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无线电能传输装置F题
SANY标准化小组#QS8QHH-HHGX8Q8-GNHHJ8-HHMHGN#
无线电能传输装置F题
成都工业学院
毕业设计论文
课题名称：
无线电能传输装置
设计时间：
2015.2.05—2015.5.18
系部：
电气与电子工程系
专业：
供用电技术
班级：
1202161
姓名：
刘佳福
指导教师：
任务书
1.任务
根据2014年TI杯大学生电子设计竞赛题F题：
无线电能传输装置，设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，其结构框图如图1所示。
图1电能无线传输装置结构框图
2.要求
（1）保持发射线圈与接收线圈间距离x=10cm、输入直流电压U1=15V时，接收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2≥8V，尽可能提高该无线电能传输装置的效率η。
（45分）
（2）输入直流电压U1=15V，输入直流电流不大于1A，接收端负载为2只串联LED灯（白色、1W）。
在保持LED灯不灭的条件下，尽可能延长发射线圈与接收线圈间距离x。
（45分）
（3）其他自主发挥（10分）
（4）设计报告（20分）
3.说明
（1）发射与接收线圈为空心线圈，线圈外径均20±2cm；发射与接收线圈间介质为空气。
（2）I2=应为连续电流。
（3）测试时，除15V直流电源外，不得使用其他电源。
（4）在要求
（1）效率测试时，负载采用可变电阻器；效率
。
（5）制作时须考虑测试需要，合理设置测试点，以方便测量相关电压、电流。
摘要
随着技术的不断发展与进步，无线电能传输技术越来越备受关注，尤其在一些特定场合，无线电能传输技术具有传统电缆线供电方式所不及的独特优势，可以极大地提高设备供电的可靠性、便捷性和安全性。
在2008年8月的英特尔开发者论坛（IDF，Intel?
Developer?
Forum）上，西雅图实验室的约书亚·史密（Joshua?
R.?
Smith）领导的研究小组向公众展示了一项新技术——基于“磁耦合共振”原理的无线供电，在展示中成功地点亮了一个一米开外的60瓦灯泡，而在电源和灯泡之间没有使用任何电线。
他们声称，在这个系统中无线电力的传输效率达到了75%。
本设计主要由电生磁和磁生电两部分主成。
第一部分发射电路由PWM集成控制电路TL494为主芯片的开关电源，以IR2110为驱动电路，控制两路输出，将电能传输给发射线圈，产生磁场；第二部分接收电路，接收线圈通过电磁感应将接收到的磁信号，转化成电能，整流滤波后，供负载LED灯正常发光。
关键词：
无线电能传输、磁耦合、串联谐振、传送效率、距离
无线电能传输装置装置
1系统方案
1.1系统总体思路
根据任务要求设计并制作一个磁耦合谐振式无线电能传输装置，用空心线圈制作了直径为20cm的发射和接收线圈；利用信号发生电路将输入的直流15V电转化为PWM脉冲信号，通过线圈驱动电路产生交变电流，在空间产生交变的磁场，利用磁耦合谐振式原理，在接收线圈端产生感应电势和电流，将电能无线传输到接收线圈，实现无线电能的传输。
经过几天的测试，制作出了传输效率达63.1%，线圈之间的距离x的值最大为31cm的磁耦合谐振式无线电能传输装置，满足了设计要求。
1.2系统方案论证与选择
方案选择
方案一：
石英晶体振荡器。
此电路的振荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率fs，而与电路中的R、C的值无关。
所以此电路能够得到频率稳定性极高的脉冲波形，它的缺点就是频率不能调节，而且频带窄，不能用于宽带滤波。
此电路非常适合秒脉冲发生器的设计，故不太适用于本实验，所以不采用此电路。
方案二：
采用PWM控制器芯片TL494。
TL494是一个固定频率脉宽调制电路。
利用RC串联谐振原理，由内部线性锯齿波振荡器产生正向锯齿波，实现脉冲宽度调制。
TL494具有控制、驱动、监控和各项保护功能，适用于设计所有的（单端或双端）开关电源典型电路。
综合比较以上两种方法，选择方案二。
方案选择
方案一：
MOS管驱动电路。
实际就是对电容的充放电，对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流比较大。
但本设计LC串联负载在单电源输入下工作，只能选用开关类型的全桥驱动，因此不适用于本电路。
方案二：
IR2110驱动全桥电路，IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰COM制造工业，具有独立的低端和高端输入通道，输入两个有时间间隔的脉冲后，可输出两路不同的电压，控制全桥驱动MOS管导通，LC串联负载在单电源输入情况下使用IR2110驱动全桥电路，电路稳定，性能好，同时IR2110可以很好的保护电路。
综合比较以上两种方法，选择方案二。
方案选择
方案一：
二极管半波整流。
利用二极管的单向导电性，二极管承受反压大，整流效果不一定好，直流电源输入时，不能构成放电回路，不适用于本电路。
方案二：
桥式整流。
四只整流二极管D1~4和负载电阻RL组成。
四只整流二极管接成电桥形式。
桥式整流电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的缺点，且成本低，效率高，适用于各种电路。
综合比较以上两种方法，选择方案二。
1.2.4发射线圈的选择
方案一：
多层同心铜芯线圈。
方案二：
单层同心圆铜芯平面线圈。
经过测试单层同心圆铜芯平面线圈制作的装置传输效率更高，线圈之间的距离X达到更大，且单层同心圆铜芯平面线圈制作简单，性能稳定，所以我们最终选择了方案二。
1.3总体方案设计
本系统主要由发射模块和接收模块两部分组成。
发射模块信号发生电路产生占空比可调的方波，经驱动电路提高其驱动能力后为功率电路提供激励信号，再通过发射线圈把能量发射出去。
接收电路主要有接收线圈，整流滤波电路以及负载组成。
系统总体框图如图1.1所示。
2理论分析与计算
利用LC串联谐振的原理，合理设置发射装置与接收装置的参数，使得发射线圈与接收线圈以及整个系统都具有相同的谐振频率，并在该谐振频率的电源驱动下系统可达到一种“电谐振”状态，从而实现能量在发射端和接收端高效的传递。
本设计的目的是尽可能提高无线电能传输装置的效率，整个系统都具有相同的谐振频率，因此发射线圈与接收线圈各项参数均相同，串联的电容也相同，利用LC串联谐振原理，获得最大电流，从而最大效率的将磁能转化成电能，获得最大的效率。
2.1发射模块分析与计算
2.1.1信号发生电路原理分析与计算
信号发生电路主要是将输入的直流信号转化成PWM信号，以便后级电路产生正弦交变电压。
主要由TL494实现。
TL494是一个固定频率脉宽调制电路。
由内部线性锯齿波振荡器产生正向锯齿波，实现脉冲宽度调制。
TL494输出方式控制脚13与参考电压脚14相接，功率输出管Q1和Q2受控于或非门，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。
当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。
5脚CT产生的振荡频率为
（RT为6脚输出，CT为5脚输出）。
2.1.2驱动电路原理分析与计算
驱动电路主要由两个IR2110交替控制H桥桥式驱动电路上管升压，下管原压（保持原来的电压不变），获得相邻时间间隔的脉冲（死区时间），从而产生正弦交变电压，进而利用电磁感应原理将电能转化成磁场能。
而最大限度的将电能转化为磁场能，即线圈中电流最大，则使LC串联谐振，谐振频率：
（L为电感感值，C为电容容值）。
2.2接收模块分析与计算
接收端要求输入直流电流，而接收线圈与电容谐振后得到高频的交流电流，因此必须整流，得到直流电流。
又因为电流是高频的，器件做热功容易损耗电能，因此需要并入六个小电容滤波，减少损耗。
该无线电能传输装置的效率η：
（U1为输入电压，U2为输出电压，I1为输入电流，I2为输出电流）。
2.3参数选择
因为发射与接收线圈为空心线圈，线圈外径均20±2cm，线圈的绕法有三种方式：
缩绕、多层平绕和单层同心圆绕。
经过比较单层同心圆绕的传输效率最高，因此选用单层同心圆绕。
单层同心圆绕，测出电感值约为100
，由LC串联谐振，得到电容值为3300p，因此谐振频率约为80KHz。
为了获得最大电流，从而传输效率达到最大值，则发射电路与接收电路中的线圈感值，串联的电容应相等。
3电路设计
本系统主要由发射单元电路和接收单元电路两部分组成。
发射单元电路包含信号发生电路，驱动电路，发射线圈四部分；接收单元包含接收线圈，整流滤波电路以及负载组成。
下面主要对介绍信号发生电路，驱动电路，接收电路。
3.1信号发生电路
TL494是一个固定频率脉宽调制电路。
由内部线性锯齿波振荡器产生正向锯齿波，实现脉冲宽度调制。
它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。
芯片TL494内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可以通过外部的一个电阻和一个电容进行调节（见图1）。
输出电容的脉冲其实是通过电容上的正极性锯齿波电压与另外2个控制信号进行比较来实现。
功率输出管Q1和Q2受控于或非门。
当双稳触压器的为低电平时才会被通过，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。
当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小（见图2，3）。
控制信号由集成电路外部输入，一路送至时间死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。
死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波的周期4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。
当把死区时间控制输入端接上固定的电压，即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。
脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：
当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降为零。
2个误差放大器具有从—0.3V到（vcc—2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉的到。
误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调智器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制电路。
图2
图3
本设计的信号发生电路见图4。
图4信号发生电路
3.2驱动电路
3.2.1功率MOSFET的使用
功率MOSFET，它是一种单极型电压控制器件。
它具有自关断能力，且输入阻抗高、驱动功率小，开关速度快，工作频率可达１MHz，不存在二次击穿问题，安全工作区宽。
1.功率MOSFET的特性可分为静态特性和动态特性，输出特性属静态特性，而开关特性则属动态特性。
输出特性
输出特性也称漏极伏安特性，它是以栅源电压UGS为参变量，反映漏极电流ID与漏源极电压UDS间关系的曲线族。
可调电阻区Ⅰ：
UGS一定时，漏极电流ID与漏源极电压UDS几乎呈线性关系。
当MOSFET作为开关器件应用时，工作在此区内。
饱和区Ⅱ：
在该区中，当UGS不变时，ID几乎不随UDS的增加而加大，ID近似为一常数。
雪崩区Ⅲ：
当漏源电压UDS过高时，使漏极PN结发生雪崩击穿，漏极电流ID会急剧增加。
2.栅极驱动的特点及其要求
触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度，即脉冲前后沿要求陡峭。
开通时以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度。
为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压；为了防止误导通，在其截止时应提供负的栅源电压。
功率MOSFET开关时所需的驱动电流为栅极电容的充放电电流。
功率MOSFET的极间电容越大，在开关驱动中所需的驱动电流也越大。
3.2.2IR2110芯片的使用
IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS制造工艺，DIP14脚封装，其内部原理框图如下图所示，IR2110芯片具有独立的低端和高端输入通道；悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，15V下静态功耗仅116mW；输出的电源端（脚3,即功率器件的栅极驱动电压）电压范围10～20V；逻辑电源电压范围（脚9）5～15V，可方便地与TTL，CMOS电平相匹配，而且逻辑电源地和功率地之间允许有±5V的偏移量；工作频率高，可达500kHz。
IR2110内部由低压通道和高压通道两个相互独立的通道组成。
逻辑输入端采用滞后为0.1VDD的施密特触发器,以提高抗干扰能力和接受缓慢上升的输入信号。
而且其输入和栅驱动之间的开通与关断的传播延迟分别为120ns和95ns；IR2110的保护功能包括输入逻辑保护及输出电源欠电压保护。
输入逻辑保护是当功率电路发生过载、短路等故障时，检测保护电路的输出信号接入IR2110保护端（SD），高电平有效，芯片内部逻辑电路将上下通道的输入控制信号进行封锁。
欠电压保护采取上下通道分别检测。
在本设计中，仅仅以TL494输出的方波驱动后级功放电路会由于驱动能力不足使场管不导通，所以需要加一级驱动电路。
本电路采用专用高低端驱动芯片IR2110构成后级功放驱动电路。
根据功率MOS功率容量较小,承受反压能力较低的特点,发射模块主电路采用的是开关类型的全桥电路,由4个功率MOS作为开关元件,选用2个IR2110驱动器,每个IR2110的高压侧和低压侧各驱动一个功率MOS管,见图5。
图5IR2110驱动全桥电路
3.3接收电路
接收电路主要有接收线圈，在交变的磁场中通过接收线圈得到交变电流，又通过桥式整流电路得到变化的直流电流，再通过并接六个电容形成的滤波电路得到稳定的直流电流，而并联电容是为了减小电容的发热，防止损坏电容；开关S1是选择不同的负载。
见图6。
图6接收电路
4测试方案与测试结果
4.1测试方法与仪器
1、测试方法
用万用表、示波器等相关仪器检测自制的无线电能传输装置工作是否正常。
电平是否与理论相符，检测完后，将15V单电源输入，按下转换开关，调节变压器，按照要求，将输出电流设好，记录直流稳压电源中的输入电流，数字万用表中输出电压的值，打开接收电路中的负载控制开关，负载正常工作。
2、测试仪器
本系统测试仪器见表1。
表1无线电能传输装置测试仪器
序号
名称
型号
说明
1
数字万用表
VC8145
测试输出电流、电压
2
直流稳压电源
MPS-3303
提供稳压电源输入电压
3
双踪示波器
UT2025C
测试各模块输出信号的波形
4
LCR数字电桥
YD2810B
测试线圈电感值
4.2测试数据与结果
振荡频率为86.7K，保持发射线圈与接收线圈间距离x=10cm、输入直流电压U1=15V时，接收端输出直流电流I2=0.5A，输出直流电压U2=14.4V，无线电能传输装置的效率η=53.9%。
2、输入直流电压U1=15V，接收端负载为2只串联LED灯（白色、1W）。
在保持LED灯不灭的条件下，延长发射线圈与接收线圈间距离x，输入直流电流达到0.97A时，LED灯刚好不熄灭，得到最大距离x=31cm。
3、自主发挥，输入直流电压U1=15V时，保持发射线圈与接收线圈间距离x=10cm不变，通过测试不同负载的输入输出电流电压得到不同距离的输出效率。
由表2可知，当R=12
时，无线电能传输装置的效率最大η
63.1%。
表2X=10cm时不同负载工作模式下输出效率的情况
负载R（Ω）
输出I2（A）
输出U2（V）
输入I1（A）
输出功率P（W）
效率η
5
1.55
7.1
1.36
11.005
53.9%
8
1.38
10.6
1.62
14.628
60.2%
9
1.35
11.7
1.71
15.795
61.6%
10
1.34
13
1.88
17.42
61.8%
11
1.3
13.9
1.91
18.07
63.0%
12
1.27
14.9
2
18.923
63.1%
15
1.22
17.9
2.31
21.838
63.0%
20
1.11
21.9
2.63
24.309
61.6%
25
1.02
25.5
2.91
26.01
59.6%
30
0.95
28.9
3.17
27.455
57.7%
35
0.89
31.4
3.33
27.946
55.9%
40
0.82
33
3.39
27.06
53.2%
5实物制作图片
接收装置pcb板
致谢
在这次毕业设计的过程中，我的指导老师给予了我很大的帮助，提供了相关的资料，对我的毕设作品给予了指导和支持。
使我顺利圆满的完成了此次毕业设计。
在此，向老师表示衷心的感谢！
同时，也要感谢学院提供计算机等设施，使我的设计得以顺利完成。
寒窗几载，春花秋实。
大学三年是我一生的重要阶段，是学习专业知识及提高各方面能力为以谋生发展的重要阶段。
从跨入大学的校门的那一刻起我就把这一信念做为人生的又一座右铭。
古人云：
预则立，不预则废。
祖先曾经教导我们：
一年之计在于春，一日之计在于晨。
作为即将走向社会的我们又何尝不是如此？
一个没有规划的人生，就象一场没有球门的足球赛，一场乱踢；一个没有规划的人生，就象一叶在茫茫大海上漫无目标的小舟，随波飘荡。
在我们即将走向社会的时候，我们必须对自己的职业生涯进行规划。
罗素曾说：
选择职业就是选择你自己的将来。
因此我们要针对社会需要，结合自身的情况及早做好相应准备，为我们走向社会打下坚实的基础。
俗话说：
磨刀不误砍柴功。
为适应社会需要，促进自我发展，我们除了学好本专业外，还应辅修相关转业知识，积极参加社会实践活动，培养工作能力，努力提高综合素质，同时努力培养特长，形成自身竞争优势。
最后，再次感谢学院给了我们机会，以及电气系的各位老师和许多的朋友、同学在各个方面给予了我很多的帮助和支持，让我坚持到了最后，谢谢你们！
参考文献
[1]胡存在胡鹏《集成开关电源的设计制作调试与维修》人民邮电出版社
[2]莫正康《电力电子应用技术》机械工业出版社
[3]周友谊《电子报》电子科技大学出版社
[4]杨素行《模拟电子技术基础简明教程》高等教育出版社
[5]周雪《模拟电子技术》西安电子科技大学出版社
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