Controller Design of Synchronous Rectifier for Uniformly Wireless Power Delivery of Multiple Rx Coils

Abstract

To uniformly transfer wireless power delivery toward multiple Rx circuits under a magnetic dead-zone, an analog controller-based high efficiency synchronous rectifier is proposed in this paper. To compensate for the reactance of long-line Tx coils for dynamic wireless power transfer (WPT) systems of railway vehicles, segmented resonant capacitors are inevitably used in each Tx coil line. In this case, magnetic dead-zones exist on the segmented resonant capacitors, and they cause unbalanced wireless power delivery among multiple Rx circuits. Thus, load power of the multiple synchronous rectifiers, which are connected in parallel, should be appropriately controlled for uniformly wireless powering of Rx circuits. Using the proposed controller including phasor detection circuit, integrator, comparators, and reference generators, optimal duty cycle can be provided to the synchronous rectifiers for uniform wireless power delivery. As a result, uniform wireless powering of the two rectifiers has been achieved for 500 kW load power by the proposed rectifier, which has 97.0% power efficiency, although one of the Rx circuits is under a magnetic dead-zone. 본 논문에서는 다수의 수신부를 장착한 철도차량이 자기장 사구간에 노출되더라도 다수 수신부로 균등한 무선전력전송이 가능한 아날로그 제어기 기반 고효율 동기정류기를 제안한다. 철도차량의 동적 무선전력전송용 긴 무선급전 선로의 리액턴스를 보상하고자, 무선급전 구간마다 분할 공진 커패시터를 필수적으로 적용해야 한다. 이 경우, 분할 공진 커패시터 위에 물리적으로 위치하는 수신부는 자기장이 존재하지 않는 자기장 사구간에 노출되고, 이로 인해 각수신부별 전송전력이 균등하지 않아 저효율 및 다른 하나의 수신부측에 전력전송부담이 가중되어 소자 파괴의 위험성에 노출된다. 그러므로, 병렬로 연결된 다수의 동기정류기의 동일한 전력전송을 위한 출력전력전송 제어가 필수적이다. 위상 검지회로, 적분기, 비교기, 기준전압 발생기 등을 포함하는 제어기를 통해, 각 동기정류기의 균등한 무선전력전송이 가능하다. 결과적으로 250 kW급 2개의 수신부 중 하나의 수신부가 자기장 사구간에 노출되더라도, 제안하는 제어기를 통해 2개의 수신부가 동일한 전력을 전송함으로써 97%의 최대 효율로 약 500 kW 급 무선전력전송이 가능함을 시뮬레이션을 통해 증명하였다.