本文使用電場耦合與磁場耦合的方式將能量穿越圓盤金屬屏障，系統一次側使用兩薄膜型電容器用以產生電場將電流傳輸到金屬屏障之中，兩薄膜電容器之間的金屬部分可視為一次側耦合電感用以將功率傳輸至接收線圈。在耦合電感次級側使用具高磁導率之接收線圈並放置金屬屏障的另一側。主電路由全橋轉換器與串聯-串聯諧振機制提供能量至系統。本文分別使用平板與圓盤金屬屏障做為硬體架構並進行比較，在使用平板金屬屏障作為硬體架構時，電流密度會因集膚效應的影響導致電流密度分布不均勻且會集中在金屬屏障的兩側，這將導致接收線圈設計不易，本文使用圓盤金屬屏障作為硬體架構可在金屬屏障上得到較為均勻之電流密度。
本文使用ANSYS Maxwell模擬軟體建立兩種金屬屏障之3D模型用以分析電流密度分布以及相對磁通密度。實測系統使用數位訊號處理器(TMS320F28069)作為控制核心進行全橋轉換器的控制，並具共振頻率追蹤之功能。最終實作出一能將能量穿越圓盤金屬屏障之無線電力傳輸系統，在圓盤金屬屏障的接收側可測得最大的傳輸量為6.44W的輸出功率，模擬與實測結果將於本論文中呈現。

關鍵字：無線功率傳輸、穿越金屬屏障、集膚效應

This thesis proposed a method to transfer electrical power across a disc-type metal barrier by combining both electric and magnetic field coupling, In primary side, two film-type capacitors are used to generate electric field to transmit current to the metal barrier, and the metal part between the two film capacitors can be regarded as the primary winding of a coupling inductor and transmission power to a receiver inductor wirelessly. The receiver coil used at the secondary side of the coupling inductor is with high permeability and placed on the opposite side of the metal barrier. An H-bridge converter and series-series resonant circuit, which includes the two film capacitors, is employed to drive the proposed system. Two different shapes of metal barrier rectangle-type and disc-type, were investigated in this thesis. In rectangle-type metal barrier, the distribution of current density is not uniform and the two edge parts have the highest value causing by skin effect. This will cause inconvenience when designing receiver inductor. This thesis proposed the disc-type barrier which can obtain uniform current density in the metal barrier.
This thesis used ANSYS Maxwell to build a 3D model of the two metal barriers for analyzing the current distribution and the relative magnetic flux. This thesis used a DSP(TMS320F28069) as controller to control the H-bridge converter which drives the series-series resonant circuit with automatic resonant frequency tracking. A maximum 6.44W output was measured at the receiver side of the disc-type metal barrier. Both emulation and experimental results demonstrated the correction and validity of the proposed scheme.

Keywords： Wireless power transmission, crossing the metal barrier,
skin effect

摘要 I
Abstract II
致謝 IV
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1研究背景與動機 1
1.2內容大綱 3
第二章 無線電力傳輸穿越金屬之原理與分析 4
2.1無線電力傳輸的發展與應用 4
2.2無線電力傳輸技術的種類 6
2.3無線電力傳輸常用諧振補償電路架構介紹 9
2.3.1 RLC串聯諧振介紹 10
2.3.2 RLC並聯諧振介紹 11
2.3.3諧振補償電路架構介紹 12
2.4克服金屬屏障能量傳輸阻斷技術之原理 14
2.4.1電容式無線電力傳輸技術特點及應用 14
2.4.2電容與電感耦合式無線電力傳輸技術介紹 17
2.4.3電容與電感耦合式無線電力傳輸技術補償電路架構之選用 19
2.5全橋式SS諧振轉換器動作與控制原理 25
第三章 系統架構設計與分析 30
3.1集膚效應之介紹 30
3.2平板與圓盤金屬屏障受集膚效應之影響 32
3.3平板與圓盤金屬屏障之電磁特性模擬 34
3.4耦合電容之設計 40
3.5耦合電感之設計 44
3.6電容與電感耦合式架構之電磁特性模擬與分析 49
3.6.1耦合電容之電磁特性模擬與分析 49
3.6.2耦合電感之電磁特性模擬與分析 56
3.7磁場檢測空氣線圈與接收端線圈之設計 60
3.7.1磁場檢測空氣線圈之設計 60
3.7.2接收端線圈之設計 62
第四章 模擬軟體與硬體電路 65
4.1電磁場有限元素分析模擬軟體 65
4.2硬體架構 67
4.2.1系統主電路架構 68
4.2.2系統功率開關驅動電路架構 69
4.2.3穩壓電路架構 70
4.2.4金屬屏障架構 71
4.3軟體規劃 75
第五章 實作與量測結果 79
5.1金屬屏障之磁場強度量測 79
5.1.1平板金屬屏障不同位置下之磁場強度 81
5.1.2圓盤金屬屏障不同位置下之磁場強度 87
5.2電容與電感耦合式無線電力傳輸模擬 92
5.3電容與電感耦合式無線電力傳輸實測 109
5.3.1接收線圈互感值與耦合係數之量測 112
5.3.2接收線圈接收功率之量測 115
第六章 結論與未來方向 129
6.1結論 129
6.2未來方向 130
參考文獻 131