学术简报｜应用于磁耦合谐振式无线电能传输系统的高效率E类逆变电源设计方法
三峡大学电气与新能源学院、新能源微电网湖北省协同创新中心（三峡大学）的研究人员李应智、魏业文等，在2019年第2期《电工技术学报》上撰文指出，ZVS型E类逆变器被认为是工作效率最高的功率放大器，被广泛用作磁耦合谐振式无线电能传输（MCR-WPT）系统的驱动电源，此系统的效率不仅仅在于电能依托线圈载体无线传输的效率，还在于逆变电源的工作效率。
本文通过对ZVS型E类逆变器建模分析，得出其额定最佳工作状态下的输出功率与设计参数、负载间的关系；采用电路互感理论构建E类逆变器驱动的四线圈结构MCR-WPT系统的等效模型，并以驱动电源的额定最佳工作状态为优化目标进行负载匹配，给出电源适应于负载的高效率MCR-WPT系统设计方法。最后通过实验证明了这种方法能够实现发射端逆变电源与接收端负载的高度匹配，系统的输出功率得以显著提升。
美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）于2007年在中距离无线电能传输领域取得突破，采用磁耦合谐振式无线电能传输技术（Magnetic Coupled Resonant Wireless Power Transmission, MCR-WPT）“隔空”点亮了2m外的60W灯泡，同时效率高达40%。这项研究成果使人们看到了将无线电能传输技术应用于实际生产和生活的希望，MCR-WPT技术成为了研究热点。
MIT的方案之所以能在中距离内实现电能的高效无线传输，原因在于两方面的改进：一是通过引入两个共振线圈而增加了传输距离；二是大大提高了系统的工作频率进而提高了线圈的品质因数。这两个特点也是磁耦合谐振式无线电能传输（MCR- WPT）与传统磁耦合感应式无线电能传输（Magnetic Coupled Inductive Wireless Power Transmission, MCI-WPT）的主要区别。因此，高品质因数的共振线圈设计和高频功率电源设计是MCR-WPT系统的两个重点研究问题。
文献[7-14]对共振线圈的能量传输机理进行了研究，结果表明系统工作频率、线圈结构、尺寸、匝数、匝间距及材料等因素综合决定了线圈的品质因数；文献[15-17]的研究给出了共振线圈的优化设计方法。E类逆变器由于结构简单、易于实现软开关、高频高效等优点，被大量用作MCR-WPT系统的驱动电源；但是E类逆变器的输出特性与输入阻抗有着密切的联系，其功率输出能力深受线圈和负载阻抗性质的影响。
因此，在MCR-WPT系统中E类逆变器的合理设计是不能与线圈及接收端负载割裂开的。然而在大量研究中都是直接采用具备一定功率和频率的E类逆变器作为MCR-WPT系统的驱动电源，以研究MCR-WPT线圈系统的补偿拓扑以及效率、频率等特性与线圈参数、耦合状况之间的关联，进而找寻电能依托线圈载体进行无线传输的效率优化方法。这个过程实则只研究了如何提升电能在线圈中无线传输的效率这一问题，而忽略了系统阻抗性质对E类逆变电源功率输出能力的影响。
本文对E类逆变器不同开关状态下的工作原理进行分析，并以同时满足零电压导通（Zero Voltage Switching, ZVS）和零偏导导通（Zero Derivation Switching, ZDS）的额定最佳工作状态为优化目标建模求解，得出了其工作于理想100%转化效率下时需满足的“E类逆变器-负载”间的匹配关系；进一步采用电路互感理论，构建了E类逆变器作驱动电源的四线圈SSSS型MCR-WPT系统等效模型。
基于以上分析，提出了一种与负载阻抗相适应的MCR-WPT系统高效率E类逆变电源设计方法，以改善驱动电源的效率，提升输出功率。
图5 实验装置
对于E类逆变器作驱动电源的MCR-WPT系统，系统的阻抗性质将直接影响E类逆变电源的工作效率，因此，系统综合效率提升方法的研究除了电能依托线圈载体实现无线传输的效率优化之外，还应包括E类逆变电源工作效率的提升。
本文提出的这种与负载相适应的MCR-WPT系统E类逆变电源高效率设计方法可以实现逆变电源与系统阻抗的高度匹配，电源的效率和功率输出能力得以显著提升，进而提高了接收端负载的功率。最终的实验结果也很好地表明了负载变化对发射端E类逆变电源功率输出能力和效率的影响，以及本文提出的这种E类逆变电源参数与负载相适应的设计方法对于系统综合效率提升的有效性和可行性。