在极宽的负载范围内有恒定效率的整流电路外文翻译资料

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在极宽的负载范围内有恒定效率的整流电路

Yong Huang, Student Member, IEEE, Naoki Shinohara, Member, IEEE, and Tomohiko Mitani, Member, IEEE

摘要 - 无线电力传输（WPT）正在积极开展研究开发。 WPT将电力转移到电力负载无电线。其中一个问题是效率是容易受负载电阻和输入功率的影响。因此，阻抗匹配电路对实现高效无线电力系统至关重要。在这项研究中，我们提出用于低功耗的最大功率点跟踪（MPPT）方法使用dc-dc转换器的毫瓦级RF-dc整流电路。我们提出了由RF-dc整流器组成的RF-dc-dc电路电路和dc-dc转换器。我们测量了RF到DC使用2.45 GHz的RF-dc-dc电路的转换效率微波功率。降压 - 升压转换器连接时到整流电路，整流器的RF到直流效率是大约稳定在75％，尽管负载电阻变化从100到5000。 RF-dc-dc电路的整体效率仍然超过60％，即使负载电阻从100变化到5000，输入功率从40mW变化到100mW。索引术语 - DC-DC转换器，低功耗直流天线，最大功率点跟踪（MPPT），RF-dc转换效率，RF-dc-dc电路，无线电力传输（WPT）。

一．引言

无线电力传输（WPT）是传输的电能来自电源到没有人造导体的电气负载。 WPT是在互连线不方便的情况下有用，危险或不可能。 WPT可以用来充电电池在设备中无需电线连接。对于只使用极低功耗的系统，我们可以摆脱的电池，并运行在收集的能量上环境射频和微波辐射[1] - [3]。最近，传输功率从微瓦级到千瓦级WPT技术正在实现各种应用，例如传感器，网络，手机，车辆，医疗设备，生物医学组织，甚至在飞机上[1] - [12]。WPT的常见形式是使用无线电波进行的[13]，[14]或微波[15] - [17]使用无线通信技术和系统设计或使用谐振耦合[18] - [20]或电感耦合技术[21]。的[22]总结了各种WPT的特点，WPT使用微波使能发射功率无线地比其他形式的距离更远。

但是，WPT的接收端的输出不是直接的由于变化，适合于电路的电源在功率和电压上的负载电阻和功率通常需要管理电路。这个电源管理单位应该能够将其输入调整到接收方的WPT及其输出到负载。因此，为了获得必要的直流电压和高转换效率，adc-dc转换器通常用于阻抗匹配WPT系统[23] - [25]。表一给出了比较在WPT系统中使用的dc-dc转换器的示例和a没有直流 - 直流转换器的天线[26]。参考文献[23]连续导通模式（CCM）中的dc-dc转换器磁共振耦合系统中的阻抗匹配。输入侧和负载之间的阻抗关系三种类型的dc-dc转换器，如降压转换器，升压转换器和降压 - 升压转换器。同样，在磁共振耦合系统中，[24]使用微控制器在升压降压转换器中获得常数输入阻抗转换器。因此，[24]的制度可以在更宽的负载范围内保持恒定的效率[23]之一。参考文献[25]提出了基于微控制器的升压转换器，具有在线功率级效率优化和最大功率点跟踪（MPPT）在亚毫瓦射频功率传输级别。它也实现了高效应用收集来自附近蜂窝的射频功率输入功率范围为10至1 mW。参考[26]总结了不同事件权力的直觉水平和频率不同。 [26]获得功率密度为57％的峰值效率在2.45 GHz时为25-200 W / cm。在这里，因为直达天使整流器之间不使用阻抗匹配电路和负载电阻，效率严重依赖入射功率和负载电阻。

转换效率与之间的一般关系直流天线的输入功率明确地表示在图27中。在低功率区域的效率很小，因为二极管的电压摆幅小于或等于二极管的正向压降。 效率提高力量随着强势的增长而上升和下降高次谐波。效率急剧下降二极管的电压摆幅超过击穿电压的二极管。其实转换之间的关系效率和负载电阻也可以提出[26，2]，其可以由[26，13和16]。

在开发直流天线作为车辆的电源传感器网络，我们需要实现高RF-dc转换效率，并提供稳定的直流电源，即使负载改变了 像这个问题一样，通常有许多技术用于光伏和风力发电系统中的MPPT[27] - [29]。

表1

使用DC-DC转换器的整流器比较

本文提出了一种使用降压-升压的新MPPT方法整流电路中的转换器。 转换器由a控制没有微控制器的脉冲振荡电路可以保持恒定输入阻抗与输入功率无关负载电阻。我们测量了转换器的输入阻抗均采用直流电源和整流电路，其中输入阻抗始终保持在较宽的输入范围内功率也在很宽的负载电阻范围从100到5000。设置降压-升压转换器的输入阻抗等于整流电路的最佳负载。因此，我们成功追踪了转换效率的最大化整流电路，超过60％的宽范围负载电阻100到5000。这是本文最具吸引力的新奇。据我们所知，负载电阻的范围其效率保持在60％以上是最广泛的为此功率级别。

本文的组织结构如下。第二节详细介绍关于RF-dc的转换效率特性整流电路。 降压-升压转换器具有稳定的输入阻抗在第三部分讨论。实验结果对于RF-dc-dc电路，见第四节。最后，结论见第五节。

二．RF-DC整流器电路的转换效率特性

整流天线对于转换无线RF非常重要电力直流电源。天线通常包含一个接收器天线，低通滤波器，整流元件，直流滤波器，和负载电阻[30]，[31]。接收天线收集微波入射功率低通滤波器匹配天线阻抗与整流电路的阻抗和拒绝通过天线辐射的高阶谐波。放置在传输线路旁边的二极管是通常用作整流元件。直流通滤波器短路RF能量并传递直流电源。 dc的两种拓扑结构通过滤波器，例如线路加上电容器和线路加上四个开放桩，在[32]和[33]。后者获得了更高的实验效率比前者。在[34]中，C类和F类模式微波电力整流器也被引入和实验图。（a）F类负载整流电路的结构。（b）F级照片负载整流电路。验证。理想的是整流电路的转换效率是100％。然而，使用实际二极管和电容器的整流器由于系列不能产生100％的效率实际二极管的电阻和实际的自谐振电容器。

在本文中，我们还使用了一行加四个开放存根作为图3所示的直流滤波器。直流滤波器的阻抗表示所有均匀的谐波，并为所有人开放奇次谐波。它正好与F类模式相反[34]。谐波终端的集合与F类相同放大器，因此该整流器被称为F类整流器。实际上，直流滤波器的阻抗由a组成线路和电容器分流，也呈现F类特性，在[33]中进行了分析。设计的降压 - 升压转换器反转输入电压和输出的极性电压，如第三节所述。因此，不像其他整流器，我们颠倒了二极管的极性，以获得来自整流器的负电压。有一点讨论并就二极管拓扑结构进行单相合作二维二极管封装和两个反并联二极管[26]。它是对于高功率级别，具有良好匹配的二极管，二极管整流器可以提高效率。因此，我们选择两台HSMS286F作为整流二极管。纠正二极管HSMS286F是两个HSMS2860二极管的封装在平行下。表II显示了使用的一些组件在整流电路中。

表2

整流器电路的组件

图2.（a）整流电路的实验效率与负载电阻。

（b）整流电路的实验效率与输入功率的关系。

我们首先模拟ADS2011整流电路安捷伦公司。我们优化了整流整流电路获得最高效率不仅仅是考虑阻抗与二极管匹配，也减少了耗散二极管的功率在模拟中。然后我们进行了测试它具有2.45 GHz的微波功率。实验结果的整流电路如图1所示。图2（a）显示负载电阻的RF-dc转换效率范围从50至1000，输入功率为82 mW，代表a整流电路的典型特性。我们可以看到在最佳负载为160时，最大效率为79％。在特别是，最佳负载之间的效率差异160和1000是约53％，这清楚地表明整流器的效率取决于负载电阻。图2（b）示出了输入功率变化的效率从20到170 mWat的负载为150。效率改变了与输入功率即使最大差异这种输入功率范围的效率只有10％。

三．BUCK-BOOST转换器

DC-DC转换器通常由电感器，开关元件，二极管和电容器。这些组件当我们想要改变直流电力时总是使用它们有效地从一个电压电平到另一个电压电平几个应用，如电信设备，计算机，办公设备和航天器电力系统。dc-dc转换器的基本组件可以重新排列以形成降压转换器，升压转换器或降压-升压转换器。降压转换器具有线性控制特性，输出电压小于或等于输入电压电压。升压转换器能够产生输出电压的幅度大于输入的电压电压。降压-升压转换器可以增加或减少电压的大小，但极性反转。所以，用负输入电压，降压-升压转换器可以产生任何幅度的正输出电压。这个是为什么我们在第二节设计了负输出电压整流电路。

大多数直流转换器使用MOSFET器件作为开关器件因为其非常低的导通电阻和零栅极电流。当MOSFET的门关闭时，实际上，没有电流，当MOSFET导通时，几乎没有漏极和源极上没有电压降。因此，理想的MOSFET不耗电，而理想的dc-dc转换器展现100％的效率。实际上，使用实际的MOSFET，二极管和电容器，直流 - 直流转换器的效率通常获得80％-95％[35]。

通常，转换器用于管理输出电压脉冲宽度调制（PWM）控制[36]或脉冲频率调制（PFM）控制[37]或PWM / PFM可切换控制，其使用PFM用于低负载阻抗并自动切换到PWM控制，实现大负载阻抗[38]。然而，在本文中，我们使用了一个降压 - 升压转换器不连续导通模式（DCM）获得稳定的输入阻抗，但不是稳定的输出电压。三个常见的转换器，升压，降压，降压 - 升压转换器的拓扑在DCM中已经讨论了RF能量采集的应用[39]。DCM中的降压 - 升压转换器具有优势的输入阻抗与输入电压或负载无关抵抗性。 然而，在非常低的功率水平，例如RF能量收割时，升压转换器的效率高于降压 - 升压转换器。因此，升压转换器在关键导通模式（CRM）也用于低功率水平[25]。

本文设计了一个100 mW级整流器的输出电压将为2-4V。因此，我们选择了降压-升压转换器，如图1所示。 图3（b）表示电流输入电流I_in，电感I_L和二极管I_d的波形该转换器指示电流是不连续的。此外，V_gate是门的脉冲控制电压MOSFET。 在这里，D_h和T_h是高频振荡器的占空比和周期。 类似的，D_t和T_t是占空比和低频振荡器的周期。在这个转换器中，如果我们设置I_inaverage为平均输入电流，那么我们可以获得如下的输入功率P_in：

P_in=V_in*I_inaverage (1)

其中：

其中I_inpeak是输出电流的峰值，

图3（a）降压 - 升压转换器示意图

（b）波形降压 - 升压转换器

从而，公式(1)可以写为下

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