超强隔离无线传输高压碳化硅器件驱动电源的设计

超强隔离无线传输高压碳化硅器件驱动电源的设计

高婷婷杨鹏飞

（南京工程学院江苏210000）

摘要：发送端和接收端各自设置一个线圈，外界的交变电源为发送端提供电流和电压，使其能够产生电磁信号，此电磁信号经由发送端与接收端的线圈耦合，实现电能由发送端到接收端的无线传输，接收端收到电磁信号后，产生交变的电流，通过在接收端设计整流和滤波电路改善电能质量并向外界提供电能，实现电能供给.

关键词：无线传输高压绝缘

0引言

目前无线传输主要有四种方式：电磁感应方式，磁共振方式，电场耦合方式和电波接收方式，主流的无线充电标准有PMA标准，QI标准和A4WP标准。Qi标准是全球首个推动无线充电技术的标准化组——无线充电联盟，其推出的无线充电标准具有便捷性和通用性的特征，被广泛的应用在移动设备如：平板电能和手机上。Qi使用电磁感应原理进行无线传输，其功耗为5w左右，供电效率可以达到70%，与直流电源适配器72%的效率相差不远，但是仅适合短距离的无线传输，距离变大，效率会急剧下降，而且必需摆放在特定位置才能保证充电效率。提高传输效率适应供电要求亟待解决。

1无线传输驱动电源设计基本结构：

超强隔离无线传输高压碳化硅驱动电源由发送端和接收端以及磁芯组成。

发送端由芯片BQ500212A及与之相连小型降压转化器，谐振滤波模块，电流检测等模块组成；谐振滤波模块中四个并联电容C1、C2、C3、C4与发送端线圈构成串联关系，通过线圈的电磁感应作用，电流传入到接收电路，从印制电路板上引出线路连接芯片BQ51025YFPT集成的无线电源接收器的可供充电的电路；根据算法得到的满足超高压、高频率磁芯架构在线圈外侧，在整体电源设计的外侧添加高绝缘性能的绝缘材料聚乙烯，实现高压绝缘。

给整个设计的发送端电路提供5V直流电源，电压输入电路后，经由端子POWER-UP输入5V电压信号给模块电压降压转换器，实现直流电压从5V到3.3V的转换，电压信号在电路中传输，经由芯片BQ500212A输入信号并驱动芯片工作，BQ500212A芯片是TI公司的一款通过QI认证，集成兼容WPC1联盟接收器的所有功能的无线功率传输芯片。该芯片安全地为周围兼容WPC的设备提供电能，同时根据WPC1规范通过接收数据通信实现对功率的管理，大限度实现对无线功率的灵活管理应用。本设计通过芯片BQ500212A控制电压信号输入，在核心谐振滤波部分利用线圈绕组与四个并联电容串联形成谐振来获得输出高低电平，从而对电力电子器件进行驱动与控制。从BQ500212A（I-SENSE）端口输出信号，使得电流检测模块工作，保证电路的整体运行安全。

无线传输驱动电源基本原理图图1

原边电路正常工作后，交流电流流经谐振滤波电路模块的线圈，在线圈当中产生交变磁场，形成感应电动势，产生感应电流，在一二次侧各增加一个磁芯，并设计固定结构，使大部分磁力线集中于一定的范围内，减少磁场的边界范围，有效提高了传输效率。

感应电流经过磁芯从原边线圈流向副边线圈，副边电路工作，将信号输入到副边电路的芯片BQ51025YFPT,芯片BQ51025YFPT是完全独立的无线功率接收器，能在无线充电联盟（WPS）Qi协议下工作,允许无线充电系统通过Qi感应式发送器向系统提供达5W的功率，本设计方案中采用BOOST电路，实现功率由5W到24W的转变，并通过电压输出端口，达到输出功率的目的。

本设计要求达到超高压和高绝缘要求的，因而在原副边电路两侧加入聚乙烯绝缘材料，设计相关外形，达到高压绝缘要求。

2.电磁感应与互感技术的分析：

目前，无线传输大多采用电磁感应的原理，比较突出是已经被广泛商业使用的Qi标准，通过电磁感应的作用，将能量通过电感线圈的耦合传递。基本原理是在发送端和接收端各自设置一个线圈，外界的交变电源为发送端提供电流和电压，使其能够产生电磁信号，此电磁信号经由发送端与接收端的线圈耦合，实现电能由发送端到接收端的无线传输，接收端收到电磁信号后，产生交变的电流，通过在接收端设计整流和滤波电路改善电能质量并向外界提供电能，实现电能供给。

电磁感应无线传输供电系统等效示意图如图2所示。

由于电阻、电容和频率参数可以通过测量得到，线圈之间的距离、线圈耦合中心偏移等变化，将使得耦合系数也随之变化，最终会影响对负载供电的效率。

3互感系数：

发送端与接收端采用线圈电磁感应耦合的原理实现电能的无线传输，根据效率公式（6）与互感系数公式（5）知提高电能的传输效率应该合理设计电路参数，增强发送端与接收端线圈耦合的效果。

从现有知识理论可知当发送端线圈和偏移条件不变时,带铁芯的接收线圈比不带铁芯的接收线圈互感系数更大,并且发送端线圈半径越大,铁芯对M的影响也越明显。所以在本驱动电源的设计中（如图3所示），设计采用线圈两侧增加磁芯的方法提高互感系数，减少线圈半径。

多数材料是磁通的不良导体，他们的磁导率都很低。真空的磁导率是1.0.非导磁材料，如空气、纸和铜，具有同样数量级的磁导率。有一些材料，如铁、镍、钴和他们的合金具有高的磁导率，往往达到几百或者几千。引入一个磁芯，可以使空心线圈的磁性能得到改善（如图4）。在空心线圈中放入一个磁芯的优点除了提高其磁导率，更使磁路以外长度明确，除了最靠近线圈的的地方，磁通基本上被限制在磁芯中。

4结束语

超强隔离无线传输高压碳化硅器件驱动电源用电磁感应原理实现电能传输。通过线圈的互感、耦合，可以在发送和接受端线圈传送电磁信号，接受端感应发送端的电磁信号从而产生电流给负载供电。电能的传输距离可达数mm～数cm。通过将发送端线圈与接收端线圈的中心固定并保持水平的情况下，合理设置磁芯位置和类型，显著减少线圈了半径，减小体积，提高了传输效率，再者，设计采用碳化硅器件来降低开关损耗，提高耐压能力，利用聚乙烯作为绝缘材料，且采取3D打印技术，实现整个设计的封装效果完备，具有完善的保护措施，有相当优良的使用前景。

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注：基金项目：项目编号：201611276014Z