大功率無線充電系統模擬量電流采樣保護電路的一種實現方法

崔志博 朱學軍

摘 要：在分析無線充電系統過流檢測系統的基礎上，闡述了模擬量電流采樣保護電路的工作原理，給出了其設計過程，并重點對采樣放大和比較值保護電路的設計進行分析，實驗測試證明該設計的有效性。設計方案具有精度高、抗干擾和性能可靠等優點，可廣泛應用于大功率設備過流采樣和保護電路工程設計實踐中。

關鍵詞：大功率;無線充電;電流采樣;過流保護

中圖分類號：TM930.1文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2019）16-0133-04

Abstract： Based on the analysis of over-current detection system of wireless charging system， the working principle of analog current sampling protection circuit was described， and its design process was given. The design of sampling amplification and comparison protection circuit was analyzed emphatically. The experimental test proved the validity of the design. The design scheme has the advantages of high precision， anti-interference and reliable performance. It can be widely used in the design practice of over-current sampling and protection circuit for high-power equipment.

Keywords： high power;wireless charging system ;current sampling;overcurrent protection

隨著電力電子器件、技術和控制系統的日益成熟，大功率的電動汽車無線充電系統開發已經成為研究的熱點。模擬量電流采樣保護電路對無線充電系統的顯示、控制和保護起著至關重要的作用，是無線充電控制系統設計的重要環節。模擬量采樣電路的性能，直接影響無線充電系統采樣數據和控制系統的精確性以及整個系統安全保護的可靠性[1]。

1 無線充電系統過流檢測系統概述

無線充電系統主電路包括發射主電路和接收主電路兩部分。其中，發射部分的主電路稱為原邊電路，接收部分的主電路稱為副邊電路。無線充電系統主電路與模擬量電流采樣電路框圖如圖1所示。原邊電路三相交流電通過開關送給三相橋式整流，經支撐電容濾波穩壓后變成直流，再經高頻逆變驅動發射線圈，將電能轉化為磁場能。副邊電路由接收線圈將磁場能轉化為電能，經高頻

整流濾波變成直流后，再經Buck電路降壓后傳給電池，完成無線電能傳輸[2]。

為保證主電路的控制精度和安全性，控制電路需要高精度霍爾傳感器采集主電路電流。霍爾傳感器的主要作用是將大電流（上百A以上）轉化為小電流（mA級），并供給模擬量電流采樣保護調理電路進行采樣和保護信號處理。經處理后的采樣和保護信號傳給主控板ECU，以用于顯示、控制和保護。

2 模擬量采樣保護電路設計

圖2所示為模擬量電流采樣保護調理電路工作原理框圖。其主要由霍爾電流傳感器、模擬量采樣保護調理電路、模數轉換芯片AD和ECU等組成。其中，模擬量采樣保護調理電路由采樣放大調理電路和過流保護調理電路兩部分組成。霍爾電流傳感器將大電流轉換為小電流后首先通過采樣電阻轉換成電壓信號，再經過濾波和運算放大器處理變換成需要的電壓信號。經過采樣濾波放大后的電壓信號一路通過模數轉換芯片AD轉換成數字信號，送給ECU進行顯示、運算和控制;另一路則經過整流、比較和反相等處理后再送到ECU用于故障保護[3]。下面以30kW大功率無線充電系統為例，三相380V交流電，進線側額定電流45.6A。

2.1 采集放大調理電路

由于無線充電系統進線側額定電流為45.6A，按1.5倍電氣安全保護硬件閾值考慮時安全電流為68.4A。選擇LEM公司的LAH 100-P型的電流型霍爾傳感器，該傳感器精度等級為±0.25%，原邊額定電流100A，副邊額定電流50mA，轉換系數1∶2 000，采樣電阻RM 取值為0～11Ω，在di/dt為100A/μs時達到額定電流90%所需要的響應時間一般小于500ns。因此，這款傳感器具有精度高、響應時間短、線性度好等優點，滿足設計要求。為增加采樣電路的抗干擾能力，需要在采樣放大調理電路基礎上增加一階RC低通濾波電路，具體電路形式如圖3所示。

由于采樣電壓[Ui]取決于采樣電阻[RM]，放大系數取決于運算電阻[R1]和[R2]，兩者均與一階RC低通濾波器無關，因此，在計算采樣電阻[RM]和放大器運算電阻阻值[R1]和[R2]時，可省略RC低通濾波器，得到簡化后的采樣放大電路如圖4所示。

根據運算放大器虛短和虛斷的特性，得到放大后的輸出電壓[Uo]的計算公式為：

（1）

當霍爾傳感器原邊達到額定電流時，副邊額定峰值電流[IPMAX=2IPN=0.052]A，此時放大后的采樣電壓[Uo=UMAX=5V]，代入式（1）后可得：

（2）

由于采樣電阻[RM]的取值范圍為0～11Ω，設計過程中取[RM=4.7Ω]，[R1=1kΩ]，[R2=15kΩ]，可滿足設計要求。額定情況在采樣電阻為4.7Ω時，采樣電阻消耗功率僅為0.011 75W，單個電阻消耗功率較小，選擇1個功率為1W阻值為4.7Ω的金屬膜片電阻即可。電流經采樣濾波放大調理后變換一定電壓，再經AD傳給ECU，用于無線充電系統的顯示控制等。

2.2 采集放大調理電路

為增加無線充電系統的安全性，需要設計專門的過流保護調理電路，以保障功率器件不受損壞。圖5將采樣放大調理電路后的正弦電壓，經過運放組成全波整流電路變成正弦上半波，然后再經過比較器電路變成0～5V的高低電平信號。如果ECU管腳電壓為3.3V，則還需要經0～5V階躍電平信號經過相應的反相器轉變成3.3～0V的階躍電平信號。

全波整流電路的運算放大器需要2路運放進行處理，加上采樣放大調理電路需要1路運放，可見，至少需要集成3路運放才能滿足設計要求，而具有14-pin的OPA4277集成4路運算放大器可滿足設計要求。全波整流和反相器電路的設計較為常見，采用經典電路即可，這里不再贅述。比較器所在電路設計與主電路保護閾值、比較器特性有一定關系，需要選取合適的阻值構成過流比較值電路，屬于設計難點。下面以圖6比較值典型電路為例重點進行闡述。

如圖6所示，[Ux]為正弦上半波經電阻R1和R2分壓后的電壓信號;[Vr]為比較器參考電壓;[Uox]為比較器輸出電壓（0～5V階躍信號）。由芯片資料可知，比較器輸出電壓發生階躍的臨界點為[Ux=Vr]。比較器輸出電壓[Uox]發生階躍存在兩種情況：一種是[Uox]發生0～5V階躍，另一種則相反。設計時，需要從上述兩種情況出發，當[Uox]發生0～5V階躍時，即比較器發生階躍前初始電平為低，此時若[Ux>Vr]，則輸出電壓[Uox]就會由0V變為5V發生階躍;當[Uox]發生5～0V階躍時，即比較器發生階躍前初始電平為高，此時若[Ux≤Vr]，則輸出電壓[Uox]就會由5V變為0V發生階躍。

當[Uox]發生0～5V階躍時，假設此時輸入電壓為[Uih]，得到跳變前比較器簡化分析電路如圖7所示。

由運放特性和KCL定律可知：

（3）

對公式（3）進行處理后可得：

（4）

當[Uox]發生5～0V階躍時，假設此時輸入電壓為[Uil]，得到跳變前比較器簡化分析電路如圖8所示。

由運放特性和KCL定律可知：

（5）

對公式（5）進行處理后可得：

（6）

為保證過流保護的精確性，需要選用精密基準電源提供參考電壓[Vr]。ADR127因精度高、功耗低、封裝小等優點被廣泛采用，可為此次設計提供穩定的1.25V電壓。當發生階躍時，[Ux=Vr=1.25V]，將其帶入公式（4）和（6）得到簡化公式（7）和（8）。

（7）

（8）

由2.1節可知，進線側電流保護閾值為68.4A，計算得到保護動作電壓值[Uih]=68.4/100×5=3.42V。發生保護后，保護動作恢復所對應的進線側電流應為額定電流45.6A，計算可得恢復電壓值為[Uil]=45.6/100×5=2.28V。經優化分析，選取[R1=4.7k]、[R2=3.16k]、[R3=20k]、[R4=1.24k]貼片電阻可滿足設計要求。將選取后的電阻重新代入公式（7）和（8），計算可得到實際過流保護動作和恢復電壓分別為3.40V和2.28V，保護動作電流和恢復電流分別為68.0和45.6A，另外過流保護動作電壓3.40V大于后級反相器門限電壓2V，滿足設計要求。

2.3 模擬量采樣保護調理電路測試

為了驗證設計電路的有效性，可通過實驗對所設計電路進行測試。如圖9所示，利用交流穩壓電源模擬霍爾電流傳感器產生34mA（對應保護閾值68A）正弦電流施加在控制回路中，用4通道的示波器分別測量采樣放大后的輸出電壓MIU（CH1通道）、經全波整流分壓電阻分壓后輸出電壓[Ux]（CH3通道）、比較值電路輸出電壓（CH2通道）和反相器輸出電壓（CH4通道），得到的實驗波形如圖10所示。實驗波形與圖5過流保護電路調理電路設計分析吻合，有效證明了設計電路的準確性。

3 結論

本文給出了大功率模擬量采集保護電路的設計思路和實現方法，并重點對采樣放大電路和比較值保護電路設計過程和阻值選取進行了分析，最后通過實際測試證明了理論設計的有效性。設計方案具有精度高、抗干擾能力強和性能可靠等優點，可作為大功率無線充電系統模擬量過流采樣保護電路設計的典型方案。

參考文獻：

[1]丁小波.繼電保護中多路模擬量采集系統的設計[J].電子科技，2015（4）：142-145.

[2]趙爭鳴，劉方，陳凱楠.電動汽車無線充電技術研究綜述[J].電工技術學報，2016（20）：30-40.

[3]崔志博.中壓大功率風電變流器控制系統研究[D].北京：北京交通大學，2016.