현대 전력전자에서는 신재생 에너지, 전기 자동차 등의 분야에서 저손실을 통한 고효율, 고속 스위칭 과 방열 설비의 최소화를 통한 고밀도, 높은 온도에서도 동작할 수 있는 신뢰성을 요구한다. 이러한 요구사항은 WBG 소자를 사용함으로써 앞선 요구를 만족할 수 있는 중요한 기술이다.
하지만 WBG 소자를 사용함에 있어서 여러 고려사항이 존재하게 된다. WBG 소자는 작은 input 커패시턴스에 의해 빠른 스위칭이 가능하지만, 이때 회로에 존재하는 기생 인덕턴스에 의해 Ringing이 커질 수 있다. 기생 인덕턴스로 인하여 낮은 효율과 방열 설비가 커져 사이즈가 커지며, 불안정한 동작을 유발하게 된다. 따라서 WBG 소자를 사용하려면 기생 인덕턴스를 반드시 줄여야 한다.
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| (a) | (b) |
Fig. 1. Proposed Two-dimensional Lattice Structure.
Fig. 1.은 제안한 2차원 격자 구조로 수직으로 반대 방향의 전류가 흐르는 영역에 대해 여러 세그먼트로 나누고 전류의 방향을 지그재그로 흘리는 구조이다, 이때 Fig. 1.의 (b) 단면도로 반대방향의 전류는 더욱 가까워 지고, 같은 방향의 전류는 더욱 멀어지게 되어 수직 자속 상쇄와 수평 자속 상쇄를 할 수 있다.
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| (a) | (b) |
Fig. 2. Performance Verification during Turn on. (a) Conventional (b) Proposal
Fig. 2. 는 스위치가 Turn-on 할 때의 파형을 비교한 그림이다. 두개의 파형을 비교해보면 전류의 overshoot는 34A에서 31A로 감소하고, 전류의 undershoot 는 -10.6A에서 -6.8A로 감소한다. 전체적인 스파이크의 크기는 약 16% 감소한다.
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| (a) | (b) |
Fig. 3. Performance Verification during Turn off. (a) Conventional (b) Proposal
Fig. 3. 은 스위치가 Turn-off 할 때의 파형을 비교한 그림이다. 두개의 파형을 비교해보면 전류의 overshoot는 43A에서 38A로 감소하고, 전류의 undershoot 는 -20A에서 -13.5A로 감소한다. 전압의 overshoot 는 380V 에서 359V로 감소한다.
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| (a) | (b) |
Fig. 4. Performance Verification through Comparison of Switching Energy . (a) Eon (b) Eoff
Fig. 4. 는 제안한 2차원 격자구조 적용 유무에 따른 스위칭 에너지에 대한 비교이다. 전구간에서 스위칭 에너지가 약 11%정도 감소한 것을 확인 할 수 있다. 따라서 2차원 격자 구조를 사용함으로써 스위치의 전압, 전류에 대해 Ringing과 손실이 감소한다.
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선이 없는 편의성 때문에 무선 전력 전송 기술이 실생활에서 널리 사용되고 있다. 하지만 무선 충전 시에 디바이스를 여전히 패드에 고정해야 한다는 점과 수신부의 위치에 따라 전력 전송 효율이 감소하거나 충전이 되지 않는 단점으로 인해 기존의 무선 전력 전송은 사용자가 사용하는 디바이스의 위치 자유도에 대한 제한이 있다. 그리하여 이를 해소하기 위해 모든 방향으로 자기장을 형성하여 수신부에 전력 전송할 수 있는 무방향성 무선 전력 전송 기술이 제시되었다.
Fig. 1. Magnetic flux density vector expression when using the current phase difference control method.
Fig. 1을 통해 다수의 수신부를 갖는 상황에서 각 송신부 전류 크기는 동일, 위상차는 90°로 만드는 송신부 전류 위상차 제어 기법이 적용되면 회전하는 자기장이 형성되어 각 수신부에 자기장이 쇄교되어 동시에 전력 전송이 됨을 확인할 수 있다.
여러 수신부에 전력을 전송할 때 수신부 간의 거리가 서로 멀 때는 효율에 문제가 없다. 하지만 수신부 간 거리가 가까워짐에 따라 효율이 감소한다. 이는 수신부 간 거리가 가까워짐에 따라 수신부 간의 상호 인덕턴스가 증가하여 효율이 감소하는 것을 의미한다.
Fig. 2. Multi-output omnidirectional WPT system with additional canceling capacitors.
Fig. 2는 수신부 간 상호 인덕턴스에 대한 영향을 줄이기 위해 수신부 측에 상쇄 커패시터를 추가한 경우를 보여준다. 이를 통해 효율 개선을 기대할 수 있다.
(a) (b)
Fig. 3. Experimental results : efficiency against azimuth angle (a) before reduction (b) after reduction.
Fig. 3은 실험상의 효율 결과를 보여준다. 방위각이 0°에 가까울수록 수신부 간의 거리가 가까워짐을 의미한다. Fig. 3 (a) 를 통해 저감 전의 효율 결과를 보면 수신부 간의 거리가 가까워져 상호 인덕턴스가 증가하여 실험상의 효율이 급감하나 Fig. 3 (b) 를 통해 저감 후에는 효율 개선이 된 것을 확인할 수 있다.
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