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문제 정의
- 본 논문에서는 1~2cm의 공극을 가지는 무선 에너지 전송시스템의 누설 인덕턴스의 영향을 줄이기 위해 양단 공진을 제안하였고. 양단 공진을 이용한 인버터 회로의 설계 과정을 제시하였으며, 설계된 무선 에너지 전송시스템을 이용하여 실험을 진행한 결과는 위에서 제시하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 전압 이득과 전류 이득을 높이고 누설 인덕턴스의 영향을 줄이기 위해 주파수를 고정한 상태에서 전송시스템에 양단 공진을 사용하였다. 컨버터의 크기를 최대한으로 줄이기 위한 실험의 하나로 리쯔와이어를 이용한 코어의 크기를 여러 가지로 설정하여 실험을 진행하였다.
- 양단 공진을 사용하였다. 컨버터의 크기를 최대한으로 줄이기 위한 실험의 하나로 리쯔와이어를 이용한 코어의 크기를 여러 가지로 설정하여 실험을 진행하였다.
- 그리고 전송된 에너지를 이용 할 리튬이온전지 충전 회로를 설계, 제작 후 삽입하여 안정성 및 효율에 대해서도 측정한다.
- 인버터회로의 스위치 소자(RMOSFET)을 구동하기 위해서 100kHz의 스위칭 주파수를 선택하였다. 스위칭 주파수롤 발생시키기 위해서 비안정 멀티바이브레이터(NE555)롤 사용하였고, 듀티비는 50%로 하여 200kHz의 구형파를 발진시켰다.
- 스위칭 주파수를 선택하였다. 스위칭 주파수롤 발생시키기 위해서 비안정 멀티바이브레이터(NE555)롤 사용하였고, 듀티비는 50%로 하여 200kHz의 구형파를 발진시켰다. 발진된 구형파는 TTL7476에 입력되어서 주파수를 2분주 하여서 스위칭 소자에 공급된다.
- 양단 공진 회로의 전압이득과 전류 이득을 분석하고 공진의 효과를 최대한 활용하여 전압 어득과 전류 이득을 높이기 위한 L 2차측 공진 주파수와 스위칭 주파수는 100kH- z에 최대햔 가깝게 고정시켰다. 양단 공진회로는 전압 이득과 전류 이뜩을 높이기 위해서 두 개의 커패시터를 무선 에너지 전송 시스템의 L 2차측 누설 인덕턴스에 각각 직렬로 연결한다.
- 본 논문에서는 L차와 2차측 코일의 직경을 3가지로 설계를 하였다. 1차측과 2차측 코일의 직경이 각각 M&m와 7cm, 8cm 와 6cmf 그리고 5.
- 1차측과 2차측 코일의 직경이 각각 M&m와 7cm, 8cm 와 6cmf 그리고 5.5cm와 4cm로 제작하였다. 직경의 크기를 3 가지로 한 이유는 코일의 직경에 따른 2차측의 이득을 알아보기 위해서이고, 인체에 삽입하기 위해서 최소화하려면 코일의 직경에 따른 효율에 관한 실험을 해야 하기 때문이다.
- 직경의 크기를 3 가지로 한 이유는 코일의 직경에 따른 2차측의 이득을 알아보기 위해서이고, 인체에 삽입하기 위해서 최소화하려면 코일의 직경에 따른 효율에 관한 실험을 해야 하기 때문이다. 그리고 코일의 직경이 10cm와 7cm로 제작한 코일은 턴수를 1차측과 2차측 각각 20턴, 25턴과 14턴 21턴의 호종류로 제작하였고, 턴 수에 따른 2차측의 이득에 관해서도 실험을 실시하였다.
- 쇼트키 배리어 다이오드(Schottky Barrier Diode)를 이용하여 2차 코일로부터 유입되는 교류전원을 직류전원으로 변환하는 풀 브릿지 정류 컨버터회로를 채택하였다. 쇼트키 배리어다이오드를 이용한 이유는 일반 다이오드에 비해서 소자가 동작할 때 사용하는 전압을 절반정도로 낮추어 주어서 소모잔력을 처소화 할 수 있고 고속특성을 이용하는 고주파 정류희로에 많이 쓰이기 때문이다.
- 본 논문에서도 BQ2057칩을 이용하여 정전류 충전방식과 정전압 충전방식을 같이 사용하였고 충전 초기에는 정전류 충전방식을 사용하여 충전 전류를 단계적으로 높여가며 급속 충전을 진행시키고, 전지의 전압이 80%이상 충전되면 충전 전류를 단계적을 줄이며 충전 말기에는 정전압 충전방식으로 나머지 용량을 마무리시키는 방식을 사용하였다.
- 전송에 사용된 코어는 4종류이고, 각각의 실험에 대한결과를 그래프를 이용하여서 표현하였다. 실험은 공극의 거리 따른 전압과 전류를 측정하여 전압 이득과 전류 이득을 측할 수 있었고, 공극의 거리는 접해있을 때를 0cm라고 상정고 0cm, 0.4cm, 0.8cm, 1.0cm, 1.2cm, 1.6cmz 2.0cm으로 하 측정을 하였다. 그리고 인체에 대입했을 경우를 상정하여 극에 워터팩을 삽입하여 위의 실험을 다시 실시하였다.
- 0cm으로 하 측정을 하였다. 그리고 인체에 대입했을 경우를 상정하여 극에 워터팩을 삽입하여 위의 실험을 다시 실시하였다. 워 팩을 사용한 이유는 피부의 투자율과 워터팩의 투자율이 거 같기 때문에 사용을 하였고, 피부의 투자율은 공기의 투자 과도 거의 같다.
- 위의 실험결과를 바탕으로 하여 무선 에너지 전송시스템의력 효율을 그래프를 이용하여 표현하였다.
- 효율은 입력 전압에 대한 출력 전압의 비로써 %를 이용하서 표현을 하였다.
- 그림 4는 1차측과 2차측의 공극에 관해서 정의를 내리기 해서 표현한 그림이다. 수직 공극에 관해서 실험을 진행한 수평 공극에 관한 실험을 실시하였다. 그림 5, 7은 공극에룐 전압, 전류의 출력값을 이용하여 효율 그래프를 그린 것 다.
- 양단 공진을 이용한 인버터 회로의 설계 과정을 제시하였으며, 설계된 무선 에너지 전송시스템을 이용하여 실험을 진행한 결과는 위에서 제시하였다.
- 인공심장용 무선 에너지 전송시스템은 체내에 삽입되는 부분어 존재하기 때문에 전체 시스템의 소형화가 가장 필요한 부분이고, 또 소형화를 하였을 때에도 전송 효율에 있어서 밚은 차이를 보이지 않아야 한다, 그런 문제에 대한 고찰을 위하여 코어의 크기와 턴수를 조정하는 실험을 함으로써, 코어의 소형화를 위한 실혐을 실시하였으며, 코어의 크기와 턴 수에 따른 각각 효율을 측정하여 최대한의 에너지를 전솧할 수 있는 코어틀 선택하여 위에 제시하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 위에서 언급한 누설 인덕턴스의 영향을 줄이기 위해 풀-브릿지 회로룔 사용한 양단 직렬 공진 희로를 채택하였다. 양단 공진 회로의 전압이득과 전류 이득을 분석하고 공진의 효과를 최대한 활용하여 전압 어득과 전류 이득을 높이기 위한 L 2차측 공진 주파수와 스위칭 주파수는 100kH- z에 최대햔 가깝게 고정시켰다.
성능/효과
- 그림 5는 코어 1을 이용하였을 때의 공극에 따른 전압, 전이 출력값을 이용한 효율 그래프이다. 코어 1보다 리쯔와이익 감은 희수룔 많은 코어를 사용하였을 때보다 효율에 있서 약간의 저하가 있었지만 큰 차이로 나타나지는 않았다. 극이 없을때부터 1cm까지는 60%정도의 효율을 유지하게지만 공극이 1cm를 넘게 되면 효율이 많이 떨어지게 되는 그 이유는 자화 인덕턴스3)이 작아져서 순환 전류가 커배 되어 2차측으로 전송되는 에너지의 효율이 줄어들게 된다.
- 9의 실험을 종합한 결과 2차측으로 전송되는 에너지의 양을 최대한으로 하면서 인체에 삽입되는 부분의 면적을 최소한으로 줄이기 위한 코어의 크기는 1, 2차측 각각 8cm에 6cm이고,턴수논 14턴과 21턴이라는 것을 실험결과를 통하여 알 수 있었다.
후속연구
- 향후 과제로는 2차코일의 자체 크기나 이식된 피부 두께를 고려하여 인공심장의 평균 부하 조건에서 최적의 코일 턴 수와 크기, 인덕던스를 갖도록 설계할 수 있도록 하며, 코일간의 전송 시 발생되는 손실을 줄이기 위해서는 내부 저항을 최소화해야 하므로, 사용한 리쯔와이어의 가닥 수가 현재보다 중가 될 경우 코일 내부에서 소모되는 손실을 줄일 수 있어, 향후 전송 효율이 개선 될 수 있을 것이다. 그리고 인체에 대입하였을 경우의 효율을 측정하기 위한 워터팩실험을 실시하여, 기쫀 공극에서 실시한 실험과 같은 효율을 유지하는 것을 알았지만.
- 효율적인 문제에 관한 고찰일 뿐 실제 인체에 대입하였을 때의 문제, 즉 체내에 삽입된 무선 에너지 전송시스템의 온도로 인한 주변 온도의 상승으로 인한 피부괴사에 관한 부분과 체내 삽입된 희로의 장기간 매립에 의해 2차측 코어와 회로 주변의 조직 변화를 주기적으로 관찰하여 재료의 변성으로 인한 선송 효율의 관계에 대해서도 관찰을 실시하여야 하지만, 아직 실제 생체에 대입하여 실험을 실시하지 못한 관계로 위의 실험에 관계된 사항은 아직 확인을 할 수가 없었다. 그러보로 무선 에너지 전송시스템을 생체에 대입하여 실험을 하기 위해 훨씬 더 많은 모의 실험을 통하여 인쳬 적합성 여부 및 전체 시스템의 안정성들을 고려한 실험 결과들의 고찰이 팔요할 것이다.
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