CST STUDIO SUITE을 활용한 Wireless Power Transfer Coil 해석 사례 소개

안녕하세요 다쏘시스템 코리아입니다.

무선 충전은 2012년과 2013년에 세계 경제 포럼 (World Economic Forum, WEF)의 10대 기술로 선정될 만큼 중요하게 다뤄지고 있는데요. 이것은 가까운 미래에 세상을 변화시키는데 기여할 것으로 전망되는 핵심 기술이라는 의미입니다. 오늘은 미래를 바꿀 핵심 기술이 적용된 무선 충전기와 동작원리 및 설계에 대해서 소개해 드리겠습니다.

누구나 한 번쯤은 보거나 사용해 본 무선 충전기는 어떻게 동작하는 것일까요? 그림 1과 같이 요즘 출시되는 무선 충전기는 대부분 kHz 주파수 영역에서 동작하는 IPT(Inductive Power Transfer) 시스템입니다.

그림 1. 무선 충전기

동작 원리 (그림 2)는 자기장 (Magnetic field) 전송이 주요합니다. Spiral 형태로 다수의 턴을 가지는 송신 코일 (PTx coil)에서 발생한 자기장이 수신 코일 (PRx Coil)에 유기가 되고, 수신 시스템 내부의 AC to DC 컨버터와 DC to DC 거쳐 최종적으로 원하는 DC Voltage를 얻게 됩니다. [그림 3]

그림 2. IPT 무선 충전

그림 3. IPT 무선 충전 시스템

이러한 무선 충전 시스템에서는 자기장을 전달하는 코일 설계가 중요합니다. 코일 설계가 잘 이루어져야 우리가 원하는 영역 내에서 원하는 전력을 수신 받을 수 있고, 완전 충전 시간도 짧아지게 됩니다. 여기서 영역이라고 하는 것은 충전이 가능한 영역을 의미하며, 이 영역 내에서는 휴대폰과 같은 수신기가 좌우로 움직여도 충전되어야 합니다. IPT 시스템의 코일 설계는 대부분 WPC (Wireless Power Consortium)의 코일 모델을 활용합니다. WPC의 공식 문서에는 이미 검토가 끝난 여러 형태의 코일을 소개하고 있는데 WPC의 문서 중에 ‘ Part 4: Reference Designs’의 문서를 확인하면 다수의 코일 모델에 대한 dimension과 inductance가 표기되어 있습니다. Power Transmitter design (PTx)는 총 50개 모델, Power Receiver example은 총 5개가 나열되어 있습니다. 문서의 모델을 사용하면 코일에 대한 인증 절차를 거치지 않고 사용이 가능합니다.

그림 4. WPC의 코일 Reference Designs

코일 설계에 대한 설명을 위해 MPA-6 송신 코일과 Power Receiver example 4를 설명하려고 합니다. 각 코일의 dimension과 inductance는 그림 5와 같이 문서에 잘 표시되어 있으니 해석과 비교를 하여 설계가 잘 되었는지를 파악할 수 있는 자료로 활용하면 됩니다.

그림 5. MPA-6 코일과 Review example 4 dimension

그러면 이제 코일을 drawing 하고 시뮬레이션 결과를 확인해야 하는데요. CST STUDIO SUITE의 제품 중에서 CST EMS를 활용하면 코일 설계가 쉽습니다. CST EMS는 저주파 해석에 특화되어 있는 CST STUDIO SUITE의 제품 중에 하나입니다. CST EMS의 모델링 기능을 활용하여, 도넛 형태의 코일을 그린 다음에 턴 수를 입력하면 N x N의 값을 가지는 inductance가 형성됩니다. 모든 것에 순서가 있는 법, 엔지니어는 해석 모델의 inductance와 표준 문서의 inductance 값을 반드시 확인해야 하고, 오차 범위에 내에 위치하는지 확인이 되어야 다음 순서로 넘어갈 수 있겠죠?

그림 6. MPA-6 코일 modeling과 설정

그림 7. Receiver example 4 modeling과 설정

코일 Drawing이 끝난 다음에는 코일 간의 결합을 확인해야 됩니다. 코일 간의 결합도가 높으면 높은 전력을 수신기에 보낼 수 있는 것이고, 적다면 낮은 전력을 보낼 수가 있습니다. 당연히 높은 결합이 좋겠지요? 보통 coupling Coefficient, K-factor라고 불리는 값으로 많이 확인을 합니다. 시스템 설계 전 출력전압, 동작점 등 전반적인 설계값들이 정해져 있는 경우가 많기 때문에 코일 설계에서는 k-factor를 설계 point로 많이 가져가게 됩니다.

K-factor는 위의 수식으로 구할 수 있습니다. 보통 무선 충전 시스템에서 코일 간의 k-factor는 0.3 이상의 값을 가지면 충분히 원하는 전력을 끌어갈 수 있습니다. 이 값 또한 송수신 코일 간의 거리와 load에 따라 달라집니다. 하지만 저 정도면 괜찮은 값입니다. 한편 K-factor는 수신기 위치에 따라 값이 많이 변하게 됩니다. 당연히 멀리 떨어져서 K-factor가 낮아지면 충전이 되지 않겠지요? 엔지니어가 일일이 측정을 하지 않더라도 수신기의 moving에 따른 k-factor를 확인함으로써 충전 가능 영역을 파악할 수 있습니다. 시뮬레이션의 장점이 이런 곳에서 나오게 됩니다. 아래 그림과 같이 수신기가 W, L 방향으로 이동했을 때의 k-fator의 추이를 확인할 수 있으며, 대략적인 충전 가능 영역이 나오게 됩니다. 우리가 K=0.3을 가지는 수신기 위치를 목표로 하였다면 그 값 이상으로 나오는 부분이 충전 가능 영역이 될 것입니다. 코일의 형태가 Symmetric 한 구조이기 때문에 수신기가 이동할 영역을 1/4만 해석하여도 전체를 파악할 수 있습니다.

그림 8. Rx Moving

그림 9. Rx Moving (W방향)

그림 10. Rx Moving (L 방향)

CST EMS를 이용하면 각 코일의 전자기장도 plot 할 수 있습니다. 주파수에 따라 해석된 전자기장의 분포를 확인할 수 있고, CST DES와의 co-simulation을 이용하여 circuit 구성에 따른 정합 회로 구성 및 정합 후 field 분포도 확인이 됩니다. 기구와 회로가 결합된 모델을 해석한다면 모델 주변으로 퍼지는 field의 분포도 확인이 되고 그 영향도도 확인할 수 있습니다.

그림 11. 전자기장 Plot (H-field@111kHz)

그림 12. CST DES를 활용한 circuit 구성 (정합회로)

앞서 설명을 드렸지만 Load 값은 무선 충전 시스템에서 상당히 중요합니다. Load 값에 따라 출력 전력 그래프의 변동이 생긴다든지, 동작점에서 충전이 되지 않는다든지 하는 문제가 생깁니다. Load는 15W 수신을 목표로 하는 시스템에서는 출력전압이 12V인 경우에는 load가 9.6옴이 되고, 5W 수신인 경우 출력전압이 5V인 경우는 5옴이 됩니다. Circuit이 구성되어 있다면 Load를 변수로 둔 다음, CST EMS와 CST DES co-simulation을 통해 Load variation에 따른 효율과 output power를 확인할 수 있습니다.

그림 13. CST DES를 활용한 무선 충전 circuit 구성

그림 14. Load 변화에 따른 Efficiency

그림 15. Load 변화에 따른 output power plot

무선 충전기는 코일 간의 거리가 효율과 output 전력에 상당히 큰 영향을 미치게 됩니다. 송수신 코일 간의 거리에 따른 효율과 출력 전력도 CST STUDIO SUITE을 활용하면 확인할 수 있습니다.

그림 16. 송수신 코일간 거리 변화에 따른 효율

그림 17. 송수신 코일간 거리 변화에 따른 output power plot

이처럼 CST STUDIO SUITE을 활용하면 실제 발생할 수 있는 상황, 즉 수신기 이동, 송수신기 간의 거리가 멀어짐, 주변의 기구 및 다른 물질에 의해 전자기장이 분포를 확인 등의 대부분의 상황을 해석할 수 있습니다.

그림 18. 전기자동차 무선충전 그림 19. 드론 무선 충전

오늘은 모바일 무선 충전을 위한 코일 설계와 CST STUDIO SUITE을 활용하여 확인할 수 있는 결과를 소개해 드렸습니다. 무선 충전은 모바일 충전뿐만 아니라, 전기자동차, 드론 등 wire를 이용한 유선 충전 제품에 모두 적용을 할 수 있습니다. 무선 충전 기술을 적용할 수 있는 Application은 무궁무진하며, 앞으로도 우리의 생활을 편리하게 해주는 핵심기술이 될 것입니다.

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