Design of Constant Current Operation In 13.56MHzWireless Power Transfer System

本論文主要是針對定電流無線充電系統為研究與實現，主要應用符合國際無線充電聯盟Airfuel所制定之13.56MHz之頻段，整體系統含有E類功率放大器(Class PA)、多股絞合漆包銅線繞製的共振線圈，以及E類整流器(class E Rectifier)。 論文第一章將介紹無線充電系統之分類與應用；第二章詳盡介紹E類功率放大器之電路與探討，藉由理論與數學推導獲得電路中各項參數，並將參數作為選取電路元件之參考，並以Smith Chart中功率線做為驗證E類功率放大器輸出定電壓之方法，第三章將介紹共振線圈，並利用雙埠網路矩陣分析四種不同狀態，分別為電壓控制電壓、電壓控制電流、電流控制電壓以及電流控制電流，最後因應本論文的定電流應用而選擇以電壓控制電流為設計共振線圈之方法，第四章將介紹E類整流器，藉由理論推導將E類整流器電路中各項電壓電流求得，並進一步將繪製電路波型，最後將電路整理後成為E類整流器定電流之方法，第五章為定電流無線充電系統之整合，並實作加以驗證理論，最後是本論文未來展望與結論。This thesis focuses on the research and implementation of wireless power transfer (WPT) system for wide constant current. The main application is 13.56MHz band for international wireless power allies. The overall system contains class-E power amplifiers (Class E PA) and coil is composed of litz copper wire copper, and Class E Rectifiers. The first chapter of the thesis will introduce the classification and application of wireless power transfer system. The second chapter will introduce the circuit and discussion of Class E power amplifier in detail. The theory and mathematics derivation will be used to obtain various parameters in the circuit and the parameters will be used as reference for selecting circuit components. And use the Smith Chart to obtain power line and verify constant voltage Class E power amplifier output power. In the chapter three we will introduce the resonant coil and use the two-port network analysis different four case. namely voltage control voltage and voltage control current, current control voltage, and current control current. Finally, we selection voltage control current for our designing resonant coil method. In the fourth chapter, the class E rectifier will be introduced. The class E rectifier circuit will be deduced through theory. The various circuits are obtained, and the circuit waveforms are further drawn. Finally, the circuit is sorted into a method for determining the constant current of the class E rectifier. The fifth chapter is the integration of the constant current wireless power transfer system, and the verification theory is implemented in practice. Finally, chapter six is the future outlook and conclusion of this paper.致謝 i 摘要 ii Abstract iii 目錄 iv 圖目錄 vi 表目錄 ix 第一章 序論 1 1-1 前言 1 1-2 文獻回顧 2 1-3 論文大綱 3 第二章 定電壓E類功率放大器設計 5 2-1 E類功率放大器原理 5 2-2 E類功率放大器定電壓公式推導 6 2-2-1 E類功率放大器之電路與元件介紹 6 2-2-2 E類功率放大器公式推導 8 2-2-3 定電壓E類功率放大器定電壓驗證 13 2-3 定電壓E類功率放大器公式整理與模擬 16 2-3-1 定電壓E類功率放大器公式整理 16 2-3-2定電壓E類功率放大器結果分析 17 第三章 無線充電系統之共振線圈設計 23 3-1二極共振線圈操作推導 23 3-1-1二極共振線圈介紹 23 3-1-2線圈雙埠網路推導 25 3-1-3磁共振二極線圈推導 27 3-1-4磁共振二極線圈模式分析 30 3-2磁共振二極線圈之定電流設計與結果 34 3-2-1磁共振二級線圈定電流設計 35 3-2-2磁共振二極線圈定電流結果 36 第四章 E類整流器定電流分析 38 4-1 E類整流器原理 38 4-2 E類整流器電路定電流公式推導 39 4-2-1 E類整流器之等效電路與元件介紹 39 4-2-2 E類整流器之定電流公式推導 40 4-3 E類整流器電路定電流之設計與分析 44 4-3-1 E類整流器之定電流設計 45 4-3-2 E類整流器之定電流結果分析 46 第五章 無線充電系統之定電流實作與量測 52 5-1 研究動機 52 5-2 無線充電系統量測環境設定與佈局結果 52 5-3 無線充電系統之定電流量測結果 57 5-4 定電流無線充電系統總結 68 第六章 總結與未來展望 70 6-1 總結 70 6-2 未來展望 71 參考文獻 7