Several researches on new coils with large displacement for wireless electric vehicles and equivalent explicit circuit models for magnetic resonant systems were presented in this paper.
In chapter 1, a new inductive power transfer system with a narrow rail width, a small pick-up size, and a large air-gap for On-Line Electric Vehicles is proposed in this paper. By introducing a new core structure, the orientation of the magnetic flux alternates along with the road; hence, an inductive power transfer system with a narrow rail width of 10 cm, a large air-gap of 20 cm, and a large lateral displacement about 24 cm was implemented. The resonant circuit of the inductive power transfer system, driven by a current source, was fully characterized. The experimental results showed that the maximum output power was 35 kW and that the maximum efficiency was 74 % at 27 kW. The proposed system was found to be adequate for electric vehicles, allowing them to drive freely on specially implemented roads by obtaining power from the buried power supply rail.
In chapter 2, new coil set with large lateral displacement for a wireless stationary EV charger that can automatically charge a battery on an EV by inductive coupling is proposed in this paper. To facilitate realization of a practical wireless stationary EV charger, the developed coil set has large lateral displacement, longitudinal displacement, robustness to air-gap variation, and low EMF characteristics. An inductive power transfer system including the proposed coils was designed and verified by simulations and experiments, where variation of the resonant frequency due to local saturation of the ferrite core and core loss was considered. An output power of 15 kW at a maximum efficiency of 75 %, a large lateral displacement of 40 cm, a large air-gap of 15 cm, and a low EMF of 4.1 μT at 20 kHz were achieved.
In chapter 3, an explicit frequency-domain circuit model for the conventional coupled magnetic resonance system (CMRS) is newly proposed in this paper. Detail circuit parameters such as leakage inductances, magnetizing inductances, turn-ratios, internal coil resistances, and source/load resistances are explicitly included in the model. Accurate overall system efficiency, DC gain, and key design parameters are deduced from the model all in closed form equations, which were not available in previous works. It is found that the CMRS can be simply described by an equivalent voltage source, resistances, and ideal transformers when it is resonated to a specified frequency in the steady state. It was identified that the voltage gain of the CMRS was saturated to a specific value although the source side or the load side coils were strongly coupled. The phase differences between adjacent coils were π/2, which should be considered for the EMF cancellations. The analysis results were verified by simulations and experiments.
In chapter 4, a coupled magnetic resonance system (CMRS) using compact coil sets with core driven by a class-E inverter is proposed. The source coil and load coil of conventional CMRS were replaced with two coils containing core so that the system can be quite compact in size and easy to design due to a resonance frequency for all resonant tanks regardless of coupling factor. A class-E inverter was used due to its simplicity and zero voltage switching. Detail parameter level design procedure for CMRS was established. Experiments for 500 kHz switching frequency showed 1.2 W and 40 % coil to coil efficiency.
In chapter 5, the 400 kHz, 10 kW inverter for remote power generator was designed and tested for practical applications. Developing robust and practical circuits for the RPG, a 20 cm x 24 cm one compact inverter was implemented. The RPG could dissociate NF3 up to 10 slm. The maximum power was 10.01 kW and the effi-ciency was more than 93 %, regardless of the gas flow of NF3. The RPG showed comparable performance to the world best product in power and etch rate.
본 논문에서는 자기유도 와 자기공진 방식의 무선전력 전송 시스템에 적용하기 위한 새로운 코일 구조와 시스템의 특성을 해석하고 설계할 수 있는 회로기반의 등가회로 모델을 제안 하였다. 그리고 화학기상증착 (CVD) 장비 세정공정에 사용되는 자기유도 방식의 원격 플라즈마 발생기용 10 kW급의 전원장치를 제안하고 그 특성을 평가하였다.
제 1장에서는 온라인 전기자동차의 실용화에 있어서 가장 큰 문제점인 넓고 큰 급전코일 구조를 실용화 가능 수준으로 향상 시킨 새로운 코일 구조를 제안하였다. 자동차의 주행방향으로 N극과 S극 교대로 배치해서 주 자속의 방향이 차량의 진행방향과 동일하도록 해 줌으로써 폭이 10 cm로 좁고 20 cm 이상의 큰 공극을 가지면서 좌우 허용 편차를 24 cm까지 크게 한 코일을 구현하였다. 또한 급전을 전류원으로 하고 집전코일를 완전공진 시켜주는 전력전달 장치의 등가회로 모델을 제안하고 해석을 통해 제안된 시스템을 이상적인 전압원과 등가의 저항으로 변환할 수 있음을 밝혔고, 실험을 통해 제안한 모델의 적합성을 검증하였다. 제안한 코일로 최대 35 kW 출력과 최대 74 %의 효율을 달성하였다.
제 2장에서는 전기자동차 무선충전시 문제점이었던 전후 및 좌우 허용편차를 실용화 가능 수준으로 향상 시킨 새로운 형태의 자기유도방식의 급집전코일을 제안하였다. 바닥에 설치하는 급전코일은 넓게 하여 전후 및 좌우 허용편차를 크게 하였고 차량 하부에 부착되는 집전 코일은 작게 하여 경량화 하였다. 또한 주변효과(fringe effect)를 이용하여 상하 허용편차를 둔감하게 했다. 그 결과 출력전압이 3 dB 감소하는 허용편차가 좌우 30 cm, 전후 10 cm 이상인 급집전코일 특성과 15 cm 공극에서 최대 15 kW의 출력과 75 %의 효율을 얻었다. 또한 EMF는 약 4.1 μT로 ICNIRP의 가이드라인을 만족하였다.
제 3장에서는 2007년 MIT에서 제안된 자기공명 방식의 무선전력전달장치에 대한 기존의 복잡한 해석 모델과 차별화 된 완전 회로기반의 실용적인 해석 모델을 제안하였다. 제안된 모델은 누설인덕터, 자화인덕터, 변압기 턴 수, 코일의 내부저항, 그리고 입/출력 저항 등으로 이루어진 완전한 회로기반의 모델이기 때문에 등가회로 변환을 통해 입/출력 특성 및 효율뿐만 아니라 각 코일의 전압 및 전류 특성까지도 정확하게 해석이 가능하다. 입력코일, 송신코일, 수신코일, 그리고 출력코일을 가지는 기본적인 자기공진 시스템에 대하여 제안한 등가회로 모델을 적용해서 입력코일과 송신코일 그리고 수신코일과 출력코일이 강한 자기결합을 이루더라도 출력전압 이득은 특정한 값으로 수렴하고 최대 효율과 최대 전력전달 조건이 존재함을 보였다. 또한 인접한 공진코일끼리 각 전압과 전류의 위상이 정확하게 90도씩 차이가 나는 것을 이론적으로 찾고 실험을 통해 검증하였다.
제 4장에서는 자기공진 방식이 낮은 결합계수를 가지는 두 개의 변압기(입력과 송신코일 그리고 수신과 출력코일)와 커패시터와 공진을 하여 큰 전류가 흐르면서 강한 자장결합 특성을 나타내는 송/수신코일을 가지는 자기유도 방식의 한 종류임을 제시하였다. 그래서 입력과 송신코일, 그리고 수신과 출력코일을 페라이트 코어로 된 변압기로 대체해서 큰 입력 및 출력코일을 없애고 Class-E 인버터로 구동되는 콤팩트한 무선전력 시스템을 제안하였다. 제안된 구조를 제 3장의 회로 모델을 적용해서 해석한 후, 설계에 용이한 인자들로만 이루어진 실용적인 설계 식을 도출하고 설계 순서를 제시하였다. 또한 시스템의 동작 주파수를 500 kHz로 낮추어 상용 부품을 사용한 코일을 설계해서 그 특성을 평가하고 해석 결과를 검증하였다.
제 5장에서는 현재 외국장비에 크게 의존하고 있는 CVD 장비 세정공정에 사용되는 자기유도방식의 원격 플라즈마 발생기용 전원장치를 대체하기 위한 고성능의 실용적인 전원장치 회로를 제안하고 설계/제작/평가하였다. 장비 가동의 신뢰성을 위해 영전압 스위칭을 적용하였고 인버터 출력전류의 최대값을 90 A 이하로 제한하였다. 출력전력은 인버터 출력전류 또는 출력전력을 직접 샘플링해서 선택적으로 가변 할 수 있도록 하였다. 또한 기존에 두 개의 전원장치가 담당하던 10 kW의 출력을 하나의 전원장치로 담당하여 장비의 크기를 줄이고 가격경쟁력을 높일 수 있도록 하였다. 제작된 전원장치로 최대 출력 10.01 kW와 효율 93 %를 달성하였다. 또한 외국장비와 비교 평가를 통해 출력 전력 및 식각 성능에 있어서 동등한 수준임을 확인 하였다.
