KR101585397B1 - 무선 전력 전송 시스템의 전력 수신단을 보호하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents
무선 전력 전송 시스템의 전력 수신단을 보호하기 위한 장치 및 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR101585397B1 KR101585397B1 KR1020140133129A KR20140133129A KR101585397B1 KR 101585397 B1 KR101585397 B1 KR 101585397B1 KR 1020140133129 A KR1020140133129 A KR 1020140133129A KR 20140133129 A KR20140133129 A KR 20140133129A KR 101585397 B1 KR101585397 B1 KR 101585397B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- signal
- voltage
- resonator
- switch
- rectifier
- Prior art date
Links
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 title claims abstract description 100
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 104
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 81
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims description 10
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 161
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 16
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 14
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 14
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 14
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 11
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 8
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 5
- 230000006870 function Effects 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 2
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- QUQFTIVBFKLPCL-UHFFFAOYSA-L copper;2-amino-3-[(2-amino-2-carboxylatoethyl)disulfanyl]propanoate Chemical compound [Cu+2].[O-]C(=O)C(N)CSSCC(N)C([O-])=O QUQFTIVBFKLPCL-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000009774 resonance method Methods 0.000 description 1
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
- H04B5/70—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes
- H04B5/79—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems specially adapted for specific purposes for data transfer in combination with power transfer
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
- B60L53/00—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles
- B60L53/10—Methods of charging batteries, specially adapted for electric vehicles; Charging stations or on-board charging equipment therefor; Exchange of energy storage elements in electric vehicles characterised by the energy transfer between the charging station and the vehicle
- B60L53/12—Inductive energy transfer
- B60L53/126—Methods for pairing a vehicle and a charging station, e.g. establishing a one-to-one relation between a wireless power transmitter and a wireless power receiver
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
- H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
- H02H7/10—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers
- H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
- H02H7/125—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for rectifiers
- H02H7/1252—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for rectifiers responsive to overvoltage in input or output, e.g. by load dump
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
- H02H9/00—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection
- H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
- H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
- H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
- H02J50/80—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the exchange of data, concerning supply or distribution of electric power, between transmitting devices and receiving devices
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/00032—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries characterised by data exchange
- H02J7/00036—Charger exchanging data with battery
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
- H02J7/00047—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with provisions for charging different types of batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/7072—Electromobility specific charging systems or methods for batteries, ultracapacitors, supercapacitors or double-layer capacitors
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02T90/10—Technologies relating to charging of electric vehicles
- Y02T90/14—Plug-in electric vehicles
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Transportation (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
Abstract
무선 전력 전송 시스템의 전력 수신단 보호 장치 및 방법이 개시된다. 전력 수신단은 쇼트 방식의 보호 회로 및 오픈 방식의 보호 회로에 의해 보호될 수 있다. 쇼트 방식의 보호 회로는 임계 전압보다 더 큰 전압이 걸리면 쇼트 동작을 하는 소자들을 사용함으로써 전력 수신단을 보호한다. 오픈 방식의 보호 회로는 부하의 임피던스가 증가하면 오픈되는 스위치들을 사용함으로써 전력 수신단을 보호한다.
Description
아래의 실시예들은 무선 전력 전송을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선 전력 전송 시스템에서, 전력 수신단을 보호하기 위한 장치 및 방법이 개시된다.
무선 전력은, 마그네틱 커플링을 통해 무선 전력 전송(wireless power transmission; WPT) 장치로부터 무선 전력 수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다.
수 kW 이상의 전력을 전송하는 전기 자동차(electric vehicle)부터, 100W 이상의 전력을 소모하는 고 전력 어플리케이션 (high power application) 및 10W 이하의 전력을 소모하는 저 전력 어플리케이션(low power application)에 이르기까지, 여러 가지 제품들을 위한 무선 전력 전송 방법이 연구되고 있다. 특히, 10W 이하의 전력을 사용하는 저 전력 어플리케이션이 모바일(mobile) 장치를 위해 널리 사용될 수 있다.
무선 전력 수신 장치는 수신된 에너지를 이용하여 배터리를 충전할 수 있다. 따라서, 무선 전력 전송 및 충전 시스템은, 전력을 무선으로 전송하는 소스 디바이스와 전력을 무선으로 수신하는 타겟 디바이스를 포함한다. 이때, 소스 디바이스는 무선 전력 전송 장치라 칭할 수 있다. 또한, 타겟 디바이스는 무선 전력 수신 장치라 칭할 수 있다.
특히, 공진 방식의 무선 전력 전송은 소스 디바이스 및 타겟 디바이스의 위치에 있어서, 높은 자유도를 제공할 수 있다.
소스 디바이스는 소스 공진기(source resonator)를 구비하고, 타겟 디바이스는 타겟 공진기(target resonator)를 구비한다. 소스 공진기와 타겟 공진기 사이에 마그네틱 커플링 또는 공진 커플링이 형성될 수 있다. 소스 디바이스 및 타겟 디바이스는 제어 및 상태 정보를 송수신하기 위하여 통신할 수 있다.
소스 디바이스 중 무선 전력 송신 기능을 수행하는 부분을 전력 송신단(transmitter; TX)으로 명명할 수 있고, 타겟 디바이스 중 무선 전력 수신 기능을 수행하는 부분을 전력 수신단(receiver; RX)으로 명명할 수 있다.
일 실시예는 배터리 및 배터리 충전 회로를 구비한 전력 수신단을 보호하는 쇼트 회로 방식의 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
일 실시예는 배터리 및 배터리 충전 회로를 구비한 전력 수신단을 보호하는 오픈 회로 방식의 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측에 따르면, 입력 단 및 출력 단을 포함하며, 상기 입력 단으로 입력된 신호를 정류하여 정류된 신호를 상기 출력 단으로 출력하는 정류기, 상기 정류기의 상기 출력 단 및 그라운드와 연결된 캐패시터, 상기 정류기의 상기 출력 단 및 부하에 연결되어 상기 정류된 신호를 변환하여 상기 변환된 전력을 상기 부하에게 제공하는 DC/DC 컨버터 및 상기 정류기의 상기 입력 단 또는 상기 정류기의 상기 출력단에 임계 전압보다 더 큰 전압이 걸리면 쇼트됨으로써 상기 정류기 및 상기 캐패시터 중 하나 이상을 보호하는 소자를 포함하는, 무선 전력 수신단이 제공된다.
상기 소자는 상기 임계 전압보다 더 큰 전압이 걸릴 때 상기 정류기 또는 상기 캐패시터 중 하나 이상에 가하지는 전압을 낮춤으로써 상기 정류기 또는 상기 캐패시터 중 하나 이상을 보호할 수 있다.
상기 입력 단은 2 개일 수 있다.
상기 소자는 상기 정류기의 상기 입력 단에 병렬로 연결될 수 있다.
상기 소자의 캐패시턴스는 50pF이하일 수 있다.
상기 소자의 브레이크다운 전압은 상기 정류기 내의 쇼트키 다이오드의 역내압보다 3V 내지 5V 더 작은 값일 수 있다.
상기 소자는 상기 캐패시터 및 상기 그라운드와 연결될 수 있다.
상기 DC/DC 컨버터는 DC/DC 벅 컨버터일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측에 따르면, 입력 단 및 출력 단을 포함하며, 상기 입력 단을 통해 수신된 신호를 정류하여 정류된 신호를 출력 단으로 출력하는 정류기, 상기 정류기의 상기 출력 단 및 그라운드와 연결된 캐패시터, 상기 정류기의 상기 출력 단 및 부하에 연결되어 상기 정류된 신호를 변환하여 상기 변환된 전력을 상기 부하에게 제공하는 DC/DC 컨버터, 상기 정류기의 상기 입력 단에 연결된 스위치부 및 상기 스위치부를 제어하는 보호부를 포함하고, 상기 보호부는 상기 정류된 신호의 전압에 기반하여 상기 스위치부를 도통 또는 오픈시키는, 무선 전력 수신단이 제공된다.
상기 보호부는 상기 정류된 신호의 전압이 임계 값보다 작으면 상기 스위치부를 도통시킴으로써 상기 정류기가 상기 수신된 신호를 입력 받게 할 수 있다.
상기 보호부는 상기 정류된 신호의 전압이 상기 임계 값보다 크면 상기 스위치부를 오픈시킴으로써 상기 정류기로부터 상기 수신된 신호를 차단할 수 있다.
상기 스위치부는 초기 조건이 도통인 스위치를 포함할 수 있다.
상기 보호부는, 상기 변환된 전력의 전압을 조절함으로써 제1 비교기 입력 신호를 생성하는 전압 조절기, 상기 정류된 신호의 전압을 분압함으로써 제2 비교기 입력 신호를 생성하는 분압기, 상기 제1 비교기 입력 신호 및 상기 제2 비교기 입력 신호를 비교함으로써 비교기 출력 신호를 출력하는 비교기 및 상기 비교기 출력 신호에 기초하여 상기 스위치부가 도통 또는 오픈하도록 제어하는 스위치 제어 신호를 출력하는 저항 회로를 포함할 수 있다.
상기 입력단은, 상기 분압기와 연결되어 상기 제2 비교기 입력 신호를 수신하는 + 입력 단 및 상기 전압 조절기와 연결되어 상기 제1 비교기 입력 신호를 수신하는 - 입력 단을 포함할 수 있다.
상기 분압기는, 상기 비교기의 상기 + 입력 단 및 상기 정류기의 상기 출력 단과 연결된 제1 저항기 및 상기 비교기의 상기 + 입력 단 및 상기 그라운드와 연결된 제2 저항기를 포함할 수 있다.
상기 저항 회로는, 상기 스위치부 및 상기 비교기의 상기 출력 단과 연결된 제3 저항기 및 상기 비교기의 상기 출력 단 및 상기 그라운드와 연결된 제4 저항기를 포함할 수 있다.
상기 부하가 충전 중일 때, 상기 보호부는 상기 스위치부를 도통시키는 상기 스위치 제어 신호를 출력할 수 있다.
상기 부하가 완전 충전되었을 때, 상기 보호부는 상기 스위치부를 오픈시키는 상기 스위치 제어 신호를 출력할 수 있다.
상기 무선 전력 수신단은, 상기 보호부로부터 상기 스위치 제어 신호를 수신하여 수신된 스위치 제어 신호에 기반하여 무선 전력 송신단에게 전력 송신 중지 신호를 전송하는 통신/제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 통신/제어부는 상기 수신된 스위치 제어 신호가 상기 부하가 충전 중임을 나타내는 신호 및 상기 부하가 완전 충전되었음을 나타내는 신호로 N 번 변동하면 상기 전력 송신 중지 신호를 전송할 수 있다.
N은 1 이상의 정수일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측에 따르면, 스위치부가 스위치 제어 신호에 따라 공진기에 의해 수신된 신호를 정류기로 제공하거나 상기 공진기에 의해 상기 수신된 신호를 상기 정류기로부터 차단하는 단계, 상기 정류기가 상기 공진기에 의해 수신된 신호를 정류하여 정류된 신호를 출력 단으로 출력하는 단계 - 상기 정류기의 상기 출력 단은 캐패시터의 일 단과 연결됨, 상기 캐패시터의 다른 일 단은 그라운드와 연결됨 -, 상기 정류기의 상기 출력 단 및 부하에 연결된 DC/DC 컨버터가 상기 정류된 신호를 변환하여 변환된 전력을 생성하고, 상기 변환된 전력을 상기 부하에게 제공하는 단계 및 보호부가 상기 정류된 신호의 전압에 기반하여 상기 스위치부를 도통 또는 오픈시키는 스위치 제어 신호를 출력하는 단계를 포함하는 무선 전력 수신 방법이 제공된다.
상기 스위치 제어 신호를 출력하는 단계는, 전압 조절기가 상기 변환된 변압을 조절하여 제1 비교기 입력 신호를 생성하는 단계, 분압기가 정류된 전류를 분압함으로써 제2 비교기 입력 신호를 생성하는 단계, 상기 비교기가 상기 제1 비교기 입력 신호 및 상기 제2 비교기 입력 신호를 비교함으로써 출력 단을 통해 비교기 출력 신호를 출력하는 단계 및 저항 회로가 상기 비교기 출력 신호에 기초하여 상기 스위치부가 도통 또는 오픈하도록 제어하는 스위치 제어 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 무선 전력 수신 방법은, 통신/제어부가 상기 보호부로부터 상기 스위치 제어 신호를 수신하여 수신된 상기 스위치 제어 신호에 기반하여 상기 공진기에게 신호를 송신하는 무선 전력 송신 측에게 전력 송신 중지 신호를 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 송신 중지 신호를 전송하는 단계는, 상기 통신/제어부가 상기 수신된 스위치 제어 신호가 상기 부하가 충전 중임을 나타내는 신호 및 상기 부하가 완전 충전되었음을 나타내는 신호로 변동한 횟수를 카운트하는 단계 및 상기 변동한 횟수가 N일 경우 상기 무선 전력 송신측에게 상기 전력 송신 중지 신호를 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
쇼트 방식의 회로를 사용함으로써 전력 수신단을 보호하는 장치 및 방법이 제공된다.
오픈 방식의 회로를 사용함으로써 전력 수신단을 보호하는 장치 및 방법이 제공된다.
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 8은 공진기들의 실시 예들을 나타낸다.
도 9는 도 3에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 10은 일 예에 따른 무선 전력 전송 RX의 정류 시스템의 구조도이다.
도 11은 일 예에 따른 배터리의 내부 구조이다.
도 12는 일 예에 따른 충전 시간에 따른 배터리의 충전 그래프를 보인다.
도 13은 일 예에 따른 부하 임피던스가 10Ω일 때 정류기의 앞 단 및 뒷 단 각각에 걸리는 전압들의 크기를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도 14는 일 예에 따른 부하 임피던스가 100Ω일 때 정류기의 앞 단 및 뒷 단 각각에 걸리는 전압들의 크기를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도 15는 일 예에 따른 부하 임피던스가 1kΩ일 때 정류기의 앞 단 및 뒷 단 각각에 걸리는 전압들의 크기를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도 16은 일 실시예에 따른 쇼트 방식의 보호 회로를 구비한 무선 전력 수신단()의 구조도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 쇼트 방식의 보호 회로를 구비한 무선 전력 수신단의 구조도이다.
도 18은 일 실시예에 따른 오픈 방식의 보호 회로를 구비한 무선 전력 수신단의 구조도이다.
도 19는 일 예에 따른 오픈 방식의 보호 회로를 구비한 무선 전력 수신단의 정상 충전 모드에서의 동작을 설명한다.
도 20은 일 예에 따른 오픈 방식의 보호 회로를 구비한 무선 전력 수신단의 완전 충전 모드 동작을 설명한다.
도 21은 일 실시예에 따른 완전 충전 모드 시 무선 전력 송신단 및 무선 전력 수신단의 동작을 설명한다.
도 22는 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 방법의 흐름도이다.
도 23은 일 실시예에 따른 전기 자동차(electric vehicle) 충전 시스템을 나타낸다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 8은 공진기들의 실시 예들을 나타낸다.
도 9는 도 3에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 10은 일 예에 따른 무선 전력 전송 RX의 정류 시스템의 구조도이다.
도 11은 일 예에 따른 배터리의 내부 구조이다.
도 12는 일 예에 따른 충전 시간에 따른 배터리의 충전 그래프를 보인다.
도 13은 일 예에 따른 부하 임피던스가 10Ω일 때 정류기의 앞 단 및 뒷 단 각각에 걸리는 전압들의 크기를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도 14는 일 예에 따른 부하 임피던스가 100Ω일 때 정류기의 앞 단 및 뒷 단 각각에 걸리는 전압들의 크기를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도 15는 일 예에 따른 부하 임피던스가 1kΩ일 때 정류기의 앞 단 및 뒷 단 각각에 걸리는 전압들의 크기를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도 16은 일 실시예에 따른 쇼트 방식의 보호 회로를 구비한 무선 전력 수신단()의 구조도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 쇼트 방식의 보호 회로를 구비한 무선 전력 수신단의 구조도이다.
도 18은 일 실시예에 따른 오픈 방식의 보호 회로를 구비한 무선 전력 수신단의 구조도이다.
도 19는 일 예에 따른 오픈 방식의 보호 회로를 구비한 무선 전력 수신단의 정상 충전 모드에서의 동작을 설명한다.
도 20은 일 예에 따른 오픈 방식의 보호 회로를 구비한 무선 전력 수신단의 완전 충전 모드 동작을 설명한다.
도 21은 일 실시예에 따른 완전 충전 모드 시 무선 전력 송신단 및 무선 전력 수신단의 동작을 설명한다.
도 22는 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 방법의 흐름도이다.
도 23은 일 실시예에 따른 전기 자동차(electric vehicle) 충전 시스템을 나타낸다.
이하에서, 일 실시예를, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
공진(resonance) 방식의 무선전력전송에서 부하를 갖는 전력 수신단의 보호 방법이 하기에서 설명된다. 부하는 배터리일 수 있다. 하기에서, 용어 "부하", "배터리" 및 "부하 배터리"는 동일한 의미로 사용될 수 있으며, 서로 간에 교체될 수 있다. 부하는 안전한 충전 동작을 위해 충전 회로(charger circuit)를 가지고 있다. 충전 회로는 충전 초기 구간, 완전 충전이 되어가는 구간, 완전 충전이 되어가는 구간 등에 따라 전압 및 전류의 조건을 조잘할 수 있다. 또한, 부하가 완전 충전 되면, 보호 회로 모듈(Protection circuit module; PCM) 차단 모드가 동작하여 부하로의 경로가 차단될 수 있다. 상기의 차단에 의해 부하 임피던스가 변화하여, 정류기에 높은 전압이 걸릴 수 있으며, 부하에 의해 요구되는 것보다 높은 전력이 수신될 수 있다. 하기의 실시예에서, 이러한 높은 전압 또는 높은 전력에 의해 발생할 수 있는 정류기(rectifier) 및 정류용 캐패시터(capacitor)의 손상 문제를 해결하기 위한 방안이 제시된다.
하기의 실시예에서 정류 시스템을 보호할 수 있는 쇼트 회로(short circuit) 방식 및 오픈 회로(open circuit) 방식의 보호 회로가 제안된다. 또한, 하기의 실시예에서 완전 충전을 감지하면 TX 전력 송신을 중단하라는 통신 신호를 전송하는 완전 충전 감지 방법을 제안된다. 완전 충전 감지 방법은 무선 전력 수신 장치가 안정적으로 무선 충전을 완료할 수 있게 한다.
이하, 일 측에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 예시적인 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 소스 디바이스(110) 및 타겟 디바이스(120)를 포함한다.
소스 디바이스(110)는 AC/DC 컨버터(111), Power Detector(113), 전력변환부(114), 제어 및 통신부(115) 및 소스 공진기(116)을 포함한다.
타겟 디바이스(120)는 타겟 공진기(121), 정류부(122), DC/DC 컨버터(123), 스위치부(124), 충전부(125) 및 제어 및 통신부(126)를 포함한다.
AC/DC 컨버터(111)는 Power Supply(112)로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성한다. AC/DC 컨버터(111)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나, 제어 및 통신부(115)의 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수 있다.
Power Detector(113)는 AC/DC 컨버터(111)의 출력 전류 및 전압을 검출하고, 검출된 전류 및 전압에 대한 정보를 제어 및 통신부(115)로 전달한다. 또한, Power Detector(113)는 전력변환부(114)의 입력 전류 및 전압을 검출할 수 도 있다.
전력변환부(114)는 수 MHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압를 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 즉, 전력변환부(114)는 공진 주파수를 이용하여 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 타겟 디바이스에서 사용되는 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 생성할 수 있다. 여기서, "통신용 전력"은 타겟 디바이스의 통신 모듈 및 프로세서를 활성화 시키기 위한 에너지를 의미한다. 상기 활성화 시키기 위한 에너지라는 의미에서 "통신용 전력"은 웨이크 업(wake-up)전력이라고 불리울 수 있다. "통신용 전력"은 CW(constant wave)의 형태로 일정 시간 동안 전송될 수 있다. "충전용 전력"은 타겟 디바이스와 연결된 또는 타겟 디바이스에 포함된 배터리를 충전 시키기 위한 에너지를 의미한다. "충전용 전력"은 소정 시간 동안 계속 전송될 수 있으며, "통신용 전력" 보다 높은 전력 레벨로 전송될 수 있다. 예를 들어, "통신용 전력"의 전력 레벨은 0.1~1Watt이고, "충전용 전력"의 전력 레벨은 1~20Watt일 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 스위칭 펄스 신호의 주파수를 제어할 수 있다. 제어 및 통신부(115)의 제어에 의하여 스위칭 펄스 신호의 주파수가 결정될 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 전력변환부(114)를 제어함으로써, 타겟 디바이스(120)에 전송하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 즉, 제어 및 통신부(115)는 인-밴드 통신"을 통해 상기 타겟 디바이스에 다양한 메시지를 전송할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부(115)는 반사파를 검출하고, 반사파의 포락선을 통해 타겟 디바이스로부터 수신되는 신호를 복조할 수 있다.
제어 및 통신부(115)는 다양한 방법을 통해, 인-밴드 통신을 수행하기 위한 변조 신호를 생성할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 스위칭 펄스 신호를 온/오프 함으로써, 변조신호를 생성할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부(115)는 델타-시그마 변조를 수행하여, 변조신호를 생성할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 일정한 포락선을 가지는 펄스폭 변조신호를 생성할 수 있다.
한편, 제어 및 통신부(115)는 공진 주파수가 아닌 별도의 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수 도 있다. 제어 및 통신부(115)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 제어 및 통신부(115)는 아웃-밴드 통신을 통해 타겟 디바이스(120)와 데이터를 송수신 할 수 있다.
소스 공진기(116)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 타겟 공진기(121)로 전달(transferring)한다. 즉, 소스 공진기(116)는 타겟 공진기(121)와의 마그네틱 커플링을 통해 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 타겟 디바이스(120)로 전달한다.
타겟 공진기(121)는 소스 공진기(116)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 즉, 타겟 공진기(121)는 소스 공진기(116)와의 마그네틱 커플링을 통해 소스 디바이스(110)로부터 "통신용 전력" 또는 "충전용 전력"을 수신한다. 또한, 타겟 공진기(121)는 인-밴드 통신을 통해 상기 소스 디바이스로부터 다양한 메시지를 수신할 수 있다.
정류부(122)는 교류 전압을 정류함으로써, DC 전압을 생성한다. 즉, 정류부(122)는 타겟 공진기(121)에 수신된 교류 전압을 정류한다.
DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 충전부(125)의 용량에 맞게 조정한다. 예를 들어, DC/DC 컨버터(123)는 정류부(122)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 3~10Volt로 조정할 수 있다.
스위치부(124)는 제어 및 통신부(126)의 제어에 따라 온/오프 된다. 스위치부(124)가 오프되는 경우, 소스 디바이스(110)의 제어 및 통신부(115)는 반사파를 검출하게 된다. 즉, 스위치부(124)가 오프되는 경우, 소스 공진기(116)와 타겟 공진기(121) 사이의 마그네틱 커플링이 제거 될 수 있다.
충전부(125)는 배터리를 포함할 수 있다. 충전부(125)는 DC/DC 컨버터(123)로부터 출력되는 DC 전압을 이용하여 배터리를 충전할 수 있다.
제어 및 통신부(126)는 공진 주파수를 이용하여 데이터를 송수신하는 인-밴드 통신을 수행할 수 있다. 이때, 제어 및 통신부(126)는 타겟 공진기(121)과 정류부(122) 사이의 신호를 검출하여 수신 신호를 복조하거나, 정류부(122)의 출력 신호를 검출하여 수신 신호를 복조할 수 있다. 즉, 제어 및 통신부(126)는 인-밴드 통신을 통해 수신된 메시지를 복조할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부는 타겟 공진기(121)의 임피던스를 조정함으로써, 소스 디바이스(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 있다. 또한, 제어 및 통신부는 스위치부(124)의 온/오프를 통해 소스 디바이스(110)에 전송하는 신호를 변조할 수 도 있다. 간단한 예로, 제어 및 통신부(126)는 타겟 공진기(121)의 임피던스를 증가 시킴으로써, 소스 디바이스(110)의 제어 및 통신부(115)에서 반사파가 검출되도록 할 수 있다. 반사파의 발생 여부에 따라, 소스 디바이스(110)의 제어 및 통신부(115)는 이진수 "0" 또는 "1"을 검출할 수 있다.
한편, 제어 및 통신부(126)는 통신 채널을 이용하는 아웃-밴드 통신을 수행할 수 도 있다. 제어 및 통신부(126)는 Zigbee, Bluetooth 등의 통신 모듈을 포함할 수 있다. 제어 및 통신부(126)는 아웃-밴드 통신을 통해 소스 디바이스(110)와 데이터를 송수신 할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 소스 공진기(210), 서브 공진기(220) 및 자기장 분포 제어부(230)를 포함한다.
소스 공진기(210)는 타겟 공진기와 마그네틱 커플링을 형성한다. 소스 공진기(210)는 마그네틱 커플링을 통해 타겟 디바이스에 전력을 무선으로 전송한다. 이때, 소스 공진기(210)는 루프 형태로 도시되었지만, 스파이럴 형태, helical 형태 등 다양한 형태의 공진기로 구현될 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 장치는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기는 소스 공진기(210) 의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기에 의해 소스 공진기(210)의 임피던스는 결정된다. 매칭기는 소스 공진기(210)와 동일한 형태로 구현될 수 있다. 또한, 매칭기는 자계의 강도를 조절하기 위하여 소스 공진기(210) 상에 위치한 캐패시터와 소정의 위치 관계로 구현될 수 있다. 예를 들면, 캐패시터를 중심으로 캐패시터의 양단에서 매칭기는 소스 공진기(210)와 전기적으로 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 매칭기는 소스 공진기(210)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기는 물리적인 형태를 변경함으로써, 소스 공진기(210)의 임피던스를 조절할 수 있다.
서브 공진기(220)는 소스 공진기(210)의 내부에 위치할 수 있다. 소스 공진기(210) 내부에는 복수의 서브 공진기들이 위치할 수도 있고, 서브 공진기 내부에는 서브-서브 공진기가 위치할 수도 있다. 서브 공진기(220)는 소스 공진기(210)에서 발생하는 자기장의 분포에 영향을 미칠 수 있다. 소스 공진기(210)에 흐르는 전류에 의해 자기장이 발생하고, 발생한 자기장은 서브 공진기(220)에 전류를 유도할 수 있다. 이때 소스 공진기(210)에 흐르는 전류의 방향과 서브 공진기(220)에 흐르는 전류의 방향에 의해 소스 공진기(210) 내부에서 발생하는 자기장의 분포가 결정될 수 있다. 그런데, 서브 공진기(220)에 흐르는 전류의 방향은 소스 공진기(210)의 공진 주파수에 대한 서브 공진기(220)의 공진 주파수의 비율에 따라 결정될 수 있다.
소스 공진기(210)의 공진 주파수는 소스 공진기(210)의 인덕턴스(Inductance, L) 및 캐패시턴스(Capacitance, C) 값에 의해 결정된다. 서브 공진기(220)의 공진 주파수도 서브 공진기(220)의 인덕턴스 및 캐패시턴스 값에 의해 결정된다.
자기장 분포 제어부(230)는 소스 공진기(210)의 내부 중 소정영역에 위치하고, 소스 공진기(210) 또는 서브 공진기(220)에 흐르는 전류의 방향을 제어하여 소스 공진기(210) 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 제어할 수 있다.
소스 공진기(210) 또는 서브 공진기(220)에 흐르는 전류의 방향은 소스 공진기(210)의 공진 주파수와 서브 공진기(220)의 공진 주파수 간의 비율에 따라 결정될 수 있다.
자기장 분포 제어부(230)는 소스 공진기(210)의 공진 주파수 또는 서브 공진기(220)의 공진 주파수를 제어할 수 있다. 자기장 분포 제어부(230)는 소스 공진기(210)의 캐패시턴스를 가변 함으로써, 소스 공진기(210)의 공진 주파수를 제어할 수 있다. 또한, 자기장 분포 제어부(230)는 서브 공진기(220)의 캐패시턴스 및 인덕턴스를 조절함으로써, 서브 공진기(220)의 공진 주파수를 제어할 수 있다. 자기장 분포 제어부(230)는 서브 공진기(220)를 형성하는 선로의 길이 및 폭을 조절하는 방식으로, 서브 공진기(220)의 인덕턴스 값을 제어할 수 있다.
자기장 분포 제어부(230)는 소스 공진기(210) 또는 서브 공진기(220)에 흐르는 전류의 방향을 제어하여 소스 공진기(210) 내부에서 발생하는 자기장의 세기를 강화 또는 약화할 수 있다.
또한, 자기장 분포 제어부(230)는 소스 공진기(210)의 내부에서 발생하는 자기장의 분포가 균일하게 형성되도록 상기 자기장의 분포를 제어할 수 있다. 좀 더 구체적으로, 자기장 분포 제어부(230)는 적어도 하나의 서브 공진기(220)의 공진 주파수를 제어함으로써, 소스 공진기(210) 내부에서 발생하는 자기장의 분포가 균일하도록 자기장의 분포를 제어할 수 있다. 적어도 하나의 서브 공진기(220)의 구성은 도 8에서 좀 더 상세하게 설명한다.
자기장 분포 제어부(230)는 서브-서브 공진기를 이용하여, 소스 공진기(210) 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 제어할 수 있다. 자기장 분포 제어부(230)는 서브-서브 공진기의 공진 주파수를 제어함으로써, 소스 공진기(210)의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일하게 보상할 수 있다. 자기장 분포 제어부(230)는 서브 공진기(220)에 흐르는 전류의 방향과 서브-서브 공진기에 흐르는 전류의 방향을 제어함으로써 자기장의 분포를 제어할 수 있다. 서브-서브 공진기는 적어도 하나의 서브 공진기(220) 내부에 위치할 수 있다. 서브-서브 공진기는 적어도 하나의 서브 공진기(220)를 보조하여, 소스 공진기(210)의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일하게 보상할 수 있다. 서브-서브 공진기는 서브 공진기(220)에 의해 조정되는 자기장의 분포를 보상하여, 소스 공진기(210) 내부에서 자기장의 분포가 좀 더 균일(uniform)해 지도록 할 수 있다.
자기장 분포 제어부(230)는 소스 공진기(210)의 내부에서 발생하는 자기장을 소스 공진기(210)의 중앙으로 유도하는 적어도 하나의 코일을 포함할 수 있다. 자기장 분포 제어부(230)는 적어도 하나의 코일을 이용하여 소스 공진기(210) 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일하게 조정할 수 있다.
자기장 분포 제어부(230)는 적어도 하나의 코일에 소스 공진기(210)에 흐르는 전류와 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 상기 코일의 공진 주파수를 제어할 수 있다.
적어도 하나의 코일은 소스 공진기(210)의 중앙에 위치하고, 서로 다른 사이즈의 루프 구조를 형성할 수 있다. 자기장 분포 제어부(230)는 다양한 사이즈의 코일을 이용하여 소스 공진기(210)의 내부에서 발생하는 자기장을 좀 더 상세하게 제어할 수 있다.
또한, 동일한 모양을 가지는 적어도 하나의 코일은 소스 공진기(210)의 내부에 임의의 위치에 위치할 수 있다. 적어도 하나의 코일은 소스 공진기(210)의 내부에서 각각 다양한 영역에 위치하고, 자기장 분포 제어부(230)의 제어에 따라 상기 코일이 위치한 영역에서, 소스 공진기(210)에서 발생하는 자기장을 강화 또는 약화시킬 수 있다.
또한, 적어도 하나의 코일은 소스 공진기(210)의 중앙에 위치하고, 스파이럴(spiral) 형태를 형성할 수 있다. 적어도 하나의 코일은 소스 공진기(210) 내부에서 발생하는 자기장을 조정하기 위해 다양한 형태로 생성될 수 있다.
자기장 분포 제어부(230)는 소스 공진기(210)의 중앙을 중심으로 사이즈 및 높이가 다른, 루프 구조로 형성된, 복수의 차폐층을 포함할 수 있다. 자기장 분포 조정부(230)는 복수의 차폐층에 기초하여 소스 공진기(210)의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도할 수 있다. 소스 공진기(210)에서 발생하는 자기장의 자기선속은 복수의 차폐층에서 굴절되어 소스 공진기(210)의 중앙으로 좀 더 집중될 수 있다.
자기장 분포 제어부(230)는 MNG(Mu-negative), DNG(Double-negative) 또는 자성 유전체(magneto-dieletric)로 구성된 층을 포함할 수 있다. 자기장 분포 제어부(230)는 상기 구성된 층에 기초하여 소스 공진기에서 발생하는 자기장의 자기선속을 굴절시킴으로써, 소스 공진기(210)의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도할 수 있다.
자기장 분포 제어부(230)는 소스 공진기(210) 및 적어도 하나의 서브 공진기(220)의 소정 위치에, 적층되는 차폐층의 폭을 조절하여, 소스 공진기(210)의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일(uniform)하게 유도할 수 있다. 차폐층의 폭에 따라 소스 공진(210)에서 발생하는 자기장의 자기선속의 굴절 정도가 달라질 수 있다. 따라서, 자기장 분포 제어부(210)는 차폐층의 폭을 조절하여, 소스 공진기(210)의 내부에서 발생하는 자기장의 분포를 균일하게 할 수 있다.
타겟 디바이스는 패드 타입의 소스 공진기(210) 위에 위치할 수 있다. 이때, 소스 공진기(210)와 타겟 디바이스 간의 간격은 수 센티미터 이하이다. 따라서, 소스 공진기(210)와 타겟 디바이스 간에 기생 캐패시터가 발생할 수 있다. 기생 캐패시터로 인하여 소스 공진기(210)의 공진 주파수는 영향을 받게 된다. 자기장 분포 제어부(230)는 소스 공진기(210) 및 적어도 하나의 서브 공진기(220)의 소정 위치에, 적층되는 차폐층의 폭 및 두께를 조절하여, 소스 공진기(210)와 타겟 공진기 간에 발생하는, 기생 캐패시터로 인한, 공진 주파수의 변화를 상쇄할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(300)의 구체적 일 예를 나타낸 도면이다.
소스 공진기는 타겟 공진기와 마그네틱 커플링을 형성한다. 소스 공진기는 마그네틱 커플링을 통해 타겟 디바이스에 전력을 무선으로 전송한다. 이때, 소스 공진기는 제1 전송선로, 제1 도체(321), 제2 도체(322), 적어도 하나의 제1 캐패시터(330)를 포함할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 캐패시터(330)는 제1 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(311)과 제2 신호 도체 부분(312) 사이에 위치에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 제1 캐패시터(330)에 갇히게 된다. 일반적으로, 전송 선로는 상부에 적어도 하나의 도체, 하부에 적어도 하나의 도체를 포함하며, 상부에 있는 도체를 통해서는 전류가 흐르며, 하부에 있는 도체는 전기적으로 그라운드 된다(grounded). 본 명세서에서는 제1 전송 선로의 상부에 있는 도체를 제1 신호 도체 부분(311)과 제2 신호 도체 부분(312)로 나누어 부르고, 제1 전송 선로의 하부에 있는 도체를 제1 그라운드 도체 부분(313)으로 부르기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 소스 공진기는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 제1 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(311) 및 제2 신호 도체 부분(312)을 포함하고, 하부에 제1 그라운드 도체 부분(313)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(311) 및 제2 신호 도체 부분(312)과 제1 그라운드 도체 부분(313)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(311) 및 제2 신호 도체 부분(312)을 통하여 흐른다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(311)의 한쪽 단은 제1 도체(321)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(330)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(312)의 한쪽 단은 제2 도체(322)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제1 캐패시터(330)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(311), 제2 신호 도체 부분(312) 및 제1 그라운드 도체 부분(313), 도체들(321, 322)은 서로 연결됨으로써, 소스 공진기는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
제1 캐패시터(330)는 전송 선로의 중단부에 삽입된다. 보다 구체적으로, 제1캐패시터(330)는 제1 신호 도체 부분(311) 및 제2 신호 도체 부분(312) 사이에 삽입된다. 이 때, 제1 캐패시터(330)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 캐패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
제1 캐패시터(330)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 소스 공진기는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 여기서, 메타물질이란 자연에서 발견될 수 없는 특별한 전기적 성질을 갖는 물질로서, 인공적으로 설계된 구조를 갖는다. 자연계에 존재하는 모든 물질들의 전자기 특성은 고유의 유전율 또는 투자율을 가지며, 대부분의 물질들은 양의 유전율 및 양의 투자율을 갖는다.
대부분의 물질들에서 전계, 자계 및 포인팅 벡터에는 오른손 법칙이 적용되므로, 이러한 물질들을 RHM(Right Handed Material)이라고 한다. 그러나, 메타물질은 자연계에 존재하지 않는 유전율 또는 투자율을 가진 물질로서, 유전율 또는 투자율의 부호에 따라 ENG(epsilon negative) 물질, MNG(mu negative) 물질, DNG(double negative) 물질, NRI(negative refractive index) 물질, LH(left-handed) 물질 등으로 분류된다.
이 때, 집중 소자로서 삽입된 제1 캐패시터(330)의 캐패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 소스 공진기는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 제1 캐패시터(330)의 캐패시턴스를 적절히 조절함으로써, 소스 공진기는 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 소스 공진기는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 제1 캐패시터(330)의 캐패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 소스 공진기가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 소스 공진기가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 소스 공진기가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 제1 캐패시터(330)의 캐패시턴스가 정해질 수 있다.
MNG 공진기는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. 즉, 아래에서 다시 설명하겠지만, MNG 공진기에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 제1 캐패시터(330)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
또한, 근접장(near field)에서 전계는 전송 선로에 삽입된 제1 캐패시터(330)에 집중되므로, 제1 캐패시터(330)로 인하여 근접 필드에서는 자기장(magnetic field)이 도미넌트(dominant)해진다. 그리고, MNG 공진기는 집중 소자의 제1 캐패시터(330)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다. 참고로, 큐-팩터는 무선 전력 전송에 있어서 저항 손실(ohmic loss)의 정도 또는 저항(resistance)에 대한 리액턴스의 비를 나타내는데, 큐-팩터가 클수록 무선 전력 전송의 효율이 큰 것으로 이해될 수 있다.
또한, 도 3에 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 3을 참조하면, 서브 공진기는 제2 전송선로, 제3 도체(351), 제4 도체(352) 및 적어도 하나의 제2 캐패시터(360)를 포함할 수 있다.
제2 캐패시터(360)는 제2 전송 선로에서 제3 신호 도체 부분(341)과 제4 신호 도체 부분(342) 사이에 직렬로 삽입되며, 그에 따라 전계(electric field)는 제2 캐패시터(360)에 갇히게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 서브 공진기는 2 차원 구조의 형태를 갖는다. 제2 전송 선로는 상부에 제3 신호 도체 부분(341) 및 제4 신호 도체 부분(342)을 포함하고, 하부에 제2 그라운드 도체 부분(343)을 포함한다. 제3 신호 도체 부분(341) 및 제4 신호 도체 부분(342)과 제2 그라운드 도체 부분(343)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제3 신호 도체 부분(341) 및 제4 신호 도체 부분(342)을 통하여 흐른다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이 제3 신호 도체 부분(341)의 한쪽 단은 제3 도체(351)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 제2 캐패시터(360)와 연결된다. 그리고, 제4 신호 도체 부분(342)의 한쪽 단은 제4 도체(352)와 접지되며, 다른 쪽 단은 제2 캐패시터(360)와 연결된다. 결국, 제3 신호 도체 부분(341), 제4 신호 도체 부분(342) 및 제2 그라운드 도체 부분(343), 도체들(351, 352)은 서로 연결됨으로써, 서브 공진기는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함한다.
제2 전송 선로, 제3 도체(351) 및 제4 도체(352)는 사각(rectangular) 형태의 루프 구조를 형성할 수 있다. 또한, 제2 전송 선로, 제3 도체(351) 및 제4 도체(352)는 원(circular) 형태의 루프 구조를 형성할 수 있다. 또한, 제2 전송 선로, 제3 도체(351) 및 제4 도체(352)는 십자(cross) 형태의 루프 구조를 형성할 수 있다.
자기장 분포 제어부는 제2 캐패시터(360)의 값, 제2 전송선로의 길이 및 폭에 기초하여, 적어도 하나의 서브 공진기의 공진 주파수를 소스 공진기의 공진 주파수와 일정 값만큼 차이가 나도록 조정할 수 있다.
자기장 분포 제어부는 제2 캐패시터(360) 값을 조절할 수 있다. 제2 캐패시터(360) 값이 변하면 서브 공진기의 공진 주파수도 변하게 된다. 따라서, 자기장 분포 제어부는 제2 캐패시터(360) 값을 조절하여, 서브 공진기의 공진 주파수를 소스 공진기의 공진 주파수보다 크거나, 작게 조정할 수 있다. 자기장 분포 제어부는 서브 공진기의 공진 주파수를 소스 공진기의 공진 주파수보다 크거나, 작게 조정하여, 소스 공진기의 중심의 자기장의 세기와 소스 공진기의 외곽의 자기장의 세기가 동일해지도록 할 수 있다.
도 4 내지 도 8는 공진기들의 실시 예들을 나타낸다. 무선 전력 전송 장치에 포함된 소스 공진기는 도 4 내지 도 8에서 설명되는 공진기의 구조로 구현될 수 있다.
도 4은 일 실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 3 차원 구조의 공진기(400)는 제1 신호 도체 부분(411), 제2 신호 도체 부분(412) 및 그라운드 도체 부분(413)을 포함하는 전송 선로 및 캐패시터(420)를 포함한다. 여기서 캐패시터(420)는 전송 선로에서 제1 신호 도체 부분(411)과 제2 신호 도체 부분(412) 사이에 위치에 직렬로 삽입되고, 전계(electric field)는 캐패시터(420)에 갇히게 된다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 공진기(400)는 3차원 구조의 형태를 갖는다. 전송 선로는 상부에 제1 신호 도체 부분(411) 및 제2 신호 도체 부분(412)을 포함하고, 하부에 그라운드 도체 부분(413)을 포함한다. 제1 신호 도체 부분(411) 및 제2 신호 도체 부분(412)과 그라운드 도체 부분(413)은 서로 마주보게 배치된다. 전류는 제1 신호 도체 부분(411) 및 제2 신호 도체 부분(412)을 통하여 x 방향으로 흐르며, 이러한 전류로 인해 -y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생한다. 물론, 도 4에 도시된 것과 다르게, +y 방향으로 자계(magnetic field) H(w)가 발생할 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 신호 도체 부분(411)의 한쪽 단은 도체(442)와 접지(short)되고, 다른 쪽 단은 캐패시터(420)와 연결된다. 그리고, 제2 신호 도체 부분(412)의 한쪽 단은 도체(441)와 접지되며, 다른 쪽 단은 캐패시터(420)와 연결된다. 결국, 제1 신호 도체 부분(411), 제2 신호 도체 부분(412) 및 그라운드 도체 부분(413), 도체들(441, 442)은 서로 연결됨으로써, 공진기(400)는 전기적으로 닫혀 있는 루프 구조를 갖는다. 여기서, '루프 구조'는 원형 구조, 사각형과 같은 다각형의 구조 등을 모두 포함하며, '루프 구조를 갖는다고 함은' 전기적으로 닫혀 있다는 것을 의미한다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이 캐패시터(420)는 제1 신호 도체 부분(411) 및 제2 신호 도체 부분(412) 사이에 삽입된다. 이 때, 캐패시터(420)는 집중 소자(lumped element) 및 분산 소자(distributed element) 등의 형태를 가질 수 있다. 특히, 분산 소자의 형태를 갖는 분산된 캐패시터는 지그재그 형태의 도체 라인들과 그 도체 라인들 사이에 존재하는 높은 유전율을 갖는 유전체를 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 캐패시터(420)가 전송 선로에 삽입됨에 따라 상기 공진기(400)는 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있다. 집중 소자로서 삽입된 캐패시터(420)의 커패시턴스가 적절히 정해지는 경우, 공진기(400)는 메타물질의 특성을 가질 수 있다. 특히, 캐패시터(420)의 커패시턴스를 적절히 조절함으로써, 공진기(400)는 특정 주파수 대역에서 음의 투자율을 가질 수 있으므로, 일 실시예에 따른 공진기(400)는 MNG 공진기로 불려질 수 있다. 아래에서 설명하겠지만, 캐패시터(420)의 커패시턴스를 정하는 전제(criterion)들은 다양할 수 있다. 공진기(400)가 메타물질(metamaterial)의 특성을 가질 수 있도록 하는 전제(criterion), 공진기(400)가 대상 주파수에서 음의 투자율을 갖도록 하는 전제 또는 공진기(400)가 대상 주파수에서 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖도록 하는 전제 등이 있을 수 있고, 상술한 전제들 중 적어도 하나의 전제 아래에서 캐패시터(420)의 커패시턴스가 정해질 수 있다.
도 4에 도시된 MNG 공진기(400)는 전파 상수(propagation constant)가 0일 때의 주파수를 공진 주파수로 갖는 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 가질 수 있다. MNG 공진기(400)는 영번째 공진 특성을 가질 수 있으므로, 공진 주파수는 MNG 공진기(400)의 물리적인 사이즈에 대해 독립적일 수 있다. MNG 공진기(400)에서 공진 주파수를 변경하기 위해서는 캐패시터(420)를 적절히 설계하는 것으로 충분하므로, MNG 공진기(400)의 물리적인 사이즈를 변경하지 않을 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 MNG 공진기(400)를 참조하면, 근접 필드(near field)에서 전계는 전송 선로(410)에 삽입된 캐패시터(420)에 집중되므로, 캐패시터(420)로 인하여 근접 필드에서는 자계(magnetic field)가 도미넌트(dominant)해진다. 특히, 영번째 공진(Zeroth-Order Resonance) 특성을 갖는 MNG 공진기(400)는 자계 다이폴(magnetic dipole)과 유사한 특성들을 가지므로, 근접 필드에서는 자계가 도미넌트하며, 캐패시터(420)의 삽입으로 인해 발생하는 적은 양의 전계 또한 그 캐패시터(420)에 집중되므로, 근접 필드에서는 자계가 더더욱 도미넌트해진다. MNG 공진기(400)는 집중 소자의 캐패시터(420)를 이용하여 높은 큐-팩터(Q-Factor)를 가질 수 있으므로, 전력 전송의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 MNG 공진기(400)는 임피던스 매칭을 위한 매칭기(430)를 포함할 수 있다. 이 때, 매칭기(430)는 MNG 공진기(400)의 자계의 강도를 적절히 조절 가능(tunable)하고, 매칭기(430)에 의해 MNG 공진기(400)의 임피던스는 결정된다. 그리고, 전류는 커넥터(440)를 통하여 MNG 공진기(400)로 유입되거나 MNG 공진기(400)로부터 유출된다. 여기서, 커넥터(440)는 그라운드 도체 부분(413) 또는 매칭기(430)와 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 매칭기(430)는 공진기(400)의 루프 구조로 인해 형성되는 루프의 내부에 위치할 수 있다. 매칭기(430)는 물리적인 형태를 변경함으로써, 공진기(400)의 임피던스를 조절할 수 있다. 특히, 매칭기(430)는 그라운드 도체 부분(413)으로부터 거리 h 만큼 떨어진 위치에 임피던스 매칭을 위한 도체 부분(431)을 포함할 수 있으며, 공진기(400)의 임피던스는 거리 h를 조절함으로써 변경될 수 있다.
도 4에 도시되지 아니하였지만, 매칭기(430)를 제어할 수 있는 컨트롤러가 존재하는 경우, 매칭기(430)는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 매칭기(430)의 물리적 형태를 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어 신호에 따라 매칭기(430)의 도체(431)과 그라운드 도체 부분(413) 사이의 거리 h가 증가하거나, 감소될 수 있으며, 그에 따라 매칭기(430)의 물리적 형태가 변경됨으로써, 공진기(400)의 임피던스는 조절될 수 있다. 매칭기(430)의 도체(431)과 그라운드 도체 부분(413) 사이의 거리 h는 다양한 방식들로 조절될 수 있다. 즉, 첫째, 매칭기(430)에는 여러 도체들이 포함될 수 있고, 그 도체들 중 어느 하나를 적응적으로 활성화함으로써 거리 h가 조절될 수 있다. 둘째, 도체(431)의 물리적인 위치를 상하로 조절함으로써, 거리 h가 조절될 수 있다. 이러한 거리 h는 컨트롤러의 제어 신호에 따라 제어될 수 있으며, 컨트롤러는 다양한 팩터들을 고려하여 제어 신호를 생성할 수 있다.
매칭기(430)는 도 4에 도시된 바와 같이, 도체 부분(431)과 같은 수동 소자로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라서는 다이오드, 트랜지스터 등과 같은 능동 소자로 구현될 수 있다. 능동 소자가 매칭기(430)에 포함되는 경우, 능동 소자는 컨트롤러에 의해 생성되는 제어 신호에 따라 구동될 수 있으며, 그 제어 신호에 따라 공진기(400)의 임피던스는 조절될 수 있다. 예를 들어, 매칭기(430)에는 능동 소자의 일종인 다이오드가 포함될 수 있고, 다이오드가 'on' 상태에 있는지 또는 'off'' 상태에 있는지에 따라 공진기(400)의 임피던스가 조절될 수 있다.
또한, 도 4에 명시적으로 도시되지 아니하였으나, MNG 공진기(400)를 관통하는 마그네틱 코어가 더 포함될 수 있다. 이러한 마그네틱 코어는 전력 전송 거리를 증가시키는 기능을 수행할 수 있다.
도 5는 bulky type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 신호 도체 부분(511)과 도체(542)는 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 것이 아니라 하나의 일체형으로 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제2 신호 도체 부분(512)과 도체(541) 역시 하나의 일체형으로 제작될 수 있다.
제2 신호 도체 부분(512)과 도체(541)가 개별적으로 제작된 후, 서로 연결되는 경우, 이음매(550)로 인한 도체 손실이 있을 수 있다. 이 때, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 신호 도체 부분(512)과 도체(541)는 별도의 이음매 없이(seamless) 서로 연결되며, 도체(541)와 그라운드 도체 부분(513)도 별도의 이음매 없이 서로 연결될 수 있으며, 이음매로 인한 도체 손실을 줄일 수 있다. 결국, 제2 신호 도체 부분(512)과 그라운드 도체 부분(513)은 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다. 마찬가지로, 제1 신호 도체 부분(511)과 그라운드 도체 부분(513)은 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 제작될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 별도의 이음매 없이 하나의 일체형으로서 둘 이상의 부분(partition)들을 서로 연결하는 유형을 'bulky type'이라고 부르기도 한다.
도 6은 Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, Hollow type으로 설계된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 제1 신호 도체 부분(611), 제2 신호 도체 부분(612), 그라운드 도체 부분(613), 도체들(641, 642) 각각은 내부에 비어 있는 공간을 포함한다.
주어진(given) 공진 주파수에서, 유효 전류는 제1 신호 도체 부분(611), 제2 신호 도체 부분(612), 그라운드 도체 부분(613), 도체들(641, 642) 각각의 모든 부분을 통해 흐르는 것이 아니라, 일부의 부분만을 통해 흐르는 것으로 모델링될 수 있다. 즉, 주어진 공진 주파수에서, 제1 신호 도체 부분(611), 제2 신호 도체 부분(612), 그라운드 도체 부분(613), 도체들(641, 642) 두께(depth)가 각각의 skin depth보다 지나치게 두꺼운 것은 비효율적일 수 있다. 즉, 그것은 공진기(600)의 무게 또는 공진기(600)의 제작 비용을 증가시키는 원인이 될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 주어진 공진 주파수에서 제1 신호 도체 부분(611), 제2 신호 도체 부분(612), 그라운드 도체 부분(613), 도체들(641, 642) 각각의 skin depth를 기초로 제1 신호 도체 부분(611), 제2 신호 도체 부분(612), 그라운드 도체 부분(613), 도체들(641, 642) 각각의 두께를 적절히 정할 수 있다. 제1 신호 도체 부분(611), 제2 신호 도체 부분(612), 그라운드 도체 부분(613), 도체들(641, 642) 각각이 해당 skin depth보다 크면서도 적절한 두께를 갖는 경우, 공진기(600)는 가벼워질 수 있으며, 공진기(600)의 제작 비용 또한 감소될 수 있다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 신호 도체 부분(612)의 두께는 d mm로 정해질 수 있고, d는 
를 통해서 결정될 수 있다. 여기서, f는 주파수, 
는 투자율, 
는 도체 상수를 나타낸다. 특히, 제1 신호 도체 부분(611), 제2 신호 도체 부분(612), 그라운드 도체 부분(613), 도체들(641, 642) 이 구리(copper)로서 5.8x10^7의 도전율(conductivity)을 갖는 경우에, 공진 주파수가 10kHz에 대해서는 skin depth가 약 0.6mm일 수 있으며, 공진 주파수가 100MHz에 대해서는 skin depth는 0.006mm일 수 있다.
도 7은 parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, parallel-sheet이 적용된 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함된 제1 신호 도체 부분(711), 제2 신호 도체 부분(712) 각각의 표면에는 parallel-sheet이 적용될 수 있다.
제1 신호 도체 부분(711), 제2 신호 도체 부분(712)은 완벽한 도체(perfect conductor)가 아니므로, 저항 성분을 가질 수 있고, 그 저항 성분으로 인해 저항 손실(ohmic loss)가 발생할 수 있다. 이러한 저항 손실은 Q 팩터를 감소시키고, 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 신호 도체 부분(711), 제2 신호 도체 부분(712) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용함으로써, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다. 도 7의 부분(770)을 참조하면, parallel-sheet이 적용되는 경우, 제1 신호 도체 부분(711), 제2 신호 도체 부분(712) 각각은 복수의 도체 라인들을 포함한다. 이 도체 라인들은 병렬적으로 배치되며, 제1 신호 도체 부분(711), 제2 신호 도체 부분(712) 각각의 끝 부분에서 접지(short)된다.
제1 신호 도체 부분(711), 제2 신호 도체 부분(712) 각각의 표면에 parallel-sheet을 적용하는 경우, 도체 라인들이 병렬적으로 배치되므로, 도체 라인들이 갖는 저항 성분들의 합은 감소된다. 따라서, 저항 손실을 줄이고, Q 팩터 및 커플링 효율을 증가시킬 수 있다.
도 8은 분산된 캐패시터를 포함하는 무선 전력 전송을 위한 공진기의 예를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 무선 전력 전송을 위한 공진기에 포함되는 캐패시터(820)는 분산된 캐패시터일 수 있다. 집중 소자로서의 캐패시터는 상대적으로 높은 등가 직렬 저항(Equivalent Series Resistance: ESR)을 가질 수 있다. 집중 소자로서의 캐패시터가 갖는 ESR을 줄이기 위한 여러 제안들이 있지만, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 캐패시터(820)를 사용함으로써, ESR을 줄일 수 있다. 참고로, ESR로 인한 손실은 Q 팩터 및 커플링 효율을 감소시킬 수 있다.
분산 소자로서의 캐패시터(820)는 도 8에 도시된 바와 같이, 지그 재그 구조를 가질 수 있다. 즉, 분산 소자로서의 캐패시터(820)는 지그 재그 구조의 도체 라인 및 유전체로 구현될 수 있다.
뿐만 아니라, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예는 분산 소자로서의 캐패시터(820)를 사용함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 복수 개의 집중 소자로서의 캐패시터들을 병렬적으로 사용함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다. 왜냐 하면, 집중 소자로서의 캐패시터들 각각이 갖는 저항 성분들은 병렬 연결을 통하여 작아지기 때문에, 병렬적으로 연결된 집중 소자로서의 캐패시터들의 유효 저항 또한 작아질 수 있으며, 따라서, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다. 예를 들어, 10pF의 캐패시터 하나를 사용하는 것을 1pF의 캐패시터들 10개를 사용하는 것으로 대체함으로써, ESR로 인한 손실을 줄일 수 있다.
도 9는 도 3에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 도 9에 도시된 등가 회로로 모델링될 수 있다. 도 9의 등가 회로에서 CL은 도 3의 전송 선로의 중단부에 집중 소자의 형태로 삽입된 캐패시터를 나타낸다.
이 때, 도 3에 도시된 무선 전력 전송을 위한 공진기는 영번째 공진 특성을 갖는다. 즉, 전파 상수가 0인 경우, 무선 전력 전송을 위한 공진기는 
를 공진 주파수로 갖는다고 가정한다. 이 때, 공진 주파수 
는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 여기서, MZR은 Mu Zero Resonator를 의미한다.
상기 수학식 1을 참조하면, 공진기의 공진 주파수 
는 
에 의해 결정될 수 있고, 공진 주파수 
와 공진기의 물리적인 사이즈는 서로 독립적일 수 있음을 알 수 있다. 따라서, 공진 주파수 
와 공진기의 물리적인 사이즈가 서로 독립적이므로, 공진기의 물리적인 사이즈는 충분히 작아질 수 있다.
도 10은 일 예에 따른 무선 전력 전송 RX의 정류 시스템의 구조도이다.
무선 전력 전송 RX의 정류 시스템(1000)은 타겟 공진기(1010), 정류기(1020), 캐패시터(1030), DC/DC 컨버터(1040)를 포함할 수 있다.
타겟 공진기(1010)는 RF 전력을 수신할 수 있다.
정류기(1020)는 수신된 RF 전력을 정류할 수 있다.
정류기(1020)는 정류 다이오드를 의미할 수 있다. 또는, 정류기(1020)는 정류 다이오드를 포함할 수 있다.
정류기 저장한다.즉, 정류기(1020) 및 캐패시터(1030)는 수신된 RF 전력을 DC 전력으로 변환한다.
변환된 DC 전력은 DC/DC 컨버터(1040)로 입력된다. Vin은 DC/DC 컨버터(1040)로 입력되는 변환된 DC 전력의 전압이다.
DC/DC 컨버터(1040)는 Vin을 Vout으로 변환한다. Vout의 전압 레벨은 +5V일 수 있다. 여기서, +5V는 예시적인 것으로, 부하(load)(1050)가 요구하는 전압 레벨을 의미한다.
DC/DC 컨버터(1040)는 변환된 전압 레벨을 갖는 전력을 부하(1050)에게 공급한다. 부하(1050)는, 배터리(battery)일 수 있다. 부하(1050)는 충전 회로를 포함할 수 있으며, PCM 및 배터리 셀을 포함할 수 있다.
무선 전력 전송 RX의 정류 시스템(1000)의 정류기(1020) 또는 캐패시터(1030)에는 높은 전압이 걸릴 수 있다.
무선 전력 전송은 1~15Mhz 대의 대역을 사용하는 공진(resonance) 방식을 사용할 수 있다.
1~15Mhz 대의 대역에서, 고효율을 갖는 정류기(1020)를 설계하기 위해, 쇼트키 다이오드(schottky diode)를 사용한 정류기(1020)가 구성될 수 있다.
쇼트키 다이오드는 저 전압 강하(low voltage drop) 및 빠른 회복 시간(fast recovery time)을 갖는다. 쇼트키 다이오드의 성능은 쇼트키 다이오드의 크기에 의해 제약될 수 있다. 상기의 크기의 제약에 의해, 사용 가능한 전압 및 전류에 있어서도 제약이 발생할 수 있다. 예컨대, 쇼트키 다이오드가 모바일 장치 용 어플리케이션(application)을 위해 사용될 경우, 모바일 장치에서 사용될 수 있는 크기를 가지며, 1A의 허용 전류 및 0.5V 이하의 강하 전압을 갖는 상용 쇼트키 다이오드는 대부분 20V로부터 30V 사이의 역내압(peak reverse voltage)를 갖는다.
역내압은 소자에 역으로 걸릴 수 있는 최대 전압의 크기를 나타낸다. 쇼트키 다이오드에게 걸리는 전압이 역내압을 넘는 경우, 쇼트키 다이오드는 손상될 수 있다.
따라서, 쇼트키 다이오드로 구성된 정류기(1020)의 입력 단 및 출력 단 각각에 걸리는 전압이 상기의 쇼트키 다이오드의 역내압(예컨대, 30V)이 넘지않도록 보호하는 보호 회로가 요구된다.
도 11은 일 예에 따른 배터리의 내부 구조이다.
배터리(1100)는 도 10을 참조하여 전술된 부하(1050)일 수 있다.
배터리(1100)는 충전 회로(1110), PCM(1120) 및 배터리 셀(1130)를 포함될 수 있다.
충전 회로(1110)는 배터리(1100)의 안정적인 충전 동작을 위해, 배터리(1100)의 충전 상태에 따라 충전 전압 및 충전 전류의 레벨을 조절한다. 도 11에서 도시된 것과 같이, 배터리(1100)는 충전 회로(1110)로 전력이 전달된 후, PCM(1120)을 구비한 배터리 셀(1130)로 전력이 전달되는 구조를 가질 수 있다.
PCM(1120)은 과전압, 과방전 및 과전류 등으로부터 배터리를 보호할 수 있다.
배터리 셀(1130)은 전류를 충전할 수 있다.
PCM은 필드-효과 트랜지스터(field-effect transistor; FET) 스위치(1122) 및 보호 회로(protection IC)(1124)를 포함할 수 있다.
FET 스위치(1122)는 외부로부터 제공되는 전력 및 배터리 셀(1130) 간의 스위치이다. FET 스위치(1122)가 닫힌 경우, 외부로부터 제공되는 전력이 배터리 셀(1130)로 전달될 수 있고, 배터리(1100)는 충전될 수 있다.
보호 회로(1124)는 배터리(1100) 내에 흐르는 전압 및 전류 등을 감지(sensing)하여, 과전압, 과방전 또는 과전류 등이 탐지될 경우, FET 스위치(1122)를 차단함으로써 배터리(1100)를 오픈 상태로 만들어서 배터리 셀(1130)을 보호할 수 있다.
도 12는 일 예에 따른 충전 시간에 따른 배터리의 충전 그래프를 보인다.
배터리(1100)는 모바일 장치의 배터리일 수 있다. 말하자면, 도 12의 그래프는 모바일 향 배터리의 충전 그래프일 수 있다.
배터리(1100)가 충전되는 초기 상태에서부터, 배터리(1100)가 80% 정도 충전될 때까지는, 정 전류(constant current)(약 600mA)가 흐른다. 즉, 배터리(1100)가 충전되는 초기 상태에서부터 배터리(1100)가 80% 정도 충전될 때까지의 구간은 전류 제한(current limit) 구간으로 여기어질 수 있다. 이 때, 배터리 셀(1130)의 셀 전압(cell voltage)인 출력 전압은 2.5V에서 4.2V로 상승한다.
배터리(1100)가 80% 정도 충전된 이후에는, 배터리 셀(1130)의 출력 전압은 4.2V의 정 전압(constant voltage)이며, 충전되는 전류량(즉, 충전율(charge rate))은 서서히 감소한다. 즉, 배터리(1100)가 80% 정도 충전된 이후의 구간은 정 전압 구간으로 볼 수 있다.
이후, 배터리(1100)가 완전 충전 상태에 도달하면, 배터리(1100)의 충전 회로(예컨대, PCM(1120) 또는 FET 스위치(1122))가 끊어질 수 있고, 배터리(1120)는 오픈 상태가 될 수 있다.
즉, 배터리(1100)의 충전 상태가 80% 정도일 때부터, 100%의 완전 충전에 가까워질 때까지의 구간에서는, 배터리(1100)의 전압은 일정하고, 전류량은 감소한다. 따라서, 부하 임피던스(즉, 배터리(1100)의 임피던스)는 하기의 수학식 2에 따라, 점차적으로 10Ω에서 20Ω, 50Ω 및 100Ω으로 증가한다.
여기서, Z load 는 부하 임피던스이다. V load 는 부하의 전압이다. I load 는 부하의 전류이다.
이후, 배터리(1100)의 PCM(1120)이 동작하면 부하 임피던스는 오픈 부하(open load)(즉, 수kΩ)이 된다.
부하 임피던스가 10Ω에서 1kΩ으로 변화함에 따라, 정류기의 앞 단(예컨대, 입력 단) 및 뒷 단(예컨대, 출력 단) 각각에 걸리는 전압들의 크기를 향상된 설계 시스템(Advanced Design System; ADS) 툴(tool)을 이용하여 시뮬레이션 한 결과가 도 13 내지 도 15를 참조하여 하기에서 설명된다.
도 13 내지 도 15에 의해, 모바일 향 배터리 부하가 충전될 때, 임피던스에 따른 전압 레벨 변화가 설명될 수 있다.
도 13 내지 도 15 내의 각 블럭은 실제로 사용될 수 있는 소자와 일치하도록 모델링된 것일 수 있다.
도 13은 일 예에 따른 부하 임피던스가 10Ω일 때 정류기의 앞 단 및 뒷 단 각각에 걸리는 전압들의 크기를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도 13은, 부하 임피던스 Zload가 10Ω일 때, 즉 배터리(1100)가 정상적으로 충전되는 구간에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 13에서, 파워 앰프(power amplifier; PA)의 출력 전력은 4.6W이다. 그러나, 출력 임피던스 미스매칭(mismatching) 때문에, 소스 공진기로 출력되는 전력(즉, 도 13의 P_TX_Watts)은 4.09W로 낮아진다.
전력이 타겟 공진기, 매칭 회로(matching circuits) 및 정류기를 통과할 경우의 효율(즉, 도 13의 Effi_Resonator_Rectifier)이 약 74.98%인 경우, 부하에는 약 3W의 전력(즉, P_Load_Watts)이 전달되고, 정류기의 앞 단에는 피크-투-피트(peak to peak) 12.895V의 전압이 걸리며, 정류기의 뒷 단에는 5.539V의 DC 전압이 걸린다.
따라서, 정상적인 충전 구간에서는, 정류기에 무리를 가하지 않은 채 전력이 잘 전달될 수 있다. 정상적인 충전 구간은 부하에 정 전류가 흐르는 정 전류 모드(constant current mode)에 대응할 수 있다.
도 14는 일 예에 따른 부하 임피던스가 100Ω일 때 정류기의 앞 단 및 뒷 단 각각에 걸리는 전압들의 크기를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도 14는, 부하 임피던스 Zload가 100Ω일 때, 즉 배터리(1100)가 완전 충전에 가까워지는 구간에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 완전 충전에 가까워지는 구간은 부하에 정 전압이 가해지는 정 전압 모드(constant voltage mode)에 대응할 수 있다.
도 14에서, PA의 출력 전력은 4.6W이다. 그러나, 출력 임피던스 미스매칭 때문에, 소스 공진기로 출력되는 전력은 2.5W로 낮아진다.
전력이 타겟 공진기, 매칭 회로 및 정류기를 통과할 경우의 효율은 약 73.86%가 된다. 부하에는 1.851W의 전력이 전달된다. 부하 임피던스가 크기 때문에, 적은 전력이 부하에 전달되어도 정류기의 앞 단에는 피크-투-피트 28.449V의 전압이 걸리며, 정류기의 뒷 단에는 13.6V의 DC 전압이 걸린다.
즉, 정류기의 앞 단에 걸리는 전압이 쇼트키 다이오드의 역내압인 30V에 가까워질 수 있다.
도 15는 일 예에 따른 부하 임피던스가 1kΩ일 때 정류기의 앞 단 및 뒷 단 각각에 걸리는 전압들의 크기를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도 15는, 부하 임피던스 Zload가 1kΩ일 때, 즉 배터리가 완전히 충전된 구간에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 15에서, PA의 출력 전력은 4.6W이다. 그러나, 출력 임피던스 미스매칭 때문에, 소스 공진기로 출력되는 전력은 1.173W로 낮아진다.
전력이 타겟 공진기, 매칭 회로 및 정류기를 통과할 경우의 효율은 약 31.48%가 된다. 부하에는 0.369W의 전력이 전달된다. 부하 임피던스가 크기 때문에, 적은 전력이 부하에 전달되어도 정류기의 앞 단에는 피크-투-피트 40.5V의 전압이 걸리며, 정류기의 뒷 단에는 19.2V의 DC 전압이 걸린다.
정류기의 앞 단 및 뒷 단에 이러한 전압이 걸리는 경우, 정류기에서 사용된 쇼트키 다이오드가 30V의 역내압을 갖는 것이라면, 상기의 쇼트키 다이오드는 파손될 수 있다.
50Ω으로 설정된 PA의 출력 임피던스 매칭이, 실제 실험 환경에서는 Zload 임피던스에 더 잘 맞춰질 수 있다. PA의 출력 임피던스 매칭이 Zload 임피던스에 더 잘 맞춰진 경우, 공진기로 전달되는 전력의 크기는 더 커질 수 있다. 따라서, 상기의 시뮬레이션들에서의 결과보다 더 큰 전압들이 정류기의 양 단들에 걸릴 수 있다.
수 kW의 무선 전력을 전송하는 전기 자동차의 어플리케이션에 있어서도, 부하의 충전 상태에 따라 Zload가 변화함으로써 정류기의 가해지는 전압의 변화 또한 도 13 내지 도 15을 참조하여 설명된 것과 유사할 것이다. 전기 자동차의 어플리케이션에서의 전압 레벨은 모바일 향 어플리케이션에서의 전압 레벨에 비해 훨씬 더 클 것이다.
따라서, 원활하게 무선으로 부하(예컨대, 배터리)를 충전하기 위해서, 정류기(또는, 수신단)을 보호하는 회로가 요구된다.
도 13 내지 도 15를 참조하여 검토한 것과 같이, 공진 방식의 무선 전력 전송이 사용될 경우, 부하의 임피던스 상태에 따라 DC/DC 변환기의 입력 전압 레벨이 결정된다. 따라서, 부하가 완전 충전 상태에 가까워짐에 따라 부하의 임피던스가 증가하고, 증가한 임피던스에 따른 과전압에 의해 무선 전력 수신단의 정류기 등이 손상될 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 쇼트 방식의 보호 회로를 구비한 무선 전력 수신단의 구조도이다.
무선 전력 수신단(1600)은 수 Mhz의 대역을 갖는 모바일 어플리케이션을 위한 무선 전력 수신단일 수 있다.
무선 전력 수신단(1600)은 공진기(1610), 매칭 회로(1615), 정류기(1620), 캐패시터(1625) 및 DC/DC 컨버터(1630)를 포함할 수 있다. 무선 전력 수신단(1600)은 부하(1690)를 더 포함할 수 있다.
공진기(1610)는 도 10을 참조하여 전술된 타겟 공진기(1010)일 수 있다. 공진기(1610)는 매칭 회로(1615)를 통해 수신된 전력을 정류기(1620)에게 제공할 수 있다.
매칭 회로(1615)는 임피던스 매칭 회로일 수 있다.
정류기(1620)는 도 10의 정류기(1020)일 수 있다. 캐패시터(1625)는 도 10의 캐패시터(1030)일 수 있다. DC/DC 컨버터(1630)는 도 10의 DC/DC 컨버터(1040)일 수 있다. 부하(1690)는 도 10의 부하(1050)일 수 있다.
무선 전력 수신단(1600)은 제1 배리스터(varistor)(1640) 및 제2 배리스터(1650)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제1 배리스트(1640) 및 제2 배리스터(1650)는 예시적인 것이다. 제1 배리스트(1640) 및 제2 배리스터(1650)는 각각 임계 전압보다 더 큰 전압이 걸리면 쇼트 동작을 하는 임의의 소자로 대체될 수 있다.
정류기(1620)는 공진기에 의해 수신된 신호를 정류하여 정류된 신호를 출력 단으로 출력할 수 있다.
캐패시터(1625)는 정류기(1620)의 출력 단 및 그라운드와 연결될 수 있다.
DC/DC 컨버터(1630)는 정류기(1620)의 출력 단 및 부하(1650)에 연결될 수 있다. DC/DC 컨버터(1630)는 정류기(1620)에 의해 정류된 신호를 변환할 수 있으며, 변환된 전력을 부하(1650)에게 제공할 수 있다.
DC/DC 컨버터(1630)는 DC/DC 벅(buck) 컨버터일 수 있다.
제1 배리스터(1640) 및 제2 배리스터(1650)는 임계 전압보다 더 큰 전압이 걸리면 쇼트 동작을 할 수 있다. 제1 배리스터(1640)는 정류기(1620)의 입력 단에 제1 임계 전압보다 더 큰 전압이 걸리면 쇼트될 수 있다. 제2 배리스터(1650)는 정류기(1620)의 출력 단에 제2 임계 전압보다 더 큰 전압이 걸리면 쇼트될 수 있다.
예컨대, 수 MHz의 대역을 사용하는 모바일 어플리케이션에 있어서, 무선 전력 수신단(1650)은 제1 배리스터(1640) 및 제2 배리스터(1650)를 사용함으로써 정류기(1620) 및 캐패시터(1625) 중 하나 이상을 보호할 수 있다.
즉, 정류기(1620)에 정류기(1620)의 내압보다 큰 전압이 걸리기 전에 제1 배리스터(1640)가 쇼트됨으로써, 1) 정류기(1620)에 가하지는 전압이 낮추어질 수 있고, 2) 정류기(1620)의 임피던스를 변화시켜, 정류기(1620)가 받아들이는 전력을 감소시킬 수 있다. 따라서, 제1 배리스터(1640)가 쇼트됨으로써, 정류기(1620)(또는, 정류기(1620)가 포함하는 쇼트키 다이오드)가 보호될 수 있다. 제1 배리스터(1640)는 RF에 대한 배리스터(varistor for RF)로 간주될 수 있다.
또한, 캐패시터(1625)에 캐패시터(1620)의 내압보다 큰 전압이 걸리기 전에 제2 배리스터(1650)가 쇼트됨으로써, 1) 캐패시터(1625)에 가하지는 전압이 낮추어질 수 있고, 2) 캐패시터(1625)의 임피던스를 변화시켜, 캐패시터(1625)가 받아들이는 전력을 감소시킬 수 있다. 따라서, 제2 배리스터(1650)가 쇼트됨으로써, 캐패시터(1625)가 보호될 수 있다. 제2 배리스터(1650)는 DC에 대한 배리스터(varistor for DC)로 볼 수 있다.
정류기(1620)의 양 입력 단들을 통해 입력되는 입력 신호는 차등(differential) 신호이다. 따라서, 제1 배리스터(1640)는 정류기(1620)의 양 입력 단들에 병렬로 연결될 수 있다.
제1 배리스터(1640)는 매칭 회로(1625)에 영향을 주지 않아야한다. 따라서, 제1 배리스터(1640)는 저 캐패시턴스(low capacitance)를 갖는 소자를 사용할 수 있다.
예컨대, 무선 전력 전송을 위해 13.56MHz의 주파수를 사용하는 모바일 어플리케이션에 있어서, 제1 배리스터(1640)의 캐패시턴스는 50pF 이하일 수 있다.
정류기(1620)가 포함하는 쇼트키 다이오드의 역내압보다 3V 내지 5V 가량 더 작은 전압이 제1 배리스터(1640)의 브레이크다운(breakdown) 전압으로서 사용될 수 있다. 예컨대, 상기의 쇼트키 다이오드의 역내압이 30V이면, 제1 배리스터(1640)의 브레이크다운 전압은 27V일 수 있다. 즉, 제1 배리스터(1640)는 브레이크다운 전압이 27V 정도인 소자를 사용할 수 있다.
캐패시터(1625)를 보호하기 위해, 제2 배리스터(1650)가 캐패시터(1625)에 병렬로 연결될 수 있다. 즉, 제2 배리스터(1650)는 캐패시터(1625) 및 그라운드와 연결될 수 있다.
제2 배리스터(1650)는 DC 영역에서 사용될 수 있다. 따라서, 제2 배리스터(1650)의 캐패시턴스는 중요하지 않을 수 있다. 제2 배리스터(1650)의 브레이크다운 전압은 18V일 수 있다. 즉, 제2 배리스터(1650)는 브레이크다운 전압이 18V 정도인 소자를 사용할 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 쇼트 방식의 보호 회로를 구비한 무선 전력 수신단의 구조도이다.
무선 전력 수신단(1700)은 수 kHz의 대역을 사용하는 전기 자동차 어플리케이션을 위한 무선 전력 수신단일 수 있다.
무선 전력 수신단(1700)은 공진기(1610), 매칭 회로(1615), 정류기(1620), 캐패시터(1625) 및 DC/DC 컨버터(1630)를 포함할 수 있다. 무선 전력 수신단(1600)은 부하(1690)를 더 포함할 수 있다.
무선 전력 수신단(1700)은 도 16을 참조하여 전술된 무선 전력 수신단(1600)의 제1 배리스터(1640) 및 제2 배리스터(1650) 대신 제1 서지 흡수기(Surge Absorber; SB)(1740) 및 제2 서지 흡수기(1750)를 포함할 수 있다. 도 16에서의 제1 배리스터(1640) 및 제2 배리스터(1650)에 대한 설명은 각각 제1 서지 흡수기(1740) 및 제2 서지 흡수기(1750)에 적용될 수 있다. 단, 무선 전력 수신단(1700)은 정류기(1620)의 쇼트키 다이오드들 보호하기 위해 수백 V 이상에서도 동작하는 제1 서지 흡수기(1740) 및 제2 서지 흡수기(1750)를 임계 전압보다 더 큰 전압이 걸리면 쇼트 동작을 하는 소자로서 사용한다. 제1 서지 흡수기(1740)는 RF 용 서지 흡수기일 수 있고, 제2 서지 흡수기(1750)는 DC 용 서지 흡수기일 수 있다.
일반적으로, 전기 자동차 어플리케이션을 위한 무선 전력 수신단의 동작 주파수는 낮다. 따라서, 무선 전력 수신단(1700)은 RF 용 소자 및 DC 용 소자를 구분하지 않은 채, 동일한 캐패시턴스를 갖는 소자가 RF 용 및 DC 용으로서 사용될 수 있다. RF 용 소자의 동작 전압의 값은 DC 용 소자의 동작 전압의 값의 2 배일 수 있다.
상술된 쇼트 방식의 보호 회로는, 초기 상태의 일시(transient) 구간 등에서 발생할 수 있는, 방전(electrostatic discharge; ESD) 등의 서지(surge) 전압으로부터 정류기(1625) 및 정류기(1625) 내의 쇼트키 다이오드를 보호할 수 있다. 그러나, 쇼트 방식의 보호 회로가 사용되더라도, 완전 충전 상태 또는, 예컨대 정 전압 모드와 같은 지속적으로 높은 임피던스가 유지되는 상태에서는 보호를 위한 소자에 손상이 가해질 수 있다.
이러한 손상을 방지하기 위해, 하기에서 설명될 오픈 방식의 보호 회로가 병행해서 사용될 수 있다.
도 18은 일 실시예에 따른 오픈 방식의 보호 회로를 구비한 무선 전력 수신단의 구조도이다.
무선 전력 수신단(1800)은 공진기(1810), 매칭 회로(1815), 정류기(1820), 캐패시터(1825), DC/DC 컨버터(1830), 스위치부(1840) 및 보호부(1650)를 포함할 수 있다. 무선 전력 수신단(1800)은 부하(1890)를 더 포함할 수 있다.
공진기(1810)는 도 10을 참조하여 전술된 타겟 공진기(1010)일 수 있다. 공진기(1810)는 매칭 회로(1815)를 통해 수신된 전력을 정류기(1820)에게 제공할 수 있다.
매칭 회로(1815)는 임피던스 매칭 회로일 수 있다.
정류기(1820)는 도 10의 정류기(1020)일 수 있다. 캐패시터(1825)는 도 10의 캐패시터(1030)일 수 있다.
DC/DC 컨버터(1830)는 도 10의 DC/DC 컨버터(1040)일 수 있다. DC/DC 컨버터(1830)는 벅 컨버터일 수 있다. 부하(1890)는 도 10의 부하(1050)일 수 있다.
정류기(1820)는 공진기에 의해 수신된 신호를 정류하여 정류된 신호를 출력 단으로 출력할 수 있다.
캐패시터(1825)는 정류기(1820)의 출력 단 및 그라운드와 연결될 수 있다.
DC/DC 컨버터(1830)는 정류기(1820)의 출력 단 및 부하(1050)에 연결될 수 있다. DC/DC 컨버터(1830)는 정류기(1820)에 의해 정류된 신호를 변환할 수 있으며, 변환된 전력을 부하(1850)에게 제공할 수 있다.
스위치부(1840)는 2 개의 스위치들(1842, 1844)을 포함할 수 있다. 2 개의 스위치들(1842, 1844)은 각각 RF 스위치일 수 있다.
2 개의 스위치들(1842, 1844)은 각각 정류기(1820)의 양 입력 단들 중 하나의 입력 단 및 공진기를 연결할 수 있다. 예컨대, 제1 스위치(1842)는 정류기(1820)의 제1 입력 단 및 공진기를 연결할 수 있다. 제2 스위치(1844)는 정류기(1820)의 제2 입력 단 및 공진기를 연결할 수 있다.
2 개의 스위치들(1842, 1844)는 각각 초기 조건이 도통(short)인 스위치일 수 있다. 예컨대, 2 개의 스위치들(1842, 1844)은 각각 PMOS 스위치일 수 있다. 즉, 2 개의 스위치들(1842, 1844)은 각각 낮은 삽입 손실(insertion loss)을 갖고, 초기 조건이 도통인 아날로그(analog) 스위치일 수 있다. 예컨대, 2 개의 스위치들(1842, 1844)은 각각 RF PMOS FET일 수 있다. 예컨대, 2 개의 스위치들(1842, 1844) 각각은 0V의 제어 전압이 수신(또는, 인가)되면 턴 온(turn on)(즉, 도통)될 수 있고, 3.3V의 제어 전압이 수신되면 턴 오프(turn off)(즉, 오픈)될 수 있다.
보호부(1850)는 스위치부(1840)를 제어한다. 보호부(1850)는 정류기(1820)에 의해 출력된 정류된 신호의 전압에 기반하여 스위치부(1840)를 도통(즉, on) 또는 오픈(즉, off)시킬 수 있다.
즉, 스위치부(1840)는 정류기(1820)의 앞 단에 연결된다. 보호부(1850)의 보호 회로가 동작하면, 보호부(1850)는 스위치부(1840)의 2 개의 스위치들(1842, 1844)을 오픈시킴으로써 정류기(1820) 및 캐패시터(1825)를 보호할 수 있다.
이러한 오픈 방식의 보호 회로는 부하(1890)가 완전히 충전된 상태 또는 무선 전력 수신단(1800)이 정 전압 모드인 상태에서도 무선 전력 수신단(1800)을 보호할 수 있다.
보호부(1850)는 정류된 신호의 전압이 임계 값보다 작으면(또는, 임계 값 이하이면) 스위치부(1840)를 도통시킴으로써(즉, 2 개의 스위치들(1842, 1844)를 도통시킴으로써) 정류기(1820)가 공진기에 의해 수신된 신호를 입력 받게 할 수 있다.
보호부(1850)는 정류된 신호의 전압이 임계 값보다 크면(또는, 임계 값 이상이면) 스위치부(1840)를 오픈시킴으로써(즉, 2 개의 스위치들(1842, 1844)를 오픈시킴으로써) 정류기(1820)로부터 공진기에 의해 수신된 신호를 차단할 수 있다.
보호부(1850)는 스위치 제어 신호를 출력할 수 있다. 스위치 제어 신호는 스위치부(1840)를 도통시키거나 스위치부(1840)를 오픈시킬 수 있다.
부하(1890)가 충전 중일 때, 보호부(1850)는 스위치부(1840)를 도통시키는 스위치 제어 신호를 출력할 수 있다. 예컨대, 스위치부(1840)를 도통시키는 스위치 제어 신호는 스위치부(1840)에 0V의 전압을 인가하는 것일 수 있다.
부하(1890)가 완전 충전되었을 때, 보호 회로가 동작할 필요가 있다. 따라서, 보호부(1850)는 스위치부(1840)를 오픈시키는 스위치 제어 신호를 출력할 수 있다. 예컨대, 스위치부(1840)를 오픈시키는 스위치 제어 신호는 스위치부(1840)에 3.3V의 전압을 인가하는 것일 수 있다.
예컨대, 스위치 제어 신호에 의해 스위치부(1840)에 0V의 제어 전압이 인가되는(즉, 스위치 제어 신호의 전압이 0V인) 초기 상태에서는, 스위치부(1840)는 2 개의 스위치들(1842, 1844) 각각을 도통시킬 수 있다. 또한, 보호 회로가 동작하여 스위치부(1840)에 3.3V의 제어 전압이 인가되면(즉, 스위치 제어 신호의 전압이 3.3V이면), 스위치부(1840)는 2 개의 스위치들(1842, 1844) 각각을 개방(open)시킬 수 있다.
하기에서, 보호부(1850)에 대해 상세히 설명한다.
보호부(1850)는 전압 조절기(1860), 비교기(1870), 분압기(1881) 및 저항 회로(1885)를 포함할 수 있다.
분압기는(1881) 제1 저항기(1882) 및 제2 저항기(1884)를 포함할 수 있다.
저항 회로(1885)는 제3 저항기(1886) 및 제4 저항기(1888)를 포함할 수 있다.
전압 조절기(1860)는 DC/DC 컨버터(1830)와 연결되어 DC/DC 컨버터(1830)가 출력하는 변환된 전력을 수신할 수 있다. 즉, 전압 조절기(1860)의 입력 전압은 DC/DC 컨버터(1830)의 뒷 단에서 추출될 수 있다.
전압 조절기(1860)는 비교기(1870)와 연결되어, 비교기(1870)가 구동하기 위한 전원 Vdd 및 비교기(1870)의 제1 비교기 입력 신호 Vref를 생성할 수 있다. Vref는 비교기(1870)의 참조(reference) 전압을 나타낼 수 있다.
예컨대, 모바일 향의 어플리케이션에 있어서, DC/DC 컨버터의 출력 전압이 5V일 때, 전압 조절기(1860)는 5V의 출력 전압을 Vdd 및 Vref 에 사용되기 위한 3.3V로 변환할 수 있다.
전압 조절기(1860)은 저 강하 출력(Low Drop Output; LDO) 레귤레이터 또는 밴드갭(bandgap) 참조 소자 등으로 구성될 수 있다.
즉, 전압 조절기(1860)는 DC/DC 컨버터(1830)에 의해 출력된 변환된 전력의 전압을 조절함으로써 제1 비교기 입력 신호 Vref를 생성할 수 있다.
분압기(1881)는 정류기(1820)의 출력 단 및 비교기(1870)와 연결될 수 있다.
분압기(1881)는 정류기(1820)에 의해 출력된 정류된 신호의 전압 Vin1을 분압함으로써 비교기(1870)의 제2 비교기 입력 신호 Vin2를 생성할 수 있다.
제1 저항기(1882)는 비교기(1870)의 + 입력 단 및 정류기(1820)의 출력 단과 연결될 수 있다.
제2 저항기(1884)는 비교기(1870)의 + 입력 단 및 그라운드와 연결될 수 있다.
제1 저항기(1882) 및 제2 저항기(1884)는 입력 전압(즉, 정류기(1820)에 의해 출력된 정류된 신호의 전압)을 1/n으로 전압 분배할 수 있으며, 분배된 전압이 출력되게 할 수 있다. 여기서, n은 1 이상의 실수일 수 있다. 예컨대, 입력 전압이 1/3로 나뉠 경우, 제1 저항기(1882)는 2kΩ의 저항일 수 있고, 제2 저항기(1884)는 1kΩ의 저항 값을 가질 수 있다.
상기의 전압 분배에 의해, 참조 전압 Vref이 추가적인 부스트(boost) 컨버터 등을 사용함으로써 높여질 필요가 없다. 또한, LDO 또는 밴드갭 참조(bandgap reference) 소자 1 개가 비교기(1870)의 동작 전원 Vdd 및 Vref으로 동시에 사용될 수 있다.
비교기(1870)는 제1 비교기 입력 신호 Vref 및 제2 비교기 입력 신호 Vin2를 비교함으로써 출력 단을 통해 비교기 출력 신호를 출력할 수 있다.
예컨대, 비교기(1870)는 제1 비교기 입력 신호 Vref 및 제2 비교기 입력 신호 Vin2를 비교하여, Vref가 Vin2보다 더 높으면, 스위치부(1840)를 도통시키기 위한 제어 전압(예컨대, 0V)을 갖는 비교기 출력 신호를 출력할 수 있다.
또한, 비교기(1870)는 제1 비교기 입력 신호 Vref 및 제2 비교기 입력 신호 Vin2를 비교하여, Vin2가 Vref보다 더 높으면, 스위치부(1840)를 오픈시키기 위한 제어 전압(예컨대, Vdd 또는 3.3V)을 갖는 비교기 출력 신호를 출력할 수 있다.
스위치부(1840)를 오픈시키기 위한 제어 전압은 비교기(1870)가 구동하기 위한 전원 Vdd일 수 있다.
스위치부(1840)를 도통시키기 위한 제어 전압을 스위치부(1840) 또는 무선 전력 수신단(1800)이 켜지는 전압으로 명명할 수 있고, 스위치부(1840)를 오픈시키기 위한 제어 전압을 스위치부(1840) 또는 무선 전력 수신단(1800)이 꺼지는 전압으로 명명할 수 있다. 비교기(1870)는 무선 전력 수신단(1800)의 안정적인 동작을 위해, 히스테리시스(hysteresis) 동작을 할 수 있다. 즉, 비교기(1870)는 스위치부(1840)를 오픈 상태에서 도통 상태로 변환시키는 제1 전압 및 스위치부(1840)를 도통 상태에서 오픈 상태로 변환시키는 제2 전압을 서로 상이하게 설정할 수 있다.
예컨대, 비교기(1870)는 제1 비교기 입력 신호 Vref에 비해 제2 비교기 입력 신호가 1V 이상 더 높으면, 비교기 출력 신호를 스위치부(1840)를 도통시키기 위한 제어 전압으로부터 스위치부(1840)를 오픈시키기 위한 제어 전압으로 변경할 수 있다. 비교기(1870)는 제1 비교기 입력 신호 Vref에 비해 제2 비교기 입력 신호가 1V 이상 더 낮으면, 비교기 출력 신호를 스위치부(1840)를 오픈시키기 위한 제어 전압으로부터 스위치부(1840)를 도통시키기 위한 제어 전압으로 변경할 수 있다.
예컨대, DC/DC 컨버터(1830)로 입력되는 전압 Vin1이 10V 이하일 경우, 분압기(1881)에 의한 1/n의 전압 분배에 따라, Vin2은 3.3V 이하가 될 수 있다. 따라서, Vin2이 Vref(3.3V) 보다 더 작기 때문에, 비교기(1870)는 0V의 전압(즉, 스위치부(1840)를 도통시키기 위한 제어 전압)을 갖는 비교기 출력 신호를 출력할 수 있다.
스위치부(1840)를 도통시키기 위한 제어 전압은 GND일 수 있다.
또한, DC/DC 컨버터(1830)로 입력되는 전압 Vin1이 10V 이상일 경우, 분압기(1881)에 의한 1/n의 전압 분배에 따라, Vin2은 3.3V 이상이 될 수 있다. 따라서, Vin2이 Vref(3.3V) 보다 더 크기 때문에, 비교기(1870)는 3.3V의 전압(즉, 스위치부(1840)를 오픈시키기 위한 제어 전압)을 갖는 비교기 출력 신호를 출력할 수 있다.
저항 회로(1885)는 비교기 출력 신호에 기초하여 스위치 제어 신호를 출력한다.
제3 저항기(1886)는 스위치부(1840) 및 비교기(1870)의 출력 단과 연결될 수 있다.
제3 저항기(1886)는 스위치 제어 신호에 과전류가 흐르지 않게 할 수 있다. 예컨대, 무선 전력 수신단(1800)이 모바일 향의 어플리케이션을 위한 것일 경우, 제3 저항기(1886)는 100Ω의 저항값을 가질 수 있다.
제4 저항기(1888)는 비교기(1870)의 출력 단 및 그라운드와 연결될 수 있다.
제4 저항기(1888)는 무선 전력 전송의 초기 동작 시, 0V의 제어 전압을 수신하는 2 개의 스위치들(1842, 1844)이턴 온 상태를 유지하게 하기 위한 저항기이다. 예컨대, 무선 전력 수신단(1800)이 모바일 향의 어플리케이션을 위한 것일 경우, 제4 저항기(1888)는 10kΩ의 저항값을 가질 수 있다.
모바일 장치 등은 PCM(1120)을 내장한 배터리(1100)를 사용할 수 있다.
전술된 오픈 타입의 보호부(1850)는 배터리(1100)의 완전 충전 시, PCM 차단 모드 동작으로 인해 무선 전력 수신단(1800)이 손상되는 문제를 해결할 수 있다.
도 19는 일 예에 따른 오픈 방식의 보호 회로를 구비한 무선 전력 수신단의 정상 충전 모드에서의 동작을 설명한다.
정상 충전 모드는 정 전류 모드를 의미할 수 있다.
스위치부(1840)는 초기 조건이 도통인 스위치를 사용할 수 있다. 예컨대, 스위치부(1740)는 PMOS를 스위치들(1842, 1844)로서 사용할 수 있다.
무선 전력 수신단(1800)이 초기에 무선 전력을 공급받을 때에는, Vc = 0V일 수 있다. 따라서, 스위치부(1840)(즉, 스위치부(1840)의 2 개의 스위치들(1842, 1844))는 턴 온 상태를 유지할 수 있다.
모바일 향의 어플리케이션에 있어서, 정상 충전 모드에서, 부하(1890)의 임피던스는 10Ω이 될 수 있다. 부하(1890)의 임피던스에 따라, DC/DC 변환기(1830)의 입력 전압 Vin1은 10V를 넘지 않을 수 있다.
입력 전압 Vin1은 제1 저항기(1882) 및 제2 저항기(1884)에 의해 1/n으로 나뉘어져서, 비교기(1870)의 입력 Vin2가 될수 있다..
전압 조절기(1860)에 의해 Vref에는 참조 전압 3.3V가 들어갈 수 있다.
Vin2이 Vref보다 작으므로, 비교기(1870)는 GND인 0V를 출력할 수 있다. 따라서, 스위치부(1840)(즉, 스위치부(1840)의 2 개의 스위치들(1842, 1844))은 계속 턴 온 상태를 유지할 수 있다.
도 20은 일 예에 따른 오픈 방식의 보호 회로를 구비한 무선 전력 수신단의 완전 충전 모드 동작을 설명한다.
모바일 향의 어플리케이션에 있어서, 부하(1890)가 완전 충전 상태에 가까워지면 부하(1890)의 임피던스가 매우 커질 수 있다.
예컨대, 부하(1890)의 임피던스가 1kΩ 정도가 되면, DC/DC 변환기(1830)의 입력 전압 Vin1은 10V를 넘게 될 수 있다.
입력 전압 Vin1은 제1 저항기(1882) 및 제2 저항기(1884)에 의해 1/n으로 나뉘어져서, 비교기(1870)의 입력 Vin2가 될 수 있다.
전압 조절기(1860)에 의해 Vref에는 참조 전압 3.3V가 입력될 수 있다.
Vin2이 Vref보다 크므로, 비교기(1870)는 Vdd인 3.3V를 출력할 수 있다. 따라서, 스위치부(1840)(즉, 스위치부(1840)의 2 개의 스위치들(1842, 1844))는 턴 오프 상태가 될 수 있다.
스위치부(1840)(즉, 스위치부(1840)의 2 개의 스위치들(1842, 1844))는 턴 오프 상태가 됨에 따라, 정류기(1820)에는 입력되는 전력이 없을 수 있다. 따라서, 캐패시터(1825)에 축적된 전력이 소비됨에 따라, Vin1은 10V이하로 떨어질 수 있다. Vin1이 일정 전압을 넘지 않게 됨으로써 정류기(1820) 등이 보호될 수 있다. 이후, Vin1가 10V 이하로 떨어지면, 0V의 스위치 제어 신호가 출력될 수 있고, 스위치부(1840)(즉, 스위치부(1840)의 2 개의 스위치들(1842, 1844))는 다시 턴 온될 수다.
따라서, 완전 충전 상태에서는 상술된 것과 같은 턴 오프 및 턴 온 동작이 반복될 수 있다.
도 21은 일 실시예에 따른 완전 충전 모드 시 무선 전력 송신단 및 무선 전력 수신단의 동작을 설명한다.
도 21은 부하(1890)의 완전 충전 상태를 감지하는 방법 및 무선 전력 송신단(2100) 및 무선 전력 수신단(1800)의 통신을 통해 무선 전력 송신단(2100)의 전력을 차단하는 방법을 설명하는 블록도를 개시한다.
무선 전력 송신단(2100)은 신호 생성기(2110), 스위치(2120), 파워 앰프(2130), 소스 공진기(2140), 통신/제어부(2150)를 포함할 수 있다.
신호 생성기(2110) 무선 전력 송신을 위한 신호를 생성할 수 있다.
스위치(2120)는 신호 생성기(2110) 및 파워 앰프(2130)를 연결 또는 분리할 수 있다.
파워 앰프(2130)는 신호 생성기(2110)에 의해 생성된 신호를 증폭하여 증폭된 신호를 생성할 수 있다.
소스 공진기(2140)는 증폭된 신호를 공진을 통해 무선 전력 수신단(1800)의 타겟 공진기(2160)에게 전달할 수 있다.
통신/제어부(2150)는 무선 전력 수신단(1800)의 통신/제어부(2170)로부터 전송된 신호에 기반하여 스위치(2120)를 제어할 수 있다. 통신/제어부(2150)는 마이크로 제어 유닛(Micro Controller Unit; MCU)일 수 있다.
무선 전력 수신단(1800)은 타겟 공진기(2160) 및 통신/제어부(2170)를 더 포함할 수 있다. 타겟 공진기(2160)는 매칭 회로를 포함할 수 있다.
타겟 공진기(2160)는 무선 전력 송신측(2100)이 전송한 전력을 수신하여 신호를 생성할 수 있다.
통신/제어부(2150)는 보호부(1850)로부터 스위치 제어 신호를 수신할 수 있다. 통신/제어부(2150)는 수신된 스위치 제어 신호에 기반하여 타겟 공진기(2160)에게 신호를 송신하는 무선 전력 송신단(2100)(예컨대, 무선 전력 송신단(2100)의 통신/제어부(2150))에게 전력 송신 중지 신호를 전송할 수 있다. 전력 송신 중지 신호는 전력의 송신을 중지할 것을 요청하는 신호일 수 있다.
부하(1890)가 완전 충전 상태가 되어, 부하(1890)의 임피던스가 완전 충전(full charging) 임피던스인 지속적으로 수 kΩ으로 유지되면, Vin1은 10V보다 더 크게 될 수 있다. 따라서, 보호부(1850)는 3.3V의 고 제어 전압을 갖는 스위치 제어 신호를 생성함으로써 스위치부(1840)의 2 개의 스위치들(1842, 1844)을 턴 오프시킬 수 있다.
2 개의 스위치들(1842, 1844)이 턴 오프 되면, 정류기(1820)로의 전력 공급이 차단될 수 있고, 캐패시터(1825) 내에 축적된 전력이 소비됨에 따라 Vin1은 10V보다 더 작아질 수 있다. Vin1이 10V보다 작아지면, 보호부(1850)는 0V의 저 제어 전압을 갖는 스위치 제어 신호를 생성하고, 상기의 스위치 제어 신호에 의해 스위치부(1840)의 2 개의 스위치들(1842, 1844)이 턴 온될 수 있다.
전술된 턴 오프 및 턴 온 과정이 반복되면서, 완전 충전 영역(full charging area)에서는, 낮음(low) 및 높음(high)을 반복하는 스위치 제어 신호의 제어 전압의 출력 파형이 생성될 수 있다.
전술된 것과 같이, 스위치 제어 신호의 제어 전압이 낮음 및 높음을 반복하여 변동하면, 통신/제어부(2150)는 변동들의 횟수를 카운트(count)할 수 있다.
카운트된 횟수가 N(N은 1 이상의 정수)이 되면, 통신/제어부(2150)는 무선 전력 수신단(1800)이 완전 충전 상태가 되었음을 인식할 수 있고, 무선 전력 송신단(2100)에게 전력 송신 중지 신호를 송신할 수 있다.
즉, 통신/제어부(2150)는 수신된 스위치 제어 신호가 부하(1890)가 충전 중임을 나타내는 신호(예컨대, 0V의 저 제어 전압)및 부하(1890)가 완전 충전되었음을 나타내는 신호(예컨대, 3.3V의 고 제어 전압)로 N 번 변동하면 전력 송신 중지 신호를 전송할 수 있다.
무선 전력 송신단(2100)이 전력 송신을 중지하면, 충전이 완료될 수 있다.
상기의 N의 값은 실험을 통해 임의로 설정될 수 있다.
무선 전력 송신단(2100) 및 무선 전력 수신단(1800)은 '전력 공급 주파수 및 통신 주파수가 일치하는 인밴드(inband) 통신' 및 '전력 공급 주파수 및 통신 주파수가 일치하지 않는 아웃밴드(outband) 통신' 양자를 모두 사용할 수 있다.
통신/제어부(2150)가 N 회의 변동을 카운트하여 완전 충전 상태를 인식하는 방법이 사용됨으로써, 1) 충전 초기의 일시(transient) 영역에서 보호부(1850)가 동작(즉, 2 개의 스위치들(1842, 1844)을 턴 오프하는 스위치 제어 신호를 출력)한 경우 및 2) 순간적인 서지(surge) 전압 등에 인해 일시적으로 보호부(1850)가 동작한 경우는 완전 충전으로 인식되지 않을 수 있으며, 무선 전력 송신단(2100)은 지속적으로 전력을 송신할 수 있다.
전술된 것처럼, 무선 전력 수신단(1800)은 제어 전압의 낮음 및 높음이 N 번 변환되는 것을 카운트하여 완전 충전을 감지한다. 따라서, 무선 전력 수신단(1800)은 완전 충전을 1) 일시 구간에서의 제어 전압의 변환 및 2) 순간적인 서지 전압에 의한 제어 전압과 확연히 구분할 수 있다. 무선 전력 수신단(1800)은 완전 충전을 감지하기 위해 전류 센서(current sensor) 등을 별도로 사용하지 않을 수 있다.
배터리(1100)가 완전 충전된 경우, 통신을 통해 무선 전력 송신단(2100)의 전력 송신을 중지함으로써 무선 충전 동작이 완료될 수 있다. 따라서, 무선 전력 송신단(2100)도 보호될 수 있다.
이러한 무선 전력 수신단(1800)은 간단한 회로를 추가함으로써, 기존에 사용되고 있는 PCM(1120)을 갖는 배터리(1100)에 그래도 적용될 수 있으며, 보호 회로의 역할 및 완전 충전 감지의 역할을 동시에 수행할 수 있다.
도 22는 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 방법의 흐름도이다.
단계(2210)에서, 스위치부(1840)는 스위치 제어 신호에 따라 타겟 공진기(2160)에 의해 수신된 신호를 정류기(1820)로 제공하거나 타겟 공진기(2160)에 의해 수신된 신호를 정류기(1820)로부터 차단할 수 있다.
단계(2220)에서, 정류기(1820)가 타겟 공진기(2160)에 의해 수신된 신호를 정류하여 정류된 신호를 출력 단으로 출력할 수 있다.
정류기(1825)의 출력 단은 캐패시터(1825)의 일 단과 연결될 수 있다. 캐패시터(1825)의 다른 일 단은 그라운드와 연결될 수 있다.
단계(2230)에서, 정류기(1820)의 출력 단 및 부하(1890)에 연결된 DC/DC 변환기(1830)는 정류된 신호를 변환하여 변환된 전력을 생성할 수 있고, 변환된 전력을 부하(1890)에게 제공할 수 있다.
단계(2240)에서, 보호부(1850)는 정류된 신호의 전압에 기반하여 스위치부(1840)를 도통 또는 오픈시키는 스위치 제어 신호를 출력할 수 있다.
단계(2240)는 단계들(2242, 2244, 2246 및 2248)을 포함할 수 있다.
단계(2242)에서, 전압 조절기(1850)는 변환된 전압을 조절하여 제1 비교기 입력 신호를 생성할 수 있다.
단계(2244)에서, 분압기(1881)는 정류된 전류를 분압함으로써 제2 비교기 입력 신호를 생성할 수 있다.
단계(2246)에서, 비교기(1870)는 제1 비교기 입력 신호 및 제2 비교기 입력 신호를 비교함으로써 출력 단을 통해 비교기 출력 신호를 출력할 수 있다.
단계(2248)에서, 저항 회로(1885)는 비교기 출력 신호에 기초하여 스위치부(1840)가 도통 또는 오픈하도록 제어하는 스위치 제어 신호를 생성한다.
단계(2250)에서, 통신/제어부(2170)는 보호부(1850)로부터 스위치 제어 신호를 수신하여 수신된 스위치 제어 신호에 기반하여 공진기(2160)에게 신호를 송신하는 무선 전력 송신측(2100)에게 전력 송신 중지 신호를 전송할 수 있다.
단계(2250)는 단계들(2252, 2254 및 2256)을 포함할 수 있다.
단계(2252)에서, 통신/제어부(2170)는 수신된 스위치 제어 신호가 부하(1890)가 충전 중임을 나타내는 신호 및 부하(1890)가 완전 충전되었음을 나타내는 신호로 변동한 횟수를 카운트할 수 있다.
단계(2254)에서, 통신/제어부(2170)는 카운트된 변동한 횟수가 N 이상인지 검사할 수 있다.
단계(2256)에서, 변동한 횟수가 N(또는, N 이상)인 경우, 통신/제어부(2170)는 무선 전력 송신측(2100)에게 전력 송신 중지 신호를 전송할 수 있다.
앞서 도 1 내지 도 21를 참조하여 설명된 일 실시예에 따른 기술 적 내용들이 본 실시예에도 그대로 적용될 수 있다. 따라서 보다 상세한 설명은 이하 생략하기로 한다.
앞서 도 1 내지 도 22를 참조하여 설명된 일 실시예에 따른 기술 적 내용들은 전력 레벨에 무관하게 임의의 공진 방식의 무선 전력 수신단에 적용될 수 있다. 예컨대, 도 1 내지 도 22를 참조하여 설명된 일 실시예에 따른 기술 적 내용들은 높은 레벨의 전력을 사용하는 전자 차량에도 적용될 수 있다.
도 23은 일 실시예에 따른 전기 자동차 충전 시스템을 나타낸다.
도 23을 참조하면, 전기 자동차 충전 시스템(2300)은 소스 시스템(2310), 소스 공진기(2320), 타겟 공진기(2330), 타겟 시스템(2340) 및 전기 자동차용 배터리(2350)을 포함한다.
전기 자동차 충전 시스템(2300)은 도 1의 무선 전력 전송 시스템과 유사한 구조를 가진다. 즉, 전기 자동차 충전 시스템(2300)은 소스 시스템(2310) 및 소스 공진기(2320)로 구성되는 소스를 포함한다. 또한, 전기 자동차 충전 시스템(2300)은 타겟 공진기(2330) 및 타겟 시스템(2340)로 구성되는 타겟을 포함한다.
상술된 소스는 소스 디바이스(110)에 대응할 수 있다. 상술된 타겟은 타겟 디바이스(120)에 대응할 수 있다.
전기 자동차용 배터리(2350)는 타겟 시스템(2340)에 의해 충전 될 수 있다.
전기 자동차 충전 시스템(2300)은 수 KHz~수십 MHz의 공진 주파수를 사용할 수 있다.
소스 시스템(2310)은 충전 차량의 종류, 배터리의 용량, 배터리의 충전 상태에 따라 전력을 생성하고, 생성된 전력을 타겟 시스템(2340)으로 공급할 수 있다.
소스 시스템(2310)은 소스 공진기(2320) 및 타겟 공진기(2330)의 정렬(alignment)를 맞추기 위한 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 소스 시스템(2310)의 제어부는 소스 공진기(2320)와 타겟 공진기(2330)의 alignment가 맞지 않은 경우, 타겟 시스템(2340)으로 메시지를 전송하여 alignment를 제어할 수 있다.
이때, alignment가 맞지 않은 경우란, 타겟 공진기(2330)의 위치가 마그네틱 레조넌스(magnetic resonance)가 최대로 일어나기 위한 위치에 있지 않은 경우 일 수 있다. 즉, 차량이 정확하게 정차되지 않은 경우, 소스 시스템(2310)은 차량의 위치를 조정하도록 유도함으로써, 소스 공진기(2320)와 타겟 공진기(2330)의 alignment가 맞도록 유도할 수 있다.
소스 시스템(2310)과 타겟 시스템(2340)은 통신을 통해, 차량의 식별자를 송수신할 수 있고, 각종 메시지를 주고 받을 수 있다.
도 1 내지 도 22에서 설명된 내용들은 전기 자동차 충전 시스템(2300)에 적용될 수 있다. 다만, 전기 자동차 충전 시스템(2300)은 수 KHz~수십 MHz의 공진 주파수를 사용하고, 전기 자동차용 배터리(2350)를 충전하기 위해 수십 watt이상의 전력 전송을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (15)
- 입력 단 및 출력 단을 포함하며, 상기 입력 단을 통해 수신된 신호를 정류하여 정류된 신호를 출력 단으로 출력하는 정류기;
상기 정류기의 상기 출력 단 및 그라운드와 연결된 캐패시터;
상기 정류기의 상기 출력 단 및 부하에 연결되어 상기 정류된 신호를 변환하여 변환된 전력을 생성하고, 상기 변환된 전력을 상기 부하에게 제공하는 DC/DC 컨버터;
상기 정류기의 상기 입력 단에 연결된 스위치부;
상기 정류된 신호의 전압에 기초하여 생성된 스위치 제어 신호를 통해 상기 스위치부를 제어하는 보호부; 및
상기 스위치 제어 신호의 전압이 하이 상태와 로우 상태를 반복하는 횟수에 기초하여 상기 부하의 충전 상태를 감지하는 제어부
를 포함하는 무선 전력 수신단. - 제1항에 있어서,
상기 보호부는, 상기 정류된 신호의 전압에 기반하여 상기 스위치부를 도통 또는 오픈시키도록 제어하고,
상기 정류된 신호의 전압이 기설정된 임계값보다 크거나 또는 상기 부하가 완전 충전 상태이면 상기 스위치부를 오픈시키도록 제어하는,
무선 전력 수신단. - 제1항에 있어서,
상기 보호부는,
상기 변환된 전력의 전압을 조절함으로써 제1 비교기 입력 신호를 생성하는 전압 조절기;
상기 정류된 신호의 전압을 분압함으로써 제2 비교기 입력 신호를 생성하는 분압기;
상기 제1 비교기 입력 신호 및 상기 제2 비교기 입력 신호를 비교함으로써 비교기 출력 신호를 출력하는 비교기; 및
상기 비교기 출력 신호의 전압에 기초하여 상기 스위치부가 도통 또는 오픈하도록 제어하는 스위치 제어 신호를 출력하는 저항 회로
를 포함하는 무선 전력 수신단. - 제1항에 있어서,
상기 보호부는 상기 정류된 신호의 전압이 임계 값보다 작으면 상기 스위치부를 도통시킴으로써 상기 정류기가 상기 수신된 신호를 입력 받게 하고,
상기 보호부는 상기 정류된 신호의 전압이 상기 임계 값보다 크면 상기 스위치부를 오픈시킴으로써 상기 정류기로부터 상기 수신된 신호를 차단하는, 무선 전력 수신단. - 제1항에 있어서,
상기 스위치부는 PMOS 스위치를 포함하는, 무선 전력 수신단. - 제3항에 있어서,
상기 비교기의 입력 단은,
상기 분압기와 연결되어 상기 제2 비교기 입력 신호를 수신하는 + 입력 단; 및
상기 전압 조절기와 연결되어 상기 제1 비교기 입력 신호를 수신하는 - 입력 단
을 포함하며,
상기 분압기는,
상기 비교기의 상기 + 입력 단 및 상기 정류기의 상기 출력 단과 연결된 제1 저항기; 및
상기 비교기의 상기 + 입력 단 및 상기 그라운드와 연결된 제2 저항기
을 포함하고,
상기 저항 회로는,
상기 스위치부 및 상기 비교기의 상기 출력 단과 연결된 제3 저항기; 및
상기 비교기의 상기 출력 단 및 상기 그라운드와 연결된 제4 저항기
을 포함하는, 무선 전력 수신단. - 제1항에 있어서,
상기 부하가 충전 중일 때, 상기 보호부는 상기 스위치부를 도통시키는 상기 스위치 제어 신호를 출력하고,
상기 부하가 완전 충전되었을 때, 상기 보호부는 상기 스위치부를 오픈시키는 상기 스위치 제어 신호를 출력하는, 무선 전력 수신단. - 제1항에 있어서,
상기 보호부로부터 상기 스위치 제어 신호를 수신하여 수신된 스위치 제어 신호에 기반하여 무선 전력 송신 단에게 전력 송신 중지 신호를 전송하는 통신부
를 더 포함하는, 무선 전력 수신단. - 제8항에 있어서,
상기 통신부는 상기 수신된 스위치 제어 신호가 상기 부하가 충전 중임을 나타내는 신호 및 상기 부하가 완전 충전되었음을 나타내는 신호로 N 번 변동하면 상기 전력 송신 중지 신호를 전송하고, N은 1 이상의 정수인, 무선 전력 수신단. - 스위치부가 스위치 제어 신호에 따라 공진기에 의해 수신된 신호를 정류기로 제공하거나 상기 공진기에 의해 상기 수신된 신호를 상기 정류기로부터 차단하는 단계;
상기 정류기가 상기 공진기에 의해 수신된 신호를 정류하여 정류된 신호를 출력 단으로 출력하는 단계 - 상기 정류기의 상기 출력 단은 캐패시터의 일 단과 연결됨, 상기 캐패시터의 다른 일 단은 그라운드와 연결됨 -;
상기 정류기의 상기 출력 단 및 부하에 연결된 DC/DC 컨버터가 상기 정류된 신호를 변환하여 변환된 전력을 생성하고, 상기 변환된 전력을 상기 부하에게 제공하는 단계;
보호부가 상기 정류된 신호의 전압에 기반하여 상기 스위치부를 도통 또는 오픈시키는 상기 스위치 제어 신호를 출력하는 단계; 및
상기 스위치 제어 신호의 전압이 하이 상태와 로우 상태를 반복하는 횟수에 기초하여 상기 부하의 충전 상태를 감지하는 단계
를 포함하는, 무선 전력 수신 방법. - 제10항에 있어서,
상기 스위치 제어 신호를 출력하는 단계는,
상기 정류된 신호의 전압이 기설정된 임계값보다 크거나 또는 상기 부하가 완전 충전 상태이면 상기 스위치부를 오픈시키는 스위치 제어신호를 출력하는 단계를 포함하는,
무선 전력 수신 방법. - 제10항에 있어서,
상기 스위치 제어 신호를 출력하는 단계는,
전압 조절기가 상기 변환된 전력의 전압을 조절하여 제1 비교기 입력 신호를 생성하는 단계;
분압기가 정류된 전류를 분압함으로써 제2 비교기 입력 신호를 생성하는 단계;
상기 비교기가 상기 제1 비교기 입력 신호 및 상기 제2 비교기 입력 신호를 비교함으로써 출력 단을 통해 비교기 출력 신호를 출력하는 단계; 및
저항 회로가 상기 비교기 출력 신호에 기초하여 상기 스위치부가 도통 또는 오픈하도록 제어하는 스위치 제어 신호를 생성하는 단계를 포함하는,
무선 전력 수신 방법. - 제10항에 있어서,
상기 보호부로부터 상기 스위치 제어 신호를 수신하여 수신된 상기 스위치 제어 신호에 기반하여 상기 공진기에게 신호를 송신하는 무선 전력 송신 측에게 전력 송신 중지 신호를 전송하는 단계
를 더 포함하는, 무선 전력 수신 방법. - 제13항에 있어서,
상기 전력 송신 중지 신호를 전송하는 단계는,
상기 수신된 스위치 제어 신호가 상기 부하가 충전 중임을 나타내는 신호 및 상기 부하가 완전 충전되었음을 나타내는 신호로 변동한 횟수를 카운트하는 단계; 및
상기 변동한 횟수가 N일 경우 상기 무선 전력 송신측에게 상기 전력 송신 중지 신호를 전송하는 단계
를 포함하고, N은 1 이상의 정수인, 무선 전력 수신 방법. - 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항의 무선 전력 수신 방법을 수행하는 프로그램을 수록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20110046278 | 2011-05-17 | ||
| KR1020110046278 | 2011-05-17 | ||
| KR1020110049243 | 2011-05-24 | ||
| KR20110049243 | 2011-05-24 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020120033957A Division KR20120128547A (ko) | 2011-05-17 | 2012-04-02 | 무선 전력 전송 시스템의 전력 수신단을 보호하기 위한 장치 및 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20140130085A KR20140130085A (ko) | 2014-11-07 |
| KR101585397B1 true KR101585397B1 (ko) | 2016-01-21 |
Family
ID=52455182
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020140133129A KR101585397B1 (ko) | 2011-05-17 | 2014-10-02 | 무선 전력 전송 시스템의 전력 수신단을 보호하기 위한 장치 및 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101585397B1 (ko) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20170009204A (ko) | 2015-07-16 | 2017-01-25 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | 간접급전방식 공진형 무선전력전송의 자기결합 조정이 가능한 슬릿 그라운드 형성방법 |
| WO2020242990A1 (en) * | 2019-05-24 | 2020-12-03 | Witricity Corporation | Protection circuits for wireless power receivers |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008236815A (ja) * | 2007-03-16 | 2008-10-02 | Toko Inc | 非接触電力伝送装置 |
| US20110053500A1 (en) * | 2009-09-02 | 2011-03-03 | Qualcomm Incorporated | De-tuning in wireless power reception |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR19980062207U (ko) * | 1997-03-31 | 1998-11-16 | 윤종용 | 과전압 차단제어장치 |
| US6169648B1 (en) * | 1999-04-09 | 2001-01-02 | Texas Instruments Incorporated | Electronic motor protection system |
-
2014
- 2014-10-02 KR KR1020140133129A patent/KR101585397B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008236815A (ja) * | 2007-03-16 | 2008-10-02 | Toko Inc | 非接触電力伝送装置 |
| US20110053500A1 (en) * | 2009-09-02 | 2011-03-03 | Qualcomm Incorporated | De-tuning in wireless power reception |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20140130085A (ko) | 2014-11-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101750415B1 (ko) | 정류기를 보호하는 보호기, 상기 보호기를 포함하는 무선전력 수신 장치 | |
| KR101813262B1 (ko) | 히스테리시스를 사용하여 과전압, 과전류 및 과온도로부터 무선-커플된 전력 장치들을 보호하는 장치 및 방법 | |
| US9444247B2 (en) | Apparatus and method of protecting power receiver of wireless power transmission system | |
| KR101971998B1 (ko) | 무선 전력 전송 장치 및 방법 | |
| KR101428161B1 (ko) | 무선전력 수신장치 및 그의 전력 제어 방법 | |
| KR101813129B1 (ko) | 무선 전력 송수신 시스템 | |
| KR101817194B1 (ko) | 태양전지 모듈을 이용한 무선 전력 전송 시스템 | |
| US9583963B2 (en) | Apparatus and method of matching in a source-target structure | |
| KR101926009B1 (ko) | 무선 전력을 송수신하는 전자 기기 및 방법 | |
| KR101897160B1 (ko) | 무전 전력 전송 시스템에서 무선 전력을 분배하는 장치 및 방법 | |
| KR101322843B1 (ko) | 전력 수신단을 사용한 무선 전력 전송을 위한 장치 및 방법 | |
| KR101930805B1 (ko) | 무선 전력 수신 장치 및 방법 | |
| KR102000525B1 (ko) | 무선 전력을 이용한 인 밴드 데이터 통신 시스템 | |
| KR101374691B1 (ko) | 무선 전력 전송 장치 및 방법 | |
| KR101382213B1 (ko) | 무선 전력 전송 장치 및 방법, 무선 전력 수신 장치 | |
| US20160254695A1 (en) | Robot cleaning system and control method having wireless electric power charge function | |
| KR101809466B1 (ko) | 고효율 가변전력 송수신 장치 및 방법 | |
| KR20120126333A (ko) | 무선 전력 전송 시스템, 무선 전력 전송 시스템의 공진 임피던스 및 공진 주파수의 제어 방법 | |
| KR20140085727A (ko) | 무선 전력 전송 시스템의 공진 장치 및 방법 | |
| KR101968615B1 (ko) | 근거리 무선 통신 및 무선 전력 전송을 사용하기 위한 장치 및 방법 | |
| KR20120102316A (ko) | 무선 전력 송수신 시스템 | |
| KR101985815B1 (ko) | 무선전력 수신 장치, 무선전력 수신 장치에서 무선전력 수신을 제어하는 방법 및 그 장치 | |
| KR101585397B1 (ko) | 무선 전력 전송 시스템의 전력 수신단을 보호하기 위한 장치 및 방법 | |
| KR101835125B1 (ko) | 무선전력 수신장치 및 그의 전력 제어 방법 | |
| KR20120128547A (ko) | 무선 전력 전송 시스템의 전력 수신단을 보호하기 위한 장치 및 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A107 | Divisional application of patent | ||
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |