This thesis starts with the basic review of magnetically resonant coupled Wireless Power Transfer (WPT). The concept of reflected impedance (admittance) is introduced to analyze the efficiency of WPT. General guidelines to obtain high efficiency at longer distance are explained.
Based on the above discussions, we investigate the effect of coupling between multiple transmitters (Tx) or between multiple receivers (Rx). We propose the required frequency adjustment to compensate the variation of the effective resonant frequency.
Next, we study the magnetic field repeater resonator, which is placed between Tx and Rx, to enhance the power transfer distance. We propose the guidelines to select the optimum repeater positions and numbers. We also propose a new kind of repeater which can be placed even in the vicinity of Tx or Rx, resulting in increased flexibility in choosing the position of a repeater.
Third, we propose a method to boost the coupling between Tx and Rx, by using Tx or Rx consisting of multiple separate resonators. In this way, the distance of power transfer is significantly increased.
The final part of this thesis is on the WPT to the miniature biomedical implants. The considerations for such biomedical implants are low thermal dissipation, minimum number of component, and lightweight coil. To satisfy these considerations, we propose a design methodology which can obtain high efficiency even with the integrated CMOS power amplifier and planar PCB coil, rather than using bulky discrete FET and heavy solid copper wire. More importantly, the transferred voltage is controlled to maintain a constant level regardless of the variation of coupling or loading.
자기적으로 결합된 무선전력전송 시스템의 등가회로를 해석하는 것으로부터 본 논문은 시작된다.
본론으로 들어가서, 여러 개의 송신기끼리, 혹은 여러 개의 수신기끼리 커플링이 된 경우에 최대 효율과 전력전달량을 얻기 위한 주파수 조건들을 제안하였다. 제안된 주파수 조절법을 사용하면, 송신기끼리 혹은 수신기 끼리의 커플링 영향을 상쇄하고 최대 성능을 얻을 수 있다.
그 다음, 자기장 중계기에 대한 연구를 하였다. 자기장 중계기의 최적 위치에 대한 이론적인 해석 및 그를 뒷받침 하기 위한 측정을 하였다. 계산된 최적 위치는 매우 좁은 범위에 위치하게 되고 위치가 조금만 벗어나도 성능이 급격히 떨어진다. 심한 위치변화 상에서도 일정한 성능을 유지하기 위한 주파수 조절법을 제안하였다.
세 번째로, 송신기와 수신기 사이의 결합을 높이기 위해 하나의 송신기를 두 개의 공진기로 구성하는 방법, 혹은 하나의 수신기를 두 개의 공진기로 구성하는 방법을 제안하였다. 이 방법을 사용하면 하나의 공진기만 있을 때 큰 송신 인덕턴스 혹은 큰 수신 Q-factor 를 가질 때의 문제점을 피하면서 성능을 높일 수 있다.
이러한 기본 이론들을 적용하여 신체 이식용 소형 의료기기로의 무선전력전송 시스템을 구현하였다. CMOS 칩과 PCB pattern coil 을 이용하여 작으면서도 고효율이 가능한 설계를 하였다. 또한 커플링과 로드 변화 조건에서도 일정하고 안정적인 출력을 얻도록 oscillator 와 coil design 을 하였다. 송신기와 수신기에 각각 두 개의 공진기를 사용하고 그에 따른 주파수 조정을 하여 거리를 늘렸다
