基于SG3525的非接觸式小功率電能傳輸系統設計

摘要 SG3525是一款單片集成PWM控制芯片。文中以SG3525為控制核心，運用高頻逆變、軟開(kāi)關(guān)和電容補償等技術(shù)，設計了一種具有過(guò)流保護功能的非接觸式小功率電能傳輸系統樣機。經(jīng)實(shí)驗表明，該系統原、副邊距離為1 mm時(shí)，電能傳輸效率可達到78.9%，實(shí)現了能量的高效傳輸。

傳統的電能傳輸，主要通過(guò)導線(xiàn)進(jìn)行傳輸，電源與負載之間需直接物理接觸。在日常生活中，隨著(zhù)用電設備的增加，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(zhù)人工器官以及水下探測裝置的發(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，使用復雜。SG3525是美國硅通用半導體公司推出的一款用于驅動(dòng)n溝道功率MOSFET的控制芯片，可通過(guò)調節相應參數設置頻率，并可調整死區時(shí)間。而且，芯片具有軟啟動(dòng)端和關(guān)閉端，可實(shí)現過(guò)流保護功能。其外圍電路簡(jiǎn)單，每片不足1元，被廣泛應用于開(kāi)關(guān)電源，在非接觸式電能傳輸方面，應用較少。文中以SG3525為控制核心，設計了一種具有過(guò)流保護功能的非接觸式小功率電能傳輸系統。

1 系統拓撲及工作原理

非接觸式電能傳輸系統主要由能量發(fā)射和能量接收兩部分組成，系統拓撲如圖1所示。能量發(fā)射部分包括整流濾波、控制電路、逆變電路、原邊補償和原邊繞組，將電能轉化為磁能;能量接收部分包括副邊繞組、副邊補償和調節電路，將磁能轉化為電能。非接觸電能傳輸的工作原理是：工頻交流電經(jīng)降壓，全橋整流電路，濾波電路變?yōu)榭晒┦褂玫闹绷麟?，通過(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)感應耦合接收電能，經(jīng)整流濾波等調節電路之后，即可向負載提供參數合適的直流電。

2 系統主要組成部分設計

由于工頻電頻率較低，使得非接觸電能傳輸的效率受到限制。逆變電路可以產(chǎn)生高頻交變電流，因而成為系統的重要組成部分?？刂齐娐酚靡钥刂颇孀冸娐返念l率，并通過(guò)接受檢測電路的反饋信號，實(shí)現對系統的保護。

2.1 控制電路設計

控制電路用來(lái)產(chǎn)生高頻PWM(Pulse Width Modulation)信號，以控制相應開(kāi)關(guān)管的導通，從而實(shí)現DC—AC的轉換。本設計以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的單片集成PWM控制芯片，簡(jiǎn)單可靠，輸出驅動(dòng)為推拉輸出形式，增強了驅動(dòng)能力;內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，并可限制最大占空比，外圍電路設計如圖2所示。

在1腳和9腳間通過(guò)連接電阻、電容，可構成PI調節器，補償系統的幅頻和相頻響應特性。8腳外接電容C3，由內部50μA的恒流源進(jìn)行充電，實(shí)現軟啟動(dòng)功能。10腳接反饋信號，正常工作時(shí)為低電平。當輸入為高電平時(shí)，8腳的外接電容開(kāi)始放電，SG3525停止工作。當10腳恢復低電平時(shí)，8腳充電，芯片再次工作。

系統的輸出頻率與5腳外接電容C1，6腳外接電阻R3和死區電阻R4相關(guān)，調節其參數可產(chǎn)生100～400 kHz的矩形波。通過(guò)調節死區電阻R4，可調節死區時(shí)間。頻率

，其中，0.001μF≤C1≤O.2μF;2 kΩ≤R3≤150 kΩ;R4≤500 Ω。

設計選擇R4=100 Ω，C1=0.01μF，R3=2 kΩ，計算可得頻率為58.8 kHz，在11和14腳輸出互補的脈沖波形，如圖3所示。

2.2 串聯(lián)全橋諧振逆變電路設計

逆變電路采用全橋逆變電路，驅動(dòng)電路采用兩片IR2111。IR2111是功率MOSFET和IGBT專(zhuān)用柵極驅動(dòng)集成芯片，外圍電路簡(jiǎn)單，內置650 ns的死區時(shí)間，防止上下管直接導通。由SG3525的11腳和14腳輸出的互補脈沖信號分別輸入兩片IR2111的信號輸入端，如圖4中A、B。每片IR2111可產(chǎn)生兩路反相的脈沖信號，即可控制全橋逆變電路Q(chēng)1、Q2、Q3、Q4的導通和關(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，對功率MOSFET的開(kāi)關(guān)軌跡進(jìn)行整形，以實(shí)現零電壓或零電流關(guān)斷，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。

2.3 過(guò)流保護電路設計

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)測量采樣電阻上的電壓，可實(shí)現對電路中電流的采樣。將采集到的電壓反饋到控制芯片SG3525，從而實(shí)現電路的過(guò)流保護，如圖5所示。由于采的電壓較小，因此需經(jīng)運算放大器進(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)現過(guò)流保護功能。

3 系統其他部分的設計

3.1 原副邊電容補償的分析

非接觸電能傳輸系統中變壓器原、副邊相互分離，耦合系數較小，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，盡量減少系統消耗的無(wú)功功率，一般采用補償容抗來(lái)平衡電路中的感抗。電容補償有串聯(lián)補償和并聯(lián)補償兩種。由于補償方式的不同，補償效果也不盡相同。

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)補償時(shí)，在原邊的反射阻抗非純電阻，原邊設計較復雜。因此本設計采用原、副邊串聯(lián)電容補償方式。

3.2 松耦合變壓器設計

(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構的形狀，常見(jiàn)的鐵芯結構有U型，E型，RM型，EI型，它們的感應特性不盡相同。選擇合適的磁芯結構和材料，可提高系統的傳輸效率。為減小磁芯損耗，應選擇高磁導率、小矯頑力、高飽和磁感應強度的磁芯材料。本設計選用常用的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”，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線(xiàn)，導線(xiàn)的直徑不應大于兩倍的穿透深度。穿透深度

，銅導線(xiàn)的電導率γ=5.8× 107s·m-1，磁導率μ=4π×10-7H·m-1，當開(kāi)關(guān)頻率為60 kHz時(shí)，帶入公式可得△=0.27 mm，所以銅導線(xiàn)直徑應0.54 mm。由于功率較小，導線(xiàn)的電流密度可取J=3×10-6A·m-2，電流有效值取I=1 A，則導線(xiàn)的截面積

。由此，可選取線(xiàn)徑為0.5 mm的銅導線(xiàn)雙股并繞。

4 系統實(shí)現及性能測試

設計以SC3525為控制核心，設計工作頻率為58.8 kHz，實(shí)測頻率為56.7 kHz，驅動(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。

系統輸入直流電壓15 V，負載為100 Ω電阻，原、副邊間距為1mm時(shí)，測得：副邊電流0.15 A，原邊電流0.19 A，經(jīng)計算可得，功率傳輸效率為78.9%。當原、副邊間距為3 mm時(shí)，功率傳輸效率為53.7%。隨著(zhù)距離的增加，功率傳輸效率將降低。當原、副邊間距為7 mm時(shí)，功率傳輸效率較低，視為系統停止工作。

5 結束語(yǔ)

實(shí)驗結果表明，設計的以SG3525為控制核心的小功率非接觸式電能傳輸系統簡(jiǎn)單可靠，可實(shí)現電能的高效傳輸。若將接收到的電壓經(jīng)整流濾波和穩壓管7805后，供給單節鋰電池管理芯片TL4906，即可實(shí)現對單節鋰電池的無(wú)線(xiàn)充電。