家用电器无线供电关键技术

文/陈亮

近几年，人们的生活水平提高，对其家电要求也随之提高，比如家用电器，时常发生用电不安全问题，传统家电采用电能接入模式，导致电源线繁多，经常拔掉电源，不利于用电安全，会造成电源短路等情况。为此，我们只有了解家用电器无线供电模块的基本原理，才能有效防范安全隐患。

1 家用电器无线供电模块的应用现状

家用电器无线供电模块技术革新源于2010年第四十三届电子产品博展会，其中不少产品通过利用“磁耦合共振”原理，来实现无线供电。但是它的磁场在高频的工作中，辐射危害很大，而且工作效率特别低。随着技术的不断更新，“无尾家电”将成为未来厨房家电的发展趋势。

家用电器无线供电模块技术不断更新，加快了感应耦合电能传输技术的诞生，这种技术密切连接着受电端、送电端，往往会发生错误，特别是水平方向位置。它不同于其他的充电技术，通常是由线圈传导线圈的电磁感应来供电，针对其他电流入侵的过程中，会导致供电系统发热，同时感应耦合电能传输技术有不同的电磁感应系统，在一定程度上减低了家用电器的使用寿命。

2 家用电器无线供电模块的基本原理

家用电器无线供电模块的基本原理有电源与电器相分离，无线供电系统将电能通过电磁波的形式传送出去，在用电过程中将其转化为供电能源。加热的阻性负载的电器有电饭煲、电热水壶以及面包机等。电机的感性负载的电器有搅拌机、榨汁机等。这两种基本原理都有负载一词，何为负载？负载是指连接电源两端的电子元件，常用的负载有电阻、引擎等可消耗的功率元件，通俗地称为“用电器”。

控制器如图中1所设计，主要阐述了电压频率调节问题，必须坚持无功平衡以及其相关原则，必须加强负荷投切，同时改变交流电压，保证电压稳定。电压频率调节控制器主要利用双环控制维持电压平衡，其控制方式有电压外环控制和电流内环控制。选择蓄电池应按照式3-1的形式，该储备设备需要配置合理的变换器。通常可以选择110V蓄电池，当其电压是48V时，仅需要一个DC变换器。特别注意的是根据实际需要选择变换器，提高负载传输，减少断电的瞬间，会引起电动势电压的情况，导致一时间电压过大，超过了交流供电器的电压，势必会影响变压器超载，在一定程度上损坏逆变器的使用寿命。

电器的负载主要包括加热的阻性负载和感性负载，加热的阻性负载是指电源相比当负载电流负载电压没有相位差时负载为阻性。也可以理解为电阻类的元件，在工作运行时产生的纯阻性负载即为阻性负载；感性负载是指带有电感参数的负载。它是负载电流滞后负载电压一个相位差特性的为感性负载，设备在消耗有功功率时还会消耗无功功率。例如：如变压器，电动机等都是感性负载。此外，有些设备有线圈负载的电路也被称之为感性负载。针对感性负载，在断电的瞬间，会引起电动势电压的情况，导致一时间电压过大，超过了交流供电器的电压，势必会影响变压器超载，在一定程度上损坏逆变器的使用寿命。

3 家用电器无线供电模块的关键技术

家用电器无线供电模块的关键技术为感应耦合电能传输技术。该技术应用主要表现在几个方面：

（1）负载功率跨度大。不少家用电器在工作过程中，功率待机状态都是几瓦，额定状态为千瓦。在大幅度的功率变化下，会造成系统安全不稳定性。

（2）拾取端位置具有大范围的随机性。主要是因为家用电器负载接入以及移除过于频繁，导致对系统控制力度不够，特别是互感耦合系数的随时改变，无法保证家电负载的额定状态进行运行。

（3）效能要求高，家用电器应用过多，导致消耗的能量过大，一时间无法保证负载条件下，电器的安全有效运行。

（4）近似恒定工作频率、原边谐振电流、副边负载输出电压都会影响家电的正常运行。无线供电模块，在高频下工作，势必会影响供电系统的稳定性。近似恒定原边谐振电流可以保证磁场输出功率的稳定性，近似恒定副边负载输出电压，可以通过负载切入等情况，改变恒定电压。

4 家用电器无线供电模块保护电路的设计

4.1 无线供电模块拓扑设计

通过合理设计，电场输出功率有一定的规律可循，通常按照相应的比例传输，参数影响着磁场的变化，也影响着电场功率传输，无线供电模块电路设计可以屏蔽磁场，避免对人体造成辐射问题。针对金属物，必须做好保护措施，有效预防其发生在高频磁场时带来的危害，IPT系统中将极板作为补偿元件，也是能量传输的主要软件。同样的道理，CPT系统中将耦合线圈作为补偿元件，可以产生磁场方便能量传输。由此看出，必须安排好元件的位置，发挥其应有的作用。CPT系统中融合IPT，不仅可以降低电压，分担总功率，也可以减少辐射，加强无线供电模块电路的安全性能。如图2所示。

本文基于CPT系统中融合IPT，采取了耦合器的集成设计结构，将感应式以及相应的电场式密切结合，提高了其传输速度，同时利用补偿元件的优势，发挥其安全性能，设计无线供电模块结构，其传输距离为35mm、耦合电容为13.35pF。该系统在工作频率1MHz,如果电压输入是350V，同时输入负载数是150W，其功率能量为1.41kW，其电流输出速度高达90.89%基于这种耦合机构所设计的CPT移动供电系统具有较好的传输能力,且具有较好的稳定性。例如电机负载，需要看电机的额定电流，变频器输出电流，若电机的额定电流为35A，变频器15KW，就可以满足使用要求的，但最好是放大一档，选用18.5KW的变频器，这样可以保证变频器经久耐用。

4.2 逆变电路拓扑设计

在ICPT系统中，电源分为电流型拓扑、电压型拓扑对其网络结构也不相同。以自激振荡型为例，它的应用功率小，传输系统完善，可以实现信号控制，但实现应用中依然存在着各种各样的问题。

图1：电压频率(U/f)调节控制器

4.2.1 全桥型逆变电路（图2）

全桥型逆变电路可以应用于功率大的场合，其可以连接电流型谐振网络拓扑，但是在逆变电路时，需要串联一个准电流源，但是全桥型逆变电路设置的开关众多，无法驱动和控制，需要设置隔离驱动。

4.2.2 半桥型逆变电路（图2）

半桥型逆变电路是全桥型逆变电路的变体，经过全桥型逆变电路改编而来，从而减少了开关管的设置，但是离不开隔离驱动的使用，增加了分变压器的空间。

由此看出，全桥型逆变电路，不论是供电功率，还是电路复杂度都非常适合家电的无线供电模块。

对LLC拓扑进行了改进，可以改善其变换效果，提高其变换效率，基于于LLC拓扑自身的结构局限，电压增加，随之电流的效率也会增加，彼此之间相互影响。本文为了避免出现这种现象，可以选择改变拓扑结构的办法，主要以变换拓扑主要结构为主，根据电路结构不同，选择不同的变换器，这样才能应对复杂的环境。

4.3 谐振网络拓扑的设计

谐振网络拓扑的设计可以实现信息量的大力传输，减少伏安容量输入，可以对电感线圈给予补偿。根据补偿的环节拾取，可分为SS、PS、SP和PP四种最基本的拓扑结构。谐振网络拓扑主要应用于PS和PP两种。但是其工作系统注入电流大于电流型拓扑，而且对电流定额有着高标准的要求。

拓扑结构的变换器，主要利用软开关方式，变换直流谐振。该结构是调整双变压器，因其有适应性强，具有不同的工作系统，它可以增加电压，也可以保证电流的工作效率。而且降压也不例外，电流也可以正常有效的工作，通过谐振网络拓扑的设计，也有力的证明了这一点，必须设计合理的参数，提高功效数值为92.8%。文献[2]拓扑结构的变换器选择了双变压器模式，该结构可以辅助电路输出，控制变压器，电路设计时应采用串联形式，将变压器和侧电路密切连接，这种设计结果表明变换器受到电压影响，必须缩小电压范围，才能保证电路的正常输出。

图2：集成式耦合器结构

4.4 开关管控制方式设计

高频电力开关器件的诞生，影响着电子装置集成化发展，逐渐向小型化、轻量化的方向进行。传统的硬开关，在开关过程中谐波较大，产生开关噪声，损耗开关。早已经不能满足当下人们的需求。目前已经研究出软开关模式，充分利用了谐振基本原理，当电流为零时，开关就会关闭，减少开关损耗，提高系统安全有效的运行。所以选择软开关控制方式才能更好地满足人们的生活需求。

5 结束语

综上所述，目前家用电器都采用了感应耦合电能传输技术，可以有效地解决负载功率容量变化，实现系统工作频率，提高系统的带负载能力和稳定性。本文对家用电器无线供电关键技术探讨话题进行一一论述，分析了家用电器无线供电模块的基本原理，家用电器无线供电模块的关键技术，家用电器无线供电模块的应用现状三个方面，对此提出了家用电器无线供电模块保护电路的设计方案，为家用电器的稳定、高效率运行提供了保障。