基于STM32 的無線電能傳輸系統逆變電源設計

陸杰，康健煒

（西南科技大學制造過程與測試技術教育部重點實驗室，四川綿陽 621010）

無線電能傳輸（Wireless Power Transfer,WPT）系統具有傳輸距離遠、傳輸效率高以及空間自由度高等特點，因此被廣泛應用于中小型功率的產品[1-4]。其中，可控的高頻逆變電源在整個WPT 系統中最為關鍵。文獻[5-8]介紹了高頻逆變器的設計難點在于，隨著工作頻率的提高會出現以下問題：1）開關損耗的增加；2）寄生參數對逆變電路性能有影響；3）開關管的控制要求會變高。

為了減少以上問題所帶來的困擾并結合使用場景，該文采用了以STM32 為控制核心和主電路為單相全橋逆變電路所構成的WPT 電源系統，最終能夠輸出20 kHz 的正弦波。此外，基于該電源搭建了WPT 系統，驗證了該方案的可行性。該方案具有成本低廉、結構簡單，具備在小型WPT 系統的潛在應用價值。

1 高頻逆變電源的設計

1.1 高頻逆變電源的總體框架設計

WPT 電源系統的硬件結構如圖1 所示。其主要的硬件構成主要包括作為主電路的單相全橋逆變電路[9]、控制電路[10]、隔離電路、驅動電路[11]、濾波電路、電源模塊。

圖1 系統硬件結構框圖

WPT 電源系統的主電路為串聯式諧振電路，全橋逆變電路選用電壓型逆變電路。系統整體以STM32F104 單片機為控制核心，通過軟件設計使STM32F104 單片機輸出PWM 波形。該PWM 信號經過光耦隔離電路和驅動電路送入開關管。

光耦隔離電路實現PWM 控制信號與逆變電路電流實現電氣隔離[12]，芯片為TLP250。驅動電路主芯片為IR2110，該電路提供滿足MOSFET 的驅動條件的信號。

濾波電路采用巴特沃斯濾波器。由于全橋逆變電路輸出的電流電壓波形中包含高次諧波，所以為提升系統測量參數的準確性，需增加低通濾波器。

電源模塊包括兩部分：主電路電源和輔助電源。主電路電源中，用可編程直流電源為主電路提供直流電壓[13]。輔助電源中使用AX5302 和LM1086 給控制側供電。其中，AX5302輔助電源為+15 V boot升壓電路，給TLP250 光耦隔離芯片和IR2110 驅動供電。以及LM1086提供+3.3 V電壓給單片機STM32供電。

1.2 輔助電源設計

輔助電源主要是給高頻逆變電源上所使用的芯片提供工作電壓的，其中，文中的設計中光耦隔離芯片和MOSFET 驅動芯片的工作電壓均為15 V。因為使用5 V、2 A 的電源適配器從市電取電給輔助電源的供電，所以需要設計電源轉換電路。該電源轉化電路如圖2 所示。

圖2 5 V轉15 V輔助電源轉化電路

因此，根據芯片數據手冊設計了整個輔助電源。圖2 電路使用了AX5302 升壓控制芯片，將5 V升壓到15 V，依據公式如下：

其中，R1、R2為AX5302 的反饋電阻，計算可得出R1、R2分別21 kΩ、1.5 kΩ。

1.3 MOSFET驅動電路設計

該文高頻逆變電源中所使用的全橋逆變電路設計如圖3 所示。使用IRFZ44N 作為單相電壓型全橋逆變橋的開關管，這是一種N 溝道增強型功率MOSFET，其柵極驅動電壓為10～20 V。由于STM32單片機輸出PWM 信號幅值為3 V 左右，因此驅動功率MOSFET 開關管需要使用IR2110 高速驅動芯片。這有助于提高對于逆變橋的控制效率，同時減少外圍硬件電路的使用[14]。

圖3 全橋逆變電路原理圖

IR2110 是高壓、高速功率的MOSFET 和IGBT 驅動芯片，具有獨立的高、低側參考輸出通道，因此可以同時驅動同一橋臂或者不同橋臂的兩個MOS管。邏輯輸入與標準CMOS 或LSTTL 輸出兼容，最低可降至3.3 V 邏輯。浮動通道可用于驅動工作電壓范圍為500～600 V的N溝道功率MOSFET和IGBT。

依據N 型MOSFET 的導通條件可知，只有當柵源電壓UGS等于開啟電壓UGSth時，MOSFET 才會導通。因此使用IR2110 驅動MOSFET時，需要設計懸浮自舉電路。圖3 電路中C3、C8即為自舉電容，其計算公式為：

其中，C即為C3或C8，Qg為MOSFET 的柵極總電荷，f為工作頻率，ICbs(leak)為自舉電容漏電流，Iqbs(max)為最大VBS靜態電流，VCC為邏輯電路部分的電壓源，Vf為自舉二極管的正向壓降，VLS為低端MOSFET 或者負載上的壓降，VMin為VB與VS之間的最小電壓，Qls為每個周期的電平轉換所需的電荷。

通過查閱IRFZ44N 和IR2110的數據手冊可以獲得Qg=60 nc，Iqbs(max)=230 μA，ICbs(leak)=1 μA，VCC=15 V，VLS=RDS(ON)×IQCC=20 mΩ×180 μA=3.6×10-6V，VMin=0 V，Qls=5 nc 。根據懸浮自舉電路的原理可知，自舉二極管具有阻斷直流干線上的高壓，并且減少電荷損失的功能，所以該方案選擇了型號為FR107 快速恢復二極管，則Vf=0.7 V。當直流當取工作頻率為f=100 kHz時，根據式（2）計算自舉電容C≥267.85 nF，同時根據實際電容的容值，這里取自舉電容C=330 nF。

1.4 光耦隔離電路設計

為保證STM32 單片機輸出的控制信號能夠不受干擾地傳輸到MOSFET 驅動芯片，因此該文還設計了光耦隔離電路。光耦隔離芯片的工作原理是通過輸入側的發光二極管與輸出側的光敏三極管之間的光耦合來實現信號的隔離傳輸，其特點是可以實現控制電路與功率電路的完全電氣隔離，電路應用比較簡單、集成度較高。

由于高頻逆變電源的開關頻率要求比較高，所以光耦隔離芯片的選型主要根據其傳輸延時的時長決定。該文選用了TLP250 光耦芯片，其開關時間最長為0.5 μs，能夠滿足設計需求。根據TLP250的數據手冊，其輸入電流最大為11 mA。同時STM32 串口輸出電壓一般為3.3 V，因此輸入電阻一般為330 Ω。

1.5 基于STM32的WPT系統電源的實現

在完成電源各個模塊的定型和設計之后，根據電路圖焊接全橋逆變電路板。由于各個模塊之間的電壓等級以及電流大小的不同，同時為了減少電磁干擾所以在焊接電路板時需要將逆變電路主電路板和驅動控制電路板分開。要根據電流等級的不同，進行布線規格大小的修改[15]。

對制作完成的PCB 板設計實驗進行測試，獲取所設計的高頻逆變電源的輸出特性，通過測量數據分析其能否達到設計標準。高頻逆變電源的主要輸出特性為輸出功率和輸出效率，為此需要測量系統的輸入輸出電壓以及輸入輸出電流波形。實驗平臺搭建如圖4 所示，整個系統主要由STM32 控制模塊、直流電源、逆變電源、示波器等組成。因此高頻逆變電源輸出電壓如圖5 所示，輸出為20 kHz 方波，但同時從圖中可知全橋逆變電路輸出電壓信號也出現了明顯的諧波。

圖4 全橋逆變電路輸出實驗連線圖

圖5 全橋逆變電路輸出電壓波形

2 巴特沃斯濾波電路設計

從圖5 可以看到由于高頻逆變電源工作頻率較高，逆變橋輸出電壓中不可避免地包含有高頻諧波。因此需要設計低頻濾波電路減少諧波的影響。逆變電路的輸出濾波電路較多采用LC 低通濾波器，該文將采用歸一化巴特沃斯型設計定K 型低通濾波器[16]。

2.1 設計流程

1）歸一化低通濾波器：指的是以特征阻抗為1 Ω且截止頻率為≈0.159 Hz 的巴特沃斯低通濾波器的數據為基準，將其截止頻率和特征阻抗轉化為待設計濾波器的相對應的數值。因為巴特沃斯濾波器階數越高，在阻頻帶振幅衰減速度越快，所以該文選用了五階濾波器。

2）截止頻率轉換：該文設計的濾波器截止頻率選為20 kHz，與基準濾波器的截止頻率Hz 的比值為M，再使用基準濾波器的元件值去除以M，即可得到設計所需的數值，計算公式如下：

3）特征阻抗的轉換：設待設計的濾波器特征阻抗為10 Ω，與基準濾波器特征阻抗1 Ω的比值為K，則待設計濾波器與基準濾波器的電感電容元器件值轉換公式如下：

根據上述公式可以得到，基于五階基準濾波電路的電感電容元器件值LOLD1=0.618 03 H，LOLD2=2.0 H，LOLD3=0.618 03 H，COLD1=1.618 03 F，COLD2=1.618 03 F，轉換而來的待設計五階濾波電路對應值如下式所示：

為容易獲取到相對合適的電感電容值，因此取相對常見到的電感電容值，所以LNEW1=LNEW3=56 μH，LNEW2=160 μH，CNEW1=CNEW2=1 μF。故最終五階濾波電路的設計如圖6 所示。

圖6 五階濾波電路設計

2.2 濾波器的設計及效果

根據上述設計濾波器電路圖，基于圖4 的實驗平臺，在全橋逆變電路輸出端連接濾波電路。測試濾波器的輸出電壓信號，測試結果如圖7 所示。對比圖5 和圖7 的電壓信號，可以明顯地看到經過濾波電路后可以得到完整的20 kHz 正弦電壓信號，說明設計的濾波器參數符合實際需求。

圖7 濾波電路輸出電壓波形圖

3 WPT實驗測試驗證

在完成實驗電路搭建后，搭建一種WPT 系統。WPT 實驗連線圖如圖8 所示，主要包括電源部分、WPT 系統線圈部分、負載部分和測量部分。電源部分包括直流電源、STM32、逆變橋和濾波電路。WPT系統線圈部分包括兩個直徑為20 cm 的利茲螺線管線圈、亞克力線圈骨架、匹配20 kHz 諧振的匹配電容。負載則是10 Ω 的無感電阻。測量部分包括示波器、電壓探頭和電流鉗。測量單元能夠檢測原邊、副邊線圈的電壓、電流及其相位。

圖8 WPT實驗連線圖

對整個系統進行WPT 系統開環電路實驗。根據示波器所示數值可計算得出系統的實測數值如表1，表中U1和I1分別為原邊側輸出電壓和電流，同理U2和I2分別為副邊側輸入電壓和電流。

表1 無線電能傳輸系統開環電路實驗數據

4 結論

該文以WPT 系統為研究對象，設計了一種20 kHz、小功率的高頻逆變電源。該電源能夠滿足小功率WPT 系統的應用需求。通過使用兩塊IR2110 驅動芯片，實現對全橋逆變電路的開關控制，同時它的外圍電路結構簡單減少了設計成本。使用STM32 單片機作為主控，可以使得整個系統支持后續增加新的功能以及控制算法的升級提供了便利性，具有很強的擴展性。