人体植入式非接触电能传输系统的研究

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1、有人人体植入设备的非接触供电是基于磁场耦合实现“无线供电”的新型电能传输方式。利用原副边完全分离的非接触变压器，通过高频磁场的耦合传输电能，实现能量传递过程中供电侧和用电侧无物理连接。人体植入设备的非接触电能传输与传统的导线传输最大的不同在于其采用了气隙很大的非接触变压器，漏感大同时耦合系数低，并且随着病人的活动，变压器的气隙是实时变化的。针对植入式非接触电能传输系统以上两个特点，论文主要从以下三个方面进行了研究。为了减小变压器大漏感对变换器功率因数的影响，对TETS四种基本补偿方式的谐振变换器进行了稳态特性分析，运用基波分析法推导了输出电压传输比，得到电压增益与负载无关的频率点。

2、论文提出了脉宽调制(PWM)同锁相控制(PLL)相结合的控制策略，保证变换器在多种外部参数变化的情况下可靠、高效的工作。PWM+PLL控制可使变换器在低压满载时工作在输出电压增益与负载无关的频率点附近。基于串一串补偿拓扑以及PWM+PLL的控制方法完成了24W12—60w原理样机的制作，满载最高效率达到88％，且验证了PWM+PLL控制谐振变换器的稳态特性和时域瞬态分析的正确性。论文以提高非接触变压器的耦合系数同时减小其体积、重量为目的，提出了边沿扩展、平面u型的新型非接触变压器。并给出了精确的磁阻模型以及耦合系数量化计算方法。在lOmm条件下，新型非接触变压器磁芯重量为609，耦

3、合系数达到0．6。变压器耦合系数计算结果和测试结果的一致性证明了所提磁路模型及耦合系数计算方法的正确性。采用优化后的变压器结构，变换器最高效率提高了约2．5％。关键词：谐振变换器，锁相控制，PWM控制、新型非接触变压器人体植入式非接触电能传输系统的研究AbstractTheextensiveuseofimplanteddeviceshasledtothedevelopmentofmedicalimplantableelectronicsystem．Everyyearabout8,000-15，000patientswhosufferfromheartattackhavethecha

4、ncetotransplantassistdeviceforcirculatory．Itishopedthatthesedevicesarepoweredwithanintactskin，therefore，transcutaneousenergytransmissionsystem(TETS)isnecessary．Itdeliverselectricalenergytoloadwitllthehelpoftranscutaneoustransformerthathasnomechanicalcontact．Duetotheelectromagneticinduction，the

5、“wirelesspowersupply'’canberealized．ThemajordifferencebetweenTETSandtranditionalDC—DCconvertcrsistheWanscutaneoustransformer,whichhasalargeairgap．Itleadstoalargeleakageinductance，smallmagnetizinginductanceandlowcouplingcoefficient；simultaneously,asthepatient'sactivities，theairgapaswellasthepar

6、ameteroftransformerisinreal—timechange．Inaccordancewiththetwocharacteristicsof"lETS，thisprojectisstudiedfromthreeaspects．Inordertominimizetheeffectoflargeleakageinductance，frequency-domainanalysisofthefourbasiccompensationtopologyandinput-to—outputvoltagetransferfunctionindicatedtheexistenceof

7、loadinsensitivefrequencywhichisadaptabletothevariableparametercharacteristics．Inthispaper,aPWMcontrolstrategyusingaphaselockedloopfortranscutaneouspowerregulationisadopted．Thisintegratedcontrolstrategyiscapableoflockingtheswitchingfrequ