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一種新穎的無(wú)接觸充電電路,Wireless battery Charger

454398 ? 2018-09-20 19:49 ? 次閱讀

一種新穎的無(wú)接觸充電電路,Wireless battery Charger

關(guān)鍵字:一種新穎的無(wú)接觸充電電路

摘要:介紹了一種通過(guò)電磁耦合的無(wú)接觸充電電路。詳述了電路的基本結(jié)構(gòu)和控制策略,分析了電路中可能存在的問(wèn)題并給出了解決方案。最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)。

引言

自從1840年科學(xué)家揭示電磁感應(yīng)現(xiàn)象及可用導(dǎo)線傳輸電能至今,電能的傳輸主要是由導(dǎo)線直接接觸進(jìn)行的。電工設(shè)備的充電一般是通過(guò)插頭和插座來(lái)進(jìn)行的,但是在進(jìn)行大功率充電時(shí),這種充電方式存在著高壓觸電的危險(xiǎn),給人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了不安全因素,因此,實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)和電氣設(shè)備之間沒有導(dǎo)體接觸,自然成為電能傳輸?shù)闹匾芯糠较蛑?。新型無(wú)接觸能量傳遞技術(shù)利用了變壓器進(jìn)行能量傳輸不受速度影響這一優(yōu)點(diǎn),并將傳統(tǒng)變壓器的感應(yīng)耦合磁路分開,初、次級(jí)繞組分別繞在不同的磁性結(jié)構(gòu)上,從而在電源和負(fù)載單元之間實(shí)現(xiàn)不需要物理連接的能量耦合。

本充電電路采用了開關(guān)電源技術(shù)和新型無(wú)接觸能量傳遞技術(shù),在工頻220V輸入下,得到穩(wěn)定的直流12V輸出用于給蓄電池充電。

1 主電路結(jié)構(gòu)

主電路如圖1所示,工頻220V輸入經(jīng)全橋整流后,先通過(guò)常規(guī)的半橋逆變電路,再通過(guò)無(wú)接觸式的隔離變壓器隔離輸入級(jí)和輸出級(jí)。輸出級(jí)采用全波整流,并通過(guò)LC濾波器濾除高頻紋波,最后輸出直流12V的電壓。半橋電路采用的開關(guān)管S1和S2為高頻MOS管IRF840,為了解決高頻開關(guān)電源常有的開關(guān)損耗和噪聲等問(wèn)題,電路中采用了串聯(lián)諧振的拓?fù)?,利用開關(guān)管外并的電容C3與C4、串聯(lián)的電感Lr和變壓器的漏感諧振,這樣流過(guò)高頻MOS管的電流為正弦波,利用在正弦波過(guò)零時(shí)間開通MOS管,實(shí)現(xiàn)了零電壓的軟開關(guān)技術(shù),大大降低了開關(guān)損耗。同時(shí)流過(guò)反并二極管的正弦電流使二極管上的電流變換率變得很小,縮短了反向恢復(fù)時(shí)間,有利于MOS管的開通和關(guān)斷。



2 控制原理與結(jié)構(gòu)

本電路的控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,控制芯片采用的是準(zhǔn)諧振變換器控制器UC3861,由它產(chǎn)生兩路寬度固定,頻率可變的方波脈沖,再通過(guò)專用MOS管驅(qū)動(dòng)芯片IR2110驅(qū)動(dòng)S1和S2。

圖2中UC3861和IR2110的供電都由隔離變壓器的輔助繞組提供(見圖1),與Vcc相連。UC3861屬于調(diào)頻控制芯片,頻率變化范圍由腳Range、Rmin和Cvco組成的壓控振蕩器確定。當(dāng)誤差放大器的輸出增大時(shí),頻率也變大,反之亦然。UC3861能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)技術(shù),在Zero端加入電流互感器檢測(cè)到的諧振電流(見圖1),當(dāng)電流過(guò)零時(shí),芯片將開通輸出信號(hào),開通MOS管,實(shí)現(xiàn)零電壓開通。在零電壓開關(guān)諧振變換器中,開關(guān)頻率升高時(shí),變換器輸出電壓將降低。因此,誤差放大器的反相輸入端加入基準(zhǔn)電壓,同相輸入端加入反饋電壓。由于輸入級(jí)和輸出級(jí)是無(wú)接觸的,所以反饋電壓不能直接從輸出端接入,而把輔助供電電壓(輸出電壓經(jīng)輔助變壓器變壓)直接加到同相輸入端,以達(dá)到閉環(huán)控制。

3 磁放大器用于次級(jí)穩(wěn)壓

對(duì)充電電路來(lái)說(shuō),輸出電壓的穩(wěn)定尤其重要,而具有隔離的初級(jí)和次級(jí)單元的無(wú)接觸系統(tǒng)的設(shè)計(jì),意味著次級(jí)電流不能直接進(jìn)行控制,本電路在輸出端加入磁放大器用于穩(wěn)壓。

磁放大器主要由非晶合金做成,它的磁滯回線相當(dāng)窄,未飽和時(shí)的電感比飽和時(shí)的電感至少大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。它的工作原理如圖3所示,當(dāng)控制電流很小時(shí),磁放大器未飽和,它的電感可視為無(wú)窮大,電路相當(dāng)于斷路,電流無(wú)法通過(guò)。隨著控制電流的增大,磁放大器趨于飽和,電感量可視為零,電路相當(dāng)于短路。所以磁放大器用于穩(wěn)壓時(shí),可視為一個(gè)磁性PWM開關(guān)。

磁放大器用于次級(jí)穩(wěn)壓的電路如圖4所示,圖中MA1和MA2為磁放大器,它與整流二級(jí)管串聯(lián),有利于消除二極管反向恢復(fù)過(guò)程中電流變化過(guò)快而產(chǎn)生的噪聲。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)以上分析,設(shè)計(jì)了一個(gè)輸出為20W左右的無(wú)接觸充電電路,參數(shù)如下:諧振電感Lr=5.48mH,諧振電容C3=C4=680pF,變壓器采用E型磁芯E55一對(duì),原副邊繞組分開繞在骨架的兩端,加1mm氣隙,漏感為0.105mH。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

(a)驅(qū)動(dòng)電壓波形和開關(guān)管vDS波形

(b)開關(guān)管vDS波形和直流12V輸出波形

從圖5可以看出,開關(guān)管上實(shí)現(xiàn)了零電壓開通,開關(guān)損耗很小,且直流輸出12V非常穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

本文分析了實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸充電系統(tǒng)的意義,并對(duì)無(wú)接觸充電系統(tǒng)的主電路和控制電路進(jìn)行了分析,提出了一種將磁放大器用于次級(jí)穩(wěn)壓的電路拓?fù)?,既穩(wěn)定了直流輸出,又改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以上的設(shè)計(jì)。

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