[논문]3 kW 무선 전력전송을 위한 전력 변환기 회로 특성

황락훈; 나승권; 김진선; 강진희

doi:10.12673/jant.2020.24.6.566

3 kW 무선 전력전송을 위한 전력 변환기 회로 특성
The Power Converter Circuit Characteristics for 3 kW Wireless Power Transmission 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.24 no.6, 2020년, pp.566 - 572

황락훈 (세명대학교 전기공학과) , 나승권 (한국폴리텍대학 원주캠퍼스 전기제어학과) , 김진선 (세명대학교 전기공학과) , 강진희 (세명대학교 전기공학과)

초록
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무선 전력전송기에서 두 유도 코일 사이의 무선 전력전송 특성과 영향에 대해서 알아보고, 무선 전력전송 기술을 이용한 전력변환기 회로와 배터리 충·방전기 회로를 제안한다. 무선 전력전송기 및 무선 충전기의 장점은 기존의 플러그인 탑재형 유선 충전기(OBC; on-board charger) 대신 무선으로 전력을 전송하여 배터리에 전력 충전 시 사용자가 외부에서 전원을 연결 시키지 않고 무선으로 충전할 수 있는 점이다. 또한 무선충전의 이점은 2차 측 정류기의 회로와 수신 코일을 사용하여 에너지 효율 향상 효과를 가져올 수 있으나, 대용량의 원거리 무선충전 방식은 전송거리에 대한 한계가 있어 현재 많은 연구가 진행되고 있다. 비 접촉 방식의 전력 전송기의 전력을 전송 할 수 있는 송신부 인 1차측 코일과 수신부인 2차측 코일 및 하프브리지(half bridge) 직렬공진 컨버터를 적용한 무선 전력전송장치의 송신부 회로와 수신부 회로의 연구를 목적으로 무선충전시스템의 전력전송거리 향상을 위한 새로운 토폴로지를 적용하고, 각각의 거리에 따른 실험을 통해 8 cm 전송거리에서 출력 3 kW 일 때, 최대 효율(95.8%)을 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In a wireless power transmitter, the characteristics and effects of wireless power transmission between two induction coils are investigated, and a power converter circuit and a battery charger/discharger circuit using wireless power transmission technology are proposed. The advantage of wireless power transmitters and wireless chargers is that, instead of the existing plug-in-mounted wired charger (OBC; on-board charger), the user can wirelessly charge the battery without connecting the power source when charging power to the battery. There is. In addition, the advantage of wireless charging can bring about an energy efficiency improvement effect by using the secondary side rectifier circuit and the receiving coil, but the large-capacity long-distance wireless charging method has a limitation on the transmission distance, so many studies are currently being conducted. The purpose of the study is to study the transmitter circuit and receiver circuit of a wireless power transmission device using a primary coil, a secondary coil, and a half bridge series resonance converter, which can transmit power of a non-contact type power transmitter. As a result, a new topology was applied to improve the power transmission distance of the wireless charging system, and through an experiment according to each distance, the maximum efficiency (95.8%) was confirmed at an output of 3 kW at an 8 cm transmission distance.

주제어

표/그림 (16)

그림 그림 1. 유도 기전력을 이용한 전력 전달 방식 Fig. 1. Power transfer using electromotive force.
그림 그림 2. 교류에 의한 자기 유도 Fig. 2. Magnetic induction by ac.
그림 그림 3. 리니어 레귤레이터 회로 및 출력 전압 파형 Fig. 3. Linear regulator basic circuit and output voltage waveform.
그림 그림 4. 전력 변환 기술의 분류 Fig. 4. Classification of power transfer technologies.
그림 그림 5. Resonant forward converter 기본 회로 및 동작파형 Fig. 5. Resonant forward converter basic circuit and operation waveform.
그림 그림 6. 스위치에 따른 공진형 컨버터 회로 및 동작파형 Fig. 6. Resonant converter circuit and operation waveform.
그림 그림 7. 직·병렬 공진형 컨버터의 등가회로 및 이득 특성 곡성 Fig. 7. Equivalent circuit and gain characteristics curve of a series-parallel resonant converter.
그림 그림 8. 직·병렬 공진형 컨버터와 부스트 컨버터 구성 회로도 Fig. 8. Circuit diagram of series-parallel resonant converter and boost converter
그림 그림 9. 무선 전력 전송 송신부 회로도 Fig. 9. Wireless power transfer Tx circuit diagram.
그림 그림 10. 무선 전력 전송 수신부 회로도 Fig. 10. Wireless power transfer Rx circuit diagram.
그림 그림 11. 충전전류 3 A, 4 A 시 Tx공진캡전압, 입력전류, 충전전류, Rx게이트 전압(전송거리 8 cm) Fig. 11. Tx resonant cap voltage, input current, charging current, Rx gate voltage (transmission distance 8 cm) when charging current 3 A, 4 A.
그림 그림 12. 충전전류 6 A, 7 A시 Tx공진캡전압, Tx게이트전압, 입력전류, 출력전류(전송거리 8 cm) Fig. 12. Tx resonant cap voltage, input current, charging current, Rx gate voltage (transmission distance 8 cm) when charging current 6 A, 7 A.
그림 그림 13. 충전전류 7 A시 Tx스위치전압, Tx공진전류, Rx공진전류(전송거리 8 cm) Fig. 13. Tx switch voltage, Tx resonant current, Rx resonant current (transmission distance 8 cm) at 7 A charging current.
그림 그림 14. 충전전류 6 A, 7 A시 Tx게이트전압, Tx공진전류, Rx공진전류(전송거리 8 cm) Fig. 14. Tx gate voltage, Tx resonant current, Rx resonant current (transmission distance 8 cm) at 6 A, 7 A charging current.
그림 그림 15. 무선통신 모듈의 mode change 및 지연시간 Fig. 15. Mode change and delay time of wireless communication module.
그림 그림 16. 비 접촉 전력전송 시스템 설계 Fig. 16. Wireless power transfer circuit.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 비 접촉 방식의 전력전송기의 전력을 전송 할 수 있는 송신부 인 1차측 코일과 수신부인 2차측 코일 및 하프 브리지(half bridge) 직렬공진 컨버터를 적용한 무선 전력전송 장치의 송신부 회로와 수신부 회로의 연구를 목적으로 무선충전시스템의 전력전송거리 향상을 위한 새로운 토폴로지를 적용하여 이를 검증하는 것이다[10]-[17].
본 논문에서는 제안된 구조의 토폴로지를 적용한 무선전력전송 충 ‧ 방전기의 프로토 타입을 제작하여 실험을 진행하였다. 입력 및 출력전압은 400 Vdc이며 최대 효율은 각 거리에 따라 최대 부하 3 kW에서 측정되었으며 최대효율은 95.

제안 방법

1단 구조의 주파수 가변형 LLC 공진형을 적용한 3 kW급 무선전력전송 충 ‧ 방전기의 프로토타입을 제작하여 실험을 진행하였다. 무선전력전송을 위한 이격거리는 8 cm일 때, 최대효율은 풀 부하 시 95.
현재 제품에 적용 가능한 기술 수준의 1, 2차 측간 간격은 (전력량에 따라 차이가 있지만, 3 kW전력 기준) 5 mm∼10 mm 정도를 한계점으로 하며 그 이상의 간격이 벌어질 경우에는 전력 전달은 이루어지나 전력 효율이 급격히 떨어지므로 실용성이 없다[18]-[19]. 2개의 코일을 감은 장치를 만들고, 자기로부터 전류를 만드는 시험을 한다. A는 1차 측에 코일을 나타내며, B는 유도되는 2차측 코일을 나타낸다.
무접점 전력 전달 시 실험 제품의 기구적으로 1차 및 2차 측이 맞닿는 부분의 면적을 최대한 활용하면, 제품에 따라 코일의 크기는 달라질 수 있다. 그러므로 리쯔 와이어의 가닥 수, 동선 굵기, 턴 수 등을 바꾸어 인덕턴스를 맞춰 설계를 하였으며, 1차 손실을 줄이고 2차 측 쇄교 자속을 높이기 위해 코일에 차폐지(shield sheet)를 부착하여 자로를 만들어 주었다.
직렬 공진 커버 터 회로는 출력 전압을 제어하기 위해 굉장히 높은 스위칭 주파수가 요구 되며, 병렬 공진 컨버터 회로는 1차 측에 공진 커패시터가 병렬로 위하기 때문에 임피던스 매칭을 위하여 2 차 측에 인덕터가 추가해야 하는 단점을 가지고 있다. 따라서 여러 개의 회로를 검토 후 직 ‧ 병렬 공진형 컨버터의 토폴로지 및 제어방식을 이용하였다.
좌측에 보이는 사진은 송신단 내부 회로 사진이며, 우측에 보이는 사진은 수신단 내부회로 사진이다. 송신단과 수신단의 스위치가 오프상태가 되어 송신단 혹은 수신단으로 에너지가 전달이 이뤄지지 않아 시스템 안정도를 높일 수 있도록 알고리즘을 구현하였다.
코일 간에 각각의 특성들에 따른 회로 설계 및 장비 설치가 필요하여, 먼저 전력을 보낼 수 있는 송신부 및 받아들이는 수신부를 설계하였다. 그림 9는 하프브리지(half-bridge)를 통한정류기 회로를 설계하였다.

대상 데이터

그림 7은 등가회로를 보여준다. 공진탱크는 Ls, Cs, Cp로 구성된다. 직‧병렬 공진회로의 공진 탱크는 직렬과 병렬 공진회로의 공진탱크의 조합으로 고려될 수 있다.
있다. 구조는 스위치의 전류 스트레스가 매우 크므로 반도체 스위치는 FET(field effect transistor) 사용하지 않고 IGBT(insulated gate bipolar transistor)를 사용하였으며 IGBT는 스위칭 손실이 커서 고속 스위칭을 할 수 없기 때문에 스위칭 주파수는 57 kHz의 고정주파수를 사용하였다.
나선형 코일의 경우 전력 효율 특성을 향상시키기 위해 리쯔 와이어 형태의 코일을 사용하였다. 무접점 전력 전달 시 실험 제품의 기구적으로 1차 및 2차 측이 맞닿는 부분의 면적을 최대한 활용하면, 제품에 따라 코일의 크기는 달라질 수 있다.

성능/효과

입력 및 출력전압은 400 Vdc이며 최대 효율은 각 거리에 따라 최대 부하 3 kW에서 측정되었으며 최대효율은 95.8%(8 cm 전송거리), 93.4% (16 cm 전송거리), 88.5% (20 cm 전송거리) 로측정되었다. 위 실험으로 무선전력전송 기술을 이용한 다양한 방법을 활용할 수 있는 것을 실험을 통하여 확인 할 수 있었으며, 앞으로 전송거리 증가 시에 따른 최적의 설계가 필요하며, 효율 개선 방안으로 무선전력용 인덕턴스의 도통 손실을 줄이는 방안에 대해서는 연구가 지속적으로 이루어져야 한다.

후속연구

5% (20 cm 전송거리) 로측정되었다. 위 실험으로 무선전력전송 기술을 이용한 다양한 방법을 활용할 수 있는 것을 실험을 통하여 확인 할 수 있었으며, 앞으로 전송거리 증가 시에 따른 최적의 설계가 필요하며, 효율 개선 방안으로 무선전력용 인덕턴스의 도통 손실을 줄이는 방안에 대해서는 연구가 지속적으로 이루어져야 한다.

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L. H. Hwang, S. K. Na, S. H. Oh, "Characteristic pcs of inverter by boost converter of pv generation," Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 22, No. 6, pp. 644-664, 2018.

저자의 다른 논문 :

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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