2014年浙江省電子設計競賽技術報告.docx

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2014年“TI”杯浙江省大學生電子設計競賽 無線電能傳輸裝置（E題） 【本科組】 2014年8月15日 摘 要 無線電能傳輸(wireless power transfer，WPT)，又稱為無接觸式電能傳輸(contactless power transfer，CPT)，指的是電能從電源到負載的一種沒有經過電氣直接接觸的能量傳輸方式。無線電能傳輸系統(tǒng)主要利用電磁感應原理，通過初、次級線圈的感應來實現(xiàn)電能的傳輸。基于這種方式的無線電能傳輸系統(tǒng)主要有四部分設計而成，即輔助電源電路、驅動電路、耦合線圈、整流濾波電路。通過改變單片機輸出波形的頻率和占空比以及對傳送線圈的優(yōu)化，使整個裝置的效率不斷提高完善，并且傳輸距離盡可能遠。 關鍵字：無線電能傳輸 電磁感應 磁耦合諧振  一、 題目要求 設計并制作一個磁耦合諧振式無線電能傳輸裝置，其結構框圖如圖 1 所示。 （1）保持發(fā)射線圈與接收線圈間距離x =10cm、輸入直流電壓U1=15V 時，接收端輸出直流電流I2=0.5A，輸出直流電壓U2≥8 V，盡可能提高該無線電能傳輸裝置的效率η。 （2）輸入直流電壓U1=15V，輸入直流電流不大于1A，接收端負載為2只串聯(lián)LED 燈（白色、1W）。在保持LED 燈不滅的條件下，盡可能延長發(fā)射線圈與接收線圈間距離x。 （3）其他自主發(fā)揮。 （4）設計報告。 二、 系統(tǒng)整體方案設計 系統(tǒng)整體方案如圖2所示。 圖2 系統(tǒng)整體方案 直流電源通過題目要求15V供電，通過輔助電源模塊實現(xiàn)各種穩(wěn)定電壓要求。由H橋驅動電路產生高頻交流電，系統(tǒng)發(fā)射電路的頻率選擇要綜合各個因素來考慮，根據電磁感應定律： 可知發(fā)射線圈上的電壓頻率越高，電流變化的速率越快，接收線圈感應所產生的電壓也越高，所得到的功率也就越大。但隨著頻率的增高，諸如開關損耗、功率場效應管的柵極驅動損耗、輸出整流管的損耗會越來越突出，而且隨著頻率的增加，對磁性材料的選擇和參數設計也會越來越苛刻。通過改變線圈電感和串聯(lián)電容，使頻率范圍在100KHz~200KHz。然后通過改變單片機輸出波形的頻率來找到諧振點。 接受部分通過整流濾波后得到穩(wěn)定的直流電壓給負載供電，然后逐步實現(xiàn)題目要求。 三、 輔助電源設計 整個系統(tǒng)只能由15V直流電源供電。而單片機、H橋驅動電路以及運放芯片需要3.3V、5V等直流穩(wěn)壓電源供電，因此要選擇特定芯片實現(xiàn)。（1）開關電源：把直流電轉變成高頻脈沖電流，將電能儲存電感、電容元件中，利用電感、電容特性將電能按預定要求釋放出來改變輸出電壓或電流，效率高，但是紋波大；（2）線性電源：有高頻脈沖和儲存元件，利用元器件線性特性在負載變化瞬間反饋控制輸入達到穩(wěn)定電壓和電流，效率低，但是紋波小。由于H橋驅動電路需要穩(wěn)定的方波，并且考慮到紋波會對裝置的效率產生一定影響，所以選用線性電源來制作輔助電源。最終我們選用線性度較高，且電路簡單的LM7805芯片產生穩(wěn)定的5V電壓，后面再通過一個ASM1117產生穩(wěn)定的3.3V電壓。電路最前端接一個共模濾波電路濾除共模成分影響。輔助電源整體電路圖如圖4所示。 圖4 輔助電源整體電路 四、 能量發(fā)射部分 全橋、半橋發(fā)射拓撲、D類功率放大器和E類功率放大器是四種常用且高效的發(fā)射拓撲。四種初級發(fā)射電路各有利弊，全橋發(fā)射電路開關損耗較大，體積大，所需器件較多，適合大功率能量的傳輸；半橋發(fā)射電路輸入功率為全橋的一半，能量密度及效率較低；E類推挽功率放大電路所需器件簡單，效率高，但是設計非常復雜，并且對電路參數非常敏感；D類功率放大電路輸出效率高，與E類推挽功率放大電路相差不多。為了提高裝置的效率，并且使電路不是非常復雜難調，最終選用H橋驅動發(fā)射電路。電路圖如圖5所示。 圖5 全橋發(fā)射電路 功率器件的選擇應考慮到如下四個方面：（1）電壓要求：功率開關上的峰值電壓不僅不能超過數據手冊上的額定電壓，且要保有足夠的裕量；（2）電流要求：功率管流過的導通電流的峰值必須小于兩倍的額定電流，以便保證功率開關管出于其安全工作區(qū)以內；（3）散熱條件：在散熱條件良好的情況下，應當選用功率器件的電壓和電流額定值較小的；（4）損耗：應當選取開關延遲時間較小，反應速度較快的，導通電阻小的器件以便減少器件的開關損耗和傳導損耗。 75n75場效應管VDss=75V，大于驅動芯片產生波形的電壓值。此場效應管能承受56A的最大電流，也符合電路的電流要求。靜態(tài)導通電阻12.5mΩ，損耗很小。綜合考慮選用該型號作為功率器件。并且通過散熱片來加快散熱。 單片機產生的PWM波幅值只有3.2V，不足以驅動75n75場效應管。因此需要使用驅動芯片實現(xiàn)。IR2110輸出范圍10-20V，達到驅動75n75場效應管要求。IR2103的電路圖如圖6所示。 圖6 IR2103驅動電路圖 五、 耦合方式 在初級和次級回路中，最基本、最常用的補償方式有兩種：串聯(lián)補償和并聯(lián)補償。初次級的補償電路如果在相同的頻率下諧振，系統(tǒng)可以獲得最大的功率傳輸比。常用的電路拓撲分為以下四種：初級串聯(lián)--次級串聯(lián)補償（SS）、初級串聯(lián)—次級并聯(lián)補償(SP)、初級并聯(lián)—次級串聯(lián)補償(PS)和初級并聯(lián)—次級并聯(lián)補償(PP)。參考網上文獻得知，初級串聯(lián)—次級并聯(lián)補償可以使得次級在諧振頻率下接收的有功功率和傳輸效率最高。初級串聯(lián)—次級并聯(lián)補償電路如圖7所示。 圖7 初級串聯(lián)—次級并聯(lián)補償電路 實驗測得產生諧振后，初級線圈兩端電壓達到160V，線圈上電流很大而發(fā)熱嚴重，進而導致線圈電阻增加對測量結果產生很大影響。采用三匝線圈并繞的方式可以有效降低線圈電阻，從而可以減小這方面的影響?？紤]到頻率最好選在100KHz~200KHz之間，將線圈電感繞成20uH左右比較合適。 六、 次級整流濾波電路 常用的整流電路有單向半波整流、單向全波整流和橋式整流。橋式整流電路利用率高，而且克服了全波整流電路要求變壓器次級有中心抽頭和二極管承受反壓大的缺點，雖然多用了兩只二極管，但二極管成本不大。因此最終選用橋式整流電路。 交流成分在輸出的電壓中都占據很大的成分，因此必須通過濾波，盡可能地保留直流成分，減小輸出電壓中的交流和脈動成分，從而獲得直流電壓變得平滑。電容和電感這些電抗元件對交流成分的直流成分阻抗是不同的，濾波電路依據交直流成分阻抗不同來實現(xiàn)濾波的。常用的濾波電路有電容濾波、IC濾波和RC濾波。（1）電容濾波：電路簡單，負載上的直流電壓較高，電壓紋波小。但是在負載變化大的時候，沖擊電流較大。（2）LC濾波電路：電感L中的電流不能發(fā)生突變，所以整流二極管后的電流會更加平滑，而且電感對輸出電流的交流成分具有阻抗，濾波效果會更好。（3）RC濾波電路：由于增加了電阻，因此會對次級接收的能量有損耗，所以并不合適。因此選用LC濾波電路來濾波儲能，如圖8所示。 圖8 LC橋式全波整流電路 為了輸出電壓U2≥8V，選用正向導通壓降為0.67V的IN4148二極管。負載端并聯(lián)一個47uF的電容進一步提高輸出電壓。 七、 系統(tǒng)調試數據 根據實際繞制電感L=23.1uH和選用0.1uF的CPP電容，由LC振蕩電路公式： f=12πLC 得到理論頻率為104.7KHz。實驗室通過單片機改變PWM波輸出頻率，觀察輸入電流變化來確定實際諧振點，當輸入電流顯示最大時，就近似達到了諧振點。最終測得當頻率是105.4 KHz時，輸入電流最大為5.89A。 保持輸入電壓15V不變，用單片機改變輸入波的頻率，改變輸出端負載，使得輸出電流始終保持0.5A，分別測得輸入電流Ii、輸入電壓Vi、輸出電壓Vo，由此計算出效率記入表1: 表1 不同頻率對效率的影響 頻率/KHz Ii/A Vi/V Io/A Vo/V 效率/% 109.3 4.78 15.0 0.50 34.6 24.1 107.4 5.13 15.0 0.50 44.1 28.6 105.4 5.25 15.0 0.50 46.1 29.3 103.4 5.46 15.0 0.50 47.1 28.8 保持輸入電壓15V和PWM波頻率105.4KHz不變,用單片機改變輸入波的占空比，改變輸出端負載，使得輸出電流始終保持0.5A，分別測得輸入電流Ii、輸入電壓Vi、輸出電壓Vo，由此計算出效率記入表2： 表2不同占空比對效率的影響 占空比/% Ii/A Vi/V Io/A Vo/V 效率/% 42.4 4.68 15.0 0.50 28.8 20.6 44.6 4.92 15.0 0.50 35.6 24.2 46.8 5.04 15.0 0.50 45.8 25.1 48.7 6.08 15.0 0.50 45.4 24.9 由表1和表2分析得，當PWM波頻率105.4KHz，占空比46.8%時，效率會最高。最終測得Ii=5.26A，Vi=15V,Io=0.5A，Vo=47.9V，得到最大效率30.4%. 然后不斷提高初級線圈和次級線圈之間的距離，觀察兩個LED小燈泡變化，并且通過調節(jié)PWM波的占空比和頻率控制輸入電流為0.99A。最終測得最遠距離是78cm。 八、 缺點與不足 （1）由于單片機M430F5438晶振頻率的限制在25KHz以內，導致諧振點測得不是非常精確，對效率產生一定影響。 （2）對于線圈的設計直接決定了傳輸效率，要綜合考慮材質，形狀，粗細，多股合繞等因素的影響，由于時間限制不能一種種深入研究討論。 （3）由于題目要求必須次級線圈可移動，導致次級線圈輸出端的電流反饋很難實現(xiàn)，必須接很長的導線到單片機。