KR102236576B1 - 무선 전력 전달 시스템 - Google Patents

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Abstract

실시 예에 따른 무선 전력 전달 시스템은 1차측의 소스 코일, 2차측의 부하 코일, 및 상기 소스 코일에 대해서 소정의 권선비로 절연 커플링되어 있는 적어도 두 개의 중간 코일을 포함한다. 상기 두 개의 중간 코일에 의해 상기 소스 코일의 실효 인덕턴스가 증가하여, 상기 소스 코일 및 상기 부하 코일 간의 결합 계수가 증가하는 무선 전력 전달 시스템.

Description

무선 전력 전달 시스템{WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM}
실시 예는 무선 전력 전달 시스템에 관한 것이다.
전기 자동차 공급 방법에는 와이어를 이용한 유선 충전 방식(wired charging) 및 와이어를 이용하지 않는 무선 충전 방식(wireless charging)이 있다. 무선 충전 방식은 유도 코일을 사용하여 교류 전자기장을 1차측(충전기)에 생성하고, 2차측(전기 자동차)의 제2 유도 코일은 1차측에 생성된 교류 자기장으로부터 전력을 공급받아, 전기 자동차의 배터리가 충전된다.
무선 충전 방식의 효율을 증가시키기 위해서 다중 코일 공진기가 사용된다. 예를 들어, 1차측 및 2차측 각각에 중간 코일(intermediate)이 추가되어 총 4개의 코일로 다중 코일 공진기를 구성할 수 있다. 구체적으로, 1차측에 소스 코일 및 중간 코일인 전달 코일이 있고, 2차측에 중간 코일인 수신 코일 및 부하 코일이 있을 수 있다. 1차측의 코일들과 2차측의 코일들이 서로 대칭 구조를 가질 수 있다.
그런데 1차측과 2차측 사이의 거리가 멀어서 2차측의 중간 코일인 수신 코일은 1차측에 영향을 미치지 못한다. 그러면 1차측 관점에서 볼 때, 4개의 코일로 구현된 다중 코일 공진기가 1차측에만 전달코일을 추가한 3개의 코일로 구현된 다중 코일 공진기와 유사하게 동작한다.
또한, 무선 전력 전달에서는 1차측에 저항 성분이 많아, 주전력 손실은 1차측에서 주로 발생한다.
전력 전달 효율을 개선시킬 수 있는 무선 전력 전달 시스템을 제공하고자 한다.
실시 예에 따른 무선 전력 전달 시스템은 1차측의 소스 코일, 2차측의 부하 코일, 및 상기 소스 코일에 대해서 소정의 권선비로 절연 커플링되어 있는 적어도 두 개의 중간 코일을 포함한다. 상기 두 개의 중간 코일에 의해 상기 소스 코일의 실효 인덕턴스가 증가하여, 상기 소스 코일 및 상기 부하 코일 간의 결합 계수가 증가한다.
상기 소스 코일의 안쪽에 상기 적어도 두 개의 중간 코일이 위치한다. 상기 적어도 두 개의 중간 코일 중 하나는 다른 하나의 안쪽에 위치할 수 있다. 또는, 상기 적어도 두 개의 중간 코일 중 하나는 다른 하나와 나란히 위치하는 무선 전력 전달 시스템.
상기 무선 전력 전달 시스템은 상기 적어도 두 개의 중간 코일 각각의 양단에 연결되어 있는 적어도 두 개의 제1 공진 커패시터를 더 포함한다.
상기 무선 전력 전달 시스템은, 상기 1차측에서 입력 전압을 구형파로 변환하는 수단을 더 포함하고, 상기 구형파 변환 수단의 동작 주파수는, 상기 적어도 두 개의 중간 코일 중 어느 하나의 공진 주파수보다 낮은 주파수로 설정될 수 있다.
상기 공진 주파수는 상기 적어도 두 개의 중간 코일 중 하나의 누설 인덕턴스와 상기 하나의 중간 코일에 연결된 제1 공진 커패시터의 커패시턴스의 곱의 제곱근에 반비례할 수 있다.
상기 1차측에 비춰진 상기 적어도 두 개의 중간 코일 각각의 누설 인덕턴스는 상기 소스 코일의 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스에 연결되고, 상기 1차측에 비춰진 상기 적어도 두 개의 중간 코일 각각의 누설 인덕턴스의 값은 상기 소스 코일과 상기 적어도 두 개의 중간 코일 각각 간의 권선비 제곱에 상기 적어도 두 개의 중간 코일 각각의 누설 인덕턴스를 곱한 값일 수 있다.
상기 1차측에 비춰진 상기 적어도 두 개의 제1 공진 커패시터 각각의 커패시턴스는 상기 1차측에 비춰진 상기 적어도 두 개의 중간 코일 각각의 누설 인덕턴스에 서로 직렬로 연결되고, 상기 1차측에 비춰진 상기 적어도 두 개의 제1 공진 커패시터 각각의 커패시턴스의 값은 상기 적어도 두 개의 제1 공진 커패시터 각각의 커패시턴스를 상기 소스 코일과 상기 적어도 두 개의 중간 코일 각각 간의 권선비 제곱으로 나눈 값일 수 있다.
상기 적어도 두 개의 중간코일 각각이 상기 1차측에 비춰지고, 상기 소스 코일의 실효 인덕턴스는 상기 1차측에 비춰진 상기 적어도 두 개의 중간코일의 임피던스에 의해 적어도 두 번 부스트될 수 있다.
상기 적어도 두 개의 중간 코일 각각 및 상기 적어도 두 개의 제1 공진 커패시터 각각에 기초한 공진 주파수에서 상기 소스 코일의 실효 인덕턴스의 부스트 효과가 발생할 수 있다.
상기 무선 전력 전달 시스템은, 상기 소스 코일의 일단에 연결되어 일전극을 포함하는 제2 공진 커패시터를 더 포함한다.
상기 무선 전력 전달 시스템은, 입력 전압을 변환하여 상기 제2 공진 커패시터의 타전극과 상기 소스 코일의 타단 사이에 구형파를 공급하는 수단을 더 포함하한다.
상기 무선 전력 전달 시스템은, 상기 부하 코일의 일단에 연결되어 있는 일전극을 제3 공진 커패시터를 더 포함한다.
상기 무선 전력 전달 시스템은, 상기 제3 공진 커패시터의 타전극과 상기 부하 코일의 타단에 연결되어 있는 정류 회로를 더 포함한다.
전력 전달 효율을 개선시킬 수 있는 무선 전력 전달 시스템을 제공한다.
도 1은 간략화된 2-코일 공진기 시스템의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 실시 예에 따른 무선 전력 전달 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 실시 예에 따른 1차측 및 2차측 코일들의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 1차측 및 2차측 코일들의 배치를 나타낸 도면이다.
도 5는 실시 예에 따른 1차측 및 2차측 코일들의 다른 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 소스 코일의 실효 인덕턴스를 나타낸 등가 회로이다.
도 7은 싱글 부스팅 효과의 실효 인덕턴스와 주파수 간의 관계 및 더블 부스팅 효과의 실효 인덕턴스와 주파수 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
전력 전달 효율은 권선 저항(winding resistance)과 결합 계수를 고려하여 계산될 수 있다. 간략화된 2-코일 공진기 시스템의 등가 회로로 나타내면 도 1과 같다.
도 1은 간략화된 2-코일 공진기 시스템의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 등가 회로에서 전력 전달 효율(
Figure 112014084420647-pat00001
)은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112014084420647-pat00002
도 1에서, Zin은 입력 임피던스, Zr은 2차측의 부하 코일이 1차측에 영향을 주어 발생하는 반사 임피던스, 그리고 Zs는 2차측 임피던스이다. k는 1차측과 2차측 사이의 결합 계수이다. R1 및 R2 각각은 1차측 및 2차측 코일 각각의 권선 저항이고, RL은 부하 저항이다. L1 및 L2 각각은 1차측 코일 및 2차측 코일 각각의 인덕턴스이고, C1 및 C2 각각은 1차측 및 2차측 각각의 커패시턴스이다. 수학식 1에서, 고효율을 위해서는 Zin의 위상이 '0'이 되는 주파수가 고려된다. 즉, ω는 공진 주파수(ω0)로 설정되고 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure 112014084420647-pat00003
수학식 1에 수학식 2를 대입하여 정리하면 수학식 3과 같이 정리된다.
[수학식 3]
Figure 112014084420647-pat00004
수학식 3과 같이, 전력 전달 효율(
Figure 112014084420647-pat00005
)은 결합 계수(k)에 비례하고, 권선 저항(R1, R2)에 반비례 한다. 따라서 결합 계수(k)가 높을수록, 그리고 권선 저항(R1, R2)가 작은 수록 무선 전력 전달 시스템의 전력 전달 효율이 개선된다.
2-코일 공진기보다 높은 전력 전달 효율을 제공하기 위해, 실시 예는 다중 코일 공진기를 포함하고 있다. 수학식 3에서 정리된 전력 전달 효율과 결합 계수 및 권선 저항간의 관계는 실시 예에도 동일하게 적용된다. 즉, 결합 계수를 증가시키고, 권선 저항을 감소시키면 전력 전달 효율이 개선된다.
실시 예는 결합 계수가 증가된 다중 코일 공진기를 제공한다. 또한, 실시 예는 동일한 인덕턴스를 얻기 위해 턴 수가 감소된 다중 코일 공진기를 제공할 수 있다. 턴 수가 감소하면 권선 저항을 감소시킬 수 있다.
실시 예에 따른 다중 코일 공진기는 1차측과 2차측이 비대칭 형태로 구현된다. 예를 들어, 1차측에 소스 코일과 함께 적어도 두 개의 중간 코일(intermediate coil)인 전달 코일들이 위치하고, 2차측에는 하나의 부하 코일이 위치한다.
1차측에 위치하는 소스 코일과 적어도 두 개의 전달 코일은 최대의 부스팅 효과를 얻기 위한 방식으로 위치할 수 있다. 부스팅 효과는 소스 코일의 인덕턴스를 상승시키는 것을 의미한다.
이하, 도면을 참조하여 실시 예에 대해서 설명한다.
도 2는 실시 예에 따른 무선 전력 전달 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 무선 전력 전달 시스템(1)은 다중 코일 공진기(2)를 포함한다. 다중 코일 공진기(2)는 1차측에 소스 코일(CO1), 제1 중간코일(CO11), 및 제2 중간코일(CO12)을 포함하고, 2차측에 하나의 부하 코일(CO2)을 포함한다.
제1 중간코일(CO11) 및 제2 중간코일(CO12) 각각은 소스 코일(CO1)에 대해서 소정의 권선비로 절연 커플링되어 있다.
도 2에서는 2 개의 중간코일(CO11, CO12)이 도시되어 있으나, 이는 실시 예의 설명을 위한 설정일 뿐, 중간 코일의 개수가 2개에 한정되는 것은 아니다.
제1 및 제2 중간코일(CO11, CO12)은 1차측의 소스 코일(CO1)의 인덕턴스를 부스트시킨다. 따라서 동일한 인덕턴스를 얻기 위한 소스 코일(CO1)의 턴 수를 감소시킬 수 있고, 소스 코일(CO1)의 등가 저항을 감소시킬 수 있다.
또한, 제1 및 제2 중간코일(CO11, CO12)에 의해 소스 코일(CO1)의 인덕턴스의 부스트 효과가 두 번 발생하여 결합 계수(coupling coefficient)가 증가한다. 예를 들어, 스위칭 주파수 주변에서 다중 코일 공진기(2)의 허용 가능한 범위 내에서의 부스트 효과가 최대가 되도록 제1 및 제2 중간코일(CO11, CO12)이 설계될 수 있다. 결합 계수가 증가할수록 부하로의 에너지 전달에 기여하지 않는 1차측에서의 순환 전류(circulating current)를 감소시킬 수 있어, 입력 전류의 실효치를 감소시킬 수 있다.
도 2에서 무선 전력 전달 시스템(1)은 풀-브릿지 인버터로 구현되었으나 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 하프-브릿지 인버터로 구현될 수 있다.
입력 전압(Vin)은 교류 입력이 정류되어 생성될 수 있다. 커패시터(Cin)는 입력 전압(Vin)을 평활시킬 수 있다. 풀-브릿지 인버터(10)는 입력 전압(Vin)을 구형파(square wave)로 변환하기 위한 수단의 일 예다. 풀 브릿지 인버터(10)는 4 개의 스위치(Q1-Q4)를 포함하고, 4 개의 스위치(Q1-Q4)의 스위칭 동작에 따라 입력 전압(Vin)은 구형파로 변환된다. 이하, 입력 전압(Vin)을 구형파로 변환하기 위한 수단의 스위칭 주파수를 동작 주파수라 한다.
4 개의 스위치(Q1-Q4) 각각의 게이트에는 4개의 게이트 전압(VG1-VG4) 각각이 입력된다. 게이트 전압(VG1-VG4)의 인에이블 레벨(하이 레벨)에 의해 스위치(Q1-Q4)가 턴 온 되고, 게이트 전압(VG1-VG4)의 디스에이블 레벨(로우 레벨)에 의해 스위치(Q1-Q4)가 턴 오프 된다.
스위치(Q1)는 입력 전압(Vin)과 노드(N1) 사이에 연결되어 있고, 스위치(Q2)는 입력 전압(Vin)과 노드(N2) 사이에 연결되어 있다. 스위치(Q3)는 노드(N1)와 1차측 그라운드 사이에 연결되어 있고, 스위치(Q4)는 노드(N2)와 1차측 그라운드 사이에 연결되어 있다.
스위치(Q1) 및 스위치(Q4)가 턴 온이고, 스위치(Q2) 및 스위치(Q3)가 턴 오프 일 때, 구형파 전압(VRI)은 입력 전압(Vin)이다. 스위치(Q2) 및 스위치(Q3)가 턴 온이고, 스위치(Q1) 및 스위치(Q4)가 턴 오프 일 때, 구형파 전압(VRI)은 입력 전압(Vin)의 반대 극성인 -Vin 전압이다.
공진 커패시터(C1)는 소스 코일(CO1)과 노드(N1) 사이에 연결되어 있다. 소스 코일(CO1)의 누설 인덕턴스(Llkp)와 자화 인덕턴스(Lm), 그리고 공진 커패시터(C1) 사이의 공진에 의해 구형파 전압(VRI)은 정현파로 변환될 수 있다.
제1 중간코일(CO11)은 공진 커패시터(C3)의 양단에 연결되어 있고, 제1 중간코일(CO11)의 누설 인덕턴스(Llkt)와 공진 커패시터(C3) 사이에 공진이 발생할 수 있다. 소스 코일(CO1)의 권선수와 제1 중간코일(CO11)의 권선수 간의 권선비는 m:1(CO1의 권선수:CO11의 권선수) 이다.
제2 중간코일(CO12)은 공진 커패시터(C4)의 양단에 연결되어 있고, 제2 중간코일(CO12)의 누설 인덕턴스(Llkq)와 공진 커패시터(C4) 사이에 공진이 발생할 수 있다. 소스 코일(CO1)의 권선수와 제2 중간코일(CO12)의 권선수 간의 권선비는 q:1(CO1의 권선수:CO12의 권선수) 이다.
도 3은 실시 예에 따른 1차측 및 2차측 코일들의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 소스 코일(CO1)의 안쪽에 제1 중간코일(CO11)이 위치하고, 제1 중간코일(CO11)의 안쪽에 제2 중간코일(CO12)이 위치할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 1차측 및 2차측 코일들의 배치를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 부하 코일(CO2)과 1차측의 코일들(CO1, CO11, CO12)은 서로 마주보도록 배치된다.
도 5는 실시 예에 따른 1차측 및 2차측 코일들의 다른 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 소스 코일(CO1)의 안쪽에 제1 중간코일(CO11) 및 제2 중간 코일(CO12)이 나란히 위치할 수 있다. 부하 코일(CO2)와 1차측 코일들(CO1, CO11, CO12) 역시 도 3에 도시된 방식과 동일하게 서로 마주보도록 배치된다.
도 3 및 도 5에서 1차측의 소스 코일(CO1)은 노드(N1) 및 노드(N2) 사이에 연결되어 있고, 2차측의 부하 코일(CO2)은 노드(N3) 및 노드(N4) 사이에 연결되어 있다. 제1 중간코일(CO11)의 양단은 커패시터(C3)의 양단에 연결되어 있고, 제2 중간코일(CO12)의 양단은 커패시터(C4)의 양단에 연결되어 있다.
다중 코일 공진기(2)는 2차측에 위치한 부하 코일(CO2) 및 공진 커패시터(C2)를 포함한다. 2차측에는 정류 회로(20) 및 커패시터(Co)가 연결되어 있고, 무선 전력 전달 시스템(1)에 연결된 부하는 저항(Ro)으로 표시되어 있다.
소스 코일(CO1)의 권선수와 부하 코일(CO2)의 권선수 사이의 권선비는 n:1(CO1의 권선수:CO2의 권선수)이다. 부하 코일(CO2)의 누설 인덕턴스(Llks)와 공진 커패시터(C2) 사이의 공진에 의해 노드(N3)와 노드(N4) 사이의 전압(VRO)이 정현파로 발생할 수 있다.
정류 회로(20)는 4 개의 다이오드(D1-D4)를 포함하는 전파 정류 회로이다. 다이오드(D1)의 캐소드는 출력 전압(Vo)에 연결되어 있고, 다이오드(D1)의 애노드는 노드(N3)에 연결되어 있다. 다이오드(D2)의 캐소드는 출력 전압(Vo)에 연결되어 있고, 다이오드(D2)의 애노드는 노드(N4)에 연결되어 있다. 다이오드(D3)의 캐소드는 노드(N3)에 연결되어 있고, 다이오드(D3)의 애노드는 2차측 그라운드에 연결되어 있다. 다이오드(D4)의 캐소드는 노드(N4)에 연결되어 있고, 다이오드(D4)의 애노드는 2차측 그라운드에 연결되어 있다.
커패시터(Co)는 출력 전압(Vo)의 리플을 감쇄시킨다. 정류 회로(20)를 통해 공급되는 전류에 의해 커패시터(Co)가 충전되거나, 커패시터(Co)로부터 부하(Ro)로 전류가 방전될 수 있다.
소스 코일(CO1)의 실효 자기 인덕턴스(self-inductance) 및 자화 인덕턴스(magnetizing inductance)는 제1 중간코일(CO11) 및 제2 중간코일(CO12) 각각의 공진 주파수 근처에서 의해 부스트되는데, 이를 더블 부스팅 효과(double boosting effect)라고 한다. 예를 들어, 제1 중간코일(CO11)의 공진 주파수(ωt)와 제2 중간코일(CO12)의 공진 주파수(ωq)는 아래 수학식 4 및 5와 같다.
[수학식 4]
Figure 112014084420647-pat00006
[수학식 5]
Figure 112014084420647-pat00007
C3, C4는 공진 커패시터(C3, C4)의 커패시턴스를 나타내고, Llkt, Llkq는 제1 중간코일(CO11) 및 제2 중간코일(CO12) 각각의 누설 인덕턴스를 나타내면, Lm은 소스 코일(CO1)의 자화 인덕턴스를 나타내고, m은 소스 코일(CO1)과 제1 중간코일(CO11)의 권선비이고, q는 소스 코일(CO1)과 제2 중간코일(CO12)의 권선비이다.
제1 및 제2 중간코일(CO11, CO12)은 소스 코일(CO1)의 실효 인덕턴스(effective inductance)의 증가를 유도하고, 소스 코일(CO1)과 부하 코일(CO2)간의 피상 결합 계수(apparent coupling coefficient)의 증가를 유도한다. 그러면 전력 전달 효율(power transfer efficiency)이 증가한다.
예를 들어, 도 2에 도시된 부하 코일(CO2)이 오픈 회로일 때, 소스 코일(CO1)의 실효 인덕턴스에 대한 등가 회로는 도 6과 같다.
도 6은 소스 코일의 실효 인덕턴스를 나타낸 등가 회로이다.
도 6에서, 소스 코일(CO1)의 실효 인덕턴스는 ZL1으로 도시되어 있다.
등가 회로에서 1차측에 비춰진 제1 중간코일(CO11)의 임피던스 즉, 누설 인덕턴스 및 공진 커패시터는 서로 직렬 연결되고, 각각의 값은
Figure 112014084420647-pat00008
및
Figure 112014084420647-pat00009
이다. 제1 중간코일(CO11)의 누설 인덕턴스는 소스 코일(CO1)의 누설 인덕터스(Llkp) 및 자화 인덕턴스(Lm)에 연결되어 있다.
등가 회로에서 1차측에 비춰진 제2 중간코일(CO12)의 누설 인덕턴스 및 공진 커패시터는 서로 직렬 연결되어 있고, 각각의 값은
Figure 112014084420647-pat00010
및
Figure 112014084420647-pat00011
이다. 제2 중간코일(CO12)의 누설 인덕턴스는 소스 코일(CO1)의 누설 인덕터스(Llkp) 및 자화 인덕턴스(Lm)에 연결되어 있다.
두 개의 중간코일(C011, CO12)이 1차측에 반영되기(reflected) 때문에, 소스 코일(CO1)의 실효 인덕턴스(ZL1)는 90도의 위상각을 가지는 전체 임피던스로 나타낼 수 있다. 이를 나타내면 수학식 6과 같다.
[수학식 6]
Figure 112014084420647-pat00012
s는 라플라스 변수이고, Llkp는 소스 코일의 누설 인덕턴스이며, 그 밖의 변수는 앞서 수학식 4 및 5에서의 설명된 변수와 동일하다.
만약 중간 코일의 개수가 하나인 조건에서 누설 인덕턴스(Llkq)와 커패시터(C4)가 오픈 회로일 때, 수학식 6은 아래 수학식 7과 같이 된다.
[수학식 7]
Figure 112014084420647-pat00013
ZL은 중간 코일의 개수가 하나인 조건 즉, 싱글 부스팅 효과가 발생하는 조건에서의 실효 인덕턴스를 나타낸다.
동작 주파수(fs)를 수학식 8과 같이 설계할 때, 수학식 6의 분모는 s2LmC4/q2만큼 작아진다.
[수학식 8]
Figure 112014084420647-pat00014
그러면, 더블 부스팅 효과에 의한 실효 인덕턴스(ZL1)는 싱글 부스팅 조건에서의 실효 인덕턴스(ZL)보다 큰 값을 가진다.
도 7은 싱글 부스팅 효과의 실효 인덕턴스와 주파수 간의 관계 및 더블 부스팅 효과의 실효 인덕턴스와 주파수 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7에서 실효 인덕턴스(ZL1)는 실선으로 도시되어 있고, 실효 인덕턴스(ZL)은 점선으로 도시되어 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 동작 주파수 대역(예를 들어 85Khz~95Khz, FsB)에서 실효 인덕턴스(ZL)는 실효 인덕턴스(ZL1)보다 낮은 값을 가지지만 급격하게 상승하고, 실효 인덕턴스(ZL1)는 상대적으로 완만하게 상승하고 실효 인덕턴스(ZL)보다 높은 값을 가진다. 이는 두 개의 중간 코일 각각의 공진 주파수 근처에서 두 번의 부스트 효과가 발생하기 때문이다. 동작 주파수 대역(FsB)은 수학식 4 및 5에 해당하는 공진 주파수 부근으로 설정될 수 있다. .
따라서 싱클 부스트 효과에 비해 더블 부스트 효과에 따른 결합 계수가 더 높아 전력 전달 효율이 증가한다.
싱글 부스팅 효과를 가지는 무선 전력 전달 시스템에서는, 동작 주파수 대역에서 실효 인덕턴스가 가파르게 증가한다. 그러면 제어 IC의 주파수 편차에 따라 실효 인덕턴스가 가파르게 변하여 전력 전달 시스템이 불안정해지고, 출력 전압은 심각한 변동(fluctuation)을 가질 수 있다.
이와 달리 실시 예에 따른 다중 코일 공진기는 싱글 부스팅에 비해 보다 완만한 기울기에 따라 높은 값을 가지는 실효 인덕턴스를 제공하여 전력 전달의 안정도를 개선시킬 수 있고 출력 전압의 변동 역시 감소시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 무선 전력 전달 시스템
2: 다중 코일 공진기
10; 풀-브릿지 인버터
20: 정류회로
CO1: 소스 코일
CO2: 부하 코일
CO11: 제1 중간 코일
CO12: 제2 중간 코일

Claims (16)

1차측의 소스 코일,
2차측의 부하 코일, 및
상기 소스 코일에 대해서 소정의 권선비를 가지고, 서로 절연 커플링되어 있으며, 함께 권선되어 있지 않은 적어도 두 개의 중간 코일을 포함하고,
상기 적어도 두 개의 중간 코일에 의해 상기 소스 코일의 실효 인덕턴스가 증가하여, 상기 소스 코일 및 상기 부하 코일 간의 결합 계수가 증가하며,
상기 적어도 두 개의 중간 코일 중 하나는 다른 하나의 안쪽에 위치하는 무선 전력 전달 시스템.
제1항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 중간 코일은,
완전히 상기 소스 코일의 안쪽에 위치하는 무선 전력 전달 시스템.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
적어도 두 개의 제1 공진 커패시터를 더 포함하고,
상기 적어도 두 개의 제1 공진 커패시터 각각은,
상기 적어도 두 개의 중간 코일 중 대응하는 하나의 양단에 연결되어 있는, 무선 전력 전달 시스템.
제5항에 있어서,
상기 1차측에서 입력 전압을 구형파로 변환하는 회로를 더 포함하고,
상기 입력 전압을 상기 구형파로 변환하기 위한 동작 주파수는,
상기 적어도 두 개의 중간 코일 중 어느 하나의 공진 주파수보다 낮은 주파수로 설정되는, 무선 전력 전달 시스템.
제6항에 있어서,
상기 공진 주파수는 상기 적어도 두 개의 중간 코일 중 하나의 누설 인덕턴스와 상기 적어도 두 개의 중간 코일 중 하나에 연결된 제1 공진 커패시터의 커패시턴스의 곱의 제곱근에 반비례하는, 무선 전력 전달 시스템.
제5항에 있어서,
상기 1차측에 비춰진 상기 적어도 두 개의 중간 코일 각각의 누설 인덕턴스는 상기 소스 코일의 누설 인덕턴스 및 자화 인덕턴스에 연결되고,
상기 1차측에 비춰진 상기 적어도 두 개의 중간 코일 각각의 누설 인덕턴스의 값은, 상기 소스 코일과 상기 적어도 두 개의 중간 코일 각각 간의 권선비 제곱에 상기 적어도 두 개의 중간 코일 각각의 누설 인덕턴스를 곱한 값인, 무선 전력 전달 시스템.
제5항에 있어서,
상기 1차측에 비춰진 상기 적어도 두 개의 제1 공진 커패시터 각각의 커패시턴스는 상기 1차측에 비춰진 상기 적어도 두 개의 중간 코일 각각의 누설 인덕턴스에 서로 직렬로 연결되고,
상기 1차측에 비춰진 상기 적어도 두 개의 제1 공진 커패시터 각각의 커패시턴스의 값은, 상기 적어도 두 개의 제1 공진 커패시터 각각의 커패시턴스를 상기 소스 코일과 상기 적어도 두 개의 중간 코일 각각 간의 권선비 제곱으로 나눈 값인, 무선 전력 전달 시스템.
제1항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 중간코일 각각이 상기 1차측에 비춰지고, 상기 소스 코일의 실효 인덕턴스는 상기 1차측에 비춰진 상기 적어도 두 개의 중간코일의 임피던스에 의해 적어도 두 번 부스트되는 무선 전력 전달 시스템.
제10항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 중간 코일 각각의 양단에 연결되어 있는 적어도 두 개의 제1 공진 커패시터를 더 포함하는 무선 전력 전달 시스템.
제11항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 중간 코일 각각 및 상기 적어도 두 개의 제1 공진 커패시터 각각에 기초한 공진 주파수에서 상기 소스 코일의 실효 인덕턴스의 부스트 효과가 발생하는 무선 전력 전달 시스템.
제12항에 있어서,
상기 소스 코일의 일단에 연결되어 일전극을 포함하는 제2 공진 커패시터를 더 포함하는 무선 전력 전달 시스템.
제13항에 있어서,
입력 전압을 변환하여 상기 제2 공진 커패시터의 타전극과 상기 소스 코일의 타단 사이에 구형파를 공급하는 회로를 더 포함하는 무선 전력 전달 시스템.
제13항에 있어서,
상기 부하 코일의 일단에 연결되어 있는 일전극을 제3 공진 커패시터를 더 포함하는 무선 전력 전달 시스템.
제15항에 있어서,
상기 제3 공진 커패시터의 타전극과 상기 부하 코일의 타단에 연결되어 있는 정류 회로를 더 포함하는 무선 전력 전달 시스템.
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