Selected Resonant Topologies for Non-wireless and Wireless Power Transfer

eng Artykuł w języku angielskim DOI: 10.14313/PAR_258/103

wyślij Rafał Kasikowski Lodz University of Technology, Faculty of Electrical, Electronic, Computer and Control Engineering, Institute of Electronics, al. Politechniki 8, 93-590 Łódź

Pobierz Artykuł

Abstract

Resonant topologies are extensively used across various sectors of the electronics industry owing to their intrinsic advantages, such as superior efficiency, high power density, electrical isolation, low electromagnetic interference (EMI) and harmonic distortion, feasibility of magnetic integration, reduced voltage stress, and operation at high frequencies. This paper presents two prominent resonant network configurations: a non-wireless LLC topology and an LCC-S resonant Wireless Power Transfer (WPT) architecture. The latter employs magnetic coupling to achieve efficient power transfer over a distance, usually ranging from a few millimetres to several or tens of centimetres, thereby eliminating the dependency on conventional wired connections. A detailed theoretical discussion of both resonant network designs is provided, along with an analysis of their respective merits and limitations. It is demonstrated that both topologies attain high power conversion efficiency through the implementation of zero voltage transition (ZVT). Furthermore, these topologies offer a substantial advantage over other resonant tank designs, as their output voltage remains essentially invariant to load fluctuations when the converter’s switching frequency is precisely matched to the network’s resonant frequency. The final section details the practical implementation of the integrated LLC resonant topology and investigates the effects of mismatch between the operational and resonant frequencies on current and voltage waveforms, gain characteristics, efficiency, and thermal performance.

Keywords

load-independent operation, power electronics, resonant converters, thermography, wireless power transfer

Wybrane topologie rezonansowe dla przewodowego i bezprzewodowego systemu przesyłania energii

Streszczenie

Topologie rezonansowe przetwornic impulsowych są szeroko stosowane w różnych sektorach przemysłu elektronicznego ze względu na ich istotne zalety, takie jak wysoka sprawność, duża gęstość mocy, izolacja galwaniczna, niskie zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i zniekształcenia harmoniczne, możliwość integracji magnetycznej, przełączanie kluczy elektronicznych przy zerowym napięciu oraz praca przy wysokich częstotliwościach. W niniejszym artykule przedstawiono dwie główne konfiguracje obwodów rezonansowych: topologię typu LLC z konwencjonalnym transformatorem oraz topologię LCC-S dla bezprzewodowego systemu przesyłania energii (WPT). Druga z nich wykorzystuje sprzężenie magnetyczne do przesyłu energii na odległość, eliminując tym samym zależność od tradycyjnych rozwiązań transformatorowych. Przedstawiono również szczegółowy opis teoretyczny obu obwodów rezonansowych wraz z analizą ich zalet i wad. Wykazano, że obie topologie osiągają wysoką sprawność przetwarzania mocy dzięki przełączaniu tranzystorów mocy w momencie, gdy napięcie na nich jest bliskie zeru (ZVT). Ponadto topologie te gwarantują istotną przewagę nad innymi rozwiązaniami rezonansowymi ze względu na niezależność napięcia wyjściowego od zmian obciążenia, pod warunkiem że częstotliwość pracy przetwornicy jest precyzyjnie dopasowana do częstotliwości rezonansowej obwodu elektrycznego przetwornicy. W ostatniej części artykułu opisano praktyczne wykonanie zintegrowanej topologii LLC oraz zbadano wpływ niedopasowania pomiędzy częstotliwością pracy przetwornicy a częstotliwością rezonansową na przebiegi prądu i napięcia, charakterystyki wzmocnienia napięciowego, sprawność oraz temperaturę pracy kluczowych elementów przetwornicy mocy.

Słowa kluczowe

bezprzewodowe systemy przesyłania mocy, energoelektronika, praca niezależna od obciążenia, rezonansowe przetwornice AC/DC, termografia

Bibliografia

  1. Kim B.-C., Park K.-B., Kim C.-E., Lee B.-H., Moon G.-W., LLC Resonant Converter With Adaptive Link-Voltage Variation for a High-Power-Density Adapter, “IEEE Transactions on Power Electronics”, Vol. 25, No. 9, 2010, 2248–2252, DOI: 10.1109/TPEL.2010.2050906.
  2. Dow Y.S., Son H.I., Lee H.-D., A Study on Half Bridge LLC Resonant Converter for Battery Charger on Board, [In:] 8th International Conference on Power Electronics – ECCE Asia, Jeju, South Korea, 2011, DOI: 10.1109/ICPE.2011.5944758.
  3. Bas Y., Akboy E., A High-Efficiency LLC Resonant Converter For LED Driver Applications, [In:] 7th International Congress on Human-Computer Interaction, Optimizing and Robotic Applications (ICHORA), Ankara, Turkiye, 2025, DOI: 10.1109/ICHORA65333.2025.11017094.
  4. Deng J.J., Li S., Hu S., Mi C.C., Ma R.-Q., Design Methodology of LLC Resonant Converters for Electric Vehicle Battery Chargers, “IEEE Transactions on Vehicular Technology”, Vol. 63, No. 4, 2014, 1581–1592, DOI: 10.1109/TVT.2013.2287379.
  5. Pandey R., Singh B., A Power-Factor-Corrected LLC Resonant Converter for Electric Vehicle Charger Using Cuk Converter, “IEEE Transactions on Industry Applications”, Vol. 55, No. 6, 2019, 6278–6286, DOI: 10.1109/TIA.2019.2934059.
  6. Wang W.B., Deng J.J., Chen D.L., An LCC-S compensated wireless power transfer system using receiver-side switched-controlled capacitor combined semi-active rectifier for constant voltage charging with misalignment tolerance, “IET Power Electronics”, Vol. 16, No. 7, 2023, 1103–1114, DOI: 10.1049/pel2.12453.
  7. Wu S., Cai C., Liu X., Chai W., Yang S., Compact and Free-Positioning Omnidirectional Wireless Power Transfer System for Unmanned Aerial Vehicle Charging Applications, “IEEE Transactions on Power Electronics”, Vol. 37, No. 8, 2022, 8790–8794, DOI: 10.1109/TPEL.2022.3158610.
  8. Xiao C., Cheng D., Wei K., An LCC-C Compensated Wireless Charging System for Implantable Cardiac Pacemakers: Theory, Experiment, and Safety Evaluation, “IEEE Transactions on Power Electronics”, Vol. 33, No. 6, 2018, 4894–4905, DOI: 10.1109/TPEL.2017.2735441.
  9. Xu W., Liang W., Peng J., Liu Y., Wang Y., Maximizing Charging Satisfaction of Smartphone Users via Wireless Energy Transfer, “IEEE Transactions on Mobile Computing”, Vol. 16, No. 4, 2016, 990–1004, DOI: 10.1109/TMC.2016.2577585.
  10. Korobok M.A., Shemolin I.S., Sazykin K.B., Practical Implementation of an LLC Converter with Integrated Resonant Circuit Elements, [In:] International Russian Smart Industry Conference (SmartIndustryCon), Sochi, Russian Federation, 2024, DOI: 10.1109/SmartIndustryCon61328.2024.10515714.
  11. Zeng J.M., Zhang G.D., Yu S.S., Zhang B., Zhang Y., LLC resonant converter topologies and industrial applications – A review, “Chinese Journal of Electrical Engineering”, Vol. 6, No. 3, 2020, 73–84, DOI: 10.23919/CJEE.2020.000021.
  12. Fairchild Semiconductor Corporation, Application Note AN-4151, Half-Bridge LLC Resonant Converter Design Using FSFR-Series Fairchild Power Switch (FPS™), Rev. 1.0.2, Oct−2014.
  13. Gao S.W., Zhao Z.Y., Magnetic Integrated LLC Resonant Converter Based on Independent Inductance Winding, “IEEE Access”, Vol. 9, 2020, 660–672, DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3046616.
  14. Saket M.A., Shafiei N., Ordonez M., LLC Converters With Planar Transformers: Issues and Mitigation, “IEEE Transactions on Power Electronics”, Vol. 32, No. 6, 2020, 4524–4542, DOI: 10.1109/TPEL.2016.2602360.
  15. Fei C., Lee F. C., Li Q., High-Efficiency High-Power-Density LLC Converter With an Integrated Planar Matrix Transformer for High-Output Current Applications, “IEEE Transactions on Industrial Electronics”, Vol. 64, No. 11, 2017, 9072–9082, DOI: 10.1109/TIE.2017.2674599.
  16. Sun S.Z., Fu J.Q., Wei L.S., Optimization of High-Efficiency Half-bridge LLC Resonant Converter, [In:] 2021 40th Chinese Control Conference (CCC), Shanghai, China, DOI: 10.23919/CCC52363.2021.9550087.
  17. Luo J.H., Wang J.H., Fang Z.J., Shao J.W., Li J.G., Optimal Design of a High Efficiency LLC Resonant Converter with a Narrow Frequency Range for Voltage Regulation, “Energies”, Vol. 11, No. 5, 2018, DOI: 10.3390/en11051124.
  18. Erickson R.W., Maksimović D., Fundamentals of Power Electronics, Springer International Publishing, 2020, ISBN: 9783030438791.
  19. Cetin S., Yenil V., Optimal Operation Region of LLC Resonant Converter for on-Board EV Battery Charger Applications, [In:] 2018 IEEE 18th International Power Electronics and Motion Control Conference (PEMC), Budapest, Hungary, DOI: 10.1109/EPEPEMC.2018.8521857.
  20. Zhao R., Xu F., Design of Wireless Power Transfer System Based on LCC-S, “Journal of Physics: Conference Series”, Vol. 2496, 2023, DOI: 10.1088/1742-6596/2496/1/012014.
  21. Solimene L., Corti F., Musumeci S., Reatti A., Ragusa C.S., A controlled variable inductor for an LCC-S compensated Wireless Power Transfer system, [In:] IECON 2022 – 48th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Brussels, Belgium (2022), DOI: 10.1109/IECON49645.2022.9968576.
  22. Yang J.F., Zhang X.D., Zhang K.J., Cui X.Y., Jiao C.Q., Yang X., Design of LCC-S Compensation Topology and Optimization of Misalignment Tolerance for Inductive Power Transfer, “IEEE Access”, Vol. 8, 2020, 191309–191318, DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3032563.
  23. Geng Y., Li B., Yang Z., Lin F., Sun H., A High Efficiency Charging Strategy for a Supercapacitor Using a Wireless Power Transfer System Based on Inductor/Capacitor/Capacitor (LCC) Compensation Topology, “Energies”, Vol. 10, No. 1, 2017, DOI: 10.3390/en10010135.
  24. Wang C.S., Covic G.A., Stielau O.H., Power transfer capability and bifurcation phenomena of loosely coupled inductive power transfer systems, “IEEE Transactions on Industrial Electronics”, Vol. 51, No. 1, 2004, 148–157, DOI: 10.1109/TIE.2003.822038.
  25. Li S.Q., Mi C.C., Wireless Power Transfer for Electric Vehicle Applications, “IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics”, Vol. 3, No. 1, 2015, 4–17, DOI: 10.1109/JESTPE.2014.2319453.
  26. Orfanidis S.J., Electromagnetic Waves and Antennas, Rutgers University, 2016, [https://rutgers.app.box.com/s/rwzifofsu9slf8xy38f6uwhjd5gmn2q7].
  27. NXP Semiconductors, Digital controller for high-efficiency resonant power supply, Rev. 2.2 – 23 January 2023, [www.nxp.com/docs/en/data-sheet/TEA19161T.pdf].
  28. Sullivan C.R., Optimal choice for number of strands in a litz-wire transformer winding, “IEEE Transactions on Power Electronics”, Vol. 14, No. 2, 1999, 283–291, DOI: 10.1109/63.750181.
  29. Sullivan C.R., Zhang R.Y., Simplified Design Method for Litz Wire, [In:] 2014 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition – APEC 2014, Fort Worth, TX, USA (2014), DOI: 10.1109/APEC.2014.6803681.
  30. Barlik R., Nowak M., Grzejszczak P., Zdanowski M., Estimation of power losses in a high-frequency planar transformer using a thermal camera, “Archives of Electrical Engineering”, Vol. 65, No. 3, 2016, 613–627, DOI: 10.1515/aee-2016-0044.
  31. Detka K., Górecki K., Wireless Power Transfer – A Review, “Energies”, Vol. 15, No. 19, 2022, DOI: 10.3390/en15197236.