基于STM32 的无线电能传输系统逆变电源设计

陆杰，康健炜

（西南科技大学制造过程与测试技术教育部重点实验室，四川绵阳 621010）

无线电能传输（Wireless Power Transfer,WPT）系统具有传输距离远、传输效率高以及空间自由度高等特点，因此被广泛应用于中小型功率的产品[1-4]。其中，可控的高频逆变电源在整个WPT 系统中最为关键。文献[5-8]介绍了高频逆变器的设计难点在于，随着工作频率的提高会出现以下问题：1）开关损耗的增加；2）寄生参数对逆变电路性能有影响；3）开关管的控制要求会变高。

为了减少以上问题所带来的困扰并结合使用场景，该文采用了以STM32 为控制核心和主电路为单相全桥逆变电路所构成的WPT 电源系统，最终能够输出20 kHz 的正弦波。此外，基于该电源搭建了WPT 系统，验证了该方案的可行性。该方案具有成本低廉、结构简单，具备在小型WPT 系统的潜在应用价值。

1 高频逆变电源的设计

1.1 高频逆变电源的总体框架设计

WPT 电源系统的硬件结构如图1 所示。其主要的硬件构成主要包括作为主电路的单相全桥逆变电路[9]、控制电路[10]、隔离电路、驱动电路[11]、滤波电路、电源模块。

图1 系统硬件结构框图

WPT 电源系统的主电路为串联式谐振电路，全桥逆变电路选用电压型逆变电路。系统整体以STM32F104 单片机为控制核心，通过软件设计使STM32F104 单片机输出PWM 波形。该PWM 信号经过光耦隔离电路和驱动电路送入开关管。

光耦隔离电路实现PWM 控制信号与逆变电路电流实现电气隔离[12]，芯片为TLP250。驱动电路主芯片为IR2110，该电路提供满足MOSFET 的驱动条件的信号。

滤波电路采用巴特沃斯滤波器。由于全桥逆变电路输出的电流电压波形中包含高次谐波，所以为提升系统测量参数的准确性，需增加低通滤波器。

电源模块包括两部分：主电路电源和辅助电源。主电路电源中，用可编程直流电源为主电路提供直流电压[13]。辅助电源中使用AX5302 和LM1086 给控制侧供电。其中，AX5302辅助电源为+15 V boot升压电路，给TLP250 光耦隔离芯片和IR2110 驱动供电。以及LM1086提供+3.3 V电压给单片机STM32供电。

1.2 辅助电源设计

辅助电源主要是给高频逆变电源上所使用的芯片提供工作电压的，其中，文中的设计中光耦隔离芯片和MOSFET 驱动芯片的工作电压均为15 V。因为使用5 V、2 A 的电源适配器从市电取电给辅助电源的供电，所以需要设计电源转换电路。该电源转化电路如图2 所示。

图2 5 V转15 V辅助电源转化电路

因此，根据芯片数据手册设计了整个辅助电源。图2 电路使用了AX5302 升压控制芯片，将5 V升压到15 V，依据公式如下：

其中，R1、R2为AX5302 的反馈电阻，计算可得出R1、R2分别21 kΩ、1.5 kΩ。

1.3 MOSFET驱动电路设计

该文高频逆变电源中所使用的全桥逆变电路设计如图3 所示。使用IRFZ44N 作为单相电压型全桥逆变桥的开关管，这是一种N 沟道增强型功率MOSFET，其栅极驱动电压为10～20 V。由于STM32单片机输出PWM 信号幅值为3 V 左右，因此驱动功率MOSFET 开关管需要使用IR2110 高速驱动芯片。这有助于提高对于逆变桥的控制效率，同时减少外围硬件电路的使用[14]。

图3 全桥逆变电路原理图

IR2110 是高压、高速功率的MOSFET 和IGBT 驱动芯片，具有独立的高、低侧参考输出通道，因此可以同时驱动同一桥臂或者不同桥臂的两个MOS管。逻辑输入与标准CMOS 或LSTTL 输出兼容，最低可降至3.3 V 逻辑。浮动通道可用于驱动工作电压范围为500～600 V的N沟道功率MOSFET和IGBT。

依据N 型MOSFET 的导通条件可知，只有当栅源电压UGS等于开启电压UGSth时，MOSFET 才会导通。因此使用IR2110 驱动MOSFET时，需要设计悬浮自举电路。图3 电路中C3、C8即为自举电容，其计算公式为：

其中，C即为C3或C8，Qg为MOSFET 的栅极总电荷，f为工作频率，ICbs(leak)为自举电容漏电流，Iqbs(max)为最大VBS静态电流，VCC为逻辑电路部分的电压源，Vf为自举二极管的正向压降，VLS为低端MOSFET 或者负载上的压降，VMin为VB与VS之间的最小电压，Qls为每个周期的电平转换所需的电荷。

通过查阅IRFZ44N 和IR2110的数据手册可以获得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 。根据悬浮自举电路的原理可知，自举二极管具有阻断直流干线上的高压，并且减少电荷损失的功能，所以该方案选择了型号为FR107 快速恢复二极管，则Vf=0.7 V。当直流当取工作频率为f=100 kHz时，根据式（2）计算自举电容C≥267.85 nF，同时根据实际电容的容值，这里取自举电容C=330 nF。

1.4 光耦隔离电路设计

为保证STM32 单片机输出的控制信号能够不受干扰地传输到MOSFET 驱动芯片，因此该文还设计了光耦隔离电路。光耦隔离芯片的工作原理是通过输入侧的发光二极管与输出侧的光敏三极管之间的光耦合来实现信号的隔离传输，其特点是可以实现控制电路与功率电路的完全电气隔离，电路应用比较简单、集成度较高。

由于高频逆变电源的开关频率要求比较高，所以光耦隔离芯片的选型主要根据其传输延时的时长决定。该文选用了TLP250 光耦芯片，其开关时间最长为0.5 μs，能够满足设计需求。根据TLP250的数据手册，其输入电流最大为11 mA。同时STM32 串口输出电压一般为3.3 V，因此输入电阻一般为330 Ω。

1.5 基于STM32的WPT系统电源的实现

在完成电源各个模块的定型和设计之后，根据电路图焊接全桥逆变电路板。由于各个模块之间的电压等级以及电流大小的不同，同时为了减少电磁干扰所以在焊接电路板时需要将逆变电路主电路板和驱动控制电路板分开。要根据电流等级的不同，进行布线规格大小的修改[15]。

对制作完成的PCB 板设计实验进行测试，获取所设计的高频逆变电源的输出特性，通过测量数据分析其能否达到设计标准。高频逆变电源的主要输出特性为输出功率和输出效率，为此需要测量系统的输入输出电压以及输入输出电流波形。实验平台搭建如图4 所示，整个系统主要由STM32 控制模块、直流电源、逆变电源、示波器等组成。因此高频逆变电源输出电压如图5 所示，输出为20 kHz 方波，但同时从图中可知全桥逆变电路输出电压信号也出现了明显的谐波。

图4 全桥逆变电路输出实验连线图

图5 全桥逆变电路输出电压波形

2 巴特沃斯滤波电路设计

从图5 可以看到由于高频逆变电源工作频率较高，逆变桥输出电压中不可避免地包含有高频谐波。因此需要设计低频滤波电路减少谐波的影响。逆变电路的输出滤波电路较多采用LC 低通滤波器，该文将采用归一化巴特沃斯型设计定K 型低通滤波器[16]。

2.1 设计流程

1）归一化低通滤波器：指的是以特征阻抗为1 Ω且截止频率为≈0.159 Hz 的巴特沃斯低通滤波器的数据为基准，将其截止频率和特征阻抗转化为待设计滤波器的相对应的数值。因为巴特沃斯滤波器阶数越高，在阻频带振幅衰减速度越快，所以该文选用了五阶滤波器。

2）截止频率转换：该文设计的滤波器截止频率选为20 kHz，与基准滤波器的截止频率Hz 的比值为M，再使用基准滤波器的元件值去除以M，即可得到设计所需的数值，计算公式如下：

3）特征阻抗的转换：设待设计的滤波器特征阻抗为10 Ω，与基准滤波器特征阻抗1 Ω的比值为K，则待设计滤波器与基准滤波器的电感电容元器件值转换公式如下：

根据上述公式可以得到，基于五阶基准滤波电路的电感电容元器件值LOLD1=0.618 03 H，LOLD2=2.0 H，LOLD3=0.618 03 H，COLD1=1.618 03 F，COLD2=1.618 03 F，转换而来的待设计五阶滤波电路对应值如下式所示：

为容易获取到相对合适的电感电容值，因此取相对常见到的电感电容值，所以LNEW1=LNEW3=56 μH，LNEW2=160 μH，CNEW1=CNEW2=1 μF。故最终五阶滤波电路的设计如图6 所示。

图6 五阶滤波电路设计

2.2 滤波器的设计及效果

根据上述设计滤波器电路图，基于图4 的实验平台，在全桥逆变电路输出端连接滤波电路。测试滤波器的输出电压信号，测试结果如图7 所示。对比图5 和图7 的电压信号，可以明显地看到经过滤波电路后可以得到完整的20 kHz 正弦电压信号，说明设计的滤波器参数符合实际需求。

图7 滤波电路输出电压波形图

3 WPT实验测试验证

在完成实验电路搭建后，搭建一种WPT 系统。WPT 实验连线图如图8 所示，主要包括电源部分、WPT 系统线圈部分、负载部分和测量部分。电源部分包括直流电源、STM32、逆变桥和滤波电路。WPT系统线圈部分包括两个直径为20 cm 的利兹螺线管线圈、亚克力线圈骨架、匹配20 kHz 谐振的匹配电容。负载则是10 Ω 的无感电阻。测量部分包括示波器、电压探头和电流钳。测量单元能够检测原边、副边线圈的电压、电流及其相位。

图8 WPT实验连线图

对整个系统进行WPT 系统开环电路实验。根据示波器所示数值可计算得出系统的实测数值如表1，表中U1和I1分别为原边侧输出电压和电流，同理U2和I2分别为副边侧输入电压和电流。

表1 无线电能传输系统开环电路实验数据

4 结论

该文以WPT 系统为研究对象，设计了一种20 kHz、小功率的高频逆变电源。该电源能够满足小功率WPT 系统的应用需求。通过使用两块IR2110 驱动芯片，实现对全桥逆变电路的开关控制，同时它的外围电路结构简单减少了设计成本。使用STM32 单片机作为主控，可以使得整个系统支持后续增加新的功能以及控制算法的升级提供了便利性，具有很强的扩展性。