磁耦合谐振式无线充电的电路设计.pdf

14 集成电路应用 第 40 卷 第 7 期（总第 358 期）2023 年 7 月 Research and Design 研究与设计0 引言 随着越来越多的移动电子设备的出现，特别是近年来新能源汽车的推广及普及，磁耦合谐振式无线电能传输凭借着安全灵活、传输效率高等优势已然成为当前的研究热点1。本文将对磁耦合谐振式无线电能传输系统进行总体设计，包括高频逆变器的设计，高频整流电路的设计，谐振线圈结构的设计等环节。1 高频整流和逆变电路的设计 1.1 整流电路整流电路的作用是将交流电转化为直流电。从目前来看，整流电路多采用半波整流和桥式整流2。半波整流电路的直流输出电压其输出波形为半波，整流效果很不理想。桥式整流在交流电源的正负半周都有整流输出电流流过负载，输出电压是半波整流的两倍，而且全桥电路对器件的要求比较低。因此，本次的整流方式选择桥式整流电路。电路中的二极管采用SiC二极管，因为传统的二极管反向恢复时间长，在高频下容易失去整流作用，而SiC二极管具有超低的开关损耗，反向恢复时间为0，而且正向压降为温度特性，易于并联。1.2 逆变电路目前使用范围较广的逆变方式是半桥逆变和全桥逆变等。此外一些功率放大器也具有逆变功能，如传统的功率放大器有A类、B类、C类和AB类，但此次采用E类开关功率放大器。E类逆变器只有一个开关管，结构简单。由于在开关管关断前两端电压为零，因此不存在关断损耗。与传统的线性放大器相比，E类逆变器具有转换效率高，高频性能出色等优点。本次设计采用SiC二极管实现整流，同时采用E类逆变器结合SiC二极管实现大功率逆变。2 无线充电线圈的设计与分析 2.1 系统结构的选择磁耦合谐振式无线电能传输系统主要有四种结构：两线圈系统、四线圈系统、带中继线圈系统以及多线圈系统4-6，本次设计采用两线圈结构。本次设计我们设负载为纯阻性负载，对于纯阻性负载而言，采用串联-串联（SS）结构可以更好实现大功率输出。2.2 谐振线圈结构的选择目前常见线圈主要有三种，分别为平面螺旋结构，空间螺旋结构和螺旋密绕结构。但考虑到空间的限制，本次设计采用平面螺旋结构。利兹线平面螺旋线圈的设计。采用利兹线绕制线圈，利兹线绕制的平面螺旋线圈要比PCB平面螺旋线圈的过电流能力强，而且在高频环境中，利兹线绕制的平面螺旋线圈会具有更好的传输效率。3 阻抗匹配在磁耦合谐振式无线电能传输系统中，要求电源端的频率，发射端的频率和接收端的频率必须保持完全一致。这就要求两个线圈的阻抗必须完全相互匹配3。作者简介：陈汪洋，安徽理工大学电气与信息工程学院；研究方向：无线充电技术。收稿日期：2022-11-10；修回日期：2023-06-23。摘要：阐述磁耦合谐振式无线充电技术，它的特点优于传统的有线电能传输方式。探讨充电线圈及充电电路的设计，包括线圈的选择、Buck-boost电路的设计。关键词：磁耦合谐振，线圈，整流电路，逆变电路。中图分类号：TN86，TM724 文章编号：1674-2583(2023)07-0014-02DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.07.006文献引用格式：陈汪洋.磁耦合谐振式无线充电的电路设计J.集成电路应用,2023,40(07):14-15.磁耦合谐振式无线充电的电路设计陈汪洋(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 232001)Abstract This paper expounds the magnetic coupling resonant wireless charging technology,which has advantages over traditional wired energy transmission methods.It explores the design of charging coils and charging circuits,including coil selection and Buck boost circuit design.Index Terms magnetic coupling resonance,coil,rectifier circuit,inverter circuit.Design of Magnetic Coupled Resonant Wireless Charging CircuitCHEN Wangyang(School of Electrical and Information Engineering,Anhui University of Science and Technology,Anhui 232001,China.)集成电路应用 第 40 卷 第 7 期（总第 358 期）2023 年 7 月 15Research and Design 研究与设计许多学者通过芯片控制排列组合电容阵列的方式来进行虚部的阻抗匹配，但这种方式成本太高且不灵活，所以可选用一个大功率的可调电容，将可调电容串联到回路中，并由电机驱动，实现对阻抗虚部的匹配。在实际运用中，负载端的电压和电阻可能会发生变化，这时我们必须在接收端加入能实现输出调节及实现阻抗实部匹配的电路，为实现此功能，本设计采用升降压斩波电路，也称为buck-boost电路。在接收端整流后增加一个buck-boost电路不仅能对阻抗的实部进行调节，同时也能实现负载恒压或恒流的调节。4 软件设计采用DSP芯片进行信号的处理。在发射端，当系统启动后，首先将市电进行整流，然后对全频段扫描后得出谐振频率，在谐振频率处采用爬坡法频率跟踪，使得系统频率一直保持在谐振频率附近。而在负载端，电流经高频整流后由CPU进行阻抗扫描，步进电机驱动可调电容调整阻抗至接收端完全谐振。之后，再进行buck-boost对输出电流和电压的调节。5 结语本文主要完成了磁耦合谐振式无线电能传输系统的总电路设计，见图1所示，包括全桥整流电路，E类逆变电路，阻抗匹配网络（buck-boost电路），采用两线圈系统以及平面螺旋结构的线圈实现总电路的设计。参考文献1 张学宾.磁耦合谐振式无线能量传输系统性能研究D.辽宁：东北大学,2018.2 唐春森.非接触电能传输系统软开关工作点研究及应用D.重庆：重庆大学,2009.3 铁林忠,黄劲松,高婷等.无线电能传输系统的阻抗匹配研究J.测控技术,2017,36(10):131-133+137.4 梁磊.耦合谐振式无线电能传输系统谐振频率的研究D.安徽:安徽理工大学,2018.5 李中启.磁耦合谐振式无线电能传输系统效率分析与优化D.湖南湖南大学,2016.6 张林.磁耦合式无线电能高效率传输方法的研究D.重庆:重庆理工大学,2019.7 Junjun Deng,Bo Pang,Wenli Shi,ZhenpoWang.Magnetic Integration of LCCCompensation Topology with MinimizedExtraCouplingEffectsforWirelessEVChargerJ.EnergyProcedia,2017.8BoZhang.NetworkAnalysisandImpedanceMatching Methods for Wireless PowerT r a n s f e r v i a C o u p l e d M a g n e t i cResonancesJ.Applied Mechanics andMaterials,2013.9NamYoonKim,KiYoungKim,Chang-WooKim.AutomatedfrequencytrackingsystemforefficientmidrangemagneticresonancewirelesspowertransferJ.MicrowaveandOpticalTechnologyLetters,2012.10 Li Zheng,Zhang Hanming,Gao Shihao.Design and analysis of wireless powertransmissiondevicesformulti-degree-of-freedom actuator applicationsJ.Journal of the Chinese Institute ofEngineers,2020.11 Sahoo Jyotirmaya,Samanta Susovon,Bhattacharyya Shamik.Adaptive PIDControllerwithP&OMPPTAlgorithmforPhotovoltaicSystemJ.IETEJournalofResearch,2020.12 Jun Liu,Chang Wang,Xiaofeng Wang,Weimin Ge.Frequency Splitting andTransmissionCharacteristicsofMCR-WPTSystem Considering Non-Linearities ofCompensationCapacitorsJ.Electronics,2020.13 Ming Zhu Xie,Li Feng Wang,Bin BinZhou,Qing An Huang.An ImpedanceMatchingMethodforLCPassiveWirelessSensorsJ.IEEESensorsJournal,2020.14DZWen,ZYLi,YGChen,LMLiu.Energytransfer mechanism analysis of MCR-WPT based on the theory of wavesC.IOP Conference Series:Earth andEnvironmentalScience,2018.图1 系统主电路图