JKIEES, vol. 29, no. 12, pp.935-941, January, 2018

Design and Performance Analysis of Magnetic Resonant Wireless Power Transfer Receiver for Implant Medical Device 인체 삽입형 자기 공진 무선전력전송 수신기 설계 및 성능 분석

김 성 재․구 현 철 Sungjae Kim․Hyunchul Ku
건국대학교 전자정보통신공학과(Department of Electronics, Information and Communication Engineering, Konkuk University)

In this study, we propose a suitable magnetic resonant wireless power transfer(WPT) system topology for size-limited implant medical devices(IMDs). The proposed modified series-parallel topology(mSPT) can be implemented by adding an inductor in series to the parallel-connected Rx coil and a capacitor. The topology achieves high efficiency when the Rx coil has a small inductance. The validity and operating conditions of the system are verified theoretically through circuit analysis. Experiments were conducted with bio-blocks, which are made of pork fat and muscle. When the Rx coils were inserted into the blocks at a depth of 2.5~10 mm, mSPT showed 17.79 % improved efficiency on average compared with the conventional series-series topology(SST). In the case of 32 dBm WPT in air, the Rx coil's heating rate for the mSPT was 0.18℃/s, whereas the SST was 0.75℃/s. It was confirmed that the mSPT is more suitable for an IMD-targeted WPT system.

본 논문에서는 소형의 인체 삽입형 의료기기에 자기 공진기법 무선전력전송을 적용하는 경우, 적합한 시스템 구성을제안하고 성능을 검증하였다. 제안하는 수정된 직렬-병렬 구성은 전력 수신부의 전력 수신 코일과 커패시터를 병렬로연결한 공진기에 직렬로 연결되는 인덕터를 추가하여 구현하며, 낮은 인덕턴스를 가진 전력 수신 코일을 이용하는 경우직렬 공진기를 이용하는 경우에 비해 높은 효율을 달성할 수 있다. 회로분석을 통해 해당 구성의 유효성 및 동작조건을이론적으로 검증하고, 돼지 지방 및 근육 생체 블록에 무선전력전송 수신코일을 삽입한 환경에서 무선전력전송을 진행하여 전력 전송 효율 및 생체 블록의 온도 변화를 측정 비교하였다. 생체 블록에 2.5~10 mm 깊이로 삽입 시 제안한구성이 일반적인 직렬-직렬 구성보다 평균 17.79 % 개선된 효율을 보이며, 공기 중에서 32 dBm 전력 송신 시 직렬-직렬수신 코일은 평균 0.75℃/s, 제안한 구성의 수신 코일은 평균 0.18℃/s의 온도 변화를 보여 제안한 구성이 인체 삽입형무선전력전송 시스템 구성에 보다 적합함을 확인하였다.

Keyword : Wireless Power Transfer, Magnetic Resonance, Implant Medical Device

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