一种大气隙平面变压器分析
2006-07-04 10:53:15
来源：《国际电子变压器》2006年7月刊
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1引言
当今，全世界每年有数以万计的心血管病患者为了有助于体内血液循环系统的正常运转，需要在其人体皮肤下植入心脏起博器，以及植入对病人自然心脏起辅助作用的心室辅助设备。
心脏起博器是一种要求能够不损伤人体皮肤而又能透过人体皮肤层传送得到能量（充电）的脉冲发生器件。所以，研究人员设计了利用磁感应方法来达到目的的器件，即设计了一种变压器（见图1）以透过人体皮肤层给起博器的电池充电。这种变压器的次级绕组作为心脏起博器的一部分植入人体皮肤之下，初级绕组则置于人体皮肤之外并在次级绕组的上方。初、次级绕组之间的距离约等于人体皮肤层的厚度，通常为0.5~1.5cm。可见，在电源工作过程中，铁心之间的距离是可调的。心脏起博器的电池充电采取这种磁感应方式，是因为人们在以高达1W的功率电平对动物细胞进行辐射实验时发现，它们在长期间暴露在透过皮肤层的电源所产生的磁场中时，未发现其活细胞对磁场有明显的副作用。这项实验证明了这样一种假设：生物细胞的相对磁导率接近于零，而且该功率变压器存在的涡流损耗可以忽略不计。
2对大气隙平面变压器的分析与设计
2.1透过皮肤层充电电源的模型
图2所示为拟采用的透过皮肤层充电电源的电路，图中的R1和R2表示其寄生损耗。如果将透过皮肤层电源的变压器以等效的T模型代替，则得到图3(a)所示的电路，图中的输入电路、输出桥和直流负载由正弦波发生器和阻抗Z代替。自感L1和L2，漏感LL1和LL2，互感M以及耦合系数K之间的关系为：
(1)
如果次级回路开路，则其电路如图3(b)所示。若测量R1、L1、激磁电流I0、铁心损耗W1以及合成阻抗R1的实部，则激磁导纳go和激磁电纳bo表示如下：
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
式中，ω为角频率。
2.2能穿透皮肤层的功率变压器的模型
变压器初级绕组与次级绕组间的气隙为0.5~1.5cm，其磁力线和磁阻由图1所示的等效电路给出。图1(b)的电路可简化为如图1(c)所示，而铁心的磁阻RC可忽略不计。图1(d)也是用1(c)所示变压器的一种简化模型，其所得方程式如下：
(8)
(9)
耦合系数K由下式求得：
(10)
假设磁心气隙的磁阻与磁力线的长度成正比，这样可得到如下关系式：
(11)
式中，g为气隙间距，L为初级和次级绕组的半径。
2.3能穿透皮肤层的功率变压器的设计
图4是使用非晶合金磁心和铁氧体磁心的能穿透人体皮肤层的功率变压器的示意图。
初次级绕组的耦合系数K取决于g/L的比值，通常，次级绕组的平均植入皮肤之下的深度约为1cm，因此绕组半径增加。
变压器次级绕组的磁心用非晶合金制作，而初级绕组的磁心是用的铁氧体材料。变压器的次级绕组由100匝直径为0.1mm的铜导线以螺旋状构成，它有两片宽度为20μm的非晶合金为磁心。变压器初级绕组的直径为36mm采用厚度为7mm的铁氧体材料作成罐状磁心，初级绕组的铜导线直径为0.4mm；变压器初级由120匝绕组和铁氧体材料的磁心构成。
3实验
3.1串联谐振式DC/DC变换器
这里叙述大气隙平面变压器的实验结果。直流变换器的初级开关电路采用全桥结构。图5示出了这种实验串联谐振直流变换器。在变换器的工作频率调到其谐振频率时，电路就可提供所需电压的功率，同时初级输入电压较小，从而可减少初级蓄电池的数量。其激磁电流为正弦波形，失真度极低。变压器次级电路的负载与代替充电电池的电阻端连接。变换器采用20kHz的开关频率和谐振频率。所以慎重地选用20kHz的频率，是便于避开射频同时也避开音频频段的开关噪声。
3.2能量能穿透皮肤层的变压器特性、空隙g的变化
用非晶合金铁心的平面绕组作次级，用铁氧体铁心的平面绕组作初级的能穿透皮肤层的变压器，其耦合系数K和变换效率η通过改变间隙g的尺寸来测量。
表1给出了耦合系数K、透过皮肤层的变压器输入功率Pin和输出功率Pout，以及变换效率η的结果。图6揭示了间隙g增大时耦合系数K的变化情况。图7表明的则是间隙g增大时变换效率η的变化。
3.3实验结果与模拟结果的比较
变压器初级与次级的实测电流波形表示在图8。开关频率和谐振频率为20kHz，次级电路的负载与代替心脏起博器之充电电池的电阻端联接。图9所示的变压器初级和次级的电流波形和电压波形的模拟结果，电压波形和电流波形采用P.Spice模拟器计算。由图8与图9比较可见，实测结果与模拟结果是一致的。
3.4变压器中的磁通分布
为使变压器初级采用铁氧体磁心设计得更精确，可应用积分法来推测变压器中磁通密度的分布图。图10示出了中心磁心改变时的磁通密度分布图。当变压器初级的罐状铁氧体磁心和次级的非晶合金磁心采用相对于中心轴为对称的结构，而且可以只考虑半个变压器的磁心时，可以推测出磁通密度的空间分布。
中心磁心的直径为15mm（见图10(b)所示），罐形磁心右边部分被分成12个单元，以便于推测。非晶合金磁心的直径为36mm，图10中只画出一半（18mm）的磁通分布。图中的箭头表明了各种磁通密度的大小和磁通的方向。20个单元的未闭合位置是铁心截面，表明了恒向电流。
根据对变压器磁通分布推测的结果，在铁氧体磁心中心直径为15mm时给出的磁通分布图最佳。可以看到，初级磁心的磁通等场强线精确地延伸至很远的距离；然后，磁通的等场强线有序地集中于变压器次级磁心。
3.5变压器初级的铁氧体磁心比例的确定
根据以上所述的对变压器磁通分布的推测结果，在实验基础上研制的中心铁氧体磁心的直径为15mm。为了通过改变变压器初级和次级之间的空隙来求得耦合系数，以下分析初级的铁氧体磁心实验基础。
初级绕组以0.4mm的铜导线绕制120匝。图11表明了耦合系K及空隙距离的变化情况。当空隙的距离由4mm改变到10mm时，耦合系数K则由0.2变化到0.6。变压器初级铁氧体磁心的比例即按这一变化过程决定。
3.6功率变换模拟
功率变换中采用串联谐振变换器，当输入电压E1保持2.4V不变时，得到输出电流和电压波形的峰值变化状态示于图12。根据模拟结果，耦合系数K等于0.33时的输出电流最大。利用这些特性，可以容易地控制输出电流而不产生输入电压波动。当输入电压波形有一输入限制器时就可避免电池过充电。
采用本文所述大气隙平面变压器和推荐的电路进行功率变换实验，得到图13所示的功率变换为260mW时的DC/DC变换效率。
4结论
利用实验装置得到了变压器初次级间的气隙g、变换效率η以及耦合系数K之间的关系。当次级非晶合金磁心直径上的中心孔为10mm，且气隙为9.6mm时，变换效率η为49.3%，耦合系数K等于0.3。
当次级非晶合金磁心直径上的中心孔为15mm，且气隙为9.6mm时，变换效率η为49.6%，耦合系数为0.28。
初级和次级绕组电流波形和电压波形的测量值和模拟值是吻合的。耦合系数K和变换效率η则通过改变次级绕组轴距来测量。
本文介绍了利用串联谐振变换器设计能够穿透皮肤层的电源之过程。并通过模拟证明，串联谐振DC/DC变换器能够穿透大气隙传输能量。谐振电感器中包含有变压器大的漏感。
这种电源的设计过程考虑到了不同人员皮肤层厚度的不同和因此而可变的输出功率。通过理论分析，对可充电心脏起博器使用能穿透皮肤层传送能量的电源的稳定工作情况进行了准确的估算。
参考文献（略）
当今，全世界每年有数以万计的心血管病患者为了有助于体内血液循环系统的正常运转，需要在其人体皮肤下植入心脏起博器，以及植入对病人自然心脏起辅助作用的心室辅助设备。
心脏起博器是一种要求能够不损伤人体皮肤而又能透过人体皮肤层传送得到能量（充电）的脉冲发生器件。所以，研究人员设计了利用磁感应方法来达到目的的器件，即设计了一种变压器（见图1）以透过人体皮肤层给起博器的电池充电。这种变压器的次级绕组作为心脏起博器的一部分植入人体皮肤之下，初级绕组则置于人体皮肤之外并在次级绕组的上方。初、次级绕组之间的距离约等于人体皮肤层的厚度，通常为0.5~1.5cm。可见，在电源工作过程中，铁心之间的距离是可调的。心脏起博器的电池充电采取这种磁感应方式，是因为人们在以高达1W的功率电平对动物细胞进行辐射实验时发现，它们在长期间暴露在透过皮肤层的电源所产生的磁场中时，未发现其活细胞对磁场有明显的副作用。这项实验证明了这样一种假设：生物细胞的相对磁导率接近于零，而且该功率变压器存在的涡流损耗可以忽略不计。
2对大气隙平面变压器的分析与设计
2.1透过皮肤层充电电源的模型
图2所示为拟采用的透过皮肤层充电电源的电路，图中的R1和R2表示其寄生损耗。如果将透过皮肤层电源的变压器以等效的T模型代替，则得到图3(a)所示的电路，图中的输入电路、输出桥和直流负载由正弦波发生器和阻抗Z代替。自感L1和L2，漏感LL1和LL2，互感M以及耦合系数K之间的关系为：
(1)
如果次级回路开路，则其电路如图3(b)所示。若测量R1、L1、激磁电流I0、铁心损耗W1以及合成阻抗R1的实部，则激磁导纳go和激磁电纳bo表示如下：
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
式中，ω为角频率。
2.2能穿透皮肤层的功率变压器的模型
变压器初级绕组与次级绕组间的气隙为0.5~1.5cm，其磁力线和磁阻由图1所示的等效电路给出。图1(b)的电路可简化为如图1(c)所示，而铁心的磁阻RC可忽略不计。图1(d)也是用1(c)所示变压器的一种简化模型，其所得方程式如下：
(8)
(9)
耦合系数K由下式求得：
(10)
假设磁心气隙的磁阻与磁力线的长度成正比，这样可得到如下关系式：
(11)
式中，g为气隙间距，L为初级和次级绕组的半径。
2.3能穿透皮肤层的功率变压器的设计
图4是使用非晶合金磁心和铁氧体磁心的能穿透人体皮肤层的功率变压器的示意图。
初次级绕组的耦合系数K取决于g/L的比值，通常，次级绕组的平均植入皮肤之下的深度约为1cm，因此绕组半径增加。
变压器次级绕组的磁心用非晶合金制作，而初级绕组的磁心是用的铁氧体材料。变压器的次级绕组由100匝直径为0.1mm的铜导线以螺旋状构成，它有两片宽度为20μm的非晶合金为磁心。变压器初级绕组的直径为36mm采用厚度为7mm的铁氧体材料作成罐状磁心，初级绕组的铜导线直径为0.4mm；变压器初级由120匝绕组和铁氧体材料的磁心构成。
3实验
3.1串联谐振式DC/DC变换器
这里叙述大气隙平面变压器的实验结果。直流变换器的初级开关电路采用全桥结构。图5示出了这种实验串联谐振直流变换器。在变换器的工作频率调到其谐振频率时，电路就可提供所需电压的功率，同时初级输入电压较小，从而可减少初级蓄电池的数量。其激磁电流为正弦波形，失真度极低。变压器次级电路的负载与代替充电电池的电阻端连接。变换器采用20kHz的开关频率和谐振频率。所以慎重地选用20kHz的频率，是便于避开射频同时也避开音频频段的开关噪声。
3.2能量能穿透皮肤层的变压器特性、空隙g的变化
用非晶合金铁心的平面绕组作次级，用铁氧体铁心的平面绕组作初级的能穿透皮肤层的变压器，其耦合系数K和变换效率η通过改变间隙g的尺寸来测量。
表1给出了耦合系数K、透过皮肤层的变压器输入功率Pin和输出功率Pout，以及变换效率η的结果。图6揭示了间隙g增大时耦合系数K的变化情况。图7表明的则是间隙g增大时变换效率η的变化。
3.3实验结果与模拟结果的比较
变压器初级与次级的实测电流波形表示在图8。开关频率和谐振频率为20kHz，次级电路的负载与代替心脏起博器之充电电池的电阻端联接。图9所示的变压器初级和次级的电流波形和电压波形的模拟结果，电压波形和电流波形采用P.Spice模拟器计算。由图8与图9比较可见，实测结果与模拟结果是一致的。
3.4变压器中的磁通分布
为使变压器初级采用铁氧体磁心设计得更精确，可应用积分法来推测变压器中磁通密度的分布图。图10示出了中心磁心改变时的磁通密度分布图。当变压器初级的罐状铁氧体磁心和次级的非晶合金磁心采用相对于中心轴为对称的结构，而且可以只考虑半个变压器的磁心时，可以推测出磁通密度的空间分布。
中心磁心的直径为15mm（见图10(b)所示），罐形磁心右边部分被分成12个单元，以便于推测。非晶合金磁心的直径为36mm，图10中只画出一半（18mm）的磁通分布。图中的箭头表明了各种磁通密度的大小和磁通的方向。20个单元的未闭合位置是铁心截面，表明了恒向电流。
根据对变压器磁通分布推测的结果，在铁氧体磁心中心直径为15mm时给出的磁通分布图最佳。可以看到，初级磁心的磁通等场强线精确地延伸至很远的距离；然后，磁通的等场强线有序地集中于变压器次级磁心。
3.5变压器初级的铁氧体磁心比例的确定
根据以上所述的对变压器磁通分布的推测结果，在实验基础上研制的中心铁氧体磁心的直径为15mm。为了通过改变变压器初级和次级之间的空隙来求得耦合系数，以下分析初级的铁氧体磁心实验基础。
初级绕组以0.4mm的铜导线绕制120匝。图11表明了耦合系K及空隙距离的变化情况。当空隙的距离由4mm改变到10mm时，耦合系数K则由0.2变化到0.6。变压器初级铁氧体磁心的比例即按这一变化过程决定。
3.6功率变换模拟
功率变换中采用串联谐振变换器，当输入电压E1保持2.4V不变时，得到输出电流和电压波形的峰值变化状态示于图12。根据模拟结果，耦合系数K等于0.33时的输出电流最大。利用这些特性，可以容易地控制输出电流而不产生输入电压波动。当输入电压波形有一输入限制器时就可避免电池过充电。
采用本文所述大气隙平面变压器和推荐的电路进行功率变换实验，得到图13所示的功率变换为260mW时的DC/DC变换效率。
4结论
利用实验装置得到了变压器初次级间的气隙g、变换效率η以及耦合系数K之间的关系。当次级非晶合金磁心直径上的中心孔为10mm，且气隙为9.6mm时，变换效率η为49.3%，耦合系数K等于0.3。
当次级非晶合金磁心直径上的中心孔为15mm，且气隙为9.6mm时，变换效率η为49.6%，耦合系数为0.28。
初级和次级绕组电流波形和电压波形的测量值和模拟值是吻合的。耦合系数K和变换效率η则通过改变次级绕组轴距来测量。
本文介绍了利用串联谐振变换器设计能够穿透皮肤层的电源之过程。并通过模拟证明，串联谐振DC/DC变换器能够穿透大气隙传输能量。谐振电感器中包含有变压器大的漏感。
这种电源的设计过程考虑到了不同人员皮肤层厚度的不同和因此而可变的输出功率。通过理论分析，对可充电心脏起博器使用能穿透皮肤层传送能量的电源的稳定工作情况进行了准确的估算。
参考文献（略）
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