I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv 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 a sp e c th a 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 a d d i n g   t h e   n u m b e o p o we r   sw it c h e in c re a se th e   c o m p lex it y   a n d   o v e ra ll   c o st o t h e   in v e rter.  T h is  w o r k   p r o p o se 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 1 2   VD a a n   in p u v o l tag e ,   a n d   it   is  c o m p o se d   o a   b o o st   c o n v e rter  t h a c o n v e rts   a n   in p u v o l tag e   o f   5 2 0   VD t o   a n   o u t p u t   v o lt a g e   o 4 3 0   VD a n d   a   p u lse   wid th   m o d u lat io n   c o n tr o ll e 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 c a n   b e   o p e ra ted   o n   d iffere n lo a d s   ra n g in g   fro m   5 0     t o   1 0 0 0   ,   tes te d   i n   b o th   sim u latio n a n d   e x p e rime n tally .   Th e   d e sig n   wa 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 h a 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 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 b o t h   sim u latio n   a n d   e x p e rime n tal  re su lt c o n v e rg e d ,   wh e re a 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 a   fi x e d   l o a d   o 1 0 0   .   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 sw e e p in g   wa s 8 0 %   a a   lo a d   o 5 0     a a   fi x e d   fre q u e n c y   o 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 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 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 m o r an d   m o r e   p o p u lar   i n   r ec e n y ea r s   s in ce   it  p r o v id es  a   u s ef u a n d   e f f i cien 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 co n tin u o u s   s u p p ly   o f   elec tr icity   to   m o v in g   d ev ice  o r   v eh icle,   is   o n p ar ticu lar   ar ea   o f   W PT  t h at  h as  d r awn   lo o f   in ter est   [ 2 ] [ 4 ] .   T h er 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 in   th 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 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 b ar r ier   to   its   u s e   [ 8 ] ,   [ 9 ] .   As  th ce n tr al  co m p o n e n o f   th OW PT  s y s tem ,   co u p ler   p o s s ess in g   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 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 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 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 DC   p o wer   ( HVDC)  tr an s m is s io n   lin es  [ 1 1 ] .   Sq u ar e - wav in v e r ter s ,   s in u s o id al   two - lev el  p u ls 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 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 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 im p o r tan t   in   lig h o f   th r ec e n d r iv 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   n u m b er   o f   d if f icu lties   f o r   th 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 is   p o s s ib le  to   c r ea te  AC   p o wer   f r o m   DC   in p u b y   p r o v i d in g   th ese  s witch es  with   th 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 is   p o s s ib le  to   cr ea te  AC   p o wer   f r o m   DC   in p u b y   p r o v id in g   th ese  s witch es  with   th ap p r o p r iate   co n tr o 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 u s 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 an d   p r ec is 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 p r ef er ab le  o p tio n   [ 2 1 ] .   I t' s   im p o r tan to   k ee p   in   m in d   th at  th p r ec is 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 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 HF  i n v er ter   i s   k ey   elem en t   in   an y   W PT  s y s tem   [ 2 2 ] .   R ec en 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 cr ea tio n   o f   s m aller   an d   m o r 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 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 t o   th eir   v ital   r o les,  en h an ci n g   th 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 an d   p o r tab le  p o wer   elec tr o n ics  ar n ee d ed   as  s y s tem s   f o r   W PT  b ec o m in cr ea s in g ly   c o m m o n p lace   i n   d aily   life   [ 2 4 ] .   T h 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 P W co n tr o ller   in v er ter   b ein g   th ch o s en   co n v er ter   [ 2 5 ] .   T h u s o f   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 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 th PW tech n iq u 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 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 f o r   W PT  d ev ic es  with   th ab ilit y   to   wo r k   u n d er   wid e   r an g o f   d if f er en t   lo ad s   f r o m   5 0     t o   1 0 0 0   .   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 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 o f ten   b ee n   lim ited   to   n ar r o l o ad   o r   f r eq u e n cy   r an g es.  T h 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 n o t h in tr o d u ctio n   o f   n ew  to p o lo g y ,   b u r ath e r   th 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   s im p le,   s in g le - MO SF E T   in v er ter   th at  ac h iev es  u n iq u b alan ce   o f   h ig h   e f f icien cy   ( > 9 6 %),   r o b u s p er f o r m an ce   a cr o s s   an   ex ce p tio n ally   wid 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  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 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 f o r   em er g in g   lo w - p o wer   W PT  s y s tem s .   T h r est  o f   th 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 p r o p o s ed   wo r k in g   d esig n   f r o m   th v iewp o in t   o f   s im u latio n   an d   ex p er im en d esig n ii)   T h o b tain ed   r esu lts   ar d is cu s s ed   in   s ec tio n   3 an d   iii)   Fin ally ,   th 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 A ND  E XP E RIM E N T AL   D E S I G   T o   d esig n   th ad o p ted   in v er ter ,   th L T   s p ice  s im u lato r   was  u s ed ,   as  s h o wn   in   Fig u r 1 .   T h e   p r o p o s ed   in v e r ter   co n s is ted   o f   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 ,   PW 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 m ain   ele m en is   th MO SF E T ) .   T h e   PW is   r esp o n s ib le  f o r   g e n er atin g   t h s q u ar wa v with   s p ec if ic  f r e q u en c y   to   d r iv t h MO SF E T   tr an s is to r   v ia  th g ate   ter m in al.   At  th e   b eg in n in g ,   th wo r k in g   f r eq u e n cy   o f   t h 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 lo ad   r esis to r   was  f ix ed   t o   b e   1 0 0   .   Af ter   th a t,  th 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 1 0 0   k Hz,   an d   t h ch an g in   th l o ad   r esis tan ce   v alu was f r o m   5 0     to   1 0 0 0   .     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 ess en tial  cir cu its .   T h ese  c o m p o n en ts   in clu d b o o s co n v er ter   an d   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,   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   g ate  d r iv er   an d   MO SF E T   cir cu it to   p r o d u ce   th f in al  o u tp u t.     2. 1 . 1 .   B o o s t   c o nv er t er   T h XL 6 0 0 9   m o d u le,   n o n - is o lated   s tep - u p   b o o s v o lta g co n v er ter   with   an   ad ju s ta b le  o u tp u v o ltag an d   g o o d   ef f icien cy ,   i s   th b o o s 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 ch an g es  5 2 0   VDC in p u v o ltag to   4 3 0   VDC o u tp u t v o ltag e .   r esis to r   d iv id er   co n n ec ted   to   th XL 6 0 0 9   f ee d b ac k   p in   co n tr o ls   th o u t p u t v o ltag e .   T h o u tp u t v o ltag ca n   b 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 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 ( V Ref )   is   th r ef er en ce   v o ltag e,   ( R 4 )   an d   ( R 5 )   ar th f ee d b ac k   r esis to r s .   T h ad v an ta g es  o f   u s in g   B C   o v er   co n v e n tio n al  b o o s co n v er ter   ar in c r ea s ed   ef f icien cy   an d   im p r o v ed   r eliab ilit y .   T h lo s s es  in   th s witch ,   d io d e,   an d   in d u cto r   all   af f ec t th b o o s t c o n v er ter ' s   ef f icien cy ( ƞ )   ca n   b 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 r ip p le  an d   ass u r c o n tin u o u s   c o n d u ctio n   m o d ( C C M)   f u n ct io n in g ,   t h e   in d u cto r   v alu is   s elec ted .   I t is p o s s ib le  to   co m p u te  th in d u c to r   v alu 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 ( Δ I l )   is   th p ea k -   to -   p ea k   in d u cto r   cu r r en r ip p le,   ( F s   )   is   t h s witch in g   f r eq u en cy .   T h er ef o r e,   th e   v alu o f   th e   in d u cto r   is   in   c ir cle  b o o s 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 in p u s id an d   1 0 0   µF  o n   th o u tp u s id e,   p o te n tio m eter   o f   1 0   k ,   an d   MO SF E T   XL 6 0 0 9   W h en   th v o ltag s o u r ce   is   co n n ec te d   to   th B C   cir cu it,  th e   cu r r e n f lo ws  th r o u g h   th e   co il,  co n v er tin g   s o m 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 c u r r e n p ass es  th r o u g h   th d io d e,   en s u r in g   th e   c o r r ec d ir ec tio n   an d   lead in g   to   th ch ar g in g   o f   ca p ac ito r   C 6 .   T h o u tp u ca p ac ito r   lo wer s   r ip p le  in   th o u tp u v o ltag 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 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 ( )   th o u tp u is   cu r r en t,   ( V r i p p l e )   is   th ac ce p tab le  r ip p le  v o ltag o n   th o u tp u t.  T h e   v ar iab le  r esis tan ce   R 5   th v o ltag v alu ca n   b ad ju s ted   th r o u g h   th m id d le  en d   o f   th v ar iab le  r esis tan ce ,   wh ich   is   co n n ec ted   to   ter m in al  ca lled   FB .   FB   i s   u s ed   to   co m p ar th o u t p u t v o ltag v alu with   th r ef er en ce   v o ltag v alu th r o u g h   ter m in al  No .   5   in   th 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 r ef er en ce   v o ltag e   eq u als  th e   o u tp u v o ltag e,   th e   er r o r   d ec r ea s es,  b u 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 is   co n n ec te d   to   t h d r i v er   cir c u it  at  th e   en d   o f   th 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 MO SF E T .           Fig u r 1 .   T h s im u lated   p r o p o s ed   in v er ter   b y   th L T   Sp ice  p latf o r m       2 . 1 . 2 .   P WM   co ntr o ller  des ig n   PW co n tr o ller   b ased   o n   th 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 wid th   m o d u la tio n   co n tr o 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 cir cu itry   f o r   p u ls 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 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   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   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 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 b lo c k   d iag r am   o f   th T L 4 9 4   o u tp u t   p u ls 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 ca p ac ito r ' s   ( C T )   p o s itiv e,   s aw  to o th   v o ltag e   with   th o th e r   two   co n tr o 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 d r iv en   b y   th NOR  g ate  wh en   th f lip - f lo p ' s   clo ck   in p u s ig n al  is   l o w.   T h 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 r esis to r ( R RT )   an d   t h 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 o s cillato r   f r eq u en c y   in   Hz  is ,   ( R rt )   is   th tim in g   r es is to r   in   o h m ,   ( C CT )   is   th tim in g   ca p ac ito r   in   f a r ad s .   T h v o ltag ap p lied   to   th T L 4 9 4 ' s   co n tr o in p u t ,   as  well  as  th r ef er en ce   v o ltag d et er m in th PW s ig n al ' s   d u ty   cy cle.   T h r atio   o f   th e   PW s ig n al' s   o n - tim 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 d u ty   cy cle  ca n   b ex p r ess ed   as ( 6 ) .     t on T P WM   ( 6 )     W h er ( t on )   th d u r atio n   o f   t h h i g h   s tate  o f   is   th PW s ig n a l,  ( T PWM )   is   th 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 d u t y   cy cle  D   o f   a   p ar tic u lar   PW co n tr o ller   is   also   d ep en d e n o n   th v o ltag at  t h co n tr o l   in p u an d   th r e f er en ce   v o ltag e   V r ef .   T h f ee d b ac k   n etwo r k   an d   r ef er en ce   v o lta g ar f r eq u en tly   in   ch ar g 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 v o ltag e   at  t h co n tr o i n p u t,   th e   d u ty   cy cl ca n   b e   ap p r o x im ated   b y   ( 7 ) .     ( V c o nt r o l       V m in             V m ax     V m in                               )   ( 7 )     W h er ( V co n t r o l )   is   th v o ltag ap p lied   to   th PW co n tr o in p u t,   V m i n )   an d   ( V m i x )   ar th 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 p o ten tio m ete r   r esis to r   R 5 ,   as sh o wn   in   Fig u r 2 .           ( a)   ( b )     Fig u r 2 .   PW 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 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 s ch em atic   cir cu it  a n d   PC B   cir cu it  o f   th T L 4 9 4   a s   an   o s cillato r   a r s h o wn   in   Fig u r 3 .   Pin   1 3   is   co n n ec ted   to   th g r o u n d   to   b e n ef it  f r o m   th 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 s am tim e.   T h d ea d - tim c o m p ar at o r   h as  1 2 0 - m i n p u o f f s et,   wh ic h   li m its   th m in im u m   o u t p u d ea d - tim 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 is   th e   tim w h en   t h er is   n o   o v er lap   an d   lo wer   c h an ce   o f   s h o r c ir cu its   s in ce   b o th   o u t p u tr an s is to r s   ar o f f .   T h e   v o ltag g iv en   to   th d ea d - tim e   co n tr o l p i n   ( p i n   4 )   d eter m in es  th d ea d - tim b y   ( 8 ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po 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 V DT   is   th v o ltag at  th d e ad - tim co n tr o l p in   ( p in   4 ) .   T h d ea d - tim ca n   b a d ju s ted   b y   v ar y i n g   V DT .   T h m in im u m   d ea d - tim 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 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 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 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 u s ed   to   an aly ze   th 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 T ( s )   is   th clo s ed - lo o p   tr an s f er   f u n ctio n ,   G   ( s )   is   th o p en - lo o p   tr an s f er   f u n ctio n   o f   th PW M   co n tr o ller ,   ( s )   is   th tr an s f er   f u n ctio n   o f   th 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 b y   s id e,   b u t   th v o ltag v alu e   is   ch an g ed   alter n ately   f r o m   p o s itiv to   ze r o .   Pin   1 2   is   th s u p p ly   p in   th at  ca n   b co n n ec ted   to   1 2   VDC.  Pin   1 4   is   co n n ec ted   to   v ar iab le   r esis tan ce .   B y   ch an g in g   th v alu o f   th r esis tan ce ,   tim is   co n tr o lled ,   an d   th u s   th d u ty   cy cle  is   co n tr o lled .   T h o u tp u t o f   th is   cir cu it is   co n n ec ted   to   t h in p u t o f   th e   g at d r iv er   cir c u it.     2. 1 . 3 .   G a t e   d riv er   circ uit   T h g ate   d r iv e r   is   o p er ated   v i th p u ls es  th at  ar p r o d u ce d   b y   th e   PW 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 T L P2 5 0 ,   an d   th r ate  at  wh ich   t h 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 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   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 g ate  r esis to r R g .   T h ch ar g in g   p r o ce s s   ca n   b 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 h as  an   im p ac o n   h o lo n g   it  tak es  th MO SF E T   to   tu r n   o n   o r   o f f ,   RG ,   an d   th g ate  d r iv 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 V g ( t )   th g ate  v o ltag is   at   t im t,   ( VC C )   is   th s u p p ly   v o ltag f o r   th T L P2 5 0 ,   ty p icall y ,   ( R g )   is   th g ate  r esis to r ,   ( C gs )   is   th 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 co n s tan ( 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 3 ,   th e   m ain   elem en in   th cir c u it  is   th 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 an o d e,   th ca th o d e,   th co llecto r ,   an d   th em itter .   T h e   o p to co u p ler   c o n tain s   p h o to tr an s is to r   th at  is   co n tr o lled   b y   g iv in g   lig h s ig n al  to   th b ase  ter m in al  to   co n n ec o r   d is co n n ec t   th c u r r en b etwe en   th e   co llecto r   a n d   th e   em itter .   T h m o s im p o r tan t h in g   th at  d is tin g u is h es  th is   co m p o n e n is   its   ab ilit y   to   co n n ec a n d   d is co n n ec with in   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 f ast th 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 s u p p ly   cu r r en is   1 1   m A,   th o u tp u t   cu r r e n is   ± 2   A,   th s witch in g   tim is   0 . 5 μ s ,   an d   t h 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 an d   4 . 7   μ wer u s ed   at  th o u tp u o f   T L P2 5 0 .   T h ca p ac ito r   at  th o u t p u 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 cu ttin g   z o n e   o r   th s atu r atio n   zo n e .   T h g ate   ch ar g ( QG)   an d   d r iv in g   cu r r en t   ( I G)   d ete r m i n th 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 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 Q g ( on )   is   th g ate  ch ar g e   r eq u ir ed   to   tu r n   th MO SF E T   o n ,   wh er Q g ( o f f )   is   th g ate  ch ar g r e q u ir ed   to   tu r n   th MO SF E T   o f f .   T h V C C   r an g 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 g ate   an d   s o u r ce   to   p r ev e n ac cid en tal  tu r n - o n   o f   th MO SF E T   b y   ex ter n al  n o is e.   Hen c e,   r esis tan ce   o f   ty p ically 1 0 0     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 co n s tan v o l tag ( 1 2   V)   o n   t h I C ,   r ed u cin g   n o is e.   Fu r th er m o r e,   th wh o le  p r ac tical  d esi g n   cir cu it,  in clu d i n g   th b o o s 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 4 .   T o   s h o th d if f e r en wav ef o r m s   at  th d if f er en cir cu it st ag es,  an   o s cillo s co p ( UT 2 0 2 5 C L ,   2 5   MH Z ,   2 5 0   MS/s )   was u s ed .   T h 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 p o wer   s u p p ly   was  s et  to   o f f er   1 2   VDC  to   f ee d   th b o o s co n v e r ter   cir cu it,  i.e . ,   th e   o u tp u o f   t h p o wer   s u p p ly   i s   an   in p u f o r   th e   b o o s co n v er ter   cir c u it.  T h e   o u tp u o f   th b o o s co n v e r ter   cir cu it  is   r ep r esen ted   b y   th VC C   ter m in al,   wh ich   is   co n n ec ted   to   th s witch in g   cir cu it  at  th d r ain   ter m in al   o f   th MO SF E T .   T h PW c o n tr o ller   cir c u it  is   co n n ec ted   t o   th 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 o u tp u o f   t h PW 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 in p u o f   th is   cir cu it  is   th o u tp u o f   th 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 m ain   elem en in   th o p to co u p ler   cir cu it  ( T L P2 5 0 ) ,   a n d   p in   8   is   th in p u o f   th e   d r iv er   cir c u it th at  is   f ed   with   a   v alu o f   1 2   VDC.     2 . 1 . 4 .   Co ns idera t io ns   f o clo s ed - lo o p v o lt a g 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 o p en - l o o p   p er f o r m an ce   to   estab lis h   b aselin ef f icien cy ,   th 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 ] .   f ee d b ac k   lo o p   ca n   b im p lem e n ted   b y   s en s in g   th o u tp u v o ltag e   v ia   r esis tiv d iv id er   an d   f ee d in g   it  b ac k   to   o n o f   th T L 4 9 4 ' s   in ter n al  er r o r   am p lifie r s   ( p in   3 ) .   T h am p lifie r   wo u ld   th en   c o m p a r th is   f ee d b ac k   s ig n al  to   t h in ter n al  5   r ef e r en ce ,   a u to m a tically   ad ju s tin g   th e   PW d u ty   cy cle  ( D)   to   m ain tain   a   co n s tan o u tp u 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   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 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 f ast tr an s i en t r esp o n s with o u o v er s h o o t.           ( a)   ( b )     Fig u r 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 4 .   T h 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 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 s im u latio n   s id e,   r esu lts   s h o wed   th at  th 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 lo ad   was  f ix ed   at  1 0 0   .   Fu r th er m o r e,   r esu lts   s h o wed   th at  th o p tim al  r ec o r d ed   ef f icien cy   was  8 4 . 7 wh en   th lo ad   was  s wee p in g   b etwe en   5 0     an d   1 0 0 0   th is   o p tim al  ef f icien cy   was  o b tain ed   at  5 0     wh en   th f r eq u e n cy   was  f ix ed   at  1 0 0   k Hz.   Fig u r 5   s h o ws  th wa v ef o r m   o f   th g e n er ated   p u ls es  th at  wer o b tain ed   b y   th d ev elo p ed   PW co n tr o ller   cir cu it  with   an   am p litu d o f   1 0 . 2   at  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 6   s h o ws  th o u t p u 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 o f   2 0   V.   Fro m   an   ex p er im e n tal  p er s p ec tiv e,   th m ax im u m   ef f icien c y   ac h iev ed   d u r in g   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   1 0 0     l o ad .   Similar ly ,   th s y s tem   was  test ed   b y   s wee p in g   th e   lo ad   f r o m   5 0     to   1 0 0 0     at   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 m ax im u m   ac h iev e d   ef f icien cy   wa s   8 0 at  5 0   ,   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   .   Fu r th er   an aly s is   o f   t h o u t p u wav ef o r m   in   Fig u r 6   r e v ea led   p ea k - to - p ea k   v o ltag r ip p le  o f   ap p r o x im ately   0 . 8   o n   th DC   in p u to   th s witch in g   s t ag e,   wh ich   is   co n s id er ed   ac c ep tab le.   Fo u r ier   an aly s is   o f   t h s im u lated   o u tp u 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 is   in h er en to   s q u a r wav e,   it  is   s u itab le  f o r   W PT  ap p licatio n s   wh er e   th r ec eiv e r   co il  is   ty p ically   p ar o f   a   r es o n an 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   s in u s o id al  c u r r en t t o   th l o ad .   Fig u r e   7 ( a )   s h o ws  th 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 p r o p o s e d   d esi g n e d   in v e r t er   at   lo a d   r esis ta n c o f   1 0 0     w h e n   th 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 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 s ee n   t h a t h e   v o lta g e   lo s s es   in cr ea s 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 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 ch an g i n   th l o a d   r esis ta n ce   v al u e   f r o m   5 0     t o   1 0 0 0     w h e n   th 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 5 .   T h o u t p u t v o ltag wav ef o r m   o f   th PW co n tr o ller   cir cu it             Fig u r 6 .   T h o u t p u t v o ltag wav ef o r m   o f   th 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 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 7 .   E x p er im e n tal  an d   s i m u latio n   r esu lts   at  th f ix e d   lo ad   o f   1 0 0   :   ( 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 v o lta g es v s .   f r eq u e n cy   s wee p in g           Fig u r 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 in   lo a d   r esis tan ce   v alu at  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 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 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 ef f icien cy   at  th 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 o f   th 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 ac cu r ate  an d   ef f icien 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 f ea tu r o f   th is   d esi g n   is   th at  th to tal  co s i s   lo f o r   d esig n in g   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 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 in v er ter   will  b ca lcu lated   in   ca s o f   ch a n g in   f r e q u en c y   v alu e,   at  f r eq u en cy   o f   5 5   k Hz  an d   co n s tan lo ad   r esis tan ce   o f   1 0 0   ,   u s in g   th m a x im u m   in p u an d   m ax im u m   o u tp u p o wer .   T h is   f o r m u la   will b u s ed   to   d eter m i n 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   an d   th in p u t v o ltag 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   .     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 h i g h est v alu o f   t h 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 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 h ig h est in v er ter   ef f icien c y   will b ca lcu lated   if   th lo ad   im p ed an ce   v alu ch a n g es a t a   r esis to r   o f   5 0   ,   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 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 u s ed   to   d eter m i n 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 liter atu r f o r   d if f e r en 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 p r o p o s ed   wo r k .       T ab le  1 .   An   a n aly s is   o f   th 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   [ ]   [2 9 ]   1 0 0   k H z   2 4   V   8 6 . 4 a t   5 2 . 4     5 2 . 4     t o   2 2 0     [ 30 ]   5 9 2   k H z   -   7 1 . 3 a t   5   ,   6 6 . 4 a t   1 0 0     5     t o   1 0 0     [ 31 ]   1 3 . 5 6   M H z   -   9 5 . 4 %   2 1 . 8     [3 2 ]   1 3 . 5 6   M H z   -   9 6 . 1 %   5 0     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     5 0     t o   1 0 0 0           8 0 a t   5 0     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 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 r o o m ea n   s q u ar ( R MS)   v alu o f   t h d r ai n   cu r r en t  (  )   is   th d r ain - to - s o u r c o n - r esis tan ce   o f   th 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 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 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 o p er atin g   f r eq u en cy .   T h ju n ctio n   tem p er atu r e   ( ) ,   wh ich   is   th in ter n al  te m p er atu r e   o f   t h s em ico n d u cto r   d ie,   is   cr itical  in d icato r   o f   r eliab ilit y .   I t c a n   b esti m ated   u s in g   ( 2 3 ) .     = +  ×      ( 2 3 )     W h er e:     is   th am b ien tem p e r atu r e,   ass u m ed   t o   b e   s tan d a r d   2 5   °C   f o r   th is   an aly s is an d      is   th to tal   p o wer   d is s ip ated   b y   th MO SF E T   ( in   W atts ) .   T h p ar am ete r      r ep r esen ts   th ju n ctio n - to - am b ien t h er m al  r esis tan ce   o f   th d ev ice .   T h is   v alu q u an tifie s   h o e f f ec tiv ely   h ea is   tr an s f er r ed   f r o m   t h s em ic o n d u ct o r   ju n ctio n   to   th s u r r o u n d in g   am b ien t   air .   Fo r   th I R F6 4 0   MO SF E T   in   s tan d ar d   T O - 2 2 0   p ac k ag e   with o u 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 m a n u f ac tu r er ' s   d atash ee t.   B ased   o n   th ex p er im en tal  m ea s u r em en ts   u n d e r   th h ig h est   s tr ess   co n d itio n   test ed   ( o u tp u p o wer   o f   7 . 2 2   W   at  1 0 0   k Hz  with   5 0   Ω   lo ad ) ,   th to tal  p o we r   d is s ip atio n   (  )   was  es tim ated   to   b 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 th er m al  an aly s is   y ield ed   ca lcu lated   ju n ctio n   tem p e r atu r 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 I R F6 4 0   MO SF E T ' s   lim it  o f   1 5 0   °C .   Su ch   r esu lt  in d icat es  th at  th s y s tem   m ain tain s   th er m al  s tab ilit y   with o u 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 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 d esig n ' s   o b jectiv es  o f   b ein g   lo w - co s 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 u s ed   in   W PT  ap p licatio n s .   E x p er im en tal  r esu lts   s h o th ef f ec tiv en ess   o f   th 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 f r eq u e n cy   m o d u latio n .   T ests   s h o wed   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 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 p r o p o s ed   in v e r ter   h as   s o m f ea tu r es  t h at  ca n   b co n clu d e d   as  f o llo ws .   L o co s 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 in v er ter   is   s u itab le  f o r   lo 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 lo ad s   with   ac ce p t ab le  ef f icien cy ,   th e   PW f r eq u en cy   ca n   b co n tr o lled   as  n ee d ed ,   th at  is ,   ac co r d in g   to   th f r eq u en cy   r e q u ir ed   b y   th ap p licatio n ,   wid r an g e   o f   in p u v o ltag e   ca n   b e   ap p lied   to   th 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 v alu es  at  th o u tp u ( 4 3 0   V) .   Su ch   p o s itiv p o in ts   m ak th p r o p o s ed   d esig n   s u itab le  f o r   v ar iety   o f   ap p licatio n s ,   n o ju s s p ec if ic  o n e.   Fu tu r wo r k   ca n   b d o n 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 s o lar   p an el   in p u 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   wir ed   a p p r o ac h .   I t   is   ac k n o wled g ed   th at  th h ig h - f r eq u en cy ,   h ar d - s witch in g   n atu r o f   t h is   in v er ter   to p o lo g y   is   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 MI   m ea s u r em en ts   wer b ey o n d   th s co p 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 ap p lied   to   en s u r 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 im p lem en tin g   a   p r o p er   g r o u n d   p lan in   th PC B   lay o u t,  ad d in g   b y p ass   ca p ac ito r s   clo s to   th 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 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 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 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 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 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 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 au th o r s   co n f ir m   th at  th d ata  s u p p o r tin g   th f in d in g s   o f   th is   s tu d y   ar av ailab le  with in   th 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   [ 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 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 d e v i c e 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 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 a n d   c h a l l e n g e 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.