[논문]누설집중형 변압기를 이용한 전계결합형 무선전력전송 시스템의 부피저감 최적설계 연구

최희수; 정채호; 최성진

doi:10.6113/tkpe.2017.22.6.469

[국내논문] 누설집중형 변압기를 이용한 전계결합형 무선전력전송 시스템의 부피저감 최적설계 연구
Optimal Design of Volume Reduction for Capacitive-coupled Wireless Power Transfer System using Leakage-enhanced Transformer 원문보기

전력전자학회 논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Power Electronics, v.22 no.6, 2017년, pp.469 - 475

최희수 , 정채호 (울산대 대학원 전기공학부) , 최성진

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Using impedance matching techniques as a way to increase system power transferability in capacitive wireless power transmission has been widely investigated in conventional studies. However, these techniques tend to increase the circuit volume and thus counterbalance the advantage of the simplicity in the energy link structure. In this paper, a compact circuit topology with one leakage-enhanced transformer is proposed in order to minimize the circuit volume for the capacitive power transfer system. This topology achieves a reactive compensation, and the system quality factor value can be reduced by the turn ratio. As a result, this topology not only reduces the overall system volume but also minimizes the voltage stress of the link capacitor. An optimal design guideline for the leakage-enhanced transformer is also presented. The advantages of the proposed scheme over the conventional method in terms of power efficiency and circuit volume are revealed through an analytic comparison. The feasibility of applying the new topology is also verified by conducting 50 W hardware tests.

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문제 정의

본 논문의 목적은 전계결합형 무선전력전송 시스템에서 부피를 가장 절감한 토폴로지를 제안하는 것이다. 제안 토폴로지는 시스템 부피 저감이 필요한 TV와 포터블 전자장비와 같은 100W급 이하 중소형 어플리케이션에 주안점을 두었다.
여기서 ① 인덕터를 수신부로 옮기고 ③ 변압기와 결합한 구조를 합치면 누설집중형 변압기(LET)구현이 가능하다. 누설집중형 변압기란 변압기의 누설 성분을 극대화 시킨 변압기로 ① 인덕터는 누설집중형 변압기의 누설성분으로 대체 가능하다는 점에 착안하여 본 논문에서는 수신부에만 임피던스 정합용 누설집중형 변압기(Leakage-enhanced Transformer, LET)를 사용하는 임피던스 정합 구조를 제안한다.
본 논문은 전계결합형 무선전력전송 시스템에서 변압기의 누설성분을 극대화 시킨 누설집중형 변압기를 이용한 임피던스 정합을 통해 마그네틱 부피를 가장 절감한 토폴로지를 제안하였다. 다른 토폴로지에 비해 공진에 사용된 마그네틱 소자가 적게 마그네틱 리액턴스 보상을 할 수 있을 뿐만 아니라 설계절차도 비교적 간단하다는 장점을 가지고 있고 시스템의 공진양호도가 턴비에 제곱 배 만큼 줄어들기 때문에 링크 캐패시터에 걸리는 전압 스트레스도 적다.

가설 설정

각 토폴로지의 공정한 비교를 위해 송신부 및 수신부 그리고 링크 캐패시턴스 값은 동일하며 캐패시터 손실은 없다고 한다. 그림 2(a)에 제시된 변압기는 이상적인 변압기로 누설 및 자화 인덕턴스는 고려하지 않은 단순 물리적 턴 비(N)만을 가지고 있다고 가정하며 출력 전력(P_o)과 공진주파수(f_o)는 모두 동일하다. 각 매칭 회로를 살펴보면 ①+② 구조의 경우 변압기 턴 비가 시스템 공진양호도에 아무런 영향을 미치지는 않지만 수신부에 리액턴스 보상을 위한 마그네틱 소자가 없어 수신부 부피가 작다는 장점이 있다.
5A), 송·수신부를 이어주는 링크 캐패시터(Clink)의 값은 1nF이고 입력전압(V_in)은 150V 로 선정하였다. 여기서 커플링 계수는 0.99라 가정하였다. 3장의 설계절차에 따르면 전압 이득 M=1/1.
그림 7은 선정 한 값을 기준으로 PSIM 시뮬레이션 한 결과이다. 시뮬레이션은 모든 조건을 이상적이라고 가정하고 진행하였다.

제안 방법

이러한 제품의 배터리 충전을 위해 무선전력전송이 필요하며 본 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다^[1]-[3]. 본 논문은 무선전력전송 방식 중 누설자기장으로 인한 손실 및 금속물 영향 등의 문제가 적은 전계결합형 무선전력전송(C-WPT)을 사용한다. 전계결합형 시스템은 송신부와 수신부 사이를 연결시켜주는 매개체가 코일이 아닌 그림 1과 같이 두 개의 도체로 구성된 링크 캐패시터로 구성되어 구조가 간단한 점이 가장 큰 장점이라고 할 수 있다.
이러한 단점을 해결하기 위해 LCLC 보상회로가 나왔는데 이는 송·수신부를 모두 통틀어서 총 8개의 소자를 사용하므로 설계가 다소 복잡하다는 단점이 있다^[6]. 최근 발표된 회로구조를 표 1과 같이 LLC 보상 구조^[7], 양방향 LC 보상 구조^[8], CLC 보상 구조^[9] 총 3가지 토폴로지로 정리하였다. 여기서 [7]의 LLC 보상구조의 경우 높은 출력 이득과 턴온 손실을 감소시키기 위해 2개의 인덕터를 사용한 4.
본 논문의 목적은 전계결합형 무선전력전송 시스템에서 부피를 가장 절감한 토폴로지를 제안하는 것이다. 제안 토폴로지는 시스템 부피 저감이 필요한 TV와 포터블 전자장비와 같은 100W급 이하 중소형 어플리케이션에 주안점을 두었다. 토폴로지를 제안하기에 앞서서 먼저 직렬 공진형 컨버터를 이용한 토폴로지에서 임피던스 정합용 변압기 위치를 이동시켜 각 토폴로지를 2장에서 비교하여 새로운 임피던스 정합구조를 도출한다.
제안 토폴로지는 시스템 부피 저감이 필요한 TV와 포터블 전자장비와 같은 100W급 이하 중소형 어플리케이션에 주안점을 두었다. 토폴로지를 제안하기에 앞서서 먼저 직렬 공진형 컨버터를 이용한 토폴로지에서 임피던스 정합용 변압기 위치를 이동시켜 각 토폴로지를 2장에서 비교하여 새로운 임피던스 정합구조를 도출한다. 3장에서는 회로의 동작원리를 설명하고, 누설집중형 변압기의 최적 설계절차를 제시한다.
그림 2(b)는 앞서 언급한 설계 기준을 토대로 임피던스 정합 구조를 설계한 결과이다. 각 인덕터와 변압기의 코어 사이즈는 면적 곱(A.P)식을 이용해 선정하였고 마그네틱 손실을 고려해 최적 설계를 하였다. 결과를 보면 마그네틱 손실 면에서 ①+③구조가 ①+②구조의 약 32% 수준이고 마그네틱 부피 면에서 ①+③구조가 ①+②구조의 약 9% 수준으로 결과적으로 ①+③구조가 가장 좋은 정합 구조임을 도출하였다.
여기서 손실 최적설계를 위해 변압기의 Δ값을 조금씩 변화시켜가며 손실이 가장 낮은 지점을 찾아 설계한다.
정당한 비교를 위해 각 토폴로지는 제안 토폴로지와 모든 조건을 동일하게 하였다. 먼저 각 토폴로지의 공진 주파수는 300KHz이며 스위칭 주파수도 일치하게 설계하였다. 그리고 입력전압은 150V, 출력은 50W(100V/0.
5A), 링크 캐패시터는 1nF이다. 송신부와 수신부 역시 제안 토폴로지와 마찬가지로 송신부는 풀브리지 인버터, 수신부는 다이오드 정류기를 사용하였고 그리고 각 인덕터는 제안 토폴로지와 마찬가지로 손실 최적설계를 하였다.
이러한 기준을 토대로 그림 6(a)는 각 토폴로지별 부피 분석을 한 결과이고 그림 6(b)는 손실 분석을 한 결과이고 그림 6(c)는 에너지 송·수신에 사용되는 링크 캐패시터 전압 스트레스 분석을 한 결과이다. 각 부피 및 손실 분석에서 임피던스 정합용 캐패시터 부피 및 손실 은 고려하지 않았으며 각 소자의 값은 [7],[8],[9]에 제시된 설계 방법을 준수하였다. [7]의 경우 토폴로지 목적에 맞게 L₁은 시스템 공진, L₂는 시스템 ZVS를 위해 설계하였으며 [8]의 경우 L₁과 L₂ 모두 시스템 공진에 맞게 설계하였으며 C₁과 C₂의 경우 [8]에서 제시한 시스템 이득 식에 의거하여 정하였고, [9]의 경우 각 소자의 전압 스트레스 최저 지점을 선정하여 각 인덕터 및 캐패시터의 값을 선정하였다.
제안 토폴로지를 검증하기 위해 시뮬레이션 및 하드 웨어를 진행하였다. 목표 출력 전력(P_o)은 50W, 부하 저항(RL)은 200Ω(100V/0.

대상 데이터

링크 캐패시터는 각각 가로 600mm 세로 600mm 아크릴판 안에 가로 500mm 세로 500mm 2개의 동판으로 구성되어 있고 2개의 동판 사이의 이격 거리는 3mm로 이격물질로는 유전상수(εr)가 공기(εr=1)보다 높은 유리 (εr=3∼5)를 사용하였다.
그림 8(a)는 실제 하드웨어 사진이다. 여기서 송신부는 MOSFET은 Cree사의 C3M0065090D을 사용하였고 수신부 다이오드는 Cree사의 C3D16060D를 사용하였다. 링크 캐패시터는 각각 가로 600mm 세로 600mm 아크릴판 안에 가로 500mm 세로 500mm 2개의 동판으로 구성되어 있고 2개의 동판 사이의 이격 거리는 3mm로 이격물질로는 유전상수(ε_r)가 공기(ε_r=1)보다 높은 유리 (ε_r=3∼5)를 사용하였다.

데이터처리

3장에서 제시한 설계 결과를 토대로 표 1에 제시된 기존 토폴로지와 비교 분석을 하였다. 정당한 비교를 위해 각 토폴로지는 제안 토폴로지와 모든 조건을 동일하게 하였다.

이론/모형

여기서 Ae는 코어 단면적, A_w는 권선 면적, A_cu는 권선 단면적, B_max는 코어의 최대 자속밀도로 Steinmetz 방정식^[11]을 이용해서 구할 수 있으며, K_f는 파형계수로 4의 값을 사용하고, K_u는 채우기 비율로 0.6의 값을 사용하며, J_rms는 최대 전류밀도로 500A/cm²을 사용한다.
LET의 코어 손실은 앞서 언급한 Steinmetz 방정식을 이용해서 구한다. 권선 손실의 경우 구리의 표피깊이와 Dowell 곡선 식^[12]을 이용해 권선손실을 계산한다.
LET의 코어 손실은 앞서 언급한 Steinmetz 방정식을 이용해서 구한다. 권선 손실의 경우 구리의 표피깊이와 Dowell 곡선 식^[12]을 이용해 권선손실을 계산한다. 여기서 손실 최적설계를 위해 변압기의 Δ값을 조금씩 변화시켜가며 손실이 가장 낮은 지점을 찾아 설계한다.
상세한 설계 스펙과 결과는 표 2에 나와 있다. 변압기의 측정방법은 Agilent사의 LCR 미터기 4263B를 사용하였다. 그림 8(c)는 하드웨어 구동 결과이다.

성능/효과

P)식을 이용해 선정하였고 마그네틱 손실을 고려해 최적 설계를 하였다. 결과를 보면 마그네틱 손실 면에서 ①+③구조가 ①+②구조의 약 32% 수준이고 마그네틱 부피 면에서 ①+③구조가 ①+②구조의 약 9% 수준으로 결과적으로 ①+③구조가 가장 좋은 정합 구조임을 도출하였다. 여기서 ① 인덕터를 수신부로 옮기고 ③ 변압기와 결합한 구조를 합치면 누설집중형 변압기(LET)구현이 가능하다.
여기서 제안 토폴로지와 비교에 사용된 마그네틱 소자인 인덕터의 경우 각 논문에서 특별한 설계 절차가 주어지지 않으면 코어 데이터시트 기반 손실 최적 설계를 하였다^[13]. 그 결과 마그네틱 부피는 제안 토폴로지가 기존 토폴로지 중 가장 부피가 큰 토폴로지의 약 33% 수준임을 확인할 수 있고 마그네틱 손실의 경우 [8] 토폴로지와 유사한 수준으로 제안 토폴로지가 기존 토폴로지 중 가장 손실이 큰 토폴로지 의 약 38% 수준임을 확인할 수 있고 링크 캐패시터 전압 스트레스의 경우 기존 토폴로지 중 가장 전압 스트레스가 큰 토폴로지의 약 44% 수준임을 확인할 수 있다.
실측 결과 Clink1은 2.11nF, Clink2는 2.01nF이 나왔다.
그림에서 서브하모닉오실레이션은 링크 캐패 시터의 기생 인덕터와 누설집중형 변압기의 기생 캐패 시터가 공진해서 나타난 것이다. 하드웨어 구동 시 공진 주파수는 약 367KHz로 설계치보다 상향 조정 되었는데, 이는 LET 설계 후 실측 결과 직렬 공진 인덕터(Lr)의 값이 예상 값보다 작게 나와서 공진주파수가 다소 높게 설정된 것으로 판단된다. 그리고 시스템 효율은 송신 DC로부터 수신 DC까지의 효율로 설계 목표 전력인 50W일 때 약 83%를 달성하였다.
하드웨어 구동 시 공진 주파수는 약 367KHz로 설계치보다 상향 조정 되었는데, 이는 LET 설계 후 실측 결과 직렬 공진 인덕터(Lr)의 값이 예상 값보다 작게 나와서 공진주파수가 다소 높게 설정된 것으로 판단된다. 그리고 시스템 효율은 송신 DC로부터 수신 DC까지의 효율로 설계 목표 전력인 50W일 때 약 83%를 달성하였다.
하드웨어를 제작하기에 앞서 기존 토폴로지와 부피 및 손실을 비교 분석 하였는데 그 결과 제안 토폴로지가 기존 토폴로지 중 마그네틱 부피, 손실, 링크 캐패시터 전압스트레스가 가장 큰 토폴로지의 약 33%, 38%, 44% 수준임을 확인할 수 있었다. 여기서 각 토폴로지의 임피던스 정합용 캐패시터의 부피 및 손실은 고려하지 않았는데 이를 고려하면 제안 토폴로지가 손실 및 부피면에서 더 작아진다.
여기서 각 토폴로지의 임피던스 정합용 캐패시터의 부피 및 손실은 고려하지 않았는데 이를 고려하면 제안 토폴로지가 손실 및 부피면에서 더 작아진다. 50W급 하드웨어를 구동한 결과 설계 목표 전력일 때 효율이 약 83% 임을 확인하였다. 제안 토폴로지는 마그네틱 부피가 가장 절감된 토폴로지로 한정된 공간에서의 무선전력전송 시스템에 매우 유용한 토폴로지가 될 것으로 판단된다.

후속연구

50W급 하드웨어를 구동한 결과 설계 목표 전력일 때 효율이 약 83% 임을 확인하였다. 제안 토폴로지는 마그네틱 부피가 가장 절감된 토폴로지로 한정된 공간에서의 무선전력전송 시스템에 매우 유용한 토폴로지가 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유도 리액턴스인 인덕터를 직렬로 연결해 보상하는 방법의 문제점은?	하지만, 여타의 공진형 회로와 같이 시스템의 원활한 전력전송을 위해서는 임피던스 정합이 필요하므로 기존의 전계결합형 무선전력전송 논문에서는 송·수신부를 이어주는 링크 캐패시터의 용량 리액턴스를 보상하기 위한 다양한 방법을 제시한 바 있다. 먼저 단순히 유도 리액턴스인 인덕터를 직렬로 연결해 보상하는 방법이 있는데[4] 이 방법의 경우 인덕터가 모든 용량 리액턴스를 상쇄시키기 때문에 인덕터 크기가 크며 전반적으로 시스템의 공진양호도 Q가 커서 부하변동에 따른 출력변화가 민감할 뿐만 아니라 링크 캐패시터의 전압 스트레스도 상당히 크다는 문제점이 있다. 다른 방법으로는 LCL 보상 토폴로지가 있는데 이 역시 [4]와 동일하게 인덕터가 커서 회로 부피가 크다는 단점이 있다[5].
	전계결합형 시스템의 장점은?	본 논문은 무선전력전송 방식 중 누설자기장으로 인한 손실 및 금속물 영향 등의 문제가 적은 전계결합형 무선전력전송(C-WPT)을 사용한다. 전계결합형 시스템은 송신부와 수신부 사이를 연결시켜주는 매개체가 코일이 아닌 그림 1과 같이 두 개의 도체로 구성된 링크 캐패시터로 구성되어 구조가 간단한 점이 가장 큰 장점이라고 할 수 있다.
	마그네틱 부피를 가장 절감한 토폴로지의 장정믄?	본 논문은 전계결합형 무선전력전송 시스템에서 변압기의 누설성분을 극대화 시킨 누설집중형 변압기를 이 용한 임피던스 정합을 통해 마그네틱 부피를 가장 절감한 토폴로지를 제안하였다. 다른 토폴로지에 비해 공진에 사용된 마그네틱 소자가 적게 마그네틱 리액턴스 보상을 할 수 있을 뿐만 아니라 설계절차도 비교적 간단 하다는 장점을 가지고 있고 시스템의 공진양호도가 턴 비에 제곱 배 만큼 줄어들기 때문에 링크 캐패시터에 걸리는 전압 스트레스도 적다.

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원문보기 상세보기
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상세보기
C. W. T. Mclyman, Transformer and Inductor Design Handbook, 4th ed., CRC Press, 2011

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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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