家用電器無(wú)線供電關(guān)鍵技術(shù)

文/陳亮

近幾年，人們的生活水平提高，對(duì)其家電要求也隨之提高，比如家用電器，時(shí)常發(fā)生用電不安全問題，傳統(tǒng)家電采用電能接入模式，導(dǎo)致電源線繁多，經(jīng)常拔掉電源，不利于用電安全，會(huì)造成電源短路等情況。為此，我們只有了解家用電器無(wú)線供電模塊的基本原理，才能有效防范安全隱患。

1 家用電器無(wú)線供電模塊的應(yīng)用現(xiàn)狀

家用電器無(wú)線供電模塊技術(shù)革新源于2010年第四十三屆電子產(chǎn)品博展會(huì)，其中不少產(chǎn)品通過利用“磁耦合共振”原理，來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線供電。但是它的磁場(chǎng)在高頻的工作中，輻射危害很大，而且工作效率特別低。隨著技術(shù)的不斷更新，“無(wú)尾家電”將成為未來(lái)廚房家電的發(fā)展趨勢(shì)。

家用電器無(wú)線供電模塊技術(shù)不斷更新，加快了感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)的誕生，這種技術(shù)密切連接著受電端、送電端，往往會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤，特別是水平方向位置。它不同于其他的充電技術(shù)，通常是由線圈傳導(dǎo)線圈的電磁感應(yīng)來(lái)供電，針對(duì)其他電流入侵的過程中，會(huì)導(dǎo)致供電系統(tǒng)發(fā)熱，同時(shí)感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)有不同的電磁感應(yīng)系統(tǒng)，在一定程度上減低了家用電器的使用壽命。

2 家用電器無(wú)線供電模塊的基本原理

家用電器無(wú)線供電模塊的基本原理有電源與電器相分離，無(wú)線供電系統(tǒng)將電能通過電磁波的形式傳送出去，在用電過程中將其轉(zhuǎn)化為供電能源。加熱的阻性負(fù)載的電器有電飯煲、電熱水壺以及面包機(jī)等。電機(jī)的感性負(fù)載的電器有攪拌機(jī)、榨汁機(jī)等。這兩種基本原理都有負(fù)載一詞，何為負(fù)載？負(fù)載是指連接電源兩端的電子元件，常用的負(fù)載有電阻、引擎等可消耗的功率元件，通俗地稱為“用電器”。

控制器如圖中1所設(shè)計(jì)，主要闡述了電壓頻率調(diào)節(jié)問題，必須堅(jiān)持無(wú)功平衡以及其相關(guān)原則，必須加強(qiáng)負(fù)荷投切，同時(shí)改變交流電壓，保證電壓穩(wěn)定。電壓頻率調(diào)節(jié)控制器主要利用雙環(huán)控制維持電壓平衡，其控制方式有電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制。選擇蓄電池應(yīng)按照式3-1的形式，該儲(chǔ)備設(shè)備需要配置合理的變換器。通?？梢赃x擇110V蓄電池，當(dāng)其電壓是48V時(shí)，僅需要一個(gè)DC變換器。特別注意的是根據(jù)實(shí)際需要選擇變換器，提高負(fù)載傳輸，減少斷電的瞬間，會(huì)引起電動(dòng)勢(shì)電壓的情況，導(dǎo)致一時(shí)間電壓過大，超過了交流供電器的電壓，勢(shì)必會(huì)影響變壓器超載，在一定程度上損壞逆變器的使用壽命。

電器的負(fù)載主要包括加熱的阻性負(fù)載和感性負(fù)載，加熱的阻性負(fù)載是指電源相比當(dāng)負(fù)載電流負(fù)載電壓沒有相位差時(shí)負(fù)載為阻性。也可以理解為電阻類的元件，在工作運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的純阻性負(fù)載即為阻性負(fù)載；感性負(fù)載是指帶有電感參數(shù)的負(fù)載。它是負(fù)載電流滯后負(fù)載電壓一個(gè)相位差特性的為感性負(fù)載，設(shè)備在消耗有功功率時(shí)還會(huì)消耗無(wú)功功率。例如：如變壓器，電動(dòng)機(jī)等都是感性負(fù)載。此外，有些設(shè)備有線圈負(fù)載的電路也被稱之為感性負(fù)載。針對(duì)感性負(fù)載，在斷電的瞬間，會(huì)引起電動(dòng)勢(shì)電壓的情況，導(dǎo)致一時(shí)間電壓過大，超過了交流供電器的電壓，勢(shì)必會(huì)影響變壓器超載，在一定程度上損壞逆變器的使用壽命。

3 家用電器無(wú)線供電模塊的關(guān)鍵技術(shù)

家用電器無(wú)線供電模塊的關(guān)鍵技術(shù)為感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用主要表現(xiàn)在幾個(gè)方面：

（1）負(fù)載功率跨度大。不少家用電器在工作過程中，功率待機(jī)狀態(tài)都是幾瓦，額定狀態(tài)為千瓦。在大幅度的功率變化下，會(huì)造成系統(tǒng)安全不穩(wěn)定性。

（2）拾取端位置具有大范圍的隨機(jī)性。主要是因?yàn)榧矣秒娖髫?fù)載接入以及移除過于頻繁，導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)控制力度不夠，特別是互感耦合系數(shù)的隨時(shí)改變，無(wú)法保證家電負(fù)載的額定狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)行。

（3）效能要求高，家用電器應(yīng)用過多，導(dǎo)致消耗的能量過大，一時(shí)間無(wú)法保證負(fù)載條件下，電器的安全有效運(yùn)行。

（4）近似恒定工作頻率、原邊諧振電流、副邊負(fù)載輸出電壓都會(huì)影響家電的正常運(yùn)行。無(wú)線供電模塊，在高頻下工作，勢(shì)必會(huì)影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。近似恒定原邊諧振電流可以保證磁場(chǎng)輸出功率的穩(wěn)定性，近似恒定副邊負(fù)載輸出電壓，可以通過負(fù)載切入等情況，改變恒定電壓。

4 家用電器無(wú)線供電模塊保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

4.1 無(wú)線供電模塊拓?fù)湓O(shè)計(jì)

通過合理設(shè)計(jì)，電場(chǎng)輸出功率有一定的規(guī)律可循，通常按照相應(yīng)的比例傳輸，參數(shù)影響著磁場(chǎng)的變化，也影響著電場(chǎng)功率傳輸，無(wú)線供電模塊電路設(shè)計(jì)可以屏蔽磁場(chǎng)，避免對(duì)人體造成輻射問題。針對(duì)金屬物，必須做好保護(hù)措施，有效預(yù)防其發(fā)生在高頻磁場(chǎng)時(shí)帶來(lái)的危害，IPT系統(tǒng)中將極板作為補(bǔ)償元件，也是能量傳輸?shù)闹饕浖?。同樣的道理，CPT系統(tǒng)中將耦合線圈作為補(bǔ)償元件，可以產(chǎn)生磁場(chǎng)方便能量傳輸。由此看出，必須安排好元件的位置，發(fā)揮其應(yīng)有的作用。CPT系統(tǒng)中融合IPT，不僅可以降低電壓，分擔(dān)總功率，也可以減少輻射，加強(qiáng)無(wú)線供電模塊電路的安全性能。如圖2所示。

本文基于CPT系統(tǒng)中融合IPT，采取了耦合器的集成設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，將感應(yīng)式以及相應(yīng)的電場(chǎng)式密切結(jié)合，提高了其傳輸速度，同時(shí)利用補(bǔ)償元件的優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮其安全性能，設(shè)計(jì)無(wú)線供電模塊結(jié)構(gòu)，其傳輸距離為35mm、耦合電容為13.35pF。該系統(tǒng)在工作頻率1MHz,如果電壓輸入是350V，同時(shí)輸入負(fù)載數(shù)是150W，其功率能量為1.41kW，其電流輸出速度高達(dá)90.89%基于這種耦合機(jī)構(gòu)所設(shè)計(jì)的CPT移動(dòng)供電系統(tǒng)具有較好的傳輸能力,且具有較好的穩(wěn)定性。例如電機(jī)負(fù)載，需要看電機(jī)的額定電流，變頻器輸出電流，若電機(jī)的額定電流為35A，變頻器15KW，就可以滿足使用要求的，但最好是放大一檔，選用18.5KW的變頻器，這樣可以保證變頻器經(jīng)久耐用。

4.2 逆變電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)

在ICPT系統(tǒng)中，電源分為電流型拓?fù)?、電壓型拓?fù)鋵?duì)其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也不相同。以自激振蕩型為例，它的應(yīng)用功率小，傳輸系統(tǒng)完善，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制，但實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中依然存在著各種各樣的問題。

圖1：電壓頻率(U/f)調(diào)節(jié)控制器

4.2.1 全橋型逆變電路（圖2）

全橋型逆變電路可以應(yīng)用于功率大的場(chǎng)合，其可以連接電流型諧振網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，但是在逆變電路時(shí)，需要串聯(lián)一個(gè)準(zhǔn)電流源，但是全橋型逆變電路設(shè)置的開關(guān)眾多，無(wú)法驅(qū)動(dòng)和控制，需要設(shè)置隔離驅(qū)動(dòng)。

4.2.2 半橋型逆變電路（圖2）

半橋型逆變電路是全橋型逆變電路的變體，經(jīng)過全橋型逆變電路改編而來(lái)，從而減少了開關(guān)管的設(shè)置，但是離不開隔離驅(qū)動(dòng)的使用，增加了分變壓器的空間。

由此看出，全橋型逆變電路，不論是供電功率，還是電路復(fù)雜度都非常適合家電的無(wú)線供電模塊。

對(duì)LLC拓?fù)溥M(jìn)行了改進(jìn)，可以改善其變換效果，提高其變換效率，基于于LLC拓?fù)渥陨淼慕Y(jié)構(gòu)局限，電壓增加，隨之電流的效率也會(huì)增加，彼此之間相互影響。本文為了避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象，可以選擇改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的辦法，主要以變換拓?fù)渲饕Y(jié)構(gòu)為主，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)不同，選擇不同的變換器，這樣才能應(yīng)對(duì)復(fù)雜的環(huán)境。

4.3 諧振網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)

諧振網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)信息量的大力傳輸，減少伏安容量輸入，可以對(duì)電感線圈給予補(bǔ)償。根據(jù)補(bǔ)償?shù)沫h(huán)節(jié)拾取，可分為SS、PS、SP和PP四種最基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。諧振網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕獞?yīng)用于PS和PP兩種。但是其工作系統(tǒng)注入電流大于電流型拓?fù)?，而且?duì)電流定額有著高標(biāo)準(zhǔn)的要求。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器，主要利用軟開關(guān)方式，變換直流諧振。該結(jié)構(gòu)是調(diào)整雙變壓器，因其有適應(yīng)性強(qiáng)，具有不同的工作系統(tǒng)，它可以增加電壓，也可以保證電流的工作效率。而且降壓也不例外，電流也可以正常有效的工作，通過諧振網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)，也有力的證明了這一點(diǎn)，必須設(shè)計(jì)合理的參數(shù)，提高功效數(shù)值為92.8%。文獻(xiàn)[2]拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變換器選擇了雙變壓器模式，該結(jié)構(gòu)可以輔助電路輸出，控制變壓器，電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用串聯(lián)形式，將變壓器和側(cè)電路密切連接，這種設(shè)計(jì)結(jié)果表明變換器受到電壓影響，必須縮小電壓范圍，才能保證電路的正常輸出。

圖2：集成式耦合器結(jié)構(gòu)

4.4 開關(guān)管控制方式設(shè)計(jì)

高頻電力開關(guān)器件的誕生，影響著電子裝置集成化發(fā)展，逐漸向小型化、輕量化的方向進(jìn)行。傳統(tǒng)的硬開關(guān)，在開關(guān)過程中諧波較大，產(chǎn)生開關(guān)噪聲，損耗開關(guān)。早已經(jīng)不能滿足當(dāng)下人們的需求。目前已經(jīng)研究出軟開關(guān)模式，充分利用了諧振基本原理，當(dāng)電流為零時(shí)，開關(guān)就會(huì)關(guān)閉，減少開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)安全有效的運(yùn)行。所以選擇軟開關(guān)控制方式才能更好地滿足人們的生活需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，目前家用電器都采用了感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)，可以有效地解決負(fù)載功率容量變化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作頻率，提高系統(tǒng)的帶負(fù)載能力和穩(wěn)定性。本文對(duì)家用電器無(wú)線供電關(guān)鍵技術(shù)探討話題進(jìn)行一一論述，分析了家用電器無(wú)線供電模塊的基本原理，家用電器無(wú)線供電模塊的關(guān)鍵技術(shù)，家用電器無(wú)線供電模塊的應(yīng)用現(xiàn)狀三個(gè)方面，對(duì)此提出了家用電器無(wú)線供電模塊保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方案，為家用電器的穩(wěn)定、高效率運(yùn)行提供了保障。