摘 要：
隔离取能电源为高压碳化硅(silicon carbide，SiC)器件驱动电路供能的核心部分，其面临严峻的绝缘耐压问题。无线传输(wireless power transfer，WPT)型隔离电源因其非接触和去磁芯特性在SiC器件高压强绝缘取能电源展现出良好应用前景。然而，现有WPT隔离电源的绝缘特性不清，耐压能力难以准确评价，严重制约了其性能优化和应用。为此首先搭建了WPT型取能结构三维仿真模型，阐明了取能线圈相对距离、匝数、线径这3个关键参数对电场分布和最大场强的影响规律；然后构建了高压放电试验平台，从局部放电起始电压、最大放电量、 放电脉冲数和总放电量这4个特征量探究了关键结构参量和绝缘放电特性的关联关系，明晰了不同结构参数下的WPT型电源绝缘特性；最终阐明了各结构参数对WPT型取能结构绝缘性能的影响机制。该研究为WPT型隔离取能电源绝缘性能优化与可靠性应用提供了理论基础与试验依据。
引言
高压碳化硅(silicon carbide，SiC)功率器件因其高电压等级、快开关速度等特性，在新能源并网、 船舶电气化等新兴场景中展现出极高应用前景[1-3]。 目前，科研院所与半导体企业已研发出电压等级10 kV 和15 kV 级SiC器件。尽管高压碳化硅器件 的应用能够显著提升电力电子装备的功率密度、效率等，但也带来了一系列新的技术挑战。隔离取能电源是为高压SiC器件栅极驱动供能并实现主功率强电侧与控制弱电侧电气隔离的重要部件，实际运行过程中，隔离电源两端耐受电压将高达近10 kV 乃至几十千伏，这对取能电源的绝缘设计提出了严苛挑战[4-5]。
现有商业隔离电源主要针对高压Si基器件设计和应用，在高压SiC系统应用中面临着多重局限[6-8]。其中最重要的一点就是，现有商业隔离电源绝缘耐压等级不足，且实际工况电压等级低，极易发生局部放电，长期运行会严重影响系统可靠性， 最终导致击穿，甚至引发器件烧坏等事故。因此，亟须探索针对高压SiC器件的新型高压、高可靠性的隔离电源解决方案。
目前，隔离电源结构主要可分为4种类型—— 光纤传能型(power over fiber-based，PoF)、变压器型(简称TV)、电流互感器型(简称TA)和无线传能型(wireless power transformer，WPT)。PoF型[9]电源通过光纤实现能量传输，能实现极高的电气隔离，同时理论上消除了原副边耦合电容，适用于高压、高 干扰环境，但其能量转换效率较低，发射端体积庞 大、成本高，限制了其工程应用。TV型[10-11]取能 是目前最为常见的结构，通过磁芯一、二次侧绕组耦合实现能量传输，设计和控制方法简单，但是随着隔离电压的上升，装置体积会迅速增大，且寄生 参量较大。TA型[12-14]电源通过1根高频原边母线并联多个二次侧，实现多通道输出，具有高集成度的特点，但存在一、二次侧耦合弱，电气隔离距离近 的问题。WPT型[15-16]取能通过发射线圈和接收线圈的高频谐振耦合实现能量传递，其结构不需要磁芯， 具有非接触式传能和灵活调节隔离距离的优势，在强绝缘耐压能力上具有极高的应用前景。
现有针对WPT型隔离电源的研究主要集中在电力隔离传输性能的优化设计，包括传能拓扑电路优化、传能效率提升以及功率-信号协同传输等方面，在绝缘特性上的研究较为缺失。其中，德克萨 斯大学达拉斯分校的Van Thuan Nguyen 等人专注于电路优化和效率提升，团队于2019年提出单发射 —单接收结构的紧凑型无线隔离栅极驱动电源[17]；2020年在此基础上升级为单发射—双接收的印制电路板(printed circuit board，PCB)双输出拓扑[18]；2021年聚焦于为10 kV SiC 器件研发高频无线隔离栅极驱动电源[19]，通过非重叠线圈与接地屏蔽实现极低耦合电容和紧凑封装；2022年提出双侧LCC拓扑的线圈间效率优化方法[20]。通用电气的Juan Sabate 等人专注于器件整体设计，团队于2018年提 出一种用于高压 dv/dt SiC MOSFET 的门极驱动电源[21]；在2022年进一步对比了2种空芯变压器方案[22]，在保证低耦合电容的同时实现更小体积与更 高可制造性。阿肯色大学的Yuqi Wei 等人于2021年提出一种基于WPT的门极驱动电源[23]；在2022年进一步完成该方案的优化与试验验证[24]，采用堆叠式WPT结构并集成两级门极驱动与过流保护。 佛罗里达州立大学的Hui Li 等人在2022年提出了 “信号-功率一体化”设计[25]，在5 kV 直流母线电压的工况下验证了所提方法的有效性。大阪大学的Masaaki Takasaki 等人在2022年提出了针对栅极电源供电系统的电路设计优化方法[26]，提出了2种补偿电路配置并分别采用不同的补偿电容器配置以提升功率传输效率。
绝缘性能方面，相关学者提出了部分绝缘优化设计研究。2020年，弗吉尼亚理工大学的Dushan Boroyevich 团队采用对称盘绕利兹线圈和铁氧体同电位屏蔽，可以做到在空气隙为34 mm 时实现33 kV 无局放[27]，但主要针对有无出现放电电压进行。2021年，挪威科技大学的Ole Christian Spro 等 人针对无磁芯平面 PCB变压器，提出“三明治”式复合绝缘[28]：绕组蚀刻在多层聚四氟乙烯PCB板内形成固体绝缘屏障，板间注入绝缘油防闪络，最后在PCB外圈铜箔尖角处再涂1层高介电常数环氧涂 层均压实现固体-液体-涂层三重耐压。试验表明6 mm 聚四氟乙烯厚度下平均击穿电压达73 kV，耦合电容控制在10 pF 以内，验证了介质填充对绝缘 性能优化的有效性，但同时也带来了寄生电容高的问题。2024年，佛罗里达州立大学的Hui Li 团队采用PCB绕组方案，多层板采用聚四氟乙烯材料，最后采用硅胶灌封整机以增强绝缘[29]。最终整体装置实现了1.9 pF 的超低耦合电容，变压器实现了14.37kV下的无局部放电，但未测量其他局部放电特性。
综上，现有研究主要对WPT传能结构单一击穿电压或者局部放电起始电压(partial discharge in-ception voltage，PDIV)进行研究，以用于评价所研 装置能否通过绝缘测试。然而，WPT关键结构参量与绝缘性能的关联规律未知，隔离电压提升对WPT放电影响特性不清，极大地限制了WPT取能电源的绝缘性能优化提升，使其难以在高压SiC器件和装备中得到可靠应用。
因此，本文以WPT型电源隔离线圈结构为研究对象，探讨其隔离距离、线圈匝数、单匝线径3个核心参量对其电场分布的关联规律；其次，构建WPT型传能线圈高压放电试验平台，通过PDIV、 最大放电量、放电脉冲数、总放电量这4个特征量阐明不同结构参量下的放电形成特性，最终综合分析得到相应的影响成因机制。
1、WPT隔离取能装置及有限元仿真建模
1.1、WPT隔离取能装置工作原理
WPT隔离取能装置工作原理如图1所示，主要部件为直流输入电源DC端、高频逆变电路、一次 侧谐振补偿电路、发射端线圈(Tx线圈)、接收端线 圈(Rx线圈)、二次侧谐振补偿电路、整流滤波电路以及负载。该装置的工作原理是直流输入电源DC端输入低压直流电(图中电压表示为U)，经过高频逆变电路转换为高频交流电。随后，高频交流进入 一次侧谐振补偿网络，该网络在设定频率形成LC谐振，实现无功补偿等功能；谐振后的高频电流激励发射线圈产生交变磁场。接收线圈耦合该磁场并感应高频电压，经二次侧补偿网络后经整流滤波电路输出直流电压，实现给负载稳定供能。其中，一 次侧电路直接接地(图中用GND1表示)；二次侧电路给负载驱动电路供电，接地取决于负载驱动电路电位情况(图中用GND2表示)。
其中，线圈不仅是能量耦合的核心部件，其结构设计更直接决定了绝缘特性的优劣。在高频交变磁场作用下，线圈的匝间、层间及对地绝缘承受着 严苛的电场应力，而结构因素如绕组匝数、绕线粗细以及线圈之间的相对位置等因素都会显著影响WPT结构电场分布。因此，本文对于WPT装置绝 缘特性的研究主要关注于线圈结构的绝缘特性研究。
1.2、WPT结构关键结构参数与有限元仿真建模
本节建立了WPT结构基准模型。WPT取能装置的结构参数如图2所示，决定线圈尺寸的主要参数有：线圈匝数n、线圈内半径Ri、线圈外半径Ro、 单匝绕组截面半径 r和线圈间的隔离距离h。由于 线圈匝数 n、线圈内半径Ri与线圈外半径Ro和单匝绕组截面半径r这4个参数是相互影响的。因此， 本文固定线圈内半径Ri，选择研究对象为单匝绕组截面半径r和线圈匝数n以及线圈间的隔离距离h。
基于现有文献的线圈参数[19,23,30-31]，所设计的基准模型具体参数如表1所示，发射线圈和接收线圈选择完全一致的线圈参数以充分利用空间，保证系统的对称性，简化系统设计[32]。基于此表格参数建立了线圈的基准仿真模型。
2、WPT关键结构参量电场特性分析
本章系统研究了在空气介质条件下基准模型的电场分布情况以及场强最大点的位置，然后探究了隔离距离h、线圈匝数n和线圈截面半径r这3个关键参数对WPT型隔离取能装置电场分布的影响规律。
在建立基准模型并完成仿真参数设置后，对该模型进行了静电场仿真分析，设定Rx线圈为高压 端，Tx线圈为低压端。仿真计算完成后，获得了WPT型隔离取能装置的静电场分布图。图3展示了 基准模型在 XOZ平面(前视图)、YOZ平面(侧视图)和XOY平面(俯视图)的静电场分布，这3个正交投 影视图完整呈现了模型在三维空间中的电场分布特征。通过对WPT型隔离取能装置静电场分布图的观察可以看出，线圈外侧电场强度相较于内侧更大， 且电场强度最大值(即图中标注Emax区域位置)出现线圈外围上。如图所示，Rx线圈和Tx线圈附近的电场分布较为相似，最大场强点出现在Rx线圈或者Tx线圈的最外围。
图4展示了不同隔离距离下WPT型隔离取能装置的电场分布对比图。从图4中可以清晰地看出， 随着线圈隔离距离的增加，高压电场区域显著减少， 且等电场线分布逐渐稀疏。图5揭示了隔离距离对WPT型装置最大电场强度Emax的影响规律。仿真结果表明，随着隔离距离的增加，外线圈和内线圈的Emax都先迅速减小后逐渐变缓，两者变化趋势完全一致。隔离距离从20 mm 提升到30 mm 时，Emax在20 mm 所对应的外径最大场强的基础上减小了约16%。当隔离距离增加到100 mm 时，最大场强达到最小值，约为22 kV/cm。
通过仿真结果可以发现，增加隔离距离是增强WPT型取能结构绝缘性能最直接且效果极其显著的方式，但是隔离距离过大会导致装置体积显著增大且降低线圈两端耦合系数和电路传能效率。
图6展示了不同线圈匝数下WPT型隔离取能装置的电场分布对比图。从图6中可以观察到，随着线圈匝数的增加，电场分布的集中区域颜色逐渐 发生变化，等电场线的密集程度也随之改变，这表明电场强度的分布特征受到线圈匝数的直接影响。 图 7揭示了线圈匝数对WPT型隔离取能装置最大电场强度Emax的影响规律。仿真结果表明，随着线圈匝数的增加，Emax呈现出先减小后逐渐趋于平稳的变化规律，匝数从8匝增加到10匝时，Emax在8匝所对应的外径最大场强的基础上减小了约34%。 这表明线圈匝数不仅影响电场分布的情况，还对电场强度的峰值产生重要影响。
通过仿真结果可以发现，增加线圈匝数会减小Emax，且使电场分布更均匀，内外线圈的最大场强差距逐渐减小。这是因为在仿真过程中施加的电压恒定，增大线圈匝数会使单位匝间电压降低，且匝数增加后，导体密度提高，电场分布趋于均匀，避免局部集中，从而降低最大电场强度。但是在不改变匝间距离和线圈内径的情况下，增加线圈匝数也会增大装置体积，不利于装置的高集成度设计。
图8展示了不同线圈截面半径下WPT型隔离取能装置电场分布的对比情况。从图8中可以看出， 随着线圈截面半径的增大，高场强区域明显减少，这表明增大线圈截面半径对电场分布的均匀性、域内最大场强等有着显著的影响。图9揭示了线圈截面半径对WPT型隔离取能装置电场最大值Emax的 影响规律。仿真结果表明，随着线圈截面半径的增加，Emax呈现出先减小后逐渐趋于平稳的变化规律， 线圈截面半径从 0.5 mm 增加到2 mm 时，Emax在0.5 mm 所对应的外径最大场强的基础上减小了约16%。当线圈截面半径增加到3 mm 时，最大场强达到最小值，约为33 kV/cm。
通过仿真结果可以发现，增加线圈截面半径会减小Emax，且电场分布更均匀。这是因为电场强度在导体表面附近最大，其值与导体表面的电荷密度成正比。增加导线半径会使曲率半径变大，从而降低电荷密度，最终达到减小表面电场强度的目的， 但是过度增加线圈截面半径反而不能起到很好的改善作用。即截面半径从0.5 mm 增加到1 mm 时，电场强度有大幅下降，而接着增大截面半径，电场强度则几乎保持不变。
3、WPT取能电源放电测试试验研究
本文通过搭建WPT取能电源线圈结构的放电测试试验平台和建立相应的实物模型，通过试验研究探究其放电特性。
3.1、放电测试平台和测试样本构建
本文按照仿真设置的参数进行1:1实物模型的建立，采用利兹线绕制不同规格的线圈如图10所 示。图 10(a)是3种不同截面半径的线圈实物图，从左到右分别是线圈截面半径为2、1、0.5 mm 的实物线圈；图10(b)是4种不同匝数的线圈实物图，从左到右、从上到下分别是线圈匝数为9、10、11、12匝的实物线圈。图中的di和do分别表示线圈的内直径和外直径。
本文搭建了高压放电测试平台，如图11所示， 包括了无局放调压控制台、无局放滤波器、1台100 kV/10 kVA 的无局放试验变压器、100 kV/5 kΩ 的高压保护电阻、100 kV/800 pF 的耦合电容以及GDJF-2008系列局部放电监测装置。此平台能够提供最高100 kV(有效值)的工频测试电压，具备10 kVA 的输出能力。在额定电压条件下，系统局部放电背景噪声控制在10 pC 以下。通过平台能够实现测定PDIV、视在放电量、放电频次等功能。
3.2、WPT放电特性的试验结果
本节利用高压放电测试平台，研究关键结构参数对PDIV、最大放电量、总放电量和放电脉冲数的影响规律。PDIV是指样品在开始发生局部放电时的最低施加电压，单位为kV。最大放电量是指在试验中观测到的单次局部放电所释放的瞬态电荷量，单位为pC。本文中的总放电量是指在1 s 内观 测到的所有放电量之和，单位为pC。放电脉冲数是指在1 s 内观测到的所有放电次数之和。选择这4个指标能够从“阈值-单次-累计-频次”4个维度较完整刻画绝缘特征。PDIV反映放电的起始阈值， 最大放电量反映单次放电的最大强度，总放电量反映能量的积累速率，放电脉冲数反映放电的密度。 结合这 4个参数可以区分“高频低能”和“低频高 能”的不同劣化模式。“低频高能”意味着单次注入能量极高，击穿风险呈“阶跃式”上升，难以预测； “高频低能”意味着不会立即击穿，但长期累积损伤显著，击穿呈“渐进式”，可提前数月预警。因此在设计时应尽量避免装置设计出现“低频高能”的绝缘缺陷。
图12中多幅图展示了基准模型参数(h=20 mm，n=10，r=0.5 mm，Ri=14 mm)下实物线圈在不同电压下一周期的放电情况。图12(a)展示了线圈还未开始放电的情况，图12(b)—(d)展示了线圈从开始放电到剧烈放电的情况。
当施加电压为13 kV(有效值)时，并没有检测到局放现象，当电压施加到14.5 kV 时，检测到待测品出现了幅值为15 pC 的较为明显的放电信号，将该电压定义为PDIV。随着电压的增加，局放量不 仅在幅值上有所增长，而且在密集程度上也有所增加。在空气介质条件下，WPT系统结构对称，通过 图 12可以观察到“双簇”放电现象，其在物理本质上属于电晕放电。这是由于线圈导体外圈的电场强度超过了空气的击穿场强所致。这一结论与前文仿真电场图中可以直观观察到的“电场强度最大值出现线圈外围上”结论保持一致。电场仿真与试验结果共同证实，电晕放电优先发生于电场强度最高的线圈外圈。
通过测量待测品在不同电压等级的放电量，可以得到该待测品的PDIV以及该待测品的最大放电量、总放电量和放电脉冲数同施加电压的增长关系， 文中试验全程遵循 GB/T 7354—2018《高电压试验技术-局部放电测量》标准[33]，后续试验都将基于以上操作。
图13展示了4组不同WPT线圈下从放电产生到击穿的整个放电增长规律。线圈1表示基准线圈(h=20 mm，n=10，r=0.5 mm，Ri=14 mm)，线圈2表示不同隔离距离的线圈(d=60 mm)，线圈3表示不同截面半径的线圈(r=2 mm)，线圈4表示不同匝数的线圈(n=12)。从结果可以看出，3组参量均呈现了随着电压增长，放电量先缓慢上升然后急剧增加的过程，并进入击穿阶段。从PDIV产生到击穿电压，电压的增长ΔV不超过3 kV。击穿电压和PDIV差异不大，并没有显著提高。由此可见：空气介质下WPT传能装置一旦开始产生局部放电，提升电压会很容易进入击穿阶段，这在WPT取能绝缘设计中要尤为注意。以下论文对从PDIV到击穿过程这一段过程进行了更细致地分析和探讨。
图14(a)—(d)分别展示了不同隔离距离下的PDIV、最大放电量、总放电量、放电脉冲数随施加电压(14~21 kV)的变化曲线，不同的隔离距离分别 采用不同的颜色和标记表示。此时，线圈截面半径均为0.5 mm，匝数为10匝。
图14(a)展示了PDIV随隔离距离的变化曲线， 图中的数据中的误差棒均表示为“平均值±标准偏 差”，其计算基于 5次独立试验。可以看出：1）随着隔离距离的增大，PDIV呈现上升趋势，但是后期会进入一个减缓趋势。2）隔离距离从10 mm 提升到40 mm 时，PDIV提高了约36%；但是从40 mm 提升到100 mm 时，PDIV仅提升了16%。以上现象表明：随着隔离距离的增大，WPT型取能结构的绝缘性能会增强，但是过大的隔离距离会减弱PDIV的提升能力，这与仿真中最大场强场景的变化规律一致。因此，在WPT装置隔离距离较近时，提升隔离距离对提高PDIV作用明显，但是随着距离进一步增大，后期提升作用会显著降低。综上所述，在隔离距离设计方面，建议将距离设计为40~60 mm。
图14(b)展示了在不同隔离距离下最大放电量随施加电压的变化曲线。图中看出：1）所有隔离距离下，随着施加电压的升高，最大放电量总体呈上升趋势。2）相比于基准模型(h=20 mm)组，隔离距离为60 mm组的最大放电量增长较快且达到图中最大值，而其他组均未观察到较大的放电量。这主要是因为放电发展较快，在较短的电压抬升中便已经达到极高的放电量，进而导致击穿，未能在仪器中观测到。3）施加电压达到17.5 kV，隔离距离从20 mm 提升到50 mm 时，最大放电量在20 mm 所对应的数值基础上减小了约66%。
图14(c)、(d)分别展示了在不同隔离距离下总放电量和放电脉冲数随施加电压的变化曲线。可见：1）2幅图中的折线变化趋势基本一致，只是数值上 有较大区别。随着施加电压的升高，总放电量和放电脉冲数总体呈上升趋势。2）开始放电后，随着电压的升高，放电脉冲数和总放电量的升高并不是很显著，直到击穿。施加电压达到17.5 kV，隔离距离 从 20 mm 提升到50 mm 时，总放电量在20 mm 所对应的数值的基础上减小了约96%，放电脉冲数减小了约94%。这意味着，隔离距离越小，取能电源更容易随着电压升高发生严重的电场畸变进而导致击穿。
结合图14对不同隔离距离下的高压测试结果的分析可知，隔离距离从20 mm 提升到50 mm 时，PDIV在20 mm所对应数值的基础上提高了约21%； 施加电压达到 17.5 kV，最大放电量减小了约66%， 总放电量减小了约96%，放电脉冲数减小了约94%。 且该组试验下，放电脉冲数与总放电量图形基本相符，呈现“高频高能”、“低频低能”的状态。
图15(a)—(d)分别展示了不同匝数下的PDIV、最大放电量、总放电量、放电脉冲数随施加电压(12~18 kV)的变化曲线，不同的匝数分别采用不同 的颜色和标记表示。此时，线圈隔离距离均为20 mm，截面半径为0.5 mm。
图15(a)展示了PDIV随匝数的变化曲线，图中的数据中的误差棒均表示为“平均值±标准偏差”， 其计算基于 5次独立试验。图中看出：1）随着匝数 的增大，PDIV整体呈现先迅速增大后平缓上升的趋势。2）匝数从8匝提升到10匝时，PDIV提高了约11%；但是从10匝提到12匝，PDIV仅提升 了 4%。在前文仿真结果中，随着匝数的增加，穿过内径和外径的Emax先减小后逐渐平缓，这与试验中出现的PDIV随着匝数增多而先大幅增大后平缓上升的现象相符。综上所述，在匝数设计方面，建议保持在10~12匝。
图15(b)展示了在不同匝数下系统最大放电量随施加电压的变化曲线。图中看出：1）所有匝数下，随着施加电压的升高，最大放电量总体呈上升趋势。2）相比于基准模型(n=10)组，匝数为12组的最大放电量增长较快且达到图中最大值。匝数为8、9、10组这3条折线随着电压升高的变化情况基本一致，最大放电量随施加电压的增大增长较缓；而匝数为11和12组的变化情况更为相似，最大放电量随施加电压的增大而增大较快，在较短的电压增长范围内就达到较大的数值。施加电压达到15 kV， 匝数从 10匝增加到12匝时，最大放电量在10匝所 对应的数值基础上减小了约7%。增加匝数会增加线圈的电感值，而更高的电感可以存储更多的能量， 这导致在放电过程中短时间内释放更多的能量，匝数多的组别最大放电量会更高。
图15(c)、(d)分别展示了在不同匝数下总放电量和放电脉冲数随施加电压的变化曲线。可见：1） 随着施加电压的升高，总放电量和放电脉冲数整体均呈上升趋势。2）施加电压达到15 kV，匝数从10匝增加到12匝时，总放电量在10匝所对应的数值基础上减小了约95%，放电脉冲数减小了约94%； 线圈匝数为 11匝时，放电脉冲数随施加电压的增大而增长较快，且施加电压达到17.5 kV 时放电脉冲数最高，为160；且总放电量最大值也出现在这个点，为13482 pC。
结合图15对不同匝数下的高压测试结果分析可知，匝数从10匝增加到12匝时，PDIV在10匝所对应的数值基础上提高了约4%。施加电压达到15 kV 时，最大放电量减小了约7%，放电脉冲数减小了约94%，总放电量减小了约95%。但是该组试验下，放电脉冲数与总放电量图形与前2组不相符。 就图形情况而言，匝数为10组呈现“高频低能”的情况，而匝数为12组呈现“低频高能”的情况。图16(a)—(d)分别展示了不同截面半径下的PDIV、最大放电量、总放电量、放电脉冲数随施加电压(14~19 kV)的变化曲线，不同的截面半径分别采用不同的颜色和标记表示。此时，线圈隔离距离均为20 mm，匝数为10匝。
图16(a)展示了PDIV随截面半径的变化曲线， 图中的数据中的误差棒均表示为“平均值±标准偏差”，其计算基于5次独立试验。图中看出：1）随着线圈截面半径的增大，PDIV整体呈现上升趋势。这表明，随着截面半径的增大，WPT型取能结构的绝缘性能增强。2）线圈截面半径从0.5 mm 增加到2 mm 时，PDIV在0.5 mm 所对应的数值基础上提高了约10%。在前文仿真结果中，增加线圈截面半径会减小Emax，这与试验中出现的PDIV随着线圈截面半径增大而增大的现象相符。综上所述，在截面半径设计方面，建议线圈截面半径设计为1~2 mm。
图16(b)展示了不同截面半径下系统最大放电量随施加电压的变化曲线。图中看出：1）所有截面半径下，随着施加电压的升高，最大放电量总体呈上升趋势。2）相比于基准模型(r=0.5 mm)组，截面半径为2 mm 组的最大放电量增长较快且达到图中最大值。而截面半径为0.5 mm 组和1 mm 组的2条 折线随着电压升高的变化情况基本一致。施加电压达到16.0 kV，线圈截面半径从0.5 mm 增加到2 mm 时，最大放电量在0.5 mm 所对应的数值基础上减 小了约16%；截面半径为2 mm 时，最大放电量随施加电压的增大而增长较快，施加电压达到18 kV 时，最大放电量最大，约为690 pC。
图16(c)、(d)分别展示了在不同截面半径下总放电量和放电脉冲数随施加电压的变化曲线。图中看出：1）2幅图中的折线变化趋势基本一致，只是 数值上有较大区别。2）在相同施加电压下，线圈截面半径越大，放电脉冲数和总放电量越大。其中，施加电压达到16.0 kV、线圈截面半径从0.5 mm 增加到2 mm 时，总放电量在0.5 mm 所对应的数值基础上减小了约95%，放电脉冲数减小了约87%；截面半径为2 mm 时，放电脉冲数随施加电压的增大而增长较快，施加电压达到18.5 kV 时放电脉冲数最高，为486；总放电量也达到最大，为27363 pC。
结合图16对不同截面半径下的高压测试结果的分析可知，截面半径从0.5 mm 增加到2 mm 时，PDIV在0.5 mm 所对应的数值基础上提高了约10%。施加电压达到16.0 kV、线圈截面半径从0.5 mm 增加到2 mm 时，最大放电量减小了约16%， 总放电量减小了约95%，放电脉冲数减小了约87%。且该组试验下，放电脉冲数与总放电量图形大致相符，呈现“高频高能”、“低频低能”的状态。
3.3、关键因素对绝缘特性的成因机制分析
基于以上对于不同关键参量的高压试验结果，分别得到电压、隔离距离、匝数、线圈截面半径对绝缘特性的影响规律，本节着重于分析这些关键因 素对绝缘特性的影响成因机制。
从前文提到的图13中可以观察到开始放电后， 最大放电量增长极为缓慢，随着电压升高到一定程度，最大放电量突然迅速增长，发生剧烈放电。这 种现象的出现是因为本模型中的放电属于极不均匀电场气体放电，其过程遵循流注放电理论[34]，如图17所示。
在电压较低时，空气未被电离。当电压升高到一定值，在电场最强的尖端附近，电场强度足以加 速自由电子并引发碰撞电离，形成初始电子崩并发展为流注。随着电压显著提高，电极尖端的场强急剧增大，流注的发展获得更多能量。流注的长度、 强度都大大增加，能够伸展到更远的空间。具体表现为：在电压达到PDIV之前，放电量为0。电压刚超过PDIV时，放电的单次脉冲电荷量Qmax非常小，且放电脉冲数较少。随着电压升高，单次放电的电荷量Qmax显著增大。电压越高，流注发展越充分，Qmax越大，直至接近由间隙几何结构决定的饱和值。从前文提到的图14中观察到的隔离距离对绝缘特性的影响规律可以总结为随着隔离距离的减 小，同电压等级下的低隔离距离组放电更为剧烈， 且不同隔离距离下的特性曲线基本保持一致，放电脉冲数低的同时总放电量也相对较小，并且这种试验现象与前文中的仿真结果相符。由此可见，隔离距离增大可显著抑制局部放电行为。隔离距离增大使单位长度上的电场强度下降，气隙的击穿概率降低；电子或离子在更长路径中迁移，能量耗散增加，难以形成有效放电通道。迁移路径延长、电子能量耗散、空间电荷扩散效应增强，均抑制了放电。实测PDIV不会随1/h成线性增长，而是“先快后慢” 的饱和趋势。
从前文提到的图15中观察到的匝数对绝缘特性的影响规律可以总结为随着匝数增多，系统整体绝缘性能呈现上升趋势，PDIV增大，同电压等级下放电剧烈程度减小，与仿真结果一致。这说明了对匝数的适当增大有助于降低局部放电强度。匝数增多使得在相同电压下的匝间电压较低，因此系统 的 PDIV增大，且电场分布也更为均匀，这一点在仿真中也得到了验证。然而在本文中匝数增多同时也意味着线圈面积的增大，总放电量也会有所提升。
从前文提到的图16中观察到的线圈截面半径对绝缘特性的影响规律可以总结为随着线圈截面半径的增大，系统整体绝缘性能呈现上升趋势，PDIV增大，同电压等级下放电剧烈程度减小，与仿真结果一致。试验结果表明线圈截面半径适当增大有助于降低局部放电强度。截面半径越大，导体表面曲率越小，电场集中效应减弱，电场强度下降，PDIV随之提高。这一点与皮克公式[35-36]中体现的采用粗导线能有效抑制电晕的结论一致。而开始放电后， 较大的截面半径会提供更多的放电路径，从而导致更高的放电脉冲数。这表明，线圈截面半径过大， 取能电源更容易随着电压升高发生剧烈放电进而导致击穿。
综上所述，隔离距离增大、匝数增加和适当增大线圈截面半径则有助于抑制局部放电行为，但是后期的抑制作用会减缓。其中，对放电影响最大的为电压和隔离距离的变化，匝数和线圈截面半径影响较小。
4、结论
1、WPT型取能结构在空气介质下随着电压升高，放电呈现“先缓后急”的规律；电压一旦达到PDIV，虽然放电幅值不高，但是放电频次和总放电量会随着电压显著上升，起始放电产生后会很快进入击穿阶段。因此需要考虑阻挡介质以避免空气介 质下放电“先缓后急”导致的快速击穿。
2、隔离距离、线圈匝数、线圈截面半径会对电场分布和放电特性产生不同的影响规律，其中隔离距离增大对PDIV提升和最大场强降低作用最为显著。根据电场和PDIV变化规律，WPT取能装置参量优选参量设计建议隔离距离为40~60 mm、线 圈匝数为 10~12匝、线圈截面半径为1~2 mm，以实现小体积下电场和耐受电压的协同优化。
本文所揭示的各参数对放电特性的基础影响规律，为后续开展此类多目标优化设计提供了关键的理论与数据基础。未来的研究将从以下几个方面展开：(1)高频激励下的放电行为更为复杂，后续研究将重点关注从工频电压到高频脉冲电压带来的差异影响，以更准确评估高压SiC器件应用工况的耐压性能。(2)通过填充介质有望进一步显著提升耐压能力，但是同时会对寄生参量和抗干扰能力有影响， 将进一步探究填充介质对WPT取能装置的性能影响规律。(3)无线取能装置是效率、功率密度、耐压能力、抗干扰能力兼顾的装置，未来将在明确各结构参量对各个性能影响关系的基础上，开展多目标协同的优化设计方法研究。
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