KR102428009B1 - 무선 전력 송신 장치 - Google Patents

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KR102428009B1
KR102428009B1 KR1020150130545A KR20150130545A KR102428009B1 KR 102428009 B1 KR102428009 B1 KR 102428009B1 KR 1020150130545 A KR1020150130545 A KR 1020150130545A KR 20150130545 A KR20150130545 A KR 20150130545A KR 102428009 B1 KR102428009 B1 KR 102428009B1
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최영운
허태원
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주식회사 위츠
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    • H04B5/0025—Near field system adaptations
    • H04B5/0037—Near field system adaptations for power transfer

Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는, 교류 전원을 정류하는 정류부; 상기 정류된 교류 전원을 직류 전력으로 저장하는 입력 커패시터; 상기 직류 전력의 전압을 분압하는 분압부; 및 상기 분압부에 의해 분압된 전압을 이용하여 전력을 무선으로 송신하는 무선 전력 송신부를 포함할 수 있다.

Description

무선 전력 송신 장치{WIRELESS POWER TRANSMITTER}
본 출원은, 무선 전력 송신 장치에 관한 것이다.
현재 무선 전력 전송(Wireless Power Transfer) 기술은 스마트폰을 비롯한 다양한 통신 기기의 충전기 분야에 폭넓게 적용되고 있는 추세이다.
무선 전력 전송 기술은 크게 자기 유도 방식과 자기 공진 방식이 개발되고 있다. WPC(Wireless Power Consortium) 표준 방식에 따른 자기 유도 방식은 110kHz~205kHz의 주파수를 사용하고 있으며, A4WP(Alliance for Wireless Power) 표준 방식에 따른 자기 공진 방식은 6.78MHz의 주파수를 사용하고 있다.
자기 유도 방식을 이용할 경우 원거리 무선 충전이 어려운 단점이 있고, 자기 공진 방식을 이용할 경우 회로가 복잡해지거나 공진 주파수가 하나로 고정되어 있음으로 인해 무선 전력 수신에 한계가 있다는 문제점이 있었다.
한국 실용신안공보 제 0217303호 한국 공개특허공보 제 2015-0049858호
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 무선 전력 송신 장치의 효율을 개선하고 소형화 및 스위칭 손실과 스위칭 스트레스를 저감할 수 있는 무선 전력 송신 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 교류 전원을 정류하는 정류부; 상기 정류된 교류 전원을 직류 전력으로 저장하는 입력 커패시터; 상기 입력 커패시터에 저장된 직류 전력의 전압을 분압하고 제1 무선 통신 방식에 따라 전력을 전송하는 제1 무선 전력 송신부; 및 상기 입력 커패시터에 저장된 직류 전력의 전압을 분압하고 제2 무선 통신 방식에 따라 전력을 전송하는 제2 무선 전력 송신부를 포함하는 무선 전력 송신 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 무선 전력 송신 장치의 효율이 개선될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 낮은 정격 전압을 입력으로 하여 고주파 스위칭이 가능하므로, 무선 전력 송신 장치의 소형화 및 스위칭 손실과 스위칭 스트레스가 저감될 수 있다.
도 1은 무선 전력 송신 장치 및 수신 장치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 이종의 표준에 따라 전력 송신이 가능한 무선 전력 송신 장치의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 회로도이다.
도 4 및 도 5는 스위칭 듀티에 따른 고조파 성분을 비교하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 회로도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 예는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다.
또한, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 구성은 동일한 하위 구성을 포함하고 동일한 동작을 가지는 요소이다.
도 1은 무선 전력 송신 장치 및 수신 장치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신 장치는 교류 전원(10), AC-DC 어댑터(20), 무선 전력 송신부(30)를 포함할 수 있다. 또한, 수신 장치(40)는 수신 코일(41) 및 배터리(42)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 무선 전력 송신 장치 중 AC-DC 어댑터(20)는 교류 전원(10)으로부터 제공되는 교류 전원을 정류하는 정류부(21), 정류부(21)에 의해 정류된 전원을 직류 전원으로 변환하는 AC/DC 플라이백 컨버터(22) 및 AC/DC 플라이백 컨버터(22)를 스위칭하는 제1 컨트롤러(23)를 포함한다.
한편, 무선 전력 송신 장치 중 무선 전력 송신부(30)는 AC/DC 어댑터(20)에 의해 변환된 직류 전원을 무선 전력에 적합한 교류 전원으로 변환하는 DC/AC 컨버터(31), AC/DC 컨버터(31)에 의해 변환된 교류 전원에 기초하여 전력을 무선으로 송신하는 송신 코일(32) 및 DC/AC 컨버터(31)를 스위칭하는 제2 컨트롤러(33)를 포함할 수 있다.
한편, 무선 전력 수신 장치는 수신 코일(41) 및 배터리(42)를 포함할 수 있으며, 송신 코일(32)에 의해 무선으로 송신된 전력을 수신한 후 배터리(42)를 충전할 수 있다.
가. 제1 실시 예
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 이종의 표준에 따라 전력 송신이 가능한 무선 전력 송신 장치의 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신 장치는 교류 전원(10), 정류부(210), 입력 커패시터(220), 분압부(225), 제1 무선 전력 송신부(230) 및 제2 무선 전력 송신부(240)를 포함할 수 있다.
그리고, 분압부(225)는 제1 커패시터(CDC1) 및 제2 커패시터(CDC2)를 포함할 수 있다. 또한, 제1 무선 전력 송신부(230)는 제1 직류-교류 변환부(231) 및 제1 송신 공진부(232)를, 제2 무선 전력 송신부(240)는 제2 직류-교류 변환부(241) 및 제2 송신 공진부(242)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 정류부(210)는 교류 전원(10)에 의해 제공되는 교류 전원을 정류하며, 정류된 교류 전원은 입력 커패시터(220)에 직류 전력으로 저장될 수 있다.
한편, 제1 커패시터(CDC1)는 입력 커패시터(220)에 저장된 직류 전력의 전압을 분압하여 제1 분압 전력을 저장하고, 제1 무선 전력 송신부(230)는 제1 분압 전력을 이용하여 전력을 무선으로 송신할 수 있다.
구체적으로, 제1 직류-교류 변환부(231)는 제1 분압 전력의 전압을 무선 전력 전송을 위한 제1 출력 전압으로 변환하며, 상기 제1 출력 전압에 의한 전력은 제1 송신 공진부(232)에 의해 수신측으로 무선 전송될 수 있다.
여기서, 제1 직류-교류 변환부(231)는 도 2에 도시된 바와 같이 2개의 스위치(S1, S2)가 직렬 연결된 하프 브리지 타입이 사용될 수 있고, 도 2에 도시되지 않았지만 풀 브리지 타입이 사용될 수 있다. 또한, 제1 송신 공진부(232)는 공진 주파수를 결정하기 위한 커패시터(Cr1)와 인덕터(Tx1)로 구성되어 제1 공진 주파수를 결정할 수 있다. 한편, 상기 인덕터(Tx1)는 송신을 위한 코일의 형태가 될 수 있다.
마찬가지로, 제2 커패시터(CDC2)는 입력 커패시터(220)에 저장된 직류 전력의 전압을 분압하여 제2 분압 전력을 저장하고, 제2 무선 전력 송신부(240)는 제2 분압 전력을 이용하여 전력을 무선으로 송신할 수 있다.
구체적으로, 제2 직류-교류 변환부(241)는 제2 분압 전력의 전압을 무선 전력 전송을 위한 제2 출력 전압으로 변환하며, 상기 제2 출력 전압에 의한 전력은 제2 송신 공진부(242)에 의해 수신측으로 무선 전송될 수 있다.
여기서, 제2 직류-교류 변환부(241)는, 도 2에 도시된 바와 같이 2개의 스위치(S3, S4)가 직렬 연결된 하프 브리지 타입이 사용될 수 있고, 도 2에 도시되지 않았지만 풀 브리지 타입이 사용될 수 있다. 또한, 제2 송신 공진부(242)는 공진 주파수를 결정하기 위한 커패시터(Cr2)와 인덕터(Tx2)로 구성되어 제2 공진 주파수를 결정할 수 있다. 한편, 상기 인덕터(Tx2)는 송신을 위한 코일의 형태가 될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 제1 공진 주파수(fr1)과 제2 공진 주파수(fr2)는 서로 상이한 공진 주파수일 수 있다. 예를 들면, 제1 공진 주파수(fr1)는 WPC(Wireless Power Consortium) 표준 주파수 또는 PMA(Power Matters Alliance) 표준 주파수일 수 있으며, 제2 공진 주파수(fr2)는 A4WP(Alliance for Wireless Power) 표준 주파수일 수 있다. 상기 WPC 표준 주파수는 110kHz 내지 205kHz이고, 상기 PMA 표준 주파수는 277kHz 내지 357kHz이고, 상기 A4WP 표준 주파수는 6.78MHz일 수 있다.
즉, 상술한 제1 무선 전력 송신부(230)는, 자기 유도 방식에 따른 무선 충전 표준, 예를 들면 WPC(Wireless Power Consortium) 또는 PMA(Power Matters Alliance) 표준에 따라 전력을 무선으로 송신할 수 있고, 상술한 제2 무선 전력 송신부(240)는, 자기 공진 방식에 따른 무선 충전 표준, 예를 들면 A4WP 표준에 따라 전력을 무선으로 송신할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 예에 의하면, 기존의 AC-DC 어댑터를 제거하여 단일 스테이지로 구성함으로써, 무선 전력 송신 장치의 효율을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 제1 실시 예에 의하면, 커패시터를 이용하여 기존의 높은 입력 전압을 낮은 전압으로 분압하여 이용함으로써, 커패시터나 스위칭 소자의 크기를 소형화할 수 있다. 특히 낮은 정격 전압과 높은 스위칭 주파수(6.78MHz)를 요구하는 A4WP 방식에 있어서 스위칭 손실과 스위칭 스트레스를 저감할 수 있다.
나. 제2 실시 예
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 회로도이다. 도 4 및 도 5는 스위칭 듀티에 따른 고조파 성분을 비교하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 교류 전원(10), 정류부(210), 입력 커패시터(220), 직렬 연결된 다수의 커패시터를 포함하는 분압부(310), 직류-교류 변환부(231) 및 송신 공진부(232)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 분압부(310)는 복수의 커패시터들(CDDC1 내지 CDC3) 및 커패시터 스위치(301)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 정류부(210)는 교류 전원(10)에 의해 제공되는 교류 전원을 정류하며, 정류된 교류 전원은 입력 커패시터(220)에 직류 전력으로 저장될 수 있다.
한편, 분압부(310)는 입력 커패시터(220)에 저장된 직류 전력의 전압을 커패시터의 비에 따라 분압한 후, 복수의 커패시터들(CDDC1 내지 CDC3) 각각에 저장할 수 있다.
커패시터 스위치(301)는 직류-교류 변환부(231)의 입력단을 커패시터들(CDDC1 내지 CDC3) 중 어느 하나에 연결함으로서, 직류-교류 변환부(231)로 입력되는 입력 전압(Vi)의 크기를 가변시킬 수 있다.
직류-교류 변환부(331)는 입력 전압(Vi)을 이용하여 무선 전력 전송을 위한 출력 전압을 출력하며, 상기 출력 전압에 의한 전력은 송신 공진부(232)에 의해 수신측으로 무선 전송될 수 있다.
여기서, 직류-교류 변환부(231)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 2개의 스위치가 직렬 연결된 하프 브리지 타입이 사용될 수 있다. 또한, 송신 공진부(242)는 공진 주파수를 결정하기 위한 커패시터(Cr)와 인덕터(Tx)로 구성되어 공진 주파수를 결정할 수 있다.
여기서, 직류-교류 변환부(231)로부터 원하는 출력 전원의 전압(Vo, 이하, 출력 전압)을 얻기 위해서는 직류-교류 변환부(231)에 포함된 스위치(S1 내지 S2)의 스위칭 듀티를 조절하는 방법과 직류-교류 변환부(231)의 입력 전압(Vi)의 크기를 가변시키는 방법이 있다.
하지만, 일반적으로 스위칭 듀티에 따라 고조파 성분이 달라질 수 있다.
구체적으로, 도 4 및 도 5는 스위칭 듀티에 따른 고조파 성분을 비교하기 위한 도면으로, 도 4 및 도 5의 (a)는 시간 영역(Time Domain)에서의 직류-교류 변환부(331)의 출력 전압(Vo)을, 도 4 및 도 5의 (b)는 주파수 영역(Frequency Domain)에서의 직류-교류 변환부(331)의 출력 전압(Vo)을 도시한 도면이다.
또한, 도 4는 스위칭 듀티가 0.27인 출력 전압(Vo)을 도시한 도면이고 도 5는 스위칭 듀티가 0.5인 출력 전압(Vo)을 도시한 도면이다.
스위칭 듀티가 0.5인 경우는, 예를 들면 스위칭 듀티가 0.27인 경우에 비해 작은 고조파 성분을 가짐을 알 수 있다. 이러한 이유로 스위칭 듀티가 0.5 부근일 때 고조파 손실이나 EMI 문제를 감소시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 직류-교류 변환부(231)의 스위칭 듀티를 0.5로 고정시킨 상태에서 원하는 직류-교류 변환부(231)의 출력 전압(Vo)을 얻기 위한 직류-교류 변환부(231)의 입력 전압(Vi)의 크기를 결정한다. 이후 결정된 입력 전압(Vi)의 크기를 만족시키도록 커패시터 스위치(301)를 제어하여 직류-교류 변환부(331)의 입력단을 커패시터들(CDC1 내지 CDC3) 중 어느 하나에 연결할 수 있다.
예를 들면, 도 3과 같이 분압부(310)가 직렬 연결된 3개의 커패시터(CDC1 내지 CDC3)를 포함하고, 3개의 커패시터들(CDC1 내지 CDC3) 각각의 용량이 동일하다고 가정하면, 노드 1(N1)의 전압은 Vdc/3, 노드 2(N2)의 전압은 2Vdc/3, 노드 3(N3)의 전압은 Vdc가 될 수 있으며, 직류-교류 변환부(331)의 입력 전압(Vi)의 크기가 Vdc/3, 2Vdc/3 및 Vdc 중 어느 하나가 되도록 커패시터 스위치(301)를 제어할 수 있다.
다만, 상술한 실시 예에서 각 노드(N1 내지 N3)의 전압은 이산적(discrete)인 값을 가지기 때문에, 원하는 입력 전압(Vi)의 크기를 정확히 만족시킬 수 없다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 원하는 입력 전압(Vi)에 가장 근사한 값이 되도록 커패시터들을 결정하고, 원하는 직류-교류 변환부(320)의 출력 전압(Vo)을 얻기 위해 직류-교류 변환부(331)의 스위칭 듀티를 0.5를 중심으로 미세하게 제어할 수 있다.
또는, 본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 분압부(310)를 직렬 연결된 2개의 커패시터로 구성하되, 2개 중 하나는 가변 커패시터로 함으로써, 더욱 정밀하게 원하는 입력 전압(Vi)의 크기를 맞출 수도 있을 것이다.
다. 제3 실시 예
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 회로도로, 도 3의 분압부(310)를 도 2의 제1 무선 전력 송신부 및 제2 무선 전력 송신부(230, 240, 도 2)에 적용한 것이다. 따라서, 중복되는 구성 및 동작에 대한 서술은 생략한다.
구체적으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 분압부는 제1 분압부(610) 및 제2 분압부(620)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 무선 전력 송신부(630)는 제1 직류-교류 변환부(231) 및 제1 송신 공진부(232)를, 제2 무선 전력 송신부(640)는 제2 직류-교류 변환부(241) 및 제2 송신 공진부(242)를 포함할 수 있다.
제1 분압부(610)는 복수의 커패시터들로 이루어지는 제1 커패시터 가변부(611) 및 제1 커패시터 스위치(612)를 포함하고, 제2 분압부(620)는 복수의 커패시터들로 이루어지는 제2 커패시터 가변부(621) 및 제2 커패시터 스위치(622)를 포함할 수 있다.
제1 커패시터 가변부(611)는 입력 커패시터(Cin)에 저장된 직류 전력의 전압을 분압하여 저장하는 복수의 캐패시터들을 포함할 수 있고, 제1 커패시터 스위치(612)는 제1 직류-교류 변환부(231)의 입력단을 상기 복수의 커패시터들 중 하나의 커패시터의 일단에 연결하도록 제어될 수 있다.
즉, 제1 분압부(610)는 복수의 커패시터들에 저장된 분압된 복수의 직류 전압 중 하나의 전압을 제1 입력 전압(Vi1)으로 선택할 수 있다.
제1 커패시터 스위치(612)를 이용하여 제1 직류-교류 변환부(231)의 제1 입력 전압(Vi1)을 가변시키는 방법은 도 3에서 설명한 바와 같으므로 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 제1 무선 전력 송신부(630)는 상기 제1 입력 전압(Vi1)을 이용하여 전력을 무선으로 송신할 수 있다.
구체적으로, 제1 직류-교류 변환부(231)는 제1 입력 전압(Vi1)을 무선 전력 전송을 위한 제1 출력 전압(Vo1)으로 변환할 수 있고, 제1 송신 공진부(232)는 상기 제1 출력 전압(Vo1)에 의한 전력을 송신할 수 있다.
또한, 제2 분압부(620) 및 제2 무선 전력 송신부(640)의 구성 및 동작은 상기 서술한 제1 분압부(610) 및 제1 무선 전력 송신부(630)의 구성 및 동작에 의해 이해될 수 있으므로, 구체적인 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 무선 전력 송신 장치의 효율이 개선될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 의하면, 낮은 정격 전압을 입력으로 하여 고주파 스위칭이 가능하므로, 무선 전력 송신 장치의 소형화 및 스위칭 손실과 스위칭 스트레스가 저감될 수 있다.
본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
10: 교류 전원
210: 정류부
220: 입력 커패시터
230, 630: 제1 무선 전력 송신부
240, 640: 제2 무선 전력 송신부
231, 241: 직류-교류 변환부
232, 242: 송신 공진부
310: 분압부
610: 제1 분압부
620: 제2 분압부

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 교류 전원을 정류하는 정류부;
    상기 정류된 교류 전원을 직류 전력으로 저장하는 입력 커패시터;
    상기 입력 커패시터에 병렬 연결되고, 상기 직류 전력의 전압을 분압하는 복수의 커패시터들을 포함하는 분압부;
    상기 복수의 커패시터들 중 적어도 하나 이상의 커패시터의 일단에 연결되고, 전력을 무선으로 송신하는 무선 전력 송신부를 포함하며,
    상기 분압부는
    상기 입력 커패시터에 저장된 직류 전력의 전압을 분압하여 저장하는 복수의 커패시터들 및 상기 복수의 커패시터들 중 하나의 커패시터의 일단의 전압을 제1 입력 전압으로 선택하는 제1 커패시터 스위치를 포함하는 제1 분압부; 및
    상기 입력 커패시터에 저장된 직류 전력의 전압을 분압하여 저장하는 복수의 커패시터들 및 상기 복수의 커패시터들 중 하나의 커패시터의 일단의 전압을 제2 입력 전압으로 선택하는 제2 커패시터 스위치를 포함하는 제2 분압부
    를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서, 상기 무선 전력 송신부는
    상기 제1 입력 전압을 이용하여 전력을 무선으로 송신하는 제1 무선 전력 송신부; 및
    상기 제2 입력 전압을 이용하여 전력을 무선으로 송신하는 제2 무선 전력 송신부
    를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 무선 전력 송신부는
    상기 제1 입력 전압을 무선 전력 전송을 위한 제1 출력 전압으로 변환하는 제1 직류-교류 변환부; 및
    상기 제1 출력 전압에 의한 전력을 송신하는 제1 송신 공진부를 포함하고,
    상기 제2 무선 전력 송신부는
    상기 제2 입력 전압을 무선 전력 전송을 위한 제2 출력 전압으로 변환하는 제2 직류-교류 변환부; 및
    상기 제2 출력 전압에 의한 전력을 송신하는 제2 송신 공진부
    를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 직류-교류 변환부 및 상기 제2 직류-교류 변환부 각각은 직렬 연결된 하프 브리지 또는 풀 브리지 구조를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 송신 공진부는 제1 공진 주파수를 결정하기 위한 커패시터 및 인덕터를 포함하고,
    상기 제2 송신 공진부는 제2 공진 주파수를 결정하기 위한 커패시터 및 인덕터를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 송신 공진부의 공진 주파수와 상기 제2 송신 공진부의 공진 주파수는 서로 상이한 무선 전력 송신 장치.

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