I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv Sy s t e m   ( I J P E DS )   Vo l.   8 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 7 ,   p p .   1 2 6 0 ~ 1 2 7 3   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v8 i 3 . pp 1 2 6 0 - 1273     1260       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I JP E DS   Desig n and  Analy sis  of Capa citive  Po w er Tran sfer S y ste m  w ith  a nd w ithout t he I m pe da nce Ma tchi ng  Circuit       F . K . Ra h m a n 1 S ha k ir  Sa a t 2 Yus m a rnit a   Yus o p 3 ,   H uz a i m a h H u s in 4 ,   Y. Aziz 5   1 , 2, 3, 4   F a c u l ty   o f   El e c tro n ics   &   Co m p u ter E n g in e e rin g ,   Un iv e rsiti   T e k n ik a M a la y sia   M e la k a ,   M a la y s ia   Ce n tre o f   L a n g u a g e s an d   Hu m a n   De v e lo p m e n t,   Un iv e rsiti   T e k n i k a M a la y sia   M e la k a ,   M a la y sia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma y   5 ,   2 0 1 7   R ev i s ed   J u l   7 ,   2 0 1 7   A cc ep ted   A u g   3 ,   2 0 1 7       T h is  p a p e p re se n ts  th e   d e sig n   a n d   a n a ly sis  o f   a   re lativ e l y   n e w   w ir e les s   p o w e tran sfe tec h n iq u e   u si n g   c a p a c it iv e   c o u p li n g ,   n a m e d   C a p a c it iv e   p o w e r   tran sf e (CP T ) .   In   g e n e ra l,   CP T   s y ste m   h a b e e n   in tro d u c e d   a a n   a tt ra c ti v e   a lt e rn a ti v e   to   th e   f o rm e in d u c ti v e   c o u p li n g   m e th o d .   T h is  is  b e c a u se   CP T   u se les se r   n u m b e r   o c o m p o n e n ts,   sim p ler  to p o lo g y ,   e n h a n c e d   EM I   p e rf o r m a n c e   a n d   b e tt e stre n g th   to   su rr o u n d i n g   m e talli c   e le m e n ts.   In   t h is  w o rk ,   a lu m in iu m   sh e e i u se d   a a   c a p a c it iv e   c o u p li n g   a tran sm it ter  a n d   re c e iv e sid e .   M o re o v e r ,   a   Cla ss - r e so n a n i n v e rter  to g e th e w it h   π1 a   im p e d a n c e   m a tch in g   n e t w o rk   h a b e e n   p ro p o se d   b e c a u se   o f   it s   a b il it y   to   p e rf o r m   th e   d c - to - a c   in v e rsio n   w e ll .   It  h e lp th e   CP T   sy ste m   to   a c h iev e   m a x i m u m   p o w e tran s f e r.   T h e   CP T   sy ste m   is  d e sig n e d   a n d   si m u late d   b y   u sin g   M A TL A B/ S i m u li n k   so f twa re .   T h e   v a li d it y   o f   th e   p ro p o se d   c o n c e p t   is  th e n   v e rif ied   b y   c o n d u c ti n g   a   la b o ra to ry   e x p e ri m e n tal  o f   CP T   s y ste m .   T h e   p ro p o se d   sy ste m   a b le  to   g e n e ra te  a   9 . 5 W   o u t p u t   p o w e th ro u g h   a   c o m b in e d   in terf a c e   c a p a c it a n c e   o 2 . 4 4 n F ,   a a n   o p e ra ti n g   f re q u e n c y   o 1 M Hz ,   w it h   9 5 . 1 0 %   e ff icie n c y .   T h e   p ro p o se d   CP T   s y ste m   w it h   i m p e d a n c e   m a tch in g   n e tw o rk   a lso   a ll o w lo a d   v a riati o n   in   t h e   ra n g e   o f     20%   f ro m   it s   n o m in a v a lu e   w h il e   m a in tain in g   th e   e f f ici e n c y   o v e 9 0 % .   K ey w o r d :   A l u m i n u m   s h ee t   C ap ac itiv e   p o w er   t r an s f er   MA T L A B   s i m u li n k   W ir eless   p o w er   tr an s f er           i m p ed an ce   m atch in g   Co p y rig h © 201 7   I n s t it u te o f   Ad v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Sh a k ir   Saat,     Facu lt y   o f   E lectr o n ics  &   C o m p u ter   E n g i n ee r i n g ,   Un i v er s it i T ek n ik al  Ma la y s ia  Me lak a,   Me lak a,   Ma la y s ia .   E m ail:  s h a k ir @ u te m . ed u . m y       1.   I NT RO D UCT I O N   As  p ar o f   t h p r o m i s in g   w ir e less   p o w er   tr a n s f er   s y s te m ,   ca p ac itiv p o w er   tr an s f er   ( C P T )   h as   b ee n   o n o f   th m aj o r   r esear ch es  in   b u ild in g   s u s tain ab le  en g i n ee r in g   s y s te m   n o w ad a y s .   Ot h er   th an   C P T ,   I n d u ctiv e   P o w er   T r an s f er   ( I P T )   [ 1 ] ,   [ 2 ]   an d   A co u s tic   E n er g y   T r an s f er   ( A E T )   ar also   a v ailab le   [ 3 ] ,   [ 4 ] ,   [ 5 ] .   T h m aj o r   d if f er e n ce   o f   t h ese  t y p es  o f   w ir ele s s   p o w er   tr an s f er   s y s te m   is   in   ter m s   o f   t h co u p li n g   b et w ee n   tr an s m itter   an d   r ec eiv er   w h er eb y   C P T   u s es  elec tr ic  f ield   p r o p ag atio n   [ 6 ] ,   [ 7 ]   w h ile  I P T   u s es  m ag n etic  f ield   tr a n s f er     [ 8 ] ,   [ 9 ]   an d   p r o p ag atio n   o f   s o u n d   w a v es i s   t h m et h o d   u s ed   in   A E T   [ 1 0 ] ,   [ 4 ]   So m o f   th w ea k n es s es  o f   in d u cti v p o w er   tr an s f er   w h i ch   s u cc ee d ed   to   b en h a n ce d   b y   C P T   in cl u d u n ab le  to   p en etr ate  m etal  s h ie ld in g   d u to   lo w   a n ti - i n ter f er e n ce   ab ilit y   o f   th e   m a g n etic  f ield ,   a n d   also   lar g er   ed d y   c u r r en p r o d u ce d   b y   I P T   th u s   in d icate   h i g h er   lo s s es   [ 1 1 ] .   Stro n g   a n ti - i n ter f er en ce   ca n   r ed u c e   en er g y   lo s s   a n d   elec tr o m a g n etic  in ter f er en ce ,   b esid es  e n a b le  th d ev ice  to   w o r k   i n   s atu r ated   o r   in ten s e   m ag n etic  f ield s   e n v ir o n m en t.     B ased   o n   Fig u r 1 ,   C P T   s y s t e m   co n s is t s   o f   t w o   m aj o r   p ar t s   w h ic h   ar t h tr an s m itti n g   u n i a n d   th e   r ec eiv in g   u n it  an d   is   s ep ar ate d   b y   m ed iu m   i.e   air /s k i n /p ap er /etc.   B u ild in g   C P T   s y s te m   b y   u s in g   class   E   in v er ter   i s ,   at  th m o m e n t,  th e   m o s r eliab le  m et h o d   f o r   h i g h er   f r eq u en c y   [ 12] [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ] .   Mo r eo v er ,   th is   t y p e   o f   in v er ter   is   also   u s ed   s i n ce   it   h as  s i m p le  to p o lo g y   an d   v e r y   h i g h   e f f icie n c y   ac h iev ed   i n   r etu r n   b ec au s o n e   o f   th c h ar ac ter is tic s   o f   cla s s   E   is   th at  i is   ab le  to   ac h ie v 1 0 0 s w i tch i n g   co n d itio n   k n o w n   as  Z er o - Vo lta g e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      I SS N : 2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS  Vo l.   8 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 7   :   1 2 6 0 - 1273   1261   S w itc h in g   ( Z VS) .   D u r in g   t i m in ter v al,   th e   s w itc h   c u r r en an d   v o lta g w a v ef o r m s   m u s n o b o v er lap p ed   th r o u g h o u t h s w itc h in g   t i m in ter v als  th u s   p r o d u ce   h i g h l y   ef f icie n t   s y s te m   s in ce   s w itc h i n g   lo s s es  ar e   v ir tu a ll y   ze r o ,   p r o v id ed   th c o m p o n en t s   v alu e s   ar s u itab l y   c h o s e n .   T h b asic   id ea   o f   a   C P T   s y s te m   is   as   s k etc h ed   in   F ig u r 1 .           Fig u r 1 .   B asic CP T   Sy s te m       A p ar f r o m   its   ad v an tag e s ,   C P T   is   cu r r en tl y   h av in g   m a j o r   is s u o n   th e f f icie n c y   a s   s ep ar atio n   d is tan ce   is   i n cr ea s i n g .   T h is   ca n   b clea r ly   s h o w n   i n   [ 1 5 ]   w h er eb y   in   o r d er   to   ac h iev ef f icien c y   o f   9 8 . 4 4 %,   th g ap   b et w ee n   th ca p ac iti v co u p lin g   is   as  n ea r   as  le s s   t h an   1 m m   f o r   b asic  cir cu it  co n f i g u r atio n   w it h   clas s   E   in v er ter .   B esid es,  th er w a s   also   an   an a l y s is   r eg ar d in g   g ap   d is ta n ce   w h ic h   co n cl u d ed   th at   as  d i s ta n ce   in cr ea s es,   th e   ef f ic ien c y   o f   t h e   s y s te m   r ep r esen ted   b y   o u tp u t   v o lta g i s   tr e m en d o u s l y   d ec r ea s es  e x p o n en tiall y   s h o w n   in   F ig u r 2           Fig u r 2 .   O u tp u v o ltag d ec r e ases   tr e m e n d o u s l y   a n d   d is tan c in cr ea s es   [ 1 5 ]       R ea lis i n g   t h i s s u o f   s y s te m s   ef f icie n c y ,   t h is   w o r k   i n te n d ed   to   p r o p o s class   E   cir cu i w it h   t h e   ad d itio n   o f   an   i m p ed a n ce   m atch i n g   cir c u it.  T h is   cir cu it  is   m ai n l y   ad d ed   to   im p r o v e   ef f ic ien c y   o f   t h e   p ar ticu lar   s y s te m   b y   s tab ilis i n g   it   an d   e v e n tu a ll y   s u s ta i n   h i g h er   o u tp u t   p o w er .   I m p ed a n c m atc h i n g   o f   w o r k   in   [ 1 6 ]   u s ed   to   m a x i m is t h e   a m o u n o f   p o w er   ex tr ac ted   i n   p o w er   co n d itio n in g   cir c u i t .   I n   an o th er   w o r k   [ 1 7 ] ,   b y   u s i n g   i m p ed a n ce   m a tch i n g ,   th e   p ar ticu lar   w o r k   ac h iev ed   ef f icie n c y   as   h ig h   a s   9 5 . 4 4 w h ile   s t ill   ab le  to   p r o d u ce   s tab le  s i n u s o id al  s ig n al  to   d r i v t h ca p a citiv co u p lin g   b ased   o n   f lat  r ec tan g u lar   co p p er   p lates ,     an d   o p er ated   at  1 MH z.   T h co n tr ib u tio n   o f   t h is   p ap er   ca n   b b r ief   as f o llo w s :   a.   T h is   p ap er   f o cu s es  o n   d esi g n in g   C P T   s y s te m   b ased   o n   C las s - E   r eso n an i n v er ter   to p o lo g y   w it h   alu m in u m   s h ee ts   ac ti n g   as  ca p ac itiv p lates.  T h o b tain ed   ef f icie n c y   i s   9 5 . 1 w i th   1 2 d in p u s u p p l y ,   an d   o p er ated   at  1 MH to   p r o d u ce   s tab le  s i n u s o id al  s ig n al  ac r o s s   t h lo ad .   T h C lass - E   r eso n a n t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Desig n   a n d   A n a lysi s   o f CPT S ystem  w ith   a n d   w ith o u t th I m p ed a n ce   Ma tch in g   C ir cu it   ( F . K . A   R a h ma n )   1262   in v er ter   w it h   i m p ed a n ce   m atc h in g   n et w o r k   is   a ls o   p r o p o s ed   to   allo w   lo ad   v ar iatio n   in   th e   r an g e   o f     20%   f r o m   it s   n o m in a l v al u e .   b.   E f f icien c y   o f   t h C P T   s y s te m   is   m ai n tai n ed   o v er   9 0 w i th   s m aller   p lates   s ize  w it h   th e   in tr o d u c tio n   o f   th π1 i m p ed an ce   m atc h in g   n et w o r k .   c.   T h ef f ec ts   o n   o u tp u p o w er   p er f o r m a n ce   ar e   an al y s ed   a n d   b ein g   p r o v ed   b y   co m p ar in g   b o th   co n d itio n s   o f   th cir cu it i. e   n o n - m atc h i n g   an d   w it h           m atch i n g   n e t w o r k       2.   I M P E DANC E   M AT CH I N G   NE T WO RK   A   g o o d   s y s te m   d es ig n   is   d ef i n ed   as  s y s te m   w h ic h   h as  h ig h   o u tp u p o w er   an d   is   ab le  to   ac h iev e   al m o s 1 0 0 ef f icie n c y .   T h u s   th p u r p o s o f   a n   i m p ed a n ce   m atch in g   i n   an   o r d in ar y   c ir cu it  is   to   p r o v id m ax i m u m   p o w er   tr an s f er   b etw ee n   th s o u r ce   an d   its   lo ad   [ 1 8 ] .   T h is   is   esp ec iall y   v ita if   o n d ea ls   w it h   l o w   a m p lit u d s i g n als.   T h w o r k   also   h ig h li g h ted   t w o   m ai n   r e aso n s   o f   h a v i n g   an   i m p ed an c m atc h i n g   cir c u it.   Fir s t,   i s   to   h a v e   b etter   p o w er   e f f icien c y ,   a n d   s ec o n d ,   is   to   ac t   as a   d ev ice  p r o tectio n .   T h i m p ed a n ce   m atc h i n g   cir cu it is   ad d ed   b ef o r th r esi s tiv lo ad ,   as s h o w n   i n   Fi g u r 3 .               Fig u r 3 .   B lo ck   d iag r a m   o f   t h C lass   E   a m p li f ier   w ith   i m p e d an ce   m atc h i n g   r eso n an t c ir c u i t [ 8 ]       A cc o r d in g   to   [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ]   th er ar f o u r   t y p es  o f   i m p ed an ce   m atch in g   n e t w o r k s   n a m el y                           an d         ; see  Fig u r 4 .           Fig u r 4 .   Dif f er en t t y p e s   o f   i m p ed an ce   m atch in g   n e t w o r k s   i n tr o d u ce d   b y   Ma r ian   et. al.   ( a)   R eso n a n cir cu it         .   ( b )   R eso n an t c ir cu it         .   ( c)   R eso n a n t c ir cu it         .   ( d )   R eso n an t c ir cu i t           [ 1 9 ] ,   [ 2 0]       A ll  o f   th e s d esi g n s   h a v d if f er en c h ar ac ter is tic s   in   ter m s   o f   cir cu it  co n f i g u r atio n s   a n d   also   th e   m ea s u r e m e n f o r   t h co m p o n e n ts   v al u es.  Fi g u r 4   ( a)   an d   ( c )   f o cu s   o n   t h r ea cta n ce   o f   th e   ca p ac ito r   C ,   w h il e   ( b )   an d   ( d )   a r co n ce r n in g   o n   th r ea ct an ce   o f   t h in d u cto r   L .   I n   [ 1 7 ] ,   au th o r s   u tili ze d           as   th eir   m atch i n g   cir cu it  to   en h a n ce   o u tp u p o wer   o f   th ex is ti n g   ca p ac itiv p o w er   tr an s f er   s y s te m .   As  r esu lt,  w h e n   p o w er ed   b y   1 2 d c,   th e   C la s s - E   r eso n an i n v er ter   w it h   m atc h i n g   n et w o r k   ef f icie n c y   y ield s   9 5 . 4 4 %.  T o   n o te  h er e,   t h e   au th o r s   i n   [ 1 7 ]   u s ed   co p p er   p lates a s   th e ir   co u p lin g .   On   to p   o f   th ab o v ty p o f   i m p ed a n ce   m atc h i n g   tec h n iq u e s ,   r ea lizin g   t h n ee d   to   ac h iev e   au to m atic   cu r r en s h ar in g   f o r   m u lti - p h ase  r eso n an co n v er ter s   t h r o u g h   m atc h i n g   t h in p u i m p ed a n ce   o f   ea ch   p h a s e ,     au t h o r s   in   [ 2 1 ]   p r o p o s ed   P ass iv I m p ed an ce   Ma tc h in g   ( P I M)   in   t h eir   w o r k Th or o u g h   t h i s   P I ap p r o ac h ,   th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      I SS N : 2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS  Vo l.   8 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 7   :   1 2 6 0 - 1273   1263   in p u t i m p ed an ce s   o f   ea ch   p h as ar m o r b alan ce   u n d er   v ir t u al  p o s itiv an d   n eg a tiv r es is t o r s   f u n ctio n .   W it h   th i n te g r atio n   o f   P I in to   t h C P T   s y s te m s ,   t h e x p er im en tal  r es u lt s   s h o w ed   th a t h r eso n a n c u r r en t   s h ar i n g   er r o r   r ed u ce d   b y   6 3   tim es  w h ic h   is   ar o u n d   0 . 4 4 % a t 6 0 0 W   to tal  lo ad   p o w er .     I n   th i s   w o r k ,   w p r o p o s ed   π1 i m p ed an ce   m atc h in g   cir c u it    s in ce   t h m atc h i n g   p r o v id es  d o w n w ar d   i m p ed an ce   tr a n s f o r m at io n ,   a n d   th ad d ed   ca p ac ito r   w h ic h   i s   i n   p ar allel  w i th   t h r esi s ti v e   lo a d   ca n   m ai n tai n   th e f f icie n c y   o f   t h cir c u it  a s   s er ies  ca p ac ito r   C 2   later   m o d if ied   to   ca p ac iti v e   co u p li n g   p la tes  to   f it  t h ac t u al   C P T   s y s te m .       3.   M AIN RES UL T S   3 . 1 .     CP T   Sy s t e m   w it ho ut  I m ped a nce  M a t ching   Net w o rk   T h C PT   s y s te m   is   f ir s t d es ig n ed   w ith o u t a n y   i m p ed a n ce   m atch i n g   cir c u it.  T h is   is   i m p o r t an t i n   o r d er   to   s tu d y   a n d   an a l y ze   t h p er f o r m a n ce   o f   t h cir c u it  w it h o u i m p ed an ce   m atc h i n g .   I f   th p er f o r m a n ce   i s   n o t   s atis f ac to r y   th e n   t h m atc h i n g   cir cu it c a n   b p r o p o s ed   to   th e   s y s te m .   T h C P T   s y s te m   w it h   C las s   E   i n v er ter   is   as sh o w n   i n   Fi g u r 5 .             Fig u r 5 .   C P T   s y s te m   w it h   C l ass   E   in v er ter       T h co m p o n e n ts   v alu o f   th cir cu it   ar d er iv ed   f r o m   [ 1 9 ]   an d   g i v en   a s   f o llo w s     L o ad   r esis to r ,   R L : R L =             *           +   ( 1 )     Ser ies in d u cto r ,   L L =               ( 2 )     Sh u n t c ap ac ito r ,   C p : Cp =                         ( 3 )     T h s er ies ca p ac ito r ,   C : C=        [                        ]   ( 4 )     T h ch o k in d u c to r ,   L : L f =   *           +         ( 5 )     B ased   o n   F ig u r 5 ,   t h b as ic  cir cu it  co n f ig u r atio n   o f   clas s   E   in v er ter   co n s is ts   o f   a   p o w er   MO SF E T   o p er ates   as  s w i tch ,   L - C - R L   s er ies - r eso n an cir cu i t,  s h u n ca p ac i to r   C 1 ,   an d   c h o k i n d u cto r   L f .   T h s w i tch   tu r n s   o n   an d   o f f   at  th f r eq u en c =               d eter m in ed   b y   MO SF E T   d r iv er .   T h t r an s is to r   o u tp u ca p ac itan ce ,   th e   ch o k p ar asi tic  ca p ac ita n ce ,   an d   s tr a y   ca p ac ita n ce s   ar i n clu d ed   in   t h s h u n ca p ac ita n ce   C 1 .   A l o f   t h e   ca p ac itan ce   C 1   ca n   b s u p p lie d   b y   t h o v er all  s h u n t p ar asit i ca p ac itan ce   f o r   h i g h   o p er ati n g   f r eq u e n cies.    B esid es,  r esis to r   R i   is   an   AC   l o ad .   T h ch o k in d u cta n ce   L f   is   ass u m ed   to   b h ig h   en o u g h   s o   th at  th e   AC   r ip p le  o n   t h D C   s u p p l y   c u r r en I I   ca n   b i g n o r ed .   A   s m all  in d u ctan ce   w it h   lar g cu r r en r ip p le  is   als o   pos s ib le.   W h en   t h s w itc h   is   ON,   th r eso n an cir cu it   co n s is ts   o f   L ,   C ,   a n d   R b ec au s t h ca p ac itan ce   C 1 i s   s h o r t - c ir cu ited   b y   t h s w itc h .   Ho w e v er   w h e n   th s w itc h   if   OFF,  th r eso n an cir c u it  co n s is ts   o f   C 1,   L ,   C ,   an d   R ar co n n ec ted   in   s er ies  [ 1 9 ] .   Fu r th er m o r e,   in   th is   w o r k ,   t h s er ies  ca p ac ito r s   ar p lace d   at  b o th   s id es  ( f o r w ar d   an d   r ev er s e)   i n   o r d er   to   en s u r t h r eso n a n co m p o s itio n   n et w o r k   [ 1 1 ] .   Fu r th er m o r e,   th f u n ctio n   o f   ch o k in d u cto r   in   t h C la s s   E   cir cu it is   to   d is ti n g u i s h   D C   an d   th AC .     Oth er   t h an   th a t,  i n   o r d er   to   d eter m in t h p er f o r m a n ce   o f   th cir cu i t,  th o u tp u t v o lta g an d   p o w er   ca n   b d eter m in ed   as f o llo w s :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Desig n   a n d   A n a lysi s   o f CPT S ystem  w ith   a n d   w ith o u t th I m p ed a n ce   Ma tch in g   C ir cu it   ( F . K . A   R a h ma n )   1264   Am p lit u d o f   th o u tp u v o lta g e,                        [    ]   ( 6 )     Ou tp u t p o w er   o f   t h s y s te m   is   g iv e n   b y ,                             ( 7 )     3 . 1 . 1 Si m ula t io n Wo r k s   f o Circ uit  w it ho ut  I m peda nce  M a t ching   Fig u r 6   s h o w s   t h s i m u la tio n   o f   co m p lete  s y s te m   w it h o u i m p ed an ce   m atch in g   n e t w o r k .           Fig u r 6 .   C o m p lete  C P T   s y s te m   w it h o u t i m p ed an ce   m atc h in g   cir cu it       B ased   o n   eq u atio n s   ( 1 - 5 ) ,   th f o llo w in g   co m p o n e n t s   v al u es   ar o b tain ed ,   s h o w n   in   T ab le  1 .         T ab le  1 .   C alcu lated   co m p o n en ts   v al u es  f o r   C las s   E   Desi g n   Sp ec if icatio n   f o r   C P T   Sy s te m   w it h o u t i m p ed an ce   m atc h in g   n et w o r k   S p e c i f i c a t i o n   V a l u e   L o a d   r e si st a n c e ,   R L   8 . 3 1   S e r i e s i n d u c t o r ,   L                S h u n t   c a p a c i t o r ,   C s   3 . 7 4 n F   S e r i e s c a p a c i t o r ,   C 1   a n d   C 2   4 . 3 5 6 n F   C h o k e   i n d u c t o r ,   L f   5 7 . 6           T ab le   1   tab u lated   th ca lcu lat ed   th v alu o f   p ar a m eter s   f o r   b asic  class   E   C PT  s y s te m   i n   w h ich   n o   i m p ed an ce   m atc h i n g   n et w o r k   is   ex is ted .   B esid es,  f o llo w i n g   T ab le   2   s h o w s   th co m p ar i s o n   o f   co m p o n en ts   v alu e s   f o r   t h b asic CP T   s y s te m .         T ab le  2 .   C o m p ar is o n   f o r   v al u e s   o f   co m p o n e n ts   u s ed   f o r   C P T   cir cu it  w it h o u         m atch in g   n e t w o r k   CP T   S y ste m   w it h o u im p e d a n c e   m a tch in g     Ca lcu latio n   S im u latio n   Ex p e rime n tal  w o rk   L c h o ke   5 7 . 6 µH   5 7 . 6 µH   1 0 0 µH   C S h u n t   3 . 5 2 n F   3 . 7 5 n F   0 . 9 1 n F   L S e r i e s   1 3 . 2 3 µH   1 3 . 2 6 µH   3 3 µH   C S e r i e s   (C 1 a n d   C 2 )   2 . 1 7 n F   2 . 1 7 8 n F   Ca p a c it iv e   c o u p li n g     0 . 2 1 m   x   0 . 2 4 m   (4 . 0 7 n F )   R L   8 . 3 1   8 . 3   8 . 2       C o u p li n g   p lates   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      I SS N : 2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS  Vo l.   8 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 7   :   1 2 6 0 - 1273   1265   Fro m   T ab le  2 ,   it  ca n   b s ee n   t h at  e x p er i m e n tall y ,   th e   v a lu e s   o f   s er ies   ca p ac ito r s   C 1   an d   C 2   is   4 . 0 7 n F   ( b ee n   m u ltip lied   s in ce   th ca p ac ito r s   ar at  b o th   f o r w ar d   a n d   r ev er s s id o f   th e   s y s te m )   a n d   r ep r esen ted   b y   a   ca p ac itiv co u p li n g   o f   0 . 2 1 m   x   0 . 2 4 m .     As  p ar o f   t h w o r k ,   th s i m u latio n   r es u lt s   f o r   Z VS  an d   t h o u tp u t   v o ltag o f   th C P T   s y s te m   i s   also   tab u lated   an d   lab eled   as sh o w n   in   T ab le  3 .         T ab le  3 .   Sim u latio n   r esu lts   f o r   Z VS  w a v e f o r m   an d   t h o u tp u t v o ltag f o r   cir cu it  w it h o u         m atch i n g   n et w o r k   S i mu l a t i o n   W o r k   f o r   Z V S   a n d   o u t p u t   v o l t a g e   f o r   C P T   s y st e m w i t h o u t   i m p e d a n c e   ma t c h i n g         V o l t a g e   g a t e - to - so u r c e     V o l t a g e   d r a i n - to - so u r c e     a.   Z V S   o f   t h e   sy st e m   b.   O u t p u t   V o l t a g e       R ef er r i n g   to   t h Z V co n d i tio n   o f   th s i m u la tio n   is   ac h iev ed   w it h   t h V ds   v al u o f   4 3 . 8 1 V.   Me an w h ile  t h o u tp u v o lta g o f   th s i m u latio n   as s h o w n   i n   T ab le  3 ( b )   is   DC   w a v e f o r m .       3 . 1 . 2 .   E x peri m ent a l Wo r k s   f o Circ uit  w it ho ut  I m pe da n ce   M a t ching   Net w o rk   C P T   s y s te m   w it h o u t i m p ed an ce   m atc h in g   cir c u it i s   as  s h o wn   i n   Fi g u r 7 .   Fo r   th i s   s ec tio n ,   th s ize  o f   th ca p ac itan ce   p late  r ep r esen ted   b y   t w o   p air s   o f   alu m in u m   s h ee t s   is   0 . 2 1 m   x   0 . 2 4 m   w h ich   i s   eq u al  to   4 . 0 7 n F,  as sh o w n   i n   F i g u r 8 .              Fig u r 7 .   C lass   E   cir cu it  w it h o u t i m p ed a n ce   m atc h i n g   n et w o r k ,   to g eth er   w it h   t h r esis tiv l o ad ,   R L       R esi s ti v lo ad ,   R L   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Desig n   a n d   A n a lysi s   o f CPT S ystem  w ith   a n d   w ith o u t th I m p ed a n ce   Ma tch in g   C ir cu it   ( F . K . A   R a h ma n )   1266       Fig u r 8 .   W h o le  cir cu it c o n f ig u r atio n   i n cl u d in g   th ca p ac iti v co u p lin g       T h alu m in i u m   s h ee t   is   s ep ar ated   b y   a   s h ee o f   r eg u lar   A 4   p ap er   w it h   t h ick n es s   o f   0 . 1 m m .   B esid es,  t h e   r esu lt s   f o r   th i s   ex p er i m en tal  wo r k   is   as   tab u lated   i n   T ab le  4 .         T ab le  4 .   R esu lts   o f   ex p er i m e n tal  w o r k s   f o r   C P T   s y s te m   w it h o u         m atc h i n g   cir c u it   Ex p e r i me n t a l   W o r k       a.   Z V S   o f   t h e   sy st e m   b.   O u t p u t   V o l t a g e       B y   r ef er r in g   to   T ab le  5 ,   Z VS  o f   t h b u i lt  s y s te m   is   r ec o r d ed   in   ( a)   w h ile  th e   o u tco m o f   th s y s te m   r ep r esen ted   b y   t h o u tp u v o lt ag i s   as   s h o w n   in   ( b ) .   Fu r t h e r m o r e,   th er ar al s o   d etailed   r esu lt s   i n   T ab le  5   w h ic h   h a s   b ee n   m ad b y   co m p ar in g   t h r esu l ts   f o r   all  th r ee   p ar ts   d o n f o r   th is   w o r k ,   as  f o l lo w s :         T ab le  5 .   Deta ils   f o r   th r esu l ts   o f   C P T   cir cu itry   s y s te m   w i th o u t i m p ed an ce   m atc h i n g   n et wo r k     C a l c u l a t i o n   Ex p e r i me n t a l   w o r k   V i ,V   1 2 . 0 0   1 2 . 0 0   V o ut   ,   V   ( p k - p k )   2 5 . 7 8   2 5 . 5 0   P o ut   ,W   9 . 9 8   9 . 7 9   Ef f i c i e n c y ,   %   9 9 . 9 0   9 7 . 9 0       T ab le   5   ex p lain ed   th r esu l ts   co m p ar is o n   b et w ee n   ca lc u latio n   a n d   ex p er i m e n tal  wo r k s .   T h e   ex p er i m e n tal  w o r k   h as  s h o wn   th r el iab ilit y   o f   C las s   E   C PT   s y s t e m   as  i ac h ie v ed   al m o s p er f ec r e s u l ts ,   n ea r l y   9 8 % e f f ic ien c y .   T h V out   tab u lated   in   t h tab le  is   co n c er n in g   o n   t h p ea k - to - p ea k   v a l u es,  a n d   m ea s u r ed   at  th r esis ti v lo ad .   T h o u tp u p o w er ,   P out   f o r   th w o r k   i s   m ea s u r ed   b y   t h f o r m u la  in   E q u atio n   ( 7 ) ,   a n d   th ex p er i m e n tal  w o r k   y ield s   9 . 7 9 W   in s tead   o f   9 . 9 8 W   d esire d   b y   ca lcu la tio n .   T h is   is   d u e   to   en v ir o n m en tal   co n d itio n   as   th e x p er i m en d o n in   n o r m al  lab o r ato r y .   B esid es,  th co m p o n en ts   al s o   h av t h eir   r ati n g s   w h ic h   co n tr ib u tes   to   t h lo wer   o u tp u t   y ie ld ed .     Mo r eo v er ,   th e   s i m u latio n   w o r k s   o f   t h s y s te m   d is p la y ed   a   co m p lete  s y s te m   in c lu d i n g   th r ec tifie r   th u s   t h DC   w a v e f o r m   o f   t h o u tp u v o ltag e.   W h er ea s   f o r   ex p er i m e n tal  s id e,   th i s   w o r k   is   p r ep ar e d   w it h o u i n s er ti n g   r ec tif ier   p ar in   o r d er   to   f o cu s   o n   th e   Z VS   co n d itio n   an d   t h o u tp u v o lta g e,   an d   th at  e x p lai n ed   th AC   s h ap o f   t h w av e f o r m .   T r an s m itti n g   u n it  w it h   r esi s ti v lo ad   C ap ac itiv co u p lin g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      I SS N : 2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS  Vo l.   8 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 7   :   1 2 6 0 - 1273   1267   3 . 2 CP T   Sy s t e m   w it h   I m pe d a nce  M a t ching   Net w o rk   T h is   en h an ce d   C P T   s y s te m   is   b eg u n   w i th   th s i m u latio n   w o r k .   I n   o r d er   to   d o   th is ,   th π1 i m p ed an ce   m atch i n g   cir cu it  h as  b ee n   u til ized   b y   ad d in g   ca p ac ito r   p ar allel  to   th lo ad .   A s   m e n tio n ed   b ef o r e,   th er ar s ev er al  t y p es  o f   m atc h in g   o u t lin ed   b y   [ 1 9 ]   an d   o n o f   th e m   is   b y   tap p in g   th r eso n an ca p ac ita n ce   C   to   ac co m p lis h   t h i m p ed an ce   tr an s f o r m atio n ,   as   s h o w n   in   c ir cu it  co n f i g u r atio n   o f   π1 i m p ed an ce   m atc h i n g   cir cu it  a s   i n   F i g u r e   4 ( a) .   T h cir cu it   co n f i g u r atio n   o f   cla s s   E   i n v er ter   w ith   t h π1 i m p ed a n c m atc h i n g   n et w o r k   i s   as in   Fig u r 9 .             Fig u r 9 .   C P T   s y s te m   co n s is ti n g   o f   class   E   i n v er ter   w it h   π1 a   i m p ed an ce   m a tch i n g   n et w o r k       B esid es,  as  t h cir cu it  e n h a n c ed ,   co m p o n e n ts   v al u es  f o r   t h is   cir cu i t,  to g et h er   w it h   t h v a lu o f   th e   n e w l y - ad d ed   ca p ac ito r   C 3   w h ich   ac ted   as  a n   i m p ed a n ce   m atch i n g   n et w o r k ,   al s o   h a v t o   b ca l cu lated   b y   u s i n g   n e w   s er ies o f   E q u at io n s   [ 1 9 ] ,   as e x p lain ed   in   ( 8 )   to   ( 1 5 )     T h s er ies eq u iv ale n t r esi s ta n c R S :                                                        ( 8 )     T h r ea ctan ce   f ac to r   f o r   th R i - C a n d   R S - C S   eq u iv ale n t t w o - ter m i n al  n et w o r k s   is                                    ( 9 )       B esid es,  r esis tan ce s   R s   an d   R i a s   w e ll a s   t h r ea ctan ce            an d           ar also   in ter r elate d   b y                                 (           )     ( 1 0 )     An d                                        (           )     ( 1 1 )     R ea r r an g e m e n t o f   ( 1 0 )   y ield   to                         ( 1 2 )             Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J PEDS   I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       Desig n   a n d   A n a lysi s   o f CPT S ystem  w ith   a n d   w ith o u t th I m p ed a n ce   Ma tch in g   C ir cu it   ( F . K . A   R a h ma n )   1268   Su b s ti tu t io n   o f   ( 1 2 )   in to   ( 9 )   g iv es                            ( 1 3 )     L ater ,   o n ar r iv es a t                                           [                        ]          [                                    ]   ( 1 4 )     Fro m   ( 9 )   an d   ( 1 2 ) ,                                               ( 1 5 )     I t f o llo w s   f r o m   ( 1 5 )   th at  t h r esis ta n ce s   o f   cir cu it s h o w n   in   F ig u r 4 ( a)   ca n   s ati s f y   t h in eq u alit y                   Su b o p ti m u m   o p er atio n   i s   o b tain ed   f o r     0                            .   T h is   co r r esp o n d s   to                            .   B y   r ef er r i n g   to   eq   ( 8 ) ,   V I ,   P Ri ,   an d   R i   ar d ep en d en q u an ti ties .   T h lo ad   r esis tan ce   is   g i v en   a n d   is   d if f er e n f r o m   th at   g iv e n   i n   ( 8 )   f o r   m a n y   ap p licatio n s   av ai l ab le  in   t h m ar k et.   T h er ef o r e,   th er i s   n ee d   f o r   m atc h in g   cir cu its   t h at  p r o v id i m p ed an ce   tr an s f o r m a tio n ,   as   th p u r p o s o f   an   i m p ed an ce   m atc h in g   cir cu it  is   to   en s u r an d   to   p r o v id i m p ed an ce   tr a n s f o r m atio n   d o w n w ar d s   o r   u p w ar d s   r eg ar d less   t h lo ad     r esis ta n ce s   [ 2 2 ] .   A f ter   all  n e w   v a lu e s   o f   th co m p o n e n ts   i n c lu d i n g   i m p ed an ce   m atch i n g   n et w o r k ,   ca p ac ito r   C h as b ee n   f i g u r ed   o u t,  th e y   w er all  b ee n   tab u lated   as in   T ab le  6 .         T ab le  6 .   C alcu lated   co m p o n en ts   v al u es  f o r   C las s   E   d esig n   s p ec if icatio n   w i th   t h ex is te n ce   o f   π1 i m p ed an ce   m atc h in g   n et w o r k   S p e c i f i c a t i o n   V a l u e   L o a d   r e si st a n c e ,   R L   8 . 3 1   S e r i e s i n d u c t o r ,   L                S h u n t   c a p a c i t o r ,   C s   3 . 7 n F   S e r i e s c a p a c i t o r ,   C 1   a n d   C 2   4 . 6 n F   C h o k e   i n d u c t o r ,   L f   5 7 . 6       I mp e d a n c e   M a t c h i n g ,   C 3   1nF       T h ca l cu lated   i m p ed an ce   m a tch i n g   n et w o r k   v al u o f   C 3   i s   1 n F.  Mo r eo v er ,   as  T ab le  1   an d   T ab le  6   to   b co m p ar ed ,   th er ar d i f f er en v alu e s   f o r   t h s a m e   co m p o n en ts   o f   s er ies   in d u cto r   L ,   t h s h u n ca p ac ito r   C s ,   an d   t h s er ie s   ca p ac ito r   C 1   an d   C 2 .   T h is   is   d u to   d if f er en eq u atio n s   t h at  h av b ee n   u s ed   to   ca lcu late  t h e   co m p o n e n t s   v al u es,  as d is p la y ed   in   E q u atio n s   ( 8 )   to   ( 1 5 ) .       3 . 2 . 1 Si m ula t io n Wo r k s   o f   Circ uit  w it h I m peda nce  M a t ching   Net w o rk   B y   u s i n g   M A T L A B   Si m u lin k ,   s i m u latio n   o f   C P T   s y s t e m   in cl u d in g   an   i m p ed an ce   m atc h in g   n et w o r k   i s   co n s tr u cted   a s   is   Fig u r 1 0 .   Fo r   th i s   s i m u lati o n   cir cu it,  a   ca p ac ito r   is   p la ce d   p ar allel  to   th e   r esis ti v lo ad   an d   ac ts   a s   a n   i m p ed a n ce   m atc h in g   n et w o r k .   B esid es,  th er is   also   p air   o f   ca p ac ito r s   at  th e   f o r w ar d   a n d   r eser v e   s id o f   t h cir c u it.  T h ese  ca p ac ito r s   ar b ein g   m o d i f ied   i n to   t w o   p air s   o f   ca p ac iti v e   co u p lin g s   in   t h ex p er i m e n tal   w o r k s ,   s h o w n   in   F ig u r 1 1 ( b ) .   Mo r eo v er ,   af ter   th s i m u l atio n   w o r k   i s   b ein g   ac co m p li s h ed   b y   i n s er ti n g   s u it ab le  v alu es  o f   th co m p o n e n t s ,   th d esire d   r e s u lts   ar tab u lat ed   in   T ab le   7 .   T h e   t w o   m ai n   co n ce r n   o f   t h s i m u latio n   w o r k   is   th w a v e f o r m s   o f   ze r o - v o ltag s w itc h i n g   ( Z VS)   co n d itio n ,   a n d   th o u tp u t v o lta g o f   t h s y s te m .         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
      I SS N : 2 0 8 8 - 8 694   IJ PEDS  Vo l.   8 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 7   :   1 2 6 0 - 1273   1269       Fig u r 1 0 .   Si m u latio n   d ia g r a m   f o r   c o m p lete  C P T   s y s te m   i n clu d in g   π1 i m p ed an ce   m atc h i n g   n et w o r k       T ab le  7 .   Sim u latio n   r esu lts   f o r   Z VS  w a v e f o r m   an d   t h o u tp u t v o ltag f o r   cir cu it  w it h           m a tc h in g   n et w o r k   S i mu l a t i o n   W o r k         V o l t a g e   g a t e - to - so u r c e     V o l t a g e   d r a i n - to - so u r c e     a.   Z V S   o f   t h e   sy st e m   b.   O u t p u t   V o l t a g e       As  m e n tio n ed   p r ev io u s l y ,   t h w a v e f o r m   f o r   o u tp u v o lta g i s   in   DC   s i n ce   th s y s te m   is   c o m p lete l y   co n s tr u cted   w it h   t h r ec ti f ier .     Ho w e v er   t h e x p er i m e n tal  w o r k ,   a s   s h o w n   i n   T ab le  8 ,   is   p r ep ar ed   u p   to   th e   i m p ed an ce   m atc h in g   n et w o r k   w it h o u t h r ec tifie r   p ar s in ce   th is   w o r k   is   f o c u s i n g   o n   t h Z VS  co n d itio n   a n d   th o u tp u t v o lta g e,   th u s   t h AC   w av e f o r m   p r ese n ted .     3 . 2 . 2 E x peri m ent a l Wo r k s   o f   t he  CP T   Sy s t e m   w it h I m pe da nce  M a t ching     Mo r eo v er ,   th w o r k   i s   later   ad v an ce d   b y   ad d i n g   a n   i m p e d an ce   m a tch i n g   cir cu it  r ep r es en ted   b y   ca p ac ito r .   Fig u r 1 1   s h o w s   t h e x p er i m e n tal  w o r k   o f   th e   s y s te m   w i th   th e   ex i s te n ce   o f   π1 i m p ed a n ce   m atc h in g   n et w o r k .   B y   r ef er r i n g   to   F ig u r 11 ,   af ter   ad d in g   th i m p ed an ce   m atc h i n g ,   th s ize  o f   ca p ac ito r   p lates  b ec o m i n g   s m a ller   to   0 . 1 5 m   x   0 . 1 6 m   w h ic h   is   eq u i v alen to   2 . 4 4 n F,  alm o s h al f   o f   th v a lu b ef o r e.   T h is   s h o w s   t h at  t h i m p ed a n ce   m atc h i n g   is   ab le  to   r ed u ce   th s ize   o f   ca p ac iti v c o u p lin g   w h ile  s til m ai n tai n in g   t h o u tp u t o f   th s y s te m   b y   a llo w in g   p o w er   tr an s m i s s io n   t h r o u g h   t h e m .   T h im p ed a n ce   m atc h in g   n et w o r k   h as  e n h an ce d   s ev er al   th i n g s   i n cl u d in g   t h o u tp u v alu es  f o r   th e   cir cu it   o f   t h C P T   s y s te m .   T ab le  8   ex p lain ed   t h r esu l ts   o f   t h ex p er im e n b y   ta k i n g   in to   ac co u n t th e   v al u es o f   co m p o n en ts   f o r   th s y s te m .         I mp e d a n c e   ma t c h i n g   n e t w o r k   Co u p li n g   p late s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.