大功率水下無線供電裝置設(shè)計

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(武漢理工大學(xué) a.能源與動力工程學(xué)院；b.國家水運安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430063)

自主式水下航行器(AUV)、有纜遙控水下航行器(ROV )等水下航行器多采取蓄電池供電或電纜供電方式。一方面，這兩種供電方式或是限制了水下航行器的活動范圍，或是限制了水下航行器的工作時間；另一方面，這兩種供電方式都會增加水下航行器的維護成本，比如，有纜水下供電的水下航行器，電纜需要維護，蓄電池供電的水下航行器，需要打撈充電再行投放?；谝陨显?，國際學(xué)術(shù)界和工程界提出了水下無線供電方案[1]。目前，水下無線供電技術(shù)還處于起步發(fā)展階段，其研究多集中于感應(yīng)耦合式方案，傳輸距離在1 cm以內(nèi)，傳輸功率在千瓦級以下[2-3]，離實用化還有一定距離。為此，考慮采用磁耦合諧振式水下無線供電方案，保證較高的傳輸距離；采用雙E類功放電路，同時進行元器件參數(shù)優(yōu)化，提高水下無線供電裝置的無線電能輸出能力、輸出可靠性以及傳輸效率。

1 系統(tǒng)整體構(gòu)成

水下無線供電裝置原理見圖1。

主要由雙E類功放電路和驅(qū)動電路組成的發(fā)射電路、耦合裝置、負載、MCU控制模塊組成。MCU控制模塊采用STM32F103芯片作為控制核心，同時產(chǎn)生兩路互補的脈沖信號，為驅(qū)動電路提供弱電脈沖信號。驅(qū)動電路采用MOSFET高速驅(qū)動光耦組成，將來自MCU控制模塊的弱電脈沖信號與MOSFET柵極進行電氣隔離，并以適當(dāng)?shù)碾妷悍递敵?。發(fā)射電路由雙E類功放電路及其驅(qū)動電路組成，雙E類功放電路作為高頻逆變電路，由直流電源供電，驅(qū)動電路發(fā)出脈沖信號驅(qū)動雙E類功放電路中的MOSFET開關(guān)管工作，產(chǎn)生高頻交流電。耦合裝置由接收線圈、發(fā)射線圈、諧振電容組成，發(fā)射電路發(fā)出的高頻交流電流過耦合裝置發(fā)射端，激發(fā)磁場，磁場能量再通過耦合裝置接收端接收，轉(zhuǎn)化為電能，對負載進行供電。如果負載是直流負載，則需要考慮添加快恢復(fù)二極管組成的快速整流濾波電路。高頻電流下使用普通二極管整流，會降低整流效率。

2 水下無線供電裝置模型分析

水下無線供電裝置采用磁耦合諧振式無線電能傳輸技術(shù)，其經(jīng)過簡化后的模型見圖2。

設(shè)諧振線圈間的互感為M，耦合系數(shù)為k。LT、LR、M、k之間的關(guān)系為

(1)

根據(jù)基爾霍夫定律，耦合裝置接收端、發(fā)射端的電壓向量方程可表示為

(2)

式中：IT、IR為流過發(fā)射線圈、接收線圈的電流大??；ω為高頻交流電源的角頻率。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生諧振時，式(2)中的電感、電容電壓數(shù)值相等，發(fā)射線圈、接收線圈電流IT、IR可表示為

(3)

由式(3)計算得到圖2中的RRequ為

(4)

3 硬件電路設(shè)計

電路設(shè)計原理見圖3。

驅(qū)動電路負責(zé)提供脈沖信號Vgs1、Vgs2，驅(qū)動MOSFET開關(guān)管，使雙E類功放電路正常工作。雙E類功放電路將直流電逆變成高頻交流電，激發(fā)電磁場，經(jīng)過由漆包線線圈和諧振電容組成的耦合裝置的電磁轉(zhuǎn)換，為負載提供電能，實現(xiàn)大功率水下無線供電。

3.1 雙E類功放電路

雙E類功放電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。S1～S4為MOSFET開關(guān)管;L1、L2為高頻扼流電感，C1、C2為旁路并聯(lián)電容;L3、C3共同起到濾波作用;Vgs1和Vgs2是互補的脈沖信號源。雙E類功放電路是一種推挽式E類功放電路。兩路并聯(lián)的MOSFET開關(guān)管共同承擔(dān)電路激發(fā)的交流電壓的峰峰值，交替為接收負載提供高頻電流，使其輸入功率提高3倍，同時每路并聯(lián)2個MOSFET開關(guān)管，以進一步提高輸出功率[4]。高頻扼流電感L1、L2電感值較大，可以認為其提供的是近似恒定的直流電流。

如圖4所示：Vgs1、Vgs2為驅(qū)動脈沖信號；Vds1、Vds2分別為MOSFET開關(guān)管兩路漏-源極電壓；VL為接收端負載電壓。雙E類功放電路工作可以看作兩個階段，第1支路MOSFET開關(guān)管S1、S2由開通轉(zhuǎn)向關(guān)斷，第2支路MOSFET開關(guān)管S3、S4由關(guān)斷轉(zhuǎn)向開通。當(dāng)驅(qū)動脈沖信號的電壓大于MOSFET開關(guān)管的開啟電壓時，MOSFET開關(guān)管飽和導(dǎo)通，反之，MOSFET開關(guān)管截止。由于當(dāng)MOSFET開關(guān)管飽和導(dǎo)通時，MOSFET開關(guān)管的飽和導(dǎo)通電阻較小，漏-源極電壓極小，而漏極電流有先上升后下降的過程，截止時，漏極電流為零。漏-源極電壓視負載而定，漏-源極電壓和漏極電流交錯出現(xiàn)，開關(guān)管功耗損失不大，因而理性的雙E類功放電路效率接近100%。

由以上分析可知，理性的雙E類功放電路工作需要滿足：MOSFET開關(guān)管完全關(guān)斷后，其漏-源極電壓才開始變化，MOSFET開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，其漏-源極電壓為零，且其變化率為零，漏-源極電壓ZVS和ZDS導(dǎo)通。

雙E類功放電路需要設(shè)計合適的參數(shù)，才能達到良好工作狀態(tài)。根據(jù)文獻[5]，需要先選定負載支路的負載品質(zhì)因數(shù)QL,QL一般取值在5～20之間。取值過小，會增大電路損耗，取值過大，會影響電路功率輸出。QL的定義為

QL=ωL/R

(5)

由此可以得到濾波電感L3值，其中R=RRequ。

L3=QLR/ω

(6)

根據(jù)Raab條件[6]，雙E類功放電路工作在最佳狀態(tài)時，負載網(wǎng)絡(luò)阻抗角θ=49.052°，可得到阻抗關(guān)系，同時由式(7)可得濾波電容C3。

(7)

C3=1/ω(ωL3-Rtanθ)

(8)

為確保滿足MOSFET開關(guān)管實現(xiàn)ZVS、ZDS軟開關(guān)運行條件，并聯(lián)旁路電容C1、C2的電容值如果選值較小，MOSFET開關(guān)管的漏源極峰值電壓增加，會對MOSFET開關(guān)管產(chǎn)生較大的電壓應(yīng)力；反之，如果選值過大，會影響水下無線供電裝置的功率輸出，其數(shù)值可運用下式進行計算。

C1=C2=4/[(1+π2/4)πωR]-2×Coss(9)

式中：Coss為MOSFET開關(guān)管的寄生輸出電容。

高頻扼流電感L1、L2使得輸入電流近似于直流，理論上其數(shù)值越大越好，實際上其數(shù)值一般滿足下式即可。

L1=L2≥10/ω2C1

(10)

3.2 驅(qū)動電路設(shè)計

MCU控制模塊的GPIO口輸出脈沖方波信號不能直接和MOSFET開關(guān)管相連柵極相連，需要進行弱電和強電的電氣隔離。常用PC817、TLP521等線性光耦進行電氣隔離，但是線性光耦傳輸速度較慢，延遲較高。當(dāng)輸入信號頻率較高時，輸出信號會發(fā)生畸變，影響系統(tǒng)精度。高頻MOSFET驅(qū)動需要選用專用的MOSFET高速驅(qū)動光耦，如6N137、HCPL-3 120等。

雙E類功放電路中MOSFET開關(guān)管的驅(qū)動電路見圖5。芯片6N137為MOSFET高速驅(qū)動光耦，隔離電壓可達2 500 V，轉(zhuǎn)換速率高達10 Mbit/s。MCU控制模塊的GPIO口輸出脈沖方波信號后，經(jīng)電阻R1輸入到MOSFET驅(qū)動光耦芯片6N137的2腳上，6腳輸出。經(jīng)柵極電阻R2與MOSFET開關(guān)管相連柵極。電阻R3主要是為MOSFET開關(guān)管靜電釋放提供通道，穩(wěn)壓二極管D2可將驅(qū)動電壓限制在20 V以內(nèi)。

3.3 耦合裝置設(shè)計

耦合裝置依據(jù)線圈和諧振電容的連接方式，共有4種類型，即串-串式、串-并式、并-并式、并-串式。水下無線供電裝置的耦合裝置采用串-串式，其效率相對較高，對元器件耐壓值要求也相對較低[7]。如圖2所示，耦合裝置由發(fā)射線圈LT、接收線圈LR及其附屬的諧振電容CT、CR組成，其數(shù)值關(guān)系滿足關(guān)系式(11)。諧振電容CT、CR一般選用耐壓值較高的CBB電容、云母電容或瓷片電容，其中云母電容高頻特性較好[8]。依據(jù)文獻[9],耦合裝置線圈周圍需要使用環(huán)氧樹脂，以減少水下無線供電裝置在海水中工作時的能量損失。

LTCT=LRCR=1/ω2

(11)

其中諧振線圈LT、LR采用漆包線纏繞的空間螺旋式結(jié)構(gòu)，其自感為[10]

(12)

在LT、LR參數(shù)相近的情況下，互感M為

(13)

式中：N表示諧振線圈匝數(shù)，r代表諧振線圈半徑，a代表諧振線圈導(dǎo)線半徑，D代表兩諧振線圈間的距離，μ0為真空磁導(dǎo)率。

考慮到集膚效應(yīng)，其線圈材料Q值并非越高越好。

4 仿真分析

在Multisim中建立仿真模型，見圖2?；鶞?zhǔn)參數(shù)：雙E類功放電路輸入電壓為120 V，MOSFET開關(guān)管開關(guān)頻率f=1 MHz，占空比D=0.5，雙E類功放電路工作ZVS和ZDS條件下的電阻RRequ=10 Ω，負載支路的品質(zhì)因數(shù)QL=6。結(jié)合相關(guān)公式，先確定發(fā)射線圈、接收線圈的設(shè)計參數(shù)，驗證線圈電感參數(shù)的可行性，再計算仿真模型參數(shù)，驗證水下無線供電裝置的可行性。相關(guān)結(jié)果見表1和表2。其中MOSFET開關(guān)管選用Infineon公司出品的IPW90R340C3大容量MOSFE開關(guān)管，其漏源極擊穿電壓為900 V，導(dǎo)通電阻為0.34 Ω，最大連續(xù)漏極電流為15 A(25 ℃下)，最大耗散功率為208 W。

表1 發(fā)射線圈、接收線圈設(shè)計參數(shù)

表2 仿真模型參數(shù)

第1支路驅(qū)動信號Vgs1及其MOSFET開關(guān)管S1漏源極電壓Vds1、第2支路驅(qū)動信號Vgs2及其MOSFET開關(guān)管S3漏源極電壓Vds3如圖6所示。

從圖6可看出，MOSFET開關(guān)管開通之前，S1、S3漏源極電壓Vds1、Vds3已經(jīng)降為零,由于并聯(lián)輸出S2、S4與之相同，表明該條件下，水下無線供電裝置中的雙E類功放電路已經(jīng)實現(xiàn)軟開關(guān)，電路損耗降低，有助于提高無線電能傳輸效率。

通過使用Multisim自帶的功率計測量，得到其輸入功率為1.64 kW，輸出功率為1.55 kW，效率為94.5%。經(jīng)示波器測量，發(fā)射線圈的諧振電容CT電壓峰值約為3 500 V，接收線圈的諧振電容CR電壓峰值約為583 V，濾波電容C3的電壓峰值為588 V，旁路電容C1、C2電壓峰值約為457 V，實際設(shè)計中水下無線供電裝置應(yīng)使用耐壓值為35 kV的瓷片電容。經(jīng)電流電壓探針測量，電路干路電流約為13.6 A，實際設(shè)計中高頻電感線圈應(yīng)該使用最大電流值為20 A的高導(dǎo)錳鋅磁環(huán)線圈。

計算和仿真比較表明，選用不同的MOSFET開關(guān)管，由于其參數(shù)特性不一樣，水下無線供電裝置的電路輸出功率等參數(shù)也會不一樣，但一般而言，要優(yōu)先選用高耐壓、漏極連續(xù)電流允許值較大、寄生輸出電容較小的MOSFET開關(guān)管。另外，由于不同電路參數(shù)下，MOSFET開關(guān)管的寄生輸出電容不一樣，旁路電容的取值需要進行調(diào)整。旁路電容在一定范圍內(nèi)取值減小，電路輸入輸出功率、傳輸效率均上升，但MOSFET開關(guān)管漏源極電壓會升高。當(dāng)旁路電容取值過小時，不能實現(xiàn)MOSFET開關(guān)管ZVS、ZDS軟開關(guān)導(dǎo)通，也可能會擊穿MOSFET開關(guān)管；旁路電容取值過大，旁路電容不能完全釋放電荷，電路損耗增加，MOSFET開關(guān)管漏源極電壓峰值和有效值減小，電路輸入輸出功率、傳輸效率都會下降。

5 結(jié)論

該水下無線供電裝置，可有效解決水下航行器等海洋機電設(shè)備傳統(tǒng)濕拔插接口供電成本昂貴、可靠性差以及活動距離受限等問題，可為海洋機電設(shè)備提供充裕的無線供電距離和較大的傳輸功率。

[1] BRADLLEY A M, FEEZOR M D, SINGH H, et al. Power systems for autonomous underwater vehicles[J]. IEEE Journal of oceanic engineering,2001,26(4):526-538.

[2] 張凱.非接觸供電技術(shù)及其水下應(yīng)用研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),2008.

[3] 李澤松.基于電磁感應(yīng)原理的水下非接觸式電能傳輸技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué),2010.

[4] 劉鋒.基于MOSFET高頻大功率逆變電源主電路拓撲結(jié)構(gòu)的研究[D].西安：西安理工大學(xué),2004.

[5] 薛偉民,戴衛(wèi)力,唐偉,等.基于E類放大器的無線電能傳輸系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計與仿真[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013,13(22):6460-6463.

[6] 王振亞.諧振式無線電能傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[D].廣州：華南理工大學(xué),2015.

[7] 鄧亞峰.無線供電技術(shù)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2013.

[8] 楊慶新,張獻,李陽.無線電能傳輸技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014.

[9] 陳葉銘.水下中大功率感應(yīng)耦合電能傳輸系統(tǒng)研制[D].杭州：杭州電子科技大學(xué),2015.

[10] SON H C, KIM J W, PARK Y J, et al. Efficiency analysis and optimal design of a circular loop resonant coil for wireless power transfer[C]∥Microwave Conference Proceedings. IEEE, 2011:849-852.

[11] FOTOPULOU K, FLYNN B W. Optimum antenna coil structure for inductive powering of passive rfid tags[C]∥IEEE International Conference on Rfid. IEEE,2007:71-77.