무선전력전송 1 무선전력전송시스템구성 시스템 : 전체적으로송신부와수신부로구성 자기유도 : 코일자기공명 : 공진코일전자파방사 : 안테나 전체시스템효율을높이기위해각블록의효율최적화필요 최대전력전송을위한임피던스매칭필요 자기공명, 자기유도, 전자파방식모두같은시스템블락을사용 2
무선충전 무선충전이란? 무선충전회로도 3 자기유도방식 무선충전의방식 (1) 충전기에내장되어있는코일에전류가흘러자기장이변화하면이로인해핸드폰에내장되어있는코일에전압이유도되어배터리가충전되는방식 수 cm 이하의거리에서는우수한효율을보이나, 먼거리에서는효율이떨어지는문제점이있음 WPC (Wireless Power Consortium) 주파수 : 110 ~ 205 khz 10W 이하무선충전표준 Qi 4
자기장과관련된중요법칙 Current B-field Biot-Savart law : current generates magnetic field (1820) IdL a R R dh IdL a R 2 4 R dh Induced current v induced B-field Fraraday s law : time-varying magnetic field induces electric field that opposes the variation. (1831) v induced d N dt N : number of turns of coil. : total mangetic flux 5 Transformer Mutual term 1 2 1 2 M k k L L 1 1 M L L 2 2 (0 k 1) = Coefficient of coupling: indication of how much flux in one coil is linked with the other coil. For large values of, the inductors are said to be tightly coupled. For small values of, the inductors are said to be loosely coupled 6
스마트폰무선충전 7 다중표준복합코일설계 목표 : 다중표준 (WPC/A4WP) 을지원하는 quality-factor 가우수한코일설계 ( 간섭최소화 ) WPC/A4WP 복합코일구조 ( 송신부코일 ) A4WP 코일 b a 45 mm c 50 mm WPC 코일 8
무선충전의방식 (2) 자기공명방식 공진주파수가동일한두코일사이에에너지가전달되는방식 비교적먼거리 (~m) 에서도우수한효율을에너지가전달될수있음. A4WP (Alliance for Wireless power) 주파수 : 6.78 MHz 5W 급무선충전표준 Rezence 송수신부간의전력전달효율? 높은 quality factor 를갖는코일 9 자기공명을이용한무선전력전송 자기유도방식 : 근거리에서우수한효율을보임 거리가멀어지면효율이떨어짐 자기공명방식 2007 년 SCIENCE 10
자기공명을이용한무선전력전송 Main power transfer occurs between two coupled resonators. 11 자기공명을이용한무선전력전송 MIT Intel 2007 년자기공진무선전력전송최소시연 주파수 : 10MHz 코일크기 : 지름 60 cm 2 m 거리에 60 W 전력전송 70% @ 1 m, 40% @ 2 m 크기, 전송효율, 방향성문제개선필요 IDF2008, WREL (Wireless Resonant Energy Link) 기술발표 10 MHz 주파수사용 송신코일약 60cm, 수신코일약 30cm 60W 전력전송, 효율 70% @ 80cm 크기, 전송효율, 방향성문제개선필요 12
자기공명무선전력전송시현 Intel 사의자기공명무선전력전송시스템시현영상 최적의거리한지점에서만최대효율을보이며전구가켜짐 이지점보다거리가멀어지거나혹은가까워져도전송효율이떨어지며전구가꺼짐 100 80 Efficiency (%) 60 40 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Distance (cm) 공명 고유진동수 : 모든물체는특정한진동수로진동함 ( 예 : 작은종은큰종보다높은고유진동수를가짐 ) 공명현상에의해무너진미국타코마다리 바람에의해생긴진동이다리자체가지니고있는고유한진동과일치 다리를더욱크게진동하게만들었고결국다리는진동을견디지못하고파괴 공명에의한에너지의전달 동일한고유진동수를가지는소리굽쇠 진자 14
자기공명무선전력전송원리 코일사이의공명현상을이용하여에너지를전송 송수신코일의공진주파수가동일하여코일간의공진모드에너지결합을통해송신코일에서발생한에너지가수신코일로전달 Equivalent circuit model - 코일 - 동일한공진주파수 - 높은품질계수 (Q-factor) - 거리에따라효율이변함 - 코일과 loop 간의결합계수에따라최고효율을보이는거리가달라짐 1 1 1 1 1 12 2 2 2 1 2 2 12 1 23 3 0 3 3 1 3 3 34 4 23 2 0 4 4 1 4 4 34 3 0 2 / 2 / 4 2 23 2 2 2 12 1 2 1 2 12 1 2 2 2 2 23 2 15 자기공명무선전력전송시스템 자기공명무선전력전송시스템 무선으로휴대폰, 노트북등모바일디바이스충전 TV 등가전제품에무선전력공급 연구내용 무선전력전송효율개선을위한공진기및회로연구 소형, 높은효율, 먼거리전송 ( 수 m) 등 16
자기공명형무선전력전송연구 거리에상관없이높은전송효율을얻도록하는방법제안 반경이다른여러개의 source/load loop 사용 거리에따라적절한크기의 loop 선택 1 m 거리에서도 60 % 정도의우수한효율 100 80 Loop 1 Loop 2 Loop 3 Loop 4 Efficiency (%) 60 40 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Distance, d23 (cm) 17 고효율무선전력전송기법 거리에상관없이높은전송효율을얻도록하는방법제안 100 80 Loop 1 Loop 2 Loop 3 Loop 4 [10] [11] Efficiency (%) 60 40 20 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Distance, d 23 (cm) 18
실시간자동매칭무선전력전송연구 거리에상관없이높은전송효율을얻을수있는실시간자동매칭기법 거리에따라서시스템의입력임피던스를컴퓨터로실시간으로계산 자동화알고리즘을통해매칭에필요한컨트롤러전압을계산및출력 Loop switching 기법과 varactor 를이용한자동매칭을통해고효율시스템구현 Block Diagram 송신부 Signal Generator Forward Directional Coupler Reflected Matching Circuit (Varactor) Switch SP4T Coils Rectifier DAQ Board AO Board Computer ( 자동매칭 ) 수신부 Load (50 Ω) Matching Circuit (Varactor) Switch SP4T Coils Oscilloscope 19 실시간자동매칭무선전력전송측정결과 100 80 Efficiency (%) 60 40 20 0 Conventional WPT Loop switching WPT Proposed adaptive WPT 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 Distance, d 23 (cm) 실시간자동매칭시스템을통해모든사용거리에서최대전력이전달이이뤄짐 일반적인 WPT 시스템에비해 10cm, 1m 에서각각 52%, 37% 효율향상 20
WPT: Bluetooth + MCU + MEMS switch Tx PWM to DC converter 4Ch, 13.56MHz Signal generator Tunable Matching Circuit SP4T Switch Loop1-4 Coil Bluetooth (peripheral) Power Rx Rectifier Tunable Matching Circuit SP4T Switch Loop1-4 Coil Bluetooth (central) PWM to DC converter, MCU 4Ch 21 고효율 class E 전력증폭기 무선전력전송용고효율전력증폭기 Class E switching mode Si LDMOS FET 사용 출력전력 = 38.6 dbm, 최대효율 (PAE) = 89.6 % ( 드레인전압 = 12.5 V, 주파수 = 13.56 MHz) 22
무선전력전송방식 자기유도방식 (Inductive coupling) 자기공명방식 (Magnetic resonance) 전자기파방사방식 (EM radiation) 원리 송수신코일간전자기유도현상 공진주파수가동일한코일간의자기공명현상 전자파를안테나를통해직접송수신 특징 주파수 < 수백 khz 전송거리 < 수 cm 효율 ~ 85% at mm 안테나 : 코일 기술수준 : 상용화 응용분야 : 가전기기, EV 주파수 : 1 ~ 15 MHz 전송거리 ~ 수 m 효율 ~ 70% at 1 m 안테나 : 코일, 공진기 기술수준 : 상용화진입 응용분야 : 가전기기, EV 주파수 : 수 ~ 수십 GHz 전송거리 ~ km 효율 > 70% ( 예상 ) 안테나 : 배열안테나 기술수준 : 연구단계 응용분야 : 우주태양광발전 주요업체 LG, 삼성전자, WPC, PMA Witricity, 퀄컴, A4WP NASA, JAXA 23 마이크로파를이용한무선전력전송 우주태양광발전 태양에너지를마이크로파로변환하여지구에전송하고, 이를 DC 전력으로변환하여전기에너지공급 무공해청정에너지이며지상태양광발전보다 10 배정도우수한효율을가짐. 연구내용 고효율마이크로파발생회로연구 고효율정류기 ( 렉테나 ) 회로연구 전력결합용고효율안테나연구 24
연구동향 ( 일본 ) 일본 : JAXA 중심 2011 년후쿠시마원전사고로친환경적재생에너지원에대한연구활발 우주태양광발전 프로젝트진행중 최근 (2014 년 ), kw 전력을 5.8 GHz 마이크로파를이용하여 50 m 거리송전프로젝트수행중, 400 km 고도에서지상으로무선송전실험계획중 2020 년경 100 kw 급무선송전실험, 2040 년경 1 GW 급상업용우주태양광발전소건설계획 25 우주태양광발전개념도 ( 일본 ) 26
연구동향 ( 미국 ) 미국 : 우주태양광발전프로젝트 (NASA/JPL) 파라볼라안테나 ( 직경 = 26 m) 사용하여지상간무선송전실험 (1.6 km 거리에 34 kw) (rectenna : 3.4 m x 7.2 m) 위상배열안테나사용하여하와이두섬간무선송전성공 (150 km 거리 ) 무연료헬리콥터에무선송전실험성공 27 무인비행체무선전력공급 28
신재생에너지와무선전력전송 29 고효율마이크로파신호발생기및정류기 마이크로파신호발생기 중심주파수 : 2.45 GHz 출력전력 : 4-W DC-RF 변환효율 : > 80 % V GG (-2.8V) R GG (100 Ω) 47 pf 1.2/ 16.0 3.9 nh Z L 3.9/5.6 1.2/16.3 λ/4 at 3f 0 3.9/4.8 TL 2 0.2/ 10 pf 5.4 TL 1 2.0/ 3.1 1.0 pf 1.5 pf λ/4 at 2f 0 1.8 pf (Transmission lines : width/length in mm) 1.5/10.5 V DD (28 V) A λ/4 at f 0 1.5/22.6 1.5/ 19.7 λ/4 at f 0 1.5/21.9 47 pf 25 Ω output 마이크로파정류기회로 중심주파수 : 2.45 GHz RF-DC 변환효율 : > 70 % 30 Diode
출력정합회로 고효율고조파정합전력증폭기 입력정합회로 GaN HEMT CGH40006P < 제작된전력증폭기실물사진 > Gain (db), PAE (%) 90 46 Pin = 24 dbm PAE 80 Pin = 26 dbm 44 Pin = 28 dbm 70 42 60 P out 40 50 40 38 30 36 20 Gain 34 10 32 0 30 1.70 1.75 1.80 1.85 1.90 1.95 2.00 Frequency (GHz) Output power (dbm) PAE = 80.9 % at Psat = 38.6 dbm PAE = 47.1 % at P1dB = 33.7 dbm PAE > 70 % and Psat > 38 dbm across 1.8 ~ 1.9 GHz 31 고효율 DC-RF 변환기 마이크로파신호발생기 Harmonic-tuning을이용한비선형고효율발진기설계기법제안 중심주파수 : 2.45 GHz GaN HEMT 사용 출력전력 : 6-W DC-RF 변환효율 = 83 % V GG GaN HEMT out SIR V DD feedback 32