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 7 ,   No .   1 ,  Ma r ch   20 2 6 ,   p p .   4 5 3 ~ 4 64   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 1 7 . i 1 . p p 4 5 3 - 4 64           453       J o ur na l ho m ep a g e :  h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   H ig h e ff icie nt  DC - AC i nv erte r  f o r l o w wirele ss   po we r   t ra nsfer   a ppl ica ti o ns       K y rillo s   K .   Selim 1 ,   H a nem   S a ied Eb ra hem   T o ra d 1, 2 ,   M o s t a f a   R.   A.   E lt o k hy 1 ,   H esh a m F .   A.   H a m ed 2 ,3 ,   M o ha m ed   E lza lik 4   1 E l e c t r o n i c s   T e c h n o l o g y   D e p a r t m e n t ,   F a c u l t y   o f   T e c h n o l o g y   a n d   E d u c a t i o n ,   C a p i t a l   U n i v e r s i t y   ( F o r m e r l y   H e l w a n   U n i v e r s i t y ) ,   C a i r o ,   E g y p t   2 F a c u l t y   o f   A r t i f i c i a l   I n t e l l i g e n c e ,   Eg y p t i a n   R u ssi a n   U n i v e r si t y ,   C a i r o ,   E g y p t   3 F a c u l t y   o f   En g i n e e r i n g ,   M i n i a   U n i v e r si t y ,   M i n i a ,   Eg y p t   4 D e p a r t me n t   o f   P r o c e ss  C o n t r o l   T e c h n o l o g y ,   F a c u l t y   o f   Te c h n o l o g y   a n d   E d u c a t i o n ,   B e n i - S u e f   U n i v e r si t y ,   B e n i - S u e f ,   Eg y p t       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Sep   1 0 ,   2 0 2 5   R ev is ed   No v   7 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   Dec   1 1 ,   2 0 2 5       Th e   in v e rter' s   sim p li c it y   is  a n   i m p o rtan t  a sp e c t  th a t  m u st  b e   c o n sid e re d ,   e sp e c ially   fo r   e lec tro n ic   d e v ice s,   a s  a d d i n g   t h e   n u m b e r  o f  p o we r   sw it c h e s  in c re a se s  th e   c o m p lex it y   a n d   o v e ra ll   c o st o f  t h e   in v e rter.  T h is  w o r k   p r o p o se s  a n   in v e rter  d e si g n   th a t   c o n v e rts  DC  in t o   AC  p o we r.   It  re c e iv e s  1 2   VD C  a s  a n   in p u t  v o l tag e ,   a n d   it   is  c o m p o se d   o f  a   b o o st   c o n v e rter  t h a t  c o n v e rts   a n   in p u t  v o l tag e   o f   5 – 2 0   VD C  t o   a n   o u t p u t   v o lt a g e   o f  4 – 3 0   VD C  a n d   a   p u lse   wid th   m o d u lat io n   c o n tr o ll e r  t o   p ro d u c e   a   sq u a re   wa v e   with   a   fre q u e n c y   o f   1 0 0   k Hz   t o   d riv e   th e   sw it c h i n g   M OSF E T.   Th e   d e sig n e d   in v e rt e r  c a n   b e   o p e ra ted   o n   d iffere n t  lo a d s   ra n g in g   fro m   5 0   Ω   t o   1 0 0 0   Ω ,   tes te d   i n   b o th   sim u latio n s  a n d   e x p e rime n tally .   Th e   d e sig n   wa s  o p ti m ize d   b y   t h e   LT   S p ice   sim u lato r.   T h e   p r o p o se d   i n v e rte r  h a s  o p e ra ti n g   fre q u e n c ies   ra n g in g   fro m     4 0   k Hz   t o   1 1 0   k Hz ,   tak i n g   in t o   a c c o u n t  d iffere n t   lo a d s.  T h e   o b tai n e d   re su lt s   sh o we d   t h a t  b o t h   sim u latio n   a n d   e x p e rime n tal  re su lt s  c o n v e rg e d ,   wh e re a s  th e   h i g h e st efficie n c y   wa s 9 6 . 9 6 %   a t   5 5   k Hz   a t  a   fi x e d   l o a d   o f  1 0 0   Ω .   O n   t h e   o th e r   h a n d ,   th e   m a x imu m   a c h ie v e d   e ff icie n c y   wh e n   t h e   l o a d   wa s  sw e e p in g   wa s 8 0 %   a t  a   lo a d   o f  5 0   Ω   a t  a   fi x e d   fre q u e n c y   o f  1 0 0   k Hz .   K ey w o r d s :   Dif f er en t lo ad s   MO SF E T   PW M  co n tr o ller   W ir eles s   p o wer   tr an s f er   i n v er ter   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 :   Han em   S aeed   E .   T o r ad   Facu lty   o f   Ar tific ial  I n tellig en ce ,   E g y p tian   R u s s ian   U n iv er s ity   C air o ,   E g y p t   E m ail: h an im - s ae ed @ er u . ed u . eg       1.   I NT RO D UCT I O N   W ir eles s   p o wer   tr an s f er   ( W PT)   tech n o l o g y   h as  b ec o m e  m o r e  an d   m o r e   p o p u lar   i n   r ec e n t  y ea r s   s in ce   it  p r o v id es  a   u s ef u l  a n d   e f f i cien t  m ea n s   o f   r ec eiv in g   ele ctr ical  en er g y   f o r   b o th   s tatio n ar y   an d   m o b ile     d ev ices [ 1 ] .   Dy n am ic  wir eless   p o wer   tr an s f er   ( DW PT) ,   wh ich   in v o lv es th e  co n tin u o u s   s u p p ly   o f   elec tr icity   to   a  m o v in g   d ev ice  o r   v eh icle,   is   o n e  p ar ticu lar   ar ea   o f   W PT  t h at  h as  d r awn   a  lo t  o f   in ter est   [ 2 ] – [ 4 ] .   T h er e  ar e   s ev er al  p o ten tial  ap p licatio n s   f o r   th is   tech n o lo g y ,   in clu d in g   th o s e  in   th e  in d u s tr ial  s ec to r   [ 5 ] ,   m o b ile     d ev ices  [ 6 ]   as  well  as  ch ar g in g   f o r   elec tr ic  ca r s   [ 7 ] .   T h e  o m n id ir ec tio n al   wir eless   p o wer   tr an s f er   ( OW PT)   s y s tem ' s   ef f icien cy   o p tim izati o n   is   alwa y s   a   s ig n if ican t  b ar r ier   to   its   u s e   [ 8 ] ,   [ 9 ] .   As  th e  ce n tr al  co m p o n e n t  o f   th e  OW PT  s y s tem ,   a  co u p ler   p o s s ess in g   a  p r o p er   v o lu m e ,   s m o o th   co u p lin g   ca p ab ilit ies,  u n if o r m   m ag n etic   f ield   d is tr ib u tio n ,   a n d   lo w  l o s s es is   es s en tial f o r   ac h iev in g   s tead y   an d   ef f ec tiv e  e n er g y   tr an s f er   [ 1 0 ] .   Ap p licatio n s   f o r   i n v er ter s   in c lu d e  b atter y   s to r ag e,   s o lar   p a n els,  elec tr ic  v eh icles,  air   co n d itio n in g ,   u n in ter r u p tib le  p o wer   s u p p lie s   ( UPS),   an d   h ig h - v o ltag e  DC   p o wer   ( HVDC)  tr an s m is s io n   lin es  [ 1 1 ] .   Sq u ar e - wav e  in v e r ter s ,   s in u s o id al   two - lev el  p u ls e  wid th   m o d u latio n   ( PW M)   in v e r ter s ,   a n d   m u lti lay er   in v er ter s   ar e   th e  th r ee   ty p es  o f   in v er ter s   [ 1 2 ] .   T h e   o n g o in g   ad v an ce m en t   o f   W PT  h as  m ad e   p o wer - g e n er atin g   tech n iq u es   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.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   453 - 4 64   454   m o r e  im p o r tan t   in   lig h t  o f   th e  r ec e n t  d r iv e  f o r   ec o lo g ically   f r ien d ly   e n er g y   s o u r ce s   an d   p r ac tices.  T h e   p r o d u ctio n   o f   elec tr o n ic  s em ico n d u ct o r s   h as  ad v an ce d   q u ic k ly ,   wh ich   h as  p r esen ted   a  n u m b er   o f   d if f icu lties   f o r   th e  h ig h - p er f o r m an ce   d e s ig n   o f   p o we r   in v er te r s   [ 1 3 ] – [ 1 6 ] .   An   in v e r ter   is   an   ele ctr o n ic  d ev ice  t h at  co n tain s   m an y   p o wer   s witch e s .   I t  is   p o s s ib le  to   c r ea te  AC   p o wer   f r o m   DC   in p u t  b y   p r o v i d in g   th ese  s witch es  with   th e  ap p r o p r iate  co n tr o l p u ls es [ 1 7 ] ,   [ 1 8 ] .   An   in v er ter   is   an   elec tr o n ic  d ev ice  th at  co n tain s   m an y   p o w er   s witch es.  I t  is   p o s s ib le  to   cr ea te  AC   p o wer   f r o m   DC   in p u t  b y   p r o v id in g   th ese  s witch es  with   th e  ap p r o p r iate   co n tr o l  p u ls es  [ 1 7 ] ,   [ 1 8 ] .   Hig h   f r eq u e n cy   ( HF)   is   n ec ess ar y   f o r   m an y   ad v an tag es.  T h e  u s e  o f   h ig h   f r eq u en cy   in   W PT  allo ws  f o r   m o r e   ef f icien t  an d   p r ec is e  tr an s f er   o f   en er g y ,   as  well  as  p o ten tially   r ed u cin g   in ter f e r en ce   an d   a llo win g   f o r   s m aller   s izes  o f   th e   co m p o n e n ts   [ 1 9 ] ,   [ 2 0 ] .   W h en   it  co m es  to   m in im izin g   s ize  an d   r ed u ci n g   lo s s es,  g r ea ter   f r eq u e n cy   is   th e  p r ef er ab le  o p tio n   [ 2 1 ] .   I t' s   im p o r tan t  to   k ee p   in   m in d   th at  th e  p r ec is e  f r e q u en c y   ch o s en   f o r   W PT  is   d eter m in ed   b y   th e  p ar ticu la r   a p p licatio n   an d   s y s tem   r eq u ir e m en ts ,   with   o th er   f ac to r s   s u ch   as  s af ety   s tan d ar d s   an d   leg al   r e g u latio n s   also   p la y in g   a   r o le.   T h e  HF  i n v er ter   i s   a  k ey   elem en t   in   an y   W PT  s y s tem   [ 2 2 ] .   R ec en t  p r o g r ess   in   r esear ch   a n d   m et h o d s   h as  f ac ilit ated   th e  cr ea tio n   o f   s m aller   an d   m o r e  p o r ta b le  elec tr o n ics  [ 2 3 ] .   Po wer   elec tr o n ics  c o n v er te r s   h av e  b ec o m e   in d is p en s ab le   in   co n tem p o r ar y   elec tr o n ic   d ev ic es  d u e  t o   th eir   v ital   r o les,  en h an ci n g   th e  f u n ctio n a lity   an d   ap p ea l o f   th ese  d ev ice s .   I n cr ea s in g ly   co m p ac t  an d   p o r tab le  p o wer   elec tr o n ics  ar e  n ee d ed   as  s y s tem s   f o r   W PT  b ec o m e  in cr ea s in g ly   c o m m o n p lace   i n   d aily   life   [ 2 4 ] .   T h e  HF  in v er te r   is   u s ed   f o r   th e   W PT  ap p licatio n   in   th is   p r o ject,   with   th e  P W M  co n tr o ller   in v er ter   b ein g   th e  ch o s en   co n v er ter   [ 2 5 ] .   T h e  u s e  o f   a  h ig h   f r eq u en cy   s witch in g   f r eq u e n cy   r ed u ce s   th e  s ize  o f   cir cu it  co m p o n en ts ,   s u ch   as  tr an s m itti n g   an d   r ec eiv in g   in d u cto r s   o r   ca p ac ito r s   [ 2 6 ] .   B ec au s e  th e  PW M  tech n iq u e  r e d u ce s   elec tr o m ag n etic  in ter f er en ce   ( E MI )   a n d   s witch in g   p r ess u r e,   it  is   u s ed   f o r   s witch in g   b ec au s e  it  is   s tr aig h tf o r war d   an d   ef f e ctiv e.   T h is   p ap er   p r esen ts   an   o p tim al  1 1 0   k Hz   in v er ter   lay o u t  f o r   W PT  d ev ic es  with   th e  ab ilit y   to   wo r k   u n d er   a  wid e   r an g e  o f   d if f er en t   lo ad s   f r o m   5 0   Ω   t o   1 0 0 0   Ω .   W h ile  v ar io u s   in v er ter   t o p o l o g ies ,   s u ch   as  f u ll - b r id g e   a n d   m u lti - lev el  in v er ter s ,   o f f er   s u p er io r   h ar m o n ic   p er f o r m a n ce ,   t h ey   o f ten   in t r o d u ce   s ig n if ican t   co m p lex ity   a n d   c o s t,  m ak i n g   t h em   s u b o p tim al  f o r   lo w - p o wer ,   co s t - s en s itiv e  W P T   ap p licatio n s .   Similar ly ,   p r io r   s in g le - s witch   d esig n s   h av e  o f ten   b ee n   lim ited   to   n ar r o w  l o ad   o r   f r eq u e n cy   r an g es.  T h e  p r im ar y   co n tr ib u tio n   o f   t h is   wo r k   is   th e r ef o r e  n o t  t h e  in tr o d u ctio n   o f   a  n ew  to p o lo g y ,   b u t  r ath e r   th e  s y s tem atic  d esig n ,   o p tim izatio n ,   an d   ex p er im en tal  v alid atio n   o f   a  s im p le,   s in g le - MO SF E T   in v er ter   th at  ac h iev es  a  u n iq u e  b alan ce   o f   h ig h   e f f icien cy   ( > 9 6 %),   r o b u s t  p er f o r m an ce   a cr o s s   an   ex ce p tio n ally   wid e  lo a d   r an g e   ( 5 0   Ω   to   1 0 0 0   Ω ) ,   an d   tu n ab le  h ig h - f r eq u e n cy   o p er atio n   ( 4 0 - 1 1 0   k Hz) .   T h is   p ap er   d em o n s tr ates  a  p r ac tic al  an d   r ep r o d u ci b le  s o lu tio n   th at  d i r ec tly   ad d r ess es  th e  tr ad e - o f f   b etwe en   p er f o r m an ce ,   co m p lex ity ,   a n d   co s t  f o r   em er g in g   lo w - p o wer   W PT  s y s tem s .   T h e  r est  o f   th e  p ap er   is   o r g an ize d   as  f o llo ws:   i)   Sectio n   2   ex p lain s   in   d etail  th e  p r o p o s ed   wo r k in g   d esig n   f r o m   th e  v iewp o in t   o f   s im u latio n   an d   ex p er im en t  d esig n ;  ii)   T h e  o b tain ed   r esu lts   ar e  d is cu s s ed   in   s ec tio n   3 ;  an d   iii)   Fin ally ,   th e  co n clu s io n   o f   th is   wo r k   is   p r esen ted   in   s ec tio n   4.       2.   SI M UL A T I O N  A ND  E XP E RIM E N T AL   D E S I G N    T o   d esig n   th e  ad o p ted   in v er ter ,   th e  L T   s p ice  s im u lato r   was  u s ed ,   as  s h o wn   in   Fig u r e  1 .   T h e   p r o p o s ed   in v e r ter   co n s is ted   o f   a  DC   s o u r ce   ( 2 0   DC V) ,   wh ich   wo u l d   b e   in v er te d   in to   AC   p o wer ,   a  PW M  co n tr o ller   ( L T C 4 4 4 4 ) ,   a n d   a   s witch in g   cir cu it  ( t h e  m ain   ele m en t  is   th e  MO SF E T ) .   T h e   PW M  is   r esp o n s ib le  f o r   g e n er atin g   t h e  s q u ar e  wa v e  with   a  s p ec if ic  f r e q u en c y   to   d r iv e  t h e  MO SF E T   tr an s is to r   v ia  th e  g ate   ter m in al.   At  th e   b eg in n in g ,   th e  wo r k in g   f r eq u e n cy   o f   t h e  s im u latio n   s etu p   r an g ed   f r o m   4 0   k Hz  to   1 1 0   k Hz,   wh er ea s   th e  lo ad   r esis to r   was  f ix ed   t o   b e   1 0 0   Ω .   Af ter   th a t,  th e  f r e q u en c y   in   b o t h   p r ac t ical  an d   s im u latio n   was f ix ed   to   b e  1 0 0   k Hz,   an d   t h e  ch an g e  in   th e  l o ad   r esis tan ce   v alu e  was f r o m   5 0   Ω   to   1 0 0 0   Ω .     2 . 1 .     E x perim ent a l set up   E x p er im en tally ,   th e   p r o p o s e d   in v e r ter   c o n s is ted   o f   th r e e  ess en tial  cir cu its .   T h ese  c o m p o n en ts   in clu d e  a  b o o s t  co n v er ter   an d   a  PW M   co n tr o ller   d esig n ed   f o r   s ig n al  m an ag em e n t.  Fu r th e r m o r e,   a  s witch in g   cir cu it wa s   in teg r ated ,   wh ich   i n co r p o r ates b o th   a  g ate  d r iv er   an d   MO SF E T   cir cu it to   p r o d u ce   th e  f in al  o u tp u t.     2. 1 . 1 .   B o o s t   c o nv er t er   T h e  XL 6 0 0 9   m o d u le,   a  n o n - is o lated   s tep - u p   b o o s t  v o lta g e  co n v er ter   with   an   ad ju s ta b le  o u tp u t  v o ltag e  an d   g o o d   ef f icien cy ,   i s   th e  b o o s t  co n v er ter   ( B C )   em p lo y ed   in   th is   wo r k   an d   is   d e p icted .   I t  ch an g es  a  5 – 2 0   VDC in p u t  v o ltag e  to   a  4 – 3 0   VDC o u tp u t v o ltag e .   A  r esis to r   d iv id er   co n n ec ted   to   th e  XL 6 0 0 9   f ee d b ac k   p in   co n tr o ls   th e  o u t p u t v o ltag e .   T h e  o u tp u t v o ltag e  ca n   b e  d e ter m in ed   u s in g   ( 1 ) .     V o ut   =  V Ref   1+ (   R 5 R 4 )   ( 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       Hig h   efficien t D C - A C   in ve r ter   fo r   lo w   w ir ele s s   p o w e r   tr a n s f er a p p lica tio n s   ( K yril lo s   K .   S elim )   455   W h er e  ( V Ref )   is   th e  r ef er en ce   v o ltag e,   ( R 4 )   an d   ( R 5 )   ar e  th e  f ee d b ac k   r esis to r s .   T h e  ad v an ta g es  o f   u s in g   B C   o v er   a  co n v e n tio n al  b o o s t  co n v er ter   ar e  in c r ea s ed   ef f icien cy   an d   im p r o v ed   r eliab ilit y .   T h e  lo s s es  in   th e  s witch ,   d io d e,   an d   in d u cto r   all   af f ec t th e  b o o s t c o n v er ter ' s   ef f icien cy ( ƞ )   ca n   b e  d eter m i n ed   u s i n g   ( 2 ) .     Ƞ  =  V o u t   ×     I o u t V in     ×   I in                 ( 2 )     I n   o r d er   to   m in im ize  cu r r en t  r ip p le  an d   ass u r e  c o n tin u o u s   c o n d u ctio n   m o d e  ( C C M)   f u n ct io n in g ,   t h e   in d u cto r   v alu e  is   s elec ted .   I t is p o s s ib le  to   co m p u te  th e  in d u c to r   v alu e  u s in g   ( 3 ) .     L   =  V in × ( V o u t −   V in ) Δ I l × F s   V o u t   ( 3 )     W h er e  ( Δ I l )   is   th e  p ea k -   to -   p ea k   in d u cto r   cu r r en t  r ip p le,   ( F s   )   is   t h e  s witch in g   f r eq u en cy .   T h er ef o r e,   th e   v alu e  o f   th e   in d u cto r   is   in   a  c ir cle  b o o s t  co n v er ter   c o n s is ts   o f   a n   in d u cto r   o f   4 7 0   m H,   a   c ap ac ito r   o f   2 2 0   µF   o n   th e  in p u t  s id e  an d   1 0 0   µF  o n   th e  o u tp u t  s id e,   a  p o te n tio m eter   o f   1 0   k Ω ,   an d   a  MO SF E T   XL 6 0 0 9   W h en   th e  v o ltag e  s o u r ce   is   co n n ec te d   to   th e  B C   cir cu it,  th e   cu r r e n t  f lo ws  th r o u g h   th e   co il,  co n v er tin g   s o m e  e n er g y   in to   m a g n etic  e n er g y .   Su b s eq u en tly ,   th e  c u r r e n t  p ass es  th r o u g h   th e  d io d e,   en s u r in g   th e   c o r r ec t  d ir ec tio n   an d   lead in g   to   th e  ch ar g in g   o f   ca p ac ito r   C 6 .   T h e  o u tp u t  ca p ac ito r   lo wer s   r ip p le  in   th e  o u tp u t  v o ltag e  b y   s m o o th in g   it  o u t .   T h e   n ec ess ar y   ca p ac itan ce   ca n   b e  d ete r m in ed   u s in g   ( 4 ) .     C o ut   =   I o u t   × D V r ippl e   ×   F s   ( 4 )     W h er e  ( )   th e  o u tp u t  is   cu r r en t,   ( V r i p p l e )   is   th e  ac ce p tab le  r ip p le  v o ltag e  o n   th e  o u tp u t.  T h e   v ar iab le  r esis tan ce   R 5   th e  v o ltag e  v alu e  ca n   b e  ad ju s ted   th r o u g h   th e  m id d le  en d   o f   th e  v ar iab le  r esis tan ce ,   wh ich   is   co n n ec ted   to   a  ter m in al  ca lled   FB .   FB   i s   u s ed   to   co m p ar e  th e  o u t p u t v o ltag e  v alu e  with   th e  r ef er en ce   v o ltag e  v alu e  th r o u g h   ter m in al  No .   5   in   th e  I C   XL 6 0 0 9 ,   wh ich   is   co n n ec ted   to   a   ter m i n al  ( FB ) .   W h en   t h e  r ef er en ce   v o ltag e   eq u als  th e   o u tp u t  v o ltag e,   th e   er r o r   d ec r ea s es,  b u t  th e   o u tp u t   v o ltag e   r e m ain s   co n s tan t.   T h e   VC C   o u tp u t  is   co n n ec te d   to   t h e  d r i v er   cir c u it  at  th e   en d   o f   th e  ca p ac ito r ,   wh ich   is   co n n ec ted   to   th e   d r ain   e n d   o f   th e  MO SF E T .           Fig u r e  1 .   T h e  s im u lated   p r o p o s ed   in v er ter   b y   th e  L T   Sp ice  p latf o r m       2 . 1 . 2 .   P WM   co ntr o ller  des ig n   A  PW M  co n tr o ller   b ased   o n   th e  T L 4 9 4   was  d e v elo p ed ,   wh ich   is   an   ad j u s tab le  m u lti - v alu ed   f r eq u e n cy   p u ls e  wid th   m o d u la tio n   co n tr o l  cir cu it  ( f r o m   4 0   k Hz  to   1 1 0   k Hz) .   T L 4 9 4 ' s   m ain   ch ar ac ter is tics   ar e   d escr ib ed   as  f o llo ws.  C o m p lete  co n tr o l  cir cu itry   f o r   p u ls e  wid th   m o d u latio n ,   in clu d i n g   a n   o n - c h ip   o s cillato r   with   m aster   o r   s lav e  o p er ati o n ,   o n - ch ip   e r r o r   a m p lifie r s ,   an   o n - c h ip   5   V  r e f er en ce ,   a d ju s tab le  d ea d - tim e   co n tr o l,  a n d   u n co m m itted   o u t p u t tr an s is to r s   with   a  500 - mA   s o u r ce   o r   s in k   r atin g .   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.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   453 - 4 64   456   T h e  b lo c k   d iag r am   o f   th e  T L 4 9 4   o u tp u t   p u ls e  wid th   m o d u latio n ,   wh ich   is   p r o d u ce d   b y   co m p ar in g   th e  ca p ac ito r ' s   ( C T )   p o s itiv e,   s aw  to o th   v o ltag e   with   th e  o th e r   two   co n tr o l  s ig n al   v o ltag es.   T r an s is to r s   Q1   an d   Q2   ca n   o n ly   b e  d r iv en   b y   th e  NOR  g ate  wh en   th e  f lip - f lo p ' s   clo ck   in p u t  s ig n al  is   l o w.   T h e  o s cillato r   f r eq u e n cy   is   ch o s en   b y   two   c o m p o n en ts :  th e  r esis to r ( R RT )   an d   t h e  ca p ac ito r   ( C CT ) .   T h e   esti m ated   o s cillato r   f r eq u e n cy   ( F o s c )   is   d eter m in ed   b y   ( 5 )   [ 2 7 ] .         f Osc = 1 . 1 R RT   × C CT   ( 5 )     W h er e   ( F O S C )   th e  o s cillato r   f r eq u en c y   in   Hz  is ,   ( R rt )   is   th e  tim in g   r es is to r   in   o h m ,   ( C CT )   is   th e  tim in g   ca p ac ito r   in   f a r ad s .   T h e  v o ltag e  ap p lied   to   th e  T L 4 9 4 ' s   co n tr o l  in p u t ,   as  well  as  th e  r ef er en ce   v o ltag e  d et er m in e  th e  PW M  s ig n al ' s   d u ty   cy cle.   T h e  r atio   o f   th e   PW M  s ig n al' s   o n - tim e  to   its   o v er all  p er io d   is   k n o w n   as  th e   d u t y   cy cle,   o r   D.   T h e  d u ty   cy cle  D  ca n   b e  ex p r ess ed   as ( 6 ) .     D  =  t on T P WM   ( 6 )     W h er e  ( t on )   th e  d u r atio n   o f   t h e  h i g h   s tate  o f   is   th e  PW M  s ig n a l,  ( T PWM )   is   th e  to tal  p er i o d   o f   th e   PW M   s ig n al   ( i . e . , T PWM   =   1 F o s c ) .   T h e  d u t y   cy cle  D   o f   a   p ar tic u lar   PW M  co n tr o ller   is   also   d ep en d e n t  o n   th e  v o ltag e  at  t h e  co n tr o l   in p u t  an d   th e  r e f er en ce   v o ltag e   V r ef .   T h e  f ee d b ac k   n etwo r k   an d   r ef er en ce   v o lta g e  ar e  f r eq u en tly   in   ch ar g e  o f   co n tr o llin g   th e   r elatio n s h ip .   I f   ( V co n t r o l )   is   th e  v o ltag e   at  t h e  co n tr o l  i n p u t,   th e   d u ty   cy cl e  ca n   b e   ap p r o x im ated   b y   ( 7 ) .     D  =  ( V c o nt r o l     −   V m in             V m ax   −   V m in                               )   ( 7 )     W h er e  ( V co n t r o l )   is   th e  v o ltag e  ap p lied   to   th e  PW M  co n tr o l  in p u t,   (  V m i n )   an d   ( V m i x )   ar e  th e  m in im u m   an d   m ax im u m   v o ltag es  c o r r esp o n d in g   t o   0 %  an d   1 0 0 %  d u t y   c y cle,   r esp ec tiv ely .   Pra ctica lly ,   in   th is   cir c u it,  th e   o s cillatio n   f r eq u en c y   co u ld   b e   ad ju s ted   v ia  th e  p o ten tio m ete r   r esis to r   R 5 ,   as sh o wn   in   Fig u r e  2 .           ( a)   ( b )     Fig u r e  2 .   PW M  co n tr o ller   cir c u it :   ( a)   s ch em atic  cir cu it d esig n   an d   ( b )   PC B   d esig n       T L 4 9 4   h as  th e  p r o p er ties   o f   s tr o n g   an ti - in ter f er en ce   a b ilit y ,   b asic  s tr u ctu r e,   h ig h   f id elity ,   an d   l o w   co s t.  T h e  s ch em atic   cir cu it  a n d   PC B   cir cu it  o f   th e  T L 4 9 4   a s   an   o s cillato r   a r e  s h o wn   in   Fig u r e  3 .   Pin   1 3   is   co n n ec ted   to   th e  g r o u n d   to   b e n ef it  f r o m   th e  o p er atio n   an d   d is co n n ec tio n   o f   tr an s is to r s   at  t h e  s am e  tim e.   T h e  d ea d - tim e  c o m p ar at o r   h as  a  1 2 0 - m V  i n p u t  o f f s et,   wh ic h   li m its   th e  m in im u m   o u t p u t  d ea d - tim e  to   ar o u n d   4 %  o f   th e   s aw  to o th   wav e   p er io d   an d   th e   m ax im u m   d u ty   cy cle.   Dea d - tim e  is   th e   tim e  w h en   t h er e  is   n o   o v er lap   an d   a  lo wer   c h an ce   o f   s h o r t  c ir cu its   s in ce   b o th   o u t p u t  tr an s is to r s   ar e  o f f .   T h e   v o ltag e  g iv en   to   th e  d ea d - tim e   co n tr o l p i n   ( p i n   4 )   d eter m in es  th e  d ea d - tim e  b y   ( 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       Hig h   efficien t D C - A C   in ve r ter   fo r   lo w   w ir ele s s   p o w e r   tr a n s f er a p p lica tio n s   ( K yril lo s   K .   S elim )   457   D d ead   =  V DT − 0 . 7V 3 . 3V   ( 8 )     W h er e  V DT   is   th e  v o ltag e  at  th e  d e ad - tim e  co n tr o l p in   ( p in   4 ) .   T h e  d ea d - tim e  ca n   b e  a d ju s ted   b y   v ar y i n g   V DT .   T h e  m in im u m   d ea d - tim e  o cc u r s   wh en   V DT   is   0 . 7   V,   a n d   th e   m a x im u m   d ea d - tim e   o cc u r s   wh e n   V DT   eq u als  3 . 3   V.   T h is   p ar am eter   is   cr itical  in   av o id i n g   c r o s s - co n d u ctio n   in   th e  p o wer   t r an s is to r s .   I n   a   lo o p   th at   r eg u lates  f ee d b ac k ,   th e   o u tp u t  v o ltag e   V o ut   is   co m p ar e d   to   a   r ef er en ce   v o ltag e   V r ef ,   an d   th e   d if f er en ce   is   m ag n if ied   an d   u tili ze d   to   m o d if y   th e   PW M  s ig n al' s   d u ty   cy c le.   T h e   clo s ed - lo o p   t r an s f er   f u n ctio n   ca n   b e  u s ed   to   an aly ze   th e  r eg u lato r y   lo o p   b y   ( 9 ) .     T ( S )   =  G ( S ) 1 + G ( S ) . H ( S )   ( 9 )     W h er e  T ( s )   is   th e  clo s ed - lo o p   tr an s f er   f u n ctio n ,   G   ( s )   is   th e  o p en - lo o p   tr an s f er   f u n ctio n   o f   th e  PW M   co n tr o ller ,   H  ( s )   is   th e  tr an s f er   f u n ctio n   o f   th e  f ee d b ac k   n etwo r k .   Pin   9   an d   p i n   1 0   ar e   o u tp u ts   t o   wo r k   s id e  b y   s id e,   b u t   th e  v o ltag e  v alu e   is   ch an g ed   alter n ately   f r o m   p o s itiv e  to   ze r o .   Pin   1 2   is   th e  s u p p ly   p in   th at  ca n   b e  co n n ec ted   to   1 2   VDC.  Pin   1 4   is   co n n ec ted   to   a  v ar iab le   r esis tan ce .   B y   ch an g in g   th e  v alu e  o f   th e  r esis tan ce ,   tim e  is   co n tr o lled ,   an d   th u s   th e  d u ty   cy cle  is   co n tr o lled .   T h e  o u tp u t o f   th is   cir cu it is   co n n ec ted   to   t h e  in p u t o f   th e   g at e  d r iv er   cir c u it.     2. 1 . 3 .   G a t e   d riv er   circ uit   T h e  g ate   d r iv e r   is   o p er ated   v i a  th e  p u ls es  th at  ar e  p r o d u ce d   b y   th e   PW M  co n tr o ller ;   ac co r d in g ly ,   th e   I R F6 4 0   MO SF E T 's  g ate  is   d r iv en   b y   th e  T L P2 5 0 ,   an d   th e  r ate  at  wh ich   t h e  g ate  ca p ac itan ce   is   ch ar g e d   o r   d is ch ar g ed   d eter m in es h o w  r a p id ly   th e   MO SF E T   tu r n s   o n   a n d   o f f .   W h en   th e   T L P2 5 0   o u t p u ts   a  h i g h   s ig n al,   it  ch ar g es  th e   g ate   ca p ac itan ce   C gs   th r o u g h   t h e  g ate  r esis to r R g .   T h e  ch ar g in g   p r o ce s s   ca n   b e  a p p r o x im ated   b y   an   R C   ch ar g in g   cir cu it .   T h e   g ate  ch ar g e  h as  an   im p ac t  o n   h o w  lo n g   it  tak es  th e  MO SF E T   to   tu r n   o n   o r   o f f ,   RG ,   an d   th e  g ate  d r iv e  cu r r en t .   B y   ( 1 0 )   an d   ( 1 1 ) ,   r esp ec tiv el y .     V g ( t )   =  VC C   1 -   e − ( 1 R g . C gs )   ( 1 0 )     t on / o f f   =  Q G I G   =  Q G   .   R G V cc   ( 1 1 )     W h er e  V g ( t )   th e  g ate  v o ltag e  is   at   t im e  t,   ( VC C )   is   th e  s u p p ly   v o ltag e  f o r   th e  T L P2 5 0 ,   ty p icall y ,   ( R g )   is   th e  g ate  r esis to r ,   ( C gs )   is   th e  g ate - s o u r ce   ca p ac itan ce   o f   th e   I R F6 4 0 .   T h e   g ate   ch ar g in g   tim e  co n s tan t  ( T )   is   p r o v id e d   b y   ( 1 2 ) .     T   =  R G   C gs     ( 1 2 )     As  illu s tr ated   in   Fig u r e  3 ,   th e   m ain   elem en t  in   th e  cir c u it  is   th e  o p to co u p ler   ( T L P2 5 0 ) ,   w h ich   is   an   o p tical  tr an s is to r   th at  h as  f o u r   ter m in als:   th e  an o d e,   th e  ca th o d e,   th e  co llecto r ,   an d   th e  em itter .   T h e   o p to co u p ler   c o n tain s   a  p h o to tr an s is to r   th at  is   co n tr o lled   b y   g iv in g   a  lig h t  s ig n al  to   th e  b ase  ter m in al  to   co n n ec t  o r   d is co n n ec t   th e  c u r r en t  b etwe en   th e   co llecto r   a n d   th e   em itter .   T h e  m o s t  im p o r tan t  t h in g   th at  d is tin g u is h es  th is   co m p o n e n t  is   its   ab ilit y   to   co n n ec t  a n d   d is co n n ec t  with in   a  v er y   s h o r t   tim e,   esti m ated   at  m i l l is e c o n d s .   T h e   f u n c t i o n   o f   t h i s   e l e m e n t   i n   t h e   c i r c u i t   is   t o   o p e r a t e   a n d   d i s c o n n e c t   t h e   MO S F E T   v e r y   q u i c k l y   a n d   c o r r e c t l y ,   a n d   t o   g i v e   i t   t h e   a p p r o p r i a t e   c u r r e n t .   T h e   g a t e   d r i v e   c u r r e n t   I G   i s   s u p p l i e d   b y   t h e   T L P 2 5 0   d u r i n g   tu r n - o n   an d   tu r n - o f f   tr an s itio n s .   T h is   cu r r en t d ete r m in es h o w  f ast th e  MO SF E T   ca n   s witc h   o n   o r   o f f   ( 1 3 ) .     I G     =         V CC R G   ( 1 3 )     T L P2 5 0   is   s u itab le  f o r   g ate - d r iv in g   cir cu its   o f   p o wer   MO SF E T s .   T h e  s u p p ly   cu r r en t  is   1 1   m A,   th e  o u tp u t   cu r r e n t  is   ± 2   A,   th e  s witch in g   tim e  is   0 . 5 μ s ,   an d   t h e  is o latio n   v o ltag e   is   2 5 0 0   Vr m s .   C ap ac ito r s   o f     1 0 0   μ F  an d   4 . 7   μ F  wer e  u s ed   at  th e  o u tp u t  o f   T L P2 5 0 .   T h e  ca p ac ito r   at  th e  o u t p u t  o f   T L P2 5 0   was  u s ed   f o r   p r o tectio n .   T h e   g ate   d r i v er   cir cu it  is   s h o wn   in   Fig u r e   4 .   T h e   p o wer   MO SF E T   I R F6 4 0   was  u s ed   f o r   s witch in g   p u r p o s es;  it  wo r k s   eith er   in   th e  cu ttin g   z o n e   o r   th e  s atu r atio n   zo n e .   T h e  g ate   ch ar g e  ( QG)   an d   d r iv in g   cu r r en t   ( I G)   d ete r m i n e  th e  s witch in g   t im es b y   ( 1 4 )   an d   ( 1 5 ) ,   r esp ec ti v ely .     t on =   Q g ( on ) I G   ( 1 4 )       t o f f   =  Q g ( o f f ) I G   ( 1 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.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   453 - 4 64   458   W h er e  Q g ( on )   is   th e  g ate  ch ar g e   r eq u ir ed   to   tu r n   th e  MO SF E T   o n ,   wh er e  Q g ( o f f )   is   th e  g ate  ch ar g e  r e q u ir ed   to   tu r n   th e  MO SF E T   o f f .   T h e  V C C   r an g e  f o r   T L P2 5 0   is   1 0 - 3 5   V.   Her e,   an   R 3   r esis to r   was  u s ed   ac r o s s   th e  g ate   an d   s o u r ce   to   p r ev e n t  ac cid en tal  tu r n - o n   o f   th e  MO SF E T   b y   ex ter n al  n o is e.   Hen c e,   a  r esis tan ce   o f   ty p ically 1 0 0   Ω   was  u s ed   f o r   g ate  p r o tectio n .   C ap ac ito r s   C 1   an d   C 2   p r o v i d e  a  co n s tan t  v o l tag e  ( 1 2   V)   o n   t h e  I C ,   r ed u cin g   n o is e.   Fu r th er m o r e,   th e  wh o le  p r ac tical  d esi g n   cir cu it,  in clu d i n g   th e  b o o s t  co n v er ter ,   PW M   co n tr o ller ,   a n d   s witch in g   cir c u it,  is   d ep icted   in   Fig u r e  4 .   T o   s h o w  th e  d if f e r en t  wav ef o r m s   at  th e  d if f er en t  cir cu it st ag es,  an   o s cillo s co p e  ( UT D  2 0 2 5 C L ,   2 5   MH Z ,   2 5 0   MS/s )   was u s ed .   T h e  p o wer   s u p p ly   m o d el  ( MO DE L :  Gp c - 3 0 2 0 )   was  u s ed   to   o f f e r   DC   p o wer ,   wh ic h   wo u ld   b e   in v er ted   in to   AC .   T h e  p o wer   s u p p ly   was  s et  to   o f f er   1 2   VDC  to   f ee d   th e  b o o s t  co n v e r ter   cir cu it,  i.e . ,   th e   o u tp u t  o f   t h e  p o wer   s u p p ly   i s   an   in p u t  f o r   th e   b o o s t  co n v er ter   cir c u it.  T h e   o u tp u t  o f   th e  b o o s t  co n v e r ter   cir cu it  is   r ep r esen ted   b y   th e  VC C   ter m in al,   wh ich   is   co n n ec ted   to   th e  s witch in g   cir cu it  at  th e  d r ain   ter m in al   o f   th e  MO SF E T .   T h e  PW M  c o n tr o ller   cir c u it  is   co n n ec ted   t o   th e  ter m in al  VC C   ( p in s   8   a n d   1 1   i n   I C   T L 4 9 4 )   f o r   b iasi n g   b y   1 2   VDC.  T h e  o u tp u t  o f   t h e  PW M  co n tr o ller   cir cu it  was  co n n ec ted   to   p i n s   9   an d   1 0 .   I n   th e   s witch in g   cir cu it,  th e  in p u t  o f   th is   cir cu it  is   th e  o u tp u t  o f   th e  o s cillato r   cir c u it  th at  is   co n n ec ted   to   th e   r esis tan ce   R 1   o n   p in   2   o f   th e  m ain   elem en t  in   th e  o p to co u p ler   cir cu it  ( T L P2 5 0 ) ,   a n d   p in   8   is   th e  in p u t  o f   th e   d r iv er   cir c u it th at  is   f ed   with   a   v alu e  o f   1 2   VDC.     2 . 1 . 4 .   Co ns idera t io ns   f o r  clo s ed - lo o p v o lt a g e  re g ula t io n   W h ile  th is   s tu d y   f o c u s es  o n   ch ar ac te r izin g   t h e  o p en - l o o p   p er f o r m an ce   to   estab lis h   b aselin e  ef f icien cy ,   th e  ch o s en   T L 4 9 4   co n tr o ller   is   in h er en tly   eq u ip p ed   f o r   clo s ed - lo o p   r eg u latio n   [ 2 8 ] .   A  f ee d b ac k   lo o p   ca n   b e  im p lem e n ted   b y   s en s in g   th e  o u tp u t  v o ltag e   v ia   a  r esis tiv e  d iv id er   an d   f ee d in g   it  b ac k   to   o n e  o f   th e  T L 4 9 4 ' s   in ter n al  er r o r   am p lifie r s   ( p in   3 ) .   T h e  am p lifie r   wo u ld   th en   c o m p a r e  th is   f ee d b ac k   s ig n al  to   t h e  in ter n al  5   V  r ef e r en ce ,   a u to m a tically   ad ju s tin g   th e   PW M  d u ty   cy cle  ( D)   to   m ain tain   a   co n s tan t  o u tp u t  v o lta g e   u n d er   v ar y in g   lo ad   co n d itio n s   o r   in p u t   f lu ctu atio n s .   I m p lem en tin g   s u ch   a  co n tr o l   lo o p   wo u l d   b e   a   s tr aig h tf o r war d   ex ten s io n   to   en h an ce   th e  i n v er ter ' s   p r ac tic al  r o b u s tn ess ,   an d   its   s tab ilit y   co u ld   b e   an aly ze d   u s in g   s tan d ar d   c o n tr o l   th eo r y   m eth o d s   to   en s u r e  a  f ast tr an s i en t r esp o n s e  with o u t  o v er s h o o t.           ( a)   ( b )     Fig u r e  3 .   MO SF E T   with   g ate  d r iv er   cir c u it :   ( a)   s ch em atic  ci r cu it   an d   ( b )   p r ac tical  cir cu it           Fig u r e  4 .   T h e  d esig n e d   in v e r ter   an d   e x p er im e n tal  s etu p   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       Hig h   efficien t D C - A C   in ve r ter   fo r   lo w   w ir ele s s   p o w e r   tr a n s f er a p p lica tio n s   ( K yril lo s   K .   S elim )   459   3.   RE SU L T   AND  DI SCUS SI O N   Fo r   th e  s im u latio n   s id e,   r esu lts   s h o wed   th at  th e  o p tim al  r ec o r d ed   ef f icien c y   was  9 8 %  wh en   th e   f r eq u e n cy   was  s wee p in g   b etw ee n   4 0   k Hz  a n d   1 1 0   k Hz;  th is   o p tim al  ef f icien cy   was  o b tain ed   at  7 0   k Hz  wh e n   th e  lo ad   was  f ix ed   at  1 0 0   Ω .   Fu r th er m o r e,   r esu lts   s h o wed   th at  th e  o p tim al  r ec o r d ed   ef f icien cy   was  8 4 . 7 %  wh en   th e  lo ad   was  s wee p in g   b etwe en   5 0   Ω   an d   1 0 0 0   Ω ;  th is   o p tim al  ef f icien cy   was  o b tain ed   at  5 0   Ω   wh en   th e  f r eq u e n cy   was  f ix ed   at  1 0 0   k Hz.   Fig u r e  5   s h o ws  th e  wa v ef o r m   o f   th e  g e n er ated   p u ls es  th at  wer e  o b tain ed   b y   th e  d ev elo p ed   PW M  co n tr o ller   cir cu it  with   an   am p litu d e  o f   1 0 . 2   V  at  a  f r eq u e n cy   o f   9 1 . 2 7   k Hz.   Fu r th er m o r e ,   Fig u r e  6   s h o ws  th e  o u t p u t  wav e f o r m   o f   th e   in v er ter   cir cu it  v ia   th e   MO SF E T   s witch   ter m in al,   wh ich   h ad   a   p ea k   v o ltag e  o f   2 0   V.   Fro m   an   ex p er im e n tal  p er s p ec tiv e,   th e  m ax im u m   ef f icien c y   ac h iev ed   d u r in g   a  f r e q u en c y   s wee p   ( 4 0 – 1 1 0   k Hz )   was  9 6 . 9 6 %  at  5 5   k Hz,   co m p a r ed   to   a   m in im u m   o f   5 1 . 2 5 %  at  1 1 0   k Hz  with   a  1 0 0   Ω   l o ad .   Similar ly ,   th e  s y s tem   was  test ed   b y   s wee p in g   th e   lo ad   f r o m   5 0   Ω   to   1 0 0 0   Ω   at   a  f ix ed   f r e q u en cy   o f   1 0 0   k Hz.   Un d er   th is   co n d itio n ,   th e  m ax im u m   ac h iev e d   ef f icien cy   wa s   8 0 %  at  5 0   Ω ,   wh er ea s   th e   m in im u m   ef f icien cy   d ec lin ed   to   3 7 % a t a   lo ad   o f   1 0 0 0   Ω .   Fu r th er   an aly s is   o f   t h e  o u t p u t  wav ef o r m   in   Fig u r e  6   r e v ea led   a  p ea k - to - p ea k   v o ltag e  r ip p le  o f   ap p r o x im ately   0 . 8   V  o n   th e  DC   in p u t  to   th e  s witch in g   s t ag e,   wh ich   is   co n s id er ed   ac c ep tab le.   A  Fo u r ier   an aly s is   o f   t h e  s im u lated   o u tp u t  wav ef o r m   was  p er f o r m e d   i n   L T s p ice ,   y ield in g   a   T o tal   H ar m o n ic   Dis to r tio n   ( T HD)   o f   a p p r o x im ately   4 8 %.  W h ile  th is   v alu e  is   in h er en t  to   a  s q u a r e  wav e,   it  is   s u itab le  f o r   W PT  ap p licatio n s   wh er e   th e  r ec eiv e r   co il  is   ty p ically   p ar t  o f   a   r es o n an t  cir c u it  th at   n atu r ally   f ilt er s   o u t h ig h er - o r d er   h ar m o n ics,  ef f ec tiv ely   d eliv e r i n g   a  s in u s o id al  c u r r en t t o   th e  l o ad .   Fig u r e   7 ( a )   s h o ws  th e  s im u l ati o n   an d   e x p e r i m e n t al   e f f ici en cy   r es u lts   o f   th e  p r o p o s e d   d esi g n e d   in v e r t er   at   a  lo a d   r esis ta n c e  o f   1 0 0   Ω   w h e n   th e  f r e q u e n c y   w as  s we e p i n g   f r o m   4 0   k Hz  to   1 1 0   k Hz .   Mo r e o v e r ,   th e   s i m u lat io n   a n d   e x p e r i m e n t al  o u t p u t v o lta g e  r es u lts   a r e   s h o w n   i n   Fi g u r e   7 ( b ) .   I t   c an   b e  s ee n   t h a t  t h e   v o lta g e   lo s s es   in cr ea s e  wit h   i n c r e asi n g   f r e q u e n c y ;   h o we v e r ,   th ese   l o s s es   ar e  s till   ac ce p ta b l e .   Fig u r e   8   s h o ws   t h e   ef f ic ie n c y   v s .   t h e  ch an g e  i n   th e  l o a d   r esis ta n ce   v al u e   f r o m   5 0   Ω   t o   1 0 0 0   Ω   w h e n   th e  f r e q u e n c y   was   f ix ed   a t   1 0 0   k Hz .   F r o m   Fi g u r es   7   a n d   8 ,   it   c a n   b e   n o tic e d   t h at  b o t h   s i m u lat io n   a n d   ex p e r i m e n t al   r es u lts   a r e   c o n v e r g e n t.           Fig u r e  5 .   T h e  o u t p u t v o ltag e  wav ef o r m   o f   th e  PW M  co n tr o ller   cir cu it             Fig u r e  6 .   T h e  o u t p u t v o ltag e  wav ef o r m   o f   th e  p r o p o s ed   in v er ter   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.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   453 - 4 64   460       ( a)   ( b )     Fig u r e  7 .   E x p er im e n tal  an d   s i m u latio n   r esu lts   at  th e  f ix e d   lo ad   o f   1 0 0   Ω :   ( a)   ef f icien cy   v s .   f r eq u e n cy   s wee p in g   an d   ( b )   o u tp u t  v o lta g es v s .   f r eq u e n cy   s wee p in g           Fig u r e  8 .   E x p er im e n tal   an d   s i m u latio n   r esu lts   o f   th e   ef f icien cy   v er s u s   ch an g e  in   lo a d   r esis tan ce   v alu e  at  a  f ix ed   f r e q u en c y   o f   1 0 0   k Hz       Ho wev er ,   wh en   t h e  f r e q u en cy   is   in cr ea s ed ,   ef f icien cy   d ec r ea s es,  s h o win g   th at  th e   r ec o r d e d   ef f icien cy   at  th e  h ig h er   f r eq u en cy   o f   1 1 0   k Hz  was  5 6 %  r e co r d ed   b y   s im u latio n s   an d   5 1 . 2 5 %  r ec o r d ed   b y   ex p er im en ts .   Ho wev er ,   t h e  ef f icien cy   at  th e  h ig h e r   f r eq u en cy   o f   1 1 0   k Hz  is   s till   ac ce p tab le.   T o   tak e   ad v an tag e  o f   th e  ad v an tag es  o f   h ig h   f r e q u en cies  f o r   W PT  ap p licatio n s ,   wh ich   p er m it  m o r e  ac cu r ate  an d   ef f icien t  en er g y   tr a n s f er ,   as   well  as  p o s s ib ly   lo wer in g   in ter f er en ce   a n d   p er m itti n g   f ewe r   r ec eiv er   a n d   tr an s m itter   co m p o n en ts .   T h e r ef o r e,   u s in g   th e   s u g g ested   d esig n   m o r e   f r e q u en tly   is   p r ef er r ed .   T h e   m o s t   im p o r tan t  f ea tu r e  o f   th is   d esi g n   is   th at  th e  to tal  co s t  i s   lo w  f o r   d esig n in g   a  h ig h - f r eq u e n cy   in v er ter   u s in g   a   s in g le  MO SF E T   at  1 1 0   k Hz  f o r   th e   W PT  ap p licatio n ,   wh ic h   av o i d s   cir cu it  co m p lex ity   a n d   r ed u ce s   th e  v alu e   o f   lo s s es  s in ce   th is   d esig n   r e q u ir es  f ewe r   co m p o n e n ts   co m p ar ed   to   o th er   d esig n s   o f   i n v er ter s .   T h e   h ig h est  ef f icien cy   o f   t h e  in v er ter   will  b e  ca lcu lated   in   ca s e  o f   a  ch a n g e  in   f r e q u en c y   v alu e,   at  a  f r eq u en cy   o f   5 5   k Hz  an d   a  co n s tan t  lo ad   r esis tan ce   o f   1 0 0   Ω ,   u s in g   th e  m a x im u m   in p u t  an d   m ax im u m   o u tp u t  p o wer .   T h is   f o r m u la   will b e  u s ed   to   d eter m i n e  ef f ic ien cy   u s in g   ( 1 6 ) .     E f f icien cy   ( E FF )   =  P o u t pu t P inpu t   ×  1 0 0 %   ( 1 6 )     Giv en   in p u t c u r r e n t =   0 . 3 3   A  an d   th e  in p u t v o ltag e  =  1 2   v o lts .     P in =  V in × I in   ( 1 7 )     P in   =1 2   ×0 . 3 3 =  3 . 9 6   W   ( 1 8 )     Giv en   o u tp u t v o ltag e   =  1 9 . 6   V o lts   an d   l o ad   r esis tan ce   =  1 0 0   Ω .     P o ut   =  V 2 R l =  ( 19 . 6 2 ) ( 100 )   =  3 . 8 4 W   ( 1 9 )     T h r o u g h   ( 1 7 )   a n d   ( 1 9 ) ,   th e  h i g h est v alu e  o f   t h e  o u t p u t e f f icie n cy   was c alcu lated .     E f f icien cy   ( E F F )   =   3 . 84 3 . 96   ×  1 0 0 % =   9 6 . 9 6 %   ( 2 0 )   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       Hig h   efficien t D C - A C   in ve r ter   fo r   lo w   w ir ele s s   p o w e r   tr a n s f er a p p lica tio n s   ( K yril lo s   K .   S elim )   461   T h e  h ig h est in v er ter   ef f icien c y   will b e  ca lcu lated   if   th e  lo ad   im p ed an ce   v alu e  ch a n g es a t a   r esis to r   o f   5 0   Ω ,   an d   th e   f r eq u e n cy   is   f ix ed   at  1 0 0   k Hz   u s in g   m ax im u m   in p u t  an d   m a x im u m   o u tp u t   p o wer .   T h is   f o r m u la  will b e  u s ed   to   d eter m i n e  ef f ic ien cy   u s in g   ( 2 1 ) .     E f f icien cy   ( E F F )   =   7 . 22 8 . 92   ×  1 0 0 % =   8 0 %   ( 2 1 )     T ab le  1   s h o ws  d etailed   ex p er im en tal  r esu lts   o f   th e  liter atu r e  f o r   d if f e r en t  lo ad   c o n d itio n s ,   f r eq u en c y ,   an d   ef f icien cy   co m p ar ed   with   th e  p r o p o s ed   wo r k .       T ab le  1 .   An   a n aly s is   o f   th e  p r o p o s ed   wo r k   in   r elatio n   to   th e   liter atu r e   R e f e r e n c e   F r e q u e n c y   V o u t   Ef f i c i e n c y   [ %]   Lo a d   [ Ω ]   [2 9 ]   1 0 0   k H z   2 4   V   8 6 . 4 %  a t   5 2 . 4   Ω   5 2 . 4   Ω   t o   2 2 0   Ω   [ 30 ]   5 9 2   k H z   -   7 1 . 3 %  a t   5   Ω ,   6 6 . 4 %  a t   1 0 0   Ω   5   Ω   t o   1 0 0   Ω   [ 31 ]   1 3 . 5 6   M H z   -   9 5 . 4 %   2 1 . 8   Ω   [3 2 ]   1 3 . 5 6   M H z   -   9 6 . 1 %   5 0   Ω   P r o p o se d   w o r k   4 0   k H z :   1 1 0   k H z   1 9   V   9 6 . 9 6 %   a t   5 5   k H z   a t   f i x e d   l o a d   1 0 0   Ω   5 0   Ω   t o   1 0 0 0   Ω         8 0 %  a t   5 0   Ω   a t   f i x e d   f r e q u e n c y         T h e r m a l   a n d   r e l i a b i l i t y   a n a l y s is :  T o   e n s u r e   t h e   r e l i a b i li t y   o f   t h e   i n v e r t e r   u n d e r   c o n t i n u o u s   o p e r a t i o n ,   a   t h e r m a l   a n a l y s is   w as   c o n d u c t ed   o n   t h e   c r i t i c a l   p o we r   c o m p o n e n t .   T h e   a n a l y s is   f o c u s e d   o n   t h e   I R F 6 4 0   p o w e r   M O SF E T ,   a s   i t   is   t h e   c o m p o n e n t   s u b j e c t e d   t o   t h e   h i g h e s t   t h e r m a l   s t r es s   i n   t h e   s y s t e m .   C o n s e q u e n t l y ,   t h e   t o t al  p o w e r   d i s s i p at i o n   (  )   i n   t h e  M OS F E T   is   c al c u l at e d   as   t h e   s u m   o f   c o n d u c t i o n   l o s s es   (  )   a n d   s wi t c h i n g   l o s s e s   (  ).   C o n d u c t i o n   l o s s   o c c u r s   w h e n   t h e   MO SF E T   is   i n   it s   ' O N'   s t a t e   a n d   i s   c al c u l at e d   u s i n g   ( 2 2 ) .     = (  ) 2 ×  (  )   ( 2 2 )     W h er e:   (  )   is   th e  r o o t  m ea n   s q u ar e  ( R MS)   v alu e  o f   t h e  d r ai n   cu r r en t ;   (  )   is   th e  d r ain - to - s o u r c e  o n - r esis tan ce   o f   th e  MO SF E T ,   wh ich   is   ap p r o x im ately   0 . 1 8   Ω   ac co r d in g   to   th e  c o m p o n en t d atash ee t.   Switch in g   lo s s   o cc u r s   d u r in g   th e  b r ief   t u r n - o n   a n d   tu r n - o f f   tr an s itio n s   an d   is   g en e r ally   p r o p o r tio n al   to   th e  o p er atin g   f r eq u en cy .   T h e  ju n ctio n   tem p er atu r e   ( ) ,   wh ich   is   th e  in ter n al  te m p er atu r e   o f   t h e  s em ico n d u cto r   d ie,   is   a  cr itical  in d icato r   o f   r eliab ilit y .   I t c a n   b e  esti m ated   u s in g   ( 2 3 ) .     = +  ×      ( 2 3 )     W h er e:     is   th e  am b ien t  tem p e r atu r e,   ass u m ed   t o   b e   a  s tan d a r d   2 5   °C   f o r   th is   an aly s is ;  an d      is   th e  to tal   p o wer   d is s ip ated   b y   th e  MO SF E T   ( in   W atts ) .   T h e  p ar am ete r      r ep r esen ts   th e  ju n ctio n - to - am b ien t  t h er m al  r esis tan ce   o f   th e  d ev ice .   T h is   v alu e  q u an tifie s   h o w  e f f ec tiv ely   h ea t  is   tr an s f er r ed   f r o m   t h e  s em ic o n d u ct o r   ju n ctio n   to   th e  s u r r o u n d in g   am b ien t   air .   Fo r   th e  I R F6 4 0   MO SF E T   in   a  s tan d ar d   T O - 2 2 0   p ac k ag e   with o u t  an   ex ter n al   h ea ts in k ,   th is   r esis tan ce   is   ap p r o x im ately   6 2   °C /W   as  s p ec if ied   in   th e  m a n u f ac tu r er ' s   d atash ee t.   B ased   o n   th e  ex p er im en tal  m ea s u r em en ts   u n d e r   th e  h ig h est   s tr ess   co n d itio n   test ed   ( o u tp u t  p o wer   o f   7 . 2 2   W   at  1 0 0   k Hz  with   a  5 0   Ω   lo ad ) ,   th e  to tal  p o we r   d is s ip atio n   (  )   was  es tim ated   to   b e  ap p r o x im ately   0 . 8   W ,   ac co u n tin g   f o r   b o th   c o n d u ctio n   an d   esti m ated   s wit ch in g   lo s s es  at  th i s   f r eq u en cy   [ 3 3 ] .   Su b s titu tin g   th ese  v alu es in to   ( 2 4 ) .     = 25   ∘ C + ( 0 . 8 W ) × ( 62   ∘ C /W ) = 25   ∘ C + 49 . 6   ∘ C ≈ 74 . 6   ∘ C   ( 2 4 )     T h e  th er m al  an aly s is   y ield ed   a  ca lcu lated   ju n ctio n   tem p e r atu r e  o f   a p p r o x im ately   7 5   °C ,   wh ich   r em ain s   s ig n if ican tly   lo wer   th an   t h e  I R F6 4 0   MO SF E T ' s   lim it  o f   1 5 0   °C .   Su ch   a  r esu lt  in d icat es  th at  th e  s y s tem   m ain tain s   th er m al  s tab ilit y   with o u t  r eq u i r in g   ad d itio n al  co o lin g   co m p o n e n ts   lik e  ex ter n al  h ea ts in k s .   T h is   co n f ig u r atio n   u ltima tely   s u p p o r ts   th e  d esig n ' s   o b jectiv es  o f   b ein g   lo w - co s t  a n d   c o m p ac t   f o r   p r ac tical  W PT   im p lem en tatio n s .       4.   CO NCLU SI O N   T h is   p ap er   p r esen ts   e f f icien t   d esig n   co n s id er atio n s   f o r   h i g h - f r e q u en c y ,   l o w - p o wer   in v er ter s   th at  co u ld   b e  u s ed   in   W PT  ap p licatio n s .   E x p er im en tal  r esu lts   s h o w  th e  ef f ec tiv en ess   o f   th e  p r o p o s ed   s y s tem   u n d er   d if f er en t   p ar am ete r s   s u ch   as  lo a d   v ar iatio n   an d   d i f f e r en t  f r eq u e n cy   m o d u latio n .   T ests   s h o wed   a  g o o d   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.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   453 - 4 64   462   co n v er g en ce   b etwe en   s im u lati o n   an d   e x p er im e n tal  r esu lts .   T h e  p r o p o s ed   in v e r ter   h as   s o m e  f ea tu r es  t h at  ca n   b e  co n clu d e d   as  f o llo ws .   L o w  co s t  an d   s im p le  d esig n   co m p ar ed   to   o th er   in v e r ter s   in   liter atu r e,   th e  in v er ter   is   s u itab le  f o r   lo w  p o wer   elec tr o n ic  ap p licatio n s ,   it  wo r k s   u n d er   d if f er e n t  lo ad s   with   ac ce p t ab le  ef f icien cy ,   th e   PW M  f r eq u en cy   ca n   b e  co n tr o lled   as  n ee d ed ,   th at  is ,   ac co r d in g   to   th e  f r eq u en cy   r e q u ir ed   b y   th e  ap p licatio n ,   a  wid e  r an g e   o f   in p u t  v o ltag e   ca n   b e   ap p lied   to   th e  i n v er te r   ( 5 – 20   V)   s in ce   it  is   n o t   d esig n ed   f o r   a   s p ec if ic   v alu e,   th u s   o b tain in g   v ar io u s   v o ltag e  v alu es  at  th e  o u tp u t  ( 4 – 3 0   V) .   Su ch   p o s itiv e  p o in ts   m ak e  th e  p r o p o s ed   d esig n   s u itab le  f o r   a  v ar iety   o f   ap p licatio n s ,   n o t  ju s t  a  s p ec if ic  o n e.   Fu tu r e  wo r k   ca n   b e  d o n e  o n   u tili zin g   th e   p r o p o s ed   in v e r ter   in   s o lar   en e r g y   b y   m a k in g   th e  s o lar   p an el   in p u t  i n to   th e   in v er te r   an d   th en   tr an s m itti n g   th e   s o lar   en er g y   wir eless ly   in s tead   o f   a  wir ed   a p p r o ac h .   I t   is   ac k n o wled g ed   th at  th e  h ig h - f r eq u en cy ,   h ar d - s witch in g   n atu r e  o f   t h is   in v er ter   to p o lo g y   is   a  p o ten tial  s o u r ce   o f   elec tr o m ag n etic  i n ter f er en ce   ( E MI ) .   Alth o u g h   q u an titativ e  E MI   m ea s u r em en ts   wer e  b ey o n d   th e  s co p e  o f   th is   s tu d y ,   s tan d ar d   m itig atio n   tech n iq u es  ca n   b e  ap p lied   to   en s u r e  co m p lian ce   with   r e g u l ato r y   s tan d ar d s   s u ch   as  I SO  7 6 3 7 .   T h ese  in clu d e  im p lem en tin g   a   p r o p er   g r o u n d   p lan e  in   th e  PC B   lay o u t,  ad d in g   b y p ass   ca p ac ito r s   clo s e  to   th e  I C s ,   an d   p o ten tially   in c o r p o r atin g   a   s m all  s n u b b er   cir c u it  ac r o s s   th e   MO SF E T   to   d am p en   v o ltag e   s p ik es.  T h ese   s im p le   ad d itio n s   alig n   with   th e  l o w - c o s t a n d   m in im alis t p h ilo s o p h y   o f   th e  p r o p o s ed   d esig n .       F UNDING   I NF O R M A T I O N   Au th o r s   s tate  n o   f u n d in g   in v o lv ed .       AUTHO R  CO NT RI B UT I O NS ST A T E M E N T   T h is   jo u r n al  u s es  th e  C o n tr ib u to r   R o les  T ax o n o m y   ( C R ed iT)   to   r ec o g n ize  in d iv id u al  au th o r   co n tr ib u tio n s ,   r ed u ce   au th o r s h ip   d is p u tes,  an d   f ac ilit ate  co llab o r atio n .     Na m e  o f   Aut ho r   C   M   So   Va   Fo   I   R   D   O   E   Vi   Su   P   Fu   Ky r illo s   K.   Selim   ✓   ✓   ✓   ✓     ✓     ✓   ✓   ✓       ✓     Han em   Saied   E b r ah em   T o r ad   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓   ✓     ✓   ✓   ✓       ✓     Mo s taf a  R .   A.   E lto k h y   ✓     ✓   ✓   ✓     ✓   ✓     ✓   ✓   ✓   ✓     Hesh am   F.  A.   Ham ed     ✓   ✓     ✓   ✓   ✓     ✓     ✓   ✓       Mo h am ed   E lzalik     ✓   ✓   ✓     ✓   ✓   ✓   ✓   ✓       ✓       C   :    C o n c e p t u a l i z a t i o n   M   :    M e t h o d o l o g y   So   :    So f t w a r e   Va   :    Va l i d a t i o n   Fo   :    Fo r mal   a n a l y s i s   I   :    I n v e s t i g a t i o n   R   :    R e so u r c e s   D   :   D a t a   C u r a t i o n   O   :   W r i t i n g   -   O r i g i n a l   D r a f t   E   :   W r i t i n g   -   R e v i e w   &   E d i t i n g   Vi   :    Vi su a l i z a t i o n   Su   :    Su p e r v i s i o n   P   :    P r o j e c t   a d mi n i st r a t i o n   Fu   :    Fu n d i n g   a c q u i si t i o n         CO NF L I C T   O F   I N T E R E S T   ST A T E M E NT   Au th o r s   s tate  n o   co n f lict o f   in t er est.       DATA  AV AI L AB I L I T Y   T h e  au th o r s   co n f ir m   th at  th e  d ata  s u p p o r tin g   th e  f in d in g s   o f   th is   s tu d y   ar e  av ailab le  with in   th e  ar ticle  [ an d /o r   its   s u p p lem en tar y   m ater ials ] .       RE F E R E NC E S    [ 1 ]   H .   H .   Y a n g   a n d   C .   C .   W u ,   “ E f f i c i e n c y   i m p r o v e m e n t   f o r   w i r e l e ss   p o w e r   t r a n sf e r   sy s t e m   v i a   a   n o n l i n e a r   r e s i st a n c e   ma t c h i n g   n e t w o r k, ”   El e c t ro n i c s ,   v o l .   1 2 ,   n o .   6 ,   p .   1 3 4 1 ,   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / e l e c t r o n i c s1 2 0 6 1 3 4 1 .   [ 2 ]   M .   M .   M a e m u r a   a n d   A .   A .   W e n d t ,   “ D y n a m i c   p o w e r   t r a n sf e r   a s  a   f e a t u r e - e m p l o y i n g   st a t i o n a r y   W P T  d e v i c e s  f o r   d y n a mi c   o p e r a t i o n , ”   i n   I EEE  P E LS  w o r k sh o p   o n   e m e r g i n g   t e c h n o l o g i e s :   w i r e l e ss  p o w e r   t r a n sf e r   ( W o W ) ,   2 0 2 0 ,   p p .   5 0 – 5 5 ,   d o i :   1 0 . 1 1 0 9 / W o W 4 7 7 9 5 . 2 0 2 0 . 9 2 9 1 3 1 6 .   [ 3 ]    J.  N o e r e n ,   N .   P a r s p o u r ,   a n d   L.   E l b r a c h t ,   “ A n   e a s i l y   s c a l a b l e   d y n a m i c   w i r e l e s s  p o w e r   t r a n sf e r   sy s t e m   f o r   e l e c t r i c   v e h i c l e s, ”   En e r g i e s ,   v o l .   1 6 ,   n o .   9 ,   p .   3 9 3 6 ,   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / e n 1 6 0 9 3 9 3 6 .   [ 4 ]    K .   D i mi t r i a d o u ,   N .   R i g o g i a n n i s ,   S .   F o u n t o u k i d i s,   F .   K o t a r e l a ,   a n d   A .   K y r i t s i s,  “ C u r r e n t   t r e n d s   i n   e l e c t r i c   v e h i c l e   c h a r g i n g   i n f r a s t r u c t u r e :   o p p o r t u n i t i e s  a n d   c h a l l e n g e s  i n   w i r e l e ss  c h a r g i n g   i n t e g r a t i o n, ”   E n e r g i e s ,   v o l .   1 6 ,   n o .   4 ,   p .   2 0 5 7 ,   2 0 2 3 ,   d o i :   1 0 . 3 3 9 0 / e n 1 6 0 4 2 0 5 7 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.