[논문]수신 코일 권선 수 변화에 의한 무선전력전송 최적 부하 구현

황성연; 이범선

doi:10.5515/kjkiees.2016.27.4.335

수신 코일 권선 수 변화에 의한 무선전력전송 최적 부하 구현
Realization of Optimum Loads for Maximum WPT Efficiencies Using Multi-Turn Receiving Coil 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.27 no.4, 2016년, pp.335 - 341

황성연 (경희대학교 전자.전파공학과) , 이범선 (경희대학교 전자.전파공학과)

초록
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본 논문에서는 최대 무선전력전송 효율 구현에 필요한 최적 부하저항을 수신기 입력 임피던스(통상 $50{\Omega}$)에 바로 정합하기 위하여 수신 코일의 권선 수를 제어하는 방법을 제안한다. 수신 코일 권선 수와 도선 사이의 근접 효과가 고려된 최적 부하저항의 수식에 따라 수신 코일을 설계, 제작 및 측정하였다. 이론과 EM 시뮬레이션, 측정을 통하여 최적 부하 저항과 효율을 비교한 결과 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 본 논문의 결과를 활용하면 별도의 급전 루프 없는 단순하고 부피가 작은 2-coil 시스템으로도 허용된 최대 전력을 구현할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose the method of controling the turns of a receiving coil for the matching directly to the receiver input impedance(typically $50{\Omega}$) with a maximum wireless power transfer(WPT) efficiency. Based on the presented the expression of the optimum load depending on a system figure of merit, number of the turns of a receiving coil, and proximity effect between conducting lines, the theoretical efficiencies have been compared with the measured ones with a good agreement. The results of this work may be used to realize a allowable maximum efficiency with a simple and low-profile 2-coil WPT system not requiring a separate feeding loop.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

4-coil 구조에 비해서 공간적으로 시스템 구조가 작다는 장점이 있지만, 송․수신 루프 사이의 거리에 따라 변화하는 모든 상황의 정합회로 구현이 비교적 복잡하며, 인덕터의 저항성분에 의한 손실이 크다는 단점이 있다^[5]～[7]. 본 논문에서는 수신 코일의 권선 수를 늘려서 수신 코일의 최적 부하저항을 증가시킴으로써 가급적 2-coil 시스템에서 최대 전력을 전송할 수 있는 구체적인 방안을 제시한다.

가설 설정

효율과 최적 부하저항은 권선 수의 증가에 따라 증가하며, N=6일 때, 약 82 %의 효율과 43 Ω의 최적 부하저항을 갖는다. 그림 9(b)는 그림 9(a)와 동일한 조건에서 도선 반경 r_ring2가 0.15 mm인 수신 코일을 측정한 것이다.

제안 방법

하지만 앞서 언급한 바와 같이, 단일 루프에서는 최적 부하저항이 매우 작기 때문에 b ≃ 1의 조건을 유지하기 어렵다. 따라서 수신 코일의 권선 수를 증가시키는 방법으로 R₂와 R_L,opt를 증가시켜 구현을 한다. 수신 코일의 권선 수가 증가할 때, 근접한 도선 사이에는 근접 효과(proximity eff- ect)가 작용한다.
본 논문에서는 Ansys사의 HFSS를 사용하여 EM 시뮬레이션하였다. 그림 5는 그림 1의 구조를 바탕으로 f₀=6.

성능/효과

도선 반경r_ring2가 더 작으므로, 낮은 권선 수에서 50 Ω에 가까운 최적 부하저항을 갖게 된다. 그림 9(a), 그림 9(b)의 이론과 측정한 효율 및 최적 부하저항의 차이는 약 2～5 %로 비교적 잘 일치함을 확인하였다. 결과적으로, 제시된 이론에 따라 결정된 수신 코일의 권선 수를 사용하여 별도의 급전 루프 없이도 수신기 입력 임피던스(통상, 50 Ω)에 정합되는 최적 부하저항을 구현할 수 있음을 측정과 함께 확인하였다.
213을 적용하였다. N=7일 때 제작한 코일의 저항 측정값이 이론과 EM 시뮬레이션 결과와 차이가 조금 있지만, 전체적으로 보면 이론값과 EM 시뮬레이션, 제작 값이 대략적으로는 일치함을 알 수 있다.
결과적으로, 제시된 이론에 따라 결정된 수신 코일의 권선 수를 사용하여 별도의 급전 루프 없이도 수신기 입력 임피던스(통상, 50 Ω)에 정합되는 최적 부하저항을 구현할 수 있음을 측정과 함께 확인하였다.
본 논문에서는 수신 코일의 권선 수만 증가시켜 최적 부하저항을 수신기에 필요한 입력 임피던스(통상, 50 Ω)로 정합시킬 수 있음을 보였다. 도선 사이의 근접 효과가 고려된 최적 부하저항의 수식을 정리하고, 제안한 방식대로 수신 코일을 제작 및 측정하여 이론과 EM 시뮬레이션, 측정값을 비교한 결과는 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 또한, 도선의 반경을 작게 할 경우, 적은 권선수로도 최적 부하저항을 수신기 임피던스에 바로 정합시킬 수 있음을 확인하였다.
도선 사이의 근접 효과가 고려된 최적 부하저항의 수식을 정리하고, 제안한 방식대로 수신 코일을 제작 및 측정하여 이론과 EM 시뮬레이션, 측정값을 비교한 결과는 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 또한, 도선의 반경을 작게 할 경우, 적은 권선수로도 최적 부하저항을 수신기 임피던스에 바로 정합시킬 수 있음을 확인하였다. 본 논문의 결과를 활용하면 별도의 급전 루프 없는 단순하고 부피가 작은 2-coil 시스템으로도 허용된 최대 전력을 구현할 수 있다.
본 논문에서는 수신 코일의 권선 수만 증가시켜 최적 부하저항을 수신기에 필요한 입력 임피던스(통상, 50 Ω)로 정합시킬 수 있음을 보였다.
또한, 도선의 반경을 작게 할 경우, 적은 권선수로도 최적 부하저항을 수신기 임피던스에 바로 정합시킬 수 있음을 확인하였다. 본 논문의 결과를 활용하면 별도의 급전 루프 없는 단순하고 부피가 작은 2-coil 시스템으로도 허용된 최대 전력을 구현할 수 있다.
별도의 구조를 사용하지 않고 수신 코일의 권선 수를 증가시키는 것만으로 R₂의 값을 증가시켜 R_L,opt의 값을 계측기 임피던스인 50 Ω과 정합할 수 있다. 수신 코일의 권선 수가 증가되면 R₂와 L₂가 동시에 증가하기 때문에 R₂가 증가함에 따라 손실이 증가하는 것처럼 보일 수 있지만 R_L,opt와 Q₂가 증가하기 때문에, 결과적으로는 전력전송 효율은 유지 또는 증가되면서 최적 부하저항을 실용범위에서 구현할 수 있다.
효율과 최적 부하저항은 권선 수의 증가에 따라 증가하며, N=6일 때, 약 82 %의 효율과 43 Ω의 최적 부하저항을 갖는다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	4-coil 구조의 장점은?	이 방식은 송·수신 루프와 급전 루프 사이의 거리에 따라 변화하는 k값(coupling coefficient)을 조절하여 임피던스 정합을 하는 것이다. 따라서 4-coil 구조는 변화하는 입력임피던스와 최적 부하저항을 급전 루프의 이동만으로 임피던스 정합을 시킬 수 있다는 장점이 있지만, 입력임피던스 혹은 k값이 작을수록 시스템의 구조가 차지하는 공간이 커진다는 단점을 가지고 있다[2]～[4]. 또한, L-section matching을 이용하는 Adaptive Load Circuit 구현 방식도 있다.
	무선전력전송에서 최대전력을 전송하기 위해서는 무엇을 사용해야하는가?	현재에는 휴대용 단말기 충전을 시작으로 자동차, IoT 등으로 빠르게 확산되고 있다[1]. 이러한 무선전력전송에서 최대전력을 전송하기 위해서는 수신기에 최적 부하를 사용해야 한다. 하지만 MHz 단위의 주파수를 사용하는 무선전력전송에서 수신 코일은 파장에 비해 매우 작은 구조로 되어있어 그 저항이 매우 작다.
	낮은 최적 부하저항의 결정은 조건은?	이러한 무선전력전송에서 최대전력을 전송하기 위해서는 수신기에 최적 부하를 사용해야 한다. 하지만 MHz 단위의 주파수를 사용하는 무선전력전송에서 수신 코일은 파장에 비해 매우 작은 구조로 되어있어 그 저항이 매우 작다. 이로 인해 낮은 최적 부하저항이 결정된다.

참고문헌 (11)

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원문보기 상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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