Study on Magnetic Coupler Design and Modeling for Inductive Power Transfer System

Abstract

최근, 전방향성 무선 전력 전송은 기존 무선 전력 전송의 위치 자유도 및 이동성의 한계에 대한 해결책으로 주목받고 있다. 그러나 기존의 전방향성 송신부는 평면 코일에 비해 부피가 크고 효율이 낮다. 효율을 높이기 위해 코어나 중간 코일이 사용되었지만, 이러한 방법들은 송신부의 크기와 시스템의 복잡성을 증가시킨다. 따라서, 송신기의 크기를 늘리지 않고 효율을 향상시키기 위한 자기 구조 설계가 제안되었다. 효율 향상을 위한 다양한 자기 구조 후보들을 제시하고 유한 요소 해석 소프트웨어를 사용하여 성능을 비교했다. 또한, 다목적 최적화 설계를 사용하여 최적의 자기 구조를 선정했다. 성능 검증을 위해 최적의 자기 구조와 전방향성 무선 전력 전송 프로토타입을 구축했다. 실험 결과들은 최적의 자기 구조가 3차원 공간에서 효율을 향상시킴을 보여줍니다. 전력 전송 거리가 150mm일 때 시스템 효율은 최대 18.6% 향상되었고 3차원 공간에서 균일한 효율 분포가 달성되었다. 전방향성 무선 전력 전송 시스템에서는 송신 전류의 크기와 위상에 따라 자속 밀도의 방향이 결정되기 때문에 전력 전송 능력을 향상시키기 위한 다양한 전류 제어 방법이 제안되었다. 이러한 제어 방법들을 구현하기 위해서는 전방향성 무선 전력 전송에 대한 정확한 동특성 분석이 필수적이다. 그러나 기존 연구는 대부분 송신부 구조 최적화, 정상 상태 분석, 공진 네트워크 설계에 중점을 두었다. 따라서 제어기 설계를 위해 cascaded buck-omnidirectional WPT 시스템의 모델링 방법이 제안되었다. 제안한 모데링에서는 cascaded system의 컨버터 사이의 상호 작용은 고려하면서 모델링 과정을 간략화하기 위해 aggregated modeling method를 적용했다. 또한, 확장 기술 함수 기반의 모델링 방법을 통해 전방향성 무선 전력 전송 시스템의 공진 네트워크의 동특성을 반영한 소신호 모델을 유도했다. 그러나 확장 기술 함수 기반의 모델링 방법은 모델의 차수를 증가시켜 동특성 해석과 제어기 설계를 복잡하게 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 동특성 모델에 balanced truncation method를 적용하여 모델의 차수를 저감했다. 제어기 설계 및 안정성 분석은 차수 축소 모델을 사용하여 수행되었다. 제안한 모델링 방법의 유효성을 검증하기 위해 MATLAB과 PSIM 소프트웨어 기반의 시뮬레이션 모델을 구축했다. 다양한 시뮬레이션 결과를 통해 유도된 대신호 모델, 소신호 모델 및 제어기 설계의 유효성이 검증되었다. 유도성 전력 전송 시스템에서 송신 코일과 수신 코일은 서로 약결합된다. 송신 코일과 수신 코일 사이의 긴 이격 거리는 자기적 결합을 약화시켜 유도성 전력 전송 시스템은 누설 인덕턴스가 상당히 크다. 누설 인덕턴스는 무효 전력을 증가시키고 이는 효율 감소로 이어진다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 보상 토폴로지가 제안되었다. 여러 보상 토폴로지 중 double-sided LCC 보상 토폴로지는 공진 주파수와 송신 코일 전류가 커플링 계수 및 부하에 독립적인 장점이 있다. 그러나 이 보상 토폴로지는 공진 주파수에서 정전류 출력 특성을 가져 출력 전압은 부하 변동에 따라 크게 변한다. 무선 통신 없이 정류기 스위치의 동작으로 출력 전압을 제어하는 semi-bridgeless active rectifier는 정전류 출력 특성을 가지는 보상 토폴로지의 출력 전압 문제를 해결할 수 있다. 좋은 성능의 제어기를 설계하기위해 시스템의 정확한 모델링은 필수적이다. 그러나 semi-bridgeless active rectifier에 대한 연구는 대부분 정류기 스위치의 제어 방식과 정상상태 해석에 초점을 맞추었다. 따라서 semi-bridgeless active rectifier를 적용한 유도성 전력 전송 시스템의 정확한 동특성 해석을 위해 확장 기술 함수 기반의 모델링 방법이 제안된다. 제안한 모델링 방법을 통해 대신호 모델 및 소신호 모델에 대한 자세한 수학적 분석이 제공된다. 시스템의 직관적인 이해를 위해 비선형 대신호 등가 회로와 선형화된 소신호 등가 회로도 제공되었다. 제안한 모델링의 유효성을 확인하기 위해 100W 프로토타입을 구축했고, 다양한 실험 결과들을 통해 유도된 대신호 모델과 소신호 모델의 유효성이 검증되었다. |Recently, an omnidirectional wireless power transfer has been proposed to overcome the limitations of conventional wireless power transfer. The omnidirectional wireless power transfer can control the magnetic flux direction, improving the free-positioning and mobility of the receiver. However, the conventional omnidirectional transmitters are bulky and have low efficiency compared to the planar coil. Cores or intermediate coils are used to improve efficiency, but these methods increase the size of the transmitter and complexity of the system. To improve efficiency without increasing the size of the transmitter, the magnetic structure design is proposed. Various magnetic structure candidates are provided and their magnetic parameters are analyzed through finite element analysis software. An optimal magnetic structure is selected using a multi-objective optimization design. For performance verification, an optimal magnetic structure and omnidirectional WPT prototype are fabricated. The experimental results agree well with the simulation results. In addition, it is verified that the system with the optimal magnetic structure has a uniform and improved efficiency in 3D space. In omnidirectional WPT system, since the direction of magnetic is determined by the magnitude and phase of the transmission current, various current control methods have been proposed to improve power transmission capability. In order to implement these control methods, an accurate dynamic analysis of omnidirectional WPT is required. However, previous studies have focused on optimization of the transmitter, steady-state analysis, and resonant network design. Therefore, a modeling method of the cascaded buck-omnidirectional WPT system is proposed for controller design. First, to simplify the modeling process, an aggregated modeling method is applied to replace the converter with a current source. A small-signal model that reflects the dynamics of the resonant network is derived through a modeling method based on EDF. However, the modeling method based on EDF increases the order of the model, which complicates the dynamic analysis and controller design. To solve this problem, a balanced truncation method is applied to the dynamic model to reduce the order. The controller design and stability analysis are performed using a reduced-order model. To verify the effectiveness of the proposed modeling method, a simulation models based on MATLAB and PSIM software are built. Through various simulation results, the effectiveness of the large-signal model, small-signal model, and controller design is verified. In an inductive power transfer system, the transmitter coil and receiver coil are weakly coupled. Due to the long separation between the magnetic couplers, the inductive power transfer system has significant leakage inductance. Since large leakage inductance reduces efficiency, various compensation topologies have been proposed to compensate for the leakage inductance. Double-sided inductor-capacitor-capacitor (LCC) compensation topology has attracted attention due to their resonant frequency and transmitter current insensitive to coupling coefficient and load. However, since the output characteristic of this topology is a constant current output, a voltage control is required for the constant voltage output. A semi-bridgeless active rectifier that controls the output voltage by the operation of a rectifier switch without radio communication can solve the problem of the double-sided LCC compensation topology. Accurate dynamic modeling is required for stable and robust controller design. Unfortunately, most of the studies related to S-BAR have proposed the control method and steady-state analysis rather than the modeling method. Therefore, a modeling method based on the extended describing function is proposed to derive an accurate dynamic model of the IPT system with the S-BAR. The proposed modeling method can derive a dynamic model considering the duty ratio of the rectifier switch. Based on the derived transfer function, the controller is designed under worst-case conditions. Various experimental results are presented to verify the proposed modeling method.