感應(yīng)電能傳輸（Inductive Power Transmission, IPT）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)較遠(yuǎn)距離的大功率傳輸，在近幾年受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用，涉及的領(lǐng)域包括電子設(shè)備、軌道交通、醫(yī)療器械和工業(yè)生產(chǎn)等。隨著IPT技術(shù)的普及，其安全問(wèn)題也受到人們的高度關(guān)注，磁場(chǎng)輻射是大家尤為關(guān)心的一點(diǎn)。

IPT系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)定律，以高頻磁場(chǎng)作為傳輸介質(zhì)，將電能從發(fā)射線圈傳輸?shù)浇邮站€圈側(cè)。而高頻的磁場(chǎng)也帶來(lái)一系列的安全問(wèn)題，如：它會(huì)在金屬體上產(chǎn)生渦流使金屬發(fā)熱，存在火災(zāi)隱患，同時(shí)也會(huì)降低系統(tǒng)效率；對(duì)周圍通信設(shè)備造成電磁干擾；磁場(chǎng)輻射在一定強(qiáng)度下會(huì)危害人體健康等。因此，通常需要加入額外的鋁板來(lái)屏蔽磁場(chǎng)，系統(tǒng)復(fù)雜性增加。

與感應(yīng)式對(duì)偶的電場(chǎng)式電能傳輸（Capacitive Power Transmission, CPT）技術(shù)，依靠?jī)蓪?duì)金屬極板間的電場(chǎng)傳輸能量，傳輸機(jī)構(gòu)質(zhì)量輕、成本低、對(duì)金屬敏感度低，發(fā)熱小。但CPT系統(tǒng)的傳輸功率和效率受傳輸距離的影響較為顯著，由于空氣的介電常數(shù)比較低，當(dāng)距離為10～100mm時(shí)，極板構(gòu)成的等效電容值非常小，通常在幾pF到幾十pF。

為了降低極板電容的容抗，開關(guān)頻率通常設(shè)置在MHz級(jí)，同時(shí)需要很大的電感進(jìn)行補(bǔ)償，若還需獲得足夠的輸出功率，輸入電壓也非常大，因此逆變器的開關(guān)管將承受較大的開關(guān)應(yīng)力和切換損耗。同時(shí)，為了提高CPT系統(tǒng)的電能傳輸能力，會(huì)提高極板兩端的電壓，造成電場(chǎng)輻射范圍大的問(wèn)題。

對(duì)比CPT和IPT兩種傳輸方式，IPT系統(tǒng)中需要額外的電容來(lái)補(bǔ)償線圈的等效自感，常用的補(bǔ)償拓?fù)浒ù⊿S）、串并（SP）、并串（PS）和并并（PP）四種方式。在CPT系統(tǒng)中，需要額外的電感來(lái)補(bǔ)償極板的等效電容。

目前，已有CLC、LCL、CLLC等補(bǔ)償拓?fù)洹榱撕?jiǎn)化電路，充分利用電路中的補(bǔ)償元件，文獻(xiàn)[13]提出了將兩種傳輸方式相結(jié)合的系統(tǒng)，系統(tǒng)效率得以顯著提高，但將電感耦合器和電容耦合器分開放置，造成耦合器體積大，結(jié)構(gòu)不緊湊；同時(shí)傳輸能量密度低，實(shí)用性不高。

綜上所述，本文基于CL拓?fù)溲a(bǔ)償?shù)腎PT-CPT結(jié)合系統(tǒng)，提出了一種集成式耦合器的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法。集成式耦合器是將電感耦合器和電容耦合器集成到一體，能夠有效整合兩個(gè)耦合器，縮小系統(tǒng)整體體積，使結(jié)構(gòu)更為緊湊。

通過(guò)合理設(shè)計(jì)參數(shù)能使磁場(chǎng)和電場(chǎng)傳輸?shù)墓β拾匆欢ū壤敵觯瑫r(shí)減小極板對(duì)線圈的影響。其結(jié)構(gòu)能夠有效屏蔽磁場(chǎng)，減小電磁輻射對(duì)人體的危害，同時(shí)，能夠防止周圍的金屬物落入高頻磁場(chǎng)引發(fā)危險(xiǎn)。其中，極板既作為IPT系統(tǒng)的補(bǔ)償元件，也用于產(chǎn)生電場(chǎng)傳輸能量；耦合線圈既作為CPT系統(tǒng)的補(bǔ)償元件，也用于產(chǎn)生磁場(chǎng)傳輸能量，電路中的元件得到充分利用。同時(shí)，在CPT系統(tǒng)中加入IPT，能夠分擔(dān)系統(tǒng)總功率，降低極板上的電壓，縮小電場(chǎng)輻射的范圍，提高系統(tǒng)安全可靠性能。

圖15 實(shí)驗(yàn)實(shí)物裝置

結(jié)論

本文基于CL拓?fù)溲a(bǔ)償?shù)腎PT-CPT結(jié)合系統(tǒng)，提出了一種集成式耦合器結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，結(jié)合了感應(yīng)式和電場(chǎng)式兩種傳輸方式，充分利用電路中的補(bǔ)償元件。通過(guò)合理設(shè)計(jì)電感耦合器和電容耦合器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)使IPT傳輸功率和CPT傳輸功率按一定比例輸出，同時(shí)簡(jiǎn)化了結(jié)合式無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)耦合器的結(jié)構(gòu)。

與單獨(dú)的IPT系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：①磁場(chǎng)輻射范圍縮小，金屬物也不易掉落至磁場(chǎng)中；②鋁板不僅作為屏蔽磁場(chǎng)的物體，也充當(dāng)部分補(bǔ)償線圈等效電感的電容，同時(shí)也是傳輸能量的通道。

與單獨(dú)的CPT系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：①在傳統(tǒng)CPT系統(tǒng)中作為補(bǔ)償?shù)碾姼幸材軌騻鬏斈芰浚虎贗PT系統(tǒng)分擔(dān)了系統(tǒng)總功率，降低了CPT的極板電壓，縮小了電場(chǎng)輻射范圍。

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