隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，我國(guó)對(duì)海洋的科考有了長(zhǎng)足的發(fā)展。本文結(jié)合“深海抓斗”,、“深海淺鉆”等海洋科考設(shè)備對(duì)其供電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),。目前多數(shù)水下設(shè)備都使用電池供電,也有部分進(jìn)行電纜傳輸。本文通過(guò)對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),，以無(wú)電纜連接實(shí)現(xiàn)能量傳輸,，減少對(duì)儀器設(shè)備的束縛，配合水下非接觸式耦合信息傳輸,，實(shí)現(xiàn)“無(wú)線”水下設(shè)備,為海洋科考實(shí)驗(yàn)提供更加優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,。同時(shí),無(wú)接觸的能量傳輸可以有效地避免因?yàn)殡娫床蹇谕饴丁㈦娎|拖曳斷裂帶來(lái)的安全隱患,，提高系統(tǒng)的安全性,。
    常見(jiàn)的無(wú)線能量傳輸方式有三種：電磁感應(yīng)、電磁輻射,、電磁諧振,。而耦合器主要有兩種形式：導(dǎo)軌形式、柱體形式,。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)闡述利用電磁耦合方式的設(shè)計(jì)方法,，并提出優(yōu)化策略實(shí)現(xiàn)水下的設(shè)備供電。
1 水下無(wú)線能量傳輸原理
    根據(jù)麥克斯韋方程,變化的電場(chǎng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng),，而變化的磁場(chǎng)又可以產(chǎn)生電場(chǎng),。本設(shè)計(jì)基于此基本原理，利用電磁耦合器件,，實(shí)現(xiàn)電—磁—電的轉(zhuǎn)換,，其中的磁是在水中傳播,。同時(shí)針對(duì)水中電導(dǎo)率較大的情況進(jìn)行模型優(yōu)化,。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
    水下無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)可分為三大部分：高頻逆變和后端的整流電路、控制電路及耦合器,。高頻逆變和后端的整流電路可對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)放大用以控制逆變電源,；控制電路可產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，同時(shí)根據(jù)電路的狀況進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)處理,；耦合器是實(shí)現(xiàn)能量水下隔離傳輸?shù)闹攸c(diǎn),，其設(shè)計(jì)的好壞對(duì)傳輸效率有很大的影響,。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1高頻逆變電路
    本設(shè)計(jì)采用的是全橋整流電路實(shí)現(xiàn)高頻逆變,，全橋逆變效率雖然不高,，但實(shí)現(xiàn)的逆變功率較大。為此,，選用了MOSFET功率器件,能夠在MOS管發(fā)熱損耗較少的情況下,，實(shí)現(xiàn)大功率的能量傳輸。MOS管的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路由IR公司的驅(qū)動(dòng)芯片與門級(jí)關(guān)斷鉗位電路組成,。IR2110是IR公司推出的帶自舉的低成本驅(qū)動(dòng)芯片,，廣泛應(yīng)用在各種MOS管與IGBT驅(qū)動(dòng)電路中，上臂自舉能減少所需的驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目,。門級(jí)關(guān)斷鉗位電路是用兩級(jí)MOS管組成反相器,。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)是選擇自舉電容C1與上拉電阻R23。在Q13關(guān)斷時(shí)C1能被快速充電,，開(kāi)通Q14,，把Q13的柵源極電壓控制在門級(jí)閾值電壓以下，所以C1與R23構(gòu)成的充電電路時(shí)間常數(shù)要小,，以便實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷,，減少開(kāi)關(guān)損耗。在Q13,、Q15開(kāi)通時(shí),，Q14始終保持在閾值電壓以下，電容C1通過(guò)R23對(duì)橋的左邊放電,，但Q13,、Q15的電平仍然要保持在高電平，所以R23的阻值要大,，C1值要小,，以減小由D13、R23,、Q15構(gòu)成的電路電流和減少自舉電源的功耗,。在實(shí)際電路中采取犧牲輔助電源的部分功耗，R23選取500 Ω,，便能取得一個(gè)較好的效果,。全橋MOS管驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

　 通過(guò)示波器觀察可以看到驅(qū)動(dòng)電平已沒(méi)有常見(jiàn)的下橋干擾毛刺(下臂的驅(qū)動(dòng)電路同理),。在Q14柵極上的R21,、R22、R24,、D11構(gòu)成電路對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行防震蕩處理,，D11加快電平下拉,。D12、R24在門級(jí)鉗位電路中,，當(dāng)Q13柵極上有毛刺且超過(guò)15 V齊納而被擊穿時(shí),，起到保護(hù)Q14的效果。同時(shí)開(kāi)關(guān)的13 V電平跳變更加快速,，Q值更高,，可減少開(kāi)關(guān)損耗。
2.2 控制電路
    本設(shè)計(jì)采用STM32F103VBT6為主控芯片,。該芯片是ST公司推出的一款基于Cortex-M3內(nèi)核的高性價(jià)比ARM處理器,，最高主頻可達(dá)72 MHz[1];其自帶3通道的互補(bǔ)6路輸出定時(shí)器,選用其中2通道與DMA功能一起使用，能有效地實(shí)現(xiàn)輸出全橋PWM控制[2],，同時(shí)其自帶的多通道12位AD可以滿足系統(tǒng)的各種參量的測(cè)量需要,。
    實(shí)現(xiàn)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)，可在左右臂的下臂接地處串接0.1 &Omega;的康銅電阻,，再用LTV274運(yùn)放放大其兩端的電壓后,，接到STM32的自帶12位AD腳進(jìn)行電流監(jiān)測(cè)。同理對(duì)輸入的直流電壓用電阻分壓后接到AD腳,。當(dāng)檢測(cè)到超過(guò)預(yù)設(shè)值(電壓500 V,，電流3 A)，將關(guān)斷信號(hào)發(fā)送給兩片IR2110的DS端,，關(guān)斷MOS管,，并關(guān)閉輸入電源，直到電壓恢復(fù)到較低的水平(對(duì)應(yīng)的電壓<10 V,電流<0.1 A)后重新開(kāi)啟系統(tǒng),。
2.3耦合器
    耦合器的材料選取常用的變壓器材料有硅鋼,、鎳鐵合金、鈷鐵合金,、非晶體金屬合金及鐵氧體,。考慮到頻率比較高,，而且是大功率傳輸,，選取鐵氧體磁芯為設(shè)計(jì)材料。根據(jù)耦合器能量傳播的特點(diǎn),，要保證磁路是開(kāi)放對(duì)稱的,，以有利于能量的傳輸，選取實(shí)驗(yàn)磁芯的外形有PC型,、RM型,、GU型,，同時(shí)要考慮磁芯所能承受的最大功率,，本文的功率為視在功率,，是輸入輸出功率的和，而體積過(guò)小的磁芯進(jìn)行大功率傳輸將面臨磁芯溫升等問(wèn)題,。
 
其中：D為電壓導(dǎo)通的占空比,實(shí)現(xiàn)計(jì)算時(shí)最大值可取 0.5,。代入相關(guān)參數(shù)可知至少需要4股線。
    根據(jù)計(jì)算所得的模型參數(shù),進(jìn)行有限元建模分析,。有限元分析是一種目前在工程上較為實(shí)用的分析方法,，其基本的思路就是將原本復(fù)雜的整個(gè)模型分解成較為簡(jiǎn)單的小區(qū)域，再加上一定的邊界條件限制,，即可以求出一些小區(qū)域的解,同時(shí)解可與邊上的小區(qū)域共享,，最終求得整個(gè)模型的近似解。
3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    圖3所示為GU型磁芯,，以及繞線,、1/2水下截面的有限元進(jìn)行區(qū)域劃分后的狀況。其磁導(dǎo)率采用的參考文獻(xiàn)[4-5]的模型,，取有球型進(jìn)行仿真,。假設(shè)下端的磁芯為發(fā)射端,上端為接收端。仿真結(jié)果顯示了下端磁芯線圈在200 V,、100 kHz電源作用下水中的磁場(chǎng)分布狀態(tài),。在大氣隙情況下,有比例大的磁力線未經(jīng)過(guò)次級(jí)線圈，所以效率必然較低,。至此改變頻率,、電壓、氣隙等參數(shù),，重新仿真直到最優(yōu)結(jié)果,。

    圖4所示為輸入電壓對(duì)輸出效率和功率的影響，采用的是GU50磁芯,，在水中輸入100 V,、100 kHz電壓，氣隙為5 mm,。

    圖5所示為在相同條件下,，耦合磁性的電感進(jìn)行改變后的耦合輸出效率。
    圖6所示為系統(tǒng)實(shí)物圖,，圖中上方是驅(qū)動(dòng)電路部分,。電路工作時(shí)，直流電源由PIN進(jìn)入,，經(jīng)過(guò)高頻逆變后,，輸入至POUT到磁芯。采用PC74磁芯在約2 cm的氣隙下點(diǎn)亮60 W燈泡。

    本文論述了基于電磁耦合的水下無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法,。針對(duì)驅(qū)動(dòng)電路部分詳細(xì)論述了一種實(shí)現(xiàn)較高功率的中高頻逆變電路,。同時(shí)提供了有效的耦合器設(shè)計(jì)方法。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)水下驗(yàn)證,，實(shí)現(xiàn)了最大電壓300 V,、最大輸出電流2 A，在5 mm氣隙下實(shí)現(xiàn)最大輸出功率為350 W,。
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