Σύγκριση Αντιστροφέα Πλήρους Γέφυρας και Ενισχυτή Κλάσης Ε για χρήση σε Σύστημα Επαγωγικής Φόρτισης Βιολογικών Εμφυτευμάτων

Abstract

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, η προσομοίωση και η σύγκριση συστήματος επαγωγικής μεταφοράς ισχύος με την χρήση δύο διαφορετικών τοπολογιών οδήγησης υψηλής διακοπτικής συχνότητας: αντιστροφέα πλήρους γέφυρας και ενισχυτή κλάσης Ε, για εφαρμογή σε συστήματα ασύρματης φόρτισης μπαταρίας βιολογικών εμφυτευμάτων χαμηλής ισχύος, όπως για παράδειγμα ενός καρδιακού βηματοδότη.

Ο προτεινόμενος σχεδιασμός καλύπτει προδιαγραφές ισχύος εξόδου για την φόρτιση μιας τυπικής μπαταρίας 1000mAh (4V – 1A), δηλαδή έως και 4W.

Η διάταξη αποτελείται από την εκάστοτε μελετούμενη τοπολογία οδήγησης υψηλής συχνότητας, δύο συζευγμένα πηνία - όπου το δευτερεύον είναι εμφυτευμένο και το πρωτεύον εφάπτεται στο δέρμα ώστε να επιτυγχάνεται η μεταφορά της ενέργειας - , κύκλωμα συντονισμού, και ανορθωτή πλήρους γέφυρας της τάσης εξόδου του δευτερεύοντος τυλίγματος για την τροφοδότηση της μπαταρίας του εμφυτεύματος.

Πραγματοποιείται ανάλυση ενός συστήματος επαγωγικής μεταφοράς ισχύος, καθώς και ανάλυση των δύο προς σύγκριση τοπολογιών. Γίνονται προσομοιώσεις με τα λογισμικά Matlab-Simulink και Ltspice του συστήματος με τη χρήση και των δύο τοπολογιών, για την σύγκριση αυτών υπό διαφορετικές συχνότητες λειτουργίας, διαφορετικές τιμές αντίστασης φορτίου εξόδου και διαφορετικές τιμές του συντελεστή σύζευξης. Επίσης μελετάται και προσομοιώνεται ένα σύστημα ελέγχου στην πλευρά του πρωτεύοντος, το οποίο προσαρμόζει το εύρος λειτουργίας των παλμών οδήγησης των διακοπτικών στοιχείων των τοπολογιών, με στόχο τον περιορισμό της DC τάσης στην έξοδο του συστήματος σε επιθυμητά επίπεδα.

Στη συνέχεια, πραγματοποιείται πειραματική αξιολόγηση της συμπεριφοράς ενός συστήματος επαγωγικής μεταφοράς ισχύος και για τις δύο μελετούμενες τοπολογίες, προς επαλήθευση των θεωρητικών αποτελεσμάτων και των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων.

Μέσω της σύγκρισης της συμπεριφοράς των δύο τοπολογιών ως μέρος ενός συστήματος επαγωγικής φόρτισης εμφυτευμάτων σε όλες τις παραπάνω περιπτώσεις, προκύπτει το συμπέρασμα πως στο συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων λειτουργίας (150 kHz – 320 kHz), η χρήση του αντιστροφέα πλήρους γέφυρας ως τοπολογία οδήγησης του συστήματος αποτελεί την βέλτιστη επιλογή.