磁耦合諧振式無線電能傳輸方案的設計

中北大學朔州校區(qū) 張曼靖

北京理工大學機電學院 孟 青

中北大學朔州校區(qū) 李繼偉 劉萬榮 康文豪 任海泉

磁耦合諧振式無線電能傳輸方案的設計

中北大學朔州校區(qū) 張曼靖

北京理工大學機電學院 孟 青

中北大學朔州校區(qū) 李繼偉 劉萬榮 康文豪 任海泉

本文介紹的磁耦合諧振式無線電能傳輸方案，在15V單電源供電，接收端與發(fā)射端線圈相距10cm的情況下，采用SG3525信號發(fā)生電路、IR2110全橋驅(qū)動電路，諧振電路，整流濾波電路實現(xiàn)無線電能的傳輸，并使傳輸效率達到70%。

磁耦合諧振式；全橋驅(qū)動；高效率

0 引言

長期以來，電能的傳輸方式一直停留在導電輸電的狀態(tài)，隨著電器設備的增多，輸電線路磨損老化越來越嚴重，影響電力系統(tǒng)的安全可靠性，同時也會縮短電器設備的使用壽命。此外由于導線長度的限制，電器的可移動性大大降低。到目前為止，現(xiàn)有的無接觸電能傳輸技術(shù)主要分為電磁耦合式無線電能傳輸，電磁感應式無線電能傳輸，微波式無線電能傳輸三種。其中電磁耦合式適用于中等功率，中等距離傳輸；電磁感應式適用于小功率，近距離傳輸；微波式適用于大功率、遠距離傳輸。本文介紹采用磁耦合諧振式無線電能傳輸?shù)姆桨竵砀倪M中等距離的線路狀況。

1 總體設計方案

本方案主要由SG3525信號發(fā)生電路、IR2110全橋驅(qū)動電路，諧振電路，整流濾波電路及負載組成，如圖1所示。

圖1 總體方案設計流程圖

2 硬件設計

2.1 信號發(fā)生電路

信號發(fā)生電路采用SG3525芯片，該芯片具有工作電壓范圍寬（8-25V），頻率可調(diào)范圍寬（100HZ-400KHZ），死驅(qū)時間可調(diào)等優(yōu)點，內(nèi)置軟啟動電路，并具有PWM鎖存功能和雙路輸出功能。

信號發(fā)生電路原理圖如圖2所示。SG3525芯片外接15V直流電源，通過調(diào)節(jié)R1改變頻率，調(diào)節(jié)R2改變占空比，同時輸出兩路互補的PWM波來控制全橋電路兩個橋臂上MOS管的導通關(guān)斷。

圖2 SG3525信號發(fā)生電路

2.2 IR2110全橋驅(qū)動電路

同半橋驅(qū)動電路相比，在相同負載的情況下，全橋輸出電壓和輸出電流的幅值為半橋的兩倍，為了增大傳輸功率，故選用全橋驅(qū)動電路。此外，驅(qū)動電路采用的芯片是IR2110，它兼有光耦隔離和電磁隔離，工作頻率高，驅(qū)動電流大等優(yōu)點，被廣泛應用在中小功率的變換裝置中。

將SG3525輸出的雙通道信號經(jīng)過驅(qū)動芯片IR2110連接全橋，通過調(diào)節(jié)PWM信號的頻率和占空比，同時匹配諧振電容來驅(qū)動電源的電流，進而實現(xiàn)功率放大。為了使傳輸效率更高，將15V直流電壓經(jīng)過升壓模塊，將電壓升至25V供給MOS管的源極，IR2110全橋驅(qū)動電路如圖3所示。

圖3 IR2110全橋驅(qū)動電路

2.3 諧振電路

在某一頻率下，通過調(diào)節(jié)諧振電容使其與發(fā)射端（接收端）線圈電感匹配，并使兩線圈在10cm處恰好達到諧振，此時電路的傳輸效率最高。

2.3.1 發(fā)射端串聯(lián)諧振

發(fā)射端采用串聯(lián)諧振電路，當串聯(lián)阻抗之和為零時，使得整個電路呈現(xiàn)純阻性狀態(tài)，從而使發(fā)射端的效率達到最高，如圖4所示。

圖4 串聯(lián)諧振

圖5 并聯(lián)諧振

2.3.2 接收端并聯(lián)諧振

接收端采用并聯(lián)諧振電路，當電路達到諧振時，它的阻抗最大，它的路端電壓和電流處在同一相位，使接收端兩端的電壓達到最大，如圖5所示。

2.4 線圈選擇

考慮到趨膚效應會使電能損耗增大，接收端與發(fā)射端線圈均采用多股銅芯線來代替單股漆包線，增大電流流通的截面積，減少損耗。

2.5 整流濾波電路

大多負載都是在直流電下進行工作的，因此先將接收端線圈接收到的交流電通過全橋整流濾波電路轉(zhuǎn)換為直流電，然后供給負載使用，如圖6所示。

圖6 整流濾波電路

3 調(diào)試

步驟一：用示波器查看SG3525產(chǎn)生的兩路PWM波的波形、幅值是否正確；轉(zhuǎn)動電位器，查看頻率在40kHz-200kHz是否可調(diào)。

步驟二：用示波器查看IR2110驅(qū)動是否可以正確輸出兩路PWM波，且兩路波的幅值相差10V。

步驟三：將發(fā)射端和接收端線圈相隔10cm，通入15V直流電，用萬用表測負載兩端是否有電壓。

步驟四：保持占空比不變，先選定40kHz頻率,調(diào)節(jié)串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振電路的電容，使其與電感線圈匹配，同時測量負載兩端的電壓，當電壓達到最大值時，表明此時電路在此頻率下恰好達到諧振，傳輸效率最大。

步驟五：之后頻率依次增加20kHz，重復上述過程，記錄每次負載電壓最大值的數(shù)據(jù)，直到出現(xiàn)峰值電壓為止。此時，該方案的傳輸效率達到最大。

4 結(jié)束語

本文設計的磁耦合諧振式無線電能傳輸方案，在兩線圈相距10cm，輸入電壓15V，輸入電流0.8A的情況下，負載端的輸出電壓為11V，輸出電流為0.76A，傳輸效率達到70%，實物圖，如圖7所示。同時，該方案具有電路簡單，無電磁污染，輻射小，工作距離遠，無嚴格方向性，有良好的穿透性等優(yōu)點，便于投入實際的生產(chǎn)應用。

圖7 實物圖

[1]范興明,莫小勇,張鑫.無線電能傳輸技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應用[J].中國電機工程學報,2015,(10):2584-2600.

[2]張鵬.電磁耦合共振式無線電能傳輸系統(tǒng)的仿真與實驗[D].東北電力大學,2015.

[3]楊西同.非輻射共振耦合無接觸電能傳輸系統(tǒng)研究與開發(fā)[D].浙江大學,2014.

[4]駱彥廷,楊擁民,陳仲生.磁耦合諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)建模與分析[J].中國集成電路,2013,(08):46-51.

[5]孫鴻祥,鄭丹,祝典.基于IR2110的驅(qū)動電路應用和設計技巧[J].科技創(chuàng)新導報,2008,(35):42.

[6]徐奕然.脈寬調(diào)制電路SG3525AN原理與應用[J].電視技術(shù),2003,(09):95-97.