다중 기기를 위한 자기 공진형 무선전력전송 : Magnetic Resonant Wireless Power Transfer for Multiple Devices :

김진욱

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김진욱 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원대학교 대학원)

지도교수: 박영진

발행연도: 2014

저작권: 과학기술연합대학원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수11

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2014

다중 기기를 위한 자기 공진형 무선전력전송 : Magnetic Resonant Wireless Power Transfer for Multiple Devices

김진욱 2014.01 학위논문

2013

중계형 무선전력전송 시스템의 전송 효율 및 최적 부하 임피던스 조건

김진욱 , 김도현 , 김관호 외 1명 대한전기학회 학술대회 논문집 2013.07 학술대회자료

2012

전력 중계형 무선전력전송을 이용한 무선전력전송 보드

김진욱 , 손현창 , 김관호 외 1명 제어로봇시스템학회 합동학술대회 논문집 2012.07 학술대회자료

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수 MHz 이상의 주파수를 이용한 자기 공진형 무선전력전송 시스템은 복수 휴대 전자기기의 동시 충전 및 자유 위치 충전이 가능할 것으로 기대되기 때문에 많은 연구가 진행 중이다. MHz 주파수 대역에서 공진형 무선전력전송 시스템의 효율을 높이기 위해서는 저손실 코일의 설계와 최적의 임피던스 매칭이 필수적이다.

본 학위논문에서는 수신 기기의 위치와 개수에 관계없이 효율적인 전력전송을 하기 위해, 균일한 상호 인덕턴스를 갖는 송신 코일과 용량성 임피던스 매칭 네트워크를 사용한 6.78 MHz 대역의 공진형 무선전력전송 시스템을 제안하였다.

우선, 다중 기기 무선 충전이 가능한 자기 공진형 무선전력전송 시스템을 설계하기 위해 회로 이론을 이용하여 시스템을 분석하였다. 이론적 분석을 통하여 코일의 전기적 파라미터와 전력전송효율과의 관계, 전력전송효율을 최대화하기 위한 임피던스 매칭 조건 등을 제시하였다.

이론적인 해석 결과에 기반하여 순방향 및 역방향 병렬 루프 구조를 이용하여 자기장 분포를 제어할 수 있는 코일 구조를 제시하였다. 이를 이용해 균일한 상호 인덕턴스를 갖는 코일을 설계하여 위치 자유도를 갖는 무선전력전송 시스템을 구성하였다. 또한, 기존에 제시되지 않았던, 비등간격의 멀티루프 코일에 대한 손실 저항을 닫힌 형태의 해로 유도해 멀티루프 코일의 저항을 최소화하였다.

또한, 다중 기기 무선전력전송 시스템에 적용된 용량성 임피던스 매칭 네트워크를 분석하여 최적 커패시턴스 값을 이론적으로 유도하였다. 수전부의 부하 변동에 따른 전력 분배의 관점에서 임피던스 매칭 네트워크를 비교 분석하여 다중 기기 무선전력전송 시스템에 적합한 임피던스 매칭 네트워크를 제시하였다.

해석 결과들을 검증하기 위해 균일한 상호 인덕턴스를 갖는 송신 코일과 용량성 임피던스 매칭 네트워크를 적용하여 6.78 MHz에서 최대 4개의 수신 기기를 동시에 충전할 수 있는 시스템을 처음으로 구현하였다. 송전부 측의 병렬 커패시터만을 가변적으로 제어하여 수신 기기의 개수에 상관없이 -10 dB 이하의 반사계수를 얻을 수 있었다. 또한, 제작한 시스템은 수신 기기의 개수에 따라 최소 83%에서 최대 94% 의 효율로 전력전송이 가능하였다.

제안된 시스템은 기존의 수 백 kHz 대역에서 구현된 다중 기기 무선전력전송 시스템에 비해 높은 효율을 가지면서도 복잡한 임피던스 매칭 회로가 필요하지 않는 장점이 있다. 따라서 제안한 시스템은 실제 스마트폰, 태블릿 등의 휴대 전자기기의 무선충전 시스템에 적용될 수 있을 것으로 예상된다.

There are many studies on magnetic resonant wireless power transfer (WPT) over megahertz-frequency bands because it is expected that simultaneous charging of multiple mobile devices and free positioning of the charging are possible. To increase the power transfer efficiency of magnetic resonant WPT systems in megahertz frequency bands, the design of low loss coils and optimal impedance matching are essential.

In this thesis, to achieve efficient WPT regardless of both positions and number of devices, a magnetic resonant WPT system of 6.78 MHz which employs a transmitting coil that supports uniform mutual inductance and capacitive impedance matching networks (IMNs) is proposed.

First, a multi-device WPT system is analyzed based on circuit theory to design a highly efficient WPT system. From the theoretical analysis of the system, the relation between the electric parameters of the coils and the power transfer efficiency is derived. In addition, the impedance matching conditions to maximize the power transfer efficiency are presented.

Based on the theoretical analysis, coil structures that can control the magnetic field distribution using forward- and reverse-winding parallel loops are proposed. Using the coil structure, a coil supporting uniform mutual inductance is designed for free-positioning WPT. Moreover, the ohmic resistance of multi-loop coils with unequal pitches is minimized by deriving a closed-form formula of ohmic resistance for the coils for the first time.

In addition, the optimum capacitances of the capacitive IMNs are derived theoretically by analyzing the IMNs in multi-device WPT systems. The optimal IMN for the multi-device WPT system is suggested by analyzing and comparing the IMNs in terms of power division according to load variation.

To verify the results of these analysis, a WPT system using a transmitting coil that supports uniform mutual inductances and a capacitive IMN is fabricated for the first time to simultaneously charge up to a maximum of four devices. By controlling the parallel capacitors in only the transmitting part, reflection coefficients under -10 dB are achieved regardless of the number of devices. Moreover, the fabricated system has power transfer efficiencies from a minimum of 83% to a maximum of 94% according to the number of devices.

The proposed system has a higher efficiency than the multi-device WPT systems with hundreds of kHz bands that have been previously reported. Furthermore, the proposed system does not require complex impedance matching circuits. Therefore, the proposed system can be applied to the practical wireless charging of smart phones and tablets.

#다중 기기 #무선전력전송 #무선충전 #자기 공진형 #코일 설계

Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i
List of Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
List of Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
1. Introduction 1
1.1 Wireless power transfer . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Magnetic induction technology . . . . . . . . . 2
1.3 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Scope and purpose of the thesis . . . . . . . . 5
1.5 Thesis outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2. Analysis of WPT systems 8
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Configuration of WPT systems . . . . . . . . 8
2.3 Analysis based on circuit theory . . . . . . . . 10
2.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3. Design of multi-loop coils
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Mutual inductance (M) calculation . . . . . . 22
3.3 Self-inductance (L) calculation . . . . . . . . . 22
3.4 Multi-loop coils to adjust magnetic fields . . 23
3.5 Low-loss coil design . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4. Capacitive Impedance Matching Networks 69
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2 WPT systems with capacitive IMNs . . . . . 71
4.3 Derivation of optimum capacitances . . . . . 76
4.4 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5. Proposed multi-device WPT system 98
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.2 Configuration of the proposed system . . . . 101
5.3 Design of impedance matching networks . . . 103
5.4 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
6. Conclusions 114
Appendix A. System analysis based on CMT 118
Appendix B. Mutual inductance calculation 121
B.1 M between two circular loops . . . . . . . . . 122
B.2 M between circular and rectangular loops . . 123
B.3 M between two rectangular loops . . . . . . . 126
B.4 M between two off-axis rectangular loops . 129
Appendix C. Self-inductance calculation 133
C.1 Circular multi-loop coil . . . . . . . . . . . . 133
C.2 Rectangular multi-loop coil . . . . . . . . . .134
Appendix D. Comparison of H-fields 135
Appendix E. Matlab codes for the ohmic resistance 138
E.1 Rcal.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .138
E.2 f_Gp_unequal.m . . . . . . . . . . . . . . . .140
E.3 f_H_asy.m . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
E.4 f_H_sym.m . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Appendix F. Measurement method of parameters 145
F.1 Self-inductance . . . . . . . . . . . . . .145
F.2 Mutual inductance . . . . . . . . . . . . 146
F.3 Resonant frequency . . . . . . . . . . . . . . . 147
F.4 Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
References 149

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