KR101685371B1 - 전력 전송 시스템 - Google Patents

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타츠야 호소타니
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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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    • H02J7/00711—Regulation of charging or discharging current or voltage with introduction of pulses during the charging process

Abstract

송전 코일(Lp)에 직렬로 접속된 공진 커패시터(Cr)를 포함하는 송전 장치측 공진 회로와, 수전 코일(Ls)에 직렬로 접속된 공진 커패시터(Crs)를 포함하는 수전 장치측 공진 회로를 공명시킴으로써 각각이 공진하고, 그로 인해서 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls) 사이에서 자계 공명 결합과 전계 공명 결합을 이용하여 전력 전송을 실시한다. 공진현상을 이용함으로써 유효전력만을 송전 장치측에서 수전 장치측으로 전송하고, 반사된 무효전력은 송전 장치측과 수전 장치측 각각의 공진 회로에 있어서 공진 에너지로서 보존된다.

Description

전력 전송 시스템{POWER TRANSMISSION SYSTEM}
본 발명은 전력 송전 장치와 전력 수전 장치로 구성되는 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
최근, 전자기기의 소형 경량화 및 저소비 전력화, 또한 전지용량의 증대화에 따라서, 전지구동의 전자기기가 증가하고 있다. 또, 근거리에서는 기기간의 데이터통신을 무선으로 실시하는 이용 형태도 늘어나고 있다. 이러한 사정에 따라 전력에 대해서도 비접촉으로의 전송 기술이 요구되고 있다.
종래의 비접촉형 충전 시스템은, 예를 들면 특허문헌 1에 나타나는 바와 같이 충전대(充電臺) 등에 1차측 코일을 포함하는 송전 장치와, 2차 코일 및 충전 전지를 포함한 휴대 전자기기로 구성되어 있고, 사용자는 휴대 전자기기를 송전 장치에 배치한다. 이로 인해, 송전 장치의 1차측 코일과 휴대 전자기기의 2차측 코일이 전자 유도 결합(자계 결합)하여 충전 장치측으로 전력이 공급되어서 2차 전지가 충전된다.
일본국 공개특허공보 2008-206327호
그러나, 특허문헌 1의 전력 전송 시스템에 있어서는, 송전 코일과 수전 코일은 전자 유도를 이용한 절연 트랜스로서 작용하고, 자기 결합을 이용한 변압기로서 이용하고 있는 것에 지나지 않는다. 전자 유도를 이용한 트랜스에서는 1차 코일에 흐르는 전류에 의해 발생한 자속(磁束)을 2차 코일에 쇄교(鎖交; interlink)시켜서 전류를 흐르게 하고, 전기로부터 자기, 그리고 전기로 효율적으로 변환하는 것이 중요시되고 있다. 일반적으로, 1차 권선(卷線)에 흐르는 전류에 의해 발생한 자속 중, 2차 권선과 쇄교하는 자속의 비율은 (자기) 결합도라고 불리고, 전자 유도를 이용한 트랜스에서는, 전력 변환 효율을 높이기 위해서는 자기 결합도를 어떻게 높일지가 중요시되고 있다. 그러나, 자기포화를 방지하기 위해서, 또는 물리적인 제약에 의해, 트랜스의 자기 결합도를 크게 하는 것이 곤란한 경우도 많아서, 결과적으로 높은 전력 변환 효율이 얻어지지 않는다는 결과가 되고 있다.
또, 일반적으로 전력 전송 시스템에서는 임피던스 매칭을 실시하여 전력을 전송하기 때문에, 제어에 있어서는 동작 주파수를 변화시킨다. 한편, 전자기기에서는 기기마다 사용할 수 있는 주파수 대역이 정해져 있다. 그렇기 때문에, EMC(전자 양립성)나 전송 에너지의 제어성 등을 생각하면 고정 주파수로 동작하는 것이 바람직하다.
본 발명은 장치를 대형화하지 않고 전력 전송시의 전력 변환 효율을 높인 전력 전송 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명의 전력 전송 시스템은 다음과 같이 구성된다.
(1) 송전 코일을 포함한 송전 장치와, 수전 코일을 포함한 수전 장치로 구성되는 전력 전송 시스템에 있어서,
상기 송전 장치는, 상기 송전 코일과 함께 송전 장치측 공진 회로를 구성하는 송전 장치측 공진 커패시터와, 상기 송전 코일에 전기적으로 접속되어서, 스위치 소자, 다이오드 및 커패시터의 병렬 접속 회로로 구성된 스위치 회로, 그리고 입력되는 직류전압으로부터, 상기 송전 코일에 흐르게 하는 교류전류와 비교하여 상대적으로 직류전류로 간주되는 전류원을 생성할 수 있는 크기의 인덕턴스 값을 가지는 인덕터를 포함하고, 상기 송전 코일에 흐르게 하는 교류전류를 발생하는 송전 장치측 교류전류 발생 회로를 포함하고,
상기 수전 장치는, 상기 수전 코일과 함께 수전 장치측 공진 회로를 구성하는 수전 장치측 공진 커패시터와, 상기 수전 코일에 접속되어서, 상기 수전 코일에 생기는 교류전류를 정류(整流)하는 수전 장치측 정류 회로를 포함하고,
상기 송전 코일과 수전 코일 사이에 등가적으로 형성되는 상호 인덕턴스 및 상호 커패시턴스로 전자계 공명(共鳴) 결합 회로가 구성되어서, 상기 송전 장치측 공진 회로와 상기 수전 장치측 공진 회로가 공명하여, 상기 송전 장치에서 상기 수전 장치로 전력이 전송되고,
상기 송전 장치로부터 송전되지 않고 반사된 에너지는 상기 송전 장치측 공진 회로에 공진 에너지로서 보존되고,
상기 수전 장치가 수전한 에너지 중 출력에 공급되지 않고 반사된 에너지는 상기 수전 장치측 공진 회로에 공진 에너지로서 보존되는 것을 특징으로 한다.
(2) 송전 코일을 포함한 송전 장치와, 수전 코일을 포함한 수전 장치로 구성되는 전력 전송 시스템에 있어서,
상기 송전 장치는, 상기 송전 코일과 함께 송전 장치측 공진 회로를 구성하는 송전 장치측 공진 커패시터와, 상기 송전 코일에 전기적으로 접속되어서, 스위치 소자, 다이오드 및 커패시터의 병렬 접속 회로로 구성된 스위치 회로, 그리고 입력되는 직류전압으로부터, 상기 송전 코일에 흐르게 하는 교류전류와 비교하여 상대적으로 직류전류로 간주되는 전류원을 생성할 수 있는 크기의 인덕턴스 값을 가지는 인덕터를 포함하고, 상기 송전 코일에 흐르게 하는 교류전류를 발생하는 송전 장치측 교류전류 발생 회로를 포함하고,
상기 수전 장치는, 상기 수전 코일과 함께 수전 장치측 공진 회로를 구성하는 수전 장치측 공진 커패시터와, 상기 수전 코일에 접속되어서, 상기 수전 코일에 생기는 교류전류를 정류하는 수전 장치측 정류 회로를 포함하고,
상기 송전 코일과 수전 코일 사이에 등가적으로 형성되는 상호 인덕턴스로 자계 공명 결합 회로가 구성되어서, 상기 송전 장치측 공진 회로와 상기 수전 장치측 공진 회로가 공명하여 상기 송전 장치에서 상기 수전 장치로 전력이 전송되고,
상기 송전 장치로부터 송전되지 않고 반사된 에너지는 상기 송전 장치측 공진 회로에 공진 에너지로서 보존되고,
상기 수전 장치가 수전한 에너지 중 출력에 공급되지 않고 반사된 에너지는 상기 수전 장치측 공진 회로에 공진 에너지로서 보존되는 것을 특징으로 한다.
(3) 송전 코일을 포함한 송전 장치와, 수전 코일을 포함한 수전 장치로 구성되는 전력 전송 시스템에 있어서,
상기 송전 장치는, 송전 장치측 공진 커패시터와 함께 송전 장치측 공진 회로를 구성하는 송전 장치측 공진 인덕터와, 상기 송전 코일에 전기적으로 접속되어서, 스위치 소자, 다이오드 및 커패시터의 병렬 접속 회로로 구성된 스위치 회로, 그리고 입력되는 직류전압으로부터, 상기 송전 코일에 흐르게 하는 교류전류와 비교하여 상대적으로 직류전류로 간주되는 전류원을 생성할 수 있는 크기의 인덕턴스 값을 가지는 인덕터를 포함하고, 상기 송전 코일에 흐르게 하는 교류전류를 발생하는 송전 장치측 교류전류 발생 회로를 포함하고,
상기 수전 장치는, 수전 장치측 공진 커패시터와 함께 수전 장치측 공진 회로를 구성하는 수전 장치측 공진 인덕터와, 상기 수전 코일에 접속되어서, 상기 수전 코일에 생기는 교류전류를 정류하는 수전 장치측 정류 회로를 포함하고,
상기 송전 코일과 수전 코일 사이에 등가적으로 형성되는 상호 커패시턴스로 전계 공명 결합 회로가 구성되어서, 상기 송전 장치측 공진 회로와 상기 수전 장치측 공진 회로가 공명하여, 상기 송전 장치에서 상기 수전 장치로 전력이 전송되고,
상기 송전 장치로부터 송전되지 않고 반사된 에너지는 상기 송전 장치측 공진 회로에 공진 에너지로서 보존되고,
상기 수전 장치가 수전한 에너지 중 출력에 공급되지 않고 반사된 에너지는 상기 수전 장치측 공진 회로에 공진 에너지로서 보존되는 것을 특징으로 한다.
(4) 상기 수전 장치는, 상기 수전 장치측 정류 회로의 출력 정보를 검출하여 상기 송전 장치측에 상기 출력 정보를 전송하는 정보 송신 회로를 포함하고,
상기 송전 장치는, 상기 출력 정보를 수신하는 출력 정보 수신 회로와, 상기 출력 정보에 따라서 상기 송전 장치측 교류전류 발생 회로를 제어하여 전송 전력을 제어하는 전송 전력 제어 회로를 포함하는 것이 바람직하다.
(5) 예를 들면, 상기 정보 송신 회로는 무선통신으로 상기 출력 정보를 송신하는 회로이며,
상기 출력 정보 수신 회로는 무선통신으로 상기 출력 정보를 수신하는 회로이다.
(6) 또 예를 들면, 상기 정보 송신 회로는 전기신호를 광신호로 변환하여 상기 출력 정보를 송신하는 회로이며,
상기 출력 정보 수신 회로는 광신호를 전기신호로 변환하여 상기 출력 정보를 수신하는 회로이다.
(7) 예를 들면, 상기 송전 장치측 교류전류 발생 회로는, 스위치 회로를 온/오프하는 스위칭 주파수를 변화시키는 주파수 제어 PFM(Pulse Frequency Modulation)에 의해 전송 전력을 제어하도록 구성해도 된다.
(8) 또 예를 들면, 상기 송전 장치측 교류전류 발생 회로는, 스위치 회로를 고정 스위칭 주파수에서 온/오프하여, 시간 비율을 제어하는 PWM(Pulse Width Modulation)에 의해 공명 전류의 파형을 이상적인 정현파(正弦波)에 대하여 변형시킴으로써 전송 전력을 제어하도록 구성해도 된다.
(9) 상기 수전 장치측 정류 회로는 스위치 소자를 포함한 동기(同期) 정류 회로인 것이 바람직하다.
(10) 상기 수전 장치는, 상기 동기 정류 회로의 동작 주파수(스위칭 주파수)를 제어하는 동작 주파수 제어 회로를 포함하고, 상기 동작 주파수에 의해 수전 전력을 제어하도록 구성하는 것이 바람직하다.
(11) 상기 수전 장치는, 상기 수전 장치측의 회로를 제어하는 제어 회로를 포함하고, 상기 제어 회로는 상기 수전 장치가 수전한 전력에 의해 동작하도록 구성하는 것이 바람직하다.
(12) 상기 수전 장치측 정류 회로의 출력부에서 전력이 전송될 때, 상기 수전 장치측 정류 회로는 상기 송전 장치측 교류전류 발생 회로로서 작용함과 동시에, 상기 송전 장치측 교류전류 발생 회로는 상기 수전 장치측 정류 회로로서 작용하고, 그로 인해서 쌍방향으로 전력 전송이 가능한 것이 바람직하다.
(13) 상기 송전 코일 또는 상기 수전 코일에 대하여 병렬로 공진 커패시터를 포함하고 있는 것이 바람직하다.
(14) 상기 공진 커패시터는 상기 송전 코일과 상기 수전 코일 사이에 형성되는 전계 공명에 의한 등가적인 커패시턴스가 되는 부유(浮遊) 용량으로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
(15) 상기 공진 커패시터는 상기 송전 코일과 상기 수전 코일 사이에 형성되는 등가적인 상호 커패시턴스로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
(16) 예를 들면, 상기 송전 코일 및 상기 수전 코일은 공심(空心; air-core)의 인덕터이다.
(17) 상기 상호 인덕턴스는, 상기 송전 코일과 상기 수전 코일 사이에 형성되는 자계 공명 결합에 의해 생기는 등가적인 여자(勵磁; magnetization) 인덕턴스인 것이 바람직하다.
(18) 상기 송전 코일 혹은 상기 수전 코일의 인덕턴스 성분 중, 공명 결합에 관여하지 않는 누설 인덕턴스를 상기 송전 장치측 공진 회로 또는 상기 수전 장치측 공진 회로를 구성하는 인덕터로서 이용하는 것이 바람직하다.
(19) 상기 송전 장치측 교류전류 발생 회로는, 상기 송전 코일과 상기 스위치 회로를 각각 복수 포함하고, 상기 송전 코일과 상기 스위치 회로가 각각 전기적으로 접속되어서 구성되고, 상기 복수의 스위치 회로가 주기적으로 순차적으로 스위칭 동작을 실시하는 것이 바람직하다.
(20) 상기 송전 장치측 교류전류 발생 회로는, 상기 스위치 회로를 복수 포함하고 있고, 상기 송전 코일에 상기 복수의 스위치 회로가 전기적으로 접속되어서 구성되고, 상기 복수의 스위치 회로가 주기적으로 순차적으로 스위칭 동작을 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 송전 장치측과 수전 장치측의 쌍방에 LC 공진 회로를 포함하고, 2개의 LC 공진 회로를 공명시켜서, 송전 코일과 수전 코일 사이에서 자계 또는 전계 또는 쌍방의 공명 결합을 이용하여 전력 전송을 실시할 수 있다. 또, 공진현상을 이용함으로써 유효전력만을 송전 장치측에서 수전 장치측으로 전송하고, 전력 전송되지 않고 반사된 무효전력은 송전 장치측과 수전 장치측 각각의 LC 공진 회로에 있어서 순환하여 공진 에너지로서 보존되기 때문에 전력손실을 상당히 작게 할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태의 전력 전송 시스템(111)의 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시한 전력 전송 시스템(111)의 각 부분의 전압 전류 파형도이다.
도 3(A)는 도 1에 도시한 전자계 공명 결합 회로(90)와 공진 커패시터(Cr, Crs)로 구성되는 전자계 공명 결합 회로를 포함한 복(複)공진 회로의 회로도이다. 도 3(B)는 그 등가 회로도이다.
도 4는 제2 실시형태의 전력 전송 시스템(112)의 회로도이다.
도 5는 제3 실시형태의 전력 전송 시스템(113)의 회로도이다.
도 6은 제4 실시형태의 전력 전송 시스템(114)의 회로도이다.
도 7은 제5 실시형태의 전력 전송 시스템(115)의 회로도이다.
도 8은 제6 실시형태의 전력 전송 시스템(116)의 회로도이다.
도 9는 제7 실시형태의 전력 전송 시스템(117)의 회로도이다.
도 10은 제8 실시형태의 전력 전송 시스템(118)의 회로도이다.
도 11은 제9 실시형태의 전력 전송 시스템(119)의 회로도이다.
도 12는 제10 실시형태의 전력 전송 시스템(120)의 회로도이다.
도 13은 제11 실시형태의 전력 전송 시스템(121)의 회로도이다.
도 14는 제12 실시형태의 전력 전송 시스템(122)의 회로도이다.
도 15는 제13 실시형태의 전력 전송 시스템(123)의 회로도이다.
도 16은 제13 실시형태가 다른 구성예인 전력 전송 시스템(123A)의 회로도이다.
도 17은 제14 실시형태의 전력 전송 시스템(124)의 회로도이다.
도 18은 제15 실시형태의 전력 전송 시스템(125)의 회로도이다.
도 19는 제16 실시형태의 전력 전송 시스템(126)의 회로도이다.
도 20은 제17 실시형태의 전력 전송 시스템(127)의 회로도이다.
도 21은 제18 실시형태의 전력 전송 시스템(128)의 회로도이다.
도 22는 제19 실시형태의 전력 전송 시스템(129)의 회로도이다.
도 23은 제20 실시형태의 전력 전송 시스템(130)의 회로도이다.
도 24는 제21 실시형태의 전력 전송 시스템에서 이용되는 송전 코일 및 수전 코일의 예이다.
도 25는 제22 실시형태의 전력 전송 시스템에 있어서, 부하를 포함한 전자계 공명 결합 회로의 임피던스의 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 26은 제22 실시형태의 전력 전송 시스템의 각 부분의 전압 전류 파형도이다.
《제1 실시형태》
도 1은 제1 실시형태의 전력 전송 시스템(111)의 회로도이다.
전력 전송 시스템(111)은 전력 송전 장치(PSU)와 전력 수전 장치(PRU)로 구성되어 있다.
이 전력 전송 시스템(111)은 전력 송전 장치(PSU)의 입력부에 입력 전원(Vi)을 포함하고, 전력 수전 장치(PRU)의 부하(Ro)에 안정된 직류 에너지를 공급하는 시스템이다.
송전 장치(PSU)는 송전 코일(Lp), 송전 코일(Lp)과 함께 송전 장치측 공진 회로를 구성하는 송전 장치측 공진 커패시터(Cr, Cp)와, 송전 코일(Lp)에 접속되어서, 스위치 소자(Q1), 다이오드(Dds1) 및 커패시터(Cds1)의 병렬 접속 회로로 구성된 스위치 회로(S1), 및 입력되는 직류전압으로부터, 송전 코일(Lp)에 흐르게 하는 교류전류에 대하여 상대적으로 직류전류로 간주되는 전류원을 생성할 수 있는 크기의 인덕턴스 값을 가지는 인덕터(Lf)를 포함하고, 송전 코일(Lp)에 흐르게 하는 교류전류를 발생시키는 송전 장치측 교류전류 발생 회로(Lf, S1, Cr, Cp, Lp)를 포함하고 있다. 인덕터(Lf)의 인덕턴스 값은 송전 코일(Lp)의 인덕턴스 값보다도 충분히 크고, 스위칭 주파수에 있어서 고(高)임피던스가 되는 것이며, 흐르는 전류의 변동은 충분히 작다.
수전 장치(PRU)는 수전 코일(Ls), 수전 코일(Ls)와 함께 수전 장치측 공진 회로를 구성하는 수전 장치측 공진 커패시터(Crs, Cs)와, 수전 코일(Ls)에 접속되어서, 상기 수전 코일(Ls)에 생기는 교류전류를 정류하는 인덕터(Lfs), 스위치 회로(S2) 및 평활 커패시터(Co)로 구성되는 수전 장치측 정류 회로(Lfs, S2, Co)를 포함하고 있다. 스위치 회로(S2)는 스위치 소자(Q2), 다이오드 및 커패시터의 병렬 접속 회로로 구성되어 있다.
또, 송전 장치(PSU)에는 스위치 소자(Q1)를 제어하는 스위칭 제어 회로(10)가 마련되어 있다. 수전 장치(PRU)에는 스위치 소자(Q2)를 제어하는 스위칭 제어 회로(20) 및 전송 제어 회로(50)가 마련되어 있다. 전송 제어 회로(50)는 스위치 소자(Q1)에 대한 스위칭 제어 신호(동기 신호)를 스위칭 제어 회로(10)로부터 수신하고, 또 전력 수전 장치(PRU)의 수전 전력을 제어하기 위해서 스위칭 제어 회로(10)에 부여하는 제어 신호를 발생한다.
스위칭 제어 회로(10)와 전송 제어 회로(50)는 신호 전달 수단(30)에 의해 전기적으로 절연 상태로 전송된다.
송전 코일(Lp), 수전 코일(Ls) 및 공진 커패시터(Cp, Cs)는 전자계 공명 결합 회로(90)를 구성하고 있다. 이 전자계 공명 결합 회로(90) 및 공진 커패시터(Cr, Crs)에 의해 복공진 회로(40)가 구성되어 있다.
이 전력 전송 시스템(111)의 특징적인 구성 및 작용은 다음과 같다.
(1) 송전 코일(Lp) 및 수전 코일(Ls)을 이용한 전력 전송 시스템이다.
(2) 송전 코일(Lp) 및 수전 코일(Ls)의 전류는 서로 공명하고, 공명 결합을 형성하여 전력 전송한다.
(3) 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls) 사이에서 전자계 공명 결합을 형성한다.
(4) 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls) 사이에서 자계 공명 결합을 형성한다.
(5) 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls) 사이에서 전계 공명 현상을 형성한다.
(6) 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)을 포함한 복공진 회로가 가지는 공명 주파수에 대하여, 스위칭 주파수를 높게 설정해서 스위칭 동작 시킴으로써, 스위치 소자에 있어서 ZVS(제로 전압 스위칭) 동작을 실시하는 것이 가능하다.
(7) 스위칭 주파수(fs)와 LC 복공진 회로(Lf-Cr, Lfs-Crs)가 공명하여 공진함으로써 전력 전송을 실시한다. 송수전 회로의 공진 회로에서의 공명 현상에 의해 전력 전송한다.
(8) 출력을 검출해서 송전 장치측에 귀환 회로를 이용하여 정보를 전달하고, 송전 장치측 교류전류 발생 회로를 제어하여 전송 전력을 조정한다.
(9) 귀환 회로에 무선통신기기를 이용하여 출력 정보를 송전 장치측으로 전달한다.
(10) 귀환 회로에 광전소자를 이용하여 출력 정보를 송전 장치측으로 전달한다.
(11) 스위칭 주파수를 변화시켜서 주파수 제어 PFM(Pulse Frequency Modulation)에 의해 전송 전력을 제어한다.
(12) 스위치 소자의 온(on) 시간 비율을 제어하는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어에 의해 전송 전력을 제어한다.
(13) 수전 장치측의 동기 정류 회로에 의해 정류 손실을 저감한다.
(14) 수전 장치측의 동기 정류 회로의 동작을 제어한다.
(15) 수전 장치측은 수전한 전력에 의해 제어 회로를 동작시킬 수 있다.
(16) 쌍방향의 전력 전송이 가능하다.
(17) 나중에 나타내는 바와 같이, 순방향과 역방향으로 스위칭 주파수를 바꿀 수 있고, 순방향 또는 역방향 각각에 있어서, 적절한 스위칭 주파수를 선택하여 송전 전력을 제어하고, 잘못된 방향으로 송전하는 오동작을 방지할 수 있다.
(18) 송전 코일 또는 수전 코일의 인덕턴스 성분 중, 결합에 관여하지 않는 누설 인덕턴스를 송전 장치측 공진 회로 또는 수전 장치측 공진 회로를 구성하는 인덕터로서 이용한다.
(19) 송전 코일(Lp) 또는 수전 코일(Ls)에 병렬로 포함한 커패시터는, 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls) 사이에 형성되는 상호 커패시턴스와 정합(整合)시킬 수 있다.
(20) 상호 커패시턴스는 송전 코일과 수전 코일 사이에 형성되는 전계 공명 결합에 의한 등가적인 커패시턴스가 되는 부유 용량을 이용할 수 있다.
(21) 공진 커패시터(Cp, Cs)에는 송전 코일 또는 수전 코일의 권선 양끝에 형성되는 전계 공명에 의해 형성되는 등가적인 부유 용량을 이용할 수 있다.
(22) 송전 코일과 수전 코일이 형성하는 자로(磁路)에 페라이트(ferrite) 등의 자성체를 이용하여 전자계 공명 결합을 형성해서 효율적으로 전력 송전을 실시할 수 있다.
(23) 상호 인덕턴스는, 송전 코일과 수전 코일 사이에 형성되는 자기공명 결합에 의한 등가적인 인덕턴스가 되는 여자 인덕턴스를 이용할 수 있다.
도 1에 도시한 전력 전송 시스템(111)의 동작은 다음과 같다.
스위치 소자(Q1)가, 스위칭 제어 회로(10)의 제어에 의해 온오프 함으로써 송전 장치측 교류전류 발생 회로는 송전 코일(Lp)로 교류전류를 흘린다. 한편, 스위치 소자(Q2)가 스위칭 제어 회로(20)의 제어에 의해 온오프 함으로써, 수전 코일(Ls)에 전압을 유기하여 흐르는 전류를 직류로 정류한다. 스위칭 제어 회로(20)는, 스위칭 제어 회로(10)로부터 전송 제어 회로(50)를 통해서 스위치 소자(Q1)에 대한 스위칭 제어 신호(동기 신호)를 수신하고, 스위치 소자(Q2)의 동기 정류 제어를 실시한다. 도 1에 도시하는 제1 실시형태의 전력 전송 시스템(111)에서는 스위치 소자(Q1, Q2)에 MOSFET 등의, 기생(寄生) 출력 용량이나 기생 다이오드를 가지는 스위치 소자를 이용하고, 이 기생 출력 용량이나 기생 다이오드를 이용하여 스위치 회로(S1, S2)를 구성하고 있다.
전송 제어 회로(50)는 부하(Ro)에 대한 출력(전압, 전류, 또는 전력)을 검출하고, 신호 전달 수단(30)을 통해서 송전 장치(PSU)측에 피드백 정보를 전달한다.
도 1에 있어서 굵은 파선으로 둘러싼 부분은 전자계 공명 결합 회로(90), 가는 파선으로 둘러싼 부분은 복공진 회로(40)를 구성하고 있다. 도 1에 도시하는 파라미터(Ml)는 자계 공명 결합의 상호계수, 즉 상호 인덕턴스의 존재를 나타낸 것이며, Mc는 전계 공명 결합의 상호계수, 즉 상호 커패시턴스의 존재를 나타낸 것이다. 상호 인덕턴스(Ml)와 상호 커패시턴스(Mc)의 합성에 의해 전자계 공명 결합으로서의 상호계수(M)가 구성된다. 이 전자계 공명 결합 회로(90)를 포함한 복공진 회로(40)는 송전 장치측과 수전 장치측 2개의 LC 공진 회로에서 공명 동작한다.
송전 장치(PSU)의 공진 커패시터(Cr)와, 이것에 직렬접속되는 등가적인 공진 인덕터(Lf)에 의해 송전 장치측 공진 회로가 구성된다. 마찬가지로, 수전 장치(PRU)의 공진 커패시터(Crs)와, 이것에 직렬접속되는 등가적인 인덕턴스(Lfs)에 의해 수전 장치측 공진 회로가 구성된다. 이 송전 장치측의 공진 회로와 수전 장치측의 공진 회로가 공명함으로써 각각이 공진하고, 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls) 사이에서 상호 인덕턴스에 의한 자계와 상호 커패시턴스에 의한 전계 2개의 공명 결합에 의해 전력 전송이 실시된다.
한편, 커패시터(Cp, Cs)는 전자계 공명 결합으로 전력 전송을 촉진한다. 즉, 커패시터(Cp, Cs), 그리고 나중에 등가 회로로 나타내는 상호 커패시턴스(Cm)로, π형태의 전계 공명 결합에 의한 전력 전송 회로를 구성하여 전력을 전송한다. 이 상호 커패시턴스(Cm)는 공진 커패시터(Cr, Crs)와도 전계 공명 결합에 의한 전력 전송 회로를 구성하고 있다.
공진 커패시터(Cr, Crs)는 함께 직류전압을 유지하거나, 직류전류를 차단하기 위한 커패시터를 겸하고 있다. 송전 장치(PSU)측에서는 스위치 소자(Q1)의 온 기간에 공진 커패시터(Cr)를 충전하고, 스위치 소자(Q1)의 오프 기간에 공진 커패시터(Cr)를 방전한다. 한편, 수전 장치(PRU)측에서는 스위치 소자(Q2)가 온 되어 수전 코일(Ls)에 발생하는 전압에 공진 커패시터(Crs)의 전압을 추가하여 공진 커패시터(Crs)를 방전하면서 부하(Ro)에 에너지를 공급하고, 수전 코일(Ls)에 발생하는 전압에 의해 인덕터(Lfs)를 통해서 공진 커패시터(Crs)를 충전하여 정전 에너지를 저장한다. 즉, 스위치 소자(Q2 혹은 Q1) 각각의 도통(turned-on) 기간에 발생하는 수전 코일(Ls)의 전압을 가산하여 부하(Ro)에 에너지를 출력한다.
스위치 소자(Q1)의 스위칭 주파수(fs)에서 송전 장치측과 수전 장치측 2개의 공진 회로는 공명한다. 전자계 공명 결합 회로(90)를 포함한 송전 장치측과 수전 장치측 2개의 공진 회로로부터 복공진 회로(40)는 구성된다. 복공진 회로(40)는 복공진 회로(40)의 합성 임피던스 리액턴스(reactance)가 0부근이 되고, 합성 임피던스의 크기가 가장 작아지는 공명 주파수(fr)를 가지고 있고, 스위칭 주파수(fs)와 공명 주파수(fr)가 접근하여 공진함으로써, 각각 2개의 공진 회로에 흐르는 전류는 커지고, 출력 전력은 증가한다. 즉, 전자계 공명 결합 회로를 포함한 송전 장치측 공진 회로와 수전 장치측 공진 회로를 합성한 전체의 복공진 회로(40)가 가지는 공명 주파수(fr)보다도 높은 스위칭 주파수(fs)에서 스위치 소자를 온오프 동작시켜서, 스위칭 주파수(fs)가 공명 주파수(fr)에 접근하여 공진함으로써 복공진 회로로 유입되는 전류는 커지고, 출력 전력은 증가한다.
따라서, 송전 코일과 수전 코일 사이에 등가적으로 형성되는 상호 인덕턴스 및 상호 커패시턴스로 전자계 공명 결합 회로(90)가 구성되어서, 송전 장치측 공진 회로와 수전 장치측 공진 회로가 공명하여 송전 장치에서 수전 장치로 전력이 전송된다. 한편, 송전 장치로부터 송전되지 않고 반사된 에너지(무효전력)는 송전 장치측 공진 회로에 공진 에너지로서 보존된다. 또, 수전 장치가 수전한 에너지 중 출력에 공급되지 않고 반사된 에너지(무효전력)도 수전 장치측 공진 회로에 공진 에너지로서 보존된다. 이렇게 입사(入射) 전력에 대하여 투과 전력이 되지 않는 반사 전력을 에너지 손실로 하지 않고, 공진 에너지로서 보존할 수 있다.
도 2는, 도 1에 도시한 전력 전송 시스템(111)의 각 부분의 전압 전류 파형도이다. 도 1, 도 2를 참조하여, 스위칭 주기의 각 상태에서의 동작을 이하에 나타낸다.
[1] 상태 1 시각 t1~t2
송전 장치측에서는, 스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류(id1)는 음전류가 되고, 스위치 소자(Q1) 및 스위치 소자(Q1)의 양끝의 다이오드(Dds1)가 도통한다. 송전 코일(Lp)과 공진 커패시터(Cr), 및 수전 코일(Ls)과 공진 커패시터(Crs)에는 공진전류가 흐른다.
수전 장치측에서는 공진전류가 동기 정류 스위치 소자(Q2)에 의해 정류되고, 정류 평활(平滑)된 전류가 부하에 공급되어서 전력이 전송된다.
스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류(id1)가 양전류가 되면 상태 2가 된다.
[2] 상태 2 시각 t2~t3
스위치 소자(Q1)에 흐르는 전류(id1)는 양전류가 되고, 다이오드(Dds1)가 비도통이 되어서, 스위치 소자(Q1)에만 전류가 흐른다. 송전 코일(Lp)과 공진 커패시터(Cr), 및 수전 코일(Ls)과 공진 커패시터(Crs)에는 공진전류가 흐른다.
수전 장치측에서는 공진전류가 동기 정류 스위치 소자(Q2)에 의해 정류되고, 정류 평활된 전류가 부하에 공급되어서, 전력이 전송된다.
스위치 소자(Q1)가 턴 오프하면 상태 3이 된다.
[3] 상태 3 시각 t3~t4
스위치 소자(Q1) 양끝의 커패시터(Cds1)는 공진을 비롯하여, 우선은 충전되어서 피크 전압을 초과하면 방전된다. 전압(vds1)이 0V가 되면 상태 4가 된다.
[4] 상태 4 시각 t4~t1
전류(id1)는 음전류가 되고, 다이오드(Dds1)가 도통한다. 이 기간에 있어서 스위치 소자(Q1)를 턴 온(turning on) 함으로써 ZVS 동작이 실시된다. 송전 코일(Lp)과 공진 커패시터(Cr), 및 수전 코일(Ls)과 공진 커패시터(Crs)에는 공진전류가 흐른다.
수전 장치측에서는 공진전류가 동기 정류 스위치 소자(Q2)에 의해 정류되고, 정류 평활된 전류가 부하에 공급되어서, 전력이 전송된다.
스위치 소자(Q1)가 턴 온하면 상태 1이 된다.
이후, 상태 1~4를 주기적으로 반복한다.
도 3(A)는, 도 1에 도시한 전자계 공명 결합 회로(90)와 공진 커패시터(Cr, Crs)로 구성되는 등가적인 전자계 공명 결합을 포함한 복공진 회로(40)의 회로도이다. 도 3(B)는 그 등가 회로도이다. 여기서, 상호 인덕턴스(Lm)는 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)의 자계 공명 결합에 의해 전력을 전송하는 등가적인 인덕터로서 표시되고, 상호 커패시턴스(Cm)는 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)의 전계 공명 결합에 의해 전력을 전송하는 등가적인 커패시터로서 표시된다.
공명 현상에 의해, 전자계 공명 결합 회로에 대한 입력 전류 i ac in (t)은 공진전류의 진폭을 Iac로 하여 근사적(近似的)으로 다음식으로 나타낼 수 있다.
i acin (t)=I ac×sin(ωst)
단, ωs=2π/Ts
단자 1-1' 사이에는 정현파 전류 i ac in (t)이 부여된다. 단자 1-1' 사이에는 각 주파수 성분을 포함하는 전류가 유입하려고 하지만, 전자계 공명 결합 회로에 의해 임피던스가 커지는 고차(高次)의 주파수 성분의 전류 파형은 컷트되고, 공명 동작을 실시함으로써 주로 스위칭 주파수 성분의 공명 전류 파형만이 흘러서, 효율적으로 전력을 전송할 수 있다.
제1 실시형태에 따르면 다음과 같은 효과를 발휘한다.
(1) 떨어진 장소에 직접적으로 급전하는 전력 전송 시스템을 구성할 수 있어서, 복수의 전력 변환 기구를 삭감하여 아주 간소하게 구성할 수 있고, 전력 전송 시스템 장치의 고효율화, 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(2) 송수전 회로 각각의 공진 회로에 있어서 일어나는 공명 현상에 의해 전력 전송을 실시함으로써, 전자 유도에 의한 전력 전송보다도 고효율, 장거리의 전력 전송이 가능해진다.
(3) 송전 코일과 수전 코일 사이에서 형성되는 자계 공명 결합뿐만 아니라 전계 공명 결합도 이용하여 전력 전송을 실시함으로써, 자계 공명 결합만 이용하는 경우보다 효율적으로 전력을 전송할 수 있다.
(4) 송전 코일과 수전 코일 사이에 형성되는 전자계 공명 결합에 의해 형성되는 등가적인 상호 커패시턴스와 상호 인덕턴스에 공명 전류를 흐르게 함으로써 서로 공명하여 전력 전송을 실시할 수 있다.
(5) 송전 코일과 수전 코일 사이에 형성되는 자계 공명 결합에 의해 형성되는 등가적인 상호 인덕턴스에 공명 전류를 흐르게 함으로써 서로 공명하여 전력 전송을 실시할 수 있다.
(6) 송전 코일과 수전 코일 사이에 형성되는 전계 공명 결합에 의해 형성되는 등가적인 상호 커패시턴스에 공명 전류를 흐르게 함으로써 서로 공명하여 전력 전송을 실시할 수 있다.
(7) 송전 코일과 수전 코일의 인덕턴스 성분 중, 공명 결합에 관여하지 않는 누설 인덕턴스를 송전 장치측 공진 회로 또는 수전 장치측 공진 회로를 구성하는 등가적인 인덕터로서 이용할 수 있다. 그렇기 때문에, 공진 인덕터의 부품이 불필요해져서 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(8) 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)은 각각 전계 공명에 의해 등가적인 커패시터를 형성하여, 공진 커패시터로서 이용할 수 있다. 그렇기 때문에, 커패시턴스의 부품이 불필요해져서 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(9) 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)을 포함한 복공진 회로가 가지는 공명 주파수에 비하여, 스위칭 주파수를 높게 설정해서 스위칭 동작을 시킴으로써, 스위치 소자에 있어서 ZVS(제로 전압 스위칭) 동작을 실시하고, 스위칭 손실을 저감할 수 있다.
(10) 출력을 검출해서, 송전 장치측에 귀환 회로를 이용하여 정보를 전달하고, 송전 장치측 교류전류 발생 회로를 제어하여 전송 전력을 조정할 수 있어서 적절하게 전자기기를 동작시킬 수 있다.
(11) 귀환 회로에 무선통신기기를 이용하여 출력 정보를 송전 장치측으로 전달함으로써, 전기적으로 절연하여 송전 장치측에서 출력 전력을 조정할 수 있다.
(12) 귀환 회로에 광전소자를 이용하여 출력 정보를 송전 장치측으로 전달함으로써, 전기적으로 절연하여 송전 장치측에서 출력 전력을 조정할 수 있다.
(13) 공명 결합 회로를 포함한 복공진 회로의 합성 임피던스가 주파수에 의해 변화하는 것을 이용하여, 스위칭 주파수를 변화시켜서 출력 전력을 제어하는 주파수 제어 PFM(Pulse Frequency Modulation)에 의해 공명 전류의 진폭을 변화시켜서 전송 전력을 제어할 수 있고, 전자기기의 요구에 따른 전력을 공급하여 적절하게 동작시킬 수 있다.
(14) 또, 스위칭 주파수를 고정해서, 스위치 소자의 온 시간 비율을 제어하여 전력을 제어하는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어에 의해, 공명 전류의 파형을 이상적인 정현파에 대하여 변형시킴으로써 전송 전력을 제어할 수도 있고, 전자기기의 요구에 따른 전력을 공급해서 적절하게 동작시킬 수 있다. 또, 고정 스위칭 주파수를 이용함으로써 이용 주파수 대역을 한정할 수 있고, EMC 대책도 용이해진다. 또 출력을 제어하는 제어성도 개선할 수 있다.
(15) 수전 장치측의 온 저항이 작은 스위칭 소자를 이용한 동기 정류 회로에 의해, 순방향 전압 강하가 큰 다이오드를 이용한 경우와 비교하여 정류 손실을 저감할 수 있다.
(16) 수전 장치측의 동기 정류 회로의 동작을 제어할 수 있고, 수전 장치측의 동기 정류 회로의 동작 주파수를 제어함으로써, 송전 장치측이 아닌 수전 장치측에서의 전송 전력의 조정이 가능해진다.
(17) 수전 장치측은 수전한 전력에 의해 제어 회로를 동작시킬 수 있다. 수전 장치측에 전원을 포함할 필요가 없어서, 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(18) 쌍방향의 전력 전송이 가능해 짐으로써, 수전 장치측에서 송전 장치측으로 전력을 전송하거나, 수전 장치측을 중계점으로 하여, 수전한 전력을 또 다른 곳으로 송전할 수 있다. 중계 시스템으로도 이용가능하고, 본 장치를 복수 준비해서 중계함으로써 장거리의 전력 전송이 가능해진다.
(19) 순방향이나 역방향 등 전력을 전송하고 싶은 방향마다 스위칭 주파수를 바꿀 수 있고, 지향성이나 인증을 실시하여 적절하게 전력을 전송할 수 있다. 스위칭 주파수마다 특정한 장소를 설정해 두고, 목표 장소에 대한 전력 전송이 가능해진다. 그렇기 때문에, 스위칭 주파수를 바꿈으로써 전력 전송의 혼선을 막고, 목적으로 하는 떨어진 장소로 전력을 전송할 수 있다.
(20) 송전 코일 또는 수전 코일에 병렬로 포함한 커패시터는, 송전 코일과 수전 코일 사이에 형성되는 상호 커패시턴스와 정합시키고, 적절한 공명 주파수를 설정하여 전력을 전송할 수 있다.
(21) 송전 코일 또는 수전 코일에 병렬로 포함한 커패시터는 송전 코일과 수전 코일 사이에 형성되는 상호 커패시턴스에 의해 정합함으로써 효율적인 전계 공명 결합 회로를 형성할 수 있다. 자계 공명 결합만 이용하는 경우보다 효율적으로 전력 전송할 수 있다.
(22) 송전 코일과 수전 코일을 공심으로 함으로써 코일의 철손(鐵損)이 없어져서, 높은 주파수에서도 효율적으로 와이어리스로 전력 송전을 실시할 수 있다.
(23) 송전 코일과 수전 코일 사이에 형성되는 자계 공명 결합에 의해 형성되는 상호 인덕턴스를 이용함으로써 부품이 불필요해져서 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
한편, 도 1에 도시한 예에서는 스위칭 제어 회로(20)가 전송 제어 회로(50)로부터 동기 신호를 받도록 했지만, 수전 코일(Ls)의 유기 전압을 검출하여 이것에 동기해서 스위치 소자(Q2)를 구동해도 된다.
《제2 실시형태》
도 4는 제2 실시형태의 전력 전송 시스템의 회로도이다.
도 4는 전력 전송 시스템(112)의 회로도이다. 도 1에 도시한 전력 전송 시스템(111)과 다르게, 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)의 자계 공명 결합에 관여하는 등가적인 인덕턴스인 상호 인덕턴스(Lmp, Lms) 및 자계 공명 결합에 관여하지 않는 등가적인 인덕턴스인 누설 인덕턴스(Lr, Lrs)를 명시하고 있다. 또, 상호 커패시턴스(Cm1, Cm2) 및 전계 공명 결합에 관여하지 않는 등가적인 커패시턴스인 누설 커패시턴스(Cpp, Css)도 명시하고 있다. 이들의 인덕턴스(Lmp, Lms, Lr, Lrs) 및 커패시턴스(Cm1, Cm2, Cpp, Css)는 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)의 등가 인덕터, 또는 공진 커패시터(Cp)와 공진 커패시터(Cs)의 등가용량으로 구성된다. 혹은 단체의 전자부품으로 구성되어 있어도 되고, 등가 인덕턴스 및 등가 커패시턴스와 합성된 것이어도 된다.
또, 도 1에 도시한 전력 전송 시스템(111)과 다르게, 인덕터(Lfs)를 대신해서 스위치 소자(Q4)가 마련되어 있다. 수전 장치측의 스위치 소자(Q3, Q4)는 수전 장치측에 마련된 스위칭 제어 회로에 의해 데드 타임(dead time)을 사이에 두고 교대로 스위칭 됨으로써 동기 정류된다.
이 전력 전송 시스템(112)은 다음과 같은 효과를 발휘한다.
(a) 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls) 사이에 형성되는 자계 공명 결합에 의한 등가적인 인덕턴스가 되는 상호 인덕턴스(Lmp, Lms)를 이용함으로써, 상호 인덕터의 부품이 불필요하거나, 부품을 작게 할 수 있어서 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(b) 송전 코일(Lp) 혹은 수전 코일(Ls)의 인덕턴스 성분 중, 공명 결합에 관여하지 않는 누설 인덕턴스를 송전 장치측 공진 회로 또는 수전 장치측 공진 회로를 구성하는 공진 인덕터로서 이용함으로써 공진 인덕터의 부품이 불필요하거나, 부품을 작게 할 수 있어서 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(c) 송전 장치측의 공진 커패시터(Cp)와 수전 장치측의 공진 커패시터(Cs) 사이에 형성되는 전계 공명 결합에 의한 등가적인 커패시턴스가 되는 상호 커패시턴스(Cm1, Cm2)를 이용함으로써, 상호 인덕터의 부품이 불필요하거나, 부품을 작게 할 수 있어서 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(d) 송전 장치측의 공진 커패시터(Cp) 혹은 수전 장치측의 공진 커패시터(Cs)의 커패시턴스 성분 중, 공명 결합에 관여하지 않는 누설 커패시턴스를 송전 장치측 공진 회로 혹은 수전 장치측 공진 회로를 구성하는 공진 커패시터로서 이용함으로써 공진 커패시터의 부품이 불필요하거나, 부품을 작게 할 수 있어서 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(e) 스위치 소자(Q3, Q4)에 의한 동기 정류 회로에 의해, 반 주기마다 전압이 가산되어서 등가적으로 2배의 전압이 생성된다.
《제3 실시형태》
도 5는 전력 전송 시스템(113)의 회로도이다. 제1 실시형태에서 도 1에 도시한 전력 전송 시스템(111)과 다르게, 송전 장치측의 공진 커패시터(Cp)와 수전 장치측의 공진 커패시터(Cs)의 전계 공명 결합에 관여하는 등가적인 커패시턴스인 상호 커패시턴스(Cm1, Cm2), 및 전계 공명 결합에 관여하지 않는 등가적인 커패시턴스인 누설 커패시턴스(Cpp, Css)를 포함한다. 자계 공명 결합에 관여하는 등가적인 인덕턴스인 상호 인덕턴스를 포함하고 있지 않다. 즉, 전계와 자계의 공명 결합인 전자계 공명 결합 회로(도 1의 전자계 공명 결합 회로(90))가 아니라, 전계만의 공명 결합인 전계 공명 결합 회로(92)를 형성한다.
이 전력 전송 시스템(113)에서는 전계 공명 결합 회로(92)를 형성하기 위해서, 전자계 공명 결합 회로를 형성하는 경우에 비해서 부품수가 적고, 간소한 회로로 구성할 수 있어서 다음과 같은 효과를 발휘한다.
(a) 송전 장치측의 공진 커패시터(Cp)와 수전 장치측의 공진 커패시터(Cs) 사이에 형성되는 전계 공명 결합에 의한 등가적인 커패시턴스가 되는 상호 커패시턴스(Cm1, Cm2)를 이용함으로써, 상호 인덕터의 부품이 불필요하거나, 부품을 작게 할 수 있어서 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
(b) 송전 장치측의 공진 커패시터(Cp) 혹은 수전 장치측의 공진 커패시터(Cs)의 커패시턴스 성분 중, 공명 결합에 관여하지 않는 누설 커패시턴스를 송전 장치측 공진 회로 혹은 수전 장치측 공진 회로를 구성하는 공진 커패시터로서 이용함으로써 공진 커패시터의 부품이 불필요하거나, 부품을 작게 할 수 있어서 전력 전송 시스템 장치의 소형 경량화를 도모할 수 있다.
《제4 실시형태》
도 6은 제4 실시형태의 전력 전송 시스템(114)의 회로도이다. 이 예에서는 제1 실시형태의 전력 전송 시스템(111)과 다르게, 수전 장치측에 동기 정류 소자인 스위치 소자(Q2)를 대신하여 정류 다이오드(D1)를 포함하고 있다. 즉 다이오드(D1)로 수전 장치측 정류 회로를 구성하고 있다.
이 전력 전송 시스템(114)에서는 전력 수전 장치(PRU)를 간소하게 구성할 수 있다. 또, 정류 다이오드(D1)는 순방향으로만 전류가 흐르게 하고, 제1 실시형태의 전력 전송 시스템(111)과 비교하여, 수전 장치측 정류 회로에는 음전류가 흐르지 않는다. 이 때문에, 출력측에서 회생되는 전류가 없어지고, 수전 장치측 공진 회로를 순환하는 전류가 감소하여 도통 손해를 저감할 수 있다.
《제5 실시형태》
도 7은 제5 실시형태의 전력 전송 시스템(115)의 회로도이다. 제1 실시형태에서 도 1에 도시한 전력 전송 시스템과 다른 것은 수전 장치(PRU)측의 구성이다. 제5 실시형태에서는 수전 코일(Ls1, Ls2), 다이오드(D3, D4), 평활 커패시터(Co)에 의해 센터 탭(center tap) 정류 회로가 구성되어 있다. 송전 장치(PSU)의 구성은 제1 실시형태에서 나타낸 것과 동일하다.
이 제5 실시형태에서는, 수전 장치(PRU)측에서는 수전 코일(Ls1, Ls2)에 생기는 부유 용량 또는 단체의 커패시터에 의해 공진 커패시터(Crsa, Crsb)(도 1에서 Cs에 상당하는 커패시터)를 구성하고 있다.
이 전력 전송 시스템(115)은 2개의 수전 코일(Ls1, Ls2)과 2개의 정류 다이오드(D3, D4)를 이용함으로써, 수전 장치측에서의 손실을 분산할 수 있어서, 전력손실을 적게 할 수 있다. 또, 브리지(bridge) 정류와 비교하여 정류 소자의 수가 적다. 또, 수전 장치측에 병렬 공진 회로가 구성되어 있으므로, 직렬 공진 회로 구성으로 하는 경우와 비교하여 전압 이득을 크게 할 수 있다.
《제6 실시형태》
도 8은 제6 실시형태의 전력 전송 시스템(116)의 회로도이다. 제5 실시형태에서 도 7에 도시한 전력 전송 시스템과 다르게, 이 예에서는 수전 장치(PRU)측에 공진 커패시터(Crs)를 포함하고 있다. 이렇게 수전 장치측에 직렬 공진 회로를 구성함으로써, 병렬 공진 회로를 구성한 경우와 비교해서 전류 이득을 크게 할 수 있다.
《제7 실시형태》
도 9는 제7 실시형태의 전력 전송 시스템(117)의 회로도이다. 제1 실시형태에서 도 1에 도시한 전력 전송 시스템과 다른 것은 수전 장치(PRU)측의 구성이다. 제7 실시형태에서는 수전 코일(Ls)에, 다이오드(D3, D4, D7, D8), 평활 커패시터(Co)에 의해 브리지 정류 회로가 접속되어 있다. 송전 장치(PSU)의 구성은 제1 실시형태에서 나타낸 것과 동일하다.
수전 장치(PRU)측에서는 수전 코일(Ls)에 생기는 부유 용량 또는 단체의 커패시터에 의해 공진 커패시터(Crs)(도 1에서 Cs에 상당하는 커패시터)를 구성하고 있다.
이 제7 실시형태의 전력 전송 시스템(117)에서는 제6 실시형태에서 도 8에 도시한 전류 전송 시스템과 비교해서 정류 소자의 내압(耐壓)을 저감할 수 있다. 또, 수전 장치측에 병렬 공진 회로가 구성되어 있으므로, 직렬 공진 회로 구성으로 하는 경우와 비교하여 전압 이득을 크게 할 수 있다.
《제8 실시형태》
도 10은 제8 실시형태의 전력 전송 시스템(118)의 회로도이다. 제7 실시형태에서 도 9에 도시한 전력 전송 시스템과는 공진 커패시터(Crs)의 위치가 다르다. 이 때문에, 이 커패시터(Crs)에 의해 소정의 공진 주파수에서 전자계 공명 동작을 시킬 수 있다.
이 제8 실시형태의 전력 전송 시스템(118)에서는 이렇게 수전 장치측에 직렬 공진 회로를 구성함으로써, 병렬 공진 회로를 구성한 경우와 비교하여 전류 이득을 크게 할 수 있다.
《제9 실시형태》
도 11은 제9 실시형태의 전력 전송 시스템(119)의 회로도이다. 이 예에서는 수전 장치(PRU)측에 4개의 스위치 소자(Qs1, Qs2, Qs3, Qs4)에 의한 브리지 정류 구성의 정류 회로가 마련되어 있다.
이 제9 실시형태에 의하면, 제1~제8 실시형태와 비교하여 수전 장치(PRU)측의 스위치 소자(Qs1, Qs2, Qs3, Qs4)에 인가되는 전압이 각각 절반이 되기 때문에 스위치 소자에서의 손실을 저감할 수 있다.
이 전력 전송 시스템(119)에서는 제8 실시형태에서 나타낸 전력 전송 시스템과 비교하여 동기 정류 회로에 의해 정류 손실을 저감할 수 있다. 또, 브리지 구성에 의해 정류 스위치 소자의 내압을 저감할 수 있다. 또, 스위치 소자에 의한 정류 회로이므로, 쌍방향의 전력 전송이 가능하다. 또한, 공진 커패시터(Crs)를 이용하여 소정의 공진 주파수로 전자 공명 동작을 할 수 있게 된다.
《제10 실시형태》
도 12는 제10 실시형태의 전력 전송 시스템(120)의 회로도이다. 이 예에서는 수전 장치(PRU)측에 2개의 다이오드(D1, D2)에 의한 정류 회로를 마련하고 있다.
제10 실시형태에 의하면, 제9 실시형태와 비교하여 수전 장치(PRU)측의 구성을 간소하게 할 수 있다. 또, 정류 회로가 수동회로이므로, 정류 회로를 구동 제어하는 회로가 불필요하게 된다.
《제11 실시형태》
도 13은 제11 실시형태의 전력 전송 시스템(121)의 회로도이다.
이 예에서는 입력 전원(Vi)의 전압을 분압하는 커패시터(Cr1, Cr2), 및 출력 전압(Vo)을 분압하는 커패시터(Crs1, Crs2)를 포함하고 있다. 즉, 제1 실시형태에서 나타낸 전력 전송 시스템에서의 공진 커패시터(Cr)를 (Cr1, Cr2)로 분할하고, 공진 커패시터(Crs)를 (Crs1, Crs2)로 분할한 것이다. 여기서는 송전 코일(Lp) 및 수전 코일(Ls)의 누설 인덕턴스를 공진 인덕터(Lr, Lrs)로서 명시하고 있다. 그 외에는 제1 실시형태에서 도 1에 도시한 것과 동일하다.
제11 실시형태에서는 공진 커패시터에 흐르는 전류가 2개의 커패시터로 분할되므로, 커패시터에 의한 손실이 분산되어서 전체의 손실이 저감되고, 발열이 분산된다. 또, 복수의 공진 커패시터를 이용함으로써 임의로 공진 주파수를 설정할 수 있어서 공명 동작이 용이해진다.
한편, 커패시터(Cr1, Cr2) 및 커패시터(Crs1, Crs2)는 직류전압을 유지하거나, 직류전류를 차단하는 작용과 직렬 공진용 커패시터로서의 작용의 양쪽 역할을 한다.
《제12 실시형태》
도 14는 제12 실시형태의 전력 전송 시스템(122)의 회로도이다. 이 예에서는 수전 장치측의 커패시터(Crs)에 발생하는 전압을 부하에 공급하도록 하여 전력 전송을 실시한다. 도 10 등에 도시한 예와 같이, 수전 장치측의 커패시터에 흐르는 전류를 부하에 공급하도록 하여 전력 전송을 실시하는 구성과 비교하여, 부하에 공급하는 전압이 높을 경우에, 동일한 급전 전력에 있어서 효율적으로 전력 전송을 실시할 수 있게 된다.
《제13 실시형태》
도 15는 제13 실시형태의 전력 전송 시스템(123)의 회로도이다. 이 예에서는 송전 장치측에 2개의 FET(Q1, Q2)를 포함하는 푸쉬-풀 회로(push-pull circuit)를 구성하고 있다. 이로 인해, 1개의 FET를 이용하여 푸쉬-풀 구성으로 한 경우와 비교하여 큰 전력을 급전할 수 있게 된다. 또, 2개의 FET(Q1, Q2)가 교대로 스위칭 동작을 실시함으로써 등가적으로 2배인 주파수의 전자계 공명 결합 회로를 형성할 수 있다.
도 16은 제13 실시형태와는 다른 구성예인 전력 전송 시스템(123A)의 회로도이다. 이 예에서는 송전 장치측에 복수의 FET(Q1, Q2, Q3, Q4)를 포함하는 구성으로 하고 있다. 이로 인해, 4개의 FET를 동일한 스위칭 주파수, 동일한 시간 비율로 순차적으로 스위칭 동작시킴으로써, 1석(one semiconductor chip)의 경우와 비교하여 큰 전력을 급전할 수 있게 된다. 또, 1석의 스위칭 주파수에 대하여 등가적으로 4배인 주파수의 전자계 공명 결합 회로를 형성할 수 있다. 즉 n석의 FET를 이용함으로써 등가적으로 n배인 고주파의 전자계 공명 결합 회로를 형성할 수 있다. 고주파화에 따라서 코일을 작게 하거나, 작은 용량의 커패시턴스를 이용할 수 있어서 전력 전송 시스템의 소형화를 도모할 수 있다.
《제14 실시형태》
도 17은 제14 실시형태의 전력 전송 시스템(124)의 회로도이다. 이 예는 전자계 공명 결합을 형성하는 자로에 페라이트 등의 자성체를 이용한 예이다.
도 17에 도시한 전력 전송 시스템(124)에서는 자성체를 이용함으로써 자기 결합의 정도가 커져서 전력 전송 효율을 높게 할 수 있다. 또, 공간에 방출되는 전자파(자속과 전속(電束))를 페라이트에 의해 억제할 수 있다.
《제15 실시형태》
도 18은 제15 실시형태의 전력 전송 시스템(125)의 회로도이다. 이 예는 전자계 공명 결합을 형성하는 자로에 페라이트 등의 자성체를 이용한 예이다. 이 예에서도 자성체를 이용함으로써 자기 결합의 정도가 커져서 전력 전송 효율을 높게 할 수 있다. 또, 공간에 방출되는 전자파(자속과 전속)를 페라이트에 의해 억제할 수 있다.
《제16 실시형태》
도 19는 제16 실시형태의 전력 전송 시스템(126)의 회로도이다. 이 예에서는 송전 장치(PSU)에 2개의 공진 커패시터(Cr1, Cr2), 수전 장치(PRU)에 2개의 공진 커패시터(Crs1, Crs2)가 각각 마련되어 있다. 또, 수전 장치(PRU)측에 4개의 스위치 소자(Qs1, Qs2, Qs3, Qs4)에 의한 브리지 정류 구성의 정류 회로가 마련되어 있다.
이 전력 전송 시스템(126)에서는 송전 장치(PSU)의 송전 코일(Lp) 및 수전 장치(PRU)의 수전 코일(Ls)을 각각 페라이트 등의 자심(磁芯; magnetic core))을 가지는 코일로 하고 있다. 그렇기 때문에, 자성체를 이용함으로써 자기 결합의 정도가 커져서 전력 전송 효율을 높일 수 있다. 또, 공간에 방출되는 전자파(자속과 전속)를 페라이트에 의해 억제할 수 있다.
《제17 실시형태》
도 20은 제17 실시형태의 전력 전송 시스템(127)의 회로도이다.
이 전력 전송 시스템(127)은 쌍방향 전력 전송 가능한 복수의 송수전 장치(PSU/PRU1, PSU/PRU2, PSU/PRU3, PSU/PRU4)를 포함한 시스템이다.
제1 전력 송수전 장치(PSU/PRU1)가 송전 장치로서 작용할 때, 거기에 대응해서 전자계 공명 결합을 형성하는 제2 송수전 장치(PSU/PRU2)는 수전 장치로서 작용한다. 따라서, 제1 송수전 장치(PSU/PRU1)에서 제2 송수전 장치(PSU/PRU2)로 전력이 전송된다. 여기서, 제2 송수전 장치(PSU/PRU2)의 부하(Ro)에는 충전 전지 및 그 충전 회로를 포함한다.
제3 송수전 장치(PSU/PRU3)는 제2 송수전 장치(PSU/PRU2)에 대응하고 있으며, 제2 송수전 장치(PSU/PRU2)가 송전 장치로서 작용할 때, 제3 송수전 장치(PSU/PRU3)는 수전 장치로서 작용한다. 이때, 제2 송수전 장치(PSU/PRU2)는 상기 충전 전지가 전원으로서 이용된다. 그리고 제3 송수전 장치(PSU/PRU3)의 부하(Ro2)는 충전 전지 및 그 충전 회로를 포함한다.
제4 송수전 장치(PSU/PRU4)는 제3 송수전 장치(PSU/PRU3)에 대응하고 있으며, 제3 송수전 장치(PSU/PRU3)가 송전 장치로서 작용할 때, 제4 송수전 장치(PSU/PRU4)는 수전 장치로서 작용한다. 이때, 제3 송수전 장치(PSU/PRU3)는 상기 충전 전지가 전원으로서 이용된다. 그리고 제4 송수전 장치(PSU/PRU4)의 부하(Ro3)는 충전 전지 및 그 충전 회로이다.
이렇게 하여, 복수의 전력 송수전 장치를 포함함으로써, 도중의 전력 송수전 장치가 전력을 중계하여 먼 곳까지 전력을 전송할 수 있게 된다.
한편, 복수의 수전 장치측의 공진 회로의 공진 주파수를 다르게 해 두고, 송전 장치측은 송전처에 따른 스위칭 주파수로 스위칭 동작하도록 구성하면, 복수의 수전 장치에 대하여 소정의 수전 장치에 선택적으로 전력을 전송할 수 있다.
또, 전력 송수전 장치의 전력 전송 방향에 따라서 스위칭 주파수를 바꿈으로써 스위칭 주파수마다 목적으로 한 방향(장소)으로 전력 전송이 가능해진다. 즉, 스위칭 주파수를 바꾸는 등의 제어를 실시함으로써, 적절한 전자기기를 선택하거나 적절한 방향이나 장소로 전력을 송전하여 전력 전송의 혼선을 막을 수 있다.
《제18 실시형태》
도 21은 제18 실시형태의 전력 전송 시스템(128)의 회로도이다. 이 예에서는 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls4) 사이에 복수의 공진기를 설치하고 있다. 도 21에 있어서, 수전 코일(인덕터)(Ls1) 및 커패시터(Cs1)로 제1 중계용 LC 공진 회로가 구성되어 있고, 수전 코일(인덕터)(Ls2) 및 커패시터(Cs2)로 제2 중계용 LC 공진 회로가 구성되어 있고, 수전 코일(인덕터)(Ls3) 및 커패시터(Cs3)로 제3 중계용 LC 공진 회로가 구성되어 있다.
이렇게 복수의 공진기를 설치함으로써 복수의 공진기를 포함하여 전자계 공명 결합을 형성하고, 공진기를 소정의 간격으로 설치함으로써 보다 멀리 떨어진 장소로 전력공급이 가능해진다. 또, 높은 전력 전송 효율로 멀리 떨어진 거리의 급전이 가능해진다.
《제19 실시형태》
도 22는 제19 실시형태의 전력 전송 시스템(129)의 회로도이다. 이 예는 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)에 헬리컬(helical) 코일을 이용하고, 각각 중앙 급전하고 있다. 그렇기 때문에, 송전 장치측의 헬리컬 코일은 등가적 인덕턴스L(Lp) 및 등가적 커패시턴스C(Lp)를 가지고, 공진 회로를 구성하고 있다. 마찬가지로, 수전 장치측의 헬리컬 코일은 인덕턴스L(Ls) 및 커패시턴스C(Ls)을 가지고, 공진 회로를 구성하고 있다. 그리고, 이 2개의 헬리컬 코일은 권회축(卷回軸; winding exes)이 거의 일치함(거의 같은 축)으로 인해 헬리컬 코일 사이에 전자계 공명 결합 회로가 형성된다. 그 밖의 구성은 제1 실시형태에서 나타낸 것과 동일하다.
이렇게 하여, 중앙 급전한 헬리컬 코일을 이용해서 주로 전자계 공명 결합에 의해 전력 전송을 실시할 수 있다.
《제20 실시형태》
도 23은 제20 실시형태의 전력 전송 시스템(130)의 회로도이다. 이 예는 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)에 헬리컬 코일을 이용하고 있다. 또 송전 장치측에 공진 커패시터(Cr), 수전 장치측에 공진 커패시터(Crs)가 각각 마련되어 있다. 그렇기 때문에, 송전 장치측의 헬리컬 코일에 의한 송전 코일(Lp)의 인덕턴스L(Lp)과 공진 커패시터(Cr)로 공진 회로가 구성되고, 마찬가지로, 수전 장치측의 헬리컬 코일에 의한 수전 코일의 인덕턴스L(Ls)과 공진 커패시터(Crs)로 공진 회로가 구성되어 있다. 그리고, 이 2개의 헬리컬 코일은 권회축이 거의 일치함(거의 같은 축)으로 인해 헬리컬 코일 사이에 자계 공명 결합 회로가 형성된다. 그 밖의 구성은 제1 실시형태에서 나타낸 것과 동일하다.
이렇게 하여, 헬리컬 코일을 이용해서 주로 자계 공명 결합에 의해 전력 전송을 실시할 수 있다.
《제21 실시형태》
도 24는 제21 실시형태의 전력 전송 시스템에서 이용되는 송전 코일 및 수전 코일의 예이다. 이 예에서는 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)에 각각 미앤더 라인(meander line) 코일을 이용하고 있다. 그리고, 각각 중앙 급전된다. 그렇기 때문에, 송전 코일(Lp)은 등가적 인덕턴스L(Lp) 및 등가적 커패시턴스C(Lp)를 가지고 공진 회로를 구성하고 있다. 마찬가지로, 수전 코일(Ls)은 인덕턴스L(Ls) 및 커패시턴스C(Ls)를 가지고 공진 회로를 구성하고 있다. 그리고, 이 2개의 코일은 주로 전계 공명 결합을 형성하고 있다. 따라서, 이 송전 코일(Lp) 및 수전 코일(Ls)을 이용하여 주로 전계 공명 결합에 의해 전력 전송을 실시할 수 있다.
한편, 미앤더 라인 코일의 양끝을 회로에 접속하여, 주로 미앤더 라인 코일의 인덕턴스를 이용하도록 해도 된다. 즉, 송전 코일(Lp)과 수전 코일(Ls)을 도 23에 도시한 예와 동일하게 접속하여 전력 전송 시스템을 구성해도 된다.
《제22 실시형태》
제22 실시형태에서는 송전 장치측 및 수전 장치측의 공진 회로의 공진 주파수와 스위칭 주파수의 관계에 대해서 나타낸다.
회로 구성은 예를 들면 도 1에 도시한 대로이다. 수전 회로에 접속되는 부하를 포함한 전자계 공명 결합 회로의 리액턴스가 0이 되는 공진 주파수보다도 스위칭 주파수를 아주 조금 높게 설정함으로써, 부하를 포함한 전자계 공명 결합 회로의 임피던스는 유도성 리액턴스가 된다. 전자계 공명 결합 회로에 유입하는 전류(ir)는 스위치 소자의 전압(vds1)의 기본파보다 위상이 늦어진다. 스위치 소자(Q1)가 턴 온 되기 직전에 스위치 소자(Q1)에 병렬로 연결된 역방향 다이오드가 도통하여 ZVS 동작을 실현한다.
도 25는 부하를 포함한 전자계 공명 결합 회로의 임피던스의 주파수 특성을 나타내는 도면이다. 이 예에서 송전 장치측 및 수전 장치측의 공진 회로의 공진 주파수(fo)는 30.78MHz이다. 이 도 25에 있어서, 송전 코일과 수전 코일의 간격을 dx로 나타내면, dx=0.5m일 때, 2개의 공진 회로의 결합도가 높으므로 공진 주파수는 스플릿(split)하여, 2공진 상태(쌍봉성(雙峰性; bimodality))로 되어 있다. 예를 들면, 이 2개의 공진 주파수 중 높은 쪽의 주파수(fr2)보다 높은 주파수 영역에서, 부하를 포함한 전자계 공명 결합 회로의 임피던스가 유도성 리액턴스가 되므로 이 주파수 대역을 이용한다. 또 예를 들면, 이 2개의 공진 주파수 중 낮은 쪽의 주파수(fr1)보다 높고 고유 공진 주파수(fr)보다도 낮은 주파수 영역에서, 부하를 포함한 전자계 공명 결합 회로의 임피던스는 유도성 리액턴스가 되므로 이 주파수 대역을 이용한다. 거리 dx=0.6m 이상의 경우는 주파수(fr)보다 높은 주파수 영역에서, 부하를 포함한 전자계 공명 결합 회로의 임피던스가 유도성 리액턴스가 되므로 이 주파수 대역을 이용한다.
도 26은 이 실시형태의 전력 전송 시스템의 각 부분의 전압 전류 파형도이다. 회로 구성은 제1 실시형태에서 도 1에 도시한 것이다. 이 도 26을 참조하여 스위칭 주기의 각 상태에서의 동작을 이하에 나타낸다.
[1] 상태 1 시각 t1~t2
송전 장치측에서는, 스위치 소자(Q1)는 도통하고, 흐르는 전류(id1)는 0A에서 흐르기 시작하여 양전류가 된다. 송전 코일(Lp)과 공진 커패시터(Cr), 및 수전 코일(Ls)과 공진 커패시터(Crs)에는 공진전류가 흐른다.
수전 장치측에서는 공진전류가 동기 정류 스위치 소자(Q2)에 의해 정류되고, 정류 평활된 전류가 부하에 공급되어서, 전력이 전송된다. 스위치 소자(Q1)가 턴오프되면 상태 2가 된다.
[2] 상태 2 시각 t2~t3
스위치 소자(Q1)의 양끝의 커패시터(Cds1)는 공진을 시작하고, 우선 충전되어서 피크 전압을 초과하면 방전된다. 전압(vds1)은 차츰 0V로 점근(漸近)하고, 스위치 소자(Q1)가 턴 온 되면 상태 2는 끝난다.
이후, 상태 1, 2를 주기적으로 반복한다.
이렇게, 도 2에 도시한 예와는 다르게, 스위치 소자(Q1)의 턴 온 직전에 전압(vds1)이 0V에 점근하고, 턴 온의 타이밍에 전류(id1)가 0A에서 흐르기 시작한다. 스위치 소자(Q1)가 ZVS 동작을 함으로써, 스위칭 손실과 스위칭 노이즈를 대폭 저감할 수 있다. 또, 스위치 회로(S1)의 다이오드(Dds1)가 도통하지 않기 때문에 도통 손실도 저감된다.
Cm… 상호 커패시턴스
Cm1… 상호 커패시턴스
Co… 평활 커패시터
Cp… 송전 장치측 공진 커패시터
Cpp… 누설 커패시턴스
Cr… 공진 커패시터
Cr1, Cr2… 공진 커패시터
Crs… 공진 커패시터
Crs1, Crs2…공진 커패시터
Crsa, Crsb…공진 커패시터
Cs… 공진 커패시터
Css… 누설 커패시턴스
D1, D2, D3, D4… 정류 다이오드
Lf, Lfs… 인덕터
Lm… 상호 인덕턴스
Lmp… 상호 인덕턴스
Lp… 송전 코일
Lr… 공진 인덕터
Ls… 수전 코일
Ls1, Ls2, Ls3, Ls4… 수전 코일
PRU… 전력 수전 장치
PSU… 전력 송전 장치
Q1~Q4… 스위치 소자
Qs1… 스위치 소자
Ro, Ro2, Ro3… 부하
S1, S2… 스위치 회로
10, 20… 스위칭 제어 회로
30… 신호 전달 수단
40… 복공진 회로
50… 전송 제어 회로
90… 전자계 공명 결합 회로
92… 전계 공명 결합 회로
111~130… 전력 전송 시스템

Claims (20)

  1. 송전 코일을 포함한 송전 장치와, 수전 코일을 포함한 수전 장치로 구성되는 전력 전송 시스템에 있어서,
    상기 송전 장치는, 상기 송전 코일과 함께 송전 장치측 공진 회로를 구성하는 송전 장치측 공진 커패시터와, 상기 송전 코일에 전기적으로 접속되어서, 스위치 소자, 다이오드 및 커패시터의 병렬 접속 회로로 구성된 스위치 회로, 그리고 입력되는 직류전압으로부터, 상기 송전 코일에 흐르게 하는 교류전류와 비교하여 상대적으로 직류전류로 간주되는 전류원을 생성할 수 있는 크기의 인덕턴스 값을 가지는 인덕터를 포함하고, 상기 송전 코일에 흐르게 하는 교류전류를 발생하는 송전 장치측 교류전류 발생 회로를 포함하고,
    상기 수전 장치는, 상기 수전 코일과 함께 수전 장치측 공진 회로를 구성하는 수전 장치측 공진 커패시터와, 상기 수전 코일에 접속되어서, 상기 수전 코일에 생기는 교류전류를 정류(整流)하는 수전 장치측 정류 회로를 포함하고,
    상기 송전 코일과 수전 코일 사이에 등가적으로 형성되는 상호 인덕턴스 및 상호 커패시턴스로 전자계 공명(共鳴) 결합 회로가 구성되어서, 상기 송전 장치측 공진 회로와 상기 수전 장치측 공진 회로가 공명하여, 상기 송전 장치에서 상기 수전 장치로 전력이 전송되고,
    상기 송전 장치로부터 송전되지 않고 반사된 에너지는 무효전력으로서 상기 송전 장치측 공진 회로에 공진 에너지로서 보존되고,
    상기 수전 장치가 수전한 에너지 중 출력에 공급되지 않고 반사된 에너지는 무효전력으로서 상기 수전 장치측 공진 회로에 공진 에너지로서 보존되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  2. 송전 코일을 포함한 송전 장치와, 수전 코일을 포함한 수전 장치로 구성되는 전력 전송 시스템에 있어서,
    상기 송전 장치는, 상기 송전 코일과 함께 송전 장치측 공진 회로를 구성하는 송전 장치측 공진 커패시터와, 상기 송전 코일에 전기적으로 접속되어서, 스위치 소자, 다이오드 및 커패시터의 병렬 접속 회로로 구성된 스위치 회로, 그리고 입력되는 직류전압으로부터, 상기 송전 코일에 흐르게 하는 교류전류와 비교하여 상대적으로 직류전류로 간주되는 전류원을 생성할 수 있는 크기의 인덕턴스 값을 가지는 인덕터를 포함하고, 상기 송전 코일에 흐르게 하는 교류전류를 발생하는 송전 장치측 교류전류 발생 회로를 포함하고,
    상기 수전 장치는, 상기 수전 코일과 함께 수전 장치측 공진 회로를 구성하는 수전 장치측 공진 커패시터와, 상기 수전 코일에 접속되어서, 상기 수전 코일에 생기는 교류전류를 정류하는 수전 장치측 정류 회로를 포함하고,
    상기 송전 코일과 수전 코일 사이에 등가적으로 형성되는 상호 인덕턴스로 자계 공명 결합 회로가 구성되어서, 상기 송전 장치측 공진 회로와 상기 수전 장치측 공진 회로가 공명하여, 상기 송전 장치에서 상기 수전 장치로 전력이 전송되고,
    상기 송전 장치로부터 송전되지 않고 반사된 에너지는 무효전력으로서 상기 송전 장치측 공진 회로에 공진 에너지로서 보존되고,
    상기 수전 장치가 수전한 에너지 중 출력에 공급되지 않고 반사된 에너지는 무효전력으로서 상기 수전 장치측 공진 회로에 공진 에너지로서 보존되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  3. 송전 코일을 포함한 송전 장치와, 수전 코일을 포함한 수전 장치로 구성되는 전력 전송 시스템에 있어서,
    상기 송전 장치는, 송전 장치측 공진 커패시터와 함께 송전 장치측 공진 회로를 구성하는 송전 장치측 공진 인덕터와, 상기 송전 코일에 전기적으로 접속되어서, 스위치 소자, 다이오드 및 커패시터의 병렬 접속 회로로 구성된 스위치 회로, 그리고 입력되는 직류전압으로부터, 상기 송전 코일에 흐르게 하는 교류전류와 비교하여 상대적으로 직류전류로 간주되는 전류원을 생성할 수 있는 크기의 인덕턴스 값을 가지는 인덕터를 포함하고, 상기 송전 코일에 흐르게 하는 교류전류를 발생하는 송전 장치측 교류전류 발생 회로를 포함하고,
    상기 수전 장치는, 수전 장치측 공진 커패시터와 함께 수전 장치측 공진 회로를 구성하는 수전 장치측 공진 인덕터와, 상기 수전 코일에 접속되어서, 상기 수전 코일에 생기는 교류전류를 정류하는 수전 장치측 정류 회로를 포함하고,
    상기 송전 코일과 수전 코일 사이에 등가적으로 형성되는 상호 커패시턴스로 전계 공명 결합 회로가 구성되어서, 상기 송전 장치측 공진 회로와 상기 수전 장치측 공진 회로가 공명하여, 상기 송전 장치에서 상기 수전 장치로 전력이 전송되고,
    상기 송전 장치로부터 송전되지 않고 반사된 에너지는 무효전력으로서 상기 송전 장치측 공진 회로에 공진 에너지로서 보존되고,
    상기 수전 장치가 수전한 에너지 중 출력에 공급되지 않고 반사된 에너지는 무효전력으로서 상기 수전 장치측 공진 회로에 공진 에너지로서 보존되는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수전 장치는, 상기 수전 장치측 정류 회로의 출력 정보를 검출하여 상기 송전 장치측에 상기 출력 정보를 전송하는 정보 송신 회로를 포함하고,
    상기 송전 장치는, 상기 출력 정보를 수신하는 출력 정보 수신 회로와, 상기 출력 정보에 따라서 상기 송전 장치측 교류전류 발생 회로를 제어하여 전송 전력을 제어하는 전송 전력 제어 회로를 포함한 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정보 송신 회로는, 무선통신으로 상기 출력 정보를 송신하는 회로이며,
    상기 출력 정보 수신 회로는 무선통신으로 상기 출력 정보를 수신하는 회로인 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 정보 송신 회로는 전기신호를 광신호로 변환하여 상기 출력 정보를 송신하는 회로이며,
    상기 출력 정보 수신 회로는 광신호를 전기신호로 변환하여 상기 출력 정보를 수신하는 회로인 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전 장치측 교류전류 발생 회로는, 스위치 회로를 온/오프하는 스위칭 주파수를 변화시키는 주파수 제어 PFM(Pulse Frequency Modulation)에 의해 전송 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전 장치측 교류전류 발생 회로는, 스위치 회로를 고정 스위칭 주파수에서 온/오프하여, 시간 비율을 제어하는 PWM(Pulse Width Modulation)에 의해 전송 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수전 장치측 정류 회로는 스위치 소자를 포함한 동기(同期) 정류 회로인 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수전 장치는, 상기 동기 정류 회로의 동작 주파수를 제어하는 동작 주파수 제어 회로를 포함하고, 상기 동작 주파수에 의해 수전 전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수전 장치는, 상기 수전 장치측의 회로를 제어하는 제어 회로를 포함하고, 상기 제어 회로는 상기 수전 장치가 수전한 전력에 의해 동작하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수전 장치측 정류 회로의 출력부에서 전력이 전송될 때, 상기 수전 장치측 정류 회로는 상기 송전 장치측 교류전류 발생 회로로서 작용함과 동시에, 상기 송전 장치측 교류전류 발생 회로는 상기 수전 장치측 정류 회로로서 작용하고, 쌍방향으로 전력 전송이 가능한 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전 코일 또는 상기 수전 코일에 대하여 병렬로 공진 커패시터를 포함한 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 공진 커패시터는 상기 송전 코일과 상기 수전 코일 사이에 형성되는 전계 공명에 의한 등가적인 커패시턴스가 되는 부유(浮遊) 용량으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 공진 커패시터는 상기 송전 코일과 상기 수전 코일 사이에 형성되는 등가적인 상호 커패시턴스로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  16. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전 코일 및 상기 수전 코일은 공심(空心; air-core)의 인덕터인 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  17. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상호 인덕턴스는, 상기 송전 코일과 상기 수전 코일 사이에 형성되는 자계 공명 결합에 의해 생기는 등가적인 여자(勵磁; magnetization) 인덕턴스인 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  18. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전 코일 혹은 상기 수전 코일의 인덕턴스 성분 중, 공명 결합에 관여하지 않는 누설 인덕턴스를 상기 송전 장치측 공진 회로 또는 상기 수전 장치측 공진 회로를 구성하는 인덕터로서 이용한 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  19. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전 장치측 교류전류 발생 회로는, 상기 송전 코일과 상기 스위치 회로를 각각 복수 포함하고, 상기 송전 코일과 상기 스위치 회로가 각각 전기적으로 접속되어서 구성되고, 상기 복수의 스위치 회로가 주기적으로 순차적으로 스위칭 동작을 실시하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
  20. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송전 장치측 교류전류 발생 회로는, 상기 스위치 회로를 복수 포함하고 있고, 상기 송전 코일에 상기 복수의 스위치 회로가 전기적으로 접속되어서 구성되고, 상기 복수의 스위치 회로가 주기적으로 순차적으로 스위칭 동작을 실시하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
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