KR102479005B1 - 무선 전력 수신 장치 - Google Patents

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KR102479005B1
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이은수
박수용
정병상
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엘지전자 주식회사
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    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
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Abstract

실시 예는, 무선전력 송신장치에서 송신된 무선 전력 신호에서 유도된 유도 기전력을 발생시키는 공진 코일 및 상기 공진 코일에 직렬 연결되며 상기 유도 기전력에 대응하는 교류 전류를 출력하는 공진 커패시터를 포함하는 공진 회로부, 상기 교류 전류를 직류 전류로 정류하여 부하측으로 출력하는 복수의 다이오드를 포함하는 정류 회로부 및 상기 복수의 다이오드 중 적어도 2이상과 상기 공진 커패시터를 사이에 두고 병렬 연결되며, 상기 공진 커패시터의 커패시턴스 값이 설정된 공진 주파수에 대응하는 등가 커패시턴스 값으로 가변하는 가변 스위치부를 포함하고, 상기 가변 스위치부는, 상기 공진 커패시터 및 상기 복수의 다이오드 중 제1 다이오드와 병렬 연결된 제1 스위치 소자, 상기 공진 커패시터 및 상기 복수의 다이오드 중 제2 다이오드와 병렬 연결된 제2 스위치 소자 및 상기 공진 커패시터의 커패시턴스 값이 상기 등가 커패시턴스 값으로 가변되게 상기 제1 및 제2 스위치 소자의 유효 듀티(effective duty)를 조절하는 스위치 제어부를 포함하는 무선전력 수신장치를 제공한다.

Description

무선 전력 수신 장치{Wireless power receiving apparatus}
본 발명은, 무선 전력 수신 장치에 관한 것이다.
전통적으로 무선 전력 수신장치는 무선으로 전기 에너지를 수신할 수 있다. 또한, 무선 전력 수신장치는 상기 수신된 무선 전력에 의하여 직접 구동될 수 있다. 무선 전력 수신장치는 상기 수신된 무선 전력을 이용하여 배터리를 충전하고 상기 충전된 전력으로 구동될 수 있다.
무선 전력 송신장치는 상기 무선 전력을 무선 전력 수신장치로 전송할 수 있다.
무선 전력 협의체(Wireless Power Consortium)는 무선 전력 송신장치 및 무선 전력 수신장치 사이의 무선 전력에 대한 전송과 관련된 기술의 표준화의 일환으로, 자기 유도 방식의 무선 전력 전송에 대한 기술을 다루고 있다.
또한, 무선 전력 협의체(Wireless Power Consortium)는 2010년 4월 12일에 무선 전력 전송에서의 호환성(interoperability)에 대한 "무선 전력 전송 시스템 설명서, 제1권, 저전력, 파트 1: 인터페이스 정의, 버전 1.00 RC1(System Description Wireless Power Transfer, Volume 1, Low Power, Part 1: Interface Definition, Version 1.00 Release Candidate 1)" 표준 문서를 공개하였다.
한편, 또 다른 기술표준협의체인 파워 매터스 얼라이언스(Power Matters Alliance)는 2012년 3월 설립되었다. 파워 매터스 얼라이언스는 인터페이스 표준의 제품군을 발전시키고 유도 공진 전력을 제공하기 위하여 유도 결합 기술을 기반으로 한 표준 문서를 공개하였다.
전자기유도를 이용한 무선 충전 방식은 우리 생활에서 이미 자주 접하고 있다. 예를 들어, 전자기 유도를 이용한 무선 충전 방식은 전동 칫솔, 무선커피포트 등에서 상용화되어 활용되고 있다.
최근에는 기존의 일대일로 무선 전력을 전송하는 방법에서 나아가, 하나의 무선 전력 전송장치가 다수의 무선 전력 수신장치에 전력을 전송하는 방법이 개발되고 있다.
종래 기술인 한국등록특허 제10-1708312호(등록일 2017.02.20)에는 무선 전력 수신 장치가 개시된다.
도 1은 종래 기술에 따른 무선전력 수신장치를 나타낸 회로도이다.
도 1을 참조하면, 무선전력 수신장치의 스위치 제어부(1)는 제1 및 제2 스위치(M1, M2)를 스위칭 동작시킬 수 있다.
이때, 제1 및 제2 스위치(M1, M2)는 제1 및 제2 커패시터(C1, C2) 중 제2 커패시터(C2)의 커패시턴스를 가변시킬 수 있다. 이에 따라 전체적으로 공진 주파수는 가변될 수 있다.
이때, 무선전력 수신장치는 LC 병렬 공진회로를 구성하여 제2 커패시터(C2)의 커패시턴스에 대한 가변 범위를 넓게 사용할 수 있다. 하지만, 종래 기술의 LC 병렬 공진회로는 무선 전력에 대한 수신 효율이 낮은 문제점이 있다.
따라서, LC 병렬 공진회로보다 커패시턴스에 대한 가변 효율을 높일 수 있도록 LC 직렬 공진회로를 구성한 무선전력 수신장치에 대한 연구가 진행 중에 있다.
본 발명의 목적은, LC 직렬 공진회로를 구성하여 커패시턴스의 가변이 용이한 무선전력 수신장치를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 커패시턴스를 전자적으로 가변하기 위하여, LC 직렬 공진회로의 커패시터에 병렬 연결된 2개의 스위치 소자를 영전압 스위칭(zero-voltage switching, ZVS)하는 무선전력 수신장치를 제공함에 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 무선전력 수신장치는 2개의 스위치 소자를 영전압 스위칭(ZVS) 제어를 수행함으로써, LC 직렬 공진회로의 커패시터에 대한 커패시턴스를 전자적으로 가변시킴으로써, 공진 주파수의 선택을 용이하게 하는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 무선전력 수신장치는 공진 주파수의 선택에 따라 설정된 전력만을 수신할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 무선전력 수신장치는 별도의 컨버터를 구비하지 않아 제조 공정 및 제조 원가를 낮출 수 있는 이점이 있다.
실시 예에 따른 무선전력 수신장치는, 2개의 스위치 소자를 영전압 스위칭(ZVS)함으로써, LC 직렬 공진회로의 커패시터에 대한 커패시턴스를 전자적으로 가변하도록 함으로써, 공진 주파수의 선택이 용이한 이점이 있다.
또한, 실시 예에 따른 무선전력 수신장치는, 공진 주파수의 선택에 따라 설정된 전력만을 수신할 수 있으며, 별도의 컨버터를 구비하지 않아 제조 공정 및 제조 원가를 낮출 수 있는 이점이 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래 기술에 따른 무선전력 수신장치를 나타낸 회로도이다.
도 2는 본 발명에 따른 무선전력 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2에서 나타낸 무선전력 시스템의 구성을 나타낸 제어블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 무선전력 수신장치를 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 5는 도 4에 나타낸 무선전력 수신장치의 전력 제어를 위한 스위칭을 나타낸 타이밍도이다.
도 6은 본 발명에 따른 무선전력 수신장치의 공진점을 간략하게 나타낸 도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서는, 실시예에 따른 무선전력 수신장치를 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 무선전력 시스템을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 무선전력 시스템(100)은 무선전력 송신장치(110) 및 무선전력 수신장치(150)를 포함할 수 있다.
무선전력 송신장치(110)는 무선전력 수신장치(150)에 필요한 전력을 무선으로 전달할 수 있는 전력 전달 장치일 수 있으며, 무선전력 송신장치(110)는 무선전력 수신장치(150)의 배터리를 충전하는 무선 충전 장치일 수 있다.
무선전력 수신장치(150)는 무선전력 송신장치(110)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 장치일 수 있으며, 무선전력 수신장치(150)는 무선으로 수신된 전력을 기반으로 배터리를 충전할 수 있다.
무선전력 수신장치(150)는 휴대 가능한 모든 전자 기기일 수 있다. 무선전력 수신장치(150)는 예를 들면 키보드, 마우스, 영상 도는 음성의 보조 출력장치 등의 입출력 장치, 휴대폰, 셀룰라폰, 스마트폰, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 테블릿 및 멀티미디어 기기 등을 포함할 수 있다.
또한, 무선전력 수신장치(150)는 무선 전력 충전이 가능한 자동차 등에 사용될 수 있으며, 이에 한정을 두지 않는다.
무선전력 송신장치(110)는 하나 이상의 무선전력 전달 방법을 이용할 수 있다. 무선전력 송신장치(110)는 무선전력 수신장치(150)와 상호간 접촉이 없이 무선으로 전력을 전달할 수 있다.
무선전력 송신장치(110)는 유도 결합(Inductive Coupling) 방식 및 공진 결합(Magentic Resonance Coupling) 방식으로 전력을 전달할 수 있다.
유도 결합 방식은 무선 전력 신호에 의한 자기 유도 현상에 기초하여 전력을 전달하며, 공진 결합 방식은 특정한 주파수의 무선 전력 신호에 의한 전자기적 공진 현상에 기초하여 전력을 전달할 수 있다.
여기서, 상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 송신은 1차 코일 및 2차 코일을 이용하여 전력을 무선으로 전송하는 기술이다. 또한 상기 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 송신은 자기 유도 현상에 의하여 하나의 코일에서 변화하는 자기장을 통해 다른 코일 쪽으로 전류가 유도됨으로써 전력을 전달할 수 있다.
또한, 상기 공진 결합 방식에 의한 무선 전력 송신은 무선전력 송신장치(110)에서 무선전력 수신장치(150)로 무선 전력 신호를 전송하고, 무선전력 수신장치(150)는 무선 전력 신호에 의하여 공진이 발생된다. 이때, 무선전력 수신장치(150)는 상기 공진 현상에 의하여 전력이 전달받을 수 있다.
도 3은 도 2에서 나타낸 무선전력 시스템의 구성을 나타낸 제어블록도이다.
도 3을 참조하면, 무선전력 시스템(100)은 무선전력 송신장치(110) 및 무선전력 수신장치(150)를 포함할 수 있다.
무선전력 송신장치(110)는 정류 회로부(122), 인버터부(124), 송신부(126)를 포함할 수 있다.
정류 회로부(122)는 외부 전원(Vin)으로부터 입력되는 교류 입력 전력을 정류하여 직류 전력을 출력할 수 있다. 정류 회로부(122)는 적어도 하나의 다이오드를 포함할 수 있으며, 정류 회로부(122)는 예를 들어 반파 정류회로, 전파 정류회로, 브릿지 전파 정류회로 및 PFC(Power Factor Correction) 회로 중 어느 하나로 구현될 수 있다.
인버터부(124)는 정류 회로부(122)에서 출력되는 상기 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력할 수 있다. 인버터부(124)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하기 위한 적어도 하나의 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 스위칭 소자는 예를 들어 IGBT 소자 또는 FET 소자 등을 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 스위칭 소자는 미리 정해진 구동 주파수에 따라 턴온 및 턴오프 동작을 반복적으로 수행할 수 있다.
상기 적어도 하나의 스위칭 소자의 턴온 및 턴오프 동작에 의해, 인버터부(124)는 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다.
인버터부(124)는 하프 브릿지(Half Bridge) 회로 또는 풀 브릿지 회로(Full Bridge) 회로로 구성될 수 있다.
인버터부(124)로부터 출력되는 교류 전력을 이용하여, 송신부(126)는 무선전력 수신장치(150)로 무선 전력 신호를 송신한다. 송신부(126)는 서로 직렬로 연결되는 송신 코일(L) 및 커패시터(C)를 포함할 수 있다.
이때, 송신 코일(L) 및 커패시터(C)는 직렬 공진회로, 병렬 공진회로 및 직병렬 공진회로 중 어느 하나로 구현될 수 있다.
여기서, 송신 코일(L)은 인버터부(124)에서 출력된 교류 전력으로 무선 전력 신호인 자기장을 형성할 수 있다. 이 무선 전력 신호에 의해 무선전력 수신장치(150)에 포함된 수신 코일(L1)에 교류 전류가 유도되게, 송신 코일(L)은 전력을 송신할 수 있다.
무선전력 송신장치(110)는 송신 코일(L)의 인덕턴스와 커패시터(C)의 커패시턴스에 의해서 정의되는 공진 주파수를 갖는다.
무선전력 수신장치(150)는 수신부(이하에서, '공진회로부'로 칭함, 152), 가변 스위치부(154) 및 정류회로부(156) 를 포함할 수 있다.
공진 회로부(152)는 송신부(126)로부터 전송되는 무선 전력 신호를 수신하여 교류 전력을 생성할 수 있다. 공진회로부(152)는 서로 직렬로 연결되는 공진 코일(L1) 및 공진 커패시터(C1)를 포함할 수 있다.
무선전력 수신장치(150)의 공진 주파수는 공진 코일(L1)의 인덕턴스 값과 공진 커패시터(C1)의 커패시턴스 값에 의해 정의될 수 있다.
가변 스위치부(154)는 공진 커패시터(C1)와 정류 회로부(156)에 서로 연결될 수 있다. 가변 스위치부(154)는 공진 커패시터(C1)의 커패시턴스 값이 설정된 공진 주파수에 대응하는 등가 커패시턴스 값을 갖도록 제어할 수 있다.
여기서, 가변 스위치부(154)는 제1 및 제2 스위치 소자(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 제1 스위치 소자는 정류 회로부(156)에서 입력된 교류 전력의 포지티스 주기에 스위칭 동작하고, 상기 제2 스위치 소자는 정류 회로부(156)에서 입력된 교류 전력의 네거티브 주기에 스위칭 동작할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 스위치 소자의 듀티(duty) 및 공진 커패시터(C1)의 등가 커패시턴스 값에 따라, 유효 듀티(effective duty)는 결정할 수 있다.
가변 스위치부(154)에 대한 자세한 설명은 도 4에서 후술하기로 한다.
정류 회로부(156)는 공진 회로부(152)로부터 출력되는 교류 전력을 변환하여 직류 전력을 출력할 수 있다. 정류 회로부(156)는 복수의 다이오드로 구성되는 정류 회로 및 하나 이상의 캐패시터 소자로 구성될 수 있다. 정류 회로부(156)는 반파 정류 회로, 전파 정류 회로, 브릿지 전파 정류 회로, 또는 PFC(Power Factor Correction) 회로 등일 수 있다.
정류 회로부(156)는 정류된 상기 직류 전력을 부하측(Load)으로 출력할 수 있다.
실시 예에서 수신부(150)는 컨버터부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
즉, 상기 컨버터부 정류 회로부(156)와 부하측(Load) 사이에서 위치할 수 있다. 상기 컨버터부는 정류 회로부(156)로부터 출력되는 직류 전력의 전압 레벨을 가변시킬 수 있다. 이때, 상기 컨버터부는 직류 전력을 사용하는 부하측(Load)에 연결된 직류-직류(DC-DC) 컨버터일 수 있다.
무선전력 수신장치(150)는 부하측(Load)과 물리적으로 결합되거나, 무선전력 수신장치(150)는 부하측(Load) 내의 일부 모듈로서 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 무선전력 수신장치를 개략적으로 나타낸 회로도이다.
먼저, 도 4(a)는 무선전력 수신장치에 적용된 회로도이며, 도 4(b)는 도 4(a)에 나타낸 회로도에 대한 등가 회로도를 나타낸다.
도 4(a) 및 도 4(b)를 참조하면, 무선전력 수신장치(150)는 공진 회로부(152), 가변 스위치부(154) 및 정류 회로부(156)를 포함할 수 있다.
먼저, 공진 회로부(152)는 공진 코일(L1) 및 공진 커패시터(C1)를 포함할 수 있다.
공진 코일(L1)은 무선전력 송신장치(150)에서 송신된 무선 전력 신호에 대응하는 유기 기전력(Iac + Vac)을 발생시킬 수 있다. 또한, 공진 커패시터(C1)는 공진 코일(L1)의 일단에 직렬 연결되며, 유기 기전력(Iac + Vac)에 대한 교류 전력(Vo)을 출력할 수 있다.
이때, 가변 스위치부(154)의 동작에 따라, 공진 커패시터(C1)의 커패시턴스 값은 등가 커패시턴스 값으로 가변될 수 있다.
먼저, 정류 회로부(156)는 제1 내지 제4 다이오드(D1 내지 D4)를 포함하는 브리지 전파 정류회로로 구현될 수 있다.
이때, 제1 및 제4 다이오드(D1 내지 D4)는 공진 회로부(152)에서 출력되는 교류 전력(Vo)의 포지티스 주기(양 주기)에 동작된다. 제2 및 제3 다이오드(D2, D3)는 공진 회로부(152)에서 출력되는 교류 전력(Vo)의 네거티브 주기(음 주기)에 동작하여 전파 정류된 직류 전력(Vd)를 출력할 수 있다.
여기서, 제1 다이오드(D1)의 애노드는 공진 코일(L1)의 일단에 연결되고, 제1 다이오드(D1)의 캐소드는 제2 다이오드(D2)의 캐소드와 연결될 수 있다.
제2 다이오드(D2)의 캐소드는 제1 다이오드(D1)의 캐소드에 연결되고, 제2 다이오드(D2)의 애노드는 제1 노드(n1)에서 공진 커패시터(C1)의 일단 및 제4 다이오드(D4)의 캐소드와 연결될 수 있다.
제3 다이오드(D3)의 캐소드는 제1 다이오드(D1)의 애노드에 연결되고, 제3 다이오드(D3)의 캐소드가 접지와 연결될 수 있으며, 제4 다이오드(D4)의 캐소드는 제1 노드(n1)에 연결되고, 제4 다이오드(D4)의 애노드는 접지에 연결될 수 있다.
여기서, 정류 회로부(156)는 전파 정류된 직류 전력(vd)를 평활하는 평활 커패시터(CL)를 포함할 수 있다.
가변 스위치부(154)는 제1 스위치 소자(sw1), 제2 스위치 소자(sw2) 및 스위치 제어부(155)를 포함할 수 있다.
제1 스위치 소자(sw1)는 공진 코일(L1) 및 공진 커패시터(C1)와 병렬 연결될 수 있다. 또한, 제1 스위치 소자(sw1)는 제2 다이오드(D2)와 공진 커패시터(C1)와 병렬 연결될 수 있다.
여기서, 제1 스위치 소자(sw1)는 P-채널 전계효과 트랜지스터(MOSFET, Metal Oxide Semiconductor field dffect transistor)일 수 있다. 제1 스위치 소자(sw1)의 게이트 단자는 스위치 제어부(155)에서 출력된 제1 스위치 제어신호(Vgh)가 입력되고, 제1 스위치 소자(sw1)의 소오스 단자는 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)에 연결되며, 제1 스위치 소자(sw1)의 드레인 단자는 공진 커패시터(C1)과 제2 노드(n2)에 연결될 수 있다.
가변 스위치부(154)는 제1 스위치 다이오드(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 스위치 다이오드는 제1 스위치 소자(sw1)의 드레인 단자 및 제2 노드(n2)에 연결될 수 있다.
제2 스위치 소자(sw2)는 N-채널 전계효과 트랜지스터(MOSFET, Metal Oxide Semiconductor field effect transistor)일 수 있다. 제2 스위치 소자(sw2)의 게이트 단자는 스위치 제어부(155)에서 출력된 제2 스위치 제어신호(Vgl)가 입력되고, 제2 스위치 소자(sw2)의 소오스 단자는 제2 노드(n2)에 연결되며, 제2 스위치 소자(sw2)의 드레인 단자는 접지에 연결될 수 있다.
또한, 가변 스위치부(154)는 제2 스위치 다이오드(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 스위치 다이오드는 제2 스위치 소자(sw2)의 소오스 단자 제2 노드(n2)에 연결될 수 있다.
스위치 제어부(155)는 제1 및 제2 스위치 소자(sw1, sw2) 각각으로 제1 및 제2 스위치 제어신호(Vgh, Vgl)를 출력할 수 있다.
여기서, 제1 및 제2 스위치 제어신호(Vgh, Vgl)는 공진 커패시터(C1)의 커패시턴스 값이 설정된 공진 주파수에 대응하는 등가 커패시턴스 값으로 가변시키는 제어신호일 수 있다.
즉, 교류 전력(Vo)의 포지티스 주기(양 주기)에 제1 스위치 소자(sw1)의 소프트 스위칭을 위하여, 스위치 제어부(155)는 제1 스위치 제어신호(Vgh)를 출력할 수 있다.
또한, 교류 전력(Vo)의 네거티브 주기(음 주기)에 제2 스위치 소자(sw2)의 소프트 스위칭을 위하여, 스위치 제어부(155)는 제2 스위치 제어신호(Vgl)를 출력할 수 있다.
이때, 교류 전력(Vo)의 포지티브 주기 중 공진 커패시터(C1)의 양단 전압, 즉 제1 및 제2 노드(n1, n2) 사이의 전압이 감소하는 구간에서, 스위치 제어부(155)는 제1 스위치 제어신호(Vgh)를 상기 제1 스위치 소자(sw1)로 출력할 수 있다.
또한, 교류 전력(Vo)의 네거티브 주기 중 공진 커패시터(C1)의 양단 전압이 증가하는 구간에서, 스위치 제어부(155)는 제2 스위치 제어신호(Vgl)를 제2 스위치 소자(sw2)로 출력할 수 있다.
즉, 상기 공진 주파수에 대응되게 공진 커패시터(C1)의 커패시턴스 값이 등가 커패시턴스 값으로 가변되게, 스위치 제어부(155)는 제1 및 제2 스위치 소자(sw1, sw2)의 유효 듀티(effective duty)를 조절할 수 있다.
상기 공진 주파수에 따라 공진 커패시터(C1)의 커패시턴스 값이 상기 등가 커패시턴스 값으로 가변되도록, 스위치 제어부(155)는 제1 및 제2 스위치 제어신호(Vgh, Vgl)를 출력할 수 있다. 즉, 공진 커패시터(C1)의 양단 전압, 즉 제1 및 제2 노드(n1, n2) 사이의 전압이 0 전압인 경우, 스위치 제어부(155)는 제1 및 제2 스위치 제어신호(Vgh, Vgl)를 출력하여 제1 및 제2 스위치 소자(sw1, sw2)가 유효 듀티 동안 턴온 동작시킬 수 있다.
여기서, 스위치 제어부(155)는 제1 및 제2 노드(n1, n2) 사이의 전압을 설정시간 또는 실시간으로 측정할 수 있다.
아래의 [수학식 1]은 공진 커패시터(C1)의 커패시턴스 값이 등가 커패시턴값으로 가변됨을 나타낸다.
Figure 112018069337786-pat00001
여기서, Cv는 등가 커패시턴스 값, Cp는 공진 커패시터(C1)의 커패시턴스 값 및 d는 듀티 사이클일 수 있다.
따라서, 상술한 [수학식 1]에 따라, 스위치 제어부(155)는 공진 커패시터(C1)의 커패시턴스 값을 전자적으로 등가 커패시턴값으로 가변할 수 있다.
이때, 상기 유효 듀티는 듀티보다 작으며 제로(zero, 0) 보다 클 수 있다.
도 5는 도 4에 나타낸 무선전력 수신장치의 전력 제어를 위한 스위칭을 나타낸 타이밍도이다. 또한 도 6은 본 발명에 따른 무선전력 수신장치의 공진점을 간략하게 나타낸 도이다.
도 5를 참조하면, 스위치 제어부(155)는 공진 회로부(152)에서 출력되는 교류 전력(Vo) 및 공진 커패시터(C1)의 양단 전압(V12)을 기반으로 제1 및 제2 스위치 소자(sw1, sw2)의 듀티를 가변시킬 수 있다. 이때, 제1 및 제2 스위치 소자(sw1, sw2)의 듀티를 가변시킴으로써, 스위치 제어부(155)는 공진 커패시터(C1)의 커패시턴스 값을 등가 커패시턴스 값으로 가변시킬 수 있다.
도 5(a)는 교류 전력(Vo)을 나타낸 도이고, 도 5(b)는 공진 커패시터(C1)의 양단 전압, 즉 전압(V12)를 나타낸 도이며, 도 5(c)는 제1 및 제2 스위치 소자(sw1, sw2)에 공급되는 제1 및 제2 스위치 제어신호(Vgh, Vgl)를 나타낸 도이다.
도 5(c)에 나타낸 제1 및 제2 스위치 제어신호(Vgh, Vgl) 각각은 도 5(a)에 나타낸 교류 전력(Vo)의 포지티스 기간 및 네거티브 기간에 서로 상보적으로 턴온 및 턴오프 동작되는 신호를 나타낼 수 있다.
이때, 도 5(b)를 살펴보면, 제1 스위치 소자(sw1)는 스위치 제어부(155)로부터 제1 스위치 제어신호(Vgh)를 입력받을 수 있다. 제1 스위치 소자(sw1)는 교류 전력(Vo)의 네거티브 기간에 턴온 동작할 수 있다.
여기서, 제1 스위치 소자(sw1)는 제1 스위치 제어신호(Vgh)이 입력되는 시점에 턴온 동작을 하지 않으며 공진 커패시터(C1)의 양단 전압(V12)이 영전압이되는 시점에 턴온 동작할 수 있다.
즉, 제1 스위치 소자(sw1)는 드레인-소오스간 전압(Vds)에 의해 제1 스위치 제어신호(Vgh)가 입력되는 시점에 턴온동작하지 않는다. 이후, 제1 스위치 소자(sw1)는 양단 전압(V12)이 영전압이 되는 시점에 턴온 동작하여 소프트 스위칭 동작을 수행할 수 있다. 또한, 제2 스위치 소자(sw2)는 제1 스위치 소자(sw1)와 동일하게 소프트 스위칭 동작을 수행할 수 있다.
여기서, 도 6(a)는 제1 및 제2 스위치 소자(sw1, sw2)에 공급되는 제1 및 제2 스위치 제어신호(Vgh, Vgl)의 듀티 변화에 따라 가변되는 경우 전자적 공진점 및 부하측으로 공급되는 출력 전력을 나타낸 도이다.
즉, 공진 회로부(152)가 공진 코일(L1) 및 공진 커패시터(C1)로 구성된 직렬 공진회로 및 공진 코일(L1) 및 공진 커패시터(C1)로 구성된 병렬 공진회로를 서로 비교한다.
또한, 도 6(b)는 상술한 바와 같이 직렬 공진과 병렬 공진 회로를 형성하는 경우, 듀티 변화에 따른 효율을 나타낸다.
도 6(a) 및 도 6(b)를 참조하면, 공진 코일(L1) 및 공진 커패시터(C1)가 구성된 직렬 공진회로는, 병렬 공진회로보다 듀티 변화, 즉 듀티 증가시 효율이 더 우수함을 나타낸다.
전술한 실시 예는, 실시 예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (9)

  1. 무선전력 송신장치에서 송신된 무선 전력 신호에서 유도된 유도 기전력을 발생시키는 공진 코일 및 상기 공진 코일에 직렬 연결되며 상기 유도 기전력에 대응하는 교류 전류를 출력하는 공진 커패시터를 포함하는 공진 회로부;
    상기 교류 전류를 직류 전류로 정류하여 부하측으로 출력하는 복수의 다이오드를 포함하는 정류 회로부; 및
    상기 복수의 다이오드 중 적어도 2이상과 상기 공진 커패시터를 사이에 두고 병렬 연결되며, 상기 공진 커패시터의 커패시턴스 값이 설정된 공진 주파수에 대응하는 등가 커패시턴스 값으로 가변하는 가변 스위치부를 포함하고,
    상기 가변 스위치부는,
    상기 공진 커패시터 및 상기 복수의 다이오드 중 제1 다이오드와 병렬 연결된 제1 스위치 소자;
    상기 공진 커패시터 및 상기 복수의 다이오드 중 제2 다이오드와 병렬 연결된 제2 스위치 소자; 및
    상기 공진 커패시터의 커패시턴스 값이 상기 등가 커패시턴스 값으로 가변되게 상기 제1 및 제2 스위치 소자의 유효 듀티(effective duty)를 조절하는 스위치 제어부를 포함하는,
    무선전력 수신장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 커패시터는,
    상기 제1 및 제2 스위치 소자의 유효 듀티가 증가하면 상기 등가 커패시턴스 값이 증가하고, 상기 제1 및 제2 스위치 소자의 유효 듀티가 감소하면 상기 등가 커패시턴스 값이 감소하는,
    무선전력 수신장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 교류 전류의 포지티브 주기 중 상기 공진 커패시터의 양단 전압이 감소하는 구간에 제1 스위치 제어신호를 상기 제1 스위치로 전달하고,
    상기 교류 전류의 네거티브 주기 중 상기 공진 커패시터의 양단 전압이 증가하는 구간에 제2 스위치 제어신호를 상기 제2 스위치로 전달하는,
    무선전력 수신장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 스위치 소자는,
    상기 제1 스위치 제어신호가 입력된 게이트 단자, 상기 정류 회로부의 출력단에 연결된 소오스 단자 및 상기 공진 커패시터와 연결되는 드레인 단자를 포함하고,
    상기 제1 스위치 소자는,
    상기 제1 스위치 제어신호가 전달되고, 상기 공진 커패시터의 양단 전압이 영전압이 되는 시점에 턴온되는,
    무선전력 수신장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 스위치 소자는,
    상기 제2 스위치 제어신호가 입력되는 게이트 단자, 상기 정류 회로부의 접지단에 연결된 드레인 단자 및 상기 공진 커패시터와 연결된 소오스 단자를 포함하고,
    상기 제2 스위치 소자는,
    상기 제2 스위치 제어신호가 전달되고, 상기 공진 커패시터의 양단 전압이 영전압이 되는 시점에 턴온되는,
    무선전력 수신장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 스위치 제어부는,
    상기 공진 주파수에 따라 상기 제1 및 제2 스위치 제어신호 각각의 듀티(duty)를 가변시키는,
    무선전력 수신장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유효 듀티는,
    상기 듀티보다 작은,
    무선전력 수신장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 스위치 소자는,
    P-채널 전계효과 트랜지스터(MOSFET, Metal Oxide Semiconductor field dffect transistor)이며,
    상기 제2 스위치 소자는,
    N-채널 전계효과 트랜지스터(MOSFET, Metal Oxide Semiconductor field dffect transistor)인,
    무선전력 수신장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가변 스위치부는,
    상기 제1 스위치 소자와 상기 공진 커패시터 사이에 연결된 제1 스위치 다이오드; 및
    상기 제2 스위치 소자와 상기 공진 커패시터 사이에 연결된 제2 스위치 다이오드를 더 포함하는,
    무선전력 수신장치.
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