KR102639744B1 - 출력 전압을 제어하기 위한 무선 전력 수신 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가변 듀티비 적용을 통해 출력 전압을 제어하는 무선 전력 수신 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 전자기 유도 현상에 의해 교류 전류가 유도되는 공진 회로부, 복수의 전력 스위칭 소자를 이용하여 상기 유도된 교류 전류를 직류 출력 전압으로 변환하여 부하에 제공하는 정류 회로부, 상기 유도된 교류 전류의 위상신호를 검출하고, 상기 검출된 위상신호에 대응하는 제1 게이트 신호를 생성하는 위상 검출 회로부, 상기 위상신호를 이용하여 상기 제1 게이트 신호와 다른 듀티비를 갖는 제2 게이트 신호를 생성하는 듀티 변환 회로부 및 상기 제1 게이트 신호 및 상기 제2 게이트 신호 중 어느 하나에 따라 상기 복수의 전력 스위칭 소자를 구동하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

출력 전압을 제어하기 위한 무선 전력 수신 장치{WIRELESS POWER RECEIVING APPARATUS FOR CONTROLLING OUTPUT VOLTAGE}
본 발명은 가변 듀티비 적용을 통해 출력 전압을 제어하는 무선 전력 수신 장치에 관한 것이다.
최근 무선 충전 시스템과 같은 무선 전력 전송 시스템이 개발되고 있다. 무선 전력 전송 시스템은 전력 송신 모듈과 전력 수신 모듈로 구성되며, 전력 수신 모듈은 전력 송신 모듈로부터 제공되는 전력을 무선으로 공급받기 위해 전력 송신 모듈과 자기 결합(magnetic coupling)된다.
전력 수신 모듈은 전력 송신 모듈로부터 제공받은 전력을 이용하여 부하를 구동하거나 배터리를 충전하는데, 이를 위해 전력 수신 모듈은 부하 또는 배터리에 제공되는 전력의 크기를 제어할 필요가 있다.
전력 수신 모듈에 유도되는 전류가 교류 전류인 경우 전력 수신 모듈에는 전력 변환 회로가 구비되고, 부하로 출력되는 직류 출력 전압의 크기는 전력 변환 회로 내에 구비된 전력 스위칭 소자의 스위칭 듀티에 의해 결정된다.
스위칭 듀티를 제어하기 위해 전력 수신 모듈에는 MCU(Micro Controller Unit)가 탑재되고, MCU는 유도된 교류 전류의 위상 정보를 반영하여 전력 스위칭 소자의 게이트 단자에 인가될 디지털 게이트 신호를 생성한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 종래 전력 수신 모듈이 게이트 신호를 생성하는 과정을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 종래의 무선 전력 수신 장치에 구비된 전력 변환 회로를 도시한 도면이고, 도 2는 종래 MCU가 전력 변환 회로 내 전력 스위칭 소자를 제어하는 과정을 설명하기 위한 파형도이다.
도 1을 참조하면, 종래 전력 변환 회로는 전자기 유도 현상을 통해 유도된 교류 전류(ia)를 두 개의 레그에 연결된 네 개의 전력 스위칭 소자(Sh1, Sh2, Sl1, Sl2)를 통해 DC 링크 커패시터(CDC)에 저장되는 직류 전압으로 변환한다. 이 때, 부하는 DC 링크 커패시터(CDC)의 출력단에 연결되어 직류 출력 전압(Vo)을 제공받는다.
MCU는 각 전력 스위칭 소자(Sh1, Sh2, Sl1, Sl2)에 게이트 신호(Vh1, Vh2, Vl1, Vl2)를 제공할 수 있고, 부하에 제공되는 출력 전압(Vo)의 크기는 게이트 신호(Vh1, Vh2, Vl1, Vl2)의 듀티비에 따라 조절된다.
보다 구체적으로, 교류 전류(ia)의 위상에 따라 두 개의 하암 전력 스위칭 소자(Sl1, Sl2)가 50%의 듀티비로 교번적으로 턴 온되는 경우, 부하에 제공되는 출력 전압(Vo)의 크기는 최대이다. 이와 달리, 두 개의 하암 전력 스위칭 소자(Sl1, Sl2)가 50%를 초과한 듀티비로 턴 온 되는 경우, 두 개의 하암 전력 스위칭 소자(Sl1, Sl2)가 동시에 턴 온되는 구간(레귤레이션 구간)이 발생하고 이에 따라 부하에 제공되는 출력 전압(Vo)의 크기는 감소한다.
이에 따라, MCU는 레귤레이션 구간을 조절함으로써 출력 전압(Vo)의 크기를 제어한다.
도 2를 참조하면, MCU는 교류 전류(ia)의 위상을 매 주기 모니터링하고, 교류 전류(ia)의 매 주기에서 선형적으로 증가하는 기준 카운터 신호(CNT)를 생성한다. 이후, 기준 카운터 신호(CNT)와 비교 카운터 신호(CCR1, CCR2, CCR3)의 크기를 비교하여 게이트 신호를 출력한다.
예를 들어, 각 하암 전력 스위칭 소자(Sl1, Sl2)의 듀티비를 270도로 제어하여 180도의 레귤레이션 구간을 형성하고자 하는 경우, MCU는 기준 카운터 신호(CNT)가 제3 비교 카운터 신호(CCR3)보다 큰 구간에서 온 듀티를 갖는 게이트 신호(Vl1)를 생성하여 제1 하암 전력 스위칭 소자(Sl1)에 제공한다.
이와 함께, MCU는 기준 카운터 신호(CNT)가 제2 비교 카운터 신호(CCR2)보다 작은 구간에서 온 듀티를 갖는 게이트 신호(Vl2)를 생성하여 제2 하암 전력 스위칭 소자(Sl2)에 제공한다.
전술한 동작을 위해, MCU는 교류 전류(ia)의 위상을 실시간으로 모니터링해야 하고, 교류 전류(ia)의 매 주기마다 기준 카운터 신호(CNT)를 생성해야 하며, 레귤레이션 구간 형성을 위해 복수의 비교 카운터 신호(예를 들어, CCR1, CCR2, CCR3)를 생성해야 할 뿐만 아니라, 기준 카운터 신호(CNT)와 비교 카운터 신호를 매 주기마다 비교하여 게이트 신호를 생성해야 한다.
이와 같이, 종래 출력 전압 제어 방식에 의하면 기본적으로 MCU의 데이터 처리 부하가 높으며, 스위칭 주파수가 높은 환경에서는 더욱 빠른 데이터 처리가 요구되기 때문에 전력 수신 모듈에 값비싼 고성능의 MCU가 이용되어야만 하는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1891343호(2013.06.12. 공개)
본 발명은 유도된 교류 전류의 위상에 기초하여 서로 다른 듀티비를 갖는 두 게이트 신호를 생성하고, 생성된 두 게이트 신호를 통해 출력 전압을 제어하는 무선 전력 수신 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 아날로그 회로를 이용하여 게이트 신호의 듀티비를 제어하는 무선 전력 수신 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 멀티플랙서를 이용하여 듀티비가 서로 다른 두 게이트 신호 중 어느 하나의 게이트 신호만을 전력 게이트 소자에 제공하는 무선 전력 수신 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
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 발명은 수신 코일에 유도된 교류 전류의 위상신호에 대응하는 제1 게이트 신호를 생성하고, 위상신호를 이용하여 제1 게이트 신호와 다른 듀티비를 갖는 제2 게이트 신호를 생성하고, 제1 게이트 신호 및 제2 게이트 신호 중 어느 하나에 따라 전력 스위칭 소자를 구동함으로써, 서로 다른 듀티비를 갖는 두 게이트 신호를 통해 출력 전압을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 서로 다른 저항값을 갖는 두 저항에 의해 분압된 기준전압과 위상신호를 비교기에 입력함으로써 비교기에서 출력되는 게이트 신호의 듀티비를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 부하에 제공되는 출력 전압과 목표 전압의 비교 결과에 따라 전력 스위칭 소자의 게이트 단자에 연결된 멀티플랙서부에 출력전환신호를 제공함으로써, 멀티플랙서가 듀티비가 서로 다른 두 게이트 신호 중 어느 하나의 게이트 신호만을 전력 게이트 소자에 제공하도록 할 수 있다.
본 발명은 유도된 교류 전류의 위상에 기초하여 서로 다른 듀티비를 갖는 두 게이트 신호를 생성하고, 생성된 두 게이트 신호를 통해 출력 전압을 제어함으로써, 매우 간단한 구성으로 출력 전압을 조절할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 아날로그 회로를 이용하여 게이트 신호의 듀티비를 제어함으로써, 게이트 신호의 듀티비 제어를 위해 MCU(Micro Controller Unit) 가 수신 코일에 유도되는 교류 전류를 매 주기 모니터링 할 필요가 없고, 이에 따라, MCU의 성능에 관계없이 게이트 신호의 듀티비를 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 멀티플랙서를 이용하여 듀티비가 서로 다른 두 게이트 신호 중 어느 하나의 게이트 신호만을 전력 게이트 소자에 제공함으로써, MCU는 멀티플랙서의 제어를 위한 단일의 비트 데이터만을 이용하여 출력 전압을 제어할 수 있고, 이에 따라, 출력 전압 제어를 위한 MCU의 처리부하를 현저하게 낮출 수 있는 효과가 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래의 무선 전력 수신 장치에 구비된 전력 변환 회로를 도시한 도면.
도 2는 종래 MCU가 정류 회로 내 전력 스위칭 소자를 제어하는 과정을 설명하기 위한 파형도.
도 3은 전력 송신 모듈과 전력 수신 모듈이 자기 결합된 모습을 도시한 도면.
도 4는 도 3에 도시된 전력 수신 모듈 내에 구비되는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 도시한 블록도.
도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 정류 회로부의 각 예시를 도시한 도면.
도 7은 도 4에 도시된 무선 전력 수신 장치의 제어 흐름을 도시한 도면.
도 8은 공진 회로부에 유도된 교류 전류의 위상신호를 검출하는 회로의 일 예를 도시한 도면.
도 9는 위상신호와 동일한 듀티비를 갖는 제1 게이트 신호를 생성하는 회로의 일 예를 도시한 도면.
도 10 및 도 11은 위상신호 및 가변전압을 비교기에 입력하여 제2 게이트 신호를 생성하는 회로의 각 예를 도시한 도면.
도 12 및 도 13은 위상신호와, 일정 비율을 갖는 두 저항 사이에 인가되는 전압을 비교기에 입력하여 제2 게이트 신호를 생성하는 회로의 각 예를 도시한 도면.
도 14는 도 8에 도시된 회로에 따라 검출된 위상신호와, 도 9에 도시된 회로에 따라 생성된 제1 게이트 신호를 각각 도시한 파형도.
도 15는 도 8에 도시된 회로에 따라 검출된 위상신호와, 도 10 내지 도 13에 도시된 회로에 따라 생성된 제2 게이트 신호를 각각 도시한 파형도.
도 16은 도 4에 도시된 멀티플랙서의 동작 과정을 설명하기 위한 도면.
도 17은 도 16에 도시된 멀티플랙서의 등가 스위치를 도시한 도면.
도 18은 제1 게이트 신호에 따라 전력 스위칭 소자가 구동될 때, 각 전력 스위칭 소자에 인가되는 게이트 전압의 파형도.
도 19는 제2 게이트 신호에 따라 전력 스위칭 소자가 구동될 때, 각 전력 스위칭 소자에 인가되는 게이트 전압의 파형도.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 가변 듀티비 적용을 통해 출력 전압을 제어하는 무선 전력 수신 장치에 관한 것이다.
이하, 도 3 내지 도 19를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 전력 송신 모듈과 전력 수신 모듈이 자기 결합된 모습을 도시한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 전력 수신 모듈 내에 구비되는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치를 도시한 블록도이다.
도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 정류 회로부의 각 예시를 도시한 도면이다.
도 7은 도 4에 도시된 무선 전력 수신 장치의 제어 흐름을 도시한 도면이다.
도 8은 공진 회로부에 유도된 교류 전류의 위상신호를 검출하는 회로의 일 예를 도시한 도면이다.
도 9는 위상신호와 동일한 듀티비를 갖는 제1 게이트 신호를 생성하는 회로의 일 예를 도시한 도면이고, 도 10 및 도 11은 위상신호 및 가변전압을 비교기에 입력하여 제2 게이트 신호를 생성하는 회로의 각 예를 도시한 도면이다.
도 12 및 도 13은 위상신호와, 일정 비율을 갖는 두 저항 사이에 인가되는 전압을 비교기에 입력하여 제2 게이트 신호를 생성하는 회로의 각 예를 도시한 도면이다.
도 14는 도 8에 도시된 회로에 따라 검출된 위상신호와, 도 9에 도시된 회로에 따라 생성된 제1 게이트 신호를 각각 도시한 파형도이다. 또한, 도 15는 도 8에 도시된 회로에 따라 검출된 위상신호와, 도 10 내지 도 13에 도시된 회로에 따라 생성된 제2 게이트 신호를 각각 도시한 파형도이다.
도 16은 도 4에 도시된 멀티플랙서의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 17은 도 16에 도시된 멀티플랙서의 등가 스위치를 도시한 도면이다.
도 18은 제1 게이트 신호에 따라 전력 스위칭 소자가 구동될 때, 각 전력 스위칭 소자에 인가되는 게이트 전압의 파형도이다. 또한, 도 19는 제2 게이트 신호에 따라 전력 스위칭 소자가 구동될 때, 각 전력 스위칭 소자에 인가되는 게이트 전압의 파형도이다.
도 3을 참조하면, 무선 충전 시스템과 같은 무선 전력 전송 시스템은 전력 송신 모듈(2, Tx)과 전력 수신 모듈(1, Rx)로 구성된다. 전력 수신 모듈(1)은 전력 송신 모듈(2)로부터 제공되는 전력을 무선으로 공급받기 위해, 전력 송신 모듈(2)과 일정 거리에서 자기 결합(magnetic coupling)될 수 있다.
자기 결합을 위해 전력 송신 모듈(2)과 전력 수신 모듈(1)은 각각 송신 코일(Lt) 및 수신 코일(Lr)을 포함할 수 있다. 전력 송신 모듈(2)이 송신 코일(Lt)에 전류를 인가하면 송신 코일(Lt)에서는 자기장이 발생하고, 해당 자기장은 일정 거리 내에 위치한 전력 수신 모듈(1)의 수신 코일(Lr)에 전류를 유도할 수 있다. 수신 코일(Lr)에 유도된 전류는 전력 수신 모듈(1) 내 부하(11)를 구동하는 데 이용될 수도 있고, 전력 수신 모듈(1) 내 배터리를 충전하는 데 이용될 수 있다.
부하(11) 또는 배터리에 제공되는 전력의 크기는 전력 송신 모듈(2)에서 제어될 수도 있고, 전력 수신 모듈(1) 내에서 제어될 수도 있다. 다만, 본 발명은 전력 수신 모듈(1) 내에서 부하(11) 또는 배터리에 제공되는 전력의 크기를 직접 제어하는 무선 전력 수신 장치(100)에 관한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치(100)는 공진 회로부(110), 정류 회로부(120), 위상 검출 회로부(130), 듀티 변환 회로부(140), 제어부(150), 멀티플랙서부(160) 및 출력 전압 검출부(170)를 포함할 수 있다. 도 4에 도시된 무선 전력 수신 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 4에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
공진 회로부(110)에는 전자기 유도 현상을 통해 교류 전류(ia)가 유도될 수 있다. 보다 구체적으로, 공진 회로부(110)는 수신 코일(Lr)을 포함할 수 있고, 수신 코일(Lr)에는 전력 송신 모듈(2)의 송신 코일(Lt)에서 발생하는 자기장에 의해 전류가 유도될 수 있다.
또한, 공진 회로부(110)는 공진 커패시터(Cr)를 더 포함할 수 있고, 수신 코일(Lr)의 인덕턴스와 공진 커패시터(Cr)의 커패시턴스는 전력 수신 모듈(1)의 공진 주파수를 결정할 수 있다.
정류 회로부(120)는 복수의 전력 스위칭 소자를 이용하여 공진 회로부(110)에 유도된 교류 전류(ia)를 직류 출력 전압(Vo)으로 변환하여 부하(11)에 제공할 수 있다. 이를 위해, 정류 회로부(120)의 입력단은 공진 회로부(110)의 출력단과 연결될 수 있고, 정류 회로부(120)의 출력단은 부하(11)와 연결될 수 있다.
정류 회로부(120)는 교류 전류(ia)를 직류 출력 전압(Vo)으로 변환하기 위한 다양한 회로 구성을 가질 수 있다.
도 5를 참조하면, 일 예에서 정류 회로부(120)는 공진 회로부(110)의 제1 출력 노드(N1)와 연결된 제1 레그(leg)와 공진 회로부(110)의 제2 출력 노드(N2)와 연결된 제2 레그를 포함할 수 있다. 또한, 정류 회로부(120)는 제1 레그 및 제2 레그와 병렬로 연결되어 직류 전압을 저장하는 DC 링크 커패시터(CDC)를 더 포함할 수 있다.
제1 레그에는 제1 상암 다이오드(D1) 및 제1 하암 전력 스위칭 소자(S1')가 구비될 수 있고, 제2 레그에는 제2 상암 다이오드(D2) 및 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')가 구비될 수 있다.
도 6을 참조하면, 다른 예에서 제1 레그에는 제1 상암 전력 스위칭 소자(S1) 및 제1 하암 전력 스위칭 소자(S1')가 구비될 수 있고, 제2 레그에는 제2 상암 전력 스위칭 소자(S2) 및 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')가 구비될 수 있다.
도 6에 도시된 구조에서는 두 상암 전력 스위칭 소자와 두 하암 전력 스위칭 소자가 서로 상보적으로 스위칭될 수 있다. 예를 들어, 제1 하암 전력 스위칭 소자(S1')가 턴 온된 구간에서는 제1 상암 전력 스위칭 소자(S1)가 턴 오프될 수 있고, 제2 상암 전력 스위칭 소자(S2)가 턴 온된 구간에서는 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')가 턴 오프될 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 구조에서, 공진 회로부(110)에 유도된 교류 전류(ia)의 위상에 동기되어 두 하암 전력 스위칭 소자(S1', S2')가 교번적으로 스위칭되면 DC 링크 커패시터(CDC)에서 부하(11)로 출력되는 출력 전압(Vo)은 최대가 될 수 있다.
한편, 두 하암 전력 스위칭 소자(S1', S2')가 모두 턴 온 되는 구간(이하, 레귤레이션 구간)이 형성되면, 해당 구간에서는 DC 링크 커패시터(CDC)에 추가적인 전력이 저장되지 않으므로 부하(11)로 출력되는 출력 전압(Vo)은 감소할 수 있다.
전술한 바와 같이, 정류부(120)는 두 개의 다이오드와 두 개의 전력 스위칭 소자로 구성될 수 있고, 네 개의 전력 스위칭 소자로 구성될 수도 있다. 다만, 이하에서는 정류부(120)가 도 6에 도시된 바와 같이 각 레그에 구비된 두 개의 상암 전력 스위칭 소자(S1, S2) 및 두 개의 하암 전력 스위칭 소자(S1', S2')로 구성되는 것으로 가정하여 설명하도록 한다.
전술한 바와 같이 부하(11)에 제공되는 출력 전압(Vo)의 크기는 레귤레이션 구간에 따라 결정되며, 레귤레이션 구간을 조절하기 위해 제어부(150)는 디지털 프로세서인 MCU(Micro Controller Unit)를 포함할 수 있다.
이하에서는 제어부(150)가 매우 간단한 방법으로 레귤레이션 구간을 조절함으로써 출력 전압(Vo)을 제어하는 과정을 설명하도록 한다.
위상 검출 회로부(130)는 공진 회로부(110)에 유도된 교류 전류(ia)의 위상신호(Sp)를 검출하고, 검출된 위상신호(Sp)와 동일한 듀티비를 갖는 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')를 생성할 수 있다.
제어부(150)는 공진 회로부(110)에 유도된 교류 전류(ia)의 위상에 따라 하암 전력 스위칭 소자(S1', S2')를 제어할 수 있다. 전력 스위칭 소자의 제어 시점을 결정하기 위해 위상 검출 회로부(130)는 수신 코일(Lr)에 유도된 교류 전류(ia)와 동일한 주기를 갖는 임의의 위상신호(Sp)를 검출할 수 있다.
예를 들어, 위상 검출 회로부(130)는 교류 전류(ia)가 음의 값에서 양의 값으로 전환되는 시점과, 양의 값에서 음의 값으로 전환되는 시점에 기초하여 위상신호(Sp)를 검출할 수 있다. 이에 따라, 교류 전류(ia)가 음의 값에서 양의 값으로 또는 양의 값에서 음의 값으로 전환되는 시점은, 위상신호(Sp)가 양의 값에서 음의 값으로 전환되는 시점과 동일할 수 있다.
일 예에서, 위상 검출 회로부(130)는 공진 회로부(110)에 구비된 공진 커패시터(Cr)의 양단 전압(Vab)을 검출하고, 검출된 전압의 위상(Vab)을 천이시켜 위상신호(Sp)를 검출할 수 있다.
도 7을 참조하면, 공진 회로부(110)는 수신 코일(Lr)과 공진 커패시터(Cr)로 구성될 수 있다. 위상 검출 회로부(130)는 공진 커패시터(Cr)의 양단(Na, Nb)과 연결되어 공진 커패시터(Cr)의 양단 전압(Vab)을 검출할 수 있다.
도 8을 참조하여 구체적으로 설명하면, 위상 검출 회로부(130)는 전압 분배 저항(R1, R2, R3), 제너 다이오드(ZD1, ZD2) 및 검출전압 비교기(131)를 포함할 수 있다.
공진 커패시터(Cr)의 양단 전압(Vab)은 어느 한 전압 분배 저항(R2)을 통해 입력되고, 제너 다이오드(ZD1, ZD2)에 의해 안정화되어 검출전압 비교기(131)로 입력될 수 있다.
도 14를 참조하면, 검출전압 비교기(131)는 공진 커패시터(Cr)의 양단 전압(Vab)이 양의 값인지 음의 값인지에 따라 서로 다른 값을 갖는 구형파(Vsq)를 출력할 수 있다. 공진 커패시터(Cr)의 양단 전압(Vab)의 주기는 교류 전류(ia)의 주기와 동일하므로 구형파(Vsq)의 주기 또한 교류 전류(ia)의 주기와 동일할 수 있다.
다만, 구형파(Vsq)는 공진 커패시터(Cr)에 인가되는 교류 전압에 의해 생성되므로, 구형파(Vsq)의 위상은 수신 코일(Lr)에 유도되는 교류 전류(ia)의 위상보다 90도 지연될 수 있다.
이에 따라, 위상 검출 회로부(130)는 구형파(Vsq)의 위상을 천이시켜 위상신호(Sp)를 검출할 수 있다. 이를 위해, 위상 검출 회로부(130)는 검출전압 비교기(131)의 출력단과 연결되는 위상 천이 회로(132)를 더 포함할 수 있다.
위상 천이 회로(132)는 검출전압 비교기(131)에서 출력되는 구형파(Vsq)를 90도 천이시켜 삼각파의 위상신호(Sp)로 변환할 수 있다. 예컨대, 도 14에 도시된 바와 같이 위상신호(Sp)는 그 크기가 평균전압(Ve)을 기준으로 스윙(swing)하는 삼각파일 수 있다.
한편, 위상신호(Sp)는 구형파(Vsq)의 위상을 90도 천이시켜 생성되므로, 위상신호(Sp)의 위상은 수신 코일(Lr)에 유도된 교류 전류(ia)와 동일하거나 180도 차이가 날 수 있다. 이에 따라, 위상신호(Sp)의 크기는 수신 코일(Lr)에 유도된 교류 전류(ia)의 크기가 증가할 때 증가 또는 감소할 수 있고, 교류 전류(ia)의 크기가 감소할 때 증가 또는 감소할 수 있다.
예컨대, 도 8에 도시된 바와 같이 위상 천이 회로(132)가 지상 회로(lag circuit)인 경우, 도 14에 도시된 바와 같이 위상신호(Sp)의 크기는 수신 코일(Lr)에 유도된 교류 전류(ia)의 크기가 증가할 때 감소할 수 있고, 교류 전류(ia)의 크기가 감소할 때 증가할 수 있다.
반대로, 위상 천이 회로(132)가 진상 회로(leading circuit)인 경우, 위상신호(Sp)의 크기는 수신 코일(Lr)에 유도된 교류 전류(ia)의 크기가 증가할 때 함께 증가할 수 있고, 교류 전류(ia)의 크기가 감소할 때 함께 감소할 수 있다.
다만, 이하에서는 위상 천이 회로(132)가 지상 회로인 것으로 가정하여 설명하도록 한다.
위상 검출 회로부(130)는 전술한 방법에 따라 검출된 위상신호(Sp)에 대응하는 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')를 생성할 수 있다. 여기서 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')는 후술하는 제어부(150)의 제어에 따라 정류 회로부(120) 내 전력 스위칭 소자의 게이트 단자에 인가되는 신호(Vs1', Vs2')일 수 있다. 이에 따라, 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')는 전술한 제1 및 제2 하암 전력 스위칭 소자(S1', S2')에 대한 게이트 신호(Vs1', Vs2')를 포함할 수 있다.
위상 검출 회로부(130)는 위상신호(Sp)에 기초하여 수신 코일(Lr)에 유도된 교류 전류(ia)가 양의 값 또는 음의 값을 가질 때 온 듀티를 갖는 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')를 생성할 수 있다. 보다 구체적으로, 위상 검출 회로부(130)는 위상신호(Sp)의 크기가 평균전압(Ve)보다 큰 구간 또는 작은 구간에서 온 듀티를 갖는 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')를 생성할 수 있다.
예컨대, 위상신호(Sp)의 위상이 수신 코일(Lr)에 유도된 교류 전류(ia)의 위상보다 180도 지연되는 경우, 도 14에 도시된 바와 같이 제1 하암 전력 스위칭 소자(S1')에 대한 제1 게이트 신호(Sa1)는 위상신호(Sp)의 크기가 평균전압(Ve)보다 큰 구간에서 온 듀티를 가질 수 있고, 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')에 대한 제1 게이트 신호(Sal')는 위상신호(Sp)의 크기가 평균전압(Ve)보다 작은 구간에서 온 듀티를 가질 수 있다.
이와 같은 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')를 생성하기 위해, 위상 검출 회로부(130)는 위상신호(Sp)와, 위상신호(Sp)의 평균전압(Ve) 크기를 비교하고, 비교 결과에 따라 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')를 출력하는 제1 비교기(C1)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 위상 검출부는 위상신호(Sp)가 평균전압(Ve)보다 큰 구간에서 온 듀티를 갖거나, 위상신호(Sp)가 평균전압(Ve)보다 작은 구간에서 온 듀티를 갖는 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')를 출력할 수 있다.
도 9를 참조하여 구체적으로 설명하면, 제1 비교기(C1)는 위상신호(Sp)를 입력받는 제1-1 입력단자, 위상신호(Sp)의 평균전압(Ve)을 입력받는 제1-2 입력단자 및 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')를 출력하는 제1 출력 단자로 구성될 수 있다.
이 때, 제1-2 입력단자에는 위상신호(Sp)의 평균전압(Ve)을 출력하는 독립 전압원이 직접 연결될 수 있다. 이와 달리, 도 9에 도시된 바와 같이 제1-2 입력단자는, 기준전압원(Vs)에서 출력되는 기준전압을 등분하는 두 저항(Ra) 사이의 노드에 연결되어 위상신호(Sp)의 평균전압(Ve)을 입력받을 수 있다. 이를 위해, 기준전압원(Vs)에서 출력되는 기준전압은 위상신호(Sp)의 평균전압(Ve)의 두 배로 설정될 수 있다.
제1-1 입력단자와 제1-2 입력단자는 반전 단자 또는 비반전 단자일 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이 위상신호(Sp)의 위상이 수신 코일(Lr)에 유도된 교류 전류(ia)의 위상보다 180도 지연되는 경우, 제1-1 입력단자는 반전 단자일 수 있고, 제1-2 입력단자는 비반전 단자일 수 있다.
반대로, 전술한 위상 천이 회로(132)가 진상 회로인 경우 위상신호(Sp)의 위상은 수신 코일(Lr)에 유도된 교류 전류(ia)의 위상과 동일할 수 있고, 이 때에는 제1-1 입력 단자가 비반전 단자일 수 있고, 제1-2 입력단자가 반전 단자일 수 있다.
한편, 위상 검출 회로부(130)는 제1 및 제2 하암 전력 스위칭 소자(S1', S2')에 대한 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')를 각각 생성하기 위해 부정회로를 더 포함할 수 있다.
다시 도 9를 참조하면, 제1 비교기(C1)의 출력단은 두 개의 라인으로 분기될 수 있고, 분기된 어느 한 라인에는 부정회로가 구비될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이 제1-1 입력단자가 반전 단자이고, 제1-2 입력단자가 비반전 단자일 때, 부정회로가 구비되지 않은 라인에서는 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')에 대한 제1 게이트 신호(Sa1')가 출력될 수 있고, 부정회로가 구비된 라인에서는 제1 하암 전력 스위칭 소자(S1')에 대한 제1 게이트 신호(Sa1)가 출력될 수 있다.
이에 따라, 도 14에 도시된 바와 같이, 제1 하암 전력 스위칭 소자(S1')에 대한 제1 게이트 신호(Sa1)는 수신 코일(Lr)에 유도된 교류 전류(ia)가 음의 값을 가질 때 온 듀티를 가질 수 있고, 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')에 대한 제1 게이트 신호(Sa1')는 수신 코일(Lr)에 유도된 교류 전류(ia)가 양의 값을 가질 때 온 듀티를 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')의 온 듀티는 수신 코일(Lr)에 유도되는 교류 전류(ia)가 양의 값인지 음의 값인지에 따라 결정되므로, 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')의 듀티비는 항상 50%일 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 듀티 변환 회로부(140)는 전술한 위상신호(Sp)를 이용하여 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')와 다른 듀티비를 갖는 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')를 생성할 수 있다. 여기서 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')는 후술하는 제어부(150)의 제어에 따라 정류 회로부(120) 내 전력 스위칭 소자의 게이트 단자에 인가되는 신호(Vs1', Vs2')일 수 있다. 이에 따라, 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')는 전술한 제1 및 제2 하암 전력 스위칭 소자(S1', S2')에 대한 게이트 신호(Vs1', Vs2')를 포함할 수 있다.
앞서 서술한 바와 같이 위상신호(Sp)는 수신 코일(Lr)에 유도된 교류 전류(ia)와 동일한 주기를 갖는 임의의 신호일 수 있다. 예를 들어, 위상신호(Sp)는 도 8에서 설명한 바와 같이 공진 커패시터(Cr)의 양단 전압(Vab)에 기초하여 생성될 수도 있고, 공진 회로부(110)의 출력단에 흐르는 교류 전류(ia)를 직접 검출하여 생성될 수도 있다.
이하에서는, 듀티 변환 회로부(140)가 이용하는 위상신호(Sp)가 도 8에 도시된 회로에 의해 생성되어 도 14에 도시된 파형을 갖는 것으로 가정하여 설명하도록 한다.
듀티 변환 회로부(140)는 위상신호(Sp)를 이용하여 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')의 듀티비보다 큰 듀티비를 갖는 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')를 생성할 수 있다. 전술한 바와 같이 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')의 듀티비는 50%이므로, 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')는 50% 내지 100%의 듀티비를 가질 수 있다.
이를 위해, 듀티 변환 회로부(140)는 위상신호(Sp)와 기준전압의 크기를 비교하고, 비교 결과에 따라 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')를 출력하는 제2 비교기(C2)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 듀티 변환 회로부(140)는 위상신호(Sp)가 기준전압보다 큰 구간에서 온 듀티를 갖거나, 위상신호(Sp)가 기준전압보다 작은 구간에서 온 듀티를 갖는 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')를 출력할 수 있다.
한편, 듀티 변환 회로부(140)는 제1 하암 전력 스위칭 소자(S1')에 대한 제2 게이트 신호(Sa2)를 출력하기 위한 제2 비교기(C2-1)와, 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')에 대한 제2 게이트 신호(Sa2')를 출력하기 위한 제2 비교기(C2-2)를 포함할 수 있다.
이하에서는, 제1 하암 전력 스위칭 소자(S1')에 대한 제2 게이트 신호(Sa2)를 출력하기 위한 비교기를 제2-1 비교기(C2-1)로 지칭하고, 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')에 대한 제2 게이트 신호(Sa2')를 출력하기 위한 비교기를 제2-2 비교기(C2-2)로 지칭하도록 한다.
제2-1 비교기(C2-1)는 위상신호(Sp)와, 기준전압원(Vs) 대한 제1 비율을 갖는 제1 기준전압(Vr1)의 크기를 비교하고, 비교 결과에 따라 제1 하암 전력 스위칭 소자(S1')에 대한 제2 게이트 신호(Sa2)를 출력할 수 있다.
한편, 제2-2 비교기(C2-2)는 위상신호(Sp)와, 기준전압에 대한 제2 비율을 갖는 제2 기준전압(Vr2)의 크기를 비교하고, 비교 결과에 따라 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')에 대한 제2 게이트 신호(Sa2')를 출력할 수 있다.
이 때, 제1 비율과 제2 비율의 합은 1일 수 있다.
도 10 및 도 11을 함께 참조하면, 일 예에서 제2-1 비교기(C2-1)의 어느 한 입력단자는 위상 검출 회로부(130)의 출력단과 연결될 수 있고, 다른 한 입력단자는 제1 기준전압(Vr1)을 출력하는 가변전압원과 연결될 수 있다.
또한, 제2-2 비교기(C2-2)의 어느 한 입력단자는 위상 검출 회로부(130)의 출력단과 연결될 수 있고, 다른 한 입력단자는 제2 기준전압(Vr2)을 출력하는 가변전압원과 연결될 수 있다.
이에 따라, 제2-1 비교기(C2-1)는 두 입력단자를 통해 위상신호(Sp)와 제1 기준전압(Vr1)을 입력받을 수 있고, 제2-2 비교기(C2-2)는 두 입력단자를 통해 위상신호(Sp)와 제2 기준전압(Vr2)을 입력받을 수 있다.
이에 따라, 제2-1 비교기(C2-1)는 위상신호(Sp)와 제1 기준전압(Vr1)의 비교 결과에 따른 제2 게이트 신호(Sa2)를 출력할 수 있고, 제2-2 비교기(C2-2)는 위상신호(Sp)와 제2 기준전압(Vr2)의 비교 결과에 따른 제2 게이트 신호(Sa2')를 출력할 수 있다.
제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')보다 큰 듀티비를 갖는 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')를 출력하기 위해, 제1 기준전압(Vr1) 또는 제2 기준전압(Vr2)은 위상신호(Sp)의 평균전압(Ve)보다 높게 설정될 수 있다.
한편, 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')간 레귤레이션 구간을 형성하기 위해 제2-1 비교기(C2-1)의 반전 단자에 제1 기준전압(Vr1)이 입력되는 경우, 제2-2 비교기(C2-2)의 비반전 단자에 제2 기준전압(Vr2)이 입력될 수 있다.
이 때, 제2 비율은 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')에 대한 제2 게이트 신호(Sa2')의 목표 듀티비에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 목표 듀티비가 60%인 경우 제2 비율은 3/5으로 설정될 수 있고, 이에 따라, 제1 비율은 2/5로 설정될 수 있다.
도 12 및 도 13을 함께 참조하면, 다른 예에서 제2-1 비교기(C2-1)는 위상신호(Sp)를 입력받는 제2-1 비반전 단자, 기준전압원(Vs)에서 출력되는 기준전압을 제1 비율로 분압하는 두 개의 저항(Rb, Rc) 사이의 노드에 연결되어 제1 기준전압(Vr1)을 입력받는 제2-1 반전 단자 및 제1 하암 전력 스위칭 소자(S1')에 대한 제2 게이트 신호(Sa2)를 출력하는 제2-1 출력 단자로 구성될 수 있다.
또한, 제2-2 비교기(C2-2)는 위상신호(Sp)를 입력받는 제2-2 반전 단자, 기준전압원(Vs)에서 출력되는 기준전압을 제2 비율로 분압하는 두 개의 저항(Rb, Rc) 사이의 노드에 연결되어 제2 기준전압(Vr2)을 입력받는 제2-2 비반전 단자 및 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')에 대한 제2 게이트 신호(Sa2')를 출력하는 제2-2 출력 단자로 구성될 수 있다.
이에 따라, 제2-1 비교기(C2-1)는 위상신호(Sp)와 제1 기준전압(Vr1)의 비교 결과에 따른 제2 게이트 신호(Sa2)를 출력할 수 있고, 제2-2 비교기(C2-2)는 위상신호(Sp)와 제2 기준전압(Vr2)의 비교 결과에 따른 제2 게이트 신호(Sa2')를 출력할 수 있다.
도 12 및 도 13에 도시된 기준전압원(Vs)은 도 9에서 설명한 기준전압원(Vs)과 동일할 수 있다. 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')에 대한 제2 게이트 신호(Sa2')의 목표 듀티비가 60%인 경우, Rb와 Rc의 저항값의 비는 3:2일 수 있다. 이와 달리, 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')에 대한 제2 게이트 신호(Sa2')의 목표 듀티비가 80%인 경우, Rb와 Rc의 저항값의 비는 4:1일 수 있다.
도 15를 참조하면, 도 10 내지 도 13에 도시된 제2 비교기(C2-1, C2-2)에 의해 제1 하암 전력 스위칭 소자(S1')에 대한 제2 게이트 신호(Sa2)는 위상신호(Sp)가 제1 기준전압(Vr1)보다 큰 구간에서 온 듀티를 가질 수 있고, 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')에 대한 제2 게이트 신호(Sa2')는 위상신호(Sp)가 제1 기준전압(Vr1)보다 작은 구간에서 온 듀티를 가질 수 있다.
이에 따라, 각 하암 전력 스위칭 소자(S1', S2')에 대한 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')가 중첩되어 레귤레이션 구간을 형성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 아날로그 회로를 이용하여 게이트 신호의 듀티비를 제어함으로써, 게이트 신호의 듀티비 제어를 위해 MCU(Micro Controller Unit) 가 수신 코일에 유도되는 교류 전류를 매 주기 모니터링 할 필요가 없고, 이에 따라, MCU의 성능에 관계없이 게이트 신호의 듀티비를 제어할 수 있다.
제어부(150)는 위상 검출 회로부(130)에서 생성된 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')와 듀티 변환 회로부(140)에서 생성된 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2') 중 어느 하나에 따라 복수의 전력 스위칭 소자를 구동할 수 있다.
다시 말해, 제어부(150)는 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')에 따라 복수의 전력 스위칭 소자를 구동하여 부하(11)로 출력되는 출력 전압(Vo)을 최대로 제어하거나, 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')에 따라 복수의 전력 스위칭 소자를 구동하여 부하(11)로 출력되는 출력 전압(Vo)을 목표 전압(Vt)으로 제어할 수 있다.
이를 위해, 제어부(150)는 부하(11)에 제공되는 출력 전압(Vo)과 목표 전압(Vt)의 비교 결과에 따라 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1') 또는 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')를 선택적으로 전력 스위칭 소자에 제공할 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 출력 전압 검출부(170)는 부하(11) 양단에 인가되는 출력 전압(Vo)을 측정할 수 있다. 전압 측정은 당해 기술분야에서 일반적으로 이용되는 다양한 방법에 의해 수행될 수 있다.
출력 전압 검출부(170)는 출력 전압(Vo)의 크기에 대한 정보를 제어부(150)에 제공할 수 있고, 제어부(150)는 출력 전압(Vo)과 목표 전압(Vt)을 비교할 수 있다. 여기서 목표 전압(Vt)은 사용자에 의해 설정될 수 있다.
목표 전압(Vt)이 출력 전압(Vo)보다 높으면, 제어부(150)는 출력 전압(Vo)을 최대로 제어하기 위해 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')를 전력 스위칭 소자에 제공할 수 있다. 반면에, 목표 전압(Vt)이 출력 전압(Vo)보다 낮으면, 제어부(150)는 출력 전압(Vo)을 낮추기 위해 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')를 전력 스위칭 소자에 제공할 수 있다.
이 때, 출력 전압(Vo)보다 낮은 목표 전압(Vt)의 크기에 따라 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')의 듀티비가 결정될 수 있다. 보다 구체적으로, 목표 전압(Vt)과 출력 전압(Vo)의 차이가 클수록 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')의 듀티비는 커질 수 있고, 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')의 듀티비가 증가하면 레귤레이션 구간이 증가하여 출력 전압(Vo)이 낮아질 수 있다.
전술한 제어부(150)의 동작을 위해, 본 발명의 무선 전력 수신 장치(100)는 위상 검출 회로부(130) 및 듀티 변환 회로부(140)의 출력단과 연결되어 제어부(150)에서 제공되는 출력전환신호(Sc)에 따라 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1') 또는 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')를 복수의 전력 스위칭 소자에 선택적으로 제공하는 멀티플랙서부(160)를 포함할 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 멀티플랙서부(160)는 제1 게이트 신호(Sa1) 또는 제2 게이트 신호(Sa2)를 제1 하암 전력 스위칭 소자(S1')에 선택적으로 제공하는 제1 멀티플랙서(MUX, 161)와, 제1 게이트 신호(Sa1') 또는 제2 게이트 신호(Sa2')를 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')에 선택적으로 제공하는 제2 멀티플랙서(162)를 포함할 수 있다.
제1 멀티플랙서(161)와 제2 멀티플랙서(162)의 동작 방법은 동일하므로, 이하에서는 제1 멀티플랙서(161)와 제2 멀티플랙서(162)를 멀티플랙서부(160)로 통칭하여 설명하도록 한다.
도 16 및 도 17을 참조하면, 멀티플랙서부(160)의 입력단자는 각각 위상 검출 회로부(130) 및 듀티 변환 회로부(140)에 연결되어 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1') 및 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')를 입력받을 수 있다. 한편, 멀티플랙서부(160)의 출력 단자는 제1 및 제2 하암 전력 스위칭 소자(S1', S2')의 게이트 단자에 연결될 수 있다.
멀티플랙서부(160)는 제어부(150)에서 제공되는 출력전환신호(Sc)에 따라 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')와 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2') 중 어느 하나만을 제1 및 제2 하암 전력 스위칭 소자(S1', S2')의 게이트 단자에 공급할 수 있다.
한편, 제어부(150)는 부하(11)에 제공되는 출력 전압(Vo)과 목표 전압(Vt)의 비교 결과에 따라 출력전환신호(Sc)를 멀티플랙서부(160)에 선택적으로 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 제어부(150)는 출력 전압(Vo)이 목표 전압(Vt) 미만이면 출력전환신호(Sc)를 제공하지 않고, 출력 전압(Vo)이 목표 전압(Vt)을 초과하면 출력전환신호(Sc)를 제공할 수 있다.
멀티플랙서부(160)는 출력전환신호(Sc)가 제공되기 전에는 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')를 제1 및 제2 하암 전력 스위칭 소자(S1', S2')에 제공하다가, 출력전환신호(Sc)가 제공되면 제2 게이트 신호(Sa2, Sa2')를 제1 및 제2 하암 전력 스위칭 소자(S1', S2')에 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 멀티플랙서를 이용하여 듀티비가 서로 다른 두 게이트 신호 중 어느 하나의 게이트 신호만을 전력 게이트 소자에 제공함으로써, MCU는 멀티플랙서의 제어를 위한 단일의 비트 데이터만을 이용하여 출력 전압을 제어할 수 있고, 이에 따라, 출력 전압 제어를 위한 MCU의 처리부하를 현저하게 낮출 수 있다.
도 18을 참조하면, 제1 게이트 신호(Sa1, Sa1')에 의해 전력 스위칭 소자가 구동되면, 제1 상암 전력 스위칭 소자(S1) 및 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')는 수신 코일(Lr)에 유도되는 교류 전류(ia)가 양의 값을 가질 때 온 듀티를 가질 수 있다. 또한, 제2 상암 전력 스위칭 소자(S2) 및 제1 하암 전력 스위칭 소자(S1')는 수신 코일(Lr)에 유도되는 교류 전류(ia)가 음의 값을 가질 때 온 듀티를 가질 수 있다.
이 때, 모든 전력 스위칭 소자에 인가되는 게이트 신호는 180도의 온 듀티를 갖고, 게이트 신호의 듀티비는 50%로 모두 동일할 수 있다. 이에 따라, 레귤레이션 구간이 존재하지 않으며 부하(11)에는 최대 출력 전압이 제공될 수 있다.
한편, 도 19를 참조하면, 부하(11)에 제공되는 출력 전압(Vo)을 조절하기 위해 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')는 수신 코일(Lr)에 유도되는 교류 전류(ia)가 양의 값으로 전환될 때 턴 온되어 270도의 온 듀티를 가질 수 있다. 상보적으로 제2 상암 전력 스위칭 소자(S2)는 제2 하암 전력 스위칭 소자(S2')가 턴 오프된 구간에서 턴 온될 수 있고 90도의 온 듀티를 가질 수 있다.
또한, 제1 하암 전력 스위칭 소자(S1')는 270도의 온 듀티 가지면서 수신 코일(Lr)에 유도되는 교류 전류(ia)가 음의 값으로 전환될 때 턴 오프될 수 있다. 상보적으로 제1 상암 전력 스위칭 소자(S1)는 제1 하암 전력 스위칭 소자(S1')가 턴 오프된 구간에서 턴 온될 수 있고 90도의 온 듀티를 가질 수 있다.
이 때, 270도의 온 듀티를 갖는 제1 및 제2 하암 전력 스위칭 소자(S1', S2')에 의해 180도의 레귤레이션 구간이 형성되며, 최대 출력 전압보다 낮은 출력 전압(Vo)이 제공될 수 있다.
정리하면, 본 발명은 유도된 교류 전류의 위상에 기초하여 서로 다른 듀티비를 갖는 두 게이트 신호를 생성하고, 생성된 두 게이트 신호를 통해 출력 전압을 제어함으로써, 매우 간단한 구성으로 출력 전압을 조절할 수 있다.
전술한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

Claims (14)

  1. 전자기 유도 현상에 의해 교류 전류가 유도되는 공진 회로부;
    복수의 전력 스위칭 소자를 이용하여 상기 유도된 교류 전류를 직류 출력 전압으로 변환하여 부하에 제공하는 정류 회로부;
    상기 유도된 교류 전류의 위상신호를 검출하고, 상기 검출된 위상신호에 대응하는 제1 게이트 신호를 생성하는 위상 검출 회로부;
    상기 위상신호를 이용하여 상기 제1 게이트 신호와 다른 듀티비를 갖는 제2 게이트 신호를 생성하는 듀티 변환 회로부;
    상기 제1 게이트 신호 및 상기 제2 게이트 신호 중 어느 하나에 따라 상기 복수의 전력 스위칭 소자를 구동하는 제어부를 포함하는
    무선 전력 수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정류 회로부는
    상기 공진 회로부의 제1 출력 노드와 연결된 제1 레그(leg)와 상기 공진 회로부의 제2 출력 노드와 연결된 제2 레그를 포함하고,
    상기 제1 레그에는 제1 상암 다이오드 및 제1 하암 전력 스위칭 소자가 구비되고, 상기 제2 레그에는 제2 상암 다이오드 및 제2 하암 전력 스위칭 소자가 구비되는
    무선 전력 수신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정류 회로부는
    상기 공진 회로부의 제1 출력 노드와 연결된 제1 레그와 상기 공진 회로부의 제2 출력 노드와 연결된 제2 레그를 포함하고,
    상기 제1 레그에는 제1 상암 전력 스위칭 소자 및 제1 하암 전력 스위칭 소자가 구비되고, 상기 제2 레그에는 제2 상암 전력 스위칭 소자 및 제2 하암 전력 스위칭 소자가 구비되는
    무선 전력 수신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 위상 검출 회로부는
    상기 공진 회로부에 구비된 공진 커패시터의 양단 전압을 검출하고, 상기 검출된 전압의 위상을 천이시켜 상기 교류 전류의 위상신호를 검출하는 무선 전력 수신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 위상 검출 회로부는
    상기 검출된 전압의 위상을 천이시켜 상기 위상신호를 출력하는 위상 천이 회로와,
    상기 위상신호와 상기 위상신호의 평균전압의 크기를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 제1 게이트 신호를 출력하는 제1 비교기를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 비교기는
    상기 위상신호를 입력받는 제1-1 입력단자와,
    상기 위상신호의 평균전압을 입력받는 제1-2 입력단자와,
    상기 제1 게이트 신호를 출력하는 제1 출력 단자를 포함하는
    무선 전력 수신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 듀티 변환 회로부는
    상기 위상신호와 기준전압의 크기를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 제2 게이트 신호를 출력하는 제2 비교기를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 정류 회로부는
    제1 하암 전력 스위칭 소자 및 제2 하암 전력 스위칭 소자를 포함하고,
    상기 듀티 변환 회로부는
    상기 위상신호와, 기준전압에 대한 제1 비율을 갖는 제1 기준전압의 크기를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 제1 하암 전력 스위칭 소자에 대한 상기 제2 게이트 신호를 출력하는 제2-1 비교기와,
    상기 위상신호와, 상기 기준전압에 대한 제2 비율을 갖는 제2 기준전압의 크기를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 제2 하암 전력 스위칭 소자에 대한 상기 제2 게이트 신호를 출력하는 제2-2 비교기를 포함하고,
    상기 제1 비율과 상기 제2 비율의 합은 1인
    무선 전력 수신 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2-1 비교기는
    상기 위상신호를 입력받는 제2-1 비반전 단자와,
    기준전압원에서 출력되는 상기 기준전압을 상기 제1 비율로 분압하는 두 개의 저항 사이의 노드에 연결되어 상기 제1 기준전압을 입력받는 제2-1 반전 단자와,
    상기 제1 하암 전력 스위칭 소자에 대한 상기 제2 게이트 신호를 출력하는 제2-1 출력 단자를 포함하는
    무선 전력 수신 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2-2 비교기는
    상기 위상신호를 입력받는 제2-2 반전 단자와,
    기준전압원에서 출력되는 상기 기준전압을 상기 제2 비율로 분압하는 두 개의 저항 사이의 노드에 연결되어 상기 제2 기준전압을 입력받는 제2-2 비반전 단자와,
    상기 제2 하암 전력 스위칭 소자에 대한 상기 제2 게이트 신호를 출력하는 제2-2 출력 단자를 포함하는
    무선 전력 수신 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 부하에 제공되는 출력 전압과 목표 전압의 비교 결과에 따라 상기 제1 게이트 신호 또는 상기 제2 게이트 신호를 선택적으로 상기 전력 스위칭 소자에 제공하는 무선 전력 수신 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 위상 검출 회로부 및 상기 듀티 변환 회로부의 출력단과 연결되어 상기 제어부에서 제공되는 출력전환신호에 따라 상기 제1 게이트 신호 또는 상기 제2 게이트 신호를 상기 복수의 전력 스위칭 소자에 선택적으로 제공하는 멀티플랙서부를 포함하는 무선 전력 수신 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 부하에 제공되는 출력 전압과 목표 전압의 비교 결과에 따라 상기 출력전환신호를 상기 멀티플랙서부에 선택적으로 제공하는 무선 전력 수신 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 부하에 제공되는 출력 전압이 목표 전압을 초과하면 상기 출력전환신호를 상기 멀티플랙서부에 제공하고,
    상기 멀티플랙서부는 상기 출력전환신호가 제공되기 전에는 상기 제1 게이트 신호를 상기 복수의 전력 스위칭 소자에 제공하다가, 상기 출력전환신호가 제공되면 상기 제2 게이트 신호를 상기 복수의 전력 스위칭 소자에 제공하는 무선 전력 수신 장치.
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