[논문]6.78MHz, 거리 60cm, 50W급 무선 전력 전송 시스템용 High Quality Factor PCB 코일 개발

이승환; 이경표

doi:10.7782/jksr.2016.19.4.468

초록
AI-Helper

고압 전선 등에 장착된 시스템에 전원을 공급하기 위해서는 절연 이격 거리 이상의 거리에 무선으로 수십 Watt 급의 전력을 보낼 수 있는 시스템이 필요하다. 이러한 무선 전력 전송 시스템은 대개 코일의 크기가 10cm 이상의 대형이다. 본 연구에서는 이처럼 대형 코일을 Printed circuit board를 이용해 제작할 경우 발생하는 손실 발생원 들을 분석하고 그 중 가장 주요한 손실원인이 Dielectric loss 라는 것을 밝혔다. 또한 이 dielectric loss를 최소화 하기 위해서 PCB의 재질 선정 방법 및 Distributed tuning capacitor method를 제시해 $40cm{\times}40cm$ 크기의 4턴 및 5턴 코일의 설계 방법을 제시했고, 실험을 통해 Quality factor를 300 이상으로 만들 수 있음을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to supply power to online monitoring systems that are attached to high voltage catenary or overhead wires, a wireless power transfer system is required that is able to transmit power over the insulation gap. Such wireless power transfer systems have transmitter and receiver coils that have ...

In order to supply power to online monitoring systems that are attached to high voltage catenary or overhead wires, a wireless power transfer system is required that is able to transmit power over the insulation gap. Such wireless power transfer systems have transmitter and receiver coils that have diameters of over 10cm. This paper focused on an investigation of the sources of loss in the coils when the coils are fabricated using printed circuit board technology. Using finite element simulation results, it has been shown that the dielectric loss in the substrate was the dominant source of the total loss. It has been demonstrated that the selection of a proper dielectric material was the most critical factor in reducing the loss. For further reduction of the loss, the distributed tuning capacitor method and the slotting of the inter-turn spaces have been proposed. For the evaluation of the proposed methods, four coils have been fabricated and their equivalent series resistances and quality factors were measured. Measured quality factors were greater than 300, which means that these devices will be helpful in achieving high coil-to-coil efficiency.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

앞에서 본 것처럼 PCB로 코일을 제작하는 경우 가장 큰 손실은 PCB 기판을 이루는 dielectric substrate에서 발생하는 것을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 이러한 dielectric loss를 저감하는 방법을 제시했다.
본 논문에서는 60cm거리에 50W의 전력을 보내기 위해 MHz 단위의 운전주파수를 가지는 무선 전력 전송 시스템을 위한 코일을 PCB pattern을 이용해 제작할 때 발생하는 손실 발생 원인에 대한 분석 및 이를 바탕으로 한 손실 저감 방법을 제시했다. PCB를 이용해 코일을 제작하는 경우, copper의 Ohmic loss도 전체 손실에 일부 기여하지만, 가장 큰 손실 원인은 dielectric loss라는 것을 밝혔다.
본 연구에서의 무선 전력 전송 시스템은 전철주에서 애자 길이(60cm)만큼 떨어진 가동 브라켓에 설치된 전차선 상태 모니터링 장치에 무선으로 100W의 전력을 6.78MHz에서 보내는 것이 그 목표이다. Transmitter와 Receiver의 resonant tuning을 위해 캐패시터는 직렬로 연결해 Series-series resonant circuit이 되도록 하였다.

제안 방법

Dielectric loss를 줄이기 위한 두 번째 방법으로 series resonant tuning을 위해 캐패시터를 연결하는 위치를 조절했다. 이 캐패시터 연결 위치는 앞서 언급한 dielectric loss와 high voltage breakdown과 직접적으로 관련되어 있다.
78MHz에서 보내는 것이 그 목표이다. Transmitter와 Receiver의 resonant tuning을 위해 캐패시터는 직렬로 연결해 Series-series resonant circuit이 되도록 하였다. 아래 Fig.
주어진 면적을 최대한 이용하기 위해 사각형으로 만들었고, turn-width는 20mm, turn-spacing은 10mm로 해 Table 1의 코일의 self and mutual inductance 값들을 갖도록 했다. Turn-spacing 부분에 있는 substrate들은 전혀 제거 하지 않은 모델과 Fig. 14에 보이는 것처럼 일부 제거한 모델의 2가지 버전을 제작했다. 일부만 제거한 이유는 코일 형상의 기계적 강도를 위해서다.
캐패시터 연결은 각 코일의 매 턴의 가운데 부분에 일렬로 조립할 수 있도록 했다. 그리고 입력 터미널에는 공진 주파수의 정밀 tuning을 위해 캐패시터 여러 개를 병렬로 연결할 수 있도록 패턴을 만들었으며 최종 터미널에는 SMA connector를 이용해 연결될 수 있도록 했다.
본 연구에서는 전차선 상태 검측 장비에 전력 전송을 하기 위해 MHz에서 동작하며(6.78MHz), 가동브라켓용 애자 길이 이상인 60cm 거리에 대해 300Wh 배터리에 0.1C 이상의 충전이 가능한 50W의 전력을 무선으로 전송하는 시스템에서 Transmitter 및 Receiver 코일을 PCB 상에 패턴으로 제작해 제작 용이성 및 균일성을 개선하고, PCB 코일에서 발생하는 손실을 분석하고 손실 저감 및 voltage breakdown 문제를 해결할 수 있는 방법을 제시해 Q-factor가 300 이상인 High-Q 코일을 제작하는 방법을 제시한다.
우선 PCB 기판의 재질 및 PCB cutting pattern을 이용해 dielectric substrate 및 turn-spacing에서 발생하는 손실을 최소화 할 수 있도록 했다. PCB 기판은 일반적으로 FR-4라는 재질을 많이 사용한다.
15에 제작된 4개 코일의 사진을 나타냈다. 제작된 PCB 코일의 주파수에 따른 임피던스의 크기와 위상 변화를 Agilent사의 impedance analyzer 4294a를 이용해 측정했다. 측정된 임피던스 값은 Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 Teflon보다는 loss tangent가 크지만 FR-4 보다 약 1/5 정도 (tanδ = 0.0032)로 loss tangent가 작고, dielectric constant 역시 3.2로 FR-4보다 작은 Isola사의 IS680-320 기판을 이용해 제작하도록 했다.
설계된 4턴 및 5턴 PCB 코일은 Isola사의 IS680, 1oz 양면 기판을 이용해 제작했다. 아래 Fig.

성능/효과

본 논문에서는 60cm거리에 50W의 전력을 보내기 위해 MHz 단위의 운전주파수를 가지는 무선 전력 전송 시스템을 위한 코일을 PCB pattern을 이용해 제작할 때 발생하는 손실 발생 원인에 대한 분석 및 이를 바탕으로 한 손실 저감 방법을 제시했다. PCB를 이용해 코일을 제작하는 경우, copper의 Ohmic loss도 전체 손실에 일부 기여하지만, 가장 큰 손실 원인은 dielectric loss라는 것을 밝혔다. MHz용 코일을 흔히 사용되는 FR-4 기판을 이용해 제작하게 되면 Ohmic loss보다 dielectric loss가 6~7 배 정도로 커져 원하는 효율을 얻을 수 없게 된다.
이러한 dielectric loss는 인접한 턴 간에 존재하는 큰 electric field에 의해서 발생하는 손실이며 electric field 및 dielectric loss를 줄이기 위해서는 dielectric substrate의 재질 선정이 가장 중요하고 distributed tuning capacitor method를 통해 추가로 손실을 저감할 수 있다는 것을 보였다. 손실이 큰 재질인 FR-4 대신에 loss tangent가 1/5로 작은 IS680을 이용하고 distributed tuning capacitor method를 이용해 Q factor가 300 이상인 코일을 제작할 수 있다는 것을 실험 결과를 통해 보였다.
3에는 식 (3)을 이용하여 transmitter coil과 receiver coil의 coupling coefficient k(= M/)와 quality factor 값에 따른 무선 전력 전송 시스템의 효율을 나타냈다. 이 그래프에서 볼 수 있듯이, 60cm거리에서 50% 이상의 효율을 갖기 위해서는 coupling coefficient가 크고, quality factor가 300 이상이 되야 코일간 효율이 50% 이상이 됨을 확인할 수 있다.
MHz용 코일을 흔히 사용되는 FR-4 기판을 이용해 제작하게 되면 Ohmic loss보다 dielectric loss가 6~7 배 정도로 커져 원하는 효율을 얻을 수 없게 된다. 이러한 dielectric loss는 인접한 턴 간에 존재하는 큰 electric field에 의해서 발생하는 손실이며 electric field 및 dielectric loss를 줄이기 위해서는 dielectric substrate의 재질 선정이 가장 중요하고 distributed tuning capacitor method를 통해 추가로 손실을 저감할 수 있다는 것을 보였다. 손실이 큰 재질인 FR-4 대신에 loss tangent가 1/5로 작은 IS680을 이용하고 distributed tuning capacitor method를 이용해 Q factor가 300 이상인 코일을 제작할 수 있다는 것을 실험 결과를 통해 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	energy harvesting 시스템의 문제점은 무엇인가?	하지만 태양광 시스템은 배터리를 충전하는데 충분한 에너지를 갖기 위한 패널의 무게나 크기가 너무 커 적합하지 않다. 또한 energy harvesting 시스템의 경우에는 철도 차량용 전차선과 같이 2개 이상의 전선이 부하를 분담하는 구조에서 조가선에 설치하게 되면 조가선의 임피던스가 설계치 보다 커져 대부분의 전류가 전차선에 흐르게 되고, 이로 인해 energy harvesting 시스템이 목적한 전력을 생산할 수 없으며, 이와 더불어 전차선에 흐르는 전류의 크기를 키워 전차선의 수명에 영향을 준다. 따라서 이러한 문제를 해결하고 고압 전선에 설치된 모니터링 시스템 등에 전원을 공급하기 위해서는 애자(insulator) 길이를 뛰어 넘어 50W 이상의 전력을 전송할 수 있는 무선 전력 전송 시스템이 필요하다.
	기존에 10cm 이상의 거리에 100W 이상의 전력을 무선으로 전송하기 위해 이용하는 것은 무엇인가?	기존에 10cm 이상의 거리에 100W 이상의 전력을 무선으로 전송하기 위해서는 수 MHz 이상의 운전 주파수를 가지며 Litzwire나 copper-tube 등을 이용하여 여러 턴의 코일을 만드는 것이 일반적이었다[3-6]. 이러한 코일들은 직경이 수 cm 이내의 소형 코일에서는 권선 기계 등을 이용하여 쉽게 제작이 가능하나 직경이 10cm 이상 되는 대형 코일에서는 수작업을 통해 제작해야 한다.
	전압 절연 문제로 인해 지상에서 직접 전선을 이용해 전원을 공급할 수 없으므로 활용하는 방식은 무엇인가?	따라서 전압 절연 문제로 인하여 지상에서 직접 전선을 이용하여 센서에 전원을 공급해 줄 수 없다. 그래서 배터리의 충전을 위해 태양광 발전 시스템을 이용하거나 고압선에 흐르는 전류에서 발생하는 자기장을 이용한 Energy harvesting 시스템 등을 이용해 전력 공급을 해주는 기술들이 발전했다[1,2]. 하지만 태양광 시스템은 배터리를 충전하는데 충분한 에너지를 갖기 위한 패널의 무게나 크기가 너무 커 적합하지 않다.

참고문헌 (9)

Y. Park, Y. H. Cho, K. Lee, H. Jung et al. (2008) Development of an FPGA-based online condition monitoring system for railway catenary application, 8th World Congress on Railway Research (WCRR), Seoul, pp. 1-7.
Z. Wu, Y. Wen, P. Li (2013) A power supply of self-powered online monitoring systems for power cords, IEEE Transactions on Energy Conversion, 28(4), pp. 921-928.

상세보기
A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J.D. Joannopoulos et al. (2007) Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances, Science, 317(5834), pp. 83-86.

상세보기
S.H. Lee, R.D. Lorenz (2010) Development and validation of model for 95% efficiency, 220W wireless power transfer over a 30cm air-gap, IEEE Transaction on Industry Applications, 47(6), pp. 2495-2504.
Z. Yang, W. Liu, E. Basham (2007) Inductor modeling in wireless links for implantable electronics, IEEE Transaction on Magnetics, 43(10), pp. 3851-3860.

상세보기
B. Lenaerts, R. Puers (2007) An inductive power link for a wireless endoscope, Biosensors and Bioelectronics, 22(7), pp. 1390-1395.

상세보기
G.S. Smith (1972) Proximity effect in systems of parallel conductors, Journal of Applied Physics, 43(5), pp. 2196-2203.

상세보기
S.O. Kasap (2007) Principles of Electronic Materials and Devices. McGraw Hill Higher Education, New York, pp. 603-610.
A.L. Shenkman, M. Zarudi (2012) Circuit Analysis for Power Engineering Handbook, Springer US, New York, pp. 133-144.

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

6.78MHz, 거리 60cm, 50W급 무선 전력 전송 시스템용 High Quality Factor PCB 코일 개발
Development of 50W High Quality Factor Printed Circuit Board Coils for a 6.78MHz, 60cm Air-gap Wireless Power Transfer System 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

6.78MHz, 거리 60cm, 50W급 무선 전력 전송 시스템용 High Quality Factor PCB 코일 개발 Development of 50W High Quality Factor Printed Circuit Board Coils for a 6.78MHz, 60cm Air-gap Wireless Power Transfer System 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이승환 (9) 이경표 (1)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

6.78MHz, 거리 60cm, 50W급 무선 전력 전송 시스템용 High Quality Factor PCB 코일 개발
Development of 50W High Quality Factor Printed Circuit Board Coils for a 6.78MHz, 60cm Air-gap Wireless Power Transfer System 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper