I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv e  S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  1 6 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   2 0 2 5 ,   p p .   1 7 5 2 ~ 1 7 6 4   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 1 6 . i3 . p p 1 7 5 2 - 1 7 6 4          1752       J o ur na l ho m ep a g e :   h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   Wireless  charg in g  Clas s - E inv erte r f o r ze ro - v o ltag e switchi ng   o v er c o upling  coe ff icien t  ra ng e       Ano n N a m in 1 ,   Chucha t   Do nl oe i 1 ,   E k ka cha i C ha idee 2   1 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   E n g i n e e r i n g ,   R a j a ma n g a l a   U n i v e r si t y   o f   Te c h n o l o g y   La n n a ,   C h i a n g   M a i ,   Th a i l a n d   2 D e p a r t me n t   o f   El e c t r i c a l   En g i n e e r i n g ,   F a c u l t y   o f   E n g i n e e r i n g ,   R a j a ma n g a l a   U n i v e r si t y   o f   Te c h n o l o g y   La n n a ,   C h i a n g   R a i ,   Th a i l a n d       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Feb   5 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Ma y   1 2 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   Ma y   2 5 ,   2 0 2 5       A  n o v e l  a n d   p ra c ti c a l  m e th o d o lo g y   is  p re se n ted   i n   th is  st u d y   fo r  d e sig n i n g   c o n tac tl e ss   wire les s  e n e rg y   sy ste m s  u sin g   re so n a n t - m o d e   Clas s - E  c o n v e rters ,   a imi n g   to   su sta in   e fficie n t  so ft - tran siti o n   sw it c h in g   u n d e r  v a rio u s   lev e ls  o f  m a g n e ti c   c o u p li n g ,   e v e n   u n d e r  c o i l  m isa li g n m e n t .   Th e   a p p ro a c h   in teg ra tes   th e   wire les s p o we r  tran sfe r  ( WP T )   c ircu it   wit h   t h e   in v e rt e r’s se ries   re so n a n t   n e two r k   a n d   a n a ly ti c a ll y   d e riv e s   th e   re latio n sh i p   b e t we e n   th e   c o u p l in g   c o e fficie n t  a n d   imp e d a n c e   p h a se   a n g le  to   id e n ti fy   z e r o   v o l tag e   sw it c h in g   ( ZVS )   c o n d i ti o n s.  A  k e y   c o n tri b u ti o n   is  t h e   u se   o f   th e   m a x imu m   e x p e c ted   c o u p li n g   c o e fficie n t  a s  a   c rit ica l  d e sig n   p o i n t  t o   e n su re   Z VS  a c ro ss   p ra c ti c a l  v a riatio n s.  A  c o m p lete   ste p - by - s tep   d e sig n   p ro c e d u re   is  p ro v id e d .   S imu latio n   a n d   e x p e rime n tal  re su lt s  c o n firm  th a t  t h e   in v e rter  a c h iev e s  a n d   m a in tain s  ZVS   fo r   c o u p l in g   v a lu e s  in   t h e   ra n g e   0   <   k   ≤  k de s i gne d ,   with   e fficie n c ies   re a c h in g   u p   to   9 5 % .   Th is  wo rk   s u p p o rts  t h e   a d v a n c e m e n t  o f  so ft - sw it c h in g   in v e rter  d e sig n   t o   e n a b le  ro b u st  a n d   e fficie n t  WP T  sy ste m s  u n d e r  p ra c ti c a l  m isa li g n m e n t  c o n d it io n s.   K ey w o r d s :   C las s - E   in v er ter   Ma g n etic  co u p lin g   co e f f icien t   Misalig n m en t   W ir eles s   p o wer   tr an s f er   s y s tem   Z er o   v o ltag e  s witch in g   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   E k k ac h ai  C h aid ee   Dep ar tm en t o f   E lectr ical  E n g i n ee r in g ,   Facu lty   o f   E n g in ee r in g   R ajam an g ala  Un iv er s ity   o f   T e ch n o lo g y   L an n a    9 9 ,   Mo o   1 0 ,   Sai K h ao   Su b - d is tr ict,   Ph an   Dis tr ict,   C h ian g   R ai  5 7 1 2 0 ,   T h ailan d   E m ail:  ek k ac h ai@ r m u tl.a c. th       1.   I NT RO D UCT I O N   R ec en tly ,   wir eless   ch ar g in g   tech n o lo g y   h as  s ee n   wid esp r e ad   ad o p tio n   ac r o s s   v ar io u s   a p p licatio n   ar ea s ,   in clu d in g   b io m e d ical  im p lan ts   [ 1 ] - [ 3 ] ,   s m all - s ca le  elec tr o n ic  eq u ip m en t  [ 4 ] ,   [ 5 ] ,   an d   p o wer   wh ee lch air s   [ 6 ] ,   [ 7 ] .   Fo r   h i g h - p o wer   a p p licatio n s ,   it   is   also   u s ed   in   elec tr ic  v eh ic les  ( E Vs)  [ 8 ] - [ 1 0 ] .   E n h an cin g   b o th   s af ety   an d   co n v en ie n ce ,   wir eless   p o wer   tr an s f er   p r esen ts   a  n o tab le   ad v a n ce m en t  o v e r   tr ad itio n al  wir ed   ch a r g in g   m et h o d s .   W ith in   a  wir eles s   ch ar g in g   s etu p ,   th e  in v e r ter   s er v es  as  a  k ey   co m p o n en t  b y   tr an s f o r m in g   d ir ec t   cu r r en t   ( DC )   p o wer   in to   h ig h - f r eq u e n cy   AC   s ig n als.  T h is   h ig h - f r eq u e n cy   AC   en er g izes  th e  p r im ar y   co il  to   g en er ate  a  f lu ct u atin g   m a g n eti c  f ield ,   wh ich   in d u ce s   v o ltag e  in   th e  s ec o n d ar y   s id e.   W ir eless   ch ar g in g   s y s tem s   u tili ze   d if f er en t  in v er ter   co n f i g u r atio n s ,   in clu d i n g   f u ll - b r id g e   [ 1 1 ] ,   h alf - b r id g e  [ 1 2 ] ,   an d   C las s - E   in v er ter s ,   wh ich   wer e   in itially   in tr o d u c ed   in   [ 1 3 ] .   Utilizin g   a  f u ll - b r i d g e  in v er ter   n ec ess itates  f o u r   s witch in g   d ev ices,   wh ich   in cr ea s es  th e  o v er all  c o m p o n en t  co u n t,  co s t,  an d   a s s o ciate d   p o wer   lo s s es.  Ad d itio n ally ,   ac h iev in g   ze r o - v o ltag e  s witch in g   ( Z VS)   with   th is   to p o lo g y   p o s es  co n s id er ab le  ch allen g es   [ 1 4 ] ,   [ 1 5 ] .   I n   co n tr ast,  th e   h alf - b r id g e  in v er ter   r ed u ce s   t h e  n u m b er   o f   p o wer   s witch es  an d   r elate d   cir cu itr y   b y   h alf ,   th er eb y   s im p lif y in g   th e  d esig n   an d   m itig atin g   th ese  is s u es.  No n eth eless ,   th is   co n f ig u r atio n   ty p ically   r esu lts   in   a  r ed u ctio n   o f   th e   s y s tem ’ s   r ated   o u tp u t  p o wer .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Wir ele s s   ch a r g in g   C la s s - E   in ve r ter fo r   z e r o - vo lta g e  s w itch in g   o ve r   co u p lin g   …   ( A n o n   N a min )   1753   D u e   t o   i t s   e f f i c i e n t   p e r f o r m a n c e ,   c o m p a c t   s t r u c t u r e ,   a n d   e c o n o m i c   v i a b i l i t y ,   t h e   C l a s s - E   i n v e r t e r   h a s   g a i n e d   c o n s i d e r a b l e   a t t e n t i o n   i n   w i r e l e s s   p o w e r   t r a n s f e r   ( W P T )   a p p l i c a t i o n s .   T h i s   i s   d u e   t o   i t s   u s e   o f   a   s i n g l e   s w i t c h ,   w h i c h   i s   c a p a b l e   o f   o p e r a t i n g   u n d e r   Z V S   c o n d i t i o n s ,   w h i c h   m i n i m i z e s   e n e r g y   d i s s i p a t i o n   d u r i n g   s w i t c h i n g   a n d   r e d u c e s   s t r e s s   o n   t h e   s w i t c h .   T h i s   t y p e   o f   i n v e r t e r   c a n   b e   a p p l i e d   i n   w i r e l e s s   p o w er   t r a n s f e r   s y s t e m s .   H o w e v e r ,   i ts   o p e r a t i o n   m a y   d e v i a t e   f r o m   Z V S   c o n d i t i o n s ,   p a r t i c u l a r l y   b e c a u s e   o f   t h e   u n a v o i d a b l e   m i s a li g n m e n t  b e t w e e n   c o i ls   i n   p r a ct i c al   o p e r a t i o n s .   P r e v i o u s   r es e a r c h   e f f o r ts   h a v e   a t te m p t e d   t o   a d d r e s s   t h is   d r a w b a c k .   Pre v i ous   s tu d y   [ 1 6 ] ,   an   im p r o v ed   C lass - E   co n f ig u r atio n   i s   d esig n ed   to   m ain tain   a  s ta b le  o u tp u t   cu r r en t  an d   m ain tain   Z VS  u n d er   v ar y in g   lo ad s .   Ho wev e r ,   th e  im p ac t  o f   m ag n etic  co u p lin g   v ar iatio n s   was  n o t  ad d r ess ed .   Pre v iew  s tu d y   [ 1 7 ] ,   a  C las s - E   co n f ig u r atio n   to ler an t  to   lo ad   v ar iatio n s   an d   eq u ip p ed   with   p ar allel   r eso n an ce   en a b les  ze r o - v o ltag e  s witch in g   b y   en s u r i n g   s witch   v o ltag e  f alls   to   ze r o   b ef o r e  tu r n - o n ,   r e g ar d less   o f   lo ad   v ar iatio n s .   Pre v iew  s tu d y   [ 1 8 ] ,   Z VS  is   ac h iev ed   u s in g   a  C lass - E ²  s tr u ctu r e  with   th r ee   in d u ct o r s   in   a   p u s h – p u ll  ar r an g em en t  a n d   L C C - S  tan k ,   en ab lin g   wid e - r an g e  lo ad - in d e p en d e n t  s witch in g   with o u t  ac tiv e  f ee d b ac k .   I n  [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ] ,   an   i n tr o d u ctio n   to   a   C lass - E  c o n v er ter   is   p r o v id ed ,   d esig n ed   to   ad d r ess   th e  h i g h   v o ltag e  s tr ess   is s u e s   in   th e  W PT  s y s tem s .   B y   in co r p o r ati n g   a  s u p p lem e n tar y   cir c u it   in to   th e  co n v e r ter ,   th e   in tr o d u ce d   to p o lo g y   s ig n if ica n tly   r ed u ce s   v o ltag e  s tr ess   an d   s witch in g   lo s s es,  wh ile  also   ac h iev in g   z er o - v o ltag e  s witch in g   ( Z VS)   co n d itio n s   to   en s u r e  ef f icien t  p o wer   tr an s f er .   He  an d   Gu o   [ 2 1 ]   p r o p o s ed   u s in g   im p ed an ce   m atc h in g   an d   a  s e ar ch in g   alg o r ith m   to   co m b i n e  a  s er ies/ p ar allel  ca p ac ito r   ar r a y   to   tu n e  th e   C lass - E   in v er ter   o p er atio n ,   b r in g in g   it   b ac k   to   th e  o p tim al  s tate   f o r   d if f er en t  c o il  d is tan ce s .   As  well  as  [ 2 2 ] ,   t h is   p ap er   p r o p o s ed   a  tu n in g   m eth o d   b y   ad j u s tin g   th e  p h ase  an g le  o f   th e  s er ies  r eso n an t  b r an c h   with   p u ls e  wid th   mod u latio n   ca p a cito r   o n   th e  t r an s m itter   s id e.   Ah m ad i  et  a l.   [ 2 3 ]   in tr o d u ce d   a  m eth o d   f o r   ac h iev in g   Z VS  in   C las s - E   in v er ter s   f o r   t h e  W PT  s y s tem s   u tili zin g   s er ies - s er ies  co m p en s atio n .   T h is   is   ac co m p lis h ed   b y   co n n ec tin g   a  co m p en s atio n   s witch   ac r o s s   th e  s ec o n d a r y   s i d e  ca p ac ito r .   B y   co n tr o llin g   th e  ON/OFF  s tate  o f   th is   s witch ,   th e  s ec o n d ar y   cir cu it  p ar am eter s   ca n   b e   v ar ie d   to   s atis f y   th e  Z VS  c o n d itio n .   As  well  as,  in   [ 2 4 ]   u s ed   r ec o n f ig u r atio n   o f   th e  r ec eiv er   cir cu it   b y   a  s witch ed - ca p ac ito r   t o   ac h iev e   th e   Z V S  co n d itio n   u n d er   v ar iatio n   o f   lo a d .   T h e  r esu lt  i n   [ 25 ] ,   a   m o d if ied   PS O - b as ed   m eth o d   was  p r o p o s ed   f o r   d esig n in g   C lass - E  s witch in g   cir cu its .   W h ile  W P T   is   n o ted   as  a   p o te n tial  ap p li ca tio n ,   th e  m eth o d   is   n o t   im p l em en ted   in   a  W PT  s y s tem .   Z VS  in   a n   in v er ter   b ased   o n   C lass - E   to p o l o g y   a p p lied   to   C W PT  ca n   b e  r ea l ized   b y   tu n in g   L C   r eso n an t  co m p o n en ts   an d   co m p en s atin g   lo ad   r ea ctan ce   with   ex ter n al  in d u cto r s   o r   ca p ac ito r s   [ 26 ] .   Ho wev er ,   th e  s tu d y   d o es  n o t  ad d r ess   I PT  s y s tem s .   A n   o f f - n o m in al  C l ass - E   am p lific atio n   was  u til iz ed   to   attain   Z VS  b y   allo win g   a  n o n ze r o   v o ltag e  s l o p e  at  t u r n - on   [ 27 ] .   Ho we v er ,   th e  m et h o d   was  n o t   ap p lied   to   wir eless   p o wer   tr an s f er .   A   C lass - E - b ased   W PT  co n f ig u r atio n   in s en s itiv e  to   lo ad   v ar iatio n s   was  in tr o d u ce d   to   en ab le  ze r o - v o ltag e  s witch in g   with o u t  c o n tr o l,  u s in g   d u al - r eso n an ce   a n d   co n s tan t  r ea cta n ce   v ia  p r o p er   r ec eiv er   t u n in g   an d   C lass - D  r ec t if icatio n   [ 2 8 ] .   T h e  m eth o d   was  v alid ated   in   a  m u ltih o p   r o b o tic  ar m   s y s tem .   A n   in v er ter   b ased   o n   C lass - E   to p o l o g y ,   a lo n g   with   a   C lass - DE   r ec tific atio n   s tag e,   was  u tili ze d   in   d ev elo p in g   a  W PT  s y s tem   f o r   b io m e d ical  im p lan t s ,   with   Z VS a ch iev ed   th r o u g h   cir cu it d esig n   [ 2 9 ] .   I n   [ 1 6 ] - [ 2 4 ] ,   ac h iev in g   Z VS  co n d itio n s   r elies  o n   cir c u it  r ec o n f ig u r atio n   o r   th e  ad d itio n   o f   ex t r a  co m p o n en ts .   I n   co n tr ast,  [ 2 5 ] - [ 2 9 ]   ac h iev e   Z VS  th r o u g h   in h e r en t  d esig n   ap p r o ac h es.  Ho wev er ,   co m p r eh e n s iv e  d esig n   g u id eli n es  f o r   e n s u r in g   Z VS  in   wir el ess   p o wer   tr an s f er   a p p licatio n s ,   esp ec ially   u n d er   co il  m is alig n m en t,  r em ain   lim ited .   T h is   p ap er   a d d r ess es  th is   g ap   b y   p r esen tin g   a  d etailed   an aly s is   an d   d esig n   m eth o d o l o g y   f o r   C lass - E   in v er ter s   in   W PT  s y s tem s ,   en s u r in g   r eliab le  Z VS  o p er atio n   u n d er   m is alig n m en t   with o u t  ad d itio n al  t u n in g   o r   co n tr o l.  T h e  p r o p o s ed   ap p r o ac h   e m p lo y s   th e  m ax im u m   ex p ec te d   c o u p lin g   co ef f icien t a s   a  k ey   d esig n   p ar am eter   an d   is   v alid ated   th r o u g h   b o th   s im u latio n   an d   ex p e r im en tal  r esu lts .   T h e  s tr u ctu r e  o f   th is   p ap er   b e g in s   with   an   o v er v iew  o f   m et h o d s   an d   d esig n   ap p r o ac h es  i n   s ec tio n   2 ,   f o llo wed   b y   v alid atio n   th r o u g h   s im u latio n s   an d   ex p er im e n ts   in   s ec tio n   3 ,   f o llo wed   b y   co n clu d in g   in s ig h ts   d is cu s s ed   in   s ec tio n   4 .       2.   M E T H O D   T h is   s ec tio n   p r esen ts   an   in - d e p th   an aly s is   of   a  s y s tem   f o r   w ir eless   p o wer   d eliv er y   i n teg r at ed   with   a  C las s - E   to p o lo g y .   T h e  f o cu s   is   o n   id en tify in g   th e  r eg i o n s   o f   ze r o   v o ltag e  an d   n o n - ze r o   v o ltag e  b ased   o n   th e   m ag n etic  co u p lin g   co ef f icien t ,   d er iv in g   co m p o n en t  d esig n   eq u atio n s ,   p r o v id in g   a  d em o n s tr ativ e  d esig n   ca s e  s tu d y ,   an d   elu cid atin g   t h e  v ar i o u s   o p er atio n al  m o d es o f   th e  s y s tem .     2 . 1 .     Circ uit  a na ly s is   T h is   s ec tio n   an aly ze s   th e  im p ed an ce   b eh av io r   with in   a  W PT  ar r an g em en t,  em p h a s izin g   th e   r elatio n s h ip   b etwe en   im p e d an ce   p h ase  an g le  an d   m ag n etic  c o u p lin g   c o ef f icien t,  e n ab lin g   th e  id en tific atio n   o f   Z VS  an d   n o n - Z VS  co n d itio n s .   Z VS  is   cr u cial  f o r   r ed u cin g   s witch in g   lo s s es  an d   en h an ci n g   s y s tem   ef f icien cy .   T h is   an aly s is   p r o v id es  v alu ab le  in s ig h ts   f o r   d eter m i n in g   o p tim al  d esig n   p ar am eter s .   T h e  ass u m p tio n s   u n d er ly i n g   th e  ci r cu it a n aly s is   in   th is   s ec tio n   ar e  as f o llo ws:   -   A  s witch   o p er ates a t a   d u ty   c y cle  o f   0 . 5 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  16 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 25 :  175 2 - 1 7 6 4   1754   -   T h e  s witch in g   d ev ice  h as a   ze r o - tu r n - o n   r esis tan ce .   -   T h e  r eso n an t  n etwo r k   h as  a  s u f f icien tly   h ig h   q u ality   f ac to r ,   en s u r in g   th e  c u r r e n t  th r o u g h   t h e  W PT  s y s tem   is   s in u s o id al.   -   T h e  lar g e   ch o k e  i n d u ctan ce   allo ws  th e  cu r r e n t  r i p p le  t o   b e  n e g lecte d ,   a n d   t h e  c h o k e   in d u ct o r ' s   DC   r esis tan ce   is   d is r eg ar d ed .   -   T h e  ch o k e  in d u cto r ' s   s elf - ca p ac itan ce   an d   p ar asit ic  ca p ac itan ce   ar e  in clu d ed   in   th e  s h u n t  ca p ac itan ce   o f   th e  s witch .     2 . 1 . 1 .   I m peda nce  a na ly s is   in   Cla s s - E   i nv er t er - ba s ed  wire l ess   po wer   t ra ns f er   s y s t em s   Fig u r e  1 ( a)   illu s tr ates  a   ty p ic al  C lass - E   r eso n an t  in v er ter   c ir cu it.  I ts   co m p o n en ts   in clu d e   DC   in p u t   v o ltag e  ( V 1 ) ,   a  ch o k e  i n d u ct o r   ( L f ) ,   a n d   a n   elec tr o n ic  s witch   ( S).   Par allel  to   t h e  s witch   is   a  s h u n t  ca p ac ita n ce   (C 1 ) ,   wh ich   in co r p o r ates  b o th   th e  s tr ay   ca p ac itan ce   o f   th e  s witch in g   d ev ice  an d   th e  in tr in s ic  ca p ac itan ce   f o r   th e  ch o k e   in d u ct o r .   T h e  in d u c tan ce   L 0   f o r m s   a  s er ies  p ath   alo n g s id e  r eso n a n t  ca p ac ito r   C ₀  an d   lo ad   r esis tan ce   R ,   f o r m in g   a   r eso n an t  n etwo r k   th at   s atis f ies  th e  r eso n an ce   co n d itio n .   T o   a p p ly   th e   in v e r ter   with   t h e  W PT   s y s tem ,   th e  r esis tiv e  lo ad   ( R )   i n   Fig u r e  1 ( a )   is   r ep lace d   b y   t h e  wir eless   p o wer   s y s tem ,   d ep icted   in   Fig u r e  1 ( b ) .   T h e  co m p o n en ts   o f   W PT  cir cu it  in clu d e  p r im ar y   in d u ctan c e  ( L P )   an d   s ec o n d ar y   in d u cta n ce   ( L S )   o f   th e  co il,  a  s ec o n d ar y   ca p ac ita n ce   ( C S )   u s ed   to   ca n ce l  th e  s ec o n d ar y   leak ag e  in d u ctan ce   u n d er   r eso n an t  co n d itio n s ,   d io d es  ( D 1 - D 4 )   ac tin g   as  a  r ec tifie r   cir cu it  th at  tr an s f o r m s   h ig h - f r e q u en c y   AC   in to   DC ,   a  f ilter   ca p ac ito r   ( C f ) ,   an d   th e   lo a d   r esis tan ce   ( R L ) .   I n   p r ac tice,   th e   r eso n a n t  tan k   ( L 0 )   ca n   b e   in clu d e d   with   th e   p r im ar y   in d u ctan ce   (L P )   to   b ec o m e  a   s in g le  i n d u ct an ce ,   an d   u s in g   t h e  ca p ac ita n c e  ( C 0 )   to   ca n ce l   th e  p r im ar y   le ak ag e  in d u ctan ce ,   th er eb y   r ed u cin g   th e  r elia n ce   o n   an   e x tr a  co il a n d   ca p ac itan ce .   T h e  eq u i v alen t  r esis tan ce   s ee n   f r o m   th e   r ec tifie r   cir c u it  t o   R L ,   as  s h o wn   in   F ig u r e  1 ( b ) ,   ca n   b e   ex p r ess ed   b y   ( 1 ) ,   an d   t h e  s ec o n d ar y - s id e  im p ed an ce   ca n   b e   d ef in ed   b y   ( 2 ) .     = 8 2   ( 1 )     2 = + ( − 1 ) −    ( 2 )     As  d ep icted   in   Fig u r e  1 ( b ) ,   th e  cir cu it  is   s im p lifie d   in to   an   eq u iv alen t  f o r m ,   wh ich   is   m o d eled   in   Fig u r e  1 ( c) ,   with   th e  r ef lecte d   im p e d an ce   Z r   d ef in ed   in   ( 3 ) .     = (  ) 2 +   ( 3 )     T h u s ,   th e  co r r esp o n d in g   cir c u it,  illu s tr ated   in   Fig u r e  1 ( b ) ,   is   co n v er ted   in to   t h e  co n f ig u r atio n   d e p icted   in   Fig u r e  1 ( c) .   T h e  W PT  s y s tem 's in p u t im p ed a n ce   ( Z in )   is   d ete r m in ed   b y   +  ,   as e x p r ess ed   in   ( 4 ) .      = (  ) 2 − +  +   ( 4 )     T h e  cir cu it  in   Fig u r e  1 ( d )   is   a  s im p lifie d   v er s io n   o f   th e  cir cu it  in   Fig u r e  1 ( c) .   T h e  im p ed an ce   Z Ti ,   as  s ee n   in   Fig u r e  1 ( d ) ,   is   d eter m in ed   b y   th e  ex p r ess io n   ( +  ) + ( 0 − 1 0 0 ) .   T h e  im p ed an ce   Z Ti   ca n   b e  s ep ar ated   in to   its   r ea l  R Ti   an d   im ag in ar y   p ar ts   X Ti ,   as e x p r ess ed   in   ( 5 ) - ( 7 ) .      =  +    ( 5 )      = (  ) 2 2 + 2   ( 6 )      = [ ( 2 + 2 ) (  + 0 ) − (  ) 2 ] 2 + 2   ( 7 )     T h e  eq u iv ale n t  im p ed an ce   Z eq ,   in   F ig u r e  1 ( d ) ,   ca n   b e  d ete r m in ed   u s in g   ( 8 ) .   B y   s u b s titu tin g   th e  ex p r ess io n s   f r o m   ( 6 )   an d   ( 7 )   in to   ( 8 ) ,   th e  r esu lt is   g iv en   b y   ( 9 ) .      = 1  1 ∥ (  +   )   ( 8 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Wir ele s s   ch a r g in g   C la s s - E   in ve r ter fo r   z e r o - vo lta g e  s w itch in g   o ve r   co u p lin g   …   ( A n o n   N a min )   1755    =  +   ( 1 + 2 1  − 1  2  ) ( 1 − 2 1  ) 2 + ( 1  ) 2   ( 9 )     T h e  p h ase  an g le  o f   Z eq   is   d er iv ed   f r o m   ( 9 )   an d   p r esen ted   i n   ( 1 0 ) .      =  − 1 [  ( 1 − 2  1 − 1   2 )  ]   ( 1 0 )     Fig u r e  2   illu s tr ates  th e  r elatio n s h ip   b etwe en   th e  p h ase  an g l e  ( eq )   o f   Z eq   an d   th e  co u p lin g   co ef f icien t  ( k ) .   An   o p tim al  p h ase  an g le  f o r   ac h i ev in g   th e   Z VS  co n d itio n   is   ex p lain ed   in   th e  liter atu r e   [ 2 1 ] ,   [ 2 9 ] ,   [ 3 0 ] ,  an d   is     s h o wn   in   ( 1 1 ) .      =  − 1 ( 2 ) = 0 . 569   r a d = 32 . 48 °   ( 1 1 )     T h e  o p tim al  p h ase  an g le  ( ϕ opt )   is   ca lcu lated   to   b e  3 2 . 4 8 °.  Fig u r e  2   illu s tr ates  th e  co r r elati o n   b etwe en   ϕ eq   an d   th e  m ag n etic  co u p lin g   co ef f i cien t  ( k ) .   W h en   k   e q u als  k d esigned   ( 0 . 6 6 ) ,   ϕ eq   m atch es  ϕ o pt ,   ac h iev in g   Z VS   o p er atio n .   T h is   k designed   v alu e  was  d eter m in ed   th r o u g h   p r a ctica l  m ea s u r em en ts .   Fo r   co u p lin g   co ef f icien ts   b elo w  k designed ,  ϕ eq   ex ce ed s   ϕ opt .   C o n v er s ely ,   wh en   k   ex ce e d s   k designed ,  ϕ eq   f alls   b elo w  ϕ op t .   At  th is   p o in t,  th e  in v er ter   tr an s itio n s   f r o m   Z VS  to   n o n - Z VS  o p er atio n ,   m ak i n g   k designed   th e  cr itical  th r esh o ld   f o r   m ain tain i n g   Z VS  co n d itio n s .   T h e r ef o r e ,   th e  m ax im u m   m ag n etic  co u p lin g   co e f f icien t  s h o u l d   b e  u s ed   in   th e  d esig n   p r o ce d u r es to   en s u r e   Z VS m o d e  o f   o p er atio n   th r o u g h o u t a n y   m is alig n m en t c o n d itio n s .       (a )         (b )         (c )     (d )       Fig u r e  1 .   T h e  W PT  s y s tem 's c ir cu it: ( a)   s tan d ar d   s in g le - en d e d   r eso n an t c o n v e r ter   em p l o y in g   a  C lass - E - b ased   s witch in g   s ch em e,   ( b )   im p r o v ed   h ig h - ef f icien cy   to p o l o g y   d eliv er in g   p o wer   to   a  wir eless   tr an s m is s io n   co n f ig u r atio n ,   ( c)   s im p lifie d   e q u iv alen t c ir cu it  o f   th e  W PT  s y s tem ,   an d   ( d )   a  f u r th e r   s im p lifie d   m o d el  f o r   im p ed an ce   a n aly s is   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  16 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 25 :  175 2 - 1 7 6 4   1756       Fig u r e  2 .   R elatio n s h ip   b etwe e n   p h ase  an g le  ( eq )   with   th e  m ag n etic  co u p lin g   co e f f icien t ( k )       2 . 1 . 2 .     Vo lt a g e  a nd   curr ent   a na ly s is   T h e  cir cu it in   Fig u r e  3   ar e  u s ed   in   th e  an aly s is .   W h en   th e  s witch in g   v o ltag e  in   th e  s witch e d - o f f   s tate,   th at  is ,   f o r   0     th e  s h u n t c ap ac itan ce   cu r r en t c a n   b e  r ep r esen ted   as ( 1 2 ) .     1 ( ) = 1 −  ( + )   ( 1 2 )     W h er e  I 1   r ep r esen ts   th e   d ir ec t   cu r r en t   in p u t ,  I m   r e p r esen ts   th e  m ag n itu d e   o f   an   o u t p u t  c u r r en t ,  =  ,   wh ich   is   an g u lar   s witch in g   f r eq u en c y .   i s ( )   is   th e  s witch   cu r r en t th at  is   eq u al  to   ze r o   in   th e  tu r n e d - o f f   s tate.   W h ile  tu r n ed - on   s tate,   s p ec if ically   f o r           2   th e   cu r r e n t  i s ( )   c an   b e  ex p r ess ed   as ( 1 3 ) :     ( ) = 1 −  ( + )   ( 1 3 )     an d   i C1 ( )   =  0 .   T h e  s witch   v o ltag e   v S ( )   f o r   0           eq u a ls   an   in teg r al  o f   th e  cu r r en t  f l o win g   th r o u g h   th e   s h u n t c ap ac ito r   i C1 ( ) ,   r ep r ese n ted   b y m   ( 1 4 ) .     ( ) = 1 1 ∫ 1 ( ) 0 ′   ( 1 4 )     T h u s ,   f o r   0 < ≤ ,   v o ltag e  ac r o s s   th e  s witch   ( )   ca n   b e  wr itten   as ( 1 5 ) .     ( ) = 1 +  ( + ) −  1   ( 1 5 )     Satis f y in g   th e  Z VS c o n d itio n   as d er iv ed   f r o m   ( ) = 0 ,   th u s ,   f r o m   ( 1 5 ) ,   y ield in g   ( 1 6 ) .     1 = 2    ( 1 6 )     W ith   n o   lo s s   in   th e  cir cu it,  th e   in p u t  p o wer   eq u als  th e   o u tp u t  p o wer ,   th at  is   2 11 /2 m T i V I I R = .   T h u s ,   m I ca n   b e  r ep r esen ted   as ( 1 7 ) .     = 4 1     ( 1 7 )     R ep lace   ( 1 7 )   with   ( 1 6 ) ,   an d   th e  DC   cu r r en t c an   b e  o b tain ed   as ( 1 8 ) .     1 = 8 1 2   2   ( 1 8 )     B ec au s e  th e  v o ltag e  at  th e  ch o k e  in d u cto r   is   ze r o ,   th e  DC   in p u t v o ltag e  ca n   b e  ex p r ess ed   b y   ( 1 9 ) .     1 = 1 2 ∫ ( ) 2 0 ′ = − 2 1  2 2 1    ( 1 9 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Wir ele s s   ch a r g in g   C la s s - E   in ve r ter fo r   z e r o - vo lta g e  s w itch in g   o ve r   co u p lin g   …   ( A n o n   N a min )   1757   Hen ce ,   as in   ( 2 0 ) .     1  = − 2  2 2   ( 2 0 )     T h e  p h ase  an g le ( )   in   ( 2 0 )   ca n   b e  d eter m in ed   b y   ass u m in g   th e  s y s tem   is   n o   lo s s .   T h er ef o r e,   t h e  o u tp u t  p o wer   m atch es th e  DC   in p u t  as  s h o wn   in   ( 2 1 ) .      = 1 1 = 8 1 2 2   2   ( 2 1 )     T h u s ,   th e  p h ase  an g le ( ) ca n   b e  g iv en   b y   ( 2 2 ) .     =  − 1 ( 1 √  8 )   ( 2 2 )           Fig u r e  3 .   T h e  s im p lifie d   cir cu i t m o d el  r ep r esen tin g   th e  C lass - E   in v er ter   co m b i n ed   with   th e  W PT  s y s tem       2 . 2 .     Desig ned c ircuit   pa ra met er s   In   th is   s ec tio n ,   th e  p ar am ete r s   in   th e   cir cu it  a r e  d esig n e d   th r o u g h   co r r esp o n d in g   f o r m u las.  T h e   r esis tiv e  lo ad   ( R L )   f o r   th e  W PT  s y s tem ,   as  s h o wn   in   F ig u r e  1 ,   is   ca lcu lated   u s in g   th e  r elatio n s h ip   b etwe en   V out   an d   I out ,   as g iv e n   in   ( 2 3 ) .     =   ( 2 3 )     T h e  r ec tifie r   a n d   its   r esis tiv e  lo ad   ar e  m o d eled   as  an   e q u iv alen t  AC   r esis tan ce   ( R Leq ) ,   as  illu s tr ated   in     Fig u r es 1 ( b )   a n d   1 ( c) .     = 8 2   ( 2 4 )     T h e  s ec o n d ar y   co m p en s atio n   ca p ac ito r   C S   is   ca lcu lated   b ased   o n   th e  ex p r ess io n   p r o v id ed   i n   ( 2 5 ) .     = 1 4 2   ( 2 5 )     T h e  to tal  p r im ar y - s id e   in d u ct an ce   ( L 1 )   ca n   b e  ex p r ess ed   as  a  co m b in atio n   o f   t h e  in d u cta n ce s   L o   an d   L p ,   as   d ef in ed   in   ( 2 6 ) .     1 =  0   ( 2 6 )     In   ( 2 6 ) ,  Q L   r ep r esen ts   t h e  q u ality   f ac to r ,   a n d   0   is   d e f i n ed   as   2 πf S ,   wh er e   f S   r ep r es en ts   th e  s witch in g   f r eq u e n cy .   T h e  in d u ctan ce   ( L 0 )   is   ca lcu lated   u s in g   ( 2 7 ) .     0 = 1 −   ( 2 7 )     R ep lacin g   ( 2 2 )   in to   ( 2 0 ) ,   th e  C 1   ca n   b e  p r esen ted   b y   ( 2 8 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  16 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 25 :  175 2 - 1 7 6 4   1758   1 = − 2  2 (  − 1 (  √  8 ) ) 0 2    (2 8 )     T h e  v alu e  o f   r eso n an t c ap ac ito r   ( C 0 )   ca n   b e  e x p r ess ed   in   ( 2 9 ) .     0 = 1 (  − )   ( 2 9 )     W h er e  = (  − 2 4    2 )   [ 2 4 ] .   T h e  ch o k e  in d u ctan ce   ( L f )   ca n   b e  d eter m in ed   by   ( 3 0 ) .     = 2 ( 2 4 + 1 )    ( 3 0 )     T h e  DC   in p u t v o ltag e  ( V 1 )   ca n   b e  ca lcu lated   by   ( 3 1 ) .     1 = √  ( 2 + 4 ) 8   ( 3 1 )     2 . 3 .     M o des   o f   o pera t io n   T h e  m o d e  o f   o p e r atio n   u n d e r   o p tim al  co n d itio n s   is   p r esen t ed   in   Fig u r e  4 ,   alo n g s id e  t h e  ass o ciate d   elec tr ical  s ig n als  d er iv ed   f r o m   th e  co n f ig u r atio n   i n   Fig u r e  1 ( b ) .   I ts   b eh a v io r   ca n   b e  d iv i d e d   in to   n in e  d is tin ct   o p er atio n al  m o d es,  with   Fig u r e  5   p r o v id in g   a  d escr ip tio n   o f   th e  s witch in g   o p er atio n   f o r   ea ch   m o d e :   -   Mo d e  1   [ t 0   –   t 1 ] :   Activ atio n   b y   g atin g   v o ltag e  ( v GS )   tr ig g er s   a  p o wer   s witch .   T h is   ac tio n   en a b les  th e   s witch   cu r r en t  ( i S )   to   r ev er s e  its   d ir ec tio n   an d   p ass   th r o u g h   th e  an tip a r allel  d io d e .   C o n cu r r e n tly ,   tr an s m itter   cu r r e n t  ( i P )   f lo ws  p o s itiv ely ,   wh ile   r ec eiv er   cu r r en t  ( i S )   f lo ws  n e g ativ ely .   W h en   d io d es  D 2   a n d   D 3   co n d u ct  s im u ltan e o u s ly ,   th e  r esu ltin g   r ec eiv er   v o ltag e  v 2   b ec o m es n eg ativ e   ( Fig u r e  5 ( a) ) .   -   Mo d e  2   [ t 1   –   t 2 ] :  T h e  s witch in g   d e v ice  s tay s   co n d u ctin g .   At   t 2 ,   cu r r e n t  iS  th r o u g h   th e  s witch   r e v er s es  to   a   p o s itiv e  d ir ec tio n .   Du r i n g   t h is   in ter v al,   th e   tr an s m itter   c u r r en t  iP  a n d   r ec eiv er   cu r r e n t  iS  ex h ib it   n o   s ig n if ican t c h an g e .   T h e  tr a n s m itter - s id e  v o ltag e  v 2   co n tin u e s   to   ex h ib it n eg ativ e   p o lar ity   ( Fig u r e  5 ( b ) ) .   -   Mo d e  3   [ t 2 – t 3 ] :   T h e   s witch in g   elem en t  co n tin u es  co n d u ctin g ,   en ab lin g   a   f o r war d   c u r r e n t  f l o w  ( iS).   D u r in g   th is   p h ase,   th e  tr an s m itter   cu r r en t  ( iP)  r ev er s es  an d   tak es  o n   a  n eg ativ e  p o la r ity .   I n   co n tr ast,  th e  r ec eiv er   cu r r en t ( iS)  s h o ws n o   v a r iatio n ,   an d   t h e  tr an s m itter   v o ltag e  ( v 2 )   m ain tain s   its   n eg ativ e  lev el   ( Fig u r e  5 ( c) ) .   -   Mo d e  4   [ t₃  –   t₄] :  T h e  p o we r   s witch   co n tin u es  co n d u ctin g ,   e n ab lin g   th e   cu r r e n t  iS  to   f lo w   in   th e  f o r war d   d ir ec tio n .   I n   p ar allel,   th e   tr an s m itter   cu r r e n t  iP  r etain s   its   p o s itiv e  f lo w.   Fro m   tim e  t3   o n w ar d ,   th e   r ec eiv er   cu r r en t  iS  is   r ed ir ec ted   th r o u g h   d io d es  D1   an d   D4 ,   r esu lt in g   in   a  r is e  o f   t h e  r ec eiv er   v o ltag e  v 2   to   a  p o s itiv e  lev el   ( Fig u r e  5 ( d ) ) .   -   Mo d e  5   [ t₄  –   t₅] :   At  t 4 ,   th e   g a te  s ig n al  v GS   d r o p s   t o   ze r o ,   d ea ctiv atin g   th e   p o wer   s witch .   As  a  r esu lt,  th e   s h u n t  ca p ac ito r   C 1   b eg in s   c h ar g in g   f r o m   th e  s u p p ly .   Du r in g   th is   in ter v al,   t h e  tr an s m itter   cu r r en t  iP  r ev er s es  d ir ec tio n   an d   b e co m es  n eg ativ e,   wh ile  th e   r ec eiv er   cu r r en t  iS  c o n tin u es  to   f lo w  f o r war d   v ia   d io d es  D1   an d   D4 ,   s u s tain in g   a  p o s itiv e  r ec eiv er - s id e  v o ltag e  v 2 .   Alth o u g h   iP  f lo ws  o p p o s itely ,   iS  m ain tain s   its   d ir ec tio n ,   en s u r i n g   th at  v 2   r e m ain s   p o s itiv e   ( Fig u r e  5 ( e) ) .   -   Mo d e  6   [ t₅  –   t₆] :  W h ile  th e   s witch in g   elem en t   s tay s   n o n - co n d u ctin g ,   ca p ac ito r   C 1   co n tin u es  ac cu m u latin g   ch ar g e  f r o m   th e  in p u t  s u p p ly .   At  t 5 ,   th e  tr a n s m itter   cu r r en t  iP  b eg in s   to   f lo w  in   t h e  f o r war d   d ir ec tio n .   Simu ltan eo u s ly ,   th e  r ec eiv er   c u r r en t  is   s u s tain s   its   p o s itiv e  f lo w  th r o u g h   d io d es  D1   a n d   D4 ,   m ain tain in g   a   p o s itiv e  v o ltag e  ac r o s s   th e  r ec eiv er   s id e  v 2   ( Fig u r e  5 ( f ) ) .   -   Mo d e  7   [ t 6   –   t 7 ] :  W ith   th e  p o w er   s witch   r em ain in g   in ac tiv e,   t h e  s h u n t  ca p ac ito r   C 1   b e g in s   d is ch ar g in g .   At   th is   s tag e,   th e  tr an s m itter   cu r r en t  iP  f lo ws  in   th e  f o r war d   d ir ec tio n ,   wh ile  th e  r ec eiv e r   cu r r en t  iS   co n tin u es  its   p o s itiv e  p ath   th r o u g h   d io d es  D1   an d   D4 ,   th er eb y   s u s tain in g   a  p o s itiv e  v o ltag e  ac r o s s   t h e  r ec eiv er   s id e  v 2   ( Fig u r e  5 ( g ) ) .   -   Mo d e  8   [ t 7   –   t 8 ] :  T h e  p o we r   s witch   s tay s   in   th e  o f f   s tate,   p e r m itti n g   th e  s h u n t  ca p ac ito r   C 1   to   d is ch ar g e.   Du r in g   th is   in ter v al,   th e  tr an s m itter   cu r r en t  iP   m ain tain s   its   f o r war d   d ir ec tio n .   Me an w h ile,   at  t 7 ,   th e  r ec eiv er   cu r r en t  iS  s tar ts   f lo win g   in   th e   r ev e r s e  d ir ec tio n   v ia  d io d es  D2   a n d   D3 ,   lead i n g   to   a  n e g ativ e   v o ltag e  ac r o s s   th e  r ec ei v er   s id e  v 2   ( Fig u r e  5 ( h ) ) .   -   Mo d e  9   [ t 8   –   t 9 ] :  T h e  p o wer   s witch   s tay s   in   th e  o f f   s tate.   At  t 8 ,   th e   s h u n t  ca p ac ito r   C 1   co m p letes  its   d is ch ar g e,   d ir ec tin g   cu r r en t   v ia  th e  i n tr in s ic  d io d e  p ath   with in   th e   s witch in g   d ev ice.   C o n s eq u en tly ,   a   r ev er s e - d ir ec tio n   cu r r e n t  iS  is   co n d u cte d ,   estab lis h in g   ze r o - v o ltag e  s witch in g   ( Z VS)   co n d itio n s .   Du r in g   th is   tim e,   th e  tr a n s m itter   cu r r e n t  iP  r em ain s   c o n s tan t,  a n d   t h e  r ec eiv er   v o ltag e   v 2   r etain s   its   n eg ativ e  v alu e   ( Fig u r e  5 ( i) ) .   T h e  s witch in g   c y cle  th en   p r o ce ed s   b ac k   to   Mo d e  1 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Wir ele s s   ch a r g in g   C la s s - E   in ve r ter fo r   z e r o - vo lta g e  s w itch in g   o ve r   co u p lin g   …   ( A n o n   N a min )   1759       Fig u r e  4 .   W av ef o r m s   r elate d   t o   th e  m o d es o f   o p er atio n   f o r   a n aly s is       ( a)     ( b )     ( c)     ( d )     ( e)     (f)     ( g )     ( h )     ( i)       Fig u r e  5 .   Switch in g   s eq u en ce   r ep r esen tatio n   f o r   ea ch   o p e r atin g   co n d itio n : n i n e - s tag e  o p e r a tin g   s eq u en ce :    ( a)   Mo d e  1 ,   ( b )   Mo d e  2 ,   ( c)   M o d e  3 ,   ( d )   M o d e  4 ,   ( e)   Mo d e  5 ,   ( f )   Mo d e  6 ,   ( g )   Mo d e  7 ,     ( h )   Mo d e  8 ,   a n d   ( i )   Mo d e  9   ar e   th e  co r r esp o n d in g   to   tim e  in t er v als  t 0   –   t 9   as d escr ib ed   in   t h e  m ain   tex t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,   Vo l.  16 ,   No .   3 ,  Sep tem b er   20 25 :  175 2 - 1 7 6 4   1760   3.   ST UDY  RE S UL T S   T h is   s ec tio n   p r o v id es  a   d etail ed   o v er v iew  o f   t h e  s im u latio n   an d   ex p er im en tal   r esu lts .  A  p r o t o ty p e   f o r   u n teth er e d   en e r g y   tr an s m is s io n   u tili zin g   a  r eso n an t - m o d e  C lass - E   co n v e r ter   to p o lo g y   was  d e v elo p e d   f o llo win g   th e  p r o p o s ed   d esig n   f r am ewo r k .     3 . 1 .   P a ra m et er   des ig n   A  wir eless   p o wer   p r o to t y p e  is   d ev elo p e d   to   v er if y   th e  p r o p o s ed   m eth o d   f o r   tr an s f er r in g   p o wer   to   a   lo ad :  a  3 , 4 0 0   m Ah   lith iu m - io n   b atter y   d eliv er i n g   4 . 2   V  at  its   ter m in als  an d   ac ce p tin g   a  2   A  ch ar g e  in p u t.  T h is   b atter y ' s   lo ad   r esis tan ce   is   co n s id er ed   co n s tan t.  Fro m   th e  s im u latio n ,   wh ich   ex a m in es  th e  b atter y ' s   s tate  o f   ch ar g e  ( SOC )   b etwe en   2 0 %  to   8 0 %,  it  was  f o u n d   th at  th e  in ter n al  r esis tan ce   r em ain s   r elativ ely   co n s tan t.  T h er ef o r e,   a  lo ad   r esis tan ce   o f   2 . 1   Ω   is   s elec ted   f o r   th e  s tu d y .   T h e  tr an s m itter   an d   r ec ei v er   co ils   co n s is t  o f   co n d u ct o r s   p lace d   o n   s q u ar e  f er r ite  co r es,  ea ch   m ea s u r in g   5 . 3   cm   b y   5 . 3   cm ,   with   an   in d u ctan ce   o f   6 . 2 5   μ H   p er   co il.  T h e  m a g n etic  co u p li n g   co ef f icien t  at  an   alig n ed   d i s tan ce   o f   1   cm   b etwe en   th e  co ils   is   0 . 6 6 ,   wh ich   is   u s ed   as  th e  d esig n   v alu e.   T h e  r em ain in g   p ar am eter s   wer e   ca lcu lated   u s in g   t h e  eq u atio n s   f r o m   s ec tio n   2 . 3 .   T h e  o b tain ed   cir cu it  p ar am et er s   ar e  s u m m a r ized   as   f o llo ws:   an   eq u i v alen t  r esis tan ce   R Leq   =   1 . 7 0 2   Ω ,   a  co m p en s atio n   ca p ac ito r   C 2   =   6 4 . 8 4 5   n F,  a  r ef lecte d   r esis tan ce   R reflected   =   2 1 . 4 1   Ω ,   a  r eso n an t  in d u ctan ce   L 0   =   2 6 6 . 3 5   μ H,   an d   two   ca p ac itan ce s   C 1   =   5 . 9 8 9 3   n F a n d   C 0   =   1 . 5 9 5 7   n F.     3 . 2 .   Sim ula t i o n   re s ults   B y   em p lo y in g   th e  cir cu it lay o u t  d ep icted   in   Fig u r e  1 ( b ) ,   s im u latio n s   wer e  co n d u cted   f o r   ca s es wh er e    k   =  k designed ,   k   <  k designed ,   an d   k   >  k designed .   I n   th is   d esig n ,   k designed   r ep r esen ts   th e  o p tim al  v alu e ,   em p ir ically   d eter m in ed   to   b e  0 . 6 6 .   T h e  co r r esp o n d in g   r esu lts   ar e  p r esen ted   in   Fig u r e   6 .   T h e  f ir s t set o f   m ea s u r em en ts   was  co llected   f o r   k   =  k designed   =  0 . 6 6 .   Af ter war d ,   th e  m ea s u r em en ts   wer e  p er f o r m ed   ag ain   b y   m o d if y in g   th e  h o r izo n tal  m is alig n m en t  an d   a  s ep ar atio n   b etwe en   co ils   to   ac h iev e  ca s es  wh er e  k   <  k designed   an d   k   >  k designed .  T h e  m is alig n m en t  h as  af f ec ted   th e  W PT  s y s tem ’ s   ef f icien cy ,   as  d is cu s s ed   in   [ 3 1 ] - [ 3 5 ] .   I n   p ar allel,   en h an ce d   s y s tem   ef f icien cy   u n d er   v ar y in g   co u p lin g   an d   alig n m en t c o n d itio n s   h as a ls o   b ee n   ex p lo r ed   in   [ 3 6 ] - [ 3 8 ] .   Fig u r e  6 ( a)   illu s tr ates  th e  g ate - to - s o u r ce   v o ltag e  ( V GS )   wav ef o r m   an d   s witch in g   v o ltag e  ( V DS )  wav ef o r m   ac r o s s   th e  d r ain   an d   s o u r ce   ter m in als.  I n   Fig u r e  6 ( a) ,   th e   V GS   wav ef o r m   is   s ca led   b y   a  f ac to r   o f   7 5   f o r   clar ity .   T h e  ze r o - v o ltag e   s witch in g   ( Z VS)   p o i n t  is   in d icate d   with   a  s m all  n e g ati v e  s witch   v o ltag e,   s h o win g   th at  th e  v DS   r ed u ce s   to   ze r o   p r i o r   to   th e  s witch   ac tiv atio n ,   ac h iev i n g   th e  Z VS  co n d itio n .   Fig u r e  6 ( b )   illu s tr ates  th e  s im u latio n   r esu lts   f o r   k   <  k designed   =  0 . 5 1 .   T h e  v o ltag e  wav ef o r m   V DS   b ec o m es  n ar r o wer   an d   ex h ib its   a  h i g h er   v o ltag e   am p l itu d e.   T h e   in v e r ter   o p er ates  u n d er   Z VS  c o n d itio n s ,   co n s is te n t  with   th e   an aly s is   in   s ec tio n   2 . 1 . 1 ,   wh ich   s tates  th at  Z VS  ca n   b e   ac h iev e d   w h en   k   <   k designed .   T h e  s im u latio n s   wer e  p er f o r m ed   f o r   k   >  k designed   =  0 . 8 4 .   T h e  r es u lts ,   p r esen ted   in   Fig u r e  6 ( c) ,   in d icate s   th at  th e  in v er ter   o p er ates  in   a  n o n - ze r o - v o ltag e  co n d itio n .   T h is   p h en o m en o n   o cc u r r ed   b ec au s e  t h e  m ag n etic  c o u p lin g   co e f f ici en t  ex ce ed e d   th e  o p tim al  v al u e,   as   d is cu s s ed   i n   s u b s ec tio n   2 . 1 . 1 .   Fin ally ,   Fig u r e  6 ( d )   p r esen ts   th e  s im u l atio n   r esu lts   f o r   k   >  k designed   =  0 . 9 .   At  th is   co u p lin g   co ef f icien t,  th e  o v er lap   b etwe en   th e  V DS   an d   V GS   wav ef o r m s   co n f ir m s   th at  th e   in v er ter   s till   o p er ated   i n   a  n o n - Z VS c o n d itio n .         ( a)   ( b )     ( c)   ( d )     Fig u r e  6 .   T h e  s witch in g   v o ltag e  ( V DS )   an d   g ate - to - s o u r ce   v o ltag e  ( V GS )   u n d er   d if f er en t c o u p lin g   co n d itio n s :  ( a)   k   =   k designed   =   0 . 6 6 ; ( b )   k   <   k designed   =   0 . 5 1 ;  ( c)   k   >   k designed   =   0 . 8 4 ;  a n d   ( d )   k   >   k designed   =   0 . 9   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       Wir ele s s   ch a r g in g   C la s s - E   in ve r ter fo r   z e r o - vo lta g e  s w itch in g   o ve r   co u p lin g   …   ( A n o n   N a min )   1761   T h e  s im u lated   o u tco m es  alig n   with   th e  an aly tical  f in d in g s   o u tlin ed   u n d er   s ec tio n   2 . 1 . 1 .   T h e  o b s er v ed   Z VS  an d   n o n - Z VS  s witch in g   b eh av io r s   in   Fig u r e  6   co r r esp o n d   d ir ec tly   to   th e  ca lcu lated   p h ase  an g le  ϕ eq   in   ea ch   ca s e.   W h en   k   =   k designed ,   th e  p h ase  an g le  ap p r o ac h es  th e  o p tim al  ϕ opt ,   r esu ltin g   in   Z VS  o p er atio n .   I n   co n tr ast,  d ev iatio n   f r o m   k designed   lead s   to   a  p h ase  an g le  m is m atch ,   ex p lain in g   th e  d eter io r atio n   o f   Z VS c o n d itio n s   as p r ed icted   b y   th e  an aly tical  m o d el.     3 . 3 .     E x perim ent a l r esu lt s   Fig u r e  7   illu s tr ates  th e  ex p er im en tal  s etu p ,   d etailin g   th e  ar r an g em en t  o f   e q u ip m e n t  an d   th e   p r o ce d u r es  u s ed   to   co n d u ct  th e  test s   an d   g ath er   d ata.   I n   t h e   ex p er im en tal  s etu p ,   t h e  co il  s ep ar atio n   d is tan ce   an d   m is alig n m en t  wer e  t u n ed   to   r ea ch   th e  d esire d   lev el  o f   c o u p lin g   c o ef f icien t.  T h e  f ir s t  s et  o f   m ea s u r em en ts   was  tak en   with   k   =   k designed   =  0 . 6 6 .   T h e  ex p e r im en t  was  th en   r ep ea ted   with   ad ju s tm en ts   to   th e  co il   m is alig n m en t  an d   s ep ar atio n   b etwe en   co ils   to   ac h iev e   k   <   k designed   =  0 . 5 1 ,   k   >   k designed   =  0 . 8 4 ,   an d   k   >  k designed   =  0 . 9 .   I n   th e   ex p e r im en tal  c o n f ig u r atio n ,   a  2 0   V  DC   s u p p ly   was  u s ed   to   d r iv e   th e  in v er ter ,   o p er atin g   a t   2 5 0   k Hz  with   a  5 0 %  d u ty   c y c le.   Po wer   was  wir eless ly   d eli v er ed   to   a  r esis tiv e  lo ad   lo ca t ed   o n   t h e  s ec o n d a r y   s id e  o f   th e  cir cu it.  T h e  co ils   wer e  ac cu r ately   alig n e d   with   a  1   cm   s p ac i n g ,   y ield in g   a   m ag n etic  co u p lin g   co ef f icien t  o f   0 . 6 6   u n d er   th e   in itial  test   co n d itio n .   W av ef o r m s   o f   V DS   an d   V GS   wer e  ca p tu r ed   u s in g   an   o s cillo s co p e,   as  d ep icted   in   Fi g u r e  8 ( a ) .   T h e  o b s er v ed   Z VS  b eh av io r   o f   V DS   an d   V GS   co r r elate s   well   with   th e   s im u lated   d ata  ( s ee   Fig u r e   6 ( a ) ) .   An   o u tp u t   p o wer   o f   1 0   W   was  s u cc ess f u lly   tr an s f er r ed   t o   th e   o u t p u t  s tag e,   in   alig n m en t  with   th e   in ten d e d   d esig n   cr iter ia.   T h e   in p u t  p o we r   ass o ciate d   with   th is   co n d itio n   was  r ec o r d e d   at   1 0 . 5   W ,   r esu ltin g   in   a n   o v er a ll  ef f icien cy   o f   9 5 %.  T h e   co i l  m is alig n m en t  was  ad ju s ted   to   g ain   a  m ag n etic  co u p lin g   co e f f icien t o f   0 . 5 1 .   Fig u r e  8 ( b )   p r esen ts   th e   ex p e r im en tal  r esu lts   f o r   t h e  s witch in g   v o ltag e  ( V DS )   an d   g ate - to - s o u r ce   v o ltag e  ( V GS ) ,   wh ich   clo s ely   alig n   with   s im u latio n   r esu lts ,   as  illu s tr ated   in   Fig u r e  6 ( b ) .   I n v er ter   c o n tin u e d   to   o p er ate   u n d er   ze r o - v o ltag e  s witch in g   ( Z VS) ,   d eliv er in g   an   a v er a g e  o f   8 . 8 5   W   at  th e  o u tp u t,  wh ile  d r awin g   ap p r o x im ately   1 0 . 1 7   W   at  th e  in p u t,   r esu ltin g   in   an   o v er all  e f f icien cy   o f   8 4 %.   Fig u r e  8 ( c)   p r esen ts   th e   ex p e r im en tal  r esu lts   f o r   k   =   0 . 8 4 .   Un d er   th is   co n d itio n ,   th e   in v er ter   d em o n s tr ate d   non - o p tim al  p e r f o r m an ce ,   as  t h e  Z VS  co n d itio n   was  n o t   m e t .   Me asu r ed   o u tp u t  p o wer   was   8   W ,   w h er ea s   th e  m ea s u r ed   in p u t p o wer   was 9 . 1   W ,   r esu ltin g   in   an   o v er all  ef f i cien cy   o f   8 8 %.  L ik ewise,   Fig u r e  8 ( d )   d ep icts   th e   ex p er im en tal  r esu lt  o b tain e d   f o r   k   =  0 . 9 .   T h e  a v er ag e  o u tp u t  p o wer   was  m ea s u r ed   at   7 . 3 1   W ,   with   th e  av er ag e  in p u t  p o wer   m e asu r e d   at  8 . 6   W ,   r esu ltin g   i n   an   o v er all  ef f icien cy   o f   8 5 %.  E f f icien cy   d ec r ea s es  d u e   to   lo s s es c au s ed   b y   th e  o v er la p p in g   o f   s witch   v o ltag e   an d   c u r r en t sig n als.   T h e  s tu d y   r ev ea ls   th at  wh en   d esig n in g   th e  W PT  s y s tem   p o wer ed   b y   th e  C lass - E   in v er ter   f o r   o p er atin g   u n d er   Z VS  co n d itio n s ,  th e  m ax im u m   v alu e  o f   th e  m ag n etic  co u p lin g   co ef f icien t  s h o u ld   b e  u s ed   in   th e  d esig n   p r o ce s s .   T h is   ap p r o ac h   en s u r es th at  th e  s y s tem   o p er ates u n d er   Z VS a s   lo n g   as  k   r em ain s   with in   th e  co n d itio n   k   <  k designed .   Ho wev er ,   ev en   th o u g h   th e  in v er ter   ca n   m ain tain   Z VS  o p er atio n   wh en   k   is   less   th an   k designed ,   th e  o u tp u t  p o wer   m ay   d ev iate  f r o m   th e  d esig n ed   v alu e  d u e  to   wea k   co u p lin g .   E x p er im en tal  r esu lts   in d icate   th at  wh en   k   d r o p s   to   0 . 5 1   o r   b elo w,   th e  o u tp u t p o wer   f alls   b elo w  9   watts.           Fig u r e  7 .   T h e  lay o u t o f   t h e  ex p er im en tal  s etu p   an d   th e  a r r an g em en t o f   eq u ip m en t       T h ese  ex p er im en tal  r esu lts   ar e  in   lin e  with   th e  th eo r etica l  Z VS  o p er atio n   zo n es  id en tifie d   in   s ec tio n   2 . 1 . 1 .   Sp ec if ically ,   wh en   th e  co u p lin g   co ef f icien t  eq u als  th e  d esig n ed   v alu e  k   =  0 . 6 6 ,   th e  m ea s u r ed   V DS   wav ef o r m   co n f ir m s   th at  Z VS  is   ac h iev ed ,   as  p r ed icted   b y   th e  p h ase  an g le  ϕ eq   r ea ch in g   th e  o p tim al  v alu e  ϕ opt .  A  r ed u ctio n   in   th e  co u p lin g   f ac to r   to   k   =  0 . 5 1   allo ws  th e  in v er ter   to   m ain tain   Z VS  o p er atio n ,   as  p r ed icted   b y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.