본 논문에서는 220 V의 AC 전원을 공급받아 13.56 MHz의 RF 신호를 출력하는 고효율, 고출력 Class E 전력송신기를 설계하였다. 송신기는 AC-DC 변환기와 class E 전력 증폭기로 구성된다. 설계된 AC-DC 변환기는 220V/60 Hz의 가정용 전원을 공급 받아서 약 290 V의 DC 전압을 출력한다. 이때, AC-DC 변환기는 98.03 %의 매우 높은 변환 효율을 가진다. 변환 효율을 최대로 하기 위하여 별도의 DC-DC 변환기를 사용하지 않고, AC-DC 변환기의 출력 전압을 주 전력 증폭기의 드레인 바이어스 전압으로 사용하였다. 또한, class E 전력 증폭기의 전력손실을 최소화하기 위해 high-Q 인덕터를 제작하였다. 측정 결과, 13.56 MHz에서 동작하는 class E 전력 증폭기는 최대 출력 전력 323.6 Watt에서 84.2 %의 PAE(Power-Added Efficiency)를 가진다. AC-DC 변환기를 포함한 class E 전력 송신기는 323.6 Watt에서 82.87 %의 매우 높은 효율 특성을 나타낸다.
본 논문에서는 220 V의 AC 전원을 공급받아 13.56 MHz의 RF 신호를 출력하는 고효율, 고출력 Class E 전력송신기를 설계하였다. 송신기는 AC-DC 변환기와 class E 전력 증폭기로 구성된다. 설계된 AC-DC 변환기는 220V/60 Hz의 가정용 전원을 공급 받아서 약 290 V의 DC 전압을 출력한다. 이때, AC-DC 변환기는 98.03 %의 매우 높은 변환 효율을 가진다. 변환 효율을 최대로 하기 위하여 별도의 DC-DC 변환기를 사용하지 않고, AC-DC 변환기의 출력 전압을 주 전력 증폭기의 드레인 바이어스 전압으로 사용하였다. 또한, class E 전력 증폭기의 전력손실을 최소화하기 위해 high-Q 인덕터를 제작하였다. 측정 결과, 13.56 MHz에서 동작하는 class E 전력 증폭기는 최대 출력 전력 323.6 Watt에서 84.2 %의 PAE(Power-Added Efficiency)를 가진다. AC-DC 변환기를 포함한 class E 전력 송신기는 323.6 Watt에서 82.87 %의 매우 높은 효율 특성을 나타낸다.
This paper presents a design of high-efficiency and high-power class E power transmitter. The transmitter is composed of 300 Watt class E power amplifier and AC-DC converter. The AC-DC converter converts 220 V and 60 Hz AC to a 290 V DC. The generated DC voltage is directly applied to a bias of the ...
This paper presents a design of high-efficiency and high-power class E power transmitter. The transmitter is composed of 300 Watt class E power amplifier and AC-DC converter. The AC-DC converter converts 220 V and 60 Hz AC to a 290 V DC. The generated DC voltage is directly applied to a bias of the class E power amplifier. Because the converter does not have DC-DC converter unit, it has very high conversion efficiency of about 98.03 %. To minimize the loss at the output of the power amplifier, high-Q inductor was implemented and deployed to the output resonant circuit. As a result, the 13.56 MHz class E power amplifier has a high power-added efficiency of 84.2 % at the peak output power of 323.6 W. The overall efficiency of class E power transmitter, including the AC-DC converter, is as high as 82.87 %.
This paper presents a design of high-efficiency and high-power class E power transmitter. The transmitter is composed of 300 Watt class E power amplifier and AC-DC converter. The AC-DC converter converts 220 V and 60 Hz AC to a 290 V DC. The generated DC voltage is directly applied to a bias of the class E power amplifier. Because the converter does not have DC-DC converter unit, it has very high conversion efficiency of about 98.03 %. To minimize the loss at the output of the power amplifier, high-Q inductor was implemented and deployed to the output resonant circuit. As a result, the 13.56 MHz class E power amplifier has a high power-added efficiency of 84.2 % at the peak output power of 323.6 W. The overall efficiency of class E power transmitter, including the AC-DC converter, is as high as 82.87 %.
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문제 정의
본 논문에서는 220 V의 AC 전원을 공급 받아 13.56 MHz의 RF 신호를 출력하는 고효율 및 고출력 송신기를 설계 및 제작하였다. AC-DC 변환기는 98.
본 논문에서는 AC-DC 변환기와 class E 전력증폭기를 상호 최적화하여 AC 220 V/ 60 Hz의 가정용 전원을 입력 받아 13.56 MHz의 고주파 RF 신호를 출력하는 고출력 및 고효율 전력송신기를 설계하였다.
본 논문에서는 전력증폭기의 효율을 극대화하기 위하여 높은 Q값을 가지는 직렬 인덕터와 RF 초크를 직접 제작하였다. 제작된 인덕터는 Agilent사의 E4980A LCR meter로 측정하였다.
제안 방법
고효율 특성을 얻기 위해 DC-DC 변환기를 채용하지 않고 AC-DC 변환기의 출력인 DC 290 V를 직접 전력증폭기의 드레인 바이어스로 인가하였다. 또한, high-Q 인덕터를 제작하여 출력 공진 회로에 채용함으로써 높은 효율 특성을 얻을 수 있었다.
03 %의 매우 높은 변환 효율을 가졌다. 높은 변환 효율을 위해 감압 혹은 승압을 위한 DC-DC 변환기를 추가하지 않은 간단한 구조로 제작되었다. 변환된 290 V의 DC 출력 전압은 전력 증폭기의 드레인 바이어스 전압으로 인가되었다.
본 논문에서 설계한 AC-DC 변환기는 220 V AC 전원을 입력받아서 290 V DC 전압을 출력한다. 생성된 290 V의 DC 전압을 주 전력증폭기의 드레인 바이어스로 사용하였다.
대상 데이터
AC-DC 변환기를 포함한 송신기 전체의 크기는 236×212 mm2이다. AC-DC 변환기의 정류기는 DIODE사의 GBU806을 사용하였고, 드라이브 단과 주 증폭 단은 각각 Freescale사의 MRF- 6V12500HR3과 IXYS사의 DE275-102N06A를 사용하였다.
그림 6은 실제 제작된 300 watt class E 전력 송신기의 사진이다. Class E 전력증폭기는 4.6의 비유전율과 1.6 mm의 기판 두께를 갖는 FR-4 기판을 사용하여 제작하였다. AC-DC 변환기를 포함한 송신기 전체의 크기는 236×212 mm2이다.
제작된 인덕터는 Agilent사의 E4980A LCR meter로 측정하였다. RF 초크와 직렬 인덕터의 코어는 AMIDON 사의 T106-2와 T225-6를 사용하였다. RF 초크는 와이어를 16턴 감아서 측정한 결과, 10 uH의 인덕턴스, 0.
본 논문에서 설계한 AC-DC 변환기는 220 V AC 전원을 입력받아서 290 V DC 전압을 출력한다. 생성된 290 V의 DC 전압을 주 전력증폭기의 드레인 바이어스로 사용하였다. 따라서 감압 혹은 승압을 위한 별도의 DC-DC 변환기를 추가하지 않은 간단한 구조를 가지며, 이로 인해 높은 변환 효율을 유지한다.
본 논문에서는 전력증폭기의 효율을 극대화하기 위하여 높은 Q값을 가지는 직렬 인덕터와 RF 초크를 직접 제작하였다. 제작된 인덕터는 Agilent사의 E4980A LCR meter로 측정하였다. RF 초크와 직렬 인덕터의 코어는 AMIDON 사의 T106-2와 T225-6를 사용하였다.
성능/효과
그림 4는 전력증폭기의 출력 단에 사용될 직렬 인덕터와 바이어스 인가를 위한 RF 초크의 Q값에 따른 PAE와 출력 전력의 특성 변화를 시뮬레이션한 결과이다. 그림 4(a)의 RF 초크는 Q값이 약 150 이하가 되면 출력 전력에는 영향이 크지 않지만 PAE에는 큰 영향을 준다. 그림 4(b)의 직렬 인덕터의 경우, Q값이 200 이하가 되면 출력 전력과 PAE 모두 급격히 감소하게 된다.
2차 및 3차 고조파 역시 각각 —37.14와—45.12 dBc로 우수한 선형성을 가짐을 확인하였다.
56 MHz의 RF 신호를 출력하는 고효율 및 고출력 송신기를 설계 및 제작하였다. AC-DC 변환기는 98.03%의 높은 변환 효율을 가지며, high-Q 인덕터를 적용한 class E 전력 증폭기는 좋은 고조파 특성을 유지하였다. 최대 출력 전력 323.
12 dBc로 우수한 선형성을 가짐을 확인하였다. AC-DC 변환기를 포함한 class E 전력 송신기는 출력 전력 323.6 W에서 82.87 %의 매우 높은 전체 효율 특성을 가졌다.
AC-DC 변환기와 class E 전력 증폭기가 상호 최적화된 형태의 class E 전력 송신기는 출력 전력 323.6 W에서 82.87 %의 매우 높은 전체 효율 특성을 보였다. 제안하는 방식은 높은 효율을 통하여 추가로 발생되는 냉각 시스템으로 인한 비용을 절감할 뿐만 아니라 송신기의 부피와 무게를 줄일 수 있어 경쟁력 있는 송신기 설계에 응용될 수 있을 것이다.
RF 초크는 와이어를 16턴 감아서 측정한 결과, 10 uH의 인덕턴스, 0.09 Ω의 직류 저항, 300 이상의 높은 Q값을 가졌다.
고효율 특성을 얻기 위해 DC-DC 변환기를 채용하지 않고 AC-DC 변환기의 출력인 DC 290 V를 직접 전력증폭기의 드레인 바이어스로 인가하였다. 또한, high-Q 인덕터를 제작하여 출력 공진 회로에 채용함으로써 높은 효율 특성을 얻을 수 있었다.
설계된 AC-DC 변환기는 250 Ω의 부하 저항이 연결된 상태에서 355.3 W의 전력을 인가 받아 348.3 W 의 전력을 출력하여 98.03 %의 매우 높은 변환 효율을 가졌다.
그림 5는 제작된 직렬 인덕터와 RF 초크의 Q값을 측정하여 전력증폭기 시뮬레이션에 적용한 결과이다. 시뮬레이션 결과 최대 출력 전력 302 W에서 91.57 %의 높은 효율과 54.6 dB의 이득을 얻었다. 2차와 3차 고조파는 각각 —47.
변환된 290 V의 DC 출력 전압은 전력 증폭기의 드레인 바이어스 전압으로 인가되었다. 자체 제작한 high-Q 인덕터를 사용한 class E 전력증폭기는 최대 출력 전력 323.6 W에서 84.53 %의 높은 PAE를 가졌다. 2차 및 3차 고조파 역시 각각 —37.
직렬 인덕터는 두 단의 페라이트 코어에 손실이 적고 전도성이 뛰어난 실버 코팅된 와이어를 5 턴 감아서 측정한 결과, 1.1 uH의 인덕턴스, 0.09 Ω의 직류 저항, 500 이상의 매우 높은 Q값을 가졌다.
03%의 높은 변환 효율을 가지며, high-Q 인덕터를 적용한 class E 전력 증폭기는 좋은 고조파 특성을 유지하였다. 최대 출력 전력 323.6 W에서 84.53 %의 높은 PAE를 측정하였다.
후속연구
87 %의 매우 높은 전체 효율 특성을 보였다. 제안하는 방식은 높은 효율을 통하여 추가로 발생되는 냉각 시스템으로 인한 비용을 절감할 뿐만 아니라 송신기의 부피와 무게를 줄일 수 있어 경쟁력 있는 송신기 설계에 응용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고주파에서도 높은 효율을 얻을 수 있는 증폭기에는 무엇이 있는가?
고주파에서도 높은 효율을 얻을 수 있는 증폭기로는 class E와 class F 전력증폭기가 대표적이다[1]～[3]. Class F 전력증폭기는 출력 파형의 오버랩을 없애기 위해 고조파를 제어하는 방식을 사용한다.
Class F 전력증폭기의 단점은 무엇인가?
Class F 전력증폭기는 출력 파형의 오버랩을 없애기 위해 고조파를 제어하는 방식을 사용한다. 하지만 고조파를 제어를 위한 회로가 복잡하고 크기가 커지는 단점이 있다. 반면, class E 전력증폭기는 트랜지스터의 출력 기생 커패시턴스를 포함하여 출력 단이 구성되어 회로 구성이 간단하고 스위칭에서 발생하는 손실이 적어 실질적인 고효율 동작이 가능하다.
class E 전력증폭기의 장점은 무엇인가?
하지만 고조파를 제어를 위한 회로가 복잡하고 크기가 커지는 단점이 있다. 반면, class E 전력증폭기는 트랜지스터의 출력 기생 커패시턴스를 포함하여 출력 단이 구성되어 회로 구성이 간단하고 스위칭에서 발생하는 손실이 적어 실질적인 고효율 동작이 가능하다. 그러한 이유로 class E 전력증폭기는 주로 RF 가열 시스템과 플라즈마 발생 시스템 등에 많이 사용된다[1]～[3].
참고문헌 (4)
L. S. Tan, R. A. McMahon, "A study of the operation of a class E amplifier at 13.56 MHz", in Proc. 6th Int. Conf. Power Electron. Variable Speed Drives, pp. 168-172, Sep. 1996.
N. O. Sokal, A. D. Sokal, "Class E - A new class of high-efficiency tuned single-ended switching power amplifiers", IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 10, no. 3, pp. 168-176, Jun. 1975.
F. H. Raab, "Class-E, class-C, and class-F power amplifiers based upon a finite number of harmonics", IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 49, no. 8, pp. 1462-1468, Aug. 2001.
N. Khalid, J. Singh, H. P. Le, J. Devlin, and Z. Sauli, "A very high Q-factor inductor using MEMS technology", IEEE Microelectronics & Electronics, pp. 77-80, Jan. 2009.
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