无接触电能传送装置的研究与设计

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇无接触电能传送装置的研究与设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

【摘 要】无接触电能传送装置采用高频开关电源技术和无接触高频变压器技术。主电路采用带附加谐振电感和辅助谐振网络的软开关全桥变换器，并采用UC3875为全桥变换器的控制芯片，在电路设计了过流、过温保护电路，移相角设置电路和装置工作频率设定电路。为在恶劣条件或负载处于高速移动的情况下进行大功率供电提供了平台。

【关键词】软开关；移相全桥变换器；无接触变压器

引言

传统的电能传送方式一般需要供电系统和负载之间有物理连接，然而在一些如地下采矿，水下或高空作业等恶劣条件下和负载高速移动中要对其供电会受到很大的限制，给人们的生产生活带来了不安全因素。于是，我们需要寻求一种更为有效、安全的输电方法。通过电磁感应原理，可以实现供电系统和电气负载之间无接触电能传输。本文设计的无接触电能传输系统应用了高频逆变技术，　因此具备开关电源的所有优点，而且软开关技术的引入可进一步提高系统效率，克服了无接触传输效率低的缺点。

1　系统总体结构介绍

无接触电能传送装置从能量传送角度可以看成有三个部分组成，即能量发送端，无接触变压器和能量接收端。如图1所示。输入电压为交流220V±15%、50Hz或直流24V稳压电源，输出电压为直流24V，输出电流为3A。

2　能量发送端的设计

系统能量发送端与电网相连，主要包括滤波电路、全桥逆变电路、电流保护电路。电压反馈电路、高频变压器、输出整流电路等。

2.1全桥逆变电路

软开关全桥逆变电路如图2所示，　由四个型号相同的开关管组成。软开关全桥逆变电路将输入端整流得到的直流电压逆变为脉宽可调的高频方波电压，　在输出侧加入的隔直电容与变压器的电感进行谐振，　输出为幅值可调的正弦波电压。全桥电路巧妙地利用了开关管两端的并联电容与变压器漏感进行谐振来实现软开关，　开关管的控制信号由控制芯片UC3875产生在变压器原边串入隔直电容和附加谐振电感，在滞后臂加入辅助谐振网络，　这样可以优化软开关全桥逆变电路以便顺利实现开关管的零电压开通。

2.2　控制与驱动电路

此部分电路的关键器件为UC3875，　可同时实现两个桥臂开关管的相移控制与高频下的恒频ZVS软开关。在UC3875的控制下，　两个半桥可单独进行死区时间设定。在死区时间内，　即将导通的开关管两端并联的电容有足够的时间完成放电过程，　从而为其导通创造ZVS条件。因主功率开关管的激励电流较大，　单靠UC3875本身的输出功率难以驱动开关管，所以在采用UC3875作为控制芯片时，　需要在输出端与开关管控制端之间接入推挽式变压器耦合的驱动电路，　以提高驱动能力，　减少IC　的功耗和温升，　提高电源整机的可靠性。

2.3　电压采样反馈

为实现恒压输出，　需要对输出端负载电压进行准确采样，并将采样结果与基准电压比较，　差值经放大后送至控制器，　从而形成负反馈，　对输出电压进行调节。本系统在主变压器的副边加入一个绕组，　进行电压采样，　经全桥整流电路变成直流电压信号，　送入移相控制电路，　通过驱动电路，　调节开关管的导通时间，　使输出电压恒定。

2.4　过流和过温保护

为了使电源工作可靠，延长电源寿命，需要在电源电路中加入保护措施，防止关键元器件的损坏。本设计中的保护电路包括过流保护与过温保护。为保护主功率管不至于因长时间过流而烧毁，利用电流互感器对输入直流母线电流进行检测，再通过整流桥将检测到的电流信号（实际为转换后的电压信号）经二极管引到UC3875的电流检测端CS。当过流发生时，系统自动进入软启动，若在软起动过程中仍有过流现象发生，则UC3875的输出全部关断。与过流保护电路实现方法类似，过温保护也是利用UC3875的CS端，区别是采用温控开关。过温时，开关闭合，高电平加于CS端，关断输出。

2.5　驱动电路设计

无接触电能传送系统中的高频开关电源部分是一种较为复杂的开关电源设计，它要求四组相互独立、彼此隔离的驱动脉冲，分别加到四只主功率管的栅极。因主功率开关管的激励电流较大，单靠UC3875本身的输出功率难以胜任驱动控制系统的稳定工作。其中电阻起限流作用，防止芯片因输出端短路而烧毁。二极管的作用是当驱动信号反向时，有效抑制驱动变压器产生的尖峰，将幅值钳位在电源电压（15V）。驱动变压器的变比设计为1：0.92，这是为了使功率管的驱动电压处在15V左右（该电压过低，导通电阻较大，效率低；该电压过高，会直接损坏功率管）。

3　能量接收端的设计

能量接收端部分由两个5匝线圈缠绕在一个矩形铁芯上，使这个矩形铁芯绕在金属导轨上，通过电磁感应得到功率发送部分经高频变压器传送的能量，经整流得到约26V直流电压。输出端的电解电容用于滤除纹波。整流滤波后的电压是不稳定的电压，在电网电压或负载变化时，该电压都会产生变化。还须经过由7824稳压芯片构成的稳压电路将其稳定在24V，为负载供电。

4　结束语

无接触电能传送装置采用移相式大功率高频软开关DC/DC变换器电路，其各部功能电路包括过流过温保护、输出电压反馈、推挽式驱动电路等等。高频无接触变压器是在传统变压器的二次侧伸出金属导轨，并在导轨上套上缠绕着功率接收线圈并可自由移动的矩形闭合金属铁芯。功率接收线圈接收到的电能通过整流滤波稳压可最终实现直流24V稳压输出。

参考文献：

[1]孙丹婷，聂一雄.对无接触功率传输系统设计的探讨[M].电气应用，2007（12）.

[2]张磊，姚若萍.无接触供电技术的发展与应用前景[J].电工技术杂志，2004（1）.

[3]刘凤君.现代高频开关电源技术及应用.北京：电子工业出版社，2008.

[4]李定宣.开关稳定电源设计与应用.北京：中国电力出版社，2006.