보호 회로를 포함한 무선 전력 전송용 ISM 13.56 MHz 20 W Class-E 앰프 설계 Design of 20 W Class-E Amplifier Including Protection for Wireless Power Transmission at ISM 13.56 MHz원문보기
본 논문에서는 ISM 13.56 MHz 대역 무선 전력 전송을 위한 인덕티브 클램핑 class-E 전력증폭기를 설계 및 실험하여 특성을 분석하였다. 구현된 전력증폭기는 수신 안테나가 회전체에 붙는 경우와 같이 송수신 안테나 간의 정합 상태가 변화하는 시스템에서 부정합 상태에서 전력증폭기에 공급되는 전류를 줄여 트랜지스터를 손상시키지 않고 안정적으로 동작하도록 하는 인덕티브 클램핑 방식으로 설계되었으며, 정합 회로를 이용하여 기존의 class-E 전력증폭기보다 고조파 성분에 대한 Filtering 특성을 개선하였다. 구현된 전력증폭기의 입력 주파수는 13.56 MHz, 입력 전력 25 dBm, 동작 전압 DC 28 V에서 측정한 결과, 출력 전력은 43 dBm, 기본 주파수 성분과 2차 고조파 신호 간의 출력 전력 차이 55 dBc 이상, 소모 전류 830 mA으로 전력부가 효율(power added efficiency)은 85 %로 높게 측정됐다. 마지막으로, 수신 안테나를 회전체에 부착하고 구현된 전력증폭기로 송수신 안테나로 전력을 송출하는 실험을 진행하였으며, 송신 안테나의 부정합 상태에는 소모 전류가 420 mA까지 줄어들어 트랜지스터가 손상되지 않는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 ISM 13.56 MHz 대역 무선 전력 전송을 위한 인덕티브 클램핑 class-E 전력증폭기를 설계 및 실험하여 특성을 분석하였다. 구현된 전력증폭기는 수신 안테나가 회전체에 붙는 경우와 같이 송수신 안테나 간의 정합 상태가 변화하는 시스템에서 부정합 상태에서 전력증폭기에 공급되는 전류를 줄여 트랜지스터를 손상시키지 않고 안정적으로 동작하도록 하는 인덕티브 클램핑 방식으로 설계되었으며, 정합 회로를 이용하여 기존의 class-E 전력증폭기보다 고조파 성분에 대한 Filtering 특성을 개선하였다. 구현된 전력증폭기의 입력 주파수는 13.56 MHz, 입력 전력 25 dBm, 동작 전압 DC 28 V에서 측정한 결과, 출력 전력은 43 dBm, 기본 주파수 성분과 2차 고조파 신호 간의 출력 전력 차이 55 dBc 이상, 소모 전류 830 mA으로 전력부가 효율(power added efficiency)은 85 %로 높게 측정됐다. 마지막으로, 수신 안테나를 회전체에 부착하고 구현된 전력증폭기로 송수신 안테나로 전력을 송출하는 실험을 진행하였으며, 송신 안테나의 부정합 상태에는 소모 전류가 420 mA까지 줄어들어 트랜지스터가 손상되지 않는 것을 확인하였다.
In this paper, an inductive clamping class-E power amplifier has been tested for wireless power transmission at ISM band, 13.56 MHz. The implemented power amplifier is designed to operate stably without destroying power transistor in wireless power transmission system which basically keeps not to al...
In this paper, an inductive clamping class-E power amplifier has been tested for wireless power transmission at ISM band, 13.56 MHz. The implemented power amplifier is designed to operate stably without destroying power transistor in wireless power transmission system which basically keeps not to align between a transmitting antenna and a receiving antenna. The power amplifier is also designed to enhance harmonic filtering characteristic. The amplifier was tested with a DC supply voltage of 28 V and input power of 25 dBm at 13.56 MHz. The test results show the output power level of 43 dBm, the difference power level between fundamental frequency and second harmonic frequency of more than 55 dBc, the dc current consumption of 830 mA, and the high power-added efficiency of 85 %. Finally, the implemented power amplifier operated normally with 830 mA DC current consumption from 28 V source when the two antennas were aligned, and the power transmission was successful. But when the two antennas were not aligned, its DC current consumption automatically decreased down to 420 mA to protect the switching transistor.
In this paper, an inductive clamping class-E power amplifier has been tested for wireless power transmission at ISM band, 13.56 MHz. The implemented power amplifier is designed to operate stably without destroying power transistor in wireless power transmission system which basically keeps not to align between a transmitting antenna and a receiving antenna. The power amplifier is also designed to enhance harmonic filtering characteristic. The amplifier was tested with a DC supply voltage of 28 V and input power of 25 dBm at 13.56 MHz. The test results show the output power level of 43 dBm, the difference power level between fundamental frequency and second harmonic frequency of more than 55 dBc, the dc current consumption of 830 mA, and the high power-added efficiency of 85 %. Finally, the implemented power amplifier operated normally with 830 mA DC current consumption from 28 V source when the two antennas were aligned, and the power transmission was successful. But when the two antennas were not aligned, its DC current consumption automatically decreased down to 420 mA to protect the switching transistor.
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문제 정의
본 논문은 ISM 13.56 MHz 대역 회전체에 대한 무선 전력 전송 시스템에서, 송수신 안테나 간에 부정합이 발생하는 상황에서 고효율의 class-E 전력증폭기를 안정적으로 동작시키는 동시에 고조파 억압 특성이 우수한 인덕티브 클램핑 방식의 class-E 전력증폭기를 제작하여 실험하였다. 실험을 통해 측정한 결과, 동작 주파수 13.
본 연구에서는 산업현장의 회전체와 같이 채널이동적으로 변화하는 경우 자기 공명 방식 무선 전력을 전송할 수 있도록 하기 위한 고효율 전력증폭기를 개발하고자 한다. 일반적으로 자기 공명 방식에서 자기 공명을 일으키기 위해서는 송수신 공진기가 공진을 일어나는 위치를 유지하여야 한다.
제안 방법
56 MHz에서 27+j19 Ω로 구현되었다. 2차와 3차 고조파에서 |ZL|은 161옴과 405옴 이상의 임피던스를 가지며, 고차 고조파로 갈수록 높은 임피던스를 가지도록 설계되었다.
출력단 스위칭 소자는 International Rectifier 사의 SMPS MOSFET IRF7465를 사용하였으며, Diode는 Infineon 사의 SDP06-S60 Schottky diode를 이용하여 설계하였다. 각 회사에서 제공하는 spice 모델과 LTSPICE를 이용하여 회로를 시뮬레이션 및 설계하였으며, C1의 값은 문턱 전압이 6 V인 IRF7465 소자를 VDD=28 V, VGS=5 V에서 측정하여 추가적인 커패시턴스 값을 고려하여 설계하였다. 그림 2에서 기본 주파수에서 ZL(ω)이 26+j22 Ω로 설계되었다.
그림 12는 구현된 인덕티브 크램핑 class-E 전력증폭기이다. 구현된 증폭기는 알루미늄 기구를 제작하여 설치하였고, 인덕터는 AMIDON사의 환형 코어를 사용하여 제작하였으며, 안정적인 동작을 위해 고전압, 높은 Q를 가진 MICA 커패시터를 사용하여 구현하였다.
그리고 부정합에서 정합으로 회복하는 시간을 알아보기 위해 12 μs에서 순간적으로 부정합이 발생하고, 14 μs에서 다시 정합조건으로 바뀐 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.
본 논문에서는 설계한 전력증폭기는 동작 주파수 13.56 MHz에 출력단 DC 전압을 28 V, 최종 출력은 50옴 시스템 20 W로 설계하였다. 출력단 스위칭 소자는 International Rectifier 사의 SMPS MOSFET IRF7465를 사용하였으며, Diode는 Infineon 사의 SDP06-S60 Schottky diode를 이용하여 설계하였다.
본 논문에서는 일반적인 class-E 전력증폭기가 갖는 위와 같은 문제를 해결하기 위해 인덕티브 클램핑 방식의 class-E 전력증폭기를 사용하였으며, 또한 기본적인 class-E에서 pi-section 정합 회로를 추가하여 class-E 동작을 하기 위한 임피던스 조건 즉, 기본 주파수 전류만을 통과시키면서 고주파에서 높은 임피던스가 되어 고조파 전류를 제한하는 필터 특성을 개선한 증폭기 구조를 설계하였다. Class-E 동작을 하기 위해서 기본 주파수 전류만을 통과시키고, 고조파에서 높은 임피던스를 유지하여 고조파 전류를 제한하고, 기본 주파수 전류에 대한 class-E 조건의 부하 임피던스를 가지도록 설계하면 된다.
본 논문에서는 코일을 이용한 자기 공명 방식의 회전체와 같은 동적인 채널에서 무선 전력 전송 시스템에 적용하는 높은 효율과 우수한 고조파 억압 특성을 가지고 부정합이 발생한 경우, 스위칭 소자를 보호하면서 정합시 빠르게 class-E 동작으로 복원할 수 있는 인덕티브 클램핑 class-E를 제작 실험하였다.
인덕티브 클램핑 class-E 전력증폭기의 안정적 동작을 확인하기 위해서 그림 15와 같이 송수신 안테나를 설치하고, 회전체를 동작시켜 안테나 간에 부정합과 정합이 일어나도록 환경을 조성하였다.
대상 데이터
그리고 부정합에서 정합으로 회복하는 시간을 알아보기 위해 12 μs에서 순간적으로 부정합이 발생하고, 14 μs에서 다시 정합조건으로 바뀐 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 부정합 조건은 앞서와 같이 용량성 부하 100 pF로 시뮬레이션 하였다.
56 MHz에 출력단 DC 전압을 28 V, 최종 출력은 50옴 시스템 20 W로 설계하였다. 출력단 스위칭 소자는 International Rectifier 사의 SMPS MOSFET IRF7465를 사용하였으며, Diode는 Infineon 사의 SDP06-S60 Schottky diode를 이용하여 설계하였다. 각 회사에서 제공하는 spice 모델과 LTSPICE를 이용하여 회로를 시뮬레이션 및 설계하였으며, C1의 값은 문턱 전압이 6 V인 IRF7465 소자를 VDD=28 V, VGS=5 V에서 측정하여 추가적인 커패시턴스 값을 고려하여 설계하였다.
성능/효과
구성된 실험 환경에서 실험한 결과, 송수신 안테나가 정합 상태일 때에는 정상적인 정격 출력을 송출하며 전력 전송이 잘 일어나는 것을 확인하였고,부정합 상태일 때는 공급 전류가 낮아지며 안정적으로 동작하였다. 부정합시 안테나의 임피던스는 환경에 따라 계속 변하고, 따라서 회전체의 경우 임피던스는 일정하지 않은 알 수 없는 값으로 계속 변화하기 때문에 출력 전력을 직접 측정하는 것은 어려우므로, DC 소모 전류의 변화와 수신기에 수신되는 전력을 통해서 간접적으로 전력증폭기의 동작 여부를 확인할 수 있다.
스위칭 소자의 전압과 전류 파형이 class-E 동작을 하고 있음을 알 수 있다. 그리고 시뮬레이션 결과, 증폭기에 공급되는 DC 전류는 837 mA로 나타났으며, 이 떄 출력 전력은 20.8 W로 드레인 효율 89 %로 설계되었다.
56 MHz에서 입력 전력 25 dBm을 기준으로 출력 전력은 43 dBm, 전력 부가 효율(PAE) 85 %로 나타났다. 또한, 2차 고조파 억압은 기존 class-E 전력증폭기와 비교해 봤을 때 55 dBc 이상으로 우수하게 나타났다. 본 연구는 무선 전력 전송 시스템에서 송수신 안테나 간에 정합 특성이 변화하는 무선 전력 전송 시스템의 응용에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
구현된 class-E 전력증폭기는 50옴 20 W 출력에서 최종단 전류 소모는 830 mA로 설계치 836 mA와 오차범위에서 일치한다. 또한, 입력 전력 25 dBm으로 전력 부가 효율(PAE)는 85 %로 측정되었다.
이 DC 전류는 결국 전원에서 공급하는 전류를 줄여주게 된다. 시뮬레이션 결과, 부정합시 전원 공급기에서 공급하는 DC 전류는 467 mA로 줄어들었다.
4 μs 이하로 나타난다. 실제 동작에서는 회전각에 따라 정합에서 부정합으로 연속적으로 발생하지만, 순간적인 변화에 대응하는 속도에는 문제가 없음을 확인할 수 있다.
56 MHz 대역 회전체에 대한 무선 전력 전송 시스템에서, 송수신 안테나 간에 부정합이 발생하는 상황에서 고효율의 class-E 전력증폭기를 안정적으로 동작시키는 동시에 고조파 억압 특성이 우수한 인덕티브 클램핑 방식의 class-E 전력증폭기를 제작하여 실험하였다. 실험을 통해 측정한 결과, 동작 주파수 13.56 MHz에서 입력 전력 25 dBm을 기준으로 출력 전력은 43 dBm, 전력 부가 효율(PAE) 85 %로 나타났다. 또한, 2차 고조파 억압은 기존 class-E 전력증폭기와 비교해 봤을 때 55 dBc 이상으로 우수하게 나타났다.
측정 결과, 기본 주파수인 13.56 MHz에서 27+j19 Ω로 구현되었다.
회전체 환경에서 회전각을 변화하면서 실험한 결과, 28 V 전원에서 DC 소모 전류는 정합조건에서 최대 830 mA를 소모하며, 최소 420 mA까지 변화하였다.
후속연구
또한, 2차 고조파 억압은 기존 class-E 전력증폭기와 비교해 봤을 때 55 dBc 이상으로 우수하게 나타났다. 본 연구는 무선 전력 전송 시스템에서 송수신 안테나 간에 정합 특성이 변화하는 무선 전력 전송 시스템의 응용에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Class-E 전력증폭기의 특징은 무엇인가?
그림 1은 class-E 전력증폭기의 기본 구조이다. Class-E 전력증폭기 핵심은 출력단 임피던스 조건을 스위칭 소자가 ZVS(Zero Voltage Swithing)과 ZCS(Zero Current Switching) 조건을 만족하도록 설계하여 높은 효율을 가지며, 또한 출력단의 공진기를 통해 고조파 전류를 억압할 수 있는 특성을 가지고 있다[4]. 그림 1에서 C2와 L2는 고조파 전류를 억압하고 기본 주파수 전류만을 통과시키는 역할을 하기 때문에, 기본 주파수 동작 해석에서 단락 회로로 생각할 수 있다.
무선 전력 전송용 RF 증폭기에서는 우수한 효율과 불요파를 효율적으로 억압할 수 있는 구조가 필요한데 이를 위해 어떤 전력증폭기를 사용하는가?
무선 전력 전송용 RF 증폭기에서 요구되는 조건은 우수한 효율과 불요파를 효율적으로 억압할 수 있는 구조가 필요하다. 따라서 무선 전력 전송에서는 효율이 높은 스위칭 방식의 전력증폭기를 주로 사용하며, 현재 무선 전력 전송에 가장 많이 적용되는 스위칭 전력증폭기 구조는 출력단에 불요파를 억압할 수 있는 공진기를 가진 class-E 구조이다.
인덕티브 클램핑 회로의 특징은 무엇인가?
인덕티브 클램핑 회로는 정합 조건에서 다이오드는 꺼져 있도록 설계되어 있으며, 부하 조건이 용량성이 되어 인덕터에 전류가 증가하는 경우 Diode가 On이 되어 Diode 뒷단의 용량성 부하로 인한 공진을 저지하고 VX노드 전압이 GND 아래로 내려가는 것을 방지하여 추가적인 보호 회로 없이 스위칭 소자에 높은 전류가 인가되는 것을 방지한다[6]. 또한, 채널이 동적으로 변화하는 경우, 부정합 상태에서 최대한의 에너지를 코일에 저장하고 있기 때문에, 정합이 되는 순간 빠르게 class-E 동작 조건으로 복원할 수 있는 특성을 가지고 있다. 따라서 전력증폭기 뒤에 붙는 송신 안테나의 임피던스 변화에 대해 class-E 전력증폭기를 보호하면서 동적인 채널에 적용이 가능한 구조이다.
참고문헌 (6)
박성일, "무선 전력 전송 시장 전망", 한국정보통신기술협회, TTA 저널, 138호, pp. 40-44, 2011년 11월.
강승열, 김용해, 이명래, 정태형, "무선 에너지 전송 기술", ETRI 전자통신동향분석, 23(6), pp. 59-69, 2008년 12월.
Byung-Jun Jang, S. Lee, and H. Yoon, "HF-band wireless power transfer system: concept, issues, and design", Progress in Electromagnetics Research, vol. 124, pp. 211-231, Jan. 2012.
N. O. Sokal, A. D. Sokal, "Class-E a new class of high-efficiency tuned single-ended switching power amplifiers", IEEE Jounal of Solid-State Circuits, vol. SC-10, vo. 3, pp. 168-176, Jun. 1975.
Dusan Milosevic, "High-efficiency linear RF power amplification", ISBN: 978-90-386-2116-6 DEC. 2009.
D. J. Lincoln, P. G. Bennett, "Class-E amplifier with inductive clamp", U.S. Patent 6,885,567 B2, Apr. 2005.
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