基于SG3525的非接触式小功率电能传输系统设计

  为控制核心,运用高频逆变、软开关和电容补偿等技术,设计了一种具有过流保护功能的

  传统的电能传输,主要是通过导线进行传输,电源与负载之间需直接物理接触。在日常生活中,随着用电设备的增加,直接的物理接触既不方便又增加了用电的安全风险隐患。另外,随着人工器官以及水下探测装置的发展,非接触充电成为一种迫切的需求。

  由于非接触式电能传输属于松散耦合,电能传输效率较低。一般都会采用高频逆变电路,通过提高频率来提高传输效率。在高频逆变电路中,许多控制芯片价格昂贵,使用复杂。SG3525是美国硅通用半导体公司推出的一款用于驱动n沟道功率MOSFET的控制芯片,可通过调节相应参数设置频率,并可调整死区时间。而且,芯片具有软启动端和关闭端,可实现过流保护功能。其外围电路简单,每片不足1元,被大范围的应用于开关电源,在非接触式电能传输方面,应用较少。文中以SG3525为控制核心,设计了一种具有过流保护功能的非接触式小功率电能传输系统。

  非接触式电能传输系统主要由能量发射和能量接收两部分所组成,系统拓扑如图1所示。能量发射部分包括整流滤波、控制电路、逆变电路、原边补偿和原边绕组,将电能转化为磁能;能量接收部分包括副边绕组、副边补偿和调节电路,将磁能转化为电能。非接触电能传输的工作原理是:工频交流电经降压,全桥整流电路,滤波电路变为可供使用的直流电,通过高频逆变电路产生高频交变电流,完成了从低频交流电到高频交流电的转换,产生的高频交流电供给原边线圈,从而在原边线圈产生一些变化的磁场,副边线圈通过感应耦合接收电能,经整流滤波等调节电路之后,即可向负载提供参数合适的直流电。

  由于工频电频率较低,使得非接触电能传输的效率受到限制。逆变电路能产生高频交变电流,因而成为系统的重要组成部分。控制电路用以控制逆变电路的频率,并通过接受检测电路的反馈信号,实现对系统的保护。

  控制电路用来产生高频PWM(Pulse Width Modulation)信号,以控制相应开关管的导通,以此来实现DCAC的转换。本设计以SG3525作为控制核心,SG3525是一款性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片,简单可靠,输出驱动为推拉输出形式,增强了驱动能力;内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器,频率可调,并可限制最大占空比,外围电路设计如图2所示。

  在1脚和9脚间通过连接电阻、电容,可构成PI调节器,补偿系统的幅频和相频响应特性。8脚外接电容C3,由内部50A的恒流源进行充电,实现软启动功能。10脚接反馈信号,正常工作时为低电平。当输入为高电平时,8脚的外接电容开始放电,SG3525停止工作。当10脚恢复低电平时,8脚充电,芯片再次工作。

  系统的输出频率与5脚外接电容C1,6脚外接电阻R3和死区电阻R4相关,调节其参数可产生100~400 kHz的矩形波。通过调节死区电阻R4,可调节死区时间。频率

  逆变电路采取全桥逆变电路,驱动电路采用两片IR2111。IR2111是功率MOSFET和IGBT专用栅极驱动集成芯片,外围电路简单,内置650 ns的死区时间,防止上下管直接导通。由SG3525的11脚和14脚输出的互补脉冲信号分别输入两片IR2111的信号输入端,如图4中A、B。每片IR2111可产生两路反相的脉冲信号,即可控制全桥逆变电路Q1、Q2、Q3、Q4的导通和关闭。

  在全桥逆变电路中,由于频率较高,开关器件损耗较大。为降低开关损耗,需采用软开关技术,如图4中,通过L1和C12的谐振,对功率MOSFET的开关轨迹进行整形,以实现零电压或零电流关断,以此来降低开关损耗。

  在全桥谐振逆变电路中,串接电流采样电阻,如图4中的R12。经过测量采样电阻上的电压,可实现对电路中电流的采样。将采集到的电压反馈到控制芯片SG3525,以此来实现电路的过流保护,如图5所示。由于采的电压较小,因此需经运算放大器进行放大,放大后的电压与参考电压作比较,比较结果输入到SG3525的10脚。经放大后的采样电压若小于参考电压,则输出低电平;若大于参考电压,则输出高电平,使SG3525关断,实现过流保护功能。

  非接触电能传输系统中变压器原、副边相互分离,耦合系数较小,变压器的耦合方式属于松散耦合。在这种情况下,变压器的传输效率较低,为提高变压器的功率传输能力,最好能够降低系统消耗的无功功率,一般都会采用补偿容抗来平衡电路中的感抗。电容补偿有串联补偿和并联补偿两种。由于补偿方式的不同,补偿效果也不尽相同。

  由于变压器属于松散耦合,需采用耦合电感模型分析。以下以原、副边电容串联补偿为例做多元化的分析,耦合电感模型如图6所示。

  表1列出了在谐振频率下,副边采用电容串、并联补偿时在原边的反射阻抗。从表1可看出,副边在电容并联补偿时,在原边的反射阻抗非纯电阻,原边设计较复杂。因此本设计采用原、副边串联电容补偿方式。

  (1)耦合器的选择。单纯的线圈,电感值较小,可通过将线圈绕制在铁芯材料上来提高电感值。耦合器的形状取决于铁芯结构的形状,常见的铁芯结构有U型,E型,RM型,EI型,它们的感应特性不完全一样。选择正真适合的磁芯结构和材料,可提高系统的传输效率。为减小磁芯损耗,应选择高磁导率、小矫顽力、高饱和磁感应强度的磁芯材料。本设计选用常用的EE型铁氧体磁芯。

  (2)线径的选择。线圈绕制在铁芯材料上,在通过高频交变电流时,会发生“集肤效应”,使高频交流电阻大于直流电阻,且交变频率越高,穿透深度越小。为保证高频电流完全穿透导线,导线的直径不应大于两倍的穿透深度。穿透深度

  设计以SC3525为控制核心,设计工作频率为58.8 kHz,实测频率为56.7 kHz,驱动芯片为IR2111,开关管选用IRF540n,磁芯为软磁铁氧体磁芯EE42,线圈选用线 mm的铜导线H。

  系统输入直流电压15 V,负载为100 电阻,原、副边间距为1mm时,测得:副边电流0.15 A,原边电流0.19 A,经计算可得,功率传输效率为78.9%。当原、副边间距为3 mm时,功率传输效率为53.7%。随着距离的增加,功率传输效率将降低。当原、副边间距为7 mm时,功率传输效率较低,视为系统停止工作。

  实验根据结果得出,设计的以SG3525为控制核心的小功率非接触式电能传输系统简单可靠,可实现电能的高效传输。若将接收到的电压经整流滤波和稳压管7805后,供给单节锂电池管理芯片TL4906,就可以实现对单节锂电池的无线充电。