1. 课程导入
谐振式无线充电并不是“把电隔空送过去”这么简单。它本质上是一个由高频逆变、谐振耦合、副边整流、闭环控制与通信协同共同构成的能量与信息双通道系统。控制工程的任务，是让这套系统在耦合系数变化、负载波动、温升漂移和异物侵入等条件下，仍然保持高效率、稳定输出与安全边界。本课程围绕这一目标展开，帮助学习者建立从器件到系统、从开环到闭环、从仿真到实测的完整工程能力。
一、学习目标：从“能亮”到“可控、可测、可优化”
完成本课程后，学习者应能独立完成以下工作：
- 建模能力：建立松耦合变压器的互感模型，理解自感、互感、耦合系数
k与品质因数Q对传输特性的影响。 - 控制能力：设计频率跟踪、移相调功、占空比调节与副边同步整流策略，实现恒压/恒流输出。
- 测量能力：使用示波器、功率分析仪与阻抗分析仪，正确测量谐振频率、相位差、输入输出功率与效率。
- 排障能力：定位失谐、ZVS丢失、整流管过热、通信丢包与异物检测误报等典型问题。
- 工程权衡：在效率、功率密度、成本、EMI与安全之间做出可解释的设计取舍。
二、核心概念：能量通道与控制通道
系统可拆成两条并行的通道。能量通道从直流母线出发，经全桥/半桥逆变器变为高频方波，通过原边补偿网络激励发射线圈，磁场耦合到接收线圈后，由副边补偿网络与整流器还原为直流。控制通道则采集原边电流、母线电压、副边输出电压/电流，经控制器生成驱动信号与通信指令，形成闭环。
其中几个参数必须牢记：谐振频率 f0 = 1/(2π√(LC))；耦合系数 k = M/√(L1L2)；品质因数 Q = ω0L/R。当工作频率偏离谐振点，原边电流相位改变，ZVS条件被破坏，效率迅速下降。因此频率跟踪是控制工程的第一道防线。
三、整体框架：四层能力模型
课程按“器件—电路—控制—系统”四层递进。第一层理解磁性元件与补偿拓扑；第二层掌握逆变、整流与谐振网络设计；第三层实现频率跟踪、恒压恒流与效率优化；第四层完成通信、异物检测、热管理与整机联调。每一层都配有仿真与实测任务，避免只停留在公式推导。
| 层级 | 核心对象 | 关键参数 | 典型工具 |
|---|---|---|---|
| 器件层 | 线圈、磁芯、电容、MOSFET | L、M、k、Q、Rds(on) | 阻抗分析仪、LCR表 |
| 电路层 | 全桥逆变、LCC/S补偿、同步整流 | f0、占空比、死区时间 | LTspice、PLECS |
| 控制层 | 频率跟踪、移相调功、PID | 相位裕度、带宽、响应时间 | MATLAB/Simulink、DSP |
| 系统层 | 通信、FOD、热管理、整机 | 效率、温升、误报率 | 功率分析仪、热像仪 |
四、典型应用场景与工程案例
谐振式无线充电已覆盖多个功率等级。小功率如手机、耳机、可穿戴设备，工作频率多在100 kHz以上，强调轻薄与异物检测；中功率如AGV、电动工具、医疗植入设备，关注抗偏移与恒流充电；大功率如电动汽车、轨道交通，追求高效率与宽耦合范围。不同场景对控制策略的要求差异显著。
以电动汽车无线充电为例，原边采用LCC补偿，副边采用串联补偿，工作频率85 kHz。当车辆停放位置偏移导致 k 从0.25降到0.15时，若仍固定频率工作，原边电流会急剧上升，逆变器可能过流。工程做法是：先通过原副边通信获取副边功率需求，再由控制器调整移相角与频率，使原边电流维持在安全范围，同时保证副边输出电压稳定。
# 典型调试参数记录（示例）
f0 = 85.0 kHz
k_range = 0.15 ~ 0.25
Vout_target = 400 V
Iout_max = 20 A
dead_time = 200 ns
phase_shift = 30° ~ 150°
control_period = 100 us
k 下的输入电流与输出电压，再逐步加入闭环。这样能直观看到失谐带来的影响，而不是一上来就被复杂算法淹没。
五、常见误区与复盘
- 误区一：只关注效率，忽略ZVS。 效率高不代表开关管安全，ZVS丢失会导致尖峰电压与EMI恶化。
- 误区二：把谐振频率当成固定值。 温度、磁芯饱和与线圈形变都会让
f0漂移，必须在线跟踪。 - 误区三：忽视通信延迟。 原副边协同控制中，通信周期直接影响闭环带宽，延迟过大可能引发振荡。
- 误区四：异物检测只靠单一阈值。 金属异物与接收线圈的温升特征不同，应结合Q值变化、温升速率与功率损耗综合判断。