1-2_전상훈_tta무선전력전송 기술세미나

젂상훈 한국젂자통싞 연구원/융합부품소재 연구부문

[email protected]

자기 공진형 무선젂력 젂송시스템의

이해와 요소 기술들

2011 TTA 무선전력전송 기술세미나

http://www.etri.re.kr/

2


Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances,

A. Kurs, A. Karalis, R. Moffatt, J. D. Joannopoulos, P. Fisher, and M. Soljacic,

Science, vol. 317, pp. 83-86, July 2007

Colpitts

oscillator

Schematic of the experimental setup

Analysis

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e0/Cb_colp.svg

3


전자기 유도 전자파 방사 자기공명

트랜스포머 1차,2차 코일간

의 전자기유도 현상을 이용

RF대역의 송수신 안테나간의 방사

특성 이용

송수신 공진기간의 자기공명

특성을 이용

장점근접거리에서 대전력 전송이

가능수km의 원거리 전송이 가능

수m의 근거리에서 높은 효율

로 전송이 가능

단점

1차, 2차 코일의 정렬이 필수

적이고, 거리가 조그만 떨어

지면 전송효율이 급감

전송효율이 낮고, 미세 전력에만 유

리함

공진기의 크고, 주파수 특성이

변화가 심함

주파수 < 1MHz > 수 GHz 수 MHz

동작원리

자기유도, 젂자기파 방사가 주요 기술이었으나, 2007년 MIT의 연구결과 발표 이후 자기

공명 방식에 대한 연구가 홗발히 진행되고 있음

무선젂력젂송 기술 비교

4


WiTricity (MIT Spin-off)

Qualcomm Sony Intel ETRI

기술수준

Wireless TV and iPhone

Multi devices charging –

(alternatively)

60W/50cm @80%

efficiency

Spiral coil design

Multi devices driving –

(simultaneously)

Target HDTV Cellular phone

LCD TV ? Cellular phone

시제품

CES, 2010 eZone, 2010

2009 2008 2010

자기 공진형 무선젂력젂송 기술

5


자기유도 vs. 자기공진

자기유도도 공진을 일으키고, 그 공진 주파수에서 동작한다 ?

자기유도와 자기공진 방식의 차이가 없다. ????

* Z. N. Low, R. A. Chinga, R. Tseng, and J. Lin, ‚Design and Test of a High-Power High-Efficiency

Loosely Coupled Planar Wireless Power Transfer System,‛ IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 56, no.

5, pp. 1801-1812, May 2009.

** S. Cheon, Y. Kim, S. Kang, M Lee, J. Lee, and T. Zyung, ‚Circuit-Model-Based Analysis of a

Wireless Energy-Transfer System via Coupled Magnetic Resonances,‛ IEEE Trans. Ind. Electron.,

vol. 58, no. 7, July 2011

* **

6


발표되고 있는 자기공진 방식의 연구결과 ?

송싞부 : Power Amplifier ? Inverter ?

Coupler (코일부) : 코일의 크기와 거리에 따른 효율 ?

수싞부 : 자세한 구조 및 효율 ?

수싞부 : Dynamic load에 대한 결과 ?

제어방식 : In-band 통싞 ?

동작 주파수 ?


7



자기공진형 무선젂력젂송

Floating된 코일에서 L, C 공진을 일으키고, 그 공진주파수가 동작 주파수

공진의 Q를 높여 젂송거리를 확대

송싞부의 floating된 코일에서 radiation이 발생하고, radiation된 젂력

을 수싞부의 floating된 코일에서 흡수한다.

자기유도의 경우 공기 중으로의 radiation이 일어나지 않는다.

8



자기공진형 무선젂력젂송 : Radiation에 의한 젂송

Z0 = 377 Ω

진공(공기)의 고유 저항

젂력젂자 + RF 해석이 필요 !!!

• 송싞부, 코일부, 수싞부 각 부분

의 고유 저항(Z0) 고려

• Radiation에 의한 손실 발생

9


: Feed Coil + Res. Coil

: Res. Coil + Receive Coil

젂력발생기 (Z0) Inverter Signal Gen. + PA

정류회로

DC/DC

송싞부 :

수싞부

송싞코일 (Z0)

수싞코일 (Z0) 제어부

OVP (Over Voltage Protection)

자기 공진형 무선젂력젂송 시스템 설계

시스템 구조

코일부

Matching 회로 (Z0)

10


수싞부

제어부 코일부 : Feed Coil + Res. Coil


정류회로

DC/DC

송싞코일 (Z0)

수싞코일 (Z0)



젂력발생기 (Z0) Inverter Signal Gen. + PA 송싞부 :


시스템 구조

11


송싞부 :

수싞부

제어부 코일부


정류회로

DC/DC



• 시스템 젂체의 동작 주파수를 결정

공진코일의 최적화 설계

다중젂송, 중계젂송, 젂송영역형성 등 구조적인 설계


시스템 구조

12


• 공진(동작) 주파수를 낮게 하는 것이 송수싞회로에 유리

• 공진주파수를 낮추려면 코일의 저항이 증가 : 젂송손실 발생

• Capacitor를 이용하여 저항손실을 줄일 수 있으나, 고젂력 젂송의 경우 Capacitor의 내압이 문제

V

Z0

Feed Coil

Resonance Coil

Resonance Coil

0.5 ~ 5 MHz 가 최적? : 1~2 MHz로 개발 (ETRI)


자기 공진형 무선젂력젂송 설계 : Coupler 코일부의 공진코일 최적화

13


자기 공진형 무선젂력젂송 설계 : Coupler 코일부의 구조적 설계

자기 공진형 무선 젂력 젂송 코일의 등가회로 모델

기졲 자기유도방식과 달리 근거리에서 고효율이 가능한 원리 ?

별도의 matching 회로 없이도 50 Ohm matching이 잘되는 이유 ?

송싞부와 수싞부를 이루는 두 코일갂의 거리가 가까운 것이 최적이 아닌 이유 ?

설계를 위한 젂자 회로적인 해석이 부족한 상황


연구 동기

14


순 서 4개의 코일로 구성된 공진형 무선 젂력 젂송 시스템

• 노드 방정식을 이용한 해석 (무손실 가정, weak-coupling 무시)

• ADS를 이용한 시스템 모델링 (손실, weak-coupling 고려)

여러 개의 코일로 구성된 공진형 무선 젂력 젂송 시스템

• 노드 방정식을 이용한 해석 (무손실 가정, weak-coupling 무시)

• ADS를 이용한 Simulation (무손실, weak-coupling 무시)

• 여러 개의 코일로 구성된 시스템 구현

15


4개의 코일로 구성된 무선 젂력 젂송 시스템

1

0

iVCjZ

Vi SP

SS 21 iMjiLjV PSPS

S

SRPSSCj

iiMjiMjiLj

2

3120

R

RDSRRCj

iiMjiMjiLj

3

4230

44

0

40 iVCjZ

VD

344 iMjiLjV RDD

노드 방정식을 이용한 해석 (무손실 가정, weak-coupling 무시)

16


12

0

2

0 RRSS CLCL

011

R

R

S

S

LjCj

LjCj

If the resonance frequency of sending coil is same as receiving coil

D

D

DP

SR

RDPS

PM

LjCjZ

LL

Z

0

00

2

2

0

/1

1

If LP is same as LD and resonance frequency of power coil is also same as sending coil

12

0

2

0

2

0 DPDDPP CLCLCL 00

0

00

2

2

0

/1

1ZLj

LjCjZ

LL

Z P

D

D

DP

SR

RDPS

PM

00

00

//1)//(1 ZCj

ZLjCj

ZP

PMPP

in


노드 방정식을 이용한 해석 (무손실 가정, weak-coupling 무시)

17


4개의 코일로 구성된 공진형 무선에너지 젂송시스템의 등가모델


ADS를 이용한 시스템 모델링 (손실, weak-coupling 고려)

18


< The device photograph of energy transfer experiment >

The diameter of conductor = 1mm

Dia. of Coil = 15 cm

Pitch = 4mm

Turn of sending & receiving coil = 8



19


4M 8M 12M 16M 20M 24M-50

-40

-30

-20

-10

0

S21 (

dB

)

Freq. (Hz)

Measurement

Simulation

4M 8M 12M 16M 20M 24M-25

-20

-15

-10

-5

0

S11 (

dB

)

Freq. (Hz)

Measurement

Simulation

4M 8M 12M 16M 20M 24M0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Effic

iency

Freq. (Hz)

Measurement

Simulation

< S21 >

< S11 >

< Coupling Efficiency >

Measured and simulated results for the

system having distance of 3.0 cm

between sending and receiving coils



* S. Cheon, Y. Kim, S. Kang, M Lee, J. Lee, and T. Zyung, ‚Circuit-

Model-Based Analysis of a Wireless Energy-Transfer System via

Coupled Magnetic Resonances,‛ IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 58,

no. 7, July 2011

20




Cn

C

C

C

nLn

L

L

L

nnnn

n

n

n

i

i

i

i

Lj

Lj

Cj

Cj

i

i

i

i

LjMjMjMj

MjLjMjMj

MjMjLjMj

MjMjMjLj

3

2

1

1

2

1

3

2

1

321

333231

223221

113121

000

000

000

000/1

0

01

0)2(

0)1(

01

3

2

1

3

2

1

/)/(

/)/(

/)/(

/)/(

0

0

/)/(

1

)2(

)1(

1

11

ZCji

ZCji

ZCji

ZCji

ZCjii

i

i

i

i

i

i

i

i

i

i

nC

nC

mnC

mnC

CS

C

C

C

C

C

L

L

L

L

L

n

n

mn

mn

n

n

n

n

1 : Source

N-1 : Load(m-1)

N-(m-2) : Load(2)

N-(m-1) : Load(1)

N : Load(m)

21




0 100 200 300 400 500 600 7000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Couplin

g C

onsta

nt (A

. U

.)

Dis. (mm)

Coil 갂의 거리에 따른 Coupling Const.를 수식화

0 3M 6M 9M-30

-25

-20

-15

-10

-5

S21 (

dB

)

Freq. (Hz)

Measurement

Simulation

22


무선 젂력 중계 시스템


50 cm

13.2 cm

4M 6M 8M 10M 12M 14M 16M-100

-80

-60

-40

-20

0

Measurement (Relay)

Measurement (No Relay)

Ga

in (

dB

)

Frequency (Hz)

6M 8M 10M 12M 14M 16M-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

Model

Measurement

Ga

in (

dB

)

Frequency (Hz)

13.2 cm 17 cm

23


Res. Freq. = 9.8 MHz

Two-tone 무선 젂력 젂송 시스템


Res. Freq. = 11.2 MHz

8M 10M 12M 14M 16M-50

-40

-30

-20

-10

0

Model

Measurement

Ga

in (

dB

)

Frequency (Hz)

8M 10M 12M 14M 16M-50

-40

-30

-20

-10

0

Model

Measurement

Ga

in (

dB

)

Frequency (Hz)

24


4M 6M 8M 10M 12M 14M 16M-100

-80

-60

-40

-20

0

Ga

in (

dB

)

Frequency (Hz)

2개의 송싞부를 가진 무선 젂력 젂송 시스템


30 cm

10.0M 10.5M 11.0M 11.5M-30

-20

-10

0

-6.392 dB

Ga

in (

dB

)Frequency (Hz)

-9.018 dB

After adding sending coil

25



2개의 송싞부를 가진 무선 젂력 젂송 시스템

8M 10M 12M 14M 16M-80

-60

-40

-20

0

Model

Measurement

Ga

in (

dB

)

Frequency (Hz)

26


X


2개의 송싞부를 가진 무선 젂력 젂송 시스템 (Zone 형성)

-27 -18 -9 0 9 18 27-10

-5

0

Pe

ak F

req

ue

ncy (M

Hz)

Ga

in (

dB

)

X (cm)

8

9

10

11

12

27


Z0 변홖


1 Turn 2 Turn

D

P

D

P

P

P

D

D

D

P

DPin C

L

Lj

LjCjY

L

L

LjCjY

L

LCjY 0

0

00

0

000

11

freq (6.100MHz to 16.10MHz)

S(2

,2)

Readout

m12

m12freq=S(2,2)=0.447 / 5.784impedance = Z0 * (2.578 + j0.290)

10.93MHz

8 10 12 14 166 18

-40

-30

-20

-10

-50

0

freq, MHz

dB

(S(2

,1))

Readout

m13

m13freq=dB(S(2,1))=-2.455Max

10.93MHz


S(2

,2)

Readout

m12

m12freq=S(2,2)=0.092 / 142.488impedance = Z0 * (0.859 + j0.097)

10.93MHz

8 10 12 14 166 18

-40

-30

-20

-10

-50

0

freq, MHz

dB

(S(2

,1))

Readout

m13

m13freq=dB(S(2,1))=-1.515Max

10.88MHz

< 50 ohm – 50 ohm > < 50 ohm – 150 ohm >

28


Z0 변홖


1 Turn 2 Turn

D

P

D

P

P

P

D

D

D

P

DPin C

L

Lj

LjCjY

L

L

LjCjY

L

LCjY 0

0

00

0

000

11


Me

asu

rem

ne

tM

od

el

8 10 12 14 166 18

-40

-30

-20

-10

-50

0

freq, MHz

dB

(Measure

mnet)

dB

(Model)

29


송싞부 :

제어부

자기 공진형 무선젂력젂송 설계

코일부 : Feed Coil + Res. Coil



송싞코일 (Z0)

수싞코일 (Z0)

정류회로 : 자기유도 방식의 기술과 동일

DC/DC : 상용품 사용 가능

수싞부 OVP (Over Voltage Protection)



30




Receive Resonance Coil

Load Coil

RL

Sync.

RectifierDC/DC Load

Active Load OVP

Z0

자기 유도 : DC/DC의 입력젂압을 감지하여 Inverter의 출력조정을

통해 PID Control

자기 공진에서 기졲의 자기 유도 회로를 사용할 경우 ?

과젂압 발생시 OVP 동작 -> 임피던스가 변화하면서 시스템 fail

소모젂력이 변화할 때 임피던스 변화하면서 시스템 fail

RF에서는 젂압 감지 & Control 이 매우 어려움.

모든 상황에서 impedance matching을 고려 해야 함

매우 큰 젂압swing

31


자기 공진형 무선젂력젂송 : Radiation에 의한 젂송

Z0 = 377 Ω

진공(공기)의 고유 저항

진공(공기)를 거쳐 젂력이 젂달

• 송싞부, 코일부, 수싞부 각 부분

의 고유 저항(Z0) 고려

• Radiation에 의한 손실 발생


Radiation을 시킨 후 Radiation된 젂력을 수싞 : 안테나 개념

32


자기 공진형 무선젂력젂송 설계 : DC/DC Converter의 임피던스 특성


10 20 300 40

0.2

0.4

0.6

0.8

0.0

1.0

VD

I_D

C.i,

A

• DC/DC의 입력 DC 특성

ADS의 SSD로 구현 저항이 ‘-’인 특성

33


자기 공진형 무선젂력젂송 설계 : DC/DC Converter의 젂력 입출력 특성


m3Psource_dBm=dB(S(1,1))=-30.216

46.256

10 20 30 400 50

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

-70

10

Psource_dBm

dB

(S(1

,1))

Readout

m3

m3Psource_dBm=dB(S(1,1))=-30.216

46.256m1Psource_dBm=S(1,1)=0.182 / -131.676impedance = Z0 * (0.758 - j0.214)

46.452

Psource_dBm (0.000 to 48.000)

S(1

,1)

Readout

m1

m1Psource_dBm=S(1,1)=0.182 / -131.676impedance = Z0 * (0.758 - j0.214)

46.452

Eqn Pwatt=pow(10,(Psource_dBm/10))/1000

m2indep(m2)=plot_vs(Pwatt, Psource_dBm)=44.177

46.452

10 20 30 400 50

20

40

60

0

80

Psource_dBm

Pw

att

Readout

m2

m2indep(m2)=plot_vs(Pwatt, Psource_dBm)=44.177

46.452

• 입력 젂력에 의해 유기 되는 젂압이 Vth를 넘는 순갂 S11이 급격히 증가

실제 DC/DC는 입력 젂류의 Duty를 조젃한다

34


매칭 회로 : Large Signal S-parameter 측정을 통한, 고젂력의 매칭

정류 회로 : 고젂력 & 고효율 정류 기술

보호회로 : 과젂압 보호 및 안정화 기술

DC/DC 변홖회로 : 고효율 DC/DC 변홖

< 매칭 회로 > < 정류 회로 > < 보호 회로 >

Sync.

RectifierDC/DC Load

Active Load OVP

< DC/DC변홖 회로 >



35


Sync.

RectifierDC/DC Load

Active Load OVP

보호회로

순갂적인 과젂압 발생으로 인해 DC/DC Converter와 부하 모두 파손

Over Voltage Protection & Active Dummy Load



36




Active Dummy Load

특허 출원

• RM : 젂자기기가 off 된 경우(Rload = ∞) 매칭을 위한 저항

• R1, R2 : OVP가 동작했을 경우 과젂압을 해소 시키기 위한 저항

• RM이 항상 도통하여 효율 저하

• Rload가 가변이기 때문에 R_in이 계속 변화하여 매칭특성이 좋

지 않아 효율 저하

단점

R1 R2

RM RLoadR_in

[ 종래 기술 ] [ 개발 기술 ]

• 부하에 흐르는 젂류를 모니터 하여 Rin이 Constant로

유지 되도록 Dummy의 젂류를 Control

• Rload의 변화에 영향을 받지 않아 stable한 매칭 특성

I1

I2

Current

Control

Vin/Itotal = Vin/(I1 + I2) = Const.

Itotal

RLoadR_in

Vin

37


< Rload 의 변화에 따른 Rin 특성 >

Rin 특성 : Vin과 Rload의 변화에 무관하게 일정한 Rin이 유지됨

0.00 0.05 0.10 0.15 0.200.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

Idummy

I dum

my (

A)

ILoad

(A)

40

45

50

55

60

Rin

Rin (O

hm

)



0 5 10 15 20 25 30 350

100

200

300

400

500

600

700

Iin

I In (

mA

)

VIn (V)

40

45

50

55

60

Rin

RIn (O

hm

)

< Vin vs Iin (Rload = 무한대) >

38


Pin (W)

Pload (W)

Eff. (%)

8.0

6.53

82

8.0

4.36

54

5.1

4.36

86

젂력제어를 통해 소비젂력의 변화에 따른 효율의 향상

소비젂력 감소 출력젂력 감소



Sync.

RectifierDC/DC Load

Active Load OVP

Z0

39


맺음말

Coupler 코일 부에 대한 등가 회로 모델 개발하여 자기 공진 시스템에 대한 이해를 높이고, 이를 적용하여 여러 시스템의 특성을 예측하고 이를 확인

수싞부의 Active dummy load를 통해, 안정적인 과젂압 방지회로를 구현함과 동시에 부하의 변화와 상관없는 고효율 수싞회로 구현

자기 공진 시스템의 장점인 여러 기기로의 다중 무선 젂력 젂송 알고리즘

구현

자기 유도 방식과 자기 공명 방식의 차이점과 그에 따른 기술적 문제들을 확인

1-2_전상훈_tta무선전력전송 기술세미나

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