THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2015 May; 26(5), 521 ∼524.
http://dx.doi.org/10.5515/KJKIEES.2015.26.5.521 ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
521
Ⅰ. 서 론
최근 모바일 기기의 충전문제가 IT 이슈로 떠오르면서 여러 시나리오에 대한 효율적인 무선전력전송 방식들에 대한 연구가 진행되고 있다[1],[2]. 특히, 다중 기기 충전시 위치 자유도 연구는 WPC의 Qi 표준을 중심으로 활발히 진행되고 있다. Qi 표준에서는 자석에 의한 ‘유도위치형 (guided positioning)’, ‘이동코일에 의한 자유위치형(free positioning with moving primary coil)’, ‘코일 매트릭스에
의한 자유위치형(free positioning with matrix of primary coils)’으로 구분하여 구현의 예시를 보이고 있다[3].
본 논문은 다중포트 증폭기(Multi-Port Amplifier, MPA) 구조를 변형하여 선택적으로 두 위치에 대한 무선전력 전송이 가능한 구조를 제안하고, 직류 모터 팬(fan)을 이용 해 동작을 검증하였다. MPA는 다수의 동일 특성 증폭기 의 입력단과 출력단을 버틀러(Butler) 매트릭스(matrix)로 연결하여 다중 입출력이 가능한 증폭기구조이다. MPA의 가장 단순한 구조는 평형(balanced) 증폭기의 입력과 출력
재구성 다중포트 전력증폭기를 이용한 선택적 무선 전력 전송 구조
A Selective Wireless Power Transfer Architecture Using Reconfigurable
Multiport Amplifier
박승표․최승범․이승민․이문규
Seung Pyo Park․Seung Bum Choi․Seung Min Lee․Moon-Que Lee 요 약
본 논문에서는 재구성이 가능한 다중포트 전력증폭기를 이용해 선택적으로 무선 전력 전송을 할 수 있는 구조를 제안 한다. 제안된 무선 전력 전송 구조는 FPGA에 의해 제어되는 입력 위상 가변부, 두 개의 Class-E급 전력증폭기, 4-포트 직교전력 결합기, 두 개의 부하 코일로 구성된다. FPGA에 의해 제어되는 입력 위상부에 의해 두 코일에 전력이 선택적으 로 1:1, 2:0, 0:2의 비율로 분배된다. 제작한 시스템은 측정 결과, 125 kHz에서 1 W DC 전력을 전달하였다. 각 개별 전력증 폭기는 79 % 효율을 가졌으며, 정류변환을 포함한 최종 DC-DC 변환효율은 40 % 이상을 보였다.
Abstract
This letter presents a selective wireless power transfer architecture using a reconfigurable multi-port amplifier. The proposed wireless power transfer architecture is composed of a phase shifter part controlled by FPGA, two class-E power amplifiers, a four-port power combiner and two coil loads. Depending on the phase control of FPGA, the power ratio of outputs at the two coil loads becomes 1:1, 2:0 and 0:2. The manufactured system has delivered 1W DC power to loads at 125 kHz. The total DC-to-DC conversion efficiency shows more than 40 % including PA efficiency of 79 %.
Key words: Wireless Power Transfer(WPT), Wireless Charging, Multiport Amplifier(MPA), Reconfigurable
「본 연구는 미래창조과학부 및 정보통신산업진흥원의 IT융합 고급인력과정 지원사업의 연구결과로 수행되었음(NIPA-2014-H0301-14-1008).」
서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학과(Electrical and Computer Engineering, University of Seoul)
․Manuscript received March 23, 2015 ; Revised April 10, 2015 ; Accepted May 11, 2015. (ID No. 20150323-023)
․Corresponding Author: Moon-Que Lee (e-mail: [email protected])
ⓒ Copyright The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. All Rights Reserved.
THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 5, May 2015.
522
그림 1. 제안하는 무선 전력 전송 구조의 블록도
Fig. 1. Proposed architecture for wireless power transfer.
(a) 모드-1 (b) 모드-2 (c) 모드-3 (a) Mode-1 (b) Mode-2 (c) Mode-3
그림 2. 입력 위상차에 따른 출력 전력 분배
Fig. 2. Output power distribution according to input phase difference.
을 각각 2-포트로 이용하는 2:2 증폭기이다.
본 논문에서는 그림 1과 같이 입력 버틀러 매트릭스에 해당하는 90도 하이브리드를 FPGA로 두 신호를 생성하 는 것으로 대치하였다. 두 전력증폭기(Power Amplifier, PA)의 입력부에 해당하는 FPGA의 두 출력신호를 동위상 과 90도 위상차로 제어하면 시스템 출력의 두 포트 사이 의 전력을 제어할 수 있는 구조가 된다. FPGA 발생 신호 의 위상차를 그림 2와 같이 동위상, +90도, —90도에 따라 가변하면 두 출력은 각각 1:1(모드-1), 2:0(모드-2), 0:2(모 드-3)의 전력 분배비를 갖는다.
Ⅱ. 무선 전력 전송 구조의 설계 및 측정 2-1 위상 가변이 가능한 FPGA 위상 가변부
두 PA의 동작을 제어하기 위해서 전압의 동일한 크기 와 위상을 조절할 수 있는 펄스원(pulse source)이 필요하 다. 펄스원의 정확한 주파수와 위상 제어를 위해 Xilinx사 의 칩을 사용한 FPGA 모듈을 선택하였고, 두 전력증폭기 위상을 토글 스위치를 이용해 모드 별로 제어할 수 있게 구현하였다. 그림 3은 FPGA를 이용하여 기본 주파수 125 kHz에서 동위상과 직교 위상 출력을 발생시키는 것을 보
(a) 동위상 (b) 직교(—90도) 차 (a) In-phase (b) Quadrature phase 그림 3. FPGA 펄스원의 위상 제어
Fig. 3. Phase diagram of two FPGA pulse sources.
여주고 있다.
2-2 스위칭 모드 전력증폭기 설계
무선 전력 전송 시스템에서는 DC 전원으로부터 RF 전 력 변환 효율이 높은 전력증폭기가 요구된다. 본 논문에 서는 Microsemi사의 VRF151를 이용해 스위칭 모드 전력 증폭기의 하나인 E급 전력증폭기를 설계하였다. E급 전 력증폭기는 ZVS(Zero Voltage Switching) 상태와 ZVDS(Ze- ro Voltage Derivative Switching) 상태를 모두 만족하는 구 조로 이론적 효율은 100 %가 된다. 본 논문에서는 그림 4와 같이 병렬 구조 E급 전력증폭기를 구현하였다[4]. 출 력의 로드는 내부 매칭을 고려하여 22.7 Ohm으로 설계하 였으며, 각각 79 %의 효율을 보였다.
측정 결과, 그림 5와 같이 125 kHz에서 ZVS 상태와 ZV- DS 상태를 충족시키는 것을 확인할 수 있었다.
2-3 4-포트 직교 전력 결합기
그림 4. 설계한 병렬 구조 E급 전력증폭기
Fig. 4. Designed parallel-circuit class-E power amplifier.
재구성 다중포트 전력증폭기를 이용한 선택적 무선 전력 전송 구조
523
(a) 게이트와 드레인 전압 (b) 출력 전압
(a) Gate and drain voltages (b) Output load voltage
그림 5. 설계한 E급 전력증폭기의 동작 파형
Fig. 5. Voltage waveforms of designed class-E power am- plifier.
그림 6. 집중소자로 구현한 직교 전력 결합기 회로
Fig. 6. Quadrature power combiner implemented in lumped elements.
두 전력증폭기의 전력은 출력부에서 4-포트 직교 전력 결합기에 의해 결합된다. 100～205 kHz 대역에서 4-포트 직교 전력 결합기는 크기 문제로 분포소자 대신 칩 캐패 시터와 Amidon사의 FT114-61 코어를 이용한 트랜스포머 로 구현하였다[5]. 그림 6은 설계한 직교 전력 결합기의 회 로 소자 값을 보여주고 있으며, 95 %의 효율을 갖는다.
2-4 송수신 코일 매칭
송수신 코일간 전력 전송 손실을 최소화를 위해 LCI- PT(Loosely Coupled Inductive Power Transfer) 시스템을 이 용한 매칭 네트워크를 수신부에 설계하였다. 그림 7(a)는 LCIPT 시스템의 기본구조 중 하나인 SP 구조(series-pa- rallel)를 사용해 설계한 송수신부의 회로도이다. 그림 7에 서 와 는 각각 1차측과 2차측의 자기(self) 인덕턴스 를 나타내고, 직류 모터 팬은 부하 저항으로 등가되었다.
(a) SP(series-parallel) 구조 (a) SP(series-parallel) structure
(b) 등가회로 (c) 보상회로
(b) Equivalent circuit (c) Compensation circuit
그림 7. 송수신 매칭 네트워크 회로도
Fig. 7. Tx-Rx matching network circuit.
식 (1)은 병렬로 구성된 2차측의 등가임피던스이다. 이 임피던스는 그림 7(b)와 같이 트랜스포머에 의해 영향을 받아 식 (2)와 같이 보이게 된다.
(1)
(2)
1차측에서 보이는 2차측 등가임피던스에 따라 리액턴 스를 보상해주는 Cp를 추가해 송수신 코일을 매칭을 시 킬 수 있다[6].
2-5 전체 시스템 측정 결과
그림 8은 제작된 구조의 사진을 보여주고 있다. 기계적 토글 스위치를 이용하여 전력증폭기의 입력 신호의 위상 을 제어함으로써 각 모드를 전환할 수 있게 구현하였다.
표 1은 각 모드별 전체 시스템의 출력 전력과 DC-DC 변환 효율을 나타낸다. FPGA를 포함한 모든 DC 전원은 5 V를 사용하였다. 모든 모드에서 계획했던 1 W가 출력 되고 있으며, FPGA를 포함한 전체 효율은 40 % 이상을 보였다. 모드-1에서 두 출력단자 간의 전력 평형비는 0.7 dB이고, 모드-2와 모드-3에서 두 출력 간의 격리도 26.0 dB, 39.1 dB로 측정되었다. 그림 8은 FPGA에서 동위상과
THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 26, no. 5, May 2015.
524
(a) 전력증폭기 및 커플러 (b) 송수신 코일
(a) Power amplifiers and coupler (b) Tx-Rx coil
(c) FPGA 펄스원 (d) 전체 시스템
(c) FPGA pulse source (d) Overall system
그림 8. 제작된 전체 무선전력전송 시스템
Fig. 8. The designed overall wireless power transfer system.
표 1. 측정 결과
Table 1. Measurement result.
구 분 Mode-1
(1:1)
Mode-2 (2:0)
Mode-3 (0:2)
DC 바이어스 전력[W] 2.29 2.59 2.59
두 출력 DC 전력[dBm] 26.59 27.33 30.15 4.18 —8.80 30.29
출력 DC 전력 합[W] 1.00 1.03 1.07
DC-to-DC 변환효율[%] 43.6 40.0 41.3
90도 위상차에 대한 출력 부하인 팬에서 전압파형을 보 여주고 있다.Ⅲ. 결 론
본 논문에서는 재구성 가능한 다중포트 전력증폭기를 이용해 선택적 무선전력전송 구조를 제안하였다. 제안한 구조는 다중 무선 전력 전송 시스템의 입력 위상을 제어 하여 원하는 위치에만 전력이 전달될 수 있도록 전력전 송 효율을 최대화하는 구조이다. 각 개별 시스템에서 E급 전력증폭기는 1 W의 출력과 79 %의 효율을 가졌으며, 커
(a) 동위상 (b) 직교위상 (a) In-phase (b) Quadrature-phase
그림 9. 위상제어에 의한 출력 전압 파형
Fig. 9. Voltage waveforms according to input phase control.
플러는 약 95 %의 효율을 가졌다. 최종적으로 전체 시스 템의 최대 출력 전력은 1 W, DC-to-DC 효율은 3가지 모 드에서 40 % 이상으로 측정되었고, 선택적으로 출력이 제어됨을 검증하였다.
References
[1] Z. N. Low, R. A. Chinga, R. Tseng, and J. Lin, "Design and test of high-power high-efficiency loosely coupled planar wireless power transfer system", IEEE Trans. Ind.
Electron, vol. 56, no. 5, pp. 1801-1812, May 2009.
[2] T. Imura, Y. Hori, "Maximizing air gap and efficiency of magnetic resonant coupling for wireless power transfer using equivalent circuit and neumann formula", IEEE
Trans. Ind. Electron, vol. 58, no. 10, pp. 4746-4752, Oct.
2011.
[3] D. van Wageningen, T. Staring, "The qi wireless power standard", 2010 14th IEEE Int. Power Electron. Motion
Control Conf., pp. S15:25-S15:32, 2010.
[4] Andrei Grebennikov, Nathan O. Sokal, Switchmode RF
Power Amplifiers, Newnes, pp. 179-287, 1995.
[5] P. Vizmuller, RF Design Guide, Artech House Boston, pp. 156-157, 1995.
[6] C. Wang, G. A. Covic, and O. H. Stielau, "Power trans- fer capability and bifurcation phenomena of loosely cou- pled inductive power transfer systems", IEEE Trans. Ind.
