一種新穎的無(wú)接觸充電電路

摘要：介紹了一種通過(guò)電磁耦合的無(wú)接觸充電電路。詳述了電路的基本結構和控制策略，分析了電路中可能存在的問(wèn)題并給出了解決方案。最后通過(guò)試驗驗證了此設計。

關(guān)鍵詞：無(wú)接觸充電；變壓器；磁放大器

引言

自從1840年科學(xué)家揭示電磁感應現象及可用導線(xiàn)傳輸電能至今，電能的傳輸主要是由導線(xiàn)直接接觸進(jìn)行的。電工設備的充電一般是通過(guò)插頭和插座來(lái)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(zhù)高壓觸電的危險，給人們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了不安全因素，因此，實(shí)現供電系統和電氣設備之間沒(méi)有導體接觸，自然成為電能傳輸的重要研究方向之一。新型無(wú)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)，并將傳統變壓器的感應耦合磁路分開(kāi)，初、次級繞組分別繞在不同的磁性結構上，從而在電源和負載單元之間實(shí)現不需要物理連接的能量耦合。

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

1 主電路結構

主電路如圖1所示，工頻220V輸入經(jīng)全橋整流后，先通過(guò)常規的半橋逆變電路，再通過(guò)無(wú)接觸式的隔離變壓器隔離輸入級和輸出級。輸出級采用全波整流，并通過(guò)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(kāi)關(guān)管S1和S2為高頻MOS管IRF840，為了解決高頻開(kāi)關(guān)電源常有的開(kāi)關(guān)損耗和噪聲等問(wèn)題，電路中采用了串聯(lián)諧振的拓撲，利用開(kāi)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(guò)高頻MOS管的電流為正弦波，利用在正弦波過(guò)零時(shí)間開(kāi)通MOS管，實(shí)現了零電壓的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，大大降低了開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)流過(guò)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，縮短了反向恢復時(shí)間，有利于MOS管的開(kāi)通和關(guān)斷。

圖2

2 控制原理與結構

本電路的控制結構圖如圖2所示，控制芯片采用的是準諧振變換器控制器UC3861，由它產(chǎn)生兩路寬度固定，頻率可變的方波脈沖，再通過(guò)專(zhuān)用MOS管驅動(dòng)芯片IR2110驅動(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(jiàn)圖1），與Vcc相連。UC3861屬于調頻控制芯片，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)現零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)，在Zero端加入電流互感器檢測到的諧振電流（見(jiàn)圖1），當電流過(guò)零時(shí)，芯片將開(kāi)通輸出信號，開(kāi)通MOS管，實(shí)現零電壓開(kāi)通。在零電壓開(kāi)關(guān)諧振變換器中，開(kāi)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電壓，同相輸入端加入反饋電壓。由于輸入級和輸出級是無(wú)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，以達到閉環(huán)控制。

3 磁放大器用于次級穩壓

對充電電路來(lái)說(shuō)，輸出電壓的穩定尤其重要，而具有隔離的初級和次級單元的無(wú)接觸系統的設計，意味著(zhù)次級電流不能直接進(jìn)行控制，本電路在輸出端加入磁放大器用于穩壓。

磁放大器主要由非晶合金做成，它的磁滯回線(xiàn)相當窄，未飽和時(shí)的電感比飽和時(shí)的電感至少大兩個(gè)數量級。它的工作原理如圖3所示，當控制電流很小時(shí)，磁放大器未飽和，它的電感可視為無(wú)窮大，電路相當于斷路，電流無(wú)法通過(guò)。隨著(zhù)控制電流的增大，磁放大器趨于飽和，電感量可視為零，電路相當于短路。所以磁放大器用于穩壓時(shí)，可視為一個(gè)磁性PWM開(kāi)關(guān)。

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

4 實(shí)驗結果

針對以上分析，設計了一個(gè)輸出為20W左右的無(wú)接觸充電電路，參數如下：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，原副邊繞組分開(kāi)繞在骨架的兩端，加1mm氣隙，漏感為0.105mH。實(shí)驗結果如圖5所示。

（a）驅動(dòng)電壓波形和開(kāi)關(guān)管vDS波形

（b）開(kāi)關(guān)管vDS波形和直流12V輸出波形

從圖5可以看出，開(kāi)關(guān)管上實(shí)現了零電壓開(kāi)通，開(kāi)關(guān)損耗很小，且直流輸出12V非常穩定。

5 結語(yǔ)

本文分析了實(shí)現無(wú)接觸充電系統的意義，并對無(wú)接觸充電系統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穩壓的電路拓撲，既穩定了直流輸出，又改善了系統的動(dòng)態(tài)性能。最后通過(guò)實(shí)驗驗證了以上的設計。