非接触气隙隔离DC/DC变换器设计(2)
3.1.4 高频变压器参数计算.. 19
3.1.5 绕组的配置及线圈绕法.. 26
3.1.6 变压器损耗计算.. 27
3.2 松耦合变压器模型. 29
3.3 松耦合变压器的补偿. 30
3.3.1 副边串联补偿.. 31
3.3.2 副边并联补偿.. 31
3.3.3 原边补偿网络.. 31
3.3.4 补偿后的功率输出分析.. 34
3.4 系统的稳定性分析. 35
3.5 本章小结. 36
4 变换器外围电路 37
4.1 漏极钳位保护电路. 37
4.2 UC3842 外围电路设计 .. 40
4.2.1 芯片介绍.. 40
4.2.2 外围电路设计.. 41
4.3 副边电路设计. 43
4.3.1 二极管反向恢复问题.. 43
4.3.2 输出滤波电容的选择.. 44
4.3.3 磁珠的选择.. 45
4.4 本章小结. 45
5 变换器性能测试 46
5.1 测试过程. 46
5.1.1 测试设备的选择.. 46
5.1.2 芯片正常工作波形.. 47
5.1.3 效率测量和分析.. 48
5.1.4 输出电压准确度.. 49
5.1.3 电压调整率.. 49
5.1.4 负载调整率.. 50
5.1.5 高频变压器电气性能测试.. 50
5.1.6 测量开关管漏极电压波形.. 50
5.1.7 纹波测试.. 51
5.2 本章小结. 52
6 结论 53
致谢.. 54
参考文献.. 55
插图和表格清单
图 1.1 CET系统的分类 2
图 1.2 简化的全桥 DC-DC 变换器的示意图 . 2
图 1.2 两种线圈结构 3
图 1.5 手机充电平台 4
图 2.1 开关电源的工作原理 8
图 2.2 反激式变换器原理示意图 9
图 2.3 反激式变换器工作模式 11
图 3.1 单极性高频变压器的激磁状态 13
图 3.2 PC40 铁氧体材料的损耗曲线 . 18
图 3.3互感模型. 29
图 3.4 CCVS 表示的互感模型 . 29
图 3.5 互感电路模型 29
图 3.6 副边串联补偿 31
图 3.7原边串、并联补偿电路. 31
图 4.1 实际变压器模型 37
图 4.2 漏极钳位保护电路 37
图 4.3 UC3842 内部原理简图 40
图 4.6 前沿消隐 42
图 4.7 副边整流电路 43
图 5.1 锯齿波电压 47
图 5.2 反馈电压端接地时的驱动输出 48
图 5.3 开关管漏极电压波形 51
图 5.4 纹波测试方法 51
图 5.5 纹波测试结果 52
图 5.6 测试所用的变换器样机 47
表 1.1 原边变换器的形式及应用场合 4
表 3.1 各种功率变换器的特性 13
表 3.2 开关电源变压器设计类型 16
表 3.3 各种磁性材料最大工作磁感应强度 17
表 3.4 罐形磁芯参数 18
表 3.5 绕组结构计算数据 27
表 3.5 反映阻抗 33
表 3.6 副边反映阻抗及原边补偿电容的取值 33
表 3.7 原副边品质因数 35
表 3.8 各种补偿拓扑下的稳定条件 35
表 4.1 MOS 管选型 . 42
表 5.1 测试所用设备 46
表 5.2较高负载情况下的变换器效率测量结果. 48 1 绪论 1.1 旋转体间的电能传输 通常电子电路的电能是通过线缆等方式传输，但是这种接触式的传输方式往往在运动部件，尤其是在旋转运动结构中受到很大的制约。针对旋转运动结构之间的电能传输,现行的做法通常是采用导电滑环。 滑环是一种允许电力和电气信号从静止结构到旋转结构传输的机电装置，也被称为旋转式电接头，集电器或电动回转，滑环通常包含一个或多个导电刷，每个与旋转滚筒的导电轨道保持接触[1]。 1.2 导电滑环存在的问题 由于导电刷和轨道之间的接触，总是会有一些磨损和碎片的产生。随着时间的推移，这些碎片可导致轨道之间的绝缘性能降低以及在系统中产生噪声。最终将需要更换刷子或者清洁滑环。虽然传统的滑环的寿命足以用于许多应用中，但仍有一些应用对提高系统内的滑环的寿命有迫切的需要。因此，有必要进一步提高滑环性能或为滑环开发一种使用寿命更长的替代技术[1]。 1.3 非接触电能传输系统 近年来，非接触电能传输（CET）又称作无线电能传输（WPT），已得到更广泛的研究[1][2]。这一创新科技带来为移动设备充电时不需要电缆，连接器或者滑环的新的可能性。它增加了在如航空航天，生物医学，多传感器和机器人系统等关键应用中设备的可靠性和文护的自由运作性。 CET根据用于能量传输介质的不同可分为如下几种（见图1.1） 。基于声学的CET，基于光的 CET，基于电容的CET和最大的部分，基于电感耦合的CET[2]，其中基于电感磁耦合的应用最广泛。电感耦合的 CET 传输距离较短，实用上多在mm 级；无线电波式，传输距离远，接收功率小，在 mW 级；微波式的传输距离远，定向性差，效率低，可能干扰通信；激光式的传输距离远，但是障碍物吸收能量，影响传输；超声波能量指向性好，但在空气中效率较低。本次设计可旋转变压器气隙在mm 级，传输距离较短，故选择电感耦合的 CET。 1.3.1 电感耦合 CET原理 对于电感耦合的 CET，该技术使用的变压器由空气隙隔离、一次侧和二次侧能相对于彼此自由旋转。整个系统需要在变压器的初级和次级侧放置电子设备，以实现高效的功率传输[1]。 系统的结构可被分为四个部分：逆变器，初级侧电路，变压器和次级侧电路。这种技术于滑环的优点是，除了轴承外固定和旋转结构之间没有接触。鉴于轴承寿命大大超过在现代滑环中的电刷寿命，这种新方法设计的设备的寿命将与轴承寿命一样长，这是对于目前的滑环是一个显著改进[1]。图1.2所示为原理示意图。 一般而言，工频交流电被整流成直流后再经高频逆变输入到原边线圈。原副边线圈的磁路经过大气隙而闭合，耦合程度差，铁芯中的磁通密度B很小，为在副边产生足够的感应电动势，可以选择提高系统的工作频率。 1.3.2 旋转运动中变压器线圈结构 根据不同的功率范围以及气隙宽度，可以使用不同的变压器磁芯。对于高功率和小的空气间隙，初级和次级侧含有磁芯的变压器得到应用。与此相反，对于一个大的空气间隙和低、中等功率变压器，无磁芯变压器是首选[2]。 原副边相互旋转的变压器设计第一个考虑是该变压器必须允许其初级和次级绕组之间自由转动，同时确保旋转对该变压器的性能影响最小。如果变压器的磁通路径不受其转动影响，则存在两种可能的设计。这些设计示于图 1.2 中[1]。 1.3.3 CET 在中小功率中的应用 1) 小型便携式电子设备 对于一般的小型便携式电子设备，像手机、iWatch、数码相机、电动剃须刀、电动牙刷等，非接触式电能传输尤其适合使用[3]。电动剃须刀和电动牙刷通常在潮湿的环境中使用，电气连接可能会导致触电事故；而对于像手机、iWatch等便携式设备，经常插拔的接头也容易发生故障[3]。现今，生活中手机无线充电已经越来越普及了。如图 1.5为一种手机充电平台。 2) 器官移植 非接触电能传输在器官移植方面的应用开始于上世纪优尔十年代。随着人造器官和一些植入式医疗辅助电子设备的问世，设计安全、有效的供电方式极其重要，非接触电能传输方式大大减轻了病人的痛苦，受到了人们的青睐[3]。 3) 其他方面的应用 文献[4]给出了一种太阳能无线手机充电卡，主要电路基于反激式拓扑结构，最大功率为115mW，在2mm的传输距离内，效率可达到68.2％。此外，还有用于驱动电机、机器人、机械手的供电系统以及在矿井和水下等恶劣环境下的应用。