無線電能傳輸裝置(F題)-

1、成都工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 課題名稱： 無線電能傳輸裝置 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2015.2.05 2015.5.18 系 部： 電氣與電子工程系 專 業(yè)： 供用電技術(shù) 班 級(jí)： 1202161 姓 名： 劉佳福 指導(dǎo)教師： 目 錄1系統(tǒng)方案51.1系統(tǒng)總體思路51.2系統(tǒng)方案論證與選擇51.2.1信號(hào)發(fā)生方案選擇51.2.2驅(qū)動(dòng)電路方案選擇51.2.3整流電路方案選擇61.3總體方案設(shè)計(jì)62理論分析與計(jì)算72.1發(fā)射模塊分析與計(jì)算72.1.1 信號(hào)發(fā)生電路原理分析與計(jì)算72.1.2 驅(qū)動(dòng)電路原理分析與計(jì)算72.2接收模塊分析與計(jì)算72.3參數(shù)選擇83電路設(shè)計(jì)83.1信號(hào)發(fā)生電路83.2驅(qū)動(dòng)電路103.2

2、.1 功率MOSFET的使用103.2.2 IR2110芯片的使用113.3接收電路134測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果144.1測(cè)試方法與儀器144.2測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果145實(shí)物制作圖片15致 謝16參考文獻(xiàn)17任務(wù)書1.任務(wù) 根據(jù)2014年TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題F題：無線電能傳輸裝置，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)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)框圖2.要求 （1）保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離x =10cm、輸入直流電壓U1=15V時(shí)，接收端輸出直流電流I2=0.5A，輸出直流電壓U28 V，盡可能提高該無線電能傳輸裝置的效率。（45分）（2）輸入直流電壓U1=15V，

3、輸入直流電流不大于1A，接收端負(fù)載為2只串聯(lián)LED燈（白色、1W）。在保持LED燈不滅的條件下，盡可能延長(zhǎng)發(fā)射線圈與接收線圈間距離x。（45分）（3）其他自主發(fā)揮（10分）（4）設(shè)計(jì)報(bào)告（20分）3.說明 （1） 發(fā)射與接收線圈為空心線圈，線圈外徑均20±2cm；發(fā)射與接收線圈間介質(zhì)為空氣。（2） I2 = 應(yīng)為連續(xù)電流。（3） 測(cè)試時(shí)，除15V直流電源外，不得使用其他電源。（4） 在要求（1）效率測(cè)試時(shí)，負(fù)載采用可變電阻器；效率。（5） 制作時(shí)須考慮測(cè)試需要，合理設(shè)置測(cè)試點(diǎn)，以方便測(cè)量相關(guān)電壓、電流。摘 要 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，無線電能傳輸技術(shù)越來越備受關(guān)注，尤其在一些特定場(chǎng)

4、合，無線電能傳輸技術(shù)具有傳統(tǒng)電纜線供電方式所不及的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以極大地提高設(shè)備供電的可靠性、便捷性和安全性。在2008年8月的英特爾開發(fā)者論壇（IDF，Intel Developer Forum）上，西雅圖實(shí)驗(yàn)室的約書亞·史密（Joshua R. Smith）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組向公眾展示了一項(xiàng)新技術(shù)基于“磁耦合共振”原理的無線供電，在展示中成功地點(diǎn)亮了一個(gè)一米開外的60瓦燈泡，而在電源和燈泡之間沒有使用任何電線。他們聲稱，在這個(gè)系統(tǒng)中無線電力的傳輸效率達(dá)到了75%。本設(shè)計(jì)主要由電生磁和磁生電兩部分主成。第一部分發(fā)射電路由PWM集成控制電路TL494

5、為主芯片的開關(guān)電源，以IR2110為驅(qū)動(dòng)電路，控制兩路輸出，將電能傳輸給發(fā)射線圈，產(chǎn)生磁場(chǎng)；第二部分接收電路，接收線圈通過電磁感應(yīng)將接收到的磁信號(hào)，轉(zhuǎn)化成電能，整流濾波后，供負(fù)載LED燈正常發(fā)光。關(guān)鍵詞：無線電能傳輸、磁耦合、串聯(lián)諧振、傳送效率、距離無線電能傳輸裝置裝置1系統(tǒng)方案1.1系統(tǒng)總體思路根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，用空心線圈制作了直徑為20cm的發(fā)射和接收線圈；利用信號(hào)發(fā)生電路將輸入的直流15V電轉(zhuǎn)化為PWM脈沖信號(hào)，通過線圈驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生交變電流，在空間產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，利用磁耦合諧振式原理，在接收線圈端產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和電流，將電能無線傳輸?shù)浇邮站€圈，實(shí)現(xiàn)無線

6、電能的傳輸。經(jīng)過幾天的測(cè)試，制作出了傳輸效率達(dá)63.1%，線圈之間的距離x的值最大為31cm的磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，滿足了設(shè)計(jì)要求。1.2系統(tǒng)方案論證與選擇1.2.1信號(hào)發(fā)生方案選擇 方案一：石英晶體振蕩器。此電路的振蕩頻率僅取決于石英晶體的串聯(lián)諧振頻率fs，而與電路中的R、C的值無關(guān)。所以此電路能夠得到頻率穩(wěn)定性極高的脈沖波形，它的缺點(diǎn)就是頻率不能調(diào)節(jié)，而且頻帶窄，不能用于寬帶濾波。此電路非常適合秒脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)，故不太適用于本實(shí)驗(yàn)，所以不采用此電路。 方案二：采用PWM控制器芯片TL494。TL494是一個(gè)固定頻率脈寬調(diào)制電路。利用RC串聯(lián)諧振原理，由內(nèi)部線性鋸齒波振蕩器產(chǎn)生正向

7、鋸齒波，實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制。TL494具有控制、驅(qū)動(dòng)、監(jiān)控和各項(xiàng)保護(hù)功能，適用于設(shè)計(jì)所有的（單端或雙端）開關(guān)電源典型電路。綜合比較以上兩種方法，選擇方案二。1.2.2驅(qū)動(dòng)電路方案選擇方案一：MOS管驅(qū)動(dòng)電路。實(shí)際就是對(duì)電容的充放電，對(duì)電容的充電需要一個(gè)電流，因?yàn)閷?duì)電容充電瞬間可以把電容看成短路，所以瞬間電流比較大。但本設(shè)計(jì)LC串聯(lián)負(fù)載在單電源輸入下工作，只能選用開關(guān)類型的全橋驅(qū)動(dòng)，因此不適用于本電路。方案二：IR2110驅(qū)動(dòng)全橋電路，IR2110采用HVIC和閂鎖抗干擾COM制造工業(yè)，具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道，輸入兩個(gè)有時(shí)間間隔的脈沖后，可輸出兩路不同的電壓，控制全橋驅(qū)動(dòng)MOS管導(dǎo)通，LC串

8、聯(lián)負(fù)載在單電源輸入情況下使用IR2110驅(qū)動(dòng)全橋電路，電路穩(wěn)定，性能好，同時(shí)IR2110可以很好的保護(hù)電路。綜合比較以上兩種方法，選擇方案二。1.2.3整流電路方案選擇方案一：二極管半波整流。利用二極管的單向?qū)щ娦?，二極管承受反壓大，整流效果不一定好，直流電源輸入時(shí)，不能構(gòu)成放電回路，不適用于本電路。方案二：橋式整流。四只整流二極管D14 和負(fù)載電阻RL組成。四只整流二極管接成電橋形式。橋式整流電路克服了全波整流電路要求變壓器次級(jí)有中心抽頭和二極管承受反壓大的缺點(diǎn)，且成本低，效率高，適用于各種電路。綜合比較以上兩種方法，選擇方案二。1.2.4 發(fā)射線圈的選擇方案一：多層同心銅芯線圈。方案二：?jiǎn)?/p>

9、層同心圓銅芯平面線圈。經(jīng)過測(cè)試單層同心圓銅芯平面線圈制作的裝置傳輸效率更高，線圈之間的距離X達(dá)到更大，且單層同心圓銅芯平面線圈制作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，所以我們最終選擇了方案二。1.3總體方案設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要由發(fā)射模塊和接收模塊兩部分組成。發(fā)射模塊信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生占空比可調(diào)的方波，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路提高其驅(qū)動(dòng)能力后為功率電路提供激勵(lì)信號(hào)，再通過發(fā)射線圈把能量發(fā)射出去。接收電路主要有接收線圈，整流濾波電路以及負(fù)載組成。系統(tǒng)總體框圖如圖1.1所示。 發(fā)射模塊 接收模塊 驅(qū)動(dòng)電路發(fā)射線圈直流電源 信號(hào)發(fā)生電路接收線圈 整流電路 負(fù)載圖1.1 系統(tǒng)總體框圖 2理論分析與計(jì)算 利用LC串聯(lián)諧振的原理，合理設(shè)置發(fā)射裝置

10、與接收裝置的參數(shù)，使得發(fā)射線圈與接收線圈以及整個(gè)系統(tǒng)都具有相同的諧振頻率，并在該諧振頻率的電源驅(qū)動(dòng)下系統(tǒng)可達(dá)到一種“電諧振”狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)能量在發(fā)射端和接收端高效的傳遞。本設(shè)計(jì)的目的是盡可能提高無線電能傳輸裝置的效率，整個(gè)系統(tǒng)都具有相同的諧振頻率，因此發(fā)射線圈與接收線圈各項(xiàng)參數(shù)均相同，串聯(lián)的電容也相同，利用LC串聯(lián)諧振原理，獲得最大電流，從而最大效率的將磁能轉(zhuǎn)化成電能，獲得最大的效率。2.1發(fā)射模塊分析與計(jì)算2.1.1 信號(hào)發(fā)生電路原理分析與計(jì)算 信號(hào)發(fā)生電路主要是將輸入的直流信號(hào)轉(zhuǎn)化成PWM信號(hào)，以便后級(jí)電路產(chǎn)生正弦交變電壓。主要由TL494實(shí)現(xiàn)。 TL494是一個(gè)固定頻率脈寬調(diào)制電路。由內(nèi)

11、部線性鋸齒波振蕩器產(chǎn)生正向鋸齒波，實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制。TL494輸出方式控制腳13與參考電壓腳14相接，功率輸出管Q1和Q2受控于或非門，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減小。5腳CT產(chǎn)生的振蕩頻率為 （RT為6腳輸出，CT為5腳輸出)。2.1.2 驅(qū)動(dòng)電路原理分析與計(jì)算 驅(qū)動(dòng)電路主要由兩個(gè)IR2110交替控制H橋橋式驅(qū)動(dòng)電路上管升壓，下管原壓（保持原來的電壓不變），獲得相鄰時(shí)間間隔的脈沖（死區(qū)時(shí)間），從而產(chǎn)生正弦交變電壓，進(jìn)而利用電磁感應(yīng)原理將電能轉(zhuǎn)化成磁場(chǎng)能。而最大限度的將電能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能，即線圈中電流最大，則使LC串聯(lián)諧振，諧振頻率： （L為電

12、感感值，C為電容容值）。2.2接收模塊分析與計(jì)算 接收端要求輸入直流電流，而接收線圈與電容諧振后得到高頻的交流電流，因此必須整流，得到直流電流。又因?yàn)殡娏魇歉哳l的，器件做熱功容易損耗電能，因此需要并入六個(gè)小電容濾波，減少損耗。該無線電能傳輸裝置的效率： （U1為輸入電壓，U2為輸出電壓，I1為輸入電流，I2為輸出電流）。2.3參數(shù)選擇 因?yàn)榘l(fā)射與接收線圈為空心線圈，線圈外徑均20±2cm，線圈的繞法有三種方式：縮繞、多層平繞和單層同心圓繞。經(jīng)過比較單層同心圓繞的傳輸效率最高，因此選用單層同心圓繞。 單層同心圓繞，測(cè)出電感值約為100，由LC串聯(lián)諧振，得到電容值為3300p，因此諧振頻

13、率約為80KHz。為了獲得最大電流，從而傳輸效率達(dá)到最大值，則發(fā)射電路與接收電路中的線圈感值，串聯(lián)的電容應(yīng)相等。3電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主要由發(fā)射單元電路和接收單元電路兩部分組成。發(fā)射單元電路包含信號(hào)發(fā)生電路，驅(qū)動(dòng)電路，發(fā)射線圈四部分；接收單元包含接收線圈，整流濾波電路以及負(fù)載組成。下面主要對(duì)介紹信號(hào)發(fā)生電路，驅(qū)動(dòng)電路，接收電路。3.1信號(hào)發(fā)生電路 TL494是一個(gè)固定頻率脈寬調(diào)制電路。由內(nèi)部線性鋸齒波振蕩器產(chǎn)生正向鋸齒波，實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制。它包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激雙管式、半橋式、全橋式開關(guān)電源。芯片TL494內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可以通過外部的一個(gè)電阻和一個(gè)

14、電容進(jìn)行調(diào)節(jié)（見圖1）。輸出電容的脈沖其實(shí)是通過電容上的正極性鋸齒波電壓與另外2個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸壓器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)才會(huì)被通過，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號(hào)期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增大，輸出脈沖的寬度將減?。ㄒ妶D2，3）?？刂菩盘?hào)由集成電路外部輸入，一路送至?xí)r間死區(qū)時(shí)間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mV的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間約等于鋸齒波的周期4%，當(dāng)輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時(shí)，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的電壓，即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死

15、區(qū)時(shí)間。脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到3.5時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降為零。2個(gè)誤差放大器具有從0.3V到(vcc2.0)的共模輸入范圍，這可能從電源的輸出電壓和電流察覺的到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)智器的反相輸入端進(jìn)行“或”運(yùn)算，正是這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需最小的輸出即可支配控制電路。 圖2圖3本設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生電路見圖4。 圖4 信號(hào)發(fā)生電路3.2驅(qū)動(dòng)電路 3.2.1 功率MOSFET的使用功率MOSFET，它是一種單極型電壓控制器件。它具有自關(guān)斷能力，且輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小，開關(guān)速度

16、快，工作頻率可達(dá)MHz，不存在二次擊穿問題，安全工作區(qū)寬。1.功率MOSFET的特性可分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，輸出特性屬靜態(tài)特性，而開關(guān)特性則屬動(dòng)態(tài)特性。輸出特性輸出特性也稱漏極伏安特性，它是以柵源電壓UGS為參變量，反映漏極電流ID與漏源極電壓UDS間關(guān)系的曲線族。可調(diào)電阻區(qū)：UGS一定時(shí)，漏極電流ID與漏源極電壓UDS幾乎呈線性關(guān)系。當(dāng)MOSFET作為開關(guān)器件應(yīng)用時(shí)，工作在此區(qū)內(nèi)。飽和區(qū)：在該區(qū)中，當(dāng)UGS不變時(shí)，ID幾乎不隨UDS的增加而加大，ID近似為一常數(shù)。雪崩區(qū)：當(dāng)漏源電壓UDS過高時(shí)，使漏極PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，漏極電流ID會(huì)急劇增加。 2.柵極驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)及其要求觸發(fā)脈沖要具有足夠

17、快的上升和下降速度，即脈沖前后沿要求陡峭。開通時(shí)以低電阻對(duì)柵極電容充電，關(guān)斷時(shí)為柵極電荷提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開關(guān)速度。為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓；為了防止誤導(dǎo)通，在其截止時(shí)應(yīng)提供負(fù)的柵源電壓。功率MOSFET開關(guān)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)電流為柵極電容的充放電電流。功率MOSFET的極間電容越大，在開關(guān)驅(qū)動(dòng)中所需的驅(qū)動(dòng)電流也越大。3.2.2 IR2110芯片的使用IR2110 采用HVIC 和閂鎖抗干擾CMOS 制造工藝，DIP14 腳封裝，其內(nèi)部原理框圖如下圖所示，IR2110芯片具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工

18、作電壓可達(dá)500V，15V 下靜態(tài)功耗僅116mW；輸出的電源端（腳3,即功率器件的柵極驅(qū)動(dòng)電壓）電壓范圍1020V；邏輯電源電壓范圍（腳9）515V，可方便地與TTL，CMOS 電平相匹配，而且邏輯電源地和功率地之間允許有±5V 的偏移量；工作頻率高，可達(dá)500kHz。IR2110 內(nèi)部由低壓通道和高壓通道兩個(gè)相互獨(dú)立的通道組成。邏輯輸入端采用滯后為0. 1VDD 的施密特觸發(fā)器,以提高抗干擾能力和接受緩慢上升的輸入信號(hào)。而且其輸入和柵驅(qū)動(dòng)之間的開通與關(guān)斷的傳播延遲分別為120ns和95ns；IR2110的保護(hù)功能包括輸入邏輯保護(hù)及輸出電源欠電壓保護(hù)。輸入邏輯保護(hù)是當(dāng)功率電路發(fā)生過

19、載、短路等故障時(shí)，檢測(cè)保護(hù)電路的輸出信號(hào)接入IR2110保護(hù)端（SD），高電平有效，芯片內(nèi)部邏輯電路將上下通道的輸入控制信號(hào)進(jìn)行封鎖。欠電壓保護(hù)采取上下通道分別檢測(cè)。 在本設(shè)計(jì)中，僅僅以TL494輸出的方波驅(qū)動(dòng)后級(jí)功放電路會(huì)由于驅(qū)動(dòng)能力不足使場(chǎng)管不導(dǎo)通，所以需要加一級(jí)驅(qū)動(dòng)電路。本電路采用專用高低端驅(qū)動(dòng)芯片IR2110構(gòu)成后級(jí)功放驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)功率MOS功率容量較小,承受反壓能力較低的特點(diǎn),發(fā)射模塊主電路采用的是開關(guān)類型的全橋電路,由4 個(gè)功率MOS 作為開關(guān)元件, 選用2 個(gè)IR2110 驅(qū)動(dòng)器,每個(gè)IR2110的高壓側(cè)和低壓側(cè)各驅(qū)動(dòng)一個(gè)功率MOS管 ,見圖5。圖5 IR2110 驅(qū)動(dòng)全橋電路

20、3.3接收電路 接收電路主要有接收線圈，在交變的磁場(chǎng)中通過接收線圈得到交變電流，又通過橋式整流電路得到變化的直流電流，再通過并接六個(gè)電容形成的濾波電路得到穩(wěn)定的直流電流，而并聯(lián)電容是為了減小電容的發(fā)熱，防止損壞電容；開關(guān)S1是選擇不同的負(fù)載。見圖6。 圖6 接收電路4測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試方法與儀器1、 測(cè)試方法用萬用表、示波器等相關(guān)儀器檢測(cè)自制的無線電能傳輸裝置工作是否正常。電平是否與理論相符，檢測(cè)完后，將15V單電源輸入，按下轉(zhuǎn)換開關(guān)，調(diào)節(jié)變壓器，按照要求，將輸出電流設(shè)好，記錄直流穩(wěn)壓電源中的輸入電流，數(shù)字萬用表中輸出電壓的值，打開接收電路中的負(fù)載控制開關(guān)，負(fù)載正常工作。2、 測(cè)試儀

21、器本系統(tǒng)測(cè)試儀器見表1。表1 無線電能傳輸裝置測(cè)試儀器序號(hào)名稱型號(hào)說明1數(shù)字萬用表VC8145 測(cè)試輸出電流、電壓2直流穩(wěn)壓電源MPS-3303提供穩(wěn)壓電源輸入電壓3雙蹤示波器UT2025C測(cè)試各模塊輸出信號(hào)的波形4LCR數(shù)字電橋YD2810B測(cè)試線圈電感值4.2測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果振蕩頻率為86.7K，保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離x =10cm、輸入直流電壓U1=15V時(shí)，接收端輸出直流電流I2=0.5A，輸出直流電壓U2=14.4 V，無線電能傳輸裝置的效率=53.9%。 2、輸入直流電壓U1=15V，接收端負(fù)載為2只串聯(lián)LED燈（白色、1W）。在保持LED燈不滅的條件下，延長(zhǎng)發(fā)射線圈與接收線圈

22、間距離x，輸入直流電流達(dá)到0.97A時(shí)，LED燈剛好不熄滅，得到最大距離x=31cm。 3、自主發(fā)揮，輸入直流電壓U1=15V時(shí)，保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離x =10cm不變，通過測(cè)試不同負(fù)載的輸入輸出電流電壓得到不同距離的輸出效率。由表2可知，當(dāng)R=12時(shí)，無線電能傳輸裝置的效率最大63.1%。 表2 X=10cm 時(shí) 不同負(fù)載工作模式下輸出效率的情況 負(fù)載R()輸出I2(A)輸出U2(V)輸入I1(A)輸出功率P(W)效率51.557.11.3611.00553.9%81.3810.61.6214.62860.2%91.3511.71.7115.79561.6%101.34131.8817.4261.8%111.313.91.9118.0763.0%121.2714.9218.92363.1%151.2217.92.3121.83863.0%201.1121.92.6324.30961.6%251.0225.52.9126.0159.6%300.9528.93.1727.45557.7%350.89