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小功率无线供电谐振变换器：原理、控制与应用探索

一、引言

1.1研究背景与意义

在科技飞速发展的当下，各类电子设备如智能手机、智能手表、无线耳机等小型便携式设备的普及，对供电方式提出了更高的要求。传统的有线供电方式存在诸多局限性，如线缆缠绕带来的不便、接口磨损导致的接触不良以及受线缆长度限制而缺乏移动性等问题，这些都极大地限制了电子设备的使用体验和应用场景拓展。例如，在智能家居系统中，众多传感器和小型智能设备分布在各个角落，若采用有线供电，布线工程复杂且影响家居美观，同时也难以满足设备灵活布局的需求。

无线供电技术应运而生，作为一种新型的电能传输方式，它能够在没有物理电线连接的情况下实现电能从电源到用电设备的传输，有效解决了传统供电方式的弊端，为用电设备提供了更高的灵活性、便利性和安全性。而小功率无线供电谐振变换器作为无线供电系统的核心部件，在实现高效、稳定的电能传输方面发挥着关键作用。它能够将输入的电能转换为适合无线传输的高频交流电，并通过电磁耦合谐振的方式将能量高效地传输到接收端，为负载供电。

对小功率无线供电谐振变换器及其控制的深入研究，不仅有助于提升无线供电系统的性能，还具有重要的现实意义。在实际应用中，通过优化谐振变换器的设计和控制策略，可以提高无线供电系统的传输效率，减少能量损耗，降低使用成本。这对于推广无线供电技术在各个领域的应用，促进电子设备的智能化、便捷化发展具有重要的推动作用，有望为未来的智能生活和工业生产带来更加高效、便捷的能源解决方案。

1.2国内外研究现状

在无线供电技术的发展历程中，国外对小功率无线供电谐振变换器及其控制的研究起步较早，在理论研究和实际应用方面都取得了丰硕的成果。早在2007年，美国麻省理工学院（MIT）的研究团队就成功实现了利用电磁耦合谐振原理，在2米距离内为60瓦的灯泡无线供电，这一突破性成果开启了磁耦合谐振式无线供电技术研究的新篇章。此后，国外众多科研机构和企业纷纷投入到该领域的研究中。

在谐振变换器拓扑结构研究方面，美国弗吉尼亚理工大学的研究人员提出了多种新型的谐振变换器拓扑，如改进型的LLC谐振变换器，通过优化电路参数和结构，使其在宽负载范围内都能保持较高的效率，有效提升了无线供电系统的性能。此外，德国的科研团队对串联-并联（S-P）、并联-串联（P-S）等不同拓扑结构的谐振变换器进行了深入研究，分析了它们在不同应用场景下的特性和优势，为实际应用中的拓扑选择提供了理论依据。

在控制策略研究方面，国外也取得了显著进展。日本的学者提出了基于自适应控制的方法，能够根据负载变化和传输距离的改变，实时调整谐振变换器的工作频率和占空比，从而保证无线供电系统始终处于高效稳定的工作状态。美国的企业则将智能控制算法应用于小功率无线供电谐振变换器中，如采用模糊逻辑控制和神经网络控制等技术，实现了对谐振变换器的精确控制，进一步提高了系统的可靠性和适应性。

相比之下，国内对小功率无线供电谐振变换器及其控制的研究虽然起步相对较晚，但发展迅速。近年来，国内众多高校和科研机构在该领域加大了研究投入，取得了一系列具有自主知识产权的研究成果。

在拓扑结构研究方面，清华大学的研究团队提出了一种新型的多谐振无线供电变换器拓扑结构，该结构通过引入多个谐振元件，拓展了变换器的工作频率范围，提高了系统的传输效率和稳定性。浙江大学的学者则对传统的串联-串联（S-S）谐振变换器进行了改进，通过优化磁芯结构和线圈设计，增强了电磁耦合强度，有效提升了系统的传输性能。

在控制策略研究方面，国内也取得了不少创新性成果。上海交通大学的研究人员提出了一种基于原副边联合控制的方法，通过协调原边和副边的控制策略，实现了对谐振变换器的协同控制，提高了系统的响应速度和稳定性。此外，国内的一些企业还将数字化控制技术应用于小功率无线供电谐振变换器中，通过采用数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）等芯片，实现了对变换器的精确控制和灵活编程，提升了产品的智能化水平。

尽管国内外在小功率无线供电谐振变换器及其控制方面取得了显著的研究成果，但目前仍存在一些不足之处。在传输效率方面，虽然现有研究已经在一定程度上提高了系统的传输效率，但在实际应用中，由于受到电磁干扰、传输距离变化等因素的影响，传输效率仍有待进一步提升。在控制策略方面，现有的控制方法虽然能够满足一些基本的应用需求，但在应对复杂多变的工作环境时，控制的灵活性和鲁棒性还需要进一步增强。此外，在谐振变换器的设计和优化方面，如何在保证性能的前提下，进一步降低成本、减小体积，也是当前研究需要解决的重要问题。

1.3研究目标与内容

本研究旨在深入探究小功率无线供电谐振变换器及其控制技术，通过理论分析、仿真研究和实验验证，全面提升小功率无线