基于電磁耦合的水下無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統

隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國對海洋的科考有了長(cháng)足的發(fā)展。本文結合“深海抓斗”、“深海淺鉆”等海洋科考設備對其供電系統進(jìn)行改進(jìn)。目前多數水下設備都使用電池供電,也有部分進(jìn)行電纜傳輸。本文通過(guò)對電源系統進(jìn)行改進(jìn)，以無(wú)電纜連接實(shí)現能量傳輸，減少對儀器設備的束縛，配合水下非接觸式耦合信息傳輸，實(shí)現“無(wú)線(xiàn)”水下設備,為海洋科考實(shí)驗提供更加優(yōu)越的實(shí)驗環(huán)境。同時(shí),無(wú)接觸的能量傳輸可以有效地避免因為電源插口外露、電纜拖曳斷裂帶來(lái)的安全隱患，提高系統的安全性。

常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)能量傳輸方式有三種：電磁感應、電磁輻射、電磁諧振。而耦合器主要有兩種形式：導軌形式、柱體形式。本設計重點(diǎn)闡述利用電磁耦合方式的設計方法，并提出優(yōu)化策略實(shí)現水下的設備供電。

1 水下無(wú)線(xiàn)能量傳輸原理

根據麥克斯韋方程,變化的電場(chǎng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)又可以產(chǎn)生電場(chǎng)。本設計基于此基本原理，利用電磁耦合器件，實(shí)現電—磁—電的轉換，其中的磁是在水中傳播。同時(shí)針對水中電導率較大的情況進(jìn)行模型優(yōu)化。

2 系統構成

水下無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統可分為三大部分：高頻逆變和后端的整流電路、控制電路及耦合器。高頻逆變和后端的整流電路可對控制信號進(jìn)行驅動(dòng)放大用以控制逆變電源；控制電路可產(chǎn)生PWM控制信號，同時(shí)根據電路的狀況進(jìn)行過(guò)壓保護處理；耦合器是實(shí)現能量水下隔離傳輸的重點(diǎn)，其設計的好壞對傳輸效率有很大的影響。系統框圖如圖1所示。

2.1高頻逆變電路

本設計采用的是全橋整流電路實(shí)現高頻逆變，全橋逆變效率雖然不高，但實(shí)現的逆變功率較大。為此，選用了MOSFET功率器件,能夠在MOS管發(fā)熱損耗較少的情況下，實(shí)現大功率的能量傳輸。MOS管的開(kāi)關(guān)驅動(dòng)電路由IR公司的驅動(dòng)芯片與門(mén)級關(guān)斷鉗位電路組成。IR2110是IR公司推出的帶自舉的低成本驅動(dòng)芯片，廣泛應用在各種MOS管與IGBT驅動(dòng)電路中，上臂自舉能減少所需的驅動(dòng)電源數目。門(mén)級關(guān)斷鉗位電路是用兩級MOS管組成反相器。驅動(dòng)電路的設計關(guān)鍵點(diǎn)是選擇自舉電容C1與上拉電阻R23。在Q13關(guān)斷時(shí)C1能被快速充電，開(kāi)通Q14，把Q13的柵源極電壓控制在門(mén)級閾值電壓以下，所以C1與R23構成的充電電路時(shí)間常數要小，以便實(shí)現快速關(guān)斷，減少開(kāi)關(guān)損耗。在Q13、Q15開(kāi)通時(shí)，Q14始終保持在閾值電壓以下，電容C1通過(guò)R23對橋的左邊放電，但Q13、Q15的電平仍然要保持在高電平，所以R23的阻值要大，C1值要小，以減小由D13、R23、Q15構成的電路電流和減少自舉電源的功耗。在實(shí)際電路中采取犧牲輔助電源的部分功耗，R23選取500 Ω，便能取得一個(gè)較好的效果。全橋MOS管驅動(dòng)電路如圖2所示。

　 通過(guò)示波器觀(guān)察可以看到驅動(dòng)電平已沒(méi)有常見(jiàn)的下橋干擾毛刺(下臂的驅動(dòng)電路同理)。在Q14柵極上的R21、R22、R24、D11構成電路對驅動(dòng)電壓進(jìn)行防震蕩處理，D11加快電平下拉。D12、R24在門(mén)級鉗位電路中，當Q13柵極上有毛刺且超過(guò)15 V齊納而被擊穿時(shí)，起到保護Q14的效果。同時(shí)開(kāi)關(guān)的13 V電平跳變更加快速，Q值更高，可減少開(kāi)關(guān)損耗。

2.2 控制電路

本設計采用STM32F103VBT6為主控芯片。該芯片是ST公司推出的一款基于Cortex-M3內核的高性?xún)r(jià)比ARM處理器，最高主頻可達72 MHz[1];其自帶3通道的互補6路輸出定時(shí)器,選用其中2通道與DMA功能一起使用，能有效地實(shí)現輸出全橋PWM控制[2]，同時(shí)其自帶的多通道12位AD可以滿(mǎn)足系統的各種參量的測量需要。

實(shí)現過(guò)流過(guò)壓保護，可在左右臂的下臂接地處串接0.1 Ω的康銅電阻，再用LTV274運放放大其兩端的電壓后，接到STM32的自帶12位AD腳進(jìn)行電流監測。同理對輸入的直流電壓用電阻分壓后接到AD腳。當檢測到超過(guò)預設值(電壓500 V，電流3 A)，將關(guān)斷信號發(fā)送給兩片IR2110的DS端，關(guān)斷MOS管，并關(guān)閉輸入電源，直到電壓恢復到較低的水平(對應的電壓10 V,電流0.1 A)后重新開(kāi)啟系統。

2.3耦合器

耦合器的材料選取常用的變壓器材料有硅鋼、鎳鐵合金、鈷鐵合金、非晶體金屬合金及鐵氧體?？紤]到頻率比較高，而且是大功率傳輸，選取鐵氧體磁芯為設計材料。根據耦合器能量傳播的特點(diǎn)，要保證磁路是開(kāi)放對稱(chēng)的，以有利于能量的傳輸，選取實(shí)驗磁芯的外形有PC型、RM型、GU型，同時(shí)要考慮磁芯所能承受的最大功率，本文的功率為視在功率，是輸入輸出功率的和，而體積過(guò)小的磁芯進(jìn)行大功率傳輸將面臨磁芯溫升等問(wèn)題。

其中：D為電壓導通的占空比,實(shí)現計算時(shí)最大值可取 0.5。代入相關(guān)參數可知至少需要4股線(xiàn)。

根據計算所得的模型參數,進(jìn)行有限元建模分析。有限元分析是一種目前在工程上較為實(shí)用的分析方法，其基本的思路就是將原本復雜的整個(gè)模型分解成較為簡(jiǎn)單的小區域，再加上一定的邊界條件限制，即可以求出一些小區域的解,同時(shí)解可與邊上的小區域共享，最終求得整個(gè)模型的近似解。

3 仿真與實(shí)驗結果

圖3所示為GU型磁芯，以及繞線(xiàn)、1/2水下截面的有限元進(jìn)行區域劃分后的狀況。其磁導率采用的參考文獻[4-5]的模型，取有球型進(jìn)行仿真。假設下端的磁芯為發(fā)射端,上端為接收端。仿真結果顯示了下端磁芯線(xiàn)圈在200 V、100 kHz電源作用下水中的磁場(chǎng)分布狀態(tài)。在大氣隙情況下,有比例大的磁力線(xiàn)未經(jīng)過(guò)次級線(xiàn)圈，所以效率必然較低。至此改變頻率、電壓、氣隙等參數，重新仿真直到最優(yōu)結果。

圖4所示為輸入電壓對輸出效率和功率的影響，采用的是GU50磁芯，在水中輸入100 V、100 kHz電壓，氣隙為5 mm。

圖5所示為在相同條件下，耦合磁性的電感進(jìn)行改變后的耦合輸出效率。
圖6所示為系統實(shí)物圖，圖中上方是驅動(dòng)電路部分。電路工作時(shí)，直流電源由PIN進(jìn)入，經(jīng)過(guò)高頻逆變后，輸入至POUT到磁芯。采用PC74磁芯在約2 cm的氣隙下點(diǎn)亮60 W燈泡。

本文論述了基于電磁耦合的水下無(wú)線(xiàn)能量傳輸系統的設計與優(yōu)化方法。針對驅動(dòng)電路部分詳細論述了一種實(shí)現較高功率的中高頻逆變電路。同時(shí)提供了有效的耦合器設計方法。本系統經(jīng)過(guò)水下驗證，實(shí)現了最大電壓300 V、最大輸出電流2 A，在5 mm氣隙下實(shí)現最大輸出功率為350 W。