KR102209812B1 - 무선 전력 전송 장치 - Google Patents

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Abstract

무선 전력 전송 장치에 있어서, 2차 코일 측에 공진 회로를 구성하고, 공진 회로에 흐르는 공진 전류의 위상 정보를 검출하고, 이 위상 정보에 기초하여 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 전압 위상 보다 약간 지연하도록 구동 주파수를 정하여 1차 코일을 구동한다. 또한 2차 코일의 누설 인덕턴스와 공진 콘덴서의 캐패시턴스와 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2(k는 결합 계수)으로 정한 값 이상의 값으로 설정한다.

Description

무선 전력 전송 장치{WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM}
본 발명은 무선 전력 전송 장치에 관한 것으로, 특히 고주파 전원에 접속된 1차 코일과 부하에 접속된 2차 코일이 결합 계수 k로 이격되어 배치되어, 1차 코일로부터 2차 코일에 비접촉으로 전력이 공급되는 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.
최근, 자계 공진(자기 공명) 방식의 무선 전력 전송(비접촉 급전)이 제시되어 주장된 이래, 그 응용이 급속히 확산되고 있다. 특히, 1차 코일과 2차 코일 간의 결합 계수 k가 작고, 게다가 그 결합 계수 k도 큰 폭으로 변화하는 경우에 있어서 코일 간의 전력 전달에 관해서는 큰 관심이 집중되고 있다.
도 24는 종래의 자계 공진 방식의 무선 전력 전송 장치의 구성을 나타내는 블록도이며, 도 25는 그 등가 회로도를 나타내고 있다.
무선 전력 전송 장치(200)는 1차 측 회로(Source Electronics)(210)와 2차 측 회로(Device Electronics)(230)로 구성되어 있다.
1차 측 회로(210)는, 교류(AC) 전원(AC Mains)(211)으로부터 공급되는 교류를 직류로 변환하는 AC/DC 변환 회로(213)와, 이 직류(DC)를 소정의 고주파(RF)로 변환하여 증폭하고 출력하는 고주파 구동 회로(215)와, 이 고주파가 구동 전력으로서 공급되는 1차 측 공진기(Source Resonator)(219)와, 이 1차 측 공진기(219)와의 사이에서 임피던스 정합을 행하는 임피던스 정합 회로(Impedance Matching Networks)(217)로 구성되어 있다.
2차 측 회로(230)는, 2차 측 공진기(Device Resonator)(231)와, 임피던스 정합 회로(IMN)(233)와, 고주파(RF)를 직류로 변환하여 정류하고 출력하는 RF/DC 정류 회로(RF/DC Rectifier)(235)와, 정류된 직류 전력이 공급되는 부하(Load)(237)로 구성되어 있다.
1차 측 공진기(219)는 1차 코일과 1차 공진 콘덴서로 구성되며, 2차 측 공진기(231)는 2차 코일과 2차 공진 콘덴서로 구성된다.
자계 공진 방식의 무선 전력 전송에 있어서는, 1차 측 공진기(219)와 2차 측 공진기(231)의 공진 주파수를 맞추어 양측의 공진기 끼리를 공명시킴으로써, 거리가 떨어진 코일 간에 있어서도 고효율적인 전력 전송이 실현되는 것으로 알려져 있다.
또한, 자계 공진 방식으로는 임피던스 정합 회로(IMN)(217 및 233)를 이용하여 각각 임피던스 조건을 정합 시킴으로써 각각의 공진기(219 및 231)를 제어하는 것으로 알려져 있다.
도 25에 나타낸 등가 회로도에 있어서, 1차 측 회로(210)의 Vg, Rg, Cs, Ls, Rs는 각각 고주파 구동 전압, 고주파 구동 회로의 등가 저항, 공진 콘덴서의 캐패시턴스, 1차 코일의 자기 인덕턴스, 1차 코일의 등가 저항을 나타내며, 2차 측 회로의 RL, Cd, Ld, Rd는 각각 부하의 등가 저항, 공진 콘덴서의 캐패시턴스, 2차 코일의 자기 인덕턴스, 2차 코일의 등가 저항을 나타내고 있다. 또한, M은 1차 코일과 2차 코일 간의 상호 인덕턴스를 나타내고 있다.
여기에서 자계 공진 방식에 있어서는, 도 24에 나타낸 1차 측 공진기(219)를 구비하는 것이 필수이며, 이것이 자계 공진 방식의 가장 큰 특징으로 되어 있다. 이 때문에, 도 25에 나타낸 바와 같이 1차 공진 콘덴서(Cs)가 필수 구성 요소로 된다.
무선 전력 전송을 원리적으로 고찰하면, 1차 코일과 2차 코일로 구성된 누설 자속 트랜스의 결합 계수 k가 변화하고, 더욱이 부하도 동시에 변화하는 것이라고 할 수 있다. 또한 무선 전력 전송은 그것을 구성하는 전자 회로에 착안하면 변화하는 자기 파라미터가 많고, 이 때문에 고효율과 안정성, 신뢰성 등을 동시에 실현하는 것이 매우 곤란하다고 할 수 있다. 게다가, 최근의 EMC(Electro-Magnetic Compatibility) 규제 하에서는 잡음 전력(잡음 전계 강도)을 줄이기 위한 소프트 스위칭 방식인 ZVS(Zero Voltage Switching) 기술도 도입할 필요성도 있다.
이 때문에 전력 제어의 관점에서, 구동 회로의 구성 요소 파라미터의 최적 값을 구하겠다 생각해도, 각각의 파라미터 값은 반드시 협조하지 않고, 트레이드 오프의 관계로 되어 서로 경합하는 것도 많으므로, 각 파라미터의 최적 값의 동시 실현이 현저하게 곤란하다.
그래서, 종래의 무선 전력 전송에서는, 어느 하나의 파라미터를 희생함으로써 전력 제어를 실현하고 있다. 또한, 무선 전력 전송에 있어서 전송되는 전력의 크기에 관해서는 현재 실용적인 값이 얻어지고 있지만, 구동하는 1차 코일에서의 발열이 큰 것이 문제로 되어 있다. 이 발열은 대부분이 동손(銅損)에 의한 것이며, 이 동손의 극복이 과제로 되어 있다.
무선 전력 전송에 있어서는, 1차 측과 2차 측 양쪽에 공진 회로를 가지게 한 경우 1차 측의 공진 주파수는 코일 간의 거리에 관계없이 일정하지만, 2차 측의 공진 주파수는 코일 간의 거리가 변하고, 결합 계수가 변화한 경우에 공진 주파수도 변한다. 이를 식으로 표현하면, 2차 코일의 인덕턴스를 L2라 하고, 공진 콘덴서를 Cp라 하고, 결합 계수를 k라 하면,
[수 1]
Figure 112016111074959-pct00001
로 된다.
이 때문에, 종래의 자계 공진 방식에서는, 코일 간의 거리가 미리 정해진 거리의 경우에만 1차 측과 2차 측의 공진 주파수가 일치하고, 그 이외의 코일 간의 거리에서는 공진 주파수가 불일치하게 된다.
따라서, 1차 코일과 2차 코일이 정해진 위치 관계에 있는 경우에는 실용상 충분한 효율을 얻을 수 있지만, 코일 간 거리가 미리 결정된 일정한 거리 관계로부터 멀어지거나, 1차 코일과 2차 코일의 중심축이 어긋나거나 하면, 1차 코일에서 본 역률이 급격히 악화된다. 이 경우, 전력 전송은 가능하지만 효율이 나쁘고, 한층 발열이 증가한다는 문제가 있다.
게다가, 1차 코일을 구동하는 스위칭 소자의 ZVS 동작을 확보하기 위해서는, 1차 코일과 2차 코일의 위상 관계는 특정한 범위 내에 있어야만 하므로, 매우 한정된 조건으로만 밖에 ZVS 동작으로는 되지 않는다는 문제도 있다.
그래서 종래의 무선 전력 전송에서는 항상 ZVS 동작을 확보하기 위하여, 부하의 상태를 보면서 일정한 프로그램에 따라 구동 주파수를 가변하는 등의 대처를 행하고 있다.
일본 공개특허공보 제2002-272134호 일본 공개특허공보 소63-73837호 일본 공개특허공보 제2011-97671호 일본 등록특허공보 제4921466호 일본 등록특허공보 제5190108호
본 발명은 종래의 자계 공진 방식에 따른 상술한 다양한 과제의 일부를 해결하는 것을 목적으로 한다.
특히, 코일 간의 거리가 변화하거나, 1차 코일과 2차 코일의 중심축이 어긋나는 등의 조건 변화에 있어서도, 1차 코일의 구동 수단 측과 1차 코일의 양측에서 본 역률을 동시에 양호한 관계로 유지하고, 효율적인 전력 전송을 실현 가능한 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 효율적인 전력 전송을 행하는데 최적의 구동 주파수를 자동적으로 얻음으로써, 간단한 회로로 동손과 스위칭 손실을 함께 줄여 견고성이 높고 고효율적인 구동을 행하는 무선 전력 전송 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1의 형태에서는, 고주파 전원에 접속된 1차 코일과 부하에 접속된 2차 코일을 결합 계수 k로 이격하여 배치하고, 상기 1차 코일로부터 상기 2차 코일에 비접촉으로 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 콘덴서에 흐르는 공진 전류의 위상 정보를 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단과, 검출된 상기 위상 정보를 위상 지연 없이 전달하는 위상 정보 전달 수단과, 상기 위상 정보에 기초하여 상기 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 상기 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 약간 지연하도록 구동 주파수를 정하여 상기 1차 코일을 구동하는 구동 회로를 마련하고, 상기 2차 코일의 누설 인덕턴스와 상기 공진 콘덴서의 캐패시턴스와 상기 2차 코일 측의 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2으로 정한 값 이상의 값으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2의 형태에서는, 고주파 전원에 접속된 1차 코일과 부하에 접속된 2차 코일을 결합 계수 k로 이격하여 배치하고, 상기 1차 코일로부터 상기 2차 코일에 비접촉으로 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고, 상기 2차 코일에 흐르는 공진 전류의 위상 정보를 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단과, 검출된 상기 위상 정보를 위상 지연 없이 전달하는 위상 정보 전달 수단과, 상기 위상 정보에 기초하여 상기 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 상기 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 약간 지연하도록 구동 주파수를 정하여 상기 1차 코일을 구동하는 구동 회로를 마련하고, 상기 2차 코일의 누설 인덕턴스와 상기 공진 콘덴서의 캐패시턴스와 상기 2차 코일 측의 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2으로 정한 값 이상의 값으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제3의 형태에서는, 고주파 전원에 접속된 1차 코일과 부하에 접속된 2차 코일을 결합 계수 k로 이격하여 배치하고, 상기 1차 코일로부터 상기 2차 코일에 비접촉으로 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 회로에 흐르는 공진 전류의 위상 정보를 상기 1차 코일로부터 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단과, 검출된 상기 위상 정보를 위상 지연 없이 전달하는 위상 정보 전달 수단과, 상기 위상 정보에 기초하여 상기 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 상기 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 약간 지연하도록 구동 주파수를 정하여 상기 1차 코일을 구동하는 구동 회로를 마련하고, 상기 2차 코일의 누설 인덕턴스와 상기 공진 콘덴서의 캐패시턴스와 상기 2차 코일 측의 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2으로 정한 값 이상의 값으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제4의 형태에서는, 고주파 전원에 접속된 1차 코일과 부하에 접속된 2차 코일을 결합 계수 k로 이격하여 배치하고, 상기 1차 코일로부터 상기 2차 코일에 비접촉으로 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 콘덴서에 흐르는 공진 전류의 파형, 상기 2차 코일에 흐르는 공진 전류의 파형, 또는 상기 1차 코일에 흐르는 공진 전류의 파형 중 어느 하나의 파형과, 상기 어느 하나의 파형을 반전하여 적분한 파형을 중첩 합성하여 얻은 파형을 바탕으로 공진 전류의 위상 정보를 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단과, 검출된 상기 위상 정보를 위상 지연 없이 전달하는 위상 정보 전달 수단과, 상기 위상 정보에 기초하여 상기 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 상기 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 약간 지연하도록 구동 주파수를 정하여 상기 1차 코일을 구동하는 구동 회로를 마련하고, 상기 2차 코일의 누설 인덕턴스와 상기 공진 콘덴서의 캐패시턴스와 상기 2차 코일 측의 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2으로 정한 값 이상의 값으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제5의 형태에서는, 제1 내지 제4 중 어느 하나의 형태에 있어서, 상기 공진 전류의 파형에 포함된 왜곡을 제거하여, 기본파만을 추출하는 필터를 구비하고 있다.
본 발명의 제6의 형태에서는, 제1 내지 제5 중 어느 하나의 형태에 있어서, 상기 구동 회로는 상기 1차 코일을 구동하는 스위칭 수단을 포함하고, 상기 스위칭 수단은 ON-OFF의 듀티 비를 가변하여, 상기 위상 정보에 기초하여 상기 스위칭 수단을 ON으로 하고, 일정 시간 후에 스위칭 수단을 OFF로 함으로써 전력 제어를 행하도록 하고 있다.
본 발명의 제7의 형태에서는, 제1 또는 제4의 형태에 있어서, 상기 공진 전류 위상 검출 수단은, 상기 공진 콘덴서에 병렬 접속된 소용량 콘덴서에 흐르는 전류로부터 상기 위상 정보를 검출하도록 하고 있다.
본 발명의 제8의 형태에서는, 고주파 전원에 접속된 1차 코일과, 부하에 접속된 2차 코일과, 상기 2차 코일과 근접하거나 또는 상기 2차 코일을 오토 트랜스로서 포함하여 상기 2차 코일에 유도되는 전압에 대하여 강압하는 관계로 권회된 제3의 코일을 구비하고, 상기 1차 코일과 상기 2차 코일을 결합 계수 k로 이격하여 배치하고, 상기 1차 코일로부터 상기 2차 코일을 통해 제3의 코일에 비접촉으로 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 콘덴서에 흐르는 공진 전류의 위상 정보를 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단과, 검출된 상기 위상 정보를 위상 지연 없이 전달하는 위상 정보 전달 수단과, 상기 위상 정보에 기초하여 상기 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 상기 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 약간 지연하도록 구동 주파수를 정하여 상기 1차 코일을 구동하는 구동 회로를 마련하고, 상기 2차 코일의 누설 인덕턴스와 상기 공진 콘덴서의 캐패시턴스와 상기 2차 코일 측의 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2으로 정한 값 이상의 값으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제9의 형태에서는, 고주파 전원에 접속된 1차 코일과, 부하에 접속된 2차 코일과, 상기 2차 코일과 근접하거나 또는 상기 2차 코일은 오토 트랜스이며, 상기 2차 코일에 유도되는 전압에 대하여 강압하는 관계로 권회된 제3의 코일이 상기 오토 트랜스에 포함된 관계로 있고, 상기 1차 코일과 상기 2차 코일을 결합 계수 k로 이격하여 배치하고, 상기 1차 코일로부터 상기 2차 코일에 비접촉으로 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고, 상기 2차 코일에 흐르는 공진 전류의 위상 정보를 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단과, 검출된 상기 위상 정보를 위상 지연 없이 전달하는 위상 정보 전달 수단과, 상기 위상 정보에 기초하여 상기 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 상기 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 약간 지연하도록 구동 주파수를 정하여 상기 1차 코일을 구동하는 구동 회로를 마련하고, 상기 2차 코일의 누설 인덕턴스와 상기 공진 콘덴서의 캐패시턴스와 상기 2차 코일 측의 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2으로 정한 값 이상의 값으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제10의 형태에서는, 고주파 전원에 접속된 1차 코일과, 부하에 접속된 2차 코일과, 상기 2차 코일과 근접하거나 또는 상기 2차 코일은 오토 트랜스이며, 상기 2차 코일에 유도되는 전압에 대하여 강압하는 관계로 권회된 제3의 코일이 상기 오토 트랜스에 포함된 관계로 있고, 상기 1차 코일과 상기 2차 코일을 결합 계수 k로 이격하여 배치하고, 상기 1차 코일로부터 상기 2차 코일에 비접촉으로 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 회로에 흐르는 공진 전류의 위상 정보를 상기 1차 코일로부터 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단과, 검출된 상기 위상 정보를 위상 지연 없이 전달하는 위상 정보 전달 수단과, 상기 위상 정보에 기초하여 상기 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 상기 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 약간 지연하도록 구동 주파수를 정하여 상기 1차 코일을 구동하는 구동 회로를 마련하고, 상기 2차 코일의 누설 인덕턴스와 상기 공진 콘덴서의 캐패시턴스와 상기 2차 코일 측의 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2으로 정한 값 이상의 값으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제11의 형태에서는, 고주파 전원에 접속된 1차 코일과, 부하에 접속된 2차 코일과, 상기 2차 코일과 근접하거나 또는 상기 2차 코일은 오토 트랜스이며, 상기 2차 코일에 유도되는 전압에 대하여 강압하는 관계로 권회된 제3의 코일이 상기 오토 트랜스에 포함된 관계로 있고, 상기 1차 코일과 상기 2차 코일을 결합 계수 k로 이격하여 배치하고, 상기 1차 코일로부터 상기 2차 코일에 비접촉으로 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 있어서, 상기 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 콘덴서에 흐르는 공진 전류의 파형, 상기 2차 코일에 흐르는 공진 전류의 파형, 또는 상기 1차 코일에 흐르는 공진 전류의 파형 중 어느 하나의 파형과, 상기 어느 하나의 파형을 반전하여 적분한 파형을 중첩 합성하여 얻은 파형을 바탕으로 공진 전류의 위상 정보를 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단과, 검출된 상기 위상 정보를 위상 지연 없이 전달하는 위상 정보 전달 수단과, 상기 위상 정보에 기초하여 상기 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 상기 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 약간 지연하도록 구동 주파수를 정하여 상기 1차 코일을 구동하는 구동 회로를 마련하고, 상기 2차 코일의 누설 인덕턴스와 상기 공진 콘덴서와 상기 2차 코일 측의 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2으로 정한 값 이상의 값으로 설정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제12의 형태에서는, 제8 내지 제11 중 어느 하나의 형태에 있어서, 상기 공진 전류의 파형에 포함된 왜곡을 제거하여, 기본파만을 추출하는 필터를 구비하고 있다.
본 발명의 제13의 형태에서는, 제8 내지 제12 중 어느 하나의 형태에 있어서, 상기 구동 회로는 상기 1차 코일을 구동하는 스위칭 수단을 포함하고, 상기 스위칭 수단은 ON-OFF의 듀티 비를 가변하여, 상기 위상 정보에 기초하여 상기 스위칭 수단을 ON으로 하고, 일정 시간 후에 스위칭 수단을 OFF로 함으로써 전력 제어를 행하도록 하고 있다.
본 발명의 제14의 형태에서는, 제8 또는 제11의 형태에 있어서, 상기 공진 전류 위상 검출 수단은, 상기 공진 콘덴서에 병렬 접속된 소용량 콘덴서에 흐르는 전류로부터 상기 위상 정보를 검출하도록 하고 있다.
본 발명에서는 1차 코일에는 공진 회로를 마련하지 않는 것이 더 나은 결과를 얻을 수 있다. 2차 코일에만 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 마련한 경우, 1차 코일에는 공진 전류가 흐르지 않으므로 1차 코일에서의 발열이 억제된다. 가변 콘덴서 등의 기술을 병용하는 등, 1차 측 공진을 이용하는 것은 임의이다.
또한, 1차 코일의 공진 주파수에 얽매이지 않기 때문에, 1차 코일의 측에서 본 역률의 가장 좋은 주파수를 구동 주파수로서 자동적으로 선택 가능하므로 견고성이 크게 향상된다.
게다가, 본 발명에서는 항상 ZVS 동작이 유지되기 때문에, 구동 회로로서 하프 브릿지의 회로 구성이 채용 가능하여, 종래의 무선 전력 전송 장치에 비교하여 간단한 회로 구성으로 장치를 실현하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에 관한 무선 전력 전송 장치의 요부의 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명에 사용되는 스위칭 수단의 일 예를 나타내는 회로도.
도 3은 본 발명의 공진 전류 위상 검출 수단을 포함한 검출부의 구성을 나타내는 도.
도 4는 본 발명의 공진 전류 위상 검출 수단의 다른 예를 나타내는 도.
도 5는 본 발명의 공진 전류 위상 검출 수단의 또 다른 예를 나타내는 도.
도 6은 공진 전류 위상 파형에 포함된 왜곡에 의해 위상 정보가 어긋나는 것을 설명하는 도.
도 7은 공진 전류 위상 파형으로부터 고조파 왜곡을 제거하는 것을 나타내는 개념도.
도 8은 공진 전류 위상 정보에 위상 지연이 발생한 경우의 각종 파형의 변화를 나타내는 개념도.
도 9는 공진 전류 위상 정보의 위상 지연이 작은 경우에 ZVS 동작이 행해지고 있는 스위칭 수단에 흐르는 전류의 파형을 나타내는 도.
도 10은 공진 전류 위상 정보의 위상 지연이 큰 경우에 ZVS 동작이 행해지고 있지 않는 스위칭 수단에 흐르는 전류의 파형을 나타내는 도.
도 11은 공진 전류 위상 정보의 위상을 보정하는 회로의 일 예를 나타내는 도.
도 12는 위상 정보의 보정을 설명하는 도.
도 13은 위상 보정을 행하는 경우의 구체적인 회로도.
도 14는 위상 보정을 행하는 경우의 다른 구체적인 회로도.
도 15는 위상 보정을 행하는 경우의 또 다른 구체적인 회로도.
도 16은 공진 콘덴서의 전류 위상과 1차 코일의 전류 위상의 관계를 설명하는 도.
도 17은 역률 1을 얻기 위해 필요한 최소한 Q값을 구한 도.
도 18은 최소한 필요한 Q값이 k의 저하와 함께 k2Q=2에 점근(漸近)하고 있는 것의 설명도.
도 19는 Q=2/k2으로 한 경우에 1차 코일의 전류 위상 곡선이 0deg.를 가로 지르는 것을 나타내는 도.
도 20은 본 발명에 따른 전력 제어의 일 예를 설명하는 도.
도 21은 본 발명에 따른 전력 제어의 다른 예를 설명하는 도.
도 22는 본 발명의 전력 제어를 행한 경우의 1차 코일의 전류 위상과의 관계를 설명하는 도.
도 23은 Qi 규격과의 호환성을 유지하면서 효율 개선을 행하는 것이 가능한 회로의 일 예를 나타내는 도.
도 24는 종래의 자계 공진 방식의 무선 전력 전송 장치의 구성을 나타내는 블록도.
도 25는 종래의 자계 공진 방식의 무선 전력 전송 장치의 등가 회로도.
이하, 본 발명에 관한 무선 전력 전송 장치의 실시 형태에 대하여, 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 관한 무선 전력 전송 장치(100)의 일 실시예의 요부 구성을 나타내는 블록도이다.
1차 측은, 1차 코일(Primary coil)(110)과 콘덴서(Cc)를 통해 접속된 구동 회로(120)로 구성되어 있으며, 구동 회로(120)는 구동 수단(Driving means)(122)과 스위칭 수단(Switching means)(124)으로 구성되어 있다. 또한 스위칭 수단(124)은 트랜지스터 소자(Q1~Q4)로 구성된 브릿지 회로로 구성되어 있다.
2차 측은, 1차 코일(110)에 결합 계수 k로 이격하여 배치된 2차 코일(Secondary coil)(140)과, 이 2차 코일(140)에 결합하여 공진 회로를 구성하는 공진 콘덴서(Cp)(150)와, 이 공진 콘덴서(Cp)(150)에 흐르는 공진 전류의 위상 정보를 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단(Resonance current phase detection means)(160)으로 구성되어 있다. 본 발명은 공진 전류 위상 검출 수단(160)에 의해 검출된 위상 정보를 위상 지연 없이 구동 회로(120)에 전달하는 위상 정보 전달 수단(170)을 구비하고 있으며, 구동 회로(120)는 이 위상 정보에 기초하여 구동 주파수를 정하여 1차 코일(110)을 구동한다. 위상 정보 전달 수단(170)은 위상 정보 송신 수단(Phase information Transmitter)(172)과 위상 정보 수신 수단(Phase information Receiver)(174)으로 구성된다.
또한, 2차 측은 도시하지 않은 부하에 접속된다.
본 발명에 있어서는, 공진 회로는 2차 코일(140)에 공진 콘덴서(Cp)(150)를 결합하여 구성된 공진 회로만을 본질적으로 하고, 1차 코일(110)에 직렬 공진 콘덴서는 마련하지 않아도 충분히 효율적인 전력전송을 할 수 있다는 것이다.
도 1에 나타낸 콘덴서(Cc)는 단순히 직류를 차단하는 목적으로 마련되어 있는 것이며, 공진 콘덴서로 마련되어 있는 것은 아니다.
보다 상세하게는, 본 발명에 대한 개량수단으로서 1차 측 공진을 마련할 수도 있지만, 그것은 본 발명에 있어서 임의이며 본질은 아니다.
또한, 스위칭 수단(124)의 구동 타이밍을 정밀하게 제어 가능하고, 각 트랜지스터 소자(Q1~Q4)에 흐르는 전류의 밸런스를 유지하는 것이 가능하다면 콘덴서(Cc)를 생략하는 것도 가능하다.
본 발명에서는, 2차 코일(140)과 병렬 또는 직렬로 접속되는 공진 콘덴서(Cp)(150)로 구성된 공진 회로에 흐르는 공진 전류의 위상 정보를 공진 전류 위상 검출 수단(160)에 의해 검출하고, 그 위상 정보를 2차 측에 있는 위상 정보 송신 수단(172)으로부터 1차 측에 있는 위상 정보 수신 수단(174)으로 보내고, 그 위상 정보에 기초하여 구동 수단(122)의 구동 타이밍을 결정한다.
본 발명에서는 1차 측에 공진 회로를 마련하지 않은 구성으로 되어 있기 때문에, 1차 코일(110)의 권회수는 종래의 1차 측 공진 회로를 필요로 하는 자계 공진 방식에 비해 권회수가 달라진다.
또한, 위상 정보 전달 수단(170)은 공진 전류 위상 검출 수단(160)에 의해 검출된 위상 정보를 "위상 지연 없이" 전달하는 것이지만, 모든 검출 수단이나 전달 수단에는 필연적으로 위상 지연이 존재하는 것이기 때문에, 여기에서 "위상 지연 없이"란 위상 지연을 가능한 한 작게 한다는 의미이며, 목적으로서 1차 측 구동 수단과 2차 측이 절대 시간을 공유할 수 있으면 좋다.
다음으로, 도 1의 블록도에 나타난 각 구성 요소에 대해서 설명한다.
구동 수단(122)은, 위상 정보 전달 수단(170)으로부터 전달된 위상 정보에 기초하여, 1차 코일(110)에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 1차 코일(110)에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 약간 지연하도록 구동 주파수를 정하여, 스위칭 수단(124)을 구동한다. 그 상세한 동작에 대해서는 후술한다.
스위칭 수단(124)은 2개 또는 4개의 트랜지스터 등의 스위칭 소자(Q1~Q4)로 구성되어 직류 차단 콘덴서(Cc)를 통해 1차 코일(110)을 구동한다.
도 2는 스위칭 수단(124)의 일 예를 나타내는 회로도로, A는 풀 브릿지 회로를, B는 하프 브릿지 회로를 나타내고 있다. 본 발명에서는, 스위칭 수단(124)은 풀 브릿지 회로로 구성하여도 하프 브릿지 회로로 구성하여도 좋다.
종래의 무선 전력 전송에 있어서는, 스위칭 수단(124) 측에서 본 1차 코일(110)에 인가되는 구동 전압과 1차 코일(110)에 흐르는 구동 전류의 위상 관계는 구동 주파수에 의해 크게 변화하기 때문에, 다양한 조건 하에서 ZVS를 유지하고, 하드 스위칭을 방지하는 것이 곤란했었다. 그래서, 하드 스위칭이 일어나도 이상 전압이 발생하기 어렵다는 이유로 풀 브릿지 회로가 바람직하게 채용되고 있었다.
본 발명에서는, 종래였다면 하드 스위칭이 일어나기 어려웠다 할 수 있는 하프 브릿지 회로를 안심하고 채용하는 것이 가능하다. 왜냐하면, 본 발명에 있어서는 다양한 조건 하에서 ZVS를 유지하는 것이 가능하기 때문이다. 상세에 대해서는 후술한다. 무엇보다, 풀 브릿지 회로는 전원의 이용 효율이 높다는 장점이 있을 뿐이지, 본 발명에 있어서 필수 조건은 아니므로, 이하에서는 스위칭 수단(124)으로 풀 브릿지 회로를 사용한 경우를 이용하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 공진 전류 위상 검출 수단(160)을 포함한 검출부의 구성을 나타내는 도이다.
2차 코일(140)에는 공진 콘덴서(Cp)(150)와 소용량의 콘덴서(Cps)(155)가 병렬 접속되어 있다.
공진 전류 검출 수단(160)은 도 1에 도시한 바와 같이 직접 공진 콘덴서(Cp)(150)에 흐르는 전류의 위상 정보를 검출하는 것이어도 좋고, 도 3에 도시한 바와 같이 병렬로 접속된 소용량 콘덴서(Cps)(155)에 흐르는 전류의 위상 정보를 검출하는 것(160a)이어도 좋다. 왜냐하면, 공진 콘덴서(Cp)(150)에 걸리는 전압도 이와 병렬로 접속된 소용량 콘덴서(Cps)(155)에 걸리는 전압도 동일하기 때문에, 각각의 콘덴서에 흐르는 전류의 위상 정보도 같기 때문이다. 많은 경우, 공진 콘덴서(Cp)(150)에 흐르는 전류는 매우 크므로, 이 전류를 직접 검출하고자 하면 공진 전류 검출 수단(160)은 대용량의 부품으로 구성하지 않으면 안되지만, 소용량 콘덴서(Cps)에 흐르는 전류를 검출하는 것이면, 소용량의 부품으로 구성하는 것이 가능하다.
공진 전류 위상 검출 수단(160)에 의해 검출된 공진 전류의 위상 정보는 공진 전류 위상 전달 수단(170)에 의해 1차 측의 구동 회로(120)로 전달된다.
공진 전류 위상 전달 수단(170)의 구성은 다양한 것이 고려되지만, LED와 포토 트랜지스터를 이용한 광적인 결합 이어도 좋고, 위상 정보를 디지털화한 신호로 자기 회로를 변조하여 전달하도록 하여도 좋고, 고주파 캐리어의 전자파를 사용한 무선적 수단으로도 좋다. 그러나, 수광부로서 포토 트랜지스터를 이용한 경우는 축적 전하에 의한 지연이 크고, 포토 트랜지스터를 포화시켜서 이용하는 수단은 바람직하지 않다. 따라서, 포토 트랜스지스터는 비포화 동작이 바람직하고, 게다가 미러 효과를 억제하기 위한 정전압적 작동이 더욱 바람직하다. 또한 Pin 포토 다이오드를 사용하거나, 더욱이 그것을 역 바이어스로 사용하거나 하여 고속 동작을 도모하는 등이 더 바람직하다.
또한, 공진 전류 위상 검출 수단(160)은, 도 4에 도시한 바와 같이 2차 코일(140)에 흐르는 전류를 검출하는 것(160b) 이어도 좋다. 그러나, 이 경우에는 검출된 위상 정보에 부하로 흐르는 전류의 위상 성분도 포함하여 합성되어 있다. 부하로 흐르는 전류의 위상 성분은 공진 전류 위상보다 90°지연하므로, 그 들의 벡터가 합성되어 위상 정보에는 약간의 위상 지연이 생긴다. 이 위상 정보에 기초하여 1차 코일(110)을 구동하면 ZVS 동작으로 되지 않고, 하드 스위칭이 발생하기 쉬워진다.
하드 스위칭을 발생하면, 스위칭 수단(124)의 소자(Q1~Q4)에 고주파의 기생 진동이 발생하기도 하지만, 이 경우 EMI(Electro-Magnetic Interference : 전자 방해), 특히 잡음 전력/잡음 전계 강도(복사)가 많아진다. 따라서 대책이 필요하지만 이에 대해서는 후술한다.
공진 전류 위상 검출 수단(160)은, 도 5에 도시한 바와 같이 1차 코일(110)에 흐르는 전류를 검출하는 것(160c)이어도 좋다. A는 2차 코일(140)로부터 부하(R)에 전력을 취출하는 타입, B는 2차 코일에 오토 트랜스로서 제3의 코일(190)이 포함되어 제3의 코일(190)로부터 부하(R)에 전력을 취출하는 타입, C는 2차 코일(140)에 근접하여 독립한 코일로서 마련한 제3의 코일(190)로부터 부하(R)에 전력을 취출하는 타입을 각각 나타내고 있다. 또한, 2차 측에 제3의 코일(190)를 마련한 B, C의 타입에 대한 상세는 후술한다. 이러한 경우는 많은 경우에 하드 스위칭이 발생하므로, 별도로 위상의 보정이 필요하지만, 이에 대해서는 후술한다.
또한, 공진 전류 위상 정보의 지연 원인으로 검출된 공진 전류에 왜곡이 발생하고 있는 경우가 있다. 이와 같은 왜곡은 공진 전류 위상 정보를 어긋나게 하며, 1차 코일(110)의 구동 타이밍이 부정확하게 되어, 공진 주파수의 피크를 올바르게 검출하지 못하는 결과로 된다.
도 6은 공진 전류에 3차 고주파가 포함되어 있는 경우의 예로, 이 왜곡 의해 위상 정보가 어긋나는 것을 설명하는 설명도이다. 이와 같은 경우에는, 적절한 필터 수단에 의해 기본 성분만을 취출하여 공진 전류 위상 정보로 함으로써, 위상 정보의 정확도를 높이는 것이 가능하다. 또한, 필터를 사용하지 않고 공진 전류를 디지털적으로 급수 전개하여 기본파의 위상 정보만을 이용하는 것도 가능하다.
도 7은, 공진 전류 위상 검출 수단(160)에 기본파만을 추출하는 필터(Fundamental waveform filter)(165)를 마련하여 공진 전류 위상 파형으로부터 고조파 왜곡을 제거하는 것을 나타내는 개념도이다.
다음으로, 본 발명에서 중요한 2차 측 공진 회로의 Q값의 설정에 대해서 설명한다.
무선 전력 전송은 일반적인 누설 트랜스에 의한 급전과는 크게 다르다. 누설 트랜스에 의한 급전의 경우, 1차 코일과 2차 코일 간의 결합 계수(k)는 모든 구동 조건에 있어서 거의 일정한 반면, 무선 전력 전송에 있어서는 결합 계수(k)가 크게 변화한다. 종래의 누설 트랜스에 의한 급전에 있어서는 2차 측 공진 회로의 Q값은 그리 높을 필요는 없다.
한편, 무선 전력 전송의 경우는 결합 계수(k)가 변화하므로, 결합 계수(k)가 작은 경우에는 높은 Q값이 필요하게 된다.
Q값이 낮은 경우, 사용되는 조건이 크게 변화한 경우에 있어서, 1차 코일의 역률을 양호하게 유지하는 것이 어려워지고, Q값이 높아 지나치면 역시 사용되는 조건이 크게 변화한 경우에, 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 약간 지연하도록 구동 주파수를 정하여 1차 코일을 구동하는 조건(즉 ZVS 동작 조건)을 만족하는 것이 곤란해지기 때문이다.
본 발명에 있어서는 견고성을 높이고자 하는 경우에는 높은 Q값이 필요하게 된다. 그러나, 높은 Q값으로 되면 될수록 반치폭이 매우 좁아지게 되며, 약간의 주파수 어긋남이 문제로 된다. 따라서, 공진 전류 위상 정보의 전송 수단 중에서의 위상 지연(또는 시간적 지연)을 극히 작게하지 않으면 안된다. 공진 전류 위상 정보의 전달 수단 중에서 지연이 발생하면, 다음과 같은 일이 일어난다.
도 8은 공진 전류 위상 정보에 위상 지연이 발생한 경우의 각종 파형의 변화를 나타내는 개념도이다.
a는 공진 회로의 공진 전류의 파형, b는 공진 전류 위상 검출 수단(160)에 의해 검출된 위상 정보의 파형, c는 위상 정보 수신 수단(174)으로부터 출력되는 위상 정보의 파형, d는 1차 코일(110)을 흐르는 전류의 전류 파형이다. 위상 정보 수신 수단(174)으로부터 출력되는 파형 c는 파형 b보다 지연하고 있으며, 거의 그대로 스위칭 수단(124)의 구동 파형으로 된다.
도 9는 공진 전류 위상 정보의 위상 지연이 작은 경우에 ZVS 동작이 행해지고 있는 경우의 스위칭 수단(124)에 흐르는 전류의 파형을 나타내는 도이다.
위상 정보 수신 수단(174)의 파형에 지연이 없는 경우, 또는 매우 작은 경우(c)에는 스위칭 수단(124)의 스위칭 타이밍과 비교하여 1차 코일(110)에 흐르는 전류의 타이밍이 조금만큼 빨라지게 되므로(d), 스위칭 수단(124)의 스위칭 소자(Q1, Q2)의 전류 파형(e, f)은 ZVS 동작으로 된다. 이 경우, 스위칭 수단(124)의 중심 탭 전압은 말끔한 사각형파로 된다(g).
이에 대해, 도 10은 공진 전류 위상 정보의 위상 지연이 큰 경우에 ZVS 동작이 행해지지 않는 경우의 스위칭 수단(124)에 흐르는 전류의 파형을 나타내는 도이다.
스위칭 수단(124)의 스위칭 타이밍과 비교하여 1차 코일(110)에 흐르는 전류의 타이밍이 늦어지므로(d), 스위칭 소자(Q1, Q2)의 전류 파형(e, f)은 ZVS 동작으로 되지 않고, 스위칭 수단(124)의 중심 탭 전압에는 리바운드에 의한 특유의 펄스 파형이 발생한다(g). 이 리바운드 파형이 발생하면 스위칭 소자(Q1, Q2)나 구동 수단(122)을 파괴하거나, 또는 EMI의 발생 원인으로 되기도 한다.
이상의 것으로부터, 본 발명에 있어서는 위상 정보 전달 수단(170)에 있어서 위상 지연은 최대한 줄이지 않으면 안된다. 위상 지연이 불가피한 경우에는 다음과 같은 위상 보정 수단을 이용한다.
도 11은 공진 전류 위상 정보의 위상을 보정하는 회로의 일 예를 나타내는 도이다.
공진 전류 위상 검출 수단(160) 내에, 공진 전류 파형 검출 회로(162)와, 검출된 공진 전류의 파형을 반전하여 적분 또는 적분하여 반전하는 반전 적분 회로(164)와, 공진 전류 파형 검출 회로(162)로부터의 출력과 반전 적분 회로(164)로부터의 출력을 중첩 합성하는 가산 회로(166)를 마련한다. 반전하여 적분한 파형은 원래의 공진 전류의 파형보다도 위상이 90도 진행된다. 이에 따라, 원래의 공진 전류의 파형과, 이를 반전하여 적분한 파형을 적절한 비율로 중첩 합성하여 얻은 파형을 바탕으로 공진 전류의 위상 정보를 검출하는 것으로 위상이 진행하는 방향으로 보정된 공진 전류 위상 정보를 얻는 것이 가능하다. 그리고, 이를 위상 정보 송신 수단(172)을 통해 위상 정보 수신 수단(174)으로 보낸다.
도 12A, B는 상술한 위상 정보의 보정을 설명하는 도이다.
a는 원래의 공진 전류 파형 정보이며, b는 이것을 반전 적분한 것이다. c는 a와 b를 중첩 합성한 합성 파형이다. 이에 따라 위상이 진행하는 방향으로 보정된 위상 정보 d는 원래의 공진 전류 파형 정보 a를 지연 없이 전달하는 파형으로 되어 있다.
게다가 반전 적분 회로(164)는 연산 증폭기(오프앰프)를 이용하여 구성하는 것도 가능하며, 트랜스를 이용하여 반전한 후에 콘덴서(C)와 저항(R)을 이용하여 적분하도록 구성하는 것도 가능하다.
도 13은 위상 보정을 행하는 경우의 공진 전류 위상 검출 수단(160a)의 구체적인 회로도를 나타내는 도이다.
공진 전류 파형 정보 a는 버퍼 앰프를 통해 반전 적분 회로(164)에 의해 반전 적분되며, 합성 회로(166)에 의해 합성됨으로써 위상이 진행하며, 보정이 행해진 파형 c가 얻어진다(도 12A 참조).
도 14는 공진 전류 위상 검출 수단(160b)의 다른 구체적인 회로도를 나타내는 도로, 공진 콘덴서(Cp)(150)의 양단 전압이 공진 전류 파형에 대해 적분 파형으로 되어 있는 것에 착안하여, 이를 적절 분압하고 반전하여 위상 보정을 행하도록 한 것이다.
공진 전류 파형 정보 a는 반전한 공진 콘덴서 전압과 합성 회로(166)에 의해 합성됨으로써 위상이 진행하며, 보정이 행해진 파형 c가 얻어진다(도 12B 참조).
도 15는 공진 전류 위상 검출 수단(160c)의 또 다른 구체적인 회로도를 나타내는 도이다. 이 예에서는, 1차 코일(110)로부터 전류 트랜스(167)를 통해 검출된 공진 전류 파형과 그의 반전 적분 파형을 합성하여 위상 보정을 행하도록 하고 있다. 1차 측에서 검출되는 공진 전류 위상 파형은 a이고, 반전 적분된 공진 전류 위상 파형은 b이며, 이들이 합성됨으로써 보정이 행해진 파형 c가 얻어진다.
또한, 반전하지 않고 적분으로는 아닌 미분 파형을 사용하는 것도 가능하며, 이는 본 발명에 있어 적당한 설계 사항으로서 반전 적분의 의미에 포함된다. 그러나, 미분 파형에서는 많은 경우, 고조파 성분이 강조되고 중첩되므로 적분 파형을 사용한 경우에 비해 바람직하다고는 말할 수 없다. 또한 위상의 보정 수단은 추가로, 160a, 160b, 160c 각각의 공진 전류 위상 파형 a와 그 반전 적분 파형 b를 적절히 별개로 조합시켜도 좋고, 전류 검출 수단(160a, 160b) 각각의 회로를 바꿔 넣어도 좋다.
위에서는 공진 전류 파형 정보나 공진 전류 위상 정보를 아날로그적으로 취급하는 경우를 설명하였지만, 본 발명에 있어서 위상의 전달 수단으로는 1차 측 구동 수단과 2차 측이 절대 시간을 공유하는 것이 목적이며, 본 발명에 있어서 위상 보정 수단으로는 공진 전류 위상 정보를 포함한 파형을 바탕으로 결과로하여 위상이 진행한 보정 파형을 얻을 수 있으면 좋을 것이다.
또한, 어떠한 수단으로 절대 시간의 공유가 얻어진다면, 그 절대 시간과의 차이로부터 보정된 위상 정보를 얻어 보정된 위상 파형을 얻는 것도 가능하다. 즉, 이러한 지식을 기초로 하여 디지털적으로 처리하는 것이 가능함은 물론이다.
다음으로 본 발명에서 중요한 2차 측에 구성된 공진 회로의 Q값의 설정에 대해서 설명한다.
상술한 바와 같이, 무선 전력 전송의 경우에는 결합 계수(k)가 변화하므로, 결합 계수(k)가 낮은 경우에는 공진 회로에 특히 큰 Q값이 필요하게 된다. Q값이 낮은 경우, 사용되는 조건이 크게 변화한 경우, 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 약간 지연하도록 한 조건을 만족하여 1차 코일을 구동하는 것이 곤란하게 된다.
이를 해결하기 위해서는, 구동 주파수는 고정(이른바 고정 주파수 방식 또는 분리 여자 방식이라고도 한다)은 바람직하지 않고, 2차 측의 공진 회로의 공진 콘덴서에 흐르는 공진 전류, 2차 코일에 흐르는 공진 전류, 또는 1차 코일에 반영된 공진 전류의 위상 정보에 기초하여 구동 회로를 제어하는 것이 필수적이다. 그 결과, 구동 주파수는 가변으로 할 수밖에 없다. 자계 공진 방식의 무선 전력 전송에 있어서 부하의 저항 성분에 따라서 구동 주파수를 변화시키는 것은 특허 문헌1에 기재되어 있다.
특허 문헌1에 기재되어 있는 발명에서는, 부하 저항의 검출을 행함으로써 미리 프로그램된 예측 정보 또는 계산, 및 가포화 인덕터에 의해 최적의 구동 주파수를 얻어 구동 수단을 구동하고 있다. 그러나, 이 방법으로는 1차 코일을 구동하는 구동 회로의 스위칭 수단에서 본 역률이 1에 가까워질 뿐이며 1차 코일에서 본 역률이 1에 가까워지는 것은 아니므로, 스위칭 수단의 발열은 억제되지만 1차 코일의 측에서 본 역률은 매우 나쁘고, 1차 코일이 발열하는 원인으로 된다.
본 발명에서는 1차 코일 측의 공진 회로를 제거하고, 1차 코일에서 본 역률을 1에 가깝게 하기 위한 조건을 도출하기 위하여, 2차 코일 측의 공진 회로의 Q값의 설정을 통상보다도 높게 설정한다.
도 16은 2차 코일에 결합된 공진 콘덴서의 전류 위상과 1차 코일의 전류 위상의 관계를 설명하는 도이며, 결합 계수(k)를 변화시킨 경우에 필요한 Q값을 시뮬레이션으로 구한 것이다.
a는 1차 코일의 전류 위상으로, 세로축은 위상각, 가로축은 구동 주파수이다. b는 2차 측 공진 콘덴서의 전류 위상으로 세로축은 위상각, 가로축은 구동 주파수이다. c는 전달비이며, 세로축은 전달비, 가로축은 구동 주파수이다. 전달비는 이러한 1차 코일의 권회수와 2차 코일의 권회수의 비율을 곱하면 대체로 승압비로 된다.
결합 계수(k)가 0.5인 경우, Q값을 8이상으로 함으로써, 1차 코일에 흐르는 전류 위상이 1차 코일을 구동하는 구동 회로의 구동 전압의 위상보다 약간 지연한다는 조건을 만족하는 것을 알 수 있다. 도 16의 예에서는 결합 계수(k)가 0.5인 경우, 전달비가 가장 높은 주파수는 85kHz이다. 이 주파수에 있어서 1차 코일에 흐르는 전류의 지연각 Δθ는 25deg.이하이며, cosθ, 즉 역률은 0.9 이상으로 되므로 85kHz가 최적의 구동 주파수라 하는 것이 가능하다.
이 최적의 구동 주파수에 있어서, 2차 측의 공진 콘덴서를 흐르는 공진 전류 위상은 0deg.로 되어 있다. 즉, 이 공진 전류 위상 정보를 위상 지연 없이 위상 정보 전달 수단을 통하여 구동 회로에 전달하고, 구동 회로를 구동하면 자동적으로 최적의 구동 주파수로 스위칭 수단을 구동하는 것이 가능하다. 또한, 이 스위칭 조건은 ZVS 동작이기 때문에, 스위칭 수단을 하프 브릿지 구성으로 하여도 안정된 ZVS 동작이 가능해진다.
이와 같은 본 발명에서는 공진 전류의 위상 정보에 기초하여 결정되는 구동 주파수에 있어서 구동 회로가 구동되어 자동적으로 ZVS 동작으로 된다. 그러나 무선 전력 전송에 있어서는 높은 Q값이 필요하기 때문에, 조금이라도 위상 지연(또는 시간 지연)이 있으면 ZVS 동작으로 되지 않기 때문에 위상 보정이 필요하다.
다음으로 목표로 하는 Q값의 설정에 대해서 설명한다.
공진 회로의 Q값은 2차 코일의 누설 인덕턴스(L), 공진 콘덴서의 캐패시턴스(C), 및 2차 코일 측의 등가 부하 저항(R)에 의해 다음과 같이 정해진다.
[수 2]
Figure 112016111074959-pct00002
본 발명에 있어서는 2차 코일과 공진 콘덴서의 접속으로, 직렬 접속, 병렬 접속 모두 이용하는 것이 가능하지만, 이하 병렬 접속의 예로 설명한다. 왜냐하면, 본 발명의 하나인, 2차 코일에 병렬로 공진 콘덴서를 마련한 공진은, 구동 측에서 본 경우에 직렬 공진, 부하 측에서 본 경우에 병렬 공진으로 되는 변형 된 공진 회로이기 때문이다. 이는 Serial Parallel-Loaded Resonance이거나 기타 다양한 명칭으로 불린다. 이 경우의 Q의 계산식은 병렬 공진이 적용된다. 즉, Q값을 소정의 높은 값으로 설정하기 위해서는 등가 부하 저항(R)에 비해 공진 콘덴서의 캐패시턴스(C)를 크게 하고, 2차 코일의 누설 인덕턴스(L)를 작게 한다.
또한, 본 발명에 있어서 누설 인덕턴스(LSC)의 정의는 다음 식으로 확정한다.
[수 3]
Figure 112016111074959-pct00003
여기에서 L2는 2차 코일의 인덕턴스이다.
누설 인덕턴스에 관해서는 각국의 공업회, 또는 학회에 의해,
[수 4]
Figure 112016111074959-pct00004
로 정한 Le를 누설 인덕턴스로 하고 있는 경우도 있고 다양하여, 통일되어 있지 않다.
또한 본 발명에 있어서 2차 코일과 공진 콘덴서를 결합하여 2차 측에 구성된 공진 회로는, 2차 코일에 대하여 공진 콘덴서가 병렬, 또는 직렬로 접속되어 구성되는 것 중 하나를 포함하는 것이다. 게다가, 제3의 코일로부터 부하에 접속하는 전력을 취출하는 구성에 대해서는 후술한다.
본 발명에서는 목표로 하는 2차 측의 공진 회로의 Q값을, k를 결합 계수로 하여 Q=2/k2을 만족하는 값 이상의 값으로 설정한다.
도 17은 1차 코일에서 본 역률을 얻기 위하여 필요한 최소한 필요한 Q값을 시뮬레이션에 의해 구한 도이다. 가로축은 구동 주파수이다. 세로축에서, a는 1차 코일의 스위칭 전압에 대한 1차 코일의 전류 위상, b는 2차 측의 공진 콘덴서의 공진 전류 위상, c는 전달비(전달 계수)를 각각 나타내고 있다.
도 18은 1차 코일에서 본 역률 1을 얻기 위하여 최소한 필요한 Q값이 결합 계수 k의 저하와 함께 k2·Q=2의 관계에 점근하는 것을 설명하는 도이다.
도 18로부터 알 수 있듯이, k2·Q의 값은 k가 작아지게 되면 점차 2에 점근하며, 2를 초과하는 일은 없다. 이것은 무선 전력 전송에 있어서, 1차 코일과 2차 코일의 거리가 멀어져 결합 계수 k가 충분히 작은 경우에는 1차 코일에서 본 역률 1을 얻기 위한 2차 측의 공진 회로 Q값은,
[수 5]
Figure 112016111074959-pct00005
[수식 1]
에 따른다는 것으로 된다.
여기에서, 2차 측의 공진 회로에 흐르는 공진 전류의 위상 정보를 1차 코일로부터 검출한 동작을 고려한 경우, 1차 코일의 전류 위상 곡선은 반드시 0deg.의 가로축을 가로 질러야 하고, 그 경우에 구동 주파수가 증가하는 동시에 위상은 플러스, 즉 용량성으로부터 마이너스, 즉 유도성으로 되도록 가로 질러야만 한다.
그래서 최저한의 Q값을 [수식 1]을 상회하는 Q값으로 한 경우에는, 1차 코일의 전류 위상 곡선은 반드시 0deg.의 가로축을 가로 지르는 것으로 된다. 이것을 설명한 것이 도 19이다.
도 19에 있어서 a, b, c는 각각 도 17에 대응하고 있다. 도 19에 있어서 결합 계수 k=0.7인 경우, 1차 코일의 전류 위상 곡선은 a에 나타낸 바와 같이, 구동 주파수가 증가하는 동시에 플러스, 즉 용량성으로부터 마이너스, 즉 유도성으로 되도록 0deg.의 가로축을 가로 지르고 있다.
또한 상술한 설명은 k=0.7인 경우였지만, k가 다른 값이어도 같은 형태이다. 여기에서 역률을 정확하게 1로 한 경우에는, 1차 코일의 전류 위상이 약간 빨라질 뿐이며 하드 스위칭이 일어나므로 정상의 동작점은 다소 유도성, 즉 1차 코일의 전류 위상이 조금 늦어진 점을 동작점으로 한다. 이것은 ZVS 동작 조건으로 알려져 있다.
이 경우, 위상의 지연각은 0deg~-30deg.의 범위이면 역률은 충분히 좋고, 효율은 매우 양호하다고 할 수 있다. 또한, 공진 콘덴서에 흐르는 공진 전류로부터의 위상 정보를 이용하는 경우에는, 이 위상 정보에 위상 지연 또는 시간 지연이 없으면, 이 위상 정보에 따라서 1차 측의 스위칭 수단을 구동하면 결합 계수가 작은 경우에도 높은 Q값의 상태에서 자동적으로 ZVS의 동작점에 있어서 동작한다.
다음으로 본 발명에 있어서 전력 제어에 대해서 설명한다.
일반적으로 전력 제어는 스위칭 수단의 듀티 비를 50% 보다 작아지도록 가변하여 행해진다.
도 20은 본 발명에 따른 전력 제어의 일 예를 설명하는 도이다. a는 공진 전류의 위상 정보, b는 1차 코일의 전류 파형, c, d는 스위칭 수단(Q2, Q1)을 FET나 IGBT 등으로 한 경우의 게이트 제어 전압을 나타내고 있다.
본 발명에서의 전력 제어는 공진 전류의 위상 정보에 기초하여, 1차 코일을 구동하는 구동 회로의 스위칭 수단을 ON으로 하고, 일정 시간 후에 OFF로 하는 것으로 행해진다. 이 경우, 일반적으로 걱정되는 것이 하드 스위칭이지만, 본 발명에서는 1차 코일의 전류 위상이 스위칭 위상보다도 이미 늦어지고 있는(b 참조) 것이기 때문에, 듀티 제어를 행한 경우의 전류 위상은 ON 위상보다도 더 지연되는(c, d 참조) 것으로 되므로 하드 스위칭은 일어나지 않는다. 그 때, (Q2, Q1)이 동시에 ON으로 되지 않도록 약간의 데드 타임(Dead time)을 필요로 하는 것은 일반적으로 행해지는 것이므로, 이의 설명에서는 생략하고 있다.
도 21은 본 발명에 따른 전력 제어의 다른 예를 설명하는 도이다. 이 전력 제어에서는 듀티를 제어하는 측을 스위칭 수단의 한 쪽 또는 동시에 ON으로 되는 한 쪽의 쌍으로만 하고, 다른 쪽 또는 다른 쪽의 쌍은 반전 신호에 의해 제어하도록 한다. 그 때, 반전 신호에 의해 제어되는 측에는 역시 약간의 데드 타임(Dead time)을 필요로 한다(d 참조).
이와 같은 제어 방법은 불균등 하프 브릿지 또는 불균등 풀 브릿지 제어라 불리고 있다. 이 제어 방법에서는 2차 코일에 짝수 차의 고조파 전압이 발생하기 쉽지만, 본 발명에서는 Q값을 매우 높게 설정하므로, 2차 코일의 전압은 거의 정현파에 가까워지기 때문에 문제는 없다.
도 22는 본 발명의 전력 제어를 행한 경우의 1차 코일의 전류 위상과의 관계를 설명하는 도이다.
본 발명의 제어 방법에서는 제어한 경우의 구동 주파수도 올라가고, 도 22로부터 분명한 바와 같이 주파수가 올라가면 공진 전류의 위상 정보의 위상보다도 구동 전압의 ON 위상의 쪽이 더 지연한 것을 알 수 있다. 또한 역률은 저하하지만 동시에 전달비도 낮아지므로 제어 가능한 전력의 범위는 매우 넓어지게 된다.
이상 설명한 무선 전력 전송 장치에 있어서는, 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고 있지만, 전자 유도 방식을 이용하는 예를 들어 Qi 규격에 있어서는 본 발명에 있어서와 같은 2차 측의 공진 회로를 필수로 하고 있지 않다. 그래서 Qi 규격과의 호환성을 취하면서 본 발명을 적용하기 위해서 도 5C와 같이 2차 코일에 병렬 배치하여 제3의 코일을 마련하고, 이 제3의 코일로부터 부하에 접속하는 전력을 취출하는 경우에 대해서 설명한다.
도 23은 Qi 규격과의 호환성을 유지하면서 효율 개선을 행하는 것이 가능한 회로의 일 예를 나타내는 도이다. 제3의 코일(190)은 도 5C와 같이 2차 코일(140)에 근접하여 독립한 코일로서 마련하여도 좋지만, 도 23이나 도 5B에 나타낸 바와 같이, 2차 코일(140) 내에 오토 트랜스로서 제3의 코일을 포함하고, 2차 코일(140)에 유도되는 전압에 대하여 강압하는 관계로 권회하여 제3의 코일(190)로 하여도 좋다.
2차 코일(140)에는 공진 콘덴서(Cp)(150)가 결합되며, Qi 호환 규격일 때에는 스위치(181)에 의해 OFF로 되고, 효율 개선을 행하는 경우에는 ON되어 Cp가 공진 콘덴서(150)로서 동작한다. 그와 동시에 2차 코일(140) 측의 스위치(183)가 OFF로 되며 스위치(185)가 ON으로 된다. 스위치(183)와 스위치(185)에는 2차 측 GND와의 사이에 도시되지 않은 부하가 접속된다. 스위치(181)가 ON으로 되면 공진 회로의 Q값이 높아진다.
그와 같이 동작시키면, 1차 코일(110)에는 역률 좋은 주파수가 발생하므로, 1차 측에 마련한 공진 전류 위상 검출 수단(160c)에서 검출되는 공진 전류 파형과 그의 반전 적분 파형을 합성하여 위상 보정을 행하여, 그의 공진 전류 위상 정보에 기초하여 고주파 전원의 구동 회로를 구동하면 좋다. 또한, 도 23의 회로도에서는 스위치(181, 183, 185)는 다이오드를 통해 FET 또는 트랜지스터를 사용하고 있지만, 스위치 동작 가능한 소자이면 이것에 한정되지 않고 어느 것도 사용 가능하다.
도 5C 또는 도 5B, 도 23과 같이 제3의 코일을 2차 코일에 유도되는 전압에 대하여 강압하는 관계로 권회시켜 두면, 제3의 코일에 접속된 부하 저항은 갑압비의 제곱에 반비례하여 임피던스 변환되어, 2차 코일에는 가상적으로 높은 값의 등가 부하 저항이 접속된 것으로 되기 때문에, 이 비율에 따라 공진 회로의 Q값이 높게 설정 가능하다. 그리고 이 강압비의 설정에 따라 소망하는 Q=2/k2으로 정한 값 이상의 Q값으로 설정하는 것도 용이하게 된다.
또 게다가, 공진 전류는 권회수에 반비례하므로, 공진 전류에 의한 동손이 전류의 제곱에 비례하여 작아지게 되어 발열을 줄이는 것이 가능하며, 효율이 향상된다.
100 : 무선 전력 전송 장치
110 : 1차 코일
120 : 구동 회로
122 : 드라이빙 수단
124 : 스위칭 수단
140 : 2차 코일
150 : 공진 콘덴서
155 : 소용량 콘덴서
160 : 공진 전류 위상 검출 수단
165 : 필터
170 : 위상 정보 전달 수단
190 : 제3의 코일

Claims (14)

  1. 고주파 전원에 접속된 1차 코일과 부하에 접속된 2차 코일을 결합 계수 k로 이격하여 배치하고, 상기 1차 코일로부터 상기 2차 코일에 비접촉으로 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    상기 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 콘덴서에 흐르는 공진 전류의 위상 정보를 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단과,
    검출된 상기 위상 정보를 위상 지연 없이 전달하는 위상 정보 전달 수단과,
    상기 위상 정보에 기초하여 상기 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 상기 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 지연하도록 구동 주파수를 정하여 상기 1차 코일을 구동하는 구동 회로를 마련하고,
    상기 2차 코일의 누설 인덕턴스와 상기 공진 콘덴서의 캐패시턴스와 상기 2차 코일 측의 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2으로 정한 값 이상의 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  2. 고주파 전원에 접속된 1차 코일과 부하에 접속된 2차 코일을 결합 계수 k로 이격하여 배치하고, 상기 1차 코일로부터 상기 2차 코일에 비접촉으로 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    상기 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고, 상기 2차 코일에 흐르는 공진 전류의 위상 정보를 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단과,
    검출된 상기 위상 정보를 위상 지연 없이 전달하는 위상 정보 전달 수단과,
    상기 위상 정보에 기초하여 상기 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 상기 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 지연하도록 구동 주파수를 정하여 상기 1차 코일을 구동하는 구동 회로를 마련하고,
    상기 2차 코일의 누설 인덕턴스와 상기 공진 콘덴서의 캐패시턴스와 상기 2차 코일 측의 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2으로 정한 값 이상의 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  3. 고주파 전원에 접속된 1차 코일과 부하에 접속된 2차 코일을 결합 계수 k로 이격하여 배치하고, 상기 1차 코일로부터 상기 2차 코일에 비접촉으로 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    상기 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 회로에 흐르는 공진 전류의 위상 정보를 상기 1차 코일로부터 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단과,
    검출된 상기 위상 정보를 위상 지연 없이 전달하는 위상 정보 전달 수단과,
    상기 위상 정보에 기초하여 상기 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 상기 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 지연하도록 구동 주파수를 정하여 상기 1차 코일을 구동하는 구동 회로를 마련하고,
    상기 2차 코일의 누설 인덕턴스와 상기 공진 콘덴서의 캐패시턴스와 상기 2차 코일 측의 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2으로 정한 값 이상의 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  4. 고주파 전원에 접속된 1차 코일과 부하에 접속된 2차 코일을 결합 계수 k로 이격하여 배치하고, 상기 1차 코일로부터 상기 2차 코일에 비접촉으로 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    상기 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 콘덴서에 흐르는 공진 전류의 파형, 상기 2차 코일에 흐르는 공진 전류의 파형, 또는 상기 1차 코일에 흐르는 공진 전류의 파형 중 어느 하나의 파형과, 상기 어느 하나의 파형을 반전하여 적분한 파형을 중첩 합성하여 얻은 파형을 바탕으로 공진 전류의 위상 정보를 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단과,
    검출된 상기 위상 정보를 위상 지연 없이 전달하는 위상 정보 전달 수단과,
    상기 위상 정보에 기초하여 상기 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 상기 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 지연하도록 구동 주파수를 정하여 상기 1차 코일을 구동하는 구동 회로를 마련하고,
    상기 2차 코일의 누설 인덕턴스와 상기 공진 콘덴서의 캐패시턴스와 상기 2차 코일 측의 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2으로 정한 값 이상의 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진 전류의 파형에 포함된 왜곡을 제거하여 기본파만을 추출하는 필터를 구비한 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 회로는 상기 1차 코일을 구동하는 스위칭 수단을 포함하고,
    상기 스위칭 수단은 ON-OFF의 듀티 비를 가변하여, 상기 위상 정보에 기초하여 상기 스위칭 수단을 ON으로 하고, 일정 시간 후에 스위칭 수단을 OFF로 함으로써 전력 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  7. 제1항 또는 제4항에 있어서,
    상기 공진 전류 위상 검출 수단은, 상기 공진 콘덴서에 병렬 접속된 소용량 콘덴서에 흐르는 전류로부터 상기 위상 정보를 검출하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  8. 고주파 전원에 접속된 1차 코일과, 부하에 접속된 2차 코일과, 상기 2차 코일과 근접하거나 또는 상기 2차 코일을 오토 트랜스로서 포함하여 상기 2차 코일에 유도되는 전압에 대해 강압하는 관계로 권회된 제3의 코일을 구비하고, 상기 1차 코일과 상기 2차 코일을 결합 계수 k로 이격하여 배치하고, 상기 1차 코일로부터 상기 2차 코일을 통해 제3의 코일에 비접촉으로 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    상기 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 콘덴서에 흐르는 공진 전류의 위상 정보를 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단과,
    검출된 상기 위상 정보를 위상 지연 없이 전달하는 위상 정보 전달 수단과,
    상기 위상 정보에 기초하여 상기 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 상기 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 지연하도록 구동 주파수를 정하여 상기 1차 코일을 구동하는 구동 회로를 마련하고,
    상기 2차 코일의 누설 인덕턴스와 상기 공진 콘덴서의 캐패시턴스와 상기 2차 코일 측의 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2으로 정한 값 이상의 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  9. 고주파 전원에 접속된 1차 코일과, 부하에 접속된 2차 코일과, 상기 2차 코일과 근접하거나 또는 상기 2차 코일은 오토 트랜스이며, 상기 2차 코일에 유도되는 전압에 대해 강압하는 관계로 권회된 제3의 코일이 상기 오토 트랜스에 포함된 관계로 있고, 상기 1차 코일과 상기 2차 코일을 결합 계수 k로 이격하여 배치하고, 상기 1차 코일로부터 상기 2차 코일에 비접촉으로 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    상기 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고, 상기 2차 코일에 흐르는 공진 전류의 위상 정보를 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단과,
    검출된 상기 위상 정보를 위상 지연 없이 전달하는 위상 정보 전달 수단과,
    상기 위상 정보에 기초하여 상기 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 상기 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 지연하도록 구동 주파수를 정하여 상기 1차 코일을 구동하는 구동 회로를 마련하고,
    상기 2차 코일의 누설 인덕턴스와 상기 공진 콘덴서의 캐패시턴스와 상기 2차 코일 측의 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2으로 정한 값 이상의 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  10. 고주파 전원에 접속된 1차 코일과, 부하에 접속된 2차 코일과, 상기 2차 코일과 근접하거나 또는 상기 2차 코일은 오토 트랜스이며, 상기 2차 코일에 유도되는 전압에 대해 강압하는 관계로 권회된 제3의 코일이 상기 오토 트랜스에 포함된 관계로 있고, 상기 1차 코일과 상기 2차 코일을 결합 계수 k로 이격하여 배치하고, 상기 1차 코일로부터 상기 2차 코일에 비접촉으로 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    상기 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 회로에 흐르는 공진 전류의 위상 정보를 상기 1차 코일로부터 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단과,
    검출된 상기 위상 정보를 위상 지연 없이 전달하는 위상 정보 전달 수단과,
    상기 위상 정보에 기초하여 상기 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 상기 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 지연하도록 구동 주파수를 정하여 상기 1차 코일을 구동하는 구동 회로를 마련하고,
    상기 2차 코일의 누설 인덕턴스와 상기 공진 콘덴서의 캐패시턴스와 상기 2차 코일 측의 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2으로 정한 값 이상의 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  11. 고주파 전원에 접속된 1차 코일과, 부하에 접속된 2차 코일과, 상기 2차 코일과 근접하거나 또는 상기 2차 코일은 오토 트랜스이며, 상기 2차 코일에 유도되는 전압에 대해 강압하는 관계로 권회된 제3의 코일이 상기 오토 트랜스에 포함된 관계로 있고, 상기 1차 코일과 상기 2차 코일을 결합 계수 k로 이격하여 배치하고, 상기 1차 코일로부터 상기 2차 코일에 비접촉으로 전력을 공급하는 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    상기 2차 코일에 공진 콘덴서를 결합하여 공진 회로를 구성하고, 상기 공진 콘덴서에 흐르는 공진 전류의 파형, 상기 2차 코일에 흐르는 공진 전류의 파형, 또는 상기 1차 코일에 흐르는 공진 전류의 파형 중 어느 하나의 파형과, 상기 어느 하나의 파형을 반전하여 적분한 파형을 중첩 합성하여 얻은 파형을 바탕으로 공진 전류의 위상 정보를 검출하는 공진 전류 위상 검출 수단과,
    검출된 상기 위상 정보를 위상 지연 없이 전달하는 위상 정보 전달 수단과,
    상기 위상 정보에 기초하여 상기 1차 코일에 흐르는 구동 전류의 전류 위상이 상기 1차 코일에 인가되는 구동 전압의 전압 위상보다 지연하도록 구동 주파수를 정하여 상기 1차 코일을 구동하는 구동 회로를 마련하고,
    상기 2차 코일의 누설 인덕턴스와 상기 공진 콘덴서의 캐패시턴스와 상기 2차 코일 측의 등가 부하 저항으로 결정되는 Q값을, Q=2/k2으로 정한 값 이상의 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  12. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진 전류의 파형에 포함된 왜곡을 제거하여 기본파만을 추출하는 필터를 구비한 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  13. 제8항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동 회로는 상기 1차 코일을 구동하는 스위칭 수단을 포함하고,
    상기 스위칭 수단은 ON-OFF의 듀티 비를 가변하여, 상기 위상 정보에 기초하여 상기 스위칭 수단을 ON으로 하고, 일정 시간 후에 스위칭 수단을 OFF로 함으로써 전력 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  14. 제8항 또는 제11항에 있어서,
    상기 공진 전류 위상 검출 수단은 상기 공진 콘덴서에 병렬 접속된 소용량 콘덴서에 흐르는 전류로부터 상기 위상 정보를 검출하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
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