刘 洋，逄海萍

基于E类逆变器的无线电能传输创新实验设计

刘 洋，逄海萍

（青岛科技大学 自动化与电子工程学院，山东 青岛 266061）

以E类逆变器为基础，结合磁耦合谐振式无线电能传输原理，设计了一个创新性仿真实验平台。首先分析E类逆变器的工作原理，并研究电路参数对E类逆变器效率的影响；然后系统地给出基于E类逆变器的高效MCR-WPT系统的设计方法和步骤，并在Simulink下构建了一套系统仿真实验平台。在该平台上可以进行系统运行状态的观察和分析、传输效率的计算以及各类因素对传输性能影响研究，从而激发学生的创新性思维，提高分析问题和解决问题的能力。

无线电能传输；E类逆变器；创新实验

自麻省理工学院2007年首次提出磁耦合谐振（magnetic coupling resonance，MCR）式无线电能传输（wireless power transfer，WPT）技术以来，有关MCR-WPT的研究在国内外得到广泛开展[1]。与磁感应耦合式WPT系统相比，MCR-WPT系统具有电能转换量大，传输距离远以及传输功率高等优势[2-4]，在无尾家用电器、体内医疗设备无线充电以及电动汽车的无线充电等领域得到广泛应用[5-6]。

本文基于E类逆变器的MCR-WPT系统进行创新性仿真实验设计，并从分析和提升效率的角度进行启发式研究，目的是使学生掌握利用理论分析、仿真实验等手段分析和解决问题的方法，并且可以自己进行电路设计和参数设计，开展优化传输特性方案的研究和探讨，从而激发创新思维、培养创新能力。

1 MCR-WPT系统结构

MCR-WPT系统的结构如图1所示，主要由交流电源、整流电路、逆变电路、发射回路、接收回路、整流电路和负载组成。系统涉及电路理论、电磁场理论、电力电子技术等多门科目，是培养电气、自动化等专业的学生综合运用所学知识进行分析问题和解决问题的一个良好案例，也是进行综合性和创新性实验的一个良好平台。

图1 MCR-WPT系统结构图

在电力电子技术课程中讲述的单相逆变电路主要有全桥和半桥逆变，其在kHz级别的WPT中得到了广泛应用[7-8]。与其相比，E类逆变器具有结构简单、工作效率高等优点，已被应用在开关电源和MHz级别的WPT等领域中[9-12]。研究已表明，谐振频率越高，MCR-WPT系统的传输效率也越高[13]，并且合理的电路参数设计还可以使E类逆变器工作在高效率的软开关状态。

2 E类逆变器的结构及工作过程

图2 E类逆变器经典结构图

3 E类逆变器的仿真实验设计

表1 经典E类逆变器最优参数计算式

在Matlab/Simulink中搭建的E类逆变器的仿真模型如图3所示，在最优参数下开关管电压Vds和电流Ids的波形如图4所示。由图4可以看出，在最优参数的情况下，E类逆变器工作在软开关状态。

图3 E类逆变器的仿真模型

图6为C0偏离最优值时开关管的电压、电流波形。

图4 最优参数下开关管的电压和电流波形

图5 负载偏离最优值时的开关管电压电流波形

通过以上分析可以看出，负载的大小和并联电容的大小都会使得E类逆变器的工作状态发生改变，影响E类逆变器的工作效率。因此在设计E类逆变器时，应严格计算其各部分参数，保证最优工作状态，达到高效传输的目的。

4 基于E类逆变器的MCR-WPT系统仿真实验

4.1 系统组成

4.2 系统设计方案

获得高效电能传输是将E类逆变器应用于MCR- WPT系统的主要目的之一，为了使系统获得可能的最大效率，本节给出的设计方案如下：

图6 ωC0偏离最优值时开关管的电压和电流波形

图7 基于E类逆变器的MCR-WPT系统电路

图8 耦合谐振电路的等效电路

式中为互感。

在系统设计方案中将采用此负载作为系统终端 负载。

第二步，确定E类逆变器的各项参数。

再根据表1可得到E类逆变器满足最优状态的并联电容、谐振电容和电感数值。

4.3 仿真实验设计及效率分析

为了更直观地理解整体系统的工作原理并研究其传输特性，利用Matlab/Simulink设计了一个仿真实验平台，如图10所示。在需要的地方设置示波器用以 观测相关的电压、电流波形，同时加入功率和效率的计算。

下面在仿真平台上进一步对传输效率进行分析。

图10 基于E类逆变器的WPT-MCR系统仿真实验平台

图11 负载上电压电流波形和输出功率曲线

图12 输入侧电流波形和输入功率曲线

图13 系统传输效率分布图

图14 系统各部分传输效率曲线

图15 系统整体传输效率曲线图

以上是在E类逆变器最优负载的情况下的做的仿真实验，学生可以在此平台上对线圈参数、谐振频率、E类逆变器的相关参数、负载参数或者器件参数等做调整，结合相关的理论分析，研究并探讨各种因素对系统各部分传输效率和传输功率等特性的影响，从而激发学生的创新性思维以及分析问题和解决问题的 能力。

5 结语

本文对E类逆变器的工作原理进行了分析，研究了不同电路参数对工作状态的影响。设计了一套基于E类逆变器的MCR-WPT系统的实验方案，并且对于系统传输效率进行了系统性地分析。通过该设计和分析方法可以得到出不同条件下的高传输效率系统。基于E类逆变器的MCR-WPT系统将电力电子和电路的专业知识通过仿真实验得到体现，同传统的理论教学相比，学生可以更好地掌握逆变器、磁耦合谐振的原理，由此激发学生的新思路，提升创新能力和水平。

[1] KURS A, KARALIS A, MOFFATT R, et al. Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J]. Science, 2007, 317(6): 83–86.

[2] 张国玉. 无线传感器网络能量自供应技术研究[D]. 北京：中国科学院研究生院，2007.

[3] 傅文珍，张波，丘东元，等. 自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析和设计[J]. 中国电机工程学报，2009, 29(18): 21–26.

[4] 赵争鸣，张艺明，陈凯楠. 磁耦合谐振式无线电能传输技术新进展[J]. 中国电机工程学报，2013, 33(3): 31–33.

[5] 邓其军，刘姜涛，陈诚，等. 多相并联的15 kW无线电能传输系统[J]. 电力自动化设备，2017, 37(11): 194–200.

[6] 蔡昕晨，李纪娴，胡安正. 磁耦合谐振式无线电能传输系统研究[J]. 物理通报，2018(11): 99–100.

[7] 高雪飞，张剑，李金龙. 水下双向无线电能传输系统设计与实现[J]. 电子技术应用，2018, 44(10): 162–166, 170.

[8] 韩征. 谐振耦合手机无线充电系统设计[J]. 国外电子测量技术，2018, 37(9): 107–110.

[9] 范兴明，莫小勇，张鑫. 无线电能传输技术的研究现状与应用[J]. 中国电机工程学报，2015, 35(10): 2584–2600.

[10] 冷志伟，陈希有. 基于E 类放大器的感应电能传输系统研究[J]. 电测与仪表，2011, 48(11): 92–96.

[11] 马皓，孙轩. 原副边串联补偿的电压型耦合电能传输系统设计[J]. 中国电机工程学报，2010, 30(15): 48–52.

[12] CHEN W, CHINGA R A, YOSHIDA S, et al. A 25.6 W 13.56 MHz wireless power transfer system with a 94% efficiency GaN class-E power amplifier[C]//2012 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest (MTT). Montreal, Canada:[s.n.], 2012: 1–3.

[13] 游飞. E类功率放大器研究[D].成都：电子科技大学，2009.

Design on innovative experiment of wireless power transmission based on E-class power inverter

LIU Yang, PANG Haiping

(Department of Automation and Electronic Engineering, Qingdao University of Science and Technology, Qingdao 266061, China)

Based on E-class inverters and combined with the principle of magnetically coupled resonant wireless power transmission, an innovative simulation experiment platform is designed. Firstly, the working principle of the E-class inverter is analyzed, and the influence of circuit parameters on the efficiency of the E-class inverter is studied. Then, the design method and steps of high-efficiency MCR-WPT system based on E-class inverters are systematically presented, and a system simulation experiment platform is constructed under Simulink. On this platform, the running state of the system can be observed and analyzed, the transmission efficiency is calculated and the influence of various factors on the transmission performance is studied so as to stimulate students’ innovative thinking and improve their ability to analyze and solve problems.

wireless power transmission; E-class inverter; innovative experiment

TM724

A

1002-4956(2019)12-0066-06

10.16791/j.cnki.sjg.2019.12.016

2019-04-30

山东省本科高校教学改革研究项目（Z2016M007）；山东省自然科学基金项目（ZR2018LF008）；青岛科技大学校级教学改革研究项目(2018ZC38)；国家级大学生创新创业训练计划项目（201610426041）

刘洋（1996—），女，山东威海，硕士研究生，主要研究方向为电力电子技术，无线电能传输。E-mail: lydsyh@qq.com

逄海萍（1964—），女，山东青岛，博士，教授，电气工程及其自动化本科专业建设负责人，主要研究方向为电力电子技术及其应用、无线电能传输、控制理论在电力电子技术中的应用。E-mail: panghp@qust.edu.cn