KR102272354B1 - 무선 전력 송신 및 수신 장치 - Google Patents

무선 전력 송신 및 수신 장치 Download PDF

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Abstract

무선 전력 송신 및 수신 장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는, 무선 전력 수신 장치에 무선으로 전력을 송신하는 무선 전력 송신 장치에 있어서, 입력전압을 변환하여 직류 전압을 출력하는 컨버터; 상기 컨버터에 연결되어 상기 컨버터에서 출력된 직류 전압을 교류 전력으로 변환하는 인버터; 상기 인버터에 연결되어 자기 공진 방식으로 상기 교류 전력을 송신하는 송신 공진기; 상기 송신 공진기에 연결되고, 자기 유도 방식으로 상기 교류 전력을 송신하는 송신 유도기; 및 상기 인버터를 제어하여 활성 주파수를 생성하며, 상기 활성 주파수에 의해 상기 송신 공진기와 상기 송신 유도기 중 하나를 활성화시키는 송신 제어부를 포함한다.

Description

무선 전력 송신 및 수신 장치{Apparatus for wireless power transmission}
본 발명은 무선 전력 송신 및 수신 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기 유도 및 자기 공진을 이용하여 무선으로 전력을 송신 또는 수신하는 무선 전력 송신 및 수신 장치에 관한 것이다.
전통적으로 무선 전력 수신장치들에게 유선으로 전기 에너지를 공급하는 방법 대신에, 최근에는 접촉 없이 무선으로 전기 에너지를 공급하는 방법이 사용된다.
무선으로 전기 에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선전력전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도 되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다.
도 1 및 도 2는 종래 무선 전력 송신 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 자기 유도를 이용한 무선 전력 송신 장치(12)는 벅 컨버터(120), 인버터(122) 및 자기 유도 송신기(124)를 포함한다.
벅 컨버터(120)는 입력 전압보다 낮은 직류 전압을 출력하고, 인버터(122)는 벅 컨버터(120)에 연결되어 상기 출력된 직류 전압을 교류 전력으로 변환하며, 자기 유도 송신기(124)는 자기 유도 방식으로 전력을 송신한다.
여기에서, 자기 유도 방식이란, 도체의 주변에서 자기장을 변화시켰을 때 전압이 유도되어 전류가 흐르는 현상을 이용하여 하나의 코일에서 다른 코일로 자기장을 통해 전류를 유도하는 방식이다.
한편, 자기 유도 방식은 소형 기기를 중심으로 상용화가 빠르게 진행되고 있으나, 코일 사이의 거리 및 상대적 위치에 매우 민감하여 두 코일 사이의 거리가 약간 떨어지거나 틀어져도 전송 효율이 급속히 떨어지고, 와전류에 의한 불필요하고 위험한 발열을 일으킬 수 있는 문제점이 있다.
도 2를 참조하면, 자기 공진을 이용한 무선 전력 송신 장치(11)는 부스트 컨버터(110), 인버터(112) 및 자기 공진 송신기(114)를 포함한다.
부스트 컨버터(110)는 입력 전압보다 높은 직류 전압을 출력하고, 인버터(112)는 부스트 컨버터(110)에 연결되어 상기 출력된 직류 전압을 교류 전력으로 변환하며, 자기 공진 송신기(114)는 자기 공진 방식으로 전력을 송신한다.
여기에서, 자기 공진 방식이란, 두 매체가 같은 주파수로 공진할 경우 전자파가 근거리 전자장을 통하여 한 매체에서 다른 매체로 이동하는 감쇄파 결합에 기반을 두어 두 매체 사이의 공진 주파수가 동일할 때 에너지가 전달되는 방식이다.
한편, 자기 공진 방식은 자기 유도 방식에 비하여 먼 거리까지 에너지를 전달할 수 있어 수 미터의 거리에서도 높은 전송 효율을 얻을 수 있으나, 송신 또는 수신 유도기의 부피가 크고 많은 열이 발생하는 문제점이 있다.
따라서, 상기 문제점을 해결하기 위해 자기 유도 방식과 자기 공진 방식을 혼합하여 사용하기 위한 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2011-0133813호(2011.12.14)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 과제는 자기 유도 방식과 자기 공진 방식을 혼합하여 무선으로 전력을 송신 또는 수신하는 무선 전력 송신 및 수신 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는, 무선 전력 수신 장치에 무선으로 전력을 송신하는 무선 전력 송신 장치에 있어서, 입력전압을 변환하여 직류 전압을 출력하는 컨버터; 상기 컨버터에 연결되어 상기 컨버터에서 출력된 직류 전압을 교류 전력으로 변환하는 인버터; 상기 인버터에 연결되어 자기 공진 방식으로 상기 교류 전력을 송신하는 송신 공진기; 상기 송신 공진기에 연결되고, 자기 유도 방식으로 상기 교류 전력을 송신하는 송신 유도기; 및 상기 인버터를 제어하여 활성 주파수를 생성하며, 상기 활성 주파수에 의해 상기 송신 공진기와 상기 송신 유도기 중 하나를 활성화시키는 송신 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 송신 공진기는, 상기 송신 공진기를 도통 또는 비도통시키는 송신 스위치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 컨버터는, 상기 입력 전압보다 높은 제1 직류 전압 또는 상기 입력 전압보다 낮은 제2 직류 전압을 출력하는 벅-부스트 컨버터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 송신 제어부는, 상기 무선 전력 수신 장치가 자기 공진 방식인 경우, 상기 제1 직류 전압을 출력시키도록 상기 벅-부스트 컨버터를 제어하고, 상기 무선 전력 수신 장치가 자기 유도 방식인 경우, 상기 제2 직류 전압을 출력시키도록 상기 벅-부스트 컨버터를 제어할 수 있다.
또한, 상기 송신 제어부는, 상기 무선 전력 수신 장치가 자기 공진 방식인 경우, 상기 컨버터에서 출력된 직류 전압을 통해 제1 활성 주파수를 생성하도록 상기 인버터를 제어하고, 상기 송신 스위치를 ON시켜 상기 송신 공진기를 활성화시키고, 상기 무선 전력 수신 장치가 자기 유도 방식인 경우. 상기 컨버터에서 출력된 직류 전압을 통해 제2 활성 주파수를 생성하도록 상기 인버터를 제어하고, 상기 송신 스위치를 OFF시켜 상기 송신 유도기를 활성화시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 활성 주파수는 6.78MHz이고, 상기 제2 활성 주파수는 110kHz 이상 357kHz 이하일 수 있다.
또한, 상기 송신 공진기는, 제1 공진 커패시터 및 상기 제1 공진 커패시터와 직렬 연결된 제1 공진 코일을 포함할 수 있다.
또한, 상기 송신 유도기는, 상기 송신 공진기에 직렬 연결된 제1 유도 커패시터 및 상기 송신 공진기에 병렬 연결된 제2 유도 코일을 포함할 수 있다.
또한, 상기 송신 공진기는, 상기 송신 유도기에 비해 고주파에 적합하도록 임피던스 매칭될 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는, 무선 전력 송신 장치로부터 무선으로 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치에 있어서, 자기 유도 방식으로 전력을 수신하는 수신 유도기; 상기 수신 유도기에 연결되고, 자기 공진 방식으로 전력을 수신하는 수신 공진기; 및 상기 전력 송신 장치의 활성 주파수에 따라 상기 수신 유도기와 상기 수신 공진기 중 하나를 활성화시키는 수신 제어부를 포함한다.
또한, 상기 수신 공진기는, 상기 수신 공진기를 도통 또는 비도통시키는 수신 스위치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수신 제어부는, 상기 무선 전력 송신 장치가 자기 공진 방식인 경우, 상기 수신 스위치를 ON시켜 상기 수신 공진기를 활성화시키고, 상기 무선 전력 송신 장치가 자기 유도 방식인 경우, 상기 스위치를 OFF시켜 상기 수신 유도기를 활성화시킬 수 있다.
또한, 상기 수신 공진기는, 제2 공진 커패시터 및 상기 제2 공진 커패시터와 직렬 연결된 제2 공진 코일을 포함할 수 있다.
또한, 상기 수신 유도기는, 상기 수신 공진기와 직렬 연결된 제2 유도 커패시터 및 상기 수신 공진기와 병렬 연결된 제2 유도 코일을 포함할 수 있다.
또한, 상기 수신 공진기는, 상기 수신 유도기에 비해 고주파에 적합하도록 임피던스 매칭될 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기와 같은 본 발명의 무선 전력 송신 및 수신 장치에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
본 발명에 따르면, 자기 유도 방식과 자기 공진 방식을 혼합하여 무선으로 전력을 송신 또는 수신할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래 무선 전력 송신 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 회로도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 공진기 및 송신 유도기의 주파수에 대한 임피던스 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)은 언급된 구성요소, 단계 및/또는 동작 이외에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계 및/또는 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용한다. 그리고, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 개략도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 회로도이다.
또한, 도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 공진기 및 송신 유도기의 주파수에 대한 임피던스 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(20)는 컨버터(converter, 210), 인버터(Inverter, 220), 송신 공진기(230), 송신 유도기 및 송신 제어부(250)를 포함하나, 이외 추가적인 구성을 배제하지 않는다.
무선 전력 송신 장치(20)는 무선 전력 수신 장치(30)에게 필요한 전력을 무선으로 전달할 수 있으며, 이 때, 무선 전력 송신 장치(20)는 무선 전력 수신 장치(30)를 충전하는 무선 충전 장치일 수 있으나, 이에 제한되지 않고 무선 전력 송신 장치(20)는 무선 전력 수신 장치(30)와 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 무선 전력 수신 장치(30)에 전력을 전달하는 여러가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.
컨버터(210)는 입력전압을 변환하여 직류 전압을 출력한다.
이 때, 컨버터(210)는 벅-부스트 컨버터(Buck-boost converter, 210)를 포함할 수 있다.
벅-부스트 컨버터(210)는 입력 직류 전원을 강압하거나 승압하는 것으로써, 입력전압보다 높은 제1 직류 전압 또는 상기 입력전압보다 낮은 제2 직류 전압을 출력할 수 있다.
인버터(220)는 컨버터(210)에 연결되어 상기 컨버터에서 출력된 직류 전압을 교류 전력으로 변환할 수 있다.
이 때, 인버터(220)는 컨버터(210)에서 출력된 직류 전압을 고주파인 제1 활성 주파수 또는 저주파인 제2 활성주파수를 가지는 교류 전력으로 변환할 수 있다.
또한, 컨버터(210)가 벅-부스트 컨버터인 경우, 인버터(220)는 벅-부스트 컨버터(210)에서 출력된 제1 직류 전압을 고주파인 제1 활성 주파수를 가지는 교류 전력으로 변환하거나, 벅-부스트 컨버터(210)에서 출력된 제2 직류 전압을 저주파인 제2 활성 주파수를 가지는 교류 전력으로 변환할 수 있다.
여기에서, 제1 활성 주파수는 6.78MHz이고, 제2 활성 주파수는 110kHz 이상 357kHz 이하일 수 있으나, 제1 활성 주파수가 제2 활성주파수에 비해 고주파라면 상기 수치에 제한되지 않고 다양하게 변경되어 적용될 수 있다.
송신 공진기(230)는 인버터(220)에 연결되어 자기 공진 방식으로 인버터(220)에서 변환된 교류 전력을 무선 전력 수신 장치에 송신한다.
도 5를 참조하면, 송신 공진기(230)는 제1 공진 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00001
), 제1 공진 코일(
Figure 112014114612633-pat00002
) 및 송신 스위치(
Figure 112014114612633-pat00003
)를 포함할 수 있다.
이 때, 제1 공진 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00004
) 및 제1 공진 코일(
Figure 112014114612633-pat00005
)은 송신 공진기(230)가 제1 활성 주파수에 적합하도록 임피던스 매칭 설계될 수 있다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이 제1 공진 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00006
) 및 제1 공진 코일(
Figure 112014114612633-pat00007
)은 송신 공진기(230)가 6.78MHz 주파수에 적합하도록 임피던스를 매칭 설계될 수 있다. 즉, 송신 공진기(230)는 6.78MHz 주파수 부근에서 가장 낮은 임피던스를 가질 수 있다.
다만, 송신 공진기(230)가 제1 활성 주파수에 적합하도록 임피던스 매칭될 수 있다면, 송신 공진기(230)에 구비되는 제1 공진 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00008
) 및 제1 공진 코일(
Figure 112014114612633-pat00009
)은 본 발명의 기술분야에서 통상의 기술자가 적용 가능한 수치를 가지는 커패시터 및 코일을 포함한다.
여기에서 자기 공진 방식이란, 송신 공진기(230)와 무선 전력 수신 장치가 같은 주파수로 공진함으로써 전자파가 근거리 전자장을 통해 송신 공진기(230)에서 무선 전력 수신 장치로 이동하는 것을 의미한다.
송신 스위치(
Figure 112014114612633-pat00010
)는 송신 공진기(230)를 도통 또는 비도통시킬 수 있다. 자세한 동작에 대하여는 후술한다.
송신 유도기(240)는 송신 공진기(230)에 연결되고, 자기 유도 방식으로 상기 교류 전력을 송신한다.
예를 들어, 도 4를 참조하면, 송신 유도기(240)가 송신 공진기(230)의 내부에 위치하는 동시에 송신 유도기(240)와 송신 공진기(230)가 연결되어 공간 효율성을 향상시킬 수 있으나, 이는 일 예에 불과할 뿐 다양하게 변경하여 적용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 송신 유도기(240)은 송신 공진기(230)에 직렬 연결된 제1 유도 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00011
) 및 송신 공진기(230)에 병렬 연결된 제1 유도 코일(
Figure 112014114612633-pat00012
)을 포함한다.
예를 들어, 제1 유도 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00013
) 및 제1 유도 코일(
Figure 112014114612633-pat00014
)은 송신 유도기(240)가 110kHz 이상 357kHz 이하 주파수에 적합하도록 임피던스 매칭 설계될 수 있다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이 송신 유도기(240)는 110kHz 주파수 부근에서 가장 낮은 임피던스를 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
다만, 송신 유도기(240)가 제2 활성 주파수에 적합하도록 임피던스 매칭될 수 있다면, 송신 유도기(240)에 구비되는 제1 유도 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00015
) 및 제1 유도 코일(
Figure 112014114612633-pat00016
) 본 발명의 기술분야에서 통상의 기술자가 적용 가능한 수치를 가지는 커패시터 및 코일을 포함한다.
이 때, 제1 공진 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00017
)는 제1 유도 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00018
)보다 큰 임피던스를 갖도록 설계될 수 있다.
여기에서 자기 유도 방식이란, 송신 유도기(240) 주변의 자기장을 변화시켰을 때 무선 전력 수신 장치에 전압이 유도되어 전류가 흐르는 것을 의미한다.
송신 제어부(250)는 인버터(220)를 제어하여 활성 주파수를 생성하며, 상기 활성 주파수에 의해 송신 공진기(230)와 송신 유도기(240) 중 하나를 활성화시킨다.
이 때, 송신 제어부(250)는 무선 전력 송신 장치(20)와 무선 전력 수신 장치(30)의 거리 및/또는 무선 전력 수신 장치(30)의 유무나 종류(예를 들어, 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식)를 판단하여 이에 따라 인버터(220) 및 송신 공진기(230)를 제어한다.
예를 들어, 무선 전력 수신 장치(30)가 자기 공진 방식을 이용하여 전력을 수신하는 장치인 경우, 송신 제어부(250)는 컨버터(210)에서 출력된 직류 전압을 통해 제1 활성 주파수를 생성하도록 인버터(220)를 제어하고, 송신 스위치(
Figure 112014114612633-pat00019
)를 ON시켜 송신 공진기(230)를 도통시킨다.
이 경우, 송신 공진기(230)가 송신 유도기(240)에 비해 고주파에 적합하도록 임피던스 매칭되므로, 송신 유도기(240)의 제1 유도 코일(
Figure 112014114612633-pat00020
)이 오픈(open)되는 것과 동일한 현상이 일어나 제1 유도 코일(
Figure 112014114612633-pat00021
)의 특성은 무시되고, 송신 유도기(240)의 제1 유도 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00022
)의 임피던스가 송신 공진기(230)의 제1 공진 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00023
)의 임피던스보다 작게 설계되어 제1 유도 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00024
)의 특성이 무시될 수 있으므로, 송신 공진기(230)만 활성화된다.
이와 반대로, 무선 전력 수신 장치(30)가 자기 유도 방식을 이용하여 전력을 수신하는 장치인 경우, 송신 제어부(250)는 컨버터(210)에서 출력된 직류 전압을 통해 제2 활성 주파수를 생성하도록 인버터(220)를 제어하고, 송신 스위치(
Figure 112014114612633-pat00025
)를 OFF시켜 송신 유도기(240)를 활성화 시킨다.
이 때, 송신 제어부(250)는 인버터(220)에서 제1 활성 주파수 또는 제2 활성 주파수를 가지는 교류 전력을 생성하기 위해 인버터(220) 내부에 위치한 스위치(M1, M2)의 ON/OFF 속도를 조절할 수 있으나, 송신 제어부(250)가 제1 활성 주파수 또는 제2 활성 주파수를 출력하도록 인버터(220)를 제어할 수 있다면 인버터(220)의 제어 방법은 이에 제한되지 않는다.
또한, 컨버터(210)가 벅-부스트 컨버터인 경우, 송신 제어부(250)는 벅-부스트 컨버터(210)를 제어할 수 있다.
즉, 무선 전력 수신 장치(30)가 자기 공진 방식을 이용하여 전력을 수신하는 장치인 경우 송신 제어부(250)는 제1 직류 전압을 출력시키도록 벅-부스트 컨버터(210)를 제어하고, 무선 전력 수신 장치(30)가 자기 유도 방식을 이용하여 전력을 수신하는 장치인 경우 송신 제어부(250)는 제2 직류 전압을 출력시키도록 벅-부스트 컨버터(210)를 제어한다.
따라서, 자기 공진 방식으로 전력을 송신하는 경우 입력 전압보다 높은 제1 직류 전압을 통해 인버터(220)에서 출력되는 전력의 피크치를 높여 비교적 먼 거리에 전력을 송신할 수 있도록 하고, 비교적 가까운 거리에 전력을 송신하는 자기 유도 방식으로 전력을 송신하는 경우 입력 전압보다 낮은 제2 직류 전압을 통해 전력 효율을 향상시킬 수 있다.
다만, 제1 직류 전압은 자기 공진 방식으로 전력을 송신하기 위해 인버터(220)로 입력되는 직류 전압의 수치이고, 제2 직류 전압은 자기 유도 방식으로 전력을 송신하기 위해 인버터(220)로 입력되는 직류 전압의 수치에 부합하다면 제1 직류 전압 및 제2 직류 전압의 크기는 제한되지 않는다.
또한, 송신 제어부(250)는 송신 공진기(230) 및/또는 송신 유도기(240)에서 형성되는 무선 전력 신호를 이용하거나 별도로 구비된 센서 또는 무선 전력 수신 장치의 식별정보 등에 의해 무선 전력 송신 장치(20)와 무선 전력 수신 장치(30)의 거리 및/또는 무선 전력 수신 장치(30)의 유무나 종류를 판단할 수 있다.
다만, 무선 전력 송신 장치(20)와 무선 전력 수신 장치(30)의 거리 및/또는 무선 전력 수신 장치(30)의 유무나 종류를 판단할 수 있다면, 송신 제어부(250)의 구성 및 동작은 이에 제한되지 않고 사용자가 직접 무선 전력 수신 장치(30)의 종류 등을 송신 제어부(230)에 입력해주는 등 본 발명의 기술분야에서 통상의 기술자가 적용 가능한 모든 구성 및 동작을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(20)는 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합(Inductive Coupling) 방식과 특정 주파수의 무선 전력 신호에 의하여 발생하는 전자기적 공진 현상에 기초한 공진 결합(Electromagnetic Resonance Coupling) 방식을 혼합하여 무선 전력 수신 장치(30)에 전력을 송신할 수 있으므로, 공간 효율성이 향상되며 회로 부품이 감소되어 제작 비용을 줄일 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 블록도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치의 구성을 개략적으로 도시하는 회로도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치(30)는 수신 유도기(310), 수신 공진기(320) 및 수신 제어부(330)를 포함하나, 이외 추가적인 구성을 배제하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에서 설명되는 무선 전력 수신 장치(30)는 휴대가 가능한 모든 전자 기기, 예컨대 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 출력장치 등의 입출력장치를 비롯하여, 휴대폰, 셀룰러폰, 스마트 폰(smart phone), PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player)와, 태블릿, 혹은 멀티 미디어 기기 등을 포괄하는 의미로 해석될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
수신 공진기(320)는 자기 공진 방식으로 무선 전력 송신 장치(20)로부터 전력을 수신한다.
도 9를 참조하면, 수신 공진기(320)는 제2 공진 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00026
), 제2 공진 코일(
Figure 112014114612633-pat00027
) 및 수신 스위치(
Figure 112014114612633-pat00028
)를 포함할 수 있다.
이 때, 제2 공진 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00029
) 및 제2 공진 코일(
Figure 112014114612633-pat00030
)은 수신 공진기(320)가 수신 유도기(310)에 비해 높은 주파수에 적합하도록 임피던스 매칭 설계될 수 있다.
예를 들어, 제2 공진 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00031
) 및 제2 공진 코일(
Figure 112014114612633-pat00032
)은 수신 공진기(320)가 6.78MHz의 주파수에 적합하도록 임피던스 매칭 설계될 수 있다.
수신 스위치(
Figure 112014114612633-pat00033
)는 수신 공진기(320)를 도통 또는 비도통 시킬 수 있으며, 이에 대한 자세한 동작에 대하여는 후술한다.
수신 유도기(310)는 수신 공진기(320)에 연결되고, 자기 유도 방식으로 무선 전력 송신 장치(20)로부터 전력을 수신한다.
도 9를 참조하면, 수신 유도기(310)는 수신 공진기(320)와 직렬 연결된 제2 유도 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00034
) 및 수신 공진기(320)와 병렬 연결된 제2 유도 코일(
Figure 112014114612633-pat00035
)을 포함할 수 있다.
이 때, 제2 유도 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00036
) 및 제2 유도 코일(
Figure 112014114612633-pat00037
)은 수신 유도기(310)가 110kHz 이상 357kHz 이하 주파수에 적합하도록 임피던스 매칭 설계될 수 있다.
또한, 제2 공진 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00038
)는 제2 유도 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00039
)에 비해 큰 임피던스를 갖도록 설계될 수 있다.
다만, 수신 공진기(320)가 수신 유도기(310)에 비해 고주파에 적합하도록 임피던스 매칭될 수 있다면, 제1 공진 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00040
), 제1 공진 코일(
Figure 112014114612633-pat00041
), 제2 유도 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00042
) 및 제2 유도 코일(
Figure 112014114612633-pat00043
)은 본 발명의 기술분야에서 통상의 기술자가 적용 가능한 수치를 가지는 커패시터 및 코일을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치(30)는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(20)와 같이 수신 유도기(310)가 수신 공진기(320)의 내부에 위치하는 동시에 수신 유도기(310)와 수신 공진기(320)가 연결되어 공간 효율성을 향상시킬 수 있으나, 이는 일 예에 불과할 뿐 다양하게 변경하여 적용될 수 있다.
수신 제어부(330)는 전력 송신 장치의 활성 주파수에 따라 수신 유도기(310)와 수신 공진기(320) 중 하나를 활성화 시킨다.
이 때, 수신 제어부(330)는 무선 전력 송신 장치(20)와 무선 전력 수신 장치(30)의 거리 및/또는 무선 전력 송신 장치(30)의 유무나 종류(예를 들어, 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식)를 판단하여 이에 따라 수신 공진기(320) 및 수신 유도기(310)를 제어한다.
예를 들어, 무선 전력 송신 장치(20)가 자기 공진 방식을 이용하여 전력을 송신하는 장치인 경우, 수신 제어부(330)는 수신 스위치(
Figure 112014114612633-pat00044
)를 ON시켜 수신 공진기(320)를 도통시킨다.
이 경우, 수신 공진기(320)가 수신 유도기(310)에 비해 고주파에 적합하도록 임피던스 매칭되므로, 수신 유도기(310)의 제2 유도 코일(
Figure 112014114612633-pat00045
)이 오픈(open)되는 것과 동일한 현상이 일어나 제2 유도 코일(
Figure 112014114612633-pat00046
)의 특성은 무시되고, 수신 유도기(310)의 제2 유도 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00047
)의 임피던스가 수신 공진기(320)의 제2 공진 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00048
)의 임피던스보다 작게 설계되어 제2 유도 커패시터(
Figure 112014114612633-pat00049
)의 특성이 무시될 수 있으므로, 수신 공진기(320)만 활성화된다.
이와 반대로, 무선 전력 송신 장치(20)가 자기 유도 방식을 이용하여 전력을 송신하는 장치인 경우, 수신 제어부(330)는 수신 스위치(
Figure 112014114612633-pat00050
)를 OFF시켜 수신 공진기(320)를 비도통시키고 수신 유도기(310)만을 활성화시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치(30)는 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합(Inductive Coupling) 방식과 특정 주파수의 무선 전력 신호에 의하여 발생하는 전자기적 공진 현상에 기초한 공진 결합(Electromagnetic Resonance Coupling) 방식을 혼합하여 무선 전력 수신 장치(30)에 전력을 송신할 수 있으므로, 공간 효율성이 향상되며 회로 부품이 감소되어 제작 비용을 줄일 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
11, 12: 종래 무선 전력 송신 장치
20: 무선 전력 송신 장치
30: 무선 전력 수신 장치
210: 벅-부스트 컨버터
220: 인버터
230: 송신 공진기
240: 송신 유도기
250: 송신 제어부
310: 수신 유도기
320: 수신 공진기
330: 수신 제어부

Claims (9)

  1. 무선 전력 수신 장치에 무선으로 전력을 송신하는 무선 전력 송신 장치에 있어서,
    입력전압을 변환하여 직류 전압을 출력하는 컨버터;
    상기 컨버터에 연결되어 상기 컨버터에서 출력된 직류 전압을 복수의 활성 주파수 중 어느 하나의 활성 주파수를 가지는 교류 전력으로 변환하는 인버터;
    상기 인버터에 연결되어 자기 공진 방식으로 상기 교류 전력을 송신하는 송신 공진기;
    상기 송신 공진기에 연결되고, 자기 유도 방식으로 상기 교류 전력을 송신하는 송신 유도기; 및
    상기 무선 전력 수신 장치의 종류를 판단하고, 상기 인버터를 제어하여 상기 판단된 종류에 대응되는 활성 주파수를 생성하며, 상기 생성된 활성 주파수에 따라 상기 송신 공진기와 상기 송신 유도기 중 하나를 활성화시키는 송신 제어부를 포함하며,
    상기 송신 공진기와 상기 송신 유도기는 서로 다른 활성 주파수에 임피던스 매칭되고,
    상기 송신 공진기는, 상기 생성된 활성 주파수에 따라 상기 송신 공진기를 도통 또는 비도통시키는 송신 스위치를 제어하여 상기 송신 공진기 및 상기 송신 유도기 중 어느 하나를 활성화시키는 무선 전력 송신 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 컨버터는,
    상기 입력 전압보다 높은 제1 직류 전압 또는 상기 입력 전압보다 낮은 제2 직류 전압을 출력하는 벅-부스트 컨버터를 포함하는, 무선 전력 송신 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 송신 제어부는,
    상기 무선 전력 수신 장치가 자기 공진 방식인 경우, 상기 제1 직류 전압을 출력시키도록 상기 벅-부스트 컨버터를 제어하고,
    상기 무선 전력 수신 장치가 자기 유도 방식인 경우, 상기 제2 직류 전압을 출력시키도록 상기 벅-부스트 컨버터를 제어하는, 무선 전력 송신 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 제어부는,
    상기 무선 전력 수신 장치가 자기 공진 방식인 경우, 상기 컨버터에서 출력된 직류 전압을 통해 제1 활성 주파수를 생성하도록 상기 인버터를 제어하고, 상기 송신 스위치를 ON시켜 상기 송신 공진기를 활성화시키고,
    상기 무선 전력 수신 장치가 자기 유도 방식인 경우. 상기 컨버터에서 출력된 직류 전압을 통해 제2 활성 주파수를 생성하도록 상기 인버터를 제어하고, 상기 송신 스위치를 OFF시켜 상기 송신 유도기를 활성화시키는, 무선 전력 송신 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 활성 주파수는 6.78MHz이고,
    상기 제2 활성 주파수는 110kHz 이상 357kHz 이하인, 무선 전력 송신 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 공진기는,
    제1 공진 커패시터 및 상기 제1 공진 커패시터와 직렬 연결된 제1 공진 코일을 포함하는, 무선 전력 송신 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 유도기는,
    상기 송신 공진기에 직렬 연결된 제1 유도 커패시터 및 상기 송신 공진기에 병렬 연결된 제2 유도 코일을 포함하는, 무선 전력 송신 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 공진기는,
    상기 송신 유도기에 비해 고주파에 임피던스 매칭되는, 무선 전력 송신 장치.
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