磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)電路設(shè)計

張新亮，武凱偉

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226007）

電動汽車充電常用的模式包括充電樁充電和車載充電機(jī)充電，具體情況如圖1 和圖2 所示。對比分析可知，兩種充電模式的差異為充電樁充電為380 V 三相電，因而功率較大，速度快，而車載充電機(jī)為220 V 電源。連接時二者都為電導(dǎo)線直連模式，容易磨損，大幅增加了電火花出現(xiàn)的可能性，也不利于使用和維護(hù)。無線充電技術(shù)可有效避免這些問題，同時為電動汽車便捷充電提供可靠支持。目前，在電動車充電領(lǐng)域，基于磁耦合諧振式的無線充電技術(shù)開始受到關(guān)注，且在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出防水防塵、接口免維護(hù)等性能優(yōu)勢，同時與此相關(guān)的研究也在不斷增加，因而這種充電模式具有廣闊的應(yīng)用前景。本文對這種充電技術(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計了相應(yīng)的整流濾波電路，以期為其進(jìn)一步應(yīng)用推廣提供支持。

1 整流濾波電路設(shè)計

電器系統(tǒng)中，這種電路的主要作用是將交流電轉(zhuǎn)換成脈沖電流。根據(jù)形式進(jìn)行劃分，整流電路可劃分為半波、橋式和倍壓整流電路等幾種。半波整流電路類型結(jié)構(gòu)簡單，輸出電壓和效率相對較低，存在一定的應(yīng)用局限性。橋式整流電路中設(shè)置了4 個二極管，在充電過程中充分利用交流電壓，因而效率高。此外，各二極管在運(yùn)行過程中承受的反向峰值電壓很小，因此也提升了系統(tǒng)安全性。倍壓整流電路則引入了濾波電容，因而輸出電壓很高，在大負(fù)載條件下有較高的適應(yīng)性［1］。本文在研究時對比分析后選擇了橋式整流電路，結(jié)構(gòu)原理如圖3 所示。

本系統(tǒng)選擇MDQ100-16 整流模塊進(jìn)行整流，整流性能強(qiáng)，可滿足此方面的整流要求。

2 濾波電容的選擇

整流后所得的電信號中還有很強(qiáng)的交流紋波，無法直接滿足應(yīng)用要求。因此，設(shè)計時引入濾波電容來消除紋波成分。濾波過程中，脈動直流上升期間進(jìn)行充電，短時間內(nèi)就可以充滿；在脈動電壓下降期間開始放電，對應(yīng)的放電時間很長，在電容剩余少量時開始再次充電。不斷進(jìn)行上述操作，從而實(shí)現(xiàn)濾波目的。進(jìn)行濾波處理后可確定負(fù)載兩端電壓值，即：

帶入電壓數(shù)值，確定整流后輸入全橋的電壓為：

在初級諧振回路中，濾波電容也可以充當(dāng)電源，且基于電感L1充電到諧振電容。圖4 顯示出對應(yīng)的等效電路情況。

圖4 中，C0、C1分別為濾波電容和諧振電容，L1為電感。因此，確定放電前后濾波電容的電壓之比為：

濾波電容在運(yùn)行過程中需要充當(dāng)電源為電路供電，這樣一段時間后其電壓降低。因此，為滿足直流電壓相關(guān)要求，應(yīng)該控制放電前后的電壓基本上接近，C0＞＞C1。本文在設(shè)計時為滿足這一要求，擬選擇濾波電容3 300 μF。

3 全橋逆變電路設(shè)計

3.1 全橋逆變電路的設(shè)計

從屬性角度看，這種電路屬于一種高頻逆變電路，在無線充電領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在充電過程中，它可以將直流電轉(zhuǎn)換為一定頻率的交流電。實(shí)際的應(yīng)用結(jié)果表明，這種電路的特征表現(xiàn)為抗干擾性好、效率高以及損耗小，對無線充電系統(tǒng)的性能起決定性作用，且與系統(tǒng)的輸出效率密切相關(guān)。這種充電技術(shù)的高頻逆變實(shí)現(xiàn)方式主要包括變換電路實(shí)現(xiàn)和功率放大器放大實(shí)現(xiàn)。變換電路實(shí)現(xiàn)方式的輸出功率高，但頻率一般不超過1 MHz；功率放大器模式則需要用到信號發(fā)生器而獲得較高頻率的信號，但設(shè)備復(fù)雜，影響其經(jīng)濟(jì)性［2］。

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圖5 顯示了全橋逆變電路的結(jié)構(gòu)情況，其中設(shè)置了4 個開關(guān)管。開關(guān)管的損耗增加，降低了流經(jīng)的電壓，可有效結(jié)合推挽拓?fù)浜桶霕蛲負(fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，更好地滿足大功率器件的應(yīng)用。為簡化分析，可將全橋逆變電路看作半橋逆變電路的組合結(jié)構(gòu)，對角線上的橋臂為一組。在運(yùn)行過程中，每組的橋臂同時導(dǎo)通，在交替通斷的基礎(chǔ)上得到滿足要求的交流信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的目的。全橋逆變的開關(guān)電流為半橋結(jié)構(gòu)的1/2，而輸出電壓則達(dá)到2 倍。這種情況下輸出功率提高，開關(guān)管受到的應(yīng)力降低。本文在設(shè)計時對比分析后選擇全橋逆變來實(shí)現(xiàn)高頻逆變電路的目的。

3.2 硬開關(guān)與軟開關(guān)

硬開關(guān)具體是指開關(guān)管DS 或CE 上的電壓在任意條件下強(qiáng)行通斷開關(guān)管時對應(yīng)的周期都為固定周期的開關(guān)管。在通斷過程中，這種開關(guān)的電壓和電流都非零，存在一定波形的交越區(qū)域，而此區(qū)域?qū)?yīng)的損耗被稱作開關(guān)損耗。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，在此損耗的影響作用下，電路效率會有一定幅度降低，且此過程中電流電壓變化速度大，對應(yīng)的波形也存在過沖，會引發(fā)開關(guān)噪聲，相關(guān)情況如圖6 所示。

在提升開關(guān)器件頻率特性方面，軟開關(guān)技術(shù)具有重要應(yīng)用。這種開關(guān)在運(yùn)行過程中基于諧振原理，而控制開關(guān)器件的電壓自然過零條件下對器件進(jìn)行通斷，以降低開關(guān)損耗，避免感性關(guān)斷、容性開通的缺陷。軟開關(guān)在工作過程中根據(jù)開關(guān)管的電流信號進(jìn)行控制，確保在開關(guān)管兩端電流為零的條件下進(jìn)行通斷控制，從而有效預(yù)防出現(xiàn)開關(guān)損耗的相關(guān)問題［3］，具體情況如圖7 所示。

本文在研究過程中引入了電流反饋?zhàn)约ぜ夹g(shù)，使得全橋電路處于零電流開關(guān)狀態(tài)下，明顯降低了對應(yīng)的開關(guān)損耗，可更好地滿足相關(guān)性能要求。

3.3 開關(guān)管的選擇

功率轉(zhuǎn)換電路中，最重要的組成單元為功率開關(guān)管。它可以逆變處理整流濾波后的電壓信號。本文在設(shè)計時根據(jù)電流參數(shù)選擇IGBT 作為全橋的開關(guān)管。IGBT 是組合BJT 和MOS 而形成的一種晶體管，在運(yùn)行過程中可實(shí)現(xiàn)全控型電壓驅(qū)動目的。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，它具有耐沖擊、開關(guān)速度快、高輸入阻抗、可靠性高以及適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。對比分析可知，這種晶體管導(dǎo)通時的飽和壓降明顯低于MOS 管。

這種功率管在應(yīng)用過程中需要注意電網(wǎng)及瞬間電壓峰值，因而應(yīng)該設(shè)置適當(dāng)?shù)脑Ａ俊Ｒ话闱闆r下，分析時可確定開關(guān)管的額定電壓：

本文在設(shè)計過程中對比分析后選擇的這種模塊型號為CM300DY-24H，結(jié)構(gòu)情況如圖8 所示。

分析圖8 可以看出，這種模塊的主要組成為兩個IGBT。其中，各晶體管在連接時都反向并聯(lián)恢復(fù)二極管，可避免關(guān)斷時的瞬時峰值電壓引發(fā)的損壞問題。模塊中還引入了系統(tǒng)裝配，可方便安裝和設(shè)置，且散熱性能好，將兩個這種模塊結(jié)合而形成全橋逆變電路。

3.4 全橋電路的優(yōu)化

根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用要求設(shè)計出全橋逆變電路，如圖9 所示。

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，相應(yīng)的電壓會瞬時大幅度增加。為避免出現(xiàn)開關(guān)管擊穿和全橋電路損壞問題，設(shè)置了瞬態(tài)抑制二極管。運(yùn)行過程中，這種二極管可短時間內(nèi)耐受很大反向電壓沖擊，實(shí)現(xiàn)一定電壓鉗制目的，從而保護(hù)后續(xù)的電路免受沖擊影響。本文選擇的這種二極管型號為P6KE18CA 和1.5KE440CA。前者在運(yùn)行過程中可吸收600 W 的浪涌功率，且安裝在柵極和源極間，后者則可吸收1 500 W 的浪涌功率且進(jìn)行并聯(lián)連接。此外，它還并聯(lián)了吸收電容C2～C5。設(shè)計過程中，為避免脈沖的前后沿陡度和震蕩問題，在柵極設(shè)置了電阻；為提升晶體管的通斷速度，并聯(lián)了肖特基二極管IN5918，從而更好地滿足相關(guān)應(yīng)用要求。

4 驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路的作用主要是放大控制系統(tǒng)的輸出信號，以滿足開關(guān)管的驅(qū)動要求。具體分析可知，各全橋拓?fù)渲忻柯窐虮鄱荚O(shè)置了上下臂開關(guān)管，二者的源極并不共地。這樣在運(yùn)行過程中輸出的PWM 不能有效驅(qū)動開關(guān)管，因而應(yīng)該通過驅(qū)動模塊滿足驅(qū)動性能要求。本系統(tǒng)驅(qū)動IGBT 時，引入了電流放大芯片UCC27423。

該放大芯片可看作一種雙路高速低側(cè)MOSFET驅(qū)動器，在工作過程中通過雙極型晶體管和MOSFET柱并聯(lián)輸出，顯著提升了相應(yīng)的輸出和驅(qū)動性能。此外，設(shè)置了使能端，從而更好地控制輸出電平，且明顯降低導(dǎo)通電流，而阻抗和開關(guān)損耗都很小，因而在開關(guān)電源領(lǐng)域具有明顯的性能優(yōu)勢。

在進(jìn)行連接時，UCC27423 的輸出端不可直接和IGBT 柵極相連，以避免引發(fā)短路問題，應(yīng)該引入隔離驅(qū)動電路。這種電路可劃分為變壓器隔離和光耦隔離兩種類型。其中，光耦隔離電路在應(yīng)用過程中可能由于芯片響應(yīng)延遲引發(fā)一定的滯后問題，且在應(yīng)用時需要引入輔助電源供電，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，增加了控制難度。此外。光耦隔離的器件在應(yīng)用中應(yīng)該額外隔離，降低了系統(tǒng)的可靠性。因此，本文在設(shè)計時綜合分析后選擇柵極驅(qū)動變壓器進(jìn)行隔離。這種驅(qū)動變壓器延時低，控制靈活方便，在大功率領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用［4］，結(jié)構(gòu)如圖10 所示。

在進(jìn)行連接時，柵極驅(qū)動變壓器初級接驅(qū)動電路的柱輸出，次級則和各開關(guān)管連接。變壓器中設(shè)置了25 mm 的磁環(huán)，在等比例條件下通過漆包線繞制得到5 個繞組，其中原邊繞組為1 個。為滿足浮地驅(qū)動要求，將相同的同名端接到同一橋臂對應(yīng)的開關(guān)管上。

5 控制電路設(shè)計

系統(tǒng)中控制電路至關(guān)重要。本文在設(shè)計時為滿足控制要求引入了相應(yīng)邏輯器件進(jìn)行總體控制，可實(shí)現(xiàn)限幅和過零檢測目的，其中包含過流保護(hù)電路、滅弧電路以及啟停電路等部分結(jié)構(gòu)組成如圖11所示。

運(yùn)行過程中，初級線圈輸出的信號發(fā)送到檢測和過流保護(hù)電路中。這些電路基于邏輯器件和滅弧電路連接。通過啟停電路，在輸出信號的作用下控制著全橋的工作，從而滿足相應(yīng)的控制要求。

5.1 限幅電路和過零檢測

初級線圈輸出信號基于反饋互感器截取而獲得一個電壓交流信號，此信號的頻率等同于諧振頻率。將對應(yīng)的輸出信號通過限幅和過零檢測電路處理后得到一個交流方波，適當(dāng)放大后對全橋進(jìn)行驅(qū)動，以滿足工作性能要求［5］。

5.2 啟動與停止電路

經(jīng)過以上處理后的信號發(fā)送到啟停電路，分別接到與門和D 觸發(fā)器74HC74 的CLK 端。為滿足應(yīng)用要求設(shè)置了兩個與門，二者不會同步開啟，其中一個接反向信號，從而起到一定的保護(hù)作用。

5.3 過流保護(hù)電路

過流保護(hù)電路可對全橋的功率器件起到一定的保護(hù)作用，避免在峰值電壓情況下出現(xiàn)器件燒毀問題，在諧振電流超過一定設(shè)定值后結(jié)束運(yùn)行。

5.4 滅弧電路

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中一般情況下保持諧振狀態(tài)，電流持續(xù)增加，因而應(yīng)該設(shè)置電流增加到一定幅度情況下要切斷電路，為此需要設(shè)置滅弧控制電路。滅弧控制電路在工作時可輸出一個正脈寬和頻率可調(diào)的方波以控制開關(guān)管［6］。當(dāng)方波為高電平條件下開啟時，進(jìn)行適當(dāng)驅(qū)動后諧振電路中電流上升；而在低電平條件下驅(qū)動結(jié)束，全橋電路處于停止?fàn)顟B(tài)，且諧振電流會不斷降低。當(dāng)調(diào)節(jié)滑動變阻器使得正脈寬增大時，全橋的工作時間增加，釋放到初級諧振回路的能量提高，對應(yīng)的電流和功率也會同步變大。而方波頻率提高時，對應(yīng)的全橋工作頻率同樣增加，且系統(tǒng)的輸出功率也有所增加，據(jù)此實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)目的。

6 結(jié)語

本文設(shè)計了磁耦合諧振式無線充電系統(tǒng)，在原理結(jié)構(gòu)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行電路設(shè)計，主要包括驅(qū)動電路、控制電路、整流濾波電路以及全橋逆變電路等。其中：整流濾波電路引入橋式整流和電容濾波模式，顯著簡化了濾波模塊的結(jié)構(gòu)；全橋逆變電路在設(shè)計時綜合分析后選擇IGBT 模塊，更好地滿足了大功率條件下的應(yīng)用要求；驅(qū)動電路選擇UCC27423，而控制電路中包含系列邏輯器件，且進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合與協(xié)調(diào)以滿足整體控制要求。這種充電系統(tǒng)可為電動汽車的無線充電提供支持，為其進(jìn)一步應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。