Hvordan fungerer resonant-induktiv lading?

19/3/2020

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.