Design, analysis, and optimization of self-resonant wireless power transfer systems

Résumé

Cette thèse établit une méthodologie unifiée de conception électromagnétique pour les systèmes de transfert d’énergie sans fil auto-résonants (SRWPT), fonctionnant sans condensateurs de compensation externes. Contrairement aux architectures résonantes conventionnelles reposant sur des composants capacitifs discrets, générant amplification de tension, contraintes diélectriques, pertes parasites et limitations de fiabilité l’approche proposée intègre la résonance directement dans la structure des bobines par un contrôle maîtrisé de l’inductance et de la capacité distribuées. La limitation fondamentale des bobines planes auto-résonantes, soit une capacité intrinsèque insuffisante déplaçant la fréquence de résonance vers la gamme des mégahertz, est surmontée grâce à une architecture PCB multicouche empilée en parallèle, augmentant la capacité inter-couches effective tout en réduisant la résistance équivalente par partage de courant. Afin de maintenir un rendement élevé en régime de puissance moyenne à basse fréquence (inférieure à 150 kHz), une stratégie de réduction des pertes fondée sur le rapport largeur de piste (TWR) et le rapport d’espacement des pistes (TGR) est introduite pour atténuer la résistance AC liée aux effets de peau et de proximité, préservant ainsi un facteur de qualité élevé. Une analyse approfondie basée sur la géométrie démontre en outre que la forme des bobines influence intrinsèquement l’inductance, la capacité distribuée, le couplage magnétique, la répartition des pertes et la tolérance au désalignement, révélant l’interdépendance des paramètres électromagnétiques dans les systèmes auto-résonants. Afin de limiter la dégradation du rendement sous faible couplage magnétique et en présence d'entrefer important, cette thèse développe des architectures auto-résonantes multi-bobines, notamment à trois bobines, permettant d’augmenter l’impédance réfléchie et de stabiliser le transfert de puissance sans recourir à des éléments réactifs discrets. Par la coordination des interactions inductance–capacité mutuelles et la mise en forme intrinsèque de l’impédance, les configurations proposées améliorent la robustesse face aux variations de distance et au désalignement. Une topologie série–série auto-résonante à trois bobines est élaborée pour étendre la portée de transfert au-delà des limites des systèmes à deux bobines. Pour les applications biomédicales à encombrement restreint, une architecture réceptrice compacte est introduite, exploitant des bobines PCB multicouches interconnectées afin d’augmenter l'inductance effective sans accroître les dimensions physiques. Les validations expérimentales réalisées en régimes de puissance moyenne et faible confirment que la structuration multicouche, la conception guidée par la géométrie et l’ingénierie du couplage intrinsèque multi-bobines constituent une base évolutive et intégrable pour des systèmes de transfert d'énergie sans fil à haut rendement et structurellement robustes, destinés aux plateformes industrielles, aux systèmes de recharge pour véhicules à guidage automatique (AGV) et aux dispositifs biomédicaux compacts.

Date	23 avr. 2026
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Qingsong Wang (Directeur(-trice)) & Ambrish Chandra (Codirecteur(-trice))