Hvordan fungerer resonant-induktiv lading?

Hvordan fungerer resonant-induktiv lading?

[English below]

Den trådløse strømoverføringskretsen som blir brukt av Qi og flere andre selskap er en underklasse av omformere kalt “resonansomformere”. Denne typen omformere gjør om likespenning til en vekselstrøm med sinuskurve ved hjelp av en vekselretter, sender denne bølgeformen gjennom en svingekrets (LC-krets) for å heve eller senke vekselstrømmen, for så å likerette vekselstrømmen i det endelige likeretterstadiet. Hvert av disse stegene er vist på figuren under. Ofte finnes det også et filter ved utgangen av likeretteren for å jevne utgangsspenningen.

Trikset for å gjøre en resonansomformer trådløs er å finne en måte å bruke kretselementer i svingekretsen som ikke forutsetter fysisk kontakt. I praksis er det vanlig å bruke to plater i en kondensator eller to spoler fra en transformator, adskilt med en viss avstand.

Resonans oppstår når man har en kombinasjon av spoler og kondensatorer i kretsen som kansellerer effekten av hverandre for en gitt frekvens. Resonansfrekvensen, eller frekvensene, om man bruker mer enn to spoler eller kondensatorer, avhenger av verdiene på spolene og kondensatorene. De to spolene vi bruker i senderen og mottakeren danner en løst koblet transformator. Den løst koblede transformatoren kan modelleres som to spoler og en ideell transformator. De to spolene modelleres som lekkasjeinduktans, eller induktansen som oppstår på grunn av de magnetiske feltlinjene som blir produsert av en spole, men som ikke passerer gjennom den andre spolen. Med en modell av mottaks- og sendespolen kan vi nå fritt velge vår kombinasjon av kondensatorer som skal brukes på sende- og mottakssidan for å velge resonansfrekvensen vi ønsker.



En annen interessant effekt er at resonansfrekvensen har en tendens til å endre seg når lasten ved utgangen endrer seg. Denne figuren er fra den fantastiske boken “Fundamentals of Power Electronics” av Erickson og Maksimovic. Den viser hvordan en resonant overføringsomformerfunksjon (definert som forholdet mellom spenning ut og spenning inn) endrer seg med lasten (representert ved Q her, som er en normalisert versjon av motstandslasten).

Man må ta noen tilleggshensyn når man designer en resonansomformer, for eksempel inngangsimpedansen og utgangslastkarakteristikkene i svingekretsen. Inngangsimpedansen kan hjelpe til med å oppnå “soft switching”, som omformer inngangslikestrømmen til vekselstrøm. Dette bidrar til å øke effektiviteten ved å redusere vekslingstapene vi opplever i dette første steget. Utgangslastkarakteristikken er et annet viktig designelement, siden denne tillater lasten å bli slått på ved utgangen av omformeren for å motta spenningen som trengs mens strømmen blir tatt ut fra omformeren.

 

Ved å designe en resonansomformer med inngangsimpedans, svingekretsfrekvenser og utgangslastkarakteristikker i tankene samtidig, kan man oppnå høyeffektiv trådløs strømoverføring.



----------------------------------------------------------------------------------------------

ENGLISH:

The wireless power transfer circuit that is used by Qi and several other companies is a subclass of a class of converters called “resonant converters”. These types of converters convert a DC voltage into an AC switched waveform using an “inverter”, pass that waveform through a “resonant tank” (the name used for the resonant elements in this type of converter) to step up or step down the AC voltage, then rectify that AC voltage into a output DC voltage that has been stepped up or down in the final “rectifier” stage. Each of these stages is shown in the figure below. Oftentimes you’ll have a filter at the output of the rectifier to smooth the output voltage.

The trick to making a resonant converter wireless is to find a way to incorporate circuit elements into your resonant tank that do not require physical contact. In practice, the solution is to use two plates of a capacitor, or two coils of a transformer, separated by some distance.

Resonance occurs in circuits when you have a combination of inductors and capacitors being excited by a sinusoidal signal at a particular frequency. The resonant frequency, or frequencies when using more than two inductors or capacitors, is dependent on the value of those inductors and capacitors. The two coils we use in the transmitter and receiver form a loosely coupled transformer. The loosely coupled transformer can be modeled as two inductors and an ideal transformer. The two inductors model the "leakage inductance", or the inductance caused by the magnetic field lines produced by one coil that do not pass through the other coil. A circuit model of the transformer is shown in the figure below, which was taken from a fantastic book on electromagnetic machines by Fitzgerald and Kingsley, called “Electric Machinery”. Now, with a model of the receiver and transmitter coils in terms of inductances, we are now free to choose our combination of capacitors to be used on the transmitting and receiving side to tune to the resonant frequency we desire.

Another interesting note is that the resonant frequency tends to shift as the load at the output changes. The figure below is from yet another fantastic book on power electronics called “Fundamentals of Power Electronics” by Erickson and Maksimovic. It shows how a resonant converter transfer function (defined by the ratio of output voltage to input voltage) changes as the load (represented by Q here, which is a normalized version of the load resistance) changes. 


There are additional considerations that must be taken into account when designing a resonant converter. These include the input impedance and output load characteristics of the resonant tank. The input impedance can help achieve “soft switching” on the switching stage that converts the input DC voltage to an AC voltage. This helps to improve efficiency by reducing the switching losses experienced in this first stage. The output load characteristic is another important design element, as it allows the load being powered at the output of the converter to receive the voltage it needs as it varies the amount of power being drawn from the converter.


By designing a resonant converter with the input impedance, resonant tank frequencies, and output load characteristic all in mind, one can achieve high efficiency power transfer with the convenience of wireless power transfer.

The Hybrid Recharger is launching on Kickstarter January 15th, 2019

Thank you! We will keep you updated!

Thanks! You are one of the 500 first customers who will be invited to order the first batch of HYRE products.

Oops! Something went wrong while submitting the form.

Something went wrong. Try again.