中北大學(xué)朔州校區(qū) 張曼靖

北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院 孟 青

中北大學(xué)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(shè)計(jì)

中北大學(xué)朔州校區(qū) 張曼靖

北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院 孟 青

中北大學(xué)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(hào)發(fā)生電路、IR2110全橋驅(qū)動(dòng)電路，諧振電路，整流濾波電路實(shí)現(xiàn)無線電能的傳輸，并使傳輸效率達(dá)到70%。

磁耦合諧振式；全橋驅(qū)動(dòng)；高效率

0 引言

長期以來，電能的傳輸方式一直停留在導(dǎo)電輸電的狀態(tài)，隨著電器設(shè)備的增多，輸電線路磨損老化越來越嚴(yán)重，影響電力系統(tǒng)的安全可靠性，同時(shí)也會(huì)縮短電器設(shè)備的使用壽命。此外由于導(dǎo)線長度的限制，電器的可移動(dòng)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(yīng)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(yīng)式適用于小功率，近距離傳輸；微波式適用于大功率、遠(yuǎn)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(jìn)中等距離的線路狀況。

1 總體設(shè)計(jì)方案

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

圖1 總體方案設(shè)計(jì)流程圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)發(fā)生電路

信號(hào)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(shí)間可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)置軟啟動(dòng)電路，并具有PWM鎖存功能和雙路輸出功能。

信號(hào)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(shí)輸出兩路互補(bǔ)的PWM波來控制全橋電路兩個(gè)橋臂上MOS管的導(dǎo)通關(guān)斷。

圖2 SG3525信號(hào)發(fā)生電路

2.2 IR2110全橋驅(qū)動(dòng)電路

同半橋驅(qū)動(dòng)電路相比，在相同負(fù)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(dòng)電路。此外，驅(qū)動(dòng)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(dòng)電流大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在中小功率的變換裝置中。

將SG3525輸出的雙通道信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)芯片IR2110連接全橋，通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的頻率和占空比，同時(shí)匹配諧振電容來驅(qū)動(dòng)電源的電流，進(jìn)而實(shí)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(dòng)電路如圖3所示。

圖3 IR2110全橋驅(qū)動(dòng)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(dá)到諧振，此時(shí)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(dāng)串聯(lián)阻抗之和為零時(shí)，使得整個(gè)電路呈現(xiàn)純阻性狀態(tài)，從而使發(fā)射端的效率達(dá)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(dāng)電路達(dá)到諧振時(shí)，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(dá)到最大，如圖5所示。

2.4 線圈選擇

考慮到趨膚效應(yīng)會(huì)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(fù)載都是在直流電下進(jìn)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(fù)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(dòng)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(dòng)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(fù)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(shí)測量負(fù)載兩端的電壓，當(dāng)電壓達(dá)到最大值時(shí)，表明此時(shí)電路在此頻率下恰好達(dá)到諧振，傳輸效率最大。

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

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)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(fù)載端的輸出電壓為11V，輸出電流為0.76A，傳輸效率達(dá)到70%，實(shí)物圖，如圖7所示。同時(shí)，該方案具有電路簡單，無電磁污染，輻射小，工作距離遠(yuǎn)，無嚴(yán)格方向性，有良好的穿透性等優(yōu)點(diǎn)，便于投入實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用。

圖7 實(shí)物圖

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