感应电能传输（IPT）系统正在彻底改变消费电子、电动汽车和生物医学植入设备的充电方式。然而，一个根本性的弱点始终存在：输出功率对发射端（TX）和接收端（RX）线圈之间的耦合系数（$k$）高度敏感。对准或距离的变化会导致弱耦合（$k < 0.1$），从而引起显著的功率波动，损害系统的可靠性和效率。
本文直面这一关键问题。它提出了一种由单开关E/EF类逆变器驱动的IPT系统，该逆变器以其成本效益和高效率而闻名。作者的关键创新不在于实现负载无关性——这是一个已知概念——而在于将其可行性扩展到具有挑战性的弱耦合领域。他们通过有意失谐次级侧谐振并采用扩展阻抗模型来实现这一点，将一个潜在的系统故障点转变为可控的稳定性参数。
本研究的核心在于修改用于IPT的标准E/EF类逆变器拓扑，以克服其在低k条件下的固有局限性。
该系统包括直流输入电压（$V_{dc}$）、以频率$f_s$和占空比$D$工作的单开关（$S$）以及一个谐振网络。与传统设计的一个关键区别在于，直接使用TX线圈的自感（$L_{tx}$）与电容$C_0$谐振，并附加一个电抗$X$。初级谐振电感为$L_1$，与$C_1$在由因子$q$定义的频率下谐振。
定义方程为： $$X = \omega_s L_{tx} - \frac{1}{\omega_s C_0}$$ $$q = \frac{1}{\omega_s \sqrt{L_1 C_1}}$$ 其中 $\omega_s = 2\pi f_s$。
传统的负载无关E/EF类设计要求从RX侧反射的负载阻抗保持在一个最小电阻阈值之上。在IPT系统中，该反射阻抗（$Z_{ref}$）与$k^2$成正比。因此，随着$k$减小（弱耦合），$Z_{ref}$可能低于这个临界最小值，导致逆变器无法维持零电压开关（ZVS）条件。这会导致开关损耗、电压应力，并最终导致输出功率不稳定或崩溃——这正是自由定位充电或植入式设备等应用中遇到的问题。
本文的核心贡献在于范式转变：放弃次级侧的完美谐振。相反，他们提出了一个失谐的RX电路。这种有意的失谐改变了逆变器所看到的$Z_{ref}$的性质。通过使次级电路偏离纯谐振，$Z_{ref}$获得了一个无功（具体来说是容性）分量。
通过使用一个考虑了这种失谐的扩展阻抗模型，作者证明了容性$Z_{ref}$可以有效地补偿由弱$k$引起的低电阻分量。这使得呈现给逆变器的总阻抗即使在其$k$非常低时也能保持在其稳定工作区域内。分析进一步揭示了为什么感性反射阻抗不太有利，为设计选择提供了理论基础。
稳定性分析的关键在于对E类开关所看到的阻抗进行建模。负载网络阻抗$Z_{net}$必须满足众所周知的E类最优工作条件： $$\text{Re}(Z_{net}) = R_{opt}$$ $$\text{Im}(Z_{net}) = 0 \quad \text{在开关频率处}$$ 在耦合系统中，$Z_{net}$包括来自反射阻抗$Z_{ref} = (\omega M)^2 / Z_2$的贡献，其中$M = k\sqrt{L_{tx}L_{rx}}$是互感，$Z_2$是次级侧阻抗。
在完美谐振下，$Z_2$是纯电阻性的（$R_L$），使得$Z_{ref}$是纯电阻性的且与$k^2$成正比。失谐设计向$Z_2$引入了一个无功分量$jX_2$（$Z_2 = R_L + jX_2$）。因此， $$Z_{ref} = \frac{(\omega M)^2}{R_L + jX_2} = \frac{(\omega M)^2 R_L}{R_L^2 + X_2^2} - j\frac{(\omega M)^2 X_2}{R_L^2 + X_2^2}$$ 通过仔细选择$X_2$（容性），从初级侧的角度看，$Z_{ref}$的虚部变为正（感性）。这个感性分量可以用来抵消初级网络中其他地方的过量容抗，有助于维持逆变器稳定工作所需的$Z_{net}$，尽管$k$很小（因此$Z_{ref}$的实部也很小）。
所提出的概念通过一个400 kHz的实验原型机进行了验证。关键的性能指标是在一系列耦合系数下的输出功率稳定性。
0.04 至 0.07
代表非常弱的耦合条件
< 15%
在整个范围内保持显著稳定
91%
表明保持了高效率
图表描述： 实验结果通常以归一化输出功率（或功率波动百分比）与耦合系数（k）的关系图呈现。所提出的“失谐设计”曲线将显示一条近乎平坦的水平线，在k=0.04到k=0.07之间变化极小（在±7.5%以内）。相比之下，标记为“传统谐振设计”的曲线将显示一个陡峭的下降斜率，表明功率随着k的减小而急剧下降。这种视觉对比有力地强调了失谐方法在使输出功率与耦合变化解耦方面的有效性。
结果最终证明，失谐设计成功地将输出功率稳定性与k值解耦，解决了引言中概述的主要挑战。
评估可变耦合下IPT稳定性的框架：
案例示例（非代码）： 考虑一个为小型物联网传感器充电的系统，其中线圈对准高度可变（$k$从0.05变化到0.15）。标准的串联-串联谐振设计显示出300%的功率变化。应用上述框架，次级串联电容被有意选择为比完美谐振值大15%。这种失谐改变了$Z_{ref}$，使得E类初级级能够维持其工作点。新设计在相同的k范围内显示出小于20%的功率变化，使系统具有实际可用性。
核心见解： 本文并非发明一种新的逆变器；而是关于在频域中一种精妙的折衷。作者认识到，对于像E类这样对负载敏感的初级级来说，次级侧“完美谐振”这一圣杯实际上是弱耦合下稳定性的敌人。通过策略性地引入受控量的失谐，他们以理想耦合下微小且通常可忽略的效率损失为代价，换取了在广泛、现实的耦合范围内操作鲁棒性的巨大提升。这是工程实用主义的典范。
逻辑流程： 论证优雅且结构良好：1）识别故障模式（低k -> 低$Z_{ref}$ -> 逆变器不稳定）。2）诊断根本原因（纯电阻性$Z_{ref}$的约束）。3）提出解决方案（通过失谐使$Z_{ref}$变为复数，提供一个额外的“调节旋钮”）。4）提供设计工具（扩展阻抗模型）。5）实验验证。它反映了在开创性工作中看到的问题解决方法，例如苏黎世联邦理工学院关于基于GaN的逆变器的原始论文，这些论文也侧重于重塑阻抗以实现稳定性。
优势与不足：
优势： 该解决方案概念上简单优雅，无需额外的有源元件或复杂的控制算法，这保持了低成本和低复杂性——这是E类的一个关键优势。对于所呈现的k范围，实验验证是令人信服的。
不足： 本文的范围较窄。它主要解决输出功率的稳定性。失谐对其他关键指标（如整个k范围内的整体系统效率）的影响未深入探讨；91%的峰值效率很有希望，但平均值可能不同。此外，该方法可能转移问题：维持ZVS可能以增加元件上的电压或电流应力为代价，这一点未得到彻底分析。与高端系统中使用的自适应频率或阻抗匹配网络（如《IEEE电力电子汇刊》评论中讨论的那些）相比，这是一种被动的、固定的解决方案，动态范围有限。
可操作的见解： 对于工程师来说，结论很明确：停止盲目追求IPT系统所有阶段的完美谐振。 当使用非线性或负载敏感的逆变器（如E类、F类或Φ类）时，将次级谐振视为一个设计参数，而非固定约束。在初始仿真阶段使用扩展阻抗模型来扫描k和失谐值。这项工作对于成本、尺寸和简单性至关重要且耦合固有可变性的消费电子和生物医学植入设备尤其有价值。对于耦合稳定且效率是最高指标的高功率、固定几何形状的电动汽车充电来说，相关性较低。
失谐E/EF类IPT方法为几种高级应用打开了大门：
未来研究方向：