Essential technologies in the high efficiency omnidirectional inductive power transfer systems (IPTSs) are widely researched throughout this dissertation. Crossed dipole coils are newly proposed to transfer power from a transmitter (Tx) coil to receiver (Rx) coils regardless of rotations and positions of the Rx coils. The misconception that coupled magnetic resonance systems (CMRSs) are distinguished from IPTSs is corrected by verifying a simplified CMRS design with lumped transformers substituting unnecessary air-coils in conven-tional CMRSs. Unlike other IPTSs, two dipole coils, few meters apart each other, are tested in metal surround-ings to identify applicability of IPTSs to wireless sensors with arbitrary distributed conductors. Novel soft-switching converters are proposed to be deployed as a power factor correction circuit and a regulator in IPTSs for high system efficiency.
In Chapter 1, crossed dipole coils for the wide-range 3-D omnidirectional inductive power transfer (IPT) are proposed. The 3-D omnidirectional IPT is first realized for both the plate type $T_x$ and $R_x$ coils. Sim-ulation-based design of the proposed crossed dipole coils for a uniform magnetic field distribution is provided, and the 3-D omnidirectional IPT is experimentally verified by prototype $R_x$ coils for a wireless power zone of 1 $m^3$.
In Chapter 2, an innovative CMRS, introducing two lumped impedance transformers, is proposed. There are three major magnetic couplings between coils in CMRS: $source-T_x$, $T_x- R_x$, and $R_x-load$ couplings, respectively. Except for $T_x-R_x$ coupling, other couplings do not directly contribute to wireless power transfer. Hence, in this paper, this miscellaneous coupling is replaced with a lumped transformer with ferrite core.
In Chapter 3, a dipole-coil-based extremely loosely coupled IPTS for wireless sensors over a wide range is proposed. The powering capabilities of the proposed IPTS were experimentally compared inside and outside of a metal container at different frequencies. A comparative analysis of the maximum amounts of load power among different core materials, i.e., two ferrite cores and an amorphous core, is conducted in rela-tion to the design of an $R_x$ coil.
In Chapters 4 and 5, a new single active switch based zero voltage and zero current switching (ZVZCS) tapped boost converter is proposed. For the ZVZCS operation of the converter, three diodes and two capacitors are added to an ordinary tapped boost converter. The voltage stress of the active switch is always less than load voltage, and soft switching turn-on and off is achieved without cumbersome current or voltage sensing. A detailed analysis for both a continuous conduction mode (CCM) and a discontinuous conduction mode (DCM) are fully established and experimentally verified.
본 논문의 각 장에서는 고효율 무지향성 자기유도 무선전력전송 시스템을 구현하기 위한 필수 요소들인 무지향성 코일구조, 등가회로 모델링, 적용환경, 고효율 구동회로를 다루고 있다.
1장에서는 십자형 다이폴 코일 구조를 제안하여 3차원 공간에서 무지향성 무선전력전송을 구현하였다. 제안하는 십자형 다이폴 코일 구조는 송수신 코일 모두가 평면이기에 다양한 모바일 기기 및 사물인터넷 기기에 부착이 용이한 장점을 가진다. 루프 코일 및 다이폴 코일로 구성 가능한 모든 코일의 조합 중 제안하는 구조만이 평면 형태의 송수신 코일로 무지향성 무선전력전송이 가능함을 수학적으로 증명하였다. PMA 국제규격을 만족하는 동작주파수인 280kHz에서 동작하는 $1m^2$ 크기의 송신코일 시작품을 제작하여 무지향성 전력전달 특성을 검증하였으며, 최대 전력전당 효율은 33.6% 임을 확인하였다.
2장에서는 임피던스 트랜스포머를 사용하여 기존의 자기공명방식 전력전달의 고질적인 문제점인 민감한 전력전달특성 및 복잡한 설계과정을 해결하였다. 일반적으로 소스코일, 송신코일, 수신코일, 로드코일로 구성된 자기공명방식 코일 구조에서 전력전달에 직접 관여하지 않는 소스코일과 송신코일간의 결합 및 수신코일과 로드코일간의 결합을 임피던스 트랜스포머로 대체하여 설계과정에서 복잡한 Multi-resonance튜닝 문제를 제거하였다. 클래스-E 인버터를 사용하여 100이하의 낮은 공진계수로 80%의 높은 효율을 달성하였으며, 결과적으로 자기공명방식은 높은 공진계수를 가지는 자기유도방식 전력전달의 일종임을 증명하였다.
3장에서는 다이폴 코일을 사용한 무선센서용 광역 자기유도방식 전력전송을 제안하였다. 주변 장애물이 없는 비교적 짧은 거리(~수십cm)에서 사용되어 온 기존의 무선전력전송과 달리 제안하는 기술은 낮은 공진도(~100)를 가지며 2m 길이의 송수신 코일을 사용하여 7m 거리에서 10.3 W의 전력전달을 달성하였다. 향후 플랜트 혹은 원자력 발전소 등 특수 목적의 환경에 무선센서의 적용이 가능하도록 금속 밀폐 환경 내？외부에서의 전력전달 특성을 비교하였으며, 페라이트 및 아몰퍼스 자성체의 투자율 및 손실특성을 측정하여 동작 주파수에서 최적의 전력전달 특성을 가지는 PL-13계열의 페라이트 코어를 선택하였다.
4장과 5장에서는 전류연속모드(CCM) 및 불연속모드(DCM) 모두에서 동작 가능한 단일스위치 영전압영전류 스위칭 회로를 제안하였다. 무선전력전송 시스템의 효율은 송수신 코일간의 효율과 다양한 구동회로들(송신부 역률보상회로, 송신부 인버터, 수신부 레귤레이터)의 효율이 결정한다. 큰 인덕턴스를 가지는 송신 코일로 인하여 비교적 고효율 스위칭을 구현하기 쉬운 인버터에 비하여 역률보상회로 및 레귤레이터의 경우 고효율 스위칭 동작이 어려우며 가격상승 및 좁은 제어범위 등의 문제가 있다. 제안하는 영전압영전류 스위칭 방식은 3개의 다이오드와 2개의 커패시터로 이루어진 무손실 스너버 회로의 일종으로 탭인덕터(단권변압기)를 사용하는 DC/DC 컨버터에 광범위한 적용이 가능하다. 제안하는 회로의 CCM 및 DCM 동작을 완벽히 분석하고 설계방법을 제시하였으며, 450W급 시작품을 제작하여 98.6%(CCM) ~ 99.0%(DCM)의 높은 효율을 가지는 것을 검증하였다.
