高效無(wú)線供電模塊設(shè)計(jì)研究

吳傳全

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無(wú)錫交通分院，江蘇 無(wú)錫 214151）

高效無(wú)線供電模塊設(shè)計(jì)研究

吳傳全

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院無(wú)錫交通分院，江蘇 無(wú)錫 214151）

提出一種高效的無(wú)線供電模塊設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)結(jié)合了現(xiàn)有的DSP技術(shù)、電磁感應(yīng)技術(shù)和開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，提高了開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率，并省去了電源線。由于傳輸距離受限，其應(yīng)用價(jià)值還比較有限，然而整個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)使其工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信號(hào)接收端微小化，基本符合實(shí)際應(yīng)用的可接受度。

高效無(wú)線供電；DSP技術(shù)；電磁感應(yīng)

1 無(wú)線供電的基本框架

整個(gè)模塊設(shè)計(jì)可以分為兩部分：電能發(fā)射端和電能接收端。其示意圖如圖1。

圖1 無(wú)線供電模塊電路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Circuit structure chart of wireless power supply module

經(jīng)過(guò)整流濾波電路將220V的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，然后通過(guò)高頻逆變電路的諧振變換，將直流電變?yōu)楦哳l交流電，再由發(fā)射線圈將該交流電流轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛潆姶挪ㄏ蛑車(chē)l(fā)射，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，接收線圈處于周?chē)兓拇艌?chǎng)中，因此，產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是通過(guò)前級(jí)交流電轉(zhuǎn)變而來(lái)的，所以，接收線圈得到的也是交流電，該交流電經(jīng)過(guò)整流變換電路得到直流電，實(shí)現(xiàn)了電能的無(wú)線傳播。

2 整流變換電路

在整個(gè)模塊結(jié)構(gòu)中，整流濾波電路和整流變換電路是兩個(gè)功能類似的電路，同時(shí)，也是此次設(shè)計(jì)要解決轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。由此提出了以下解決方案，如圖2所示。

圖2 整流變換電路設(shè)計(jì)Fig.2 Design of rectification converting circuit

為了提高AC/DC開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率，可以把DSP模塊作為控制的核心，直接利用輸入的交流電來(lái)進(jìn)行斬波，然后通過(guò)同步整流進(jìn)行輸出，這種形式的開(kāi)關(guān)電源沒(méi)有整流橋、濾波電容和APFC等電路來(lái)進(jìn)行處理。利用DSP來(lái)控制PWM的波形，主要是通過(guò)采樣計(jì)算變壓器初級(jí)峰值電流和輸出電壓來(lái)完成控制。為了保證整個(gè)AC/DC變換電路有比較高的轉(zhuǎn)換效率和功率密度，同時(shí)獲得較高的輸入功率因數(shù)和較低的諧波含量。在不同的負(fù)載條件和輸入電壓情況下，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整開(kāi)關(guān)頻率和死區(qū)時(shí)間，讓變換電路在最高效率狀態(tài)工作，此軟開(kāi)關(guān)控制效果可為最佳。其中，功率驅(qū)動(dòng)模塊主要是隔離驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)DSP輸出的PWM波行信號(hào)，而功率驅(qū)動(dòng)模塊、DSP模塊所需的直流電源主要由輔助電源模塊提供。

圖3所示，AC/DC功率變換模塊的電路結(jié)構(gòu)和典型的半橋變換電路類似，典型半橋變換電路的上下橋臂為N溝道增強(qiáng)型MOS開(kāi)關(guān)管，本文所采用的電路特點(diǎn)是通過(guò)兩個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS開(kāi)關(guān)管進(jìn)行反向串聯(lián)，以此構(gòu)成交流開(kāi)關(guān)，對(duì)前級(jí)的輸入交流電壓進(jìn)行斬波。這樣可減小功率變換級(jí)數(shù)，降低功率損耗，但卻提高了變壓器初級(jí)MOS開(kāi)關(guān)管的漏源耐壓值和輸入電壓峰值。

圖3 AC/DC功率變換模塊電原理圖Fig.3 Electrical schematic diagram of AC/DC power conversion module

3 逆變電源的實(shí)現(xiàn)

生成PWM波技術(shù)當(dāng)正弦幅值較高時(shí)，PWM波輸出的脈寬較寬。為了簡(jiǎn)潔直觀地表示PWM波形生成過(guò)程，下面利用三角波發(fā)生器和正弦波發(fā)生器來(lái)進(jìn)行模擬演示，如圖4所示。

圖4 PWM波形生成原理圖Fig.4 Schematic diagram of PWM waveform generation

本設(shè)計(jì)的理論依據(jù)為不對(duì)稱規(guī)則采樣法，即編寫(xiě)一個(gè)PWM波形的閉環(huán)控制程序。其中采用異步控制方式來(lái)進(jìn)行程序編寫(xiě)，而整個(gè)程序的載體即是DSP模塊，最后在其兩個(gè)控制波形區(qū)間加入一段死區(qū)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。

4 電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線電能傳輸

本設(shè)計(jì)模塊通過(guò)兩個(gè)線圈的互感耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的傳輸。變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)交替?zhèn)鬟f感應(yīng)，電能和磁能也由初始的發(fā)射端到達(dá)最終的接收端。整個(gè)系統(tǒng)中，電能的傳輸都是由發(fā)射線圈和接收線圈之間的互感來(lái)完成的。所以，掌握和熟悉線圈的互感耦合分析方法是十分必要的。

圖5 電磁互感耦合原理圖Fig.5 Schematic diagram of electromagnetism mutual inductance coupling

圖5所示，把兩個(gè)由電感線圈構(gòu)成的互感耦合回路看成是電能傳輸?shù)陌l(fā)射部分和接收部分。其中12V的電壓源、電感L1、等效電阻R1代表發(fā)射端回路，電感L2、等效電阻R2、負(fù)載電阻RL代表接收端回路，由此，兩回路構(gòu)成了傳輸電能的互感耦合回路，而兩個(gè)線圈之間的互感系數(shù)為M，此互感系數(shù)的大小取決于兩個(gè)線圈的幾何形狀，大小、相對(duì)位置、各自的匝數(shù)以及它們周?chē)橘|(zhì)的磁導(dǎo)率。

整個(gè)無(wú)線供電模塊的設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)了數(shù)次的試驗(yàn)，取得了較好的數(shù)據(jù)反饋和直觀體驗(yàn)，根據(jù)負(fù)載設(shè)備的電壓和電流要求的不同，改變此模塊的元件參數(shù)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，無(wú)線供電模塊的發(fā)射端和接收端的有效距離控制在2m以內(nèi)效果較好，有一定的應(yīng)用價(jià)值，但要廣泛地應(yīng)用還需不斷地試驗(yàn)改良。

［1］ 周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛(ài)華.開(kāi)關(guān)電源實(shí)用技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［2］王增福，李昶，魏永明.軟開(kāi)關(guān)電源原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［3］ 孫再吉.無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展［J］.半導(dǎo)體信息，2010，（6）：18-19.

［4］ 楊民生，王耀南.新型無(wú)接觸感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)研究綜述［J］.湖南文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，（3）：44-53.

［5］ 楊芳勛.基于ICPT的無(wú)線電能傳輸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2012.

The design of the efficient wireless power supply module

WU Chuan-quan
（Wuxi Transportation Branch Institute，Jiangsu Union Technical Institute，Wuxi 214151，China）

The design proposal of the efficient wireless power supply module which combined the DSP technology，electromagnetic induction technology and switching power supply technology enhance the transfer efficiency of switching power supply and can work without power lines.The application value is relatively limited for the limitation of transmission distance，while the circuit design of the whole module has certain advantages like work stabilization，simple construction and signal receiving terminal miniaturization which can basically conformtopractical acceptability.

Efficient wireless power supply；DSP technology；Electromagnetic induction

TP334

B

1674-8646（2016）16-0038-02

2015-09-24

吳傳全（1974-），男，山東商河人，學(xué)士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事機(jī)電控制和實(shí)訓(xùn)管理研究。