大功率无线充电系统模拟量电流采样保护电路的一种实现方法

崔志博 朱学军

摘 要：在分析无线充电系统过流检测系统的基础上，阐述了模拟量电流采样保护电路的工作原理，给出了其设计过程，并重点对采样放大和比较值保护电路的设计进行分析，实验测试证明该设计的有效性。设计方案具有精度高、抗干扰和性能可靠等优点，可广泛应用于大功率设备过流采样和保护电路工程设计实践中。

关键词：大功率;无线充电;电流采样;过流保护

中图分类号：TM930.1文献标识码：A文章编号：1003-5168（2019）16-0133-04

Abstract： Based on the analysis of over-current detection system of wireless charging system， the working principle of analog current sampling protection circuit was described， and its design process was given. The design of sampling amplification and comparison protection circuit was analyzed emphatically. The experimental test proved the validity of the design. The design scheme has the advantages of high precision， anti-interference and reliable performance. It can be widely used in the design practice of over-current sampling and protection circuit for high-power equipment.

Keywords： high power;wireless charging system ;current sampling;overcurrent protection

随着电力电子器件、技术和控制系统的日益成熟，大功率的电动汽车无线充电系统开发已经成为研究的热点。模拟量电流采样保护电路对无线充电系统的显示、控制和保护起着至关重要的作用，是无线充电控制系统设计的重要环节。模拟量采样电路的性能，直接影响无线充电系统采样数据和控制系统的精确性以及整个系统安全保护的可靠性[1]。

1 无线充电系统过流检测系统概述

无线充电系统主电路包括发射主电路和接收主电路两部分。其中，发射部分的主电路称为原边电路，接收部分的主电路称为副边电路。无线充电系统主电路与模拟量电流采样电路框图如图1所示。原边电路三相交流电通过开关送给三相桥式整流，经支撑电容滤波稳压后变成直流，再经高频逆变驱动发射线圈，将电能转化为磁场能。副边电路由接收线圈将磁场能转化为电能，经高频

整流滤波变成直流后，再经Buck电路降压后传给电池，完成无线电能传输[2]。

为保证主电路的控制精度和安全性，控制电路需要高精度霍尔传感器采集主电路电流。霍尔传感器的主要作用是将大电流（上百A以上）转化为小电流（mA级），并供给模拟量电流采样保护调理电路进行采样和保护信号处理。经处理后的采样和保护信号传给主控板ECU，以用于显示、控制和保护。

2 模拟量采样保护电路设计

图2所示为模拟量电流采样保护调理电路工作原理框图。其主要由霍尔电流传感器、模拟量采样保护调理电路、模数转换芯片AD和ECU等组成。其中，模拟量采样保护调理电路由采样放大调理电路和过流保护调理电路两部分组成。霍尔电流传感器将大电流转换为小电流后首先通过采样电阻转换成电压信号，再经过滤波和运算放大器处理变换成需要的电压信号。经过采样滤波放大后的电压信号一路通过模数转换芯片AD转换成数字信号，送给ECU进行显示、运算和控制;另一路则经过整流、比较和反相等处理后再送到ECU用于故障保护[3]。下面以30kW大功率无线充电系统为例，三相380V交流电，进线侧额定电流45.6A。

2.1 采集放大調理电路

由于无线充电系统进线侧额定电流为45.6A，按1.5倍电气安全保护硬件阈值考虑时安全电流为68.4A。选择LEM公司的LAH 100-P型的电流型霍尔传感器，该传感器精度等级为±0.25%，原边额定电流100A，副边额定电流50mA，转换系数1∶2 000，采样电阻RM 取值为0～11Ω，在di/dt为100A/μs时达到额定电流90%所需要的响应时间一般小于500ns。因此，这款传感器具有精度高、响应时间短、线性度好等优点，满足设计要求。为增加采样电路的抗干扰能力，需要在采样放大调理电路基础上增加一阶RC低通滤波电路，具体电路形式如图3所示。

由于采样电压[Ui]取决于采样电阻[RM]，放大系数取决于运算电阻[R1]和[R2]，两者均与一阶RC低通滤波器无关，因此，在计算采样电阻[RM]和放大器运算电阻阻值[R1]和[R2]时，可省略RC低通滤波器，得到简化后的采样放大电路如图4所示。

根据运算放大器虚短和虚断的特性，得到放大后的输出电压[Uo]的计算公式为：

（1）

当霍尔传感器原边达到额定电流时，副边额定峰值电流[IPMAX=2IPN=0.052]A，此时放大后的采样电压[Uo=UMAX=5V]，代入式（1）后可得：

（2）

由于采样电阻[RM]的取值范围为0～11Ω，设计过程中取[RM=4.7Ω]，[R1=1kΩ]，[R2=15kΩ]，可满足设计要求。额定情况在采样电阻为4.7Ω时，采样电阻消耗功率仅为0.011 75W，单个电阻消耗功率较小，选择1个功率为1W阻值为4.7Ω的金属膜片电阻即可。电流经采样滤波放大调理后变换一定电压，再经AD传给ECU，用于无线充电系统的显示控制等。

2.2 采集放大调理电路

为增加无线充电系统的安全性，需要设计专门的过流保护调理电路，以保障功率器件不受损坏。图5将采样放大调理电路后的正弦电压，经过运放组成全波整流电路变成正弦上半波，然后再经过比较器电路变成0～5V的高低电平信号。如果ECU管脚电压为3.3V，则还需要经0～5V阶跃电平信号经过相应的反相器转变成3.3～0V的阶跃电平信号。

全波整流电路的运算放大器需要2路运放进行处理，加上采样放大调理电路需要1路运放，可见，至少需要集成3路运放才能满足设计要求，而具有14-pin的OPA4277集成4路运算放大器可满足设计要求。全波整流和反相器电路的设计较为常见，采用经典电路即可，这里不再赘述。比较器所在电路设计与主电路保护阈值、比较器特性有一定关系，需要选取合适的阻值构成过流比较值电路，属于设计难点。下面以图6比较值典型电路为例重点进行阐述。

如图6所示，[Ux]为正弦上半波经电阻R1和R2分压后的电压信号;[Vr]为比较器参考电压;[Uox]为比较器输出电压（0～5V阶跃信号）。由芯片资料可知，比较器输出电压发生阶跃的临界点为[Ux=Vr]。比较器输出电压[Uox]发生阶跃存在两种情况：一种是[Uox]发生0～5V阶跃，另一种则相反。设计时，需要从上述两种情况出发，当[Uox]发生0～5V阶跃时，即比较器发生阶跃前初始电平为低，此时若[Ux>Vr]，则输出电压[Uox]就会由0V变为5V发生阶跃;当[Uox]发生5～0V阶跃时，即比较器发生阶跃前初始电平为高，此时若[Ux≤Vr]，则输出电压[Uox]就会由5V变为0V发生阶跃。

当[Uox]发生0～5V阶跃时，假设此时输入电压为[Uih]，得到跳变前比较器简化分析电路如图7所示。

由运放特性和KCL定律可知：

（3）

对公式（3）进行处理后可得：

（4）

当[Uox]发生5～0V阶跃时，假设此时输入电压为[Uil]，得到跳变前比较器简化分析电路如图8所示。

由运放特性和KCL定律可知：

（5）

对公式（5）进行处理后可得：

（6）

为保证过流保护的精确性，需要选用精密基准电源提供参考电压[Vr]。ADR127因精度高、功耗低、封装小等优点被广泛采用，可为此次设计提供稳定的1.25V电压。当发生阶跃时，[Ux=Vr=1.25V]，将其带入公式（4）和（6）得到简化公式（7）和（8）。

（7）

（8）

由2.1节可知，进线侧电流保护阈值为68.4A，计算得到保护动作电压值[Uih]=68.4/100×5=3.42V。发生保护后，保护动作恢复所对应的进线侧电流应为额定电流45.6A，计算可得恢复电压值为[Uil]=45.6/100×5=2.28V。经优化分析，选取[R1=4.7k]、[R2=3.16k]、[R3=20k]、[R4=1.24k]贴片电阻可满足设计要求。将选取后的电阻重新代入公式（7）和（8），计算可得到实际过流保护动作和恢复电压分别为3.40V和2.28V，保护动作电流和恢复电流分别为68.0和45.6A，另外过流保护动作电压3.40V大于后级反相器门限電压2V，满足设计要求。

2.3 模拟量采样保护调理电路测试

为了验证设计电路的有效性，可通过实验对所设计电路进行测试。如图9所示，利用交流稳压电源模拟霍尔电流传感器产生34mA（对应保护阈值68A）正弦电流施加在控制回路中，用4通道的示波器分别测量采样放大后的输出电压MIU（CH1通道）、经全波整流分压电阻分压后输出电压[Ux]（CH3通道）、比较值电路输出电压（CH2通道）和反相器输出电压（CH4通道），得到的实验波形如图10所示。实验波形与图5过流保护电路调理电路设计分析吻合，有效证明了设计电路的准确性。

3 结论

本文给出了大功率模拟量采集保护电路的设计思路和实现方法，并重点对采样放大电路和比较值保护电路设计过程和阻值选取进行了分析，最后通过实际测试证明了理论设计的有效性。设计方案具有精度高、抗干扰能力强和性能可靠等优点，可作为大功率无线充电系统模拟量过流采样保护电路设计的典型方案。

参考文献：

[1]丁小波.继电保护中多路模拟量采集系统的设计[J].电子科技，2015（4）：142-145.

[2]赵争鸣，刘方，陈凯楠.电动汽车无线充电技术研究综述[J].电工技术学报，2016（20）：30-40.

[3]崔志博.中压大功率风电变流器控制系统研究[D].北京：北京交通大学，2016.