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

Abstract

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 $0.18^{\circ}C/s$, whereas the SST was $0.75^{\circ}C/s$. 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 구성을 제안하고 성능을 검증하였다. 제안하는 수정된 직렬-병렬 구성은 전력 수신부의 전력 수신 코일과 커패시터를 병렬로 연결한 공진기에 직렬로 연결되는 인덕터를 추가하여 구현하며, 낮은 인덕턴스를 가진 전력 수신 코일을 이용하는 경우 직렬 공진기를 이용하는 경우에 비해 높은 효율을 달성할 수 있다. 회로분석을 통해 해당 구성의 유효성 및 동작조건을 이론적으로 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 제안한 구성이 일반적인 직렬-직렬 구성보다 평균 17.79 % 개선된 효율을 보이며, 공기 중에서 32 dBm 전력 송신 시 직렬-직렬 수신 코일은 평균 $0.75^{\circ}C/s$, 제안한 구성의 수신 코일은 평균 $0.18^{\circ}C/s$의 온도 변화를 보여 제안한 구성이 인체 삽입형 무선전력전송 시스템 구성에 보다 적합함을 확인하였다.

그림 1. 직렬-직렬 구성의 WPT 시스템 회로도 Fig. 1. The schematic of WPT system using SST.

그림 2. 수정된 직렬-병렬 구성의 WPT 시스템 회로도 Fig. 2. The schematic of WPT system using mSPT.

그림 3. 실험 환경 Fig. 3. Experimental environment.

그림 4. 매질에 따른 PTE 측정 결과 Fig. 4. Measured PTE in each medium.

그림 5. 각 매질에서 Rx 코일들의 SRF 특성 Fig. 5. SRF characteristic of Rx coils in each medium.

그림 6. 온도 측정 결과 Fig. 6. Temperature measurement results.

표 1. Rx 코일 별 특성 Table 1. Characteristics of each Rx coil.