High Power Density High Frequency Inductive Capacitive Combined Wireless Power Transfer Systems :고전력 밀도 고주파 유도 용량성 결합 무선 전력 전송 시스템

Muhammad Ehab

자료유형: 학위논문

저자정보: Muhammad Ehab (숭실대학교, 숭실대학교 대학원)

지도교수: Joung-Hu Park

발행연도: 2023

저작권: 숭실대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수8

초록· 키워드

지난 몇 년 동안 전력 전자 변환기의 스위칭 주파수는 ISM 대역을 포함하는 수 MHz 범위로 확장되었습니다. 공진 및 소프트 스위칭 회로와 같은 대부분의 컨버터 회로에는 고주파 인덕터 및 변압기와 같은 회로 구성 요소의 정확한 모델링이 필요합니다.
따라서 누설 인덕턴스가 권선 커패시턴스를 기준으로 2개로 분할되는 3 커패시터 집중 모델을 기반으로 한 고주파 변압기 모델을 평가하여 모델이 고주파 특성을 보다 정확하게 모델링하도록 합니다. 모델의 분석은 입력 임피던스와 전압 이득에 대한 폐쇄형 전달 함수가 제공되는 곳에서 수행됩니다. 모델을 검증하기 위해 솔레노이드 및 나선형 기하학의 서로 다른 변압기를 제작하고 3개의 ISM 주파수 대역을 포함하는 1MHz ~ 30MHz 에서 측정합니다. 그런 다음 측정값을 모델에서 개발된 임피던스 함수와 비교합니다. 모델은 기존 모델과 비교하여 측정값과 잘 일치함을 보여줍니다. 마지막으로 이 모델은 소프트 스위칭이 있는 변압기를 포함하는 격리된 13.56MHz Class-E 전력 변환 회로를 설계하여 실험적으로 검증되었습니다. 소프트 스위칭은 각각 기존 모델과 제안 모델을 기반으로 설계된다. 제안된 모델은 회로의 소프트 스위칭 및 최적의 성능을 보장하는 인버터에 대한 보다 정확한 설계를 제공합니다.
MHz 와 같은 고주파수용의 전형적인 공심 트랜스포머는 결합도가 낮기 때문에 전압이득이 낮아 전력변환기에 활용되지 않는다. 그러나 제안된 모델의 전압 이득에 대한 추가 조사 결과 더 높은 MHz 주파수에서 높은 전압 이득과 안정적인 위상을 갖는 영역이 있음을 시사했습니다. 이 범위를 유도 용량 영역이라고 합니다. 따라서 이 영역에서 변압기를 동작시켜 높은 전압이득을 가지도록 하여 부하로 고전력을 전달하는 것이 바람직하다. 아이디어는 이 영역에서 전력이 유도 채널과 용량 채널 모두를 통해 전송되어 에너지 밀도가 증가한다는 것입니다. 이를 위해 모델의 각 매개변수의 영향을 자세히 연구하고 ISM 대역 주파수 범위에서 이 유도 용량 영역을 이동시키기 위한 각 매개변수에 대한 설계 방정식을 제시합니다. 솔레노이드 및 콤 기하학의 트랜스포머는 구리 포일을 사용하여 제작되어 권선간 커패시턴스를 증가시킵니다. 차동 Class-E 공진 인버터는 제안된 모델을 사용하여 13.56MHz 에서 설계되었으며 변압기는 100W에서 테스트되었습니다. 그 결과 기존 변압기에 비해 유도 용량성 변압기의 부하에 전달되는 전력과 효율이 높아집니다.

In the last few years, the switching frequency of power electronic converters is extended to the several MHz range, which includes the ISM bands. Most converter circuits, such as resonance and soft-switching circuits require an accurate modeling of the circuit components, such as the high frequency inductors and transformers.
Therefore, a high frequency transformer model based upon the three-capacitor lumped model is evaluated where the leakage inductances is split into two halves based on the winding capacitance, to make the model more accurate to model high frequency characteristics. The analysis of the model is performed where the closed form transfer function for the input impedance and the voltage gain is provided. To verify the model, different transformers in the solenoid and spiral geometry are fabricated and measured from 1 MHz to 30 MHz, which includes three ISM frequency bands. The measurements are then compared with the impedance function developed from the model. The model shows well-matching with the measurement as compared to the conventional models. Finally, the model is validated experimentally by designing an isolated 13.56 MHz Class-E power conversion circuit, which includes a transformer with soft-switching. The soft-switching is designed based on the conventional and the proposed model, respectively. The proposed model provides more accurate design for the inverter assuring soft-switching and optimum performance of the circuit.
In typical air-cored transformers for high frequencies such as MHz, the voltage gain is low due to low coupling and thus is not utilized in power converters. However, the results from further investigation in the voltage gain of the proposed model suggested that at higher MHz frequencies, there is a region with high voltage gain and stable phase. This range is termed as the inductive-capacitive region. Hence, it is desired to operate the transformer in this region to have high voltage gain and thus high-power transfer to the load. The idea is that in this region, the power is transferred through both the inductive and the capacitive channel, thus increasing the energy density. For this purpose, the effect of each parameter in the model is studied in detail and design equations for each parameter is presented to shift this inductive-capacitive region in the ISM band frequency range. Transformers in the solenoid and comb geometry are fabricated using copper foils to increase the inter-winding capacitance. The differential Class-E resonant inverter is designed at 13.56 MHz using the proposed model and the transformers are tested at 100 W. The results yield high efficiency and power delivered to the load for the inductive-capacitive transformer as compared to the conventional transformer.

#High Frequency #ISM-Band Frequency #Transformer Modeling #Inductive-Capacitive Power Transfer #Class-E Resonant Inverter

CHAPTER 1 ISM-Band Frequency Transformer Modeling 1
1.1 Literature Review 4
1.2 Methodology 9
1.3 Parameter Estimation 18
1.3.1 Estimation of Inductive Parameters 18
1.3.2 Estimation of Capacitive Parameters 20
1.4 Mathematical Analysis 25
1.4.1 Input Impedance Equation and Coefficients 30
1.4.2 Voltage Gain Equation and Coefficients 34
1.5 Small-Signal Verification 36
1.6 Large-Signal Verification 56
1.7 Conclusion 59
CHAPTER 2 High Power Density High Frequency Inductive Capacitive Combined Wireless Power Transfer Systems 61
2.1 Literature Review 63
2.2 Principle of Inductive-Capacitive Power Transfer 64
2.3 Methodology 80
2.4 Class-E Resonant Inverter 83
2.4.1 Differential Class-E Resonant Inverter 86
2.4.2 Hardware Configuration 87
2.4.3 Experiment to Determine Constant Current and Voltage Operation 90
2.4.4 Rectifier Modeling 98
2.4.5 High Power DC-DC Test using the Fabricated Transformers 99
2.5 Conclusion 105
REFERENCES 106

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