Conversor Wireless Com Retificador ZCS

Nilton Francisco Oliveira da Silva; Marcelo Lobo Heldwein; Arnaldo José Perin

doi:10.18618/REP.2017.3.2694

Authors

Nilton Francisco Oliveira da Silva Instituto Federal de Santa Catarina, São José – SC, Brasil
Marcelo Lobo Heldwein Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis – SC, Brasil
Arnaldo José Perin Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis – SC, Brasil**

DOI:

https://doi.org/10.18618/REP.2017.3.2694

Keywords:

Acoplamento Eletromagnético, Rede de Imitância, Retificador com Comutação Suave, Transferência de Energia Indutiva

Abstract

Este trabalho apresenta o estudo e o desenvolvimento de um conversor wireless para carregar supercapacitores, que utiliza redes de imitância para sintonizar o primário e o secundário de um transformador com baixo coeficiente de acoplamento. A frequência de operação do conversor é a frequência de ressonância das redes de imitância e, nesta condição, a rede opera como um conversor V/I (a fonte de tensão na entrada é convertida em fonte de corrente na saída). A rede de imitância do primário alimenta o transformador com corrente de amplitude constante. A rede de imitância no secundário assegura a comutação suave do retificador e corrente constante com baixa ondulação na saída do conversor para toda faixa de operação da tensão na carga. Conversores com esta característica são adequados para alimentar cargas como supercapacitores e baterias.

Downloads

Download data is not yet available.

Author Biographies

Nilton Francisco Oliveira da Silva, Instituto Federal de Santa Catarina, São José – SC, Brasil

, nasceu em Pelotas, Rio Grande do Sul em 1963. Formou-se em Engenharia Elétrica pela Universidade Católica de Pelotas em 1985. Obteve o título de Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina em 1988 e atualmente está concluindo o curso de doutorado em Engenharia Elétrica na mesma instituição (previsão de defesa 2017). É Professor do Departamento de Telecomunicações do Instituto Federal de Santa Catarina desde 1990. De 1990 à 2012 foi sócio e trabalhou como gerente de desenvolvimento da empresa CEBRA Ltda.

Marcelo Lobo Heldwein, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis – SC, Brasil

, possui graduação (1997) e mestrado (1999) em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e doutorado (2007) pelo Swiss Federal Institute of Technology (ETH Zurich). Atualmente é professor adjunto do Departamento de Engenharia Elétrica da UFSC. De 1999 a 2001 atuou como assistente de pesquisa no Instituto de Eletrônica de Potência (INEP), Florianópolis. De 2001 a 2003 foi engenheiro de P&D da Informat, trabalhando no projeto de fontes junto à Emerson Network Power. De 2003 a 2008 trabalhou no ETH Zurich na área de Eletrônica de Potência. Tem experiência na área de Eletrônica Industrial, atuando principalmente nos seguintes temas: fontes de alimentação, EMC, conversores PWM trifásicos, conversores multiníveis, correção do fator de potência, modelagem e controle de conversores estáticos e sistemas de conversores estáticos distribuídos. É Senior Member do Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) e membro da Associação Brasileira de Eletrônica de Potência (SOBRAEP).

Arnaldo José Perin, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis – SC, Brasil**

, nasceu em Nova Prata, Rio Grande do Sul em 1953. Formou-se em Engenharia Eletrônica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul em 1977. Obteve o título de Mestre em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal de Santa Catarina em 1980 e o título de Docteur Ingenieur (Dr. Ing.) pelo Institut National Polytechnique de Toulouse, França, em 1984. Professor do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina desde 1980 onde foi PROFESSOR TITULAR a partir de 1996. Atualmente é aposentado e atua como Professor Voluntário. Já atuou em projetos em conjunto com a indústria, orientou dissertações de Mestrado, teses de doutorado, publicou um livro e tem publicado trabalhos em revistas e congressos no país e no exterior. Sua área de atuação é a Eletrônica de Potência, atuando principalmente nos seguintes temas: correção do fator de potência, conversores multiníveis, inversores, modulação e sistemas de iluminação. É Member do Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) e membro fundador da Associação Brasileira de Eletrônica de Potência (SOBRAEP).

References

T. Yasuda, I. Norigoe, S. Abe, Y. Kaneko,"Contactless charging systems",in IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC),pp. 1-7, 2011.https://doi.org/10.1109/INTLEC.2011.6099794 DOI: https://doi.org/10.1109/INTLEC.2011.6099794

J. Villa, J. Sanz, J. Sallan, "Inductive battery charging system for electric vehicles”, in World Electric Vehicle Symposium and Exhibition (EVS27), pp. 1-4, 2013.https://doi.org/10.1109/EVS.2013.6914927 DOI: https://doi.org/10.1109/EVS.2013.6914927

S. Lee, B. Choi, C. Rim, "Dynamics Characterization of the Inductive Power Transfer System for Online Electric Vehicles by Laplace Phasor Transform",IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 12, pp.5902-5909, Dec 2013.https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2254500 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2013.2254500

L. Chen, G. Nagendra, J. Boys, G. Covic, "Double-Coupled Systems for IPT Roadway Applications", IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 3, no. 1, pp. 37-49, March2015.https://doi.org/10.1109/JESTPE.2014.2325943 DOI: https://doi.org/10.1109/JESTPE.2014.2325943

Sunwin, "Super Capacitor City Bus", 2015.[Online].Disponível em:www.sunwinbus.com

Z.E.L. Co, "EDLC Urban Rail System", 2015.[Online]. Disponível em:www.csrgc.com.cn

T. Kudo, T. Toi, Y. Kaneko, S. Abe, "Contactless power transfer system suitable for low voltage and large current charging for EDLCs",in International Power Electronics Conference (IPEC - ECCE-Asia),pp. 1109-1114, 2014.https://doi.org/10.1109/IPEC.2014.6869725 DOI: https://doi.org/10.1109/IPEC.2014.6869725

M. B. Borage,Resonant Converter Topologies for Constant-Current Power Supplies and Their Applications, Tese de Doutorado, Raja Ramanna Centre for Advanced Technology, Indore, 2011.

G. A. Covic, J. T. Boys, M. L. G. Kissin, H. G. Lu,"A Three-Phase Inductive Power Transfer System for Roadway-Powered Vehicles", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 54, no. 6, pp. 3370-3378,Dec 2007.https://doi.org/10.1109/TIE.2007.904025 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2007.904025

A. Reatti, "Analysis and design of a current-driven two-inductor ZCS low di/dt full-wave rectifier",IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, vol. 43, no. 9, pp. 745-759,Sep 1996.https://doi.org/10.1109/81.536744 DOI: https://doi.org/10.1109/81.536744

W. A. Nitz, W. C. Bowman, F. T. Dickens, F. M.Magalhaes, W. Strauss, W. B. Suiter, N. G. Ziesse,"A new family of resonant rectifier circuits for high frequency DC-DC converter applications”, in IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, pp. 12-22, 1988.

M. K. Kazimierczuk, "Analysis of class E zero-voltage-switching rectifier",IEEE Transactions on Circuits and Systems, vol. 37, no. 6, pp. 747-755, Jun1990.https://doi.org/10.1109/31.55033 DOI: https://doi.org/10.1109/31.55033

M. Bartoli, A. Reatti, H. K. Kazimierczuk, "Class-E current-driven center-tapped low dv/dt rectifier”, in IEEE Industry Applications Conference (IAS), pp.874-881, 1995.

A. Ivascu, M. K. Kazimierczuk, S. Birca-Galateanu,"Class E resonant low dv/dt rectifier",IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, vol. 39, no. 8, pp. 604-613,Aug 1992.ttps://doi.org/10.1109/81.168927 DOI: https://doi.org/10.1109/81.168927

A. Reatti, M. K. Kazimierczuk, R. Redl, "Class Efull-wave low dv/dt rectifier", IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, vol. 40, no. 2, pp. 73-85, Feb 1993.https://doi.org/10.1109/81.219821 DOI: https://doi.org/10.1109/81.219821

M. K. Kazimierczuk, J. J. Jozwik, "Analysis and design of class E zero-current-switching rectifier",IEEE Transactions on Circuits and Systems, vol. 37,no. 8, pp. 1000-1009, Aug 1990.https://doi.org/10.1109/31.56073 DOI: https://doi.org/10.1109/31.56073

M. K. Kazimierczuk, W. Szaraniec, "Analysis of classE low di/dt rectifier with a series inductor",IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 29, no. 1, pp. 278-287, Jan 1993.https://doi.org/10.1109/7.249137 DOI: https://doi.org/10.1109/7.249137

A. Ivascu, M. K. Kazimierczuk, S. Birca-Galateanu,"Class E resonant low di/dt rectifier",IEE ProceedingsG - Circuits, Devices and Systems, vol. 140, no. 6, pp.417-423, Dec 1993.https://doi.org/10.1049/ip-g-2.1993.0067 DOI: https://doi.org/10.1049/ip-g-2.1993.0067

R. W. Erickson, D. Maksimoni ́fundamentals of Power Electronics, Springer US, New York, 2001.https://doi.org/10.1007/b100747 DOI: https://doi.org/10.1007/b100747

C. Y. Huang, G. A. Covic, J. T. Boys, "Resonant network design considerations for variable coupling lumped coil systems”, in IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), pp. 3841-3847,2012.

C. Y. Huang, J. E. James, G. A. Covic, "DesignConsiderations for Variable Coupling Lumped CoilSystems",IEEE Transactions on Power Electronics,vol. 30, no. 2, pp. 680-689, Feb 2015. https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2311818 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2014.2311818

N. A. Keeling, G. A. Covic, J. T. Boys, "AUnity-Power-Factor IPT Pickup for High-PowerApplications",IEEE Transactions on IndustrialElectronics, vol. 57, no. 2, pp. 744-751, Feb 2010. https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2027255 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2009.2027255

H. Irie, H. Yamana, "Immittance converters suitable forpower electronics",Electrical Engineering in Japan,vol. 124, no. 2, pp. 53-62, Jul 1998. https://doi.org/10.1002/(SICI)1520-6416(19980730)124:2<53::AID-EEJ7>3.0.CO;2-N DOI: https://doi.org/10.1002/(SICI)1520-6416(19980730)124:2<53::AID-EEJ7>3.0.CO;2-N

N. Keeling, G. A. Covic, F. Hao, L. George, J. T. Boys,"Variable tuning in LCL compensated contactlesspower transfer pickups",in IEEE Energy ConversionCongress and Exposition, pp. 1826-1832, 2009. https://doi.org/10.1109/ECCE.2009.5316169 DOI: https://doi.org/10.1109/ECCE.2009.5316169

H. Irie, H. Kisimoto, "A T-LCLC type immittanceconverter",Electrical Engineering in Japan, vol. 142,no. 3, pp. 57-63, Dec 2003.

https://doi.org/10.1002/eej.10095 DOI: https://doi.org/10.1002/eej.10095

K. Onishi, H. Irie, A. Sakurai, H. Yamana,"Examination on Efficiency Characteristics of Immittance Converter",Journal of the Japan Instituteof Power Electronics, vol. 24, no. 1, pp. 56-62, April1998.

M. Budhia, G. Covic, J. Boys, "Design andOptimization of Circular Magnetic Structures forLumped Inductive Power Transfer Systems",IEEETransactions on Power Electronics, vol. 26, no. 11, pp.3096-3108, Nov 2011. https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2143730 DOI: https://doi.org/10.1109/TPEL.2011.2143730

R. Bosshard, J. Muhlethaler, J. Kolar, I. Stevanovic,"Optimized magnetic design for inductive powertransfer coils",in Applied Power ElectronicsConference and Exposition (APEC), pp. 1812-1819,2013. https://doi.org/10.1109/APEC.2013.6520541 DOI: https://doi.org/10.1109/APEC.2013.6520541

M. Budhia, J. Boys, G. Covic, C.-Y. Huang,"Development of a Single-Sided Flux MagneticCoupler for Electric Vehicle IPT Charging Systems",IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60,no. 1, pp. 318-328, Jan 2013. https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2179274 DOI: https://doi.org/10.1109/TIE.2011.2179274

Y. Nagatsuka, N. Ehara, Y. Kaneko, S. Abe, T. Yasuda,"Compact contactless power transfer system forelectric vehicles",in Power Electronics Conference(IPEC), pp. 807-813, 2010. https://doi.org/10.1109/IPEC.2010.5543313 DOI: https://doi.org/10.1109/IPEC.2010.5543313

N. Silva, R. L. O. Pinto, M. L. Heldwein, A. J. Perin,"Magnetic link device design for an inductive powertransfer system",in 13th Brazilian Power ElectronicsConference and 1st Southern Power ElectronicsConference (COBEP/SPEC), pp. 1-6, 2015. https://doi.org/10.1109/COBEP.2015.7420191 DOI: https://doi.org/10.1109/COBEP.2015.7420191