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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이정해
- 발행연도
- 2022
- 저작권
- 홍익대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수510
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무선전력전송은 전선 없이 전력을 공급하는 기술로, 사용자의 편의를 향상하고 수신기의 이동과 휴대를 자유롭게 하며, 방진, 방수 등의 유선 전력 공급이 어려운 사용 환경에도 적용이 가능하다. 무선전력전송은 크게 근역장(Near-Field)에서 이루어지는 자기장 방식과 원역장(Far-Field)에서 이루어지는 전자기파 방식으로 구분할 수 있다. 자기장 방식은 코일의 공진과 자기유도 현상을 이용한 무선전력전송이다. 전자기파 방식과 비교하여 가까운 거리에서의 무선전력전송에 더 적합하다. 자기장 방식의 무선전력전송은 주파수에 따라 수십~수백 kHz의 자기유도방식과 수 Mhz의 자기공진방식으로 나뉘어진다. 본 논문에서는 자기유도와 자기공진의 자기장 방식 무선전력전송 코일 설계에 대해 기술하였다.
자기유도 방식을 사용하는 스마트폰 무선충전의 위치 자유도를 개선하기 위해 무선충전패드의 Tx 코일을 설계하여 측면 이동시 효율을 개선하였다. 기존 코일보다 외경을 키운 이중 구조의 코일을 설계하여 코일의 중심이 잘 일치할 때의 전송 효율이 기존 코일에 비해 크게 저하되지 않으면서 15 mm 측면 이동시에 효율이 개선되었다. 이중 구조의 코일과 외경이 동일한 단일 코일은 측면 15 mm 이동시에는 효율이 개선되었으나, 중심에서 효율이 크게 저하되어 이중 구조 코일의 효력을 입증하였다. 코일의 임피던스 측정을 통한 효율 산정과 Qi 표준 방식의 시스템 효율 측정을 통해 코일의 자유도 개선 결과를 검증하였다.
자기장 방식 무선전력전송은 송수신 코일 구조와 배치에 따른 최적 부하값이 존재한다. 하지만 실제 어플리케이션에 적용 시, 부하 값을 특정한 값으로 고정하기보다, 배터리의 충전 상태나 제품의 동작 상태에 따라 실시간으로 변하는 경우가 대부분이다. 본 논문에서는 부하의 변화에도 높은 전송 효율을 유지하는 자기공진방식 코일 설계에 대해 기술하였다. 자기유도코일과 자기공진코일을 비교하여 부하 변화에 따라 전송 효율을 유지하기 위해서는 자기공진코일 설계가 유리함을 입증하였다. 또한 이 기법을 1x4 구조의 1개의 Tx와 4개의 Rx가 있는 1:4 SIMO 코일에 적용하여 코일 효율을 측정함으로써, 5~300 Ω의 부하 저항의 변화에도 효율이 비교적 일정하게 유지됨을 검증하였다. 6.78 MHz의 peak 2 A의 정전류원과 12 V의 정전압을 가지는 수신 부하가 있는 시스템을 구성하여 최대 90 W의 전력을 공급하여 정상 무선전력전송을 확인하였고, 개별 Rx에는 최대 25 W의 전력을 수신하는 것을 확인하였다.
자기유도 방식을 사용하는 스마트폰 무선충전의 위치 자유도를 개선하기 위해 무선충전패드의 Tx 코일을 설계하여 측면 이동시 효율을 개선하였다. 기존 코일보다 외경을 키운 이중 구조의 코일을 설계하여 코일의 중심이 잘 일치할 때의 전송 효율이 기존 코일에 비해 크게 저하되지 않으면서 15 mm 측면 이동시에 효율이 개선되었다. 이중 구조의 코일과 외경이 동일한 단일 코일은 측면 15 mm 이동시에는 효율이 개선되었으나, 중심에서 효율이 크게 저하되어 이중 구조 코일의 효력을 입증하였다. 코일의 임피던스 측정을 통한 효율 산정과 Qi 표준 방식의 시스템 효율 측정을 통해 코일의 자유도 개선 결과를 검증하였다.
자기장 방식 무선전력전송은 송수신 코일 구조와 배치에 따른 최적 부하값이 존재한다. 하지만 실제 어플리케이션에 적용 시, 부하 값을 특정한 값으로 고정하기보다, 배터리의 충전 상태나 제품의 동작 상태에 따라 실시간으로 변하는 경우가 대부분이다. 본 논문에서는 부하의 변화에도 높은 전송 효율을 유지하는 자기공진방식 코일 설계에 대해 기술하였다. 자기유도코일과 자기공진코일을 비교하여 부하 변화에 따라 전송 효율을 유지하기 위해서는 자기공진코일 설계가 유리함을 입증하였다. 또한 이 기법을 1x4 구조의 1개의 Tx와 4개의 Rx가 있는 1:4 SIMO 코일에 적용하여 코일 효율을 측정함으로써, 5~300 Ω의 부하 저항의 변화에도 효율이 비교적 일정하게 유지됨을 검증하였다. 6.78 MHz의 peak 2 A의 정전류원과 12 V의 정전압을 가지는 수신 부하가 있는 시스템을 구성하여 최대 90 W의 전력을 공급하여 정상 무선전력전송을 확인하였고, 개별 Rx에는 최대 25 W의 전력을 수신하는 것을 확인하였다.
목차
제 1 장 서론 11.1 무선전력전송의 필요성과 분류 21.1.1 무선전력전송의 필요성과 응용 21.1.2 무선전력전송의 분류 31.2 자기장 방식 무선전력전송의 기술 과제 51.2.1 자기장 방식 무선전력전송의 이전 연구 51.2.2 자기장 방식 무선전력전송의 해결해야 할 기술적 과제 5제 2 장 스마트폰 무선충전패드 자기유도 코일의 자유도 개선 설계 72.1 서론 82.1.1 자기유도 코일의 위치 자유도 개선 필요성 82.1.2 설계 목표 82.2 페라이트가 포함된 이중 코일의 설계 및 모델링 102.2.1 무선전력전송 코일의 모델링과 시뮬레이션 122.2.2 페라이트 유무에 따른 코일의 등가 모델 122.2.3 등가모델에 따른 효율 결과 비교 152.3 자기유도 코일의 위치 자유도 개선 설계 192.3.1 GA를 이용한 최적화 설계 192.3.2 코일 개별 설계 202.4 자기유도 코일의 위치 자유도 개선 결과 232.4.1 코일의 구조 및 사양 232.4.2 코일 효율 결과 242.5 시스템 효율 측정 272.5.1 위치 자유도 개선 코일의 시스템 효율 측정 Set-up 272.5.2 위치 자유도 개선 코일의 시스템 효율 측정 결과 282.6 결론 30제 3 장 부하 저항의 변화에 둔감한 효율을 가지는 자기공진 코일 설계 323.1 서론 333.2 단거리 무선전력전송에서의 자기공진방식과 자기유도방식 비교 353.2.1 단거리에서의 자기장 방식 무선전력전송 수식 353.2.2 자기유도 코일과 자기공진 코일의 설계 결과 비교 383.3 1:4 SIMO 자기공진 코일 설계 및 측정 433.3.1 무선 전력/데이터 동시 전송 시스템 개발 433.3.2 SIMO 자기공진 코일의 설계 463.3.3 SIMO 자기공진 코일의 구조 483.3.4 SIMO 자기공진 코일의 효율 503.4 1:4 SIMO 무선전력전송 시스템 효율 측정 523.4.1 SIMO 무선전력전송 시스템 Set-up 523.4.2 SIMO 무선전력전송 시스템의 무부하 측정 결과 533.4.3 SIMO 무선전력전송 시스템의 동시 전력공급 측정 결과 543.4.4 SIMO 무선전력전송 시스템의 개별 전력수신 측정 결과 563.5 결론 57제 4 장 결론 59참고문헌 61ABSTRACT 67
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