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

Zahedi Saadabad, Neda (2026). Design, analysis, and optimization of self-resonant wireless power transfer systems. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This dissertation establishes a unified electromagnetic design methodology for low-frequency, capacitor-free Self-Resonant Wireless Power Transfer (SRWPT) systems. Unlike conventional resonant WPT architectures that rely on discrete compensation capacitors, thereby introducing voltage magnification, dielectric stress, parasitic losses, and long-term reliability constraints, the proposed approach embeds resonance directly within the coil structure through deliberate control of distributed inductance and capacitance. The primary limitation of planar self-resonant coils, namely insufficient intrinsic capacitance that shifts the natural resonant frequency toward the MHz range, is systematically resolved through a parallel-stacked multilayer PCB architecture that enhances effective interlayer capacitance while concurrently reducing equivalent resistance via current sharing. To sustain high efficiency under medium-power, under150 kHz operation, layout-level electromagnetic optimization using Track-Width Ratio (TWR) and Track-Gap Ratio (TGR) is introduced as a structured loss-reduction strategy that mitigates AC resistance arising from skin and proximity effects, thereby preserving a high-quality factor. In parallel, a comprehensive geometry-driven analysis reveals how coil shape intrinsically governs inductance, distributed capacitance, coupling behavior, loss distribution, and misalignment tolerance through strongly interdependent electromagnetic mechanisms. By transforming parasitic effects into controllable design parameters, this work demonstrates that low-frequency intrinsic resonance, high-Q performance, and compact PCB implementation can be achieved simultaneously within a rigorous structural framework.

To address efficiency degradation under weak magnetic coupling and extended air gaps, the dissertation further advances self-resonant three-coil architectures that enhance reflected impedance and stabilize power transfer without reintroducing discrete reactive components. Through coordinated mutual inductance–capacitance interaction and intrinsic impedance shaping, the proposed multi-coil configurations strengthen effective coupling and improve robustness against distance variation and misalignment. A series–series self-resonant three-coil topology is developed to extend transfer range beyond the practical limits of conventional two-coil systems, while maintaining structural simplicity and capacitor-free operation. For size constrained biomedical platforms, a compact receiver architecture is introduced in which interconnected multilayer PCB coils increase effective inductance without enlarging physical dimensions, enabling improved voltage gain and transfer efficiency under strict geometric constraints. Experimental results obtained under both medium and low power operating conditions demonstrate that multilayer structuring, geometry driven design, and intrinsic multicoil coupling strategies collectively establish a scalable and integration ready foundation for high-efficiency, structurally robust wireless power transfer systems suitable for industrial platforms, automated guided vehicle (AGV) charging applications, and biomedical devices.

Titre traduit

Conception, analyse et optimisation des systèmes de transfert d’énergie sans fil auto-résonants

Résumé traduit

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.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 159-173).
Mots-clés libres:	transfert d’énergie sans fil (WPT), systèmes auto-résonants, bobines multicouches, architectures multi-bobines, capacité distribuée, facteur de qualité, rapport largeur de piste (TWR), rapport d’espacement des pistes (TGR), géométrie des bobines, applications biomédicales et industrielles
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Wang, Qingsong
Codirecteur:	Codirecteur(-trice) de mémoire/thèse Chandra, Ambrish
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	13 mai 2026 18:47
Dernière modification:	13 mai 2026 18:47
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3900

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