Master's Thesis

DC/DC converter with a coreless transformer

Final Thesis 16.61 MB

Author of thesis: Ing. Michal Šmída

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Pavel Vorel, Ph.D.

Reviewer: Ing. Petr Huták, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis deals with the design, implementation and subsequent measurement of self-oscillating resonant DC/DC converters with an air-core planar transformer.
The first part of the thesis is devoted to the theoretical analysis of the given topic. It describes the basic principles of wireless power transfer, the properties of planar coils, the air-core transformer and coupled resonant circuits.
The second part focuses on the design of specific variants of air-core transformers and converters. First, a 2.5 W converter with a planar air-core transformer with a diameter of 15 mm was designed. For the same converter, two additional transformer variants were designed, in which the primary and secondary coils are placed opposite each other on a double-sided printed circuit board. Furthermore, a higher-power variant with a target output power of 10 W was designed.
The third part is focused on the simulation of the individual converters in the LTspice program. The simulations were used to verify the functionality of the circuit, the voltage waveforms on the transistors and the operating frequency of the converters.
The final part deals with the experimental measurement of the realized converters. The measured results are then compared.

Keywords:

Resonant converter, DC/DC converter, wireless power transfer, planar aircore
transformer

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student na úvod představil princip zapojení svého samo kmitajícího rezonančního měniče. Potom student uvedl fotky z realizovaného měniče, které okomentoval poznatky z vývoje měniče. Na závěr uvedl naměřené oscilogramy a zatěžovací charakteristiky pro dva typy tranzistorů včetně účinností. Na otázky oponenta student odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Power Electrical and Electronic Engineering (MPC-SVE)

Composition of Committee

doc. Ing. Pavel Vorel, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Bohuslav Bušov, CSc. (člen)
Ing. Petr Huták, Ph.D. (člen)
Ing. Dalibor Červinka, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Ondřej Vítek, Ph.D. (místopředseda)

Supervisor’s report
doc. Ing. Pavel Vorel, Ph.D.

Student pracoval velmi svědomitě a na konzultacích, kam pravidelně docházel, s ním byla vždy velmi příjemná spolupráce. Práce poskytuje řadu zajímavých praktických výsledků, které jsou použitelné v oblasti malých DC/DC měničů s galvanickým oddělením případně s možností vzájemné mechanické pohyblivosti primární a sekundární části. Přes počáteční poněkud nižší zkušenosti v oblasti řešení se studentovi podařilo práci úspěšně dokončit a dosáhnout zajímavých výsledků. Points proposed by supervisor: 94

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Petr Huták, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá návrhem, realizací a experimentálním ověřením samokmitajících rezonančních DC/DC měničů se vzduchovým planárním transformátorem. Téma je aktuální v oblasti bezkontaktního přenosu energie a výkonové elektroniky.
Práce je logicky členěna na teoretickou, návrhovou, simulační a experimentální část. Teoretický rozbor přehledně shrnuje principy bezdrátového přenosu energie, planárních cívek a rezonančních obvodů.
V návrhové části autor systematicky navrhuje několik variant transformátorů a měničů a využívá simulace (FEMM, LTspice) pro jejich ověření. Experimentální část je rozsáhlá a obsahuje měření zatěžovacích charakteristik, účinnosti i porovnání variant. Pozitivně hodnotím zejména:
•    realizaci více variant vzduchových transformátorů,
•    experimentální porovnání vlivu vazby na výkon a účinnost,
Připomínky:
•    proč jsou pruběhy z osciloskopu ofoceny?
•    Práce obsahuje jazykové a stylistické nedostatky (překlepy, méně přesné formulace).
•    Experimentální výsledky jsou převážně popisné, chybí hlubší analytické zhodnocení.
Práce splňuje zadání a obsahuje vlastní návrh i experimentální ověření. I přes uvedené nedostatky ji hodnotím jako kvalitní. Topics for thesis defence:
  1. Jaké jsou další možnosti galvanického oddělení měniče ? (úvod: „Galvanické oddělení se u měničů často realizuje pomocí transformátoru“)
  2. Proč je účinnost tak nízká ? (u mobilních telefonů se udává cca 75%)
  3. Jak by bylo možné zvýšit účinnost měniče bez použití magnetického jádra?
Points proposed by reviewer: 85

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová