KR101623838B1 - 전력 수신장치 및 무선전력 전송시스템 - Google Patents

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Abstract

무선전력 송수신시스템이 개시된다. 본 무선전력 송수신시스템은, 전원을 공명파로 변환하여 송신하는 전력 송신장치, 및, 송신된 공명파를 수신하고, 공명파의 주파수에 임피던스 매칭된 병렬 공진형 정류 회로를 이용하여 공명파를 직류 전원으로 변환하는 전력 수신장치를 포함한다.

Description

전력 수신장치 및 무선전력 전송시스템{POWER RECIVEING APPARATUS AND WIRELESS POWER TRANSIVER}
본 발명은 전력 수신장치 및 무선전력 송수신시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고주파로 동작하는 정류 회로 내의 기생 인덕터에 따른 임피던스를 용량성 소자를 이용하여 조절함으로써 전력 전달 효율을 증가할 수 있는 전력 수신장치 및 무선전력 송수신시스템에 관한 것이다.
최근 IT 기술이 발전함에 따라 다양한 휴대용 전자제품이 출시되고 있으며, 이와 같이 다양한 휴대용 전자제품이 출시됨에 따라 사용자가 휴대하고 다니는 휴대 전자제품의 수량이 급증하고 있다.
그러나, 이와 같은 휴대용 전자제품은 내장된 2차 전지에 의해 동작한다는 점에서, 용이하게 휴대용 전자제품을 충전할 수 있는 방법이 연구중이다. 특히, 최근에는 전선을 사용하지않고 전자기 공명방식을 이용하여 전력을 공급할 수 있는 무선전력전송기술(wireless power transmission)에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
이와 같은 연구에 따라, 최근에는 전자기 공명 방식에 적용되는 공진기의 효율을 80% 이상으로 설계 가능하게 되었지만, 회로 부분의 효율이 낮아 전체 무선전력 송수신시스템의 전체 효율은 낮았다.
구체적으로, 종래의 무선전력전송방식에서는 전파정류 회로(Full Wave Rectifier)를 이용하여 무선 전송된 전력을 정류하였으나, 전자기 공명방식을 이용하기 위해서는 수 MHz에서 회로가 동작되어야 한다는 점에서, 종래의 일반적인 정류 회로로는 높은 전송 효율을 갖기 어려운 문제점이 있었다.
보다 구체적으로, 종래의 정류 회로는 다이오드를 이용하여 정류를 수행하나, 다이오드의 경우 고주파 구동시 기생성분 즉, 기생 인덕터에 의하여 임피던스가 커지게 되고, 이로 인해 고주파 교류 입력 전압을 제대로 정류하지 못하게 된다. 특히나 정류되지 못한 교류 성분은 손실로 발생하기 때문에, 무선전력 송수신시스템의 전체 효율도 떨어지게 된다는 문제점이 있었다.
또한, 정류 회로의 출력단에 연결되는 부하가 최대 부하에서 최소 부하로 변화되는 경우, 기생 성분과 부하에 의해 특성 임피던스가 변화하여, 정류되는 전압의 크기 역시 변화하게 된다는 문제점이 있었다. 특히나, 공진형 방식의 경우 부하가 작아지면 정류되는 전압이 커지게 된다는 점에서, 정류 회로 후단에 DC/DC 컨버터가 연결되는 경우, DC/DC 컨버터의 부담이 커지게 되어 더더욱 효율이 저하되는 문제점도 있었다.
따라서, 무선전력 송수신시스템의 효율을 개선하기 위한 정류 회로가 요구되었으며, 부하가 변동되더라도 정류된 출력 전압의 크기가 일정하게 출력할 수 있는 정류 회로가 요구되었다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 고주파로 동작하는 정류 회로 내의 기생 인덕터에 따른 임피던스를 용량성 소자를 이용하여 조절함으로써 전력 전달 효율을 증가할 수 있는 전력 수신장치 및 무선전력 송수신시스템을 제공하는 데 있다.
또한, 부하의 크기가 변동되더라도 정류 회로의 출력 전압을 일정하게 유지할 수 있는 전력 수신장치 및 무선전력 송수신시스템을 제공하는 데 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 송수신시스템은, 전원을 공명파로 변환하여 송신하는 전력 송신장치, 및, 상기 송신된 공명파를 수신하고, 상기 공명파의 주파수에 임피던스 매칭된 병렬 공진형 정류 회로를 이용하여 상기 공명파를 직류 전원으로 변환하는 전력 수신장치를 포함한다.
이 경우, 상기 전력 수신장치는, 상기 송신된 공명파를 수신하는 수신 공진기, 및, 상기 수신된 공명파를 직류전원으로 변환하고, 상기 공명파의 주파수에 임피던스 매칭된 병렬 공진형 정류 회로를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 병렬 공진형 정류 회로는, 애노드(anode)가 상기 수신 공진기의 일 단에 연결되며, 캐소드(cathode)가 제1 출력 노드에 연결되는 제1 다이오드, 캐소드가 상기 수신 공진기의 일 단에 연결되면, 애노드가 제2 출력 노드에 연결되는 제2 다이오드, 일 단이 상기 수신 공진기의 타 단에 연결되며, 타 단이 상기 제1 출력 노드에 연결되는 제1 용량성 소자부, 및, 일 단이 상기 수신 공진기의 타 단에 연결되며, 타 단이 상기 제2 출력 노드에 연결되는 제2 용량성 소자부를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 전력 수신장치는, 상기 제1 출력 노드 및 제2 출력 노드에 병렬 연결된 평활 회로를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 전력 수신장치는, 상기 제1 출력 노드 및 상기 제2 출력 노드에 병렬 연결된 부하 크기에 따라 상기 전력 수신장치의 특성 임피던스가 조정되도록 상기 제1 용량성 소자부 및 제2 용량성 소자부의 커패시턴스를 조정하는 조정부를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 용량성 소자부는, 커패시터, 가변 커패시터 및 '직렬 연결된 가변 커패시터와 스위치소자'가 복수개 병렬 연결된 회로 중 적어도 하나일 수 있다.
한편, 상기 전력 송신장치는, 전원을 공급하는 전원부, 및, 상기 공급된 전원을 공명파로 변환하여 상기 전력 수신장치에 송신하는 송신 공진기를 포함할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 전력 수신장치는, 외부에서 송신된 공명파를 수신하는 수신 공진기, 상기 수신된 공명파를 직류 전원으로 변환하고, 상기 공명파의 주파수에 임피던스 매칭된 병렬 공진형 정류 회로, 및, 상기 정류된 직류 전원을 소비하는 부하부를 포함한다.
이 경우, 상기 병렬 공진형 정류 회로는, 애노드(anode)가 상기 수신 공진기의 일 단에 연결되며, 캐소드(cathode)가 제1 출력 노드에 연결되는 제1 다이오드, 캐소드가 상기 수신 공진기의 일 단에 연결되며, 애노드가 제2 출력 노드에 연결되는 제2 다이오드, 일 단이 상기 수신 공진기의 타 단에 연결되며, 타 단이 상기 제1 출력 노드에 연결되는 제1 용량성 소자부, 및, 일 단이 상기 수신 공진기의 타 단에 연결되며, 타 단이 상기 제2 출력 노드에 연결되는 제2 용량성 소자부를 포함할 수 있다.
이 경우, 본 전력 수신장치는, 상기 제1 출력 노드 및 제2 출력 노드에 병렬 연결된 평활 회로를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 본 전력 수신장치는, 상기 부하부의 부하 크기에 따라 상기 전력 수신장치의 특성 임피던스가 조정되도록 상기 제1 용량성 소자부 및 제2 용량성 소자부의 커패시턴스를 조정하는 조정부를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 용량성 소자부는, 커패시터, 가변 커패시터 및 '직렬 연결된 가변 커패시터와 스위치소자'가 복수개 병렬 연결된 회로 중 적어도 하나인 것이 바람직하다.
한편, 상기 무선전력 수신장치는, 디스플레이 장치와 무선 통신을 수행하는 리모컨 및 3D 안경 중 적어도 하나일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 송수신시스템을 도시한 도면,
도 2는 도 1의 전력 송신장치의 구체적인 구성을 도시한 블록도,
도 3은 도 1의 전력 수신장치의 구체적인 구성을 도시한 블록도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 송수신시스템의 회로도,
도 5는 고주파 동작시 다이오드의 등가 회로,
도 6은 교류 전원의 반주기 동안의 다이오드 등가 회로를 반영한 전력 수신장치의 회로도,
도 7은 도 6에 도시된 회로도의 등가 회로,
도 8은 본 실시예에 따른 전력 수신장치의 전압 이득 곡선,
도 9는 본 실시예에 따른 전력 수신장치의 주파수에 따른 정류된 전압을 도시한 도면, 그리고,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 수신장치의 회로도이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 송수신시스템을 도시한 블록도이다.
도 1을 참고하면, 무선전력 송수신시스템(1000)은 전력 송신장치(100) 및 전력 수신장치(200)를 포함한다. 도시된 바와 같이 전력 송신장치(100)는 TV, 전자액자 등과 같은 디스플레이 장치일 수 있으며, 전력 수신장치(200)는 3D 안경(200-1), 리모컨(200-2) 등과 같은 디스플레이 장치와 무선 통신을 수행하는 장치일 수 있다.
전력 송신장치(100)는 전원을 공명파로 변환하여 송신할 수 있다. 전력 송신장치(100)의 구체적인 구성 및 동작에 대해서는 도 2를 참고하여 후술한다.
전력 수신장치(200)는 전력 송신장치(100)와 근거리에 위치되면, 전력 송신장치(100)에서 생성된 공명파를 이용하여 무선으로 전력을 공급받을 수 있다. 전력 수신장치(200)의 구체적인 구성 및 동작에 대해서는 도 3을 참고하여 후술한다.
도 1을 설명함에 있어서, 전력 수신장치(200)가 전력 송신장치(100)와 근거리에 위치되어 동작하는 것만을 설명하였지만, 전력 수신장치(200)는 2차 전지를 구비하여 전력 송신장치(100)와 근거리에 위치하는 경우, 공급된 공명파를 이용하여 2차 전지를 충전하고, 원거리에서 2차 전지에 충전된 전원을 이용하여 동작하는 형태로도 구현될 수 있다. 또한, 전력 송신장치(100)가 전력 수신장치(200)와 무선 통신을 수행할 수 있는 장치로 설명하였지만, 전력 송신장치(100)는 전력 수신장치(200)에 전원만을 공급하는 크래들로 구현될 수도 있다.
도 2는 도 1의 전력 송신장치(100)의 구체적인 구성을 도시한 블록도이다. 도 2를 참고하면, 전력 송신장치(100)는 전원부(110), 송신 공진기(120), 감지부(130) 및 제어부(140)로 구성될 수 있다.
전원부(110)는 후술할 제어부(140)의 제어에 의해 전력 송신장치(100)의 각 구성에 전원을 제공한다. 구체적으로, 전원부(110)는 전력 송신장치(100)의 외부에서 공급되는 전원을 입력받아 전력 송신장치(100) 내의 각 구성에 필요한 전압으로 입력된 전원을 변환하고, 변환된 전원을 각 구성에 공급할 수 있다.
송신 공진기(120)는 공급된 전원을 공명파로 변환하여 전력 수신장치(200)에 송신한다. 여기서 공명파는 특정 공진 주파수를 갖는 전자기파를 의미하며, 1㎒ 내지 10㎒의 공진 주파수를 가질 수 있다.
구체적으로, 송신 공진기(120)는 인덕터(L)와 커패시터(C)로 구성된 특정 공진 주파수를 갖는 공진 회로이다. 송신 공진기(120)는 전원부(110)에서 공급된 전원을 통해 액티베이션(activation)되고, 송신 공진기(120)는 전력 수신장치(100) 내의 수신 공진기(210)가 공진을 일으킬 수 있도록 특정 공진 주파수를 가지는 공명파를 생성할 수 있다. 수신 공진기(210)는 송신 공진기(120)에 의해 생성된 공명파를 통해 무선으로 전력을 공급받을 수 있게 된다.
감지부(130)는 기설정된 범위 내에 전력 수신장치(200)가 존재하는지를 감지한다. 구체적으로, 감지부(130)는 RF 통신, 블루투스와 같은 무선 통신 방식 또는 웹 카메라 등과 같은 감지 센서를 통하여 기설정된 범위 내에 전력 수신장치(200)가 존재하는지를 감지할 수 있다.
제어부(140)는 전력 송신장치(100) 내의 각 구성을 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(140)는 전력 수신장치(200)가 전력 송신장치(100)의 기설정된 범위 내에 위치한 것으로 감지되면, 특정 공진 주파수를 가지는 공명파가 생성되도록 전원부(110) 및 송신 공진기(120)를 제어할 수 있다.
한편, 구현시에 제어부(140)는 전력 수신장치(200)로부터 전력 전송 요청이 수신된 경우에만 공명파가 생성하도록 할 수 있다. 구체적으로, 제어부(140)는 기설정된 범위 내에 전력 수신장치(200)가 위치하더라도, 전력 수신장치(200)로부터 전력 전송 요청이 감지부(130)를 통하여 수신한 경우에만 공명파가 생성되도록 전원부(110) 및 송신 공진기(120)를 제어할 수 있다.
도 3은 도 1의 전력 수신장치(200)의 구체적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 3을 참고하면, 전력 수신장치(200)는 수신 공진기(210), 병렬 공진형 정류 회로(220), 평활 회로(230), 부하부(240) 및 조정부(250)로 구성될 수 있다.
수신 공진기(210)는 외부에서 송신된 공명파를 수신한다. 구체적으로, 수신 공진기(210)는 전력 송신장치(100)에서 생성된 공명파를 수신하여 교류 전원을 생성할 수 있다.
병렬 공진형 정류 회로(220)는 수신 공진기(210)에서 생성된 교류 전원을 직류 전원으로 정류할 수 있다. 구체적으로, 병렬 공진형 정류 회로(220)는 2개의 다이오드(221, 222)와 2개의 용량성 소자부(223, 224)를 H-브리지 형태로 배치하여 구현할 수 있다. 이에 대한 구체적인 회로 구성은 도 4를 참고하여 후술한다.
한편, 병렬 공진형 정류 회로(220) 내의 용량성 소자부(223, 224)는 전력 수신장치(200) 내의 특성 임피던스를 조정할 수 있다. 구체적으로, 용량성 소자부(223, 224) 고주파 동작시 다이오드(221, 222)의 기생 인덕턴스에 의해 발생되는 임피던스를 제거할 수 있도록 용량성을 갖는다. 이때 용량성 소자부(223, 224)는 전력 수신장치(200) 내의 임피던스가 임피던스 매칭될 수 있는 커패시턴스 값을 가질 수 있다. 한편, 용량성 소자부(223, 224)는 커패시터, 가변 커패시터, '병렬 연결된 가변 커패시터와 스위치 소자'가 복수개 직렬 연결된 회로, '직렬 연결된 가변 커패시터와 스위치 소자'가 복수개 병렬 연결된 회로 등으로 구현될 수 있다.
평활 회로(230)는 병렬 공진형 정류 회로(220)에서 정류된 전원을 평활할 수 있다. 구체적으로, 평활 회로(230)는 병렬 공진형 정류 회로(220)의 출력단에 병렬 연결되며, 병렬 공진형 정류 회로(220)의 출력 전원에 대한 평활을 수행할 수 있다.
부하부(240)는 정류된 직류 전원을 소비한다. 구체적으로, 부하부(240)는 병렬 공진형 정류 회로(220) 및 평활 회로(230)를 통하여 직류로 변환된 전원을 입력받으며, 전력 수신장치(200)의 기능을 수행한다. 구현시에 부하부(240)는 2차 전지를 포함할 수 있으며, 정류된 직류 전원을 이용하여 2차 전지를 충전할 수 있다.
조정부(250)는 병렬 공진형 정류 회로(220)의 출력단의 전압 크기가 일정하게 유지되도록 할 수 있다. 구체적으로, 조정부(250)는 부하부(240)의 부하 크기를 측정하고, 측정된 부하 크기에 따라 용량성 소자부(223, 224)의 커패시턴스를 조정하여 병렬 공진형 정류 회로(200)의 출력단 전압이 일정하게 유지되도록 할 수 있다. 조정부(250)의 구체적인 동작에 대해서는 도 10을 참고하여 후술한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선전력 송수신시스템의 회로도이다.
도 4를 참고하면, 전력 송신장치(100)는 전원부(110), 송신 공진기(120)를 포함하며, 전력을 무선으로 송신하기 위하여 공명파를 생성할 수 있다. 전력 송신장치(100)의 구체적인 동작에 대해서는 도 2와 관련하여 앞서 설명하였는바 중복 설명은 생략한다.
도 4에 도시된 전력 수신장치(200)는 수신 공진기(210), 병렬 공진형 정류 회로(220), 평활 회로(230) 및 부하부(240)로 구성된다.
수신 공진기(210)는 송신 공진기(120)에서 생성되는 공명파를 수신하며, 수신된 공명파에 대응하여 교류 전원을 생성한다.
평활 회로(230)는 제1 출력 노드 및 제2 출력 노드의 양단에 병렬 연결된 용량성 소자로 구현되며, 병렬 공진형 정류 회로(220)의 정류된 전원을 평활할 수 있다.
병렬 공진형 정류 회로(220)는 수신된 공명파에 의하여 생성된 교류 전원을 수신 공진기(210)로부터 수신하고, 수신된 교류 전원을 직류 전원으로 정류한다. 구체적으로, 병렬 공진형 정류 회로(220)는 2개의 다이오드(221, 222) 및 2개의 용량성 소자부(223, 224)로 구성된다.
제1 다이오드(221)는 애노드(anode)가 수신 공진기(210)의 일 단에 연결되며, 캐소드(cathode)가 제1 출력 노드에 연결된다. 여기서 제1 출력 노드는 제1 다이오드(221)의 캐소드, 제1 용량성 소자부(243)의 일 단이 만나는 노드로 정류된 전원을 출력하는 노드이다.
제2 다이오드(222)는 캐소드가 수신 공진기(210)의 일 단에 연결되면, 애노드가 제2 출력 노드에 연결된다. 여기서, 제2 출력 노드는 제2 다이오드(222)의 애노드, 제2 용량성 소자부(244)의 애노드가 만나는 노드로, 정류된 전원을 출력하는 노드이다.
제1 용량성 소자부(223)는 일 단이 수신 공진기(210)의 타 단에 연결되며, 타 단이 제1 출력 노드에 연결된다. 구체적으로, 제1 용량성 소자부(223)는 커패시터로 구현될 수 있다. 구현시에는 도 10에 도시된 바와 같이 '직렬 연결된 커패시터 및 스위치 소자'가 복수개 연결된 회로로 구현할 수도 있다.
제2 용량성 소자부(224)는 일 단이 수신 공진기(210)의 타 단에 연결되며, 타 단이 제2 출력 노드에 연결된다. 구체적으로, 제2 용량성 소자부(224)는 커패시터로 구현될 수 있다.
한편, 다이오드는 양단의 전압 값에 따라 단락되거나 개방되는 회로 소자로, 이상적으로는 양단의 전압이 기설정된 값 이상이면 전력소비 없이 전류를 전달하고, 양단의 전압이 기설정된 값 이하이면 단락되는 것이 바람직하다.
그러나 실제 다이오드는 기생 인덕터, 기생 커패시터, 기생 저항을 가지며, 이와 같은 기생 성분을 반영한 다이오드는 도 5에 도시된 바와 같이 모델화될 수 있다.
구체적으로, 모델화된 다이오드는 기생 인덕터(11), 기생 저항(12), 기생커패시터(13), 이상적인 다이오드(14)로 구성된다. 통상적으로 기생 성분의 그 값들은 매우 작은 값을 갖기 때문에, 회로가 저주파수로 동작시에는 이와 같은 기생 선분들을 고려하지 않아도 문제가 발생하지 않는다. 그러나, 인덕터 및 커패시터는 동작 주파수에 따라 임피던스 값이 변화하게 된다는 점에서, 고주파수 동작시에는 무시하지 못할 정도의 임피던스 값을 갖게 된다. 특히나, 상술한 바와 같이 전력 수신장치(200) 내의 정류 회로는 수 ㎒ 주파수를 갖는 교류 전원을 정류하여야 하다는 점에서, 다이오드 내에 포함되는 기생 인덕터에 의한 임피던스는 제거되어야 한다.
따라서, 본 실시 예에서는 다이오드 내의 기생 인덕턴스에 의한 임피던스를 제거하기 위하여, 용량성을 갖는 용량성 소자부(223, 224)를 이용하여 전력 수신장치(200)의 특성 임피던스를 조정할 수 있다.
용량성 소자부(223, 224)를 이용하여 전력 수신장치(200)의 특성 임피던스를 조정하는 구체적인 동작에 대해서는 도 6 내지 도 9를 참고하여 후술한다.
도 6은 교류 전원의 반주기 동안의 다이오드 등가 회로를 반영한 전력 수신장치의 회로도이다. 구체적으로, 수신 공진기(210)에서 생성된 교류 전원이 0도 내지 180도 위상을 갖는 경우, 제1 다이오드(221)에 대한 모델화된 다이오드는 기생 인덕터만이 회로에 영향을 미치고(이상적인 다이오드(14)가 단락), 제2 다이오드(222)에 대한 모델화된 다이오드는 기생 인덕터와 기생 커패시터가 회로에 영향을 미친다(이상적인 다이오드(14)가 개방). 한편, 저항은 주파수에 따라 그 크기가 변화되지 않는다는 점에서, 설명의 편의를 위하여 기생 저항은 도 5에 도시하지 않았다.
도 6에 도시된 각종 인덕터 및 커패시터를 정리하면 도 7에 도시된 바와 같은 등가 회로로 표시할 수 있다.
도 7에 도시된 등가 회로를 이용하여 수신 공진기(210)에서 생성된 전압값 대비 출력단의 출력 전압값을 구하면 다음과 같은 수학식 1과 같다.
Figure 112010019809787-pat00001
여기서, ωo는 도 6에 도시된 등가 회로의 공진 주파수이고, ω는 공명파의 공진 주파수로,
Figure 112010019809787-pat00002
이고,
Figure 112010019809787-pat00003
이고,
Figure 112010019809787-pat00004
이다.
이와 같은 수식을 이용하여 전압 이득 곡선을 그리면 도 8과 같다.
도 8은 본 실시예에 따른 전력 수신장치의 전압 이득 곡선이다.
도 8을 참고하면, 전력 수신장치(200)의 공진 주파수(ωo)와 수신 공진기(210)에서 생성된 교류 전압의 주파수(ω)가 동일한 경우 최대 이득을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 그리고, 부하 즉 로드 저항과 공진 탱크의 비(Q-factor)인 특성 임피던스의 비에 따라 출력 이득 곡선은 변화게 됨을 확인할 수 있다. 그리고, 수학식1과 관련하여 기재하였듯이 공진 탱크의 비(Q-factor) 및 전력 수신장치(200)의 공진 주파수(ωo)는 용량성 소자부(230)의 커패시턴스를 이용하여 조정할 수 있는바, 설계자는 시스템의 요구되는 조건에 따라 용량성 소자부(230)의 커패시턴스 크기를 조절하여 전력 수신장치를 구현할 수 있다. 구체적으로, 시스템이 부하의 크기 변화에 둔감한 이득이 요구되는 경우, 도 8의 영역 1 또는 영역 2를 이용할 수 있다. 영역 1을 이용하는 경우에는 수신된 전압의 첨두치보다 큰 전압을 얻을 수 있으며, 영역 2를 이용하는 경우에는 낮은 전압을 얻을 수 있다.
도 9는 본 실시예에 따른 전력 수신장치의 주파수 변화에 따른 정류된 전압의 크기를 도시한 도면이다. 구체적으로, 도 9는 도 4에 도시된 전력 수신장치를 아래의 표 1에 기재한 바와 같은 값을 이용하여 실험한 데이터이다.
소스 주파수 1㎒~10㎒
생성된 교류 전압 10sinωt
기생 인덕턴스(Lpara) 8nH
CM1, CM2 4.7nF
상술한 값을 이용하는 경우 수신 공진기(210)에서 생성되는 교류 전원의 주파수가 1MHz에서 10MHz의 범위에서, 전력 수신장치(100)의 공진 주파수는 대략 13MHz을 갖게 된다. 즉, 도 8에 도시된 영역 1을 이용하게 된다. 구체적으로, 도 9를 참고하면 교류 전원의 주파수가 전력 수신장치(100)의 공진 주파수와 같아질수록 높은 출력값을 갖게 됨을 확인할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전력 수신장치의 회로도이다.
도 4 및 도 10을 비교하여보면, 용량성 소자부가 복수의 커패시터와 복수의 스위치 소자로 구현됨을 확인할 수 있다.
구체적으로, 용량성 소자부(223, 224)를 복수의 커패시터와 복수의 스위치 소자로 구현하였는바, 용량성 소자부(223, 224)는 복수의 스위치 소자의 연결 상태에 따라 다른 커패시턴스 값을 가질 수 있게 된다. 도 10에는 '직렬 연결된 커패시터와 스위치 소자'를 4개 병렬 연결하여 용량성 소자부를 구현하는 실시예에 대해서 도시하였지만, 구현시에는 직렬 연결된 커패시터와 스위치 소자회로를 4개 이상 또는 4개 이하로 구현할 수 있으며, '병렬 연결된 커패시터와 스위치 소자'를 직렬 연결하여 구현할 수도 있다.
이와 같이 용량성 소자부(230)가 다양한 커패시턴스 값을 갖도록 구현함으로써, 조정부(250)는 부하 상태에 따라 용량성 소자부(223, 224)의 커패시턴스 값을 조정하여, 병렬 공진형 정류 회로의 출력 전압이 일정하게 유지되도록 할 수 있다. 구체적으로, 앞서 설명한 바와 같이 용량성 소자부(223, 224)의 커패시턴스 값이 변경함에 따라 특성 임피던스 값이 변화하는바, 이를 이용하여 조정부(250)는 병렬 공진형 정류 회로(220)의 출력 전압이 일정하게 유지되도록 조정할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 전력 수신장치(200)는 부하가 변경되어도 부하 변경에 대응하여 특성 임피던스를 변경하여 출력 전압값을 유지할 수 있게 된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어 져서는 안 될 것이다.
1000: 무선전력 송수신시스템 100: 전력 송신장치
110: 전원부 120: 송신 공진기
200: 전력 수신장치 210: 수신 공진기
220: 병렬 공진형 정류 회로 230: 평활 회로
240: 부하부 250: 조정부

Claims (13)

  1. 무선전력 송수신시스템에 있어서,
    전원을 공명파로 변환하여 송신하는 전력 송신장치; 및
    상기 공명파를 수신하여 직류 전원을 생성하는 전력 수신장치;를 포함하며,
    상기 전력 수신장치는,
    상기 전력 송신장치로부터 송신된 공명파를 수신하여 교류 전원을 생성하는 수신 공진기;
    상기 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 전력 수신장치의 특성 임피던스를 조정하는 병렬 공진형 정류회로; 및
    상기 병렬 공진형 정류회로의 제1 및 제2 출력 노드 사이에 접속되어 상기 직류 전원을 소비하는 부하부;를 포함하며,
    상기 병렬 공진형 정류회로는,
    상기 제1 및 제2 출력 노드 사이에 직렬로 연결되어 상기 부하부에 병렬로 연결되는 제1 및 제2 다이오드 및 상기 제1 및 제2 출력 노드 사이에 직렬로 접속되어 상기 부하부에 병렬로 연결되는 제1 및 제2 용량성 소자부;를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 용량성 소자부는,
    상기 제1 및 제2 다이오드의 기생 임피던스를 제거할 수 있는 커패시턴스 값을 갖는 것을 특징으로 하는 무선전력 송수신시스템
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 다이오드의 애노드(anode)가 상기 수신 공진기의 일 단에 연결되고, 상기 제1 다이오드의 캐소드(cathode)가 제1 출력 노드에 연결되며,
    상기 제2 다이오드의 캐소드가 상기 수신 공진기의 일 단에 연결되고, 상기 제2 다이오드의 애노드가 제2 출력 노드에 연결되며,
    상기 제1 용량성 소자부의 일 단이 상기 수신 공진기의 타 단에 연결되고, 상기 제1 용량성 소자부의 타 단이 상기 제1 출력 노드에 연결되며,
    상기 제2 용량성 소자부의 일 단이 상기 수신 공진기의 타 단에 연결되고, 타 단이 상기 제2 출력 노드에 연결되는 것을 특징으로 하는 무선전력 송수신시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전력 수신장치는,
    상기 제1 출력 노드 및 제2 출력 노드에 병렬 연결된 평활 회로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송수신시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전력 수신장치는,
    상기 부하부의 부하 크기에 따라 상기 전력 수신장치의 특성 임피던스가 조정되도록 상기 제1 용량성 소자부 및 상기 제2 용량성 소자부의 커패시턴스를 조정하는 조정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송수신시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 용량성 소자부 각각은,
    커패시터, 가변 커패시터, 병렬 연결된 가변 커패시터와 스위치 소자가 복수개 직렬 연결된 회로 및 직렬 연결된 가변 커패시터와 스위치 소자가 복수개 병렬 연결된 회로 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 무선전력 송수신시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전력 송신장치는,
    전원을 공급하는 전원부; 및
    상기 공급된 전원을 공명파로 변환하여 상기 전력 수신장치에 송신하는 송신 공진기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송수신시스템.
  8. 전력 수신장치에 있어서,
    외부에서 송신된 공명파를 수신하여 교류 전원을 생성하는 수신 공진기;
    상기 교류 전원을 직류 전원으로 변환하고, 상기 전력 수신장치의 특성 임피던스를 조정하는 병렬 공진형 정류 회로; 및
    상기 병렬 공진형 정류회로의 제1 및 제2 출력 노드 사이에 연결되어 상기 직류 전원을 소비하는 부하부;를 포함하며,
    상기 병렬 공진형 정류회로는,
    상기 제1 및 제2 출력 노드 사이에 직렬로 연결되어 상기 부하부에 병렬로 연결되는 제1 및 제2 다이오드; 및
    상기 제1 및 제2 출력 노드 사이에 직렬로 접속되어 상기 부하부에 병렬로 연결되는 제1 및 제2 용량성 소자부;를 포함하며,
    상기 제1 및 제2 용량성 소자부는,
    상기 제1 및 제2 다이오드의 기생 임피던스를 제거할 수 있는 커패시턴스 값을 갖는 것을 특징으로 하는 전력 수신장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 병렬 공진형 정류 회로는,
    상기 제1 다이오드의 애노드(anode)가 상기 수신 공진기의 일 단에 연결되며, 상기 제1 다이오드의 캐소드(cathode)가 제1 출력 노드에 연결되며,
    상기 제2 다이오드의 캐소드가 상기 수신 공진기의 일 단에 연결되며, 상기 제2 다이오드의 애노드가 제2 출력 노드에 연결되며,
    상기 제1 용량성 소자부의 일 단이 상기 수신 공진기의 타 단에 연결되며, 상기 제1 용량성 소자부의 타 단이 상기 제1 출력 노드에 연결되며,
    상기 제2 용량성 소자부의 일 단이 상기 수신 공진기의 타 단에 연결되며, 상기 제2 용량성 소자부의 타 단이 상기 제2 출력 노드에 연결되는 전력 수신장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 출력 노드 및 제2 출력 노드에 병렬 연결된 평활 회로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 수신장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 부하부의 부하 크기에 따라 상기 전력 수신장치의 특성 임피던스가 조정되도록 상기 제1 용량성 소자부 및 상기 제2 용량성 소자부의 커패시턴스를 조정하는 조정부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 수신장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 용량성 소자부는,
    커패시터, 가변 커패시터 및 '직렬 연결된 가변 커패시터와 스위치소자'가 복수개 병렬 연결된 회로 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 전력 수신장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 전력 수신장치는, 디스플레이 장치와 무선 통신을 수행하는 리모컨 및 3D 안경 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 전력 수신장치.
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