一種新穎的無接觸充電電路

摘要：介紹了一種通過電磁耦合的無接觸充電電路。詳述了電路的基本結(jié)構(gòu)和控制策略，分析了電路中可能存在的問題并給出了解決方案。最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：無接觸充電；變壓器；磁放大器

引言

自從1840年科學(xué)家揭示電磁感應(yīng)現(xiàn)象及可用導(dǎo)線傳輸電能至今，電能的傳輸主要是由導(dǎo)線直接接觸進(jìn)行的。電工設(shè)備的充電一般是通過插頭和插座來進(jìn)行的，但是在進(jìn)行大功率充電時(shí)，這種充電方式存在著高壓觸電的危險(xiǎn)，給人們的生產(chǎn)和生活帶來了不安全因素，因此，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)和電氣設(shè)備之間沒有導(dǎo)體接觸，自然成為電能傳輸?shù)闹匾芯糠较蛑?。新型無接觸能量傳遞技術(shù)利用了變壓器進(jìn)行能量傳輸不受速度影響這一優(yōu)點(diǎn)，并將傳統(tǒng)變壓器的感應(yīng)耦合磁路分開，初、次級(jí)繞組分別繞在不同的磁性結(jié)構(gòu)上，從而在電源和負(fù)載單元之間實(shí)現(xiàn)不需要物理連接的能量耦合。

本充電電路采用了開關(guān)電源技術(shù)和新型無接觸能量傳遞技術(shù)，在工頻220V輸入下，得到穩(wěn)定的直流12V輸出用于給蓄電池充電。

1 主電路結(jié)構(gòu)

主電路如圖1所示，工頻220V輸入經(jīng)全橋整流后，先通過常規(guī)的半橋逆變電路，再通過無接觸式的隔離變壓器隔離輸入級(jí)和輸出級(jí)。輸出級(jí)采用全波整流，并通過LC濾波器濾除高頻紋波，最后輸出直流12V的電壓。半橋電路采用的開關(guān)管S1和S2為高頻MOS管IRF840，為了解決高頻開關(guān)電源常有的開關(guān)損耗和噪聲等問題，電路中采用了串聯(lián)諧振的拓?fù)洌瞄_關(guān)管外并的電容C3與C4、串聯(lián)的電感Lr和變壓器的漏感諧振，這樣流過高頻MOS管的電流為正弦波，利用在正弦波過零時(shí)間開通MOS管，實(shí)現(xiàn)了零電壓的軟開關(guān)技術(shù)，大大降低了開關(guān)損耗。同時(shí)流過反并二極管的正弦電流使二極管上的電流變換率變得很小，縮短了反向恢復(fù)時(shí)間，有利于MOS管的開通和關(guān)斷。

圖2

2 控制原理與結(jié)構(gòu)

本電路的控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，控制芯片采用的是準(zhǔn)諧振變換器控制器UC3861，由它產(chǎn)生兩路寬度固定，頻率可變的方波脈沖，再通過專用MOS管驅(qū)動(dòng)芯片IR2110驅(qū)動(dòng)S1和S2。

圖2中UC3861和IR2110的供電都由隔離變壓器的輔助繞組提供（見圖1），與Vcc相連。UC3861屬于調(diào)頻控制芯片，頻率變化范圍由腳Range、Rmin和Cvco組成的壓控振蕩器確定。當(dāng)誤差放大器的輸出增大時(shí)，頻率也變大，反之亦然。UC3861能實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)技術(shù)，在Zero端加入電流互感器檢測(cè)到的諧振電流（見圖1），當(dāng)電流過零時(shí)，芯片將開通輸出信號(hào)，開通MOS管，實(shí)現(xiàn)零電壓開通。在零電壓開關(guān)諧振變換器中，開關(guān)頻率升高時(shí)，變換器輸出電壓將降低。因此，誤差放大器的反相輸入端加入基準(zhǔn)電壓，同相輸入端加入反饋電壓。由于輸入級(jí)和輸出級(jí)是無接觸的，所以反饋電壓不能直接從輸出端接入，而把輔助供電電壓（輸出電壓經(jīng)輔助變壓器變壓）直接加到同相輸入端，以達(dá)到閉環(huán)控制。

3 磁放大器用于次級(jí)穩(wěn)壓

對(duì)充電電路來說，輸出電壓的穩(wěn)定尤其重要，而具有隔離的初級(jí)和次級(jí)單元的無接觸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，意味著次級(jí)電流不能直接進(jìn)行控制，本電路在輸出端加入磁放大器用于穩(wěn)壓。

磁放大器主要由非晶合金做成，它的磁滯回線相當(dāng)窄，未飽和時(shí)的電感比飽和時(shí)的電感至少大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。它的工作原理如圖3所示，當(dāng)控制電流很小時(shí)，磁放大器未飽和，它的電感可視為無窮大，電路相當(dāng)于斷路，電流無法通過。隨著控制電流的增大，磁放大器趨于飽和，電感量可視為零，電路相當(dāng)于短路。所以磁放大器用于穩(wěn)壓時(shí)，可視為一個(gè)磁性PWM開關(guān)。

磁放大器用于次級(jí)穩(wěn)壓的電路如圖4所示，圖中MA1和MA2為磁放大器，它與整流二級(jí)管串聯(lián)，有利于消除二極管反向恢復(fù)過程中電流變化過快而產(chǎn)生的噪聲。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)以上分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)輸出為20W左右的無接觸充電電路，參數(shù)如下：諧振電感Lr=5.48mH，諧振電容C3=C4=680pF，變壓器采用E型磁芯E55一對(duì)，原副邊繞組分開繞在骨架的兩端，加1mm氣隙，漏感為0.105mH。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

（a）驅(qū)動(dòng)電壓波形和開關(guān)管vDS波形

（b）開關(guān)管vDS波形和直流12V輸出波形

從圖5可以看出，開關(guān)管上實(shí)現(xiàn)了零電壓開通，開關(guān)損耗很小，且直流輸出12V非常穩(wěn)定。

5 結(jié)語

本文分析了實(shí)現(xiàn)無接觸充電系統(tǒng)的意義，并對(duì)無接觸充電系統(tǒng)的主電路和控制電路進(jìn)行了分析，提出了一種將磁放大器用于次級(jí)穩(wěn)壓的電路拓?fù)?，既穩(wěn)定了直流輸出，又改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了以上的設(shè)計(jì)。