2021年09月08日 | 伍尔特电子提供面向工业环境的大功率无线电力传输技术

1.简介    

随着无线电力传输技术在消费类电子产品中的日益普及，工业和医疗行业也把关注焦点转移至这项技术及其固有优势。在如 WLAN 和蓝牙（Bluetooth）等各项无线技术的推动下，通信接口日益向无线化发展，无线电力传输技术也成为一种相应的选择。采用一些全新的方案，不仅能带来明显的技术优势，还能为新的工业设计开辟更多可能性。这项技术提供了许多新的概念，特别是在需要对抗腐蚀性清洁剂、严重污染和高机械应力等恶劣环境的工业领域，例如 ATEX、医药、建筑机械等。比如，它可以替代昂贵且易损的集电环或触点。另一个应用领域是必须满足增强或双重绝缘等特殊要求的变压器。

本应用说明旨在阐述使用电路技术可以轻松实现数百瓦甚至更高规格的无线电力传输解决方案，同时无需使用软件或控制器。

直流电源

• 电流和电压曲线非常接近正弦曲线

• 无需有源器件和软件

• 可在 1 W - 200 W 范围内灵活扩展

• MOSFET 开关接近过零点

• 可扩展，以适配多种不同的电压/电流

2.1.    基本电路/原理图：

电感器）：XL= 2·π·f·L

容抗（电容器）：并联电路的阻抗：陶瓷电容器降低电压纹波。

使用更小的 MOSFET 代替肖特基二极管驱动栅极，或使用双极推挽电路（参见应用示例），可以提高效率。

对于超过 20 V 的电源电压，可以使用电容分压器来驱动 MOSFET 栅极或DC/DC转换器（如高效紧凑的 Würth Elektronik MagI³C 电源模块）作为辅助电压源（参见第 3 节中的应用示例）。

同样，在接收侧，也可以用经典的桥式整流器代替谐振转换器。其优点包括更高的输出电压、更低的成本、更小的空间，但二极管损耗会导致效率降低。

负载频率一般不应超过 150 kHz，否则并联电容器、发射和接收线圈的损耗会过高。此外，150 kHz 以下的 EMC 限值也更高（例如 CISPR15 EN55015 9 kHz - 30 MHz）。105-140 kHz 是迄今为止进行的所有试验权衡之下得到的最佳频率范围。根据目前已获批准的感应电力传输频带(100-205 kHz)，此频率范围可以确保您处于一个安全的频率范围之内。

如果最终产品将在多个国家/地区上市，则应事先确定各个国家/地区的法规以及允许的频段，以缩短开发阶段的时间。

电力变压器的 EMC 特性

通过各种无线电力应用传输电力时，遵守 EMC 限值要求并非易事。挑战在于，发射和接收线圈就像一个耦合系数不佳且气隙极大的变压器，这会导致线圈附近产生很高的杂散电磁场。EMC 测量表明，从基波频谱到 80 MHz 的频率范围内都可能发生宽频干扰。如果将测量的干扰水平保持在限值以下(并留有一定的余量)，则可认为干扰场强度也能保持在限值以下。总体而言，EN55022 B 类等限值可能成为开发中不容低估的挑战。

封装尺寸（长/宽/高）是多少？

为避免线圈出现不必要的饱和或过热，应始终预留 30% 的安全缓冲。如果可以装入多个线圈，应使用电感最高的线圈，这样谐振电路的电容器就可以更小。此外，这一措施还可以降低谐振电路中产生的无功电流。降低谐振电路中的电流可以减少自热，改善 EMC 特性。

谐振电路中的最大电流    滤波电容器的电容直接相关。更多信息请参见第 2.2.7 节。

电感器品质因子：稳压二极管或电容分压器，将栅极电压保持在最佳范围内。此外还必须注意，栅极电压不能太低，否则谐振转换器中的 MOSFET 会滞留在线性放大器工作模式，导致电路进入闩锁状态。这通常会导致两个 MOSFET 中的一个过热。此外，必须注意防止高于电源电压 π 倍的电压过冲。例如，在 20 Vcc 下，MOSFET 必须承受至少 63 V 的漏源电压，此时应使用 100 V_DS 类型。电路的效率在很大程度上取决于 MOSFET 的“导通”电阻 (Rdson) 和栅极电荷（总栅极电荷）的大小。此处必须做出权衡，因为 MOSFET 的 Rdson  较低时，总栅极电荷通常较高。

MOSFET 栅极充电/放电电流：铝电解电容器以承受大交流电流。低 ESR 的聚合物和陶瓷电容器还可提供显著减小反射电压纹波振幅的可能性。更小的电压纹波意味着 EMC 干扰测量中的干扰电平也更低。使用铝电解质电容器和聚合物或陶瓷电容器（例如 WCAP-PTHR/WCAP-PSLC）并联可以达到最佳效果。

输入/输出滤波器的切断频率：电压降：    Uripple=ESR ×IAC

2.3.    谐振转换器的缺点

在实践中，此电路拓扑结构必须考虑两个因素，以防止 MOSFET 出现闩锁情况。

1. 切换时发射器的供电

如果在电路的瞬态振荡期间，电源不能提供足够的电流，两个 MOSFET 中的一个可能会滞留在线性放大模式，输入电压将永久短路接地。这会导致 MOSFET 过热，造成永久性损坏。此外还应注意，输入滤波电容器的规格不宜过大，否则可能会由于电源的充电电容更大，进一步加剧这种“闩锁”效应。

实践中，将电容器和谐振电路在电路其余部分之前连接到工作电压，可以避免这种效应。然后可以通过光耦合器或晶体管切换 MOSFET 的栅极。也可以通过切换延后于电源的独立电压源（例如 Würth Elektronik MagI³C 电源模块）来驱动栅极。

2. 接收侧到发射侧的反射阻抗

考虑到接收侧较大的负载跃升或两个线圈耦合系数的突然变化，反射阻抗可能会导致发射侧的磁化电感部分发生短路。反之，这又可能导致振荡中断并使电路进入“闩锁”状态。

耦合系数：磁通量会得到明确控制，不会转化成热量。同时也可以增加耦合系数，从而提高效率。这种自粘柔性铁氧体箔有多种尺寸和厚度可供选择。

整流电路。该接收电路的输出功率约为 20 W，具体取决于冷却表面。

TVS 功率二极管可防止瞬态过压（双向；最大工作电压 60 V）。

请注意：电压高于 50 VAC/120 VDC 时，请采取预防措施和接触防护！

3.2.    标准谐振转换器（发射器和接收器最高约 10 W）

图 15：用于最高 10 W 的简单发射器/接收器谐振器电路示例。应对所有发射器实施输入电流监测。这可以防止功率 FET 热过载。如果振荡在运行期间未能正常启动或发生故障，其中一个功率 FET 将由 GND 永久控制，从而导致高温损坏。逻辑电平 FET 只能在电源电压低于 9 V 时使用。

请注意：电压高于 50 VAC/120 VDC 时，请采取预防措施和接触防护！

3.3.    修改后的接收电路示例（最高约 50 W）

图 16：用功率肖特基二极管代替滤波电感器，可通过接收器的双重整流提高输出电压；需要输出滤波器 (C7/C8/L1)；为了给栅极供电，借助于 LDO/降压转换器，可以从 L1 处的高直流电压产生一个低电压，这样就可以从设计中移除分压器和10个二极管。此电路只能在接收侧使用，最高可达 50 W。如果不使用逻辑电平 FET，则栅极电源电压至少需要 9 V 才能实现安全可靠的传输。

请注意：电压高于 50 VAC/120 VDC 时，请采取预防措施和接触防护！

3.4.    推挽式栅极控制示例（发射器和接收器最高约 100 W）

图 17：通过栅极的推挽切换而不是半正弦来控制功率 MOSFET 栅极；该电路可用于发射侧和接收侧。借助 LDO 或 WE 电源模块 (171 012 401)，可以从工作电压产生 8-10 V 辅助电压。输入端务必设置过流切断。如果振荡在运行期间未能正常启动或发生故障，其中一个功率 FET 将永久连接到 GND，从而发生高温损坏。逻辑电平 FET 只能在电源电压低于 9 V 时使用。

请注意：电压高于 50 VAC/120 VDC 时，请采取预防措施和接触防护！

3.5.    推挽式栅极控制示例（发射器和接收器最高约 60 W）

图 18：通过栅极的推挽切换而不是半正弦来控制功率 MOSFET 栅极；该电路可用于发射侧和接收侧。借助 LDO 或 WE 电源模块 (171 012 401)，可以从工作电压产生 8-10 V 辅助电压。输入端务必设置过流切断。如果振荡在运行期间未能正常启动或发生故障，其中一个功率 FET 将永久连接到 GND，从而发生高温损坏。逻辑电平 FET 只能在电源电压低于 9 V 时使用。

请注意：电压高于 50 VAC/120 VDC 时，请采取预防措施和接触防护！

3.6.    推挽式栅极控制示例（发射器和接收器最高约 30 W）

图 19：通过栅极的推挽切换而不是半正弦来控制功率 MOSFET 栅极；该电路可用于发射侧和接收侧。借助 LDO 或 WE 电源模块 (171 012 401)，可以从工作电压产生 8-10 V 辅助电压。输入端务必设置过流切断。如果振荡在运行期间未能正常启动或发生故障，其中一个功率 FET 将永久连接到 GND，从而发生高温损坏。逻辑电平 FET 只能在电源电压低于 9 V 时使用。

请注意：电压高于 50 VAC/120 VDC 时，请采取预防措施和接触防护！

3.7.    双谐振转换器应用（最高 20 V/8 A）

图 20：发射器和接收器约 100 W。

3.8.    带中心抽头的谐振转换器应用（最高 30 W）

图 21：中心抽头线圈的谐振转换器。该电路的优点是只需要一个滤波线圈。由于采用中心抽头，频率增加两倍，电压振幅减小。这样可以使用更小的滤波线圈。此外，具有两个重叠线圈的阵列也比较容易控制。使用 LDO 或 WE Magic 电源模块 (171 012 401)，可以从工作电压产生 8-10 V 辅助电压。

请注意：电压高于 50 VAC/120 VDC 时，请采取预防措施和接触防护！

图 22：线圈阵列 (760 308 104 119) 发送器/接收器 3.9 应用示例的结构。

4.    总结    

该谐振转换器非常灵活，可满足许多不同应用的要求，目前是最有效的数百瓦级无线能量传输方式。如果应用需求在安全性、通/断、充电状态监测等方面有所增加，硬件开发人员可将该电路作为基础电路进行扩展。也可使用具有有源调节的经典 H 桥电路替代谐振转换器拓扑结构作为基础电路。在任何情况下，都应在开发的早期阶段对首批原型进行 EMC 测量。