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：2015.2.052015.5.18系部：電氣與電子工程系專業(yè)：供用電技術(shù)班級(jí)：1202161名:指導(dǎo)教師： VI綜合比較以上兩種方法，選擇方案二。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娦裕O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。發(fā)射線圈

2、的選擇方案一：多層同心銅芯線圈。方案二：?jiǎn)螌油膱A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。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

3、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。發(fā)射模塊分析與計(jì)算信號(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)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

4、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，1.1f-輸出脈沖的寬度將減小。5腳CT產(chǎn)生的振蕩頻率為osRtCt（RT為6腳輸出，CT為5腳輸出）。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：02冗LLC（L為電感感值，C為電容容值）。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

5、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。n=022xioo%該無線電能傳輸裝置的效率n：UiIi（ui為輸入電壓，U2為輸出電壓，I1為輸入電流，12為輸出電流）。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202cm，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100四H，由LC串聯(lián)諧振，得到電容值為3300p，因此諧振頻率約為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

6、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。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)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

7、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0.5

8、V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)誤差放大器具有從一0.3V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。TI494批閑輸出狀態(tài)笆制i113n工-J&7區(qū)RTI494批閑輸出狀態(tài)笆制i113n工-J&7區(qū)R死振藩器0Q觸發(fā)耦CkQ北區(qū)時(shí)同化準(zhǔn)電壓發(fā)生.愚112OC比收淵1isurd69aid比我罌2基電電壓工圖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)生電路驅(qū)動(dòng)電路功率MOSFET的使用功率M

9、OSFET,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)速度快，工作頻率可達(dá)1MHz,不存在二次擊穿問題，安全工作區(qū)寬。.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)I：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)H：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)山：當(dāng)漏源電壓UDS過高時(shí)

10、，使漏極PN結(jié)發(fā)生雪崩擊穿，漏極電流ID會(huì)急劇增加。.柵極驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)及其要求觸發(fā)脈沖要具有足夠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。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，I

11、R2no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，其高端工作電壓可達(dá)500V,15V下靜態(tài)功耗僅H6mW；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；IR2no的保護(hù)功能包括輸入邏輯保護(hù)及輸出電

12、源欠電壓保護(hù)。輸入邏輯保護(hù)是當(dāng)功率電路發(fā)生過載、短路等故障時(shí)，檢測(cè)保護(hù)電路的輸出信號(hào)接入R2no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)。1R2I10內(nèi)部臬理框圖在本設(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

13、MOS管，見圖5。圖5IR2110驅(qū)動(dòng)全橋電路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)果測(cè)試方法與儀器1、測(cè)試方法用萬(wàn)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(wàn)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)，

14、負(fù)載正常工作。2、測(cè)試儀器本系統(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(wàn)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=14.4V,無線電能傳輸裝置的效率n=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

15、與接收線圈間距離乂，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=12Q時(shí)，無線電能傳輸裝置的效率最大n-63.1%。表2X=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12(A)輸出U2(V)輸入11a)輸出功率p(w)效率n51.557.11.3611.00553.9%81.3810.61.6214.62860.2%91.3511.71.7115.79561.6%101.34131.8

16、817.4261.8%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%350.8931.43.3327.94655.9%400.82333.3927.0653.2%實(shí)物制作圖片接收裝置pcb板致謝在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，我的指導(dǎo)老師給予了我很大的幫助，提供了相關(guān)的資料，對(duì)我的畢設(shè)作品給予了指導(dǎo)和支持。使我順利圓滿的完成了此次畢業(yè)設(shè)計(jì)。在此，向老師表示衷心的感

17、謝！同時(shí)，也要感謝學(xué)院提供計(jì)算機(jī)等設(shè)施，使我的設(shè)計(jì)得以順利完成。寒窗幾載，春花秋實(shí)。大學(xué)三年是我一生的重要階段，是學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)及提高各方面能力為以謀生發(fā)展的重要階段。從跨入大學(xué)的校門的那一刻起我就把這一信念做為人生的又一座右銘。古人云：預(yù)則立，不預(yù)則廢。祖先曾經(jīng)教導(dǎo)我們：一年之計(jì)在于春，一日之計(jì)在于晨。作為即將走向社會(huì)的我們又何嘗不是如此？一個(gè)沒有規(guī)劃的人生，就象一場(chǎng)沒有球門的足球賽，一場(chǎng)亂踢；一個(gè)沒有規(guī)劃的人生，就象一葉在茫茫大海上漫無目標(biāo)的小舟，隨波飄蕩。在我們即將走向社會(huì)的時(shí)候，我們必須對(duì)自己的職業(yè)生涯進(jìn)行規(guī)劃。羅素曾說：選擇職業(yè)就是選擇你自己的將來。因此我們要針對(duì)社會(huì)需要，結(jié)合自身的情況及早做好相應(yīng)準(zhǔn)備，為我們走向社會(huì)打下堅(jiān)實(shí)的基