基于STM32 的無線電能傳輸系統(tǒng)逆變電源設(shè)計(jì)

陸杰，康健煒

（西南科技大學(xué)制造過程與測(cè)試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽 621010）

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer,WPT）系統(tǒng)具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸效率高以及空間自由度高等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于中小型功率的產(chǎn)品[1-4]。其中，可控的高頻逆變電源在整個(gè)WPT 系統(tǒng)中最為關(guān)鍵。文獻(xiàn)[5-8]介紹了高頻逆變器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于，隨著工作頻率的提高會(huì)出現(xiàn)以下問題：1）開關(guān)損耗的增加；2）寄生參數(shù)對(duì)逆變電路性能有影響；3）開關(guān)管的控制要求會(huì)變高。

為了減少以上問題所帶來的困擾并結(jié)合使用場(chǎng)景，該文采用了以STM32 為控制核心和主電路為單相全橋逆變電路所構(gòu)成的WPT 電源系統(tǒng)，最終能夠輸出20 kHz 的正弦波。此外，基于該電源搭建了WPT 系統(tǒng)，驗(yàn)證了該方案的可行性。該方案具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具備在小型WPT 系統(tǒng)的潛在應(yīng)用價(jià)值。

1 高頻逆變電源的設(shè)計(jì)

1.1 高頻逆變電源的總體框架設(shè)計(jì)

WPT 電源系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其主要的硬件構(gòu)成主要包括作為主電路的單相全橋逆變電路[9]、控制電路[10]、隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路[11]、濾波電路、電源模塊。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

WPT 電源系統(tǒng)的主電路為串聯(lián)式諧振電路，全橋逆變電路選用電壓型逆變電路。系統(tǒng)整體以STM32F104 單片機(jī)為控制核心，通過軟件設(shè)計(jì)使STM32F104 單片機(jī)輸出PWM 波形。該P(yáng)WM 信號(hào)經(jīng)過光耦隔離電路和驅(qū)動(dòng)電路送入開關(guān)管。

光耦隔離電路實(shí)現(xiàn)PWM 控制信號(hào)與逆變電路電流實(shí)現(xiàn)電氣隔離[12]，芯片為TLP250。驅(qū)動(dòng)電路主芯片為IR2110，該電路提供滿足MOSFET 的驅(qū)動(dòng)條件的信號(hào)。

濾波電路采用巴特沃斯濾波器。由于全橋逆變電路輸出的電流電壓波形中包含高次諧波，所以為提升系統(tǒng)測(cè)量參數(shù)的準(zhǔn)確性，需增加低通濾波器。

電源模塊包括兩部分：主電路電源和輔助電源。主電路電源中，用可編程直流電源為主電路提供直流電壓[13]。輔助電源中使用AX5302 和LM1086 給控制側(cè)供電。其中，AX5302輔助電源為+15 V boot升壓電路，給TLP250 光耦隔離芯片和IR2110 驅(qū)動(dòng)供電。以及LM1086提供+3.3 V電壓給單片機(jī)STM32供電。

1.2 輔助電源設(shè)計(jì)

輔助電源主要是給高頻逆變電源上所使用的芯片提供工作電壓的，其中，文中的設(shè)計(jì)中光耦隔離芯片和MOSFET 驅(qū)動(dòng)芯片的工作電壓均為15 V。因?yàn)槭褂? V、2 A 的電源適配器從市電取電給輔助電源的供電，所以需要設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換電路。該電源轉(zhuǎn)化電路如圖2 所示。

圖2 5 V轉(zhuǎn)15 V輔助電源轉(zhuǎn)化電路

因此，根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)設(shè)計(jì)了整個(gè)輔助電源。圖2 電路使用了AX5302 升壓控制芯片，將5 V升壓到15 V，依據(jù)公式如下：

其中，R1、R2為AX5302 的反饋電阻，計(jì)算可得出R1、R2分別21 kΩ、1.5 kΩ。

1.3 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

該文高頻逆變電源中所使用的全橋逆變電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。使用IRFZ44N 作為單相電壓型全橋逆變橋的開關(guān)管，這是一種N 溝道增強(qiáng)型功率MOSFET，其柵極驅(qū)動(dòng)電壓為10～20 V。由于STM32單片機(jī)輸出PWM 信號(hào)幅值為3 V 左右，因此驅(qū)動(dòng)功率MOSFET 開關(guān)管需要使用IR2110 高速驅(qū)動(dòng)芯片。這有助于提高對(duì)于逆變橋的控制效率，同時(shí)減少外圍硬件電路的使用[14]。

圖3 全橋逆變電路原理圖

IR2110 是高壓、高速功率的MOSFET 和IGBT 驅(qū)動(dòng)芯片，具有獨(dú)立的高、低側(cè)參考輸出通道，因此可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一橋臂或者不同橋臂的兩個(gè)MOS管。邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)CMOS 或LSTTL 輸出兼容，最低可降至3.3 V 邏輯。浮動(dòng)通道可用于驅(qū)動(dòng)工作電壓范圍為500～600 V的N溝道功率MOSFET和IGBT。

依據(jù)N 型MOSFET 的導(dǎo)通條件可知，只有當(dāng)柵源電壓UGS等于開啟電壓UGSth時(shí)，MOSFET 才會(huì)導(dǎo)通。因此使用IR2110 驅(qū)動(dòng)MOSFET時(shí)，需要設(shè)計(jì)懸浮自舉電路。圖3 電路中C3、C8即為自舉電容，其計(jì)算公式為：

其中，C即為C3或C8，Qg為MOSFET 的柵極總電荷，f為工作頻率，ICbs(leak)為自舉電容漏電流，Iqbs(max)為最大VBS靜態(tài)電流，VCC為邏輯電路部分的電壓源，Vf為自舉二極管的正向壓降，VLS為低端MOSFET 或者負(fù)載上的壓降，VMin為VB與VS之間的最小電壓，Qls為每個(gè)周期的電平轉(zhuǎn)換所需的電荷。

通過查閱IRFZ44N 和IR2110的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以獲得Qg=60 nc，Iqbs(max)=230 μA，ICbs(leak)=1 μA，VCC=15 V，VLS=RDS(ON)×IQCC=20 mΩ×180 μA=3.6×10-6V，VMin=0 V，Qls=5 nc 。根據(jù)懸浮自舉電路的原理可知，自舉二極管具有阻斷直流干線上的高壓，并且減少電荷損失的功能，所以該方案選擇了型號(hào)為FR107 快速恢復(fù)二極管，則Vf=0.7 V。當(dāng)直流當(dāng)取工作頻率為f=100 kHz時(shí)，根據(jù)式（2）計(jì)算自舉電容C≥267.85 nF，同時(shí)根據(jù)實(shí)際電容的容值，這里取自舉電容C=330 nF。

1.4 光耦隔離電路設(shè)計(jì)

為保證STM32 單片機(jī)輸出的控制信號(hào)能夠不受干擾地傳輸?shù)組OSFET 驅(qū)動(dòng)芯片，因此該文還設(shè)計(jì)了光耦隔離電路。光耦隔離芯片的工作原理是通過輸入側(cè)的發(fā)光二極管與輸出側(cè)的光敏三極管之間的光耦合來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離傳輸，其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)控制電路與功率電路的完全電氣隔離，電路應(yīng)用比較簡(jiǎn)單、集成度較高。

由于高頻逆變電源的開關(guān)頻率要求比較高，所以光耦隔離芯片的選型主要根據(jù)其傳輸延時(shí)的時(shí)長(zhǎng)決定。該文選用了TLP250 光耦芯片，其開關(guān)時(shí)間最長(zhǎng)為0.5 μs，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。根據(jù)TLP250的數(shù)據(jù)手冊(cè)，其輸入電流最大為11 mA。同時(shí)STM32 串口輸出電壓一般為3.3 V，因此輸入電阻一般為330 Ω。

1.5 基于STM32的WPT系統(tǒng)電源的實(shí)現(xiàn)

在完成電源各個(gè)模塊的定型和設(shè)計(jì)之后，根據(jù)電路圖焊接全橋逆變電路板。由于各個(gè)模塊之間的電壓等級(jí)以及電流大小的不同，同時(shí)為了減少電磁干擾所以在焊接電路板時(shí)需要將逆變電路主電路板和驅(qū)動(dòng)控制電路板分開。要根據(jù)電流等級(jí)的不同，進(jìn)行布線規(guī)格大小的修改[15]。

對(duì)制作完成的PCB 板設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試，獲取所設(shè)計(jì)的高頻逆變電源的輸出特性，通過測(cè)量數(shù)據(jù)分析其能否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。高頻逆變電源的主要輸出特性為輸出功率和輸出效率，為此需要測(cè)量系統(tǒng)的輸入輸出電壓以及輸入輸出電流波形。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖4 所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由STM32 控制模塊、直流電源、逆變電源、示波器等組成。因此高頻逆變電源輸出電壓如圖5 所示，輸出為20 kHz 方波，但同時(shí)從圖中可知全橋逆變電路輸出電壓信號(hào)也出現(xiàn)了明顯的諧波。

圖4 全橋逆變電路輸出實(shí)驗(yàn)連線圖

圖5 全橋逆變電路輸出電壓波形

2 巴特沃斯濾波電路設(shè)計(jì)

從圖5 可以看到由于高頻逆變電源工作頻率較高，逆變橋輸出電壓中不可避免地包含有高頻諧波。因此需要設(shè)計(jì)低頻濾波電路減少諧波的影響。逆變電路的輸出濾波電路較多采用LC 低通濾波器，該文將采用歸一化巴特沃斯型設(shè)計(jì)定K 型低通濾波器[16]。

2.1 設(shè)計(jì)流程

1）歸一化低通濾波器：指的是以特征阻抗為1 Ω且截止頻率為≈0.159 Hz 的巴特沃斯低通濾波器的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，將其截止頻率和特征阻抗轉(zhuǎn)化為待設(shè)計(jì)濾波器的相對(duì)應(yīng)的數(shù)值。因?yàn)榘吞匚炙篂V波器階數(shù)越高，在阻頻帶振幅衰減速度越快，所以該文選用了五階濾波器。

2）截止頻率轉(zhuǎn)換：該文設(shè)計(jì)的濾波器截止頻率選為20 kHz，與基準(zhǔn)濾波器的截止頻率Hz 的比值為M，再使用基準(zhǔn)濾波器的元件值去除以M，即可得到設(shè)計(jì)所需的數(shù)值，計(jì)算公式如下：

3）特征阻抗的轉(zhuǎn)換：設(shè)待設(shè)計(jì)的濾波器特征阻抗為10 Ω，與基準(zhǔn)濾波器特征阻抗1 Ω的比值為K，則待設(shè)計(jì)濾波器與基準(zhǔn)濾波器的電感電容元器件值轉(zhuǎn)換公式如下：

根據(jù)上述公式可以得到，基于五階基準(zhǔn)濾波電路的電感電容元器件值LOLD1=0.618 03 H，LOLD2=2.0 H，LOLD3=0.618 03 H，COLD1=1.618 03 F，COLD2=1.618 03 F，轉(zhuǎn)換而來的待設(shè)計(jì)五階濾波電路對(duì)應(yīng)值如下式所示：

為容易獲取到相對(duì)合適的電感電容值，因此取相對(duì)常見到的電感電容值，所以LNEW1=LNEW3=56 μH，LNEW2=160 μH，CNEW1=CNEW2=1 μF。故最終五階濾波電路的設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 五階濾波電路設(shè)計(jì)

2.2 濾波器的設(shè)計(jì)及效果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)濾波器電路圖，基于圖4 的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在全橋逆變電路輸出端連接濾波電路。測(cè)試濾波器的輸出電壓信號(hào)，測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。對(duì)比圖5 和圖7 的電壓信號(hào)，可以明顯地看到經(jīng)過濾波電路后可以得到完整的20 kHz 正弦電壓信號(hào)，說明設(shè)計(jì)的濾波器參數(shù)符合實(shí)際需求。

圖7 濾波電路輸出電壓波形圖

3 WPT實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證

在完成實(shí)驗(yàn)電路搭建后，搭建一種WPT 系統(tǒng)。WPT 實(shí)驗(yàn)連線圖如圖8 所示，主要包括電源部分、WPT 系統(tǒng)線圈部分、負(fù)載部分和測(cè)量部分。電源部分包括直流電源、STM32、逆變橋和濾波電路。WPT系統(tǒng)線圈部分包括兩個(gè)直徑為20 cm 的利茲螺線管線圈、亞克力線圈骨架、匹配20 kHz 諧振的匹配電容。負(fù)載則是10 Ω 的無感電阻。測(cè)量部分包括示波器、電壓探頭和電流鉗。測(cè)量單元能夠檢測(cè)原邊、副邊線圈的電壓、電流及其相位。

圖8 WPT實(shí)驗(yàn)連線圖

對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行WPT 系統(tǒng)開環(huán)電路實(shí)驗(yàn)。根據(jù)示波器所示數(shù)值可計(jì)算得出系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)值如表1，表中U1和I1分別為原邊側(cè)輸出電壓和電流，同理U2和I2分別為副邊側(cè)輸入電壓和電流。

表1 無線電能傳輸系統(tǒng)開環(huán)電路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

該文以WPT 系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種20 kHz、小功率的高頻逆變電源。該電源能夠滿足小功率WPT 系統(tǒng)的應(yīng)用需求。通過使用兩塊IR2110 驅(qū)動(dòng)芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)全橋逆變電路的開關(guān)控制，同時(shí)它的外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單減少了設(shè)計(jì)成本。使用STM32 單片機(jī)作為主控，可以使得整個(gè)系統(tǒng)支持后續(xù)增加新的功能以及控制算法的升級(jí)提供了便利性，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。