단편논문/SHORT PAPER

넓은 입력 전력 및 주파수 범위 특성을 갖는 정합된 전압 체배기 기반 고효율 정류기

김빛찬1https://orcid.org/0000-0001-7127-4234, 이다주1https://orcid.org/0000-0003-4614-4248, 오준택1,*https://orcid.org/0000-0003-4694-8545
Bitchan Kim1https://orcid.org/0000-0001-7127-4234, Daju Lee1https://orcid.org/0000-0003-4614-4248, Juntaek Oh1,*https://orcid.org/0000-0003-4694-8545
Author Information & Copyright
1숭실대학교 전자정보공학부
1School of Electronic Engineering, Soongsil University
*Corresponding Author: Juntaek Oh (e-mail: kingojt@ssu.ac.kr)

© Copyright 2022 The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science. This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Received: Nov 23, 2021; Revised: Dec 09, 2021; Accepted: Dec 30, 2021

Published Online: Feb 28, 2022

요약

본 논문은 정합된 전압 체배기 기반 고효율 정류기를 제작한 결과를 제시한다. 제안한 정합된 전압 체배기는 2개의 다이오드로 구성된 전압 체배기와 각 다이오드에 연결되는 L-형 임피던스 정합단으로 구성된다. 적용된 L-형 임피던스 정합단은 각 다이오드의 리액턴스를 제어하여, 정류기가 넓은 입력 전력 및 주파수 범위에서 높은 효율을 갖도록 한다. 제안한 정류기의 성능을 검증하기 위해 제작 및 측정을 진행하였다. 제작된 정류기는 1.5~2.6 GHz의 넓은 주파수 대역에서 50 % 이상의 정류 효율을 가졌으며, 2.4 GHz에서 10.9~31 dBm의 범위에서 50 % 이상의 정류 효율을 유지하였으며 최대 효율은 71.2 %를 얻었다.

Abstract

This study presents a highly efficient rectifier based on a matched voltage doubler. The proposed matched voltage doubler consists of a voltage doubler and L-type impedance matching networks connected to each diode. The L-type impedance matching stage can independently control the reactance of each diode, enabling the proposed rectifier to be highly efficient for a wide range of input power and frequency bands. For validation, the proposed rectifier was manufactured, and its performance was measured. The proposed rectifier achieved a power conversion efficiency (PCE) greater than 50 % in a wide frequency band of 1.5 to 2.6 GHz, and in a power range of 10.9 to 31 dBm at 2.4 GHz. The maximum PCE achieved was 71.2 % at 2.4 GHz.

Keywords: Wideband; Wide Input Power Range; Wireless Power Transfer; Rectifier

Ⅰ. 서 론

다양한 전자기기들의 휴대성 및 지속 사용성에 대한 향상 요구가 높아지게 되면서 이를 위한 다양한 무선 충전 기술이 개발되고 있다. 미래 무선 충전 기술 중 하나로서 RF 기반 무선전력 전송(wireless power transfer, WPT) 기술은 위치에 구애 받지 않고 전자 기기를 충전할 수 있는 기술로서 각광받고 있다[1]. 정류기는 WPT 시스템에 수신되는 RF 신호를 DC 전력으로 변환하기 때문에 시스템의 충전 효율을 결정하는 가장 중요한 요소이다.

최근 이러한 WPT 시스템에 적용 가능한 다양한 동작 주파수 및 목표 입력전력을 갖는 정류기 연구가 진행되고 있다[1][6]. 가장 간단한 정류기 설계 방법으로서, 다이오드 앞단에 이중 단 정합 네트워크를 적용하여 최적 입력 전력에서 70 % 이상의 고효율을 갖는 정류기를 발표하였다[2]. 다양한 무선 전력 전송 어플리케이션에 적용하고 확대하기 위한 정류기 구현 방법으로서, 브랜치라인 커플러를 이용한 정류기 배열은 전력 재사용을 통해서 넓은 입력 전력 및 다양한 주파수 대역에서 높은 효율을 유지하였다[3]. 또한 광대역 정합단을 다이오드 앞단에 구성한 정류기 연구 결과들이 제안되었다[4][6].

본 논문에서는 WPT에 적용 가능한 정합된 전압 체배기 기반의 정류기를 제안하였다. 정합된 전압 체배기는 전압 체배기와 전압 체배기의 각 다이오드의 뒷 단에 L-형 정합단이 구성되어 있으며, 이를 통해 기존 연구 대비 넓은 입력 전력 및 주파수 범위에서 좋은 정합 특성을 가져 정류기의 고효율 특성을 넓은 입력 전력 및 주파수 범위에서 달성하고자 했다.

Ⅱ. 회로 설계

그림 1은 제안하는 정류기의 도식도이다. 먼저 전압 체배기 구성을 적용하여 최대 허용 가능한 출력 전압이 두배로 높아짐에 따라서 높은 입력전력까지 정류를 가능하게 할뿐만 아니라, 입력 임피던스의 변화가 단일 다이오드에 비해 작도록 하였다[3]. 그림 2(a)는 전압 체배기의 임피던스 특성을 확인한 그래프이며, 2.4 GHz에서 정합단이 존재하지 않을 때 다이오드 D1, D2의 입력 임피던스인 ZD1_WOTL과 ZD2_WOTL는 20~35 dBm의 입력 전력 범위에서 각각 49~59 Ω과 60~66 Ω의 실수부를 가지며 허수부는 −j114~j15 Ω과 −j6.3~j18 Ω을 갖는 것을 확인하였으며, 이 때 로드 커패시터의 유무에 따른 차이와 입력 전력에 따른 출력 DC 전압 변화에 의해서 각 다이오드에 걸리는 전압의 변화에 따라서 ZD1_WOTL과 ZD2_WOTL이 입력 전력에 따라서 차이를 보였다. ZD1과 ZD2의 허수부가 서로 상쇄되도록 정합단을 이용하여 허수부를 제어하면 이상적으로 넓은 입력 전력 범위에서 27~32옴을 가지게 되면서 VSWR=2의 내부에 임피던스를 위치할 수 있다.

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그림 1. | Fig. 1. 제안하는 정류기 도식도 | Schematic of proposed rectifier.
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그림 2. | Fig. 2. 입력 전력에 따른 (a) 다이오드 D1, D2와 (b) 제안한 정류기의 입력 임피던스 시뮬레이션 결과 (RL=680 Ω) | Simulated input impedance of (a) the diode D1 and D2 and (b) the proposed rectifier with input power at 2.4 GHz (RL=680 Ω).
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이번 설계에서는 그림 1과 같이 open stub과 shorted stub이 병렬 연결된 L-형 정합단을 이용하여 허수부를 제어하였으며, 그림 2(a)와 같이 ZD1과 ZD2의 허수부는 20~35 dBm의 입력 전력 범위에서 각각 −j57~j79 Ω과 j94~j113 Ω으로 이동한 것을 확인하였으며, 매칭된 전압 체배기 앞의 DC 차단 커패시터를 포함하게 되면 그림 2(b)와 같이 기존 정합되지 않은 체배기의 임피던스 ZIN_WOTL 비교하여 제안한 정류기의 입력 임피던스 ZIN이 5~35 dBm의 넓은 범위에서 VSWR=2 원 내부에 압축되어 좋은 정합 특성을 가졌다. 그림 3은 29 dBm의 고정 입력에서 제안된 정류기의 입력 임피던스 그래프이며, 2~2.7 GHz의 범위에서 VSWR=2 원 근처에서 임피던스를 유지되었으며 1.5~2 GHz의 범위에서도 약 VSWR=3.5 원 내부에서 임피던스를 유지하였다.

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그림 3. | Fig. 3. 제안한 정류기의 29 dBm 전력 입력 시 주파수에 따른 입력 임피던스 시뮬레이션 결과 (RL= 680 Ω) | Simulated input impedance of the proposed rectifier with frequency at 29 dBm (RL=680 Ω).
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그림 4는 제안된 정류기의 입력 전력 및 주파수에 따른 PCE(power conversion efficiency, 전력변환효율) 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 입력전력이 15 dBm에서 31 dBm까지 변할 때 1.8~2.6 GHz 범위에서 50 %의 PCE를 유지하는 결과를 얻었으며, 제안된 정류기가 넓은 입력 전력 및 주파수 범위에서 고효율 동작이 가능함을 확인하였다.

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그림 4. | Fig. 4. 입력 전력 및 주파수에 따른 PCE 시뮬레이션 결과 (RL=680Ω) | Simulated PCE with frequency and input power (RL=680Ω).
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Ⅲ. 측정 결과

그림 5는 제작된 정류기의 레이아웃 및 사진이며, 제작된 회로의 크기는 43×22 mm2이다. PCB는 3.2의 유전율과 0.813 mm의 두께를 가지는 Taconic사의 TLC-32기판을 사용하였다. 광대역 특성과 함께 높은 DC 전압이 출력 가능한 정류기의 특성을 위해서 Avago사의 HSMS-2822 쇼트키 다이오드를 선택하였으며, DC 차단 커패시터 및 DC 통과 필터용 병렬 커패시터 5 pF, 100 pF를 각각 사용하였다. 로드 저항은 반복 시뮬레이션을 통해서 최적의 PCE를 갖는 680 Ω을 최종적으로 선택하였다. 제안한 회로를 측정하기 위해서 E8247C의 신호 발생기 및 AS0825-125의 전력 증폭기로 신호를 생성 및 인가하였으며, 전력 센서 및 디지털 멀티미터를 이용하여 입력 RF 전력 Pin 및 출력 DC 전압 Vout을 측정하였다. 이를 기반으로 Vout2/PinRL의 식을 통해 PCE의 값을 계산하였다.

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그림 5. | Fig. 5. 제작된 정류기의 레이아웃 및 사진 | Layout and photograph of the implemented rectifier.
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그림 6은 제안한 정류기의 2.4 GHz에서의 시뮬레이션 및 측정 결과를 나타낸 것이다. 2.4 GHz에서 10.9~31 dBm의 넓은 입력 전력 범위에서 50 % 이상의 높은 PCE를 유지하였으며, 71.2 %의 최대 PCE를 얻었다. 그림 7은 주파수에 따른 최대 PCE에 대한 시뮬레이션 및 측정 결과를 나타낸 것이며, 1.5~2.6 GHz의 넓은 주파수 범위에서 50 % 이상의 최대 PCE를 가지는 것을 확인하였다. 측정과 시뮬레이션의 차이는 다이오드 소자의 모델의 부정확성과 PCB의 공정 오차에 의해서 발생하였다.

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그림 6. | Fig. 6. 2.4 GHz에서 입력 전력에 따른 PCE 시뮬레이션 및 측정 결과 (RL=680 Ω) | Simulated and measured PCE versus input power at 2.4 GHz (RL=680 Ω).
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그림 7. | Fig. 7. 주파수에 따른 최대 PCE 시뮬레이션 및 측정 결과 (RL=680 Ω) | Simulated and measured peak PCE versus frequency at 2.4 GHz (RL=680 Ω).
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표 1은 기존 발표된 정류기와 제안한 정류기의 성능을 비교한 표이며, 기존의 논문과 비교하여 더 넓은 입력 전력 범위에서 50 % 이상의 높은 PCE를 가지면서, 동시에 비슷한 대역폭 특성을 얻는 것을 확인하여 제안된 회로 기법을 이용해서 기존 연구 대비 향상된 결과를 얻음을 확인하였다.

표 1. | Table 1. 이전 발표된 연구들과의 성능 비교 | Comparison with the previously reported works.
Ref. [4] Ref. [5] Ref. [6] This work
Power range for PCE>50 % (dB) 11 N/A 11.5* 20.1
Freq. range for PCE >50 % (GHz) 1~2.4 0.57~0.9 0.91~2.55 1.5~2.6
Peak eff. Eff. (%) 71.5 76* 65 71.2
Power (dBm) 8 16* 10 25
Freq. (GHz) 2.0 0.7 1.8 2.4
Size [λg2] 0.22×0.14 0.15×0.22 0.14×0.21 0.34×0.17
Structure Voltage doubler Single diode Voltage doubler Voltage doubler

* Graphically estimated.

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Ⅳ. 결 론

본 논문에서는 WPT 시스템에 적용 가능한 정합된 전압 체배기 기반 고효율 정류기를 제안하였다. 제안한 정합된 전압 체배기는 각 다이오드에 L-형 정합단을 삽입하여 각 다이오드의 허수부를 독립적으로 제어함으로서 정류기가 넓은 입력 전력 및 주파수 범위 특성을 갖도록 하였다. 제작된 정류기는 2.4 GHz에서 10.9~31 dBm의 넓은 입력 전력 범위에서 50 % 이상의 PCE를 유지하였으며, 최대 효율은 71.2 %를 얻었다. 또한 1.5~2.6 GHz의 넓은 주파수 대역에서 50 % 이상의 PCE를 가지면서, 제안된 정류기의 효용성을 검증하였다.

Acknowledgements

이 논문은 과기정통부 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (2019R1G1A1003865).

References

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[3].

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