感應(yīng)電能傳輸（Inductive Power Transmission, IPT）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)較遠距離的大功率傳輸，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，其安全問題也受到人們的高度關(guān)注，磁場輻射是大家尤為關(guān)心的一點。

IPT系統(tǒng)利用電磁感應(yīng)定律，以高頻磁場作為傳輸介質(zhì)，將電能從發(fā)射線圈傳輸?shù)浇邮站€圈側(cè)。而高頻的磁場也帶來一系列的安全問題，如：它會在金屬體上產(chǎn)生渦流使金屬發(fā)熱，存在火災(zāi)隱患，同時也會降低系統(tǒng)效率；對周圍通信設(shè)備造成電磁干擾；磁場輻射在一定強度下會危害人體健康等。因此，通常需要加入額外的鋁板來屏蔽磁場，系統(tǒng)復(fù)雜性增加。

與感應(yīng)式對偶的電場式電能傳輸（Capacitive Power Transmission, CPT）技術(shù)，依靠兩對金屬極板間的電場傳輸能量，傳輸機構(gòu)質(zhì)量輕、成本低、對金屬敏感度低，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，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，同時需要很大的電感進行補償，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，為了提高CPT系統(tǒng)的電能傳輸能力，會提高極板兩端的電壓，造成電場輻射范圍大的問題。

對比CPT和IPT兩種傳輸方式，IPT系統(tǒng)中需要額外的電容來補償線圈的等效自感，常用的補償拓撲包括串串（SS）、串并（SP）、并串（PS）和并并（PP）四種方式。在CPT系統(tǒng)中，需要額外的電感來補償極板的等效電容。

目前，已有CLC、LCL、CLLC等補償拓撲。為了簡化電路，充分利用電路中的補償元件，文獻[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；同時傳輸能量密度低，實用性不高。

綜上所述，本文基于CL拓撲補償?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，能夠有效整合兩個耦合器，縮小系統(tǒng)整體體積，使結(jié)構(gòu)更為緊湊。

通過合理設(shè)計參數(shù)能使磁場和電場傳輸?shù)墓β拾匆欢ū壤敵?，同時減小極板對線圈的影響。其結(jié)構(gòu)能夠有效屏蔽磁場，減小電磁輻射對人體的危害，同時，能夠防止周圍的金屬物落入高頻磁場引發(fā)危險。其中，極板既作為IPT系統(tǒng)的補償元件，也用于產(chǎn)生電場傳輸能量；耦合線圈既作為CPT系統(tǒng)的補償元件，也用于產(chǎn)生磁場傳輸能量，電路中的元件得到充分利用。同時，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，縮小電場輻射的范圍，提高系統(tǒng)安全可靠性能。

圖15 實驗實物裝置

結(jié)論

本文基于CL拓撲補償?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)計方法，結(jié)合了感應(yīng)式和電場式兩種傳輸方式，充分利用電路中的補償元件。通過合理設(shè)計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，同時簡化了結(jié)合式無線電能傳輸系統(tǒng)耦合器的結(jié)構(gòu)。

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

與單獨的CPT系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有如下特點：①在傳統(tǒng)CPT系統(tǒng)中作為補償?shù)碾姼幸材軌騻鬏斈芰?；②IPT系統(tǒng)分擔(dān)了系統(tǒng)總功率，降低了CPT的極板電壓，縮小了電場輻射范圍。

進一步閱讀，請點擊下方鏈接，訪問期刊官方網(wǎng)站，可下載全文PDF版。「鏈接」