KR102179796B1 - High frequency wireless charger for constant current/constant voltage charge and control method thereof - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a super-high frequency wireless charger for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging and a control method thereof. The super-high frequency wireless charger for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging comprises: a transmission end connected to an input power source; and a reception end including an S-LCC topology connected to a receiving coil, and a T-LCL topology connected to a rear end of the S-LCC topology to configure a resonance tank in the S-LCC topology or configure the resonance tank in the S-LCC topology and the T-LCL topology so as to output constant voltage or constant current.

Description

정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기 및 이의 제어방법{HIGH FREQUENCY WIRELESS CHARGER FOR CONSTANT CURRENT/CONSTANT VOLTAGE CHARGE AND CONTROL METHOD THEREOF}Ultra high frequency wireless charger for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging and its control method {HIGH FREQUENCY WIRELESS CHARGER FOR CONSTANT CURRENT/CONSTANT VOLTAGE CHARGE AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 송신단 및 수신단 간의 유도 전력 전달(IPT: Inductive Power Transfer)을 통해 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 프로세스에 따라 배터리를 완충시키는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기 및 이의 제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ultra-high frequency wireless charger for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging and a control method thereof, and more particularly, to a constant current (CC) through inductive power transfer (IPT) between a transmitting end and a receiving end. It relates to an ultra-high frequency wireless charger for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) charging a battery according to a /constant voltage (CV) charging process, and a control method thereof.

최근 각광받고 있는 무선 전력 전송(WPT: Wireless Power Transfer) 시스템은 충전기 및 전자기기 간의 연결이 불필요하므로 종래의 플러그 인 충전기의 불편함을 해소할 수 있다.A wireless power transfer (WPT) system, which has recently been in the spotlight, does not require a connection between a charger and an electronic device, so that inconvenience of a conventional plug-in charger can be solved.

이러한 무선 전력 전송(WPT) 시스템의 유도 전력 전달(IPT: Inductive Power Transfer)의 스위칭 주파수는 MHz 대역(일반적으로, 6.78Hz 또는 13.56Hz)으로, 코일의 높은 큐 인자(quality factor)를 달성할 수 있으며, 장거리 또는 불균형에 의해 야기되는 낮은 결합 계수(coupling coefficient)의 영향을 경감시켜, 결과적으로는 더 나은 효율을 가질 수 있다.The switching frequency of the inductive power transfer (IPT) of such a wireless power transfer (WPT) system is in the MHz band (typically 6.78Hz or 13.56Hz), which can achieve a high quality factor of the coil. And reduce the influence of the low coupling coefficient caused by long distances or imbalances, and consequently can have better efficiency.

한편, 리튬 배터리는 랩탑, 휴대전화 등과 같은 이동성 전자 기기에 널리 사용된다. 이러한 리튬 배터리의 충전 프로세스는 리튬 배터리의 완충을 위해 일반적으로 정전류(CC: Constant Current) 충전 및 정전압(CV: Constant Voltage) 충전을 포함할 수 있다. Meanwhile, lithium batteries are widely used in mobile electronic devices such as laptops and mobile phones. The charging process of the lithium battery may generally include constant current (CC) charging and constant voltage (CV) charging to charge the lithium battery.

구체적으로는, 리튬 배터리는 먼저 정전류(CC)로 충전되고, 이때 전압은 점진적으로 증가할 수 있다. 리튬 배터리의 전압이 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 리튬 배터리는 정전압(CV)으로 충전될 수 있다. 그리고 배터리 전류가 특정 값(일예로, 0.1C)의 속도로 감소하는 경우, 리튬 배터리의 충전 프로세스는 종료될 수 있다.Specifically, the lithium battery is first charged with a constant current (CC), and at this time, the voltage may gradually increase. When the voltage of the lithium battery reaches the maximum charging voltage, the lithium battery may be charged with a constant voltage (CV). In addition, when the battery current decreases at a rate of a specific value (for example, 0.1C), the charging process of the lithium battery may be terminated.

이러한 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 프로세스에 있어서, 배터리의 수명을 보장하기 위해서는 충전기가 안정적으로 정확한 전류 및 전압을 제공하여야 한다. In such a constant current (CC)/constant voltage (CV) charging process, in order to ensure the life of the battery, a charger must stably provide an accurate current and voltage.

예를 들면, 고주파수의 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 프로세스를 구현하기 위해서는 수신단에 단상 컨버터 또는 추가적인 백엔드 DC-DC 컨버터를 채택하여 주파수 변조를 위한 폐쇄 루프 제어가 실행되어야 하는데, 이는 전체 시스템의 비용, 복잡 및 전력 손실을 증가시킨다는 문제점이 있다.For example, in order to implement a constant current (CC)/constant voltage (CV) charging process in a high frequency wireless power transfer (WPT) system, a single-phase converter or an additional back-end DC-DC converter is employed at the receiving end to control closed-loop control for frequency modulation. Has to be implemented, which has the problem of increasing the cost, complexity and power loss of the entire system.

위와 같은 문제점을 해소하기 위해 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 개방 루프 제어를 실행하여 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 프로세스를 구현한 방법이 제안된 바 있다. 이는 공진 보상 네트워크의 고유한 특성을 이용한 두 개의 다른 주파수가 사용되어 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 프로세스를 구현할 수 있다. 즉, 무선 전력 전송(WPT) 시스템은 두 개의 공진 주파수 중 하나의 주파수로 동작하여 정전류(CC) 충전 또는 정전압(CV) 충전을 달성할 수 있다.In order to solve the above problems, a method of implementing a constant current (CC)/constant voltage (CV) charging process by executing open loop control in a wireless power transmission (WPT) system has been proposed. This can implement a constant current (CC)/constant voltage (CV) charging process by using two different frequencies using the inherent characteristics of the resonance compensation network. That is, the wireless power transfer (WPT) system may operate at one of two resonance frequencies to achieve constant current (CC) charging or constant voltage (CV) charging.

그러나, 무선 전력 전송(WPT) 시스템은 MHz 대역에서 동작하므로, 회로의 복잡성 및 디지털 구현의 어려움으로 인해 여러 주파수 사용이 제한된다. 또한, 무선 전력 전송(WPT) 시스템에 있어서, 주파수 변조는 무선 통신에 대한 전자기 간섭을 피하기 위해 권장되지 않는다. However, since the wireless power transfer (WPT) system operates in the MHz band, the use of multiple frequencies is limited due to circuit complexity and difficulty in digital implementation. Also, for wireless power transfer (WPT) systems, frequency modulation is not recommended to avoid electromagnetic interference to wireless communications.

이에 따라 MHz 대역에서 동작하는 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 구현하기 위해서는 공진 네트워크를 변환하는 것이 바람직하다.Accordingly, in order to implement constant current (CC)/constant voltage (CV) charging in a wireless power transmission (WPT) system operating in the MHz band, it is desirable to convert the resonance network.

무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 구현하기 위해 제안된 공진 보상 회로의 기본 토폴로지는 직렬-직렬(SS), 직렬-병렬(SP), 병렬-직렬(PS) 및 병렬-병렬(PP)과 같다. 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 이러한 공진 보상 회로를 사용하는 경우, 부하 독립적인 정전압(CV) 및 정전류(CC) 출력 특성을 통해 자동으로 영 위상 각(ZPA: Zero Phase Angle) 조건을 달성할 수 있다. 그러나 위와 같은 공진 보상 회로의 기본 토폴로지들은 출력 값이 코일 파라미터에 크게 의존하기 때문에 공진 보상 네트워크 및 코일 설계가 제한된다는 문제점이 있다. The basic topology of the proposed resonance compensation circuit for implementing constant current (CC)/constant voltage (CV) charging in wireless power transfer (WPT) systems is series-series (SS), series-parallel (SP), and parallel-series (PS). ) And parallel-parallel (PP). When these resonance compensation circuits are used in wireless power transfer (WPT) systems, the zero phase angle (ZPA) condition can be automatically achieved through load-independent constant voltage (CV) and constant current (CC) output characteristics. have. However, the basic topologies of the resonance compensation circuit as described above have a problem in that the resonance compensation network and coil design are limited because the output value largely depends on the coil parameter.

한편, 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 구현하기 위한 공진 네트워크로 고차 공진 네트워크가 제안된 바 있다.Meanwhile, a high-order resonance network has been proposed as a resonance network for implementing constant current (CC)/constant voltage (CV) charging in a wireless power transmission (WPT) system.

예를 들면, 고차 공진 보상 회로의 토폴로지로, S-LCC(Series-Inductor-Capacitor-Capacitor) 및 LCC-S(Inductor-Capacitor-Capacitor-Series)는 정전압(CV) 출력 및 영 위상 각(ZPA) 특성으로 인해 각광받고 있다. 또한 양면 LCC는 정전류(CC) 출력 및 영 위상각(ZPA) 조건을 달성할 수 있다는 장점을 갖는다. 아울러, 이미턴스 변환기(immittance converter)의 T-LCL, Π-CLC, T-CLC 및 Π-LCL 타입은 정전압(CV)을 정전류(CC)로, 또는 그 반대로 변환할 수 있다.For example, as the topology of a high-order resonance compensation circuit, S-LCC (Series-Inductor-Capacitor-Capacitor) and LCC-S (Inductor-Capacitor-Capacitor-Series) are constant voltage (CV) output and zero phase angle (ZPA). It is in the spotlight for its characteristics. In addition, the double-sided LCC has the advantage of being able to achieve constant current (CC) output and zero phase angle (ZPA) conditions. In addition, the T-LCL, Π-CLC, T-CLC, and Π-LCL types of the immittance converter can convert the constant voltage CV to the constant current CC or vice versa.

그러나 상술한 고차 공진 네트워크를 채택하는 무선 전력 전송(WPT) 시스템은 kHz 대역에서 동작하도록 설계되므로, 시스템의 전력 밀도가 휴대용 장치에 충분하지 않다는 문제점이 있다. However, since the wireless power transfer (WPT) system employing the above-described high-order resonance network is designed to operate in the kHz band, there is a problem that the power density of the system is not sufficient for portable devices.

본 발명의 일측면은 정전류(CC) 충전 모드 및 정전압(CV) 충전 모드 간에 공진 네트워크를 변화시켜 하나의 동작 주파수 하에서 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 구현하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기 및 이의 제어방법을 제공한다.One aspect of the present invention is a constant current (CC) / constant voltage (CC) / constant voltage (constant current (CC) / constant voltage (CV) charging under one operating frequency by changing the resonant network between the constant current (CC) charging mode and the constant voltage (CV) charging mode) CV) Ultra-high frequency wireless charger for charging and its control method are provided.

본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem of the present invention is not limited to the technical problem mentioned above, and other technical problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기는 송신 코일 및 수신 코일 간의 유도 전력 전달(IPT: Inductive Power Transfer)을 통해 상기 수신 코일과 연결되는 배터리를 충전시키는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기에 있어서, 입력 전원과 연결되는 복수의 스위치의 스위칭 동작에 의해 상기 입력 전원으로부터 공급되는 입력 전압을 상기 송신 코일로 전달하는 송신단 및 상기 수신 코일과 연결되는 S-LCC 토폴로지 및 상기 S-LCC 토폴로지의 후단에 연결되는 T-LCL 토폴로지를 포함하며, 상기 S-LCC 토폴로지로 구성되는 공진 탱크에 의한 송신 코일 및 상기 수신 코일 간의 유도 전력 전달을 통해 정전압을 출력하거나, 상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 T-LCL 토폴로지로 구성되는 공진 탱크에 의한 송신 코일 및 상기 수신 코일 간의 유도 전력 전달을 통해 정전류를 출력하여 상기 배터리를 충전시키는 수신단을 포함한다.The ultra-high frequency wireless charger for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging according to an aspect of the present invention for solving the above problem is the receiving coil through inductive power transfer (IPT) between the transmitting coil and the receiving coil. In the ultra-high frequency wireless charger for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) charging a battery connected to the transmission coil, the input voltage supplied from the input power is transmitted by a switching operation of a plurality of switches connected to the input power. Transmitting end transmitting to and including an S-LCC topology connected to the receiving coil and a T-LCL topology connected to a rear end of the S-LCC topology, and a transmitting coil by a resonance tank configured in the S-LCC topology and the A constant voltage is output through induction power transfer between receiving coils, or a constant current is output through induction power transfer between the transmitting coil and the receiving coil by a resonance tank composed of the S-LCC topology and the T-LCL topology to save the battery. It includes a receiving end for charging.

한편, 상기 수신단은, 상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 배터리와 연결되는 정류 회로를 연결하는 제1 공진 스위치, 양단이 각각 상기 T-LCL 토폴로지 및 상기 수신 코일과 연결되는 출력 전압선에 접속되는 제2 공진 스위치 및 상기 배터리의 양단 전압을 센싱하고, 상기 배터리의 양단 전압에 따라 정전류(CC) 충전 모드 및 정전압(CV) 충전 모드 간의 전환을 위해 상기 제1 공진 스위치 및 상기 제2 공진 스위치의 스위칭 동작을 제어하여 공진 탱크의 구조를 변경하는 공진 스위치 제어부를 포함할 수 있다.Meanwhile, the receiving end includes a first resonance switch connecting the S-LCC topology and a rectifier circuit connected to the battery, and a second resonance having both ends connected to an output voltage line connected to the T-LCL topology and the receiving coil, respectively. A switch and a voltage at both ends of the battery are sensed, and a switching operation of the first resonance switch and the second resonance switch is performed to switch between a constant current (CC) charging mode and a constant voltage (CV) charging mode according to the voltage at both ends of the battery. It may include a resonance switch control unit for changing the structure of the resonance tank by controlling.

또한, 상기 수신단은, 상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 배터리와 연결되는 정류 회로 사이에 마련되며, 직렬 연결된 제2 공진 인덕터 및 제3 공진 인덕터와, 상기 제2 공진 인덕터 및 상기 제3 공진 인덕터 사이의 접점에 접속되는 제3 공진 커패시터를 포함하는 상기 T-LCL 토폴로지를 포함할 수 있다.In addition, the receiving end is provided between the S-LCC topology and the rectifier circuit connected to the battery, and between the second and third resonant inductors connected in series, and between the second and third resonant inductors. It may include the T-LCL topology including a third resonant capacitor connected to a contact point.

또한, 상기 수신단은, 직렬 연결된 상기 제2 공진 인덕터 및 상기 제3 공진 인덕터의 양 끝단에 연결되는 제1 공진 스위치 및 양단이 각각 상기 제3 공진 커패시터 및 상기 수신 코일과 연결되는 출력 전압선에 접속되는 제2 공진 스위치를 포함할 수 있다.In addition, the receiving end, a first resonant switch connected to both ends of the second resonant inductor and the third resonant inductor connected in series, and both ends are respectively connected to an output voltage line connected to the third resonant capacitor and the receiving coil. It may include a second resonance switch.

또한, 상기 수신단은, 상기 수신 코일과 연결되는 제1 공진 커패시터와 병렬 연결된 상태로 상기 제1 공진 커패시터에 연결되는 제2 공진 커패시터 및 제1 공진 인덕터를 포함하는 상기 S-LCC 토폴로지를 포함할 수 있다.In addition, the receiving end may include the S-LCC topology including a second resonant capacitor and a first resonant inductor connected to the first resonant capacitor in parallel with the first resonant capacitor connected to the receiving coil. have.

또한, 상기 송신단은, 상기 입력 전원의 양단에 연결되는 브릿지에 마련되며, GaN MOSFET 스위치로 구현되는 제1 스위치 및 제2 스위치, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 턴온 또는 턴오프 동작을 제어하는 Class D 앰프, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이의 접점에 연결되며, ZVS 인덕터 및 ZVS 커패시터를 포함하여 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치에 부가된 기생 커패시터를 방전시키기 위한 음의 전류를 발생시키는 ZVS 탱크 및 상기 ZVS 탱크 및 상기 송신 코일 사이에 마련되며, 상기 S-LCC 토폴로지 또는 상기 T-LCL 토폴로지와 공진 탱크를 구성하는 송신 커패시터를 포함할 수 있다.In addition, the transmitting end is provided on a bridge connected to both ends of the input power, and controls a first switch and a second switch implemented as a GaN MOSFET switch, and a turn-on or turn-off operation of the first switch and the second switch. Class D amplifier, which is connected to a contact point between the first switch and the second switch, and includes a ZVS inductor and a ZVS capacitor, and a negative current for discharging the parasitic capacitor added to the first switch and the second switch. It may include a ZVS tank for generating a ZVS tank and a transmission capacitor provided between the ZVS tank and the transmission coil, and constituting the S-LCC topology or the T-LCL topology and the resonance tank.

또한, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는, 상기 ZVS 탱크에 의해 영전압 스위칭 조건 하에서 스위칭 제어될 수 있다.In addition, the first switch and the second switch may be controlled to be switched under a zero voltage switching condition by the ZVS tank.

한편, 본 발명의 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기의 제어방법은, 송신단 및 수신단 간의 유도 전력 전달(IPT: Inductive Power Transfer)을 통해 상기 수신단에 마련되는 배터리를 충전시키는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기의 제어 방법에 있어서, 상기 수신단에 형성되는 공진 탱크를 직렬 연결된 S-LCC 토폴로지 및 T-LCL 토폴로지로 구성하여 정전류(CC) 충전 모드로 제어하는 단계, 상기 배터리의 양단 전압을 센싱하는 단계 및 상기 배터리의 양단 전압이 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 상기 수신단에 형성되는 공진 탱크를 S-LCC 토폴로지로 구성하여 정전압(CV) 충전 모드로 제어하는 단계를 포함한다.On the other hand, the control method of the ultra-high frequency wireless charger for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging of the present invention is to charge the battery provided at the receiving end through inductive power transfer (IPT) between a transmitting end and a receiving end. In the control method of an ultra-high frequency wireless charger for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging, the resonant tank formed at the receiving end is configured in a series-connected S-LCC topology and a T-LCL topology to enter a constant current (CC) charging mode. Controlling, sensing the voltage across the battery, and when the voltage across the battery reaches the maximum charging voltage, the resonance tank formed at the receiving end is configured in an S-LCC topology to enter a constant voltage (CV) charging mode. And controlling.

한편, 상기 수신단에 형성되는 공진 탱크를 직렬 연결된 S-LCC 토폴로지 및 T-LCL 토폴로지로 구성하여 정전류(CC) 충전 모드로 제어하는 단계는, 상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 배터리와 연결되는 정류 회로를 연결하는 제1 공진 스위치를 턴오프 제어하는 단계 및 양단이 각각 상기 T-LCL 토폴로지 및 상기 송신단으로부터 유도 전력을 전달 받는 수신 코일과 연결되는 출력 전압선에 접속되는 제2 공진 스위치를 턴온 제어하는 단계를 포함할 수 있다.On the other hand, the step of configuring the resonance tank formed at the receiving end in a series-connected S-LCC topology and a T-LCL topology to control the constant current (CC) charging mode, the S-LCC topology and the rectifying circuit connected to the battery Turn-off control of the first resonant switch to be connected, and the steps of turning-on-controlling the second resonant switch connected to the output voltage line connected to the T-LCL topology and the receiving coil that receives the induced power from the transmitting end, respectively. Can include.

또한, 상기 배터리의 양단 전압이 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 상기 수신단에 형성되는 공진 탱크를 S-LCC 토폴로지로 구성하여 정전압(CV) 충전 모드로 제어하는 단계는, 상기 제1 공진 스위치를 턴온 제어하는 단계 및 상기 제2 공진 스위치를 턴오프 제어하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, when the voltage at both ends of the battery reaches the maximum charging voltage, the step of configuring a resonance tank formed at the receiving end in an S-LCC topology to control the constant voltage (CV) charging mode includes turning on the first resonance switch. It may include controlling and turning off the second resonance switch.

본 발명에 따르면 충전 모드에 따라 공진 네트워크를 변경할 수 있도록 구성되어, 하나의 동작 주파수(예컨대, 6.78MHz)에서 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 구현할 수 있다. According to the present invention, it is configured to change the resonant network according to the charging mode, and constant current (CC)/constant voltage (CV) charging can be implemented at one operating frequency (eg, 6.78 MHz).

또한, 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 모드 구현을 위한 백-엔드 DC-DC 컨버터를 필요로 하지 않으므로 전체 시스템의 손실과 비용을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. In addition, since it does not require a back-end DC-DC converter for implementing a constant current (CC)/constant voltage (CV) charging mode, it has the advantage of reducing the loss and cost of the entire system.

또한, 송신단에 ZVS 탱크를 포함하여 전 부하 범위 내에서 송신단 전력 스위치의 영전압 스위칭 조건을 달성할 수 있으므로, 시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있다. In addition, since the zero voltage switching condition of the power switch of the transmitter can be achieved within the entire load range including the ZVS tank at the transmitter, the overall efficiency of the system can be improved.

또한, 정전류(CC) 충전 모드로부터 정전압(CV) 충전 모드로의 전환에 있어서 송신단 및 수신단 간의 피드백 회로를 필요로 하지 않는다. Further, in switching from the constant current (CC) charging mode to the constant voltage (CV) charging mode, a feedback circuit between the transmitting end and the receiving end is not required.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기의 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 충전기의 정전압(CV) 충전 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 도 1에 도시된 충전기의 정전류(CC) 충전 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기에 의한 충전 모드 동안 배터리의 전압 및 등가 임피던스의 일 예를 보여주는 도면이다.
1 is a schematic circuit diagram of an ultra-high frequency wireless charger for charging a constant current (CC) / constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention.
2 to 4 are diagrams for explaining a constant voltage (CV) charging operation characteristic of the charger illustrated in FIG. 1.
5 to 8 are views for explaining the constant current (CC) charging operation characteristics of the charger illustrated in FIG. 1.
9 is a diagram illustrating an example of a voltage and an equivalent impedance of a battery during a charging mode by an ultra-high frequency wireless charger for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The detailed description of the present invention to be described below refers to the accompanying drawings, which illustrate specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in detail sufficient to enable a person skilled in the art to practice the present invention. It is to be understood that the various embodiments of the present invention are different from each other but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the present invention in relation to one embodiment. In addition, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description to be described below is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention, if appropriately described, is limited only by the appended claims, along with all scopes equivalent to those claimed by the claims. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions over several aspects.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기의 개략적으로 나타낸 회로도이다.1 is a schematic circuit diagram of an ultra-high frequency wireless charger for charging a constant current (CC) / constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 무선 전력 전송(WPT: Wireless Power Transfer) 충전기로, 송신단(10)으로부터 수신단(20)으로의 유도 전력 전달(IPT: Inductive Power Transfer)을 통해 수신단(20)의 배터리(battery)를 충전시킬 수 있다.Referring to Figure 1, the ultra-high frequency wireless charger 1 for constant current (CC) / constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention is a wireless power transfer (WPT) charger, a transmitter 10 The battery of the receiver 20 may be charged through an inductive power transfer (IPT) from the receiver to the receiver 20.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 배터리(battery)의 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 달성할 수 있다.The ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention can achieve constant current (CC)/constant voltage (CV) charging of a battery.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 초고주파(예컨대, 6.78MHz)의 스위칭 주파수 조건 하에서 배터리(Battery)의 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 달성하기 위해 공진 네트워크를 변화시킬 수 있도록 구현될 수 있다.The ultra-high frequency wireless charger 1 for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention is a constant current (CC)/constant voltage of a battery under a switching frequency condition of an ultra high frequency (eg, 6.78 MHz). It can be implemented to change the resonant network to achieve (CV) charging.

구체적으로는, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 정전압(CV) 충전을 달성하기 위한 공진 네트워크로 S-LCC 토폴로지(21)를 채택하고, 정전류(CC) 충전을 달성하기 위한 공진 네트워크로 S-LCC 토폴로지(21) 및 S-LCC 토폴로지(21)와 연결되는 T-LCL 토폴로지(23)를 채택할 수 있다.Specifically, the ultra-high frequency wireless charger 1 for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention is a resonant network for achieving constant voltage (CV) charging, and the S-LCC topology 21 And a T-LCL topology 23 connected with the S-LCC topology 21 and the S-LCC topology 21 as a resonant network for achieving constant current (CC) charging.

이를 위해 수신단(20)은 수신 코일(Lrx), S-LCC 토폴로지(21), T-LCL 토폴로지(23), 제1 공진 스위치(Sa), 제2 공진 스위치(Sb) 및 정류 회로(Rectifier)를 포함할 수 있다.To this end, the receiving end 20 includes a receiving coil (L rx ), an S-LCC topology (21), a T-LCL topology (23), a first resonance switch (S a ), a second resonance switch (S b ), and a rectifier circuit. (Rectifier) may be included.

수신 코일(Lrx)는 송신단(10)에 마련되는 송신 코일(Ltx)에서 발생하는 유도 전력을 전달 받을 수 있다.The receiving coil L rx may receive induced power generated from the transmitting coil L tx provided in the transmitting terminal 10.

S-LCC 토폴로지(21)는 제1 공진 커패시터(S1s), 제2 공진 커패시터(S2s) 및 제1 공진 인덕터(L1s)를 포함할 수 있다. 제1 공진 커패시터(S1s)는 일단이 수신 코일(Lrx)과 연결되고, 타단이 병렬 연결된 제2 공진 커패시터(S2s) 및 제1 공진 인덕터(L1s)와 연결될 수 있다.The S-LCC topology 21 may include a first resonance capacitor (S 1s ), a second resonance capacitor (S 2s ), and a first resonance inductor (L 1s ). The first resonance capacitor S 1s may be connected to a second resonance capacitor S 2s and a first resonance inductor L 1s having one end connected to the receiving coil L rx and the other end connected in parallel.

T-LCL 토폴로지(23)는 S-LCC 토폴로지(21)의 후단에 연결되며, 제2 공진 인덕터(Lsc1), 제3 공진 커패시터(Csc) 및 제3 공진 인덕터(Lsc2)를 포함할 수 있다. 제2 공진 인덕터(Lsc1) 및 제3 공진 인덕터(Lsc2)는 직렬 연결되고, 그 사이의 접점에는 제3 공진 커패시터(Csc)가 접속될 수 있다. The T-LCL topology 23 is connected to the rear end of the S-LCC topology 21, and includes a second resonant inductor (L sc1 ), a third resonant capacitor (C sc ), and a third resonant inductor (L sc2 ). I can. The second resonance inductor L sc1 and the third resonance inductor L sc2 are connected in series, and a third resonance capacitor C sc may be connected to a contact point therebetween.

제1 공진 스위치(Sa)는 직렬 연결된 제2 공진 인덕터(Lsc1) 및 제3 공진 인덕터(Lsc2)의 양 끝단에 연결될 수 있다.First resonance switch (S a) it can be coupled to both ends of the series-connected second resonant inductor (L sc1) and a third resonance inductor (L sc2).

제2 공진 스위치(Sb)는 제3 공진 커패시터(Csc)에 연결될 수 있다. 구체적으로는, 제2 공진 스위치(Sb)의 양단은 제3 공진 커패시터(Csc) 및 수신 코일(Lrx)과 연결되는 출력 전압선 상에 각각 접속될 수 있다.The second resonance switch S b may be connected to the third resonance capacitor C sc . Specifically, both ends of the second resonant switch S b may be connected to the third resonant capacitor C sc and the output voltage line connected to the receiving coil L rx , respectively.

정류 회로(Rectifier)는 4 개의 다이오드(D1, D2, D3, D4)가 마련된 풀 브릿지 회로로, T-LCL 토폴로지(23)의 후단에 연결될 수 있다. 구체적으로는, 정류 회로(Rectifier)의 제1 레그에 마련되는 제1 다이오드(D1) 및 제3 다이오드(D3) 사이의 접점에는 T-LCL 토폴로지(23)가 연결되고, 정류 회로(Rectifier)의 제2 레그에 마련되는 제2 다이오드(D2) 및 제4 다이오드(D4) 사이의 접점에는 수신 코일(Lrx)과 연결되는 출력 전압선이 연결될 수 있다. 이러한 정류 회로(Rectifier)의 후단에는 병렬 연결된 출력 커패시터(Co) 및 배터리(Battery)가 연결될 수 있다.The rectifier circuit is a full bridge circuit in which four diodes D 1 , D 2 , D 3 and D 4 are provided, and may be connected to the rear end of the T-LCL topology 23. Specifically, the T-LCL topology 23 is connected to the contact between the first diode D 1 and the third diode D 3 provided in the first leg of the rectifier circuit, and the rectifier circuit An output voltage line connected to the receiving coil L rx may be connected to a contact point between the second diode D 2 and the fourth diode D 4 provided in the second leg of ). The rear end of the rectifier circuit (Rectifier) may be connected to the parallel-connected output capacitor (C o) and the battery (Battery).

이와 같은 수신단(20)에서 S-LCC 토폴로지(21) 및 T-LCL 토폴로지(23)는 송신단(10)으로부터의 유도 전력 전달(IPT)을 위한 공진 탱크로서 동작할 수 있다. 여기서, 수신단(20)은 제1 공진 스위치(Sa) 및 제2 공진 스위치(Sb)의 동작에 따라 공진 탱크의 구조를 변경할 수 있다. 이를 위해 수신단(20)은 공진 스위치 제어부(Driver IC)를 더 포함할 수 있다.In such a receiving end 20, the S-LCC topology 21 and the T-LCL topology 23 may operate as resonance tanks for inductive power transfer (IPT) from the transmitting end 10. Here, the receiving end 20 may change the structure of the resonance tank according to the operation of the first resonance switch (S a ) and the second resonance switch (S b ). To this end, the receiving end 20 may further include a resonance switch controller (Driver IC).

공진 스위치 제어부(Driver IC)에 의한 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 충전 모드 제어방법은 수신단(20)에 형성되는 공진 탱크를 직렬 연결된 S-LCC 토폴로지(21) 및 T-LCL 토폴로지(23)로 구성하여 정전류(CC) 충전 모드로 제어하는 단계, 배터리의 양단 전압을 센싱하는 단계 및 배터리의 양단 전압이 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 수신단(20)에 형성되는 공진 탱크를 S-LCC 토폴로지(21)로 구성하여 정전압(CV) 충전 모드로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.The method for controlling the charging mode of the ultra-high frequency wireless charger 1 for charging constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention by a resonance switch controller (Driver IC) is a resonance tank formed at the receiving end 20 S-LCC topology (21) and T-LCL topology (23) connected in series to control the constant current (CC) charging mode, sensing the voltage at both ends of the battery, and the voltage at both ends of the battery to the maximum charging voltage. When reaching, it may include the step of configuring the resonance tank formed in the receiving end 20 in the S-LCC topology 21 to control the constant voltage (CV) charging mode.

구체적으로는, 공진 스위치 제어부(Driver IC)는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 프로세스에 따라 먼저 정전류(CC) 충전 모드 제어를 실행할 수 있다. 이를 위해 공진 스위치 제어부(Driver IC)는 제1 공진 스위치(Sa)를 턴오프 제어 하고, 제2 공진 스위치(Sb)를 턴온 제어할 수 있다. 이에 따라, S-LCC 토폴로지(21) 및 T-LCL 토폴로지(23)를 구성하는 모든 소자들이 공진 탱크로서 공진 동작에 참여할 수 있다. 이와 같은 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 정전류(CC) 충전을 달성할 수 있을 것이다. 이와 관련하여 구체적인 설명은 후술한다. Specifically, the resonance switch controller (Driver IC) may first perform the constant current (CC) charging mode control according to the constant current (CC)/constant voltage (CV) charging process. To this end, the resonance switch controller (Driver IC) may turn off the first resonance switch (S a ) and control the turn on the second resonance switch (S b ). Accordingly, all elements constituting the S-LCC topology 21 and the T-LCL topology 23 may participate in the resonance operation as a resonance tank. In this case, the ultra-high frequency wireless charger 1 for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention may achieve constant current (CC) charging. In this regard, a detailed description will be provided later.

그리고, 공진 스위치 제어부(Driver IC)는 배터리(Battery)의 양단 전압을 센싱할 수 있다. 공진 스위치 제어부(Driver IC)는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 프로세스에 따라 배터리(Battery)의 전압이 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 정전압(CV) 충전 모드 제어를 실행할 수 있다. 이를 위해, 공진 스위치 제어부(Driver IC)는 제1 공진 스위치(Sa)를 턴온 제어 하고, 제2 공진 스위치(Sb)를 턴오프 제어할 수 있다. 이에 따라, T-LCL 토폴로지(23)를 구성하는 제2 공진 인덕터(Lsc1), 제3 공진 커패시터(Csc) 및 제3 공진 인덕터(Lsc2)는 공진 탱크로서 공진 동작에 참여할 수 없으며, S-LCC 토폴로지(21)를 구성하는 소자들만이 공진 동작에 참여할 수 있다. 이와 같은 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 정전압(CV) 충전을 달성할 수 있을 것이다. 이와 관련하여 구체적인 설명은 후술한다. In addition, the resonance switch controller (Driver IC) can sense the voltage across the battery (Battery). When the voltage of the battery reaches the maximum charging voltage according to the constant current (CC)/constant voltage (CV) charging process, the resonance switch driver IC may perform constant voltage (CV) charging mode control. To this end, the resonance switch controller (Driver IC) may control the turn-on of the first resonance switch (S a ) and control the turn-off of the second resonance switch (S b ). Accordingly, the second resonant inductor (L sc1 ), the third resonant capacitor (C sc ), and the third resonant inductor (L sc2 ) constituting the T-LCL topology 23 cannot participate in the resonance operation as a resonance tank, Only elements constituting the S-LCC topology 21 can participate in the resonance operation. In this case, the ultra-high frequency wireless charger 1 for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention may achieve constant voltage (CV) charging. In this regard, a detailed description will be provided later.

한편, 송신단(10)은 입력 전원(VIN)과 연결될 수 있으며, 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2), ZVS 탱크(ZVS tank), 송신 커패시터(Cp) 및 송신 코일(Ltx)을 포함할 수 있다.On the other hand, the transmission terminal 10 may be connected to the input power (V IN ), the first switch (S 1 ), the second switch (S 2 ), the ZVS tank, the transmission capacitor (C p ) and the transmission coil It may include (L tx ).

제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)는 GaN MOSFET 스위치로 구현될 수 있다.The first switch S 1 and the second switch S 2 may be implemented as GaN MOSFET switches.

제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)는 동일 브릿지에 마련될 수 있으며, 브릿지의 상단 및 하단에 입력 전원(VIN)의 양단이 연결되어, 스위칭 동작에 의해 입력 전원(VIN)을 송신 코일(Ltx)로 전달할 수 있다.The first switch (S 1 ) and the second switch (S 2 ) may be provided on the same bridge, and both ends of the input power (V IN ) are connected to the upper and lower ends of the bridge, and the input power (V IN ) can be transmitted to the transmitting coil (L tx ).

이러한 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 턴온 또는 턴오프 동작은 전력 앰프(power amp), 예컨대, Class D 앰프에 의해 제어될 수 있는데, 이와 관련하여 구체적인 설명은 후술한다.The turn-on or turn-off operation of the first switch S 1 and the second switch S 2 may be controlled by a power amp, for example, a Class D amplifier, which will be described later in detail. .

ZVS 탱크(ZVS tank)는 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2) 사이의 접점에 연결되어 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 영전압 스위칭 조건을 달성할 수 있다. ZVS 탱크(ZVS TANK)는 ZVS 인덕터(LZVS) 및 ZVS 커패시터(CZVS)를 포함하여 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 턴온 동작 전에 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)에 부가된 기생 커패시터를 방전시키기 위한 음의 전류를 발생시킬 수 있다.ZVS tank (ZVS tank) has a first switch (S 1) and second switch (S 2) is connected to the contact point between the first switch (S 1) and second switches to achieve the zero voltage switching conditions of the (S 2) can do. ZVS tank (ZVS TANK) the first switch (S 1) and the second switch the first switch prior to turn-on operation of the (S 2) (S 1) and including a ZVS inductor (L ZVS) and ZVS capacitor (C ZVS) A negative current for discharging the parasitic capacitor added to the second switch S 2 may be generated.

송신 커패시터(Cp)는 ZVS 탱크(ZVS TANK) 및 송신 코일(Ltx) 사이에 마련될 수 있다. The transmission capacitor C p may be provided between the ZVS tank and the transmission coil L tx .

송신 커패시터(Cp)는 S-LCC 토폴로지(21)와 공진 탱크를 구성하여 송신 코일(Ltx)로부터 수신 코일(Lrx)로의 유도 전력 전달을 가능하게 한다.The transmission capacitor C p configures the S-LCC topology 21 and a resonance tank to enable the transfer of induced power from the transmission coil L tx to the reception coil L rx .

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 정전압(CV)/정전류(CC) 충전 동작 특성에 대해 설명한다.Hereinafter, characteristics of a constant voltage (CV)/constant current (CC) charging operation of the ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention will be described.

상술한 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 정전압(CV) 충전 동작을 구현하기 위해 S-LCC 토폴로지(21)를 공진 탱크로 채택하고, 정전류(CC) 충전 동작을 구현하기 위해 S-LCC 토폴로지(21) 및 T-LCL 토폴로지(23)를 모두 공진 탱크로 채택할 수 있다.As described above, the ultra-high frequency wireless charger 1 for constant current (CC) / constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention resonates the S-LCC topology 21 to implement a constant voltage (CV) charging operation. Both the S-LCC topology 21 and the T-LCL topology 23 may be adopted as a resonance tank in order to adopt a tank and implement a constant current (CC) charging operation.

먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 정전압(CV) 충전 동작 특성에 대해 설명한다.First, constant voltage (CV) charging operation characteristics of the ultra-high frequency wireless charger 1 for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention will be described.

도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 충전기의 정전압(CV) 충전 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다.2 to 4 are diagrams for explaining a constant voltage (CV) charging operation characteristic of the charger illustrated in FIG. 1.

도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)가 공진 탱크로 S-LCC 토폴로지(21)를 채택한 경우의 등가 회로를 확인할 수 있다.Referring to FIG. 2, an equivalent circuit when the ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) shown in FIG. 1 adopts the S-LCC topology 21 as a resonance tank can be confirmed. .

도 2에서 Ltx 및 Lrx는 각각 송신 코일 및 수신 코일의 자기 인덕턴스를 나타내고, M은 송신 코일 및 수신 코일 간의 상호 인덕턴스를 나타낸다. Cp, C1s, C2s, 및 L1s는 각각 공진 커패시턴스들 및 공진 인덕턴스를 나타낸다. 또한, Vin_AC는 전압원 및 RAC는 부하의 등가 저항을 나타내며, 이는 아래 수학식들의 각 변수로 적용될 수 있다.In FIG. 2, L tx and L rx denote the self inductance of the transmitting coil and the receiving coil, respectively, and M denotes the mutual inductance between the transmitting coil and the receiving coil. C p , C 1s , C 2s , and L 1s represent resonant capacitances and resonant inductances, respectively. In addition, V in_AC represents the voltage source and R AC represents the equivalent resistance of the load, which can be applied to each variable of the following equations.

도 2에서 제1 공진 인덕터(L1s), 제2 공진 커패시터(C2s) 및 부하(RAC)는 아래 수학식 1과 같이 등가 임피던스(ZS_cv)로 병합하여 나타낼 수 있다.In FIG. 2, the first resonant inductor L 1s , the second resonant capacitor C 2 s , and the load R AC may be expressed by merging them into an equivalent impedance Z S_cv as shown in Equation 1 below.

Figure 112019082244475-pat00001
Figure 112019082244475-pat00001

수학식 1은 아래 수학식 2를 만족하는 공진 주파수(ω0)에서 아래 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.Equation 1 may be expressed as Equation 3 below at a resonance frequency (ω 0 ) that satisfies Equation 2 below.

Figure 112019082244475-pat00002
Figure 112019082244475-pat00002

Figure 112019082244475-pat00003
Figure 112019082244475-pat00003

수학식 3을 참조하면, 등가 임피던스(Zs_cv)는 저항 및 커패시턴스로 구성될 수 있다. 따라서, 도 2와 같은 등가 회로는 도 3과 같이 변환할 수 있다.Referring to Equation 3, the equivalent impedance Z s_cv may be composed of resistance and capacitance. Accordingly, the equivalent circuit of FIG. 2 can be converted as shown in FIG. 3.

도 3에서 송신단(10)으로부터 수신단(20)으로의 반사 임피던스(Zref)는 아래 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.In FIG. 3, the reflected impedance Z ref from the transmitting end 10 to the receiving end 20 can be expressed as Equation 4 below.

Figure 112019082244475-pat00004
Figure 112019082244475-pat00004

수학식 4에서 허수 부분을 없애기 위해서는, 아래 수학식 5와 같은 조건을 만족하여야 한다. 그 결과 공진 주파수(ω0)에서의 반사 임피던스(Zref)는 순수 저항 성분으로 아래 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.In order to remove the imaginary part in Equation 4, the condition as in Equation 5 below must be satisfied. As a result, the reflection impedance Z ref at the resonance frequency ω 0 is a pure resistance component and can be expressed as Equation 6 below.

Figure 112019082244475-pat00005
Figure 112019082244475-pat00005

Figure 112019082244475-pat00006
Figure 112019082244475-pat00006

도 3과 같은 등가 회로는 반사 임피던스(Zref)(Zref0))를 적용하여 도 4와 같이 변환할 수 있다.The equivalent circuit of FIG. 3 can be converted as shown in FIG. 4 by applying the reflection impedance Z ref (Z ref0 )).

도 4에서 등가 입력 임피던스(Zin) 및 전송 전류(I1)은 아래 수학식 7 및 8과 같이 나타낼 수 있다.In FIG. 4, the equivalent input impedance Z in and the transmission current I 1 can be expressed as Equations 7 and 8 below.

Figure 112019082244475-pat00007
Figure 112019082244475-pat00007

Figure 112019082244475-pat00008
Figure 112019082244475-pat00008

등가 입력 임피던스(Zin)의 위상(phase)은 arg[im{Zin}/Re{Zin}]와 같이 결정될 수 있는데, 공진 주파수(ω0)에서 등가 입력 임피던스(Zin)의 영 위상 각(ZPA: Zero Phase Angle)을 달성하기 위해서는 등가 입력 임피던스(Zin)의 허수 성분이 아래 수학식 9와 같은 조건을 만족함으로써 제거될 필요가 있다.The phase of the equivalent input impedance (Z in ) can be determined as arg[im{Z in }/Re{Z in }], the zero phase of the equivalent input impedance (Z in ) at the resonance frequency (ω 0 ). In order to achieve the angle (ZPA: Zero Phase Angle), the imaginary component of the equivalent input impedance Z in needs to be removed by satisfying the condition as in Equation 9 below.

Figure 112019082244475-pat00009
Figure 112019082244475-pat00009

등가 입력 임피던스(Zin)의 허수 성분이 공진 주파수(ω0)에서 수학식 9와 같은 조건을 만족하는 경우, 공진 주파수(ω0)에서의 등가 입력 임피던스(Zin)(ω0)는 아래 수학식 10과 같이 실수 성분으로 나타낼 수 있다.If the imaginary component of the equivalent input impedance (Z in) is to satisfy the conditions such as the equation (9) at the resonance frequency (ω 0), the equivalent input impedance at the resonance frequency (ω 0) (Z in) (ω 0) is the following It can be expressed as a real component as shown in Equation 10.

Figure 112019082244475-pat00010
Figure 112019082244475-pat00010

또한, 공진 주파수(ω0)에서의 전송 전류(I1)(ω0)는 아래 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.In addition, the resonance frequency transfer current (I 1)0) of the (ω 0) is expressed as Equation (11) below.

Figure 112019082244475-pat00011
Figure 112019082244475-pat00011

수학식 11에 따르면 공진 주파수(ω0)에서의 전송 전류(I1)(ω0)는 입력 전압과 위상이 같으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 송신 루프의 순환 전류를 크게 억제할 수 있다는 장점을 갖는다.According to Equation 11, since the transmission current (I 1 ) (ω 0 ) at the resonance frequency (ω 0 ) has the same phase as the input voltage, constant current (CC) / constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention The ultra-high frequency wireless charger 1 has the advantage of being able to greatly suppress the circulating current of the transmission loop.

한편, 키르히호프의 전압 법칙(Kirchhoff's voltage law)을 도 3에 적용하는 경우, 수신 코일에서의 수신 전류(I2) 및 공진 주파수(ω0)에서의 수신 전류(I2)(ω0)는 각각 아래 수학식 12 및 13과 같이 나타낼 수 있다.On the other hand, when applying a voltage law (Kirchhoff's voltage law) of Kirchhoff in Figure 3, the received current of the receiving electric current (I 2) and a resonant frequency (ω 0) of the receiving coil (I 2)0) is It can be expressed as Equations 12 and 13 below, respectively.

Figure 112019082244475-pat00012
Figure 112019082244475-pat00012

Figure 112019082244475-pat00013
Figure 112019082244475-pat00013

수학식 13으로부터 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 정전압(CV) 충전 동작 시의 전압 이득은 아래 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다. From Equation 13, the voltage gain during the constant voltage (CV) charging operation of the ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention can be expressed as Equation 14 below. have.

Figure 112019082244475-pat00014
Figure 112019082244475-pat00014

수학식 14에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 공진 주파수(ω0)에서의 충전 동작 시, 출력 전압이 부하 조건과 무관하게 일정함을 확인할 수 있다. According to Equation 14, the ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention is, when the charging operation at the resonance frequency (ω 0 ), the output voltage is a load condition It can be confirmed that it is constant regardless of.

수학식 14에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 공진 주파수(ω0)에서의 충전 동작 시, 출력 전압이 입력 전압(Vin_AC), 공진 인덕턴스(L1s) 및 송신 코일 및 수신 코일 간의 상호 인덕턴스(M)에 따라 변동됨을 확인할 수 있다. 여기서 상호 인덕턴스(M)가 고정되는 경우, 출력 전압은 공진 인덕턴스(L1s)에 의해 조절될 수 있다.According to Equation 14, the ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention is an input voltage when charging operation at a resonance frequency (ω 0 ). It can be seen that it varies according to (V in_AC ), resonance inductance (L 1s ), and mutual inductance (M) between the transmitting coil and the receiving coil. Here, when the mutual inductance (M) is fixed, the output voltage may be adjusted by the resonance inductance (L 1s ).

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 공진 소자들의 각 파라미터가 수학식 2, 5 및 9를 만족하도록 설계되는 경우, 정전압(CV) 충전을 구현할 수 있을 것이다.Accordingly, when the ultra-high frequency wireless charger 1 for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention is designed so that each parameter of the resonant elements satisfies Equations 2, 5 and 9, It will be possible to implement constant voltage (CV) charging.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 정전류(CC) 충전 동작 특성에 대해 설명한다.Hereinafter, characteristics of a constant current (CC) charging operation of the ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention will be described.

도 5 내지 도 8은 도 1에 도시된 충전기의 정전류(CC) 충전 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다.5 to 8 are views for explaining the constant current (CC) charging operation characteristics of the charger illustrated in FIG. 1.

도 5를 참조하면, 도 1에 도시된 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)가 공진 탱크로 직렬 연결된 S-LCC 토폴로지(21) 및 T-LCL 토폴로지(23)를 채택한 경우의 등가 회로를 확인할 수 있다. T-LCL 토폴로지(23)는 S-LCC 토폴로지(21)로부터 일정한 전압(Vin_T)을 공급 받을 수 있을 것이다.Referring to FIG. 5, an S-LCC topology 21 and a T-LCL topology 23 in which an ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) shown in FIG. 1 is connected in series with a resonance tank. The equivalent circuit in the case of adopting can be checked. The T-LCL topology 23 may receive a constant voltage V in_T from the S-LCC topology 21.

도 5에서 각 파라미터는 도 2를 참조하여 설명한 것으로 대체하며, 다만 Lsc1, Lsc2 및 Csc는 각각 T-LCL 토폴로지(23)에 포함되는 공진 인덕턴스들 및 공진 커패시턴스를 의미한다.In FIG. 5, each parameter is replaced with the one described with reference to FIG. 2, but L sc1 , L sc2, and C sc denote resonance inductances and resonance capacitances included in the T-LCL topology 23, respectively.

도 6을 참조하면, T-LCL 토폴로지(23)는 두 개의 인덕터(Lsc1 및 Lsc2) 및 하나의 커패시터(Csc)를 포함하여 구성될 수 있으며, RAC는 부하의 등가 저항을 나타낸다.Referring to FIG. 6, the T-LCL topology 23 may include two inductors L sc1 and L sc2 and one capacitor C sc , and R AC represents the equivalent resistance of the load.

도 6에서 제3 공진 인덕터(Lsc2), 제3 공진 커패시터(Csc) 및 부하(RAC)는 아래 수학식 15와 같이 등가 임피던스(Zeq)로 병합하여 나타낼 수 있다.In FIG. 6, the third resonant inductor L sc2 , the third resonant capacitor C sc , and the load R AC may be expressed by merging them into an equivalent impedance Z eq as shown in Equation 15 below.

Figure 112019082244475-pat00015
Figure 112019082244475-pat00015

수학식 15는 아래 수학식 16을 만족하는 공진 주파수(ω0)에서 아래 수학식 17과 같이 나타낼 수 있다.Equation 15 can be expressed as Equation 17 below at a resonance frequency (ω 0 ) that satisfies Equation 16 below.

Figure 112019082244475-pat00016
Figure 112019082244475-pat00016

Figure 112019082244475-pat00017
Figure 112019082244475-pat00017

수학식 17을 참조하면, 수학식 16과 같은 조건을 만족하는 공진 주파수(ω0)에서 등가 임피던스(Zeq)는 저항 및 커패시턴스로 구성될 수 있다. 따라서 도 6과 같은 등가 회로는 도 7과 같이 변환할 수 있다.Referring to Equation 17, the equivalent impedance Z eq at a resonance frequency ω 0 that satisfies the conditions as in Equation 16 may be composed of resistance and capacitance. Therefore, the equivalent circuit of FIG. 6 can be converted as shown in FIG. 7.

도 7에서 등가 입력 임피던스(Zin_T)는 아래 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다.In FIG. 7, the equivalent input impedance Z in_T can be expressed as Equation 18 below.

Figure 112019082244475-pat00018
Figure 112019082244475-pat00018

제2 공진 인덕터(Lsc1)가 아래 수학식 19를 만족하도록 설계되는 경우, 도 7에서 리액티브 성분(reactive components)은 서로 상쇄될 수 있으며, 도 7과 같은 등가 회로는 도 8과 같이 변환할 수 있다.When the second resonant inductor L sc1 is designed to satisfy Equation 19 below, the reactive components in FIG. 7 may be canceled from each other, and the equivalent circuit of FIG. 7 can be converted as shown in FIG. I can.

Figure 112019082244475-pat00019
Figure 112019082244475-pat00019

제2 공진 인덕터(Lsc1)가 수학식 19를 만족하는 경우, 등가 입력 인덕턴스(Zin_T)는 아래 수학식 20과 같이 순수 저항 성분을 가질 수 있다.When the second resonant inductor L sc1 satisfies Equation 19, the equivalent input inductance Z in_T may have a pure resistance component as shown in Equation 20 below.

Figure 112019082244475-pat00020
Figure 112019082244475-pat00020

따라서, 도 8에서 입력 전류(Iin_T) 및 출력 전류(Io_T)는 각각 아래 수학식 21 및 22와 같이 산출될 수 있다.Accordingly, in FIG. 8, the input current I in_T and the output current I o_T can be calculated as shown in Equations 21 and 22 below, respectively.

Figure 112019082244475-pat00021
Figure 112019082244475-pat00021

Figure 112019082244475-pat00022
Figure 112019082244475-pat00022

수학식 22에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 공진 탱크로 직렬 연결된 S-LCC 토폴로지(21) 및 T-LCL 토폴로지(23)를 채택하고, 공진 주파수(ω0)에서의 충전 동작 시, 출력 전류(Io_T0))가 부하 조건과 무관하게 일정함을 확인할 수 있다.According to Equation 22, the ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention is an S-LCC topology 21 and a T-LCL topology connected in series by a resonance tank. When (23) is adopted and the charging operation at the resonance frequency (ω 0 ), it can be confirmed that the output current (I o_T0 )) is constant regardless of the load condition.

수학식 22에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 공진 탱크로 직렬 연결된 S-LCC 토폴로지(21) 및 T-LCL 토폴로지(23)를 채택하고, 공진 주파수(ω0)에서의 충전 동작 시, 출력 전류(Io_T0))는 입력 전압(Vin_T), 동작 주파수(ω0) 및 T-LCL 토폴로지(23)에 포함되는 공진 성분들(Lsc2 및 Csc)에 따라서만 변동됨을 확인할 수 있다. According to Equation 22, the ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention is an S-LCC topology 21 and a T-LCL topology connected in series by a resonance tank. (23), and when charging operation at the resonance frequency (ω 0 ), the output current (I o_T0 )) is the input voltage (V in_T ), the operating frequency (ω 0 ), and the T-LCL topology (23 It can be seen that the fluctuation only depends on the resonance components (L sc2 and C sc ) included in ).

여기서 입력 전압(Vin_T)은 S-LCC 토폴로지(21)의 출력 전압으로, 상술한 바와 같이 S-LCC 토폴로지(21)는 공진 파라미터들이 소정의 조건을 만족하도록 설계되는 경우, 일정한 출력 전압을 생성할 수 있다.Here, the input voltage (V in_T ) is the output voltage of the S-LCC topology 21, and as described above, the S-LCC topology 21 generates a constant output voltage when the resonance parameters are designed to satisfy a predetermined condition. can do.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 부하 독립적인 전류원으로 동작하여 정전류(CC) 충전을 구현할 수 있을 것이다.Accordingly, the ultra-high frequency wireless charger 1 for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention may operate as a load-independent current source to implement constant current (CC) charging.

이하에서는 아래 표 1과 같은 배터리의 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 파라미터들과 공진 주파수(스위칭 주파수)의 조건 하에서 배터리의 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 설계 방법에 대해 설명한다.Hereinafter, the present invention for achieving constant current (CC)/constant voltage (CV) charging of a battery under the conditions of the constant current (CC)/constant voltage (CV) charging parameters and the resonance frequency (switching frequency) of the battery as shown in Table 1 below. A method of designing an ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment will be described.

Figure 112019082244475-pat00023
Figure 112019082244475-pat00023

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기에 의한 충전 모드 동안 배터리의 전압 및 등가 임피던스의 일 예를 보여주는 도면이다.9 is a diagram illustrating an example of a voltage and an equivalent impedance of a battery during a charging mode by an ultra-high frequency wireless charger for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)가 표 1과 같은 조건으로 설계되는 경우, 배터리는 도 9와 같이 정전류(CC)/정전압(CV) 모드로 충전되어 완충될 것이다.When the ultra-high frequency wireless charger 1 for constant current (CC) / constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention is designed under the conditions shown in Table 1, the battery is constant current (CC) / constant voltage ( CV) mode will be charged and fully charged.

먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 송신단(10) 설계에 대해 설명한다.First, the design of the transmitter 10 of the ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention will be described.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 송신단(10)을 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2) 및 ZVS 탱크로 구성할 수 있는데, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2) 제어를 위한 Class D 앰프를 포함할 수 있다(도 1 참조). The ultra-high frequency wireless charger (1) for constant current (CC) / constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention connects the transmitter 10 to a first switch (S 1 ), a second switch (S 2 ), and a ZVS tank. It can be configured as, and may include a Class D amplifier for controlling the first switch (S 1 ) and the second switch (S 2 ) (see FIG. 1).

예를 들면, Class D 앰프의 출력은 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 게이트 전압이 될 수 있다.For example, the output of the Class D amplifier may be the gate voltage of the first switch (S 1 ) and the second switch (S 2 ).

일반적으로 초고주파 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 Class D 앰프 또는 Class E 앰프가 널리 사용된다. Class E 앰프의 경우 Class D 앰프와 비교하였을 때 기생 성분의 수가 적으므로 높은 변환 효율을 갖는다. 그러나, Class E 앰프는 Class D 앰프와 비교하였을 때, 부하 변화에 민감하여 전체 부하 범위에 대하여 영전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching) 조건을 달성하기 어렵다. 이에 따라 최근에는 Class D 앰프가 영전압 스위칭 동작을 구현할 수 있으며, 초크 인덕터를 필요로 하지 않는다는 점에서 Class E 앰프에 비해 높은 효율을 달성할 수 있는 것으로 평가 받고 있다. In general, Class D amplifiers or Class E amplifiers are widely used in ultra-high frequency wireless power transfer (WPT) systems. Class E amplifiers have high conversion efficiency as the number of parasitic components is small compared to Class D amplifiers. However, when compared to Class D amplifiers, Class E amplifiers are sensitive to load changes, making it difficult to achieve ZVS (Zero Voltage Switching) conditions for the entire load range. Accordingly, in recent years, Class D amplifiers can implement zero voltage switching operation and are evaluated as being able to achieve higher efficiency compared to Class E amplifiers in that they do not require a choke inductor.

아울러, GaN MOSFETs 스위치의 경우, 실리콘 스위치에 비해 낮은 게이트 전하 및 출력 커패시턴스를 가져 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 우수한 성능을 보인다. 저전력 컨버터에 있어서 스위치 동작에 요구되는 전하는 상대적으로 크므로 낮은 게이트 전하 및 출력 커패시턴스는 중요한 요소라 할 수 있다.In addition, GaN MOSFETs switches have lower gate charge and output capacitance than silicon switches, and thus show excellent performance in wireless power transfer (WPT) systems. In a low-power converter, since the charge required for switch operation is relatively large, low gate charge and output capacitance are important factors.

따라서 GaN MOSFETs 스위치 및 영전압 스위칭 특성을 갖는 Class D 앰프는 무선 전력 전송(WPT) 충전기의 전력 앰프로 적용되기에 적합하다.Therefore, GaN MOSFETs switches and Class D amplifiers with zero voltage switching characteristics are suitable to be applied as power amplifiers for wireless power transfer (WPT) chargers.

이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 송신단(10)에 마련되는 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)를 GaN MOSFET 스위치로 구현할 수 있으며, 이를 제어하는 Class D 앰프 및 이의 영전압 스위칭 조건을 달성하기 위한 ZVS 탱크를 포함하여 송신단(10)을 구성할 수 있다.Accordingly, the ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention includes a first switch (S 1 ) and a second switch (S 2 ) provided at the transmitting end 10. ) Can be implemented as a GaN MOSFET switch, and the transmitter 10 can be configured including a Class D amplifier that controls it and a ZVS tank to achieve its zero voltage switching condition.

송신단(10)의 최대 효율을 달성하기 위해서는 ZVS 탱크가 공진 조건에서 정확하게 공진 동작을 실행할 수 있도록 설계되어야 한다.In order to achieve the maximum efficiency of the transmitting end 10, the ZVS tank must be designed to accurately perform the resonance operation in the resonance condition.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 Class D 앰프에 의해 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 영전압 스위칭 조건을 달성할 수 있다. 그러나, Class D 앰프는 특정 부하 범위 내에서는 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 기생 커패시턴스에 의해 높은 스위칭 손실을 발생시킬 수 있다.The ultra-high frequency wireless charger 1 for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention is a zero voltage of the first switch (S 1 ) and the second switch (S 2 ) by a Class D amplifier. Switching conditions can be achieved. However, the Class D amplifier may generate high switching losses due to parasitic capacitances of the first switch S 1 and the second switch S 2 within a specific load range.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 ZVS 탱크를 포함할 수 있다. ZVS 탱크는 직렬 연결된 ZVS 인덕터(LZVS) 및 ZVS 커패시터(CZVS)를 포함할 수 있다(도 1 참조). ZVS 탱크는 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 턴온 동작 전에 기생 커패시터를 방전시키기 위한 충분한 음의 전류를 발생시킬 수 있다. 이를 위한 ZVS 탱크의 ZVS 탱크 인덕터(LZVS)의 값은 아래 수학식 23과 같이 산출될 수 있다.Accordingly, the ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention may include a ZVS tank. The ZVS tank may contain a series connected ZVS inductor (L ZVS ) and a ZVS capacitor (C ZVS ) (see FIG. 1 ). The ZVS tank may generate a sufficient negative current to discharge the parasitic capacitor before the turn-on operation of the first switch S 1 and the second switch S 2 . For this, the value of the ZVS tank inductor L ZVS of the ZVS tank may be calculated as in Equation 23 below.

Figure 112019082244475-pat00024
Figure 112019082244475-pat00024

수학식 23에서 △tvt는 제1 스위치(S1) 또는 제2 스위치(S2)의 전압 전이 시간을 의미하고, Coss는 제1 스위치(S1) 또는 제2 스위치(S2)의 기생 커패시턴스를 의미한다.△ t vt in equation (23) is of the first switch (S 1) or the second switch (S 2), and a voltage transition represents the time C oss the first switch (S 1) or the second switch (S 2) Means parasitic capacitance.

이하 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 수신단(20)에 포함되는 공진 탱크의 설계에 대해 설명한다.Hereinafter, a design of a resonance tank included in the receiving end 20 of the ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention will be described.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 DC 입력 및 AC 출력 간의 관계는 FHA(Fundamental Harmonic Analysis)에 기반하여 아래 수학식 24와 같이 나타낼 수 있다.The relationship between the DC input and the AC output of the ultra-high frequency wireless charger 1 for constant current (CC) / constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention is based on the Fundamental Harmonic Analysis (FHA) as shown in Equation 24 below. Can be indicated.

Figure 112019082244475-pat00025
Figure 112019082244475-pat00025

Figure 112019082244475-pat00026
Figure 112019082244475-pat00026

수학식 24의 Vin_AC 및 Vo_AC를 수학식 14에 대입하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 DC 전압 이득(Gv0))은 아래 수학식 25와 같이 산출할 수 있다. Substituting V in_AC and V o_AC of Equation 24 into Equation 14, the DC voltage gain (G v ) of the ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC) / constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention (ω 0 )) can be calculated as in Equation 25 below.

Figure 112019082244475-pat00027
Figure 112019082244475-pat00027

수학식 22를 이용하면, T-LCL 토폴로지(23)의 상호인덕턴스 이득(Gi_T0))은 아래 수학식 26과 같이 산출할 수 있다.Using Equation 22, the mutual inductance gain G i_T0 ) of the T-LCL topology 23 can be calculated as in Equation 26 below.

Figure 112019082244475-pat00028
Figure 112019082244475-pat00028

한편 T-LCL 토폴로지(23)는 S-LCC 토폴로지(21)와 캐스케이드 구조로 연결되어 있으므로, 수신단(20)의 상호인덕턴스 이득(Gi0))은 수학식 24, 25 및 26에 따라 아래 수학식 27과 같이 산출할 수 있다.Meanwhile, since the T-LCL topology 23 is connected to the S-LCC topology 21 in a cascade structure, the mutual inductance gain (G i0 )) of the receiving end 20 is calculated according to Equations 24, 25, and 26. It can be calculated as in Equation 27 below.

Figure 112019082244475-pat00029
Figure 112019082244475-pat00029

본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 공진 탱크는 다음과 같은 순서에 따라 설계할 수 있다.The resonance tank of the ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention may be designed in the following order.

표 1과 같이 입력 DC 전압(Vi), 정격 전력(Po), 요구되는 정전류(CC)/정전압(CV) 값(IO, VO) 및 코일 거리 및 치수 등이 정해지는 경우, 송신단(10) 및 수신단(20) 각각의 송신 코일(Ltx) 및 수신 코일(Lrx)의 인덕턴스와 상호 인덕턴스(M)를 산출할 수 있다.If the input DC voltage (V i ), rated power (P o ), required constant current (CC)/constant voltage (CV) values (I O , V O ) and coil distance and dimensions are determined as shown in Table 1, the transmitter Inductance and mutual inductance (M) of the transmitting coil (L tx ) and the receiving coil (L rx ) of each of (10) and the receiving end 20 may be calculated.

그리고 수학식 9를 이용하여 송신단(10)의 공진 커패시터(Cp)의 커패시턴스를 설정하고, 수학식 25를 이용하여 S-LCC 토폴로지(21)의 제1 공진 인덕터(L1s)의 인덕턴스를 설정하고, 수학식 2를 이용하여 S-LCC 토폴로지(21)의 제2 공진 커패시터(C2s)의 커패시턴스를 설정하며, 수학식 5를 이용하여 S-LCC 토폴로지(21)의 제1 공진 커패시터(C1s)의 커패시턴스를 설정할 수 있다.And setting the inductance of the first resonance inductor (L 1s) of the resonant capacitor (C p) S-LCC topology 21 by setting the capacitance, and using the equation (25) of the transmitting terminal 10 by using the equation (9) And, using Equation 2, the capacitance of the second resonant capacitor C 2s of the S-LCC topology 21 is set, and the first resonant capacitor C of the S-LCC topology 21 is set using Equation 5 1s ) of capacitance can be set.

또한, 수학식 27을 이용하여 T-LCL 토폴로지(23)의 제2 및 제3 공진 인덕터(Lsc1, Lsc2)의 인덕턴스를 설정하고, 수학식 16을 이용하여 T-LCL 토폴로지(23)의 제3 공진 커패시터(Csc)의 커패시턴스를 설정할 수 있다.In addition, the inductance of the second and third resonant inductors L sc1 and L sc2 of the T-LCL topology 23 is set using Equation 27, and the T-LCL topology 23 is The capacitance of the third resonant capacitor C sc may be set.

본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 위와 같이 설정되는 파라미터들로 공진 탱크를 설계할 수 있으며, 아래 표 2는 위와 같은 순서에 따라 설정된 공진 탱크의 파라미터의 일 예를 보여준다.The ultra-high frequency wireless charger 1 for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention can design a resonance tank with the parameters set as above, and Table 2 below is in the same order as above. It shows an example of the parameters of the resonance tank set accordingly.

Figure 112019082244475-pat00030
Figure 112019082244475-pat00030

이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 충전 모드에 따라 공진 네트워크를 변경할 수 있도록 구성되어, 하나의 동작 주파수(예컨대, 6.78MHz)에서 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 구현할 수 있다. The ultra-high frequency wireless charger 1 for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention is configured to change the resonance network according to the charging mode, so that one operating frequency (for example, 6.78 MHz) can implement constant current (CC)/constant voltage (CV) charging.

이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 모드 구현을 위한 백-엔드 DC-DC 컨버터를 필요로 하지 않으므로 전체 시스템의 손실과 비용을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. As such, the ultra-high frequency wireless charger 1 for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention is a back-end DC-DC converter for implementing a constant current (CC)/constant voltage (CV) charging mode. It has the advantage of reducing the loss and cost of the entire system because it does not require.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 송신단(10)에 ZVS 탱크를 포함하여 전 부하 범위 내에서 송신단(10) 전력 스위치(S1, S2)의 영전압 스위칭 조건을 달성할 수 있으므로, 시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있다. In addition, the ultra-high frequency wireless charger 1 for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) according to an embodiment of the present invention includes a ZVS tank in the transmission terminal 10 and a power switch of the transmission terminal 10 within the entire load range. Since the zero voltage switching condition of (S 1 , S 2 ) can be achieved, the overall efficiency of the system can be improved.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 정전류(CC) 충전 모드로부터 정전압(CV) 충전 모드로의 전환에 있어서 송신단(10) 및 수신단(20) 간의 피드백 회로를 필요로 하지 않으므로, 무선 전력 전송(WPT) 시스템에 적용될 수 있다. In addition, the ultra-high frequency wireless charger 1 for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging according to an embodiment of the present invention is the transmitting end 10 in the conversion from the constant current (CC) charging mode to the constant voltage (CV) charging mode. ) And a feedback circuit between the receiving end 20 are not required, and thus can be applied to a wireless power transmission (WPT) system.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to embodiments, those skilled in the art will understand that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims I will be able to.

1: 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기
10: 송신단
20: 수신단
21: S-LCC 토폴로지
23: T-LCL 토폴로지
1: Ultra-high frequency wireless charger for constant current (CC)/constant voltage (CV) charging
10: transmitting end
20: receiving end
21: S-LCC topology
23: T-LCL topology

Claims (10)

송신 코일 및 수신 코일 간의 유도 전력 전달(IPT: Inductive Power Transfer)을 통해 상기 수신 코일과 연결되는 배터리를 충전시키는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기에 있어서,
입력 전원과 연결되는 복수의 스위치의 스위칭 동작에 의해 상기 입력 전원으로부터 공급되는 입력 전압을 상기 송신 코일로 전달하는 송신단; 및
상기 수신 코일과 연결되는 S-LCC 토폴로지 및 상기 S-LCC 토폴로지의 후단에 연결되는 T-LCL 토폴로지를 포함하며, 상기 S-LCC 토폴로지로 구성되는 공진 탱크에 의한 송신 코일 및 상기 수신 코일 간의 유도 전력 전달을 통해 정전압을 출력하거나, 상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 T-LCL 토폴로지로 구성되는 공진 탱크에 의한 송신 코일 및 상기 수신 코일 간의 유도 전력 전달을 통해 정전류를 출력하여 상기 배터리를 충전시키는 수신단을 포함하고,
상기 수신단은,
상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 배터리와 연결되는 정류 회로를 연결하는 제1 공진 스위치;
양단이 각각 상기 T-LCL 토폴로지 및 상기 수신 코일과 연결되는 출력 전압선에 접속되는 제2 공진 스위치; 및
상기 배터리의 양단 전압을 센싱하고, 상기 배터리의 양단 전압에 따라 정전류(CC) 충전 모드 및 정전압(CV) 충전 모드 간의 전환을 위해 상기 제1 공진 스위치 및 상기 제2 공진 스위치의 스위칭 동작을 제어하여 공진 탱크의 구조를 변경하는 공진 스위치 제어부를 포함하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기.
In the ultra-high frequency wireless charger for charging a constant current (CC) / constant voltage (CV) charging a battery connected to the receiving coil through inductive power transfer (IPT) between a transmitting coil and a receiving coil,
A transmission terminal for transferring an input voltage supplied from the input power to the transmission coil by a switching operation of a plurality of switches connected to the input power; And
An S-LCC topology connected to the receiving coil and a T-LCL topology connected to a rear end of the S-LCC topology, and induced power between the transmitting coil and the receiving coil by a resonance tank composed of the S-LCC topology Includes a receiving end for charging the battery by outputting a constant voltage through transmission, or outputting a constant current through induction power transfer between the transmitting coil and the receiving coil by a resonance tank composed of the S-LCC topology and the T-LCL topology. and,
The receiving end,
A first resonant switch connecting the S-LCC topology and a rectifier circuit connected to the battery;
A second resonance switch having both ends connected to an output voltage line connected to the T-LCL topology and the receiving coil, respectively; And
By sensing the voltage at both ends of the battery and controlling the switching operation of the first resonance switch and the second resonance switch to switch between the constant current (CC) charging mode and the constant voltage (CV) charging mode according to the voltage of both ends of the battery Ultra-high frequency wireless charger for charging constant current (CC) / constant voltage (CV) including a resonance switch control unit that changes the structure of the resonance tank.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 수신단은,
상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 배터리와 연결되는 정류 회로 사이에 마련되며, 직렬 연결된 제2 공진 인덕터 및 제3 공진 인덕터와, 상기 제2 공진 인덕터 및 상기 제3 공진 인덕터 사이의 접점에 접속되는 제3 공진 커패시터를 포함하는 상기 T-LCL 토폴로지를 포함하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기.
The method of claim 1,
The receiving end,
A third provided between the S-LCC topology and the rectifier circuit connected to the battery and connected to a contact point between the second and third resonant inductors connected in series, and the second and third resonant inductors. Ultra-high frequency wireless charger for charging constant current (CC)/constant voltage (CV) including the T-LCL topology including a resonant capacitor.
제3항에 있어서,
상기 수신단은,
직렬 연결된 상기 제2 공진 인덕터 및 상기 제3 공진 인덕터의 양 끝단에 연결되는 제1 공진 스위치; 및
양단이 각각 상기 제3 공진 커패시터 및 상기 수신 코일과 연결되는 출력 전압선에 접속되는 제2 공진 스위치를 포함하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기.
The method of claim 3,
The receiving end,
A first resonant switch connected to both ends of the second resonant inductor and the third resonant inductor connected in series; And
An ultra-high frequency wireless charger for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) including a second resonance switch having both ends connected to the third resonance capacitor and an output voltage line connected to the receiving coil.
제1항에 있어서,
상기 수신단은,
상기 수신 코일과 연결되는 제1 공진 커패시터와 병렬 연결된 상태로 상기 제1 공진 커패시터에 연결되는 제2 공진 커패시터 및 제1 공진 인덕터를 포함하는 상기 S-LCC 토폴로지를 포함하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기.
The method of claim 1,
The receiving end,
Constant current (CC)/constant voltage including the S-LCC topology including a second resonant capacitor and a first resonant inductor connected to the first resonant capacitor in parallel with the first resonant capacitor connected to the receiving coil ( CV) Ultra-high frequency wireless charger for charging.
제1항에 있어서,
상기 송신단은,
상기 입력 전원의 양단에 연결되는 브릿지에 마련되며, GaN MOSFET 스위치로 구현되는 제1 스위치 및 제2 스위치;
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 턴온 또는 턴오프 동작을 제어하는 Class D 앰프;
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이의 접점에 연결되며, ZVS 인덕터 및 ZVS 커패시터를 포함하여 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치에 부가된 기생 커패시터를 방전시키기 위한 음의 전류를 발생시키는 ZVS 탱크; 및
상기 ZVS 탱크 및 상기 송신 코일 사이에 마련되며, 상기 S-LCC 토폴로지 또는 상기 T-LCL 토폴로지와 공진 탱크를 구성하는 송신 커패시터를 포함하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기.
The method of claim 1,
The transmitting end,
A first switch and a second switch provided on a bridge connected to both ends of the input power and implemented as GaN MOSFET switches;
A Class D amplifier controlling a turn-on or turn-off operation of the first switch and the second switch;
A ZVS tank connected to a contact point between the first switch and the second switch and generating a negative current for discharging the parasitic capacitor added to the first switch and the second switch including a ZVS inductor and a ZVS capacitor ; And
An ultra-high frequency wireless charger for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) provided between the ZVS tank and the transmission coil and comprising a transmission capacitor constituting the S-LCC topology or the T-LCL topology and the resonance tank.
제6항에 있어서,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는,
상기 ZVS 탱크에 의해 영전압 스위칭 조건 하에서 스위칭 제어되는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기.
The method of claim 6,
The first switch and the second switch,
An ultra-high frequency wireless charger for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) controlled by switching under a zero voltage switching condition by the ZVS tank.
송신단 및 수신단 간의 유도 전력 전달(IPT: Inductive Power Transfer)을 통해 상기 수신단에 마련되는 배터리를 충전시키는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기의 제어 방법에 있어서,
상기 수신단에 형성되는 공진 탱크를 직렬 연결된 S-LCC 토폴로지 및 T-LCL 토폴로지로 구성하여 정전류(CC) 충전 모드로 제어하는 단계;
상기 배터리의 양단 전압을 센싱하는 단계; 및
상기 배터리의 양단 전압이 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 상기 수신단에 형성되는 공진 탱크를 S-LCC 토폴로지로 구성하여 정전압(CV) 충전 모드로 제어하는 단계를 포함하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기의 제어방법.
In the method of controlling an ultra-high frequency wireless charger for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) charging a battery provided in the receiving end through inductive power transfer (IPT) between a transmitting end and a receiving end,
Configuring a resonant tank formed at the receiving end in a series-connected S-LCC topology and a T-LCL topology to control in a constant current (CC) charging mode;
Sensing a voltage across the battery; And
When the voltage at both ends of the battery reaches the maximum charging voltage, a constant current (CC)/constant voltage (CV) comprising the step of controlling a resonant tank formed at the receiving end in an S-LCC topology to a constant voltage (CV) charging mode. ) How to control ultra-high frequency wireless charger for charging.
제8항에 있어서,
상기 수신단에 형성되는 공진 탱크를 직렬 연결된 S-LCC 토폴로지 및 T-LCL 토폴로지로 구성하여 정전류(CC) 충전 모드로 제어하는 단계는,
상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 배터리와 연결되는 정류 회로를 연결하는 제1 공진 스위치를 턴오프 제어하는 단계; 및
양단이 각각 상기 T-LCL 토폴로지 및 상기 송신단으로부터 유도 전력을 전달 받는 수신 코일과 연결되는 출력 전압선에 접속되는 제2 공진 스위치를 턴온 제어하는 단계를 포함하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기의 제어방법.
The method of claim 8,
The step of configuring a resonance tank formed at the receiving end in a series-connected S-LCC topology and a T-LCL topology to control in a constant current (CC) charging mode,
Turning-off control of a first resonant switch connecting the S-LCC topology and a rectifier circuit connected to the battery; And
Constant current (CC)/constant voltage (CV) charging comprising the step of turning on a second resonant switch connected to an output voltage line connected to a receiving coil and a receiving coil that receives induction power from the T-LCL topology and the transmitting end, respectively. How to control ultra-high frequency wireless charger for use.
제9항에 있어서,
상기 배터리의 양단 전압이 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 상기 수신단에 형성되는 공진 탱크를 S-LCC 토폴로지로 구성하여 정전압(CV) 충전 모드로 제어하는 단계는,
상기 제1 공진 스위치를 턴온 제어하는 단계; 및
상기 제2 공진 스위치를 턴오프 제어하는 단계를 포함하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기의 제어방법.
The method of claim 9,
When the voltage at both ends of the battery reaches the maximum charging voltage, the step of configuring a resonance tank formed at the receiving end in an S-LCC topology to control the constant voltage (CV) charging mode,
Turning on the first resonance switch; And
Control method of an ultra-high frequency wireless charger for charging a constant current (CC)/constant voltage (CV) comprising the step of controlling the turn-off of the second resonance switch.
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