KR101672527B1

KR101672527B1 - 전원 공급 장치

Info

Publication number: KR101672527B1
Application number: KR1020150085384A
Authority: KR
Inventors: 정인화; 성재석; 김희욱
Original assignee: 주식회사 솔루엠
Priority date: 2015-06-16
Filing date: 2015-06-16
Publication date: 2016-11-04

Abstract

본 발명의 일 기술적 측면에 따른 전원 공급 장치는, 상용 교류 전원을 입력받고, 상기 상용 교류 전원을 변압하는 압전 변압부, 상기 압전 변압부의 출력을 직류 전압으로 변환하는 교류 직류 변환부 및 상기 교류 직류 변환부에서 출력된 전압을 부하 전압으로 변환하는 직류 직류 변환부를 포함할 수 있다. 상기 압전 변압부의 출력은 상기 상용 교류 전원과 서로 전기적으로 절연될 수 있다.

Description

전원 공급 장치{POWER SUPPLYING APPARATUS}

본 발명은 전원 공급 장치에 관한 것이다.

전자제품의 소형화 추세에 따라, 전원 공급 장치에도 소형화의 요구가 발생하고 있다.

그러나, 종래의 전원 공급 장치의 경우, EMI(Electro Magnetic Interference), 인버터 회로 등을 필수적으로 이용하여야 하므로, 소형화에 한계가 존재한다.

이에 따라, 압전 변압기를 이용하는 전원 공급 기술이 개발되었으나, 종래의 압전 변압기를 이용하는 기술들은 여전히 EMI(Electro Magnetic Interference), 인버터 회로 등을 필수적으로 이용하여야 하므로, 소형화에 한계가 존재하는 문제가 있다.

한국 공개특허공보 제2006-0101969호 한국 공개특허공보 제2010-0066078호

본 발명에 따른 일 실시형태의 목적은, 소형화된 박형의 전원 공급 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 일 기술적 측면은 전원 공급 장치의 일 실시예를 제안한다. 상기 전원 공급 장치의 일 실시예는, 상용 교류 전원을 입력받고, 상기 상용 교류 전원을 변압하는 압전 변압부, 상기 압전 변압부의 출력을 직류 전압으로 변환하는 교류 직류 변환부 및 상기 교류 직류 변환부에서 출력된 전압을 부하 전압으로 변환하는 직류 직류 변환부를 포함할 수 있다. 상기 압전 변압부의 출력은 상기 상용 교류 전원과 서로 전기적으로 절연될 수 있다.

본 발명의 다른 일 기술적 측면은 전원 공급 장치의 다른 일 실시예를 제안한다. 상기 전원 공급 장치의 다른 일 실시예는, 상용 교류 전원으로부터 제1 운동 에너지를 생성하고, 상기 제1 운동 에너지에 의하여 유발된 제2 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 압전 변압부, 상기 압전 변압부의 출력을 정류하는 정류기, 상기 정류기의 출력을 축전하는 링크 커패시터 및 상기 링크 커패시터에 축전된 전하를 부하 전압으로 변환하는 직류 직류 변환부를 포함할 수 있다.

상기한 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 과제 해결을 위한 다양한 수단들은 이하의 상세한 설명의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 전원 공급 장치는 소형화 및 박형의 요구를 만족시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시형태에 따른 무선 전력 송신 장치는 별도의 EMI(Electro Magnetic Interference) 회로 없이도 전자파의 영향을 차단할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치를 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 다른 전원 공급 장치를 설명하는 블록 회로도이다.
도 3은 압전 변압부의 일 실시예를 도시하는 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 압전 변압부의 단면도이다.
도 5는 압전 변압부의 다른 일 실시예를 도시하는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 압전 변압부의 단면도이다.
도 7은 압전 변압부의 주파수에 대한 출력 전압 이득을 도시하는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.

그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치를 도시하는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 전원 공급 장치(100)는 압전 변압부(110), 교류 직류 변환부(120) 및 직류 직류 변환부(130)를 포함할 수 있다.

압전 변압부(110)는 상용 교류 전원을 입력받고, 상용 교류 전원을 변압할 수 있다. 압전 변압부(110)의 출력은 상용 교류 전원과 서로 전기적으로 절연될 수 있다.

즉, 압전 변압부(110)는 상용 교류 전원을 직접 입력 받고, 상용 교류 전원과 전기적으로 절연된, 변압된 교류 전압을 출력할 수 있다. 따라서, 압전 변압부(110)에 의하여 상용 교류 전원에 대한 절연이 이루어지므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 공급 장치(100)는 상용 교류 전원에 대한 별도의 EMI(Electro Magnetic Interference) 회로가 필요하지 않다.

일 실시예에서, 압전 변압부(110)는 상용 교류 전원으로부터 제1 운동 에너지를 생성하고, 제1 운동 에너지에 의하여 유발된 제2 운동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다. 제1 운동 에너지의 크기에 대한 제2 운동 에너지의 크기의 비율은, 압전 변압부(110)의 변압 비율을 결정하는 일 요소이다. 또한 제2 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 변환 효율 또한 압전 변압부(110)의 변압 비율을 결정하는 일 요소이다.

교류 직류 변환부(120)는 압전 변압부(110)의 출력을 직류 전압으로 변환할 수 있다. 압전 변압부(110)는 상용 교류 전원보다 작은 크기의 전원을 출력하므로, 교류 직류 변환부(120)에서 요구되는 처리 전압의 크기가 작아진다. 따라서, 교류 직류 변환부(120)의 소형화를 이룰 수 있다. 이에 대해서는 도 7을 참조하여 이하에서 보다 상세히 설명한다.

직류 직류 변환부(130)는 교류 직류 변환부(120)에서 출력된 전압을 부하 전압으로 변환할 수 있다.

일 실시예에서, 직류 직류 변환부(130)는 비절연형 직류 직류 컨버터일 수 있다. 이는, 압전 변압부(110)에서 전기적인 절연 처리가 이루어지므로, 직류 직류 변환부(130)는 절연에 대한 처리가 요구되지 않기 때문이다. 따라서, 절연형 직류 직류 컨버터보다 상대적으로 간단한 구조를 가지는 비절연형 직류 직류 컨버터로도 적용이 가능하여, 전원 공급 장치(100)의 크기를 소형화할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 다른 전원 공급 장치를 설명하는 블록 회로도이다.

도 2를 참조하면, 전원 공급 장치(100)는 압전 변압부(110), 교류 직류 변환부(120), 직류 직류 변환부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다

압전 변압부(110)는 입력 압전층과 출력 압전층을 포함하는 압전 변압기일 수 있다. 압전 변압부(110)의 입력측으로는 상용 교류 전원이 인가되고, 출력은 교류 직류 변환부(120)에 제공될 수 있다.

교류 직류 변환부(120)는 정류기(121)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라, 교류 직류 변환부(120)는 링크 커패시터(C)를 더 포함할 수 있다.

정류기(121)는 압전 변압부(110)의 출력을 정류할 수 있다.

링크 커패시터(C)는 정류기(121)의 출력을 축전 할 수 있다.

직류 직류 변환부(130)는 링크 커패시터(C)에 축전된 전하를 이용하여 출력 전압(이하, 이를 '부하 전압'이라 함)으로 변환할 수 있다. 일 실시예에서, 직류 직류 변환부(130)는 스위치의 스위칭 동작에 따라 출력 전압을 제공하는 다양한 종류의 직류 직류 컨버터로 구성될 수 있다.

제어부(140)는 직류 직류 변환부(130)의 스위칭 동작을 제어하여, 직류 직류 변환부(130)의 동작을 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 제어부(140)는 부하 전압(Vo)을 검출하여 직류 직류 변환부(130)의 동작을 피드백 제어할 수 있다.

제어부(140)는 다양한 제어 동작을 수행할 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 부하에서 제공된 정보를 기반으로 부하 전압의 크기를 조절할 수도 있다.

이하에서는 도 3 내지 도 6을 참조하여, 도 1 및 도 2에서 상술한 압전 변압부에 대하여 설명한다.

도 3은 압전 변압부의 일 실시예를 도시하는 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 압전 변압부의 단면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 압전 변압부(110)는 압전효과(Piezoelectric Effect)를 이용한 변압기(Transformer)로서, 2 개의 분리된 압전층(10, 20)을 포함한다.

도 3의 예에서, 상용 교류 전원이 입력되는 제1 압전층(10)을 입력 압전층으로, 그 외의 압전층(20)을 출력 압전층으로 설명하나, 이는 예시적인 것으로서 제1 압전층(10)이 출력 압전층이 될 수도 있다.

입력 압전층(10)은 제1 방향으로 적층된 복수의 압전층(13)과, 입력 전극들(11, 12)를 포함할 수 있다. 입력 전극들(11, 12)은 입력 전압을 인가하기 위해 입력 압전소자(13)의 표면에 각각 형성될 수 있다.

출력 압전층(20)는 제2 방향으로 적층된 복수의 압전층(23)과, 출력 전극들(21, 22)을 포함할 수 있다. 출력 전극들(21, 22)은 출력 전압을 출력하기 위해 출력 압전층(23)의 양 표면에 각각 형성될 수 있다.

복수의 압전층(13, 23) 내에는 교차로 내부전극(미도시)이 형성될 수 있고, 이러한 내부전극은 극성에 따라 각각 입력 전극 또는 출력 전극들에 연결될 수 있다.

입력 압전층(10)과 출력 압전층(20)의 분극 방향은 서로 다를 수 있다. 도시된 예에서는 입력 압전층(10)의 분극 방향은 두께 방향으로 형성되고, 출력 압전층(20)의 분극 방향은 길이 방향으로 형성되어 있다.

입력 압전층(10)에 상용 교류 전원이 인가되면 입력 압전층(10)은 제1 운동 에너지를 발생시킬 수 있고, 출력 압전층(20)은 이러한 입력 압전층(10)의 제1 운동 에너지로부터 유발된 제2 운동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 출력할 수 있다.

상술한 예를 들면, 입력 압전층(10)의 분극 방향은 두께 방향이므로 상용 교류 전원이 인가되면 입력 압전층(10)은 두께 방향으로 진동(제1 운동 에너지)할 수 있다. 이러한 진동에 의하여 출력 압전층(20)은 길이 방향의 진동(제2 운동 에너지)이 유발될 수 있으며, 이러한 길이 방향의 진동을 전기 에너지로 변환하여 출력할 수 있다.

절연층(40)은 입력 압전층(10)과 출력 압전층(20) 사이에서 형성되어, 입력 압전층(10)과 출력 압전층(20)을 서로 전기적으로 절연시킬 수 있다.

절연층(40)은 절연성을 갖는 재질로서 다양한 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 절연층(40)은 절연성이 높은 세라믹 재질로 형성될 수 있다. 또는 절연층(40)은 수지 재질의 시트(sheet) 또는 필름(film) 형태로 형성될 수 있다.

다른 예를 들어, 절연층(40)은 절연성을 가지며, 동시에 연성을 갖는 박막 필름이 이용될 수 있다. 이는, 세라믹 재질로 절연층(40)을 형성하는 경우, 진동에 의한 피로도가 증가하게 되어 절연층(40)에 균열이 발생하거나 파손될 수 있기 때문이다. 또는 세라믹 재질의 강성으로 인해 입력 압전층(10)의 진동이 출력 압전층(20)로 원활하게 전달되지 않을 수 있기 때문이다.

일 실시예에서, 절연층(40)의 내부에는 적어도 하나의 중공이 형성될 수 있다. 중공은 공기가 채워지거나, 진공 상태인 빈 공간으로 형성되므로, 중공을 통해 입력 압전층(10)와 출력 압전층(20)가 서로 전기적으로 분리될 수 있다. 중공이 형성된 절연층(40)은 중공이 없는 경우보다 실제적인 부피가 매우 감소되며, 최소한의 면적으로 입력 압전층(10)의 진동의 감쇄를 최소화하면서 효율적으로 출력 압전층(20)로 진동을 전달할 수 있다.

도 5는 압전 변압부의 다른 일 실시예를 도시하는 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 압전 변압부의 단면도이다.

도 5 및 도 6에 도시된 압전 변압기(110)는 적층형 압전 변압기이다.

압전 변압기(110)는, 도 3 및 도 4를 참조하여 상술한 바와 유사하게, 2개의 분리된 압전층(10, 20)과, 압전층 사이에 위치하는 절연층(40)을 포함할 수 있다. 다만, 도 3 및 도 4의 실시예와 달리, 본 실시예에 따른 압전 변압기(110)는 입력 압전층(10)과 출력 압전층(20)가 동일한 방향으로 적층될 수 있다.

즉, 도시된 예의 경우, 입력 압전층(10)은 복수의 압전층이 높이 방향으로 적층되어 형성되고, 출력 압전층(20) 또한 복수의 압전층이 높이 방향으로 적층되어 형성될 수 있다. 실시예에 따라, 입력 압전층(10)과 출력 압전층(20)은 높이 방향이 아닌 다른 제1 방향으로 적층되어 형성 될 수 있다.

입력 압전층(10)는 제1 방향으로 적층된 복수의 압전층(13)과, 입력 전극들(11, 12)를 포함할 수 있다. 입력 전극들(11, 12)은 입력 전압을 인가하기 위해 입력 압전소자(13)의 표면에 각각 형성될 수 있다.

입력 전극들(11, 12)은 외부 단자와 연결하기 위한 소정의 돌출 단자(미도시)가 형성될 수 있다.

출력 압전층(20)는 제1 방향으로 적층된 복수의 압전층(23)과, 출력 전극들(21, 22)을 포함할 수 있다. 출력 전극들(21, 22)은 출력 전압을 출력하기 위해 출력 압전소자(23)의 표면에 각각 형성될 수 있다.

입력 압전층(10)에 상용 교류 전원이 인가되면 입력 압전층(10)은 상하 방향으로 발생하는 진동(제1 운동 에너지)를 발생시킬 수 있고, 출력 압전층(20)은 이러한 제1 운동 에너지로부터 유발된 출력 압전층(20)의 상하 방향의 진동(제2 운동 에너지)를 이용하여 전기 에너지를 출력할 수 있다.

본 실시예에서는, 입력 압전층(10)과 출력 압전층(20)의 진동 방향이 동일하므로, 제1 운동 에너지에 대한 제2 운동 에너지의 효율이 보다 높아지는 효과를 가진다.

절연층(40)에 대해서는 도 3 및 도 4를 참조하여 상술한 바로부터 쉽게 이해할 수 있다.

도 7은 압전 변압부의 주파수에 대한 출력 전압 이득을 도시하는 그래프이다.

도 7에 도시된 압전 변압부는 상용 교류 전원에 해당하는 주파수, 즉, 50Hz 내지 60Hz의 주파수에서 0.05 내지 0.2의 전압 이득을 가질 수 있다.

따라서, 압전 변압부의 출력은 상용 교류 전원보다 작은 크기의 전압을 출력하게 되므로, 압전 변압부의 후단, 즉 정류기(도 1 또는 도 2에 도시됨)의 입력 전압의 크기가 작아진다. 따라서, 정류기를 소형화할 수 있다.

또한, 도시된 바와 같이, 압전 변압부는 200kHz 정도의 주파수를 공진 주파수로 가질 수 있고 또한, 압전 변압부는 상용 교류 전원의 주파수의 1배 내지 5배에 해당하는 공진 주파수를 가질 수 있다. 상용 교류 전원과 공진 주파수의 차이에 따라, 압전 변압부의 출력이 과도하게 커지지 않도록 함으로써, 압전 변압부의 파손을 방지하고 또한 압전 변압부 후단의 회로 크기를 작게 유지할 수 있도록 하여 전체적인 전압 공급 장치의 소형화를 이룰 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : 전원 공급 장치
110 : 압전 변압부
120 : 교류 직류 변환부
121 : 정류기
130 : 직류 직류 변환부
140 : 제어부
10 : 입력 압전층
11, 12 : 입력 전극
13 : 복수의 압전층
20 : 출력 압전층
21, 22 : 출력 전극
23 : 복수의 압전층
40 : 절연층

Claims

상용 교류 전원을 입력받고, 상기 상용 교류 전원을 변압하는 압전 변압부;
상기 압전 변압부의 출력을 직류 전압으로 변환하는 교류 직류 변환부; 및
상기 교류 직류 변환부에서 출력된 전압을 부하 전압으로 변환하는 직류 직류 변환부; 를 포함하고,
상기 압전 변압부의 출력은 상기 상용 교류 전원과 서로 전기적으로 절연된 전원 공급 장치.
제1항에 있어서, 상기 압전 변압부는
50Hz 내지 60Hz의 주파수에서 0.05 내지 0.2의 전압 이득을 가지는 전원 공급 장치.
제1항에 있어서, 상기 압전 변압부는
상기 상용 교류 전원의 주파수의 1배 내지 5배에 해당하는 공진 주파수를 가지는 전원 공급 장치.
제1항에 있어서, 상기 압전 변압부는
복수의 압전층이 제1 방향으로 적층되어 형성된 입력 압전층;
복수의 압전층이 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 적층되어 형성된 출력 압전층; 및
상기 입력 압전층과 상기 출력 압전층을 서로 전기적으로 절연시키는 절연층; 을 포함하는 전원 공급 장치.
제4항에 있어서, 상기 입력 압전층은
상기 상용 교류 전원을 상기 제1 방향의 제1 진동으로 변환하는 전원 공급 장치.
제5항에 있어서, 상기 출력 압전층은
상기 제1 방향의 제1 진동에 의하여 유발된, 상기 제2 방향의 제2 진동을 전기 에너지로 변환하는 전원 공급 장치.
제1항에 있어서, 상기 압전 변압부는
복수의 압전층이 제1 방향으로 적층되어 형성된 입력 압전층;
복수의 압전층이 상기 제1 방향으로 적층되어 형성된 출력 압전층; 및
상기 입력 압전층과 상기 출력 압전층을 서로 전기적으로 절연시키는 절연층; 을 포함하는 전원 공급 장치.
제7항에 있어서, 상기 입력 압전층은
상기 상용 교류 전원을 상기 제1 방향의 제1 진동으로 변환하는 전원 공급 장치.
제8항에 있어서, 상기 출력 압전층은
상기 제1 방향의 제1 진동에 의하여 유발된, 상기 제1 방향의 제2 진동을 전기 에너지로 변환하는 전원 공급 장치.
제4항에 있어서, 상기 절연층은
공기 또는 진공으로 형성된 적어도 하나의 중공을 포함하는 전원 공급 장치.
제1항에 있어서, 상기 교류 직류 변환부는
상기 압전 변압부의 출력을 정류하는 정류기; 및
상기 정류기의 출력단과 상기 직류 직류 변환부의 입력단 사이에 연결되는 링크 커패시터; 를 포함하는 전원 공급 장치.
상용 교류 전원으로부터 제1 운동 에너지를 생성하고, 상기 제1 운동 에너지에 의하여 유발된 제2 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 압전 변압부;
상기 압전 변압부의 출력을 정류하는 정류기;
상기 정류기의 출력을 축전하는 링크 커패시터; 및
상기 링크 커패시터에 축전된 전하를 부하 전압으로 변환하는 직류 직류 변환부; 를 포함하는 전원 공급 장치.
제12항에 있어서, 상기 압전 변압부는
0.05 내지 0.2의 전압 이득을 가지는 전원 공급 장치.
제12항에 있어서, 상기 압전 변압부는
상기 상용 교류 전원의 주파수의 1배 내지 5배에 해당하는 공진 주파수를 가지는 전원 공급 장치.
제12항에 있어서, 상기 직류 직류 변환부는
비절연형 직류 직류 컨버터를 포함하는 전원 공급 장치.