KR101405878B1 - 전력 전송 시스템 - Google Patents

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타츠야 호소타니
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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

송전 코일(Lp)에 직렬로 접속된 공진 캐퍼시터(Cr)를 포함하는 송전장치측 공진회로와, 수전 코일(Ls)에 직렬로 접속된 공진 캐퍼시터(Crs)를 포함하는 수전장치측 공진회로를 공명시킴으로써 각각이 공진하고, 그에 의해 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls) 사이에 자계와 전계의 2개의 결합을 이용하여 전력 전송을 실시한다. 또, 전체 복공진회로의 고유 공진 주파수에 대해 스위칭 주파수를 높게 하여 동작시킴으로써 ZVS 동작을 실시하여 스위칭 손실을 대폭 저감할 수 있어 고효율 동작이 가능해진다. 이에 의해, 소형화를 도모하면서 전력변환 효율을 높인 전력 전송 시스템을 구성한다.

Description

전력 전송 시스템{POWER TRANSMISSION SYSTEM}
본 발명은 전력 송전장치와 전력 수전장치로 구성되는 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
최근 전자기기의 소형 경량화 및 저소비 전력화, 게다가 전지 용량의 증대화에 따라 전지 구동의 전자기기가 증가하고 있다. 또, 근거리에서는 기기 간 데이터 통신을 무선으로 실시하는 이용 형태도 늘어나고 있다. 이들 사정에 따라 전력에 대해서도 비접촉으로의 전송 기술이 요구되고 있다.
종래의 비접촉형 충전 시스템은 예를 들면 특허문헌 1에 나타나는 바와 같이, 충전대 등에 1차측 코일을 구비하는 송전장치와 ２차 코일 및 충전 전지를 구비한 휴대 전자기기로 구성되어 있어, 사용자는 휴대 전자기기를 송전장치에 얹어 놓는다. 이에 의해 송전장치의 1차측 코일과 휴대 전자기기의 ２차측 코일이 전자 유도 결합(자계 결합)하여 충전장치측으로 전력이 공급되고, 이차전지가 충전된다.
일본국 공개특허공보 2008-206327호
그러나, 특허문헌 1의 전력 전송 시스템에서는 송전 코일과 수전 코일은 전자 유도를 이용한 절연 트랜스로서 작용하고, 자기 결합을 이용한 변압기로서 이용하고 있는 것에 지나지 않는다. 전자 유도를 이용한 트랜스에서는 1차 권선에 흐르는 전류에 의해 발생한 자속을 2차 권선과 쇄교시켜서 전류를 흘리고, 전기에서 자기, 그리고 전기로 효율적으로 변환하는 것이 중요해지고 있다. 일반적으로, 1차 권선에 흐르는 전류에 의해 발생한 자속 중 2차 권선과 쇄교하는 자속의 비율은 (자기)결합도라 불리며, 전자 유도를 이용한 트랜스에서는 전력 변환 효율을 높이기 위해서는 자기 결합도를 높이는 것이 중요해지고 있다. 그러나, 자기 포화를 방지하기 위해 또는 물리적인 제약에 의해 트랜스의 자기 결합도를 크게 하는 것이 곤란한 경우도 많아, 결과적으로 전력 변환 효율을 저하시킨다는 결과가 되고 있다.
또, 일반적으로 전력 전송 시스템에서는 임피던스 매칭(정합)을 실시하여 전력을 전송하기 때문에, 제어에 있어서는 동작 주파수를 변화시킨다. 한편, 전자기기에서는 기기마다 사용할 수 있는 주파수대역이 정해져 있다. 그 때문에, EMC(전자 양립성)이나 전송 에너지의 제어성 등을 생각하면 고정 주파수로 동작하는 것이 바람직하다.
본 발명은 장치를 대형화하지 않고 전력 전송시의 전력 변환 효율을 향상시킨 전력 전송 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명의 전력 전송 시스템은 다음과 같이 구성된다.
(1)송전 코일을 포함한 송전장치와 수전 코일을 포함한 수전장치로 구성되는 전력 전송 시스템에 있어서, 상기 송전장치는 상기 송전 코일과 함께 송전장치측 공진회로를 구성하는 송전장치측 공진 커패시터와, 상기 송전 코일에 접속되어 스위칭 소자, 다이오드 및 커패시터의 병렬접속회로로 구성된 스위칭 회로를 가지고, 입력되는 직류전압으로부터 교류전압을 발생하는 송전장치측 교류전압 발생회로를 포함하고, 상기 수전장치는 상기 수전 코일과 함께 수전장치측 공진회로를 구성하는 수전장치측 공진 커패시터와, 상기 수전 코일에 접속되어 상기 수전 코일에 발생하는 교류전압을 직류전압으로 정류하는 수전장치측 정류회로를 포함하고, 상기 송전 코일과 수전 코일 사이에 등가적으로 형성되는 상호 인덕턴스 및 상호 커패시턴스로 전자계 결합회로가 구성되고, 상기 송전장치측 공진회로와 상기 수전장치측 공진회로가 공명하여 상기 송전장치로부터 상기 수전장치로 전력이 전송되고, 상기 송전장치로부터 송전되지 않은 에너지(무효 전력)는 상기 송전장치측 공진회로에 공진 에너지로서 보존되고, 상기 수전장치가 수전한 에너지 중 출력에 공급되지 않은 에너지(무효 전력)는 상기 수전장치측 공진회로에 공진 에너지로서 보존되는 것을 특징으로 한다.
(2)송전 코일을 포함한 송전장치와 수전 코일을 포함한 수전장치로 구성되는 전력 전송 시스템에 있어서, 상기 송전장치는 상기 송전 코일과 함께 송전장치측 공진회로를 구성하는 송전장치측 공진 커패시터와, 상기 송전 코일에 접속되어 스위칭 소자, 다이오드 및 커패시터의 병렬접속회로로 구성된 스위칭 회로를 가지고, 입력되는 직류전압으로부터 교류전압을 발생하는 송전장치측 교류전압 발생회로를 포함하고, 상기 수전장치는 상기 수전 코일과 함께 수전장치측 공진회로를 구성하는 수전장치측 공진 커패시터와, 상기 수전 코일에 접속되어 상기 수전 코일에 발생하는 교류전압을 직류전압으로 정류하는 수전장치측 정류회로를 포함하고, 상기 송전 코일과 수전 코일 사이에 등가적으로 형성되는 상호 인덕턴스로 전자 결합회로가 구성되고, 상기 송전장치측 공진회로와 상기 수전장치측 공진회로가 공명하여 상기 송전장치로부터 상기 수전장치로 전력이 전송되고, 상기 송전장치로부터 송전되지 않은 에너지(무효 전력)는 상기 송전장치측 공진회로에 공진 에너지로서 보존되고, 상기 수전장치가 수전한 에너지 중 출력에 공급되지 않은 에너지(무효 전력)는 상기 수전장치측 공진회로에 공진 에너지로서 보존되는 것을 특징으로 한다.
(3)송전 코일을 포함한 송전장치와 수전 코일을 포함한 수전장치로 구성되는 전력 전송 시스템에 있어서, 상기 송전장치는 송전 커패시터와 함께 송전장치측 공진회로를 구성하는 송전장치측 공진 인덕터와, 상기 송전 코일에 접속되어 스위칭 소자, 다이오드 및 커패시터의 병렬접속회로로 구성된 스위칭 회로를 가지고, 입력되는 직류전압으로부터 교류전압을 발생하는 송전장치측 교류전압 발생회로를 포함하고, 상기 수전장치는 수전 커패시터와 함께 수전장치측 공진회로를 구성하는 수전장치측 공진 인덕터와, 상기 수전 코일에 접속되어 상기 수전 코일에 발생하는 교류전압을 직류전압으로 정류하는 수전장치측 정류회로를 포함하고, 상기 송전 코일과 수전 코일 사이에 등가적으로 형성되는 상호 커패시턴스로 전계 결합회로가 구성되고, 상기 송전장치측 공진회로와 상기 수전장치측 공진회로가 공명하여 상기 송전장치로부터 상기 수전장치로 전력이 전송되고, 상기 송전장치로부터 송전되지 않은 에너지(무효 전력)는 상기 송전장치측 공진회로에 공진 에너지로서 보존되고, 상기 수전장치가 수전한 에너지 중 출력에 공급되지 않은 에너지(무효 전력)는 상기 수전장치측 공진회로에 공진 에너지로서 보존되는 것을 특징으로 한다.
(4)상기 수전장치는 상기 수전장치측 정류회로의 출력 정보를 검출해서 상기 송전장치측에 상기 출력정보를 전송하는 정보 송신회로를 포함하고, 상기 송전장치는 상기 출력정보를 수신하는 출력정보 수신회로와, 상기 출력정보에 따라 상기 송전장치측 교류전압 발생회로를 제어해서 전송 전력을 제어하는 전송전력 제어회로를 포함하는 것이 바람직하다.
(5)예를 들면, 상기 정보 송신회로는 무선통신으로 상기 출력정보를 송신하는 회로이고, 상기 출력정보 수신회로는 무선통신으로 상기 출력정보를 수신하는 회로이다.
(6)또 예를 들면, 상기 정보 송신회로는 전기신호를 광신호로 변환해서 상기 출력정보를 송신하는 회로이고, 상기 출력정보 수신회로는 광신호를 전기신호로 변환해서 상기 출력정보를 수신하는 회로이다.
(7)예를 들면, 상기 스위칭 회로는 하이사이드(high-side) 스위칭 회로와 로사이드(low-side) 스위칭 회로를 포함하고, 상기 송전장치측 교류전압 발생회로는 상기 하이사이드 스위칭 회로와 상기 로사이드 스위칭 회로를 번갈아 온/오프하는 스위칭 주파수를 변화시키는 주파수 제어 PFM(Pulse Frequency Modulation)에 의해 전송 전력을 제어하도록 구성하는 것이 바람직하다.
(8)또 예를 들면, 상기 스위칭 회로는 하이사이드 스위칭 회로와 로사이드 스위칭 회로를 포함하고, 상기 송전장치측 교류전압 발생회로는 상기 하이사이드 스위칭 회로와 상기 로사이드 스위칭 회로를 고정 스위칭 주파수로 번갈아 온/오프하여, 제1 스위칭 회로와 제2 스위칭 회로의 도통 기간의 비율을 제어하는 온 기간비 제어 ORM(On-periods Ratio Modulation)에 의해 전송 전력을 제어하도록 구성하는 것이 바람직하다.
(9)상기 수전장치측 정류회로는 스위칭 소자를 포함한 동기 정류회로인 것이 바람직하다.
(10)상기 수전장치는 상기 동기 정류회로의 동작 주파수(스위칭 주파수)를 제어하는 동작 주파수 제어회로를 포함하고, 상기 동작 주파수에 의해 수전 전력을 제어하도록 구성하는 것이 바람직하다.
(11)상기 수전장치는 상기 수전장치측의 회로를 제어하는 제어회로를 포함하고, 상기 제어회로는 상기 수전장치가 수전한 전력에 의해 동작하도록 구성하는 것이 바람직하다.
(12)상기 수전장치측 정류회로의 출력부에서 전력이 전송될 때, 상기 수전장치측 정류회로는 상기 송전장치측 교류전압 발생회로로서 작용함과 함께, 상기 송전장치측 교류전압 발생회로는 상기 수전장치측 정류회로로서 작용하고, 그로써 쌍방향으로 전력 전송이 가능한 것이 바람직하다.
(13)상기 수전장치는 복수 존재하는 경우는, 이들 복수의 수전장치의 상기 수전장치측 공진회로의 공진 주파수를 다르게 하고, 상기 송전장치측 교류전압 발생회로는 송전처에 따른 스위칭 주파수로 상기 스위칭 회로를 스위칭하는 것이 바람직하다.
(14)상기 교류전압의 파형에 대해 상기 송전 코일에 흐르는 전류 파형의 위상이 늦도록 상기 스위칭 주파수는 상기 송전장치측 공진회로와 상기 수전장치측 공진회로의 공명에 의한 공진 주파수보다 높게 정해지고, 상기 하이사이드 스위칭 소자와 로사이드 스위칭 소자가 함께 오프하는 데드 타임 기간에 제로 전압 스위칭 동작을 실시하도록 상기 데드 타임이 설정되어 있는 것이 바람직하다.
(15)상기 송전 코일 또는 상기 수전 코일에 대해 병렬로 병렬 공진 커패시터가 포함되어 있는 것이 바람직하다.
(16)상기 병렬 공진 커패시터는 상기 송전 코일과 상기 수전 코일 사이에 형성되는 전계 결합에 의한 등가적인 커패시턴스가 되는 부유 용량으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
(17)상기 병렬 공진 커패시터는 상기 송전 코일 또는 상기 수전 코일의 코일 양단 간에 형성되는 부유 용량으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
(18)예를 들면, 상기 송전 코일 및 상기 수전 코일은 공심 인덕터이다.
(19)상기 상호 인덕턴스는 상기 송전 코일과 상기 수전 코일 사이에 형성되는 자기 결합에 의해 발생하는 등가적인 여자 인덕턴스인 것이 바람직하다.
(20)상기 송전 코일 혹은 상기 수전 코일의 인덕턴스 성분 중 결합에 관여하지 않는 누설 인덕턴스를 상기 송전장치측 공진회로 또는 상기 수전장치측 공진회로를 구성하는 인덕터로서 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 송전장치측과 수전장치측의 쌍방에 LC 공진회로를 구비하고, 2개의 LC 공진회로를 공명시켜 송전 코일과 수전 코일 사이에서 자계 또는 전계 또는 쌍방의 결합을 이용해서 전력 전송을 실시할 수 있다. 또, 공진 현상을 이용함으로써 유효 전력만을 송전장치측에서 수전장치측으로 전송하고, 무효 전력은 송전장치측과 수전장치측의 각각의 LC 공진회로에서 순환해서 공진 에너지로서 보존되기 때문에 전력 손실을 매우 작게 할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태의 전력 전송 시스템(111)의 회로도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 전력 전송 시스템(111) 각 부의 전압전류 파형도이다.
도 3(A)는 도 1에 나타낸 전자계 결합회로(90)와 커패시터(Cr, Crs)로 구성되는 전자계 결합 공진회로 부분의 회로도이다. 도 3(B)는 그 등가 회로도이다.
도 4는 도 3(B)의 1-1’ 단자 간에 주어지는 전압의 파형도이다.
도 5(A)는 제1 실시형태의 다른 구성예인 전력 전송 시스템(111A)의 회로도이다. 도 5(B)는 제1 실시형태의 다른 구성예인 전력 전송 시스템(111B)의 회로도이다. 도 5(C)는 제1 실시형태의 다른 구성예인 전력 전송 시스템(111C)의 회로도이다.
도 6은 제2 실시형태의 전력 전송 시스템(112)의 회로도이다.
도 7은 도 6에 나타낸 전력 전송 시스템(112)의 각 부의 전압전류 파형도이다.
도 8은 제3 실시형태의 전력 전송 시스템(113)의 회로도이다.
도 9는 제4 실시형태의 전력 전송 시스템(114)의 회로도이다.
도 10은 제5 실시형태의 전력 전송 시스템(115)의 회로도이다.
도 11은 제6 실시형태의 전력 전송 시스템(116)의 회로도이다.
도 12는 제7 실시형태의 전력 전송 시스템(117)의 회로도이다.
도 13은 제8 실시형태의 전력 전송 시스템(118)의 회로도이다.
도 14는 제9 실시형태의 전력 전송 시스템(119)의 회로도이다.
도 15는 제10 실시형태의 전력 전송 시스템(120)의 회로도이다.
도 16은 제11 실시형태의 전력 전송 시스템(121)의 회로도이다.
도 17은 제12 실시형태의 전력 전송 시스템(122)의 회로도이다.
도 18은 제13 실시형태의 전력 전송 시스템(123)의 회로도이다.
도 19는 제14 실시형태의 전력 전송 시스템(124)의 회로도이다.
도 20은 제15 실시형태의 전력 전송 시스템(125)의 회로도이다.
도 21은 제16 실시형태의 전력 전송 시스템(126)의 회로도이다.
도 22는 제17 실시형태의 전력 전송 시스템(127)의 회로도이다.
도 23은 제18 실시형태의 전력 전송 시스템(128)의 회로도이다.
(제1 실시형태)
도 1은 제1 실시형태의 전력 전송 시스템(111)의 회로도이다.
전력 전송 시스템(111)은 전력 송전장치(PSU)와 전력 수전장치(PRU)로 구성되어 있다.
이 전력 전송 시스템(111)은 전력 송전장치(PSU)의 입력부에 입력 전원(Vi)을 구비하고, 전력 수전장치(PRU)의 부하(Ro)로 안정된 직류의 에너지를 공급하는 시스템이다. 전력 전송 시스템(111)은 다음의 각 부를 구비하고 있다.
·송전 코일(Lp) 및 수전 코일(Ls)을 구비하는 전자계 결합회로(90)
·송전 코일(Lp)에 접속된 스위칭 소자(Q1)를 포함하는 스위칭 회로(S1), 스위칭 소자(Q2)를 포함하는 스위칭 회로(S2)
·수전 코일(Ls)에 접속된 스위칭 소자(Q3)를 포함하는 스위칭 회로(S3), 스위칭 소자(Q4)를 포함하는 스위칭 회로(S4) 및 평활 커패시터(Co)
·송전 코일(Lp)에 접속된 직렬 공진 커패시터(Cr)
·수전 코일(Ls)에 접속된 직렬 공진 커패시터(Crs)
·스위칭 소자(Q1, Q2)에 접속된 스위칭 제어회로(10)
·전력 수전장치(PRU)의 수전 전력을 제어하기 위한 제어신호를 발생하는 피드백 제어회로(50)
·피드백 신호를 절연 상태로 전송하는 신호 전달수단(30)
·송전 코일(Lp)에 대해 병렬로 접속된 병렬 공진 커패시터(Cp)
·수전 코일(Ls)에 대해 병렬로 접속된 병렬 공진 커패시터(Cs)
·전자계 결합회로(90) 및 병렬 공진 커패시터(Cp, Cs)에 의해 구성되는 복공진회로(40)
스위칭 소자(Q1과 Q2)는 스위칭 제어회로(10)의 제어에 의해 데드 타임을 끼고 번갈아 온 오프함으로써, 직류전압(Vi)을 방형파 형상 또는 사다리꼴파 형상의 전압 파형으로 정형한다. 한편, 스위칭 소자(Q3, Q4)는 번갈아 도통함으로써 방형파 형상 또는 사다리꼴파 형상의 전압 파형을 직류전압으로 정형한다. 스위칭 제어회로(20)는 수전 코일(Ls)의 전압신호를 토대로 하여 스위칭 소자(Q3, Q4)의 동기 정류 제어를 실시한다. 도 1에 나타내는 제1 실시형태의 전력 전송 시스템(111)에서는 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)에 MOSFET 등의 FET를 이용하여 기생 출력 용량이나 기생 다이오드를 이용해서 스위칭 회로(S1, S2, S3, S4)를 구성할 수 있다.
피드백 제어회로(50)는 부하(Ro)에 대한 출력(전압, 전류 또는 전력)을 검출하고, 신호 전달수단(30)을 통해 송전장치(PSU) 측에 피드백 정보를 전달한다.
도 1에 있어서 굵은 파선으로 둘러싼 부분은 전자계 결합회로(90), 가는 파선으로 둘러싼 부분은 복공진회로(40)를 구성하고 있다. 도 1에 나타내는 파라미터(Ml)는 자계 결합의 상호 계수를 나타낸 것이고, Mc은 전계 결합의 상호 계수를 나타낸 것이다. 상호 인덕턴스에 의한 자계 결합(상호 계수 Ml)과 상호 커패시턴스에 의한 전계 결합(상호 계수 Mc)의 합성에 의해 전자계 결합으로서의 상호 계수(M)는 구성된다. 이 전자계 결합회로(90)를 포함시킨 복공진회로(40)는 송전장치측과 수전장치측의 2개의 LC 공진회로로 공명 동작한다.
송전장치(PSU)의 직렬 공진 커패시터(Cr)와 이에 직렬 접속되는 등가적인 직렬 공진 인덕터(Lr: 이 Lr에 대해서는 후에 등가회로에서 설명한다.)에 의해 송전장치측 공진회로가 구성된다. 마찬가지로, 수전장치(PRU)의 직렬 공진 커패시터(Crs)와, 이에 직렬 접속되는 등가적인 인덕턴스(Lrs: 이 Lrs에 대해서도 후에 등가회로에서 설명한다.)에 의해 수전장치측 공진회로가 구성된다. 이 송전장치측 공진회로와 수전장치측 공진회로가 공명함으로써 각각이 공진하고, 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls) 사이에서 상호 인덕턴스에 의한 자계와 상호 커패시턴스에 의한 전계의 2개의 결합을 이용해서 전력 전송을 실시한다.
또한, 커패시터(Cp, Cs)는 전자계 결합에서의 전력 전송을 촉진한다. 즉, 커패시터(Cp, Cs), 그리고 후에 등가회로에서 나타내는 상호 커패시턴스(Cm)로 π형의 전계 결합에 의한 전력 전송회로를 구성해서 전력을 전송한다. 이 상호 커패시턴스(Cm)는 공진 커패시터(Cr, Crs)와도 전계 결합에 의한 전력 전송회로를 구성하고 있다.
직렬 공진 커패시터(Cr, Crs)는 모두 직류전압을 유지하기 위한 커패시터를 겸하고 있다. 송전장치(PSU) 측에서는 스위칭 소자(Q1)의 도통 기간에 커패시터(Cr)를 충전하고, 스위칭 소자(Q2)의 도통 기간에 커패시터(Cr)를 방전한다. 한편, 수전장치(PRU) 측에서는 스위칭 소자(Q3)가 도통해서 수전 코일(Ls)에 발생하는 전압에 커패시터(Crs)의 전압을 가하여 커패시터(Crs)를 방전하면서 부하(Ro)에 에너지를 공급하고, 스위칭 소자(Q4)가 도통해서 수전 코일(Ls)에 발생하는 전압에 의해 커패시터(Crs)를 충전해서 정전 에너지를 비축한다. 즉, 스위칭 소자(Q3, Q4 혹은 Q1, Q2) 각각의 도통 기간에 발생하는 수전 코일(Ls)의 전압을 가산해서 부하(Ro)에 에너지를 출력한다.
스위칭 소자(Q1과 Q2)에 의한 스위칭 주파수(fs)에 대해 송전장치측과 수전장치측의 2개의 공진회로는 공명한다. 전자계 결합회로(90)를 포함시킨 송전장치측과 수전장치측의 2개의 공진회로로 복공진회로(40)는 구성된다. 복공진회로(40)는 복공진회로(40)의 합성 임피던스가 가장 작아지는 고유의 공진 주파수(fr)를 가지고 있고, 스위칭 주파수(fs)와 공진 주파수(fr)가 접근해서 공진함으로써, 각각 2개의 공진회로에 흐르는 전류는 커지고, 출력 전력은 증가한다. 즉, 전자계 결합회로를 포함시킨 송전장치측 공진회로와 수전장치측 공진회로를 합성한 전체의 복공진회로(40)가 가지는 고유의 공진 주파수(fr)보다도 높은 스위칭 주파수(fs)로 스위칭 소자를 온 오프 동작시키고, 스위칭 주파수(fs)가 고유의 공진 주파수(fr)에 접근해서 공진함으로써, 복공진회로에 유입하는 전류는 커지고, 출력 전력은 증가한다.
따라서, 송전 코일과 수전 코일 사이에 등가적으로 형성되는 상호 인덕턴스 및 상호 커패시턴스로 전자계 결합회로(90)가 구성되고, 송전장치측 공진회로와 수전장치측 공진회로가 공명하여 송전장치로부터 수전장치로 전력이 전송된다. 한편, 송전장치로부터 송전되지 않은 에너지는 무효 전력으로 하여 송전장치측 공진회로에 공진 에너지로서 보존된다. 또, 수전장치가 수전한 에너지 중 출력에 공급되지 않은 에너지도 마찬가지로 무효 전력으로 하여 수전장치측 공진회로에 공진 에너지로서 보존된다.
한편, 스위칭 주파수(fs)를 일정하게 해서 동작시키는 경우에는, 2개의 스위칭 회로의 도통 기간의 비율이 되는 온 기간비(Da)를 제어, 즉 온 기간비 제어에 의해 출력을 제어한다. 온 기간비 제어에서는 온 기간비(Da)=1, 즉 스위칭 주기에 대한 제1 스위칭 회로(S1)의 도통 기간의 비율인 컨버터의 온 시 비율(D)이 D=0.5에 근접할수록 출력 전력은 증가한다.
스위칭 제어회로(10)는 다음의 제어를 실시한다.
(1)전자계 결합회로(90)를 포함시킨 송전장치측 공진회로와 수전장치측 공진회로를 합친 전체 복공진회로(40)에 대해, 입력 임피던스가 가장 작아지는 고유 공진 주파수(fr)보다 스위칭 주파수를 높게 한다. 이에 의해, 그 스위칭 주파수에서는 복공진회로는 유도성이 된다. 그 때문에, 등가적인 인덕터(Lr)에 흐르는 전류 위상은 송전장치측 교류전압 발생회로에 의한 방형파(사다리꼴파) 형상의 교류전압의 전압 위상에 대해 늦어, 스위칭 소자(Q1)의 전압(vds1)이 0인 상태로 스위칭 소자(Q1)를 턴온할 수 있다. 마찬가지로, 스위칭 소자(Q2)의 전압(vds2)이 0인 상태로 스위칭 소자(Q2)를 턴온할 수 있다. 즉 ZVS(제로 전압 스위칭) 동작을 실시하게 되고, 스위칭 손실을 대폭 저감할 수 있어 고효율 동작이 가능해진다. 따라서, 스위칭 소자(Q1)와 스위칭 소자(Q2)가 함께 오프하는 데드 타임 기간을 적절하게 설정함으로써 제로 전압 스위칭(ZVS) 동작을 실시할 수 있다. 또, 전체 부하 범위에 있어서 공진 주파수(fr)보다 높은 스위칭 주파수로 동작을 하기 때문에, 적절하게 데드 타임 기간을 설정함으로써 전체 부하 범위에 걸쳐 제로 전압 스위칭(ZVS) 동작을 실현할 수 있다.
(2)송전장치측 교류전압 발생회로의 스위칭 주파수를 일정하게 하고, 스위칭 소자(Q1)를 포함하는 스위칭 회로(S1)와 스위칭 소자(Q2)를 포함하는 스위칭 회로(S2)의 각각의 도통 기간의 비율, 즉 온 기간비를 제어함으로써, 수전장치측 정류회로에서 얻어지는 출력 전력을 조정하고, 전송 에너지를 조정한다.
(3)수전장치측 정류회로에서 공급하는 출력 전력을 제어함에 있어서, 온 기간비 제어 수단에 의해 온 기간비(Da)가 1에서 멀어짐에 따라 복공진회로(40)를 흐르는 전류 파형은 정현파로부터 일그러지게 된다. 이 때문에 정현파로부터의 파형의 일그러짐을 소정의 값으로 억제하기 위해, 스위칭 회로(S1, S2)의 온 기간비를 비교적 1에 가까운 곳에 설정하여 송전장치측 교류전압 발생회로의 스위칭 주파수를 변화시키도록 스위칭 소자(Q1, Q2)를 제어함으로써, 수전장치측 정류회로에서 얻어지는 출력 전력을 조정하고 송전 에너지를 조정한다.
(4)그래서, 상기 (2)의 온 기간비 제어와 (3)의 스위칭 주파수에 의한 제어를 조합하여, 예를 들면 수전장치측 입력 전압의 변동에 따라 스위칭 주파수를 변화시켜 복공진회로(40)에 흐르는 전류 파형이 정현파로부터 크게 일그러지는 것을 억제하고, 부하의 변동에 대해서는 온 기간비를 제어하도록 구성함으로써 공진전류 파형은 정현파로부터의 일그러짐이 작고, 스위칭 주파수의 변화 폭도 작은 최적의 컨버터 특성을 얻으면서 수전장치측 정류회로에서 얻어지는 출력 전력을 조정해서 송전하는 에너지를 조정할 수 있다.
도 2는, 도 1에 나타낸 전력 전송 시스템(111)의 각 부의 전압전류 파형도이다. 전력 전송 시스템(111)의 각 타이밍에서의 동작은 다음과 같다.
송전 코일(Lp)의 여자 전류를 im으로 한다. 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)의 게이트·소스 간 전압을 vgs1, vgs2, vgs3, vgs4, 드레인·소스 간 전압을 각각 vds1, vds2, vds3, vds4로 한다. Q1, Q2는 양 스위칭 소자가 오프가 되는 짧은 데드 타임을 끼고 번갈아 온, 오프 동작을 실시하고, 데드 타임 기간에 Q1, Q2에 흐르는 전류를 각각 전류(commutation)시켜서 ZVS 동작을 실시한다. 1 스위칭 주기에 있어서의 각 상태에서의 동작을 이하에 나타낸다.
[1] State1 시각 t0∼t1
송전장치(PSU)의 스위칭 소자(Q1)를 구비한 스위칭 회로(S1)는 도통하고 있다. 우선, 스위칭 소자(Q1)의 양단의 기생 다이오드는 도통하고, 이 기간에 스위칭 소자(Q1)를 턴온함으로써 ZVS 동작이 실시된다. 송전 코일(Lp)에는 전류가 흐르고, 커패시터(Cr)는 충전된다.
수전장치(PRU)의 스위칭 소자(Q3)를 구비한 스위칭 회로(S3)는 도통하고 있고, 송전 코일(Lp)에 인가된 전압에 의해 수전 코일(Ls)에 전압이 유기되고, 커패시터(Crs)는 방전하여 전류가 공급되고, 수전 코일(Ls)에 유기된 전압과 커패시터(Crs)의 양단 전압이 가산되어 부하에 전력이 전송된다.
스위칭 소자(Q1)가 턴오프 하면 State2가 된다.
[2] State2 시각 t1∼t2
송전 코일(Lp)에 흐르고 있던 전류(ir)에 의해 스위칭 소자(Q1)의 양단의 커패시터(C1)는 충전되고, 스위칭 소자(Q2)의 양단의 커패시터(C2)는 방전된다. 전압 Vds1이 전압 Vi, 전압 vds2가 0V가 되면 State3이 된다.
[3] State3 시각 t2∼t3
송전장치(PSU)에서는, 스위칭 소자(Q2)를 구비한 스위칭 회로(S2)는 도통하고 있다. 우선, 스위칭 소자(Q2)의 양단의 기생 다이오드는 도통하고, 이 기간에 스위칭 소자(Q2)를 턴온함으로써 ZVS 동작이 실시된다. 송전 코일(Lp)에는 전류가 흐르고, 커패시터(Cr)는 방전된다. 스위칭 소자(Q4)는 도통하고 있고, 송전 코일(Lp)에 인가된 전압에 의해 수전 코일(Ls)에 전압이 유기되고, 커패시터(Crs)는 충전된다. 부하에는 커패시터(Co)의 전압이 인가되어 전력이 전송된다. Q2이 턴오프하면 State4가 된다.
[4] State4 시각 t3∼t4
송전 코일(Lp)에 흐르고 있던 전류(ir)에 의해 스위칭 소자(Q1)의 양단의 커패시터(C1)는 방전되고, 스위칭 소자(Q2)의 양단의 커패시터(C2)는 충전된다. 전압 Vds1이 전압 0V, 전압 vds2가 Vi가 되면 State1이 된다.
이후, State1∼4를 주기적으로 반복한다.
도 2에서는, 수신장치측 스위칭 소자(Q3, Q4)에 흐르는 전류 파형(id3, id4)은 음전류(negative current)가 흐른다. 이렇게 스위칭 소자(Q3, Q4)에 흐르는 음전류는 부하측에서 회생되는 전류가 되고, 출력에 공급되는 전류는 전류 파형(id3, id4)의 양전류(positive current)에서 음전류를 뺀 전류를 평균한 값이 된다. 이 때문에, 온 기간비를 1로부터 작게 변화시키는 것만으로 출력 전류는 크게 감소하고, 작은 온 기간비의 변화로 크게 공급 전력을 조정하는 것이 가능해져 출력 전력의 제어성이 향상된다.
도 3(A)는 도 1에 나타낸 전자계 결합회로(90)와 커패시터(Cr, Crs)로 구성되는 전자계 결합 공진회로 부분의 회로도이다. 도 3(B)는 그 등가 회로도이다. 여기서, 상호 인덕턴스(Lm)는 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)의 자계 결합에 의해 전력을 전송하는 등가적인 인덕터로서 나타나고, 상호 커패시턴스(Cm)는 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)의 전계 결합에 의해 전력을 전송하는 등가적인 커패시터로서 나타난다.
상기 송전장치측의 직렬 공진 인덕터(Lr)는 Lr=Lp-Lm에 상당하는 인덕턴스이다. 또, 수전장치측의 직렬 공진 인덕터(Lrs)는 Lrs=Ls-Lm에 상당하는 인덕턴스이다. 단, 여기서는 수전장치측 인덕턴스(Ls, Lrs)는 송전장치측에서 본 외관상의 인덕턴스에 등가적으로 환산한 인덕턴스(Ls1, Lrs1)를 이용해서 설명하고 있다. 구체적으로는, 예를 들면 송전 코일의 권수(number of turns)에 대한 수전 코일의 권수의 비율이 되는 권수비를 n으로 하면,
Ls1=n2Ls
Lrs1=n2Lrs
가 되는 관계가 성립한다. 마찬가지로 하여, 여기서는 수전장치측 커패시턴스(Cs, Crs)는 송전장치측에서 본 외관상의 커패시턴스에 등가적으로 환산한 커패시턴스(Cs1, Crs1)를 이용해서 설명하고 있다. 구체적으로는, 예를 들면 송전 코일의 권수에 대한 수전 코일의 권수의 비율이 되는 권수비를 n으로 하면,
Cs1=Cs/n2
Crs1=Crs/n2
이 되는 관계가 성립한다. 또 여기에서,
Lm＜＜Lp
Lm＜＜Ls
의 관계가 성립하는 경우는,
Lr≒Lp
Lrs1≒Ls1
로서 생각할 수도 있다.
전자계 결합 공진회로에 대한 입력 전압 파형을 전압 vac in(t)로 하면 다음 식을 얻는다.
Figure 112013067358142-pct00001
단,
Figure 112013067358142-pct00002
이다.
도 3(B)의 1-1’ 단자 간에는 도 4에 나타내는 바와 같은 방형파 전압 vac in이 주어지고, 전압 vac in(t)을 푸리에 급수 전개해서 다음 식을 얻는다.
Figure 112013067358142-pct00003
단,
Figure 112013067358142-pct00004
이다.
이렇게, 방형파 신호에는 공진 주파수의 기본파 성분과 그 고조파 성분을 포함하고, 단자 1-1’ 간에는 고차의 주파수 성분을 포함하는 전압이 주어지기 때문에, 전자계 결합 공진회로에 의해 고차의 주파수 성분의 전압 파형도 포함시켜 공명 동작을 실시함으로써 효율적으로 전력을 전송할 수 있다. 또한, 송전장치로부터 송전되지 않은 에너지는 무효 전력으로 하여 송전장치측 공진회로에 공진 에너지로서 보존된다. 마찬가지로, 수전장치가 수전한 에너지 중 출력에 공급해서 전력 소비되지 않은 에너지도 무효 전력으로 하여 수전장치측 공진회로에 공진 에너지로서 보존된다.
제1 실시형태에 의하면 다음과 같은 효과를 발휘한다.
(a)송전장치측 공진회로와 수전장치측 공진회로를 공명시키는 공진 현상을 이용함으로써 유효 전력을 송전장치측에서 수전장치측으로 전송하고, 무효 전력은 송전장치측과 수전장치측의 각각의 LC 공진회로에서 순환하여 공진 에너지로서 보존되기 때문에 전력 손실이 매우 작은 전력 전송 시스템을 구성할 수 있다.
(b)단일 컨버터를 송전장치(PSU)와 수전장치(PRU)로서 구성함으로써, 전력용 전자부품의 수가 매우 적은 전력 전송 시스템을 구성하는 것이 가능하다. 그 때문에 매우 간소하게 구성할 수 있어, 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(c)송전장치(PSU) 및 수전장치(PRU)로 구성되는 복공진회로의 공진 주파수에 대해 스위칭 주파수를 높게 해서 스위칭 동작을 시키고, 적절한 데드 타임을 설정함으로써 스위칭 소자의 ZVS(제로 전압 스위칭) 동작을 실시하는 것이 가능해져, 스위칭 손실을 대폭 저감할 수 있다.
(d)송전장치측의 상기 Lr, Cr에 의한 공진회로의 공진 주파수 및 수전장치의 상기 Lrs, Crs에 의한 공진회로의 공진 주파수와 스위칭 주파수(fs)가 동조해서 공명 현상에 의해 전력 전송을 실시함으로써, 전자 유도에 의한 전력 전송보다도 효율이 높은 전력 전송이 가능해진다.
(e)송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls) 사이에서 형성되는 LC 공진 동작에 의해 자계 결합뿐 아니라 전계 결합도 이용하여 전력 전송을 실시할 수 있다. 자계 결합만인 경우보다 전송 효율이 높아진다.
(f)피드백 제어회로(50)를 이용하여 수전장치의 출력 정보를 송전장치(PSU) 측에 전달하고, 송전장치측의 스위칭 제어회로(10)를 제어해서 전송 전력을 조정함으로써, 정밀도가 좋은 전송 전력의 조정이 가능해진다.
(g)신호 전달수단(30)에 무선 통신기기를 이용해서 출력 정보를 송전장치측에 전달함으로써, 전기적으로 절연하여 송전장치측에서 출력 전력을 조정할 수 있다.
(h)신호 전달수단(30)에 광전 소자를 이용해서 출력 정보를 송전장치측에 전달함으로써, 전기적으로 절연하여 송전장치측에서 출력 전력을 조정할 수 있다.
(i)스위칭 주파수를 변화시켜 주파수 제어 PFM(Pulse Frequency Modulation)에 의해 전송 전력을 제어하는 것이 가능해져, 출력 전력을 조정할 수 있다.
(j)고정 스위칭 주파수로 번갈아 온, 오프하는 스위칭 소자의 도통 기간의 비율을 제어하는 온 기간비 제어 ORM(On-periods Ratio Modulation)에 의해 전송 전력을 제어하는 것이 가능하다. 고정 스위칭 주파수를 이용함으로써 이용 주파수대역을 한정할 수 있어 EMC 대책도 용이해진다. 또 출력을 제어하는 제어성도 개선할 수 있다.
(k)수전장치측의 동기 정류회로에 의해 정류 손실을 저감할 수 있다. 전력 전송 시스템의 소형화가 가능해진다. 동기 정류회로를 구성하는 스위칭 소자(Q3, Q4)로 동기 정류 동작을 실시하고, 스위칭 소자(Q3, Q4)에 음전류를 흘림으로써 작은 온 기간비의 변화로 전송 전력을 크게 조정하는 것이 가능해져, 전송 전력의 제어성을 향상할 수 있다.
(l)수전장치측의 동기 정류회로의 동작 주파수를 제어함으로써, 송전장치측이 아닌 수전장치측에서의 전송 전력의 조정이 가능해진다.
(m)수전장치측은 수전한 전력에 의해 제어회로를 동작시킬 수 있다. 따라서 수전장치측에 전원을 구비할 필요가 없어, 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(n)쌍방향 전력 전송이 가능해짐으로써, 수전장치측에서 송전장치측으로 전력을 전송하거나 수전장치측을 중계점으로 하여 수전한 전력을 또 다른 곳으로 송전하거나 할 수 있는 중계 시스템으로서도 이용 가능하여, 본 장치를 복수 준비해서 중계함으로써 장거리 전력 전송이 가능해진다.
(o)순방향과 역방향으로 스위칭 주파수를 전환함으로써, 스위칭 주파수마다 특정 장소를 설정해 두고 목적에 맞는 장소로 전력 전송이 가능해진다. 스위칭 주파수를 전환함으로써, 전력 전송의 혼선을 막을 수 있다.
(p)ZVS 동작을 실시함으로써 스위칭 소자에서의 스위칭 손실을 대폭 저감할 수 있다.
(q)송전 코일(Lp) 또는 수전 코일(Ls)에 병렬로 구비한 커패시터(Cp, Cs)는 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls) 사이에 형성되는 상호 커패시턴스(Cm)에 의해 정합을 함으로써, 효율이 좋은 전계 결합회로를 형성할 수 있다. 자계 결합만인 경우보다 전송 효율이 높아진다.
(r)상호 커패시턴스(Cm)는 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls) 사이에 형성되는 전계 결합에 의한 등가적인 커패시턴스가 되는 부유 용량을 이용함으로써 상호 커패시턴스의 부품이 불필요해져 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(s)병렬 공진 커패시턴스(Cp, Cs)는 송전 코일(Lp) 또는 수전 코일(Ls)의 권선의 양단에 형성되는 부유 용량을 이용함으로써, 병렬 공진 커패시턴스의 부품이 불필요해져, 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(t)송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls) 사이를 공심으로 한 경우라도, 전자계 공명 현상을 이용한 전자계 결합을 형성함으로써 효율적으로 와이어리스로 전력송전을 실시할 수 있다. 따라서 자심이 불필요해져, 전력 전송 거리를 길게 할 수 있다.
(u)송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls) 사이에 형성되는 자계 결합에 의한 등가적인 인덕턴스가 되는 여자 인덕턴스를 이용함으로써, 상호 인덕터(Lm)의 부품이 불필요하거나 또는 작게 할 수 있어, 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(v)송전 코일 혹은 수전 코일의 인덕턴스 성분 중 결합에 관여하지 않는 누설 인덕턴스를 송전장치측 공진회로 혹은 수전장치측 공진회로를 구성하는 공진 인덕터로서 이용함으로써 공진 인덕터의 부품이 불필요하거나 또는 작게 할 수 있어, 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(제1 실시형태의 다른 구성예)
도 5(A), 도 5(B), 도 5(C)는 각각 제1 실시형태와는 다른 구성예의 전력 전송 시스템의 회로도이다.
도 5(A)는 전력 전송 시스템(111A)의 회로도이다. 도 1에 나타낸 전력 전송 시스템(111)과 달리, 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)의 자계 결합에 관여하는 등가적인 인덕턴스인 상호 인덕턴스(Lmp, Lms) 및 자계 결합에 관여하지 않는 등가적인 인덕턴스인 누설 인덕턴스(Lr, Lrs)를 구비하고 있다. 또, 송전 커패시턴스(Cp)와 수전 커패시턴스(Cs)의 전계 결합에 관여하는 등가적인 커패시턴스인 상호 커패시턴스(Cm1, Cm2) 및 전계 결합에 관여하지 않는 등가적인 커패시턴스인 누설 커패시턴스(Cpp, Css)를 구비하고 있다. 이들 인덕턴스(Lmp, Lms, Lr, Lrs) 및 커패시턴스(Cm1, Cm2, Cpp, Css)는, 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)의 등가 인덕터 또는 송전 커패시턴스(Cp)와 수전 커패시턴스(Cs)의 등가 용량을 이용할 수 있다. 혹은, 이들을 단체(單體) 전자부품을 이용할 수도 있고, 등가 인덕턴스, 등가 커패시턴스와 합성해서 이용할 수도 있다.
전력 전송 시스템(111A)에서는 다음과 같은 효과를 발휘한다.
(a)송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls) 사이에 형성되는 자계 결합에 의한 등가적인 인덕턴스가 되는 여자 인덕턴스(Lmp, Lms)를 이용함으로써, 상호 인덕터의 부품이 불필요하거나 또는 작게 할 수 있어, 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(b)송전 코일(Lp) 혹은 수전 코일(Ls)의 인덕턴스 성분 중 결합에 관여하지 않는 누설 인덕턴스를 송전장치측 공진회로 혹은 수전장치측 공진회로를 구성하는 공진 인덕터로서 이용함으로써 공진 인덕터의 부품이 불필요하거나 또는 작게 할 수 있어, 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(c)송전 커패시턴스(Cp)와 수전 커패시턴스(Cs) 사이에 형성되는 전계 결합에 의한 등가적인 커패시턴스가 되는 여자 커패시턴스(Cm1, Cm2)를 이용함으로써, 상호 인덕터의 부품이 불필요하거나 또는 작게 할 수 있어, 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(d)송전 커패시턴스(Cp) 혹은 수전 커패시턴스(Cs)의 커패시턴스 성분 중 결합에 관여하지 않는 누설 커패시턴스를 송전장치측 공진회로 혹은 수전장치측 공진회로를 구성하는 공진 커패시터로서 이용함으로써 공진 커패시터의 부품이 불필요하거나 또는 작게 할 수 있어, 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
도 5(B)는 전력 전송 시스템(111B)의 회로도이다. 제1 실시형태에서 도 1에 나타낸 전력 전송 시스템(111)과 달리, 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)의 자계 결합에 관여하는 등가적인 인덕턴스인 상호 인덕턴스(Lmp, Lms) 및 자계 결합에 관여하지 않는 등가적인 인덕턴스인 누설 인덕턴스(Lr, Lrs)를 구비한다. 전계 결합에 관여하는 등가적인 커패시턴스인 상호 커패시턴스를 구비하고 있지 않다. 즉, 전계와 자계의 결합인 전자계 결합회로가 아닌 자계만의 결합인 자계 결합회로만을 형성한다.
전력 전송 시스템(111B)에서는 자계 결합회로(91)를 형성하기 때문에, 전계 결합회로(90)를 형성하는 경우에 비해 부품수가 적어 간소한 회로로 구성할 수 있고, 다음과 같은 효과를 발휘한다.
(a)송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls) 사이에 형성되는 자계 결합에 의한 등가적인 인덕턴스가 되는 여자 인덕턴스(Lmp, Lms)를 이용함으로써, 상호 인덕터의 부품이 불필요하거나 또는 작게 할 수 있어, 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(b)송전 코일(Lp) 혹은 수전 코일(Ls)의 인덕턴스 성분 중, 결합에 관여하지 않는 누설 인덕턴스를 송전장치측 공진회로 혹은 수전장치측 공진회로를 구성하는 공진 인덕터로서 이용함으로써 공진 인덕터의 부품이 불필요하거나 또는 작게 할 수 있어, 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
도 5(C)는 전력 전송 시스템(111C)의 회로도이다. 제1 실시형태에서 도 1에 나타낸 전력 전송 시스템(111)과 달리, 송전 커패시턴스(Cp)와 수전 커패시턴스(Cs)의 전계 결합에 관여하는 등가적인 커패시턴스인 상호 커패시턴스(Cm1, Cm2) 및 자계 결합에 관여하지 않는 등가적인 커패시턴스인 누설 커패시턴스(Cpp, Css)를 구비한다. 전계 결합에 관여하는 등가적인 인덕턴스인 상호 인덕턴스를 구비하고 있지 않다. 즉, 전계와 자계의 결합인 전계 결합회로(90)가 아닌 전계만의 결합인 전계 결합회로(92)만을 형성한다.
전력 전송 시스템(111C)에서는 전계 결합회로(92)를 형성하기 때문에, 전계 결합회로를 형성하는 경우에 비해 부품수가 적어 간소한 회로로 구성할 수 있고, 다음과 같은 효과를 발휘한다.
(a)송전 커패시턴스(Cp)와 수전 커패시턴스(Cs) 사이에 형성되는 전계 결합에 의한 등가적인 커패시턴스가 되는 여자 커패시턴스(Cm1, Cm2)를 이용함으로써, 상호 인덕터의 부품이 불필요하거나 또는 작게 할 수 있어, 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(b)송전 커패시턴스(Cp) 혹은 수전 커패시턴스(Cs)의 커패시턴스 성분 중 결합에 관여하지 않는 누설 커패시턴스를 송전장치측 공진회로 혹은 수전장치측 공진회로를 구성하는 공진 커패시터로서 이용함으로써 공진 커패시터의 부품이 불필요하거나 또는 작게 할 수 있어, 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(제2 실시형태)
도 6은 제2 실시형태의 전력 전송 시스템(112)의 회로도이다. 이 예에서는 제1 실시형태의 전력 전송 시스템(111)과 달리, 수전장치측에 동기 정류 소자인 스위칭 소자(Q3, Q4)를 대신하여 정류 다이오드(D3, D4)를 구비하고 있다. 즉 다이오드(D3, D4)로 수전장치측 정류회로를 구성하고 있다.
도 7은 도 6에 나타낸 전력 전송 시스템(112)의 각 부의 전압전류 파형도이다. 전력 전송 시스템(112)의 각 타이밍에서의 동작은 다음과 같다.
송전 코일(Lp)의 여자 전류를 im으로 한다. 스위칭 소자(Q1, Q2)의 게이트·소스 간 전압을 전압 vgs1, vgs2, 드레인·소스 간 전압을 각각 전압 vds1, vds2로 한다. Q1, Q2는 양 스위칭 소자가 오프가 되는 짧은 데드 타임을 끼고 번갈아 온, 오프 동작을 실시하고, 데드 타임 기간에 Q1, Q2에 흐르는 전류를 각각 전류시켜서 ZVS 동작을 실시한다. 1 스위칭 주기에 있어서의 각 상태에서의 동작을 이하에 나타낸다.
[1] State1 시각 t0∼t1
송전장치(PSU) 측에서는 스위칭 소자(Q1)는 도통하고 있다. 우선, 스위칭 소자(Q1)의 양단의 기생 다이오드는 도통하고, 이 기간에 스위칭 소자(Q1)를 턴온함으로써 ZVS 동작이 실시된다. 송전 코일(Lp)에는 전류가 흐르고, 커패시터(Cr)는 충전된다.
수전장치(PRU) 측에서는 다이오드(D3)는 도통하여 0A에서 전류가 흐르기 시작한다. 송전 코일(Lp)에 인가된 전압에 의해 수전 코일(Ls)에 전압이 유기되고, 커패시터(Crs)는 방전하여 전류가 공급되고, 수전 코일(Ls)에 유기된 전압과 커패시터(Crs)의 양단 전압이 가산되어 부하에 전력이 전송된다.
스위칭 소자(Q1)가 턴오프하면 State2가 된다.
[2] State2 시각 t1∼t2
송전 코일(Lp)에 흐르고 있던 전류(ir)에 의해 스위칭 소자(Q1)의 양단의 커패시터(C1)는 충전되고, 스위칭 소자(Q2)의 양단의 커패시터(C2)는 방전된다. 전압 Vds1이 전압 Vi, 전압 vds2가 0V가 되면 State3이 된다.
[3] State3 시각 t2∼t3
송전장치(PSU) 측에서는 스위칭 소자(Q2)는 도통하고 있다. 우선, 스위칭 소자(Q2)의 양단의 기생 다이오드는 도통하고, 이 기간에 스위칭 소자(Q2)를 턴온함으로써 ZVS 동작이 실시된다. 송전 코일(Lp)에는 전류가 흐르고, 커패시터(Cr)는 방전된다. 전류(ir)가 여자 전류(im)와 같아지면 State4가 된다.
[4] State4 시각 t3∼t4
수전장치(PRU) 측에서는 다이오드(D4)는 도통하여 0A에서 전류가 흐르기 시작한다. 송전 코일(Lp)에 인가된 전압에 의해 수전 코일(Ls)에 전압이 유기되고, 커패시터(Crs)는 충전된다. 부하에는 커패시터(Co)의 전압이 인가되어 전력이 전송된다. 전류(ir)가 여자 전류(im)와 같아지면 State5가 된다.
[5] State5 시각 t4∼t5
송전장치(PSU) 측에서는 전류(ir)는 여자 전류(im)로서 흐르고, 수전장치(PRU) 측에서는 전류는 흐르지 않는다. Q2이 턴오프하면 State6이 된다.
[6] State6 시각 t5∼t6
송전 코일(Lp)에 흐르고 있던 전류(ir)에 의해 스위칭 소자(Q1)의 양단의 커패시터(C1)는 방전되고, 스위칭 소자(Q2)의 양단의 커패시터(C2)는 충전된다. 전압 Vds1이 전압 0V, 전압 vds2가 Vi가 되면 State1이 된다.
이후, State1∼6을 주기적으로 반복한다.
제2 실시형태의 전력 전송 시스템(112)에서는 전력 수전장치(PRU)를 간소하게 구성할 수 있다. 또, 정류 다이오드(D3, D4)는 순방향으로만 전류를 흘려, 제1 실시형태의 전력 전송 시스템(111)과 비교하여 수전장치측 정류회로에는 음전류는 흐르지 않는다. 이 때문에 출력측에서 회생되는 전류는 없어지고, 수전장치측 공진회로를 순환하는 전류가 감소하여 도통 손실을 저감할 수 있다.
(제3 실시형태)
도 8은 제3 실시형태의 전력 전송 시스템(113)의 회로도이다. 제1 실시형태에서 도 1에 나타낸 전력 전송 시스템과 다른 것은 수전장치(PRU) 측의 구성이다. 제3 실시형태에서는 수전 코일(Ls1, Ls2), 다이오드(D3, D4), 커패시터(Co)에 의해 중간탭(center-tap) 정류회로가 구성되어 있다. 송전장치(PSU)의 구성은 제1 실시형태에서 나타낸 것과 같다. 단, 송전장치(PSU) 측에서는 송전 코일(Lp)에 발생하는 부유 용량 또는 단체(單體) 커패시터에 의해 병렬 공진 커패시터(Crsa)(도 1에서의 Cp에 상당하는 커패시터)를 구성하고 있다.
이 제3 실시형태에서는, 수전장치(PRU) 측에서는 수전 코일(Ls1, Ls2)에 발생하는 부유 용량 또는 단체 커패시터에 의해 병렬 공진 커패시터(Crsb)(도 1에서의 Cs에 상당하는 커패시터)를 구성하고 있다.
제3 실시형태의 전력 전송 시스템(113)에서는 스위칭 주파수의 제어(PFM)에 의해 전송 전력이 제어된다.
(제4 실시형태)
도 9는 제4 실시형태의 전력 전송 시스템(114)의 회로도이다. 제3 실시형태에서 도 7에 나타낸 전력 전송 시스템과 달리, 이 예에서는 수전장치(PRU) 측에 공진 커패시터(Crs)를 구비하고 있다. 이 때문에, 이 커패시터(Crs)에 의해 소정의 공진 주파수로 전자계 공명 동작을 시킬 수 있다.
이 제4 실시형태의 전력 전송 시스템(114)에서는, 스위칭 주파수의 제어(PFM)에 의해 전송 전력이 제어된다.
(제5 실시형태)
도 10은 제5 실시형태의 전력 전송 시스템(115)의 회로도이다. 제1 실시형태에서 도 1에 나타낸 전력 전송 시스템과 다른 것은, 수전장치(PRU) 측의 구성이다. 제5 실시형태에서는 수전 코일(Ls)에 다이오드(D3, D4, D7, D8), 커패시터(Co)에 의해 브리지 정류회로가 구성되어 있다. 송전장치(PSU)의 구성은 제1 실시형태에서 나타낸 것과 같다.
수전장치(PRU) 측에서는 수전 코일(Ls)에 발생하는 부유 용량 또는 단체 커패시터에 의해 병렬 공진 커패시터(Crs)(도 1에서의 Cs에 상당하는 커패시터)를 구성하고 있다.
이 제5 실시형태의 전력 전송 시스템(115)에서는 스위칭 주파수의 제어(PFM)에 의해 전송 전력이 제어된다.
(제6 실시형태)
도 11은 제6 실시형태의 전력 전송 시스템(116)의 회로도이다. 제5 실시형태에서 도 10에 나타낸 전력 전송 시스템과 달리, 이 예에서는 수전장치(PRU) 측에 공진 커패시터(Crs)를 구비하고 있다. 이 때문에, 이 커패시터(Crs)에 의해 소정의 공진 주파수로 전자계 공명 동작을 시킬 수 있다.
이 제6 실시형태의 전력 전송 시스템(116)에서는, 스위칭 주파수의 제어(PFM)에 의해 전송 전력이 제어된다.
(제7 실시형태)
도 12는 제7 실시형태의 전력 전송 시스템(117)의 회로도이다. 이 예에서는 송전장치(PSU) 측에 4개의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)에 의한 풀 브리지 회로 구성의 교류전압 발생회로를 마련하고 있다. 또, 수전장치(PRU) 측에 4개의 스위칭 소자(Qs1, Qs2, Qs3, Qs4)에 의한 브리지 정류 구성의 정류회로를 마련하고 있다.
이 제7 실시형태에 의하면, 제1∼제6 실시형태에 비해 송전장치(PSU) 측의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4) 및 수전장치(PRU) 측의 스위칭 소자(Qs1, Qs2, Qs3, Qs4)에 인가되는 전압이 각각 절반이 되기 때문에, 스위칭 소자에서의 손실을 저감할 수 있다.
또, 송전장치(PSU)와 수전장치(PRU)는 같은 구성의 회로이며 대칭성이 있기 때문에, 쌍방향 전력 전송 시스템 장치로서 이용할 수 있다.
(제8 실시형태)
도 13은 제8 실시형태의 전력 전송 시스템(118)의 회로도이다. 이 예에서는 송전장치(PSU) 측에 4개의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q5, Q6)에 의한 풀 브리지 회로 구성의 교류전압 발생회로를 마련하고, 수전장치(PRU) 측에 4개의 다이오드(D3, D4, D7, D8)에 의한 브리지 정류 구성의 정류회로를 마련하고 있다.
제8 실시형태에 의하면, 제7 실시형태에 대해 수전장치(PRU) 측의 구성을 간소하게 할 수 있다. 또, 수전장치(PRU) 측의 정류 소자의 내압을 저감할 수 있다.
(제9 실시형태)
도 14는 제9 실시형태의 전력 전송 시스템(119)의 회로도이다.
이 예에서는 입력 전원(Vi)의 전압을 분압하는 커패시터(Cr1, Cr2) 및 출력 전압(Vo)을 분압하는 커패시터(Crs1, Crs2)를 구비하고 있다. 즉, 제1 실시형태에서 나타낸 전력 전송 시스템에서의 직렬 공진 커패시터(Cr)를 Cr1, Cr2로 분할하고, 직렬 공진 커패시터(Crs)를 Crs1, Crs2로 분할한 것이다. 여기서는, 송전 코일(Lp) 및 수전 코일(Ls)의 여자 인덕턴스를 직렬 공진 인덕터(Lr, Lrs)로서 도시하고 있다. 그 외에는 제1 실시형태에서 도 1에 나타낸 것과 같다.
제9 실시형태에서는 직렬 공진 커패시터에 흐르는 전류가 2개의 커패시터로 분할되므로, 커패시터에 의한 손실이 분산되어 전체의 손실이 저감되고, 발열이 분산된다.
또한, 커패시터(Cr1, Cr2) 및 커패시터(Crs1, Crs2)는 직류전압을 유지하는 작용과 직렬 공진용 커패시터로서의 작용의 쌍방의 역할을 한다.
(제10 실시형태)
도 15는 제10 실시형태의 전력 전송 시스템(120)의 회로도이다. 이 예에서는 송전장치(PSU) 측에 커패시터(Cc)를 마련해서 전압 클램프 회로를 구성하고 있다. 그 외에는 제1 실시형태에서 도 1에 나타낸 것과 같다.
도 15에 나타낸 전력 전송 시스템에서는, 스위칭 소자(Q1)의 턴 오프 후, 송전 코일(Lp)의 전압이 스위칭 소자(Q2)의 기생 다이오드를 통해 커패시터(Cc)에 도 15에 나타내는 방향의 전압이 차지(charge)되고, 스위칭 소자(Q2)가 온일 때 커패시터(Cc)에 차지된 전압(+Vc)이 복공진회로로 인가된다. 즉, 입력 전압(Vi)이 방형파 전압으로 변환되고, 그 방형파 전압은 +Vi와 -Vc의 전압진폭이 된다.
제1∼제9 실시형태에서는 공진회로에 대한 입력 전원전압이 +Vi와 0V로 변화하고 전압진폭은 Vi인 것에 비해, 제10 실시형태에서는 입력 전원전압이 +Vi에서 -Vc로 크게 변화하고 전압진폭은 (Vi+Vc)로 동작하게 된다. 또, 전압 클램프 회로를 구성하는 커패시터(Cc)의 양단 전압(Vc)은 스위칭 주기에 대한 스위칭 소자(Q1)의 도통 기간의 비율인 온 시 비율(D)에 의해 변화하고, 출력 전압(Vo)을 광범위에 걸쳐 제어할 수 있다. 이는 출력 전압이 일정한 경우에 입력 전원전압이 광범위에 걸쳐 변화할 경우에 대한 적용이 뛰어난 것을 나타내고 있다. 이렇게 전압 클램프 회로를 구성함으로써, 입력 전압의 변동에 대한 제어 특성이 개선된다. 즉 입력 전압이 크게 변동해도 출력 전압의 안정화가 도모된다.
제10 실시형태에 의하면, 공진회로에 주는 방형파 전압의 진폭전압이 커져 PFM, 온 기간비 제어 ORM(On-periods Ratio Modulation)의 어느 것이든 동작한다.
(제11 실시형태)
도 16은 제11 실시형태의 전력 전송 시스템(121)의 회로도이다. 이 예에서는 송전장치(PSU) 측에 커패시터(Cc)를 마련해서 전압 클램프 회로를 구성하고, 수전장치(PRU) 측에 커패시터(Ccs)를 마련해서 수전장치(PRU) 측에도 전압 클램프 회로를 구성하고 있다. 그 외에는 제10 실시형태에서 도 15에 나타낸 것과 같다.
도 16에 나타낸 전력 전송 시스템에서는 입력 전압(Vi)이 방형파 전압으로 변환되고, 그 방형파 전압은 +Vi와 -Vc의 전압진폭이 된다. 또, 수전장치측의 커패시터(Ccs)에 음전압(negative voltage)(Vcs)이 차지되기 때문에, 스위칭 소자(Qs1, Qs2)에 의한 동기 정류회로에 인가되는 교류 방형파 전압은 +Vo와 -Vcs의 전압진폭이 된다. 이렇게 전압진폭이 커지기 때문에, 출력 전압의 변동에 대한 제어 특성도 개선된다. 즉 출력 전압의 조정이 광범위에 걸쳐 용이해진다.
(제12 실시형태)
도 17은 제12 실시형태의 전력 전송 시스템(122)의 회로도이다. 이 예에서는, 송전장치(PSU)의 송전 코일(Lp) 및 수전장치(PRU)의 수전 코일(Ls)을 각각 페라이트 등의 자심을 가지는 코일로 하고 있다. 그 때문에, 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)에 의해 트랜스가 구성된다.
제12 실시형태에 의하면, 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)의 자계 결합의 정도가 커져 전력 전송 효율을 충분히 크게 할 수 있다. 또, 공간에 방출되는 전자파(자속과 전속)를 자심인 페라이트에 의해 억제할 수 있다.
(제13 실시형태)
도 18은 제13 실시형태의 전력 전송 시스템(123)의 회로도이다. 이 전력 전송 시스템(123)은 실시형태 12에 대해 공진 인덕터(Lr, Lrs), 공진 커패시터(Cr, Crs, Cp, Cs)를 구성한 것이다.
제13 실시형태에 의하면, 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)의 자계 결합의 정도가 커져 전력 전송 효율을 충분히 크게 할 수 있다. 또, 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)의 자계 결합에 관여하는 상호 인덕턴스에 의해 발생하는 자속의 대부분이 자심인 페라이트를 지나는 경로가 되기 때문에 공간에 방출되는 전자파(자속과 전속)를 페라이트에 의해 억제할 수 있다. 또, 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)의 자계 결합에 관여하지 않는 인덕터 성분, 누설 인덕턴스를 공진 인덕터(Lr, Lrs)로서 이용할 수 있다. 또, 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)에 등가적으로 구성되는 부유 용량인 권선 용량을 공진 커패시터(Cp, Cs)로서 이용할 수 있다. 한편, 이들 공진 인덕터(Lr, Lrs), 공진 커패시터(Cp, Cs)를 단체 전자부품으로 구성할 수도 있으며, 이 경우는 임의로 공진 주파수를 설정할 수 있기 때문에 소정의 스위칭 주파수로 공명 동작을 일으키는 것이 용이해진다.
(제14 실시형태)
도 19는 제14 실시형태의 전력 전송 시스템(124)의 회로도이다. 이 전력 전송 시스템(124)은 제12 실시형태에 대해 공진 인덕터(Lr, Lrs), 공진 커패시터(Cr, Crs, Cp, Cs)를 구성한 것이다. 송전 코일(Lp), 수전 코일(Ls), 공진 인덕터(Lr, Lrs), 공진 커패시터(Cr, Crs, Cp, Cs)에 의해 복공진회로(40)가 구성되어 있다.
제14 실시형태에 의하면, 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)의 자계 결합의 정도가 커져 전력 전송 효율을 충분히 크게 할 수 있다. 또, 공간에 방출되는 전자파(자속과 전속)를 페라이트에 의해 억제할 수 있다. 또한, 임의로 공진 주파수를 설정할 수 있기 때문에, 공명 동작을 시키기 쉽다.
(제15 실시형태)
도 20은 제15 실시형태의 전력 전송 시스템(125)의 회로도이다. 이 전력 전송 시스템(125)은, 입력 전원(Vi)의 전압을 분압하는 커패시터(Cr1, Cr2) 및 출력 전압(Vo)을 분압하는 커패시터(Crs1, Crs2)를 구비하고 있다. 즉, 송전장치(PSU) 측의 직렬 공진 커패시터를 Cr1, Cr2로 분할하고, 수전장치(PRU) 측의 직렬 공진 커패시터를 Crs1, Crs2로 분할한 것이다.
제15 실시형태에서는 직렬 공진 커패시터에 흐르는 전류가 2개의 커패시터로 분할되기 때문에, 커패시터에 의한 손실이 분산되어 전체의 손실이 저감되고, 발열이 분산된다.
또한, 커패시터(Cr1, Cr2) 및 커패시터(Crs1, Crs2)는 직류전압을 유지하는 작용과 직렬 공진용 커패시터로서 작용의 쌍방의 역할을 한다.
(제16 실시형태)
도 21은 제16 실시형태의 전력 전송 시스템의 회로도이다. 이 예에서는 송전장치(PSU) 측의 공진 커패시터를 두 개의 커패시터(Cr1, Cr2)로 분할 배치하고, 수전장치측의 공진 커패시터를 두 개의 커패시터(Crs1, Crs2)로 분할 배치하고 있다. 커패시터(Cr1, Cr2) 및 커패시터(Crs1, Crs2)는 직류전압을 유지하는 작용과 직렬 공진용 커패시터로서의 작용의 쌍방의 역할을 한다.
이 제16 실시형태에 의하면, 공진 커패시터(Cr1, Cr2, Crs1, Crs2)에 의해 전계에 의한 전기적인 절연을 얻을 수 있다. 또, 공진 커패시터(Cr1, Cr2, Crs1, Crs2)에 의해 송전 코일과 수전 코일을 둘러쌈으로써 물리적인 제약을 완화하여 공간에 방출되는 전자파(자속과 전속)를 봉하기 쉽다.
또한, 송전장치(PSU) 측 및 수전장치(PRU) 측의 공진 커패시터의 각각에 인가되는 전압이 2개의 커패시터로 분할되어 인가되기 때문에, 커패시터에서의 손실을 분산할 수 있다.
(제17 실시형태)
도 22는 제17 실시형태의 전력 전송 시스템(127)의 회로도이다. 이 예에서는 송전장치(PSU) 측에 4개의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q5, Q6)에 의한 풀 브리지 회로 구성의 교류전압 발생회로를 마련하고 있다. 또, 수전장치(PRU) 측에 4개의 스위칭 소자(Q3, Q4, Q7, Q8)에 의한 브리지 정류 구성의 정류회로를 마련하고 있다. 그 외의 구성은 제16 실시형태와 같다.
이 제17 실시형태에 의하면, 송전장치(PSU) 측의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q5, Q6) 및 수전장치(PRU) 측의 스위칭 소자(Q3, Q4, Q7, Q8)에 인가되는 전압이 각각 절반이 되기 때문에, 스위칭 소자에서의 손실을 저감할 수 있다. 그 외의 작용 효과는 제16 실시형태와 같다.
(제18 실시형태)
도 23은 제18 실시형태의 전력 전송 시스템(128)의 회로도이다.
이 전력 전송 시스템(128)은 쌍방향 전력 전송 가능한 복수의 송수전장치(PSU/PRU1, PSU/PRU2, PSU/PRU3, PSU/PRU4)를 구비한 시스템이다.
제1 전력 송수전장치(PSU/PRU1)가 송전장치로서 작용할 때, 그에 대응해서 전자계 결합을 형성하는 제2 송수전장치(PSU/PRU2)는 수전장치로서 작용한다. 따라서, 제1 송수전장치(PSU/PRU1)로부터 제2 송수전장치(PSU/PRU2)로 전력이 전송된다. 이때, 제2 송수전장치(PSU/PRU2)의 부하(Ro)에는 충전 전지 및 그 충전 회로를 구비한다.
제3 송수전장치(PSU/PRU3)는 제2 송수전장치(PSU/PRU2)에 대응하고 있어서, 제2 송수전장치(PSU/PRU2)가 송전장치로서 작용할 때, 제3 송수전장치(PSU/PRU3)는 수전장치로서 작용한다. 이때, 제2 송수전장치(PSU/PRU2)는 상기 충전 전지가 전원으로서 이용된다. 그리고 제3 송수전장치(PSU/PRU3)의 부하(Ro2)는 충전 전지 및 그 충전 회로를 구비한다.
제4 송수전장치(PSU/PRU4)는 제3 송수전장치(PSU/PRU3)에 대응하고 있어서, 제3 송수전장치(PSU/PRU3)가 송전장치로서 작용할 때, 제4 송수전장치(PSU/PRU4)는 수전장치로서 작용한다. 이때, 제3 송수전장치(PSU/PRU3)는 상기 충전 전지가 전원으로서 이용된다. 그리고 제4 송수전장치(PSU/PRU4)의 부하(Ro3)는 충전 전지 및 그 충전 회로이다.
이렇게 하여, 복수의 전력 송수전장치를 구비함으로써 도중의 전력 송수전장치가 전력을 중계하여 먼 곳까지 전력을 전송하는 것이 가능해진다.
또한, 복수의 수전장치측의 공진회로의 공진 주파수를 다르게 해 두고, 송전장치측은 송전처에 따른 스위칭 주파수로 스위칭 회로를 스위칭 동작하도록 구성하면, 복수의 수전장치에 대해 소정의 수전장치에 선택적으로 전력을 전송할 수 있다.
또, 전력 송수전장치의 전력 전송 방향에 따라 스위칭 주파수를 전환함으로써, 스위칭 주파수마다 목적에 맞는 방향(장소)으로의 전력 전송이 가능해진다. 즉, 스위칭 주파수를 전환하는 등의 제어를 실시함으로써 적절한 전자기기를 선택하거나 적절한 방향이나 장소로 전력을 송전하여 전력 전송의 혼선을 막을 수 있다.
Co: 평활 커패시터 Cp, Cs, Cpp, Css: 병렬 공진 커패시터
Cm, Cm1, Cm2: 상호 커패시턴스 Cr, Crs: 직렬 공진 커패시터
Cr1, Cr2: 공진 커패시터 Crs: 직렬 공진 커패시터
Crs1, Crs2: 공진 커패시터 D3, D4, D7, D8: 정류 다이오드
Ds1, Ds2: 다이오드 im: 여자 전류
Lp: 송전 코일
Lm, Lmp, Lms: 여자 인덕턴스 또는 상호 인덕턴스
Ls: 수전 코일 Lr, Lrs: 직렬 공진 인덕터
Mc: 전계 결합의 상호 계수 Ml: 자계 결합의 상호 계수
PSU: 전력 송전장치 PRU: 전력 수전장치
Q1∼Q8: 스위칭 소자 Qs1, Qs2, Qs3, Qs4: 스위칭 소자
S1, S2, S3, S4: 스위칭 회로 10, 20: 스위칭 제어회로
30: 신호 전달수단 40: 복공진회로
50: 피드백 제어회로 90: 전자계 결합회로
91: 자계 결합회로 92: 전계 결합회로
111∼128: 전력 전송 시스템

Claims (20)

  1. 송전 코일을 포함한 송전장치와 수전 코일을 포함한 수전장치로 구성되는 전력 전송 시스템에 있어서,
    상기 송전장치는, 상기 송전 코일과 함께 송전장치측 공진회로를 구성하는 송전장치측 공진 커패시터와,
    상기 송전 코일에 접속되어 스위칭 소자, 다이오드 및 커패시터의 병렬접속회로로 구성된 스위칭 회로를 가지고, 입력되는 직류전압으로부터 교류전압을 발생하는 송전장치측 교류전압 발생회로를 포함하고,
    상기 수전장치는, 상기 수전 코일과 함께 수전장치측 공진회로를 구성하는 수전장치측 공진 커패시터와,
    상기 수전 코일에 접속되어 상기 수전 코일에 발생하는 교류전압을 직류전압으로 정류하는 수전장치측 정류회로를 포함하고,
    상기 송전 코일과 수전 코일 사이에 등가적으로 형성되는 상호 인덕턴스 및 상호 커패시턴스로 전자계 결합회로가 구성되고, 상기 송전장치측 공진회로와 상기 수전장치측 공진회로가 공명하여 상기 송전장치로부터 상기 수전장치로 전력이 전송되고,
    상기 송전장치로부터 송전되지 않은 에너지는 상기 송전장치측 공진회로에 공진 에너지로서 보존되고,
    상기 수전장치가 수전한 에너지 중 출력에 공급되지 않은 에너지는 상기 수전장치측 공진회로에 공진 에너지로서 보존되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  2. 송전 코일을 포함한 송전장치와, 수전 코일을 포함한 수전장치로 구성되는 전력 전송 시스템에 있어서,
    상기 송전장치는, 상기 송전 코일과 함께 송전장치측 공진회로를 구성하는 송전장치측 공진 커패시터와,
    상기 송전 코일에 접속되어 스위칭 소자, 다이오드 및 커패시터의 병렬접속회로로 구성된 스위칭 회로를 가지고, 입력되는 직류전압으로부터 교류전압을 발생하는 송전장치측 교류전압 발생회로를 포함하고,
    상기 수전장치는, 상기 수전 코일과 함께 수전장치측 공진회로를 구성하는 수전장치측 공진 커패시터와,
    상기 수전 코일에 접속되어 상기 수전 코일에 발생하는 교류전압을 직류전압으로 정류하는 수전장치측 정류회로를 포함하고,
    상기 송전 코일과 수전 코일 사이에 등가적으로 형성되는 상호 인덕턴스로 전자(電磁) 결합회로가 구성되어, 상기 송전장치측 공진회로와 상기 수전장치측 공진회로가 공명하여 상기 송전장치로부터 상기 수전장치로 전력이 전송되고,
    상기 송전장치로부터 송전되지 않은 에너지는 상기 송전장치측 공진회로에 공진 에너지로서 보존되고,
    상기 수전장치가 수전한 에너지 중 출력에 공급되지 않은 에너지는 상기 수전장치측 공진회로에 공진 에너지로서 보존되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  3. 송전 코일을 포함한 송전장치와, 수전 코일을 포함한 수전장치로 구성되는 전력 전송 시스템에 있어서,
    상기 송전장치는, 송전 커패시터와 함께 송전장치측 공진회로를 구성하는 송전장치측 공진 인덕터와,
    상기 송전 코일에 접속되어 스위칭 소자, 다이오드 및 커패시터의 병렬접속회로로 구성된 스위칭 회로를 가지고, 입력되는 직류전압으로부터 교류전압을 발생하는 송전장치측 교류전압 발생회로를 포함하고,
    상기 수전장치는, 수전 커패시터와 함께 수전장치측 공진회로를 구성하는 수전장치측 공진 인덕터와,
    상기 수전 코일에 접속되어 상기 수전 코일에 발생하는 교류전압을 직류전압으로 정류하는 수전장치측 정류회로를 포함하고,
    상기 송전 코일과 수전 코일 사이에 등가적으로 형성되는 상호 커패시턴스로 전계 결합회로가 구성되고, 상기 송전장치측 공진회로와 상기 수전장치측 공진회로가 공명하여 상기 송전장치로부터 상기 수전장치로 전력이 전송되고,
    상기 송전장치로부터 송전되지 않은 에너지는 상기 송전장치측 공진회로에 공진 에너지로서 보존되고,
    상기 수전장치가 수전한 에너지 중 출력에 공급되지 않은 에너지는 상기 수전장치측 공진회로에 공진 에너지로서 보존되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수전장치는, 상기 수전장치측 정류회로의 출력 정보를 검출해서 상기 송전장치측에 상기 출력정보를 전송하는 정보 송신회로를 포함하고,
    상기 송전장치는, 상기 출력정보를 수신하는 출력정보 수신회로와, 상기 출력정보에 따라 상기 송전장치측 교류전압 발생회로를 제어해서 전송 전력을 제어하는 전송전력 제어회로를 포함한 전력 전송 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정보 송신회로는 무선통신으로 상기 출력정보를 송신하는 회로이고,
    상기 출력정보 수신회로는 무선통신으로 상기 출력정보를 수신하는 회로인 전력 전송 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 정보 송신회로는 전기신호를 광신호로 변환해서 상기 출력정보를 송신하는 회로이고,
    상기 출력정보 수신회로는 광신호를 전기신호로 변환해서 상기 출력정보를 수신하는 회로인 전력 전송 시스템.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는 하이사이드 스위칭 회로와 로사이드 스위칭 회로를 포함하고,
    상기 송전장치측 교류전압 발생회로는, 상기 하이사이드 스위칭 회로와 상기 로사이드 스위칭 회로를 번갈아 온/오프하는 스위칭 주파수를 변화시키는 주파수 제어 PFM(Pulse Frequency Modulation)에 의해 전송 전력을 제어하는 전력 전송 시스템.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위칭 회로는 하이사이드 스위칭 회로와 로사이드 스위칭 회로를 포함하고,
    상기 송전장치측 교류전압 발생회로는, 상기 하이사이드 스위칭 회로와 상기 로사이드 스위칭 회로를 고정 스위칭 주파수로 번갈아 온/오프 하고, 제1 스위칭 회로와 제2 스위칭 회로의 도통 기간의 비율을 제어하는 온 기간비 제어 ORM(On-periods Ratio Modulation)에 의해 전송 전력을 제어하는 전력 전송 시스템.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수전장치측 정류회로는 스위칭 소자를 포함한 동기 정류회로인 전력 전송 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수전장치는 상기 동기 정류회로의 동작 주파수를 제어하는 동작 주파수 제어회로를 포함하고, 상기 동작 주파수에 의해 수전 전력을 제어하는 전력 전송 시스템.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수전장치는 상기 수전장치측의 회로를 제어하는 제어회로를 포함하고, 상기 제어회로는 상기 수전장치가 수전한 전력에 의해 동작하는 전력 전송 시스템.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수전장치측 정류회로의 출력부에서 전력이 전송될 때, 상기 수전장치측 정류회로는 상기 송전장치측 교류전압 발생회로로서 작용함과 함께, 상기 송전장치측 교류전압 발생회로는 상기 수전장치측 정류회로로서 작용하고,
    쌍방향으로 전력 전송이 가능한 전력 전송 시스템.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수전장치는 복수 존재하고, 이들 복수의 수전장치의 상기 수전장치측 공진회로의 공진 주파수를 다르게 하고, 상기 송전장치측 교류전압 발생회로는 송전처에 따른 스위칭 주파수로 상기 스위칭 회로를 스위칭하는 전력 전송 시스템.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 교류전압의 파형에 대해 상기 송전 코일에 흐르는 전류 파형의 위상이 늦도록 상기 스위칭 주파수는 상기 송전장치측 공진회로와 상기 수전장치측 공진회로의 공명에 의한 공진 주파수보다 높게 정해지고, 상기 하이사이드 스위칭 소자와 로사이드 스위칭 소자가 함께 오프하는 데드 타임 기간에 제로 전압 스위칭 동작을 하도록 상기 데드 타임이 설정된 전력 전송 시스템.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전 코일 또는 상기 수전 코일에 대해 병렬로 병렬 공진 커패시터를 포함한 전력 전송 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 병렬 공진 커패시터를 상기 송전 코일과 상기 수전 코일 사이에 형성되는 전계 결합에 의한 등가적인 커패시턴스가 되는 부유 용량으로 구성한 전력 전송 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 병렬 공진 커패시터를 상기 송전 코일 또는 상기 수전 코일의 코일 양단 간에 형성되는 부유 용량으로 구성한 전력 전송 시스템.
  18. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전 코일 및 상기 수전 코일은 공심 인덕터인 전력 전송 시스템.
  19. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상호 인덕턴스는, 상기 송전 코일과 상기 수전 코일 사이에 형성되는 자계 결합에 의해 발생하는 등가적인 여자 인덕턴스인 전력 전송 시스템.
  20. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전 코일 혹은 상기 수전 코일의 인덕턴스 성분 중, 결합에 관여하지 않는 누설 인덕턴스를 상기 송전장치측 공진회로 또는 상기 수전장치측 공진회로를 구성하는 인덕터로서 이용한 전력 전송 시스템.
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