基于SG3525的非接觸式小功率電能傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要 SG3525是一款單片集成PWM控制芯片。文中以SG3525為控制核心，運(yùn)用高頻逆變、軟開(kāi)關(guān)和電容補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，設(shè)計(jì)了一種具有過(guò)流保護(hù)功能的非接觸式小功率電能傳輸系統(tǒng)樣機(jī)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)原、副邊距離為1 mm時(shí)，電能傳輸效率可達(dá)到78.9%，實(shí)現(xiàn)了能量的高效傳輸。
傳統(tǒng)的電能傳輸，主要通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)進(jìn)行傳輸，電源與負(fù)載之間需直接物理接觸。在日常生活中，隨著用電設(shè)備的增加，直接的物理接觸既不方便又增加了用電的安全隱患。另外，隨著人工器官以及水下探測(cè)裝置的發(fā)展，非接觸充電成為一種迫切的需求。
由于非接觸式電能傳輸屬于松散耦合，電能傳輸效率較低。一般采用高頻逆變電路，通過(guò)提高頻率來(lái)提高傳輸效率。在高頻逆變電路中，許多控制芯片價(jià)格昂貴，使用復(fù)雜。SG3525是美國(guó)硅通用半導(dǎo)體公司推出的一款用于驅(qū)動(dòng)n溝道功率MOSFET的控制芯片，可通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù)設(shè)置頻率，并可調(diào)整死區(qū)時(shí)間。而且，芯片具有軟啟動(dòng)端和關(guān)閉端，可實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)功能。其外圍電路簡(jiǎn)單，每片不足1元，被廣泛應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源，在非接觸式電能傳輸方面，應(yīng)用較少。文中以SG3525為控制核心，設(shè)計(jì)了一種具有過(guò)流保護(hù)功能的非接觸式小功率電能傳輸系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)拓?fù)浼肮ぷ髟?/strong>
非接觸式電能傳輸系統(tǒng)主要由能量發(fā)射和能量接收兩部分組成，系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。能量發(fā)射部分包括整流濾波、控制電路、逆變電路、原邊補(bǔ)償和原邊繞組，將電能轉(zhuǎn)化為磁能;能量接收部分包括副邊繞組、副邊補(bǔ)償和調(diào)節(jié)電路，將磁能轉(zhuǎn)化為電能。非接觸電能傳輸?shù)墓ぷ髟硎牵汗ゎl交流電經(jīng)降壓，全橋整流電路，濾波電路變?yōu)榭晒┦褂玫闹绷麟姡ㄟ^(guò)高頻逆變電路產(chǎn)生高頻交變電流，完成了從低頻交流電到高頻交流電的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的高頻交流電供給原邊線(xiàn)圈，從而在原邊線(xiàn)圈產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，副邊線(xiàn)圈通過(guò)感應(yīng)耦合接收電能，經(jīng)整流濾波等調(diào)節(jié)電路之后，即可向負(fù)載提供參數(shù)合適的直流電。
2 系統(tǒng)主要組成部分設(shè)計(jì)
由于工頻電頻率較低，使得非接觸電能傳輸?shù)男适艿较拗啤Ｄ孀冸娐房梢援a(chǎn)生高頻交變電流，因而成為系統(tǒng)的重要組成部分?？刂齐娐酚靡钥刂颇孀冸娐返念l率，并通過(guò)接受檢測(cè)電路的反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)。
2.1 控制電路設(shè)計(jì)
控制電路用來(lái)產(chǎn)生高頻PWM(Pulse Width Modulation)信號(hào)，以控制相應(yīng)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)DC—AC的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)以SG3525作為控制核心，SG3525是一款性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制芯片，簡(jiǎn)單可靠，輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力;內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器，頻率可調(diào)，并可限制最大占空比，外圍電路設(shè)計(jì)如圖2所示。
在1腳和9腳間通過(guò)連接電阻、電容，可構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，補(bǔ)償系統(tǒng)的幅頻和相頻響應(yīng)特性。8腳外接電容C3，由內(nèi)部50μA的恒流源進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。10腳接反饋信號(hào)，正常工作時(shí)為低電平。當(dāng)輸入為高電平時(shí)，8腳的外接電容開(kāi)始放電，SG3525停止工作。當(dāng)10腳恢復(fù)低電平時(shí)，8腳充電，芯片再次工作。
系統(tǒng)的輸出頻率與5腳外接電容C1，6腳外接電阻R3和死區(qū)電阻R4相關(guān)，調(diào)節(jié)其參數(shù)可產(chǎn)生100～400 kHz的矩形波。通過(guò)調(diào)節(jié)死區(qū)電阻R4，可調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間。頻率
，其中，0.001μF≤C1≤O.2μF;2 kΩ≤R3≤150 kΩ;R4≤500 Ω。
設(shè)計(jì)選擇R4=100 Ω，C1=0.01μF，R3=2 kΩ，計(jì)算可得頻率為58.8 kHz，在11和14腳輸出互補(bǔ)的脈沖波形，如圖3所示。
2.2 串聯(lián)全橋諧振逆變電路設(shè)計(jì)
逆變電路采用全橋逆變電路，驅(qū)動(dòng)電路采用兩片IR2111。IR2111是功率MOSFET和IGBT專(zhuān)用柵極驅(qū)動(dòng)集成芯片，外圍電路簡(jiǎn)單，內(nèi)置650 ns的死區(qū)時(shí)間，防止上下管直接導(dǎo)通。由SG3525的11腳和14腳輸出的互補(bǔ)脈沖信號(hào)分別輸入兩片IR2111的信號(hào)輸入端，如圖4中A、B。每片IR2111可產(chǎn)生兩路反相的脈沖信號(hào)，即可控制全橋逆變電路Q(chēng)1、Q2、Q3、Q4的導(dǎo)通和關(guān)閉。
在全橋逆變電路中，由于頻率較高，開(kāi)關(guān)器件損耗較大。為降低開(kāi)關(guān)損耗，需采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，如圖4中，通過(guò)L1和C12的諧振，對(duì)功率MOSFET的開(kāi)關(guān)軌跡進(jìn)行整形，以實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流關(guān)斷，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。
2.3 過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)
在全橋諧振逆變電路中，串接電流采樣電阻，如圖4中的R12。通過(guò)測(cè)量采樣電阻上的電壓，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電路中電流的采樣。將采集到的電壓反饋到控制芯片SG3525，從而實(shí)現(xiàn)電路的過(guò)流保護(hù)，如圖5所示。由于采的電壓較小，因此需經(jīng)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，放大后的電壓與參考電壓進(jìn)行比較，比較結(jié)果輸入到SG3525的10腳。經(jīng)放大后的采樣電壓若小于參考電壓，則輸出低電平;若大于參考電壓，則輸出高電平，使SG3525關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)功能。
3 系統(tǒng)其他部分的設(shè)計(jì)
3.1 原副邊電容補(bǔ)償?shù)姆治?/strong>
非接觸電能傳輸系統(tǒng)中變壓器原、副邊相互分離，耦合系數(shù)較小，變壓器的耦合方式屬于松散耦合。在這種情況下，變壓器的傳輸效率較低，為提高變壓器的功率傳輸能力，盡量減少系統(tǒng)消耗的無(wú)功功率，一般采用補(bǔ)償容抗來(lái)平衡電路中的感抗。電容補(bǔ)償有串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償兩種。由于補(bǔ)償方式的不同，補(bǔ)償效果也不盡相同。
由于變壓器屬于松散耦合，需采用耦合電感模型分析。以下以原、副邊電容串聯(lián)補(bǔ)償為例進(jìn)行分析，耦合電感模型如圖6所示。
副邊到原邊的反射阻抗
表1列出了在諧振頻率下，副邊采用電容串、并聯(lián)補(bǔ)償時(shí)在原邊的反射阻抗。從表1可看出，副邊在電容并聯(lián)補(bǔ)償時(shí)，在原邊的反射阻抗非純電阻，原邊設(shè)計(jì)較復(fù)雜。因此本設(shè)計(jì)采用原、副邊串聯(lián)電容補(bǔ)償方式。
3.2 松耦合變壓器設(shè)計(jì)
(1)耦合器的選擇。單純的線(xiàn)圈，電感值較小，可通過(guò)將線(xiàn)圈繞制在鐵芯材料上來(lái)提高電感值。耦合器的形狀取決于鐵芯結(jié)構(gòu)的形狀，常見(jiàn)的鐵芯結(jié)構(gòu)有U型，E型，RM型，EI型，它們的感應(yīng)特性不盡相同。選擇合適的磁芯結(jié)構(gòu)和材料，可提高系統(tǒng)的傳輸效率。為減小磁芯損耗，應(yīng)選擇高磁導(dǎo)率、小矯頑力、高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的磁芯材料。本設(shè)計(jì)選用常用的EE型鐵氧體磁芯。
(2)線(xiàn)徑的選擇。線(xiàn)圈繞制在鐵芯材料上，在通過(guò)高頻交變電流時(shí)，會(huì)發(fā)生“集膚效應(yīng)”，使高頻交流電阻大于直流電阻，且交變頻率越高，穿透深度越小。為保證高頻電流完全穿透導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)的直徑不應(yīng)大于兩倍的穿透深度。穿透深度
，銅導(dǎo)線(xiàn)的電導(dǎo)率γ=5.8× 107s·m-1，磁導(dǎo)率μ=4π×10-7H·m-1，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率為60 kHz時(shí)，帶入公式可得△=0.27 mm，所以銅導(dǎo)線(xiàn)直徑應(yīng)<0.54 mm。由于功率較小，導(dǎo)線(xiàn)的電流密度可取J=3×10-6A·m-2，電流有效值取I=1 A，則導(dǎo)線(xiàn)的截面積
。由此，可選取線(xiàn)徑為0.5 mm的銅導(dǎo)線(xiàn)雙股并繞。
4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及性能測(cè)試
設(shè)計(jì)以SC3525為控制核心，設(shè)計(jì)工作頻率為58.8 kHz，實(shí)測(cè)頻率為56.7 kHz，驅(qū)動(dòng)芯片為IR2111，開(kāi)關(guān)管選用IRF540n，磁芯為軟磁鐵氧體磁芯EE42，線(xiàn)圈選用線(xiàn)徑為0.5 mm的銅導(dǎo)線(xiàn)雙股并繞，原邊繞制20圈，電感值為47.9μH，副邊繞制21圈，電感值為50.8μH。
系統(tǒng)輸入直流電壓15 V，負(fù)載為100 Ω電阻，原、副邊間距為1mm時(shí)，測(cè)得：副邊電流0.15 A，原邊電流0.19 A，經(jīng)計(jì)算可得，功率傳輸效率為78.9%。當(dāng)原、副邊間距為3 mm時(shí)，功率傳輸效率為53.7%。隨著距離的增加，功率傳輸效率將降低。當(dāng)原、副邊間距為7 mm時(shí)，功率傳輸效率較低，視為系統(tǒng)停止工作。
5 結(jié)束語(yǔ)
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的以SG3525為控制核心的小功率非接觸式電能傳輸系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，可實(shí)現(xiàn)電能的高效傳輸。若將接收到的電壓經(jīng)整流濾波和穩(wěn)壓管7805后，供給單節(jié)鋰電池管理芯片TL4906，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)單節(jié)鋰電池的無(wú)線(xiàn)充電。
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