[논문]가변 임피던스 정합기를 이용한 전자기유도방식의 무선전력전송에서의 최적전송에 대한 연구

김대욱; 임은석; 최상돈; 이종식; 최대규; 정윤도

[국내논문] 가변 임피던스 정합기를 이용한 전자기유도방식의 무선전력전송에서의 최적전송에 대한 연구
The Study on optimal transfer regarding Wireless power transmission using a variable impedance matcher 원문보기

김대욱 ((주)뉴파워프라즈마) , 임은석 ((주)뉴파워프라즈마) , 최상돈 ((주)뉴파워프라즈마) , 이종식 ((주)뉴파워프라즈마) , 최대규 ((주)뉴파워프라즈마) , 정윤도 (수원과학대학교)

본 논문에서는 400kHz 10kW RF Source와 최대전력전달을 하기 위해 가변임피던스 정합기를 이용하여 파워 소스를 준비하였고, 송수신코일은 EE71형태의 페라이트코어에 테프론 와이어를 결선하여 구성하였다. 본 연구에서는 MF대역의 주파수를 이용하므로 자기유도방식을 채택하였다. 무선전력전송에서는 최대로 전력이 전달하기 위하여 송수신 코일과 부하간에 임피던스 매칭이 필수적으로 필요하다. 매칭이 원할하지 않을 경우 RF Source에 반사전력이 반사되어 심각한 손상을 발생할 수 있으며, 수신부 코일의 부하단에 최대로 전력이 전달되지 않을 뿐만 아니라 전체 시스템 효율이 나빠지게 된다 본 연구에서는 임피던스 정합기를 이용하여 자기유도방식에서 최적의 송수신 전송 조건을 도출하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 반도체 공정에 사용되어지는 임피던스 정합기를 이용하여 자기유도방식의 무선전력전송에 적용하여 임피던스 매칭이 되었을 경우와 아닐 경우의 전력효율을 측정하였고, 임피던스 매칭의 효과를 입증하였다.

제안 방법

전체 실험은 그림 3과 같이 구성하였다. RF Generator의 출력을 측정하기 위해 RF POWER METER(BIRD Inc, MODEL 4421)을 이용하여 순방향 전력과 역방향 전력을 측정하였다. 또한 임피던스 변환기를 통해 증폭된 전압을 측정하기 위해 고전압 프로브(Lecroy PPE20kV)를 이용하여 송신코일에 전달되는 전압 값을 측정하였고, 수신부 안테나 측에는 전달된 전력을 측정하기 위해 차동전압 프로브(Lecroy ADP300)와 전류프로브((Lecroy CP150)를 이용하여 전압, 전류를 측정하였다.
그림 4와 같이 실험은 송신코일과 수신코일을 마주보게 하고, 임피던스 정합기를 사용하지 않을 경우와 임피던스 정합기를 사용했을 때 수신부에 전달된 전력 효율을 측정하였다.
RF Generator의 출력을 측정하기 위해 RF POWER METER(BIRD Inc, MODEL 4421)을 이용하여 순방향 전력과 역방향 전력을 측정하였다. 또한 임피던스 변환기를 통해 증폭된 전압을 측정하기 위해 고전압 프로브(Lecroy PPE20kV)를 이용하여 송신코일에 전달되는 전압 값을 측정하였고, 수신부 안테나 측에는 전달된 전력을 측정하기 위해 차동전압 프로브(Lecroy ADP300)와 전류프로브((Lecroy CP150)를 이용하여 전압, 전류를 측정하였다. 수신안테나에 연결된 부하원으로는 100W 백열전구를 사용하였다
본 논문에서는 400kHz의 RF 전력을 발생시키는 10kW Generator, 10kW급 임피던스 정합기, 투자율 μi⩷1000정도의 EE71 형태로 되어진 코어로 구성되어진 송수신 코일, 부하단으로 구성하여 실험을 진행하였다.
본 실험에 사용된 임피던스 정합기는 반도체 공정에 사용되는 장비인데, RF 전력을 효율적으로 전달하는 것은 무선전력전송에도 동일하게 적용되므로 본 실험에 적용하였다. 기본 개념은 다음과 같다.
임피던스 정합기의 기본 원리는 RF 파워로부터 들어오는 RF 의 전압값과 전류값을 측정하여 두 신호를 비교한다. 즉 50Ω이 되려면 전압값과 전류 파형의 위상값이 ‘0’이 되어야 하고, 그 크기의 비가 V:I=50:1이 되어야 된다.
자기유도방식은 우리가 흔히 이용하는 변압기와 같은 구조로 되어 있으며 동작원리도 유사하다. 제안하는 시스템에서는 그림 1과 같이 등가회로로 나타낼 수 있으며, 다른 시스템과 달리 임피던스 정합기를 추가하였다.

대상 데이터

또한 임피던스 변환기를 통해 증폭된 전압을 측정하기 위해 고전압 프로브(Lecroy PPE20kV)를 이용하여 송신코일에 전달되는 전압 값을 측정하였고, 수신부 안테나 측에는 전달된 전력을 측정하기 위해 차동전압 프로브(Lecroy ADP300)와 전류프로브((Lecroy CP150)를 이용하여 전압, 전류를 측정하였다. 수신안테나에 연결된 부하원으로는 100W 백열전구를 사용하였다

후속연구

본 시스템을 kW급의 대용량 무선전력전송에 적용한다면 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이라 여기며, 자기공명방식의 임피던스 매칭 시스템에도 또한 적용이 가능하리라 본다. 자기공명 방식은 공진점이 민감하게 변하므로 자기 유도방식에 비해 실시간적으로 정합기능이 필요하리라 보고, 향후 정합방법에 대한 연구가 더 필요하리라 여겨진다.
본 시스템을 kW급의 대용량 무선전력전송에 적용한다면 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이라 여기며, 자기공명방식의 임피던스 매칭 시스템에도 또한 적용이 가능하리라 본다. 자기공명 방식은 공진점이 민감하게 변하므로 자기 유도방식에 비해 실시간적으로 정합기능이 필요하리라 보고, 향후 정합방법에 대한 연구가 더 필요하리라 여겨진다.
자기유도방식이 공명방식에 비해서 거리의 제약은 다소 있으나 전자파 장애 문제가 적고, 가전제품에 대해서 현재 상용화가 추진되고 있어, 향후 디지털 무선기기에서 무선 충전 시스템이 적용되리라 본다. RF 전력을 전원부에서 부하단으로 공급할 때 상호간의 임피던스가 다를 경우 공급파워는 모두 전달되지 않고 일부 전원부로 돌아오게 되는데 이를 전력손실이라고 한다.

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