无线电源成为电源和电磁设计的新领域

日期:2012-08-28

  
        作者:David G. Morrison,编辑,How2Power.com

  希望能够让电池充电更方便,许多移动设备制造商正在转向无线电源技术。

  移动设备制造商在寻求消除消费者需要的多个电源适配器,同时改善在咖啡馆和机场等公共场所的充电站的使用。无线充电联盟(WPC)5-W Qi标准的活动和100多家公司的会员证明了对高水平手持式消费类产品无线充电解决方案的兴趣。但努力开发无线电力传输远远超出了这些应用,包括设备类型范围、功率水平、充电和非充电用途,以及不同距离传输电力的技术。

  虽然无线电力传输的概念可以追溯到Tesla,但大部分技术及其应用都是新的。此外,许多目前正在开发无线电源产品的公司建议,这是未来几年可能会产生电力电子工程师(PE)新的就业机会的一个领域。(了解这一领域的更多近期招聘职位和资源可访问在线版。)

  寻找这一领域工作的PE工程师,可以鼓励学习的电源拓扑结构、设计技术和部署在无线电源应用的元件,在大多数情况下,类似的PE工程师一直致力于其他应用领域。不过,无线电源产品也有一些独特的设计挑战,最显著的是发射和接收线圈的设计。这方面的技术带来了一个电磁建模与仿真的基本要求。

  取决于一个公司技术发展所处的不同阶段,以及设计团队的组织,电磁仿真的要求可能会影响到在此新兴无线电源领域工作的PE工程师的技能类型。在此专栏中,两个专有技术开发商——Wireless Power & Communication和WiTricity Corp. ——分享了他们的应用遇到的设计挑战的真知灼见和他们与他们的客户创建无线电源解决方案的工程技能的类型。

  在一些工业应用中无线功能至关重要

  挪威Kristiansand的Wireless Power & Communication AS使用其专有无线电源技术,解决工业应用中有线解决方案难以胜任的电源问题。例如,他们的无线电源设计用于危险的环境中,如石油钻井平台,在插拔电源连接器时产生的火花可能点燃爆炸性气体。

  Wireless Power & Communication的设计也可用于海底应用的遥控车(ROV),无线电力可使数千米深处的ROV工具变动。没有无线电力传输,ROV就需要返回到地面车辆来断开/连接电源插头,这将增加运输时间(和成本)。在这些和其他应用中,有必要避免裸露的金属,而传统的多针连接器定位有一定困难。

  这家公司的技术为设备引入了耦合电源,无论是充电电池或直接供电设备。电源传输距离通常仅限于产品的封装厚度,通常在5至10毫米范围内。但发射能力可以扩展至更大的距离,如10厘米。虽然跨度几毫米的电感耦合听起来与无线充电的Qi标准方法类似,但功率水平有很大的不同。Wireless Power & Communication的设计通常定位在500至2000W范围的应用。

  据Wireless Power & Communications销售及开发工程师Audun Andersen称,最具挑战性的设计可限制噪声的产生和发出,以符合如CE认证要求的EMI标准。“如果你在网络上搜索,你会发现许多无线电源的演示,但你不会找到很多产品出售。人们面临的挑战之一是限制EMI法规的规定,”Andersen说。

  他补充说,许多无线电源设计“产生太大的噪声,无论是辐射或传导到电源线。你要传输的电力越高,降低噪声的挑战就越大。所以,如果你看一下,实际上销售的产品最有可能为5W。”

  Andersen表示,限制噪声是主要的设计技术问题,而不是材料的选择。“这主要涉及设计技术和如何控制。所以它是线圈之间的电力,看你如何控制。”

  对于在这些类型无线电力应用工作的PE工程师,也有发挥技能的余地。

  “要成功地做这些设计,你需要对设计有一个透彻的理解,因为你有一个电压调节系统,需要控制位置和负载的变化,你还必须有从一次侧到二次侧调控信号的允许噪声水平。因此,要设计这种调节系统,你必须有软件和硬件知识,尤其是仿真设计。Andersen说,“为设计线圈,你需要有一些你可以使用的电感器和不同材料的知识。”他补充说:“在磁性元件方面,最大的挑战是,你现在是以不同于传统的方式使用电源线圈和铁氧体材料。因此,我们必须开始有点不同的思考。”

  仿真是一个磁性元件设计的重要元素。“我们做仿真设计的线圈,说:”Andersen指出:“你不会找到许多工具来优化这些问题或线圈。但也有方法来使用传统的磁仿真工具获得好的结果。

  总体来看,PE工程师所需的基本功,他认为包括各种各样的技能“尤其是如果你想开发一个具有高效率传输的符合成本效益的产品。”不过,尽管无线电源具有独特之处,但在其他应用获取经验的PE工程师可以移植到这一领域。“通常情况下,经验丰富的电源设计师将能够了解了这里使用的很多概念,”Andersen说。

  “其实很多这些设计,或多或少是以传统方式设计的电源系统。你必须适应这提供给你的输入功率。在某些情况下,你可能有一个低直流电压,在其他情况下,你有一个高交流电压。而通常在二次侧,接收电压比你实际提供给应用的要高。所以,你需要适当的电压下变频。也许,在某些情况下,你还想改变接收的直流到交流电压。”Andersen说,“因此,有很多电源设计问题。”

  此外,PE工程师都不能独立工作。“通常这不是一个独角戏,通常要结合软硬件经验,”Andersen说。“因此,除了电源典型软件,还需要嵌入式编程技巧和仿真硬件设计的工程师,”后者可以实现通信和滤波器。

  虽然感应电能传输是许多无线电力设计的基础,但WiTricity开发的另一种被称为高度共振电力转移的方法有望在更长距离实现更强大的性能。阅读有关WiTricity无线电源设计挑战,了解“高度共振技术扩展无线电源的可用性”可访问这篇文章的在线版。

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