انتقال توان القایی کلاس E/EF: دستیابی به خروجی پایدار در شرایط کوپلینگ متغیر و ضعیف

1. مقدمه و مرور کلی

سیستم‌های انتقال توان القایی (IPT) در حال متحول کردن فرآیند شارژ در الکترونیک مصرفی، خودروهای الکتریکی و ایمپلنت‌های زیست‌پزشکی هستند. با این حال، یک نقطه ضعف اساسی همچنان پابرجاست: توان خروجی به شدت به ضریب کوپلینگ ($k$) بین سیم‌پیچ‌های فرستنده (TX) و گیرنده (RX) حساس است. تغییرات در راستای قرارگیری یا فاصله، که منجر به کوپلینگ ضعیف ($k < 0.1$) می‌شود، نوسانات قابل توجهی در توان ایجاد کرده و قابلیت اطمینان و بازده سیستم را تضعیف می‌کند.

این مقاله به طور مستقیم به این مسئله حیاتی می‌پردازد. این مقاله یک سیستم انتقال توان القایی را ارائه می‌دهد که توسط یک اینورتر کلاس E/EF تک‌سوییچه هدایت می‌شود که به دلیل مقرون‌به‌صرفه بودن و بازده بالا شناخته شده است. نوآوری کلیدی نویسندگان نه در دستیابی به استقلال از بار - که مفهومی شناخته شده است - بلکه در گسترش قابلیت اجرای آن به حوزه چالش‌برانگیز کوپلینگ ضعیف است. آن‌ها این امر را با تنظیم عمدی غیرهماهنگ رزونانس سمت ثانویه و استفاده از یک مدل امپدانس گسترش‌یافته محقق می‌سازند و یک نقطه شکست بالقوه سیستم را به یک پارامتر قابل کنترل برای پایداری تبدیل می‌کنند.

2. فناوری هسته‌ای و روش‌شناسی

این پژوهش بر اصلاح یک توپولوژی استاندارد اینورتر کلاس E/EF برای انتقال توان القایی متمرکز است تا محدودیت‌های ذاتی آن در شرایط $k$ پایین را برطرف کند.

2.1 توپولوژی سیستم انتقال توان القایی مبتنی بر اینورتر کلاس E/EF

این سیستم شامل یک ولتاژ ورودی DC ($V_{dc}$)، یک سوییچ منفرد ($S$) که در فرکانس $f_s$ و چرخه وظیفه $D$ کار می‌کند، و یک شبکه رزونانسی است. یک تفاوت کلیدی با طراحی‌های سنتی، استفاده مستقیم از اندوکتانس خودی سیم‌پیچ فرستنده ($L_{tx}$) در رزونانس با یک خازن $C_0$، همراه با یک راکتانس اضافی $X$ است. اندوکتانس رزونانسی اولیه $L_1$ است که با $C_1$ در فرکانسی که توسط فاکتور $q$ تعریف می‌شود، رزونانس می‌کند.

معادلات تعریف‌کننده عبارتند از: $$X = \omega_s L_{tx} - \frac{1}{\omega_s C_0}$$ $$q = \frac{1}{\omega_s \sqrt{L_1 C_1}}$$ که در آن $\omega_s = 2\pi f_s$.

2.2 چالش کوپلینگ ضعیف

طراحی‌های متعارف مستقل از بار کلاس E/EF نیاز دارند که امپدانس بار بازتابی از سمت گیرنده بالاتر از یک آستانه مقاومتی حداقلی باقی بماند. در یک سیستم انتقال توان القایی، این امپدانس بازتابی ($Z_{ref}$) متناسب با $k^2$ است. بنابراین، با کاهش $k$ (کوپلینگ ضعیف)، $Z_{ref}$ می‌تواند از این حداقل بحرانی پایین‌تر بیاید و باعث شود اینورتر نتواند شرایط کلیدزنی صفر-ولتاژ (ZVS) را حفظ کند. این امر منجر به تلفات کلیدزنی، تنش ولتاژ و در نهایت، توان خروجی ناپایدار یا در حال فروپاشی می‌شود - دقیقاً همان مشکلی که در کاربردهایی مانند شارژ با موقعیت آزاد یا دستگاه‌های کاشتنی رخ می‌دهد.

2.3 راه‌حل پیشنهادی: طراحی غیرهماهنگ و مدل امپدانس گسترش‌یافته

مشارکت اصلی مقاله یک تغییر پارادایم است: کنار گذاشتن رزونانس کامل سمت ثانویه. در عوض، آن‌ها یک مدار گیرنده غیرهماهنگ را پیشنهاد می‌دهند. این عدم تنظیم عمدی، ماهیت $Z_{ref}$ مشاهده شده توسط اینورتر را تغییر می‌دهد. با دور کردن مدار ثانویه از رزونانس خالص، $Z_{ref}$ یک مؤلفه راکتیو (به طور خاص، خازنی) به دست می‌آورد.

با استفاده از یک مدل امپدانس گسترش‌یافته که این عدم تنظیم را در نظر می‌گیرد، نویسندگان نشان می‌دهند که یک $Z_{ref}$ خازنی می‌تواند به طور مؤثری مؤلفه مقاومتی پایین ناشی از $k$ ضعیف را جبران کند. این امر اجازه می‌دهد تا امپدانس کل ارائه شده به اینورتر در محدوده عملیاتی پایدار آن باقی بماند، حتی زمانی که $k$ بسیار پایین است. تحلیل بیشتر نشان می‌دهد که چرا یک امپدانس بازتابی القایی کمتر مطلوب است و پایه‌ای نظری برای انتخاب طراحی فراهم می‌کند.

3. جزئیات فنی و فرمول‌بندی ریاضی

تحلیل پایداری بر مدل‌سازی امپدانس مشاهده شده توسط سوییچ کلاس E استوار است. امپدانس شبکه بار $Z_{net}$ باید شرایط شناخته شده کلاس E را برای عملکرد بهینه برآورده کند: $$\text{Re}(Z_{net}) = R_{opt}$$ $$\text{Im}(Z_{net}) = 0 \quad \text{در فرکانس کلیدزنی}$$ در یک سیستم کوپل شده، $Z_{net}$ شامل سهم امپدانس بازتابی $Z_{ref} = (\omega M)^2 / Z_2$ است، که در آن $M = k\sqrt{L_{tx}L_{rx}}$ اندوکتانس متقابل و $Z_2$ امپدانس سمت ثانویه است.

در شرایط رزونانس کامل، $Z_2$ کاملاً مقاومتی است ($R_L$)، که باعث می‌شود $Z_{ref}$ کاملاً مقاومتی و متناسب با $k^2$ باشد. طراحی غیرهماهنگ یک مؤلفه راکتیو $jX_2$ را به $Z_2$ معرفی می‌کند ($Z_2 = R_L + jX_2$). در نتیجه، $$Z_{ref} = \frac{(\omega M)^2}{R_L + jX_2} = \frac{(\omega M)^2 R_L}{R_L^2 + X_2^2} - j\frac{(\omega M)^2 X_2}{R_L^2 + X_2^2}$$ با انتخاب دقیق $X_2$ (خازنی)، بخش موهومی $Z_{ref}$ از دیدگاه سمت اولیه مثبت (القایی) می‌شود. این مؤلفه القایی می‌تواند برای خنثی کردن راکتانس خازنی اضافی در جای دیگر شبکه اولیه استفاده شود و به حفظ $Z_{net}$ مورد نیاز برای عملکرد پایدار اینورتر کمک کند، علیرغم $k$ کوچک (و در نتیجه بخش حقیقی کوچک $Z_{ref}$).

4. نتایج آزمایشی و عملکرد

مفهوم پیشنهادی با یک نمونه اولیه آزمایشی 400 کیلوهرتز اعتبارسنجی شد. معیار کلیدی عملکرد، پایداری توان خروجی در محدوده‌ای از ضرایب کوپلینگ بود.

محدوده کوپلینگ آزمایش شده

0.04 تا 0.07

نماینده شرایط کوپلینگ بسیار ضعیف

نوسان توان خروجی

< 15%

به طور قابل توجهی در کل محدوده پایدار

بازده اوج سیستم

91%

نشان می‌دهد که بازده بالا حفظ شده است

توضیح نمودار: نتایج آزمایشی معمولاً در یک نمودار که توان خروجی نرمال‌شده (یا درصد نوسان توان) را در برابر ضریب کوپلینگ (k) ترسیم می‌کند، ارائه می‌شود. یک منحنی برای "طراحی غیرهماهنگ" پیشنهادی، یک خط تقریباً صاف و افقی با حداقل تغییرات (در محدوده ±7.5%) بین k=0.04 و k=0.07 نشان می‌دهد. در مقابل، یک منحنی با برچسب "طراحی رزونانسی متعارف" یک شیب تند و نزولی را نشان می‌دهد که نشان می‌دهد توان با کاهش k به شدت افت می‌کند. این تضاد بصری به طور قدرتمندی کارآمدی رویکرد عدم تنظیم را در جداسازی توان خروجی از تغییرات کوپلینگ تأکید می‌کند.

نتایج به طور قطعی ثابت می‌کند که طراحی غیرهماهنگ با موفقیت پایداری توان خروجی را از مقدار k جدا می‌کند و چالش اصلی مطرح شده در مقدمه را حل می‌کند.

5. چارچوب تحلیلی و مثال موردی

چارچوب ارزیابی پایداری انتقال توان القایی تحت کوپلینگ متغیر:

شناسایی پارامترها: مشخصات سیستم را تعریف کنید: $f_s$, $L_{tx}$, $L_{rx}$, $R_L$, $P_{out}$ هدف، و محدوده مورد انتظار $k$ (مثلاً 0.03-0.1).
بررسی محدودیت طراحی متعارف: $Z_{ref,min} = (\omega_s k_{min} \sqrt{L_{tx}L_{rx}})^2 / R_L$ را محاسبه کنید. این مقدار را با حداقل مقاومت بار ($R_{min}$) مورد نیاز توسط اینورتر کلاس E/EF انتخاب شده برای ZVS مقایسه کنید. اگر $Z_{ref,min} < R_{min}$، طراحی متعارف در k پایین شکست خواهد خورد.
سنتز طراحی غیرهماهنگ:
- از مدل امپدانس گسترش‌یافته برای بیان امپدانس کل شبکه اولیه $Z_{net}$ به عنوان تابعی از $k$, $R_L$ و مؤلفه عدم تنظیم $X_2$ استفاده کنید.
- یک مسئله بهینه‌سازی فرموله کنید: $X_2$ را به گونه‌ای بیابید که تغییرات در $\text{Re}(Z_{net})$ و $\text{Im}(Z_{net})$ مورد نیاز برای ZVS در محدوده k مشخص شده به حداقل برسد.
- مقدار بهینه خازن/سلف سمت ثانویه را که $X_2$ لازم را فراهم می‌کند (معمولاً عدم تنظیم خازنی) حل کنید.
اعتبارسنجی: سیستم کامل را با مقادیر مؤلفه‌های محاسبه شده در محدوده k شبیه‌سازی کنید تا توان خروجی پایدار و حفظ شرایط ZVS تأیید شود.

مثال موردی (غیرکدی): سیستمی را برای شارژ یک سنسور کوچک اینترنت اشیا در نظر بگیرید که در آن راستای قرارگیری سیم‌پیچ بسیار متغیر است ($k$ از 0.05 تا 0.15 تغییر می‌کند). یک طراحی رزونانسی سری-سری استاندارد، نوسان توان 300% را نشان می‌دهد. با اعمال چارچوب فوق، خازن سری ثانویه عمداً 15% بزرگتر از مقدار رزونانس کامل انتخاب می‌شود. این عدم تنظیم، $Z_{ref}$ را تغییر می‌دهد و به اولیه کلاس E اجازه می‌دهد نقطه کار خود را حفظ کند. طراحی جدید نوسان توان کمتر از 20% را در همان محدوده k نشان می‌دهد و سیستم را عملاً قابل استفاده می‌سازد.

6. تحلیل انتقادی و بینش تخصصی

بینش هسته‌ای: این مقاله درباره اختراع یک اینورتر جدید نیست؛ بلکه درباره یک مصالحه پیچیده در حوزه فرکانس است. نویسندگان تشخیص دادند که جام مقدس "رزونانس کامل" در سمت ثانویه، در واقع دشمن پایداری تحت کوپلینگ ضعیف برای یک اولیه حساس به بار مانند کلاس E است. با معرفی استراتژیک یک مقدار کنترل‌شده از عدم تنظیم، آن‌ها یک جریمه جزئی و اغلب ناچیز در بازده در کوپلینگ ایده‌آل را با دستاوردهای عظیم در استحکام عملیاتی در یک محدوده کوپلینگ وسیع و واقعی معامله می‌کنند. این مهندسی عمل‌گرایی در بهترین حالت خود است.

جریان منطقی: استدلال ظریف و به خوبی ساختار یافته است: 1) شناسایی حالت شکست (k پایین -> $Z_{ref}$ پایین -> ناپایداری اینورتر). 2) تشخیص علت ریشه‌ای (محدودیت $Z_{ref}$ کاملاً مقاومتی). 3) پیشنهاد درمان (پیچیده کردن $Z_{ref}$ از طریق عدم تنظیم برای ارائه یک "دسته تنظیم" اضافی). 4) ارائه ابزار طراحی (مدل امپدانس گسترش‌یافته). 5) اعتبارسنجی آزمایشی. این رویکرد، رویکرد حل مسئله مشاهده شده در آثار بنیادی مانند مقالات اصلی اینورتر مبتنی بر GaN از ETH زوریخ را منعکس می‌کند که آن‌ها نیز بر تغییر شکل امپدانس برای پایداری تمرکز داشتند.

نقاط قوت و ضعف:
نقاط قوت: راه‌حل از نظر مفهومی ساده و ظریف است، به هیچ مؤلفه فعال اضافی یا الگوریتم‌های کنترل پیچیده‌ای نیاز ندارد، که هزینه و پیچیدگی را پایین نگه می‌دارد - یک مزیت کلیدی کلاس E. اعتبارسنجی آزمایشی برای محدوده k ارائه شده متقاعدکننده است.
نقاط ضعف: دامنه مقاله محدود است. این مقاله عمدتاً به پایداری توان خروجی می‌پردازد. تأثیر عدم تنظیم بر سایر معیارهای حیاتی مانند بازده کلی سیستم در کل محدوده k به طور عمیق بررسی نشده است؛ اوج 91% امیدوارکننده است، اما میانگین ممکن است داستان متفاوتی را بیان کند. علاوه بر این، این روش ممکن است مسئله را جابجا کند: حفظ ZVS ممکن است به قیمت افزایش تنش ولتاژ یا جریان روی مؤلفه‌ها تمام شود، که به طور کامل تحلیل نشده است. در مقایسه با شبکه‌های تطبیق فرکانس یا امپدانس تطبیقی مورد استفاده در سیستم‌های سطح بالا (مانند آن‌هایی که در مرورهای IEEE Transactions on Power Electronics بحث شده‌اند)، این یک راه‌حل غیرفعال و ثابت با محدوده دینامیکی محدود است.

بینش‌های عملی: برای مهندسان، نتیجه گیری واضح است: از هدف‌گیری کورکورانه رزونانس کامل در تمام مراحل سیستم انتقال توان القایی خود دست بردارید. هنگام استفاده از اینورترهای غیرخطی یا حساس به بار مانند کلاس E، F، یا Φ، رزونانس ثانویه را به عنوان یک پارامتر طراحی در نظر بگیرید، نه یک محدودیت ثابت. در مرحله شبیه‌سازی اولیه خود از مدل امپدانس گسترش‌یافته برای جاروب کردن همزمان مقادیر k و عدم تنظیم استفاده کنید. این کار به ویژه برای الکترونیک مصرفی و ایمپلنت‌های زیست‌پزشکی که در آن‌ها هزینه، اندازه و سادگی از اهمیت بالایی برخوردار است و کوپلینگ ذاتاً متغیر است، ارزشمند است. این روش برای شارژ خودروهای الکتریکی با توان بالا و هندسه ثابت که در آن‌ها کوپلینگ پایدار است و بازده معیار اصلی است، کمتر مرتبط است.

7. کاربردهای آینده و جهت‌های توسعه

رویکرد انتقال توان القایی کلاس E/EF غیرهماهنگ، دروازه‌هایی را برای چندین کاربرد پیشرفته باز می‌کند:

ایمپلنت‌های زیست‌پزشکی مینیاتوری: برای تحریک‌کننده‌های عصبی یا پمپ‌های دارویی که سیم‌پیچ‌ها بسیار کوچک هستند (اندوکتانس بسیار پایین) و موقعیت‌یابی نسبت به شارژر خارجی بسیار متغیر است، دستیابی به هرگونه کوپلینگ پایدار یک چالش است. این تکنیک می‌تواند توان بی‌سیم قوی و ساده‌ای را برای ایمپلنت‌های نسل بعدی ممکن سازد.
سطوح شارژ چنددستگاهی با موقعیت آزاد: سطوحی که می‌توانند چندین دستگاه (تلفن‌ها، هدفون‌ها، ساعت‌ها) را که در هر جایی قرار داده شده‌اند، شارژ کنند. کوپلینگ ذاتی ضعیف و متغیر برای دستگاه‌های خارج از مرکز دقیقاً همان مشکلی است که این پژوهش حل می‌کند.
توان بی‌سیم برای سنسورهای اینترنت اشیا در محیط‌های خشن: سنسورهای تعبیه شده در ماشین‌آلات یا سازه‌هایی که راستای قرارگیری سیم‌پیچ شارژ در آن‌ها تضمین‌شده نیست.

جهت‌های تحقیقاتی آینده:

سیستم‌های ترکیبی تطبیقی-غیرفعال: این عدم تنظیم غیرفعال را با یک عنصر تطبیقی سبک‌وزن (مثلاً یک بانک خازنی سوییچ‌شده کوچک) در سمت ثانویه ترکیب کنید تا محدوده k پایدار را حتی بیشتر گسترش دهید.
ادغام با نیمه‌هادی‌های گپ پهن: این طراحی را با استفاده از سوییچ‌های GaN یا SiC در فرکانس‌های مگاهرتز پیاده‌سازی کنید. اثرات عدم تنظیم و مدل‌های امپدانس در این فرکانس‌های بالاتر نیاز به ارزیابی مجدد دارند که ممکن است منجر به سیستم‌های حتی کوچکتر شود.
بهینه‌سازی کامل سیستم: فراتر از صرفاً پایداری توان بروید. یک مسئله بهینه‌سازی چندهدفه فرموله کنید که به طور همزمان بازده را حداکثر کند، تنش مؤلفه‌ها را به حداقل برساند و پایداری را در محدوده کوپلینگ تضمین کند، و از پارامتر عدم تنظیم به عنوان یک متغیر کلیدی استفاده کند.
استانداردسازی دستورالعمل‌های طراحی: نمودارها یا ابزارهای نرم‌افزاری توسعه دهید که به مهندسان اجازه می‌دهد بر اساس نیازهای خاص $L$, $C$, $k_{min}$ و $k_{max}$ خود، مقادیر عدم تنظیم را به سرعت انتخاب کنند.

8. مراجع

Zhao, Y., Lu, M., Li, H., Zhang, Z., Fu, M., & Goetz, S. M. (Year). Class E/EF Inductive Power Transfer to Achieve Stable Output under Variable Low Coupling. Journal or Conference Name.
Kazimierczuk, M. K. (2015). RF Power Amplifiers. John Wiley & Sons. (برای تئوری پایه‌ای کلاس E).
Sample, A. P., Meyer, D. T., & Smith, J. R. (2011). Analysis, experimental results, and range adaptation of magnetically coupled resonators for wireless power transfer. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 58(2), 544-554.
Liu, X., Hui, S. Y. R., & et al. (2020). A Critical Review of Recent Progress in Mid-Range Wireless Power Transfer. IEEE Transactions on Power Electronics, 35(7), 9017-9035.
IEEE Standards Association. (2022). IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields, 0 Hz to 300 GHz. IEEE Std C95.1-2022.
Stark, W., et al. (2023). Wireless Power Transfer for Industrial IoT: Challenges and Opportunities. Proceedings of the IEEE.
Fu, M., Zhang, T., Ma, C., & Zhu, X. (2015). Efficiency and Optimal Loads Analysis for Multiple-Receiver Wireless Power Transfer Systems. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 63(3), 801-812.