01.06.2016

Wireless-Power-Transfer im industriellen Umfeld

Mit steigender Verbreitung des Wireless-Power-Transfers in der Konsumerelektronik wie z.B. in Smartphone-Ladestationen, blickt auch die Industrie- und Medizintechnik immer mehr auf diese Technologie und auf die daraus resultierenden Vorteile. Gerade in Industriebereichen, die mit harten Umgebungsbedingungen, scharfen Reinigungsmitteln, starker Verschmutzung und hoher mechanischer Belastung kĂ€mpfen mĂŒssen, bietet diese Technologie neue AnsĂ€tze als Alternativen zu teuren und anfĂ€lligen Schleifringen oder Kontakten. Dieser Beitrag beschreibt die Grundlagen dieser Technologie und gibt anwendungstechnische Tipps fĂŒr ihren Einsatz.



Autoren: Andreas Nadler und Cem Som, WĂŒrth Elektronik



Beim Gegentakt-Resonanzwandler (ZVS Oszillator) wird als taktgebende Schaltung ein klassischer Resonanzwandler verwendet. Dieser bietet mehrere Vorteile:

  • Er schwingt selbststĂ€ndig an und benötigt nur eine Gleichspannungsquelle
  • Der Strom- und Spannungsverlauf ist fast sinusförmig
  • Es werden keine aktiven Bauteile und keine Software benötigt
  • Er ist skalierbar von kleiner bis großer Leistung (1 W bis 200 W)
  • Die MOSFETs schalten nahe dem Nulldurchgang
  • Er ist skalierbar fĂŒr viele verschiedene Spannungen/Ströme







Abbildung 1: Grundschaltung eines Resonanzwandlers; Die gezeigte Grundschaltung ist die Senderseite inkl. Senderspule LP. Die EmpfÀngerseite kann mit der gleichen Grundschaltung aufgebaut werden.



Funktionsweise des Resonanzwandlers

Der Resonanzwandler arbeitet bei einer konstanten Arbeitsfrequenz, welche durch die Resonanzfrequenz des LC-Parallelschwingkreises maßgeblich bestimmt wird. Sobald Gleichspannung an die Schaltung angelegt wird, beginnt diese von selbst zu schwingen. Dieses selbststĂ€ndige Schwingen basiert auf winzigen Bauteiltoleranzen der MOSFETs. Einer der beiden MOSFETs wird in Sekundenbruchteilen etwas schneller leitend als der andere.


Durch die Mitkopplung der beiden MOSFET Gates mit dem gegenĂŒberliegenden Drain des anderen MOSFETs ergibt sich eine 180°-Phasenverschiebung. Somit werden die beiden MOSFETs stets gegenphasig angesteuert und können nie zeitgleich leitend sein. Ein weiteres Merkmal dieser Schaltungstopologie ist, dass die Spannung immer nahe dem Nulldurchgang geschaltet wird, wodurch die Schaltverluste in den MOSFETs sehr gering ausfallen.


Der Nachteil dieser Schaltungstopologie ist, dass die Leistungsaufnahme im Leerlauf auf Grund der zirkulierenden Blindströme im Schwingkreis verhĂ€ltnismĂ€ĂŸig hoch ist. Die Grundschaltung von Abbildung 1 kann je nach Dimensionierung mit Spannungen von 3,3 V bis ĂŒber 230 V laufen. Dabei muss ab Eingangsspannungen von 20 V auf den BerĂŒhrschutz geachtet werden, da die Spannung im Resonanzkreis (um den Faktor π grĂ¶ĂŸer) hierbei schon ĂŒber der SELV-Schwelle von 50 VAC/120 VDC liegt.


Die Schaltung auf der Senderseite kann identisch fĂŒr die EmpfĂ€ngerseite verwendet werden. Dort arbeitet der Resonanzwandler dann als Synchrongleichrichter. Dabei gilt zu beachten, dass die Resonanzfrequenz der EmpfĂ€ngerseite sehr nah an die der Senderseite angepasst werden soll. Die Frequenz unter Last sollte 150 kHz in der Regel nicht ĂŒbersteigen, da sonst die Verluste in den Sende-/EmpfĂ€ngerspulen und Parallelkondensatoren zu groß werden. Zudem sind die Grenzwerte in der EMV unter 150kHz höher.


In den bisherigen Tests hat sich der Frequenzbereich von 105 bis 140 kHz als bester Kompromiss herauskristallisiert. Zudem bleibt man somit im sicheren Bereich in Bezug auf das aktuell zugelassene Frequenzband fĂŒr induktive LeistungsĂŒbertragung von 100 bis 205 kHz.







Abbildung 2: Vermessene Schaltung (Vin = 20 VDC; Pout = 100W) bei 6,5mm Luftspalt




Abbildung 3: ErwÀrmung ( Oberseite = Filter + Kondensatoren) der Schaltung/Spulen bei Pout = 100W (Vin = 20V)




Wie ist das EMV-Verhalten von Wireless-Power-Übertragern

Da bei allen Wireless-Power-Applikationen Leistung ĂŒbertragen wird, ist die Einhaltung der EMV-Grenzwerte nicht trivial. Die Herausforderung besteht darin, dass die Sende- und EmpfĂ€ngerspulen sich verhalten wie ein Übertrager mit schlechtem Kopplungsfaktor und sehr großem Luftspalt. Dadurch kommt es in der Umgebung der Spulen zu einem sehr starken elektromagnetischen Streufeld. EMV-Messungen haben gezeigt, dass Störungen breitbandig im Spektrum der Grundwelle bis in den Frequenzbereich von 80MHz auftreten können.


Schafft man es, die Pegel in der Störspannungsmessung mit Reserve zum Grenzwert einzuhalten, kann man meist davon ausgehen, dass man auch in der StörfeldstĂ€rke die Grenzwerte einhĂ€lt. Allgemein lĂ€sst sich feststellen, dass die Grenzwerte z.B. bei EN55022 Class B eine nicht zu unterschĂ€tzende HĂŒrde in der Entwicklung darstellen können.






Abbildung 4: Maßnahmen zur EindĂ€mmung von Common-Mode- und Differential-Mode-Störern


Das H-Feld (dI/dt) kann Störströme in benachbarte Leitungspfade induktiv einkoppeln. Dagegen hilft meist ein grĂ¶ĂŸerer Abstand oder eine Ferritfolie wie die WE-FSFS. Vor allem aber das E-Feld (dV/dt) koppelt sehr leicht kapazitiv gegen Erde aus. Das lĂ€sst sich bei der Messung der Störspannung als auch bei der StörfeldstĂ€rke beobachten. Diesen Gleichtakt-Störern (Common Mode) muss im niedrigen (kHz) als auch im höheren (MHz) Frequenzbereich entgegengewirkt werden.


Da bei WPC Applikationen das E-Feld (Streufeld) Hauptursache fĂŒr Probleme in der EMV ist, mĂŒssen entsprechende Maßnahmen getroffen werden:

  • Unter der WPC Spule (v.a. Sender) sollte eine geschlitzte (kleinere Wirbelströme) FlĂ€che aus Metall (z.B. Platine mit Kupfer) unter der Spule und der Schaltung angeordnet sein. Diese muss ĂŒber einen Kondensator (z.B. 1 bis 100 nF/2000V WE-CSMH) an die Schaltungsmasse oder GehĂ€use angeschlossen werden. Dadurch werden große Teile des E-Feldes zur Quelle kurzgeschlossen, und breiten sich nicht mehr ĂŒber Erde aus.

  • Die Sende- und EmpfĂ€ngerspulen sowie deren Ansteuerung mir ausreichend Metallschirmung und/oder Absorbermaterial(WE-FAS/WE-FSFS) abschotten

  • Wenn es die Ableitströme zulassen, können Y-Kondensatoren (2 x 4,7nF max.) den Störpegel ĂŒber ein weites Spektrum senken (WE-CSSA).

  • Um Common-Mode-Störer im niedrigen Frequenzbereich (50 kHz bis 5 MHz) zu filtern kann, man stromkompensierte Drosseln je nach Betriebsspannung und Strom aus den folgenden Serien verwenden: WE-CMB, WE-CMBNC, WE-UCF, WE-SL und WE-FC E.

  • Um Common-Mode-Störer im höheren Frequenzbereich (5 MHz bis 100 MHz) zu filtern, kann man stromkompensierte Drosseln je nach Betriebsspannung und Strom aus den folgenden Serien verwenden: WE-CMBNiZn, WE-CMBNC, WE-SL5HC und WE-SCCF.

  • Gegen Differential Mode (Gegentakt) können zusĂ€tzlich je nach Betriebsspannung auch noch Kondensatoren zwischen +/- L/N aus den Serien WE-FTXX und WE-CSGP geschaltet werden.

  • Da in der gesamten Schaltung je nach Applikation sehr hohe AC-Ströme fließen, ist ein kompaktes und niederinduktives Platinenlayout entscheidend fĂŒr den Erfolg in der EMV. Man sollte die Bauteile der Leistungsstufe und des Schwingkreises örtlich sehr nah beieinander platzieren und mit großen KupferflĂ€chen(Polygonen) niederinduktiv verbinden.







Abbildung 5: Beispiel fĂŒr einen Aufbau, bei dem keine Y-Kondensatoren gegen Erde verwendet werden können, wegen der maximal zulĂ€ssigen Ableitströme (z.B. medizinische GerĂ€te, handgefĂŒhrte GerĂ€te, ATEX)



Sender- und EmpfÀngerspulen

Um die passende Wireless-Power-Transfer-Spule zu finden, mĂŒssen einige Aspekte bedacht werden - z.B. wie groß wird der maximal zu erwartende Strom (Blind- & Nennstrom) in der Spule sein und was ist meine maximal zulĂ€ssige BaugrĂ¶ĂŸe (L/B/H)?


Um eine ungewollte SĂ€ttigung oder Übertemperatur der Spulen zu vermeiden, sollte immer ein Sicherheitspuffer von 30 % eingeplant werden. Kommen mehrere Spulen in Frage, so sollten die mit der höchsten InduktivitĂ€t verwendet werden, denn dadurch kann der Schwingkreiskondensator kleiner werden. Zudem senkt diese Maßnahme die auftretenden Blindströme im „Tank“. Kleinere Ströme im Schwingkreis fĂŒhren zu einer geringeren EigenerwĂ€rmung und zu einem besserem EMV-Verhalten.


Die beste Kopplung wird erreicht, indem die Sender- und EmpfĂ€ngerspule die gleiche BaugrĂ¶ĂŸe haben, ein GrĂ¶ĂŸenverhĂ€ltnis von 1:1 wird empfohlen. Die Bauteile der WE-WPCC Familie z.B. 760308102142 (53mm x 53mm), 760308100143 (Ăž 50mm), 760308100110 (Ăž 50mm) wurden speziell fĂŒr hohe Leistungen entwickelt. Diese Spulen können als Sender und EmpfĂ€nger eingesetzt werden. Sie zeichnen sich durch sehr niedrige Rdc Werte, sehr hohe GĂŒtewerte Q und einen sehr hohen SĂ€ttigungsstrom IR aus.



Parallelkondensator

Da im Parallelschwingkreis hohe Ströme zirkulieren, ist nicht jede Kondensatortechnologie geeignet fĂŒr diese Aufgabe. Es kommen je nach Applikation nur drei verschiedene Type zur Auswahl: MKP (z.B. WE-FTXX), NP0 (z.B. WE-CSGP) oder FKP. Diese Typen haben aufgrund Ihres niedrigen Verlustfaktors die FĂ€higkeit, hohe AC-Ströme zu tragen ohne sich zu stark zu erhitzen. Jedoch ist es nicht ungewöhnlich, je nach Leistung des Resonanzwandlers mehrere Kondensatoren parallel zu schalten, um die Ströme und somit die EigenerwĂ€rmung aufzuteilen.


Aufgrund der BaugrĂ¶ĂŸe, der Kosten und fĂŒr einen möglichst geringen Blindstrom im Resonanzkreis sollte die KapazitĂ€t so klein wie möglich gewĂ€hlt werden. Limitierend sind hierbei die maximal zulĂ€ssige Arbeitsfrequenz des Wandlers sowie die Höhe der Sender- und EmpfĂ€ngerspuleninduktivitĂ€t. Die Spannungsfestigkeit sollte mindestens π x Vin sein, plus 20 % Sicherheitsreserve.



FilterinduktivitÀten

Die beiden Filter-InduktivitĂ€ten entkoppeln den Schwingkreis „AC“-mĂ€ĂŸig von der Versorgung. Sie dienen somit gleichzeitig als konstante Stromquelle und Filterelement. Die StromtragfĂ€higkeit muss dem maximalen Nennstrom der Schaltung angepasst sein. Es muss auf jeden Fall eine klassische Speicherdrossel (z.B. WE-HCI; WE-PD; WE-LHMI) mit Luftspalt und hoher GĂŒte verwendet werden. Deren NenninduktivitĂ€t sollte min. 5 Mal grĂ¶ĂŸer sein, als die InduktivitĂ€t der WPC-Spule, um genug Energie in den Schwingkreis nachladen zu können.



Ein- und Ausgangskondensator

Dieser Kondensator dient in Kombination mit den Speicherdrosseln hauptsÀchlich zur Filterung. Da die Schwingkreisfrequenzen unter 200 kHz liegen, muss die KapazitÀt der Kondensatoren entsprechend höher sein. Tests haben gezeigt, dass Werte zwischen 10 und 1000 ”F, je nach Applikation und verwendeter Speicherdrossel, zu erwarten sind. Die -6dB-Eckfrequenz, welche der LC-Filter bildet, sollte ca. 1/10 der Schwingkreisfrequenz betragen. Somit sind theoretisch 40 dB / Dec DÀmpfung zu erwarten. Aufgrund von parasitÀren Bauteileffekten sollte man in der Praxis mit ca. 30 dB/Dec rechnen.


Polymer- und Keramikkondensatoren bieten die Möglichkeit, durch ihren niedrigen ESR die Amplitude des reflektierten Spannungsrippels deutlich zu verkleinern. Ein kleinerer Spannungsrippel hat geringere Störpegel bei der Störspannungsmessung in der EMV zur Folge. Das beste Ergebnis erhÀlt man, indem eine Parallelschaltung aus Aluminium-Elektrolyt- und Polymer/Keramik-Kondensatoren verwendet wird (z.B. WCAP-PTHR und WCAP-PSLC).



Applikationsbeispiel Standard-Resonanzwandler (Sender und EmpfÀnger) 100W




Abbildung 6: Beispiel fĂŒr einfache und robuste Resonanzwandler-Schaltung. Diese kann auf der Sender- als auch auf der EmpfĂ€nger Seite verwendet werden. Wenn man fĂŒr die Pull-Up-WiderstĂ€nde eine niedrigere Hilfsspannung generiert, kann die Verlustleistung gesenkt werden und die Oszillation mit dieser Hilfsspannung gestartet werden.



Applikationsbeispiel Resonanzwandler mit Mittelabgriff




Abbildung 7: Resonanzwandler fĂŒr Spulen mit Mittelabgriff. Der Vorteil der Schaltung liegt darin, dass nur eine Filterspule benötigt wird. Durch die Mittelanzapfung ist die Frequenz doppelt so hoch und der Spannungshub kleiner. Zudem lĂ€sst sich so auch ein Array mit zwei sich ĂŒberlappenden Spulen einfach ansteuern.





Abbildung 8: Aufbau Applikationsbeispiel Sender/EmpfĂ€nger fĂŒr Spulenarray (760308104119)



Fazit

Ein Resonanzwandler kann sehr flexibel an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Wenn die Anforderungen der Applikation bezĂŒglich der Sicherheit, OnOff, Ladezustandserkennung etc. wachsen, kann diese Schaltung als Basis dienen und beliebig durch den Hardwareentwickler erweitert werden. Entscheidend fĂŒr einen hohen Wirkungsgrad, möglichst kompakte Bauform und gute EMV-Eigenschaften sind, neben der taktgebenden Schaltung vor allem die Sende- und EmpfĂ€ngerspulen.


WĂŒrth Elektronik eiSos bietet neben einem breiten Sortiment auch Spulen mit höchsten Q-Faktor in der jeweiligen Bauform. Dadurch können hohe InduktivitĂ€tswerte erzielt werden und daraus resultierend kleine Bauformen fĂŒr die Kondensatoren. Zudem wird fĂŒr höhere Leistungen ausschließlich HF-Litze und hochpermeables Ferritmaterial verwendet - fĂŒr maximalen Wirkungsgrad und bestmögliche EMV-Eigenschaften im Endprodukt.


 


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