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최근 수신부의 높은 위치 자유도와 이동성을 요구하는 웨어러블 기기 및 모바일 기기, 전기자동차 시장의 성장으로 무선 전력 전송에 대한 관심이 증가하고 있다. 무선 전력 전송 기술은 전선 없이 전기에너지를 자기장의 형태로 부하에 전달하는 기술이다. 유선 전력 전송 기술과 비교하여 무선 전력 전송 기술의 가장 큰 장점은 수신부의 높은 위치 자유도에 있다.

무선 전력 전송을 구현하는 방법으로 평면 코일을 적용한 구조 연구가 진행 되고 있으나, 이는 송신 코일과 수신 코일이 동일 축상에 위치 해야 하는 한계점을 가지고 있다. 이러한 평면 코일의 한계를 극복하기 위해서 세 개의 코일이 중심을 공유하고 직교하는 구조를 적용하여 임의의 공간에 위치한 수신부로 전력 전송이 가능한 기술이 무방향성 무선 전력 전송 기술이다. 

제안한 spherical flux concentration 구조의 무방향성 무선 전력 전송 기술은 송신부 내부에 수신부 방향으로 돌출된 페라이트 코어를 삽입하여 송신부와 수신부간의 자속 쇄교량이 증가시키고 이를 통해 전력 전송 거리를 증가시키며 높은 전력 전달 효율의 달성을 가능케 한다. 

Fig. 1 Transmitter of omnidirectional wireless power transfer system using spherical flux concentration.


Fig. 1은 spherical flux concentration 구조를 적용하여 3차원 공간에서의 무방향성 무선 전력 전송용 송신부를 구현한 것이다. 코일은 반지름의 길이가 동일한 Helix 형태로 권선하며 xy-평면 코일, yz-평면 코일, zx-평면 코일 세 개가 중심을 공유하고 직교한다. 그림에서 는 각 평면 코일의 양의 법선 방향을 나타낸다. 세 개의 송신 코일 내부에는 본 논문에서 제안하는 구조의 페라이트 코어가 삽입된다. 삽입된 코어는각 평면 코일의 법선 방향으로 코어의 부채꼴 부분이 돌출 하도록 코어를 배치한다.

 

(a) 
(b) 

Fig. 2 Magnetic flux density based on FEA in (a) conventional WPT system , (b) proposed WPT system.


Fig .2은 FEA(Finite Element Analysis) 시뮬레이션을 사용하여 3차원 공간상에 놓인 송신부와 수신부 사이의 자속밀도 분석 결과를 보여준다. Fig .2 (a)는 기존 송신부 구조를 적용한 경우이며 Fig. 2 (b)는 제안한 송신부 구조를 적용한 경우이다. Fig. 2 (a)의 수신부 중심부분 면적 S1 과 Fig . 2 (b)의 면적 S2 에서의 자속 밀도를 비교해 보면 spherical flux concentration 구조를 적용 했을 때 자속 밀도가 크게 나타남을 알 수 있다. 


Fig. 3 Efficiency against power transmission distance.


Fig. 3은 전송거리에 따른 전력 전달 효율을 보여준다. 제안한 spherical flux concentration 구조가 높은 전력 전달 효율을 달성하고 있음을 알수 있으며 특히 전송 거리 증가시 효율 감소도가 작음을 확인할 수 있다.


본 기술은 대한민국 특허법 및 국제 특허협력조약에 의해 보호 받으며, 독점적 권리는 한양대학교 전력전자연구실에 있습니다. 

본 기술의 이용 및 활용에 대한 사항은 아래 "기술 문의"로 연락 바랍니다. 


  • 웨비나 링크     -   https://www.youtube.com/watch?v=9W1Kw0a4JR8 
  • 관련 논문         -   http://www.dbpia.co.kr/journal/articleDetail?nodeId=NODE09264650 
  • 기술 문의         -   Tel +82-2-2220-2897  Email rykim@hanyang.ac.kr 


  

현대 산업에 있어서, 전력 변환 시스템의 고전력 밀도, 고효율화에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있으며, 특히 최근 Silicon (Si) 전력 반도체 소자의 한계를 극복한 Wide Band Gap (WBG) 전력 반도체 소자의 등장으로 전력 변환 시스템의 더 높은 전력 밀도와 고효율을 기대 할 수 있게 되었다. WBG 전력 반도체 소자의 안정적이고 효율적인 구동을 위해서는 빠른 di/dt 및 dv/dt, 좁은 구동 전압 범위, 낮은 문턱 전압 등 기존의 Si 전력 반도체 소자와 다른 기술적 고려가 필요하다.  

본 기술은 WBG 전력 반도체 소자를 적용한 전력 변환 시스템의 높은 전력 밀도와 고효율을 달성하고 운전 신뢰성을 향상시키기 위한 기술로 특히 인쇄 회로 기판 (PCB) 상의 기생 인덕턴스를 최소화가 위한 수직 격자 루프 구조 (Vertical Lattice Loop Structure)에 관한 것이다. 수직 격자 루프 구조를 통해 기생 인덕턴스가 작아짐으로써 전력 반도체 소자의 스위칭시 나타나는  공진 현상이 저감되고 ringing과 overshoot가 감소되게 된다.


 

Fig. 1. Conceptual configuration of Vertical Lattice Loop Structure where arrow line depict current loop.


Fig. 1은 수직 격자 루프 구조의 기본적인 컨셉을 보여준다. 수직 격자 루프는 기준 루프(Reference loop)와 반복 루프(Iteration loop) 로 이루어지게 된다. 이때 기준 루프는 수평적으로 최단 거리를 가지도록 회로를 구성하며 수직적으로 서로 다른 방향의 전류로 생성되도록 구성된다. 반복 루프는 위의 기준 루프와 동일한 구조를 같으며 수직적으로 반복되어 구성된다. 이를 통해  전류 방향이 같은 도체 사이에 전류 방향이 다른 루프를 가지는 수직 격자 루프 구조가 생성된다.  

 

(a)
(b)
Fig. 2. drain-source voltage and drain current waveform during turn-on. (a) without Vertical Lattice Loop Structure, (b) with Vertical Lattice Loop Structure.

 

Fig. 2는 전력회로 스위칭시 전력 반도체 소자의 drain-source 전압 및 drain 전류 파형을 나타내고 있다. Fig. 2. (a)는 수직 격자 루프 구조를 적용되지 않은 경우이고 Fig. 2. (b)는 수직 격자 루프 구조를 적용한 경우이다. 두 파형을 비교해보면 ringing 과 overshoot의 차이를 볼 수 있다 drain 전류 ringing의 크기는 39A에서 29A로 감소되었고, drain-source 전압 ringing의 크기는 210V에서 140V로 감소됨을 알 수 있다.


(a)

(b)

Fig. 3. GaN switching energy analysis (a) turn-on (b) turn-off.


Fig. 3은 전력회로 스위칭에 따른  turn-on 및 turn-off 에너지를 보여준다. Fig. 3. (a)는 turn-on 시 스위칭 에너지를 나타내고 Fig. 3. (b)는 turn-off 시 스위칭 에너지를 나타낸다. turn-on 시 수직 격자 루프 구조 적용하였을 때, 기존 대비 최소 25% 이상 감소하였고, turn-off 시 수직 격자 루프 구조 적용하였을 때, 기존 대비 최소 15% 이상 감소를 확인 할 수 있다.


본 기술은 대한민국 특허법 및 국제 특허협력조약에 의해 보호 받으며, 독점적 권리는 한양대학교 전력전자연구실에 있습니다. 

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기존 변압기에 비해 크기와 무게를 줄일 수 있으며 전압변동보상, 단위역률제어와 같은 스마트한 기능을 구현할 수 있는 반도체 변압기 ((solid state transformer, SST)에 대한 관심이 날로 증가하고 있다. SST 중에서 가장 널리 사용되는 3 단 구조의 경우, AC-DC 정류를 위한 AC-DC Active Front End (AFE) 정류기가 필요하며 MV(Medium Voltage) 전압 레벨에서 운전되기 때문에 멀티 레벨 컨버터가  주로 AFE 정류기로 적용된다. 

멀티 레벨 컨버터는 확장 가능한 모듈 컨버터를 직렬로 연결하여 멀티 레벨을 구현하는 방법으로 고압화가 용이한 장점을 지닌다. 따라서  MV (Medium Voltage)와 같은 고압 분야에 널리 사용되고 있으나, 직렬 연결되는 모듈 컨버터가 수가 증가함에 따라 제어 알고리즘이 기하급수적으로 복잡해지며, 특히 다양한 제어 성능을 동시에 구현하기가 어렵다는 단점을 지닌다. 

제안한 계층 기반 모델 예측 제어 기법은 비용 함수를 계층 구조를 통해 분리시켜 제어 변수를 독립적으로 제어함으로써 다양한 제어 성능을 직관적이고 용이하게 구현할 수 있다. 특히 모듈 컨버터가 수가 증가하더라도 복잡성이 최소화되어   MV급 SST용 AFE 정류기의 멀티 레벨 컨버터에 실시간 적용이 가능하다. 


Fig. 1. Block Diagram of hierarchical structure based generalized model predictive control method for Multi Level Converter .


그림 1은 제안한 계층 기반 모델 예측 제어 기법의 블럭도이다. 독립적인 3개의 계층 (Layer)으로 구성되어 있으며, 1st-layer에서는 AC 계통 전류를 제어하며, 2nd-layer에서는 AC-DC AFE 정류기의 출력 전압을, 3rd-layer는 모듈 컨버터를 각각 제어한다. 제안된 방법은 임의의 N 레벨 멀티 레벨 컨버터까지 확장 가능하다.



Fig. 2. Steady-state waveform of single-phase 9 Level converter under proposed model predictive control method .  


그림 2는 제안한 제어 기법을 실시간으로 적용한 단상 9 레벨 컨버터의 AC-DC Active Front End (AFE) 정류기의 정상상태 실험 파형이다. 제어 기법에 의해 모듈 컨버터 DC 전압 vdc1, AFE 정류기 입력 전압 스위칭 파형 vT, AFE 정류기 입력전류  ig가 적절하게 제어됨을 알수 있다. 



Fig. 3. Transient waveform of single-phase 9 Level converter under load reduction.




그림 3은 부하 감소시 모듈 컨버터 DC 전압 vdc1AFE 정류기 입력전류  ig의 과도상태 실험 파형이다. 부하가 감소함에 따라 출력 전압은 과도적으로 증가하게 되며 계통 전류는 감소한다. 증가한 출력 전압은 제어 기법에 의해 감소하여 정상 상태 전압으로 회복된다. 



본 기술은 대한민국 특허법 및 국제 특허협력조약에 의해 권리를 보호 받으며, 독점적 권리는 한양대학교 전력전자연구실에 있습니다. 

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Direct current microgrid (DC MG) is a power grid capable of generating, consuming, and storing energy. The increase in renewable energy sources or users requires an increase in the scalability. Therefore, various studies have been conducted to improve the scalability of DC MG. Researches on control structures based on the control hierarchy have been carried out.

However, the conventional control structure generally presents various requirements such as the control and communication function to the controller of the subsystem. In order to reflect such a requirement, it is inevitable to modify a local controller of subsystem, which requires a lot of time and economic effort. It substantially hinders the scalability of the DC MG. Therefore, in this research, the control structure is presented for increasing the scalability of the DC MG by classifying the controller according to the control purpose and object. Through the proposed control structure, the subsystems can be constructed in DC MG by performing only local variable control. Because it has flexibility to cope with conventional control structures based on control hierarchy, it is possible to increase the scalability of the DC MG which is composed of various control structures.

In addition to the control structure, the study on the control method to increase the scalability of the DC MG is needed. In the presence of a higher control entity such as a microgrid central controller (MGCC), it is possible to monitor the global information and to achieve optimal management of DC MG. However, the scalability is low because the operation of all subsystems is predetermined by MGCC and requires promised data transmission to each other. Therefore, various coordinated control methods have been studied to overcome these disadvantages. However, conventional coordinated control methods have drawbacks such as the occurrence of voltage deviation or weak energy management due to the absence of global information. Therefore, in this research, the coordinated control method that can restore the voltage deviation and perform energy management by defining a new variable that determines the operation band by reflecting the energy state of DC MG is presented.

In order to analyze the dynamic characteristics of the proposed control system, small signal analysis was performed. To verify the validity of the proposed method, various experiments were performed using hardware-in-the-loop simulation and lab-scale DC MG.

 

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