تحليل خسارة WPTS – أخبار إلكترونيات الطاقة

تكتسب أنظمة نقل الطاقة اللاسلكية (WPTS) للتطبيقات القابلة للارتداء والمحمولة شعبية مع زيادة الطلب على الهواتف المحمولة اللاسلكية وشواحن الساعات الذكية. نظرًا لعامل الاقتران المنخفض إلى حد كبير (<0.1) بين ملف الإرسال الأولي (Tx) وملف الاستقبال الثانوي (Rx) في مثل هذه التطبيقات ، كان تحقيق الكفاءة العالية أمرًا صعبًا للغاية. علاوة على ذلك ، يتم الآن تشغيل العديد من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية بالبطاريات ، مما أدى إلى زيادة الاهتمام بتصميم منصات الشحن لأجهزة الاستقبال المتعددة. في الآونة الأخيرة ، بالنسبة لمثل هذه الأنواع من التطبيقات ، كان هناك دفع للتشغيل في نطاق ISM السفلي المقيد وغير المرخص عند 6.78 ميجاهرتز.

ركزت العديد من الأعمال العلمية حول هذا الموضوع فقط على تحسين وحدات الإرسال و / أو الاستقبال. أيضًا ، يتم توفير كفاءات WPTS كبيانات تجريبية فقط دون أي تحقيق أولي لتأثير أجهزة السيليكون على كلا الجانبين الأولي والثانوي للنظام. لذلك ، فإن الهدف الرئيسي للبحث هو توفير نموذج فعال لتحليل وتقييم كفاءة WPTSes ، بما في ذلك جميع خسائر أجهزة أشباه الموصلات للتطبيقات منخفضة الطاقة ذات الصلة بالأجهزة القابلة للارتداء. ستعرض هذه المقالة نموذجًا تحليليًا يعتمد على الحل التوافقي الأول لـ WPTS وحلها جنبًا إلى جنب مع نتائج المحاكاة والقياسات التجريبية لـ WPTS 2-W @ 6.78-MHz.

نمذجة WPTS والحلول العددية

تشير WPTS المذكورة من الآن فصاعدًا إلى البنية في الشكل 1. ويمكن أن تعمل بتردد ثابت أولي وتحكم ثانوي في PWM يضمن تعديل دورة العمل وتغيير الطور. يهدف المؤلفون إلى حساب تيار الإخراج (I_خارج) وكفاءة WPTS نظرًا لجهد الخرج (V_خارج) وزوايا النار للـ MOSFETs Q₁س₂س₃ و س₄.

العلاقات بين تأخر الطور (?) ، الزاوية بين تيار العبور الصفري (أنا²ر) والجهد الساقط (v²ر) يرمز لها ? ، الزاوية بين ارتفاع الجهد (v²ر) و (ط²ر) يرمز لها و دبواسطة المعادلة 1 ، حيث د = 1 – (? ÷ ?) ÷ ? و ? = (? – ?) ÷ 2.

بالنسبة للعمليات أحادية الاتجاه ، فإن القيم ذات الأهمية العملية لـ ? و هي القيم التي تضمن 0 < د <1 و – ÷ 2 <<÷ 2. معطى الخامس_س، ? ، ? والسعة ج_{ق 1} و ج_s2، تتأثر قوة وكفاءة خرج WPTS بالخسائر الإجمالية للنظام.

النظر في الحل التوافقي الأول WPTS:

لحظة أين أنا₂ر تقاطع الصفر مع المشتق الموجب هو المرجع لزوايا الطور.

معادلات الحلقات المقترنة WPTS Tx-Rx هي:

أين

يوفر تطبيق معادلات فورييه على الفولتية والتيارات Tx و Rx ما يلي:

بدمج المعادلتين 3 و 5 ، نحصل على المعادلتين 6 و 7:

ض₁و ض₂و الخامس₁و م ? ، ?_Z1، ?_Z2 و ?_{أنا 2} كلها معروفة. من المعادلة 5 ، الخامس₂ و ?_V2 هي وظائف و الخامس_خارج. منح الخامس_س، الخامس_خارجو والوظيفتين الوحيدتين أنا₂ و ?_V1 يتم تحديدها عن طريق حل نظام المعادلات غير الخطية للمعادلتين 6 و 7 باستخدام خوارزمية نيوتن رافسون لتجنب التقريبات المبسطة.

إهمال خسائر تبديل المعدل ، قام المؤلفون بحساب متوسط ​​الإنتاج الحالي (أنا_خارج) من المعدل على النحو التالي:

معتبرا أن جزءا من أنا_خارج ضاع بسبب خسائر تبديل MOSFET:

تيار التبديل (أنا_{sw ، rec}) يمكن اعتباره على أنه مطلوب بواسطة مصدر تيار مشتت مكافئ متصل بالتوازي مع خرج المعدل. يسمح هذا التيار بشكل فعال بتحليل تأثير خسائر تبديل المعدل على طاقة الإخراج وكفاءة WPTS. تبعا لذلك ، مكافئ التيار أنا_{sw ، rec} اعطي من قبل:

من المعادلات 8 و 9 و 10 ، صافي الناتج الحالي (أنا_{خارج ، صافي}) ، وهو ما يمثل تأثير خسائر MOSFET المعدل. أنا_{خارج ، صافي} النتائج المرتبطة بالتيار أنا₂ من خلال معادلة غير خطية ، والتي تعتمد أيضًا على علامة زوايا النار و. المعطى والمعدل أنا_خارج عكس الخامس_خارج منحنى ، والذي يمثل أيضًا خصائص الإخراج لـ WPTS ، يمكن تحديده لمعدلات MOSFET مختلفة لتحديد الجهاز ، مما يضمن أفضل أداء للطاقة والكفاءة.

تيار Tx أنا₁ يمكن تحديده من خلال:

خسائر تحويل العاكس ص_{sw ، الجرد} تم نمذجتها عن طريق مصدر تيار مكافئ بالتوازي مع إدخال العاكس ، والذي يتم إعطاء تياره بواسطة:

يتم إعطاء خسائر التوصيل Tx و Rx من خلال:

يتم تقييم الكفاءة الإجمالية لنظام WPTS على النحو التالي:

التحقق التجريبي من WPTSes

تتميز WPTS المعتمدة للتحقق من النموذج المقترح بمعلمات التشغيل التالية: ?_س = 6.78 ميجا هرتز ، إل₁ = 7.5 ميكرومتر ، إل₂ = 0.93 ميكرومتر ، ج_{1 ثانية} = 1 (ω_س² × إل₁) = 73.5 بيكو فاراد ، ج_{2 ثانية} = 1 (ω_س² × إل₂) = 593 بيكو فاراد ، س_L1 = 150 ، س_L2 = 40 ، س_C1 = س_C2 = 1،000. يتم تحقيق WPTS فعليًا باستخدام ملف Tx (تسع لفات ، 70 × 70 ملم² القطر) وملف Rx (ثماني لفات ، 15 × 15 ملم² قطر الدائرة).

تم وضع ملف Rx في المنتصف فيما يتعلق بملف Tx على مسافة 6 مم من بعضها البعض ، مما أسفر عن عامل اقتران قدره K = 0.076 (محسوبًا عن طريق المحاكي الهيكلي عالي التردد من Ansys). تم اعتماد MOSFETs RUF015N02 من Rohm لمراحل العاكس والمعدل. تم استخدام برامج تشغيل بوابة LM5113-5A من Texas Instruments في وحدات MOSFET للمعدلات والعاكس ، مما يوفر جهد البوابة لـ الخامس_دكتور= 5 فولت والأوقات الميتة من ر_د= 2 نانوثانية. تم اعتماد Xilinx’s Spartan-6 FPGAs من أجل تنفيذ التحكم الشامل.

تم ترميز النموذج غير الخطي والخوارزمية العددية المقترحة سابقًا في Matlab. تظهر الخرائط المحاكاة مقارنة بالخرائط التجريبية أن تنبؤات النموذج صحيحة على نطاق التحقيق بأكمله. تم تحديد ثلاثة شروط تشغيل هي: د = 1 ، ϕ ÷ π = 0 ؛ د = 0.68 ، ϕ ÷ π = 0.19 ؛ و د = 0.52 ، ϕ ÷ π = –0.29.

مراجع

¹دي كابوا وآخرون. (2016). “تأثير أشباه الموصلات على أداء أنظمة نقل الطاقة اللاسلكية.” المؤتمر الدولي الثالث عشر لعام 2016 حول طرق التجميع والنمذجة والتحليل والمحاكاة وتطبيقات تصميم الدوائر (SMACD) ، الصفحات 1-4 ، دوى: 10.1109 / SMACD.2016.7520728.

²بينويلا وآخرون (مايو 2013). “تعظيم كفاءة DC-to-Load لنقل الطاقة الاستقرائي.” معاملات IEEE على إلكترونيات الطاقة ، المجلد. 28 ، رقم 5 ، الصفحات 2437-2447 ، دوى: 10.1109 / TPEL.2012.2215887.

³Chen et al. (نوفمبر 2013). “بحث عن محول الرنين اللا تلامسي ثنائي الاتجاه لشحن الطاقة بين المركبات الكهربائية.” المؤتمر السنوي التاسع والثلاثون لجمعية الإلكترونيات الصناعية IEEE (IECON 2013) ، الصفحات 1236-1241 ، دوى: 10.1109 / IECON.2013.6699309.

⁴زاهد وآخرون. (مارس 2015). “نمذجة والتحكم في نظام نقل الطاقة الاستقرائي المعوض من السلسلة – السلسلة.” مجلة IEEE للموضوعات الناشئة والمختارة في إلكترونيات الطاقة ، المجلد. 3، No. 1، pp.111–123، doi: 10.1109 / JESTPE.2014.2327959.

⁵مانيكتالا ، س. (2006). “تبديل مزودات الطاقة: من الألف إلى الياء.” نيونس.

قم بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة