基于松耦合變壓器的小功率CPT系統(tǒng)

于建閣，呂干云，吳張勇，齊立鵬

(浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江 金華321004)

1 引言

非接觸電能傳輸(CPT)泛指一切借助某種載體實現(xiàn)無直接電氣接觸的電能傳輸。由于不存在物理上的接觸它具有無裸露導(dǎo)體、無接觸火花、防水等特點，可以使充電安全便捷地進(jìn)行，因此成為電能傳輸領(lǐng)域的一大研究熱點［1］。目前實現(xiàn)電能非接觸傳輸主要有四種方式:無線電波、微波、非輻射性諧振磁耦合和電磁場近場感應(yīng)耦合［2］。前三種方式實現(xiàn)難度都較大，目前最有效的實現(xiàn)方式是第四種方式。以新西蘭奧克蘭大學(xué)Boys教授為首的課題組率先提出了基于電磁場近場耦合原理的非接觸電能傳輸技術(shù)，即感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)［3］。本文以感應(yīng)耦合電能傳輸理論為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種基于松耦合變壓器的小功率CPT系統(tǒng)，初級回路和次級回路之間采用有芯平面PCB螺旋電感線圈耦合。系統(tǒng)體積很小，次級回路可內(nèi)嵌于手機(jī)、MP4等，省掉了帶很多充電器的麻煩，減少了環(huán)境污染，同時更安全更便捷。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 理論分析

感應(yīng)耦合電能傳輸是通過高頻磁場進(jìn)行能量交互的，通過松耦合變壓器的原邊和副邊線圈間的電磁場近場耦合實現(xiàn)電能從電源系統(tǒng)以非電氣直接接觸的方式向一個或多個用電設(shè)備傳輸電能。松耦合變壓器的原、副邊是分離的，氣隙大，漏感大，因此不能采用理想變壓器模型來描述原、副邊繞組電流電壓關(guān)系，一般采用互感模型?；ジ心Ｐ褪且环N描述原、副邊繞組電磁耦合關(guān)系的電路模型。它使用感應(yīng)電壓和反應(yīng)電壓的概念來描述變壓器原、副邊繞組的耦合關(guān)系，感應(yīng)電壓和反應(yīng)電壓都通過互感來表達(dá)［4］。松耦合變壓器串聯(lián)—并聯(lián)補(bǔ)償互感模型如圖1所示。

圖1 松耦合變壓器串聯(lián)—并聯(lián)補(bǔ)償互感模型Fig.1 Series-parallel compensated mutual inductance model of loosely coupled transformer

松耦合變壓器的互感 M［5］:

其中，K為工程上定義的耦合電感的耦合系數(shù)，K≤1。耦合系數(shù)K表示變壓器原、副邊繞組的耦合程度，與變壓器鐵芯材料、繞組的相對位置及氣隙大小有關(guān)。非接觸電能傳輸?shù)男逝c這些因素及線圈電感值都有關(guān)系。非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中的漏感限制了其傳輸?shù)挠泄β?，一般采用補(bǔ)償容抗來平衡電路中的感抗。本CPT系統(tǒng)用于充電場合，副邊輸出電流在負(fù)載變化時最好不變，故副邊采用電容并聯(lián)補(bǔ)償，原邊一般采用電容串聯(lián)補(bǔ)償。由參考文獻(xiàn)［4］知，副邊并聯(lián)補(bǔ)償電容:

原邊串聯(lián)補(bǔ)償電容:

其中，ω =2πf，f為系統(tǒng)頻率。

2.2 松耦合變壓器的制作

考慮到便于攜帶等因素，松耦合變壓器繞組的電感線圈體積也要盡量小。采用PCB板來制作線圈，體積可以做得很小，磁損耗也可減小，而且利用印刷工藝的準(zhǔn)確性，可嚴(yán)格控制電感線圈的各個主要參數(shù)［6］。制作雙面的線圈，并加高磁導(dǎo)率磁芯，則可進(jìn)一步增大電感量減小電路的尺寸。

PCB線圈的繞線形狀有矩形、圓形、八邊形等，其中矩形與圓形最常見，因為矩形線圈易于制作、電感個體參數(shù)可控性好，而圓形繞線則可提高品質(zhì)因數(shù)Q。具體制作時使用AutoCAD和Altium Designer結(jié)合繪制其繞線圖。制作雙面線圈時應(yīng)使其磁通處于疊加的狀態(tài)。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。具體在設(shè)計時，參考文獻(xiàn)［6-8］，不斷調(diào)整線圈的外半徑、線寬、線間隔及圈數(shù)，在外徑較小時獲得較大的電感值，并不斷試驗進(jìn)行驗證。

圖2 平面PCB螺旋電感線圈結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of planar PCB spiral coil

最終制作的原邊繞組線圈以螺旋形印制在圓形PCB板上下兩面，PCB板半徑20mm。線寬1mm，兩線之間間隔0.5mm，每面8圈，共16圈。中間加有高磁導(dǎo)率的小圓柱體磁芯，小磁芯半徑5mm。線圈下面還加有一層低磁導(dǎo)率的薄圓柱體磁芯。實測電感值為13μH。副邊繞組結(jié)構(gòu)和原邊一樣，PCB板半徑12.5mm，也加有相同的高磁導(dǎo)率小磁芯和一層低磁導(dǎo)率的薄圓柱體磁芯。圈數(shù)是每面4圈，共8圈。實測電感值為6μH。

2.3 發(fā)射波形及頻率的選擇

發(fā)射波形一般有三種選擇，正弦波、方波和三角波。方波幅值與有效值為1∶1的關(guān)系，就是說在相同有效值的情況下，方波幅值在三種波形中最小，利于電路設(shè)計。能量傳輸介質(zhì)是空氣，磁化曲線近似為直線，耦合系數(shù)K與信號特性無關(guān)，松耦合變壓器材料尺寸等參數(shù)確定后，電流變化快慢決定了感生電動勢的大小。但發(fā)射頻率也不是越高越好，一是電路器件的制約，二是線圈電氣特性的變化。經(jīng)過反復(fù)試驗，最終確定發(fā)射方波頻率在266kHz時用制作的松耦合變壓器傳輸能量效率最高。

2.4 系統(tǒng)具體實現(xiàn)

CPT系統(tǒng)由初級回路和次級回路組成，間距典型值為2mm。初級回路包括方波發(fā)生、功率放大、原邊補(bǔ)償和松耦合變壓器原邊繞組三部分;次級回路包括松耦合變壓器副邊繞組、副邊補(bǔ)償、整流濾波穩(wěn)壓和小功率用電設(shè)備三部分。圖3為CPT系統(tǒng)實現(xiàn)框圖。

圖3 CPT系統(tǒng)實現(xiàn)框圖Fig.3 Implementation block diagram of CPT system

初級回路電路如圖4所示。方波產(chǎn)生采用TI公司的集成施密特觸發(fā)器 CD40106BE。參照CD40106BE的芯片資料進(jìn)行電路設(shè)計與參數(shù)計算。VDD=3V 時，取 C=100pF，計算得 R=36.5kΩ，經(jīng)試驗R最終取 36kΩ，可以得到峰峰值為 3V頻率266kHz的方波。功率放大選擇TI大電流高速運(yùn)算放大器 OPA561。OPA561帶寬 17MHz，壓擺率50V/μs，最大輸出電流1.2A，可以滿足功率要求。限制電流ILIM=600mA時，代入式(4)，得出RCL值為10kΩ。

經(jīng)OPA 561放大后可輸出峰峰值12V的方波。氣隙大小為2mm時，耦合系數(shù) K=0.94，由式(1)～式(3)，可得C1=236nF，C2=59nF。經(jīng)過反復(fù)試驗最終確定C1=220nF，C2=68nF時，電能傳輸效率最高。注意OPA561為 HTSSOP-20微小貼片封裝，底部帶有金屬散熱片。在輸出較大電流時發(fā)熱嚴(yán)重，應(yīng)注意散熱。PCB制板時可采用大面積覆銅幫助OPA 561散熱。

圖4 初級回路電路圖Fig.4 Circuit of primary side

次級回路電路如圖5所示。由于接收到的波形仍為266kHz方波，采用半波整流效率更高。半波整流采用肖特基二極管IN5819，經(jīng)過濾波穩(wěn)壓得到直流5V電壓輸出。

圖5 次級回路電路圖Fig.5 Circuit of secondary side

3 數(shù)據(jù)測試與分析

在松耦合變壓器原邊繞組和副邊繞組間距2mm時進(jìn)行測試，次級回路接負(fù)載電阻，輸出DC5V電壓，300mA電流時，初級回路發(fā)射功率為1.98W，電能傳輸效率可達(dá)75.8%。原邊繞組和副邊繞組間距越大，效率越低。間距在5mm以內(nèi)時效率在60%以上，可以為手機(jī)等小功率用電設(shè)備充電。間距大于5mm時，耦合系數(shù)K急劇下降，互感M急劇下降，電能傳輸效率變得很低。當(dāng)負(fù)載改變時系統(tǒng)發(fā)射、接收功率調(diào)整問題還需進(jìn)一步研究。另外，還可在初級回路采用霍爾傳感器實現(xiàn)能量發(fā)射控制，使系統(tǒng)具備待機(jī)功能。

4 結(jié)論

本文實現(xiàn)的基于松耦合變壓器的非接觸電能傳輸系統(tǒng)電路簡單，體積小，效率較高，在5mm距離內(nèi)可以為手機(jī)等小功率用電設(shè)備充電，有一定的實用價值。

［1］鄭穎楠，陳紅，張西恩(Zheng Yingnan，Chen Hong，Zhang Xien).非接觸電能傳輸系統(tǒng)的松耦合變壓器實驗研究(Experimental research of loosely coupled transformer in contactless power transfer system)［J］.電工電能新技術(shù) (Adv.Tech.of Elec.Eng.＆ Energy)，2011，30(1):64-68.

［2］李月朗(Li Yuelang).基于松耦合變壓器的無線供電充電器技術(shù)研究(Study of wireless power technology battery charger based on loose coupling transformer)［D］.長沙:湖南師范大學(xué)(Changsha:Hunan Normal University)，2008.5-15.

［3］Green A W，Boys J T.10kHz inductively coupled power transfer-concept and control［A］.Fifth International Conference on Power Electronics and Variable-Speed Drives［C］.1994.694-699.

［4］詹厚劍，吳杰康，趙楠，等(Zhan Houjian，Wu Jiekang，Zhao Nan，et al.).非接觸感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)松耦合變壓器參數(shù)設(shè)計(Parametric design for loosely coupled transformer in contactless inductive power transfer system)［J］.現(xiàn)代電力 (Modern Electric Power)，2009，26(1):41-43.

［5］邱關(guān)源(Qiu Guanyuan).電路(Circuit)［M］.第五版(Fifth Edition).北京:高等教育出版社 (Beijing:Higher Education Press)，2006.252-256.

［6］唐曉莉，蘇樺，張懷武(Tang Xiaoli，Su Hua，Zhang Huaiwu).一種新型無芯 PCB平面電感器研究 (Researches of a new coreless printed circuit board planar inductor)［J］.電子器件 (Chinese Journal of Electron Devices)，2002，25(4):319-323.

［7］董輝 (Dong Hui).基于小波矩量法的PCB平面螺旋電感研究(Research on the PCB planar spiral inductors based on wavelet-MOM)［D］.大連:大連海事大學(xué)(Dalian:Dalian Maritime University)，2008.60-80.

［8］崔永生，王世山，周小林，等(Cui Yongsheng，Wan Shishan，Zhou Xiaolin，et al.).利用平面線圈消除電容器寄生電感的影響 (Cancellation of parasitic inductance for filtering capacitor with planar windings)［J］.電工電能新技術(shù) (Adv.Tech.of Elec.Eng.＆ Energy)，2010，29(1):47-48.