أخبار التكنولوجيا

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 (Iخارج) وكفاءة WPTS نظرًا لجهد الخرج (Vخارج) وزوايا النار للـ MOSFETs Q1س2س3 و س4.

الشكل 1: WPTS الرنانة سلسلة سلسلة1

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

منتج جديد: PAN1782 Series Bluetooth® Low Energy Module

07.06.2023

الطريق غير المشفر إلى التحول الرقمي

07.05.2023

تحقيق أفضل النتائج مع الصيانة التنبؤية للأصول الصناعية

07.05.2023

تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد

بالنسبة للعمليات أحادية الاتجاه ، فإن القيم ذات الأهمية العملية لـ 𝛼 و هي القيم التي تضمن 0 < د <1 و – ÷ 2 <<÷ 2. معطى الخامسس، 𝛼 ، 𝛽 والسعة جق 1 و جs2، تتأثر قوة وكفاءة خرج WPTS بالخسائر الإجمالية للنظام.

النظر في الحل التوافقي الأول WPTS:

تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد
تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد

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

معادلات الحلقات المقترنة WPTS Tx-Rx هي:

تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد

أين

تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد
تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد
تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد

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

تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد

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

تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد
تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد

ض1و ض2و الخامس1و م 𝜔 ، 𝜙Z1، 𝜙Z2 و 𝜙أنا 2 كلها معروفة. من المعادلة 5 ، الخامس2 و 𝜙V2 هي وظائف و الخامسخارج. منح الخامسس، الخامسخارجو والوظيفتين الوحيدتين أنا2 و 𝜙V1 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 (أناخارج) من المعدل على النحو التالي:

تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد

معتبرا أن جزءا من أناخارج ضاع بسبب خسائر تبديل MOSFET:

تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد

تيار التبديل (أناsw ، 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 أناsw ، rec اعطي من قبل:

تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد

من المعادلات 8 و 9 و 10 ، صافي الناتج الحالي (أناخارج ، صافي) ، وهو ما يمثل تأثير خسائر MOSFET المعدل. أناخارج ، صافي النتائج المرتبطة بالتيار أنا2 من خلال معادلة غير خطية ، والتي تعتمد أيضًا على علامة زوايا النار و. المعطى والمعدل أناخارج عكس الخامسخارج 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:

تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد

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

تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد

يتم إعطاء خسائر التوصيل Tx و Rx من خلال:

تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد

يتم تقييم الكفاءة الإجمالية لنظام WPTS على النحو التالي:

تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد

التحقق التجريبي من WPTSes

تتميز WPTS المعتمدة للتحقق من النموذج المقترح بمعلمات التشغيل التالية: 𝑓س = 6.78 ميجا هرتز ، إل1 = 7.5 ميكرومتر ، إل2 = 0.93 ميكرومتر ، ج1 ثانية = 1 (ωس2 × إل1) = 73.5 بيكو فاراد ، ج2 ثانية = 1 (ωس2 × إل2) = 593 بيكو فاراد ، سL1 = 150 ، سL2 = 40 ، سC1 = سC2 = 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 الخامسدكتور= 5 فولت والأوقات الميتة من رد= 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.

تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد
تحليل الخسارة في WPTSes منخفضة الطاقة عالية التردد

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.

كتاب PEN الإلكتروني - يوليو 2023.

قم بزيارة الكتاب الإلكتروني للحصول على المقالة كاملة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *