基于频率功率可调的WPT 系统小功率电源研究设计

孙文慧 黄学良 陈 琛 谭林林

（1.东南大学电气工程学院 南京 210096 2.江苏省智能电网技术与装备重点实验室 镇江市 212000）

1 引言

2007年MIT 成功隔空点亮一盏60W 的灯泡，取得了无线电能传输（WPT）技术的突破，提出了基于磁耦合谐振式无线电能传输理论。该理论利用磁场作为传输介质，通过磁场共振建立发射与接收装置之间的高效的能量通道，具有传输效率高、距离远、传输功率大、对介质的依赖性小等特点[1]。随着电力电子技术的不断深入发展，磁耦合谐振式WPT 技术已经从最初的理论研究逐渐转向产品应用研究。

在磁耦合谐振无线电能传输过程中，发射端与接收端是通过高频交流电产生的磁场能量交互耦合实现能量的传输，系统电源的工作频率一般为几kHz 到几MHz，而传统的小功率电源频率一般从工频到几kHz，无法满足WPT 系统高频电源的设计要求[2-4]，且大多WPT 系统功率电源频率不可调、输出电压及功率不可调，无法满足不同负载需求。本文设计了一套基于UCC3895 及IR2110 控制芯片的小功率逆变电源，对UCC3895 及IR2110 的工作原理和系统电源的设计进行了详细阐述，通过硬件设计调试及实验分析实现对移动设备的无线充电及系统频率、输出功率可控。

2 无线电能传输系统模型

磁耦合谐振式无线电能传输系统主要由系统电源、谐振器、整流稳压装置及负载四部分组成，其中系统电源是实现无线电能传输的关键部分，它决定着WPT 系统的系统频率及传输功率。本文设计的无线电能传输系统模型如图1 所示。该系统采用不控整流稳压装置，接收线圈与发射线圈的补偿电容皆采用SS 拓扑结构[5]。

图1 无线电能传输系统模型Fig.1 Model of wireless power transmission system

在本文设计的系统模型中，负载并不是直接串联在接收线圈上，而是经过负载线圈的方式引出，为了提高系统的品质因数和传输效率，接收线圈和负载线圈采用隔离强耦合的方式进行能量场的交互[6-7]。由于负载线圈一般匝数较少且无外接补偿电容，与发射线圈距离较远，因此发射线圈激励出的磁场多在谐振状态下的发射和接收线圈中进行耦合交换，与处于非谐振状态的负载线圈耦合较少，负载线圈接收的能量主要通过与接收线圈的耦合得到，因此该WPT 系统模型的等效电路[8]如图2 所示。

图2 无线电能传输系统等效电路图Fig.2 Equivalent circuit of wireless power transmission system

系统驱动电源为us，电源的工作频率为ω，发射和接收线圈的等效电感、电容分别为Lt、Ct、Lr、Cr，其中Lt=Lr，Ct=Cr，Rt、Rr分别为发射线圈与接收线圈的内阻，M为发射线圈与接收线圈间的互感，Zeq为系统负载等效阻抗。根据等效电路可列出KVL方程1：

在将WPT 系统应用到家用电器过程中，负载一般为非纯阻性，此时，系统谐振频率会随非阻性负载改变而改变，因此，在实际应用中，应通过调整系统电源频率使系统达到谐振状态。由负载侧电压公式可知，在系统到达谐振时（系统频率一定），可通过改变 us的大小实现输出电压及输出功率可调，以满足家用电器不同电压等级的需求。因此，设计实现频率功率可调、满足不同负载需求的系统电源是实现WPT 技术市场化推广的关键。本文基于上述需求，设计了一套频率功率可调的WPT 系统小功率电源。

3 系统电源设计方案

本文设计了以UCC3895为核心的PWM 信号控制电路、以IR2110 驱动信号产生电路及以全桥逆变为主电路的系统电源，实现系统电源的调频、调功、移相的功能。

3.1 UCC3895 工作原理

UCC3895 采用零电压开关脉宽调制技术，通过移动一个半桥对另一个半桥驱动脉冲的相位，实现恒定频率、高效率零电压转换脉冲宽度调，同时增强了控制逻辑能力、增加了自适应延时设定和关断能力，通过调整外电阻的大小，可以实现软启动/软关断时间的调整，最高工作频率可达1MHz，达到实现无线电能传输的要求。UCC3895 的各引脚功能如表1 所示：

表1 UCC3895 各引脚功能Tab.1 Pin function of UCC3895

引脚7CT、8RT 数值的大小决定UCC3895 内部振荡器的工作频率，公式如3，引脚9 DELAB 可调整输出端A 和B 之间的死区时间，引脚10 DELCD可调整输出端C 和D 之间的死区时间[9]，公式如4。

其中CT为引脚7 外接电容，单位为法拉，RT为引脚8 外接电阻，单位为欧姆，RT 的阻值一般在40～120KΩ，RDEL为引脚9 或引脚10 的外接电阻，大小可调，VDEL为外接电阻RDEL电压大小。

在电路设计过程中应注意，引脚4 到地之间需接入0.1uF 的旁路电容，可以使基准电源更加稳定。引脚15 到地之间必须外接1uF 以上的旁路电容。引脚16为PGND为输出级接地端应与引脚5 接在一起。

UCC3895 引脚分布图如图3 所示，外围电路分布图如图4 所示。

图3 UCC3895 引脚分布图Fig.3 Pin distribution of UCC3895

图4 UCC3895 外围电路分布图Fig.4 Circuit distribution of UCC3895

3.2 逆变电路参数设计

本文设计的逆变电源应适用于磁耦合谐振无线电能传输领域，频率范围应在几百KHz 到1MHz，同时可通过PWM 波形的占空比调节实现输出功率的可调。本文取振荡器定时电容CT=470pF，为实现功率可调，取振荡器定时电阻RT为0～200KΩ可变电阻，设频率为200KHz，则电阻RT为100KΩ，周期为5us。死区时间的设定取决于VDEL及RDEL的选取，VDEL的设置与引脚ADS 和引脚CS 有关,如公式5。ADS 引脚直接与CS 引脚相连时，输出死区时间为0，当ADS 引脚接地时，输出死区时间最大。CS 引脚上的电压为2.0V 时的延迟时间是CS电压为0V 时的4 倍。

本文设最大延时时间为1us，在实验设计时，通过使用可调电阻实现VCS与VADS电压差大小可调，RDEL也使用可调电阻，范围为0～200KΩ，这样死区时间可以在一个范围内调节，调试时死区时间应该调到最大，即电阻接入电路的阻值达到最大值即可。

驱动波形的移相是通过引脚EAP 电压大小来实现，实验设计时通过使用可调电阻的分压实现引脚EAP 电压大小的调节，取R5为500KΩ 可调电阻，R6=100KΩ。

3.3 IR2110 工作原理及设计

IR2110 采用HVIC 和闩锁抗干扰CMOS 制造工艺，具有独立的低端和高端输入通道，其驱动原理采用高压侧悬浮自举驱动原理，该原理可以大大减少驱动电源数目。IR2110 的各引脚功能如表2 所示。

表2 IR2110 各引脚功能Tab.2 Pin function of IR2110

高压侧悬浮自举驱动原理原理

图5为半桥驱动电源原理图，其中VD1为自举二极管，C1为自举电容，C2为VCC 的滤波电容，当HIN为高电平时VM1 开通，VM2 关断，VC1 加到S1 的门极和发射极之间，C1 通过VM1、Rg1 和S1 门极栅极电容Cgc1放电，Cgc1被充电。此时C1可等效为一个电压源。当HIN为低电平时，VM2开通，VM1 断开，S1 栅电荷经Rg1、VM2 迅速释放，S1 关断。经短暂的死区时间（td）之后，LIN为高电平，S2 开通，VCC 经VD1，S2 给C1 充电，迅速为C1 补充能量。如此循环反复。

图5 半桥驱动电路图Fig.5 Circuit of half bridge driver

自举电容的选择

在功率管开通时，需要在极短的时间内向门极提供足够的栅电荷。假定在器件开通后，自举电容两端电压比器件充分导通所需要的电压（10V，高压侧锁定电压为8.7/8.3 V）要高，再假定在自举电容充电路径上有1.5V 的压降，最后假定有1/2 的栅电压因泄漏电流引起电压降，因此自举电容为：

根据 MOSFET 型号为IRPF460 可知，Qg为190nC，本实验中VCC为20V，因此C1为0.044 7uF，因此本文取C1为0.1uF、耐压大于35V 的钽电容。其中IR2110 原理图设计如图6。

图6 IR2110 驱动原理图Fig.6 Drive principle of IR2110

3.4 逆变电源主电路设计

本文的主电路设计主要采用全桥逆变电路，UCC3895 产生4 路PWM 信号，经过IR2110 驱动芯片产生4 路驱动信号对MOSFET 芯片进行驱动，其原理图如下图7。

在MOSFET 的栅极与源极之间加入了双向15V稳压管和泄放电路保证器件驱动芯片的有效工作，MOSFET 型号选取为IRFP460。

图7 主电路设计原理图Fig.7 Design principle of the main circuit

4 实验平台搭建及实验结果

通过硬件制板及焊接、线圈绕制、不控整流设计，完成了如图8 所示移动电视无线供电演示系统，图9为小功率逆变电源硬件实物图。在调试过程中，直流侧电压为30V，频率设定为204K，UCC3895 AD输出端波形、MOSFET 门级驱动波形、逆变后输出电压电流波形及次级线圈输出波形如图10 所示。

图8 移动电视无线供电演示系统Fig.8 Wireless power supply demo system of Mobile TV

图9 小功率逆变电源硬件实物图Fig.9 Hardware entity of the small power inverter power supply

图10 系统各端输出波形图Fig.10 The output waveform of different side

直流侧电压为30V 时通过系统电源逆变后输出的电压电流波形可以看出，电压基波波形成较好的正弦波形，电压电流同相位，但电压波形具有较多谐波，基波频率与电源频率同为204KHz，基波有效值为26V，通过实验可证明该系统能成功实现移动电视的无线充电如图3.1，系统输出功率为26W。通过UCC3895 的移相功能控制系统输出功率，输出波形移相40%，UCC3895AD 输出端波形、MOSFET门级驱动波形、逆变后输出电压电流波形及次级线圈输出波形变化如图11 所示。通过移相后，发现输出功率降低为20W。

图11 移相后系统各端输出波形图Fig.11 The output waveform of different side after dephasing

5 结论

本文设计了一套适用于磁耦合谐振无线电能传输系统的逆变电源，该电源可实现系统频率及输出功率可调。系统稳定运行时，系统效率可达85%以上，随着电压升高，系统损耗加大，效率会下降到80%左右。在实验过程中发现，采用全桥逆变电路结构的系统电源在WPT 系统工作在谐振状态下时，逆变电源的输出电流过大，会导致系统工作不稳定且开关管等器件发热严重，因此，该类型电源在实际应用到家用电器时需通过调节逆变电源频率，使输出频率稍微偏离系统自谐振频率，使系统可以安全稳定运行。

[1]Soljacic M,Kurs A,Karalis A,et al.Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances[J].Sci Express.2007 317(5834)：83-86.

[2]DL Mascarenas,EB Flynn,MD Todd et al.Experimental studies of using wireless energy transmission for powering embedded sensor nodes[J].Journal of Sound and Vibration.329 (2010) 2421-2433.

[3]Juan Luis Villa,Jesús Sallán,Andrés Llombart,et al.Design of a high frequency Inductively coupled power transfer system for electric vehicle battery charge[J].Applied Energy.86 (2009) 355–363.

[4]严琦龙,陈庭勋.基于DPA425 的小功率无线电源设计[J].实验室研究与探索.2010.7,29 (7)：27-30.Yan Qilong,Chen Tingxun.Design of low-power wireless power supply based on DPA425[J].Research An Exploration in Laboratory.2010.7,29 (7)：27-30

[5]黄学良,吉青晶,谭林林.磁耦合谐振式无 线电能传输系统串并式模型研究[J].电工技术学报.2013.3,28(3)：171-176.Huang Xueliang.Ji Qingjing.Tan Linlin.Study on series-parallel model of wireless power transfer via magnetic resonance coupling[J].Transactions of China Electrotechnical Society.2013.3,8(3)：171-176.

[6]黄辉,黄学良,谭林林等.基于磁场谐振耦合的无线电力传输发射及接收装置的研究[J].电工电能新技术.2011,30(1)：32-35.Huang Hui,Huang Xueliang,Tan Linlin etc.Research on transmitter and receiver of wireless power transmission based on magnetic resonance coupling[J].Adwanced Technology of Electrical Engineering and Energy.2011,30(1)：32-35.

[7]谭林林、黄学良、赵俊锋.一种无线电能传输系统的盘式谐振器优化设计研究[J].电工技术学报.2013.8,28(8)：1-6.Tan Linlin,Huang Xueliang.Zhao junfeng.Optimization design for disc resonators of a wireless power transmission system[J].Transactions of China Electrotechnical Society.2013.8,28(8)：1-6.

[8]周亚龙,赵家明,黄学良.基于无线电能传输的小功率整流稳压系统设计[R].东南大学校庆报告会,2012年.Zhou Yalong,Zhao Jiaming,Huang Xueliang.Design of small power rectifier and voltage stabilizer system based on wireless power transmission[R].College of Electrical Engineering.2012.

[9]李昌林.电动汽车车载充电系统的设计与实现[D].武汉理工大学,2008年.Li Changlin.The design and implementation of electric vehicle charging system[D].Huazhong University of Sciences and Technology,2008.