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），頻率可調范圍寬（100HZ-400KHZ），死驅時間可調等優(yōu)點，內置軟啟動電路，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，通過調節(jié)R1改變頻率，調節(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管的導通關斷。

圖2 SG3525信號發(fā)生電路

2.2 IR2110全橋驅動電路

同半橋驅動電路相比，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，故選用全橋驅動電路。此外，驅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過驅動芯片IR2110連接全橋，通過調節(jié)PWM信號的頻率和占空比，同時匹配諧振電容來驅動電源的電流，進而實現(xiàn)功率放大。為了使傳輸效率更高，將15V直流電壓經過升壓模塊，將電壓升至25V供給MOS管的源極，IR2110全橋驅動電路如圖3所示。

圖3 IR2110全橋驅動電路

2.3 諧振電路

在某一頻率下，通過調節(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 調試

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

步驟二：用示波器查看IR2110驅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應用。

圖7 實物圖

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