메가헤르츠 범위에 도달하는 무선 충전기

이 기사는 IEEE Xplore와 파트너십을 맺은 독점적인 IEEE Journal Watch 시리즈의 일부입니다.

많은 사람들은 자신에게 필요한 케이블을 찾기 위해 낡은 충전 케이블 더미를 뒤지는 일을 그만둘 수 있는 날을 간절히 고대하고 있습니다. 그러나 현재 휴대폰과 같은 소형 장치를 무선으로 충전하는 데 성공했음에도 불구하고 완전히 무선으로 전환하기 전에 해결해야 할 몇 가지 기술적 과제가 있습니다. 특히 전력 소모가 더 많은 전자 제품의 경우 더욱 그렇습니다.

1월 23일 IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics에 발표된 연구에서 해당 분야의 전문가들은 더 높은 주파수에서 더 많은 에너지를 전달하고 배터리 과열 없이 충전 효율성을 최적화하는 등 이러한 장벽을 극복할 수 있는 몇 가지 방법을 설명합니다.

난양기술대학교 전기전자공학과 교수인 Shu-Yuen Ron Hui는 이번 연구에 참여했으며 무선 전력 전송(WPT) 기술을 표준화하기 위해 수십 년 동안 노력해 왔습니다. Hui는 2010년에 발표된 초기 WPT 표준은 단순히 한 회사의 송신기가 다른 회사의 수신기와 호환되도록 하는 데 중점을 두었다고 말했습니다. "그러나 최대 효율, 최소 충전 시간 등 최적의 성능은 최우선 순위가 아니었습니다."라고 그는 지적합니다.

WPT로 높은 효율을 달성하는 데 있어 가장 큰 장애물 중 하나는 배터리의 열적 한계입니다. 일반적으로 배터리를 충전하려면 일정한 전압과 전류 입력이 필요하지만 이로 인해 배터리가 위험한 수준까지 가열될 수 있습니다. 안전상의 이유로 상용 배터리 충전기는 배터리 표면 온도가 상한선(일반적으로 45°C)에 도달하면 충전 전류를 줄이거나 심지어 중지합니다.

이 문제를 해결하기 위해 Hui와 그의 동료들은 배터리를 과열시키지 않고 충전 시간을 줄이는 새로운 온도 조절 전류 제어 기술을 개발했습니다. 이 기술이 WPT 전자 제품 제조업체에서 널리 채택되면 기술의 충전 효율성을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.

두 번째 과제는 한 번에 더 많은 전력을 전달하는 것입니다. WPT 기술은 전자기장을 사용하여 전력을 전송하며 더 높은 전자기 주파수를 사용하여 주어진 시간 내에 더 많은 전력을 전송할 수 있습니다. 그러나 이를 위해서는 매우 빠른 속도로 전력 전송을 제어할 수 있는 하드웨어가 필요합니다.

기존 게이트 드라이버의 지연 시간은 약 100나노초인 반면, Hui는 지연 시간이 6ns에 불과한 게이트 드라이버를 개발했습니다. Hui의 동료인 맨체스터 대학의 Cheng Zhang과 공동 개발한 새로운 게이트 드라이버도 소프트 스위칭을 달성합니다. 이는 전원 스위치의 스위칭 손실과 스트레스를 줄여 훨씬 더 높은 주파수에서 게이트 드라이버를 사용할 수 있게 해주는 기술입니다. 현재 대부분의 WPT 전력 인버터는 1MHz 미만에서 작동하지만 팀의 최근 발명품은 최대 수십 MHz까지 올라갈 수 있습니다.

논문에서 연구원들은 WPT 기술을 최적화하는 또 다른 주요 방법을 강조합니다. 그들은 송신기 제조업체에 충전 프로세스를 최적화하는 데 도움이 될 수 있는 효율성 추적 기술을 통합할 것을 요구합니다. Hui 팀이 최근 개발한 한 가지 방법은 배터리가 충전되는 동안 송신기가 WPT 시스템의 최대 효율 작동 지점을 동적으로 따르도록 제어할 수 있습니다. 결과적으로 WPT 시스템 효율성은 전체 충전 프로세스에 최적화됩니다.

이러한 신기술은 함께 WPT 기술의 새로운 시대를 열 수 있습니다. 현재 휴대폰 등 15W 이하의 소형기기 충전에 대한 표준이 마련되어 있으며, 휴대용 공구, 전기자전거, 전기자전거 등 200W 정도의 중전력 기기에 대한 표준을 마련할 계획이 진행 중이다. 노트북 컴퓨터.

그러나 더 크고 전력 소모가 더 많은 전자 제품을 위한 기반은 여전히 ​​마련되어야 하며 Hui와 그의 동료들은 계속해서 발전할 계획입니다.

Hui는 "우리는 현재 전력 인버터가 최소 20MHz까지 작동할 수 있도록 하는 초고속 게이트 드라이브 회로(우리가 개발한)를 개발하고 평가할 산업 파트너를 찾고 있습니다."라고 Hui는 말했습니다. 1MHz에서 수십 MHz 범위의 작동 주파수를 갖는 인쇄된 WPT 공진기는 전자 장치가 수백 와트 범위의 무선 전력을 전송하는 데 도움이 될 수 있습니다.