利用電磁耦合器件實(shí)現(xiàn)水下設(shè)備供電的優(yōu)化設(shè)計(jì)

作者：劉敬彪，陳貽想，于海濱

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國對海洋的科考有了長足的發(fā)展。本文結(jié)合“深海抓斗”、“深海淺鉆”等海洋科考設(shè)備對其供電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。目前多數(shù)水下設(shè)備都使用電池供電，也有部分進(jìn)行電纜傳輸。本文通過對電源系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以無電纜連接實(shí)現(xiàn)能量傳輸，減少對儀器設(shè)備的束縛，配合水下非接觸式耦合信息傳輸，實(shí)現(xiàn)“無線”水下設(shè)備，為海洋科考實(shí)驗(yàn)提供更加優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。同時(shí)，無接觸的能量傳輸可以有效地避免因?yàn)殡娫床蹇谕饴?、電纜拖曳斷裂帶來的安全隱患，提高系統(tǒng)的安全性。

常見的無線能量傳輸方式有三種：電磁感應(yīng)、電磁輻射、電磁諧振。而耦合器主要有兩種形式：導(dǎo)軌形式、柱體形式。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)闡述利用電磁耦合方式的設(shè)計(jì)方法，并提出優(yōu)化策略實(shí)現(xiàn)水下的設(shè)備供電。

1 水下無線能量傳輸原理

根據(jù)麥克斯韋方程，變化的電場可以產(chǎn)生磁場，而變化的磁場又可以產(chǎn)生電場。本設(shè)計(jì)基于此基本原理，利用電磁耦合器件，實(shí)現(xiàn)電—磁—電的轉(zhuǎn)換，其中的磁是在水中傳播。同時(shí)針對水中電導(dǎo)率較大的情況進(jìn)行模型優(yōu)化。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

水下無線能量傳輸系統(tǒng)可分為三大部分：高頻逆變和后端的整流電路、控制電路及耦合器。高頻逆變和后端的整流電路可對控制信號進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大用以控制逆變電源；控制電路可產(chǎn)生PWM控制信號，同時(shí)根據(jù)電路的狀況進(jìn)行過壓保護(hù)處理；耦合器是實(shí)現(xiàn)能量水下隔離傳輸?shù)闹攸c(diǎn)，其設(shè)計(jì)的好壞對傳輸效率有很大的影響。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1高頻逆變電路

本設(shè)計(jì)采用的是全橋整流電路實(shí)現(xiàn)高頻逆變，全橋逆變效率雖然不高，但實(shí)現(xiàn)的逆變功率較大。為此，選用了MOSFET功率器件，能夠在MOS管發(fā)熱損耗較少的情況下，實(shí)現(xiàn)大功率的能量傳輸。MOS管的開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路由IR公司的驅(qū)動(dòng)芯片與門級關(guān)斷鉗位電路組成。IR2110是IR公司推出的帶自舉的低成本驅(qū)動(dòng)芯片，廣泛應(yīng)用在各種MOS管與IGBT驅(qū)動(dòng)電路中，上臂自舉能減少所需的驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目。門級關(guān)斷鉗位電路是用兩級MOS管組成反相器。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)是選擇自舉電容C1與上拉電阻R23。在Q13關(guān)斷時(shí)C1能被快速充電，開通Q14，把Q13的柵源極電壓控制在門級閾值電壓以下，所以C1與R23構(gòu)成的充電電路時(shí)間常數(shù)要小，以便實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷，減少開關(guān)損耗。在Q13、Q15開通時(shí)，Q14始終保持在閾值電壓以下，電容C1通過R23對橋的左邊放電，但Q13、Q15的電平仍然要保持在高電平，所以R23的阻值要大，C1值要小，以減小由D13、R23、Q15構(gòu)成的電路電流和減少自舉電源的功耗。在實(shí)際電路中采取犧牲輔助電源的部分功耗，R23選取500 Ω，便能取得一個(gè)較好的效果。全橋MOS管驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

通過示波器觀察可以看到驅(qū)動(dòng)電平已沒有常見的下橋干擾毛刺（下臂的驅(qū)動(dòng)電路同理）。在Q14柵極上的R21、R22、R24、D11構(gòu)成電路對驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行防震蕩處理，D11加快電平下拉。D12、R24在門級鉗位電路中，當(dāng)Q13柵極上有毛刺且超過15 V齊納而被擊穿時(shí)，起到保護(hù)Q14的效果。同時(shí)開關(guān)的13 V電平跳變更加快速，Q值更高，可減少開關(guān)損耗。

2.2 控制電路

本設(shè)計(jì)采用STM32F103VBT6為主控芯片。該芯片是ST公司推出的一款基于Cortex-M3內(nèi)核的高性價(jià)比ARM處理器，最高主頻可達(dá)72 MHz;其自帶3通道的互補(bǔ)6路輸出定時(shí)器，選用其中2通道與DMA功能一起使用，能有效地實(shí)現(xiàn)輸出全橋PWM控制，同時(shí)其自帶的多通道12位AD可以滿足系統(tǒng)的各種參量的測量需要。

實(shí)現(xiàn)過流過壓保護(hù)，可在左右臂的下臂接地處串接0.1 Ω的康銅電阻，再用LTV274運(yùn)放放大其兩端的電壓后，接到STM32的自帶12位AD腳進(jìn)行電流監(jiān)測。同理對輸入的直流電壓用電阻分壓后接到AD腳。當(dāng)檢測到超過預(yù)設(shè)值（電壓500 V，電流3 A），將關(guān)斷信號發(fā)送給兩片IR2110的DS端，關(guān)斷MOS管，并關(guān)閉輸入電源，直到電壓恢復(fù)到較低的水平（對應(yīng)的電壓＜10 V，電流＜0.1 A）后重新開啟系統(tǒng)。

2.3耦合器

耦合器的材料選取常用的變壓器材料有硅鋼、鎳鐵合金、鈷鐵合金、非晶體金屬合金及鐵氧體?？紤]到頻率比較高，而且是大功率傳輸，選取鐵氧體磁芯為設(shè)計(jì)材料。根據(jù)耦合器能量傳播的特點(diǎn)，要保證磁路是開放對稱的，以有利于能量的傳輸，選取實(shí)驗(yàn)磁芯的外形有PC型、RM型、GU型，同時(shí)要考慮磁芯所能承受的最大功率，本文的功率為視在功率，是輸入輸出功率的和，而體積過小的磁芯進(jìn)行大功率傳輸將面臨磁芯溫升等問題。

其中：D為電壓導(dǎo)通的占空比，實(shí)現(xiàn)計(jì)算時(shí)最大值可取 0.5。代入相關(guān)參數(shù)可知至少需要4股線。

根據(jù)計(jì)算所得的模型參數(shù)，進(jìn)行有限元建模分析。有限元分析是一種目前在工程上較為實(shí)用的分析方法，其基本的思路就是將原本復(fù)雜的整個(gè)模型分解成較為簡單的小區(qū)域，再加上一定的邊界條件限制，即可以求出一些小區(qū)域的解，同時(shí)解可與邊上的小區(qū)域共享，最終求得整個(gè)模型的近似解。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3所示為GU型磁芯，以及繞線、1/2水下截面的有限元進(jìn)行區(qū)域劃分后的狀況。其磁導(dǎo)率采用的參考文獻(xiàn)［4-5］的模型，取有球型進(jìn)行仿真。假設(shè)下端的磁芯為發(fā)射端，上端為接收端。仿真結(jié)果顯示了下端磁芯線圈在200 V、100 kHz電源作用下水中的磁場分布狀態(tài)。在大氣隙情況下，有比例大的磁力線未經(jīng)過次級線圈，所以效率必然較低。至此改變頻率、電壓、氣隙等參數(shù)，重新仿真直到最優(yōu)結(jié)果。

圖4所示為輸入電壓對輸出效率和功率的影響，采用的是GU50磁芯，在水中輸入100 V、100 kHz電壓，氣隙為5 mm。

圖5所示為在相同條件下，耦合磁性的電感進(jìn)行改變后的耦合輸出效率。

圖6所示為系統(tǒng)實(shí)物圖，圖中上方是驅(qū)動(dòng)電路部分。電路工作時(shí)，直流電源由PIN進(jìn)入，經(jīng)過高頻逆變后，輸入至POUT到磁芯。采用PC74磁芯在約2 cm的氣隙下點(diǎn)亮60 W燈泡。

本文論述了基于電磁耦合的水下無線能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法。針對驅(qū)動(dòng)電路部分詳細(xì)論述了一種實(shí)現(xiàn)較高功率的中高頻逆變電路。同時(shí)提供了有效的耦合器設(shè)計(jì)方法。本系統(tǒng)經(jīng)過水下驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了最大電壓300 V、最大輸出電流2 A，在5 mm氣隙下實(shí)現(xiàn)最大輸出功率為350 W。

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