一种人工心脏无线供电装置制造方法及图纸

技术编号:22332764 阅读:48 留言:0更新日期:2019-10-19 12:46
本发明专利技术公开了一种人工心脏无线供电装置,包括直流电源、逆变功率开关、续流二极管、发射回路补偿电容、发射线圈、接收线圈、接收回路补偿电容、整流二极管、滤波稳压电容、霍尔电流传感器、人工心脏负载、DC/DC功率开关、体内电池、驱动电路、微处理器、无线通讯模块、霍尔电压传感器、信号采集调理电路;本发明专利技术能在负载和互感变化情况下装置高效恒压输出,且保证了体内电池的正常充放电。

【技术实现步骤摘要】
一种人工心脏无线供电装置
本专利技术属于无线电能传输
,尤其涉及一种感应耦合式无线电能传输装置,具体地说是一种人工心脏无线供电装置。
技术介绍
植入人工心脏是终末期心衰患者的重要治疗手段。随着技术的发展,人工心脏的性能在不断提升,但其能量供给一直是一个临床难题。目前人工心脏普遍采用拖缆供电方式,使用供电电缆导致创口长期裸露,会造成细菌或病毒感染,并且在长期使用中电缆还会断裂,严重威胁病人的生命健康,人工心脏无线供电技术可以解决上述问题。目前人工心脏所需功率的典型值为8-20W左右,体外供电电源电压一般为24V,为提高供电可靠性,需植入体内电池,因此加上体内电池的充电功率,人工心脏无线供电装置的最大输出功率在30W左右。考虑到人体体内空间容量以及人体胸腔组织厚度的限制,能量传输线圈最大直径需小于70mm,传输距离为10~15mm。由于患者洗澡或进行其他活动时可能需要卸下外部无线电源,所以人工心脏无线供电系统有三种工作状态:①外部电源为人工心脏供电,同时为体内电池充电;②外部电源只为人工心脏供电;③体内电池为人工心脏供电。对于人工心脏无线供电装置,过多的热量损耗会导致人体组织的热损伤,因此对装置效率的要求非常严格。利用全局搜索方法可以提高无线供电装置的效率,它通过等步长调节体外发射回路的DC/DC变换器的输出电压来搜索最小输入电流工作点,但此时需要添加DC/DC变换器,这会增大整个装置的体积,降低装置的整体效率,并且调节过程较为缓慢。另一方面,人工心脏无线供电装置的负载为电机和电池,因此通常希望装置输出电压保持恒定。目前常用的方法有斩波控制、变频控制和移相控制等,但是上述控制方法常常以实现恒压输出单一目标进行控制,不能兼顾优化效率的目标。因此在这里提出一种基于能量注入变频控制方法的人工心脏无线供电装置,该装置利用安装在接收回路的霍尔传感器检测出装置输出电压和电流,并将该电流电压信息通过无线通信方式传输至发射回路作为反馈量,然后在负载和互感变化的情况下,通过改变发射回路逆变器的能量注入占空比和工作频率分别达到优化效率和恒压输出的目标。装置采用同步双向DC/DC变换器作为体内电池充放电的硬件电路,同时采用恒压及恒流充电和恒压放电的控制方法,保证体内电池的正常充电,以及体外供电电源无法供电时人工心脏供电装置体内电池能正常供电。目前这样的人工心脏无线供电装置未见有专利和其他文献报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的是提供一种高效率恒压输出的人工心脏无线供电装置,该装置采用能量注入变频控制方法,达到提高效率和恒压输出的目的,同时使用同步双向DC/DC变换器实现体内电池的充放电。本专利技术的技术方案:一种人工心脏无线供电装置,它包括直流电源、第一逆变功率开关、第一续流二极管、第二逆变功率开关、第二续流二极管、第三逆变功率开关、第三续流二极管、第四逆变功率开关、第四续流二极管、发射回路补偿电容、发射线圈、接收线圈、接收回路补偿电容、第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管、第一滤波稳压电容、第一霍尔电流传感器、人工心脏负载、第一DC/DC功率开关、第五续流二极管、第二DC/DC功率开关、第六续流二极管、串联电感、第二滤波稳压电容、第二霍尔电流传感器、体内电池、第一驱动电路、第一微处理器、第一无线通讯模块、第二无线通讯模块、第一霍尔电压传感器、信号采集调理电路、第二微处理器、第二驱动电路和第二霍尔电压传感器;发射线圈和接收线圈为两个相同的平面螺旋线圈,第一逆变功率开关、第一续流二极管、第二逆变功率开关、第二续流二极管、第三逆变功率开关、第三续流二极管、第四逆变功率开关和第四续流二极管构成全桥逆变器,全桥逆变器的两个直流输入端子连接直流电源的两个端子,全桥逆变器的两个输出端子分别连接发射回路补偿电容的一端和发射线圈的一端,发射回路补偿电容的另一端与发射线圈的另一端相连接,第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管和第一滤波稳压电容构成全桥整流器,全桥整流器交流侧的两个输入端子分别连接接收回路补偿电容的一端和接收线圈的一端,接收回路补偿电容的另一端和接收线圈的另一端相连接,全桥整流器直流侧的两个输出端子分别连接第一霍尔电流传感器的一端和人工心脏负载的一端,第一霍尔电流传感器的另一端和人工心脏负载的另一端相连接,第一霍尔电压传感器的两个输入端子与全桥整流器直流侧的两个输出端子相连接,第一DC/DC功率开关,第五续流二极管,第二DC/DC功率开关,第六续流二极管,串联电感,第二滤波稳压电容构成同步双向DC/DC变换器,同步双向DC/DC变换器具有第一端口和第二端口两个端口,将第一端口电压转换为第二端口电压时为Buck电路工作状态,将第二端口电压转换为第一端口电压时为Boost电路工作状态,同步双向DC/DC变换器的第一端口与人工心脏负载的两个端子相连接,同步双向DC/DC变换器第二端口的两个端子分别与第二霍尔电流传感器的一端和体内电池的一端相连接,第二霍尔电流传感器的另一端与体内电池的另一端相连接,第二霍尔电压传感器的两个输入端子与体内电池的两个端子相连接,第一霍尔电流传感器,第二霍尔电流传感器,第一霍尔电压传感器和第二霍尔电压传感器的输出端子分别与信号采集调理电路的第一个输入端口,第二个输入端口,第三个输入端口和第四个输入端口相连接,信号采集调理电路分别将第一霍尔电流传感器,第二霍尔电流传感器,第一霍尔电压传感器和第二霍尔电压传感器的输出信号调整为第二微处理器内置AD可接收的小电压信号,并将这些信号送入第二微处理器,第二微处理器对接收到的信号进行A/D转换与计算后得到同步双向DC/DC变换器的控制信号,并通过第二驱动电路驱动同步双向DC/DC变换器的功率开关,第二无线通讯模块将第二微处理器得到的第一霍尔电流传感器和第一霍尔电压传感器的输出信号发送至第一无线通讯模块,第一无线通讯模块将接收到的信息送入第一微处理器,第一微处理器根据接收信息及能量注入变频控制方法进行计算,得到高频逆变器控制信号,并通过第一驱动电路驱动高频逆变器的功率开关;直流电源、全桥逆变器、发射回路补偿电容、发射线圈、第一驱动电路、第一微处理器、第一无线通讯模块放置在人体外,装置其余部分放置在人体内,接收线圈放置在皮肤层下的脂肪层并与皮肤表面平行,发射线圈紧贴皮肤并与接收线圈同轴放置。能量注入变频控制方法包括变频控制和能量注入控制两部分,变频控制利用装置电压增益与全桥逆变器工作频率之间存在的单调性关系,通过调节全桥逆变器工作频率保持装置输出电压恒定,能量注入控制通过控制全桥逆变器的工作占空比实现装置高效率无线电能传输,全桥逆变器的工作占空比为全桥逆变器工作时间与能量注入控制周期的比值,全桥逆变器非工作时间时各逆变功率管处于断开状态。下面对本技术方案的原理做进一步说明。(1)无线电能传输装置工作原理人工心脏无线传能装置有如下关系:式中U1为全桥逆变器输出的交流电压有效值,I1为流过发射线圈的交流电流有效值,I2为流过接收线圈的交流电流有效值,L1和L2分别为发射线圈自感和接收线圈自感,r1和r2分别为发射线圈内阻和接收线圈内阻,C1和C2分别为发射回路补偿电容和接收回路补偿电容,Re为全桥整流器输入端口的等效电阻。本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种人工心脏无线供电装置,包括直流电源(1)、第一逆变功率开关(2)、第一续流二极管(3)、第二逆变功率开关(4)、第二续流二极管(5)、第三逆变功率开关(6)、第三续流二极管(7)、第四逆变功率开关(8)、第四续流二极管(9)、发射回路补偿电容(10)、发射线圈(11)、接收线圈(12)、接收回路补偿电容(13)、第一整流二极管(14)、第二整流二极管(15)、第三整流二极管(16)、第四整流二极管(17)、第一滤波稳压电容(18)、第一霍尔电流传感器(19)、人工心脏负载(20)、第一DC/DC功率开关(21)、第五续流二极管(22)、第二DC/DC功率开关(23)、第六续流二极管(24)、串联电感(25)、第二滤波稳压电容(26)、第二霍尔电流传感器(27)、体内电池(28)、第一驱动电路(29)、第一微处理器(30)、第一无线通讯模块(31)、第二无线通讯模块(32)、第一霍尔电压传感器(33)、信号采集调理电路(34)、第二微处理器(35)、第二驱动电路(36)和第二霍尔电压传感器(37);发射线圈(11)和接收线圈(12)为两个相同的平面螺旋线圈,第一逆变功率开关(2)、第一续流二极管(3)、第二逆变功率开关(4)、第二续流二极管(5)、第三逆变功率开关(6)、第三续流二极管(7)、第四逆变功率开关(8)和第四续流二极管(9)构成全桥逆变器,全桥逆变器的两个直流输入端子连接直流电源(1)的两个端子,全桥逆变器的两个输出端子分别连接发射回路补偿电容(10)的一端和发射线圈(11)的一端,发射回路补偿电容(10)的另一端与发射线圈(11)的另一端相连接,第一整流二极管(14)、第二整流二极管(15)、第三整流二极管(16)、第四整流二极管(17)和第一滤波稳压电容(18)构成全桥整流器,全桥整流器交流侧的两个输入端子分别连接接收回路补偿电容(13)的一端和接收线圈(12)的一端,接收回路补偿电容(13)的另一端和接收线圈(12)的另一端相连接,全桥整流器直流侧的两个输出端子分别连接第一霍尔电流传感器(19)的一端和人工心脏负载(20)的一端,第一霍尔电流传感器(19)的另一端和人工心脏负载(20)的另一端相连接,第一霍尔电压传感器(33)的两个输入端子与全桥整流器直流侧的两个输出端子相连接,第一DC/DC功率开关(21),第五续流二极管(22),第二DC/DC功率开关(23),第六续流二极管(24),串联电感(25),第二滤波稳压电容(26)构成同步双向DC/DC变换器,同步双向DC/DC变换器具有第一端口和第二端口两个端口,将第一端口电压转换为第二端口电压时为Buck电路工作状态,将第二端口电压转换为第一端口电压时为Boost电路工作状态,同步双向DC/DC变换器的第一端口与人工心脏负载(20)的两个端子相连接,同步双向DC/DC变换器第二端口的两个端子分别与第二霍尔电流传感器(27)的一端和体内电池(28)的一端相连接,第二霍尔电流传感器(27)的另一端与体内电池(28)的另一端相连接,第二霍尔电压传感器(37)的两个输入端子与体内电池(28)的两个端子相连接,第一霍尔电流传感器(19),第二霍尔电流传感器(27),第一霍尔电压传感器(33)和第二霍尔电压传感器(37)的输出端子分别与信号采集调理电路(34)的第一个输入端口,第二个输入端口,第三个输入端口和第四个输入端口相连接,信号采集调理电路(34)分别将第一霍尔电流传感器(19),第二霍尔电流传感器(27),第一霍尔电压传感器(33)和第二霍尔电压传感器(37)的输出信号调整为第二微处理器(35)内置AD可接收的小电压信号,并将这些信号送入第二微处理器(35),第二微处理器(35)对接收到的信号进行A/D转换与计算后得到同步双向DC/DC变换器的控制信号,并通过第二驱动电路(36)驱动同步双向DC/DC变换器的功率开关,第二无线通讯模块(32)将第二微处理器(35)得到的第一霍尔电流传感器(19)和第一霍尔电压传感器(33)的输出信号发送至第一无线通讯模块(31),第一无线通讯模块(31)将接收到的信息送入第一微处理器(30),第一微处理器(30)根据接收信息及能量注入变频控制方法进行计算,得到高频逆变器控制信号,并通过第一驱动电路(29)驱动高频逆变器的功率开关;直流电源(1)、全桥逆变器、发射回路补偿电容(10)、发射线圈(11)、第一驱动电路(29)、第一微处理器(30)、第一无线通讯模块(31)放置在人体外,装置其余部分放置在人体内,接收线圈(12)放置在皮肤层下的脂肪层并与皮肤表面平行,发射线圈(11)紧贴皮肤并与接收线圈(12)同轴放置。能量注入变频控制方法包括变频控制和能量注入控制两部分,变频控制利用装置电压增益与全桥逆变器工作频率之间存在的...

【技术特征摘要】
1.一种人工心脏无线供电装置,包括直流电源(1)、第一逆变功率开关(2)、第一续流二极管(3)、第二逆变功率开关(4)、第二续流二极管(5)、第三逆变功率开关(6)、第三续流二极管(7)、第四逆变功率开关(8)、第四续流二极管(9)、发射回路补偿电容(10)、发射线圈(11)、接收线圈(12)、接收回路补偿电容(13)、第一整流二极管(14)、第二整流二极管(15)、第三整流二极管(16)、第四整流二极管(17)、第一滤波稳压电容(18)、第一霍尔电流传感器(19)、人工心脏负载(20)、第一DC/DC功率开关(21)、第五续流二极管(22)、第二DC/DC功率开关(23)、第六续流二极管(24)、串联电感(25)、第二滤波稳压电容(26)、第二霍尔电流传感器(27)、体内电池(28)、第一驱动电路(29)、第一微处理器(30)、第一无线通讯模块(31)、第二无线通讯模块(32)、第一霍尔电压传感器(33)、信号采集调理电路(34)、第二微处理器(35)、第二驱动电路(36)和第二霍尔电压传感器(37);发射线圈(11)和接收线圈(12)为两个相同的平面螺旋线圈,第一逆变功率开关(2)、第一续流二极管(3)、第二逆变功率开关(4)、第二续流二极管(5)、第三逆变功率开关(6)、第三续流二极管(7)、第四逆变功率开关(8)和第四续流二极管(9)构成全桥逆变器,全桥逆变器的两个直流输入端子连接直流电源(1)的两个端子,全桥逆变器的两个输出端子分别连接发射回路补偿电容(10)的一端和发射线圈(11)的一端,发射回路补偿电容(10)的另一端与发射线圈(11)的另一端相连接,第一整流二极管(14)、第二整流二极管(15)、第三整流二极管(16)、第四整流二极管(17)和第一滤波稳压电容(18)构成全桥整流器,全桥整流器交流侧的两个输入端子分别连接接收回路补偿电容(13)的一端和接收线圈(12)的一端,接收回路补偿电容(13)的另一端和接收线圈(12)的另一端相连接,全桥整流器直流侧的两个输出端子分别连接第一霍尔电流传感器(19)的一端和人工心脏负载(20)的一端,第一霍尔电流传感器(19)的另一端和人工心脏负载(20)的另一端相连接,第一霍尔电压传感器(33)的两个输入端子与全桥整流器直流侧的两个输出端子相连接,第一DC/DC功率开关(21),第五续流二极管(22),第二DC/DC功率开关(23),第六续流二极管(24),串联电感(25),第二滤波稳压电容(26)构成同步双向DC/DC变换器,同步双向DC/DC变换器具有第一端口和第二端口两个端口,将第一端口电压转换为第二端口电压时为Buck电路工作状态,将第二端口电压转换为第一端口电压时为Boost电路工作状态,同步双向DC/DC变换器的第一端口与人工心脏负载(20)的两个端子相连接,同步双向DC/DC变换器第二端口的两个端子分别与第二霍尔电流传感器(27)的一端和体内电池(28)的一端相连接,第二霍尔电流传感器(27)的另一端与体内电池(28)的另一端相连接,第二霍尔...

【专利技术属性】
技术研发人员:谢岳沈鹏飞
申请(专利权)人:中国计量大学
类型:发明
国别省市:浙江,33

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