非接触式弱电实验供电平台的设计

　　在理解非接触供电基本原理的基础上，本文通过电磁感应耦合，实现非接触式能量传输，为负载提供电能，以解决传统导线多点接触式传输电能的不可靠和不可迁移等一系列问题，并将其应用到非接触式弱电实验箱供电平台。

　　1 基本原理

　　图1表示了一个典型ICPT系统的基本结构，它主要由两个分离的电气部分组成。一部分由能量变换装置组成，其作用是通过线圈回路提供高频交流电流(通常为10～100 kHz交流电);另一部分由能量拾取线圈和调节装置组成，通过两部分之间的电磁感应耦合，实现无接触的能量传输。ICPT典型结构在硬件实现上一般由4部分实现：功率变换装置、高频载流线圈或电缆、接收线圈和能量调节装置。前两部分构成一侧作为能量发射系统，后两部分构成另一侧作为能量接收系统，两个系统在物理上相互独立，工作时存在磁场耦合，一个原边能量发射源可为多个用电设备同时供电。

　　本文以典型ICPT系统为基础，加以硬件设计并实验，其中高频载流线圈与接收线圈采用相近的线圈，以实现接收端能量的最大化。该系统整体结构如图2所示。

　　该系统主要由能量转换模块、松耦合变压器模块和能量调节模块组成。电能通过能量转换模块产生高频交流电流，再经过松耦合变压器和能量调节模块，向用户设备提供电能。下面详细介绍3个模块：

　　(1)图2中能量转换模块的组成结构如图3所示，由整流、逆变、耦合等环节构成，主要作用是通过线圈回路提供高频交流电流。能量转换模块提供的高质量回路电流对于整个ICPT系统起着至关重要的作用，是保证电能传输效果的前提。

　　(2)图2中耦合变压器模块的主要作用就是将能量转换后的高频电源耦合到用户端。松耦合部分(可分离式变压器)是能量传输的关键，结构如图4所示。设M为耦合装置互感，Lp和Ls为初级、次级激励电感，初级磁场发射的高频载流线圈工作角频率为ω，电流有效值为ip，则松耦合系统次级电路接受线圈的开路电压为voc：

　　因此，增大系统能量传输能力的方法有：增大工作频率f(ω)、增加初级电流ip、增大互感M或减小次级自感Ls、增大品质因数Qs。由于品质因数不宜过大，因而有效增大系统传输能力的方法是增大工作角频率ω和初级电流ip。

　　(3)图2中的能量调节模块主要是提高系统能量的传输能力，实际电路设计时采用多个电容串并联的方法来实现能量的调节。