基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法
【专利摘要】本发明涉及无线电能传输技术领域，具体涉及基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法。所述分析方法以磁共振式无线电能传输系统为研究对象，对磁共振式无线电能传输系统进行数学建模，对模型进行分析，计算出磁共振式无线电能传输系统各部分损耗，对高频逆变电路进行多物理场建模分析，从而进行优化布局。该方法量化分析无线电能传输系统的各部分损耗,有助于提高系统的传递效率和输出功率，利用有限元法多物理场建模对发热最为严重的高频逆变电路环节进行热设计技术研究，从其电路布局、内部介质和外壳结构上进行优化，降低了逆变电路主要器件的节点温度，提高了系统安全稳定运行的可靠性，延长了寿命，具有重要的实用价值。
【专利说明】
基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线电能传输技术领域，尤其设及基于无线电能传输系统损耗的逆变 电路多物理场分析方法。
【背景技术】
[0002] 磁禪合共振式无线能量传输系统利用两个或多个具有相同谐振频率及高品质因 素的电磁系统，通过工作于特定频率的电感及电容作用产生电磁谐振，高频能量发生大比 例交换并被负载吸收。该技术可在数米范围内实现无线供电，存在障碍物时也能高效传输， 是新颖且极具潜力的技术。
[0003] 但该技术在显示出巨大的经济效益与社会效益前景的同时，也存在着传递效率不 高、损耗过大等问题。该技术主要采用禪合线圈作为能量传送的的主要元件，利用线圈发生 谐振作用来使能量高效传输。但是系统往往受线圈相隔距离较远、谐振作用较弱、禪合作用 不强等因素的影响，它的内部产生谐振时的电压电流很大、需要的工作频率也很高。并且随 着频率的提高，系统电磁禪合机构的铜损将会增大很多，运样系统的效率会大大降低。较大 的损耗，会使器件发热比较严重。电子设备的过热会严重影响到电子产品的性能及可靠性 的提高，同时也降低了电子设备的使用寿命。
[0004] 因此需要能够量化分析无线电能传输系统的各部分损耗，明确其各部分损耗占 比，为无线电能传输系统的设计与效率的提升提供有参考数据，通过对系统各部分损耗的 分析，采用有效的建模方法对发热最为严重的高频逆变电路环节进行热设计技术研究，从 其电路布局、内部介质和外壳结构上进行优化，降低了逆变电路主要器件的节点溫度，优化 系统整体布局和元器件的选用，使系统结构设计合理、参数设定合理，增强系统的稳定性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种量化分析无线电能传输系统各部分损耗的数学模型，利 用有限元法多物理场建模对发热最为严重的高频逆变电路环节进行热设计技术研究，从其 电路布局、内部介质和外壳结构上进行优化的方法。从而降低逆变电路主要器件的节点溫 度，提高系统传递效率和输出功率，增强系统安全稳定运行的可靠性，延长使用寿命。
[0006] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，基于无线电能传输系统损耗的逆 变电路多物理场分析方法，所述分析方法W磁共振式无线电能传输系统为研究对象，对磁 共振式无线电能传输系统进行数学建模，对模型进行分析，计算出磁共振式无线电能传输 系统各部分损耗，对高频逆变电路进行多物理场建模分析，从而进行优化布局;包括W下步 骤：
[0007] 步骤1、对磁共振式无线电能传输系统进行数学模型分析；
[000引步骤2、对影响磁共振式无线电能传输系统传输效率的因素进行分析，并确定它们 之间的关系；
[0009]步骤3、定量计算高频逆变电路上的器件损耗；
[0010]步骤4、计算谐振线圈损耗；
[0011 ]步骤5、计算谐振电容内阻损耗；
[0012]步骤6、计算局频全桥整流损耗；
[0013] 步骤7、利用Comsol Multiphysics 5.0软件对高频逆变电路进行模型分析，得出 其热量分布图，并与红外探测仪所得的结果相比较，采用Comsol Multiphysics 5.0对高频 逆变电路进行布局优化，从而降低各器件之间的热禪合和整体溫度。
[0014] 在所述的基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法中，所述步骤 1的实现包括W下步骤：
[0015] 步骤1.1、建立磁共振式无线电能传输系统的数学模型，并简化电路模型；
[0016] 步骤1.2、通过模禪合理论对磁共振式无线电能传输系统模型进行分析，推导求解 传输效率及输出功率；
[0017] 步骤1.3、通过经典电路理论对磁共振式无线电能传输系统模型进行分析，根据互 感理论和基尔霍夫定理定律，推导出传输效率为
[001 引
（1.1)
[0019]式中，P功输入功率，P2为输出功率，M为禪合线圈的互感系数，W为禪合线圈的谐振 频率，化为负载电阻，Zp为初级线圈阻抗，Zs为次级线圈阻抗。
[0020]在所述的基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法中，所述步骤 2的实现包括W下步骤：
[0021 ]步骤2.1、分析工作驱动信号频率对磁共振式无线电能传输系统传输效率的影响， W确定磁共振式无线电能传输系统最佳工作点；
[0022] 步骤2.2、分析禪合系数对磁共振式无线电能传输系统传输效率的影响；线圈禪合 系数k与初级线圈、次级线圈的相对距离W及相对摆放位置有关;随着线圈禪合系数k的增 加，电流与电压的比值开始出现谷峰分裂现象，磁共振式无线电能传输系统传输效率最大 点为该系统的谐振频率点，对应电流与电压比值处于双峰的中间值；
[0023] 步骤2.3、分析负载对所述传输效率的影响;仅考虑纯电阻工作状态下的磁共振式 无线电能传输系统效率，将线圈和谐振电容等效为电阻。
[0024] 在所述的基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法中，所述步骤 3的实现包括W下步骤：
[00巧]击噓q 1巢化賄技巧田的茸公式为
[0026] (3.1)
[0027] 式中，U为器件上的压降，I为器件上流过的电流，D(t)为占空比；
[0028] 步骤 3.2、M0SFET 损耗；
[0029] 其导通损耗计算公式为
[0030]
(3.2)
[00川式中，Rds (on)为MOSFET的导通电阻；ID(on)为MOSFET的导通时漏极电流有效值；ton 为导通时间；f为MOS阳T的工作频率；
[0032]其开通损耗计算公式为
[00 削
(3.3)
[0034] 式中，VDs(t)为MOSFET的漏源极间电压；iD(t)为MOSFET的漏极电流；
[0035] tswitch-on为MOSFET的开通过程时间；T为MOSFET的工作周期；
[0036] 其关断损耗计算公式为
[0037]
(3,4》
[0038] 式中，tswitch-on为MOSFET的关断过程时间；
[0039] 在一个周期内，有一对MOSFET共同工作，所W-个周期内MOSFET的损耗为
[0040 ] Pmos 二 2 ( PMOS-on+Pswitch-on+Pswitch-of f ) (3.5);
[0041 ] 步骤3.3、驱动损耗；
[0042] 当磁共振式无线电能传输系统的驱动频率达到兆赫级别W上时，计算驱动损耗； 驱动损耗来源于驱动电压给栅极电容Cg充放电造成的损耗;驱动损耗为
[0043]
[0044] 式中，Cg为开关管栅极等效电容;Vdd为MOSFE巧区动器电源电压，f为开关频率。
[0045] 在所述的基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法中，所述步骤 4的实现包括：
[0046] 所述谐振线圈损耗来源于线圈谐振共振时交流电阻Rac的损耗，
[0047] RAe计算公式为
(4.1):
[004引
[0049] ^2)
[0050] 式中，Rdc为线圈自身的直流电阻，Nii为导线绕组的有效层数，Astr为锥导体有效厚 度与有效集肤深度之比，CU为每股线直径，ts为同层两相邻两股线中屯、距；
[0051] 根据天线理论，将福射能量损失视为等效电阻的损耗;该等效电阻记为福射电阻 Rrad;福射电阻的大小取决于天线的尺寸、形状W及通过电流的波长；因此线圈福射电阻可 按下式计算
[0化4] 式中，r为线圈半径，n为线圈应数，h为线圈宽度，C为光速，山为插入磁忍的相对磁导率，O为经过线圈电流的频率；
[0052]
[0化3]
[0055] 故可得谐振线圈的损耗为
[0056] Pcoii = (RAC+Rrad) (4.4)
[0057] 式中，I为线圈电流的有效值。
[0058] 在所述的基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法中，所述步骤 5的实现包括：
[0059] 谐振电容的内阻损耗为 闺]
(5.1)
[0061] 式中，Ic为流过电容电流的有效值。
[0062] 在所述的基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法中，所述步骤 6的实现包括：
[0063] 所述高频全桥整流损耗包括整流二极管的通态损耗时-EDnd和开关损耗；
[0064] 通态损耗为
[0065]
(6.1 )
[0066] 开关损耗包括开通损耗时-Dn和关断损耗PD-Off ;[0067] 开通损耗时-on为
[0068 ( 6.2)
[0069
[0070
[0071 (6.3)
[0072] 由于一个周期内，全桥整流有2个二极管工作，故高频全桥整流器的损耗Prectifier 为
[0073] Prectif ier 二 2 (PD-cond+PD-on+Po-off) (6.4) 〇
[0074] 本发明基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法W磁共振式无 线电能传输系统为研究对象，对无线电能传输系统进行数学建模，对模型进行分析，通过计 算系统各部分损耗，找出其损耗最大的部分。并对高频逆变电路进行多物理场建模分析，通 过热量场与电场的禪合，得出逆变电路热量分布图，并在此基础上对逆变电路进行优化布 局，W降低器件热量，保证其稳定长期工作。
[0075] 本发明有益效果:量化分析无线电能传输系统的各部分损耗，明确其各部分损耗 占比，有助于提高系统的传递效率和输出功率，对无线电能传输系统的设计与效率的提升 具有重要的参考意义。通过对系统各部分损耗分析，可优化系统整体布局和元器件选用，使 系统结构设计合理、参数设定合理，增强系统的稳定性，提升了无线电能传输技术各方面的 性能。同时利用有限元法多物理场建模对发热最为严重的高频逆变电路环节进行热设计技 术研究，从其电路布局、内部介质和外壳结构上进行优化，降低了逆变电路主要器件的节点 溫度，提高了系统安全稳定运行的可靠性，延长了使用寿命。
【附图说明】
[0076] 图1为本发明一个实施例的磁共振式无线能量传输系统等效电路模型图；
[0077] 图2为本发明一个实施例的系统各环节示意图；
[0078] 图3为本发明一个实施例的全桥逆变电路结构图；
[0079] 图4为本发明一个实施例的整流电路结构图。
【具体实施方式】
[0080] 下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
[0081] 下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简 化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述，它们仅仅为示例，并且目的不 在于限制本发明。此外，本发明可W在不同例子中重复参考数字和/或字母。运种重复是为 了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发 明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但本领域普通技术人员可W意识到其它工艺的可 应用性和/或其他材料的使用。另外W下描述的第一特征在第二特征之"上"的结构可W包 括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可W包括另外的特征形成在第一和第二特 征之间的实施例，运样第一特征和第二特征可能不是直接接触。
[0082] 本发明实施例采用的技术方案，基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场 分析方法，包括W下步骤：
[0083] 1，对磁共振式无线电能传输系统进行数学模型分析。其具体实现包括W下子步 骤：
[0084] 1.1，首先建立磁共振式无线电能传输系统的数学模型，进行适当的电路模型简 化；
[0085] 1.2,通过模禪合理论对磁共振式无线电能传输系统模型进行分析，对磁共振式无 线电能传输系统的传输效率及输出功率推导求解；
[0086] 1.3,通过经典电路理论对磁共振式无线电能传输系统模型进行分析，根据互感理 论和基尔霍夫定理定律，推导出磁共振式无线电能传输系统的传输效率
[0087]
( 1.1)
[008引式中，Pi为输入功率，h为输出功率，M为禪合线圈的互感系数，W为禪合线圈的谐振 频率，化为负载电阻，Zp为初级线圈阻抗，Zs为次级线圈阻抗。
[0089] 2,对影响磁共振式无线电能传输系统传输效率的因素进行分析，确定其与磁共振 无线电能传输系统传输效率之间的关系。其具体实现包括W下子步骤：
[0090] 2.1，分析驱动信号频率对磁共振无线电能传输系统传输效率的影响，在磁共振无 线电能传输系统实际设计前期，需要了解系统工作驱动信号频率对磁共振式无线电能传输 系统传输效率的影响，W此来确定磁共振式无线电能传输系统最佳工作点。
[0091] 2.2,分析禪合系数对磁共振式无线电能传输系统传输效率的影响，线圈禪合系数 k主要跟初级及次级线圈的相对距离和相对摆放位置有关。随着禪合系数k的增加，电流与 电压的比值开始出现谷峰分裂现象，但是磁共振式无线电能传输系统传输效率最大点仍为 系统的谐振频率点，此时电流与电压比值并不是最大，而是处于双峰的中间值。
[0092] 2.3,分析负载对磁共振式无线电能传输系统传输效率的影响。在简化分析时，仅 考虑纯电阻工作状态下的系统效率，将线圈和谐振电容等效为电阻。
[0093] 3,针对高频逆变电路，对其上的器件损耗进行定量计算。具体包括W下子步骤：
[0094] 3.1，器件损耗通用的计算公式为
[0095] (3 1)
[0096] 的电流，D(t)为占空比。
[0097]
[009引
[0099] (3.2)
[0100] m)为MOSFET的导通时漏极电流有效值;ton 为导励
[0101]
[0102] (3.3)
[0103] ; iD(t)为MOSFET的漏极电流；tswitch-on为 MOS阳 TI
[0104]
[0105] (3.4)
[0106] 式中，tswitch-on为MOSFET的关断过程时间。
[0107] 在一个周期内，有一对MOSFET共同工作，所W-个周期内MOSFET的损耗为
[010 引 Pmos 二 2 (PMOS-on+Pswitch-on+Pswitch-off) (3.5)
[0109] 3.3,驱动损耗，当系统的驱动频率达到兆赫级别W上的时候，运个时候的驱动造 成的损耗往往是不能忽略的。驱动损耗主要是驱动电压给栅极电容Cg充放电造成的损耗， 可表示为
[0110]
(3,6)
[0111] 式中，Cg为开关管栅极等效电容;Vdd为MOSFE巧区动器电源电压，f为开关频率。
[0112] 4,谐振线圈损耗，谐振线圈的损耗主要来源于线圈谐振共振时交流电阻Rac的损 耗。Rag计貸公立责 「 1 (4.1)
[0113]
[0114] (4.2)
[011引式中，Rdc为线圈自身的直流电阻，Nil为导线绕组的有效层数，Astr为锥导体有效厚 度与有效集肤深度之比(绕组层近似等效锥导体），cU为每股线直径，ts为同层两相邻两股线 中屯、距。
[0116] 根据天线理论，福射能量损失可视为一个等效电阻的损耗。该等效电阻记为福射 电阻Rrad。福射电阻的大小取决于天线的尺寸、形状W及通过电流的波长。因此螺旋线圈福 射电阻皮
[0117] 細
[011引式中，r为线圈半径，n为线圈应数，h为线圈宽度，C为光速，山为插入磁忍的相对磁 导率，《为经过线圈电流的频率。
[0119] 故可得谐振线圈的损耗为
[0120] Pcoil= (RAC+Rrad) (4.4)
[0121] 式中，I为线圈电流的有效值。
[0122] 5，谐振电容内阻损耗，谐振电容的内阻损耗为
[012引
（5.1)
[0124] 式中，Ic为流过电容电流的有效值。
[0125] 6,高频全桥整流损耗主要由整流二极管的通态损耗PD-CDnd和开关损耗两部分组 成。
[0126 (6.1)
[0127
[0128 ,)
[0129 ;)
[0130]由于一个周期内，全桥整流有2个二极管工作，故高频全桥整流器的损耗Prectifier 为
[01 別]Prectifier = 2 (时-cond+PD-on+PD-off) (6.4)
[0132] 7,用Comsol Multiphysics 5.0软件对高频逆变电路进行模型分析，得出其热量 分布图，并与红外探测仪所得的结果相比较，并用Comsol Multiphysics 5.0对高频逆变电 路进行布局优化调整，W降低其各个器件之间的热禪合，降低其整体溫度。
[0133] 本发明的实施例基于上述技术方案W实验室搭建的磁共振式无线电能传输系统 为例，对其各部分损耗进行求解并对其高频逆变电路进行多物理场建模分析，具体步骤如 下：
[0134] S1、建立系统的等效电路模型，如图1所示。系统各环节关系如图2所示，实验中系 统所用全桥逆变电路结构图如图3所示，整流电路结构图如图4所示。
[0135] S2、对逆变电路主要器件的损耗进行计算，具体子步骤如下：
[0136] S2. UMOSFET通态损耗，实测系统单个MOSFET导通时漏极电流的波形，且查表知其 通态电阻为0.48Q，故在一个周期内，根据波形图可知其导通有效值iD(on)约为1.28A，其导 通时间tern约为960ns，工作频率f为457.4KHZ。将W上数据代入公式3.2可得PMGs-cm约为 0.76W。
[0137] S2.2、M0SFET开关损耗，目前现有的国内外有关开关器件损耗的计算，大多数都采 用拟合的方法运算得到开关损耗。但运种计算方法缺点是对开通、关断过程中的电压、电流 波形的描述不够准确，计算开关损耗时往往存在近似上的处理。
[0138] S2.3、驱动损耗，查表得栅极等效电容Cg为27pF，已知Vdd为12V，开关频率f为 457.4K，带入公式3.6计算得Pdrive值为0.13W。
[0139] S2.4、逆变电路总损耗，实验已知其输入电压为30V，谐振输入电流为1.66A，则其 输入端功率为50W，测试得到其输出电压电流波形。
[0140] 可得其输出电压有效值为24V，输出电流有效值为1.5A，则输出功率为两者相乘， 值36W，结合输入总功率，可得逆变电路板总损耗为14W。
[0141] S3、谐振线圈损耗计算，根据实验室搭建系统参数，导线绕组的有效层数化1为1，每 股线直径CU为3mm，同层两相邻两股线中屯、距ts为4mm，线圈半径r为20cm，线圈应数n为19,线 圈宽度h为61mm，插入磁忍的相对磁导率iir为0，经过线圈电流的频率O为457.他化，经过原 边线圈电流的有效值I为1.5A，副边线圈电流的有效值I为1.109A，将W上数据代入公式 4.1、4.2、4.3、4.4得到原边线圈损耗?。。11为8.2胖，副边线圈损耗为2.8胖。
[0142] S4、谐振电容内阻损耗计算，实验测得流经原边电容电流的有效值I为1.5A，副边 电容电流的有效值I为1.109A，测的电容电阻为0.47 Q，代入公式5.1则计算得原边电容损 耗为1.05W，副边电容损耗为0.55W。
[0143] S5、高频整流电路损耗计算，由于实测系统难W精确确定二极管的电压电流波形 参数，积分计算会造成很大误差，且整个整流板还包含其它元器件的损耗。采用测量整流电 路两端电压电流波形，从而可W根据其有效值确定输入输出端的功率，两者相减得到整个 整流电路的损耗。实验测得整流板输入电压电流波形，可得整流电路输入电压有效值为 20V，输入电流有效值为1.109A，则可得输入整流板的功率为22.18W。又测得输出直流电压、 电流分别为18.1￥、1.1074，故输出功率为20.03胖，两者相减得整流板损耗为2.15胖。由于整 流板输出功率都消耗在负载电路上，故负载损耗功率即为20.03W。
[0144] S6、对逆变电路进行多物理场建模。建模所用材料的物性参数皆来源于Comsol Multiphysics自带材料库中的数据。器件数值设置，由实际系统参数给出。
[0145] S7、对建立好的模型，进行网格剖分，由Comsol Multiphysics软件可得出其热量 分布云图。由热量分布图可知，其最高溫度达到80%不利于器件有效稳定地工作，故需对其 布局进行调整。
[0146] S8、调整器件布局并进行建模仿真，得到新的溫度分布图。优化后的逆变电路，其 最高溫度可降低10°左右。
[0147] S9、对逆变电路壳体进行调整，盒体的壁厚主要影响逆变电路的传导散热，而外壳 的肋片高度影响盒体表面的对流散热。采取逆变电路内部灌胶，主要发热器件通过导热侣 板与盒体外壳相连，盒体外壳加肋片的综合散热措施，可W将逆变电路的前后级MOSFET、二 极管和驱动电阻，忍片等高溫器件的溫度控制在60°C W内。
[0148] 本发明实施例提供了计算系统各部分损耗的方法和对发热最为严重的逆变电路 部分进行多物理场分析的方法。可W具体求出磁共振无线能量传输系统各部分损耗，并可 对系统结构进行调整，降低系统损耗，提高系统的传递效率，对无线电能传输系统的推广和 应用具有理论价值和实际意义。
[0149] 应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
[0150] 虽然W上结合附图描述了本发明的【具体实施方式】，但是本领域普通技术人员应当 理解，运些仅是举例说明，可W对运些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原 理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
【主权项】
1. 基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法，其特征在于，所述分析 方法W磁共振式无线电能传输系统为研究对象，对磁共振式无线电能传输系统进行数学建 模，对模型进行分析，计算出磁共振式无线电能传输系统各部分损耗，对高频逆变电路进行 多物理场建模分析，从而进行优化布局;包括W下步骤： 步骤1、对磁共振式无线电能传输系统进行数学模型分析； 步骤2、对影响磁共振式无线电能传输系统传输效率的因素进行分析，并确定它们之间 的关系； 步骤3、定量计算高频逆变电路上的器件损耗； 步骤4、计算谐振线圈损耗； 步骤5、计算谐振电容内阻损耗； 步骤6、计算高频全桥整流损耗； 步骤7、利用Comsol Multiphysics 5.0软件对高频逆变电路进行模型分析，得出其热 量分布图，并与红外探测仪所得的结果相比较，采用Comsol Multiphysics 5.0对高频逆变 电路进行布局优化，从而降低各器件之间的热禪合和整体溫度。2. 根据权利要求1所述的基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法， 其特征在于，所述步骤1的实现包括W下步骤： 步骤1.1、建立磁共振式无线电能传输系统的数学模型，并简化电路模型； 步骤1.2、通过模禪合理论对磁共振式无线电能传输系统模型进行分析，推导求解传输 效率及输出功率； 步骤1.3、通过经典电路理论对磁共振式无线电能传输系统模型进行分析，根据互感理 论和基尔霍夫定理定律，推导出传输效率为(II) 式中，Pi为输入功率，P2为输出功率，Μ为禪合线圈的互感系数，W为禪合线圈的谐振频 率，化为负载电阻，Ζρ为初级线圈阻抗，Zs为次级线圈阻抗。3. 根据权利要求1所述的基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法， 其特征在于，所述步骤2的实现包括W下步骤： 步骤2.1、分析工作驱动信号频率对磁共振式无线电能传输系统传输效率的影响，W确 定磁共振式无线电能传输系统最佳工作点； 步骤2.2、分析禪合系数对磁共振式无线电能传输系统传输效率的影响；线圈禪合系数 k与初级线圈、次级线圈的相对距离W及相对摆放位置有关;随着线圈禪合系数k的增加，电 流与电压的比值开始出现谷峰分裂现象，磁共振式无线电能传输系统传输效率最大点为该 系统的谐振频率点，对应电流与电压比值处于双峰的中间值； 步骤2.3、分析负载对所述传输效率的影响;仅考虑纯电阻工作状态下的磁共振式无线 电能传输系统效率，将线圈和谐振电容等效为电阻。4. 根据权利要求1所述的基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法， 其特征在于，所述步骤3的实现包括W下步骤： 步骤3.1、器件损耗通用的计算公式为(3.1) 式中，u为器件上的压降，I为器件上流过的电流，D(t)为占空比； 步骤3.2、M0S阳T损耗； 其导通损耗计算公式为(3.2) 式中，RDs(on)为MOSFET的导通电阻；iD(on)为MOSFET的导通时漏极电流有效值;ton为导 通时间；f为M0S阳T的工作频率； 其开通损耗计算公式为(3.3) 式中，Vds(t)为M0SFET的漏源极间电压；iD(t)为M0SFET的漏极电流； tswitch-on为M0S阳T的开通过程时间；T为M0S阳T的工作周期； 其关断损耗计算公式为(3.4) 式中，tswitch-on为M0S阳T的关断过程时间； 在一个周期内，有一对M0SFET共同工作，所W-个周期内M0SFET的损耗为 PmOS _ 2 ( ΡΜΟ?^-οη+Pswitch-on+Pswitch-of f ) (3.5); 步骤3.3、驱动损耗； 当磁共振式无线电能传输系统的驱动频率达到兆赫级别W上时，计算驱动损耗;驱动 损耗来源于驱动电压给栅极电容α充放电造成的损耗;驱动损耗为(3.6) 式中，Cg为开关管栅极等效电容;Vdd为M0SFET驱动器电源电压，f为开关频率。5.根据权利要求1所述的基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法， 其特征在于，所述步骤4的实现包括： 所述谐振线圈损耗来源于线圈谐振共振时交流电阻Rac的损耗， Rac计算公式为式中，化C为线圈自身的直流电阻，Nil为导线绕组的有效层数，Astr为锥导体有效厚度与 有效集肤深度之比，cU为每股线直径，ts为同层两相邻两股线中屯、距； 根据天线理论，将福射能量损失视为等效电阻的损耗;该等效电阻记为福射电阻Rrad; 福射电阻的大小取决于天线的尺寸、形状W及通过电流的波长；因此线圈福射电阻可按下 式计貸(4.3) 式中，r为线圈半径，η为线圈应数，h为线圈宽度，C为光速，μτ为插入磁忍的相对磁导率， ω为经过线圈电流的频率； 故可得谐振线圈的损耗为 Pcoil = I^(RAC+Rrad) (4.4) 式中，I为线圈电流的有效值。6. 根据权利要求1所述的基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法， 其特征在于，所述步骤5的实现包括： 谐振电容的内阻损耗为(5.1) 式中，Ic为流过电容电流的有效值。7. 根据权利要求1所述的基于无线电能传输系统损耗的逆变电路多物理场分析方法， 其特征在于，所述步骤6的实现包括： 所述高频全桥整流损耗包括整流二极管的通态损耗PD-wnd和开关损耗； 通态损耗为(6.]) 开关损耗包括开通损耗Pd-。。和关断损耗时-Dff ; 开通损耗Pd-。。为由于一个周期内，全桥整流有2个二极管工作，故高频全桥整流器的损耗Prectifier为 Prectifier二 2 (时-cond+PD-on+PD-off ) (6.4) 〇
【文档编号】H02M7/537GK105978172SQ201610607356
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】周洪, 张兴豪, 杨辉, 胡文山, 邓其军
【申请人】武汉大学