植入式高效高功率密度无线电能传输系统研究.pdf
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
摘要
随着生物医疗和电子技术的发展,植入式医疗设备在治疗疾病、缩短康复
时间和改善生活质量等方面都有着重要的作用。采用线缆的传统供电方式容
易引起皮肤感染、线缆断裂等问题,将无线电能传输技术应用在植入式医疗设
备的供电上能解决上述问题。本文以左心室辅助装置的无线电能传输为背景,
从补偿拓扑、磁耦合机构、整流电路、双向功率变换器四个方面对此经皮能量
传输系统进行设计优化。
针对植入线圈尺寸有限、植入物体积尽可能小的情况,提出一种线圈优化
的方法,搭建有限元仿真模型,通过参数扫描获得了线圈几何参数对耦合系数
的影响规律,对线圈的品质因数进行测量与优化,选取合适尺寸的利兹线。为
提高经皮能量传输系统的稳定性和可靠性,将高阶补偿拓扑LCC/S作为无线
电能传输系统的补偿网络,对补偿拓扑的电压电流增益和输入阻抗等特性利
用基波分析法进行分析,并给出高频情况下逆变器开关管软开关的电路参数
设计方法。为了减少植入侧发热,引入同步整流电路代替二极管整流,提出的
同步整流电路具有自锁保护功能,能实现MHz频率下的同步整流。
对于植入式医疗设备,为了确保其工作可靠性,一般需要在体内植入电池
作为备用电源。因此植入侧需要双向DC-DC变换器来作为植入式备用电池的
充放电控制器,能够实现正向降压充电,反向升压放电。为了在有限的体积内
实现较高的功率转换效率,对双向变换器引入三角电流控制(TriangularCurrent
Mode,TCM))控制,结合非线性的开关管输出电容,对TCM控制的原理和实
现方式进行分析,推导出临界频率和临界死区时间表达式。为实现动态调节,
设计基于变频控制的TCM实现方案。
为验证所研究理论的可行性,搭建了额定功率为35W的经皮能量传输系
统,设计与优化GaN的高频驱动电路,对前级无线电能传输系统进行了开环
测试,逆变部分可以实现软开关,设计的同步整流电路能较高地提高系统效率,
系统在全负载范围内的效率均大于90%。对后级Buck/Boost双向变换器进行
切载、改变输入电压的闭环测试,通过变频控制,在正反向各种工作情况下均
能实现大于90%的效率。
关键词:软开关;同步整流;经皮能量传输;Buck/Boost双向变换器
-I-
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文
Abstract
Implantablemedicaldeviceswillplayanincreasinglyimportantrolein
treatingdiseases,improvingqualityoflifeandshorteningrecoverytimewiththe
developmentofelectronictechnologyandbiomedicine.Thetraditionalwayof
powersupplywithcableispronetoskininfection,cablebreakageandotherissues.
Applyingwirelesspowertransfertechnologytothepowersupplyofimplanted
medicaldevicescansolvetheaboveproblems.Thispapertakestheradioenergy
transmissionoftheleftventricularassistdeviceasthebackground,andoptimizes
thedesignofthistranscutaneousenergytransmissionsystemfromfouraspects:
compensationtopology,magneticcouplingmechan