KR101839527B1 - 고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법에 관한 것으로, 수신 측에 전달되는 AC전압을 전파/반파 정류기를 부하 전류에 따라 변화하는 듀티를 조절하는 수신파 진폭변조(RAM; Received wave Amplitude Modulation) 또는 수신된 펄스의 밀도를 주파로 제어하는 수신파 밀도변조(RDM; Received wave Density Modulation) 방법을 통해 시스템에 필요한 전압을 제어함으로써 배터리 충전 및 모든 전자기기의 부하는 전부하(Full load) 보다는 중부하 또는 경부하 에서 많이 동작하므로 중/경부하 효율을 증가시키기 위해 정류된 수신전압을 부하 전류에 따라서 수신 측에서 자동으로 조절하여 효율을 증대시키고, 수신측에서 시스템에 필요한 전력을 만들어 내기 위한 컨버터의 동작점을 일정하게 유지하여 안정된 동작과 높은 효율을 갖는 각별한 장점이 있는 유용한 발명이다.

Description

고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법{Power apparatus with adjusting the rectified voltage for high efficiency wireless power transfer}

본 발명은 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 정류된 수신전압을 부하 전류에 따라서 수신 측에서 자동으로 조절하여 효율을 증대시키는 고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법에 관한 것이다.

반도체 회로 예를 들어, 반도체 메모리는 주변 회로 전압(VPERI), 코어 전압(VCORE)과 같은 각종 내부 전압을 안정적인 레벨로 생성하기 위하여 전압 정류 회로를 사용한다.

종래의 기술에 따른 전압 정류 회로는 전원 전압 즉, 외부 전압(VDD)에 의한 전류를 구동하기 위하여 PMOS 트랜지스터를 사용할 수 있다.

이때 PMOS 트랜지스터의 전류 구동력을 크게 하기 위한 방법으로서, PMOS 트랜지스터의 사이즈를 크게 설계하는 방법을 사용한다.

이와 같이 트랜지스터의 사이즈를 크게 하므로 회로 면적이 커짐은 물론이고, 트랜지스터의 사이즈가 커짐에 따라 기생 커패시턴스가 증가하여 동작 속도를 저하시킨다.

도 2에 나타낸 바와 같이 기존 현 수준에서는 부하 전류가 감소함에 따라 정류 전압이 증가하게 되고, 이는 다른 이유도 있지만, 수신측의 시스템에 전력을 공급하기 위한 컨버터의 손실이 커지게 되기 때문이다. 이를 해결하기 위해 정류 전압을 부하 전류에 따라 정류 전압을 변화시켜 일정하게 하면, 수신 컨버터의 효율을 증대할 수 있다.

이와 같이 현재 개발되어 있는 전송방식인 자기 유도(MI: Magnetic Inducti on) 방식과 자기 공진(MR: Magnetic Resonance) 방식은 기술적 가능성이나 완성도는 높아진 단계이다. 하지만 아직 상용화되고 있지 못하는 여러 가지 이유가 있겠지만, 무선 전력 전송을 이용한 충전 방법은 유선 충전에 비하여 효율이 낮다는 단점을 가지고 있다.

자기 유도 방식의 무선 충전 기술은 송신단 코일에 전류를 흘려 자기장을 발생시키고, 수신단 코일에 자기장을 유도하여 발생되는 전류로 충전을 하는 방식이다. 종래 전동 칫솔이나 면도기 등에 주로 사용되었던 충전 기술로서, 근거리 내에서 매우 높은 충전 효율을 얻을 수 있는 장점이 있다. 충전 효율이 높아 휴대폰이나 노트북 등에 무선 충전을 시도하는 등으로 개발이 진행되고 있다. 그러나, 송신단과 수신단간 거리가 벌어질 경우 충전 효율이 급격하게 떨어진다.

자기 공진 방식의 무선 충전 기술은 2007년 MIT Marin Soljacic 교수팀에서 처음 선보인 기술로, 근거리 자기장 내에서 송수신 코일 간의 주파수가 공진할 때 감쇄파 결합에 의하여 에너지가 전달되는 현상을 이용하여 충전을 하는 방식이다. 자기 공진 무선 충전 기술은 자기 유도 방식과 비교하여 원거리에서 전력 전송이 가능하며, 공진 송수신 코일의 크기 및 특성에 따라 수십 cm에서 수 m에 이르는 거리까지 전력 전송이 가능한 장점이 있다.

또한, 자기 공진 방식의 무선 충전 기술은 충전 반경 내에 위치한 기기들의 공진 주파수가 일치하는 경우, 하나의 송신 코일을 이용하여 다수의 기기에 전력을 전송할 수 있는 장점이 있다.

그런데, 자기 공진 방식의 무선 전력 전송에 있어서, 송신기기와 수신기기 사이에 물체가 존재하는 경우, 자기장에 의해 물체에 영향을 끼칠 수 있어 인체가 무선 충전 반경 내에 위치하는 경우 인체에 미치는 영향을 최소화할 필요가 있다.

대한민국 특허공개 제10-2013-0068921호는 무선 전력 전송 시에 발생되는 자기장이 인체에 미치는 영향을 최소화하는 방법을 제시하고 있다. 동 선행문헌은 무선 전력 전송 장치 주위에 존재하는 인체를 검출하고, 수신 전력이 인체에 미치는 영향을 판단하고, 판단 결과에 기반하여 송신하는 전력의 크기를 조절하는 것으로, 자기 공진 방식의 무선 전력 전송에 따른 인체에의 영향을 최소화하는 방법을 개시하고 있다.

하지만, 송신단과 인체간의 거리를 정확하게 검출하지 못하거나, 적절한 전력 조절 제어에 실패할 경우, 인체가 유해한 자기장에 노출될 우려가 있다. 무엇보다 가정 내에서 이러한 문제점이 발생 될 경우, 가족 구성원이 치명적인 위험에 빠질 수 있으므로 가정 내 무선 충전 시스템 도입에 상당한 어려움으로 작용된다.

이와 같이 현재 개발되어 있는 일반적인 무선 전력 송신은 도 1에 도시한 바와 같은 구조를 가지게 된다. 입력 전압을 받아 공진형 DC-AC 인버터를 통해 AC 전압을 생성 후 부하 임피던스에 따라 전력을 효율적으로 전달하기 위한 임피던스 매칭 회로와 송신 인덕터 또는 공진기가 송신기를 구성하게 된다. 송신 공진기를 통해 전달된 전력은 수신 공진기를 거쳐 정류기를 지난 다음 시스템에 필요한 전압으로 변환하기 위한 DC-DC 컨버터를 거쳐 출력 전압을 생성하게 된다.

한편, 자기장을 이용하는 무선 전력 송신시스템은 도 2에 나타낸 바와 같이 배터리 충전을 하는 모바일 기기에서는 충전 전류가 감소함에 따라 효율이 급격하게 떨어지게 된다. 보통 리튬 이온이나 리튬 폴리머를 사용하는 모바일 기기의 경우 충전 방법은 CC(Constant Current)로 충전을 하다가 CV(Contant Voltage)로 충전을 하게 되는데, CV 모드 기간이 통상 CC 모드 보다 2 ∼ 3배 길게 되며, 이는 충전 전류가 계속 감소하게 된다.

충전 전류가 감소하게 되면, 도 2에 나타낸 바와 같이 전송 효율이 감소하게 되는데 이는 부하 저항에 계속 비뀌는 즉, 임피던스의 변화가 생기게 되는 것이다. 이르 보상하기 위해 송신이나 수신측에서의 임피던스 매칭 회로를 부하 정보에 따라 Adaptive 하게 변화하게 되는데, 매 순간 순간 마다 연속적으로 매칭 회로를 변화하기에는 무리가 따르고 효율 또한 낮아지게 된다.

이와 같이 종래의 전송방식 기술인 자기유도방식과 자기 공진 방식은 기술적 가능성이나 완성도는 높아진 단계이다. 하지만 아직 상용화되고 있지 못하는 여러 가지 이유가 있겠지만, 무선 전력 전송을 이용한 충전 방법은 유선 충전에 비하여 효율이 낮다는 단점이 있다. 이도 도 2에서 보는 바와 같이 무선 전력 전송을 이용한 충전은 대부분의 시간을 큰부하 조건이 아니고 경부하 조건이다. 각 부하 조건에 따라 외부 회로를 이용하여 고효율을 얻기 위한 알고리즘이 필요한 데 이는 회로의 복잡성 및 효율을 크게 증대하기는 어렵다.

상기한 바와 같이 현재 개발되어 있는 전송방식인 자기유도 방식과 자기공진 방식은 기술적 가능성이나 완성도는 높아진 단계이다. 하지만 아직 상용화되고 있지 못하는 여러 가지 이유가 있겠지만, 무선 전력 전송을 이용한 충전 방법은 유선 충전에 비하여 효율이 낮다는 단점을 가지고 있다. 이는 도 2에 나타낸 바와 같이 무선 전력 전송을 이용한 충전은 대부분의 시간을 큰부하 조건이 아니고 경부하 조건이다. 각 부하 조건에 따라 외부 회로를 이용하여 고효율을 얻기 위한 알고리즘이 필요한데 이는 회로의 복잡성 및 효율을 크게 증대하기는 어렵다. 기존의 한가지 방법으로 출력 전류에 따라서 무선 통신을 통해 송신기에 전달하여 송신기의 입력 전압을 조절하여 정류전압을 조절한다. 하지만, 이는 통신을 해야 하고 입력 전압을 조절하기 위하여 앞단에 추가적인 전력 변환 회로가 필요하게 된다.

특허문헌 1: 특허공개 제2013-0068921호 공보,

본 발명은 상기한 실정을 감안하여 종래 무선 전력 전송 기술에서 야기되는 여러 가지 결점 및 문제점들을 해결하고자 발명한 것으로서, 그 목적은 배터리 충전 및 모든 전자기기의 부하는 전부하(Full load) 보다는 중부하 또는 경부하 에서 많이 동작하므로 중/경부하 효율을 증가시키기 위해 정류된 수신전압을 부하 전류에 따라서 수신 측에서 자동으로 조절하여 효율을 증대시키는 고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 수신측에서 시스템에 필요한 전력을 만들어 내기 위한 컨버터의 동작점을 일정하게 유지하여 안정된 동작과 높은 효율을 갖는 고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법은 수신 측에 전달되는 AC전압을 전파/반파 정류기를 부하 전류에 따라 변화하는 듀티를 조절하는 수신파 진폭변조(RAM; Received wave Amplitude Modulation) 또는 수신된 펄스의 밀도를 주파로 제어하는 수신파 밀도변조(RDM; Received wave Density Modulation) 방법을 통해 시스템에 필요한 전압을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 배터리 충전 및 모든 전자기기의 부하는 전부하(Full load) 보다는 중부하 또는 경부하 에서 많이 동작하므로 중/경부하 효율을 증가시키기 위해 정류된 수신전압을 부하 전류에 따라서 수신 측에서 자동으로 조절하여 효율을 증대시키고, 수신측에서 시스템에 필요한 전력을 만들어 내기 위한 컨버터의 동작점을 일정하게 유지하여 안정된 동작과 높은 효율을 갖는 각별한 장점이 있다.

도 1은 종래 일반적인 무선 전력 전속 시스템의 개념도,
도 2는 충전 전류의 감소에 따는 전송효율의 급격한 저하를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 수신 공진기의 수신 파형 조정을 통한 정류 전압 조절을 보여주는 도면,
도 4는 본 발명 고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법에 채용된 수신파 진폭변조 회로도,
도 5는 본 발명 고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법에 채용된 수신파 밀도변조 회로도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법을 바람직한 실시예로서 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 수신 공진기의 수신 파형 조정을 통한 정류 전압 조절을 보여주는 도면, 도 4는 본 발명 고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법에 채용된 수신파 진폭변조 회로도, 도 5는 본 발명 고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법에 채용된 수신파 밀도변조 회로도로서, 본 발명 고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법은 수신 측에 전달되는 AC전압을 전파/반파 정류기를 통과시키고, 부하 전류에 따라 변화하는 듀티를 조절하는 수신파 진폭변조(RAM; Received wave Amplitude Modulation) 또는 수신된 펄스의 밀도를 주파수로 제어하는 수신파 밀도변조(RDM; Received wave Density Modulation) 방법을 통해 시스템에 필요한 전압을 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 수신파 진폭변조(RAM; Received wave Amplitude Modulation) 방법은 수신 부하측 컨버터의 입력 전류에 대응되는 전압을 기준 전압과 비교하여 스위치(Mp)의 듀티를 조절하여 정류 전압을 조절함으로써 시스템 전력을 위한 상기 컨버터의 효율을 최적으로 조절하는 방법이다.

상기 수신파 밀도변조(RDM; Received wave Density Modulation) 방법은 수신공진기에 스위치(S1)를 부착시켜 주파수/듀티를 제어하는 방법 또는 수신공진기에 스위치(S1)를 단방향으로 달아 주파수/듀티를 제어하는 방법이다.

다음에는 상기한 바와 같이 구성된 본 발명 고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법의 작용을 상세하게 설명한다.

도 3에 도시한 바와 같이 정류 전압을 조절하기 위하여 수신측에 전달되는 AC 전압을 두가지 방법을 통해 조절한다. 한가지 방법은 전파/반파 정류기를 통해 부하 전류에 따라 변화하는 AC 전압의 듀티를 조절하는 수신파 진폭변조(RAM; Received wave Amplitude Modulation) 방법과 수신된 펄스의 밀도를 주파수로 제어하여 수신파 밀도변조(RDM; Received wave Density Modulation) 방법을 통해 시스템에 필요한 전압을 제어한다.

도 4는 본 발명 고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법에 채용된 수신파 진폭변조 회로도이다. 부하 전류 즉, 수신 측 컨버터의 입력 전류에 대응되는 전압을 기준 전압과 비교하여 스위치(Mp)의 듀티를 조절하여 정류 전압을 조절하게 된다. 부하 전류가 올라갈 때 정류된 전압이 전(full) 부하 조건보다 더 많이 내려가도록 조정하게 되면, 시스템 전력을 위한 컨버터는 최적의 효율을 갖도록 동작을 할 수 있다.

도 5는 본 발명 고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법에 채용된 수신파 밀도변조 회로도이다. 수신 공진기에 양방향 스위치(S1)를 부착시켜 또는 단방향으로 달아 주파수/듀티 제어를 통한 수신파 밀도변조(RDM; Received wave Density Modulation)를 구현한다. 두가지 방법에 의하여 단위시간당 수신된 펄스 개수를 조절하여 정류전압을 조절하게 된다. 이는 또한 정류 전압의 과전압 보호도 할 수 있다.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.

Claims (4)

1. 수신 측에 전달되는 AC전압을 전파/반파 정류기를 부하 전류에 따라 변화하는 듀티를 조절하는 수신파 진폭변조(RAM; Received wave Amplitude Modulation)방법을 통해 시스템에 필요한 전압을 제어하며,
   상기 수신파 진폭변조(RAM; Received wave Amplitude Modulation) 방법은 수신 부하측 컨버터의 입력 전류에 대응되는 전압을 기준 전압과 비교하고 스위치(Mp)의 듀티를 조절하여 정류 전압을 조절함으로써 시스템 전력을 위한 상기 컨버터의 효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는
   고효율 무선 전력 전송을 위한 부하 전류에 따른 정류 전압 가변 방법.
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