Power amplifier design and implementation for loosely coupled wireless power transfer system

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2016-02-15
Department
Major/Subject
Elektroniikka ja sovellukset
Mcode
S3007
Degree programme
EST - Elektroniikka ja sähkötekniikka (TS2005)
Language
en
Pages
90 + 7
Series
Abstract
The exploitation of magnetic resonance induction in wireless power transfer system where two magnetically coupled tuned resonators forms an energy transfer path is introduced. Starting from equivalent circuit of coupled LC-resonators the expression for maximum power transfer efficiency was derived and it was found that coupling factor and resonators Q values are determinant in power transfer efficiency. Class D ZVS (zero voltage switching) and Class E switch mode power amplifiers were studied and prototype power stages were designed and implemented. Both amplifiers were tested with A4WP compliant coil set at 6.78MHz operation frequency. Several performance tests were carried out and at the end amplifier topologies were compared with respect to power transfer efficiency. According to the results both amplifier topologies met the high efficiency requirement needed in wireless power transfer, even though those both have their own optimal operation conditions where maximum efficiency is achieved. As a result topology selection table was presented as a tool for designer and design guidelines concerning amplifier topology selection, PWB layout, amplifier ZVS tuning and EMI were introduced. Previously in RF engineering exclusively seen GaN FETs are breaking into area of power electronics and the interest in their excellent switching characteristics brought them also part of this work. Both amplifiers were implemented by using GaN FETs as a switching device and high performance were proved by thermal measurements and observing switching waveforms. Main characteristics of GaN FET were studied and some qualitative comparison with MOSFET introduced.

Magneettista resonanssi-induktiota hyödyntävässä langattomassa tehonsiirtojärjestelmässä kaksi heikosti toisiinsa kytkettyä resonaattoria muodostavat tehonsiirtotien. Lähtien liikkeelle kytkettyjen LC-resonaattorien piirikaaviosta johdetaan lauseke tehonsiirtohyötysuhteelle ja havaitaan kytkentäkertoimen ja resonaattoreiden Q-arvojen olevan määrääviä tekijöitä tehonsiirtohyötysuhteen arvossa. Työssä suunnitellaan ja toteutetaan kytkemistekniikkaan perustuvat D ja E-luokan tehovahvistimet. Kumpikin vahvistin testataan A4WP standardin mukaisella lähetin-vastaanotin parilla 6,78 MHz toimintataajuudella. Useita suorituskyky mittauksia suoritetaan ja lopuksi vahvistin topologioiden hyötysuhde arvoja vertaillaan. Kummankin vahvistin topologian havaitaan täyttävän langattoman tehonsiirto järjestelmän korkeat hyötysuhde vaatimukset, vaikka vahvistimien optimaaliset toiminta olosuhteet eroavatkin toisistaan. Työ tarjoaa suunnittelijoille ohjeita oikean vahvistin topologian valinnassa, piirilevyn suunnittelussa, vahvistimien optimaalisesta virityksestä sekä EMI näkökohdista. Aiemmin yksinomaan radiotekniikassa käytetyt GaN FET transistorit ovat alkaneet herättää kiinnostusta myös tehoelektroniikan puolella. GaN FET kytkinkomponenttien erinomaiset kytkentäominaisuudet toivat ne myös osaksi tätä työtä. Työn molemmat vahvistimet toteutettiin GaN FET kytkimillä ja niiden erinomainen suorituskyky vahvistettiin mittauksin.
Description
Supervisor
Sepponen, Raimo
Thesis advisor
Ruippo, Pekko
Keywords
wireless power transfer, Magnetic resonance induction, coupled resonators, GaN FET, class E, class D
Other note
Citation