磁耦合谐振式无线充电系统电路设计

张新亮，武凯伟

（江苏工程职业技术学院，江苏 南通 226007）

电动汽车充电常用的模式包括充电桩充电和车载充电机充电，具体情况如图1 和图2 所示。对比分析可知，两种充电模式的差异为充电桩充电为380 V 三相电，因而功率较大，速度快，而车载充电机为220 V 电源。连接时二者都为电导线直连模式，容易磨损，大幅增加了电火花出现的可能性，也不利于使用和维护。无线充电技术可有效避免这些问题，同时为电动汽车便捷充电提供可靠支持。目前，在电动车充电领域，基于磁耦合谐振式的无线充电技术开始受到关注，且在实际应用中表现出防水防尘、接口免维护等性能优势，同时与此相关的研究也在不断增加，因而这种充电模式具有广阔的应用前景。本文对这种充电技术进行研究，设计了相应的整流滤波电路，以期为其进一步应用推广提供支持。

1 整流滤波电路设计

电器系统中，这种电路的主要作用是将交流电转换成脉冲电流。根据形式进行划分，整流电路可划分为半波、桥式和倍压整流电路等几种。半波整流电路类型结构简单，输出电压和效率相对较低，存在一定的应用局限性。桥式整流电路中设置了4 个二极管，在充电过程中充分利用交流电压，因而效率高。此外，各二极管在运行过程中承受的反向峰值电压很小，因此也提升了系统安全性。倍压整流电路则引入了滤波电容，因而输出电压很高，在大负载条件下有较高的适应性［1］。本文在研究时对比分析后选择了桥式整流电路，结构原理如图3 所示。

本系统选择MDQ100-16 整流模块进行整流，整流性能强，可满足此方面的整流要求。

2 滤波电容的选择

整流后所得的电信号中还有很强的交流纹波，无法直接满足应用要求。因此，设计时引入滤波电容来消除纹波成分。滤波过程中，脉动直流上升期间进行充电，短时间内就可以充满；在脉动电压下降期间开始放电，对应的放电时间很长，在电容剩余少量时开始再次充电。不断进行上述操作，从而实现滤波目的。进行滤波处理后可确定负载两端电压值，即：

带入电压数值，确定整流后输入全桥的电压为：

在初级谐振回路中，滤波电容也可以充当电源，且基于电感L1充电到谐振电容。图4 显示出对应的等效电路情况。

图4 中，C0、C1分别为滤波电容和谐振电容，L1为电感。因此，确定放电前后滤波电容的电压之比为：

滤波电容在运行过程中需要充当电源为电路供电，这样一段时间后其电压降低。因此，为满足直流电压相关要求，应该控制放电前后的电压基本上接近，C0＞＞C1。本文在设计时为满足这一要求，拟选择滤波电容3 300 μF。

3 全桥逆变电路设计

3.1 全桥逆变电路的设计

从属性角度看，这种电路属于一种高频逆变电路，在无线充电领域被广泛应用。在充电过程中，它可以将直流电转换为一定频率的交流电。实际的应用结果表明，这种电路的特征表现为抗干扰性好、效率高以及损耗小，对无线充电系统的性能起决定性作用，且与系统的输出效率密切相关。这种充电技术的高频逆变实现方式主要包括变换电路实现和功率放大器放大实现。变换电路实现方式的输出功率高，但频率一般不超过1 MHz；功率放大器模式则需要用到信号发生器而获得较高频率的信号，但设备复杂，影响其经济性［2］。

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图5 显示了全桥逆变电路的结构情况，其中设置了4 个开关管。开关管的损耗增加，降低了流经的电压，可有效结合推挽拓扑和半桥拓扑结构的优势，更好地满足大功率器件的应用。为简化分析，可将全桥逆变电路看作半桥逆变电路的组合结构，对角线上的桥臂为一组。在运行过程中，每组的桥臂同时导通，在交替通断的基础上得到满足要求的交流信号，进而实现转换的目的。全桥逆变的开关电流为半桥结构的1/2，而输出电压则达到2 倍。这种情况下输出功率提高，开关管受到的应力降低。本文在设计时对比分析后选择全桥逆变来实现高频逆变电路的目的。

3.2 硬开关与软开关

硬开关具体是指开关管DS 或CE 上的电压在任意条件下强行通断开关管时对应的周期都为固定周期的开关管。在通断过程中，这种开关的电压和电流都非零，存在一定波形的交越区域，而此区域对应的损耗被称作开关损耗。实际经验表明，在此损耗的影响作用下，电路效率会有一定幅度降低，且此过程中电流电压变化速度大，对应的波形也存在过冲，会引发开关噪声，相关情况如图6 所示。

在提升开关器件频率特性方面，软开关技术具有重要应用。这种开关在运行过程中基于谐振原理，而控制开关器件的电压自然过零条件下对器件进行通断，以降低开关损耗，避免感性关断、容性开通的缺陷。软开关在工作过程中根据开关管的电流信号进行控制，确保在开关管两端电流为零的条件下进行通断控制，从而有效预防出现开关损耗的相关问题［3］，具体情况如图7 所示。

本文在研究过程中引入了电流反馈自激技术，使得全桥电路处于零电流开关状态下，明显降低了对应的开关损耗，可更好地满足相关性能要求。

3.3 开关管的选择

功率转换电路中，最重要的组成单元为功率开关管。它可以逆变处理整流滤波后的电压信号。本文在设计时根据电流参数选择IGBT 作为全桥的开关管。IGBT 是组合BJT 和MOS 而形成的一种晶体管，在运行过程中可实现全控型电压驱动目的。实际应用结果表明，它具有耐冲击、开关速度快、高输入阻抗、可靠性高以及适用性强等特点。对比分析可知，这种晶体管导通时的饱和压降明显低于MOS 管。

这种功率管在应用过程中需要注意电网及瞬间电压峰值，因而应该设置适当的裕量。一般情况下，分析时可确定开关管的额定电压：

本文在设计过程中对比分析后选择的这种模块型号为CM300DY-24H，结构情况如图8 所示。

分析图8 可以看出，这种模块的主要组成为两个IGBT。其中，各晶体管在连接时都反向并联恢复二极管，可避免关断时的瞬时峰值电压引发的损坏问题。模块中还引入了系统装配，可方便安装和设置，且散热性能好，将两个这种模块结合而形成全桥逆变电路。

3.4 全桥电路的优化

根据系统应用要求设计出全桥逆变电路，如图9 所示。

系统在运行过程中，相应的电压会瞬时大幅度增加。为避免出现开关管击穿和全桥电路损坏问题，设置了瞬态抑制二极管。运行过程中，这种二极管可短时间内耐受很大反向电压冲击，实现一定电压钳制目的，从而保护后续的电路免受冲击影响。本文选择的这种二极管型号为P6KE18CA 和1.5KE440CA。前者在运行过程中可吸收600 W 的浪涌功率，且安装在栅极和源极间，后者则可吸收1 500 W 的浪涌功率且进行并联连接。此外，它还并联了吸收电容C2～C5。设计过程中，为避免脉冲的前后沿陡度和震荡问题，在栅极设置了电阻；为提升晶体管的通断速度，并联了肖特基二极管IN5918，从而更好地满足相关应用要求。

4 驱动电路设计

驱动电路的作用主要是放大控制系统的输出信号，以满足开关管的驱动要求。具体分析可知，各全桥拓扑中每路桥臂都设置了上下臂开关管，二者的源极并不共地。这样在运行过程中输出的PWM 不能有效驱动开关管，因而应该通过驱动模块满足驱动性能要求。本系统驱动IGBT 时，引入了电流放大芯片UCC27423。

该放大芯片可看作一种双路高速低侧MOSFET驱动器，在工作过程中通过双极型晶体管和MOSFET柱并联输出，显著提升了相应的输出和驱动性能。此外，设置了使能端，从而更好地控制输出电平，且明显降低导通电流，而阻抗和开关损耗都很小，因而在开关电源领域具有明显的性能优势。

在进行连接时，UCC27423 的输出端不可直接和IGBT 栅极相连，以避免引发短路问题，应该引入隔离驱动电路。这种电路可划分为变压器隔离和光耦隔离两种类型。其中，光耦隔离电路在应用过程中可能由于芯片响应延迟引发一定的滞后问题，且在应用时需要引入辅助电源供电，导致结构更复杂，增加了控制难度。此外。光耦隔离的器件在应用中应该额外隔离，降低了系统的可靠性。因此，本文在设计时综合分析后选择栅极驱动变压器进行隔离。这种驱动变压器延时低，控制灵活方便，在大功率领域被广泛应用［4］，结构如图10 所示。

在进行连接时，栅极驱动变压器初级接驱动电路的柱输出，次级则和各开关管连接。变压器中设置了25 mm 的磁环，在等比例条件下通过漆包线绕制得到5 个绕组，其中原边绕组为1 个。为满足浮地驱动要求，将相同的同名端接到同一桥臂对应的开关管上。

5 控制电路设计

系统中控制电路至关重要。本文在设计时为满足控制要求引入了相应逻辑器件进行总体控制，可实现限幅和过零检测目的，其中包含过流保护电路、灭弧电路以及启停电路等部分结构组成如图11所示。

运行过程中，初级线圈输出的信号发送到检测和过流保护电路中。这些电路基于逻辑器件和灭弧电路连接。通过启停电路，在输出信号的作用下控制着全桥的工作，从而满足相应的控制要求。

5.1 限幅电路和过零检测

初级线圈输出信号基于反馈互感器截取而获得一个电压交流信号，此信号的频率等同于谐振频率。将对应的输出信号通过限幅和过零检测电路处理后得到一个交流方波，适当放大后对全桥进行驱动，以满足工作性能要求［5］。

5.2 启动与停止电路

经过以上处理后的信号发送到启停电路，分别接到与门和D 触发器74HC74 的CLK 端。为满足应用要求设置了两个与门，二者不会同步开启，其中一个接反向信号，从而起到一定的保护作用。

5.3 过流保护电路

过流保护电路可对全桥的功率器件起到一定的保护作用，避免在峰值电压情况下出现器件烧毁问题，在谐振电流超过一定设定值后结束运行。

5.4 灭弧电路

系统在运行过程中一般情况下保持谐振状态，电流持续增加，因而应该设置电流增加到一定幅度情况下要切断电路，为此需要设置灭弧控制电路。灭弧控制电路在工作时可输出一个正脉宽和频率可调的方波以控制开关管［6］。当方波为高电平条件下开启时，进行适当驱动后谐振电路中电流上升；而在低电平条件下驱动结束，全桥电路处于停止状态，且谐振电流会不断降低。当调节滑动变阻器使得正脉宽增大时，全桥的工作时间增加，释放到初级谐振回路的能量提高，对应的电流和功率也会同步变大。而方波频率提高时，对应的全桥工作频率同样增加，且系统的输出功率也有所增加，据此实现功率调节目的。

6 结语

本文设计了磁耦合谐振式无线充电系统，在原理结构分析基础上进行电路设计，主要包括驱动电路、控制电路、整流滤波电路以及全桥逆变电路等。其中：整流滤波电路引入桥式整流和电容滤波模式，显著简化了滤波模块的结构；全桥逆变电路在设计时综合分析后选择IGBT 模块，更好地满足了大功率条件下的应用要求；驱动电路选择UCC27423，而控制电路中包含系列逻辑器件，且进行适当的组合与协调以满足整体控制要求。这种充电系统可为电动汽车的无线充电提供支持，为其进一步应用打下良好的基础。