回路控制之LLC谐振式无线电能传输系统

1、具锁相回路控制之LLC 谐振式无线电能传输系统詹作晟1, 陈秋麟1,21国立台湾大学电子工程研究所 台湾台北市大安区罗斯福路四段一号电机二馆329室 1061,2国立台湾大学电机系与电子工程研究所 台湾台北市大安区罗斯福路四段一号博理馆519室 106LLC Resonant Converter for Wireless Energy Transmission System with PLL ControlTso-Sheng Chan1 Chern-Lin Chen 1,2, Senior Member, IEEE 1Graduate Institute of Electronics Engi

2、neering, National Taiwan University2Graduate Institute of Electronics Engineering and Department of Electrical Engineering,National Taiwan University Taipei, Taiwan, 10617ABSTRACT : This paper presents a wireless transcutaneous energy transmission system utilizing the magnetic coupling of coils. No

3、physical wire connection is required between the circuits inside and outside the body. Because the transformer is the contactless transformer, the coupling efficient of the transformer is not good as normal transformer. The parameter of the leakage inductance of transformer will be larger than the m

4、agnetizing inductance of transformer. An LLC resonant converter is used outside the body. The LLC resonant converter could have higher power conversion efficiency to improve wireless transcutaneous energy transmission system efficiency. In addition, the soft-switching structure of a LLC resonant con

5、verter is utilized. A phase locked loop is adopted to control the LCC resonance to facilitate the steady electrical energy transfer. According to the experimental results, the system can deliver an output power around 1W to the load circuits inside the body. The output voltage can be regulated 4V, a

6、nd the variation of output voltage less than 10%.KEY WORD: transcutaneous energy transmission, phase locked loop (PLL, soft-switching, LLC resonance.摘要-本论文提出一利用线圈电磁耦合方式之无线电能透肤传输系统，在身体内部与身体外部不需有任何线圈连接，此变压器为无接触式变压器，但也因此使变压器之耦合效率较差于一般的变压器，并且变压器的漏电感会大于变压器的激磁电感，LLC共振式转换器用于身体外部电路，LLC共振式转换器具有较高电能转换效率以改善无线电

7、能传输系统效率，此外LLC 共振式转换器具有零电压切换之功能，无线电能传输系统利用锁相回路控制LLC 共振以达到稳定的电能传输，根据实验的结果，无线电能传输系统可传送约1瓦特能源至身体内部电路，其身体内部电压将被控制于4伏特，而输出电压的变动幅度将小于10%。关键词：电能透肤传送；锁相回路；柔性切换；LLC谐振。1. 简介近年来，许多不同种类之远距离保健监控式医疗系统被开发，并提供具有长期疾病之病患更好的医疗质量，在这些系统之中，先进无线生医保健监测系统能便利地监测病患之生理讯号，先进无线生医保健监测系统是架构在人体内部以持续的感应与记录着生理讯号，而讯号会经由无线连接方式传送至身体外部之接收

8、器，先进无线生医保健监测系统包含了生物医学，电力电子与无线通讯，并达成微小化与植入体内之目标。无接触式电能转换器以提供电能于身体内部电路正常的操作，而无接触式电能转换器以普遍用于人工心脏之系统，并不需要任合物理上的接触就可传输电能至身体内部，然而生物监测植入系统也有利用无接触式电能转换器从身体外部接收电能，利用顺向式与返驰式电能转换器传输电能但没有使用任何的回授控制，因此输出电压有可能会偏移1，利用非平坦型铁心以增加传输效率但会造成皮肤损伤与植入的困难2，而人工心脏系统体积与传输能量庞大不适用于生医植入系统3-7，无接触电能转换器也应用于生医监测系统8-9，但有电能传输不足的缺点8，因此无线电

9、能传输系统必须微小化适用于先进无线生医保健监测系统之人体植入之功能，并提供足够电能供体内电路使用。此论文提出一小体积无线电能透肤传输系统，此传输系统提供身体内部之先进无线生医保健监测系统所需的电压与电能，并且具有回授回路以稳定输出电压，而提出的无线电能透肤传输系统利用电磁耦合线圈以传输电能穿越皮肤并提供体内之先进无线生医保健监测系统使用，在身体内部与外部之间不需要任何线路连接，因此可以避免皮肤的病变与伤口的感染问题，在架构无线电能透肤传送系统中，无线电能传输系统必需要具有小体积以利先进无线生医保健监测系统达成植入体内之目标，并且具有足够的传输电能之能力，以提供体内之先进无线生医保健监测系统所使

10、用，此外，尽可能的减少传输时所造成之能量损失进而使系统温度提高，先进无线生医保健监测系统操作环境必须操作在温度低于摄氏40，一但当温度超过摄氏40时，先进无线生医保健监测系统所产生之过高温度将会对人体的组织与细胞造成伤害，因此先进无线生医保健监测系统植入人体时也具有温度上的限制。2. 目标之无线电能传输系统无线电能透肤传输系统为直流输入电压与直流输出电压，因此为DC/DC电能转换器，图一为无线电能透肤传输系统方块图，然而电磁耦合线圈需要交流电压以达到传输电能功能，因此无线电能透肤传输系统需要直流电压转交流电压电路在体外，而在体内电路方面，需要一整流器以转换交流电压为直流电压，之后此直流电压将对

11、体内之电池充电，而电池将提供电能供先进无线生医保健监测系统使用。一次测电能转换器Vin皮肤Vout二次测电能转换器图一 无线电能透肤传输系统方块图无线电能耦合线圈如图二所示，N1为身体外部线圈，N2为身体内部线圈，身体外部线圈将会转换 电能为磁能，之后磁能将会沿着磁通流穿过皮肤并且身体内部线圈将转换此磁能为电能，此外，一铁心被放置于身体内部线圈下方，如此可以增加无线电能耦合线圈效率，也可增加无线电能透肤传输系统传输效率。图三为变压器等效电路，变压器等效电路中有三个寄生电感与一个理想变压器，其中L1为一次测线圈电感，L2为二次测线圈电感，M为变压器之互感，而互感M 可被计算为M =, (1在公式

12、(1中，k为耦合效率系数，N为变压器圈数比，而圈数比N 可计算为2/N L M =。 (2因此，在图三变压器等效电路中的三个寄生电感可显示为22/0L N M N =, (32221/M N M L k L =, (4221121/(1 L M N L M L k L =。 (5 图四为无线耦合线圈等效电路，同样地k为耦合效率系数，M为变压器之互感，而此耦合线圈的组件值可计算为21Lm k L =, (621(1 Ll k L =, (7 2/N L M =±, (8此等效电路中有两个寄生电感，Lm为激磁电感，Ll为漏电感，激磁电感与漏电感的大小是由耦合系数K所决定的，但无线耦合线圈

13、是间隔着空气与皮肤，因此耦合系数会比一般传统式变压器小许多，因此与传统式变压器相比，无线耦合线圈会具有较大的 皮 M 2/L N M N ± /L N ±图三 变压器等效电路(1-k2L 1图四 无线耦合线圈等效电路.在提出的无线电能透肤传输系统中，因无线耦合线圈等同于无接触变压器，而具有较低的耦合效率使变压器的漏电感增加，因此LLC 谐振式转换器被使用于体外电能转换器，可利用变压器的漏电感达到共振功能而不需额外增加共振组件，然而较大的漏电感会使电能转换时在漏电感上储存大量能量，而无法传递能量到体内的电路，使系统转换效率变低，LLC谐振式转换器可使变压器的漏电感与电容达到共

14、振效果，因此可把储存于漏电感的能量，藉由电感与电容共振，使能量回储到电容上，减少漏电感上能量的消耗，提升无线电能透肤传输系统效率。图五为具有LLC 电能转换器的无线电能透肤传输系统，Cr 为共振电容并且具有过滤直流电压的功能，LLC电能转换器有两个主要的共振频率，一个共振频率是由漏电感Ll 与共振电容Cr 所决定，另一个共振频率是由漏电感Ll、激磁电感Lm 与共振电容Cr 所决定，这两个共振频率可被计算为1fr =, (92fr = 假如系统操作频率高于共振频率fr1，LLC 电能转换器将会达到零电压切换的功能，并达成漏电感与电容共振，使能量能回储到电容，因此LLC 电能转换 图五 无线电能透

15、肤传输系统 而身体内部的电路为整流器，使从无线耦合线圈感应的AC 电压转化为DC 电压，进而使用此DC 电压对身体内部电池充电，然而整流器的选择有两种，一为全波式整流，另一为全桥式整流，而在无线电能透肤传输系统所选择的整流器为全波式整流，因全波式整流器只需要两颗二极管，而全桥式整流器需要四颗二极管，并且全波式整流器充电路径只会经过一颗二极管，但全桥式整流器充电路径会有两颗二极管，全波式整流器可以减少植入体内的组件和充电时的损失，但缺点为无线耦合线圈的二次测部分必需为中央抽头式。3. 电路实现图六为无线电能耦合线圈，一次测线圈的直径长度为4cm，二次测线圈的直径长度为2.4cm，在此一次测线圈的

16、绕线则是使用利兹线(litz wire，利兹线是由多条单芯线所组成的线，因此可以有效减少高频时所产生的集肤效应，二次测线圈则是由一般的单芯线绕成，因二次测线圈有最大面积之限制，要在相同面积里提升二次测的线圈数，以确保在二次测感应电压可达到所需之电压值。2.4cm4cm图六 无线电能耦合线圈.无线电能透肤传输系统之简化电路由图七所示，R1是一次测线圈与共振电容所产生的寄生电阻，R是包括负载电阻与二次测线圈寄生电阻映射到一次测的等效电阻，无线电能透肤传输系统的输入电压设定为12伏特，输出电压为4伏特并对身体内部的电池充电，额定传输能量为1瓦特，因此等效负载电阻为16奥姆，R1与R可计算为11R R

17、c Rs =+, (1122(8/*(2 /R Rs RL N =+。 (12令 2/2/N L M L =(1328/P =。 (142222212122222222222(2 (2 1(, 1( (2 (2 k P RL Rs L L k P RL Rs L Zin k R j L k L L P RL Rs L P RL Rs Cr+=+ (16 (, /(12/ Vo k Vin Vd Rs RL =+ (17 222221422(2 (2 1(, tan (/(1 (2 (2 k P RL Rs L k P RL Rs L L Phase k L kL R L P RL Rs Cr

18、L P RL Rs +=+ (18 RGND12V表一显示了无线电能耦合线圈与共振电容之数值，而这些数值是使用Agilent 4263B 所量测得知。将表一所量测出之线圈值带入公式(17与公式(18之后，经由matlab模拟结果，模拟结果如图八到图十一所示，图八为在不同操作频率与耦合系数下输出电压曲线图，由此图可以看出当耦合系数越高或是操作频率越少时，输出电压会随之上升，但系统需要一稳定之输出电压，因此图九为当输出电压为4伏特时频率与耦合系数关系图，可以得知在不同的耦合系数下，系统必需操作在此频率下，才可得到输出电压为4伏特，由图九可看出当耦合系数上升时，操作频率必需随之上升才可以稳定输出电压

19、，因此当耦合系数上升时，输入阻抗的实部上升并且虚部下降，因此输入阻抗的相位角下降，而此时为了稳定输出电压，提升了系统之操作频率，使得输入阻抗的虚部上升，让输入阻抗的相位角被拉回，反之亦然，由以上之推测，无线电能透肤传输系统可以借由控制输入阻抗之相位角，当系统耦合系数改变时，可以适当的改变操作频率，已达到稳定输出电压之功能。图十为在不同操作频率与耦合系数之输入电阻相位角曲线图，图十一为固定相位角之操作频率与耦合系数关系图，可发现固定相位角操作频率与耦合系数关系曲线与图九的曲线十分相近，因此可以得到控制输入阻抗相位角确实可以达到稳定输出电压之功能。 图八在不同操作频率与耦合系数之输出电压值曲线图

20、图九 当输出电压为4伏特时操作频率与耦合系数关系图 图十 在不同操作频率与耦合系数之输入阻抗相位角曲线图图十一 操作频率与耦合系数关系图在固定相位角 图十二 在不同耦合系数下系统所需之相位角曲线图 表三 锁定輸入阻抗相位在不同耦合系数状况之系统输出电 图十三 锁定相位角在不同耦合系数状况之系统输出电压曲线图具锁相回路控制之无线电能透肤传输系统由图十四所示，电流感应器被放置在一次测主要路径的尾端，以感应输入电流的相位，相位转移器则是提供输入电流相位所需要之相位延迟，之后锁相回路会锁定电压相位与经延迟过后电流相位，因此改变无线电能透肤传输系统的操作频率，藉此达成控制系统的传输能量，而锁定的相位可调

21、整相位转移器而改变。 相位转移器电路由图十五所示，此电路由运算放大器op1构成的时间延迟器与运算放大器op2所组成的史密特触发器，时间延迟器主要的功能是使输入讯号产生延迟，此时间延迟器可以产生0到90度的相位延迟，R1与R2之间的比值为此延迟器的增益，而RS 的大小可决定延迟时间的长短，此外因电流感应器的输出讯号为弦波讯号，所以此时间延迟器是设计为弦波输入与弦波输出，但输入电压与控制讯号皆为方波讯号，所以在时间延迟器后级使用了史密特触发器，让经由延迟过后的电流弦波讯号可转换为方波讯号，之后再经由相位比较器、回路滤波器与压控震荡器所组成的锁相回路以达到控制无线电能透肤传输系统的回授回路。R1R2

22、RsCVin6VR3R4VdVout图十五 相位转移器电路4. 实验与实验结果图十六、图十七与图十八分别显示了在1mm、2.5mm与4mm线圈间格距离情况下的实验结果，在以上的结果中，输入电压与输入电流之间的相位差维持在大约77度，而无线电能透肤传输系统的输出电压设定为4伏特，在三种情况下的结果，输出电压的变化幅度也小于10%。Vsw 10V/div Vw 10V/div Iin 5A/div Vout 5V/div 1s/div 间隔距离 1mm 1.5mm 2mm 2.5mm 3mm 3.5mm 4mm 操作频率(KHz 207.0 191.3 179.8 169.3 161.0 154.

23、4 148.6 Iin(A 0.28 0.29 0.30 0.32 0.34 0.36 0.38 Vout(V 3.75 3.81 3.86 3.93 4.01 4.07 4.13 效率(% 26.16 26.07 25.87 25.14 24.63 23.97 23.38 图十六 在1mm间格距离情况时实验波形. Vsw 10V/div Vw 10V/div Iin 5A/div Vout 5V/div 1s/div 图十九与图二十一显示了在最高与最低频率 下， 上桥开关的闸极到源极与源极到地的电压波形， 而图二十与图二十二则是显示了在最高与最低频率 下，上桥开关的闸极到源极与汲极到源极的电

24、压波 形，由图十九与图二十一可得知，源极电压在上桥 开关导通之前就已经被拉到高电压，而后上桥开关 才打开，而图二十与图二十二则是当下桥开关导通 之前，下桥开关汲极电压已经被拉到地，之后下桥 开关才导通，根据图十九到图二十二的实验波形， 上桥与下桥开关在所有的系统操作频率之下，都会 达到柔性切换的效果。 Vsw 10V/div Vgs 5V/div 1s/div 图十七 在2.5mm间格距离情况时实验波形. 图十九 在间格距离1mm情况时上桥开关电压波形 Vsw 10V/div Vw 10V/div Iin 5A/div Vout 5V/div 1s/div Vsw 10V/div Vgs 5V

25、/div 1s/div 图二十 在间格距离1mm情况时下桥开关电压波形 图十八 在4mm间格距离情况时实验波形. 表五列出了在不同线圈间格距离下无线电能透 肤传输系统输出电压与整体效率，无线电能透肤传 输系统的操作频率随着线圈间格距离的增加而逐渐 下降，随着线圈间格距离的增加，耦合效率因此减 少，而系统改变了操作频率增加了输入电流，当线 圈间格距离改变时，用此方法得到稳定输出电压， 无线电能透肤传输系统的整体效率在1mm线圈间格 距离情况下为26.2%，4mm线圈间格距离情况下为 23.4%。 表五 在不同间格距离下无线电能透肤传输系统输出电压 与效率. Vsw 10V/div Vgs 5V/

26、div 1s/div 图二十一 在间格距离4mm情况时上桥开关电压波形 Vsw 10V/div Vgs 5V/div 1s/div 图二十二 在间格距离4mm情况时下桥开关电压波形 5. 结论 此论文提出了新型之无线电能透肤传输系统， 并且致力于微小化使系统可植入身体内部，但因身 体内部线圈有面积上的限制，造成了无线电能耦合 线圈具有较低的耦合效率，LLC 谐振式电能转换器 使用于无线电能透肤传输系统的身体外部，并且利 用了因低耦合效率所产的漏电感与共振电容达到共 振，又使主要开关达到柔性切换功能，以减少在电 能转换上的损失，锁相回路应用在回授机制中，藉 由锁定输入电压与输入电流的相位差，用此

27、方式可 达成稳定无线电能透肤传输系统之输出电压，并且 实验也验证了电路分析，根据实验的结果，无线电 能透肤传输系统的整体效率大约为 25%，主要是因 为受限于无线电能耦合线圈具有较低的耦合效率， 无线电能透肤传输系统可以无需与外界有任何接触 下，稳定地对身体内部的电路传输电能产生稳定的 输出电压，持续对身体内部的电池充电。 参考文献 1 2 K. W. E. Cheng and Y. Lu, “Development of a contactless power converter,” IEEE ICIT, vol. 2, pp.786-791, Dec. 2003. T. H. Nishim

28、ura, K. Hirachi, Y. Maejima, K. Kuwana and M. Saito, “Characteristics of a novel energy transmission for a rechargeable cardiac pacemaker by using a resonant DC-DC converter,” IEEE IECON, vol. 2, pp.875-880, Nov. 1993. L. Zhao, C. F. Foo, K.J. Tseng, W.K. Chan, “Transcutaneous transformers in power

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