大功率水下無線供電裝置設計

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(武漢理工大學 a.能源與動力工程學院；b.國家水運安全工程技術研究中心，武漢 430063)

自主式水下航行器(AUV)、有纜遙控水下航行器(ROV )等水下航行器多采取蓄電池供電或電纜供電方式。一方面，這兩種供電方式或是限制了水下航行器的活動范圍，或是限制了水下航行器的工作時間；另一方面，這兩種供電方式都會增加水下航行器的維護成本，比如，有纜水下供電的水下航行器，電纜需要維護，蓄電池供電的水下航行器，需要打撈充電再行投放。基于以上原因，國際學術界和工程界提出了水下無線供電方案[1]。目前，水下無線供電技術還處于起步發展階段，其研究多集中于感應耦合式方案，傳輸距離在1 cm以內，傳輸功率在千瓦級以下[2-3]，離實用化還有一定距離。為此，考慮采用磁耦合諧振式水下無線供電方案，保證較高的傳輸距離；采用雙E類功放電路，同時進行元器件參數優化，提高水下無線供電裝置的無線電能輸出能力、輸出可靠性以及傳輸效率。

1 系統整體構成

水下無線供電裝置原理見圖1。

主要由雙E類功放電路和驅動電路組成的發射電路、耦合裝置、負載、MCU控制模塊組成。MCU控制模塊采用STM32F103芯片作為控制核心，同時產生兩路互補的脈沖信號，為驅動電路提供弱電脈沖信號。驅動電路采用MOSFET高速驅動光耦組成，將來自MCU控制模塊的弱電脈沖信號與MOSFET柵極進行電氣隔離，并以適當的電壓幅值輸出。發射電路由雙E類功放電路及其驅動電路組成，雙E類功放電路作為高頻逆變電路，由直流電源供電，驅動電路發出脈沖信號驅動雙E類功放電路中的MOSFET開關管工作，產生高頻交流電。耦合裝置由接收線圈、發射線圈、諧振電容組成，發射電路發出的高頻交流電流過耦合裝置發射端，激發磁場，磁場能量再通過耦合裝置接收端接收，轉化為電能，對負載進行供電。如果負載是直流負載，則需要考慮添加快恢復二極管組成的快速整流濾波電路。高頻電流下使用普通二極管整流，會降低整流效率。

2 水下無線供電裝置模型分析

水下無線供電裝置采用磁耦合諧振式無線電能傳輸技術，其經過簡化后的模型見圖2。

設諧振線圈間的互感為M，耦合系數為k。LT、LR、M、k之間的關系為

(1)

根據基爾霍夫定律，耦合裝置接收端、發射端的電壓向量方程可表示為

(2)

式中：IT、IR為流過發射線圈、接收線圈的電流大小；ω為高頻交流電源的角頻率。

當系統發生諧振時，式(2)中的電感、電容電壓數值相等，發射線圈、接收線圈電流IT、IR可表示為

(3)

由式(3)計算得到圖2中的RRequ為

(4)

3 硬件電路設計

電路設計原理見圖3。

驅動電路負責提供脈沖信號Vgs1、Vgs2，驅動MOSFET開關管，使雙E類功放電路正常工作。雙E類功放電路將直流電逆變成高頻交流電，激發電磁場，經過由漆包線線圈和諧振電容組成的耦合裝置的電磁轉換，為負載提供電能，實現大功率水下無線供電。

3.1 雙E類功放電路

雙E類功放電路拓撲結構如圖3所示。S1～S4為MOSFET開關管;L1、L2為高頻扼流電感，C1、C2為旁路并聯電容;L3、C3共同起到濾波作用;Vgs1和Vgs2是互補的脈沖信號源。雙E類功放電路是一種推挽式E類功放電路。兩路并聯的MOSFET開關管共同承擔電路激發的交流電壓的峰峰值，交替為接收負載提供高頻電流，使其輸入功率提高3倍，同時每路并聯2個MOSFET開關管，以進一步提高輸出功率[4]。高頻扼流電感L1、L2電感值較大，可以認為其提供的是近似恒定的直流電流。

如圖4所示：Vgs1、Vgs2為驅動脈沖信號；Vds1、Vds2分別為MOSFET開關管兩路漏-源極電壓；VL為接收端負載電壓。雙E類功放電路工作可以看作兩個階段，第1支路MOSFET開關管S1、S2由開通轉向關斷，第2支路MOSFET開關管S3、S4由關斷轉向開通。當驅動脈沖信號的電壓大于MOSFET開關管的開啟電壓時，MOSFET開關管飽和導通，反之，MOSFET開關管截止。由于當MOSFET開關管飽和導通時，MOSFET開關管的飽和導通電阻較小，漏-源極電壓極小，而漏極電流有先上升后下降的過程，截止時，漏極電流為零。漏-源極電壓視負載而定，漏-源極電壓和漏極電流交錯出現，開關管功耗損失不大，因而理性的雙E類功放電路效率接近100%。

由以上分析可知，理性的雙E類功放電路工作需要滿足：MOSFET開關管完全關斷后，其漏-源極電壓才開始變化，MOSFET開關管導通瞬間，其漏-源極電壓為零，且其變化率為零，漏-源極電壓ZVS和ZDS導通。

雙E類功放電路需要設計合適的參數，才能達到良好工作狀態。根據文獻[5]，需要先選定負載支路的負載品質因數QL,QL一般取值在5～20之間。取值過小，會增大電路損耗，取值過大，會影響電路功率輸出。QL的定義為

QL=ωL/R

(5)

由此可以得到濾波電感L3值，其中R=RRequ。

L3=QLR/ω

(6)

根據Raab條件[6]，雙E類功放電路工作在最佳狀態時，負載網絡阻抗角θ=49.052°，可得到阻抗關系，同時由式(7)可得濾波電容C3。

(7)

C3=1/ω(ωL3-Rtanθ)

(8)

為確保滿足MOSFET開關管實現ZVS、ZDS軟開關運行條件，并聯旁路電容C1、C2的電容值如果選值較小，MOSFET開關管的漏源極峰值電壓增加，會對MOSFET開關管產生較大的電壓應力；反之，如果選值過大，會影響水下無線供電裝置的功率輸出，其數值可運用下式進行計算。

C1=C2=4/[(1+π2/4)πωR]-2×Coss(9)

式中：Coss為MOSFET開關管的寄生輸出電容。

高頻扼流電感L1、L2使得輸入電流近似于直流，理論上其數值越大越好，實際上其數值一般滿足下式即可。

L1=L2≥10/ω2C1

(10)

3.2 驅動電路設計

MCU控制模塊的GPIO口輸出脈沖方波信號不能直接和MOSFET開關管相連柵極相連，需要進行弱電和強電的電氣隔離。常用PC817、TLP521等線性光耦進行電氣隔離，但是線性光耦傳輸速度較慢，延遲較高。當輸入信號頻率較高時，輸出信號會發生畸變，影響系統精度。高頻MOSFET驅動需要選用專用的MOSFET高速驅動光耦，如6N137、HCPL-3 120等。

雙E類功放電路中MOSFET開關管的驅動電路見圖5。芯片6N137為MOSFET高速驅動光耦，隔離電壓可達2 500 V，轉換速率高達10 Mbit/s。MCU控制模塊的GPIO口輸出脈沖方波信號后，經電阻R1輸入到MOSFET驅動光耦芯片6N137的2腳上，6腳輸出。經柵極電阻R2與MOSFET開關管相連柵極。電阻R3主要是為MOSFET開關管靜電釋放提供通道，穩壓二極管D2可將驅動電壓限制在20 V以內。

3.3 耦合裝置設計

耦合裝置依據線圈和諧振電容的連接方式，共有4種類型，即串-串式、串-并式、并-并式、并-串式。水下無線供電裝置的耦合裝置采用串-串式，其效率相對較高，對元器件耐壓值要求也相對較低[7]。如圖2所示，耦合裝置由發射線圈LT、接收線圈LR及其附屬的諧振電容CT、CR組成，其數值關系滿足關系式(11)。諧振電容CT、CR一般選用耐壓值較高的CBB電容、云母電容或瓷片電容，其中云母電容高頻特性較好[8]。依據文獻[9],耦合裝置線圈周圍需要使用環氧樹脂，以減少水下無線供電裝置在海水中工作時的能量損失。

LTCT=LRCR=1/ω2

(11)

其中諧振線圈LT、LR采用漆包線纏繞的空間螺旋式結構，其自感為[10]

(12)

在LT、LR參數相近的情況下，互感M為

(13)

式中：N表示諧振線圈匝數，r代表諧振線圈半徑，a代表諧振線圈導線半徑，D代表兩諧振線圈間的距離，μ0為真空磁導率。

考慮到集膚效應，其線圈材料Q值并非越高越好。

4 仿真分析

在Multisim中建立仿真模型，見圖2。基準參數：雙E類功放電路輸入電壓為120 V，MOSFET開關管開關頻率f=1 MHz，占空比D=0.5，雙E類功放電路工作ZVS和ZDS條件下的電阻RRequ=10 Ω，負載支路的品質因數QL=6。結合相關公式，先確定發射線圈、接收線圈的設計參數，驗證線圈電感參數的可行性，再計算仿真模型參數，驗證水下無線供電裝置的可行性。相關結果見表1和表2。其中MOSFET開關管選用Infineon公司出品的IPW90R340C3大容量MOSFE開關管，其漏源極擊穿電壓為900 V，導通電阻為0.34 Ω，最大連續漏極電流為15 A(25 ℃下)，最大耗散功率為208 W。

表1 發射線圈、接收線圈設計參數

表2 仿真模型參數

第1支路驅動信號Vgs1及其MOSFET開關管S1漏源極電壓Vds1、第2支路驅動信號Vgs2及其MOSFET開關管S3漏源極電壓Vds3如圖6所示。

從圖6可看出，MOSFET開關管開通之前，S1、S3漏源極電壓Vds1、Vds3已經降為零,由于并聯輸出S2、S4與之相同，表明該條件下，水下無線供電裝置中的雙E類功放電路已經實現軟開關，電路損耗降低，有助于提高無線電能傳輸效率。

通過使用Multisim自帶的功率計測量，得到其輸入功率為1.64 kW，輸出功率為1.55 kW，效率為94.5%。經示波器測量，發射線圈的諧振電容CT電壓峰值約為3 500 V，接收線圈的諧振電容CR電壓峰值約為583 V，濾波電容C3的電壓峰值為588 V，旁路電容C1、C2電壓峰值約為457 V，實際設計中水下無線供電裝置應使用耐壓值為35 kV的瓷片電容。經電流電壓探針測量，電路干路電流約為13.6 A，實際設計中高頻電感線圈應該使用最大電流值為20 A的高導錳鋅磁環線圈。

計算和仿真比較表明，選用不同的MOSFET開關管，由于其參數特性不一樣，水下無線供電裝置的電路輸出功率等參數也會不一樣，但一般而言，要優先選用高耐壓、漏極連續電流允許值較大、寄生輸出電容較小的MOSFET開關管。另外，由于不同電路參數下，MOSFET開關管的寄生輸出電容不一樣，旁路電容的取值需要進行調整。旁路電容在一定范圍內取值減小，電路輸入輸出功率、傳輸效率均上升，但MOSFET開關管漏源極電壓會升高。當旁路電容取值過小時，不能實現MOSFET開關管ZVS、ZDS軟開關導通，也可能會擊穿MOSFET開關管；旁路電容取值過大，旁路電容不能完全釋放電荷，電路損耗增加，MOSFET開關管漏源極電壓峰值和有效值減小，電路輸入輸出功率、傳輸效率都會下降。

5 結論

該水下無線供電裝置，可有效解決水下航行器等海洋機電設備傳統濕拔插接口供電成本昂貴、可靠性差以及活動距離受限等問題，可為海洋機電設備提供充裕的無線供電距離和較大的傳輸功率。

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