基于頻率功率可調的WPT 系統小功率電源研究設計

孫文慧 黃學良 陳 琛 譚林林

（1.東南大學電氣工程學院 南京 210096 2.江蘇省智能電網技術與裝備重點實驗室 鎮江市 212000）

1 引言

2007年MIT 成功隔空點亮一盞60W 的燈泡，取得了無線電能傳輸（WPT）技術的突破，提出了基于磁耦合諧振式無線電能傳輸理論。該理論利用磁場作為傳輸介質，通過磁場共振建立發射與接收裝置之間的高效的能量通道，具有傳輸效率高、距離遠、傳輸功率大、對介質的依賴性小等特點[1]。隨著電力電子技術的不斷深入發展，磁耦合諧振式WPT 技術已經從最初的理論研究逐漸轉向產品應用研究。

在磁耦合諧振無線電能傳輸過程中，發射端與接收端是通過高頻交流電產生的磁場能量交互耦合實現能量的傳輸，系統電源的工作頻率一般為幾kHz 到幾MHz，而傳統的小功率電源頻率一般從工頻到幾kHz，無法滿足WPT 系統高頻電源的設計要求[2-4]，且大多WPT 系統功率電源頻率不可調、輸出電壓及功率不可調，無法滿足不同負載需求。本文設計了一套基于UCC3895 及IR2110 控制芯片的小功率逆變電源，對UCC3895 及IR2110 的工作原理和系統電源的設計進行了詳細闡述，通過硬件設計調試及實驗分析實現對移動設備的無線充電及系統頻率、輸出功率可控。

2 無線電能傳輸系統模型

磁耦合諧振式無線電能傳輸系統主要由系統電源、諧振器、整流穩壓裝置及負載四部分組成，其中系統電源是實現無線電能傳輸的關鍵部分，它決定著WPT 系統的系統頻率及傳輸功率。本文設計的無線電能傳輸系統模型如圖1 所示。該系統采用不控整流穩壓裝置，接收線圈與發射線圈的補償電容皆采用SS 拓撲結構[5]。

圖1 無線電能傳輸系統模型Fig.1 Model of wireless power transmission system

在本文設計的系統模型中，負載并不是直接串聯在接收線圈上，而是經過負載線圈的方式引出，為了提高系統的品質因數和傳輸效率，接收線圈和負載線圈采用隔離強耦合的方式進行能量場的交互[6-7]。由于負載線圈一般匝數較少且無外接補償電容，與發射線圈距離較遠，因此發射線圈激勵出的磁場多在諧振狀態下的發射和接收線圈中進行耦合交換，與處于非諧振狀態的負載線圈耦合較少，負載線圈接收的能量主要通過與接收線圈的耦合得到，因此該WPT 系統模型的等效電路[8]如圖2 所示。

圖2 無線電能傳輸系統等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of wireless power transmission system

系統驅動電源為us，電源的工作頻率為ω，發射和接收線圈的等效電感、電容分別為Lt、Ct、Lr、Cr，其中Lt=Lr，Ct=Cr，Rt、Rr分別為發射線圈與接收線圈的內阻，M為發射線圈與接收線圈間的互感，Zeq為系統負載等效阻抗。根據等效電路可列出KVL方程1：

在將WPT 系統應用到家用電器過程中，負載一般為非純阻性，此時，系統諧振頻率會隨非阻性負載改變而改變，因此，在實際應用中，應通過調整系統電源頻率使系統達到諧振狀態。由負載側電壓公式可知，在系統到達諧振時（系統頻率一定），可通過改變 us的大小實現輸出電壓及輸出功率可調，以滿足家用電器不同電壓等級的需求。因此，設計實現頻率功率可調、滿足不同負載需求的系統電源是實現WPT 技術市場化推廣的關鍵。本文基于上述需求，設計了一套頻率功率可調的WPT 系統小功率電源。

3 系統電源設計方案

本文設計了以UCC3895為核心的PWM 信號控制電路、以IR2110 驅動信號產生電路及以全橋逆變為主電路的系統電源，實現系統電源的調頻、調功、移相的功能。

3.1 UCC3895 工作原理

UCC3895 采用零電壓開關脈寬調制技術，通過移動一個半橋對另一個半橋驅動脈沖的相位，實現恒定頻率、高效率零電壓轉換脈沖寬度調，同時增強了控制邏輯能力、增加了自適應延時設定和關斷能力，通過調整外電阻的大小，可以實現軟啟動/軟關斷時間的調整，最高工作頻率可達1MHz，達到實現無線電能傳輸的要求。UCC3895 的各引腳功能如表1 所示：

表1 UCC3895 各引腳功能Tab.1 Pin function of UCC3895

引腳7CT、8RT 數值的大小決定UCC3895 內部振蕩器的工作頻率，公式如3，引腳9 DELAB 可調整輸出端A 和B 之間的死區時間，引腳10 DELCD可調整輸出端C 和D 之間的死區時間[9]，公式如4。

其中CT為引腳7 外接電容，單位為法拉，RT為引腳8 外接電阻，單位為歐姆，RT 的阻值一般在40～120KΩ，RDEL為引腳9 或引腳10 的外接電阻，大小可調，VDEL為外接電阻RDEL電壓大小。

在電路設計過程中應注意，引腳4 到地之間需接入0.1uF 的旁路電容，可以使基準電源更加穩定。引腳15 到地之間必須外接1uF 以上的旁路電容。引腳16為PGND為輸出級接地端應與引腳5 接在一起。

UCC3895 引腳分布圖如圖3 所示，外圍電路分布圖如圖4 所示。

圖3 UCC3895 引腳分布圖Fig.3 Pin distribution of UCC3895

圖4 UCC3895 外圍電路分布圖Fig.4 Circuit distribution of UCC3895

3.2 逆變電路參數設計

本文設計的逆變電源應適用于磁耦合諧振無線電能傳輸領域，頻率范圍應在幾百KHz 到1MHz，同時可通過PWM 波形的占空比調節實現輸出功率的可調。本文取振蕩器定時電容CT=470pF，為實現功率可調，取振蕩器定時電阻RT為0～200KΩ可變電阻，設頻率為200KHz，則電阻RT為100KΩ，周期為5us。死區時間的設定取決于VDEL及RDEL的選取，VDEL的設置與引腳ADS 和引腳CS 有關,如公式5。ADS 引腳直接與CS 引腳相連時，輸出死區時間為0，當ADS 引腳接地時，輸出死區時間最大。CS 引腳上的電壓為2.0V 時的延遲時間是CS電壓為0V 時的4 倍。

本文設最大延時時間為1us，在實驗設計時，通過使用可調電阻實現VCS與VADS電壓差大小可調，RDEL也使用可調電阻，范圍為0～200KΩ，這樣死區時間可以在一個范圍內調節，調試時死區時間應該調到最大，即電阻接入電路的阻值達到最大值即可。

驅動波形的移相是通過引腳EAP 電壓大小來實現，實驗設計時通過使用可調電阻的分壓實現引腳EAP 電壓大小的調節，取R5為500KΩ 可調電阻，R6=100KΩ。

3.3 IR2110 工作原理及設計

IR2110 采用HVIC 和閂鎖抗干擾CMOS 制造工藝，具有獨立的低端和高端輸入通道，其驅動原理采用高壓側懸浮自舉驅動原理，該原理可以大大減少驅動電源數目。IR2110 的各引腳功能如表2 所示。

表2 IR2110 各引腳功能Tab.2 Pin function of IR2110

高壓側懸浮自舉驅動原理原理

圖5為半橋驅動電源原理圖，其中VD1為自舉二極管，C1為自舉電容，C2為VCC 的濾波電容，當HIN為高電平時VM1 開通，VM2 關斷，VC1 加到S1 的門極和發射極之間，C1 通過VM1、Rg1 和S1 門極柵極電容Cgc1放電，Cgc1被充電。此時C1可等效為一個電壓源。當HIN為低電平時，VM2開通，VM1 斷開，S1 柵電荷經Rg1、VM2 迅速釋放，S1 關斷。經短暫的死區時間（td）之后，LIN為高電平，S2 開通，VCC 經VD1，S2 給C1 充電，迅速為C1 補充能量。如此循環反復。

圖5 半橋驅動電路圖Fig.5 Circuit of half bridge driver

自舉電容的選擇

在功率管開通時，需要在極短的時間內向門極提供足夠的柵電荷。假定在器件開通后，自舉電容兩端電壓比器件充分導通所需要的電壓（10V，高壓側鎖定電壓為8.7/8.3 V）要高，再假定在自舉電容充電路徑上有1.5V 的壓降，最后假定有1/2 的柵電壓因泄漏電流引起電壓降，因此自舉電容為：

根據 MOSFET 型號為IRPF460 可知，Qg為190nC，本實驗中VCC為20V，因此C1為0.044 7uF，因此本文取C1為0.1uF、耐壓大于35V 的鉭電容。其中IR2110 原理圖設計如圖6。

圖6 IR2110 驅動原理圖Fig.6 Drive principle of IR2110

3.4 逆變電源主電路設計

本文的主電路設計主要采用全橋逆變電路，UCC3895 產生4 路PWM 信號，經過IR2110 驅動芯片產生4 路驅動信號對MOSFET 芯片進行驅動，其原理圖如下圖7。

在MOSFET 的柵極與源極之間加入了雙向15V穩壓管和泄放電路保證器件驅動芯片的有效工作，MOSFET 型號選取為IRFP460。

圖7 主電路設計原理圖Fig.7 Design principle of the main circuit

4 實驗平臺搭建及實驗結果

通過硬件制板及焊接、線圈繞制、不控整流設計，完成了如圖8 所示移動電視無線供電演示系統，圖9為小功率逆變電源硬件實物圖。在調試過程中，直流側電壓為30V，頻率設定為204K，UCC3895 AD輸出端波形、MOSFET 門級驅動波形、逆變后輸出電壓電流波形及次級線圈輸出波形如圖10 所示。

圖8 移動電視無線供電演示系統Fig.8 Wireless power supply demo system of Mobile TV

圖9 小功率逆變電源硬件實物圖Fig.9 Hardware entity of the small power inverter power supply

圖10 系統各端輸出波形圖Fig.10 The output waveform of different side

直流側電壓為30V 時通過系統電源逆變后輸出的電壓電流波形可以看出，電壓基波波形成較好的正弦波形，電壓電流同相位，但電壓波形具有較多諧波，基波頻率與電源頻率同為204KHz，基波有效值為26V，通過實驗可證明該系統能成功實現移動電視的無線充電如圖3.1，系統輸出功率為26W。通過UCC3895 的移相功能控制系統輸出功率，輸出波形移相40%，UCC3895AD 輸出端波形、MOSFET門級驅動波形、逆變后輸出電壓電流波形及次級線圈輸出波形變化如圖11 所示。通過移相后，發現輸出功率降低為20W。

圖11 移相后系統各端輸出波形圖Fig.11 The output waveform of different side after dephasing

5 結論

本文設計了一套適用于磁耦合諧振無線電能傳輸系統的逆變電源，該電源可實現系統頻率及輸出功率可調。系統穩定運行時，系統效率可達85%以上，隨著電壓升高，系統損耗加大，效率會下降到80%左右。在實驗過程中發現，采用全橋逆變電路結構的系統電源在WPT 系統工作在諧振狀態下時，逆變電源的輸出電流過大，會導致系統工作不穩定且開關管等器件發熱嚴重，因此，該類型電源在實際應用到家用電器時需通過調節逆變電源頻率，使輸出頻率稍微偏離系統自諧振頻率，使系統可以安全穩定運行。

[1]Soljacic M,Kurs A,Karalis A,et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Sci Express.2007 317(5834)：83-86.

[2]DL Mascarenas,EB Flynn,MD Todd et al.Experimental studies of using wireless energy transmission for powering embedded sensor nodes[J].Journal of Sound and Vibration.329 (2010) 2421-2433.

[3]Juan Luis Villa,Jesús Sallán,Andrés Llombart,et al.Design of a high frequency Inductively coupled power transfer system for electric vehicle battery charge[J].Applied Energy.86 (2009) 355–363.

[4]嚴琦龍,陳庭勛.基于DPA425 的小功率無線電源設計[J].實驗室研究與探索.2010.7,29 (7)：27-30.Yan Qilong,Chen Tingxun.Design of low-power wireless power supply based on DPA425[J].Research An Exploration in Laboratory.2010.7,29 (7)：27-30

[5]黃學良,吉青晶,譚林林.磁耦合諧振式無 線電能傳輸系統串并式模型研究[J].電工技術學報.2013.3,28(3)：171-176.Huang Xueliang.Ji Qingjing.Tan Linlin.Study on series-parallel model of wireless power transfer via magnetic resonance coupling[J].Transactions of China Electrotechnical Society.2013.3,8(3)：171-176.

[6]黃輝,黃學良,譚林林等.基于磁場諧振耦合的無線電力傳輸發射及接收裝置的研究[J].電工電能新技術.2011,30(1)：32-35.Huang Hui,Huang Xueliang,Tan Linlin etc.Research on transmitter and receiver of wireless power transmission based on magnetic resonance coupling[J].Adwanced Technology of Electrical Engineering and Energy.2011,30(1)：32-35.

[7]譚林林、黃學良、趙俊鋒.一種無線電能傳輸系統的盤式諧振器優化設計研究[J].電工技術學報.2013.8,28(8)：1-6.Tan Linlin,Huang Xueliang.Zhao junfeng.Optimization design for disc resonators of a wireless power transmission system[J].Transactions of China Electrotechnical Society.2013.8,28(8)：1-6.

[8]周亞龍,趙家明,黃學良.基于無線電能傳輸的小功率整流穩壓系統設計[R].東南大學校慶報告會,2012年.Zhou Yalong,Zhao Jiaming,Huang Xueliang.Design of small power rectifier and voltage stabilizer system based on wireless power transmission[R].College of Electrical Engineering.2012.

[9]李昌林.電動汽車車載充電系統的設計與實現[D].武漢理工大學,2008年.Li Changlin.The design and implementation of electric vehicle charging system[D].Huazhong University of Sciences and Technology,2008.