배진용
(Jin-Yong Bae)
†iD
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Key Words
Resonant characteristics, Switching characteristics, Wireless power transfer (WPT), Zero-voltage switching (ZVS)
기호설명
Cr1：
Primary resonant capacitor
Cr2：
Secondary resonant capacitor
Crs：
Series resonant capacitor
Crp：
Parallel resonant capacitor
C0：
Output capacitor
Cs1：
Parallel capacitor of switch 1
Cs2：
Parallel capacitor of switch 2
Ds1：
Anti-parallel diode of switch 1
Ds2：
Anti-parallel diode of switch 2
Ds3：
Anti-parallel diode of switch 3
Ds4：
Anti-parallel diode of switch 4
fn：
Normalized frequency
Ip：
Transmitter(Tx) coil current
Is1：
Current of switch 1
Is2：
Current of switch 2
Llk1：
Transmitter(Tx) coil leakage inductor
Llk2：
Receiver(Rx) coil leakage inductor
Lm：
Magnetizing Inductor
Lr1：
Primary resonant inductor
Lr2：
Secondary resonant inductor
Lp：
Transmitter(Tx) coil
Ls：
Receiver(Rx) coil
M：
Mutual Inductance
Mg：
Voltage gain
n：
Turns ratio
Np：
Transmitter(Tx) coil turn
Ns：
Receiver(Rx) coil turn
R0：
Load resistor
Rac：
Equivalent AC load resistance
S1, S2, S3, S4：
Switch 1, 2, 3, 4
D1, D2, D3, D4：
Diode 1, 2, 3, 4
Tx：
Transmitter
Rx：
Receiver
Q：
Quality factor (Q-factor)
Vab：
Voltage of the transmitter(Tx) coil
Vgs1,2：
Gate voltages of switches 1 and 2
Vgs3,4：
Gate voltages of switches 3 and 4
Vin：
Input voltage
Vs1：
Voltage of switch 1
Vs2：
Voltage of switch 2
μr：
Permeability
ω0：
Resonant angular frequency
ωx：
Normalized angular frequency
1. 서 론
스마트 폰, 노트북, 태블릿 PC, LED 조명 및 디스플레이 패널 등 디지털 및 모바일 기기는 급속 충전과 무선 전력 전송 (WPT) 시스템을 바탕으로
하는 편의성을 요구하고 있다[1-
4]. 공기 매체가 포함된 무선 전력 전송 (WPT) 시스템은 송신기(Tx) 코일과 수신기(Rx) 코일 사이가 오(誤)정렬되면 전력전송 성능이 감소한다[5-
8]. 무선 전력 전송 시스템은 전력 전송 거리의 한계점을 뛰어넘으면서 유연성을 확장시키기 위한 연구가 진행되었다[6,
10]. 스마트 기기의 효과적인 무선 충전은 수평적인 플럭스 분석과 수직적인 플럭스 분석을 통하여 해석할 수 있다[1]. 수신기(Rx) 코일의 자유로운 배치를 위해서 송신기(Tx) 코일과 수신기(Rx) 코일 사이의 오(誤)정렬을 공차를 높게 배치해야 한다. 최적의
WPT 시스템의 설계는 송신기(Tx) 코일에서 발생되는 플럭스의 방향과 수직적으로 수신기(Rx) 코일을 배치시키는 것을 연구하였다[1-
14].
Hui [1]는 휴대용 전자제품을 위한 평면 충전 기반의 플랫폼과 최초의 무선전력 규격 Qi에 대한 정의와 발전방향을 제시하였다.
Zhang [2], Okasili [3] 및 Tran[4]는 인덕티브 기반의 무선 전력 전송 시스템에 대한 SS, SP, PS, PP, Double LC, Double LCL, Double LCC 보상회로,
Mutual Inductance, Coupling Factor에 대하여 기술적 동향을 살펴보았다. 아울러 WPT 시스템에서 코일의 배치에 대하여 Circular
Coil, Planar Square Coi, DD Coil. Bi-Polar Pad, DDQ Coil, Solenoid Coil의 구조적 발전에 대하여
비교 및 분석하였다.
Kraus et al. [5]는 임피던스 기반 방법을 이용한 상호 운용 가능한 무선 전력 전송 시스템의 설계 방법을 새롭게 제안하였다. 이는 전기자동차 충전에 있어서 송신부(Tx)
코일과 수신부(Rx) 코일의 상태에 따른 임피던스 평면을 이용한 무선 전력 전송 시스템의 설계 방법을 소개하였다.
Bilal et al. [6]은 누설 자기장과 피상 전력의 측정을 바탕으로 에어 갭(Air-Gap)을 극대화하기 위해 중간 패드의 최적 배치를 연구하였다.
Zhong et al. [7] 및 Liu et al. [8]은 오(誤)정렬에 덜 민감하고, 전송 성능을 향상시키기 위하여 2개의 직교 코일을 3D로 연결시키며, 복수의 주 전력 흐름을 가지는 방법에 대하여
제안하였다.
Mahesh et al. [9] 전기자동차에서 동적인 무선충전을 위해서 하프브리지(Half-bridge) 멀티 레그 컨버터 기반으로 LCCS 공진을 제안하고, 공진점을 기반으로
주파주 제어를 통해서 출력을 제어하는 전기자동차 무선충전 실험을 수행하였다.
Mohanty et al. [10]은 무선전력 전송거리 증가 시 효율 급감, 출력전력 감소 및 수신단 정렬 오차(Misalignment)에 민감함을 방지하기 위하여 송신부(Tx) 및
수신부(Rx) 코일 사이에 부하코일(Load Coil)을 배치하는 무선전력 회로를 설계하였다.
스마트 전자기기에서 Hui et al. [11] 및 Zhong et al. [12]은 육각형으로 포장된 1차 권선 어레이의 단일 레이어를 기반으로 휴대용 소비자 전자 장비를 위한 범용 비접촉식 배터리 충전 플랫폼을 제안하였다.
Li et al. [13]은 Spiral 코일과 Planar 코일이 결합된 Spiral Add Planar(SAP) 권선의 송신부(Tx) 코일을 새롭게 설계하였다. 상기 SAP
코일의 내부에 복수의 수신부(Rx) 코일을 배치하여 복수의 부하와 2-D 자유 배치의 무선 전력 전송이 가능하게 하였다.
Chen et al. [14]는 전기자동차용 유도 전력 전달 시스템의 S-S 및 LCCL-S 보상 토폴로지에 대하여 비교하였다. Wu et al. [15]는 무선 전력 전송 기능을 갖춘 풀-브리지 LLC 컨버터의 공진 특성에 대하여 분석하였으며, Xia et al. [16]은 부하 및 상호 인덕턴스 불확실성을 고려한 듀얼 LCL 컨버터에 대하여 해석하였다. Samanta et al. [17]은 유도성 무선 전력 전송 애플리케이션을 위한 전류 공급 하프 브리지(C)(LC)-(LC) 공진 토폴로지를 설계하였다. Twiname et al.
[18]은 공진 CLC 네트워크를 갖춘 이중(듀얼) 액티브 풀-브리지에 대하여 해석하였다. Dong et al. [19]는 LCL 조정 유도 전력 전송(IPT) 시스템의 최적 제어를 연구하였다. Kim et al. [20], You et al. [21]은 LC 및 LLC 공진에 대한 특성을 해석하였다.
본 연구에서는 평판형 페라이트(Ferrite) 쉬트(Sheet)를 기반으로 자화 인덕턴스($L_m$)을 증가시킨 무선 전력 전송 시스템(WPT)의
모드별 해석, 공진특성, 스위칭 특성을 분석하고자 한다. 제안된 무선 전력 전송 시스템은 4개의 스위치 소자로 구성된 풀-브리지(Full-Bridge)
컨버터 시스템에서 무선 전력 전송을 위한 장치의 최적 설계를 추구하고자 한다. 이를 위하여 첫째, 이론적인 동작파형 및 모드별 기반으로 스위칭 특성을
분석하고, 둘째, LC-LC 공진 보상 회로의 등가 회로를 바탕으로 영전압 스위칭(ZVS) 및 영전류 스위칭(ZCS) 영역과 자화 인덕턴스($L_m$)
및 부하에 따른 전압이득 특성을 MATLAB 프로그램으로 해석하였으며, 셋째 제안된 시스템에 대해서 PSIM 시뮬레이션과 실험결과와 비교함을 통하여,
200 W급 무선 전력 전송 시스템 최적의 설계과정에 대하여 논의하고자 한다.
2. 무선 전력 전송 시스템
2.1. 제안된 무선 전력 전송 시스템
Fig. 1은 제안된 무선 전력 전송 시스템의 주요 회로도를 나타낸다. 제안된 무선 전력 전송 시스템은 입력전원($V_{in}$)에 4개의 MOSFET 스위치가
풀-브리지(Full-Bridge) 방식으로 연결하였다.
Fig. 1. Proposed wireless power transfer system
무선전력 전송을 위하여 원형의 송신부($T_x$) 코일과 수신부($R_x$) 코일은 변압기와 동일하게 배치된다. 아울러 변압기의 1차측에는 『공진
인덕터 $L_{r1}$ –공진 커패시터 $C_{r1}$』 및 2차측에는 『공진 인덕터 $L_{r2}$ –공진 커패시터 $C_{r2}$』의 LC-LC
직렬공진 보상 회로를 구비하고 있으며, 변압기 2차측에는 정류 다이오드가 풀-브리지(Full-Bridge)로 배치되어 정류회로 및 출력단 커패시터($C_o$)를
구성하고 있다.
Fig. 2. Theoretical operation waveform of the proposed WPT system
2.2. 이론적인 동작파형 및 모드별 특성 분석
Fig. 2는 본 논문에서 제안하는 무선 전력 전송 시스템의 이론적인 파형을 제시하며, Fig. 3은 모드별 전류 흐름을 나타낸다.
Fig. 3. Classification by mode of the proposed WPT system
1) 모드1 : $t_0 \le t \le t_1$
모드1은 스위치 $S_1$및 $S_2$가 동시에 턴온(Turn-on)되는 구간이며, 공진 인덕터 $L_{r1}$ 및 $L_{r2}$에 의해서 역기전력이
발생한다. 상기 공진 인덕터 $L_{r1}$은 공진 커패시터 $C_{r1}$과 공진하며, 스위치 $S_1$ 및 $S_2$의 역병렬 다이오드 $D_{S1}$
및 $D_{S2}$를 도통시키게 된다. 따라서 스위치 $S_1$과 $S_2$는 모두 영전압 스위칭(ZVS) 조건을 만족시키며 턴온(Turn-on)하는
모드로 동작하게 된다. 모드1에서 공진 인덕터 $L_{r1}$ 및 $L_{r2}$에 의해서 스위치 $S_1$과 $S_2$가 영전압 스위칭(ZVS)
조건을 만족시키며 턴온(Turn-on) 및 송신부($T_x$) 코일 및 수신부($R_x$) 코일의 변압기를 통해서 출력 단으로 전력이 전달되는 구간이다.
2) 모드2 : $t_1 \le t \le t_2$
모드2는 스위치 $S_1$과 $S_2$가 동시에 영전압 스위칭(ZVS)에서 턴온(Turn-on) 하며, 『송신부($T_x$) 코일의 누설 인덕터 $L_{lk1}$
- 공진 인덕터 $L_{r1}$ - 공진 커패시터 $C_{r1}$』과 공진하며, 이를 수신부($R_x$) 코일에서 전력을 받아서 수신부($R_x$)
코일의 『누설 인덕터 $L_{lk2}$ - 공진 인덕터 $L_{r2}$ - 공진 커패시터 $C_{r2}$』의 공진을 통해서 주 전력이 입력전원($V_{in}$)에서
출력측으로 전달되는 모드이다. 상기 모드2에서 변압기 전류, 공진 인덕터 $L_{r1}$의 전압 및 공진 커패시터 $C_{r1}$의 전압은 식(1) 내지 식(3)과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, $C_{eq} = \dfrac{C_{r1} C_{r2}}{C_{r1} + C_{r2}}$
$L_{eq} = L_{r1} + L_{r2} + L_{lk1} + L_{lk2}$
3) 모드3 : $t_2 \le t \le t_3$
모드3은 스위치 $S_1$과 $S_2$가 동시에 턴 오프(Turn-off) 되는 구간이며, 공진 인덕터 $L_{r1}$ 및 $L_{r2}$는 역기전력에
의해서 극성을 바꾸며, 따라서 스위치 $S_1$과 $S_2$의 스위치 커패시터 $C_{S1}$ 및 $C_{S2}$를 충전시키는 구간이다. 아울러 공진
인덕터 $L_{r1}$ 및 $L_{r2}$의 역기전력은 출력측 정류 다이오드 $D_1$ 및 $D_2$의 흐름을 지속하게 하여 전력을 전달하는 구간이다.
4) 모드4 : $t_3 \le t \le t_4$
모드4는 스위치 $S_1$과 $S_2$가 동시에 턴 오프(Turn-off)하는 상태에서 공진 인덕터 $L_{r1}$ 및 $L_{r2}$에서 생성된
역기전력에 의해서 스위치 $S_1$과 $S_2$의 스위치 커패시터 $C_{s1}$ 및 $C_{s2}$가 모두 충전되면, 모드4가 시작된다. 공진 인덕터
$L_{r1}$ 및 $L_{r2}$의 역기전력은 스위치 $S_3$과 $S_4$의 스위치 커패시터 $C_{s3}$ 및 $C_{s4}$를 방전시키는 구간이다.
따라서 주 스위치의 안정한 영전압 스위칭(ZVS) 동작을 위하여 공진 인덕터 $L_{r1}$ 및 누설인덕터 $L_{lk1}$에 저장되는 에너지는 스위치
커패시터($C_{s1} \sim C_{s4}$)와 송신부($T_x$) 코일 및 수신부($R_x$) 코일의 기생 커패시터를 충ㆍ방전할 수 있도록 설계하여야
한다. 즉 공진 인덕터 $L_{r1}$ 및 누설인덕터 $L_{lk1}$에 저장된 에너지가 식(4)를 만족하며, 이 경우 실제적인 영전압 스위칭(ZVS) 동작이 만족스럽게 이루어진다.
여기서,
$C_{mos}$ : 일반적인 스위치 커패시터 ($C_{s1} \sim C_{s4}$)
$C_{Tx}$ : 송신부($T_x$) 코일의 권선간 커패시터 (기생 커패시터)
5) 모드5 : $t_4 \le t \le t_5$
모드5는 스위치 $S_3$과 $S_4$가 동시에 턴온(Turn-on)이 시작되는 구간이며, 공진 인덕터 $L_{r1}$ 및 $L_{r2}$에 의해서
역기전력이 생성된다. 상기 공진 인덕터 $L_{r1}$은 공진 커패시터 $C_{r1}$과 공진하며, 스위치 $S_3$ 및 $S_4$의 역병렬 다이오드
$D_{S3}$ 및 $D_{S4}$를 도통시키게 된다. 따라서 스위치 $S_3$와 $S_4$는 모두 영전압 스위칭(ZVS) 조건을 만족시키며 턴온(Turn-on)
하는 모드로 동작하게 된다. 상기 모드5에서 공진 인덕터 $L_{r1}$ 및 $L_{r2}$에 의해서 스위치 $S_3$와 $S_4$가 영전압 스위칭(ZVS)
조건을 만족시키며 턴온(Turn-on) 및 송신부($T_x$) 코일 및 수신부($R_x$) 코일의 변압기를 통해서 출력 측으로 전력이 전달되는 구간이다.
6) 모드6 : $t_5 \le t \le t_6$
모드6은 스위치 $S_1$과 $S_2$가 동시에 영전압 스위칭(ZVS)에서 턴온(Turn-on) 하며, 『송신부($T_x$) 코일의 누설 인덕터 $L_{lk1}$
- 공진 인덕터 $L_{r1}$ - 공진 커패시터 $C_{r1}$』과 공진하며, 이를 수신부($R_x$) 코일에서 전력을 받아서 수신부($R_x$)
코일의 『누설 인덕터 $L_{lk2}$ - 공진 인덕터 $L_{r2}$ - 공진 커패시터 $C_{r2}$』의 공진을 통해서 주 전력이 입력전원($V_{in}$)에서
출력측으로 전달되는 구간으로 모드2와 180도 위상차로 동작하는 구간이다. 모드6에서 변압기 전류, 공진 인덕터 $L_{r1}$의 전압 및 공진 커패시터
$C_{r1}$의 전압은 모드2와 동일하며, 식(1) 내지 식(3)과 같이 나타낼 수 있다. 이상은 제안된 무선 전력 전송 시스템의 반주기 동작에 해당하며 나머지 반주기는 상기의 과정과 동일하다.
2.3. 제안된 무선 전력 전송 시스템의 공진특성 분석
Fig. 4는 무선 전력 전송(WPT) 시스템의 공잔보상 회로를 나타낸다. 상기 보상 회로는 송신부($T_x$) 코일을 중심으로 한 보상 분석을 목표로 한다.
제안된 무선 전력 전송 시스템은 송신부($T_x$) 코일과 수신부($R_x$) 코일은 권선비($n$)가 $20 : 20$의 구조를 채택하고 있다.
따라서 송신부($T_x$) 코일은 기본적으로 LC-LC 공진으로 제안된 무선 전력 시스템에 대하여 최적의 보상 회로 설계가 요구되고 있다.
Fig. 4. LC–LC compensation circuit
Fig. 5. AC equivalent circuit of LC–LC resonance compensator
본 논문에서 직렬 공진 커패시터($C_{rs}$) 없이 병렬 공진 커패시터($C_{rp}$)를 사용한 실험도 수행했다. 그러나 직렬 공진 커패시터($C_{rs}$)가
없으면, 누설 인덕터($L_{lk}$)에 대한 적절한 보상이 어렵기 때문에 제안된 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 공진 전력이 전송되지 않는 한계가
있음을 확인하였다. 제안된 무선 전력 전송 시스템에서 입력 및 출력 요구 사항을 만족하기 위하여 공진 보상 회로의 최적 설계가 요구되고 있다.
Fig. 5는 LC-LC 공진 보상기에서 AC 등가 회로를 나타낸다. 상기 LC-LC 공진 보상 회로의 특성을 분석하기 위해 전원, 부하, 자화 인덕터($L_m$),
송신부($T_x$) 코일의 누설 인덕턴스($L_{lk1}$), 수신부($R_x$) 코일의 누설 인덕턴스($L_{lk2}$)를 포함하는 등가회로를 나타낸다.
권선비 $n = \dfrac{N_P}{N_S} = 1$ 이므로 식(5),(6)의 관계가 성립한다.
따라서, 입력 전압과 출력 전압을 기준으로 등가 부하 저항($R_{ac}$)은 식(7)과 같이 표현할 수 있다.
Fig. 5(b)는 권선비($n = \dfrac{N_P}{N_S} = 1$)를 고려한 LC-LC 공진 보상기 등가 회로를 나타내며, ($R_{ac}$)'는 식(8)과 같이 나타낸다.
Fig. 5(c),(d)로부터 $C_{eq}$ 및 $L_{eq}$는 식(9),(10)과 같이 정의된다.
Fig. 5(d)는 LC-LC 공진 보상기의 전압 이득 $M_g$는 식(11)로 정의할 수 있다.
여기서,
$X_{Leq} = \omega L_{eq}$, $X_{Ceq} = \dfrac{1}{\omega C_{eq}}$, $X_m = \omega L_m$
따라서 LC-LC 공진 시 전압 이득 $M_g$는 다음의 식(12) 내지 식(14)와 같이 정규화 할 수 있다.
여기서
- 첨예도 : $Q = \dfrac{\omega_0 L_{eq}}{R_{ac}} = \dfrac{1}{\omega_0 C_{eq} R_{ac}}$
- 공진 각주파수 : $\omega_0 = \dfrac{1}{\sqrt{L_{eq} C_{eq}}}$
- 정규화 각주파수 : $\omega_x = \dfrac{\omega}{\omega_0}$
- 정규화 주파수 : $f_n = \dfrac{\omega_x}{2\pi}$
따라서, LC-LC 공진 보상기의 전달 함수는 위의 특정 매개변수를 이용하여 식(15) 내지 식(17)과 같이 정규화 할 수 있다.
여기서, $m = \dfrac{L_m + L_{eq}}{L_{eq}} = \dfrac{L_m}{L_{eq}} + 1$, $\dfrac{L_m}{L_{eq}}
= m - 1$ 로 치환하면,
Fig. 6은 첨예도 Q에 따른 LC-LC 공진 컨버터의 이득 특성을 비교한 것이다. LC-LC 공진 컨버터의 이득 특성은 동작 모드에 따라 두 영역으로 구분할
수 있다. 이득 곡선의 최고점 왼쪽 영역은 영전류 스위칭(ZCS) 영역(또는 용량성 영역)으로, 오른쪽 영역은 영전압 스위칭(ZVS) 영역(또는 유도성
영역)으로 구분된다. LC-LC 공진 변환기의 작동은 영전압 스위칭(ZVS) 영역에서 작동하도록 보장되어야 하며, 영전류 스위칭(ZCS) 영역으로
진입하지 않도록 해야 한다. 식(12) 내지 식(17)에서 $|M_g|$는 $\dfrac{8}{\pi^2} = 0.81$이므로 부하가 증가함에 따라(저항 값이 감소함에 따라) 전압 이득 $M_g$의 최대값은
0.81이 된다.
Fig. 6. Comparison of LC-LC resonance characteristics using MATLAB (Lm = 55μH)
Fig. 7. Gain curve of the LC-LC resonant converter according to frequency using MATLAB
본 논문에서 LC-LC 공진 특성은 중부하 및 고부하 조건에서 기본적으로 매우 유사한 경향을 보인다. 하지만, 경부하 조건에서는 차이가 있음이 확인되었다.
Fig. 7은 MATLAB 프로그램을 사용하여 주파수에 따른 LC-LC 공진 변환기를 나타낸다. 본 논문에서 LC-LC 공진 변환기는 부하 저항값이 감소함에
따라(중부하) 전압 이득 $M_g$가 감소하고, 부하 저항값이 증가함에 따라(경부하) 전압 이득 $M_g$가 증가하는 경향을 나타낸다. Fig. 7을 참조하면, LC-LC 공진 컨버터는 경부하에서 자화 인덕턴스가 작을 때 매우 큰 전압 이득 $M_g$를 갖는다. Fig. 7(a)에서 $L_m = 10\mu\text{H}$, $R_o = 500\,\Omega$일 때 전압 이득은 $M_g = 28$로 증가하고, Fig. 7(b)에서 $L_m = 55\,\mu\text{H}$, $R_o = 500\,\Omega$일 때 전압 이득은 $M_g = 12$를 나타낸다.
따라서 본 논문에서 자화 인덕턴스 $L_m$의 값을 높이기 위하여 페라이트 쉬트를 사용하며, 전압이득을 10 이하로 하는 $L_m = 90\,\mu\text{H}$로
설계하였다.
Fig. 7(c) 내지 Fig. 7(f)에서 LC-LC 공진 컨버터는 중부하 또는 고부하에서 전압 이득 $M_g$가 1.0 이하이지만, 저부하 또는 무부하에서 $L_m$가 작을 때 전압
이득 $M_g$는 급격히 증가하는 경향을 나타낸다.
3. 시뮬레이션 및 실험결과
제안된 200 W급, 공극 1cm 무선 전력 전송 시스템의 타당성에 대하여 검증하기 위해서 PSIM 시뮬레이션과 실험을 수행하였다.
Fig. 8은 제안된 무선전력 전송 실험장치 및 시스템을 나타낸다. Fig. 9는 제작된 송신부($T_x$) 및 수신부($R_x$) 코일이 배치된 무선 전력 전송 변압기를 나타낸다. Fig. 10은 PSIM 시뮬레이션 회로도 및 결과를 나타낸다. Table 1은 제안된 무선 전력 전송 시스템의 구성 요소 및 회로정수를 나타낸다.
Fig. 8. Proposed WPT experimental system
Fig. 9. Transmitter(Tx) and receiver(Rx) coils
Fig. 10. PSIM simulation circuit diagram
Table 1. Elements and circuit parameters in the proposed WPT system
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Name (Symbol)
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Specifications
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Input Voltage (Vin)
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50 ∼ 100 V
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Output Voltage (Vout)
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Vin= 50 V : 15 ∼ 70 V
Vin= 100 V : 50 ∼ 150 V
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Maximum Power (Po)
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200 W
|
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Number of transmitter coil turns (NP)
|
20 turns
|
|
Number of receiver coil turns (NS)
|
20 turns
|
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Resistance of transmitter coil (RP)
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0.244 Ω
|
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Resistance of receiver coil (RS)
|
0.248 Ω
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|
Inductance of transmitter coil (LP)
|
89.745 μH
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Inductance of receiver coil (LS)
|
92.518 μH
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Outer Diameter of transmitter and receiver coil
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126 mm
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Inner Diameter of transmitter and receiver coil
|
41 mm
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Resonant Inductor (Lr1, Lr2)
|
60 μH
|
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Resonant Capacitor (Cr1, Cr2)
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30 nF
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Main Switch (S1 ∼ S4)
|
200V 33A
(IRFP 250, ST Microelectronics)
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Rectifier Diode (D1 ∼ D4)
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200V 10A
Two parallel-connected (SBD20200, Kodenshi Auk)
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Type of wire
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Litz wire
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Material of Ferrite Plate
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Ni-Zn type soft ferrite
RM95(Huizhou Bolide Tech. China)
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Ferrite magnetic permeability (μr)
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3300
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Operating frequency (f)
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85 kHz
|
본 실험의 측정 계측장치는 다음과 같다.
1) 전력분석계 Suita 사 : SPAW7000
2) 전원공급장치 Kikusui 사 : PWX1500MH
3) 오실로스코프 Tektronix 사 : MOS4054
4) 전류증폭기 Tektronix 사 : TCP404XL
5) 전류프로브 Tektronix 사 : TCPA400
6) 전류프로브 Tektronix 사 : TCPA312
7) 고전압 측정 차동 프로브 Tektronix 사 : P5200
Fig. 11 내지 Fig. 14는 무선 전력 전송 시스템(WPT)에 대해서 부하저항($R_O$)에 따른 무선 전력 전송 변압기인 송신부($T_x$) 코일과 주 스위치($S_1$)에서
전압 및 전류 파형에 대한 PSIM 시뮬레이션 및 실험파형을 나타낸 것이다.
Fig. 11 내지 Fig. 14의 시뮬레이션 및 실험결과는 전반적으로 일치하는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 11. Waveforms of the transformer voltage and current, switch voltage and current,
output voltage (Vin = 100 V, RO = 10 Ω)
Fig. 12. Waveforms of the transformer voltage and current, switch voltage and current,
output voltage (Vin = 100 V, RO = 100 Ω)
Fig. 13. Waveforms of the transformer voltage and current, switch voltage and current,
output voltage (Vin = 100 V, RO = 250 Ω)
Fig. 14. Waveforms of the transformer voltage and current, switch voltage and current,
output voltage (Vin = 100 V, RO = 500 Ω)
Fig. 15. Efficiency depending on the resistance (Air gap 1cm)
Table 2. Efficiency based on resistance value
|
Air Gap
|
RO [Ω]
|
Vin [V]
|
Vout [V]
|
VCr [V]
|
ICr [A]
|
VLr [V]
|
ILr [A]
|
효율 [%]
|
|
1 cm
|
10
|
50
|
16
|
190
|
2.4
|
180
|
2.4
|
40.59
|
|
10
|
100
|
30
|
200
|
4.0
|
200
|
4.0
|
44.00
|
|
20
|
50
|
28
|
190
|
2.4
|
190
|
2.2
|
57.85
|
|
20
|
100
|
54
|
200
|
4.0
|
200
|
4.0
|
58.81
|
|
40
|
50
|
42
|
180
|
1.8
|
190
|
1.8
|
67.07
|
|
40
|
100
|
90
|
200
|
4.0
|
200
|
4.0
|
70.66
|
|
100
|
50
|
56
|
180
|
1.6
|
150
|
1.6
|
69.44
|
|
100
|
100
|
120
|
200
|
3.5
|
200
|
3.5
|
68.82
|
|
250
|
50
|
66
|
170
|
1.6
|
140
|
1.6
|
59.43
|
|
250
|
100
|
146
|
200
|
3.5
|
200
|
3.5
|
59.88
|
|
500
|
50
|
70
|
180
|
1.8
|
140
|
1.8
|
41.23
|
|
500
|
100
|
147
|
200
|
3.5
|
200
|
3.5
|
41.73
|
PSIM 시뮬레이션에서는 기생 커패시터에 의한 하드 스위치(Hard Switching) 특성까지는 반영되지 않으며, 이는 시뮬레이션에서 스위치 및
변압기의 기생 성분까지 고려하지 않아서이다. Fig. 11 내지 Fig. 14에서 변압기인 송신부($T_x$) 코일 전압 파형($V_{ab}$)은 펄스파로 나타내며, 공진에 의해서 변압기 전류 파형($I_{ab}$)는 정현파(Sine
Wave)로 공진 현상이 나타나게 된다.
Fig. 11은 중부하인 부하저항 $R_O = 10\,\Omega$에서는 주 스위치($S_1$)에서 하드 스위칭(Hard Switching)으로 턴온(Turn-on)하며,
영전압 스위칭(ZVS)으로 턴오프(Turn-off)하는 것을 실험적으로 확인할 수 있으며, 하드 스위칭으로 인해서 효율이 44.00 %로 다소 낮아짐을
확인하였다.
Fig. 12는 부하저항 $R_O = 100\,\Omega$에서 주 스위치($S_1$)에서 영전압 스위칭(ZVS) 턴온(Turn-on)하며, Soft 턴오프(Turn-off)된다.
부하저항 $R_O = 100\,\Omega$에서 전력변환 효율이 68.82 %로 다소 향상됨을 확인할 수 있었다.
Fig. 13은 부하 $R_O = 250\,\Omega$에서 주 스위치($S_1$)에서 영전압 스위칭(ZVS) 턴온(Turn-on)하며, 소프트(Soft) 턴오프(Turn-off)하는
것을 확인할 수 있었다. 하지만 스위치 턴온시 역전류가 더욱 증가하기에 전력변환 효율이 59.88 %로 부하가 $R_O = 100\,\Omega$과
비교해서 다소 효율이 낮아지게 된다.
Fig. 14에서 경부하인 $R_O = 500\,\Omega$에서는 주 스위치($S_1$)에서 영전압 스위칭(ZVS) 턴온(Turn-on)하며, Soft 턴오프(Turn-off)하는
것을 확인하였다. 하지만 스위치 턴온시 역전류가 더욱 증가하기에 전력변환 효율이 41.73%로 부하가 $R_O = 100$ 및 $R_O = 250\,\Omega$과
비교해서 더욱 효율이 낮아짐을 확인하였다.
Table 2는 부하저항($R_O$)에 따라서 입력전압, 출력전압, 공진 커패시터 전압($V_{Cr}$) 및 전류($I_{Cr}$), 공진 인덕터 전압($V_{Lr}$)
및 전류($I_{Lr}$) 및 전력변환 효율을 나타내며, Fig. 15는 부하저항($R_O$)에 따른 효율 곡선을 나타낸다. 제안된 무선 전력 시스템(WPT)은 이동용 모빌리티 및 로봇의 충전을 위해서 200W급 공극
1cm를 기반으로 설계하였으며, 효율은 70.66~40.59 %의 범위가 됨을 확인하였다.
부하저항($R_O$)이 40~100Ω의 범위에서 최고의 효율이 나타남을 확인할 수 있었으며, 주 스위치($S_1$)에서 영전압 스위칭(ZVS) 턴온(Turn-on)되며,
소프트(Soft) 턴오프(Turn-off)되는 조건을 찾아서 설계하는 것일 최고의 효율을 나타내는 것으로 확인되었다.
4. 결 론
본 논문에서는 이동용 모빌리티 및 로봇의 충전을 위한 무선 전력 전송(WPT) 시스템의 설계를 위한 공진특성 및 스위칭 특성에 대하여 연구하였다.
이론적인 동작파형 및 모드별 특성 분석을 통해서 주 스위치가 영전압 스위칭(ZVS)을 동작하기 위한 조건을 분석하였으며, MATLAB 프로그램을 사용하여
주파수를 기반하는 LC-LC 공진 변환기 특성에 대하여 분석하였다. 첫째, 자화 인덕턴스 $L_m$이 작을 때 매우 큰 전압 이득 $M_g$이 생길
수 있으므로, 전압 이득 $M_g$를 바탕으로 자화 인덕턴스 $L_m$의 크기가 $90\,\mu\text{H}$로 설계하였다. 둘째, 페라이트 쉬트(Sheet)의
배치를 통해서 자화 인덕턴스 $L_m$를 크게 할 수 있으며 전압이득 $M_g$의 변화를 약 10배 이하로 설계하는 것이 필요한 것으로 MATLAB을
통하여 분석되었다. 셋째, 제안된 무선 전력 전송 시스템은 공극 1 cm에서 부하저항 $R_O = 40 \sim 100\,\Omega$일 때의 효율이
67.07∼ 70.66%로 가장 우수하게 나타났음을 확인했으며, 최고 효율은 70.66%으로 실측되었다. 넷째, 최적의 설계를 위해서는 영전압 스위칭(ZVS)
턴온(Turn-on)및 Soft 턴오프(Turn-off) 스위칭 특성을 바탕으로 제안된 무선 전력 시스템에서 부하저항 $R_O$의 범위를 40∼ 100
Ω으로 선택하는 것이 필요한 것으로 분석되었다.
본 연구에서 제안된 무선 전력 시스템의 설계 방안은 최근 활발하게 응용되는 이동용 서비스 로봇 및 모빌리티의 무선 충전에 적용할 수 있을 것으로 생각된다.
Acknowledgement
본 과제는 2026년도 교육부 및 경기도의 재원으로 경기앵커센터의 지원을 받아 수행된 지역성장 인재양성체계(앵커)의 결과임. (2026-ANCHOR-09-A21)
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Biography
He received B.S., M.S., and Ph.D. from the electrical engineering department of Dongguk
University, Seoul, Korea, respectively. He worked as a patent examiner of electric
power and semiconductor technology examination division KIPO(Korean Intellectual Property
Office). He is currently a professor department of electrical engineering at Suwon
University, Korea. His interests include the power converter analysis and optimum
design for EV(Electric Vehicle) battery, soft-switching converter and inverter, application,
etc.