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 k√§mpfen m√ľssen, bietet diese Technologie neue Ans√§tze als Alternativen zu teuren und anf√§lligen Schleifringen oder Kontakten. Dieser Beitrag beschreibt die Grundlagen dieser Technologie und gibt anwendungstechnische Tipps f√ľr ihren Einsatz.



Autoren: Andreas Nadler und Cem Som, W√ľrth Elektronik



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

  • Er schwingt selbstst√§ndig an und ben√∂tigt nur eine Gleichspannungsquelle
  • Der Strom- und Spannungsverlauf ist fast sinusf√∂rmig
  • Es werden keine aktiven Bauteile und keine Software ben√∂tigt
  • Er ist skalierbar von kleiner bis gro√üer Leistung (1 W bis 200 W)
  • Die MOSFETs schalten nahe dem Nulldurchgang
  • Er ist skalierbar f√ľr viele verschiedene Spannungen/Str√∂me







Abbildung 1: Grundschaltung eines Resonanzwandlers; Die gezeigte Grundschaltung ist die Senderseite inkl. Senderspule LP. Die Empfängerseite 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 selbstständige 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 gegen√ľberliegenden Drain des anderen MOSFETs ergibt sich eine 180¬į-Phasenverschiebung. Somit werden die beiden MOSFETs stets gegenphasig angesteuert und k√∂nnen 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 Blindstr√∂me im Schwingkreis verh√§ltnism√§√üig hoch ist. Die Grundschaltung von Abbildung 1 kann je nach Dimensionierung mit Spannungen von 3,3 V bis √ľber 230 V laufen. Dabei muss ab Eingangsspannungen von 20 V auf den Ber√ľhrschutz geachtet werden, da die Spannung im Resonanzkreis (um den Faktor ŌÄ gr√∂√üer) hierbei schon √ľber der SELV-Schwelle von 50 VAC/120 VDC liegt.


Die Schaltung auf der Senderseite kann identisch f√ľr die Empf√§ngerseite verwendet werden. Dort arbeitet der Resonanzwandler dann als Synchrongleichrichter. Dabei gilt zu beachten, dass die Resonanzfrequenz der Empf√§ngerseite sehr nah an die der Senderseite angepasst werden soll. Die Frequenz unter Last sollte 150 kHz in der Regel nicht √ľbersteigen, da sonst die Verluste in den Sende-/Empf√§ngerspulen und Parallelkondensatoren zu gro√ü werden. Zudem sind die Grenzwerte in der EMV unter 150kHz h√∂her.


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 f√ľr induktive Leistungs√ľbertragung von 100 bis 205 kHz.







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




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




Wie ist das EMV-Verhalten von Wireless-Power-√úbertragern

Da bei allen Wireless-Power-Applikationen Leistung √ľbertragen wird, ist die Einhaltung der EMV-Grenzwerte nicht trivial. Die Herausforderung besteht darin, dass die Sende- und Empf√§ngerspulen sich verhalten wie ein √úbertrager mit schlechtem Kopplungsfaktor und sehr gro√üem Luftspalt. Dadurch kommt es in der Umgebung der Spulen zu einem sehr starken elektromagnetischen Streufeld. EMV-Messungen haben gezeigt, dass St√∂rungen breitbandig im Spektrum der Grundwelle bis in den Frequenzbereich von 80MHz auftreten k√∂nnen.


Schafft man es, die Pegel in der St√∂rspannungsmessung mit Reserve zum Grenzwert einzuhalten, kann man meist davon ausgehen, dass man auch in der St√∂rfeldst√§rke die Grenzwerte einh√§lt. Allgemein l√§sst sich feststellen, dass die Grenzwerte z.B. bei EN55022 Class B eine nicht zu untersch√§tzende H√ľrde in der Entwicklung darstellen k√∂nnen.






Abbildung 4: Maßnahmen zur Eindämmung von Common-Mode- und Differential-Mode-Störern


Das H-Feld (dI/dt) kann Störströme in benachbarte Leitungspfade induktiv einkoppeln. Dagegen hilft meist ein größerer Abstand oder eine Ferritfolie wie die WE-FSFS. Vor allem aber das E-Feld (dV/dt) koppelt sehr leicht kapazitiv gegen Erde aus. Das lässt sich bei der Messung der Störspannung als auch bei der Störfeldstärke 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 f√ľr Probleme in der EMV ist, m√ľssen entsprechende Ma√ünahmen getroffen werden:

  • Unter der WPC Spule (v.a. Sender) sollte eine geschlitzte (kleinere Wirbelstr√∂me) Fl√§che aus Metall (z.B. Platine mit Kupfer) unter der Spule und der Schaltung angeordnet sein. Diese muss √ľber einen Kondensator (z.B. 1 bis 100 nF/2000V WE-CSMH) an die Schaltungsmasse oder Geh√§use angeschlossen werden. Dadurch werden gro√üe Teile des E-Feldes zur Quelle kurzgeschlossen, und breiten sich nicht mehr √ľber Erde aus.

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

  • Wenn es die Ableitstr√∂me zulassen, k√∂nnen Y-Kondensatoren (2 x 4,7nF max.) den St√∂rpegel √ľber ein weites Spektrum senken (WE-CSSA).

  • Um Common-Mode-St√∂rer 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-St√∂rer im h√∂heren 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) k√∂nnen zus√§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-Str√∂me flie√üen, ist ein kompaktes und niederinduktives Platinenlayout entscheidend f√ľr den Erfolg in der EMV. Man sollte die Bauteile der Leistungsstufe und des Schwingkreises √∂rtlich sehr nah beieinander platzieren und mit gro√üen Kupferfl√§chen(Polygonen) niederinduktiv verbinden.







Abbildung 5: Beispiel f√ľr einen Aufbau, bei dem keine Y-Kondensatoren gegen Erde verwendet werden k√∂nnen, wegen der maximal zul√§ssigen Ableitstr√∂me (z.B. medizinische Ger√§te, handgef√ľhrte Ger√§te, ATEX)



Sender- und Empfängerspulen

Um die passende Wireless-Power-Transfer-Spule zu finden, m√ľssen einige Aspekte bedacht werden - z.B. wie gro√ü wird der maximal zu erwartende Strom (Blind- & Nennstrom) in der Spule sein und was ist meine maximal zul√§ssige Baugr√∂√üe (L/B/H)?


Um eine ungewollte S√§ttigung oder √úbertemperatur der Spulen zu vermeiden, sollte immer ein Sicherheitspuffer von 30 % eingeplant werden. Kommen mehrere Spulen in Frage, so sollten die mit der h√∂chsten Induktivit√§t verwendet werden, denn dadurch kann der Schwingkreiskondensator kleiner werden. Zudem senkt diese Ma√ünahme die auftretenden Blindstr√∂me im ‚ÄěTank‚Äú. Kleinere Str√∂me im Schwingkreis f√ľhren zu einer geringeren Eigenerw√§rmung und zu einem besserem EMV-Verhalten.


Die beste Kopplung wird erreicht, indem die Sender- und Empf√§ngerspule die gleiche Baugr√∂√üe haben, ein Gr√∂√üenverh√§ltnis von 1:1 wird empfohlen. Die Bauteile der WE-WPCC Familie z.B. 760308102142 (53mm x 53mm), 760308100143 (√ł 50mm), 760308100110 (√ł 50mm) wurden speziell f√ľr hohe Leistungen entwickelt. Diese Spulen k√∂nnen als Sender und Empf√§nger eingesetzt werden. Sie zeichnen sich durch sehr niedrige Rdc Werte, sehr hohe G√ľtewerte Q und einen sehr hohen S√§ttigungsstrom IR aus.



Parallelkondensator

Da im Parallelschwingkreis hohe Str√∂me zirkulieren, ist nicht jede Kondensatortechnologie geeignet f√ľr 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 F√§higkeit, hohe AC-Str√∂me zu tragen ohne sich zu stark zu erhitzen. Jedoch ist es nicht ungew√∂hnlich, je nach Leistung des Resonanzwandlers mehrere Kondensatoren parallel zu schalten, um die Str√∂me und somit die Eigenerw√§rmung aufzuteilen.


Aufgrund der Baugr√∂√üe, der Kosten und f√ľr einen m√∂glichst geringen Blindstrom im Resonanzkreis sollte die Kapazit√§t so klein wie m√∂glich gew√§hlt werden. Limitierend sind hierbei die maximal zul√§ssige Arbeitsfrequenz des Wandlers sowie die H√∂he der Sender- und Empf√§ngerspuleninduktivit√§t. Die Spannungsfestigkeit sollte mindestens ŌÄ x Vin sein, plus 20 % Sicherheitsreserve.



Filterinduktivitäten

Die beiden Filter-Induktivit√§ten entkoppeln den Schwingkreis ‚ÄěAC‚Äú-m√§√üig von der Versorgung. Sie dienen somit gleichzeitig als konstante Stromquelle und Filterelement. Die Stromtragf√§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 G√ľte verwendet werden. Deren Nenninduktivit√§t sollte min. 5 Mal gr√∂√üer sein, als die Induktivit√§t der WPC-Spule, um genug Energie in den Schwingkreis nachladen zu k√∂nnen.



Ein- und Ausgangskondensator

Dieser Kondensator dient in Kombination mit den Speicherdrosseln haupts√§chlich zur Filterung. Da die Schwingkreisfrequenzen unter 200 kHz liegen, muss die Kapazit√§t der Kondensatoren entsprechend h√∂her sein. Tests haben gezeigt, dass Werte zwischen 10 und 1000 ¬ĶF, 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 D√§mpfung zu erwarten. Aufgrund von parasit√§ren 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 erhält 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 Empfänger) 100W




Abbildung 6: Beispiel f√ľr einfache und robuste Resonanzwandler-Schaltung. Diese kann auf der Sender- als auch auf der Empf√§nger Seite verwendet werden. Wenn man f√ľr die Pull-Up-Widerst√§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 f√ľr Spulen mit Mittelabgriff. Der Vorteil der Schaltung liegt darin, dass nur eine Filterspule ben√∂tigt wird. Durch die Mittelanzapfung ist die Frequenz doppelt so hoch und der Spannungshub kleiner. Zudem l√§sst sich so auch ein Array mit zwei sich √ľberlappenden Spulen einfach ansteuern.





Abbildung 8: Aufbau Applikationsbeispiel Sender/Empf√§nger f√ľr Spulenarray (760308104119)



Fazit

Ein Resonanzwandler kann sehr flexibel an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Wenn die Anforderungen der Applikation bez√ľglich der Sicherheit, OnOff, Ladezustandserkennung etc. wachsen, kann diese Schaltung als Basis dienen und beliebig durch den Hardwareentwickler erweitert werden. Entscheidend f√ľr einen hohen Wirkungsgrad, m√∂glichst kompakte Bauform und gute EMV-Eigenschaften sind, neben der taktgebenden Schaltung vor allem die Sende- und Empf√§ngerspulen.


W√ľrth Elektronik eiSos bietet neben einem breiten Sortiment auch Spulen mit h√∂chsten Q-Faktor in der jeweiligen Bauform. Dadurch k√∂nnen hohe Induktivit√§tswerte erzielt werden und daraus resultierend kleine Bauformen f√ľr die Kondensatoren. Zudem wird f√ľr h√∂here Leistungen ausschlie√ülich HF-Litze und hochpermeables Ferritmaterial verwendet - f√ľr maximalen Wirkungsgrad und bestm√∂gliche EMV-Eigenschaften im Endprodukt.


 


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