一种新颖的无接触充电电路

一种新颖的无接触充电电路,Wireless battery Charger

   摘要：介绍了一种通过电磁耦合的无接触充电电路。详述了电路的基本结构和控制策略，分析了电路中可能存在的问题并给出了解决方案。最后通过试验验证了此设计。

引言

自从1840年科学家揭示电磁感应现象及可用导线传输电能至今，电能的传输主要是由导线直接接触进行的。电工设备的充电一般是通过插头和插座来进行的，但是在进行大功率充电时，这种充电方式存在着高压触电的危险，给人们的生产和生活带来了不安全因素，因此，实现供电系统和电气设备之间没有导体接触，自然成为电能传输的重要研究方向之一。新型无接触能量传递技术利用了变压器进行能量传输不受速度影响这一优点，并将传统变压器的感应耦合磁路分开，初、次级绕组分别绕在不同的磁性结构上，从而在电源和负载单元之间实现不需要物理连接的能量耦合。

    本充电电路采用了开关电源技术和新型无接触能量传递技术，在工频220V输入下，得到稳定的直流12V输出用于给蓄电池充电。

1 主电路结构

主电路如图1所示，工频220V输入经全桥整流后，先通过常规的半桥逆变电路，再通过无接触式的隔离变压器隔离输入级和输出级。输出级采用全波整流，并通过LC滤波器滤除高频纹波，最后输出直流12V的电压。半桥电路采用的开关管S1和S2为高频MOS管IRF840，为了解决高频开关电源常有的开关损耗和噪声等问题，电路中采用了串联谐振的拓扑，利用开关管外并的电容C3与C4、串联的电感Lr和变压器的漏感谐振，这样流过高频MOS管的电流为正弦波，利用在正弦波过零时间开通MOS管，实现了零电压的软开关技术，大大降低了开关损耗。同时流过反并二极管的正弦电流使二极管上的电流变换率变得很小，缩短了反向恢复时间，有利于MOS管的开通和关断。



2 控制原理与结构

本电路的控制结构图如图2所示，控制芯片采用的是准谐振变换器控制器UC3861，由它产生两路宽度固定，频率可变的方波脉冲，再通过专用MOS管驱动芯片IR2110驱动S1和S2。

图2中UC3861和IR2110的供电都由隔离变压器的辅助绕组提供（见图1），与Vcc相连。UC3861属于调频控制芯片，频率变化范围由脚Range、Rmin和Cvco组成的压控振荡器确定。当误差放大器的输出增大时，频率也变大，反之亦然。UC3861能实现零电压开关技术，在Zero端加入电流互感器检测到的谐振电流（见图1），当电流过零时，芯片将开通输出信号，开通MOS管，实现零电压开通。在零电压开关谐振变换器中，开关频率升高时，变换器输出电压将降低。因此，误差放大器的反相输入端加入基准电压，同相输入端加入反馈电压。由于输入级和输出级是无接触的，所以反馈电压不能直接从输出端接入，而把辅助供电电压（输出电压经辅助变压器变压）直接加到同相输入端，以达到闭环控制。

3 磁放大器用于次级稳压

对充电电路来说，输出电压的稳定尤其重要，而具有隔离的初级和次级单元的无接触系统的设计，意味着次级电流不能直接进行控制，本电路在输出端加入磁放大器用于稳压。

磁放大器主要由非晶合金做成，它的磁滞回线相当窄，未饱和时的电感比饱和时的电感至少大两个数量级。它的工作原理如图3所示，当控制电流很小时，磁放大器未饱和，它的电感可视为无穷大，电路相当于断路，电流无法通过。随着控制电流的增大，磁放大器趋于饱和，电感量可视为零，电路相当于短路。所以磁放大器用于稳压时，可视为一个磁性PWM开关。

磁放大器用于次级稳压的电路如图4所示，图中MA1和MA2为磁放大器，它与整流二级管串联，有利于消除二极管反向恢复过程中电流变化过快而产生的噪声。

4 实验结果

针对以上分析，设计了一个输出为20W左右的无接触充电电路，参数如下：谐振电感Lr=5.48mH，谐振电容C3=C4=680pF，变压器采用E型磁芯E55一对，原副边绕组分开绕在骨架的两端，加1mm气隙，漏感为0.105mH。实验结果如图5所示。

（a）驱动电压波形和开关管vDS波形

（b）开关管vDS波形和直流12V输出波形

从图5可以看出，开关管上实现了零电压开通，开关损耗很小，且直流输出12V非常稳定。

5 结语

本文分析了实现无接触充电系统的意义，并对无接触充电系统的主电路和控制电路进行了分析，提出了一种将磁放大器用于次级稳压的电路拓扑，既稳定了直流输出，又改善了系统的动态性能。最后通过实验验证了以上的设计。