Development of FPGA Controller for High-Power Multi-MHz Capacitive Wireless Power Transfer Systems.

Abstract

Este proyecto, desarrollado en el Laboratorio de Electrónica de Potencia de Cornell University, tiene como objetivo desarrollar un controlador basado en una Matriz de Puertas Lógicas Programable en Campo (FPGA, por sus siglas en inglés) para aumentar la transferencia de energía en sistemas capacitivos de transferencia de energía inalámbrica (WPT, por sus siglas en inglés). El controlador está diseñado para generar 32 señales de Modulación por Ancho de Pulso (PWM, por sus siglas en inglés) de alta frecuencia para controlar hasta 16 inversores, con el objetivo de mejorar la eficiencia y transferencia de potencia de los sistemas WPT capacitivos. El proyecto aborda las limitaciones de potencia de los sistemas capacitivos actuales, limitados por las intensidades nominales de los transistores disponibles comercialmente, mediante el control de múltiples inversores con un único dispositivo. El controlador FPGA integrado en un sistema WPT capacitivo logró una transferencia de potencia de 4kW con una eficiencia del 86%. El sistema incluye una Placa de Circuito Impreso (PCB, por sus siglas en inglés) diseñada con una FPGA Intel MAX 10, capaz de generar múltiples señales PWM y recibir entradas analógicas para un posible control de lazo cerrado. El primer diseño de la PCB fue probado experimentalmente; y se realizó una versión posterior del diseño con mejoras, como la inclusión de puertas de buffer para incrementar la corriente de las señales. Los resultados experimentales muestran que la FPGA es capaz de mantener con éxito señales PWM estables en múltiples inversores. El proyecto supone avances significativos en la tecnología WPT capacitiva, apoyando la investigación del Grupo de Laboratorio de Electrónica de Potencia de Cornell University y posicionándolo a la vanguardia de la investigación de sistemas WPT capacitivos.

The objective of this project, developed at Cornell University’s Power Electronics Lab, is to develop a Field-Programmable Gate Array (FPGA)-based controller to increase power transfer in capacitive Wireless Power Transfer (WPT) systems. The controller is designed to generate 32 high-frequency Pulse Width Modulation (PWM) signals to manage up to 16 inverters, aiming to improve the power transfer efficiency and capabilities of capacitive WPT systems. The project addresses the power constraints of current capacitive systems, limited by current ratings of commercially available transistors, by controlling multiple inverters with a single device. The FPGA controller, when integrated into a capacitive WPT system, achieved a power transfer of 4kW with 86% efficiency. The system includes a custom-designed Printed Circuit Board (PCB) with an Intel MAX 10 FPGA, capable of generating multiple PWM signals and receiving analog inputs for potential closed-loop control. The first design of the PCB was tested; and a final iteration of the design was made with improvements, including the addition of buffer gates to drive higher currents. Experimental results show that the FPGA successfully maintains stable PWM signals across multiple inverters. The project demonstrates significant progress in capacitive WPT technology, supporting ongoing research in Cornell University's Power Electronics Lab Group and positioning them at the forefront of capacitive WPT systems research.