손호인
(Ho-In Son)
†
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Wireless Power Transfer, LED, Push-Pull Converter
1. 서 론
1.1 연구의 배경
산업용 LED 작업등에 케이블을 이용하여 전력을 공급하는 경우 이동성의 제약이나 선 꼬임 등의 물리적인 문제가 발생한다. 그림 1은 AC형 LED 작업등의 파손 사례를 보여주고 있다.
케이블을 가지고 있는 AC형 LED 작업등은 산업현장에서 케이블의 소손으로 인한 교류전원의 단락 등으로 인한 산업재해가 발생되고 있고, 습한 여름철
장
Fig. 1. Case of breakage of an AC-type LED lamp
마기간에는 감전 및 아크로 인한 위험이 더 높아지게 된다. 또한 교류전원 케이블을 전원 공급지로부터 길어지게 되면 전선의 길이도 길어지게 되며, 작업자가
작업 이동 간 육체적 피로가 높아지게 되어 안전문제를 야기하게 된다.
1.2 연구의 목적 및 방법
산업현장과 같은 복잡한 환경에서 장비의 이동성이 필요한 경우 무선전력 전송(Wireless Power Transfer, WPT) 기술의 접목은 자유로운
이동성과 편의를 제공하여 작업의 능률 향상과 산업의 안전에 기여할 수 있다(1). 전자기파를 이용하여 무선으로 전원을 공급하기 위한 연구는 테슬라에 의해 제안된 이후 지금까지 꾸준히 연구가 진행되어 왔다(2). 무선으로 전력을 전달하는 방법은 크게 자기유도 방식, 자기 공명 방식, 전자기파(Radio Frequency) 전송 방식으로 구분할 수 있다(3). 송·수신 코일 간 전자기유도 현상을 이용하여 무선으로 전력을 전송하는 자기유도 무선전력 전송 방식은 근거리 전력전송이 용이하기 때문에 가전제품
및 전기자동차용 무선 충전기에 많이 적용되고 있다(4). 무선 전력 전송의 핵심이 되는 송·수신 코일은 일반 변압기에 비해 자기적 결합이 약해 누설인덕턴스의 증가로 인해 시스템의 정격이 크게 증가할 수
있다. 따라서 WPT 시스템은 통상적으로 커패시턴스 성분을 포함한 네트워크를 구성하여 송·수신 코일의 큰 누설인덕턴스를 보상한다(5-7).
본 연구에서는 산업 현장에서 사용되는 LED 작업등에 무선으로 전력을 공급할 수 있는 무선전력전송 시스템을 구현하고자 한다. 본 연구에서 제안한 DC형
LED 작업등용 무선전력전송 시스템의 구성은 그림 2와 같다.
Fig. 2. Configuration of the WPT System for a DC-type LED Lamp
DC형 LED 작업등용 무선전력전송 시스템은 송신부와 수신부로 구성되어 있다. 본 연구에서는 효율 및 가격적인 면을 모두 고려하여 Push-Pull
공진 컨버터를 선정하였다. 여기서 송신코일을 포함한 WPT Push-Pull형 공진 컨버터는 송신부에 구성되며, 수신 코일을 포함한 WPT Push-Pull형
공진 컨버터의 정류기부, 배터리, 배터리 관리(Battery Management, BM) 컨버터 및 LED 작업등은 수신부에 구성되어 있다. 무선전력전송
시스템에서 가장 중요한 부분은 송·수신 코일과 배터리를 충전하는 전력모듈이다.
본 연구에서는 송·수신 코일 및 전력 모듈을 설계하였다. 또한 50[W]급 DC형 LED 작업등용 무선전력 시스템을 제작하여 제안한 시스템의 성능을
검증하였다.
2. 무선전력전송 시스템 설계
2.1 송·수신 코일부 설계
그림 3은 무선전력전송 시스템에 적용된 송·수신 코일이다. 휴대폰용 무선충전기에는 원형 및 각형의 코일을 대부분 사용하고 있다(7). 이러한 코일들은 상용제품에 많이 사용되고 있지만, 권선 변경이나 에너지 전달 효율성이 떨어지기 때문에 본 연구에서는 자속 집중형 코일을 선정하였다.
Fig. 3. Transmission and receiving coils for a WPT
코일의 자속 포화를 피하기 위해서 자화 곡선의 선형 영역에서 동작 되어야 되기 때문에 최대 허용자속밀도 $B_{\max}$는 식(1)과 같이 계산할 수 있다.
여기서 $V_{in}$은 입력전압이고, $k_{f}$는 사인파일 때 4.44, 구형파일 때 4 이다. 코일의 권선수는 자속인 전압과 시간에 대한 전류의
변화이므로 식(2)와 식(3)을 적용하여 1차 및 2차 권선수를 산출하였다.
여기서 $V_{out.\max}$은 최대출력전압, $D$는 듀티 사이클이다. 송·수신 코일의 포화 및 턴 수 변경에 따른 특성 분석을 위하여 유한요소
해석을 진행하였다.
Fig. 4. The mesh for transmitting and receiving coil
Fig. 5. Distribution of magnetic flux density
Fig. 6. Magnetic flux direction and circuit
유한요소 해석 정밀도 확보를 위한 Mesh의 경우 무선전력전송임을 감안하여 공극 부분을 그림 4와 같이 세밀하게 분할하였다. 여기서 입력전원은 정현파 기준 24[V]이고, 턴 수는 1차 측은 30턴, 2차 측은 36턴으로 하였다. 그림 5는 시간에 따른 자속 밀도 분포이고, 그림 6는 자속방향 및 자로이다.
시간에 따른 자속밀도 분석을 통해서 코일의 포화특성을 분석하였고 자속의 최대 유기 전압 분포시 자속의 포화가 발생하지 않는 것을 알 수 있다.
2.2 송·수신 전력 모듈 설계
그림 7은 집중형 송·수신 코일을 가지고 있는 무선전력전송 시스템에 사용된 Push-Pull 공진형 컨버터를 보여주고 있다.
Fig. 7. Push-Pull resonant converter
입력전원 $V_{in}$으로부터 리플이 적은 정전류를 공급하기 위해 직류 리액터 $L_{d1}$, $L_{d2}$가 연결되어 있고, 스위치 $S_{1}$,
$S_{2}$는 자기소호기능을 가지고 있는 MOSFET를 사용하였고, $L_{p}$는 공진용 인덕터이고, $C_{p}$는 공진용 커패시터이다. 그리고
송·수신 코일은 무선 전력전송 및 전기적으로 절연용으로 사용되고, 출력 다이오드 $D_{1}\sim D_{4}$는 전파정류를 통해 직류 출력을 얻고
있다.
그림 8은 Push-Pull 공진형 컨버터의 주요 파형이다. 여기서 $S_{1}$, $S_{2}$는 스위칭의 게이팅 신호이고, $V_{s1}$, $V_{s2}$는
스위칭 양단 전압이다. 스위칭 $S_{1}$, $S_{2}$의 스위칭 주파수 $f_{s}$와 공진주파수 $f_{r}$의 대소 관계에 의해 결정된다.
만약 스위칭 주파수 $f_{s}$가 공진주파수 $f_{r}$보다 낮은 경우 스위치 양단의 기생커패시터는 충전 후 방전을 시작하고, 다음 스위치가 턴-온
될 때까지 영으로 유지되는 시간이 존재하여 용량성 부하로 동작된다. 그리고 스위칭 주파수 $f_{s}$가 공진 주파수 $f_{r}$와 같은 경우 스위칭
양단의 기생 커패시터가 충전 후 방전하여 다음 스위치 턴-온 되기 직전에 영으로 된다. 스위칭 주파수 $f_{s}$가 공진주파수 $f_{r}$보다
높을 경우 스위치 양단전압이 충전 후 완전히 방전되기 전에 다음 스위치가 턴-온 되어 스위치 양단전압이 단락에 의해 강제적으로 방전하는 유도성 부하로
동작한다.
Fig. 8. Key waveform of Push-Pull resonant converter
3. 무선전력전송 시스템 실험
제안한 50[W]급 DC형 LED 작업등용 무선전력전송 시스템의 동작 타당성을 검증하기 위해 그림 9와 같이 제작하였다.
Fig. 9. The WPT system for a DC-type LED lamp
넓은 배터리 전압에서 안정적인 동작을 확보하기 위한 주요 설계 파라메타는 표 1과 같다.
Table 1. Design considerations of a WPT
|
Parameter
|
Value
|
|
DC-link voltage, Vdc
|
24[V]
|
|
Output power, Po
|
50[W]
|
|
Output voltage, Vo
|
20∼26[V]
|
|
Resonant frequency, fr
|
23[kHz]
|
그림 10은 변압기의 1차측 공진 전압 및 전류를 보여주고 있다.
Fig. 10. The primary-side voltage and current of voltage
그림 11은 무선충전용 LED 작업등의 출력 리플 전압의 성분을 보여주고 있다.
Fig. 11. Ripple of output voltage for a WPT
여기서 출력전압은 22.6[V]로 제어가 되고, 출력 리플 전압은 0.78[V]로 3.45[%]이다.
그림 12는 무선충전용 LED 작업등의 배터리 사용시간을 보여주고 있다. 24[V]의 전압을 가진 배터리를 입력으로 하고 부하 전류를 1.2[A]로 연속적으로
흐르게 하여 배터리 전압이 18[V]에 도달 시까지의 시간을 측정하였다. 배터리 사용시간은 2시간 09분을 사용하였다.
Fig. 12. The using time of battery for a WPT
무선전력전송효율은 송신측과 수신측에 갭을 주고서 전력분석기를 이용하여 최대 효율을 측정하였다. 여기서 사용되는 전력분석기는 WT3000이고, 무선전력전송효율은
85.5[%]이다.
4. 결 론
본 연구에서는 무선충전이 가능한 50W급 DC형 LED 작업등을 제안하였다. 배터리에 충전하기 위한 전력모듈은 Push-Pull 공진형 컨버터를 사용하였고,
송·수신 코일은 자속 집중형을 사용하였다. 본 회로는 스위치의 양단전압이 영인상태에서 턴-온 및 턴-오프가 되므로 스위칭 주파수를 증가시켜 수동소자의
부피를 줄일 수가 있었다. 실제 무선충전이 가능한 50[W]급 LED 작업등을 설계하여 성능을 검증하였다. 검증 결과 출력 리플 전압은 5[%] 이하인
3.45[%]를 만족하였다. 더욱이 전원이 공급되지 않는 상태에서 배터리만을 이용하여 2시간 이상의 점등이 가능하였고, 무선전력전송 효율은 85[%]
이상을 얻었을 수 있었다.
References
Boyce Peter R., 2003, Human Factors in Lighting, 2nd Edition, Lighting Research Center
Heerwagen J. H., Heerwagen D. R., 1986, Lighting and psychological comfort, Lighting
Design and Application, Vol. 16, No. 4
Cuttle C., 1983, People and windows in workplaces, in: Proceedings of the People and
Physical Environment Research Conference, Wellington, New Zealand, pp. 203-212
Woo D. G., 2015, Optimal design and control strategy of inductive power transfer charging
system for electric vehicles, Ph.D dissertation, Dept. Elect. Eng., Sungkyunkwan Univ.,
Suwon
Zahid Z. U., Cong Z., Rui C., Faraci W. E., Jih-Sheng L., Senesky M., 2013, Design
and control of a single-stage large air-gapped transformer isolated battery charger
for wide-range output voltage for EV applications, in Energy Congress and Exposition(ECCSE),
2013 IEEE, pp. 5481-5487
Kim M. A., Park H. P., Jung J. H., Aug 2016, Design methodology of 500W wireless power
transfer converter for high power transfer efficiency, The Transactions of Korean
Institute of Power Electronics, Vol. 21, No. 4, pp. 356-363
Covic G. A., Boys j. T., Jun 2013, Inductive power transfer, Proc. IEEE, Vol. 101,
No. 6, pp. 1276-1289
Moon Y., Kang S., Kim G., Im S., Oct 2011, Technology trend and implementations for
mobile WPT, The Journal of Electronics and Information Engineers, Vol. 38, No. 10,
pp. 26-34
Biography
He received his Ph.D. degree in electrical engineering from Mokpo university. He is
a professor with the school of electrical engineering, Korea Polytechnic.
His research interests are power system design, analysis and education.