小功率電磁感應式WPT設備的磁場輻射特性*

/ 上海市計量測試技術研究院

0 引言

一直以來，電能傳輸主要采用導線直接連接的傳輸方式，滿足了絕大多數(shù)的生產(chǎn)生活需要。隨著經(jīng)濟技術的發(fā)展和社會需求的變化，傳統(tǒng)電能傳輸方式在某些特定的應用場合會帶來極大的不便。尤其近年來智能可穿戴設備、物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、新能源汽車、植入式醫(yī)療電子設備等領域的飛速發(fā)展，電能傳輸技術正在經(jīng)歷一次前所未有的大變革。由此，科學家們提出無線電能傳輸技術（Wireless Power Transmission-WPT）的概念，并成為了研究熱點。研究內容主要集中在如何提高電能傳輸功率和傳輸效率，以及改善電磁環(huán)境和優(yōu)化電磁兼容安全性等方面[1]。

電磁感應作為最早應用的WPT技術，目前主要應用于便攜式小功率WPT設備（以下稱電磁感應式WPT設備），傳輸功率一般在10W左右，傳輸效率約為50%。較大功率無線電能傳輸主要采用磁諧振式，主要用于電動汽車的無線充電系統(tǒng)[2]。隨著WPT設備的廣泛使用，針對WPT的國際化行業(yè)組織和標準正在形成。目前國際主流的無線充電標準主要有Qi標準、PMA標準、A4WP標準等。GB/T 37132-2018規(guī)定了無線充電設備的電磁兼容性通用要求和測試方法，適用于除電動汽車無線充電系統(tǒng)以外的所有無線充電設備。同時，GB/T34439-2017也對電子信息產(chǎn)品用低功率無線充電器的電磁兼容檢測提出了要求。近日，中國國家標準化管理委員會公告發(fā)布了針對電動汽車無線充電系統(tǒng)的系列標準GB/T38775，其中包含了電磁兼容要求。在不久的將來，WPT設備在多個領域的電磁兼容要求也將逐漸規(guī)范化，尤其是醫(yī)療、交通、人工智能等領域。

當前，WPT 設備的主流工作頻率在 10kHz～10MHz，很多研究已經(jīng)實現(xiàn)了幾十兆赫茲頻率的強磁諧振耦合。對于WPT設備的電磁兼容磁場檢測技術的研究提出了更高的要求。對于WPT設備的磁場輻射的檢測方法需要結合產(chǎn)品的輻射特性，實現(xiàn)典型工作模式下的檢測，這是完善WPT設備電磁兼容檢測方法的重要內容。WPT設備的典型工作狀態(tài)為待機模式和充電模式。待機模式為WPT設備通電但無能量傳輸；而充電模式為WPT設備正常工作并處于典型的能量傳輸狀態(tài)。本文主要研究電磁感應式WPT設備在不同工作模式下的磁場輻射特性。

1 磁場輻射原理分析及方法

電磁感應式WPT的原理是在初級線圈輸入一定頻率的交流電，通過電磁感應在負載次級線圈中產(chǎn)生感應電流，從而將能量從發(fā)射端傳輸至接收端[3]。這種方式完全依靠近場磁場的能量交換。因此，理論上電磁感應式WPT輻射源是電流源主導的磁場輻射[4]。電磁感應式WPT設備工作電路如圖1所示，由控制電路和充電線圈組成?？刂齐娐吠ㄟ^將其他電源輸入并轉換成一定頻率的交流電，這個過程是輻射產(chǎn)生的主要原因，而充電線圈則是將輸出能量傳輸至接收負載，同時也會將騷擾能量通過線圈對外輻射。通常情況下，電磁感應式WPT設備的兩種典型工作模式對外的磁場輻射具有差異。因此，需要研究電磁感應式WPT在不同工作模式下磁場輻射特性，研究中的電磁感應式WPT設備額定傳輸功率10W，傳輸效率50%，充電距離2mm。

圖1 電磁感應式無線充電器模塊

研究中采用近場測量和天線測量的方法來確定磁場輻射的特性[5]。近場分析采用由近場探頭、示波器和頻譜分析儀對電磁感應式WPT設備的控制電路板和充電線圈分別進行時域和頻域掃描。天線測量場在半波暗室內采用環(huán)形磁場天線和接收機測量磁場發(fā)射。研究中接收負載采用電阻模型負載系統(tǒng)，以減少非線性負載引起的不確定因素。

2 近場測量結果分析

2.1 待機模式

圖2所示為電磁感應式WPT設備待機模式的近場頻域掃描結果，其中圖2（a）（b）所示為電磁感應式WPT設備待機模式的控制電路和發(fā)射線圈的近場測量結果。從結果可知，待機模式下控制電路和發(fā)射線圈在9kHz～30MHz頻率范圍內對外均有輻射。由于近場測量的局限性和不確定度較大，只進行定性分析，不進行定量分析。

圖2 電磁感應式WPT設備待機模式的近場輻射頻域掃描結果

圖3所示電磁感應式WPT設備為待機模式的近場時域掃描結果，其中圖3（a）、3（b）分別為200ms/div和 2μs/div的時域波形圖。從結果可知，在待機模式下電磁感應式WPT設備的控制電路和發(fā)射線圈的輻射均呈周期性正負交替的震蕩波，整個波形的周期約為500ms，輻射周期約為50ms，震蕩波的周期約為5.44μs。先前的研究表明高頻率的震蕩波會導致較寬頻率的輻射，可能達到上百兆赫茲，而且隨著頻率的增高幅值逐漸減小[6,7]。

2.2 充電模式

圖4所示為電磁感應式WPT設備充電模式的頻域掃描結果，其中圖4（a）、4（b）所示為控制電路和發(fā)射線圈的近場測量結果。從結果中可知，在充電模式下控制電路和發(fā)射線圈對外也均有輻射，輻射頻率覆蓋了9kHz～30MHz，與待機模式一致。因此，兩種工作模式差異不會影響輻射頻率范圍。

圖3 電磁感應式WPT設備待機模式的近場輻射時域掃描結果

圖4 電磁感應式WPT設備充電模式的近場輻射頻域掃描結果

圖5所示為電磁感應式WPT設備充電模式控制電路和發(fā)射線圈的近場輻射時域掃描結果，其中圖 5（a）、5（b）分別為 200ms/div 和 2μs/div 的時域波形圖。從結果可知，在充電模式下電磁感應式WPT設備的控制電路和發(fā)射線圈的輻射始終保持全周期正負交替的震蕩波，震蕩波的周期約為5.44μs，波形參數(shù)和待機模式一致。

圖5 電磁感應式WPT設備充電模式的近場輻射時域掃描結果

通過以上結果可知，小功率電磁感應式WPT設備的待機模式和充電模式的近場輻射頻率范圍一致，而輻射的周期性具有差異。待機模式近場輻射是周期性的，而充電模式的近場輻射是連續(xù)性的，輻射能量更大。因此，進行電磁感應式WPT設備的磁場輻射檢測時需要考慮到待機模式輻射的周期性，按照GB6113的要求，掃描時間要包含幾個工作周期，確?？梢宰x取騷擾電平的最大值。本研究中電磁感應式WPT設備的工作周期為500ms，在一個工作周期內，輻射時間僅為50ms。為了能夠測量輻射的最大值還需要增加掃描次數(shù)。而工作模式是典型的連續(xù)性輻射狀態(tài)，按照GB6113標準規(guī)定的掃描時間和次數(shù)即可。

3 天線測量結果

根據(jù)對電磁感應式WPT設備樣品的三個軸向進行檢測分析，結果表明控制電路和發(fā)射線圈處同一個平面，且次平面平行于磁場環(huán)天線平面時，磁場輻射最大。測量結果如圖6所示，其中灰色曲線和黑色曲線分別為充電模式和待機模式的磁場掃描結果。從結果可知，充電模式和待機模式的磁場輻射在 150kHz～30MHz頻率范圍內差別較大，充電模式在一些頻率點的磁場輻射較待機模式高，并隨著頻率的增高差異逐漸減小。

圖6 電磁感應式WPT設備磁場輻射測量結果

4 結語

通過對小功率電磁感應式WPT設備的磁場輻射特性進行研究，結果表明：本研究中的電磁感應式WPT設備的磁場輻射是典型的近場輻射，主要是周期為5.44μs的正負交替震蕩波，這是高頻磁場輻射的源頭。在充電模式和待機模式下的磁場輻射頻率范圍相同，輻射的時域特性具有差異，主要表現(xiàn)在輻射的周期性。待機模式下，電磁感應式WPT設備的輻射具有周期性，整個波形的周期約為500ms，輻射周期約為50ms；而在充電模式下，電磁感應式WPT設備的輻射是連續(xù)的，不具有周期性。兩種工作模式下的磁場輻射均是正負交替的震蕩波。而磁場天線測量結果也進一步說明充電模式和待機模式的輻射頻率是一致的，但是充電模式的輻射場強幅值更高，能量更大。因此，在進行電磁感應式WPT設備的磁場輻射檢測時需要關注其輻射的周期性，實現(xiàn)在典型工作模式下的測試是完善電磁感應式WPT設備的磁場輻射的重要內容。在不久的未來，隨著傳輸功率的不斷增大，以及磁諧振式WPT設備的廣泛應用，尤其是電動汽車無線充電模塊的廣泛應用，WPT設備的磁場輻射檢測方法將會得到長遠的發(fā)展[8]。