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Proprietäre Wireless Power Transfer Lösung fürhohe Leistungen inklusiv Datenübertragung

Application Note

ANP070 // ANDREAS UNTERREITMEIER

1 EinleitungSeit der immer größer werdenden Verbreitung von Wireless PowerTransfer in der Consumer Elektronik, etwa bei Smartphones undLadestationen, richtet sich auch der Blick bei Industrie- undMedizintechnik Herstellern immer mehr auf diese Technologie und dersich daraus resultierenden Vorteile. Besonders für Industriezweige welchemit harten Umgebungsbedingungen zu tun haben, wie beispielsweiseBaumaschinen, explosionsgefährdete Umgebung (ATEX), Landwirtschaftusw. bietet diese Technologie interessante Ansätze. Es könnenbeispielsweise teure und anfällige Schleifringe ersetzt werden, was denWartungsaufwand verringert und die Lebensdauer des Produktesverlängert.

Auch in der Medizintechnik bieten sich zahlreiche Vorteile durch diekontaktlose Energieübertragung. Hier bestehen besondere Anforderungenan die Hygiene und Keimfreiheit von Medizingeräten. Weiterhin müssendie Geräte und Systeme beständig gegen scharfe Reinigungsmittel undChemikalien sein. Es kann damit auf spezielle Stecker verzichtet werden,die z.B. besondere Eigenschaften in Bezug auf Dichtigkeit haben. Da auchdie Datenkommunikation wie WLAN, Bluetooth etc. immer mehr drahtloserfolgt, bietet es sich an auch die benötigte Energie für die Endgerätekontaktlos zu übertragen. Ziel dieser Application Note ist es, demEntwickler aufzuzeigen, wie er eine proprietäre kontaktloseEnergieübertragung inklusive Datenkommunikation für mehrere hundertWatt auf einfache und effiziente Art und Weise realisieren kann.

Abbildung 1: Wireless Power Spulen von Würth Elektronik eiSos

Abbildung 2: Prinzip der drahtlosen Energieübertragung

2 Funktionsweise der induktiven drahtlosenEnergieübertragung

Wir verwenden ausschließlich die Energieübertragung im Nahfeld. Zudieser Übertragungsart zählt die induktive Kopplung welche auf demmagnetischen Fluss zwischen zwei Spulen basiert.

Wie aus Abbildung 2 erkennbar besteht die Übertragungsstrecke aus vierHauptkomponenten. Auf der Senderseite ist das ein Oszillator welcher alsWechselrichter arbeitet und eine Transmitterspule. Auf Empfängerseitebesteht das System aus der Empfangsspule und dem Gleichrichterwelcher aus der Wechselspannung eine Gleichspannung generiert. DerOszillator erzeugt aus der Eingangsgleichspannung einen Wechselstromwelcher dann in der Senderspule (L1) ein Wechselfeld erzeugt. Durch dieGegeninduktion zwischen beiden Spulen erfolgt die Energieübertragungzwischen der Senderspule L1 und der Empfängerspule L2. Durch denWechselstrom in der Senderspule wird eine Wechselspannung in derEmpfängerspule induziert (Induktionsgesetz nach Faraday), welche danngleichgerichtet und an die Last weitergeben wird. Zum Problem wird, dassbei größeren Abständen zwischen Sende- und Empfangsspule, derStreufluss stark zunimmt und damit die Effizienz der Energieübertragunggeringer wird. Dies entspricht der Funktion eines Transformators mit loserKopplung. Abhilfe schafft hier die resonant induktive Kopplung. Durch eineresonante induktive Kopplung kann sowohl die Reichweite als auch dieEffizienz vergrößert werden. Sie stellt eine Erweiterung der rein induktivenKopplung dar. Dazu wird in Reihe zur Sende- und Empfangsspulezusätzlich ein Kondensator eingefügt. Es ergibt sich dadurch ein LC-Serienschwingkreis, nachfolgend auch als Resonant-Tank bezeichnet. Umdie bestmögliche Effizienz der Energieübertragung zu erreichen, müssenbeide Schwingkreise bezüglich ihrer Resonanzfrequenz aufeinanderabgestimmt sein. Weiterhin wird durch den Kondensator in Reihe zurWPT-Spule die normalerweise sehr große Streuinduktivität nahezukompensiert. Die Resonanz zwischen den beiden Schwingkreisen führt zueiner verbesserten magnetischen Kopplung zwischen Sende- undEmpfangsspule bei der gewählten Resonanzfrequenz.

Abbildung 3: Prinzip der resonant induktiven Energieübertragung

Das Prinzip der induktiv resonanten Energieübertragung kann sehr einfachin einer Applikation realisiert werden. Im folgenden Kapitel wird so eineproprietäre Lösung aus der Praxis beschrieben.

Load

RectifierOscillator

PowerSource

L1 L2

Load

ResonantTank

Transmitter

ResonantTank

Receiver

RectifierOscillator

PowerSource

CR,T

IR,T IR,R

CR,R

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3 Praktischer Einsatz der induktiv resonantenEnergieübertragung

3.1. Aufbau eines Vollbrücken ResonanzwandlersAbbildung 4 zeigt das Blockschaltbild eines Vollbrücken ResonanzWandlers. Das Schaltbild kann in folgende Funktionsblöcke unterteiltwerden:

Oszillator mit festen Tastverhältnis (50 %) und Vollbrücken MOSFETTreiber Vollbrücke aus 4 schaltenden Elementen (MOSFETs) Serienschwingkreis bestehend aus Resonanzkondensator und WPT

Senderspule Serienschwingkreis bestehend aus Resonanzkondensator und WPT

Empfängerspule Gleichrichter (Brückengleichrichter oder synchron Gleichrichter)

Diese Schaltung ist nicht selbstschwingend, die Schaltfrequenz wird vomOszillator bestimmt und ist auf die Resonanzfrequenz desSerienschwingkreises abgestimmt.

Vorteile dieses Konzeptes:

Skalierbarkeit von kleiner Leistung bis sehr großer Leistung(10 W bis mehrere 10 kW) Der Stromverlauf im Resonanzkreis und Gleichrichter ist sinusförmig,

günstiges EMV Verhalten Die MOSFETs schalten bei Spannungsnull (ZVS) dadurch sehr hoher

Wirkungsgrad > 90 % Leicht skalierbar für viele verschiedene Spannungen / Ströme Durch ändern der Schaltfrequenz kann die Ausgangsspannung größer

oder kleiner gegenüber der Eingangsspannung sein. Regelung der Ausgangsspannung ist möglich Datenübertragung zwischen Empfänger und Transmitter ist möglich

3.2. Funktionsweise Vollbrücken ResonanzwandlerDie beiden Abbildungen 5a und 5b zeigen die Leistungsübertragungzwischen Sender und Empfänger. Der Strom (Resonanzstrom) ist in derSendespule sinusförmig, schwingt um den Nullpunkt. In beidenHalbwellen des Resonanzstromes ICR/LR findet eine Energieübertragungstatt.

Abbildung 4: Blockschaltbild Vollbrücken Resonanz Wandler

Abbildung 5a: Prinzip der Energieübertragung während der positiven Halbwelle (ICR/LR) im Resonanzkreis

Load

Resonant TankTransmitter

Resonant TankReceiver

Rectifier

PowerSource

Osc

illat

or&

Ful

lBrid

geD

river C

A

B

D

+-

Oscillator

C-D

A-B

CR,T

IR,T IR,R

CR,R

Load

Resonant TankTransmitter

Resonant TankReceiver

PowerSource

Osc

illat

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Ful

lBrid

geD

river C

A

B

D

+-

C-D

A-B

time

curr

ent

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Abbildung 6: Oszillogramm Drain-Signale A-B, C-D und Spulenstrom(UE = 20 V, UA = 17 V, IA = 6 A, PA = 100 W)

Abbildung 6 zeigt die Signale am Resonanzkreis. Die Signale „Node CD“und „Node AB“ sind die Spannungsverläufe innerhalb der Vollbrücke. Inder High-Phase von Node AB ist die Spannung an Node CD Low undumgekehrt. Der Stromverlauf im Resonanzkreis ist, wie vorhin erwähntsinusförmig und es ist eine Phasenverschiebung zwischen denSpannungssignalen und dem Stromsignal erkennbar. DiesePhasenverschiebung entsteht dadurch, weil die Schaltfrequenz derVollbrücke über der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises liegt.Der Arbeitspunkt befindet sich im induktiven Bereich desSerienschwingkreises, der Strom eilt dadurch der Spannung nach.

Für die Funktion ist das sehr wichtig, da nur durch diesePhasenverschiebung in den induktiven Bereich der ZVS-Betrieb (Zero-Voltage-Switching) möglich ist. Der Wirkungsgrad ist dann am höchsten.

Im anderen Fall, wenn die Phasenverschiebung in den kapazitiven Bereichgeht, d.h. der Strom eilt der Spannung voraus, arbeitet der Wandler nichtmehr im ZVS-Betrieb, sondern im ZCS-Betrieb (Zero-Current-Switching).

Der ZCS-Betrieb führt zu höheren Verlusten, da der Strom hart in dieBody-Dioden der MOSFETs kommutiert. Unter ungünstigen Umständenkann das sogar zu einer Zerstörung der MOSFETs führen.

3.3. Zusammenhang zwischen Schaltfrequenz undResonanzfrequenz

Nachfolgende Simulation zeigt auf der linken Seite ein vereinfachtesModell dieser Schaltung. Es sind nur der Resonanzkreis vom Sender undEmpfänger dargestellt. Für die weitere Betrachtung ist dies ausreichend.

Abbildung 7: Simulation Resonanzverhalten beiverschiedenen Lastzuständen

Die Schaltung auf der linken Seite zeigt zwei Serienschwingkreise, je einerauf der Sende- und Empfängerseite. Diese stellen die beiden Resonant-Tanks in Abbildung 4 dar. Auf beiden Seiten befinden sich je einKondensator mit 400 nF und eine WPC-Spule (760 308 102 142) miteiner Induktivität von 5,8 µH. Beide Schwingkreise sind aufeinanderabgestimmt. Für die Simulation benötigen wir den Koppelfaktor vonSende- und Empfangsspule. Dieser hängt vom Abstand beider Spulenzueinander ab. In unserem Beispiel haben wir den Abstand auf 6 mmfestgelegt, daraus ergibt sich ein Koppelfaktor von 0,537 (0,54). DieserWert wurde messtechnisch ermittelt.

Die Resonanzfrequenz des Systems bestehend aus Sender- undEmpfängerspule liegt bei ca. 100 kHz. Im Bode-Diagramm auf der rechtenSeite ist auf der X-Achse die Frequenz und auf der Y-Achse dieVerstärkung aufgetragen. Bei der Verstärkung = 1 (Vgain – Vin) laufenalle Kurven der verschiedenen Lastzustände durch einen Punkt, in

Abbildung 5b: Prinzip der Energieübertragung während der negativen Halbwelle (ICR/LR) im Resonanzkreis

LoadPowerSource

Osc

illat

or&

Ful

lBrid

geD

river C

A

B

D

+-

C-D

A-B

time

curr

ent

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unserem Beispiel geschieht das bei der Frequenz = 155 kHz, was derSchaltfrequenz in dieser Schaltung entspricht. Wie bereits vorher erwähntliegt die Schaltfrequenz höher als die Resonanzfrequenz desSchwingkreises, hier sehen wir auch den Grund dafür. NachfolgendesOszillogramm (Abbildung 8) zeigt die Schaltfrequenz und denResonanzstrom.

Abbildung 8: Schaltfrequenz und Magnetisierungsstrom(UE = 20 V, UA = 17 V, IA = 6 A, PA = 100 W)

Die Messung oben zeigt eine Schaltfrequenz von ca.150 kHz was rechtgenau mit der Simulation übereistimmt. Abbildung 8 zeigt denSpannungsverlauf der Switch-Node A-B/C-D (orange Linie) und denResonanzstrom durch den Serienschwingkreis auf der Senderseite.

Aus diesem beiden Kurven wird ersichtlich, dass während jeder Halbwelleeine vollständige Energieübertragung zwischen Sender und Empfängerstattfindet. Der Resonanzstrom erreicht den Magnetisierungsstrom beijedem Umschalten der Switch-Node. In diesem Arbeitspunkt arbeitet das

System mit der höchsten Effektivität. Auf der Senderseite schalten dieMOSFETs bei einer Drain/Source Spannung von etwa 1 V (ZVS-Betrieb),diese Spannung hängt von den Eigenschaften der Freilaufdiode in denMOSFETs ab. Laut Datenblatt der MOSFET‘s liegt ein typischer Wertzwischen 0,93 V bis 1,2 V.

Auf Empfängerseite arbeiten die Gleichrichterdioden oder derSynchrongleichrichter im ZCS-Betrieb (Zero-Current Switching). Dasheißt, wenn der Strom im Resonanzkreis (Empfängerseite) auf 0 V geht,bzw. wenn der Resonanzstrom auf Senderseite denMagnetisierungsstrom erreicht, kommutiert der Strom weich zwischenden beiden Brückenzweigen im Gleichrichter.

Durch verändern der Schaltfrequenz kann die Ausgansspannungverändert werden. Wird die Schaltfrequenz verringert, wandert derArbeitspunkt in Richtung der Resonanzfrequenz, die Ausgangsspannungsteigt.

Erhöht sich die Schaltfrequenz, entfernt sich der Arbeitspunkt von derResonanzfrequenz und die Ausgangsspannung sinkt. SieheResonanzkurve in Abbildung 8.

3.4. Datenübertragung zwischen Sender undEmpfänger

Mit dieser Schaltungsart ist auch möglich Daten zwischen Sender undEmpfänger und auch umgekehrt zu übertragen.

Möglich ist das durch Modulation des Wechselfeldes zwischen denSpulen. Siehe nachfolgendes Oszillogramm Die Datenübertragung erfolgtseriell mit einer Übertragungsrate von ca. 9.6 kBaud. In Abbildung 9 zeigtdie gelbe Linie den Datenstrom vom Empfänger, die grüne Linie ist das

Abbildung 9: Datenübertragung vom Empfänger zum Sender (UE = 20 V, UA = 17 V, IA = 6 A, PA = 100 W)

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demodulierte Signal am Ausgang des Senders. In unserem Beispiel erfolgtdie Datenübertragung vom WPC-Empfänger zum WPC-Sender. Alspraktisches Beispiel kann eine Sensorapplikation genannt werden. Ein amWPC-Empfänger angeschlossener Sensor wird über die WPC-Spule mitEnergie versorgt und gleichzeitig werden die Sensordaten über die gleicheSpule zum WPC-Sender übertragen.

Auf Empfängerseite (Datenquelle) wird zum vorhandenenResonanzkondensator durch einen Schalter ein zusätzlicher Kondensator

geschaltet. Dieser Schalter ist mit dem Ausgang der UART desMikrokontrollers verbunden. (Siehe Abbildung 10).

Durch einen AM-Demodulator und dem UART-Controller werden aus demmodulierten Signal an der Senderspule die Daten wiederzurückgewonnen. Die Daten auf der Senderseite können auf einem LCD-Display angezeigt werden (Abbildung 12) oder über ein zusätzliches RF-Modul an jede Art von Cloud Service gesendet werden.

Abbildung 10: Prinzip der Datenübertragung vom Empfänger zum Sender

Load

Resonant TankTransmitter

Resonant TankReceiver

Rectifier

PowerSource

Osc

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Ful

lBrid

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river C

A

B

D

+-

Oscillator

AMDemodulator

UARTController

RS232 InterfaceMOSFET

DriverUART

Controller

RS232 Interface

Receiver GNDTransmitter GND

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4 Zusammenfassung und MessaufbauMit dieser vorgestellten Schaltungstopologie ist es möglich sehr hoheLeistungen mit mehreren 10 kW kontaktlos zu übertragen. Es ist sowohldie Übertragung von Energie als auch Daten möglich. DerHardwareentwickler kann durch ändern oder erweitern der Schaltungdiese beliebig an seine Anwendung anpassen. Aufgrund der Möglichkeitauch Daten übertragen zu können, ist eine Regelung derAusgangsspannung realisierbar.

Entscheidend für einen hohen Wirkungsgrad und eine möglichstkompakte Bauform, sind neben dem Schaltungsdesign vor allem dieSende- und Empfängerspulen. Die Würth Elektronik eiSos bietet nebendem breitesten Sortiment auch die Spulen mit dem höchsten Q-Faktor inder jeweiligen Bauform. Dadurch können hohe Induktivitätswerte erzieltwerden und daraus resultierend kleine Bauformen für dieResonanzkondensatoren. Zudem wird für höhere Leistungenausschließlich HF-Litze (geringere AC-Verluste) und hochwertigesFerritmaterial (hohe Permeabilität) verwendet. Das bedeutet für dieApplikation den maximalen Wirkungsgrad und die bestmöglichen EMV-Eigenschaften.

Abbildung 12: WPC Transmitter und WPC Receiver

Abbildung 11: Messaufbau

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W I C H T I G E R H I N W E I SDer Anwendungshinweis basiert auf unserem aktuellen Wissens- undErfahrungsstand, dient als allgemeine Information und ist keineZusicherung der Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG zur Eignung desProduktes für Kundenanwendungen. Der Anwendungshinweis kann ohneBekanntgabe verändert werden. Dieses Dokument und Teile hiervondürfen nicht ohne schriftliche Genehmigung vervielfältigt oder kopiertwerden. Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG und seine Partner- undTochtergesellschaften (nachfolgend gemeinsam als „WE“ genannt) sindfür eine anwendungsbezogene Unterstützung jeglicher Art nicht haftbar.Kunden sind berechtigt, die Unterstützung und Produktempfehlungen vonWE für eigene Anwendungen und Entwürfe zu nutzen. Die Verantwortungfür die Anwendbarkeit und die Verwendung von WE-Produkten in einembestimmten Entwurf trägt in jedem Fall ausschließlich der Kunde.Aufgrund dieser Tatsache ist es Aufgabe des Kunden, erforderlichenfallsUntersuchungen anzustellen und zu entscheiden, ob das Gerät mit den inder Produktspezifikation beschriebenen spezifischen Produktmerkmalenfür die jeweilige Kundenanwendung zulässig und geeignet ist oder nicht.Die technischen Daten sind im aktuellen Datenblatt zum Produktangegeben. Aus diesem Grund muss der Kunde die Datenblätterverwenden und wird ausdrücklich auf die Tatsache hingewiesen, dass erdafür Sorge zu tragen hat, die Datenblätter auf Aktualität zu prüfen. Dieaktuellen Datenblätter können von www.we-online.com heruntergeladenwerden. Der Kunde muss produktspezifische Anmerkungen undWarnhinweise strikt beachten. WE behält sich das Recht vor, an seinenProdukten und Dienstleistungen Korrekturen, Modifikationen,Erweiterungen, Verbesserungen und sonstige Änderungen vorzunehmen.Lizenzen oder sonstige Rechte, gleich welcher Art, insbesondere anPatenten, Gebrauchsmustern, Marken, Urheber- oder sonstigengewerblichen Schutzrechten werden hierdurch weder eingeräumt noch

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