가변 임피던스 정합 회로를 갖는 루프 안테나를 이용한 13.56 MHz 무선 전력 전송 시스템

원도현,김희승,장병준,Won, Do-Hyun,Kim, Hee-Seung,Jang, Byung-Jun 한국전자파학회 2010 한국전자파학회논문지 Vol.21 No.5

In this paper, we proposed a 13.56 MHz wireless power transfer system using loop antennas with tunable impedance matching circuits. In general, a wireless power transfer system shows an impedance mismatching due to a reflected impedance, because a coupling coefficient is varied with respect to separation distance between two resonating antennas. The proposed system can compensate the effect of this impedance mismatch owing to tunable impedance matching circuits using varactor diodes. Therefore, transmission efficiency is enhanced, moreover, the center frequency of the system is not changed, regardless of separation distance between two antennas. In order to demonstrate the performance of the proposed system, a wireless power transfer system with tunable impedance matching circuits is designed and implemented, which has a pair of loop antennas with a dimension of $30\;cm{\times}30\;cm$ cm. The input return loss, coupling coefficient, efficiency, and input impedance variation with respect to a distance between loop antennas were measured. From measured results, the proposed system shows enhanced performances than the case of the general fixed $50\;{\Omega}$ impedance matching circuits. Therefore, we verified that the proposed wireless power transfer system using the proposed impedance matching scheme will be able to ensure robust operation even when the separation distance of antennas is varied. 본 연구에서는 가변 임피던스 정합 회로를 갖는 루프 안테나를 이용한 13.56 MHz 무선 전력 전송 시스템을 제안하였다. 일반적으로 무선 전력 전송 시스템은 공진기간의 이격 거리가 변함에 따라 결합계수가 변하게 되며, 이는 반사 임피던스에 의한 임피던스 부정합을 발생시킨다. 본 연구에서 제안한 방식은 varactor 다이오드를 갖는 가변 임피던스 정합 회로를 사용함으로써 루프 안테나 간의 이격 거리 변화에 따른 임피던스 부정합을 보상할 수 있다. 따라서, 안테나간의 거리가 가까워 결합계수가 큰 경우에도 우모드와 기모드의 발생을 최소화하여 중심 주파수의 변화 없이 최적의 전송 효율을 얻을 수 있다. 본 논문에서 제안한 방법의 유용성을 입증하기 위하여 13.56 MHz에서 동작하는 $30\;cm{\times}30\;cm$ 크기의 루프 안테나를 갖는 무선 전력 전송 시스템을 고정 임피던스 정합 회로와 가변 임피던스 정합 회로를 갖는 경우로 각각 설계하고, 거리에 따른 입력 임피던스, 입력 반사 계수 및 효율 변화를 측정하였다. 또한 가변 임피던스 정합 회로를 송신기와 수신기의 한 쪽에만 사용하는 경우와 양 쪽 모두에 사용하는 경우를 비교 측정하였다. 측정 결과, 고정 임피던스 정합 회로보다 가변 임피던스 정합 회로를 사용하는 것이 효율이 개선되며, 한 쪽에만 사용하는 경우보다 양 쪽 모두에 사용하는 것이 개선된 효율을 보임을 확인하였다.

가변 임피던스 정합 회로를 갖는 루프 안테나를 이용한 13.56 ㎒ 무선 전력 전송 시스템

원도현(Do-Hyun Won),김희승(Hee-Seung Kim),장병준(Byung-Jun Jang) 한국전자파학회 2010 한국전자파학회논문지 Vol.21 No.5

본 연구에서는 가변 임피던스 정합 회로를 갖는 루프 안테나를 이용한 13.56 ㎒ 무선 전력 전송 시스템을 제안하였다. 일반적으로 무선 전력 전송 시스템은 공진기간의 이격 거리가 변함에 따라 결합계수가 변하게 되며, 이는 반사 임피던스에 의한 임피던스 부정합을 발생시킨다. 본 연구에서 제안한 방식은 varactor 다이오드를 갖는 가변 임피던스 정합 회로를 사용함으로써 루프 안테나 간의 이격 거리 변화에 따른 임피던스 부정합을 보상할 수 있다. 따라서, 안테나간의 거리가 가까워 결합계수가 큰 경우에도 우모드와 기모드의 발생을 최소화 하여 중심 주파수의 변화 없이 최적의 전송 효율을 얻을 수 있다. 본 논문에서 제안한 방법의 유용성을 입증하기 위하여 13.56 ㎒에서 동작하는 30 ㎝×30 ㎝ 크기의 루프 안테나를 갖는 무선 전력 전송 시스템을 고정 임피던스 정합 회로와 가변 임피던스 정합 회로를 갖는 경우로 각각 설계하고, 거리에 따른 입력 임피던스, 입력반사 계수 및 효율 변화를 측정하였다. 또한 가변 임피던스 정합 회로를 송신기와 수신기의 한 쪽에만 사용하는 경우와 양 쪽 모두에 사용하는 경우를 비교 측정하였다. 측정 결과, 고정 임피던스 정합 회로보다 가변 임피던스정합 회로를 사용하는 것이 효율이 개선되며, 한 쪽에만 사용하는 경우보다 양 쪽 모두에 사용하는 것이 개선된 효율을 보임을 확인하였다. In this paper, we proposed a 13.56 ㎒ wireless power transfer system using loop antennas with tunable impedance matching circuits. In general, a wireless power transfer system shows an impedance mismatching due to a reflected impedance, because a coupling coefficient is varied with respect to separation distance between two resonating antennas. The proposed system can compensate the effect of this impedance mismatch owing to tunable impedance matching circuits using varactor diodes. Therefore, transmission efficiency is enhanced, moreover, the center frequency of the system is not changed, regardless of separation distance between two antennas. In order to demonstrate the performance of the proposed system, a wireless power transfer system with tunable impedance matching circuits is designed and implemented, which has a pair of loop antennas with a dimension of 30 ㎝×30 ㎝. The input return loss, coupling coefficient, efficiency, and input impedance variation with respect to a distance between loop antennas were measured. From measured results, the proposed system shows enhanced performances than the case of the general fixed 50 Ω impedance matching circuits. Therefore, we verified that the proposed wireless power transfer system using the proposed impedance matching scheme will be able to ensure robust operation even when the separation distance of antennas is varied.

노이즈 소스 임피던스 추출 방식을 이용한 EMI 필터 설계

원도현(Do-Hyun Won),김희승(Hee-Seung Kim),백미란(Mi-Ran Baek),한상규(Sang-Kyoo Han),노정욱(Chung-Wook Roh),원재선(Jae-Sun Won),오동성(Dong-Seong Oh),홍성수(Sung-Soo Hong) 전력전자학회 2010 전력전자학술대회 논문집 Vol.2010 No.7

기존의 EMI 필터 설계 방식은 많은 가정을 전제로 설계되어 다양한 종류의 컨버터에 적용하기 어렵고, 특정 컨버터에만 적용할 수 있는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 측정 대상 시료의 노이즈 원과 노이즈 소스 임피던스를 등가회로로 모델링한 후 EMI 필터에 사용되는 소자의 임피던스 모델을 이용하여 노이즈 소스 임피던스를 유추한다. 이를 이용하여 모든 컨버터에 적용될 수 있는 EMI 필터 설계 방법을 제시한다. 최종적으로 각 단계에서 실제 측정 결과 및 모의실험 결과를 제시하여 제안 방식의 타당성 및 유용성을 검증하였다.

EMI filter의 감쇄 성능 예측을 위한 소자의 공통 및 차동 모드 모델링 기법

김희승,백미란,원도현,홍성수,노정욱,한상규,원재선,오동성 전력전자학회 2010 전력전자학술대회 논문집 Vol.2010 No.7

EMI 감쇄성능의 정확한 예측을 위해서는 EMI 필터에 사용되는 소자에 대한 명확한 공통 및 차동 모드 임피던스 모델 정보가 필요하다. 하지만 기존의 전도성 EMI 감쇄성능 예측 방식은 이러한 모델의 부재로 인해 고주파수에서 예측 값과 실험 결과에 큰 오차가 발생하는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 일반적으로 사용되는 EMI 필터의 소자를 전도성 전파 규제 범위에서 모델링하고 이를 이용하여 공통 및 차동모드 임피던스로 다시 모델링한다. 실험 결과 EMI 감쇄성능을 1㎒ 이하의 영역에서만 예측할 수 있었던 기존 방식과 비교해 제안 방식은 10㎒ 영역까지 예측할 수 있는 장점이 있다. 최종적으로 임피던스 분석기를 이용한 측정 결과와 모의실험 결과를 제시하여 제안 방식의 타당성 및 유용성을 검증한다.

루프 안테나를 이용한 무선 전력 전송 시스템의 새로운 설계법

김희승(Hee-Seung Kim),원도현(Do-Hyun Won),임재봉(Jae-Bong Lim),장병준(Byung-Jun Jang) 한국전자파학회 2010 한국전자파학회논문지 Vol.21 No.1

본 논문에서는 가전기기 등에 무선으로 전력을 전송하는 것을 목표로 루프 안테나를 이용한 무선 전력 전송 시스템의 새로운 설계 방법을 제안하였다. 본 설계 방법은 복잡한 전자기 시뮬레이션 없이 간단한 결합 계수의 측정과 루프 안테나의 등가 회로 모델에 대한 근사식만으로 무선 전력 전송 시스템을 설계할 수 있다. 본 논문에서 제시한 설계 방법에 따라 13.56 ㎒에서 동작하는 50×50 ㎠ 크기를 갖는 루프 안테나 쌍을 설계하고, 거리에 따른 입력 반사 계수, 결합 계수, 효율 및 임피던스 변화를 측정하였다. 측정 결과, 본 논문에서 제안한 설계방법이 입력 임피던스 특성을 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다. 또한 50 ㎝ 이하의 거리에서 본 논문의 설계 방법을 이용하여 임피던스 정합한 무선 전력 전송 시스템이 일반적인 50 Ω 임피던스 정합 회로를 갖도록 설계된 경우보다 효율이 2배 정도 개선되는 것을 확인하여 제안한 설계법의 유용성을 확인하였다. In this paper, we propose a new design method to design a wireless power transfer system using loop antennas for consumer electronics. This method can simply design a wireless power transfer system only using measurements of coupling coefficients and simple equations of equivalent circuit model about loop antennas without complicated electromagnetic analysis. Using the proposed design method, a wireless power transfer system with a pair of loop antennas operating at the frequency of 13.56 ㎒, which have a dimension of 50×50 ㎠, is designed and implemented. The input return loss, coupling coefficient, efficiency, and input impedance variation with respect to a distance between loop antennas were measured. The proposed design method provides good agreements between measured and predicted results. Also, the wireless power transfer system with impedance matching circuits designed by the proposed design method shows two times higher efficiency characteristics than the case with the general 50 Ω impedance matching circuits. Therefore, we verified that our design method could be an effective tool to design a wireless power transfer system.

Al-Si 합금에서의 금속간 화합물에 의한 Fe 제거에 관한 연구 (초)

이상민,윤의박,이태희,원도현,김세훈,오승철 대한금속ㆍ재료학회 2009 대한금속재료학회 학술대회 개요집 Vol.2009 No.-

근거리에서 효율 향상을 위해 적응 주파수 제어 회로를 갖는 HF-대역 무선 전력 전송 시스템

장병준(Byung-Jun Jang),원도현(Do-Hyun Won) 한국전자파학회 2011 한국전자파학회논문지 Vol.22 No.11

본 논문에서는 근거리에서 효율 향상을 위해 적응 주파수 제어 회로를 갖는 HF-대역 무선 전력 전송 시스템을 제안하였다. 일반적으로 무선 전력 전송 시스템은 공진기 간의 이격 거리가 가까워짐에 따라 결합 계수가 변하게 되며, 이는 반사 임피던스에 의한 임피던스 부정합을 발생시킨다. 본 연구에서 제안한 방식은 전압제어 발진기의 공진 주파수를 이격 거리에 따라 자동으로 가변함으로써 공진기 간의 거리가 가까워 임피던스 부정합이 큰 경우에도 전송 효율의 저하를 막을 수 있다. 적응 주파수 제어 회로는 방향성 결합기, 검파기 및 루프 필터로 구성된다. 본 논문에서 제안한 방법의 유용성을 입증하기 위하여 HF-대역에서 동작하는 30×30 ㎠ 크기의 루프 안테나를 갖는 무선 전력 전송 시스템을 설계하여 측정한 결과 근거리에서 효율이 개선됨을 확인하였다. In this paper, we proposed an HF-band wireless power transfer system with adaptive frequency control circuit for efficiency enhancement in a short range. In general, a wireless power transfer system shows an impedance mismatching due to a reflected impedance, because a coupling coefficient is varied with respect to separation distance between two resonating loop antennas. The proposed method can compensate this impedance mismatching by varying input frequency of a voltage-controlled oscillator adaptively with respect to separation distance. Therefore, transmission efficiency is enhanced in a short distance, where large impedance mismatch occurs. The adaptive frequency circuit consists of a directional coupler, a detector, and a loop filter. In order to demonstrate the performance of the proposed system, a wireless power transfer system with adaptive frequency control circuits is designed and implemented, which has a pair of loop antennas with a dimension of 30×30 ㎠. From measured results, the proposed system shows enhanced efficiency performance than the case without adaptive frequency control.