Design of Two-Dimensional Resonant Wireless Power Transfer Using 90˚ Phase Shifted Inputs

논문 2015-52-2-8

90 ^˚ 입력위상의 변화를 통한 2차원 무선전력전송 구현

( Design of Two-Dimensional Resonant Wireless Power Transfer Using 90˚ Phase Shifted Inputs )

김 상 환^*, 서 철 헌^**

( Sanghwan Kim and Chulhun Seo

)

요 약

본 논문에서는 직교송신부에 90˚ 위상 천이된 전력 입력방식을 사용하여 2차원의 공진형 무선전력전송 송, 수신기를 설계 및 구현하였다. 제안한 송신기 각각의 직교 코일을 사용하여 상호 인덕턴스를 최소화하였으며 90˚ 위상 천이된 전력 입력방식 을 사용하여 2차원의 공간으로 자계 에너지를 방사하도록 설계하였다. 이는 일반적인 무선전력 전송에서 위치에 따라 전송효 율이 급격히 감소되는 문제점을 해결하여 2차원공간의 공진형 무선전력 전송을 가능케 한다. 이때의 공진주파수는 6.78 MHz 이며, 송수신 공진기의 사이 거리가 200 mm일 때, 2차원 전 방향에서 40 % 이상의 무선전력 전송효율을 얻을 수 있다.

Abstract

In this paper, two-dimensional resonant transmitter and receiver for WPT is designed and implemented using method that use 90˚ phase shifted input power to orthogonal transmitter. Mutual inductance is minimized by using proposed each orthogonal coil of receiver and the method that inputs 90˚ phase shifted power is used to radiate magnetic energy into two dimension. This method facilitates two dimensional resonant WPT by solving power efficiency degradation problem according to location in general WPT. The resonance frequency is 6.78 MHz and the distance between transmitting and receiving resonator is 200 mm. The transfer efficiency of the proposed wireless power transfer system is higher than 40

% at all direction.

Keywords: wireless power transfer, resonant, two-dimension, 6.78 MHz, transfer efficiency

Ⅰ. 서 론

현대의 성장 산업분야는 정보통신 기술을 기반으로

* 학생회원, ^** 정회원, 숭실대학교 정보통신전자공학부 (Information and Telecommunication Engineering, Soongsil University)

ⓒ Corresponding Author(E-mail: [email protected])

※ 본 연구는 미래창조과학부의 재원으로 한국연구재단 (NRF)의 지원을 받아 수행한 연구(No.2014044894)입 니다.

※ 본 연구는 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술 평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제 (No.20144030200600)입니다.

접수일자: 2014년12월21일, 수정일자: 2015년01월25일 게재확정: 2015년02월03일

하는 다양한 융복합 산업이다. 특히 정보통신기술의 발 전은 이동통신 기술과 더불어 사용자의 자유도 향상을 도모하는 쪽으로 빠르게 발전하고 있다. 최근 급격한 수요의 증가를 보이는 스마트폰, DMB, 태블릿 PC등 과 같이 이동통신 기술과 함께 사용자의 이동 편의성의 중점을 둔 제품의 시장이 확산되고 있다. 이동형 전자 기기의 사용이 날로 증가하고 있기 때문에 장시간 사용 가능한 전원 공급원의 필요성 또한 중시되고 있다. 이 러한 무선전력전송의 기본 개념은 이미 19세기 초 패러 데이의 전자기 유도 실험 및 20세기 초 테슬라의 전파 를 이용한 전력 전송 실험을 시작으로 2007년 매사추세 츠 공과대학교(MIT)의 마린 솔라시치(Soljacic) 교수

연구팀에 의해 기존의 자기 유도 방식보다 원거리에서 무선전력 전송이 가능한 자기 공명 방식이 소개 되었 다. 하지만 기술적으로 해결하여야 할 주요 문제는 전 송 범위의 확대이다. 본 논문에서는 자기 공명 방식의 무선전력 전송의 적용에서 전송범위의 확대에 필요성에 대해 나타내었다. 일반적으로 송신코일에 대한 수신코 일의 각도의 변화에 따라 상호 인덕턴스가 급격히 감소 함을 알 수 있다. 따라서 무선전력전송에서의 가장 중 요한 문제인 수신기의 자유도를 향상시키기 위해서 제 안하는 2차원 전 방향 무선전력 전송부의 필요성이 요 구된다.^[1][2]

본 논문에서는 기존의 자기장 공진형 방식의 무선전 력전송 기술의 전송 가능 범위 증대를 위하여 6.78 MHz 대역에서 90˚ 위상 천이된 전력입력 방식을 이용 하였다. 자기장의 방사를 2차원 전 방향으로 방사시키 는 이 같은 시스템을 이용하여 2차원 전 방향에 무선전 력 전송을 가능케 하는 시스템을 제안하였다. 일반적인 자기장 공진 무선전력 전송 기술은 송신기와 수신기가 일직선상에서 마주보아야 유효한 전송효율을 얻을 수 있다. 하지만 이는 무선전력 전송의 가장 중요한 개발 의미인 수신기의 이동의 자유도를 심각하게 감소시킨 다. 따라서 본 논문에서 제안하는 90˚ 위상 천이된 전력 입력 방식을 사용하여 2차원 전 방향의 자계 방사 시스 템을 구현하고 이를 수신기와 함께 실현시킴으로써 기 존의 자기장 공진형 무선전력 전송 기술보다 전 방향에 서 일정한 무선전력 전송 효율을 얻을 수 있는 특징을 갖는다.

Ⅱ. 본 론

1. 자기장 공진형 무선전력전송 기술

공진이란 특정 진동수를 가진 물체가 같은 진동수의 힘이 외부에서 가해질 때 진폭이 커지면서 에너지가 증가하는 현상을 말하며, 주파수가 같게 될 때에 강한 힘이 발생하는 현상을 말한다. 그러므로 동일한 주파수 를 갖는 두 개의 공진체는 매우 강한 결합을 하게 되 는 현상을 갖고 있다. 즉, 같은 주파수를 갖는 다른 공 진 물체가 있으면, 에너지는 주파수를 공유하는 하나의 물체에서 또 다른 물체로 강하게 전달된다. 모든 물체 는 이러한 고유진동수를 갖고 있으며 이 고유진동수에 해당하는 전파나 파동에 반응하고 흡수하는 성질을 갖

그림 1 공진형 방식의 무선전력 전송부

Fig. 1. Equivalent circuit of wireless power transfer using self-resonance.

소자 특성

V AC Voltage Source Rl Ohmic Resistance of the Loop Rr Radiation Resistance of the Loop

C Capacitance of the Resonance M Mutual Inductance between Resonators

I Current Flowing on the Loop L Self-Inductance of the Loop 표 1. 공진형 무선전력 전송부 등가회로 특성 Table 1. Using self-resonance Wireless power transfer

equivalent circuit characteristics.

고 있다.

그림 1은 공진형 방식의 무선전력전송 시스템의 등 가회롤 보여주고 있다. 각각의 소자는 다음과 같이 정 의된다.

공진을 기반으로 하는 무선전력전송 시스템의 성능 인 전송 효율은 구 공진기 사이의 결합 계수(Coupling Factor : k)와 공진 Q-factor 특성에 영향을 받는다. 다 음 식 (1)은 자기장 공진 무선전력전송 시스템의 최소 손실을 나타낸다.

  _

_

 _^

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자기장 공진 무선전력전송 시스템의 경우, 일정한 거 리를 두고 떨어져 있는 두 개의 송수신 코일이 동일한 주파수로 공진이 일어나면 공진 Q-factor 특성은 향상 된다. 하지만 두 개의 송수신 코일은 서로 떨어져 있으 므로 전송 거리가 멀어질수록 송수신 공진기 간의 결합 계수는 급격히 감소하게 된다. 즉, 두 개의 송수신 공진 기 간의 간격이 멀어지면서 발생하는 송수신 공진기 간 의 결합 계수 감소를 두 개의 송수신 공진기가 동일한 주파수로 공진이 일어날 때 발생하는 향상된 공진

Q-factor 특성을 통하여 보상 가능하다. 그러므로 자기 유도 방식의 무선전력전송의 경우, 송수신 코일 간의 간격이 멀어질 경우 결합 계수가 급격히 감소하여 전송 효율도 급격히 낮아진다. 하지만 자기장 공진 무선전력 전송의 경우 감소된 결합 계수를 향상된 공진 Q-factor 특성을 통하여 커플링계수의 보상이 가능하므로 자기 유도 방식의 무선전력전송 보다 더 먼 전송 거리에서 높은 전송 효율을 설계할 수 있다. 이는 식 (1)에서도 확인할 수 있다. k값이 작아지면 손실 값이 커지지만, 동시에 Q-factor 값이 증가하게 되면 손실 값이 유지되 거나 감소하게 된다. 즉, Q-factor 값이 클수록 효율성 이 높은 에너지 전송을 의미한다. 이상적으로 Q 값은 0 에서 무한대의 값을 갖지만 일반적으로 1000 이상의 값 을 갖기엔 기술적 어려움을 수반하고 있다. 또한, 공진 Q 값은 안테나의 크기에 따라 가장 큰 변화를 보이고 모양, 재질 및 동작 주파수에 따라 변한다. 다음 식 (2) 는 공진기의 Q-factor를 나타낸다.^[3]~[6]

    

 

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

(2)

2. 전 방향 공진형 무선전력전송

일반적인 자기 공명 방식의 무선전력 전송의 적용에 서 송신코일과 수신코일이 마주보아야 유효한 전송효율 을 얻을 수 있다. 그림 2는 송신코일 공진기가 단 평면 구조일 경우 송신코일과 수신코일을 나타낸 것이다. Tx 는 Transmitter의 약자로 송신기, 즉 송전코일을 나타 내고 Rx는 Receiver의 약자로 수신기, 즉 수전코일을 나타낸다. è는 수전 코일이 xy평면에 대해 기울어지는 각도를 나타낸다.

그림 2의 시스템에 대해 수신코일의 각도 è를 변화할 때, 송신코일과 수신코일간의 상호 인덕턴스가 급격히 감소함을 알 수 있다. 따라서 이러한 단 평면구조에서

그림 2. 단 평면 송전코일 공진기를 갖는 시스템 Fig. 2. WPT system having a single flat coil resonator.

그림 3. 제안된 90˚ 위상 천이된 전력입력 Fig. 3. Proposed 90˚ phase shifted inputs.

송신코일일 때 수신코일의 움직임에 따라 상호인덕턴스 의 변화가 생기고 전력 전송효율이 결정된다. 즉, 수신 기와 송신기가 이루는 각도가 수직에 가까워질수록 전 력 전송효율은 급 감하함을 확인할 수 있다.

이는 무선전력 전송 수신기의 자유도에 큰 문제를 야 기한다. 따라서 무선전력 전송에서의 가장 중요한 문제 인 수신기의 자유도를 향상시키기 위해서 제안하는 전 방향 무선전력 전송부의 필요성이 요구된다.

본 논문에서는 2차원 전 방향 무선전력 전송부의 송 수신 공진기의 성능을 분석하였다. 두 개의 사각루프 형태의 송신 공진기를 직교하도록 설계하여 각 송신기 사이의 상호 인덕턴스 성분을 최소화 하였다.^[7]

또한 그림 3과 같이 송신부의 직교하는 공진기에 90˚

위상 천이된 전력입력을 사용하여 2차원 전 방향으로 자계에너지를 방사하게 하였다. 따라서 2차원 전 방향 의 무선전력을 전송할 수 있도록 설계하였다.

Ⅲ. 실 험

1. 2차원 무선전력 전송부 구조 설계

2차원 특성을 갖는 무선전력 전송 공진기의 경우 EM 시뮬레이터인 HFSS를 사용하여 제안한 구조를 설 계하였다. 그림 2와 같이 è의 변화에 따라 일반적인 자 기 공진형 무선전력 전송에서 송신 코일에 대한 수신코 일의 위치 및 배열에 따라서 두 코일 사이의 상호 인덕 턴스가 0이 되는 지점 (Dead Zone)이 발생한다. 이로 인해, 상호 인덕턴스가 0이 되는 지점에서 송신 코일에 서 수신코일로 유도 전류가 생성되지 못하기 때문에 전 력 전달이 이루어지지 않는다.

2차원 무선충전은 Dead Zone이 되는 지점을 줄여서 수신 코일의 위치 및 배열에 상관없이 안정적으로 충전 이 될 수 있도록 설계하였다.

그림 4는 각각 직교하는 사각루프 형태의 2차원 송

그림 4. 직교하는 사각루프 형태의 2차원 송신공진기 Fig. 4. Two-dimensional transmission resonator square

loops.

(a) In phase source (b) 90˚ Phase Shifted source 그림 5. 제안된 송신기의 자기에너지 분포

Fig. 5. Magnetic field distribution of the proposed transmitter.

신 공진기의 구조를 보여준다. 코일은 리츠 와이어를 사용함으로써 단위길이 당 낮은 저항성분을 가지고 5-turns으로 최적화하여 높은 인덕턴스 성분을 가져갈 수 있다.

그림 5는 각각의 직교루프에 제안된 90˚ 위상 천이된 전력 입력방식과 일반적인 동 위상 전력 입력방식을 비 교하여 설명하였다. 시뮬레이션을 통해서 일반적인 전 력 입력 방식과 비교하여 90˚ 위상 천이된 전력 입력 방식의 자계분포를 알아보았다. 결과적으로 90˚ 위상 천 이된 전력 입력을 사용하였을 때 자계가 2차원 전 방향 으로 회전함으로써 2차원 영역에서 무선전력이 전송됨 을 알 수 있다.

2. 2차원 무선전력 전송부 구조 구현

송신기 각각의 공진기 루프의 자체 인덕턴스 값은 RLC Meter로 측정하였을 때 각각 22.17

 

 

_ ^



(5)

그림 6. 제안된 2차원 전 방향 무선전력전송 공진기 Fig. 6. Proposed two-dimensional WPT resonator.

그림 7. 직교 코일을 이용한 무선전력전송 공진기 측정 Fig. 7. Measurement of two-dimensional transmission

resonator square loops.

그림 8. 동 위상 전력입력을 통한 무선전력 전송효율 Fig. 8. Transmission efficiency of each sector using in

phase source.

제안된 직교 코일을 이용한 자기장 공진형 무선전력 전송 공진기의 측정은 그림 7과 같이 위상변화가 가능 한 2 채널 Function Generator를 이용하여 동 위상의 전력 입력과 90˚ 위상 천이된 전력입력을 구현하였다.

따라서 수신기에 인입되는 전력을 Spectrum Analyzer 를 이용하여 측정하였다.

제안된 직교 코일을 이용한 자기장 공진형 무선전력 전송 공진기에 동 위상 전력을 입력하여 전송효율을 측 정하였다. 그림 8과 같이 대각선 방향에서 자계가 집중

저 자 소 개 김 상 환(학생회원)

2013년 2월 숭실대학교 정보통신 전자공학부 (공학사) 2013년 3월∼현재 숭실대학교 정보통신공학과 석사과정

<주관심분야 : 초고주파 회로설 계, RF Power Amplifier, 무선전력전 송>

서 철 헌(정회원) 대한전자공학회 논문지 vol.31, no 6 참조 그림 9. 90˚ 위상 천이된 전력입력을 통한 무선전력 전

송효율

Fig. 9. Transmission efficiency of each sector using 90˚

phase shifted sources.

됨에 따라 전송효율도 일반적인 무선전력 전송과 같이 한 방향에서만 가능하게 된다.

제안된 직교 코일을 이용한 자기장 공진형 무선전력 전송 공진기에 90˚ 위상 천이된 전력을 입력하여 전송 효율을 측정하였다. 그림 9와 같이 2차원 전 방향에서 자계가 회전함에 따라 전송효율이 일반적인 무선전력 전송과 동 위상 전력입력 방식과 비교하여 2차원 전 방 향에서 균일한 전력전송 효율을 보이는 것을 실험적으 로 확인할 수 있다.

Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 직교송신부에 90˚ 위상 천이된 전력 입력방식을 사용하여 2차원 전 방향의 공진형 무선전력 전송 송, 수신기를 설계 및 구현하였다. 제안한 송신기 각각의 직교 코일을 사용하여 상호 인덕턴스를 최소화 하였으며 90˚ 위상 천이된 전력 입력방식을 사용하여 2 차원의 공간으로 자계 에너지를 방사하도록 설계하였 다. 이는 일반적인 무선전력 전송에서 위치에 따라 전 송효율이 급격히 감소되는 문제점을 해결하여 2차원 방 향의 공진형 무선전력 전송을 가능케 한다.

이때의 공진주파수는 6.78 MHz 이며, 송수신 공진기 의 사이 거리가 200 mm일 때, 2차원 전 방향에서 40

% 이상의 효율 특성을 얻을 수 있다.

REFERENCES

[1] A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, M. Soljacic. “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances.” Science, vol. 317, pp. 83-86, Jul. 2007.

[2] Youngjin Park, “Understanding of Wireless Power Transmission”, IEEK, Vol 39, no 8, pp.

32-38, Aug 2012.

[3] A. Karalis, J. D. Joannopoulos, M. Soljacic.

“Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer.” Annals of Physics, vol. 323, no.

1, pp. 34-48, Jan. 2008.

[4] Chungju Kim, Bomson Lee, “Analysis of magnetic coupled wireless power transmissions considering radiation loss”, Journal of Electromagnetic Engineering and Science, Vol.

11, no.3, 156-160, Nov. 2011.

[5] Dongyang Wang, “Enabling multi-angle wireless power transmission via magnetic resonant coupling”, ICCCT, 1395-1400, Dec. 2012.

[6] j. Choi, C. Seo, “Analysis on Transmission Efficiency of Wireless Energy Transmission Resonator Based on Magnetic Resonace”, PIER M, Vol.19, 221-237, Aug. 2011.

[7] Toshio Ishizaki, Ikuo Awai,” 3D Free-Aceess WPT System for Charging Movable Terminals,”

IMWS, May. 2012.