大功率水下无线供电装置设计

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(武汉理工大学 a.能源与动力工程学院；b.国家水运安全工程技术研究中心，武汉 430063)

自主式水下航行器(AUV)、有缆遥控水下航行器(ROV )等水下航行器多采取蓄电池供电或电缆供电方式。一方面，这两种供电方式或是限制了水下航行器的活动范围，或是限制了水下航行器的工作时间；另一方面，这两种供电方式都会增加水下航行器的维护成本，比如，有缆水下供电的水下航行器，电缆需要维护，蓄电池供电的水下航行器，需要打捞充电再行投放。基于以上原因，国际学术界和工程界提出了水下无线供电方案[1]。目前，水下无线供电技术还处于起步发展阶段，其研究多集中于感应耦合式方案，传输距离在1 cm以内，传输功率在千瓦级以下[2-3]，离实用化还有一定距离。为此，考虑采用磁耦合谐振式水下无线供电方案，保证较高的传输距离；采用双E类功放电路，同时进行元器件参数优化，提高水下无线供电装置的无线电能输出能力、输出可靠性以及传输效率。

1 系统整体构成

水下无线供电装置原理见图1。

主要由双E类功放电路和驱动电路组成的发射电路、耦合装置、负载、MCU控制模块组成。MCU控制模块采用STM32F103芯片作为控制核心，同时产生两路互补的脉冲信号，为驱动电路提供弱电脉冲信号。驱动电路采用MOSFET高速驱动光耦组成，将来自MCU控制模块的弱电脉冲信号与MOSFET栅极进行电气隔离，并以适当的电压幅值输出。发射电路由双E类功放电路及其驱动电路组成，双E类功放电路作为高频逆变电路，由直流电源供电，驱动电路发出脉冲信号驱动双E类功放电路中的MOSFET开关管工作，产生高频交流电。耦合装置由接收线圈、发射线圈、谐振电容组成，发射电路发出的高频交流电流过耦合装置发射端，激发磁场，磁场能量再通过耦合装置接收端接收，转化为电能，对负载进行供电。如果负载是直流负载，则需要考虑添加快恢复二极管组成的快速整流滤波电路。高频电流下使用普通二极管整流，会降低整流效率。

2 水下无线供电装置模型分析

水下无线供电装置采用磁耦合谐振式无线电能传输技术，其经过简化后的模型见图2。

设谐振线圈间的互感为M，耦合系数为k。LT、LR、M、k之间的关系为

(1)

根据基尔霍夫定律，耦合装置接收端、发射端的电压向量方程可表示为

(2)

式中：IT、IR为流过发射线圈、接收线圈的电流大小；ω为高频交流电源的角频率。

当系统发生谐振时，式(2)中的电感、电容电压数值相等，发射线圈、接收线圈电流IT、IR可表示为

(3)

由式(3)计算得到图2中的RRequ为

(4)

3 硬件电路设计

电路设计原理见图3。

驱动电路负责提供脉冲信号Vgs1、Vgs2，驱动MOSFET开关管，使双E类功放电路正常工作。双E类功放电路将直流电逆变成高频交流电，激发电磁场，经过由漆包线线圈和谐振电容组成的耦合装置的电磁转换，为负载提供电能，实现大功率水下无线供电。

3.1 双E类功放电路

双E类功放电路拓扑结构如图3所示。S1～S4为MOSFET开关管;L1、L2为高频扼流电感，C1、C2为旁路并联电容;L3、C3共同起到滤波作用;Vgs1和Vgs2是互补的脉冲信号源。双E类功放电路是一种推挽式E类功放电路。两路并联的MOSFET开关管共同承担电路激发的交流电压的峰峰值，交替为接收负载提供高频电流，使其输入功率提高3倍，同时每路并联2个MOSFET开关管，以进一步提高输出功率[4]。高频扼流电感L1、L2电感值较大，可以认为其提供的是近似恒定的直流电流。

如图4所示：Vgs1、Vgs2为驱动脉冲信号；Vds1、Vds2分别为MOSFET开关管两路漏-源极电压；VL为接收端负载电压。双E类功放电路工作可以看作两个阶段，第1支路MOSFET开关管S1、S2由开通转向关断，第2支路MOSFET开关管S3、S4由关断转向开通。当驱动脉冲信号的电压大于MOSFET开关管的开启电压时，MOSFET开关管饱和导通，反之，MOSFET开关管截止。由于当MOSFET开关管饱和导通时，MOSFET开关管的饱和导通电阻较小，漏-源极电压极小，而漏极电流有先上升后下降的过程，截止时，漏极电流为零。漏-源极电压视负载而定，漏-源极电压和漏极电流交错出现，开关管功耗损失不大，因而理性的双E类功放电路效率接近100%。

由以上分析可知，理性的双E类功放电路工作需要满足：MOSFET开关管完全关断后，其漏-源极电压才开始变化，MOSFET开关管导通瞬间，其漏-源极电压为零，且其变化率为零，漏-源极电压ZVS和ZDS导通。

双E类功放电路需要设计合适的参数，才能达到良好工作状态。根据文献[5]，需要先选定负载支路的负载品质因数QL,QL一般取值在5～20之间。取值过小，会增大电路损耗，取值过大，会影响电路功率输出。QL的定义为

QL=ωL/R

(5)

由此可以得到滤波电感L3值，其中R=RRequ。

L3=QLR/ω

(6)

根据Raab条件[6]，双E类功放电路工作在最佳状态时，负载网络阻抗角θ=49.052°，可得到阻抗关系，同时由式(7)可得滤波电容C3。

(7)

C3=1/ω(ωL3-Rtanθ)

(8)

为确保满足MOSFET开关管实现ZVS、ZDS软开关运行条件，并联旁路电容C1、C2的电容值如果选值较小，MOSFET开关管的漏源极峰值电压增加，会对MOSFET开关管产生较大的电压应力；反之，如果选值过大，会影响水下无线供电装置的功率输出，其数值可运用下式进行计算。

C1=C2=4/[(1+π2/4)πωR]-2×Coss(9)

式中：Coss为MOSFET开关管的寄生输出电容。

高频扼流电感L1、L2使得输入电流近似于直流，理论上其数值越大越好，实际上其数值一般满足下式即可。

L1=L2≥10/ω2C1

(10)

3.2 驱动电路设计

MCU控制模块的GPIO口输出脉冲方波信号不能直接和MOSFET开关管相连栅极相连，需要进行弱电和强电的电气隔离。常用PC817、TLP521等线性光耦进行电气隔离，但是线性光耦传输速度较慢，延迟较高。当输入信号频率较高时，输出信号会发生畸变，影响系统精度。高频MOSFET驱动需要选用专用的MOSFET高速驱动光耦，如6N137、HCPL-3 120等。

双E类功放电路中MOSFET开关管的驱动电路见图5。芯片6N137为MOSFET高速驱动光耦，隔离电压可达2 500 V，转换速率高达10 Mbit/s。MCU控制模块的GPIO口输出脉冲方波信号后，经电阻R1输入到MOSFET驱动光耦芯片6N137的2脚上，6脚输出。经栅极电阻R2与MOSFET开关管相连栅极。电阻R3主要是为MOSFET开关管静电释放提供通道，稳压二极管D2可将驱动电压限制在20 V以内。

3.3 耦合装置设计

耦合装置依据线圈和谐振电容的连接方式，共有4种类型，即串-串式、串-并式、并-并式、并-串式。水下无线供电装置的耦合装置采用串-串式，其效率相对较高，对元器件耐压值要求也相对较低[7]。如图2所示，耦合装置由发射线圈LT、接收线圈LR及其附属的谐振电容CT、CR组成，其数值关系满足关系式(11)。谐振电容CT、CR一般选用耐压值较高的CBB电容、云母电容或瓷片电容，其中云母电容高频特性较好[8]。依据文献[9],耦合装置线圈周围需要使用环氧树脂，以减少水下无线供电装置在海水中工作时的能量损失。

LTCT=LRCR=1/ω2

(11)

其中谐振线圈LT、LR采用漆包线缠绕的空间螺旋式结构，其自感为[10]

(12)

在LT、LR参数相近的情况下，互感M为

(13)

式中：N表示谐振线圈匝数，r代表谐振线圈半径，a代表谐振线圈导线半径，D代表两谐振线圈间的距离，μ0为真空磁导率。

考虑到集肤效应，其线圈材料Q值并非越高越好。

4 仿真分析

在Multisim中建立仿真模型，见图2。基准参数：双E类功放电路输入电压为120 V，MOSFET开关管开关频率f=1 MHz，占空比D=0.5，双E类功放电路工作ZVS和ZDS条件下的电阻RRequ=10 Ω，负载支路的品质因数QL=6。结合相关公式，先确定发射线圈、接收线圈的设计参数，验证线圈电感参数的可行性，再计算仿真模型参数，验证水下无线供电装置的可行性。相关结果见表1和表2。其中MOSFET开关管选用Infineon公司出品的IPW90R340C3大容量MOSFE开关管，其漏源极击穿电压为900 V，导通电阻为0.34 Ω，最大连续漏极电流为15 A(25 ℃下)，最大耗散功率为208 W。

表1 发射线圈、接收线圈设计参数

表2 仿真模型参数

第1支路驱动信号Vgs1及其MOSFET开关管S1漏源极电压Vds1、第2支路驱动信号Vgs2及其MOSFET开关管S3漏源极电压Vds3如图6所示。

从图6可看出，MOSFET开关管开通之前，S1、S3漏源极电压Vds1、Vds3已经降为零,由于并联输出S2、S4与之相同，表明该条件下，水下无线供电装置中的双E类功放电路已经实现软开关，电路损耗降低，有助于提高无线电能传输效率。

通过使用Multisim自带的功率计测量，得到其输入功率为1.64 kW，输出功率为1.55 kW，效率为94.5%。经示波器测量，发射线圈的谐振电容CT电压峰值约为3 500 V，接收线圈的谐振电容CR电压峰值约为583 V，滤波电容C3的电压峰值为588 V，旁路电容C1、C2电压峰值约为457 V，实际设计中水下无线供电装置应使用耐压值为35 kV的瓷片电容。经电流电压探针测量，电路干路电流约为13.6 A，实际设计中高频电感线圈应该使用最大电流值为20 A的高导锰锌磁环线圈。

计算和仿真比较表明，选用不同的MOSFET开关管，由于其参数特性不一样，水下无线供电装置的电路输出功率等参数也会不一样，但一般而言，要优先选用高耐压、漏极连续电流允许值较大、寄生输出电容较小的MOSFET开关管。另外，由于不同电路参数下，MOSFET开关管的寄生输出电容不一样，旁路电容的取值需要进行调整。旁路电容在一定范围内取值减小，电路输入输出功率、传输效率均上升，但MOSFET开关管漏源极电压会升高。当旁路电容取值过小时，不能实现MOSFET开关管ZVS、ZDS软开关导通，也可能会击穿MOSFET开关管；旁路电容取值过大，旁路电容不能完全释放电荷，电路损耗增加，MOSFET开关管漏源极电压峰值和有效值减小，电路输入输出功率、传输效率都会下降。

5 结论

该水下无线供电装置，可有效解决水下航行器等海洋机电设备传统湿拔插接口供电成本昂贵、可靠性差以及活动距离受限等问题，可为海洋机电设备提供充裕的无线供电距离和较大的传输功率。

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