感應電能傳輸（Inductive Power Transmission, IPT）技術能夠實現較遠距離的大功率傳輸，在近幾年受到廣泛關注和應用，涉及的領域包括電子設備、軌道交通、醫療器械和工業生產等。隨著IPT技術的普及，其安全問題也受到人們的高度關注，磁場輻射是大家尤為關心的一點。

IPT系統利用電磁感應定律，以高頻磁場作為傳輸介質，將電能從發射線圈傳輸到接收線圈側。而高頻的磁場也帶來一系列的安全問題，如：它會在金屬體上產生渦流使金屬發熱，存在火災隱患，同時也會降低系統效率；對周圍通信設備造成電磁干擾；磁場輻射在一定強度下會危害人體健康等。因此，通常需要加入額外的鋁板來屏蔽磁場，系統復雜性增加。

與感應式對偶的電場式電能傳輸（Capacitive Power Transmission, CPT）技術，依靠兩對金屬極板間的電場傳輸能量，傳輸機構質量輕、成本低、對金屬敏感度低，發熱小。但CPT系統的傳輸功率和效率受傳輸距離的影響較為顯著，由于空氣的介電常數比較低，當距離為10～100mm時，極板構成的等效電容值非常小，通常在幾pF到幾十pF。

為了降低極板電容的容抗，開關頻率通常設置在MHz級，同時需要很大的電感進行補償，若還需獲得足夠的輸出功率，輸入電壓也非常大，因此逆變器的開關管將承受較大的開關應力和切換損耗。同時，為了提高CPT系統的電能傳輸能力，會提高極板兩端的電壓，造成電場輻射范圍大的問題。

對比CPT和IPT兩種傳輸方式，IPT系統中需要額外的電容來補償線圈的等效自感，常用的補償拓撲包括串串（SS）、串并（SP）、并串（PS）和并并（PP）四種方式。在CPT系統中，需要額外的電感來補償極板的等效電容。

目前，已有CLC、LCL、CLLC等補償拓撲。為了簡化電路，充分利用電路中的補償元件，文獻[13]提出了將兩種傳輸方式相結合的系統，系統效率得以顯著提高，但將電感耦合器和電容耦合器分開放置，造成耦合器體積大，結構不緊湊；同時傳輸能量密度低，實用性不高。

綜上所述，本文基于CL拓撲補償的IPT-CPT結合系統，提出了一種集成式耦合器的結構及其設計方法。集成式耦合器是將電感耦合器和電容耦合器集成到一體，能夠有效整合兩個耦合器，縮小系統整體體積，使結構更為緊湊。

通過合理設計參數能使磁場和電場傳輸的功率按一定比例輸出，同時減小極板對線圈的影響。其結構能夠有效屏蔽磁場，減小電磁輻射對人體的危害，同時，能夠防止周圍的金屬物落入高頻磁場引發危險。其中，極板既作為IPT系統的補償元件，也用于產生電場傳輸能量；耦合線圈既作為CPT系統的補償元件，也用于產生磁場傳輸能量，電路中的元件得到充分利用。同時，在CPT系統中加入IPT，能夠分擔系統總功率，降低極板上的電壓，縮小電場輻射的范圍，提高系統安全可靠性能。

圖15 實驗實物裝置

結論

本文基于CL拓撲補償的IPT-CPT結合系統，提出了一種集成式耦合器結構及其設計方法，結合了感應式和電場式兩種傳輸方式，充分利用電路中的補償元件。通過合理設計電感耦合器和電容耦合器的結構和參數使IPT傳輸功率和CPT傳輸功率按一定比例輸出，同時簡化了結合式無線電能傳輸系統耦合器的結構。

與單獨的IPT系統相比，該系統具有如下特點：①磁場輻射范圍縮小，金屬物也不易掉落至磁場中；②鋁板不僅作為屏蔽磁場的物體，也充當部分補償線圈等效電感的電容，同時也是傳輸能量的通道。

與單獨的CPT系統相比，該系統具有如下特點：①在傳統CPT系統中作為補償的電感也能夠傳輸能量；②IPT系統分擔了系統總功率，降低了CPT的極板電壓，縮小了電場輻射范圍。

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