盧偉國　夏艷　李惠榮　劉黎輝　周雒維

摘 要：采用E類放大器的磁諧振方式無線驅(qū)動LED系統(tǒng)中，由于前端E類放大器對末端負(fù)載變化敏感，而影響LED負(fù)載的恒流驅(qū)動特性。基于此，首先通過引入改進(jìn)E類放大器實現(xiàn)其恒壓輸出特性，進(jìn)一步在線圈傳輸網(wǎng)絡(luò)的輸出側(cè)增加無源補償網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計其輸出阻抗近似為無窮大，以實現(xiàn)LED負(fù)載的恒流驅(qū)動。無源補償網(wǎng)絡(luò)采用二端口傳輸矩陣法設(shè)計其輸出阻抗，并根據(jù)設(shè)計條件確定出相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)。最后考慮了在寄生參數(shù)影響的情況下，對磁諧振無線電能驅(qū)動LED系統(tǒng)的傳輸特性進(jìn)行了分析，并通過仿真和實驗驗證了該系統(tǒng)恒流設(shè)計方法的有效性。

關(guān)鍵詞：磁諧振；改進(jìn)E類放大器；無源補償網(wǎng)絡(luò)；LED驅(qū)動；恒流設(shè)計

中圖分類號：TM 13；TM 72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-449X（2018）01-0001-07

0 引 言

無線電能傳輸 （wireless power transfer，WPT） 技術(shù)以其安全、便捷等優(yōu)勢，在醫(yī)療儀器、電動汽車充電以及水下供電等領(lǐng)域備受關(guān)注[1-3]；而在日常的家電應(yīng)用領(lǐng)域中，小功率設(shè)備普遍存在，如便攜式設(shè)備和照明等，嘗試應(yīng)用磁諧振技術(shù)實現(xiàn)其無線供電也同樣引起了學(xué)者的關(guān)注[4-5]。此外，在小功率設(shè)備中較多負(fù)載需滿足恒流或恒壓的工作特性，如電池充電和發(fā)光二極管（LED）等。以小功率LED為例，文獻(xiàn)[6]報道了電磁感應(yīng)式無線驅(qū)動LED，通過簡單的串聯(lián)電容補償實現(xiàn)了LED負(fù)載的恒流工作特性；但是研究表明在耦合系數(shù)較小的情況下，串串型兩線圈結(jié)構(gòu)的傳輸效率在最優(yōu)負(fù)載之外下降較快[7-8]。因此，在傳輸距離固定的情況下，為減少負(fù)載變化對傳輸效率的影響，可以考慮在線圈與負(fù)載之間添加復(fù)合型無源補償網(wǎng)絡(luò)方式以改善系統(tǒng)的傳輸效率[9]。

目前關(guān)于探討恒流輸出特性的文獻(xiàn)中，高頻驅(qū)動源大部分采用全橋逆變方式[10-12]，通過閉環(huán)控制使其輸出電壓不隨負(fù)載變化；而采用E類放大器的磁諧振方式無線驅(qū)動LED系統(tǒng)中，前端E類放大器對負(fù)載敏感性較高[13]，其工作狀態(tài)和輸出電壓受后級負(fù)載影響大。因此在磁諧振WPT驅(qū)動LED系統(tǒng)中，僅考慮在線圈傳輸網(wǎng)絡(luò)側(cè)引入無源補償網(wǎng)絡(luò)并不能保證可變LED負(fù)載的恒流特性。因E類放大器的軟開關(guān)工作狀態(tài)與元件參數(shù)、開關(guān)激勵都有緊密聯(lián)系[14-16]，采用閉環(huán)控制方式實現(xiàn)其恒壓輸出特性需對開關(guān)激勵和輸入電壓進(jìn)行微調(diào)[17-18]，控制變量多且實現(xiàn)較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[19]通過綜合E類放大器和單開關(guān)逆變器的特性，得到了寬負(fù)載范圍變化的改進(jìn)E類放大器且輸出電壓恒定，其實現(xiàn)方法相對閉環(huán)控制簡單。

針對所提磁諧振LED目標(biāo)系統(tǒng)，若期望采用無源補償網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)LED負(fù)載的輸出恒流特性，首先需要解決前端E類放大器對其所接負(fù)載的適應(yīng)能力問題。本文擬采用思路是首先從設(shè)計上實現(xiàn)E類放大器輸出的恒壓特性，將線圈傳輸網(wǎng)絡(luò)等效簡化為理想電壓源激勵的線性電路系統(tǒng)，進(jìn)一步在接收線圈側(cè)引入復(fù)合型無源補償網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計其輸出阻抗特性實現(xiàn)磁諧振無線電能傳輸系統(tǒng)對LED的恒流驅(qū)動。E類放大器擬引用文獻(xiàn)[19]中的改進(jìn)E類放大電路實現(xiàn)恒壓設(shè)計，重點探討對無源補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計以實現(xiàn)LED的恒流驅(qū)動。關(guān)鍵的無源補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計擬統(tǒng)一采用傳輸參數(shù)（即T參數(shù)）法進(jìn)行，最后給出最終磁諧振目標(biāo)系統(tǒng)的傳輸特性分析，并完成有關(guān)仿真與實驗工作。

1 E類源磁諧振WPT驅(qū)動LED系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

E類源磁諧振WPT系統(tǒng)驅(qū)動LED的整體結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，當(dāng)末端負(fù)載LED顆數(shù)n變化，整流橋等效負(fù)載RL隨之變化，同步造成E類放大器后端等效負(fù)載出現(xiàn)變化，如此會造成E類放大器的工作狀態(tài)改變。本文引入文獻(xiàn)[19]提出的改進(jìn)E類放大電路以實現(xiàn)其輸出電壓恒定，進(jìn)一步在接收線圈側(cè)引入無源補償網(wǎng)絡(luò)N，經(jīng)整流濾波后實現(xiàn)LED恒流驅(qū)動。此外，無源補償網(wǎng)絡(luò)N將接收線圈的補償電容包含為一個整體進(jìn)行設(shè)計，以簡化電路結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)末端整流橋負(fù)載參考文獻(xiàn)[20]將整流橋LED等效處理為純電阻RL，如圖1（a）右側(cè)所示?？紤]二極管前向?qū)▔航礦D下等效電阻RL為

RL≈Ra+8π2R′LED。（1）

其中：Ra=16VD/π2ILED；R′LED=n（VLED/ILED+RLED）；Vcc為直流源；v1為E類放大器輸出電壓；C1為發(fā)射線圈的補償電容；L1和L2分別為發(fā)射線圈和接收線圈的等效電感；M為兩線圈間互感；D1～D4為快恢復(fù)二極管；Cf為濾波電容。

改進(jìn)E類放大電路如圖1（b）所示，當(dāng)串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)（L0和C0）和并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)（LP和CP）的諧振頻率等于工作頻率，輸入網(wǎng)絡(luò)（LF和CF）的頻率滿足工作頻率的1.5倍，可實現(xiàn)E類放大器的輸出電壓恒定?；诟倪M(jìn)E類放大器的恒壓輸出特性，將其等效為高頻恒壓源，如圖1（c）所示，同時設(shè)計無源補償網(wǎng)絡(luò)N的輸出阻抗ZSout→∞，以實現(xiàn)LED恒流驅(qū)動。

此外，LED的額定電流為0.35 A，考慮線圈寄生參數(shù)及二極管導(dǎo)通壓降的影響，假定ILED=0.38 A，因E類放大器的輸出電壓V1約為17 V，通過式（12）得a=0.468，再由式（9）即可得補償網(wǎng)絡(luò)N的參數(shù)取值。最后，通過式（16）可確定出LED為12顆時理論傳輸效率最大，并以點亮8～15顆LED為目標(biāo)。綜上，改進(jìn)E類放大器和無源補償網(wǎng)絡(luò)N的取值如表2所示。

3 仿真與實驗驗證

依據(jù)前面的理論分析結(jié)論，得到最終WPT電路如圖5所示。根據(jù)表1和表2所列參數(shù)，不同LED顆數(shù)下改進(jìn)E類放大器輸出電壓及LED電流仿真波形如圖6所示。仿真結(jié)果表明，不同LED顆數(shù)下輸出電壓峰峰值基本維持在50.855～51.717 V之間，LED電流基本恒定在0.334～0.365 A之間，與理論計算基本相符，基本實現(xiàn)了E類放大器的輸出恒壓特性和末端LED負(fù)載近似電流恒定。

搭建實驗樣機裝置如圖7所示，高頻開關(guān)管選取為IRF540，不同LED顆數(shù)下實驗結(jié)果如表3所示，結(jié)果包括E類放大器的輸出電壓峰峰值v1p-p和電流峰峰值i1p-p，以及串聯(lián)LED的電壓vL和電流iLED大小。實驗結(jié)果表明，E類放大器輸出電壓的峰峰值穩(wěn)定在49.6～51.4 V之間，LED電流維持在0.336～0.351 A之間，與仿真結(jié)果基本吻合。

具體的8顆和12顆所對應(yīng)的實驗波形如圖8所示。其中改進(jìn)E類放大器的開關(guān)管與輸出電壓實驗波形如圖8（a），開關(guān)管導(dǎo)通時開關(guān)管電壓vS已提前到0，即改進(jìn)E類放大器實現(xiàn)了軟開關(guān)。在圖8（b）所示的改進(jìn)E類放大器輸出電壓和輸出電流實驗波形中，輸出電壓v1與電流i1同相，該結(jié)果與理論設(shè)計相符，即接收線圈端折算到源端為純電阻。圖8（c）為LED的電壓與電流波形，可知輸出電流iLED基本恒定。

改進(jìn)E類放大器與LED負(fù)載之間傳輸效率的仿真和實驗對比結(jié)果如表4所示，總體上可看出實驗與仿真效率比較接近，且LED顆數(shù)變化較大時，系統(tǒng)傳輸效率均維持較高。此外，從仿真與實驗傳輸效率數(shù)據(jù)可知，LED為12顆時效率均出現(xiàn)最大值，與理論計算結(jié)果相符。

4 結(jié) 論

本文通過在接收線圈側(cè)引入無源補償網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計其輸出阻抗條件，實現(xiàn)了對LED負(fù)載的恒流驅(qū)動，并通過仿真與實驗驗證了恒流設(shè)計方法的有效性，得到實驗傳輸效率為84.01%。文中引入改進(jìn)E類放大器實現(xiàn)其輸出電壓恒定，避免LED顆數(shù)發(fā)生改變時，同步造成E類放大器的輸出電壓改變而影響LED的恒流驅(qū)動效果；采用T參數(shù)法對系統(tǒng)電路進(jìn)行整體性分析，便于對無源補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，該恒流設(shè)計方法可為工程應(yīng)用提供一定的參考。在實驗中，由于PCB布線不夠完善以及高頻下寄生參數(shù)的影響，開關(guān)管電壓實驗波形存在寄生振蕩問題，后續(xù)研究將予以關(guān)注解決。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 尹成科， 徐博翎. 植入式人工心臟無線電能傳輸研究進(jìn)展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2015， 30（19）： 103.

YIN Chengke， XU Bolin. Wireless power transfer for implantable ventricular assistance： a review[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2015， 30（19）：103.

[2] 盧聞州， 沈錦飛， 方楚良. 磁耦合諧振式無線電能傳輸電動汽車充電系統(tǒng)研究[J]. 電機與控制學(xué)報，2016，20（9）：46.

LU Wenzhou， SHEN Jinfei， FANG Chuliang. Study of magneticallycoupled resonant wireless powertransfer electric car charging system[J]. Electric Machines and Control，2016，20（9）：46.

[3] 王司令， 宋保維， 段桂林， 等. 水下航行器非接觸式電能傳輸技術(shù)研究[J]. 電機與控制學(xué)報，2014，18（6）： 36.

WANG Siling，SONG Baowei， DUAN Guilin， et al. Study on noncontact power transmission of underwater unmanned vehicle[J]. Electric Machines and Control，2014，18（6）：36.

[4] VAN TN， KANG S H， CHOI J H. Magnetic resonance wireless power transfer using threecoil system with single planar receiver for laptop applications[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics， 2015， 61（2）： 160.

[5] KIM J， SON H， KIM D， et al. Optimal design of a wireless power transfer system with multiple selfresonators for an LED TV[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics， 2012， 58（3）： 775.

[6] QU X， ZHANG W， WONG S， et al. Design of a currentsourceoutput inductive power transfer LED lighting system[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics， 2015， 3（1）： 308.

[7] ZUO W， WANG S， LIAO Y， et al. Investigation of efficiency and load characteristics of superconducting wireless power transfer system[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity， 2015， 25（3）：4.

[8] XUE R， CHENG K， JE M. HighEfficiency Wireless Power Transfer for Biomedical Implants by Optimal Resonant Load Transformation[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I： Regular Papers， 2013， 60（4）：870.

[9] WANG Z， WANG X， ZHANG B. A magnetic coupled resonance WPT system design method of doubleend impedance converter networks with classE amplifier[C]//Industrial Electronics Society， November 9-12， 2015， Yokohama， Japan. 2015： 003095.

[10] PANTIC Z， BAI S， LUKIC S M. ZCS LCCcompensated resonant inverter for inductivepower transfer application[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2011， 58（8）： 3501.

[11] 陳希有， 劉玉昆. 具有穩(wěn)流輸出的無線電能傳輸電路[J]. 電機與控制學(xué)報，2014，18（8）：31.

CHEN Xiyou， LIU Yukun. Wireless power transmission circuit with constant current output[J]. Electric Machines and Control，2014，18（8）：31.

[12] 劉闖， 郭贏， 葛樹坤， 等. 基于雙LCL諧振補償?shù)碾妱悠嚐o線充電系統(tǒng)特性分析與實驗驗證[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2015， 30（15）： 128.

LIU Chuang， GUO Ying， GE Shukun， et al.Characteristics analysis and experimental verification of the double LCL resonant compensation network for electrical vehicles wireless power transfer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2015， 30（15）： 128.

[13] MURY T， FUSCO V F. Sensitivity characteristics of inverse classE power amplifier[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I： Regular Papers， 2007， 54（4）： 768.

[14] SUETSUGU T， KAZIMIERCZUK M K. Design procedure of classE amplifier for offnominal operation at 50% duty ratio[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I： Regular Papers， 2006， 53（7）： 1468.

[15] HASANI J Y， KAMAREI M. Analysis and optimum design of a class E RF power amplifier[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I： Regular Papers， 2008， 55（6）： 1759.

[16] TAN J， HENG C， LIAN Y. Design of efficient classE power amplifiers for shortdistance communications[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I： Regular Papers， 2012， 59（10）： 2210.

[17] 陽天亮. 經(jīng)皮能量傳輸系統(tǒng)閉環(huán)控制方法的研究[D]. 上海： 上海交通大學(xué)， 2011.

[18] WANG G， LIU W， SIVAPRAKASAM M， et al. Design and analysis of an adaptive transcutaneous power telemetry for biomedical implants[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems， 2005， 52（10）： 2110.

[19] ROSLANIEC L， JURKOV A S， BASTAMI A A， et al. Design of singleswitch inverters for variable resistance/load modulation operation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2015， 30（6）： 3201.

[20] LU Weiguo， ZHAO Mao， ZHOU Luowei， et al. Modeling and analysis of magnetically coupled resonant wireless power transfer system with rectifier bridge LED load[J]. International Journal of Circuit Theory and Applications， 2015， 43（12）：1917.

（編輯：張 楠）