1、具鎖相回路控制之LLC 諧振式無線電能傳輸系統詹作晟1, 陳秋麟1,21國立臺灣大學電子工程研究所 臺灣臺北市大安區羅斯福路四段一號電機二館329室 1061,2國立臺灣大學電機系與電子工程研究所 臺灣臺北市大安區羅斯福路四段一號博理館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-本論文提出一利用線圈電磁耦合方式之無線電能透膚傳輸系統，在身體內部與身體外部不需有任何線圈連接，此變壓器為無接觸式變壓器，但也因此使變壓器之耦合效率較差于一般的變壓器，并且變壓器的漏電感會大于變壓器的激磁電感，LLC共振式轉換器用于身體外部電路，LLC共振式轉換器具有較高電能轉換效率以改善無線電

7、能傳輸系統效率，此外LLC 共振式轉換器具有零電壓切換之功能，無線電能傳輸系統利用鎖相回路控制LLC 共振以達到穩定的電能傳輸，根據實驗的結果，無線電能傳輸系統可傳送約1瓦特能源至身體內部電路，其身體內部電壓將被控制于4伏特，而輸出電壓的變動幅度將小于10%。關鍵詞：電能透膚傳送；鎖相回路；柔性切換；LLC諧振。1. 簡介近年來，許多不同種類之遠距離保健監控式醫療系統被開發，并提供具有長期疾病之病患更好的醫療質量，在這些系統之中，先進無線生醫保健監測系統能便利地監測病患之生理訊號，先進無線生醫保健監測系統是架構在人體內部以持續的感應與記錄著生理訊號，而訊號會經由無線連接方式傳送至身體外部之接收

8、器，先進無線生醫保健監測系統包含了生物醫學，電力電子與無線通訊，并達成微小化與植入體內之目標。無接觸式電能轉換器以提供電能于身體內部電路正常的操作，而無接觸式電能轉換器以普遍用于人工心臟之系統，并不需要任合物理上的接觸就可傳輸電能至身體內部，然而生物監測植入系統也有利用無接觸式電能轉換器從身體外部接收電能，利用順向式與返馳式電能轉換器傳輸電能但沒有使用任何的回授控制，因此輸出電壓有可能會偏移1，利用非平坦型鐵心以增加傳輸效率但會造成皮膚損傷與植入的困難2，而人工心臟系統體積與傳輸能量龐大不適用于生醫植入系統3-7，無接觸電能轉換器也應用于生醫監測系統8-9，但有電能傳輸不足的缺點8，因此無線電

9、能傳輸系統必須微小化適用于先進無線生醫保健監測系統之人體植入之功能，并提供足夠電能供體內電路使用。此論文提出一小體積無線電能透膚傳輸系統，此傳輸系統提供身體內部之先進無線生醫保健監測系統所需的電壓與電能，并且具有回授回路以穩定輸出電壓，而提出的無線電能透膚傳輸系統利用電磁耦合線圈以傳輸電能穿越皮膚并提供體內之先進無線生醫保健監測系統使用，在身體內部與外部之間不需要任何線路連接，因此可以避免皮膚的病變與傷口的感染問題，在架構無線電能透膚傳送系統中，無線電能傳輸系統必需要具有小體積以利先進無線生醫保健監測系統達成植入體內之目標，并且具有足夠的傳輸電能之能力，以提供體內之先進無線生醫保健監測系統所使

10、用，此外，盡可能的減少傳輸時所造成之能量損失進而使系統溫度提高，先進無線生醫保健監測系統操作環境必須操作在溫度低于攝氏40，一但當溫度超過攝氏40時，先進無線生醫保健監測系統所產生之過高溫度將會對人體的組織與細胞造成傷害，因此先進無線生醫保健監測系統植入人體時也具有溫度上的限制。2. 目標之無線電能傳輸系統無線電能透膚傳輸系統為直流輸入電壓與直流輸出電壓，因此為DC/DC電能轉換器，圖一為無線電能透膚傳輸系統方塊圖，然而電磁耦合線圈需要交流電壓以達到傳輸電能功能，因此無線電能透膚傳輸系統需要直流電壓轉交流電壓電路在體外，而在體內電路方面，需要一整流器以轉換交流電壓為直流電壓，之后此直流電壓將對

11、體內之電池充電，而電池將提供電能供先進無線生醫保健監測系統使用。一次測電能轉換器Vin皮膚Vout二次測電能轉換器圖一 無線電能透膚傳輸系統方塊圖無線電能耦合線圈如圖二所示，N1為身體外部線圈，N2為身體內部線圈，身體外部線圈將會轉換 電能為磁能，之后磁能將會沿著磁通流穿過皮膚并且身體內部線圈將轉換此磁能為電能，此外，一鐵心被放置于身體內部線圈下方，如此可以增加無線電能耦合線圈效率，也可增加無線電能透膚傳輸系統傳輸效率。圖三為變壓器等效電路，變壓器等效電路中有三個寄生電感與一個理想變壓器，其中L1為一次測線圈電感，L2為二次測線圈電感，M為變壓器之互感，而互感M 可被計算為M =, (1在公式

12、(1中，k為耦合效率系數，N為變壓器圈數比，而圈數比N 可計算為2/N L M =。 (2因此，在圖三變壓器等效電路中的三個寄生電感可顯示為22/0L N M N =, (32221/M N M L k L =, (4221121/(1 L M N L M L k L =。 (5 圖四為無線耦合線圈等效電路，同樣地k為耦合效率系數，M為變壓器之互感，而此耦合線圈的組件值可計算為21Lm k L =, (621(1 Ll k L =, (7 2/N L M =±, (8此等效電路中有兩個寄生電感，Lm為激磁電感，Ll為漏電感，激磁電感與漏電感的大小是由耦合系數K所決定的，但無線耦合線圈

13、是間隔著空氣與皮膚，因此耦合系數會比一般傳統式變壓器小許多，因此與傳統式變壓器相比，無線耦合線圈會具有較大的 皮 M 2/L N M N ± /L N ±圖三 變壓器等效電路(1-k2L 1圖四 無線耦合線圈等效電路.在提出的無線電能透膚傳輸系統中，因無線耦合線圈等同于無接觸變壓器，而具有較低的耦合效率使變壓器的漏電感增加，因此LLC 諧振式轉換器被使用于體外電能轉換器，可利用變壓器的漏電感達到共振功能而不需額外增加共振組件，然而較大的漏電感會使電能轉換時在漏電感上儲存大量能量，而無法傳遞能量到體內的電路，使系統轉換效率變低，LLC諧振式轉換器可使變壓器的漏電感與電容達到共

14、振效果，因此可把儲存于漏電感的能量，藉由電感與電容共振，使能量回儲到電容上，減少漏電感上能量的消耗，提升無線電能透膚傳輸系統效率。圖五為具有LLC 電能轉換器的無線電能透膚傳輸系統，Cr 為共振電容并且具有過濾直流電壓的功能，LLC電能轉換器有兩個主要的共振頻率，一個共振頻率是由漏電感Ll 與共振電容Cr 所決定，另一個共振頻率是由漏電感Ll、激磁電感Lm 與共振電容Cr 所決定，這兩個共振頻率可被計算為1fr =, (92fr = 假如系統操作頻率高于共振頻率fr1，LLC 電能轉換器將會達到零電壓切換的功能，并達成漏電感與電容共振，使能量能回儲到電容，因此LLC 電能轉換 圖五 無線電能透

15、膚傳輸系統 而身體內部的電路為整流器，使從無線耦合線圈感應的AC 電壓轉化為DC 電壓，進而使用此DC 電壓對身體內部電池充電，然而整流器的選擇有兩種，一為全波式整流，另一為全橋式整流，而在無線電能透膚傳輸系統所選擇的整流器為全波式整流，因全波式整流器只需要兩顆二極管，而全橋式整流器需要四顆二極管，并且全波式整流器充電路徑只會經過一顆二極管，但全橋式整流器充電路徑會有兩顆二極管，全波式整流器可以減少植入體內的組件和充電時的損失，但缺點為無線耦合線圈的二次測部分必需為中央抽頭式。3. 電路實現圖六為無線電能耦合線圈，一次測線圈的直徑長度為4cm，二次測線圈的直徑長度為2.4cm，在此一次測線圈的

16、繞線則是使用利茲線(litz wire，利茲線是由多條單芯線所組成的線，因此可以有效減少高頻時所產生的集膚效應，二次測線圈則是由一般的單芯線繞成，因二次測線圈有最大面積之限制，要在相同面積里提升二次測的線圈數，以確保在二次測感應電壓可達到所需之電壓值。2.4cm4cm圖六 無線電能耦合線圈.無線電能透膚傳輸系統之簡化電路由圖七所示，R1是一次測線圈與共振電容所產生的寄生電阻，R是包括負載電阻與二次測線圈寄生電阻映射到一次測的等效電阻，無線電能透膚傳輸系統的輸入電壓設定為12伏特，輸出電壓為4伏特并對身體內部的電池充電，額定傳輸能量為1瓦特，因此等效負載電阻為16奧姆，R1與R可計算為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表一顯示了無線電能耦合線圈與共振電容之數值，而這些數值是使用Agilent 4263B 所量測得知。將表一所量測出之線圈值帶入公式(17與公式(18之后，經由matlab模擬結果，模擬結果如圖八到圖十一所示，圖八為在不同操作頻率與耦合系數下輸出電壓曲線圖，由此圖可以看出當耦合系數越高或是操作頻率越少時，輸出電壓會隨之上升，但系統需要一穩定之輸出電壓，因此圖九為當輸出電壓為4伏特時頻率與耦合系數關系圖，可以得知在不同的耦合系數下，系統必需操作在此頻率下，才可得到輸出電壓為4伏特，由圖九可看出當耦合系數上升時，操作頻率必需隨之上升才可以穩定輸出電壓

19、，因此當耦合系數上升時，輸入阻抗的實部上升并且虛部下降，因此輸入阻抗的相位角下降，而此時為了穩定輸出電壓，提升了系統之操作頻率，使得輸入阻抗的虛部上升，讓輸入阻抗的相位角被拉回，反之亦然，由以上之推測，無線電能透膚傳輸系統可以借由控制輸入阻抗之相位角，當系統耦合系數改變時，可以適當的改變操作頻率，已達到穩定輸出電壓之功能。圖十為在不同操作頻率與耦合系數之輸入電阻相位角曲線圖，圖十一為固定相位角之操作頻率與耦合系數關系圖，可發現固定相位角操作頻率與耦合系數關系曲線與圖九的曲線十分相近，因此可以得到控制輸入阻抗相位角確實可以達到穩定輸出電壓之功能。 圖八在不同操作頻率與耦合系數之輸出電壓值曲線圖

20、圖九 當輸出電壓為4伏特時操作頻率與耦合系數關系圖 圖十 在不同操作頻率與耦合系數之輸入阻抗相位角曲線圖圖十一 操作頻率與耦合系數關系圖在固定相位角 圖十二 在不同耦合系數下系統所需之相位角曲線圖 表三 鎖定輸入阻抗相位在不同耦合系數狀況之系統輸出電 圖十三 鎖定相位角在不同耦合系數狀況之系統輸出電壓曲線圖具鎖相回路控制之無線電能透膚傳輸系統由圖十四所示，電流感應器被放置在一次測主要路徑的尾端，以感應輸入電流的相位，相位轉移器則是提供輸入電流相位所需要之相位延遲，之后鎖相回路會鎖定電壓相位與經延遲過后電流相位，因此改變無線電能透膚傳輸系統的操作頻率，藉此達成控制系統的傳輸能量，而鎖定的相位可調

21、整相位轉移器而改變。 相位轉移器電路由圖十五所示，此電路由運算放大器op1構成的時間延遲器與運算放大器op2所組成的史密特觸發器，時間延遲器主要的功能是使輸入訊號產生延遲，此時間延遲器可以產生0到90度的相位延遲，R1與R2之間的比值為此延遲器的增益，而RS 的大小可決定延遲時間的長短，此外因電流感應器的輸出訊號為弦波訊號，所以此時間延遲器是設計為弦波輸入與弦波輸出，但輸入電壓與控制訊號皆為方波訊號，所以在時間延遲器后級使用了史密特觸發器，讓經由延遲過后的電流弦波訊號可轉換為方波訊號，之后再經由相位比較器、回路濾波器與壓控震蕩器所組成的鎖相回路以達到控制無線電能透膚傳輸系統的回授回路。R1R2

22、RsCVin6VR3R4VdVout圖十五 相位轉移器電路4. 實驗與實驗結果圖十六、圖十七與圖十八分別顯示了在1mm、2.5mm與4mm線圈間格距離情況下的實驗結果，在以上的結果中，輸入電壓與輸入電流之間的相位差維持在大約77度，而無線電能透膚傳輸系統的輸出電壓設定為4伏特，在三種情況下的結果，輸出電壓的變化幅度也小于10%。Vsw 10V/div Vw 10V/div Iin 5A/div Vout 5V/div 1s/div 間隔距離 1mm 1.5mm 2mm 2.5mm 3mm 3.5mm 4mm 操作頻率(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 圖十六 在1mm間格距離情況時實驗波形. Vsw 10V/div Vw 10V/div Iin 5A/div Vout 5V/div 1s/div 圖十九與圖二十一顯示了在最高與最低頻率 下， 上橋開關的閘極到源極與源極到地的電壓波形， 而圖二十與圖二十二則是顯示了在最高與最低頻率 下，上橋開關的閘極到源極與汲極到源極的電

24、壓波 形，由圖十九與圖二十一可得知，源極電壓在上橋 開關導通之前就已經被拉到高電壓，而后上橋開關 才打開，而圖二十與圖二十二則是當下橋開關導通 之前，下橋開關汲極電壓已經被拉到地，之后下橋 開關才導通，根據圖十九到圖二十二的實驗波形， 上橋與下橋開關在所有的系統操作頻率之下，都會 達到柔性切換的效果。 Vsw 10V/div Vgs 5V/div 1s/div 圖十七 在2.5mm間格距離情況時實驗波形. 圖十九 在間格距離1mm情況時上橋開關電壓波形 Vsw 10V/div Vw 10V/div Iin 5A/div Vout 5V/div 1s/div Vsw 10V/div Vgs 5V

25、/div 1s/div 圖二十 在間格距離1mm情況時下橋開關電壓波形 圖十八 在4mm間格距離情況時實驗波形. 表五列出了在不同線圈間格距離下無線電能透 膚傳輸系統輸出電壓與整體效率，無線電能透膚傳 輸系統的操作頻率隨著線圈間格距離的增加而逐漸 下降，隨著線圈間格距離的增加，耦合效率因此減 少，而系統改變了操作頻率增加了輸入電流，當線 圈間格距離改變時，用此方法得到穩定輸出電壓， 無線電能透膚傳輸系統的整體效率在1mm線圈間格 距離情況下為26.2%，4mm線圈間格距離情況下為 23.4%。 表五 在不同間格距離下無線電能透膚傳輸系統輸出電壓 與效率. Vsw 10V/div Vgs 5V/

26、div 1s/div 圖二十一 在間格距離4mm情況時上橋開關電壓波形 Vsw 10V/div Vgs 5V/div 1s/div 圖二十二 在間格距離4mm情況時下橋開關電壓波形 5. 結論 此論文提出了新型之無線電能透膚傳輸系統， 并且致力于微小化使系統可植入身體內部，但因身 體內部線圈有面積上的限制，造成了無線電能耦合 線圈具有較低的耦合效率，LLC 諧振式電能轉換器 使用于無線電能透膚傳輸系統的身體外部，并且利 用了因低耦合效率所產的漏電感與共振電容達到共 振，又使主要開關達到柔性切換功能，以減少在電 能轉換上的損失，鎖相回路應用在回授機制中，藉 由鎖定輸入電壓與輸入電流的相位差，用此

27、方式可 達成穩定無線電能透膚傳輸系統之輸出電壓，并且 實驗也驗證了電路分析，根據實驗的結果，無線電 能透膚傳輸系統的整體效率大約為 25%，主要是因 為受限于無線電能耦合線圈具有較低的耦合效率， 無線電能透膚傳輸系統可以無需與外界有任何接觸 下，穩定地對身體內部的電路傳輸電能產生穩定的 輸出電壓，持續對身體內部的電池充電。 參考文獻 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

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