无线电能传输装置电路原理分析

无线电能传输装置电路原理分析

一、发射端

1.H桥工作原理及驱动分析

要控制线圈内产生交流信号，需要给线圈提供正反向电压，这就需要四路开关去控制线圈两个输入端的电压。H桥驱动原理等效原理图图如图3-5所示，当开关S1和S3闭合时，电流从线圈左端流向线圈的右端；当开关S2和S4闭合时，电流从线圈右端流向线圈左端。

图3-5H桥驱动原理等效电路

图

常用可以作为H桥的电子开关器件有继电器，三极管，MOS管，IGBT管等。普通继电器属机械器件，开关次数有限，开关频率上限一般在30HZ左右，而且继电器内部为感性负载，对电路的干扰比较大，但继电器可以把控制部分与被控制部分分开，实现由小信号控制大信号，所以高压控制中一般会用到继电器。三极管属于电流驱动型器件，设基极电流为I B，集电极电流为I C，三极管的放大系数为β，电源电压VCC，集电极偏置电阻R C，如果I B*β>=I C,则三极管处于饱和状态，可以当作开关使用，集电极饱和电流I C=VCC/R C，由此可见集电极的输出电流受到R C的限制，不适合应用于电流要求较高的场合。MOS管属于电压驱动型器件，对于NMOS来说，只要V DS≥V GS-V T即可实现NMOS的饱和导通，MOS管开启与关断的能量损失仅是对栅极和源极之间的寄生电容的充放电，对MOS管驱动端要求不高，同时MOS端可以做到很大的电流输出，因此一般用于需要大电流的场所。IGBT则是结合了三极管和MOS管的优点制造的器件，一般用于高压控制电路中。综合考虑，本设计选用了4只NMOS管组成H桥，其具有导通电阻R DS小，，电流I D大等优点。NMOS组成的H桥模型如图3-6所示。

图3-6NMOS管构成的H桥模型

结合图3-6来分析讨论H的驱动问题。首先分析由Q1和Q4组成的通路，当Q1和Q4关断时，F点的电位处于“悬浮”状态，即不确定电位，Q2和Q3也关断。在打开Q4之前，先打开Q1,给Q1的G极12V的电压，由于F点“悬浮”状态，则F点可以是任何电平，不能保证前面说的栅极电压高于源极电压，这样可能导致Q1打开失败；在打开Q4之后，尝试打开Q1,在Q1打开之前，F点为低电位，给Q1的G极加上12V电压，Q1打开，由于Q1饱和导通，F点的电平等于电源电压，此时Q1的G极电压小于Q1的

S极电压，Q1关断，Q1打开失败。Q2和Q3的情况与Q1和Q4相似。要打开由NMOS构成的H桥的上管，必须处理好F点（也就是上管的S极）的“悬浮”问题。由于NMOS 的S极一般接地，所有构成H桥的上管S极称为“浮地”。要使上管NMOS饱和打开，必须使上管的G极相对于浮地有10-15V的电压差，所以本设计采用IR2110悬浮驱动NMOS管方案，可以有效的解决上管的S极的“悬浮”问题[1]。

2.IR2110介绍及悬浮驱动电路设计分析

IR2110是美国IR推出的大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路,已在电源变换、马达调速等功率驱动领域中获得了广泛的应用。该电路芯片体积小,集成度高,响应快,偏值电压高,驱动能力强,内设欠压封锁,而且其成本低,易于调试,并设有外部保护封锁端口。尤其是上管驱动采用外部自举电容上电,使得驱动电源数目较其他驱动IC大大减小。对于4管构成的H桥电路,采用2片IR2110驱动2个桥臂,仅需要一路10-20V 电源。

如图3-12所示为一侧桥臂悬浮自举电路，两侧对称电路见附录。C13为自举电容，当低压输出端打开（LIN=1）、高压输出端关闭（HIN=0）时，低压侧12V电源电压经D3、C13、负载、Q4和另一侧Q3给C13充电，当低压输出端关闭（LIN=0）、高压输出端打开

（HIN=1）时，Q2管的栅极靠C13上足够的储能来驱动，从而在逻辑信号的控制下循环往复，从而实现NMOS管的悬浮自举驱动。若负载阻抗较大，自举电容经负载降压充电

较慢，使得Q4关断、Q2开通时，自举电容上的电压仍充电达不到自举电压8．3V以上时，输出驱动信号会因欠压被逻辑封锁，Q2就无法正常工作。所以，要么选用小容量电容，以提高充电电压；要么为自举电容提供快速充电通路。由于Q4每开关一次，C13就通过Q4充电一次，因此自举电容C13的充电还与输入信号HIN、LIN的PWM脉冲频率和占空比有关，当PWM工作频率过低时，若Q2导通脉宽较窄，自举电压8．3V容易满

自举。因此要合理设置PWM开关频率和占空比调节范围，并且PWM的占空比不能达到100%，否则无法给自举电容充电，也就无法自举驱动。通过实验自举电容和自举二极管的选择应考虑以下几点[2]：

(1)自举电容的选择与PWM的频率有关，频率高，自举电容应该选择小一点的；

(2)自举电容的种类最好是钽电容，本设计选用的是1uF的钽电容和一只0.1uF

的

独石电容并联；

(3)尽量使自举回路上不经过大阻抗负载，这样就要为自举电容充电提供快速充

电

通

路；

(4)对于占空比调节较大的场合，特别是在高占空比时，Q4开通时间较短，自举电容应该选择小点的；

（5）自举二极管能阻断直流干线上的高压，二极管承受的电流是栅极电荷与开关频率之积。为了减少电荷损失，应选用漏电流小的快恢复二极管(高频)，本设计选用的是IN4148。

由于驱动器和MOSFET栅极之间的引线、地回路的引线等所产生的电感,以及IC和FET内部的寄生电感,在开启时会在MOSFET栅极出现振铃现象,一方面增加MOSFET的开关损耗,同时EMC方面不好控制。在MOSFET的栅极和驱动IC的输出之间串联一个电阻,如图3-12中R6、R8，这个电阻称为“栅极电阻”,其作用是调节MOSFET的开关速度,减少栅极出现的振铃现象,减小EMI,也可以对栅极电容充放电起限流作用。该电阻的引入减慢了MOS管的开关速度,但却能减少EMI,使栅极稳定.同时MOS管的关断时间要比开启时

间慢(开启充电,关断放电),因此就要改变MOS管的关断速度,可以在栅极电阻上反向并联一个二极管，如图3-12中D5、D7,当MOS管关断时,二极管导通,将栅极电阻短路从而减少放电时间,使MOS管实现快速放电，确保上下桥臂MOS管不会同时导通[1]。为了到达直流变交流，我们需要给两路PWM口输入两路频率相同占空比相同，且有一定相位角保证两路PWM的高电平部分不重叠。

图3-12H桥一侧悬浮驱动原理图

MUC-VCC连接单片机电源正极

L-POWER如果是12V可以直接接图中+12V,否则需降压到12V