KR102175599B1

KR102175599B1 - 무선전력전송 시스템

Info

Publication number: KR102175599B1
Application number: KR1020140009243A
Authority: KR
Inventors: 배수호
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2020-11-06
Also published as: KR20150088678A

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은, 송신부로부터 전력을 제공받는 수신부를 구비한 무선전력전송 시스템으로써, 상기 송신부는 풀 브리지(full bridge) 인버터를 포함하는 전력변환부; PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호를 이용하여 상기 전력변환부를 제어하는 제어부를 포함하고, PWM 제어신호의 듀티비(Duty ratio)는 상기 전력변환부의 출력 신호의 주파수 성분 중 기본 주파수의 크기 대비 고조파의 크기의 비가 최소가 되는 듀티비로 결정되는 무선전력전송 시스템.

Description

무선전력전송 시스템{Wireless Power Transfer System}

본 발명은 무선전력전송 시스템에 관한 발명이다.

무선전력전송(Wireless Power Transfer; WPT) 시스템은 공간을 통하여 선 없이 전력을 전달하는 기술로써, 모바일(Mobile) 기기 및 디지털 가전 기기들에 대한 전력 공급의 편의성을 극대화한 기술이다.

무선전력전송 시스템은 실시간 전력 사용 제어를 통한 에너지 절약, 전력 공급의 공간 제약 극복 및 배터리 재충전을 이용한 폐 건전지 배출량 절감 등의 강점을 지닌다.

무선전력전송 시스템의 구현 방법으로써 대표적으로 자기유도방식과 자기공진방식이 있다.

자기유도방식은 두 개의 코일을 근접시켜 한쪽의 코일에 전류를 흘려 그에 따라 발생한 자속을 매개로 하여 다른 쪽의 코일에도 기전력이 발생하는 비접촉 에너지 전송기술로써, 수백 khz의 주파수를 사용할 수 있다.

자기 공진 방식은 전자파나 전류를 이용하지 않고 전장 또는 자장만을 이용하는 자기 공명 기술로써 전력 전송이 가능한 거리가 수 미터 이상으로써, 수십 MHz의 대역을 이용하는 것이 특징이다.

다만 무선전력전송 시스템에서 전력송신기로부터 나오는 불요파 즉, 고조파가 발생되고 이러한 고조파 성분은 전자기 간섭효과 및 인체에 악영향을 일으킬 수 있다.

고조파는 전력관계에서 상용 주파수보다 높은 주파수, 예를 들면 수백 Hz 이상인 주파수를 말하며 고조파는 기본파에 대하여 그의 정수배의 주파수를 말한다.

무선전력전송 시스템에서는 수신 주파수의 채배 주파수 근처에서 발생되는 고조파 성분의 발생원인은 기본적으로 송신부 부하의 비선형 특성으로부터 기인한다. 즉 송신부에 공급되는 교류 신호는 비선형 부하에 의하여 파형이 유지되지 못하고 일그러지면서 고조파가 형성된다.

이러한 고조파 성분은 주변기기의 정상적인 동작을 방해하거나 원하지 않는 전력수신, 잡음 및 여러 가지 장애현상을 일으키게 된다.

구체적으로 전력송신기로부터 방출되는 자장(magnetic field)의 변화는 정지한 주변기기의 도체에 전자기 유도 현상으로 인한 전류를 발생시켜 비정상적인 동작을 일으킬 수 있다. 또한 전력송신기에서 발생된 자장은 휴대기기 등이 자장의 주변을 이동하는 경우에도 휴대기기에 전류를 발생시켜 장애현상이 발생할 수 있다. 또한 전력송신기와 전력수신을 원하지 않는 주변기기가 공진조건이 비슷하게 되면 자계 공진 커플링(magnetic resonance coupling)이 발생할 수도 있어, 주변기기에 오동작을 일으킬 수 있다.

살펴본 바와 같이 고조파 성분은 전자기기와 인체에 나쁜 영향을 미칠 수 있으므로 전자파 적합성 [electromagnetic compatibility, EMC], 전자파 장해 [electromagnetic interference, EMI], 전자파 내성 [electromagnetic susceptibility, EMS]에 대한 규제를 만족시키는 것이 중요하다.

도 1은 종래의 무선전력전송 시스템에서 전력을 수신기에 송신하는 송신기의 블록도이다.

도 1을 참조하면, 송신기(1)는 게이트 드라이버(2)와 하프 브릿지(Half Bridge) 타입의 전력변환기(3)와 매칭회로(4) 그리고 송신코일(5)을 포함할 수 있다.

종래의 전력변환기(3)의 하프 브릿지 회로는 2개의 스위치가 각기 게이트 구동 입력으로 적절한 전압 파형을 적용함으로써 서로 보완적으로 턴온(turn-on) 및 턴 오프(turn-off)한다.

이 때 2개의 스위치의 공통 마디와 접지 사이로 스위칭하는 사각파 전압이 발생된다.

이러한 정현파가 아닌 사각파 출력은 기본파의 정수배 주파수인 고조파 성분을 많이 포함하는 문제가 있으므로 종래의 전력변환기(3)로는 고조파를 감소하는데 한계가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 전력을 송신하는 송신부의 전력변환부의 출력 신호에 포함된 고조파 성분에 따른 전력수신 및 잡음 등의 장애 현상을 해결할 수 있는 무선전력전송 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 풀 브릿지 인버터를 포함한 전력변환부를 이용하여 상기 전력변환부의 출력 파형을 정현파에 근접시켜 고조파왜곡율을 개선할 수 있는 무선전력전송 시스템을 제공한다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 전력변환부로부터 출력되는 출력신호를 피드백하여 상기 출력 신호의 고조파 성분을 분포를 측정하고 고조파 성분을 최소화할 수 있는 튜티비를 제공하는 무선전력전송 시스템을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은, 송신부로부터 전력을 제공받는 수신부를 구비한 무선전력전송 시스템으로써, 상기 송신부는 풀 브리지(full bridge) 인버터를 포함하는 전력변환부; PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호를 이용하여 상기 전력변환부를 제어하는 제어부를 포함하고, PWM 제어신호의 듀티비(Duty ratio)는 상기 전력변환부의 출력 신호의 주파수 성분 중 기본 주파수의 크기 대비 고조파의 크기의 비가 최소 가 되는 듀티비로 결정되는 무선전력전송 시스템.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템에서, 상기 고조파는 상기 출력 신호의 서로 다른 주파수를 가지는 복수의 고조파 성분 중 최대 크기를 가지는 고조파인 무선전력전송 시스템

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템에서, 상기 듀티비는 26% 내지 44%인 무선전력전송시스템.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템에서, 상기 듀티비는 41% 또는 32%에 해당하는 무선전력전송시스템.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템에서, 상기 송신부는, 입력 교류 전원을 인가 받아 직류(DC) 전압을 생성하는 정류 및 필터부; 상기 정류 및 필터부로부터 출력된 직류 전압의 레벨을 조절하여 상기 전력변환부로 출력하는 직류/직류(DC/DC) 컨버터; 및 상기 송신부와 상기 수신부 사이의 임피던스 매칭을 수행하는 매칭부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 직류/직류 컨버터의 직류 전압 레벨을 제어하는 무선전력전송시스템.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 구동 방법은, 외부 전원으로부터 인가 받은 전력을 변환하기 위한 전력변환부를 구비한 송신부와 상기 송신부로부터 전력을 제공받는 수신부를 구비한 무선전력전송 시스템의 구동방법으로써, 상기 송신부의 충전 영역에 상기 수신부가 접근하였을 때 상기 송신부 및 수신부 중 어느 하나가 나머지 하나를 감지하는 단계; 상기 수신부가 상기 송신부로 전력 전송을 요청하는 단계; 상기 수신부가 요청하는 전력량에 따라 상기 송신부의 제어부는 상기 직류/직류 컨버터의 직류 전압 레벨을 조절하는 단계; 상기 제어부는 기 설정된 PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호의 듀티비(Duty ratio)에 따라 상기 전력변환부를 제어하는 단계;를 포함하고, 상기 PWM 제어신호의 듀티비는 상기 전력변환부의 출력 신호의 주파수 성분 중 기본 주파수의 크기 대비 고조파의 크기의 비가 최소가 되는 듀티비로 결정되는 무선전력전송 시스템의 구동방법.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 구동 방법에서, 상기 고조파는 상기 출력 신호의 서로 다른 주파수를 가지는 복수의 고조파 성분 중 최대 크기를 가지는 고조파인 무선전력전송 시스템의 구동방법.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 구동 방법에서, 상기 전력변환부는 직류/직류 컨버터로부터 직류 전압을 인가받아 교류 신호를 출력하는 풀 브릿지(full bridge) 인버터를 포함하는 무선전력전송 시스템의 구동방법.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 구동 방법에서, 상기 듀티비는 26% 내지 44%인 무선전력전송 시스템의 구동방법.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 구동 방법에서, 상기 듀티비는 41% 또는 32%에 해당하는 무선전력전송 시스템의 구동방법.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 구동 방법에서, 상기 제어부는 상기 전력변환부로부터 출력되는 출력 신호를 피드백 받아 상기 출력 신호의 기본 주파수의 크기 대비 고조파의 크기의 비가 최소가 되는 듀티비를 가진 PWM 제어신호를 상기 전력변환부로 제공하는 무선전력전송 시스템의 구동방법.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 전력을 송신하는 송신부의 전력변환부의 출력 신호에 포함된 고조파 성분에 따른 전력수신 및 잡음 등의 장애 현상을 해결할 수 있는 무선전력전송 시스템을 제공할 수 있고, 그 실시예로써 무선전력전송 시스템은 풀 브릿지 인버터를 포함한 전력변환부를 이용하여 상기 전력변환부의 출력 파형을 정현파에 근접시켜 고조파왜곡율을 개선할 수 있고, 전력변환부로부터 출력되는 출력신호를 피드백하여 상기 출력 신호의 고조파 성분을 분포를 측정하고 고조파 성분을 최소화할 수 있는 튜티비를 제공하는 무선전력전송 시스템을 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 무선전력전송 시스템에서 전력을 수신기에 송신하는 송신기의 블록도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 송신부를 나타낸 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 수신부를 나타낸 블록도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 송신부의 전력변환부를 나타낸 회로도.
도 5 내지 도 7을 참조하여 전력변환부의 동작 방식을 나타낸 회로도.
도 8a, 8b, 9a, 9c, 10a 및 도 10 b는 전력변환기의 풀 브릿지의 듀티비를 달리하였을 때 출력 파형을 시뮬레이션한 결과로써 출력된 신호의 기본파와 기본파의 체배 성분인 고조파의 크기를 나타낸 그래프.
도 11은 듀티비를 달리하였을 때의 최대고조파왜곡율을 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 동작을 보인 신호흐름도.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 무선전력전송 시스템의 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

실시예는 무선 전력 전송을 위하여 저주파(50kHz)부터 고주파(15MHz)까지의 다양한 종류의 주파수 대역을 선택적으로 사용하며, 시스템 제어를 위하여 데이터 및 제어신호를 교환할 수 있는 통신시스템의 지원이 필요하다.

실시예는 배터리를 사용하거나 필요로 하는 전자기기를 사용하는 휴대단말 산업, 가전기기 산업, 전기자동차 산업, 의료기기 산업, 로봇 산업 등 다양한 산업분야에 적용될 수 있다.

실시예는 기기를 제공한 개의 송신 코일을 사용하여 한 개 이상의 다수기기에 전력 전송이 가능한 시스템을 고려할 수 있다.

실시예에서 사용되는 용어와 약어는 다음과 같다.

무선전력전송 시스템 (Wireless Power Transfer System): 자기장 영역 내에서 무선 전력 전송을 제공하는 시스템

송신부(Wireless Power Transfer System-Charger): 자기장 영역 내에서 다수기기의 전력수신기에게 무선전력전송을 제공하며 시스템 전체를 관리하는 장치

수신부(Wireless Power Transfer System-Deivce): 자기장 영역 내에서 전력송신기로부터 무선전력 전송을 제공받는 장치

충전 영역(Charging Area): 자기장 영역 내에서 실제적인 무선 전력 전송이 이루어지는 지역이며, 응용 제품의 크기, 요구 전력, 동작주파수에 따라 변할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 송신부를 나타낸 블록도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 수신부를 나타낸 블록도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템(10)은 무선으로 전력을 송신하는 송신부(100) 및 상기 송신부(100)로부터 전력을 제공받는 수신부(200)를 포함할 수 있다.

도 2의 도시된 송신부(100)의 서브 시스템의 블록도를 살펴보면, 송신부(100)의 서브시스템은 송신 전력 컨버터 시스템(101)과 전송 안테나 시스템(102)을 포함할 수 있다.

송신 전력 컨버터 시스템(101)은 다수의 서브 시스템을 포함할 수 있고, 상기 서브 시스템으로는 정류 및 필터부(110)와 컨버터(120), 전력변환부(130), 제어부(140) 및 매칭부(150)가 있다.

정류 및 필터부(110)는 다음 스테이지에서 사용될 직류(DC) 전압을 생성하고, 생성된 DC 전압은 컨버터(120)에 제공되고 이후 전송 안테나 시스템(120)에 공급될 전력이 된다.

컨버터(120)는 상기 정류기 및 필터부(110)를 포함하여 교류/직류(AC/DC) 컨버터로 구성되어 수십 Hz 대역의 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성할 수 있다.

또한 상기 컨버터(120)가 상기 정류기 및 필터부(110)와는 독립적으로 구성되어 전력 전송에 적합한 DC 전압을 생성하는 직류/직류(DC/DC) 컨버터가 될 수 있고, 입력 전압보다 더 낮은 출력 DC 전압을 제공하는 스텝-다운 컨버터가 될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

상기 컨버터(120)는 출력하는 DC 전압의 레벨이 조절될 수 있고, 이러한 DC 전압의 레벨은 제어부(140)에 의해 제어될 수 있다.

전력변환부(130)는 수십 KHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 DC 전압을 AC 전압으로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 즉, 전력변환부(130)는 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 타켓이 되는, 즉 충전 영역에 들어온 수신부(200)에서 사용되는 "웨이크-업 전력" 또는 "충전 전력"을 생성할 수 있다.

여기서, 웨이크-업 전력은 0.1~1mWatt의 작은 전력을 의미하고, 충전용 전력은 수신부(200)의 배터리를 충전하는데 필요한 전력 또는 수신부(200)의 동작에 소비되는 전력으로써, 타겟 수신부(200)의 부하에서 소비되는 1mWatt~200Watt의 큰 전력을 의미한다.

한편 전력변환부(130)는 스위칭 펄스 신호에 따라 DC 전압을 증폭하는 전력증폭기를 포함할 수 있다.

상기 전력변환부(130)는 풀 브리지(full bridge) 인버터로 구성될 수 있다.

제어부(140)는 최대 전력 전송 효율를 고려하여 상기 전력변환부(130)를 구동하기 위한 주파수 및 스위칭 파형들을 생성하여 전송될 전력을 제어할 수 있다.

매칭부(150)는 송신기(100)와 수신기(200) 사이의 임피던스 매칭을 수행한다.

상기 전송 안테나 시스템(102)은 유도 코일 및 공진 코일 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

무선전력송신 시스템(10)이 자기유도방식으로만 전력을 전송하는 경우 상기 전송 안테나 시스템(102)은 유도 코일만을 구비할 수 있고, 자기공진방식으로만 전력을 전송하는 경우 공진 코일만을 구비할 수 있으며, 자기유도방식과 자기공진방식을 혼용하여 전력을 전송하는 경우에는 유도 코일과 공진 코일을 모두 구비할 수 있다.

또한 유도 코일 또는 공진 코일은 단수개로 구비될 수 있고, 복수개로 구비될 수 있다. 유도 코일 또는 공진 코일이 복수개로 구비되는 경우 서로 중첩되어 배치될 수 있고, 중첩되는 면적은 자속 밀도의 편차를 고려하여 결정한다.

도 3에 도시된 수신부(200)는 수신 전력 컨버터 시스템(201)과 수신 안테나 시스템(202)를 포함할 수 있다.

수신부(200)의 수신 안테나 시스템(202)은 송신 안테나 시스템(102)과 동일할 수 있고, 수신 안테나의 치수는 수신부(200)의 전기적 특성에 따라 달라질 수 있다.

또한 수신 안테나 시스템(202)은 자기유도방식 또는 자기공진방식을 통해 전력을 수신할 수 있다. 이와 같이 전력 수신 방식에 따라서 상기 수신 안테나 시스템(202)은 유도 코일 또는 공진 코일 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 그리고 수신 안테나 시스템(202)는 근거리 통신용 안테나(Near Field Communication)를 함께 구비할 수 있다.

수신 전력 컨버터 시스템(201)은 매칭부(210), 정류부(220), 수신측 컨버터(230), 부하(240) 및 수신측 제어부(250)를 포함할 수 있다.

상기 매칭부(210)는 송신기(100)와 수신기(200) 사이의 임피던스 매칭을 수행한다.

상기 정류부(220)는 수신 안테나 시스템(202)으로부터 출력되는 AC 전압을 정류하여 DC 전압을 생성한다.

수신측 컨버터(230)는 DC/DC 컨버터로 구성되어 상기 정류부(220)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 부하(240)의 용량에 맞게 조정할 수 있다.

상기 부하(240)는 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세어 그리고 각종 센서들을 포함할 수 있다.

수신측 제어부(250)는 송신부(100)로부터 웨이크-업 전력에 의해 활성화 될 수 있고, 송신부(100)와 통신을 수행하고, 수신부(200)의 서브 시스템의 동작을 제어할 수 있다.

상기 수신부(200)는 단수 또는 복수개로 구성되어 송신부(100)로부터 동시에 에너지를 무선으로 전달 받을 수 있다. 즉 공진 방식의 무선전력전송 시스템에서는 하나의 송신부(100)로부터 복수의 타켓 수신부(200)가 전력을 공급받을 수 있다.

이때 상기 송신부(100)의 매칭부(150)는 복수개의 수신부(200)들 사이의 임피던스 매칭을 적응적으로 수행할 수 있다.

한편 상기 수신부(200)가 복수개로 구성된 경우 동일 종류의 시스템이거나 서로 다른 종류의 시스템이 될 수 있다.

<본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 전력변환부>

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 송신부의 전력변환부를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하여 전력변환부(130)의 연결관계와 동작 방식을 살펴본다.

상기 전력변환부(130)는 제어부(140)로부터 제공되는 제어를 기반으로 컨버터(120)로부터 제공되는 전력를 교류 전력으로 변환하고 증폭시킬 수 있고, 풀 브리지 인버터를 포함할 수 있다.

상기 전력변환부는 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)를 포함할 수 있다.

제1 스위칭 소자(S1)는 제1 노드(N1)와 컨버터(120) 사이에 연결되며, 제어부(140)의 제어 신호에 의해 제어될 수 있고, 제2 스위칭 소자(S2)는 제1 노드(N1)와 접지 사이에 연결되며 제어부(140)의 제어 신호에 의해 제어될 수 있다.

제3 스위칭 소자(S3)는 제2 노드(N2)와 컨버터(120) 사이에 연결되며, 제어부(140)의 제어 신호에 의해 제어될 수 있고, 제4 스위칭 소자(S4)는 제2 노드(N2)와 접지 사이에 연결되며 제어부(140)의 제어 신호에 의해 제어될 수 있다.

상기 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)는 N형 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)일 수 있으나 이에 한정되지 않고, 제어부(140)의 제어 신호에 의하여 스위칭 동작을 수행할 수 있는 소자라면 가능하다.

<본 발명의 실시예에 따른 전력변환부의 동작방식>

도 5 내지 도 7을 참조하여 전력변환부(130)의 동작 방식을 설명한다.

도 5와 같이 제어부(140)로부터 제공되는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어신호에 의하여 제1 및 제4 스위칭 소자(S1, S4)가 턴 온되고 제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)가 턴 오프되는 경우 매칭부(150)에는 정극성의 출력 전압(Vo)이 인가되고, 도 6과 같이 제어부(140)로부터 제공되는 제어신호에 의하여 제1 및 제4 스위칭 소자(S1, S4)가 턴 오프되고 제2 및 제3 스위칭 소자(S2, S3)가 턴 온되는 경우 매칭부(150)에는 부극성의 출력 전압(Vo)이 인가될 수 있다.

도 7은 일 예로 듀티비(Duty ratio)가 50%인 경우 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)에 인가되는 제어 신호와 그에 따른 출력 전압(Vo)을 나타낸 것으로써, 제1 및 제2 스위칭 소자(S1, S2)를 제어하기 위한 제어 신호들 그리고 제3 및 제4 스위칭 소자(S3, S4)를 제어하기 위한 제어 신호들은 서로 중첩되지 않는 블랭크(blank interval)구간이 존재한다.

이는 제1 및 제2 스위칭소자(S1, S2)가 동시에 턴 온되거나, 제3 및 제4 스위칭 소자(S3, S4) 동시에 턴 온되어 도통되면 컨버터(120)의 출력 전압이 접지되므로 출력 전압(Vo)이 나타나지 않는 것을 방지하기 위함이다.

도 8a, 8b, 9a, 9c, 10a 및 도 10 b는 전력변환기의 풀 브릿지의 듀티비를 달리하였을 때 출력 파형을 시뮬레이션(simulation)한 결과로써 출력된 신호의 기본파와 기본파의 체배 성분인 고조파의 크기를 나타내었다.

시뮬레이션은 기본적으로 출력 신호의 푸리에 해석을 이용한다.

지수형 푸리에 급수는

로 표현될 수 있으며, 복소계수 Cn 의 크기를 통해 고조파 성분들을 조사할 수 있다.

또한 듀티비에 따라 고조파 성분의 포함된 정도를 비교하기 위하여 전고조파왜곡율(THD: Total Harmonics Distortion)을 이용한다.

전고조파왜곡율은 고조파 성분의 실효치와 기본파 성분의 실효치의 비로써 정의되고, 고조파 발생의 정도를 나타낸다.

본 실험에서는 전고조파왜곡율은 고조파 성분 중에서 최대 크기를 가지는 최대 크기 고조파 성분의 실효치와 기본파 성분의 실효치의 비인 최대고조파왜곡율로써 정의하였다. 즉 기본파 성분의 실효치 대비 최대 크기 고조파 성분의 실효치의 비를 최대고조파왜곡율로써 정의된다.

도면을 참조하여 듀티비에 따른 고조파 성분의 분포와 크기를 살펴본다.

시뮬레이션 결과는 출력 파형의 진폭이 1V 이고 주기가 143 HZ를 기준으로 듀티비를 50%, 40% 및 30%로 달리한 결과이다.

도 8a 및 8b는 듀티비가 50%인 경우, 기본파가 0.6V와 0.7V 사이에 크기를 가지고, 우수번째 고조파는 나타나지 않으나 기수번째 고조파가 나타나고 있다.

듀티비가 50%인 경우, 최대고조파왜곡율의 근사치는 0.22/0.65 = 34%이다.

도 9a 및 9b는 듀티비가 40%인 경우, 기본파가 약 0.6V의 값을 가지고, 우수번째 및 기수번째 고조파 성분이 나타나고 있으며 고조파 성분 중 기본 주파수의 두 배인 첫번째 고조파 성분의 크기가 0.1V와 0.2V 사이의 크기를 가짐을 알 수 있다. 이와 같이 듀티비를 50%에서 줄여 40%가 되는 경우, 최대고조파왜곡율은 0.15/0.6 = 25%가 되어, 우수번째 및 기수번째 고조파 성분이 나타나지만, 최대고조파왜곡율이 개선되는 것을 확인할 수 있다.

도 10a 및 10b는 듀티비가 30%인 경우로써 기본파가 0.5V와 0.6V 사이의 크기를 가지고, 고조파 성분 중 기본 주파수의 다섯 배인 고조파 성분의 크기가 0.1V 에서 0.2V 사이의 크기를 가져, 근사값으로 최대고조파왜곡율을 계산하면, 1.25/5.1=24%가 되어 최대고조파왜곡율이 낮아짐을 알 수 있다.

도 11은 듀티비를 달리하였을 때의 최대고조파왜곡율을 보여준다.

듀티비 구간이 0.26~0.44(26%~44%)에서 최대고조파왜곡율의 값이 비교적 작은 것을 확인 할 수 있다. 즉, 고조파 성분이 적게 분포되는 듀티비 구간이 된다.

또한 최대고조파왜곡율이 가장 낮은 지점은 듀티비가 0.41(41%)인 경우와 0.32(32%)인 경우로서 최대고조파왜곡율의 값이 23.6%가 된다.

이와 같이 전력변환기(130)로써 풀 브리지 인버터를 이용하고 듀티비 조절하는 경우 출력 파형을 정현파형에 근접하도록 제어할 수 있다.

앞서 살펴본 바와 같이 완벽한 모양의 정현파형에는 고조파 성분이 포함되지 않으나, 부하의 비선형 특성에 기인하여 정현파가 왜곡된 파형을 가지는 경우 고조파 성분을 포함한다. 따라서 출력 전압(Vo)을 정현파형이 근접하도록 제어함으로써 고조파 성분을 줄일 수 있고 전자파 적합성(EMC)이 최선이 될 수 있다.

전술한 시뮬레이션은 기본파의 크기 대비 최대고조파성분의 크기의 비로써 전자파 적합성의 특성을 살펴보았으나, 이에 한정되는 것은 아니고 기본파 크기 대비 고조파성분 전체의 크기의 비로써 전자파 적합성의 특성을 고려할 수 있다.

이때 기본파 크기 대비 고조파성분 전체의 크기의 비로 계산된 전고조파왜곡율이 최소값이 되는 듀티비로 전력변환기를 제어하는 것이 바람직하다.

<본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 구동 방법>

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 동작을 보인 신호흐름도이다.

제1 단계로 감지단계(S100)이다.

송신부(100)의 충전 영역으로 수신부(200)가 접근한 경우, 상기 송신부(100)는 상기 수신부(200)를 감지하거나, 반대로 상기 수신부(200)가 송신부(100)를 감지하여 무선전력전송을 시작할 수 있다.

감지단계(S100)는 세부단계로 수신부(200)를 감지하는 셀렉션(selection) 단계, 패킷을 받는 핑(ping)단계, 수신부(200)에 대한 고유 아이디(Id) 및 확장 아이디 그리고 제어 파라미터에 대한 정보를 받기 위한 식별과 구성(identification & configuration) 단계로 구성될 수 있다.

제2 단계로 전력 요청 단계(S200)이다.

수신부(200)가 송신부(100)에 전력 전송을 요청하는 경우를 예로 들면, 상기 수신부(200)의 상태, 즉 수신부(200)의 배터리의 충전 상태, 수신부(200) 자체 및 배터리의 온도 상태, 배터리의 전력 소모량과 전력 소모 정도 그리고 배터리의 충전 속도제품에 따라서 송신부(100)에 특정 전력량을 요구할 수 있다.

제3 단계로 제어부(140)의 컨버터(120) 제어 단계(S300)이다.

수신부(200)의 상태에 따라 요구되는 전력 전송량이 달라질 수 있고, 그에 따라 송신부(100)의 제어부(140)는 컨버터(120)가 직류 전압의 레벨을 조절할 수 있도록 제어할 수 있다.

제4 및 제5 단계로 제어부(140)의 전력변환부(130) 제어 단계(S400)하고 전력을 전송하는 단계(S500)이다.

컨버터(120)는 PWM 제어신호를 이용하여 전력변환부(130) 내의 풀 브리지 인버터의 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)를 제어할 수 있다.

듀티비에 따라서 상기 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)의 턴 온 또는 턴 오프 비가 달라질 수 있고, 듀티비에 따라서 상기 전력변환부(130)의 출력 신호가 포함하는 고조파 성분의 정도가 달라질 수 있다. 따라서 상기 제어부는 컨버터(120)로부터 전력변환부(130)로 전달되는 직류 전압의 크기와 상기 전력변환부(130)로부터 출력되는 출력 신호의 주파수 성분을 분석하여 상기 PWM 제어신호의 듀티비를 제어할 수 있다.

이처럼 제어부(140)는 기 설정된, 예를 들어 튜티비가 26% 내지 44% 중 어느 하나의 값으로 결정하여 해당 듀티비를 가진 PWM 제어신호를 전력변환부(130)로 제공할 수 있음은 물론, 전력변환부(130)로부터 출력되는 신호를 피드백 받고 출력 신호의 고조파 성분을 분석하여 기본파의 크기 대비 최대고조파의 크기의 비가 최소가 되는 듀티비를 가진 PWM 제어신호를 전력변환부(130)에 제공하여 전자파 적합 특성을 개선하면서 수신부(200)가 요청하는 전력을 송신부(100)가 제공하도록 할 수 있다.

전력변환부(130)로부터 출력되는 신호를 피드백 받고 출력 신호의 고조파 성분을 분석하는 경우에는, 일정 주기마다 전력변환부(130)의 출력 신호를 피드백 받아 분석할 수 있다. 그러므로써 무선전력전송 시스템(10)의 전력 전송 조건의 변화나 시스템의 특성의 변화에 따른 전력변환부(130)의 왜곡 정도를 판단하여 최적의 전자파 특성을 가진 출력 신호가 출력되도록 실시간 제어할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템(10)의 송신부(100)는 전력변환기(130)로써, 풀 브리지 인버터를 이용한다.

상기 풀 브리지 인버터는 종래의 하프 브리지 인버터에 비하여 송신 안테나 시스템(102)에 제공하는 최대 전력을 상승시키는 효과뿐만 아니라 출력 신호를 정현파에 근접시켜 고조파 성분을 최소화하는 효과를 가진다.

또한 제어부(140)는 컨버터(120)에서 출력되는 직류 전압 레벨과 전력변환부(130)에 제공하는 PWM 제어신호의 듀티비를 조절하여 전력변환부(130)에서 출력되는 출력 신호의 고조파 성분을 줄일 수 있으며, 수신부(200)에서 요청하는 전력량과 현재 송신부 및 수신부(100, 200)의 상태에 따른 전력변환부(130)의 출력 신호의 변형 상태를 피드백하여 컨버터(120)의 직류 전압 레벨과 PWM 제어신호의 듀티비를 재 조절함으로써, 전자파 특성을 개선할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술할 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

1 송신기
2 게이트 드라이버
3 전력변환기
4 매칭회로
5 송신코일
10 무선전력전송 시스템
100 송신부
101 송신 전력 컨버터 시스템
102 전송 안테나 시스템
110 정류 및 필터부
120 컨버터
130 전력변환부
140 제어부
150 매칭부
200 수신부
201 수신 전력 컨버터 시스템
202 수신 안테나 시스템
210 매칭부
220 정류부
230 컨버터
240 부하
250 제어부

Claims

수신기로 전송될 무선 전력을 생성하는 송신기에 있어서,
풀 브리지 인버터를 포함하는 전력 변환부; 및
PWM 제어신호를 이용하여 전력 변환부를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 전력 변환부의 출력 신호에 포함된 기본파 성분과 복수의 고조파 성분에 기초하여 최대 고조파 왜곡율이 최소값을 갖는 듀티비를 상기 PWM 제어신호의 듀티비를 결정하고,
상기 결정된 듀티비를 갖는 PWM 제어신호를 이용하여 상기 전력 변환부를 제어하고,
상기 최대 고조파 왜곡율은 상기 기본파 성분의 실효치 대비 최대 크기의 고조파 성분의 실효치의 비이며,
상기 최대 크기의 고조파 성분은 상기 복수의 고조파 성분 중 최대 크기를 갖는 고조파 성분인 송신기.
제1 항에 있어서,
상기 PWM 제어신호의 상기 듀티비는 26% 내지 44%인 송신기.
제1 항에 있어서,
상기 PWM 제어신호의 상기 듀티비는 41% 또는 32%인 송신기.
제1 항에 있어서,
입력 교류 전력을 수신하여 직류(DC) 전압을 생성하는 정류 및 필터부;
상기 정류 및 필터부로부터 출력된 상기 직류 전압의 레벨을 조절하여 상기 전력변환부로 출력하는 직류/직류(DC/DC) 컨버터; 및
상기 송신기와 상기 수신기 사이의 임피던스 매칭을 수행하는 매칭부;를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 직류/직류 컨버터의 직류 전압 레벨을 제어하는 송신기.
외부 전원으로부터 인가 받은 전력을 변환하기 위한 전력변환부를 구비한 송신기와 상기 송신기로부터 전력을 제공받는 수신기를 구비한 무선전력전송 시스템의 구동방법으로써,
상기 송신기의 충전 영역에 상기 수신기가 접근하였을 때 상기 송신기 및 수신기 중 어느 하나가 나머지 하나를 감지하는 단계;
상기 수신기가 상기 송신기로 전력 전송을 요청하는 단계;
상기 송신기가 상기 수신기가 요청하는 전력량에 따라 직류/직류 컨버터의 직류 전압 레벨을 조절하는 단계;
상기 송신기가 PWM 제어신호를 이용하여 상기 전력변환부를 제어하는 단계;를 포함하고,
상기 전력변환부를 제어하는 단계는,
상기 송신기가 상기 전력 변환부의 출력 신호에 포함된 기본파 성분과 복수의 고조파 성분에 기초하여 최대 고조파 왜곡율이 최소값을 갖는 듀티비를 상기 PWM 제어신호의 듀티비를 결정하는 단계; 및
상기 송신기가 상기 결정된 듀티비를 갖는 PWM 제어신호를 이용하여 상기 전력 변환부를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 최대 고조파 왜곡율은 상기 기본파 성분의 실효치 대비 최대 크기의 고조파 성분의 실효치의 비이며,
상기 최대 크기의 고조파 성분은 상기 복수의 고조파 성분 중 최대 크기를 갖는 고조파 성분인 무선전력전송 시스템의 구동방법.
제5 항에 있어서,
상기 전력변환부는 상기 직류/직류 컨버터로부터 직류 전압을 인가받아 교류 신호를 출력하는 풀 브릿지(full bridge) 인버터를 포함하는 무선전력전송 시스템의 구동방법.
제5 항에 있어서,
상기 PWM 제어신호의 상기 듀티비는 26% 내지 44%인 무선전력전송 시스템의 구동방법.
제5 항에 있어서,
상기 PWM 제어신호의 상기 듀티비는 41% 또는 32%에 해당하는 무선전력전송 시스템의 구동방법.
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