修正的Dowell方法来改进高频绕组的损耗计算,减小误差。文献[2]分析了平面电感的漏感。文献[3]采用平面电感和平面变压器设计方式,设计了一种基于GaN的DC-DC变换器,不仅提高效率和功率,还降低成本;同时为了便于磁集成和减少匝数,将两个电感共用一个磁芯。文献[4]设计一个空心平面电感,用于13.56MHz的DC-DC变换器。文献[5]提出了一种基于电磁理论的二维解析计算模型,消除了忽略边缘效应而引起的误差。在文献[6,7]中,以最小谐振频率对平面电感进行优化,并将其应用于Buck变换的OLED驱动电路中。文献[8]提出了在无线电能传输系统中的互感模型,该模型以两个平面电感作为发射器和接收器线圈来预测任意距离的互感系数(M)。文献[8]讨论了两种不同的PCB电感绕组结构的交流电阻。

提高开关频率能够减小变换器的体积,但相应增加硬开关损耗,影响电源的传输效率。由于Class-E电路具有零电压开关(ZVS)和零导数开关(ZDS),因此Class-E拓扑结构具有低开关损耗,高效率的优点。同时,在任意负载变化下,Class-E仍能保持ZVS。因此,提出了一种Class-E2变换器。Class-E2的WPT系统由E类逆变器、补偿网络、谐振耦合线圈和E类整流器组成。文献[9]通过在匹配网络中增加了一个并联电容来解决互感系数和负载变化鲁棒性差的问题,从而提高了在6.78MHz的Class-E2变换器效率。文献[10]给出了一种减少耦合线圈ESR的最佳设计方法,从而提高输出功率和效率。文献[11]分析了基于Class-E2的WPT稳态系统,并与Class-DE变换器进行了比较;实验结果表明,Class-DE变换器的开关损耗高于Class-E2

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