单位文秘网 2022-02-26 08:07:09 点击: 次
摘 要: 对于磁谐振耦合电能传输系统,逆变电路是必不可少的。并联MOSFET可以降低其导通损耗,同时会降低其开关速度,在频率较高时并不适用。提出一种全新的多路开关器件复用导通的技术,降低单管损耗。设计一种可行的系统方案,并用Cadence SPB 16.3中的Pspice工具进行仿真,验证方案有效性。
关键词: 磁耦合谐振;逆变电路;多路复用;损耗;仿真
中图分类号:TN386.14 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2011)0820173-02
0 前言
磁谐振耦合电能传输,是利用两个具有相同的特定谐振频率的电磁系统,在相距一定的距离时,由于电磁耦合产生谐振,进行能量传递[1]。其电路分为发射和接受两部分。基本原理框图如图1所示。
工作时,发射电路将直流电经过逆变电路转换为高频交流电流供给谐振回路a。谐振回路a与谐振回路b具有相同的固有频率。能量通过谐振传输到接收电路。根据负载具体需求,将接收到的能量调节以满足负载所需[2]。
1 逆变电路
逆变电路通过开关器件重复的通断开关,把直流电压或电流变换为高频方波电压或电流[3]。在图1所示的感应耦合电能传输系统中,逆变电路是发射电路中的关键部分。图2列出了三种逆变电路原理图。
在图1所示的磁谐振耦合电能传输系统中,为了保证谐振回路的效率,其逆变电路开关器件的占空比为50%。文献[4]中的分析表明,随着逆变电路频率的增高,系统的效率与传输距离同步增长。因此磁谐振耦合电能传输系统中,逆变电路的工作频率一般高于500KHz。
2 功率场效应管
为了达到不使用并联MOSFET增加电流容量的目的,本文提出一种新的减小单管损耗的可行方案。电路原理及波形示意如图4所示。电路采用4路MOSFET,输入方波信号经控制电路处理后,得到4路4分频方波信号,分别控制4路MOSFET轮流导通,实现逆变。
3.2 控制电路设计
控制电路原理如图5所示。时钟信号输入环形计数器,计数器产生循环计数编码,由译码器将其变为N中取1码,再分别送入几个比较器中。编码与基准电压 比较后得到驱动控制信号,输出至MOSFET驱动电路。环形计数器的计数长度,决定了轮流导通的MOSFET的个数。
在Cadence SPB 16.3中建立如图5所示的控制电路原理图。循环计数器长度选为8,译码器采用3-8译码器,同时配合4路比较器,得到4路驱动信号。使用Pspice工具对电路进行仿真。仿真波形输出如图6、7所示。
其中U2为时钟信号,VR10,VR11,VR12,VR13分别为4路比较器的输出。图6中时钟信号500KHz,占空比50%。每路MOSFET控制信号频率125KHz,占空比12.5%。4路比较器的输出接入驱动电路后驱动图4(a)所示的TR1~TR4,即可将直流电压逆变为500KHz的方波电压。改变时钟信号的频率即可改编逆变电路的频率。图7为时钟1MHz时仿真波形。
5 结语
本文阐述了磁谐振耦合电能传输系统中的逆变电路,系统分析了传统的减小MOSFET损耗的方法。分析表明,传统的并联方式可以明显减小单管导通损耗。但由于并联后输入电容增加,开关速度降低,并不适用于工作频率极高的磁谐振耦合电能传输系统。基于以上分析提出一种全新的多路开关器件复用导通的方式,降低单管损耗。并设计了一种可行的系统方案。通过Pspice仿真,验证了方案的有效性。采用n路MOSFET复用导通方式,单管损耗降低为原来的。
参考文献:
[1]Benjamin L.Cannon,James F.Hoburg, Daniel D.Stancil, Seth Copen Goldstein, Magnetic Resonant Coupling As a Potential Means for Wireless Power Transfer to Multiple Small Receivers, IEEE Transactions on Power Electronics,Vol.24, No.7,July 2009:1819-1825.
[2]Rohan Bhutkar, Sahil Sapre, Wire Energy Transfer using Magnetic Resonance, 2009 Second International Conference on Computer and Electrical Engineering.
[3]张占松、蔡宣三,开关电源的原理与设计(修订版),电子工业出版社,2004年9月.
[4]张小壮、朱春波,磁耦合谐振式无线能量传输距离特性及其试验装置研究,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文,2006年9月.
[5]徐长杰、李月恒、于文静、康小麓、铁军、王晓纯,功率MOSFET并联分流特性研究,冶金自动化,2008年.
[6]Abraham I.Pressman著,开关电源设计(第二版),王志强译,电子工业出版社,2005年9月.
作者简介:
田声洋(1985-),男,四川省南充市人,汉族,现就读于电子科技大学电子工程学院硕士研究生,研究方向:电力电子及无线电力系统。
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