Advanced Wireless Power Transfer Technologies : Reactance Cancelling and Inverse Coupled Current Doubler Rectifier

Shi, Lixin (2021). Advanced Wireless Power Transfer Technologies : Reactance Cancelling and Inverse Coupled Current Doubler Rectifier. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.69243.

Description

Title: Advanced Wireless Power Transfer Technologies : Reactance Cancelling and Inverse Coupled Current Doubler Rectifier
Author/s:
  • Shi, Lixin
Contributor/s:
  • Alou Cervera, Pedro
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Electrónica e Informática Industrial [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

Full text

[img] PDF - Users in campus UPM only until 12 July 2022 - Requires a PDF viewer, such as GSview, Xpdf or Adobe Acrobat Reader
Download (9MB)

Abstract

Wireless power transfer (WPT) is gaining more attention in recent years as a means of transferring energy from a power source to an electrical device without the use of cord conductors. With the merit of safety, convenience, robust, flexible, and cost savings, it has been widely used in various application fields such as bio-medical implants, consumer electronics, and electric vehicle charging. This thesis focuses on the improvement of the system performance in terms of the delivered power and system efficiency, through the investigation of various system topologies. This thesis proposes two advanced WPT technologies: reactance cancelling and inverse coupled current doubler rectifier (ICCDR), which are aimed to overcome the detuning problems in the low and medium power application and the low efficiency problem on rectifier stage in high power applications, respectively. In the WPT system, the detuning caused by the parameter variation, the implementation of the frequency control, and components tolerance will decrease a lot the system performance, especially in very low coupling and low power applications. Accordingly, a novel self-adaptive technique using a synchronous series compensator (SSC) to automatically cancel the reactance is proposed in Chapter 3. The principle of the proposed concept is detailed analyzed, the resonance self-tuning process is presented, and the possible applications applying to series resonant tank and parallel resonant tank are demonstrated. In the end, the proposed concept applying to a series-series WPT system is validated by simulations and experiments. A wireless charging prototype working at 6.78 MHz for medical applications has been built and tested experimentally. The inverter stage chosen for the proposed WPT system is the ZVS Class-D amplifier using Gallium Nitride (GaN) devices. A method considering the dead-time of the GaN to design the ZVS tank circuit is proposed in this part. A constant power of 1.8 W can be transmitted with 50% overall efficiency at a coil separation distance of 1.5 cm between the printed-circuit-board transmitter ( 3 x 3 cm2) and receiver ( 1 x 2 cm2) under wide detuning conditions, being 0.95 the ratio between distance and the equivalent diameter of receiver. In Chapter 4, a series-series wireless power transfer (WPT) system combined with an inverse coupled current doubler rectifier (ICCDR) is proposed, as a very appropriate WPT topology for high output current high power applications. The ICCDR uses an autotransformer to reduce the losses on the rectifier stage, which is suitable for high current low voltage output applications. Furthermore, a comprehensive comparison between the proposed WPT system with ICCDR and the traditional WPT system with full bridge rectifier is presented. In the proposed WPT system, the primary parameter configuration and circuit behavior keep the same, while the secondary side altered, contributing to a volume reduction on the secondary resonant capacitor. The system overall efficiency and power density are improved significantly. Accordingly, a 10 kW 400 V/48 V WPT prototype for battery charging is constructed and tested to validate this proposal. The output voltage is in the range between 38 V dc and 55 V dc, and the rated output current is 200 A. The overall efficiency of the proposed system reaches 94 %, improving 2 % efficiency with 220 W energy saving with respect to the traditional diode-rectifier system, when 9.5 kW output power is delivered. Theoretical analysis and experimental results have verified that the proposed system shows great advantages in high power WPT applications. ----------RESUMEN---------- La transferencia inalámbrica de potencia, o WPT por sus siglas en inglés, está recibiendo más atención en los últimos años como un método para transferir energía desde una fuente de energía a un dispositivo eléctrico sin el uso de conductores de cables. Con el mérito de seguridad, conveniencia, robustez, flexibilidad y ahorro de costos, se ha utilizado ampliamente en varios campos de aplicación, como implantes biomédicos, electrónica de consumo y carga de vehículos eléctricos. Esta tesis se centra en la mejora del rendimiento del sistema en términos de la potencia suministrada y la eficiencia del sistema, a través de la investigación de varias topologías del sistema. Esta tesis propone dos tecnologías TIP avanzadas: cancelación de reactancia y rectificador duplicador de corriente de acoplamiento inverso (ICCDR), que su objetivo es superar los problemas de desafinación en la aplicación de baja y media potencia y el problema de baja eficiencia en la etapa del rectificador en aplicaciones de alta potencia, respectivamente. En el sistema WPT, la desafinación causada por la variación de los parámetros, la implementación del control de frecuencia y la tolerancia de los componentes disminuirán mucho el rendimiento del sistema, especialmente en aplicaciones de muy bajo acoplamiento y baja potencia. En consecuencia, se propone en Chapter 3 una nueva técnica autoadaptativa que utiliza un compensador en serie síncrono (SSC) para cancelar automáticamente la reactancia. Se analiza en detalle el principio del concepto propuesto, se presenta el proceso de autoajuste de resonancia y se demuestran las posibles aplicaciones aplicadas al tanque resonante en serie y al tanque resonante en paralelo. Al final, el concepto propuesto que se aplica a un sistema TIP en serie se valida mediante simulaciones y experimentos. Se ha construido y probado experimentalmente un prototipo de carga inalámbrica que funciona a 6,78 MHz para aplicaciones médicas. La etapa inversora elegida para el sistema WPT propuesto es el amplificador ZVS Clase-D que utiliza dispositivos de nitruro de galio (GaN). En esta parte se propone un método que considera el tiempo muerto del GaN para diseñar el circuito del tanque ZVS. Se puede transmitir una potencia constante de 1,8 W con una eficiencia total del 50 % a una distancia de separación de la bobina de 1,5 cm entre el transmisor de placa de circuito impreso ( 3 x 3 cm2) y el receptor ( 1 x 2 cm2) en condiciones de desafinación amplia. siendo 0,95 la relación entre la distancia y el diámetro equivalente del receptor. En Chapter 4, se propone un sistema WPT de serie en serie combinado con un rectificador duplicador de corriente de acoplamiento inverso (ICCDR), como una topología WPT muy apropiada para aplicaciones de alta potencia y corriente de salida. El ICCDR utiliza un autotransformador para reducir las pérdidas en la etapa del rectificador, que es adecuado para aplicaciones de salida de alta corriente y baja tensión. Además, se presenta una comparación completa entre el sistema WPT propuesto con ICCDR y el sistema WPT tradicional con rectificador de puente completo. En el sistema WPT propuesto, la configuración de los parámetros primarios y el comportamiento del circuito se mantienen iguales, mientras que el lado secundario se altera, lo que contribuye a una reducción de volumen en el condensador resonante secundario. La eficiencia general del sistema y la densidad de potencia se mejoran significativamente. En consecuencia, se construye y prueba un prototipo de 10kW 400V / 48V WPT para la carga de baterías para validar esta propuesta. El voltaje de salida está en el rango entre 38 Vdc y 55 Vdc, y la corriente de salida nominal es 200A. La eficiencia general del sistema propuesto alcanza el 94%, mejorando la eficiencia del 2% con un ahorro de energía de 220W con respecto al sistema tradicional de rectificador de diodo, cuando se entrega una potencia de salida de 9.5kW. El análisis teórico y los resultados experimentales han verificado que el sistema propuesto presenta grandes ventajas en aplicaciones de alta potencia.

More information

Item ID: 69243
DC Identifier: https://oa.upm.es/69243/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:69243
DOI: 10.20868/UPM.thesis.69243
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 12 Jan 2022 08:47
Last Modified: 12 Jan 2022 08:47
  • Logo InvestigaM (UPM)
  • Logo GEOUP4
  • Logo Open Access
  • Open Access
  • Logo Sherpa/Romeo
    Check whether the anglo-saxon journal in which you have published an article allows you to also publish it under open access.
  • Logo Dulcinea
    Check whether the spanish journal in which you have published an article allows you to also publish it under open access.
  • Logo de Recolecta
  • Logo del Observatorio I+D+i UPM
  • Logo de OpenCourseWare UPM