隨著無線電力傳輸在智能手機和充電站等消費電子產品中日益普及，工業和醫療技術制造商也愈加關注這項技術及其優勢。這項技術很有吸引力，特別是在工業，以及如建筑機械、易爆環境（ATEX）、農業等工作條件較為惡劣的領域。例如，它可以取代昂貴且易損的集電環，從而降低維護需求，延長產品的生命周期。

在醫療技術領域，非接觸式能量轉移也有許多優勢。醫療設備和系統不僅要適用衛生和消毒的特殊要求，還必須能夠耐受強腐蝕性清潔劑和化學品。非接觸式能量傳輸不需要使用特殊連接器，例如密封特別出色的連接器。由于越來越多的數據都通過WiFi、藍牙等無線方式來進行傳輸，因此，無線傳輸所需的能量也變得有意義了。本應用筆記旨在向開發人員展示如何簡單有效地設計一套額定功率數百瓦（含數據傳輸）的獨特的非接觸式電力傳輸系統。

圖 1：Würth Elektronik 無線充電線圈

圖 2：無線電力傳輸的原理

我們只使用近場能量傳輸。這種類型的傳輸涉及到基于兩個線圈之間磁通量的電感耦合。如圖2所示，傳輸路徑由四個主要器件組成。在發射側，有一個發射線圈和振蕩器，振蕩器用作逆變器；在接收側，有一個線圈和整流器，整流器的作用是將交流輸入轉換成直流輸出。振蕩器將輸入的直流電壓轉換成交流電流，然后在發射線圈 (L1) 中產生交變場。由于兩個線圈之間的互感，能量可以在發射線圈 (L1) 和接收線圈 (L2) 之間傳輸。發射線圈中的交流電流在接收線圈中感應出交流電壓（根據法拉第電磁感應定律），經整流后傳遞至負載。

若發射線圈和接收線圈之間的距離較大，雜散磁通量會急劇增加，從而導致能量傳輸效率降低，這與松耦合變壓器的功能相對應。不過，我們可以通過諧振式耦合來解決這個問題。

諧振式耦合可以增加傳輸距離，增大傳輸效率。其是純電感耦合的擴展，它利用發射線圈和接收線圈，以及彼此的串聯電容，共同組成LC串聯諧振電路（又稱“諧振腔”），從而實現能量的無線傳輸。為了達到最佳能量傳輸效率，必須調整振蕩電路的諧振頻率。將電容與WPT線圈串聯，幾乎可以完全補償極高的雜散電感。兩個振蕩電路之間的諧振可以改善所選諧振頻率下發射和接收線圈之間的磁耦合。

圖3：諧振感應能量傳輸的原理

感應諧振能量傳輸的原理可以非常容易地應用于實踐。以下章節介紹了一種專有解決方案。

3.1.全橋諧振轉換器的設計

圖 4 為全橋諧振轉換器的框圖。電路圖可分為以下幾個部分：

? 固定占空比 (50 %) 振蕩器和全橋MOSFET驅動器

? 具有4個開關元件(MOSFET)的全橋電路

? 諧振電容和WPT發射線圈組成的串聯諧振電路

? 諧振電容和WPT接收線圈組成的串聯諧振電路

? 整流器（橋式整流器或同步整流器）

該電路不是自激振蕩電路，開關頻率由振蕩器確定，并調諧為串聯諧振電路的諧振頻率。

圖4：全橋諧振轉換器框圖

此概念的優點：

? 可從低功率靈活擴展至超高功率（十瓦至數十千瓦）

? 諧振電路和整流器中的電流為正弦電流，具有良好的EMC特性

? MOSFET在零電壓下開關，效率非常高，超過90%

? 可輕松擴展適配多種不同的電壓/電流

? 可通過改變開關頻率使輸出電壓高于或低于輸入電壓

? 可調節輸出電壓

? 可在接收器和發射器之間傳輸數據

3.2.全橋諧振轉換器的操作

圖5a和5b為發射器和接收器之間的能量傳遞示意圖。發射線圈中的電流（諧振電流）是在零點附近振蕩的正弦電流。能量在諧振電流ICR/LR的兩個半波中傳遞。

圖5a：諧振電路中正半波 (ICR/LR) 期間的能量傳遞原理

圖5b：諧振電路中負半波 (ICR/LR) 期間的能量傳遞原理

圖6：波形圖漏極信號A-B、C-D和線圈電流

（U_In=20V，U_Out=17V，I_Out=6A，P_Out=100W）

圖6顯示了諧振電路上的信號。信號“節點 CD”和“節點 AB”是全橋內的電壓曲線。在節點AB的高電平階段，節點CD上的電壓較低，反之亦然。

如前所述，諧振電路中的電流是正弦電流，并且可以看到電壓信號和電流信號之間有相移。出現這一相移是因為全橋的開關頻率高于串聯諧振電路的諧振頻率。操作點位于串聯諧振電路的感性范圍內，電流將滯后電壓。

這對于操作非常重要，因為只有通過這一相移進入感性范圍，才能實現ZVS（零電壓開關）操作，這樣可以達到最高效率。如果相移進入容性范圍，即電流超前電壓，則轉換器不會再在ZVS模式下工作，而是在ZCS（零電流開關）模式下工作。

ZCS操作的損耗較高，因為電流很難換向流入MOSFET的體二極管。在不利情況下，這可能會導致MOSFET損壞。

3.3.開關頻率與諧振頻率之間的關系

以下仿真左側為該電路的簡化模型。此處僅顯示發射器和接收器的諧振電路，就本文內容而言已經足夠。

圖 7：不同負載條件下的諧振行為仿真

左側電路為兩個串聯諧振電路，分別位于發射側和接收側。它們代表著圖4中的兩個諧振電路。每側各有一個400nF的電容和一個電感為5.8μH的WPT線圈 (760 308 102 142)。兩個振蕩電路彼此調諧。為進行仿真，我們需要確定發射和接收線圈的耦合系數，該耦合系數取決于兩個線圈之間的距離。本例中的距離設置為6mm，因此耦合系數為0.537 (0.54)，該值通過測量確定。由發射和接收線圈組成的系統諧振頻率約為100kHz。

右側波特圖的X軸為頻率，Y軸為放大倍率。放大倍率=1(Vgain-Vin) 時，不同負載條件下的所有曲線都經過同一個點。本例中這個點在155kHz 處，對應電路的開關頻率。如上所述，開關頻率高于諧振電路的諧振頻率，從此處可以看出原因。以下波形圖（圖8）顯示了開關頻率和諧振電流。

圖8：開關頻率和磁化電流

（U_In=20V，U_Out=17V，I_Out=6A，P_Out=100W）

以上測量顯示開關頻率約為150kHz，非常接近仿真結果。圖8顯示了開關節點A-B/C-D（橙色線）的電壓曲線，以及流經發射側串聯諧振電路的諧振電流。

從這兩條曲線可以看出，每個半波期間，發射器和接收器之間均會發生完整的能量傳遞。每次開關節點切換時，諧振電流達到磁化電流。系統在此操作點的運行效率最高。在發射側，MOSFET以大約1V 的漏極/源極電壓關斷（ZVS 操作），該電壓取決于MOSFET中續流二極管的特性。

圖9：接收器到發射器的數據傳輸（UIn=20 V，UOut=17V，IOut=6A，POut=100W）

根據MOSFET的數據手冊，其典型值介于0.93V和1.2V之間。

在接收側，整流二極管或同步整流器在ZCS（零電流開關）模式下工作。當諧振電路（接收側）中的電流達到0A，或者發射側的諧振電流達到磁化電流時，電流會在整流器中的兩個電橋分支之間輕微換向。可以通過改變開關頻率來改變輸出電壓。如果開關頻率降低，操作點會靠近諧振頻率移動，同時輸出電壓增加。

如果開關頻率增加，操作點會遠離諧振頻率移動，同時輸出電壓降低。請參見圖8中的諧振曲線。

3.4.發射器和接收器之間的數據傳輸

這種連接還能通過調制線圈之間的交變場，實現發射器和接收器之間的數據傳輸。請參見以下波形圖（圖9）。

數據以串行方式傳輸，傳輸速率約為9.6kBaud。黃色線為來自接收器的數據流，綠色線為發射器輸出端的解調信號。在本例中，數據從WPT接收器傳輸至WPT發射器。一個實際的例子是用于壓力、溫度，或其他類型應用的傳感器。如圖10 所示，連接到WPT接收器的傳感器通過WPT線圈提供能量，而來自傳感器的數據通過同一線圈同時傳輸到WPT發射器。

圖10：接收器到發射器的數據傳輸原理

在接收器（數據源）側，通過開關將另一個電容連接到現有諧振電容。該開關連接到微控制器的UART輸出（參見圖10）。AM解調器和UART控制器從發射線圈處的調制信號接收數據。發射側的數據可以顯示在LCD顯示器上（圖12），也可以通過附加的RF模塊發送至任何類型的云服務。

利用上面介紹的電路拓撲結構，可以實現數十千瓦的超大功率無線能量傳輸，以及數據傳輸。硬件開發人員可根據需要修改或擴展電路以適配其應用。由于可以傳輸數據，因此也可以調節輸出電壓。

圖11：測量設置

除了電路設計之外，發射和接收線圈對實現高效率和極致緊湊的設計也至關重要。Würth Elektronik eiSos可以提供同類設計中品質因子最高的線圈，以及其廣泛的產品。因此，可以實現高電感值，從而可以使用小型諧振電容。

此外，對于額定功率較高的產品，只能使用HF絞合線（交流損耗更低）和高質量鐵氧體材料（磁導率高）。在實踐中，這意味著最高的效率和最佳的EMC特性。

圖12：WPT發射器和WPT接收器