非接觸供電裝置研究與設計

摘 要：在研究和分析了非接觸電能傳輸（CLPT-Contactless Power Transfer）技術原理和應用領域的基礎上，針對其CLPT系統的關鍵技術問題進行討論，基于ANSYS有限元分析方法建立了CLPT系統的磁路模型、互感模型，分析了系統的傳輸特性，簡化了松耦合變壓器參數的計算方法，討論了各種電容補償結構對系統傳輸效率的影響，設計了高頻逆變電路。另外，在理論研究和仿真分析的基礎上，搭建了小功率非接觸供電裝置，驗證了設計的正確性。

關鍵詞：非接觸電能傳輸技術；松耦合變壓器；電容補償

引言

非接觸電能傳輸技術簡稱 CLPT （Contactless Power Transmission） ，此項技術打破了電能只能通過有線方式傳輸的思維定勢，它能在惡劣或特殊環境下代替傳統的電插座，使供電側與用電側通過非接觸的方式，間隔數毫米至十幾厘米進行能量傳輸[1]。

我國在這一領域的研究起步較晚，從本世紀初開始，國內科研工作者開始進行相關的研究。2001 年，西安石油學院的李宏首次在國內期刊中系統地講述了非接觸式電能傳輸技術的原理及應用。重慶大學孫躍教授及其課題組從2002年開始對非接觸式電能傳輸技術的基礎理論及工程應用進行研究，自主研發了三代樣機系統，并申請或授權了多項專利。此外，浙江大學電氣工程學院、中科院電工研究所、西安交通大學電氣學院、南京航空航天大學等科研機構在基礎理論和相應的應用領域內也做了大量的工作。

本文基于非接觸式電能傳輸技術，自主設計完成松耦合變壓器，從而設計出非接觸供電傳輸系統，并針對手機非接觸供電一些基本技術要求來為小功率負載供電。由于沒有電氣連接，從根本上消除了在插拔普通電插座時產生的電火花，從而避免了因電火花引起的災難事故。

1 非接觸供電裝置整體結構設計

CLPT系統是基于電磁感應原理的電能傳輸方式，電路轉換是將輸入CLPT系統的直流電通過高頻逆變電路轉為高頻交流電提供給松耦合變壓器的原邊；通過原邊與副邊線圈之間的電磁耦合將能量傳輸至松耦合變壓器的副邊；副邊線圈上的感應電動勢經整流濾波成為直流電并通過穩壓模塊加在負載電阻RL上。CLPT整體系統框圖如圖1所示。

2 硬件與電路設計

2.1 高頻逆變電路

高頻逆變電路主電路采用單相全橋逆變電路，如圖2所示。該電路采用IPP26CN10N型MOSFET作為開關元件，其額定工作電壓為100V，電流為35A，開通和關斷時間分別為14ns和16ns對直流電源進行高頻交流轉換[2]，整個調頻部分采用集成MOSFET驅動芯片IR2110形成全橋驅動電路，并通過智能控制芯片AT89C51的外部中斷INT1、INT0，在中斷程序中通過查表修改相應定時器的初始值，使頻率在1kHz-20kHz范圍內可調。

（1）磁芯結構選擇：根據實際應用場合的不同，電磁耦合器結構也有多種不同的形式，且每種不同形式的耦合器結構都有其具體的應用領域，在本文研究中，由于要滿足為手機充電要求精度低、允許兩側相對偏移的要求，選擇罐型磁芯結構的耦合器。罐型磁芯具有良好的電磁屏蔽特性，可以減少對外界的電磁干擾，且兩耦合器線圈的排列可以獲得較高的耦合系數[3]。

（2）磁芯材料選擇：目前主要用于變壓器鐵芯材料的有以下四種：鐵硅系合金即硅鋼片、軟磁鐵氧體、非晶態軟磁合金、超微晶軟磁合金。其每種鐵磁材料都有其優點和適用場合，由目前實驗條件及從經濟性考慮來講，選擇經濟實惠且常用的軟磁鐵氧體磁芯，因此選用TDK PC40鐵氧體罐形磁芯。

（3）松耦合變壓器繞線參數選擇：松耦合變壓器繞線選擇與輸入電源頻率和鐵芯具體尺寸以及所接負載有關。輸入電源頻率決定繞線形式；鐵芯尺寸決定了窗口面積進而決定了繞線的匝數；負載的大小決定功率進而決定繞線線徑大小。本設計根據具體情況經反復計算驗證選擇線徑0.3mm/10股絞合線，原邊繞制100匝，副邊繞制120匝。其中采用絞合線的目的是為了減少導線在高頻率狀況下導線的集膚效應，變壓器匝數副邊較多是因為氣隙距離較大，通過提高副邊匝數可以相應提高副邊電磁感應獲得的電壓，從而提高傳輸效率。

2.3 電容補償電路

4 結束語

本文通過對CLPT系統的關鍵技術問題的研究，基于ANSYS有限元分析方法建立了CLPT系統的磁路模型、互感模型，分析了系統的傳輸特性，從而簡化了松耦合變壓器參數的計算方法，同時我們對各種電容補償結構也進行討論，設計出高頻逆變電路。最終設計出可用于手機充電的非接觸供電裝置。打破了傳統充電裝置依靠電氣連接的枷鎖，從根本上消除了在插拔普通電插座時產生的電火花，實現更安全地對手機充電。

參考文獻

[1]武瑛. 新型無接觸供電系統的研究[D]. 中國科學院博士論文， 北京： 中國科學院， 2005.

[2] Wang， Chwei-Sen . Power transfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupled inductive power transfer systems[M]. Industrial Electronics， 2004

[3]詹厚劍，吳杰康.非接觸感應電能傳輸系統松耦合變壓器參數設計[J].現代電力，2009.

[4]徐曄. 串聯補償電壓型非接觸電能傳輸變換器的研究[J]. 電力電子技術， 2009，42（3）：4-5，11.

[5]趙彪.用于非接觸電能傳輸的自適應諧振技術原理[J]. 電工電能新技術，2010.