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磁谐振耦合电能传输系统中逆变电路MOSFET损耗的分析(2)

磁谐振耦合电能传输系统中逆变电路MOSFET损耗的分析

田声洋 张 林 薛红喜

(电子科技大学 电子工程学院 四川 成都 611731)

摘 要: 对于磁谐振耦合电能传输系统,逆变电路是必不可少的。并联MOSFET 可以降低其导通损耗,同时会降低其开关速度,在频率较高时并不适用。提出一种全新的多路开关器件复用导通的技术,降低单管损耗。设计一种可行的系统方案,并用Cadence SPB 16.3中的Pspice 工具进行仿真,验证方案有效性。

关键词: 磁耦合谐振;逆变电路;多路复用;损耗;仿真

中图分类号:TN386.14 文献标识码:A 文章编号:1671-7597(2011)0820173-02

0 前言

流经漏源产生导通损耗,其计算公式为:

(1

磁谐振耦合电能传输,是利用两个具有相同的特定谐振频率的电磁系其中, 为MOSFET 导通时流过漏源的电流,D 为占空比。统,在相距一定的距离时,由于电磁耦合产生谐振,进行能量传递[1]。 2.2 开关速度

其电路分为发射和接受两部分。基本原理框图如图1所示。

文献[3][4]中的分析表明,对于MOSFET ,在驱动相同的情况下,影响MOSFET 级间电容示意图如图3所示。其中输入电容 。

图1 感应耦合电能传输系统基本原理

工作时,发射电路将直流电经过逆变电路转换为高频交流电流供给谐图

3 MOSFET 级间电容示意图

振回路

a

。谐振回路a

与谐振回路b 具有相同的固有频率。能量通过谐振传需要MOSFET 打开时,驱动电路对 充电。 端电压达到 时,输到接收电路。根据负载具体需求,将接收到的能量调节以满足负载所需MOSFET 打开。关断 时放电,端电压下降到 以下时MOSFET

关断。

[2]

2.3 MOSFET并联

1 逆变电路

单个

MOSFET 的导通电流有限,为了获得大的电流容量,通常采用多个逆变电路通过开关器件重复的通断开关,把直流电压或电流变换为高相同的MOSFET 并联,获得较大的功率[5]。n 只MOSFET 并联后,流过每只管频方波电压或电流[3]。在图1所示的感应耦合电能传输系统中,逆变电路1)式,每只管子的导通损耗变为原是发射电路中的关键部分。图2列出了三种逆变电路原理图。

增长,这会导致开关速度的下降,增加了开关损耗。

在磁谐振耦合电能传输系统的逆变电路中,开关器件的工作频率很高,开关元件的输入电容过大会使MOSFET 在一个周期内无法完成一次完整的开关过程。文献[6]中的分析表明,由于MOSFET 特殊的制造工艺,电流输系统中,为了逆变电路的图2 逆变电路

在图1所示的磁谐振耦合电能传输系统中,为了保证谐振回路的效率,其逆变电路开关器件的占空比为50%。文献[4]中的分析表明,随着逆变电路频率的增高,系统的效率与传输距离同步增长。因此磁谐振耦合电能传输系统中,逆变电路的工作频率一般高于500KHz 。

2 功率场效应管

功率场效应管(Power MOSFET )是一种单极性的电压控制器件,有3个端子:漏极D ,源级S ,栅极G 。由漏源之间的电压 控制器件的导通/关断[3]。当 时,漏源导通。 为管子的开启电压。

2.1 导通损耗

MOSFET 导通时,漏源之间的等效电阻 为MOSFET 的导通电阻。电流

有效性,往往采用电流容量较小的MOSFET 单管。这使得导通损耗较大,限制了系统的功率。

3 多路开关器件3.1 电路结构

图4

为了达到不使用并联MOSFET 增加电流容量的目的,本文提出一种新的在Cadence SPB 16.3中建立如图5所示的控制电路原理图。循环计数减小单管损耗的可行方案。电路原理及波形示意如图4所示。电路采用4路器长度选为8,译码器采用3-8译码器,同时配合4路比较器,得到4路驱动MOSFET ,输入方波信号经控制电路处理后,得到4路4分频方波信号,分别信号。使用Pspice 工具对电路进行仿真。仿真波形输出如图6、7所示。

控制4路MOSFET 轮流导通,实现逆变。

其中U2为时钟信号,VR10,VR11,VR12,VR13分别为4路比较器的输对比图2所示的半波逆变电路。要得到频率f 的方波电压,其MOSFET 工出。图6中时钟信号500KHz ,占空比50%。每路MOSFET 控制信号频率作频率f ,占空比50%。图4(a )中的电路中,采用4路MOSFET 轮流导通的125KHz ,占空比12.5%。4路比较器的输出接入驱动电路后驱动图4(a )所方式实现频率f 的方波电压,每路MOSFET

示的TR1~TR4,即可将直流电压逆变为500KHz 的方波电压。改变时钟信号12.5%。由(1)式可知,在 都相同的情况下,图4

(a

)中的频率即可改编逆变电路的频率。图7为时钟1MHz 时仿真波形。

的电路每只MOSFET 的导通损耗为图2电路中的1/4,总功耗相同。

5 结语

3.2 控制电路设计

本文阐述了磁谐振耦合电能传输系统中的逆变电路,系统分析了传统控制电路原理如图5所示。时钟信号输入环形计数器,计数器产生循的减小MOSFET 损耗的方法。分析表明,传统的并联方式可以明显减小单管环计数编码,由译码器将其变为N 中取1码,再分别送入几个比较器中。编导通损耗。但由于并联后输入电容增加,开关速度降低,并不适用于工作码与基准电压 比较后得到驱动控制信号,输出至MOSFET 驱动电路。环频率极高的磁谐振耦合电能传输系统。基于以上分析提出一种全新的多路形计数器的计数长度,决定了轮流导通的MOSFET 的个数。

开关器件复用导通的方式,降低单管损耗。并设计了一种可行的系统方案。通过

Pspice 仿真,验证了方案的有效性。采用

n 路MOSFET 复用导通方

式,单管损耗降低为原来的。

参考文献:

[1]Benjamin L.Cannon ,James F.Hoburg , Daniel D.Stancil , Seth Copen Goldstein , Magnetic Resonant Coupling As a Potential Means for 图5 控制电路原理图

Wireless Power Transfer to Multiple Small Receivers , IEEE 4 控制电路仿真

Transactions on Power Electronics ,Vol.24, No.7,July 2009:1819-1825.

[2]Rohan Bhutkar , Sahil Sapre , Wire Energy Transfer using Magnetic Resonance , 2009 Second International Conference on Computer and Electrical Engineering.

[3]张占松、蔡宣三,开关电源的原理与设计(修订版),电子工业出版社,2004年9月.

[4]张小壮、朱春波,磁耦合谐振式无线能量传输距离特性及其试验装置图6 频率500KHz 仿真波形

研究,哈尔滨工业大学工学硕士学位论文,2006年9月.

[5]徐长杰、李月恒、于文静、康小麓、铁军、王晓纯,功率MOSFET 并联分流特性研究,冶金自动化,2008年.

[6]Abraham I.Pressman 著,开关电源设计(第二版),王志强译,电子工业出版社,2005年9月.

作者简介:

田声洋(1985-),男,四川省南充市人,汉族,现就读于电子科技大学电子工程学院硕士研究生,研究方向:电力电子及无线电力系统。

图7 频率1MHz 仿真波形

径向尺寸的精度比轴向尺寸高,所以在编制程序时,径向尺寸最好采用绝对编程,考虑到加工时的方便,轴向尺寸可采用相对编程。另外,为保证零件的某些相对位置,按照工艺的要求,可灵活使用相对编程和绝对编程,也可同时使用绝对编程和相品,同时能使数控车床的功能得到合理的应用与充分的发挥,使数控车床能安全、可靠、高效地运行。

参考文献:

对编程,即混合编程法。混合编程法既能[1]肖黎明等,数控加工从入门到精通,北京:机械工业出版社,2008.保证加工精度,也可以直观的反应相关尺寸的变化量,是目前较常见的一[2]沈建峰等,数控编程200例,北京:中国电力出版社,2009.种编程方法。

5 结语

作者简介:

在油井管加工制造行业,越来越多的企业开始使用高精度、高效率的张炜(1984-),男,助理工程师,主要从事油井管加工制造及驻厂监数控车床,为了充分发挥高端数控车床的作用,需要在编程中掌握一定的造、检测工作。

技巧,编制出合理、高效的加工程序,保证加工出符合图纸要求的合格产

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