KR101996127B1 - Wireless power transmission system based on Coupled Electric Field - Google Patents

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KR101996127B1 KR1020170065391A KR20170065391A KR101996127B1 KR 101996127 B1 KR101996127 B1 KR 101996127B1 KR 1020170065391 A KR1020170065391 A KR 1020170065391A KR 20170065391 A KR20170065391 A KR 20170065391A KR 101996127 B1 KR101996127 B1 KR 101996127B1
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최성진
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Abstract

본 발명은 보다 간단한 회로 구성으로 보다 향상된 성능을 보장할 수 있도록 하는 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로, DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 송신 장치; 상기 송신 장치의 AC 전압을 전계 결합방식으로 무선 전송하는 한 쌍(pair)의 링크 캐패시터; 및 변압기 기능과 인덕터 기능을 동시 제공하는 LET(Leakage-Enhanced Transformer) 변압기를 통해 임피던스 매칭을 수행하고, 상기 링크 캐패시터를 통해 전송되는 상기 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 부하로 전달하는 수신 장치를 포함할 수 있다. The present invention relates to a wireless power transmission system based on an electric field coupling method which can guarantee a higher performance with a simpler circuit configuration, and more particularly, to a transmission device for converting a DC voltage into an AC voltage. A pair of link capacitors for wirelessly transmitting the AC voltage of the transmission device by an electric field coupling method; And a receiving device that performs impedance matching through a Leakage-Enhanced Transformer (LET) transformer that simultaneously provides a transformer function and an inductor function, converts the AC voltage transmitted through the link capacitor to a DC voltage, can do.

Description

전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템{Wireless power transmission system based on Coupled Electric Field}[0001] The present invention relates to a wireless power transmission system based on an electric field coupling method,

본 발명은 무선 전력 전송 시스템에 관한 것으로, 특히 보다 간단한 회로 구성으로 보다 향상된 성능을 보장할 수 있도록 하는 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wireless power transmission system, and more particularly, to a wireless power transmission system based on an electric field coupling method, which enables a more improved performance with a simpler circuit configuration.

현재 무선 전력 전송 시스템은 다양한 분야에서 사용되고 있는데, 대표적으로 많이 사용되고 있는 분야로는 차량이나 모바일 무선충전이 있으며, 이는 송수신부에 도체로 전극을 형성해 캐패시터가 생성되는 원리를 기반으로 에너지를 전송하는 전계결합 방식 등을 활용한다. Currently, the wireless power transmission system is used in various fields. As a typical example of the wireless power transmission system, a car or a mobile wireless charging is used. In this case, an electric field is formed in a transmitting / And a combination method.

도 1은 종래의 기술에 따른 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 1 is a view for explaining a conventional electric field coupling system based wireless power transmission system.

도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 종래의 무선 전력 전송 시스템은 DC 형태로 받은 에너지를 AC 형태로 변환시켜주는 송신부(10), AC 전압을 다시 DC전압으로 변환시켜주는 수신부(20), 및 링크 캐패시터(30)로 구성된다. As shown in FIG. 1 (a), a conventional wireless power transmission system includes a transmitter 10 for converting energy received in a DC form into an AC form, a receiver 20 for converting an AC voltage back to a DC voltage, , And a link capacitor (30).

도 1의 (b)는 도 1의 (a)의 등가회로로, 이를 참고하면 무선 전력 전송 시스템의 링크 캐패시터가 피코에서 나노 단위로 전압 스트레스가 시스템 공진 양호도Q(Quality factor)의 배수만큼 크게 발생하게 된다. 1 (b) is an equivalent circuit of FIG. 1 (a). Referring to FIG. 1 (a), when the link capacitor of the wireless power transmission system is in a pico to nano unit, the voltage stress is increased by a multiple of the system resonance quality factor Q .

따라서 인덕터나 변압기를 이용해서 캐패시터의 임피던스를 상쇄하는 방법인 도 1의 (c)와 같은 임피던스 매칭 네트워크(matching network)가 송신부(10)와 수신부(20) 양측 모두에 구비되어야 함을 알 수 있다. Therefore, it can be seen that an impedance matching network as shown in FIG. 1 (c), which is a method of canceling the impedance of the capacitor using an inductor or a transformer, must be provided on both sides of the transmitter 10 and the receiver 20 .

결과적으로, 종래의 무선 전력 전송 시스템은 임피던스 매칭 네트워크를 송신부와 수신부 양측 모두에 구비해야 하여, 시스템 부피가 증가할 뿐 만이라 시스템 설계도 복잡해지는 단점을 가진다. 또한, 송신측과 수신측 각각에 마그네틱 소자가 구비되어야 하므로, 시스템 역률(system power factor)이 저하되며, 캐패시터 전압 스트레스는 증가되는 단점도 가진다.As a result, the conventional wireless power transmission system has disadvantages in that the impedance matching network must be provided on both sides of the transmitter and the receiver so that the system volume increases, and the system design becomes complicated. In addition, since a magnetic element must be provided on each of the transmission side and the reception side, the system power factor is lowered and the capacitor voltage stress is also increased.

1. Chunting Chris Mi, Giuseppe Buja, Su Y. Choi and Chun T. Rim, "Modern Advances in Wireless Power Transfer Systems for Roadway Powered Electric Vehicles," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 63, no.10, pp.6533-6545, Oct. 2016 1. Chunting Chris Mi, Giuseppe Buja, Su Y. Choi and Chun T. Rim, "Modern Advances in Wireless Power Transfer Systems for Roadway Powered Electric Vehicles," IEEE Trans. on Industrial Electronics, vol. 63, no. 10, pp. 6533-6545, Oct. 2016 2. Michael P. Theodoridis, "Effective Capacitive Power Transfer," IEEE Trans. on Power Electronics, vol.27, no.12, pp.4906-4913, Dec. 20122. Michael P. Theodoridis, "Effective Capacitive Power Transfer," IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 27, no. 12, pp. 4906-4913, Dec. 2012 3. Sung-Jin Choi, "Design Guidelines for a Capacitive Wireless Power Transfer System with Input/Output Matching Transformers," Journal of Electrical Engineering & Technology, vol.11, no.6, pp.1656-1663, Nov. 20163. Sung-Jin Choi, "Design Guidelines for a Capacitive Wireless Power Transfer System with Input / Output Matching Transformers," Journal of Electrical Engineering & Technology, vol.11, no. 6, pp. 1665-1663, Nov. 2016 4. C. W. T. Mclyman, Transformer and Inductor Design Handbook, 4th ed., CRC Press, 20114. C. W. T. Mclyman, Transformer and Inductor Design Handbook, 4th ed., CRC Press, 2011 5. E. C. Snelling, Soft Ferrites-Properties and Applications, second ed., London Iliffe Books LTD, pp.337-358, 1969E. E. Snelling, Soft Ferrites-Properties and Applications, second ed., London Iliffe Books LTD, pp. 377-358, 1969

이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 송신측과 수신측 중 어느 하나에만 임피던스 매칭 네트워크가 구비되도록 함으로써, 시스템 구성을 보다 간단화할 수 있도록 하는 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템을 제공하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, an object of the present invention is to provide an electric field coupling system based wireless power transmission system which can simplify a system configuration by providing an impedance matching network in only one of a transmitting side and a receiving side .

또한 캐패시터 전압 스트레스는 감소되고 시스템 역률을 증가되도록 함으로써, 시스템 성능은 향상될 수 있도록 하는 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템을 제공하고자 한다. It is also intended to provide a wireless power transmission system based on an electric field coupling scheme in which the capacitor voltage stress is reduced and the system power factor is increased so that the system performance can be improved.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 링크 캐패시터를 통해 전계 결합방식으로 무선 전송되는 AC 전압을 수신하는 수신 장치는, 변압기 기능과 인덕터 기능을 동시 제공하는 LET(Leakage-Enhanced Transformer) 변압기를 통해 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭부; 및 상기 임피던스 매칭부를 통해 전달되는 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성 및 출력하는 정류부를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a receiving apparatus for receiving an AC voltage wirelessly transmitted in an electric field coupling manner through a link capacitor according to an embodiment of the present invention includes an LET (Leakage- An impedance matching unit for performing impedance matching through a transformer; And a rectifier for rectifying an AC voltage transmitted through the impedance matching unit to generate and output a DC voltage.

상기 LET 변압기는 EE 타입의 코어; 및 N:1의 권선비를 가지며, 기 설정 간격 이격된 1차 권선과 2차 권선;을 포함하는 것을 특징으로 한다. Said LET transformer comprising: an EE type core; And a primary winding and a secondary winding having a winding ratio of N: 1 and spaced from each other by a preset interval.

그리고 상기 LET 변압기는 "

Figure 112017050492585-pat00001
"의 식에 따라 계산되는 공진 양호도(Q)와 "
Figure 112017050492585-pat00002
"의 식에 따라 계산되는 공진 주파수(fo)를 가지며, 상기 neff는 유효 권선비, 상기 Req는 AC 등가 부하 저항, 상기 Lr는 누설 인덕턴스, 상기 Clink는 링크 캐패시터인 것을 특징으로 한다. And the LET transformer is "
Figure 112017050492585-pat00001
Quot; Q " and "
Figure 112017050492585-pat00002
"Has a resonance frequency (f o) is calculated according to the formula, wherein n eff is the effective turns ratio, the R eq is AC equivalent load resistance, wherein L r is the leakage inductance, the C link may be a link capacitor .

그리고 상기 LET 변압기는 "

Figure 112017050492585-pat00003
"의 조건을 만족시키도록 최대 전압 이득(M)이 결정되며, 상기 Vcap,stress는 캐패시터 전압 스트레스, 상기 Vcap,maximum는 최대 캐패시터 전압 스트레스, 상기 Q는 공진 양호도, 상기 Vin는 입력 전압인 것을 특징으로 한다. And the LET transformer is "
Figure 112017050492585-pat00003
"Is the maximum voltage gain (M) is determined so as to satisfy the condition, the V cap, stress is the capacitor voltage stress, wherein the V cap, maximum is the maximum capacitor voltage stress, the Q is the resonance quality factor, the V in is input Voltage.

그리고 상기 LET 변압기는 "

Figure 112017050492585-pat00004
"의 식에 따라 결정되는 코어 크기를 가지며, 상기 Ae는 코어 횡단면 영역의 크기(cm2), 상기 Aw는 권선 영역 또는 코어의 크기(cm2), 상기 PO는 출력 전력, 상기 Kf는 파형 팩터, 상기 Bmax는 최대 자계 밀도, 상기 f는 스위칭 주파수, 상기 Ku는 권선 충전율, 상기 Jrms는 전류 밀도인 것을 특징으로 한다. And the LET transformer is "
Figure 112017050492585-pat00004
Wherein A e is the size (cm 2 ) of the core cross-sectional area, A w is the size of the winding area or core (cm 2 ), P o is the output power, K f is a waveform factor, B max is a maximum magnetic field density, f is a switching frequency, K u is a winding packing rate, and J rms is a current density.

그리고 상기 LET 변압기는 "

Figure 112017050492585-pat00005
"의 식에 따라 결정되는 1차측 권선 수(Ns)와, "
Figure 112017050492585-pat00006
" 내지 "
Figure 112017050492585-pat00007
"의 범위에서 결정되는 2차측 권선 수(Np)를 가지며, 상기 N은 권선비, 상기 neff는 유효 권선비, 상기 k는 0.98~0.99의 상수, 상기 Vsec는 AC 등가 부하 저항(Req) 양단에 걸리는 전압, 상기 Ae는 코어 횡단면 영역의 크기(cm2), 상기 Bmax는 최대 자계 밀도, 상기 f는 스위칭 주파수, 상기 Kf는 파형 팩터, 상기 Ku는 권선 충전율, 상기 Aw는 권선 영역 또는 코어의 크기(cm2), 상기 ACu는 권선 횡단면 영역의 크기(cm2), 상기 Δ는 권선 이격율인 것을 특징으로 한다. And the LET transformer is "
Figure 112017050492585-pat00005
(N s ) determined in accordance with the equation of "
Figure 112017050492585-pat00006
"To"
Figure 112017050492585-pat00007
"Can the secondary coil, which is determined in a range of (N p) to have, wherein N is a turn ratio, the n eff is the effective turns ratio, wherein k is (R eq) constant, the V sec of 0.98 ~ 0.99 is AC equivalent load resistor Wherein A f is a switching frequency, K f is a waveform factor, K u is a winding charging rate, A w is a voltage applied across both ends, A e is a size (cm 2 ) of a core cross section area, B max is a maximum magnetic field density, (Cm < 2 >) of the winding area or core, A Cu is the size (cm 2 ) of the winding cross section area, and Δ is the winding spacing ratio.

상기 LET 변압기는 "

Figure 112017050492585-pat00008
"의 식에 따라 높이(hw)와 폭(bw)이 결정되는 권선 윈도우, "
Figure 112017050492585-pat00009
"의 식에 따라 가로 길이(A)와 세로 길이(B)가 결정되는 코어 중앙 다리, 및 "
Figure 112017050492585-pat00010
"의 식에 따라 결정되는 1차측 권선과 2차측 권선간 거리(sw)를 가지며, 상기 k는 0.98~0.99의 상수, 상기 μo은 공기 투자율, 상기 Np는 2차측 권선 수, 상기 lw는 권선 평균 길이, 상기 Δ는 권선 이격율인 것을 특징으로 한다. The LET transformer is "
Figure 112017050492585-pat00008
Quot ;, the winding window in which the height h w and the width b w are determined,
Figure 112017050492585-pat00009
"And " B " are determined according to the expression"
Figure 112017050492585-pat00010
Has a "primary-side winding and the secondary-side distance (s w) between wires, which is determined according to the following equation, wherein k is a constant, the μ o of 0.98 ~ 0.99 is air permeability, wherein N p is the secondary number of turns, the l w is an average winding length, and? is a winding separation ratio.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템은, DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 송신 장치; 상기 송신 장치의 AC 전압을 전계 결합방식으로 무선 전송하는 한 쌍(pair)의 링크 캐패시터; 및 변압기 기능과 인덕터 기능을 동시 제공하는 LET(Leakage-Enhanced Transformer) 변압기를 통해 임피던스 매칭을 수행하고, 상기 링크 캐패시터를 통해 전송되는 상기 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 부하로 전달하는 수신 장치를 포함할 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a wireless power transmission system based on an electric field coupling method, comprising: a transmitter for converting a DC voltage to an AC voltage; A pair of link capacitors for wirelessly transmitting the AC voltage of the transmission device by an electric field coupling method; And a receiving device that performs impedance matching through a Leakage-Enhanced Transformer (LET) transformer that simultaneously provides a transformer function and an inductor function, converts the AC voltage transmitted through the link capacitor to a DC voltage, can do.

상기 수신 장치는 상기 링크 캐패시터를 통해 전계 결합방식으로 무선 전송되는 AC 전압을 수신하고, 상기 LET(Leakage-Enhanced Transformer) 변압기를 통해 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭부; 및 상기 임피던스 매칭부를 통해 전달되는 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성 및 출력하는 정류부를 포함하는 것을 특징으로 한다. An impedance matching unit for receiving an AC voltage wirelessly transmitted in an electric field coupling manner through the link capacitor and performing an impedance matching through the LAK (Leakage-Enhanced Transformer) transformer; And a rectifier for rectifying an AC voltage transmitted through the impedance matching unit to generate and output a DC voltage.

상기 송신 장치는 트랜지스터 기반의 풀-브릿지 컨버터를 통해 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 한다. The transmitting apparatus includes a switching unit that converts a DC voltage to an AC voltage through a transistor-based full-bridge converter.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템은, DC 전압을 AC 전압으로 변환하며, 변압기 기능과 인덕터 기능을 동시 제공하는 LET(Leakage-Enhanced Transformer) 변압기를 통해 임피던스 매칭을 수행하는 송신 장치; 상기 송신 장치의 AC 전압을 전계 결합방식으로 무선 전송하는 한 쌍(pair)의 링크 캐패시터; 및 상기 링크 캐패시터를 통해 전송되는 상기 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 부하로 전달하는 수신 장치를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a wireless power transmission system based on an electric field coupling method, comprising: a DC-DC converter for converting a DC voltage to an AC voltage and outputting an LET A transmission device for performing impedance matching through a transformer; A pair of link capacitors for wirelessly transmitting the AC voltage of the transmission device by an electric field coupling method; And a receiving device for converting the AC voltage transmitted through the link capacitor to a DC voltage and delivering the DC voltage to the load.

상기 송신 장치는 트랜지스터 기반의 풀-브릿지 컨버터를 통해 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 스위칭부; 및 상기 LET(Leakage-Enhanced Transformer) 변압기를 통해 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭부를 포함하는 것을 특징으로 한다. The transmitter includes a switching unit for converting a DC voltage to an AC voltage through a transistor-based full-bridge converter; And an impedance matching unit for performing impedance matching through the LAK (Leakage-Enhanced Transformer) transformer.

상기 수신 장치는 상기 링크 캐패시터를 통해 전달되는 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성 및 출력하는 정류부를 포함하는 것을 특징으로 한다.The receiving apparatus includes a rectifying unit for rectifying an AC voltage transmitted through the link capacitor to generate and output a DC voltage.

본 발명의 무선 전력 전송 시스템은 송신 장치와 수신 장치 중 어느 하나에만 임피던스 매칭 네트워크가 구비될 수 있도록 함으로써, 시스템 구조가 획기적으로 감소될 수 있도록 한다. The wireless power transmission system of the present invention can provide an impedance matching network in only one of the transmitting apparatus and the receiving apparatus so that the system structure can be drastically reduced.

또한 임피던스 매칭 네트워크가 LET 변압기 하나만으로 구현될 수 있도록 하여, 임피던스 매칭 네트워크의 구조가 간단화될 수 있도록 한다.Also, the impedance matching network can be implemented with only one LET transformer, so that the structure of the impedance matching network can be simplified.

뿐 만 아니라 시스템 공진을 위해 LET 변압기 하나만 사용하므로, 시스템 역률이 높아지고, 시스템 공진 양호도가 LET 변압기의 권선비에 비례하여 감소하여 캐패시터 전압 스트레스도 감소하는 효과도 제공한다. In addition, since only one LET transformer is used for system resonance, the system power factor is increased, and the system resonance goodness is reduced in proportion to the winding ratio of the LET transformer, thereby also reducing the capacitor voltage stress.

도 1은 종래의 기술에 따른 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LET 변압기 구조를 도시한 도면이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LET 변압기의 토폴로지 설계 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도5는 공진 주파수(fo)와 공진 양호도(Q)에 따른 1/Gain 곡선을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
FIG. 1 is a view for explaining a conventional electric field coupling system based wireless power transmission system.
FIG. 2 is a view for explaining an electric field coupling type wireless power transmission system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
3 is a diagram illustrating a structure of an LET transformer according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a topology design method of an LET transformer according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing a 1 / Gain curve according to the resonance frequency fo and the resonance goodness degree Q. FIG.
6 is a view illustrating a wireless power transmission system based on an electric field coupling scheme according to another embodiment of the present invention.
FIGS. 7 and 8 are diagrams for explaining a performance of a wireless power transmission system based on an electric field coupling method according to an embodiment of the present invention.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.It is noted that the technical terms used in the present invention are used only to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. In addition, the technical terms used in the present invention should be construed in a sense generally understood by a person having ordinary skill in the art to which the present invention belongs, unless otherwise defined in the present invention, Should not be construed to mean, or be interpreted in an excessively reduced sense. In addition, when a technical term used in the present invention is an erroneous technical term that does not accurately express the concept of the present invention, it should be understood that technical terms can be understood by those skilled in the art. In addition, the general terms used in the present invention should be interpreted according to a predefined or prior context, and should not be construed as being excessively reduced.

또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.Furthermore, the singular expressions used in the present invention include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as "comprising" or "comprising" and the like should not be construed as encompassing various elements or various steps of the invention, Or may further include additional components or steps.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the same or similar elements, and redundant description thereof will be omitted.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail. It is to be noted that the accompanying drawings are only for the purpose of facilitating understanding of the present invention, and should not be construed as limiting the scope of the present invention with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면으로, (a)는 시스템 구성도, (b)는 등가 회로이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a wireless power transmission system based on an electric field coupling method according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 (a) is a system configuration diagram and FIG. 2 (b) is an equivalent circuit.

도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 무선 전력 전송 시스템(100)은 송신 장치(110), 수신 장치(120), 및 링크 캐패시터(130)를 포함하되, 수신 장치(120) 하나만이 임피던스 매칭부(121)를 구비하도록 한다. 2, a wireless power transmission system 100 of the present invention includes a transmitting apparatus 110, a receiving apparatus 120, and a link capacitor 130, and includes a receiving apparatus 120, Only one impedance matching unit 121 is provided.

송신 장치(110)는 DC 전원(111) 및 스위칭부(112) 등을 포함한다. The transmitting apparatus 110 includes a DC power source 111, a switching unit 112, and the like.

DC 전원(111)은 소정의 DC 전압(Vs)을 발생 및 제공하고, 스위칭부(112)는 트랜지스터 기반의 풀-브릿지 컨버터(T1~T4)로 구현되어, 4개의 트랜지스터(T1~T4)의 스위치 동작을 통해 DC 전원(111)의 DC 전압을 AC 전압으로 변환한다. The DC power supply 111 generates and supplies a predetermined DC voltage V s and the switching unit 112 is implemented as transistor-based full-bridge converters T1 to T4. The four transistors T1 to T4, The DC voltage of the DC power supply 111 is converted into an AC voltage.

또한, 본 발명의 송신 장치(110)는 제어 회로(미도시)를 추가 구비하고, 이를 통해 4개의 스위치(T1~T4)의 턴온/턴오프 주기를 PWM(Pulse Wide Modulation) 제어하여, 출력 전압값을 능동 가변할 수도 있음은 물론 당연하다. The transmission apparatus 110 of the present invention further includes a control circuit (not shown) to control the turn-on / turn-off period of the four switches T1 to T4 by PWM (Pulse Wide Modulation) It goes without saying that the value can be actively varied.

수신 장치(120)는 임피던스 매칭부(121) 및 정류부(122) 등을 포함한다. The receiving apparatus 120 includes an impedance matching unit 121, a rectifying unit 122, and the like.

임피던스 매칭부(121)는 인덕터 기능과 변압기 기능을 동시 제공하는 LET(Leakage-Enhanced Transformer) 변압기(LET)를 구비하고, 이를 통해 캐패시터 임피던스를 상쇄시키는 임피던스 매칭을 수행하도록 한다. The impedance matching unit 121 includes an LET (Leakage-Enhanced Transformer) transformer (LET) for simultaneously providing an inductor function and a transformer function, thereby performing impedance matching for canceling the capacitor impedance.

이때의 LET 변압기(LET)는 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 링크 캐패시터(Clink)에 연결되는 1차측과 출력단에 연결된 2차측을 구비하는 변압기(TX1), 변압기 1차측에 직렬 연결되는 누설 인덕턴스(Lr)로 구성되는 등가 회로를 가질 수 있다. 이때, 변압기 1차측에 병렬 연결되는 자화 인덕턴스(Lm)는 누설 인덕턴스(Lr)에 비해 매우 큰 값을 가져, 오픈된 것으로 가정 가능하다. 즉, 본 발명의 LET 변압기(LET)는 누설 인덕턴스(Lr)만으로 LC 시스템 공진시켜, 무효 전력을 최소화시켜 준다. 2 (b), the LET transformer LET includes a transformer TX1 having a primary side connected to the link capacitor C link and a secondary side connected to the output end, a series circuit connected to the primary side of the transformer, And a leakage inductance (L r ) connected thereto. In this case, the parallel connection magnetizing inductance (L m) that is a primary side transformer is brought to a very large value compared to the leakage inductance (L r), it can be assumed to be open. That is, LET transformer (LET) of the present invention to the resonant LC system with a leakage inductance (L r), minimizes the reactive power.

정류부(122)는 다이오드 기반의 풀-브릿지 정류기(D1~D4)와 캐패시터 필러(C) 등을 구비하여, 임피던스 매칭부(121)로부터 출력되는 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성 및 안정화시키고, 이를 출력 부하(RL)에 공급하도록 한다. The rectifying unit 122 includes diode-based full-bridge rectifiers D1 to D4 and a capacitor filler C to rectify an AC voltage output from the impedance matching unit 121 to generate and stabilize a DC voltage, And supplies it to the output load R L.

링크 캐패시터(130)는 송신 장치(110)와 수신 장치(120)의 물리적인 분리 구간에서 에너지 전송을 위해 형성되는 전계 결합용 AC-링크 캐패시터 성분을 말하며, 전류 회수 경로의 필요성 때문에 송신 장치(110)의 출력단과 수신 장치(120)의 입력단 사이에 한 쌍(CLink1)(CLink2)이 구성된다.The link capacitor 130 refers to an AC-link capacitor component for electric connection formed for energy transmission in a physical separation section between the transmission apparatus 110 and the reception apparatus 120, and the transmission apparatus 110 (C Link1 ) (C Link2 ) between the output terminal of the receiving apparatus 120 and the input terminal of the receiving apparatus 120. [

이와 같이, 본 발명에서는 임피던스 매칭부(121)가 수신 장치(120)에만 구비되도록 함으로써, 송신 장치(110)가 매우 간단히 구성될 수 있도록 한다. As described above, in the present invention, the impedance matching unit 121 is provided only in the receiving apparatus 120, so that the transmitting apparatus 110 can be configured very simply.

또한 임피던스 매칭부(121)가 LET 변압기(LET)라는 하나의 마그네틱 소자를 통해 구현되도록 함으로써, 임피던스 매칭부(121), 더 나아가 수신 장치(120)의 구성도 보다 간단해질 수 있도록 한다. Also, the impedance matching unit 121 is realized through a single magnetic element called an LET transformer (LET), thereby making the configuration of the impedance matching unit 121 and the receiving apparatus 120 more simple.

더하여, 마그네틱 소자가 하나이므로 보다 높은 시스템 역률을 얻을 수 있으며, 시스템 공진 양호도(Q)가 변압기 권선비에 따라 캐패시터 전압 스트레스가 종래에 비해 줄어드는 효과도 제공한다. In addition, since there is only one magnetic element, a higher system power factor can be obtained, and the system resonance goodness (Q) also provides an effect of reducing the capacitor voltage stress according to the transformer winding ratio.

이하, 도3 및 도4를 참고하여 본 발명의 LET 변압기에 대해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, the LET transformer of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 3 and 4. FIG.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 LET 변압기 구조를 도시한 도면으로, (a)는 코어 측면도, (b)는 변압기 측면도(side view), (c)는 변압기 상면도(top view)이다. FIG. 3 is a side view of a transformer, and FIG. 3C is a top view of a transformer according to an embodiment of the present invention. FIG. 3B is a side view of the transformer, .

도3의 (a) 내지 (c)를 참고하면, 본 발명의 LET 변압기(131)는 EE 구조의 코어(310), N:1의 권선비를 가지며, 기 설정 간격 이격되는 1차측 권선(321)과 2차측 권선(322)을 포함할 수 있다. 3 (a) to 3 (c), the LET transformer 131 of the present invention includes a core 310 having an EE structure, a primary winding 321 having a winding ratio of N: 1, And a secondary side winding 322.

또한, 필요한 경우 1차측 권선(321)과 2차측 권선(322)은 코어(310)에 직접 감겨질 수도 있으나, EE 구조의 코어(310)에 끼워지는 보빈(320)을 추가 구비하고, 이를 통해 1차측 권선(321)과 2차측 권선(322)을 형성할 수도 있도록 한다. 그리고 1차측 권선(321)과 2차측 권선(322) 사이를 물리적으로 격리시키기 위한 에어 갭(330)도 추가 구비할 수 있도록 한다. If necessary, the primary winding 321 and the secondary winding 322 may be wound directly on the core 310. However, a bobbin 320 fitted to the core 310 of the EE structure may be additionally provided, So that the primary winding 321 and the secondary winding 322 can be formed. And an air gap 330 for physically isolating the primary side winding 321 and the secondary side winding 322 from each other.

LET 변압기(131)가 이와 같은 구조를 가지는 경우, 1차측 권선(NP)과 2차측 권선(NS)의 쇄교 자속수의 차이를 기반으로 누설 인덕터(Lr)가 자연 형성되며, 자화 인덕턴스(Lm)는 별도로 형성되지 않게 된다. 즉, 누설 인덕턴스(Lr)에 비해 매우 큰 값을 가지는 자화 인덕턴스(Lm)가 발생된다고 가정할 수 있게 된다. When the LET transformer 131 has such a structure, the leakage inductor L r is naturally formed based on the difference in the number of flux linkages between the primary winding N P and the secondary winding N S , (L m ) is not formed separately. That is, it can be assumed that a magnetizing inductance L m having a very large value compared to the leakage inductance L r is generated.

만약, 자화 인덕턴스(Lm)가 누설 인덕턴스(Lr)에 비해 매우 큰 값(예를 들어, 5배 이상의 값)을 가지게 되면, LET 변압기(131)의 등가 회로에서 자화 인덕턴스(Lm)는 거의 오픈(open) 된 것으로 가정될 수 있다. If the magnetizing inductance L m has a very large value (for example, five times or more) as compared with the leakage inductance L r , the magnetizing inductance L m in the equivalent circuit of the LET transformer 131 becomes It can be assumed that it is almost open.

이러한 가정하에 LET 변압기(131)의 등가 회로는 APR(All Primary Referenced) 모델을 기반으로 해석될 수 있으며, 정류기 앞에서 본 AC 등가 부하 저항(Req)과 LET 변압기의 최대 전압 이득(M)은 이하의 수학식1과 수학식2를 통해 계산될 수 있다. Under this assumption, the equivalent circuit of the LET transformer 131 can be interpreted based on the APR (All Primary Referenced) model, and the AC equivalent load resistance (R eq ) seen in front of the rectifier and the maximum voltage gain Can be calculated through Equations (1) and (2).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112017050492585-pat00011
Figure 112017050492585-pat00011

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112017050492585-pat00012
Figure 112017050492585-pat00012

이때, VoFHA,ViFHA는 각각 기본 신호(fundamental sine) 입력과 출력이고, neff, fo, Q는 수학식3으로 표현될 수 있다. Where V oFHA and V iFHA are the fundamental sine input and output, respectively, and n eff, f o , Q can be expressed by Equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112017050492585-pat00013
Figure 112017050492585-pat00013

이때, f는 스위칭 주파수이고, fo는 공진 주파수, neff는 유효 권선비이다. Where f is the switching frequency, f o is the resonant frequency, and n eff is the effective winding ratio.

도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 LET 변압기의 토폴로지 설계 방법을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a view for explaining a topology design method of an LET transformer according to an embodiment of the present invention.

먼저, 단계 S1에서는, 출력 전압(Vo), 입력 전압(Vin), 링크 캐패시터(Clink), 및 부하 저항(RL)에 대한 정보를 획득한다. First, in step S1, information on the output voltage (V o ), the input voltage (V in ), the link capacitor (C link ), and the load resistance (R L ) is obtained.

단계 S2에서는, 공진 주파수(fo)와 최대 전압 이득(M)을 선정하고, 동작상태를 결정한다.In step S2, the resonance frequency fo and the maximum voltage gain M are selected and the operating state is determined.

도5는 공진 주파수(fo)와 공진 양호도(Q)에 따른 1/Gain 곡선을 나타낸 도면으로, 이를 참고하면 일반적으로 Q값이 너무 크면 캐패시터 전압 스트레스(Vcap,stress)가 커지고 Q값이 1보다 작으면 FHA(Fundamental harmonic approximation)가 성립하지 않음을 알 수 있다. 5 is a graph showing a 1 / Gain curve according to the resonance frequency f o and the resonance goodness degree Q. Referring to this, when the Q value is too large, the capacitor voltage stress (V cap, stress ) Is less than 1, it can be understood that the FHA (Fundamental harmonic approximation) is not established.

이에 본 발명에서는 공진 주파수(fo)와 최대 전압 이득(M)을 캐패시터 전압 스트레스(Vcap,stress)와 수신 장치 크기를 고려하여 수학식 4를 기반으로 결정하도록 한다. 즉, 캐패시터 전압 스트레스(Vcap,stress)가 최대 캐패시터 전압 값(Vcap,maximum) 보다 작으며, 수신 장치 크기가 너무 커지지 않도록 공진 주파수를 결정하도록 한다. In the present invention, the resonance frequency fo and the maximum voltage gain M are determined on the basis of Equation (4) in consideration of the capacitor voltage stress ( Vcap, stress ) and the receiving apparatus size. That is, the resonant frequency is determined such that the capacitor voltage stress (V cap, stress ) is smaller than the maximum capacitor voltage value (V cap, maximum ) and the size of the receiving device is not too large.

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112017050492585-pat00014
Figure 112017050492585-pat00014

단계 S3에서는, 스위칭 주파수와 공진주파수가 유사하다는 가정하에서, 수학식5의 영역 산출식을 기반으로 LET 변압기의 코어 크기를 결정하도록 한다. In step S3, the core size of the LET transformer is determined on the basis of the area calculating equation of Equation (5) under the assumption that the switching frequency and the resonant frequency are similar.

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure 112017050492585-pat00015
Figure 112017050492585-pat00015

이때, Ae는 코어 횡단면 영역(core cross-sectional area)의 크기(cm2), Aw는 권선 영역 또는 코어(winding area or core)의 크기(cm2), Kf는 파형 팩터(4: square wave, 4.44 sine wave), Bmax는 최대 자계 밀도(0.3T: ferrite saturation), f는 스위칭 주파수, Ku는 권선 충전율(winding fill factor(일반적으로, 0.3~0.6), Jrms는 전류 밀도(일반적으로, 500A/cm2), PO는 출력 전력이다. Where A e is the size of the core cross-sectional area (cm 2 ), A w is the size of the winding area or core (cm 2 ), K f is the waveform factor (4: square wave, 4.44 sine wave), B max is the maximum magnetic field density (0.3T: ferrite saturation), f is the switching frequency, K u is the winding fill factor (typically 0.3 to 0.6), J rms is the current density (Typically, 500 A / cm 2 ), and P O is the output power.

단계 S4에서는, LET 변압기의 1차측 권선 수(Np)와 2차측 권선 수(Ns)를 결정한다.In step S4, the primary winding number N p and the secondary winding number N s of the LET transformer are determined.

2차측 권선 수(Ns)를 수학식 6과 7의 범위 내에서 결정한다. 이때, 수학식 6는 포화 한계(saturation limit)과 권선 수의 상관관계를 나타내는 식이고, 수학식 7은 최대 권선 윈도우 영역(winding window area)관 권선 수의 상관관계를 나타내는 식이다.The secondary number of turns (N s) is determined within a range of Equation 6 and 7. Equation (6) is an expression representing the correlation between the saturation limit and the number of windings, and Equation (7) is an expression representing the correlation of the number of tube windings in the maximum winding window area.

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112017050492585-pat00016
Figure 112017050492585-pat00016

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure 112017050492585-pat00017
Figure 112017050492585-pat00017

이때, Vsec는 수신 장치의 AC 등가 부하 저항(Req) 양단에 걸리는 전압, ACu는 권선 횡단면 영역의 크기, Δ는 권선 이격율(winding separation)이다. Where V sec is the voltage across the AC equivalent load resistance (R eq ) of the receiver, A Cu is the size of the winding cross section area, and Δ is the winding separation.

1차측 턴 수는 LET 변압기의 k값을 아는 경우에 한해 수학식 8에 의해서 결정되며, k값은 일반적으로 0.98~0.99이다. The number of primary turns is determined by Equation (8) only when the k value of the LET transformer is known, and the k value is generally 0.98 to 0.99.

[수학식 8]&Quot; (8) "

Figure 112017050492585-pat00018
Figure 112017050492585-pat00018

단계 S5에서는, LET 변압기의 1차측과 2차측 사이의 거리(sw)를 결정한다. In step S5, the distance (s w ) between the primary side and the secondary side of the LET transformer is determined.

단계 S2에서 선정한 주파수를 이용하면 누설 인덕터(Lr)값을 알 수 있다. 본 발명에서와 같이, EE 코어 구조에 one-above another 구조로 LET 변압기를 제작하는 경우, Lr값은 이하의 수학식 9를 통해 계산 가능하다. If the frequency selected in step S2 is used, the value of the leakage inductor L r can be known. As in the present invention, when fabricating the LET transformer to one-another structure above the EE-core structure, L r value can be calculated from Equation (9) below.

[수학식 9]&Quot; (9) "

Figure 112017050492585-pat00019
Figure 112017050492585-pat00019

이때, hw와 bw는 권선 윈도우 영역(winding window area)의 높이와 폭, μo은 공기 투자율이다. 그리고 lw는 평균 길이 권선(mean length turn), Δ는 권선 이격율을 나타내며, 수학식 10을 통해 계산가능하다. Where h w and b w are the height and width of the winding window area, and μ o is the air permeability. Lw is the average length turn, and? Is the winding spacing, which can be calculated using Equation (10).

[수학식 10]&Quot; (10) "

Figure 112017050492585-pat00020
Figure 112017050492585-pat00020

이때, A와 B는 코어의 가로와 세로 길이이다.At this time, A and B are the width and length of the core.

그리고 권선 이격율(Δ)은 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.And the winding separation rate (?) Can be expressed by Equation (11).

[수학식 11]&Quot; (11) "

Figure 112017050492585-pat00021
Figure 112017050492585-pat00021

그러면, 수학식 11을 통해 계산된 Δ를 이용해, 1차측 권선과 2차측 권선 사이의 거리 sw를 구할 수 있게 된다. Then, the distance s w between the primary-side winding and the secondary-side winding can be obtained by using? Calculated from the equation (11).

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 EE 타입의 코어와 N:1의 권선비를 가지며, 기 설정 간격 이격된 1차 권선과 2차 권선을 구비하는 LED 변압기를 제안하고, 공진 주파수(fo)와 최대 전압 이득(M) 등을 고려하여 이의 토폴로지를 최적화시킴으로써, LED 변압기가 감소된 캐패시터 전압 스트레스를 가질 수 있도록 한다. As described above, the present invention is the core and the N in the EE type: have a turns ratio of 1, suggested a LED transformer having a preset interval spaced primary and secondary windings, and the resonance frequency (f o) and By optimizing its topology in consideration of the maximum voltage gain (M), etc., the LED transformer can have reduced capacitor voltage stress.

이상의 설명에서는 임피던스 매칭부(121)가 수신 장치(120)에 구비되는 경우에 한해 설명하였지만, 필요한 경우 송신 장치가 수신 장치 대신에 임피던스 매칭 네트워크를 구비하도록 할 수도 있음을 당연할 것이다. In the above description, the case where the impedance matching unit 121 is provided in the receiving apparatus 120 has been described. However, it will be appreciated that the transmitting apparatus may be provided with an impedance matching network instead of the receiving apparatus if necessary.

즉, 도6에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템은 송신 장치(110')가 DC 전원(111), 스위칭부(112), 및 임피던스 매칭부(113)를 포함하고, 수신 장치(120)가 정류부(122) 만을 포함할 수 있도록 한다. 6, the wireless power transmission system according to another embodiment of the present invention includes a transmitter 110 'including a DC power source 111, a switching unit 112, and an impedance matching unit 113 And the receiving apparatus 120 can include only the rectifying unit 122. [

만약, LET 변압기(LET)의 권선비가 N:1이면, 시스템 공진 양호도(Q)와 공진 주파수(fO)는 수학식12 및 13에 따라 계산할 수 있다. If the turns ratio of the transformer LET (LET) N: If the first, can be calculated according to equation 12 and 13, good resonant system also (Q) and the resonance frequency (f O).

[수학식 12]&Quot; (12) "

Figure 112017050492585-pat00022
Figure 112017050492585-pat00022

[수학식 13]&Quot; (13) "

Figure 112017050492585-pat00023
Figure 112017050492585-pat00023

즉, 수학식 12 및 13을 참고하면, LET 변압기(LET)의 경우, 시스템 공진 양호도(Q)는 권선비(N)만큼 감소하여 캐패시터 전압 스트레스가 감소하고, 공진 주파수(fO)는 N배 만큼 높아지게 됨을 알 수 있다. That is, referring to Equation 12 and 13, in the case of the LET transformer (LET), system resonance quality factor (Q) is decreased by the turn ratio (N) to a capacitor voltage stress is reduced, and the resonance frequency (f O) is N times . ≪ / RTI >

반면, LET 변압기(LET)의 권선비가 1:N이면, 시스템 공진 양호도(Q)는 수학식14과 같이 권선비 만큼 증가하여 캐패시터 전압 스트레스가 증가하게 되고, 공진 주파수(fO)는 수학식15과 같이 N배 만큼 감소하게 된다. On the other hand, LET transformer (LET) turns ratio is 1: If N, good system resonance also (Q) is the increase in capacitor voltage stress increases by winding ratio as shown in Equation 14, the resonance frequency (f O) is Equation (15) As shown in FIG.

[수학식 14]&Quot; (14) "

Figure 112017050492585-pat00024
Figure 112017050492585-pat00024

[수학식 15]&Quot; (15) "

Figure 112017050492585-pat00025
Figure 112017050492585-pat00025

이때, Clink는 한쌍의 링크 캐패시터(CLink1,CLink2)를 직렬 연결한 값이다.At this time, C link is a value obtained by serially connecting a pair of link capacitors (C Link1 and C Link2 ).

이에 수신 장치의 크기가 중요하고 시스템의 캐패시터 전압 스트레스가 중요하며 높은 주파수를 가진 시스템인 경우에는 변압기의 권선비를 N : 1로 선정하고, 사용하고자 하는 수신 장치의 사이즈가 중요하고 시스템의 캐패시터 전압 스트레스 마진이 크며 낮은 주파수를 적용하고자 하는 시스템인 경우에는 변압기의 권선비를 1 : N로 선정하면 된다. If the size of the receiving device is important and the stress of the capacitor voltage is important, and if the system has a high frequency, the winding ratio of the transformer should be N: 1, the size of the receiving device to be used is important, For systems with large margins and low frequency applications, the transformer turns ratio should be 1: N.

그리고 수학식12 및 13, 또는 수학식 14 및 15의 시스템 공진 양호도(Q)와 공진 주파수(fO)를 기반으로 도4의 토폴로지 설계 방법을 수행함으로써, 도6의 시스템에 적합한 LET 변압기 또한 설계할 수 있게 된다. And by performing the topology design method of FIG. 4 based on the system resonance goodness measure Q and the resonant frequency f o of equations 12 and 13 or equations 14 and 15, the LET transformer suitable for the system of FIG. 6 also So that it can be designed.

도 7 및 도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템의 성능을 설명하기 위한 도면으로, 도 7의 (a)는 시뮬레이션 파형도, 도 7의 (b)는 하드웨어 파형도, 도 8의 (a)는 자계 전체 부피 비교 결과, 도 8의 (b)는 자계 전체 손실 비교 결과이다.FIGS. 7 and 8 are diagrams for explaining the performance of a wireless power transmission system based on an electric field coupling method according to an embodiment of the present invention. FIG. 7A is a simulation waveform diagram, FIG. Fig. 8 (a) shows the result of the comparison of the total volume of the magnetic field, and Fig. 8 (b) shows the comparison result of the total loss of the magnetic field.

출력전력은 5W, 부하저항은 20Ω(10V/0.5A)이고 링크 캐패시터 Clink는 1nF을 커플링 계수는 0.990, 입력전압은 50V이라고 설정하고, 본 발명의 토폴로지를 설계하면, 공진주파수가 약 400KH 이고 공진양호도(Q)가 1일 때, 권선비 N는 약 5가 나오고 Lr은 약 158.3uF가 나오고, 표1과 같은 스펙을 가지는 LET 변압기가 설계된다. The output power is 5W, the load resistance is 20Ω (10V / 0.5A), the link capacitor C link is set to 1nF, the coupling coefficient is set to 0.990, and the input voltage is set to 50V. By designing the topology of the present invention, (Q) is 1, the winding ratio N is about 5, L r is about 158.3 uF, and the LET transformer having the specification as shown in Table 1 is designed.

design specification디자인 규격 core typecore type EE2519EE2519 effective turn ratio (neff)effective turn ratio (n eff ) 55 # of turns (pri.)# of turns (pri.) 6666 # of turns (sec.)# of turns (sec.) 1212 winding separation(sw)winding separation (s w ) 3.3mm3.3 mm wire size (pri.)wire size (pri.) 0.06/20 litz0.06 / 20 litz wire size (sec.)wire size (sec.) 0.1/40 litz0.1 / 40 litz relative permeabilityrelative permeability 2400 (PL-7)2400 (PL-7) measurement results측정 결과 series resonant inductor(Lr)series resonant inductor (L r ) 184.48uH184.48uH parallel resonant inductor(Lm)parallel resonant inductor (L m ) 10.18mH10.18mH effective turn ratio (neff)effective turn ratio (n eff ) 5.125.12

이를 토대로 PISM 시뮬레이션을 수행하면, 도 7의 (a)의 시뮬레이션 파형이 획득된다. When the PISM simulation is performed based on this, the simulation waveform of FIG. 7A is obtained.

그리고 설계된 스펙에 따라 무선 전력 전송 시스템을 구현하고 구동한 결과, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 공진주파수 f o 는 361.61KHz가 측정되어 시뮬레이션 결과와 약 10% 정도만 상이하고, 최대 전류는 180mA로, Clink1에 걸리는 전압은 최대 32V로 측정되어 시뮬레이션 결과와 거의 일치함을 알 수 있다. As a result of implementing and operating the wireless power transmission system according to the designed specifications, the resonance frequency f o is measured by 361.61 KHz as shown in FIG. 7 (b), which is about 10% different from the simulation result, Is 180mA, and the voltage across C link1 is measured as 32V at maximum, which is almost identical to the simulation result.

더하여, 앞서 설명된 종래 기술에 따른 무선 전력 전송 시스템과 본 발명의 무선 전력 전송 시스템을 동일 조건하에서 구현한다면, 도 8의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 무선 전력 전송 시스템은 종래에 비해 약 4배 정도 작은 자계 전체 부피와 약 3배 정도 작은 자계 전체 손실을 가지게 됨을 알 수 있다. In addition, if the wireless power transmission system according to the prior art described above and the wireless power transmission system according to the present invention are implemented under the same conditions, as shown in FIGS. 8A and 8B, It can be seen that the system has a total volume of the magnetic field about four times smaller than that of the related art and a total loss of the magnetic field about three times smaller than the conventional one.

상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다.The features, structures, effects and the like described in the foregoing embodiments are included in at least one embodiment of the present invention and are not necessarily limited to one embodiment. Further, the features, structures, effects, and the like illustrated in the embodiments may be combined or modified in other embodiments by those skilled in the art to which the embodiments belong.

따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications. While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limiting the scope of the present invention. It can be seen that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments may be modified and implemented. It is to be understood that the present invention may be embodied in many other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof.

Claims (13)

링크 캐패시터를 통해 전계 결합방식으로 무선 전송되는 AC 전압을 수신하는 수신 장치에 있어서,
변압기 기능과 인덕터 기능을 동시 제공하는 하나의 마그네틱 소자인 LET(Leakage-Enhanced Transformer) 변압기를 통해 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭부; 및
상기 임피던스 매칭부를 통해 전달되는 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성 및 출력하는 정류부를 포함하고,
상기 LET 변압기는,
코어; 및
상기 코어에 감기고, N:1의 권선비를 가지며, 기 설정 간격 이격되는 1차측 권선과 2차측 권선;을 포함하고,
누설 인덕턴스, 권선 윈도우 영역의 높이와 폭, 1차측 턴수 및 코어의 가로 길이와 세로 길이에 기초하여, 상기 1차측 권선과 상기 2차측 권선의 권선 이격률을 구하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
A receiving apparatus for receiving an AC voltage wirelessly transmitted in an electric field coupling manner via a link capacitor,
An impedance matching unit that performs impedance matching through a LAK (Leakage-Enhanced Transformer) transformer, which is a magnetic device that simultaneously provides a transformer function and an inductor function; And
And a rectifier for rectifying an AC voltage transmitted through the impedance matching unit to generate and output a DC voltage,
The LET transformer includes:
core; And
A primary winding and a secondary winding wound around the core and having a winding ratio of N: 1 and spaced a predetermined interval,
Wherein a winding separation ratio between the primary winding and the secondary winding is obtained on the basis of the leakage inductance, the height and width of the winding window region, the number of primary turns, and the length and length of the core.
삭제delete 제1항에 있어서, 상기 LET 변압기는,
하기의 [수학식 1]에 따라 결정되는 주파수를 이용하여 누설 인덕턴스가 계산되는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
[수학식 1]
Figure 112018126813857-pat00044

"
Figure 112018126813857-pat00045
"
여기서, Q는 공진 양호도를 의미하고, fo는 공진 주파수를 의미하고, neff는 유효 권선비를 의미하고, Req는 AC 등가 부하 저항을 의미하고, Lr은 누설 인덕턴스를 의미하고, Clink는 링크 캐패시터를 의미한다.
The LET transformer according to claim 1,
Wherein the leakage inductance is calculated using a frequency determined according to the following equation (1).
[Equation 1]
Figure 112018126813857-pat00044

"
Figure 112018126813857-pat00045
"
Here, Q denotes the resonance goodness degree, f o denotes the resonance frequency, n eff denotes the effective winding ratio, R eq denotes the AC equivalent load resistance, L r denotes the leakage inductance, C link means a link capacitor.
제3항에 있어서, 상기 LET 변압기는,
하기의 [수학식 2]에 따라 공진 주파수를 결정하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
[수학식 2]
"
Figure 112018126813857-pat00046
"
여기서, 상기 Vcap,stress는 캐패시터 전압 스트레스, 상기 Vcap,maximum는 최대 캐패시터 전압 스트레스, 상기 Q는 공진 양호도, 상기 Vin는 입력 전압이다.
4. The LET transformer of claim 3,
And the resonance frequency is determined according to the following formula (2).
&Quot; (2) "
"
Figure 112018126813857-pat00046
"
Here, V cap, stress is the capacitor voltage stress, V cap, maximum is the maximum capacitor voltage stress, Q is the resonance goodness degree, and V in is the input voltage.
제4항에 있어서, 상기 LET 변압기는,
하기의 [수학식 3]에 의해 상기 LET 변압기의 코어의 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
[수학식 3]
"
Figure 112018126813857-pat00047
"
여기서, 상기 Ae는 코어 횡단면의 유효 크기(cm2), 상기 Aw는 권선 윈도우 영역의 유효 크기(cm2), 상기 PO는 출력 전력, 상기 Kf는 파형 팩터, 상기 Bmax는 최대 자계 밀도, 상기 f는 스위칭 주파수, 상기 Ku는 권선 충전율, 상기 Jrms는 전류 밀도이고, 상기 스위칭 주파수는 상기 공진 주파수이다.
The LET transformer according to claim 4,
Wherein the size of the core of the LET transformer is determined by the following formula (3).
&Quot; (3) "
"
Figure 112018126813857-pat00047
"
Here, the A e is the effective size (cm 2) of the core cross-section, the A w is (2 cm) the effective size of a winding window area, the P O is the output power, the K f is the waveform factor, the B max is the maximum Wherein f is a switching frequency, K u is a winding packing rate, J rms is a current density, and the switching frequency is the resonance frequency.
제5항에 있어서, 상기 LET 변압기는,
하기의 [수학식 4]에 따라 상기 1차측 턴수(Np)가 계산되고,
하기의 [수학식 5] 내지 [수학식 7]에 따라 상기 권선 이격율이 결정되는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
[수학식 4]
"
Figure 112018126813857-pat00048
",
상기 N은 권선비, 상기 neff는 유효 권선비, 상기 k는 0.98~0.99의 상수이고,
[수학식 5]
Figure 112018126813857-pat00049

[수학식 6]
Figure 112018126813857-pat00050

[수학식 7]
Figure 112018126813857-pat00051

여기서, hw 와 bw 는 권선 윈도우 영역의 높이와 폭을 의미하고, A와 B는 코어의 가로 길이와 세로 길이를 의미하고, Sw는 1차측 권선과 2차측 권선 사이의 거리를 의미하고, lw는 권선 평균 길이를 의미하고, μo은 공기 투자율을 의미하고, Ns는 2차측 권선 수를 의미하고, Δ는 권선 이격률을 의미한다.
6. The LET transformer of claim 5,
The primary side turn number N p is calculated according to the following equation (4)
Wherein the winding separation rate is determined according to the following formulas (5) to (7).
&Quot; (4) "
"
Figure 112018126813857-pat00048
",
Where N is the winding ratio, n eff is the effective winding ratio, k is a constant of 0.98 to 0.99,
&Quot; (5) "
Figure 112018126813857-pat00049

&Quot; (6) "
Figure 112018126813857-pat00050

&Quot; (7) "
Figure 112018126813857-pat00051

Here, h w and b w mean the height and width of the winding window region, A and B mean the width and length of the core, and S w means the distance between the primary winding and the secondary winding , l w means the average winding length, μ o denotes the magnetic permeability, and air, Ns is the number of secondary coil, and Δ means the winding yigyeokryul.
제6항에 있어서, 상기 LET 변압기는,
하기의 [수학식 8]에 따라 2차측 턴수(Ns)의 범위가 결정되는 것을 특징으로 하는 수신 장치.
[수학식 8]
Figure 112018126813857-pat00052
,
Figure 112018126813857-pat00053

여기서, 상기 Vsec는 AC 등가 부하 저항(Req) 양단에 걸리는 전압, 상기 Ae는 코어 횡단면의 유효 크기(cm2), 상기 Bmax는 최대 자계 밀도, 상기 f는 스위칭 주파수, 상기 Kf는 파형 팩터, 상기 Ku는 권선 충전율, 상기 Aw는 권선 윈도우 영역의 유효 크기(cm2), 상기 ACu는 하나의 권선이 차지하는 단면적(cm2), 상기 Δ는 권선 이격율이다.
7. The LET transformer of claim 6,
To the receiving device characterized in that the range of the secondary number of turns (N s) determined by the equation 8].
&Quot; (8) "
Figure 112018126813857-pat00052
,
Figure 112018126813857-pat00053

Here, the V sec are AC equivalent load resistor (R eq) voltage across the A e is in the core cross section of effective size (cm 2), the B max is the maximum magnetic field density, wherein f is the switching frequency, and the K f is the waveform factor and the K u is wound packing ratio, the a w is the effective size (cm 2), the Cu of the coil window area a is the cross-sectional area (cm 2) is occupied by a winding, wherein the Δ is spaced winding ratio.
DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 송신 장치;
상기 송신 장치의 AC 전압을 전계 결합방식으로 무선 전송하는 한 쌍(pair)의 링크 캐패시터; 및
변압기 기능과 인덕터 기능을 동시 제공하는 하나의 마그네틱 소자인 LET(Leakage-Enhanced Transformer) 변압기를 통해 임피던스 매칭을 수행하고, 상기 링크 캐패시터를 통해 전송되는 상기 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 부하로 전달하는 수신 장치를 포함하고,
상기 LET 변압기는,
코어; 및
상기 코어에 감기고, N:1의 권선비를 가지며, 기 설정 간격 이격되는 1차측 권선과 2차측 권선;을 포함하고,
상기 1차측 권선과 상기 2차측 권선의 쇄교 자속수의 차이를 기반으로 형성되는 누설 인덕턴스만으로 상기 LET 변압기의 LC 시스템을 공진시키는 것을 특징으로 하는 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템.
A transmitting device for converting a DC voltage into an AC voltage;
A pair of link capacitors for wirelessly transmitting the AC voltage of the transmission device by an electric field coupling method; And
An impedance matching is performed through a Leakage-Enhanced Transformer (LET) transformer, which is a magnetic element that simultaneously provides a transformer function and an inductor function, and the AC voltage transmitted through the link capacitor is converted into a DC voltage, Receiving device,
The LET transformer includes:
core; And
A primary winding and a secondary winding wound around the core and having a winding ratio of N: 1 and spaced a predetermined interval,
Wherein the LC system of the LET transformer is resonated only by a leakage inductance formed on the basis of a difference in the number of flux linkages between the primary winding and the secondary winding.
제8항에 있어서, 상기 수신 장치는
상기 링크 캐패시터를 통해 전계 결합방식으로 무선 전송되는 AC 전압을 수신하고, 상기 LET(Leakage-Enhanced Transformer) 변압기를 통해 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭부; 및
상기 임피던스 매칭부를 통해 전달되는 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성 및 출력하는 정류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템.
9. The apparatus of claim 8, wherein the receiving device
An impedance matching unit for receiving an AC voltage wirelessly transmitted in an electric field coupling manner through the link capacitor and performing an impedance matching through the LAK (Leakage-Enhanced Transformer) transformer; And
And a rectifier for rectifying an AC voltage transmitted through the impedance matching unit to generate and output a DC voltage.
제8항에 있어서, 상기 송신 장치는
트랜지스터 기반의 풀-브릿지 컨버터를 통해 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템.
The apparatus as claimed in claim 8, wherein the transmitting apparatus
And a switching unit for converting a DC voltage to an AC voltage through a transistor-based full-bridge converter.
DC 전압을 AC 전압으로 변환하며, 변압기 기능과 인덕터 기능을 동시 제공하는 하나의 마그네틱 소자인 LET(Leakage-Enhanced Transformer) 변압기를 통해 임피던스 매칭을 수행하는 송신 장치;
상기 송신 장치의 AC 전압을 전계 결합방식으로 무선 전송하는 한 쌍(pair)의 링크 캐패시터; 및
상기 링크 캐패시터를 통해 전송되는 상기 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 부하로 전달하는 수신 장치를 포함하고,
상기 LET 변압기는,
코어; 및
상기 코어에 감기고, N:1의 권선비를 가지며, 기 설정 간격 이격되는 1차측 권선과 2차측 권선;을 포함하고,
상기 1차측 권선과 상기 2차측 권선 사이의 이격거리는,
출력 전압, 입력 전압, 링크 캐패시터, 및 부하 저항에 대한 정보를 획득하고,
캐패시터 전압 스트레스와 수신 장치 크기를 고려하여 최대 전압 이득을 갖는 공진 주파수를 선정하고,
상기 공진 주파수를 기초로 유효 권선비와 누설 인덕턴스를 결정하고,
스위칭 주파수가 상기 공진 주파수라고 가정할 때 상기 LET 변압기의 코어 크기를 결정하고,
AC 등가 부하 저항 양단에 걸리는 전압과 코어 횡단면의 유효 크기를 이용하여 2차측 턴수와 1차측 턴수를 계산하고,
상기 누설 인덕턴스, 권선 윈도우 영역의 높이와 폭, 상기 1차측 턴수 및 코어의 가로 길이와 세로 길이, 및 상기 1차측 권선과 상기 2차측 권선의 권선 이격률을 이용하여 상기 1차측 권선과 상기 2차측 권선 사이의 이격거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템.
A transmitter that converts impedance of the DC voltage to an AC voltage and performs impedance matching through a Leakage-Enhanced Transformer (LET) transformer, which is a magnetic element that simultaneously provides a transformer function and an inductor function;
A pair of link capacitors for wirelessly transmitting the AC voltage of the transmission device by an electric field coupling method; And
And a receiving device for converting the AC voltage transmitted through the link capacitor to a DC voltage and delivering the DC voltage to the load,
The LET transformer includes:
core; And
A primary winding and a secondary winding wound around the core and having a winding ratio of N: 1 and spaced a predetermined interval,
Wherein a distance between the primary winding and the secondary winding is a distance
Obtaining information on an output voltage, an input voltage, a link capacitor, and a load resistance,
The resonant frequency having the maximum voltage gain is selected in consideration of the capacitor voltage stress and the receiving device size,
Determining an effective winding ratio and a leakage inductance based on the resonance frequency,
Determining a core size of the LET transformer on the assumption that the switching frequency is the resonant frequency,
Calculate the number of turns on the secondary side and the number of turns on the primary side using the voltage across the AC equivalent load resistor and the effective size of the cross section of the core,
Side winding and the secondary winding, using the leakage inductance, the height and width of the winding window region, the number of turns of the primary side, the transverse length and the longitudinal length of the core, and the winding spacing of the primary winding and the secondary winding. Wherein the distance between the first and second antennas is calculated.
제11항에 있어서, 상기 송신 장치는
트랜지스터 기반의 풀-브릿지 컨버터를 통해 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 스위칭부; 및
상기 LET(Leakage-Enhanced Transformer) 변압기를 통해 임피던스 매칭을 수행하는 임피던스 매칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템.
12. The apparatus of claim 11, wherein the transmitting device
A switching unit for converting a DC voltage to an AC voltage through a transistor-based full-bridge converter; And
And an impedance matching unit that performs impedance matching through the LAK (Leakage-Enhanced Transformer) transformer.
제11항에 있어서, 상기 수신 장치는
상기 링크 캐패시터를 통해 전달되는 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성 및 출력하는 정류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전계결합 방식 기반의 무선 전력 전송 시스템.
12. The apparatus of claim 11, wherein the receiving device
And a rectifier for rectifying an AC voltage transmitted through the link capacitor to generate and output a DC voltage.
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