In te r n ation a l Jou rn al  o f Po we r  Elec tron ic s an d   D r ive S y stem  (IJ PED S )  V o l.  10, N o.  1, Mar ch 20 19,  p p.  307~ 3 1 8   IS S N : 2088- 86 94,  D O I :   10.11 59 1 /ij ped s . v10 . i 1.pp 3 07- 31 8           307     Jou rn a l  h o me pa ge :  ht tp: //i a e score . com / j o u r na l s / i n d e x . p hp/IJ PED S   The design of auto-tuni ng capacitive power  transfer for ro tary   applications using  phased-locked-loop      N. Nab i l a,  S. Saat,   Y. Y u s op ,   M . S.   M.  I s a ,   A .   A . Basari  F acul t y   o f  Elect roni cs  a n d   C om p u ter E ngineeri ng, U n i v e rs i t i   Tek n i kal M a l a ysia Mel aka, M al aysia      Art i cl e In fo     ABSTRACT  A r tic le hist o r y :   Re ce i v e d  Ju l  3 0,  201 8  Re vise d S e p 12,  201 8   A c c e pte d   S ep 26,  2 0 1 8       Wire le s s   p owe r   t ra nsfe r  ( W P T ),  t hr ou gh   t h e   t ra nsm i ssio n   o f  c o nt act less   energ y ,   is   n ot   o n l y   b e in g  us ed  f or  c h a rgi ng  bat t eri e s  in  s m a rt p h o n e s ,   but   it  is   als o   b ei ng   i ncreas in gl y  us ed  i n   th e  fi eld   of   i n dustri a l  app l i c a ti ons.  The   capa c i tiv e  b a sed   app r oach   i s   u t ili zed  i n  th is   p aper  b ec aus e   o f  its  a bi l ity  t o  tra n sm it  po we r  in   a   m e t a l   s urr o un d i n g   e n v iron me n t   w he re   t he   i nd uc t i v e - bas e d ap pro ach f ai led to  perf o rm .   This   w o r k  f o cuses o n  t he co u p l i n g  st u d y  of   a  ro tary   C P T   a p p licatio n  where  th e   po we r   s u p p ly   i s  sta t ion a r y   w hil e   t he  l oad  rot a tes   and   t h eref ore  all o ws  the  lo ad  t o   rotate  360 o   f re e  ro t a ti on .  T h e  Class   E  M O SF ET   p ow er  i n v ert e r  is   u s e d   her e   d u e   t o   i t s   abi l ity   t o  ach iev e  hi gh  ef fici ency  c om pare d   t o   o t h er  c lass   o f   co nvert e r s  at  h ig h   f r eq u e ncy.   T h e   pro t o t yp e  o f   t h e   C P T   f o r   r ot a r y  app l i cati on  has  al so   b een  s ucce ssf u lly  dev e lo ped  w ith   d is k  pl a t e  th icknes s   o f   1mm - 2mm.   O verall,   t he  d e ve lo p e d  CPT  syst e m   f or   r otary  appli cation  is  a ble  to  d e l i v er  5 . 5 W a tt  w i th  8 3 . 33 %  ef fici ency.   To   e nh ance   t he  p ow er  e f f i c ien c y  an d  Z V S   co nd itions,  a  s e l f - tu ni ng   c ircuit   u si ng  ph ased -lock e d-l oop   h as  b ee n  pro p o s ed  i n   t h i s   p aper.   Th e  ef fici ency  o f   the  devel o p e d  sy st em   w it h  s e lf -t uni ng   c ircui t   i s  i n creased   to   97.% . K eyw ord s :   Ca pac i t i ve  p o w e r  tr a nsfer   C l as s e   i n v e rt er  Ph as e-l o ck ed -l o op  Sel f-t uni ng  c i r c u it  W i re l e ss   p ower  t ransf e r  Zer o   v o l t a ge s w itc hi n g   Co pyri gh t © 2 019 In stit u t e  of Advanced  En gi neeri n g  an d  S c ien ce.   All  rights   res e rv ed.  Corres pon d i n g  Au th or:   Sha k i r  S aat,     Fac u l t y   of  El ect ron i c s  and  Comp u t e r  Engi n e e r i ng  U n i v ersi ti   T e k ni ka l Ma la ysia   M ela k a,  Ma l a y sia .   Em ail:  nab i l a 9 5 4 8 @ g ma il.c o m, sha ki r @ u t e m . e du.m y       1.   I N TR OD U C TI O N    N o w a days,  w i r e less  p o w e r   tra n sfe r   ( WP T)   t e c hn o l o g y   h as  t urne d  o u t   t o  b e   o ne   o f  t h e   t o p  r e sea r ch  fie l ds  f or  i t s   r elia b l e  a ppl ica b il it y  i n   l ow   a nd  hi g h   pow er   a pp lica t io ns  s uch  as  p h ones   char ger,   s m a rt   c ard   sy st em,  h i g h   po we r  e l ec t r i c   v eh i c l e s  (EV),  a n d   bio m ed i c al   d evi c es.  In  g e n era l ,   WP T  i s   t he  t ra nsm i ss io n  o f   elec tr ici t y  or   e ne rg y  from   a   pow er  s o u rc e  to  a n  elec tr i c al  l oa d   w i t h o u t  t h e  co n n ecti n g  wire   [ 1 ] .   The  a d v a nt ag es  o f   W P T  on   cabl e   e li mi n a tio n  an d  mai n t e n a nce - f r ee   o p e r a t i o n  a r e  h e l p f u l   e s p ec i a lly  for   rotary  app l ica t i o ns to  pow er  up  aside   c o mm on e l e c t r on ic  d ev ices  t ha t   w e  use e v e r y  day [2].  The   c l a s sifi c a t i on of  W P T   i s  di v i de d  in to t w o   c a t e gor ies  th a t   a r e  n e a r - f i e l d  W P T   a n d  f a r - f i e l d  W P T .   Moreover,  t he  n ear-fiel d  technique   c an  b e   divided  into  t hree  s e c t i o ns  n am ely   as  i nduc ti ve   p ow e r   t ransfer  (IP T ),   a c oust i c   p o w e r  tra n sfe r   ( A P T)  a nd  ca paci t i ve   pow e r   t rans f e r  ( C PT)  [3].  I n  near-fi eld  power  t r ansf er,   the   IP T  uses  a   c o i l  tha t   w i ll  p r oduc e  t h e  ma gne t i c   fie l d  t o   t ra ns f e r  power,  s ee  F i gure  1 (a),   w hi le  C PT  a pplies   ca paci t i ve  p la t e  tha t w i l l  pro d u ce  a n e l e c t ric  fie l d t o  tra nsfe r pow er , se e  F i gure 1( b).   Mea n w h il e , A P T  ut i l i ze s   vi brat i on  to  t ra nsmi t  e n erg y .   A m ong  t h e m ,   IP T  i s   t he  m os t  po p u l ar   w a y   t o   r ecogn ize   w i r e less  p o we r  t r ansfe r .   H o w e ve r,  t he  m ain  di sa d v a n tage   o f  I P T  sy st e m   i s   i t   i s  u n ab le  t o   e ffici e n ct ly  oper a te   i n  me t a l  s u rr ou d i n g   env i rom e n t as   b eca u s e  ma g n e t i c   f i e ld  i s  no t   able   t o   pe nta r ate  t h e  me ta l  ba rrier   [ 4].  Th is  w or k  f o c u ses   on  CP T  system  a s  shown  in  F igur e  1( b ) .  C P T  sys t e m   i s  a  p o te nt ia ll y  c o n v e ni e n t   me th od   b as ed   o n   th e   co upl i n g  ca paci t o r  ap proa ch,  wi t h   t he   u se  o f  ca pac i t o r  p l a t e   to  c o m e  ou t   w it h  be t t er  E M I   [ 5 ] .  Thi s   C P T   m e t hod   i s  ut iliz i n g  ele c t r i c  f i e l d  ra t h e r   t ha n  ma g n e t i c   f ie ld  u se d  for   t h e  i n du ct i v e  a ppr oac h   w hic h   una ble   to  p e n e t r a te  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          I S S N: 2 0 8 8 - 86 94    I nt  J  P ow   E l e c  &  Dr i  S y st,   Vol.   10,   N o.   1 ,  Mar c h  2 0 1 9   :     30 7  –   318   30 8 me t a l   sh i e ld ing   a s   i t   wil l   ind u c e  t h e  e ddy  cu rre n t   i n   met a l   [6 ] .   S i nce  c a pa ci ti ve  p ow er   t r a nsfer   u s e d   t he  e l e c tr ic  f ie l d   c ou p lin g,   i t   has   bee n   t he   k e y   p a r t  for   t h e   ne w  i m p r ove d  m e t h o d   t o   a c h i e v e  non- co n t act   p ow e r   tr a n sf er   a nd  gi ves  gr e a t e r   e f f e c t s  o n t o  t h e   f r e que nc y,   o u t p u t   p ow e r ,   and  pow e r   e ff i c i e n c y  o f   t he  s yste m.   T his   m e tho d  c an  b e  the  s o lu ti o n  for  d rawb ack   o f   th e IP T   sy stem [3 ]-[ 6 ] .           (a)    (b )     F i g u r e   1 .  ( a )   B a s i c  d i a g r am  o f   i n d u c tiv e   p o w e r  t ra n s f e r ,  ( b )  B a si c d i ag ram o f  c a p ac i t i v e p o w er t ran s fe r      T h e   C P T   sy st em  i s  v e ry   b en efi a l   i n   t h e   r o t a r y   ap pli cat io n s ,  su c h   a s   r o bot i c   a r m   i n  a u to mat i on  in d u s t r y   t o  a l l o w   t h e  ac t u a t o r   t o  ac hi e v e  3 60  de gr ees  o f  fr e e   r ota t i o n.   T h i s  t y pe  o f  WP T  sys t e m   w il l  a l s o   a l l o w   a   gr e e n  t e c hno lo g y   f or   r otar y  m a c h ine r y  w i t h   h ig h  r e lia b i l i t y   t o  r e duce  the   r i sk  w hi l e   h a n dl in g  r o tar y   m a c h i n e   [ 7 ] .   C ur r e nt l y ,   th e   r o t a r y   a pp lic a tio ns  u se d  br ush e d  m e c h an ica l   s l i p  r i ngs   t o  t r ans f er   s i gna ls  o r   p o w e r  a c r o s s   r o t a t i n g  d e v i c e s   [ 8 ] .   H o w e v e r ,  s l i p  r i n g s  c a n  c a u s e   fa ilur e s  d u e   t o   t h e   f r i c t i o na l   ro tat i on,   ph ys ica l   c o nne ctio n  pr o b l em s  and  he nce   r e q u ir e   t h e  f r e q u e n t  m a i nt e n a n ce .   These   pr oble m s  ca n  be   s ol v e d  b y   a p p l yi n g  WP T   t e c h n o l o gy  d i s k   p la tes  c once p t.  I n  th i s   c onc e p t ,  t he  h i ghe r   par t   i s a   r o t a ti n g   p ar t a n d c o n n e c t e d   to  t he   l oad,   w hile  t he  l ow er   p ar t  i s   s ta tic   a n d   connec t e d   t o  t h e  D C   pow er   s up p l y  [ 5 ] .   H o w e ver ,   by  c onsi d e r i ng  C P T  system ,   the  ma j o r   cha lle ng e   is  t o  m ai n t a i n  the   o u t p ut   e f f i c i e n cy  dur i n g   pow e r   t r a nsm i ssi on.   T her e f o r e ,  in  t h i s  w o r k ,   C l ass  E  p o w e r   am pl if ie r   is   p r o p o s e d   b e c a u s e   i t  o f f e r s   a n  im pr o v ise d   m e d ium   o f   h ig h- f r eque nc y,   w h i ch  p r o duc es   h i g he r   e f f i c i enc y   f or   t he  o u t pu t ,   a n d   h as  a d v an tage s   in  t er m s   o f   sim p lic i t y  [8] .   T hi s  is  t r u e   a s   t he   t he or et i c a l   s w i tc hi ng  l o ss  f or   C lass  E   pow e r   a m p lif i e r   is  z er o  as   t h e  Z V S  i s   p erf e ctl y   a chi e v e d  [8 ].  A l s o , t o   en h a n c e   t h e  power  e f f i c i en cy ,  th e   s e l f -tun i ng  c i rcui t  i s   d e s ign e d  to  ob ta in   t he   d e s ir ed  o utp u t   p o w e r   at  t he  h ig h  o p er a t ing   fr e que nc y .  A  sel f -t un i n g   is  pot en ti al   t o   in c r ea se   t h e   e f ficie n c y   o f  t h e  sy stem   a n d   m a k e  the  p o we r  effic i e n c y   i nse n si t i v e   to  t he   e xac t   c ou p lin g  ca paci ta nc e.   T he se  se l f - t un in g  cir c ui t  c a n  be   i m p l e me nt e d   g r e a t l y   i n  r e d u ci n g   n oi s e s  i n   th e a n a l og  a nd  d igit a l  sy s t e m [ 1 ].           F i gu r e  2.   Class   e   zvs  i nve rter  c irc u i t   [ 1]      2.   OVERVIE W   2. 1.     D e ve lop m e n t  of   t ran s m i t t er   p l a t e   The  str u c t ur e  of   t he   c om m o n  C P T  sys t em   c on sis t s  o f   a   t r a nsmi t t e r   uni t,   t w o   d i s k  pla t e s ,   a nd  a   r ece i v e r   u nit   [ 9 ] ;   s e e   F i g ur e  4  f o r   de t a i l s.   T he   t r a nsm i tt er   u n it   a ct s  a s   a   h ig h - fr e q ue ncy   v o l ta ge   s our c e   in ver t e r ,   w h ic h  c o nver t s  D C   s ig nal  t o   A C  signa l   [ 1 ] .   T he  s pec i f ica t io n s   a lo ng  w i t h   i t s   d escr ipt i on  o f   t his   wo r k  ar e  tab u l at ed  in   Table 1.          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t   J  P o w   Elec  &  D r i   S y st    I S S N :  2088- 86 94       T h e  desi gn o f   aut o- t u ni n g  cap a c i t i ve  p o we r t r an sf e r   for ro tary  a p p l i c a tio n s  usi ng p h a se d. . .  ( N .  N a b i la)   30 9 T a b l e  1:  T he  s pe ci f i ca ti on  o f   t he  w or k   P a r a m e t e rs  D e s c r i p tion  1. Output   P ow e r   10 T h e   po w e r   r e qui r e d  to  t urn o n   t he   LED  l i ght  2. Ope r a ting  Fre q u e n c y   1     H i gh  f r e que ncy   b e ne fic i a l   t o sm all   s c a l e  sy stem   d e s ign a nd  powe r  losse s re du c t ion.  3. Qua lit y   Fac t or   1 0   Hi gh  qua lity fac tor in inve rt e r  de s ign to a c h i e v e  sinusoi d a l   ou tput  signa l.  4.I n p u t Volta g e   V DC  =   12V  T he  m ini m u m  input  v a l u e   r e quir e d.      2. 2.     Mat eria l s   In   t hi s   wo rk ,  ai r  h a s  b een   u sed   a s   d i e l e ct ri c  mat e ri al s.  T h e   r e la ti ve  p e r m i tt i v i t y  o f   t h e   d ie le c t ric   ma t e r i a l  i s  εr   =   1 .   Th e   ma xi mu m  co upl ing   gap   r a ng e   i n   t h i s wo rk   i s 2 m m .   The shape of  t he  pla te  i s d i sk  p la t e   tha t   i s  su i t a b le  f or   r otar y  ap pl i cati o ns  [ 1 0 ] .   T he   a ssum p tio n  f or   t he   t h i ck ne ss  of   d i s k  p l a t e   i s   1 mm- 2m m [1 1] .     2. 3.     D e ve lop m e n t  of   r ec eiver   p l at e   A t   t he r e cei ver   un i t ,   i t  c o n s i st s  a   f u ll br i d g e  r ectif ier   a nd  t h e  l oa d  a s  s h o w n   i n F i gur e 3.   T h i s r e c t i f i e r   w i l l   c o nver t   A C   so ur ce   t o  D C   s o u r c e  an d  d e live r   1 0  W  p o w e r   t o  t he  l oa d   [1 2].  The  C1  a nd  C 2   a ct  a s  f ilter   i n   th is circ u it  an d   LM7 8 0 9  is us e d  to re g u la te t he  ou t put  v olta ge   at  9 V.          F i g u re  3 .  R e ctifi e r  circuit        2. 3.     S e lf -t u n i n g   c ap acit i v e  p o we r  t r an sf e r   B a se d  o n   F i g ure  4,   a   s e l f-t u n i ng   C PT  w ill  be   d e s i g ne d  a nd  c o nst r u c t ed.   The   se l f - t un ing  CP T   c o n s is ts  o f  a  p h ase   de tec t or,   low  pass  filte r,  a nd  v o l t age   c o nt r o l  osc i l l at or   ( V C O )   [ 13] .   The  m a in  p ur p o se  o f   th is sel f- tun i ng  is to  m a i n t ai n  t h e   ZVS   of  C la ss  E  c i r cuit a l t h o u gh  t h er e   is  a   c ha nge  i n  o u t p u t   l oad.           F i gu r e  4.   The   bl oc k  dia g r a m   of   C P T   s ys tem   f o r   r o t a r y   a pp lic at io ns    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st, Vol. 10,  N o.  1, Mar c h 2 0 1 9   :     30 7 –  31 8   31 0 3.   METHODOLOG Y   F i rst   of   a l l ,   t h e   c l a s s   E   i nv erte r  c i rc u i t   will   b e   de sign e d   b y   c a l c ul at ing   co mp on en ts  v alu e   b a s e d   on  re q u i r emen t s   d es i r ed .  Se c o ndl y ,   t h e   c l a s s   E   i nv e r t e r  i s   d esig n e d  a n d  s i m u la t e d  usi n g  M A TLA B/ S i mu l i nk  by   con s i d eri ng  in pu t  v o l tage ,  V i   =   1 2V   a n d   D   =   5 0%.   The   s i mula ti on   o f   the   c i rc u i t   i s   done   b e f o r e   p r o c e e d i ng   t o   expe r i me n t a l   w ork  so  t ha t   t h e  re sult  ca n  be  c om par e d  acc o r di ng l y.   I f  t h e   resul t s  ar e  satisfi e d   w ith  t he   t he or y,  the  ac tua l   w o r k  w ill  be  d o n e  to  a ch ieve   m a x i m um   e ffic ie ncy.   N ex t ,   t he   c irc u it  w i l l   b e  c o n n e c ted  to   transm itt er   p la t e .  In  t he  e xpe rim e nta l   w or k,   C lass   E   i n v erter ’ s   M OSF ET  i s   t rigger ed  b y  MOSF ET  driver   circ u i t  tha t   g en er ates the  fr e q u enc y   i nt e n de d   to be   use d   f or  t h e ci rcu i t .   N e xt,  t h e  c o m p l e te  C P T   S ys tem   w i l l   b e  de vel o ped.  T he  d i s k  s t ruc t u r e  p l a t e   i s   u s e d  f o r  t h i s   r o t a r y   app l ica t i o ns.  F u rt her m ore ,   t h e   d es ig n   w i l l   b e  imple m e n t e d  pra c t ical l y   t o  the   ty pica l   CPT  sy ste m .   A f t e r  com p le t i ng  CP T  S y ste m ,   the   se l f - t u n i n g   w i l l   b e   a p pl i e d  to  over c om e  prob lem s   o f  un cer ta i n   v a r ia t i o n s  of  t he   in duc t o r ,   capa c it or,  and r e sistor  a nd  ge t the  opt im um  opera t i o n s.      3.1.   C l a ss  E  in vert er: d erivati o n   of  e q u a tion s   F i rst l y,   t o  des i g n   t he   C lass   E   Z V S   i nv e r t e r  c i r c u it,  t h e   f ul l - l o a d   re sist a n c e   can   b e  d e t e rmi n ed   by us i n g (1)  as  t he  ou t pu t   p o w er re q uire d is  set  t o  be  1 0W       (1)  N e xt,  the o t h e r   par a m e ter s   s u c h a s  the  a m p li tu de  o f the  o u t pu t  v o l t a g e  an d  D C   i np ut  c ur re nt   c a n  be  ca lc ul a t e d   us i n g  (2)  and (3), respe ct i v e l y .       (2)      (3)    D u e  t o   c a p ac i tive  pla t e   w i dth   a nd  le n g t h   h a s   b ee n  fix e d  fo r  ea c h  p l ate ,   t h e   d i s ta nce   bet w ee n  t h e  pa i r   o f  t h e   p l at e  i s   2   mm  a n d  th e   mat e ria l   o f  th e  me d i u m   i s  pl a s ti c  t h at   h a s  die l e c t ric  va l u e,   ε r  =   1,  t he  c a p ac it i v e   va lue   of  t he  p late  can   b e  me asured  b ased  o n       (4)    Whe n   t he c apa c i t a nce  va l u e  is  know n, the  n ew   c a p a c ita nce   va l u e   i s  the  a c t ua l  va lu e of C series  w hile  Q - fa ct or,  Q L  c an be ob ta ine d   u s i ng  the   fol l ow i ng  equa tio ns.  H e re ,  Q L =  1 0       (5)    The   ser i es i nd u c tor a nd  s h un t c a pac i tor va lue   ca n  be  o bta i ne d b y (6) an d (7 ) conse que n t l y . The n ,   th e   minim u m  va lu e   of  c ho ke  i n duc t o r  als o   c a n   b e   ca l c ul a t e d   u s i ng  ( 8 ) .   L ast l y,  t he  o b t ai ne d  an d  r e qu ired   para me ters  f or t h i s pa per  are   t a bu la ted  in Ta b le  2 .       (6)      (7)      (8)          Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       T h e desi gn  o f   a u t o -t u n in g cap a ci t i v e  powe r  tran sfer for  ro t a ry  a p p l ica t ion s  usi ng  p h a se d. ..  (N.  Nabi la)   31 1 Ta b l e   2: C om pa riso n betw e e n  c alcul a t i on, si m ul a t ion  a nd p r a c tic al  v alues  for the  C l ass  E    Pa r a m e te r  Ca l c ul a t i on   S i m ul a tion   P rac t i c a l   C hoke   i ndu c t or,   L f   5 8 . 1 μ H   100μH   100μH   S h unt   C a p a c it or ,   C S   3. 52nF   3 . 85nF   3 . 9nF   S e ri e s  C a p a c itor,  C  2 . 17nF   2 . 17nF   2 . 2nF   S e ri e s   I nduc t o r,   L   1 3. 21μ H  13. 20μH   20μH   L o a d   r e s i s tor,  R L  8 . 31Ω   8 . 31Ω   10Ω   O u tput  volta ge ,  VR i m   12. 89 V   13. 50V   10. 5V  Ma x  switc h  volt a ge,   V S M   42. 74 V   43. 50V   43V  Inp u t  C u rr e n t,   I i   0. 8 3 A   0. 84A   0 . 55A  Ma x  switc h c u r r e n t ,   I SM  2 . 3 8A   1 . 80A   1 . 21A  O u tput  C urre nt,   I M  1. 5 5 A   1. 64A   1 . 05A  Inp u t  powe r ,   P in  9 . 96W  9 . 76W  6 . 6 W  O u tput  pow e r ,   P out  9 . 99W  10. 08W  5 . 5 W  E f f i ci en c y ,     99. 9  %   96. 83 %   83.33%       3.2.   C i r cu i t  simu l ati o n   :  C l ass  E  i n ver t er  cir cu it   C l a s s   E   p o w e r   a m p l if ie r   c i r c u i t  th a t   i s   b u i l t   i n   M A T L A B  S i m u l i n k   i s   illu st rat e d  in   F igu r e  5 .   N e x t ,   ZV S   con d i t i on   o f  t h e  sim u l a t i on   c irc u it   i s   s h ow n  i n   F i g ure  6  a n d  the   m a x i mum   vol tage   f or  V S M   =   4 3.5 0 V   is  ob ta ine d .  Th is  i s  a lig ne d   w i th   t h e ory  w h ere   t h e  v o l t a ge  w ill   b e   a t  le ast   3   t i m e s   g re ater   t h a n  the  inp u t   v o l ta ge .   There f ore ,   t he   M O S F ET  select i on  m u s t   b e  ma de  p ro perl y  so  t ha t   i t  w i l l   b e  able  t o  ha nd l e   t his    am oun t   o f   vol t a ge .          Fi gu re  5.  Full C l ass E pow er  a m p l i fier  c i r cuit   b u ilt i n   M A T LA B   Si mu l i nk            F i gu re 6.  ZV S   con d i t i on  o f  t h e   s i m ula t i o n ci rc uit       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st, Vol. 10,  N o.  1, Mar c h 2 0 1 9   :     30 7 –  31 8   31 2 3.3.   C i r cu i t  simu l ati o n   :  C l ass  E  i n ver t er  cir cu it  with   PL L  ci rc uit  F o r  som e   i m p rovem e n t ,   PLL  circ uit  is  i n t ro duce d   w h i c h   i s  th is  c ircu it  is  c o n n e c te d  t o   C lass  E   in verter   c ircu i t .   P LL  is  u se d  in  o rde r   t o   r e c ove r  a  s i gna l  from   a   n o i sy  c om m uni c a t i o n   c h an ne l,  f or  f re que nc y  sy nt h e si s/ c ont ro l  a n d   to   d i s t r i b ut e   c l o c k  ti min g   pul ses   i n   d ig i t a l  l o g i c  de s i gns.  Fu ll  Class   E  p o w e r  am pl ifier   circ u i t  w i th  P LL  c i r c u i t   bu i lt  in  M A TLA B  S i muli n k   i s  i l l u st ra te d  in  F i gure   7.   B esi d es  t ha t,  Z V S   c ond it ion  of  the s i m u l a tio n c i rcu it w i th P LL cir c ui t   is  s h o w n in F i g ur e 8  an d t h e   V S M   =   4 3 .53V   i s  o b ta ine d .          F i gur e   7. Class  E  i nv e r ter   w i t h  PLL  circ ui t  b u il t in  M A T L A B S i m u l ink          F i gu re  8.  ZV S con d i t i on  o f  t h e   s i m ula t i on  ci rc uit  w i t h   t he  P LL  circ uit         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       T h e desi gn  o f   a u t o -t u n in g cap a ci t i v e  powe r  tran sfer for  ro t a ry  a p p l ica t ion s  usi ng  p h a se d. ..  (N.  Nabi la)   31 3 3.2.    Prototyp e  con s t r u c tion   Th is  p r o jec t   w il l  c o n s i s t  of  t w o   d i s k  c o u p l i ng  p l a t e   w h ich   is  t he  s ta t i c  p l ate  a n d   r o t a t i n g   p la te.   Th i s   tw o-d i sk  c o u p lin g  p l a t e  siz e   i s  0.04 90 4  m ² ,  w i t h   a   c ombi n e d  i n t er fac e   c a p ac ita nc e  o f   2 .17  nF.   If  the  a r ea  is  c o n v e r t e d   t o  c m ²  w i l l  g e t  A  =  4 9 0 . 4  c m ² .   U s i n g   t h e   f o r m u l a   a r e a  o f   c i r c l e    ,   w e  g e t  t h e   r a d i u s ,     r  =   12.5cm .   T he  f a b r i c a t io n   of  M O S F E T   d r iver   a n d   C las s   E   i n v ert e r   c ir cui t   a r e   c o n n ected   a s  i l l u s t r a ted   i n   F i gure   9( a).   M O S F ET  driver   c i r cu it   w il l  a m pl i f y  pu l s e   ge n e rate d   i n  order   to  t urn  o n   t he   M O S F ET  at  C l a ss  E   in verter .  The   A C   w avef orm   from   t he  t r a ns mitter  w ill  be  c on verte d  to  D C  w a vefor m   a t  re ceiver   part  s o  t h a t   t h e   lo ad   s u c h   a s   LED  c an   b e  p o w er ed up. F igure 9(b) s how s  the r ec ei ver   circ u i t   tha t  ins t a ll e d   a t   rota t i n g  pla t e   part.   Last l y ,  F i gure  10   i l l u stra ted   t h e  c o mple t e   s e t u p   of  W P T   s ys tem   i n   r o t ar y   ap pl ica t i o ns  u s i n g     ca paci t i ve  a ppr oac h .         (a )   (b )   Fi gu re 9.   (a ) MO SFET  driver and  C l as s E  in verter  circ u it  afte r  fabric a t e d ,  (b) Rec e iver  ci r c u it  t h a t   i nsta lled  at  r o t a tin g  pl a t e   p a rt          F i gu re  1 0. Co m pl e t e se t u p  o f  CP T   s yste m  in  r otary  ap pl ic ati o ns      4.   RESULT  4.1.   S imu l atio n   re su lt:  C l ass  E  in ve rte r  c i r cu i t   F i gure  1 1 (a)   sh ow s  t h e  w a veform   a t  ga t e   M O S F ET,   V g.   T his  p u l s e   pro v e n   t ha t  the   ga te   i s  t u rne d   o n  due  t o  the   mi nima l  vo l t age  pu lse  nee d e d   t o  sw i t c h   t he  M O S F ET  IR F51 0   i s  10V .  Next,   the   w a vef o rm  i n  F i gure   1 1 (b)  dem ons t r ates t h e   out put  a t  the  drai n of t he  M O S F E T , Vds.        (a )   (b )     F i gu re  1 1. a ) Wave form  a t   gate  o f MO S F ET,  b)  Wa veform  a t dra i n  of  M O S F E T  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st, Vol. 10,  N o.  1, Mar c h 2 0 1 9   :     30 7 –  31 8   31 4 B y   r e f er ring  t o   F ig ur e  1 1 (b) ,   t he  w a v e f or m  a t   d rai n   M O S F ET  in di cat e s   t h e   n ea rly   si mila r  sh ap e   of  the  ha lf- w ave  w a vefor m .   The  hi g h e s t   a m p l it ude   a c h ie v e d   i s   43. 50 V   w i t h  a   p e r i o d   o f   1 n s  a t   5 0 %   d u t y  c y c l e .   T h i s  v a l u e   h a s   r e a l l y   s u r p a s s e d   t h e   t h e o r y  w h e r e  t h e  d r a i n  a m p l i t u d e   e x p e c t e d   t o  be  t h e   t r i ple   est i ma t i on  o f   a   gate  v ol ta ge  o f   MO S F ET  and  prove d  t h e   MO SF ET  sw i t c h in g  w o r k s  w e ll.   C om bi na ti on  of  t h e   w a v e f orm   of  gate  M O S F ET and  dra i n  M O S F ET  a s show n  in F ig ure   12.           F i gu re 1 2.  W a v eform   at dra i n   a nd  ga te  o f MO S F ET      Base d   o n   F i g ure   12,   t he  o p timum   c o n d it i on  for   ZV S   con d i t i on  i s   ac hie v e d .  Thi s   s ati s fies  Z VS  con d i t i on  b eca use   of  t he a bse n ce  of  an  ove rl ap  b etw e e n   t h e  vol t a g e  w a ve form  of the  g a te  a nd dra i n  MO S F ET     4.2.    Exp erime n t al  resu l t   : C l ass  E  in ver t er  c i r cu i t   F i gure  1 3 (a)   in dica te s  the  p u l se   t ha t   has  bee n   p r oduc e d   u s i ng  M O S F ET  dr i v e r   a nd  s u p p l i ed  i n t o  t h e  gate  o f  M O S F ET  in  C lass  E   in verter .  F i g u r e   13(a )   s how s  the  w a v e form   a t  ga t e   M O S F ET  t h a t   p r o duce s   10.5V   a m p li t u de  a t   frequ e nc y  1 M H z   o f  5 0 %   d u t y  c y c l e.   T he  l a r ger   v al ue  o f  ca pac i tor   c a n  be   u sed  t o   f il ter   the  s p i k e s   a nd  rip p les  prese n t  in  eac h  pu lse.   T he   w ave f orm   show s   t h a t  t h e  p u l s e   i s   a b l e  t o   t u r n  t h e  M O S F E T   sw it c h i n g  o n .  N e xt ,   F i g u re  1 3(b)   s h o w s   t he   w ave f orm s   b e t w een  M O S F ET  ga te  a n d   M O S F ET  drai n  t o ge the r   in or d e r  to se e w h e t her  t h e   z e ro  volta ge  sw i t c hi n g  is per f ec t l y   obta i ne d           (a)         (b)    F i gu re 1 3.  (a) Wave f orm   at  g ate,  V g   M O S F ET,  ( b)  W ave f orm s  betw e en MO S F ET  gate  a nd    MO S F ET  drain to ge ther   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int J  P o w   El e c  &  D ri S yst     I S S N :   2088- 86 94       T h e desi gn  o f   a u t o -t u n in g cap a ci t i v e  powe r  tran sfer for  ro t a ry  a p p l ica t ion s  usi ng  p h a se d. ..  (N.  Nabi la)   31 5     F i gu re  1 4:   W a v e f orm   be fore  re c tifie d a t  t he loa d      B y   r efe rring  to  F ig ure   14,   t he  w ave f orm   is  i n  an  A C  for m .  T h e   v olt a ge  p e a k   of  t h e   w a v efo r m  i s   14.4V   a t  1M H z .  We  c a n   s ee  t h a t   t he   p rac t ic a l   r esul t  o n l y  a c hie v e d   h a l f  v a lue  c o mpa r ed   t ha n  t h e  sim u la tio n   resul t s  one .  T h i s   m i g h t   b e   a f fe cted   b y  t h e  pre s e n ce   o f  tw o  pa ir s  o f   p l a t e s  t h at   act   a s  th e   se ri es   c apa c i t or  w h e n  com b i n in g  the   circ u i t  for  w i r e less e n erg y   t r a nsfe r sys t em  usi ng  c ap a c it iv e ap p r o a c h .    4.2. 1.  Distance  analys is  f or  C PT   s ys t e m  Th e  e f fi ci en cy  o f   t r a n sf erred   po wer  wil l   d ec rea s e   i f   t h e   d i s t a n ce  b e t w e e n   t r a n smit t e r  p l at e  and  re ce i v e r   p l a t e   h as  i n c re a s ed .  Fo r  d i st an c e   a n d   m i s al ign m en t   a n a ly si s,  t h e   i n put   p o w er  i s  t a k e n  be fo re   p l a ci ng  the l o a d   i nt o  th e   syst e m  tha t is  a fter  volta ge  r egu l a t or.  C a lc u lat i on  o f  e ffic i e n c y c a n be  d o n e  us i n g  (9)    (9)    F o r  t h is  w or k,   t he   d is t a nce   i n   t ra nsfe rri ng  the   e n e r g y   b e t w e en  on e   p l ate  t o   a no t h er  p la t e   h a s   b een  ana l yz e d   u p  t o   1 0m m.   T he  r ece iver  p la te s  are   move d  v e rtica l l y   a way   from  t h e   tran sm i t ter   pl ate  for   t h i s   ana l ys is.  The  resul t   h a s   b e e n   t a b u l a t e d   i n   Table  3  a l ong  w i t h   t he  e f f icie nc y   o f   t he   s yste m  as  d ista nc e   incre a ses.  Base d  on  Ta ble  3,  t he  gra p h  of  eff i c i e n c y   v ersus  di s ta nce   is p l o tte d ,  se e  F igure  15.       Ta ble   3.  T he  d ista nc e in  t r a nsfe r r ing t h e  ener gy be tw ee n o n e   p l a t e   t o  a not he r p l at e  D i s t an ce   (m m )   Inp u t  Vol t a g e   ( V )  Inp u t C u rre nt  (m A )   Inp u t Pow e r  (W)  O u tput  Vo ltag e  ( V)   O u tput  Pow e r  ( W )   E f f i ci en c y   (%)   LE D  B r ight ne ss  le v e l   0. 1   12. 00   550   6 . 6   10. 5   5. 5  83. 33   V e r y   H i gh   1  12. 00   380   4 . 5 6   9. 4  2. 6  57. 00   V e r y   H i gh   2  12. 00   185   2 . 2 2   8. 8  1. 25   56. 31   H igh  3  12. 00   109   1 . 308   7 . 2   0 . 6 1   46. 64   H igh  4  12. 00   9 5   1. 14   7 . 0   0 . 4 5   39. 47   H igh  5  12. 00   5 8   0. 70   5 . 4   0 . 2 4   34. 29   M e d i u m   6  12. 00   4 5   0. 54   4 . 3   0 . 1 6   29. 63   M e d i u m   7  12. 00   3 0   0. 36   4 . 0   0 . 9 8   27. 22   M e d i u m   8  12. 00   2 4   0. 26   3 . 5   0 . 0 5   19. 23   L ow  9  12. 00   1 9   0. 23   2 . 8   0 . 018   7 . 8 3   L o w  10  12. 00   1 7   0. 204   1 . 8   0 . 9 8   0. 98   L ow          F i gu re 1 5.  Gr a ph o f  effic i enc y   v ersus  dis t an ce   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                         I SSN: 2088- 8694   I nt   J  P ow  Elec   & Dr i   S y st, Vol. 10,  N o.  1, Mar c h 2 0 1 9   :     30 7 –  31 8   31 6 I n   F ig ure   15,  t he   h i ghe st  e ff ic ienc y  t h a t   w e   c a n  se e  thr o u gh  t h e  gra ph  i s   8 3. 33%.  Thi s   s i t ua t i o n   i s   ac hi e v e d   w he n   the   dis t an ce   b etwee n   t ransm i t t er   a n d   r e cei v e r   pl a t e   i s  0 . 1mm  wh i c h   o n ly   s ep ara t ed   by  a  th i n   A4   p ap e r   t h a t   i s   t o   p r ev ent   a n y   con t ac t .   A s  f o r  t h e  lo we st   e ffi c i en cy ,  t h e  d i st an c e   o f   2 0 m m  re co rd ed   t h e   low e s t   e ffic ie nc y  w h i c h  is  0 .98 % .   I n   t h i s  se cti on,   e ver y   d i s ta n c e  i s   a n a l y z e d  u s i n g  L E D  l i g h t   a s   t h e   i n d i c a t o r   or  l o a d.  T he  b rig h t e s t   l i gh t  of  LED   i s  o b t a ine d   a t   0.1m m   d i s t an ce   w h ile  t he   d im me st   l ig ht  f rom   LED   s tri p s  i s   a c q u i re d  a t   20mm  d i st a n c e .   F ro m  t h i s   g ra ph ,  w e   c an   c on cl ud e   th a t   t h e  e f fic i e n c y   d e c re a s es  e x pone n t ia ll y  as   the d i s t a n ce  be t w e en p la te  inc re ases.   This is the  ma in c ha lle ng e of  u si ng  CP T  sy s t e m.     4.3.   S imu l atio n   re su lt:  C l ass  E  inverter ci r cu i t  w ith o ut P LL   c irc u it  Th is  s ec t i o n   a nd   t he  f ol l o w i ng   i n t en d  t o   s how   t he  i m por tanc e   o f   h av ing   su ch   k in d  o f   s el f-tu ni n g   c i rcui t  in   o rd er  t o   ov e r co me  t h e   p rev i ou s  st at e d   p robl e m   i n   CPT   s ys te m.   T he  f irs t   s e c ti o n   i l l u s t r a t e s  t h e   resul t s  w i t h ou t  an y  se l f -t un i ng  c i rc u i t   (P L L   i n   th is   c on te xt).   The  c h a nge   i n  Cserie s  m ean s  the r e is  a   c ha nge   i n   the  ga p  o f   b et w e en  t w o   p la te   t ha t   pr oduc e d   d i ffe ren t   i mp ede n ce .   F ig ure   16( a)  s h o w s   t he   act ua l  w a ve form   o f  ZV S   c ond it io n   of  C la ss  E  i n v e rter .  In  t h i s  F i gure  16(a ) ,  the   va l u e   of   C Se ri es  a n d   R LOAD  i s  an   act u a l   v a lue  from   t he  s im u l a t i o n  o f   C la ss  E  c i r c u i t   a s   d e s cr i b e d   i n   prev io us   s ec t i o n .  B a sed  on  F i gure   16(b) ,  t h e  va lue   o f   C S er i e s  i s   c h a n g e d   t o   2 . 0 n F   b ut   t h e   v a l u e   o f   RLOAD  i s   c o n st ant .   T he n,  t he   v a l ue  o f  CS erie s  i s   c h a n g ed  t o   3 . 0 n F   w i t h   a  c o n s t a nt   v alu e   o f   RLOAD  t h at  i l l u s t r at ed   i n   Fi g u r e   16( c).   We  c a n   s ee  t h at  t here   a re  c h a nge s  o f   ZVS  con d i t i o n   after   we incre ase  or  d ecr ease the  capa c ita nc e   val ue.           (a)           (b)          (c)     F i gu re 1 6.  a) Ac tu a l  ZV S  condi t i on  for  C= 2.17 nF  b)  ZVS   c o n d i t i o n  for  C= 2. 0nF  c ) ZV S   c ondit i o n    f or  C=   3.0nF      4.4.   S imu l atio n   re su lt:  C l ass  E  inve rte r  c i r cu i t  with PLL   circ uit  No w,  w e  wi ll   s h o w   t h e   e f f e ct iv en e s s  of   h av ing   PLL  ci rc u i t  th at   ac ts  a s  a  se l f - t u n i n g   c ircu it   t o   t h e  C P T  sys t em .  The  l o ad  i s  ch a n g e d  he re  i n  orde r  t o   s ee   t h e   e ffec t i v ene ss  of  a d d i n g  P LL  in  t he  c ircu i t .  The  resul t s  a r e show n  in  F i g u r e 1 7 . F i gure 17(a)   i l l u s tra t e s   t he or i g ina l  spec f i cati o ns.  T h e n , the loa d  i s  cha nge d t o   8 o h m   a nd   i n c re a s ed   t o  20o hm  a n d   30 oh m  re sp ec ti v e l y .  W e   can   c o n f i r m  t h at   t h e   Z VS  c an   b e   gu a r an t eed  alt h ou gh  t h ere   is  a   c ha nge d   i n   l oad   va l u e  but   t he  r esu l ts  b ec om e   w o rst   w h en  t he   L oad   i s   i ncre ase d   t o  30 ohm .   Th is  m e a ns tha t   the pr op ose d   P LL  ca n obl y be  e ffec tive  at  s om e  chan ge  o f  l o a d  var i a t i o n   and no t a t  al l  va l ue .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.