무선전력전송 시스템을 위한 커플러의 음영지역 분석 및 개선방법

Ⅰ. 서 론

유도성 무선전력전송(IPT, inductive power transfer)과용량성 무선전력전송(CPT, capacitive power transfer)은각각 자기장과 전기장을 사용하여 무선으로 전력을 전송하는 방법이다^[1]. 두 방식의 커플러에서는 수신기가 특정비정렬(misalignment)을 가질 때, 수신기가 충분히 유효한충전영역에 있음에도 불구하고 전력이 전송되지 않는 음영지역(null-power point)이 불가피하게 발생한다. 이는 수신기의 위치 자유도 확보를 위하여 반드시 극복해야만하는 특성이다. 하지만 기존의 음영지역에 관한 연구는IPT 커플러에 대해서만 이루어진 반면^[2], CPT 커플러에대해서는 음영지역 극복을 위한 연구가 미흡하다.

본 연구에서는 동일한 크기를 가지는 IPT 및 CPT 커플러의 음영지역의 원인을 분석한다. 또한, 적층형(stacked)구조를 이용하여 CPT 커플러 음영지역 특성을 설계 및개선하는 방법을 제안한다. 제안된 커플러는 결과적으로지름의 50 % 비정렬 길이까지 음영지역이 발생하지 않으며, 다중송신 단일수신(MISO, multiple input single output)CPT 시스템에 효과적으로 이용할 수 있다.

Ⅱ. 커플러 제작 및 시뮬레이션 검증

음영지역을 검증하기 위해 그림 1 같이 실제 커플러를 구현하였다. 그림 1(a) 및 그림 1(b) 우측 하단의 그림은 각각의 정합회로 구성 및 SMA 커넥터를 보여주며, 커플러의 사양은 표 1과 같다^[3].

그림 1. | Fig. 1. IPT 및 CPT 커플러 제작 | Fabricated IPT and CPT coupler.

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그림 2는 두 커플러의 정합회로 구성과 기생성분을 나타낸 것이다. 표 2는 LCR Meter를 사용하여 측정된 소자 및 기생성분의 크기를 보여주며, 무시 가능한 작은 크기의 기생성분은 고려하지 않았다. IPT의 경우 송수신기 사이의 거리가 145 mm의 경우에 대해서, CPT의 경우 30 mm의 경우에 대해서 매칭 및 실측이 이루어졌다.

그림 2. | Fig. 2. 등가 회로 모델 | Equivalent circuit model.

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그림 3은 각각 제작된 커플러의 S₂₁를 VNA로 측정한 실측값을 해석툴(HFSS) 및 회로해석 시뮬레이션 결과(EC)와 함께 나타낸 것이다. 가용한 정합소자의 제한으로 인해, IPT 및 CPT 시스템의 커플러는 각각 17 MHz와 15 MHz에서 공진한다. 하지만 공진주파수는 커플러의 구조로 인한 전송 특성 변화에 큰 영향을 끼치지 않으므로, 두 커플러의 전송 특성을 비교하기에는 충분하다. 각 커플러에서 측정된 실측값은 두 종류의 시뮬레이션 결과와 크게 합치하며, 시뮬레이션 결과를 충분히 신뢰할 수 있음을 보여준다. 따라서 다양한 비정렬 거리에 대해 각각 최적의 매칭이 이루어진 IPT 및 CPT 커플러의 송수신 특성을 시뮬레이션을 통해 효율적으로 얻을 수 있다.

그림 3. | Fig. 3. S₂₁ 파라매터 비교 | Comparison of S₂₁ parameter.

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Ⅲ. MISO를 위한 커플러 음영지역 분석

그림 4는 IPT 및 CPT 커플러의 결합성분(L_m 및 C_m) 크기 및 최적매칭 전후 최고 S₂₁수치를 비정렬 거리(0∼200 mm)에 따라 나타낸 것이다.

그림 4. | Fig. 4. 비정렬 거리에 따른 IPT 및 CPT 커플러의 최고 S₂₁ 및 결합성분 크기 | The Mutual components value and the S₂₁ parameters for IPT and CPT Coupler.

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IPT 커플러의 경우, S₂₁이 0이 되는 음영지역이 한 번 발생(65 mm)하며, CPT 커플러의 경우 두 번 발생(38 mm, 86 mm)한다. 또한 음영지역의 발생 위치는 송수신기의 상호 결합성분(L_m 및 C_m)이 0이 되는 지점과 완전히 일치하는 것을 볼 수 있다. 이는 음영지역이 비정렬로 인한 시스템의 임피던스 변화 때문이 아닌, 송수신기가 공유하는 장(field)의 결합 계수(coupling coeffickent, k)로 인해 결정된다는 사실을 시사한다^[4].

그림 5는 일반적인 MISO 무선전력전송 시스템을 보여준다. 일반적으로 커플러 지름의 50 % 비정렬 거리까지 가장 가까운 송신기를 활성화하는 제어 방법을 사용하며, 그 이상의 비정렬에서는 활성화 송신기가 변경된다. 따라서 지름의 50 %를 넘어가기 이전에 음영지역이 발생하는 커플러는 MISO 시스템에 적합하지 않다.

그림 5. | Fig. 5. MISO 무선전력전송 시스템 | MISO wireless power transfer system.

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적층형(stacked) 구조 CPT 커플러는 그림 6과 같이 두 개의 금속 플레이트 P1, P2가 수 mm의 간격(d)을 두고 적층 형태로 배치되어 있는 구조를 가진다. 기존 연구의 적층형 CPT 커플러는 음영지역 개선을 위한 설계기준이 명확하지 않으므로, 본 연구는 아래와 같은 시도를 통해 최적의 적층형 CPT 커플러 설계를 찾고자 한다.

그림 6. | Fig. 6. 적층형 CPT 커플러 | Stacked CPT coupler.

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그림 7은 적층형 CPT 커플러의 뒷면 판 대비 앞면 판의 면적비(ratio)를 50 %부터 90 %까지 변화시켰을 때의 C_m값 변화를 비정렬 거리에 따라 보여준다. 면적비가 커질수록 먼 거리의 비정렬 상황에서 주 결합을 유지할 수 있으므로, 음영지역의 발생 위치가 달라진다. 결론적으로, 90 % 이상의 면적비를 가질 경우 음영지역이 커플러 지름의 50 % 지점 이후(57.5 mm)에서 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그림 8은 15 MHz의 동일한 공진주파수를 가지는 면적비가 90 %인 적층형 CPT 커플러와 기존 CPT 커플러가 각 비정렬 거리에 대해 최적 매칭이 이뤄졌을 때의 최고 S₂₁ 및 C_m을 비정렬 거리(0∼200 mm)에 따라 비교한 것이다. 적층형 CPT 커플러는 단 한 번의 음영지역이 발생함을 알 수 있으며, 이는 기존 CPT 커플러와는 달리 주 결합과 교차 결합이 비정렬 거리에 따라 한번만 역전되었음을 의미하며, 적층형 커플러가 기존 커플러보다 음영지역 발생지점 및 발생빈도를 크게 완화 시켰음을 보여준다.

그림 7. | Fig. 7. 앞면 판 면적비 변화에 대한 C_m비교 | Comparison of C_m for front plate ratio.

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그림 8. | Fig. 8. 비정렬 거리에 따른 CPT 및 적층형 CPT 커플러의 S₂₁ 및 C_m 크기 | The C_m value and the S₂₁ parameters for conventional and stacked CPT coupler.

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Ⅳ. 결 론

본 연구에서는 기존의 WPT 시스템의 커플러에서 발생하는 음영지역의 발생 요인을 분석하고, 발생 위치를 설계 및 완화하는 방법에 대하여 논의한다. 결과적으로 음영지역의 발생은 송수신기의 결합 계수에 의해 결정되며, 적절한 설계의 커플러를 통해 완화할 수 있다. 음영지역 현상 완화를 위해 앞면 판 면적비가 90 %인 적층형 CPT 커플러가 제안되었으며, 일부 송신기를 부분적으로 활성화 하는 MISO 시스템 구현에 적용할 수 있다.