一种低辐射的电场耦合器及其补偿电路设计方法

1.本发明涉及一种电场耦合器以及该电场耦合器的补偿电路的设计方法。


背景技术：

2.基于磁场耦合的无线充电技术是商业化最为成功的技术。根据电磁对偶性，利用电场的耦合器也可用于特定场合的无线传能。值得一提的是，无线充电系统中的电场耦合器不需要使用磁材料，可显著地降低系统重量与成本。同时当周围存在金属物体时，电场耦合器的电场不会产生涡流损耗，对传输效率无显著影响。因此基于电场耦合器的无线充电系统仍有极大的发展潜力。
3.电场耦合器可以采用传统的水平型四极板结构，包括原边高压极板、原边低压极板、副边高压极板以及副边低压极板。原边高压极板以及副边高压极板直接联通外界，并且原边高压极板以及副边高压极板上存在高压，因此会对外部造成相对较大的辐射，存在较大的安全隐患。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：在现有的采用水平型四极板结构的电磁耦合器中，当极板上出现大的激励电压时，会产生严重的辐射问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明的一个技术方案是提供了一种低辐射的电场耦合器，包括原边高压极板、原边低压极板、副边高压极板以及副边低压极板，副边低压极板接地，原边低压极板上的电压接近于0，其特征在于，原边高压极板被副边低压极板所包裹，由副边低压极板对原边高压极板所产生的高压辐射形成静电屏蔽效果；副边高压极板被原边低压极板所包裹，由原边低压极板对副边高压极板所产生的高压辐射形成静电屏蔽效果。
6.本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的电场耦合器的补偿电路设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.将上述的电场耦合器等效为由原边高压极板与副边低压极板形成的等效自电容一、原边低压极板与副边高压极板形成的等效自电容二、原边高压极板与原边低压极板形成的等效互电容一、副边高压极板与副边低压极板形成的等效互电容二、原边高压极板与副边高压极板形成的交叉互电容一以及原边低压极板与副边低压极板形成的交叉互电容二组成的等效六电容模型；
8.等效自电容一的两端并联电容一以及电感l1，电容一的容值大于等效自电容一的容值，等效自电容一与电容一并联后再与电感l1相互谐振；电源提供的能量经由发射线圈输入等效六电容模型的原边，发射线圈的等效电感l
tx
两端并联电容c1，等效电感l
tx
与等效互电容一串联，电容c1的容值大于等效互电容一的容值，等效电感l
tx
与电容c1并联后再与等效互电容一相互谐振；
9.等效自电容二的两端并联电容二以及电感l2，电容二的容值大于等效自电容二的容值，等效自电容二与电容二并联后再与电感l2相互谐振；等效六电容模型的副边输出的
能量经由接收线圈记载到负载上，接收线圈的等效电感l
rx
两端并联电容c2，等效电感l
rx
与等效互电容二串联，电容c2的容值大于等效互电容二的容值，等效电感l
rx
与电容c2并联后再与等效互电容二相互谐振。
10.本发明用低压极板包裹住了高压极板，这样用于极板本身为良导体(铜)，可以形成静电屏蔽效果，将高压极板所产生的高压辐射包裹起来，与外界环境隔离，极大降低辐射强度。同时本发明在补偿电路的设计上不再采用传统的等效感应电流源(ics)与等效感应电压源(ivs)形式，而是基于等效六电容模型设计了新的补偿电路，即对等效六电容模型进行谐振补偿，最终只留下相对较小容值的交叉互电容，极大地简化了电路的分析量。
附图说明
11.图1是实施例中的一种低辐射的电场耦合器的平面图；
12.图2是实施例的补偿电路等效电路图；
13.图3a至图3d示意了用psim仿真后的到了va、vc、vd以及输出电压；
14.图4示意了电场辐射强度的仿真结果。
具体实施方式
15.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
16.如图1所示，本实施例公开的一种水平型四极板结构形式的电场耦合器，包括原边高压极板pa、原边低压极板pc、副边高压极板pd以及副边低压极板pb。将副边低压极板pb接地后，注意到原边低压极板pc的电压很低，几乎为0。因此，结合图2，本发明用副边低压极板pb包裹住原边高压极板pa，用原边低压极板pc包裹住副边高压极板pd。
17.本实施例中，得到的电场耦合器的尺寸参数如图1及图2所示。
18.如图2所示，将本实施例得到的电场耦合器等效为等效六电容模型，应当注意的是，这里只是简单给出了一种物理结构实例，实际上任何用两块极板包裹住另外两块极板的结构均可用等效六电容模型来等效。
19.该等效六电容模型中的六个等效电分别为：原边高压极板pa与副边低压极板pb的等效自电容c
ab
、由原边低压极板pc与副边高压极板pd形成的等效自电容c
cd
、原边高压极板pa与原边低压极板pc形成的等效互电容c
ac
、副边高压极板pd与副边低压极板pb形成的等效互电容c
bd
、原边高压极板pa与副边高压极板pd形成的交叉互电容c
ad
以及原边低压极板pc与副边低压极板pb形成的交叉互电容c
bc
。
20.基于图1所示的尺寸参数(原边高压极板pa、副边低压极板pb、原边低压极板pc及副边高压极板pd的宽度为300mm)，则有c
ab
＝53.5pf、c
cd
＝53.1pf、c
ac
＝44.4pf、c
bd
＝44.4pf、c
ad
＝0.33pf、c
bc
＝16.2pf。
21.本发明设计的补偿电路的等效电路如图3所示，本发明通过连接电容电感的方式来使c
ac
、c
bd
、c
ab
、c
cd
达到谐振状态。又因为c
bc
与c
ad
为极板间的交叉互电容，容值远小于其他四个电容值，故可在电路分析中忽略不计，这样电路可看为输入电压直接加到负载r
l
上。
22.图2中，l
tx
为发射线圈的等效电感，l
rx
为接收线圈的等效电感。在数值设计上，因为大感值的电感成本更高体积也更大，所以本发明尽可能地减小所需电感的感值。由于c
ac
、c
bd
、c
ab
、c
cd
较小，本发明分别在c
ab
、c
cd
两端并联一个大容值的电容c
p
′
，这样可以降低所需谐振电感的值。本实施例中，c
ab
与c
p
′
并联后的容值为500pf，c
cd
与c
p
′
并联后的容值同样为500pf。同样的，在l
tx
、l
rx
两端并联大容值的电容c1、c2，也可以此来降低所需电感的值，本实施例中，c1＝c2＝355.6pf。则本实施例中，电感l1＝12.66μh，电感l1与并联c
p
′
后的c
ab
相互谐振。l
tx
＝15.83μh，l
tx
并联c1后与c
ac
相互谐振。电感l2＝12.66μh，电感l2与并联c
p
′
后的c
cd
相互谐振。l
rx
＝15.83μh，l
rx
并联c2后与c
bd
相互谐振。
23.用maxwell对电场耦合器进行仿真，带入补偿电路后用psim进行仿真，得到了va(图2中节点a的电压)、vc(图2中节点c的电压)、vd(图2中节点d的电压)以及输出电压如图3a至图3d所示。将psim所得到的值代回maxwell进行低辐射验证，获得如图4所示的仿真数据。由图4所示的仿真结果看出，该结构设计可以将极板外部辐射极大程度的减小，说明了此物理结构与补偿电路设计方法的合理性。