無線電能傳輸裝置

1、 2014 年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽電能無線傳輸裝置（F題）【本科組】隊號：SZ013參賽學(xué)校：蘇州大學(xué) 學(xué)生姓名：王益新 茅勝榮 肖家文目錄無線電能傳輸裝置3一. 設(shè)計方案工作原理41.發(fā)射端電路5 （1）高頻逆變器5 （2）補償拓補電路6 （3）信號產(chǎn)生電路62. 諧振耦合電路73. 接收端電路7 （1）高頻整流電路7二. 核心部件電路設(shè)計7 （1）發(fā)射端電路91）高頻諧振逆變模塊92）穩(wěn)壓模塊104）555頻率產(chǎn)生模塊12 （2）接收端電路131）整流模塊13三系統(tǒng)測試性能指標(biāo)與分析141. 系統(tǒng)測試性能指標(biāo)14 （1）傳輸距離對傳輸特性的影響14 （2）傳輸距離D=10cm ,負(fù)載RL

2、變化對傳輸特性的影響142. 系統(tǒng)性能分析與改進(jìn)153. 創(chuàng)新之處15四參考文獻(xiàn)15aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

3、aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa無線電能傳輸裝置 摘要：本系統(tǒng)基于磁耦合諧振原理及鎖相環(huán)頻率跟蹤，設(shè)計并實現(xiàn)了無線電能傳輸。本系統(tǒng)由發(fā)射電路、諧振電路、接收電路三個電路組成。發(fā)射電路高頻諧振逆變模塊、穩(wěn)壓模塊、驅(qū)動模塊、頻率產(chǎn)生模塊，實現(xiàn)對MOSFET的驅(qū)動、輸入直流信號的高頻逆變、產(chǎn)生諧振頻率；諧振電路由發(fā)射線圈、接收線圈諧振，實現(xiàn)電能的傳輸；接收電路由整流模塊和負(fù)載，實現(xiàn)直流傳輸。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可實現(xiàn)輸入直流電壓U1=15V、接收端輸出直流電流I2=0.4A、輸出直流電

4、壓U2=8V ，傳輸裝置的效率為26.7%。關(guān)鍵詞：電能；無線傳輸；效率 Abstract:The system is based on the principle of resonant coupling PLL frequency tracking, which designs and realizes a wireless power transmission device. The system circuit is mainly made of three parts: the transmitter circuit, the resonant coupling and the re

5、ceiving side circuit. The transmitter circuit includes a high frequency resonant inverter module, the stable voltage module, the frequency producing module, which is made to drive MOSFET, convert the input DC signal into the high frequency signal, and producing frequency; The resonant coupling modul

6、e comprises a transmitting coil and receiving coil to achieve wireless power transmission. The receiver circuit includes a resonance compensation circuit, the load voltage, so the received power is rectified to achieve a DC output. The test results show that the system can make it when the input DC

7、voltage U1 is 15V, the receiver output DC current I2 is 0.4A, the output DC voltage U2 is 8V, and efficiency of the transmission apparatus is 26.7%. Keyword: Energy; Wireless Transmission; Efficiency. aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

8、aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa一. 設(shè)計方案工作原理任務(wù)目標(biāo)：設(shè)計并制作一個磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示： 圖1 電能無線傳輸裝置結(jié)構(gòu)圖具體要求如下：發(fā)射線圈與接收線圈間距離x =10cm輸入直流電壓U1=15V，輸入直流電流不大于1A接收端輸出直流電流I2=0.5A，

9、輸出直流電壓U28V接收端負(fù)載為2只串聯(lián)LED燈（白色、1W）2線圈磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。發(fā)射端由高頻交流電源Vs、發(fā)射線圈Ls和諧振補償電容Cs組成；接收端由接收線圈Lt、諧振補償電容Ct、負(fù)載RL組成，發(fā)射線圈Ls、Cs和接收線圈的Lt、Ct參數(shù)相同，此時，發(fā)射線圈和接收線圈組成了用于能量傳輸?shù)闹C振器，發(fā)射線圈與接收線圈之間的距離即為能量的傳輸距離d。系統(tǒng)正常工作時，由于發(fā)射線圈與高頻交流電源相連，使得線圈周圍產(chǎn)生一個交變的磁場，由磁耦合諧振原理可知，該磁場的交變頻率與兩個諧振器的固有頻率相同，從而兩諧振器發(fā)生諧振，組成一個磁耦合諧振系統(tǒng)，實現(xiàn)了磁場能在兩個線圈間的

10、傳輸。由于磁耦合諧振式WPT系統(tǒng)由于耦合諧振的作用，在傳輸過程中，磁場能量的輻射很低，能量損耗很小，從而可實現(xiàn)能量遠(yuǎn)距離、高效率的傳輸。圖2 本文設(shè)計的諧振耦合式電能無線傳輸裝置結(jié)構(gòu)圖1.發(fā)射端電路（1）高頻逆變器高頻逆變電路是將輸入的直流穩(wěn)壓電轉(zhuǎn)換成高頻的交流電，設(shè)計的高頻逆變器應(yīng)滿足以下幾個條件：開關(guān)損耗小，控制簡單；可工作在高開關(guān)頻率（800K Hz以上）；輸出功率要盡可能大，效率高。方案一 采用低功耗開關(guān)管。目前，最新一代的高效、低功耗功率元件為SiC(碳化硅)功率元件。SiC作為一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，不但擊穿電場強度高、熱性好，還具有熱導(dǎo)率高等特點，非常適用于高功率的應(yīng)用場合，但由于

11、SiC材料的MOS成本較高，導(dǎo)致目前并沒有得到普遍應(yīng)用。方案二 采用軟開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)技術(shù)一般通過電感或電容的諧振實現(xiàn)，諧振時，開關(guān)器件中的電壓 (電流)的變化符合正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律，當(dāng)電壓為零時，使開關(guān)管導(dǎo) 通，即零電壓導(dǎo)通，當(dāng)電流為零時，使開關(guān)管關(guān)斷，即零電流關(guān)斷。但是控制復(fù)雜。方案三 E類諧振式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對1MHz以上的高頻諧振逆變器的設(shè)計用的最多的是E類諧振逆變器。用單管工作，不存在死區(qū)時間的限制。與傳統(tǒng)的橋式逆變器相比，很大程度的降低了系統(tǒng)能量損失，提高了系統(tǒng)效率。本文選擇方案三，E類諧振式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（2）補償拓補電路由于通過具有較大漏感的變壓器傳遞能量，效率比較低。為了提高功率傳輸

12、能力，通常采用諧振電路對漏感進(jìn)行一定的補償。方案一 單諧振補償，只在原邊或副邊一側(cè)進(jìn)行補償?shù)碾娐贩Q為單諧振補償，優(yōu)點是電路簡單，但是原邊和副邊不易達(dá)到諧振頻率一致。方案二 多諧振補償， 在原邊和副邊兩側(cè)都進(jìn)行補償，主要包括四種形式：串聯(lián)一串聯(lián)補償拓?fù)?SS)、串聯(lián)一并聯(lián)補償拓?fù)?SP)、并聯(lián)一串聯(lián)補償拓?fù)?PS)、并聯(lián)一并聯(lián)補償拓?fù)?PS)。圖3 多諧振補償拓補本文采用原邊串聯(lián)、副邊串聯(lián)的諧振補償。（3）信號產(chǎn)生電路方案一 采用晶振振蕩電路產(chǎn)生方波信號，優(yōu)點是頻率準(zhǔn)確，缺點是頻率不易調(diào)整。方案二 采用頻率跟蹤模塊，包括差分放大、相位補償比較、鎖相環(huán)，實現(xiàn)對輸入信號頻率和相位的跟蹤。方案三 采用

13、555產(chǎn)生固定50%占空比的頻率可調(diào)的方波，外圍電路簡單，元器件易得，方便調(diào)試本文采用方案三，555頻率產(chǎn)生模塊產(chǎn)生方波信號。2. 諧振耦合電路方案一 采用可分離變壓器式，這種結(jié)構(gòu)的原副邊線圈的相對位置很近即傳輸距離較近，而傳輸功率較大且兩線圈的融耦合性較好，系統(tǒng)的效率也較高。方案二 螺線管線圈式，這種結(jié)構(gòu)線圈產(chǎn)生的磁場比較均勻且具有較好的方向性，非常適宜于磁場傳送電能的系統(tǒng)，同時它具有傳輸距離遠(yuǎn)和效率高等優(yōu)點。方案三 平板式，它的線圈厚度較薄，但是該結(jié)構(gòu)線圈對發(fā)射與接收端的位置要求嚴(yán)格，一旦偏離線圈中心較遠(yuǎn)會導(dǎo)致系統(tǒng)的傳輸特性受較大影響。本文采用方案二，螺線管線圈式。3. 接收端電路（1）高

14、頻整流電路接收線圈輸出為高頻交流電，因為其頻率很高，通常不能直接與用電設(shè)備連接，所以需要對其進(jìn)行整流。方案一 半波式整流，只利用了交流電壓的半個周期，導(dǎo)致其輸出電壓比較低。方案二 橋式整流，實現(xiàn)了全波整流將接收端電壓的負(fù)半周也加以利用，所以其輸出電壓的平均值相比于半波整流大很多，更適宜于諧振耦舍式電能無線傳輸系統(tǒng)，它能夠讓負(fù)載獲得更高的電壓和電流且具有耦舍環(huán)節(jié)利用率高和脈動較小等優(yōu)點。圖4 高頻橋式整流電路本文采用方案二，橋式整流。二. 核心部件電路設(shè)計1. 電路理論分析與參數(shù)計算圖5 諧振耦合式電能無線特輸系統(tǒng)等效電路圖5中Us為輸入電壓，頻率為，C1、C2為線圈的電容，R1、R2為線圈內(nèi)阻

15、，L1、L2為線圈自身電感，ZL為負(fù)載，M為兩線圈之間互感，D為兩線圈之間的距離。 （1）根據(jù)KVL原理，則 （2）（1） 電感L和線圈匝數(shù)N的計算 （3）其中N2為線圈匝數(shù)，R為線圈的半徑，r為線半徑圖6 電感L和線圈匝數(shù)N的關(guān)系（2） 工作頻率、線圈匝數(shù)與線圈內(nèi)阻的關(guān)系 （4）圖7 工作頻率、線圈匝數(shù)與線圈內(nèi)阻的關(guān)系（3） 兩個線圈相距d=5cm時，初級線圈匝數(shù)N1、次級線圈匝數(shù)N2與線圈互感M的關(guān)系 （5）圖8 初級線圈匝數(shù)N1、次級線圈匝數(shù)N2與線圈互感M的關(guān)系（4） 線圈互感M和線圈間距d的關(guān)系圖9 線圈互感M和線圈間距d的關(guān)系2.硬件電路設(shè)計（1）發(fā)射端電路1）高頻諧振逆變模塊E類

16、諧振式拓?fù)潆娐啡鐖D10所示。圖中L1的阻抗足夠大，流過它的電流為恒定值，開關(guān)器件T采用的MOSFET功率場效應(yīng)管。諧振負(fù)載回路由C、R、L構(gòu)成。C1為外加電容，能夠起到輔助諧振的作用，讓開關(guān)管T工作在理想狀態(tài)，是開關(guān)管T零電壓開通。圖10 E類諧振式拓?fù)潆娐犯哳l逆變電路的損耗主要由：開關(guān)器件的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，以及二極管導(dǎo)通損耗。為減少高頻逆變電路中器件的損耗。開關(guān)器件的選擇應(yīng)考慮減小開關(guān)器件的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗；改善散熱條件，為了讓殼體溫度低于額定值，是器件能夠長期穩(wěn)定可靠地工作，就必須設(shè)計足夠的散熱器；當(dāng)開關(guān)管器件工作時，其自身的額定電壓應(yīng)大于浪涌電壓，且還要留出一定的裕量；當(dāng)開關(guān)器件工

17、作時，流過其自身的電流峰值應(yīng)小于開關(guān)管額定電流的兩倍。根據(jù)以上條件選取CSD19535KCS。圖11為高頻逆變諧振模塊。圖11為高頻逆變諧振模塊2）穩(wěn)壓模塊 本模塊采用LM2596將電源電壓從15V穩(wěn)到5V給MOSFET驅(qū)動芯片UCC27322供電。LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。固定輸出版本有3.3V、5V、12V，可調(diào)版本可以輸出小于37V的各種電壓。 該器件內(nèi)部集成頻率補償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為150KHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需4個外接元件，可以使用通用的

18、標(biāo)準(zhǔn)電感，這更優(yōu)化了LM2596的使用，極大地簡化了開關(guān)電源電路的設(shè)計。 該器件還有其他一些特點，在特定的輸入電壓和輸出負(fù)載的條件下，輸出電壓的誤差可以保證在±4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在±15%的范圍內(nèi)，可以用僅80A的待機電流，實現(xiàn)外部斷電，具有自我保護(hù)電路，一個兩級降頻限流保護(hù)和一個在異常情況下斷電的過溫完全保護(hù)電路。根據(jù)芯片手冊，采用典型應(yīng)用電路。圖12為穩(wěn)壓電路。圖12穩(wěn)壓電路3）驅(qū)動模塊本模塊使用UCC27322驅(qū)動功率MOSFET IRF540，該驅(qū)動電路具有開關(guān)速度快、集成度高的特點,適合于對開關(guān)速度和體積要求較高的應(yīng)用中。采用電容與線圈并聯(lián)諧振。IRF54

19、0的最大漏極電流ID為33 A,導(dǎo)通電阻RDS(on)為44 m，漏源擊穿電壓VDSS為100V.MOSFET是電壓控制電流源，為了驅(qū)動MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)，需要在柵源極間加上足夠的電壓，以使漏極能流過預(yù)期的最大電流，因此采用UCC27322對IRF540進(jìn)行驅(qū)動。UCC27322是TI公司生產(chǎn)的一種功率MOSFET專用驅(qū)動芯片，該芯片通過少量的外圍元件，就可以實現(xiàn)簡單高效的MOSFET驅(qū)動電路。該集成電路具有開關(guān)延時短，開關(guān)速度快，驅(qū)動峰值電流大，集成度高的特點。圖13所示為UCC27322內(nèi)部原理框圖。圖14為本模塊原理圖。本模塊采用UCC27322的典型應(yīng)用原理圖驅(qū)動MOSFET IR

20、F540。圖13UCC27322內(nèi)部原理框圖圖14驅(qū)動電路原理圖4）555頻率產(chǎn)生模塊本模塊采用常用芯片555產(chǎn)生頻率可調(diào)，占空比固定位50%的方波。555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極型（TTL）工藝制作的稱為 555，用 互補金屬氧化物（CMOS ）工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應(yīng)的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅(qū)動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。本系統(tǒng)諧振頻率560K，555可以達(dá)到要求且電路簡單，芯片易

21、得，所以采用555產(chǎn)生方波。頻率產(chǎn)生模塊采用555典型應(yīng)用多諧振蕩器。多諧振蕩器又稱為無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)。在電路處于某一暫穩(wěn)態(tài)后，經(jīng)過一段時間可以自行觸發(fā)翻轉(zhuǎn)到另一暫穩(wěn)態(tài)。兩個暫穩(wěn)態(tài)自行相互轉(zhuǎn)換而輸出一系列矩形波。多諧振蕩器可用作方波發(fā)生器。接通電源后，輸出假定是高電平，則T截止，電容C充電。充電回路是VCCR1R2C地，按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)上升到2Vcc/3時（TH、端電平大于Vc），輸出翻轉(zhuǎn)為低電平。Vo是低電平，T導(dǎo)通，C放電，放電回路為CR2T地，按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)下降到Vcc/3時（TH、端電平小于Vc），輸出翻轉(zhuǎn)為高電平，放電管T截止，電容再次充電，如

22、此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。圖15為555典型應(yīng)用電路及其波形。圖15 555典型應(yīng)用及其波形。圖16為555頻率產(chǎn)生模塊原理圖。圖16為555頻率產(chǎn)生模塊（2）接收端電路1）整流模塊普通的整流電路都是將低頻的交流電進(jìn)行整流，而電能無線傳輸系統(tǒng)接受端接收到的往往都是高頻交流電，系統(tǒng)的工作頻率較高，所以普通的整流管并不能滿足要求，采用快恢復(fù)型的肖特基二極管。本模塊采用市場上常見的1N5822。圖17為本模塊原理圖。圖17 整流模塊原理圖三系統(tǒng)測試性能指標(biāo)與分析1. 系統(tǒng)測試性能指標(biāo)（1）傳輸距離對傳輸特性的影響將兩個傳輸線圈保持同軸，輸入直流電壓U1=15V，工作頻率f=560K,負(fù)載RL=30，通過

23、控制軸向距離記錄數(shù)據(jù)：傳輸距離（cm）輸入電壓（V）輸入電流（A）輸出電壓（V）輸出電流(A)輸入功率（W）輸出功率（W）效率（%）1151150.5157.5502150.9614.20.47314.46.72146.6753150.93140.46613.956.53346.8334150.913.60.45313.56.16545.6695150.8813.10.43613.25.72043.3356150.8812.50.41613.25.20839.4577150.8811.10.3713.24.10731.1138150.859.60.3212.753.07224.0949150.

24、818.50.28312.152.40819.82110150.88.10.27122.18718.22511150.87.50.25121.87515.62512150.86.10.203121.24010.33613150.765.20.17311.40.9017.90614150.74.10.13610.50.5605.33615150.73.20.10610.50.3413.25020150.30.410.0134.50.0050.124（2）傳輸距離D=10cm ,負(fù)載RL變化對傳輸特性的影響將兩個傳輸線圈保持固定距離D=10cm，輸入直流電壓U1=15V，工作頻率f=560K,通過

25、控制負(fù)載記錄數(shù)據(jù)：負(fù)載RL（）輸入電壓（V）輸入電流（A）輸出電壓（V）輸出電流(A)輸入功率（W）輸出功率（W）效率（%）15150.84.50.3121.3511.2520150.885.60.2813.21.56811.87825150.866.10.24412.91.488411.53730150.827.60.25312.31.92515.65335150.798.10.23111.851.87415.81940150.818.50.21212.151.8062514.86645150.890.2121.81550150.769.20.18411.41.69214.84955150.8910.20.18513.351.89114.1692. 系統(tǒng)性能分析與改進(jìn)由于芯片工作頻率的限制，本系統(tǒng)所設(shè)計的諧振頻率較低，損耗較大