FPGA的磁耦合諧振式無線能量傳輸系統設計

(遵義鋁業股份有限公司，遵義 563000)

引 言

目前，由于無線能量傳輸系統無需接觸式電氣連接、自動化程度高、無需人工操作等優點受到關注[1]，其已經被用于電動汽車[2]、工業機器人[3]、植入式醫療設備[4]、水下設備[5]等充電及供電操作。本文提出了一種以FPGA為控制芯片的串串結構無線能量傳輸系統實現方案,實現了原邊恒流輸出控制與系統諧振頻率跟蹤，提升了系統運行的穩定性。

1 無線能量傳輸系統基本原理

基本的無線能量傳輸系統主電路通常由以下幾部分構成：低頻整流及濾波電路、DC-DC電路、高頻逆變電路、諧振電路、高頻整流及濾波電路、負載。系統通過低頻整流電路從電網獲取能量并轉化為直流電源，通過DC-DC電路調節高頻逆變電路的輸出電流，高頻逆變電路將直流電源的能量轉化為高頻交流電流并通過磁耦合諧振電路將能量輸送至副邊電路。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 無線能量傳輸系統原理框圖

在進行理論分析時，系統電路可等效為如圖2所示的電路模型。

圖2 無線能量傳輸系統電路模型

系統電源等效為一個輸出電壓為方波的高頻交流電壓源，根據一次諧波等效原理，方波電源輸出的高頻方波電壓可以近似為高頻正弦交流電，計算方法為：

(1)

其中，Uin為高頻逆變電路的直流供電電壓，D=0～1為占空比，ω為輸出角頻率，根據基爾霍夫電壓電流定律有：

(2)

(3)

其中：

(4)

可以看出，影響原邊電流與系統諧振狀態的因素很多，如原邊虛部X1、副邊虛部X2、負載RL_eq、輸出頻率ω等，對于無線能量傳輸系統來說，原副邊設備沒有直接的電氣連接與信號連接，所以原邊恒流輸出是一種比較穩定的解決方案，同時維持系統的諧振狀態對于系統穩定性與能效特性也尤為重要。如果要實現原邊電流恒定，只需調節高頻逆變電路的直流供電電壓Uin即可，而維持系統的諧振狀態，通常的方法是通過調節輸出頻率來達到調節原邊輸出電壓與電流的相位的目的。

圖3 無線能量傳輸系統框圖

2 系統電路硬件設計

2.1 系統電路方案設計

由圖3可知，系統控制電路主要由FPGA控制器電路、高速A/D電路、IGBT驅動電路、霍爾電流傳感器電路構成。FPGA控制器為IGBT驅動電路提供PWM信號，對主電路進行控制，使原邊輸出電流穩定在期望值，調節系統運行頻率，保持系統諧振狀態；同時，不斷檢測系統各部分的運行狀態，一旦系統某部分發生故障，立即進行相應處理,對各部分電路進行保護并輸出系統故障信息。

系統通過霍爾電流傳感器不斷將原邊輸出電流輸送至高速A/D電路，并由FPGA進行采集，通過不斷調整DC-DC電路的PWM信號占空比來調節系統輸出電流。同時，通過高速A/D采集電路可以實時監測輸出電壓與電流的相位關系，通過不斷調整高頻逆變電路的輸出頻率來保持系統諧振狀態。

2.2 逆變模塊及大功率DCDC模塊設計

在WPT系統中，耦合機構通過高頻交變磁場實現能量傳輸，所以發射端線圈中需要高頻勵磁電流，系統主電路采用的是三級能量變換結構，使用工頻整流橋從電網獲取能量，利用大功率DC-DC變換器實現輸出電流調控，使用單相橋式逆變電路實現高頻電流輸出，控制器FPGA芯片提供PWM控制信號。系統開關器件采用英飛凌公司的100 A/1200 V IGBT，配合落木源公司生產的驅動芯片K962，構成大功率DC-DC及逆變主回路。220 V工頻交流電通過整流濾波后，變為310 V直流電，再經過DC-DC變換電路后送入高頻逆變模塊，可以得到所需要的單相高頻交流電源，用于耦合機構的諧振電流。

在FPGA控制器中，通過外部I/O端口提供5路PWM信號，其中一路供給DC-DC變換電路，其余4路提供給高頻逆變電路，受到開關器件使用頻率的限制，故DC-DC變換使用的開關頻率選為16 kHz，高頻逆變電路開關頻率選用18～22 kHz。主電路形式如圖3所示，FPGA通過I/O端口將PWM信號送入IGBT驅動芯片K962，驅動芯片輸出高電平為+14.5 V，低電平為-8.5 V的驅動電壓，保證IGBT可靠的開通與關斷。K1～K4構成高頻逆變電路，上下橋臂不允許同時導通，所以在提供4路驅動信號時，上下橋臂的控制信號需要留有適當的死區時間，防止上下橋臂同時導通燒毀開關器件。

2.3 控制器最小系統電路設計

選用的FPGA控制芯片型號為EP4CE6E22C8，其I/O端口供電為3.3 V，內部鎖相環電路模擬部分供電電壓為2.5 V，內核供電電壓為1.2 V，對于工業控制系統來說，廣泛使用的電平標準為24 V，可以使用隔離DC-DC模塊將24 V直流電源轉換為+5 V電平，再通過集成穩壓芯片LM1117-3.3，LM1117-2.5，LM1117-1.2分別獲得FPGA供電電源所需的三種電平，硬件電路如圖4所示。

圖4 控制器供電電源電路

FGPA內部沒有集成振蕩電路，需要外部提供時鐘源，目前比較常用的是50 MHz的有源晶振，如圖5所示，外部提供的時鐘源可通過FPGA內部的PLL 獲得所需的時鐘頻率。

圖5 外部時鐘震蕩電路

圖6 負壓產生電路

模數轉換電路需要外擴模數轉換芯片。在此系統中，選用ADI公司生產的12位高速模數轉換芯片AD9226。其在選擇內部2 V基準電壓的情況下，輸入電壓范圍為1～3 V，所以必須將傳感器回傳的電壓信號進行預處理，目前使用的電流霍爾傳感器回傳的信號通常為±5 V，所以前端預處理電路一般需要±5 V供電，電路中已有+5 V供電電源，所以僅需要將+5 V電源轉換為-5 V電源即可。LM2663為電荷泵型開關電容器電壓轉換器，僅需兩個電容器即可實現電壓反轉的功能。所使用的電路如圖6所示，為了降低輸出紋波，在輸出端增加了π型濾波電路。

高速模數轉換電路如圖7所示，電路被設計成直流耦合方式，使用AD9226內部2 V基準源并設計成單端模式，輸入電壓范圍為1～3 V(2Vp-p)。在本系統中，輸出電流采樣使用霍爾電流傳感器，其輸出電壓為±5 V，所以需要將霍爾傳感器輸出電壓調整至A/D芯片可接受的電壓范圍。電路通過U12A(OPA2690)跟隨A/D芯片內部2 V基準，送至U12B(OPA2690)的同相輸入端，構成加法電路，實現對輸入電壓的抬升。在信號輸入端，使用R34、R32進行分壓，將±5 V信號分壓至±0.5 V，經過U13B跟隨送入加法器電路，選取R41=R42=10 kΩ，在實現信號2 V抬升的同時實現信號兩倍放大，這樣就能實現外部±5 V信號全范圍轉換為1～3 V信號供A/D芯片采集。

3 控制器軟件設計

系統實現的核心功能有兩個部分：原邊恒流控制和諧振頻率跟蹤?？刂葡到y采用雙環運行方式，分別為電流環與頻率環，如圖8所示。

系統電流環作用于DC-DC變換模塊電路，通過調整PWM信號的占空比實現系統輸出電流的調節。頻率環作用于逆變電路，通過改變輸出頻率，達到系統諧振狀態跟蹤的作用。

系統輸出電流檢測主要由霍爾電流傳感器與高速A/D電路完成，霍爾電流傳感器選用萊姆公司生產的LA100P霍爾電流傳感器，電流變換比為1:1000，使用外部50 Ω精密采樣電阻情況下，對交流有效值100 A的輸出電流采樣可以獲得±5 V的同步交流信號輸出。通過高速A/D電路的實時采樣以及FPGA的并行數據處理能力，即可實時計算輸出電流的有效值，供后續PID控制器調控系統輸出電流。

圖7 高速模數轉換電路

圖8 系統控制方案框圖

當輸入信號為0 V時，A/D電路輸出值為2 048，也即數據的最高位表示輸入信號的正負，當數據的最高位為1時，表示輸出電流為正，當數據最高位為0時，表示輸出電流為負。所以可以利用A/D數據的最高位與高頻逆變電路其中一路驅動信號進行系統輸出電壓與電流相位檢測。將相位信息送入頻率環PID控制器后，調節信號輸出頻率實現系統諧振狀態跟蹤。

結 語