一种无线能量发射装置及其无线能量传输系统的制作方法

1.本实用新型涉及无线能量传输领域，尤其涉及一种无线能量发射装置及其无线能量传输系统。


背景技术：

2.目前无线能量传输技术广泛应用在电磁感应加热和无线充电，以磁耦合谐振技术的传输效率较高，得到了广泛的应用，其能量发射电路拓扑可分为全桥驱动、半桥驱动、推挽驱动等，全桥和半桥驱动的方式因为是驱动单组的能量发射线圈，其能量发射线圈结构较简单，得到了广泛的应用，由于全桥的开关器件在回路中工作中始终有两个开关器件处于串联状态，比单个开关器件在接通时电压降大一倍，所以在相同条件下电压较低的应用中其电源电压利用率没有推挽驱动方式高，并且全桥拓扑电路相对复杂，电路成本较高。
3.在无线输电领域和电磁感应加热领域，能量发射线圈外形一般为扁平结构和螺旋管结构，由于推挽拓扑结构的电路是由两个功率开关管轮流开关，驱动两组结构对称的能量发射线圈，等效于一个带中心抽头的能量发射线圈，中国发明专利cn209088635u公开了一种双向无线充电线圈，该实用新型提供的无线充电线圈的功能与本技术所提供能量发射线圈的部分功能是一样的，该实用新型提出抽头的一端连接在内径与外径之间的线圈上，并可以在线圈内部引出多个抽头，但为了实现引出线圈的抽头，必然需要在绕制能量发射线圈前或绕制好后焊接抽头引线，这种抽头方式虽然也能用于推挽电路驱动，但会造成组装工艺的复杂性，为此本领域采用电路较为复杂的全桥或半桥拓扑电路驱动结构较为简单的单层能量发射线圈居多，而推挽拓扑电路驱动两个能量发射线圈的结构在本领域容易被忽视，进一步的，如果采用推挽拓扑电路，但由于能量发射线圈的结构问题导致引出端口线不在同一侧就更会造成生产组装上的不便。


技术实现要素：

4.本实用新型目的是为了解决以上推挽电路拓扑应用在无线能量传输领域产生的连接，结构问题，提供一种不同于现有技术的硬件配置，使技术人员能够在这样的硬件配置下实现进一步的开发。
5.为达到上述目的，本实用新型一实施例提出的无线能量发射装置，包括：推挽驱动电路、能量发射线圈；
6.所述能量发射线圈是由至少两根导线从一侧向另一侧并绕，即α绕法，构成一侧4个引线端口的所述的能量发射线圈，其中一根导线的头部连接于另一根导线的尾部，构成所述能量发射线圈的中心抽头，另外的两根引线端口构成了所述能量发射线圈的驱动端口分别连接于所述推挽驱动电路；
7.所述推挽驱动电路通过对所述两个能量发射线圈的驱动端口与所述能量发射线圈的中心抽头轮流提供电流，从而把能量从所述能量发射线圈无线发射出去。
8.在本实用新型较佳的实施例中，所述的导线为多股导线绞合的利兹线。
9.在本实用新型较佳的实施例中，所述的能量发射线圈为双层结构，所述的两根导线分别构成两个线圈。
10.所述能量发射线圈的外形根据驱动负载的外形特征作出改变，使得所述能量发射线圈能量发射面能够对负载接收面有效做功。
11.在本实用新型较佳的实施例中，所述的能量发射线圈能量发射面的背面安装有软磁隔磁部件，用于提高能量发射效率。
12.在实用新型较佳的实施例中，所述的推挽驱动电路为zvs自驱动推挽谐振电路，所述能量发射线圈的中心抽头通过扼流电感连接于电源正极，谐振电容c1并联连接于所述能量发射线圈的驱动端口，两个n型mosfet管q1，q2，源极共同连接于所述电源的负极，两个漏极分别连接所述能量发射线圈的驱动端口a，b1，其中q1的栅极连接快恢复二极管d3的阳极，d3阴极连接于所述能量发射线圈的驱动端口b1上，q1栅极连接一个稳压保护二极管d6的阴极，d6阳极连接至电源负极，q1栅极连接一个电阻r3至电源负极，q1栅极同时连接一个驱动电阻r1连接到一个n型三极管q3的发射极，q3的基极通过一个电阻r5和集电极相连，q3基极同时连接快恢复二极管d4的阳极，d4阴极连接于所述能量发射线圈的驱动端口b1上，q2的栅极连接快恢复二极管d1的阳极，d1阴极连接于所述能量发射线圈的驱动端口a上，q2栅极连接一个稳压保护二极管d5的阴极，d5阳极连接至电源负极，q2栅极连接一个电阻r4至电源负极，q2栅极同时连接一个驱动电阻r2连接到一个n型三极管q4的发射极，q4的基极通过一个电阻r6和集电极相连，q4基极同时连接快恢复二极管d2的阳极，d2阴极连接于所述能量发射线圈的驱动端口a上，则构成所述的zvs自驱动推挽谐振电路，将两个n型三极管q3,q4的集电极连接在一起则构成了所述zvs驱动电路的使能端口。
13.通过对所述使能端口施加适合所述n型mosfet管驱动参数的电压，从而启动所述能量发射装置对外做功。
14.本实用新型同时提供一种无线能量传输系统，该无线能量传输系统的无线能量发射装置采用了本实用新型所提供的无线能量发射装置。
15.本实用新型实施例具有以下有益效果：
16.本实用新型实施例中，相比现有技术而言，能量发射线圈的结构更加适合采用推挽拓扑结构的驱动电路，在电源电压较低的情况下，能够输出较大的功率，因结构简单生产组装更方便，所以能降低成本。
附图说明
17.图1是本实用新型能量发射线圈结构图
18.图2是推挽拓扑结构原理示意简图
19.图3是传统zvs自驱动推挽谐振电路图
20.图4是本实用新型实施例zvs自驱动推挽谐振电路图
21.图5是npn型晶体管zvs自驱动推挽谐振电路图
22.图6是本实用新型管状能量发射线圈结构图
23.图7是电磁加热微小环状工件示意图
24.图8是本实用新型无线能量传输系统示意图
25.附图标记
26.101
‑‑
能量发射线圈
27.a,a1
‑‑
能量发射线圈其中一组线圈的引线端口
28.b,b1
‑‑
能量发射线圈其中一组线圈的引线端口
具体实施方式
29.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本实用新型的限制。
30.图2是推挽拓扑结构原理示意简图，该实施例使用开关控制管对无线能量发射线圈的两个等效线圈轮流供电，开关控制管可以由能产生pwm控制信号的器件主动控制，也可以由无线能量发射线圈反馈信号被动控制。
31.实施例一
32.图1为第一实施例的无线能量发射线圈的结构图，由于需要工作在较高的频率下，如果采用单根较粗导线，导体的涡流损耗将会变大，所以该线圈的导线是由70股直径为0.1mm的漆包细线绞合成直径1.2mm左右的利兹导线。
33.将两根该利兹导线平行的并在一起，以24mm为内径，由内以α绕法向外并绕3圈，最终构成一个双层结构，圆形的，外径42mm左右,具有4根引线端口，等效为两组线圈的无线能量发射线圈，其中一组线圈的端口分别是a,a1，另外一组线圈的端口分别是b,b1。
34.将能量发射线圈的引线端口a1与引线端口b连接，构成能量发射线圈的中心抽头，与扼流电感l1连接，扼流电感的另一端连接于电源正极，扼流电感取值47uh。
35.在能量发射线圈发射面的背面贴上外径46mm厚度为1mm铁氧体软磁隔磁片后，能量发射线圈总体电感量为11uh左右，与谐振电容c1构成并联谐振电路，c1取值100nf，根据 本实施例空载的时候工作频率在151khz左右。
36.图4为本实施例电路原理图，谐振电容c1并联连接于所述能量发射线圈的驱动端口，由两个n型mosfet管q1，q2，源极共同连接于电源的负极，两个漏极分别连接能量发射线圈的驱动端口a，b1，其中q1的栅极连接快恢复二极管d3的阳极，d3阴极连接于能量发射线圈的驱动端口b1上，q1栅极连接一个稳压保护二极管d6的阴极，d6阳极连接至电源负极，q1栅极连接一个电阻r3至电源负极，q1栅极同时连接一个驱动电阻r1连接到一个n型三极管q3的发射极，q3的基极通过一个电阻r5和集电极相连，q3基极同时连接快恢复二极管d4的阳极，d4阴极连接于能量发射线圈的驱动端口b1上，q2的栅极连接快恢复二极管d1的阳极，d1阴极连接于能量发射线圈的驱动端口a上，q2栅极连接一个稳压保护二极管d5的阴极，d5阳极连接至电源负极，q2栅极连接一个电阻r4至电源负极，q2栅极同时连接一个驱动电阻r2连接到一个n型三极管q4的发射极，q4的基极通过一个电阻r6和集电极相连，q4基极同时连接快恢复二极管d2的阳极，d2阴极连接于能量发射线圈的驱动端口a上，则构成所述的zvs自驱动推挽谐振电路，将两个n型三极管q3,q4的集电极连接在一起则构成了zvs驱动电路的使能端口，总体构成zvs自驱动推挽谐振电路。
37.零电压开关，又称zvs，指的是开关控制管在控制开通和关断的时候其开关两端的
电压为0，主要作用是减小开关控制管损耗，提高效率，上述电路是利用了元器件参数差异，在电路上电瞬间其中一个开关控制管先导通，另外一个开关控制管被二极管钳位截止，当能量发射线圈相位交换时另外一个开关控制管又开通，并且开关控制管是工作在zvs状态下，故称之为zvs自驱动推挽谐振电路。
38.图3为本实用新型又一实施例，电路为传统应用zvs自驱动推挽谐振电路电路,其中相同的标号均采用与本实施例相同的元件，本实施例与其不同之处在于，开关控制管q1的偏置电阻r1是通过n型晶体管q3连接于使能控制电源上的，而q3又受控于偏置电阻r5和快恢复二极管d4,这样连接的优点在于；本实施例在开关控制管q1关断时也通过q3关断了r1与控制电源的连接，从而减少了r1对控制电源的消耗，取而代之是r5对控制电源的消耗，r1为驱动开关控制管的电阻，太大或太少均影响开关控制管的正常工作，这里取值为100欧姆，由于r5电阻较大，这里取值为4.7k,其中造成的区别以其中一个回路，控制电源电压为10v下计算；根据
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r1消耗的功率为1瓦特，r5消耗的功率为0.02瓦特，相差大概50倍，图3所示的传统zvs自驱动推挽谐振电路在工作中r1,r2会明显发热，消耗功率，需要使用较大功率的电阻器，而本实施例克服了上述r1，r2的电阻消耗，只产生较低的r5,r6电阻消耗。
39.zvs自驱动推挽谐振电路两个驱动开关控制管的驱动电路互相对称，使用一样的元件，其中栅极对电源负极连接的电阻为加快开关控制管关断的下拉电阻，工作电压较低的情况下可以不用，本实施例取值10k，稳压保护二极管根据开关控制管的参数而定，在较低的工作电压下也可以不用，本实施例取12v稳压值，n型mosfet管采用主要工作参数为，工作电压100v，工作电流3.3a，控制电压4-12v,8-soic封装的n型双mosfet管。
40.如图8所示，本实施例在工作电压为4.5-20v时，能够对无线输电或电磁加热的负载提供5w-60w左右的功率输出。
41.实施例二
42.本实施例采用如图6所示管状结构能量发射线圈，隔磁部件为直径1.8mm长度为10mm的软磁铁氧体磁棒，该线圈的导线是由15股直径为0.1mm的漆包细线绞合成直径0.5mm左右的利兹导线。
43.将两根该利兹导线平行的并在一起，由该软磁铁氧体磁棒的一端以α绕法向另一端并绕3圈，最终形成一个双层结构，外径4mm左右,具有4个引线端口，等效为两组线圈的管状无线能量发射线圈，其中一组线圈的端口分别是a,a1，另外一组线圈的端口分别是b,b1。
44.本实施例采用实施例一所述的电路，由于本实施例需要在更低的电压下工作，其n型mosfet管更换为控制电压更低也能工作的驱动管，主要工作参数为；工作电压40v，工作电流4a,控制电压2.5-10v,sot23封装的n型mosfet管，电路中的4个快恢复二极管也换成肖特基二极管以降低导通电压损失，由于在较低电压下工作，本实施例的稳压保护二极管选择不接。
45.将能量发射线圈的引线端口a1与引线端口b连接，构成能量发射线圈的中心抽头，与扼流电感l1连接，扼流电感的另一端连接于电源正极，扼流电感取值47uh。
46.本实施例能量发射线圈总体电感量为2.2uh左右，与谐振电容c1构成并联谐振电
路，c1取值250nf，根据本实施例空载的时候工作频率在215khz左右。
47.如图7所示，本实施例在工作电压为2.8-4.2v时，能够对管状或环状的微小结构导电物电磁加热负载提供5w-10w左右的功率输出。
48.实施例三
49.如图5所示，本实施例与上述实施并无本质上的不同，只是将开关控制管换成了n型晶体管，主要工作参数为，工作电压30v，工作电流1.5a，sot23封装的n型晶体管，在采用与实施例二相同的硬件配置时，在工作电压为1.5-3v时，本实施例对管状或环状的微小结构导电物电磁加热负载提供0.6w-3w左右的功率输出。
50.综上所述，本实用新型提供的一种无线能量发射装置及其无线能量传输系统，通过对无线能量发射线圈的结构改变，使其适合于不同场景下使用推挽拓扑驱动，通过zvs自驱动推挽电路进一步使能量发射装置在较低的工作电压下，降低了开关控制管的参数要求，同时提供较高的功率和效率，减小了系统复杂性从而降低了成本。
51.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本技术的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。