KR20050013605A - 무선 전력 전송용 평면 공진기 - Google Patents
무선 전력 전송용 평면 공진기Info
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Abstract
본 발명은, 결합된 인덕터 또는 변압기 구성으로 전달 인터페이스에 걸친 적어도 2개의 전기적으로 격리된 축 정렬된 도체를 사용하여 비접촉 전력 전달을 제공하는 평면 공진기와 제조 방법에 관한 것이다. 이후, 신호 또는 전력 전달이 자속의 결합으로 달성된다. 전속(electric flux)의 결합은 또한 동일한 인터페이스를 통해 달성되며 동일한 전도성 나선 감김 도체로 구동된다. 에너지 전달의 인터페이스(IOET)(215)는 상기 IOET의 상부 표면상에 배치된 제 1 나선 형태의 도체(210)와, 상기 IOET의 하부 표면상에 배치되고 제 1 나선 형태의 도체로 정렬된 수직 축을 가지는 제 2 나선 형태의 도체(230)를 가진다. IOET와 제 1 및 제 2 나선 형태의 도체는 미리 결정된 자체 공진 주파수를 가진다. 평면 전력 공진기는 IOET에 전기 에너지를 저장하고, 미리 결정된 주파수에서 제 1 및 제 2 나선 형태의 도체 및 IOET의 배치는 IOET에 걸쳐 제 1 나선과 제 2 나선 사이에 자속과 전기 에너지의 전달을 허용한다. 공진기는 직물 내로 엮어지거나 공진기가 개인의 의복에 부착될 수 있는 휴대 전화와 착용 가능한 전자 장치와 같은 디바이스에서 비접촉 배터리 충전을 용이하게 한다.
Description
비접촉 전력 전달은 맥박 조정기(pacemaker) 배터리의 비삽입 충전, 하이브리드 차량 배터리의 충전 등과 같은 응용에 사용되어져 왔다. 그러한 응용에서, 전류가 전력 스테이션(power station)으로부터 부하로 유도되도록 유도성 결합이 배타적으로 사용된다. 그러한 시스템에서, 전력 전달은 전력 스테이션과 부하의 자속을 연결함으로써, 배타적으로 이룩된다.
예를 들어, 전기 차량의 사용을 장려하는 도로 시스템이 캘리포니아와 같은 주에 의해 연구되어져 왔다. 그러한 시스템에서, 배터리 충전 및/또는 심지어 추진을 허용하기 위해 차량의 유도 코일이 도로 코일로부터 유도된 전류를 수신하도록, 유도성 결합된 편평한 코일이 도로에 설치되거나 도로에 설치되는 케이블에 에너지가 가해진다. 유도에 의해 충분한 전력 전달을 제공하기 위해, 통상 이러한 시스템은 매립된 코일의 선속 다발(flux collection) 표면과 차량이 서로에 대해 5㎝ 내의 거리를 유지할 것을 요구한다.
Steigerwald 등의 미국 특허 5,608,771호는 비접촉 전력 전달 시스템을 기술하고 있고, 이러한 시스템에서 전력은 회전 변압기의 사용을 통해, 고정식 전원으로부터 회전 부하로 전달된다. 이 시스템은 브러시와 슬립 링(slip ring) 설비를 배제한다. 이러한 타입의 시스템의 결합은 또한 유도성이다.
또다른 설비는 도체와 물리적으로 접촉하지 않는 1차 도체 둘레의 클램프-온 링크(clamp-on link)의 사용이다. 전력 전달은 여전히 유도를 통해 이루어진다.
보안 신원 확인(security identification)의 독립된 분야에서는, 전력 전달을 제공하지는 않지만 무선 통신의 형태로 사용되는 사람이나 차량용 신원 확인 태그{주간 고속도로(Interstate) 95의 구간, 보스턴에서 버지니아에 이르는 터널에서의 어떤 다리에 있는 EZ-Pass, 스마트-태그(Smart-Tag) 및 고속 차선 자동 요금 징수 시스템과 같은}가 존재한다. 보안 태그와 요금 징수 태그는, 전력 전달 시스템의 유도성 결합과는 반대로 용량성 결합 트랜스폰더(transponder)이다. 따라서, 종래 기술은 자속의 유도성 결합 외에도, 전속의 용량성 결합 기능을 포함하는 비접촉 전력 전달용 시스템이 결여되어 있다.
비-자기, 비-전도성, 갈비니 전기로부터 격리된(galvanically-isolated) 볼륨(물질)을 통해 전력 전달을 허용하는 무선 전력 전달용 평면 공진기를 제공하는 것이 유리하다. 전기 및/또는 자기 에너지는 이러한 볼륨에 저장되고, 이러한 볼륨을 통해 에너지가 또한 전달된다. 공진 성분은 통합된 인덕터-커패시터-변압기의 특성을 나타낸다.
본 발명은 비접촉 전력 전달 시스템에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 발명은 비접촉 전력 전달 시스템에서 무선 전력 전달용 평면 공진기에 관한 것이다.
도 1a와 도 1b는 본 발명에 사용될 수 있는 기본적인 나선 및 2중선의 나선 배치를 도시하는 도면.
도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 평면 공진기의 일 실시예와, 나선과 IOET의 단면 슬라이스를 도시하는 도면.
도 2c는 유전체와 나선이 기판 물질(240, 241) 내에 배치된 대안적인 배치를 도시하는 도면.
도 3은 IOET 둘레에 감긴 나선의 단면 부분을 도시하는 도면.
도 4는 도 1a에 도시된 나선 배치에 대한 근사 등가 회로를 도시하는 도면.
도 5는 도 1b에 도시된 나선 배치에 대한 근사 등가 회로를 도시하는 도면.
도 6과 도 7은 본 발명이 직렬 공진기와 병렬 공진기로서 기능하도록 구성된 나선의 개략 배치를 도시하는 도면.
도 8a와 도 8b는 직렬 구성의 개략도와, 통상적인 임피던스 곡선이 제 1 공진 주파수를 중심으로 그려지고, L과 C는 각각 유도성 또는 용량성 거동이 우세함을 표시하는, 임피던스 대 주파수의 그래프를 각각 나타내는 도면.
도 8c와 도 8d는 병렬 구성의 개락도, 임피던스 대 주파수의 그래프 및 2개의 나선 코일 사이의 에너지 저장용으로 사용된 커패시턴스의 스케치(sketch)를 나타내는 도면.
도 8e 내지 도 8g는 전기 결합에 의해 에너지가 구성으로 들어가고 나갈 수 있는 3개의 다른 배치를 도시하는 도면.
도 9a 내지 도 9c는 본 발명에 따른 평면 공진기의 단면도, 2개 코일의 평면도 및 감소된 차수의 등가 회로를 각각 도시하는 도면.
도 10은 전력을 전기 및 자기 에너지가 결합된 형태로 전달하기 위해 IOET가 공진기에 걸쳐 어떻게 기능하는지를 도시하는 등가 상부 및 하부 병렬 공진기 회로를 도시하는 도면.
도 11은 본 발명에 따른 직렬 공진 배터리 충전기의 등가 회로의 개략도.
도 12는 본 발명에 따른 플라이백(flyback) 변압기의 개략도.
본 발명의 제 1 양태에서, 평면 공진기는 단일 나선 구성으로 배치된 코일을 포함한다. 하지만, 다수의 나선 구성으로 사용될 때, 나선 사이의 커패시턴스는 에너지 전달을 위해 사용될 수 있고, 이는 IOET를 통해 전기 및 자기 에너지 전달 결합을 초래한다. 또다른 양태에서, 나선은 서로 반대 측면 상에 배치될 수 있고, 그러한 판(board)은 필요하지 않는다. 연결은 예를 들어 휴대 전화의 배터리가 충전기로의 휴대 전화의 물리적인 배선 연결 없이 충전될 수 있도록, 무선이 될 수 있다. 에너지의 무선 전달용으로, PCB는 일반적으로 부적절한 IOET이다.
사용된 물리적인 배치 및/또는 물질에 따라, 평면 공진기는 전기 또는 자기 형태 또는 둘다 사이의 에너지 전달의 인터페이스(이후, "IOET")를 통해 전력을 전달하는 것 외에, 임피던스 정합이나 부착된 스위칭 전력 전자 컨버터 회로에서의 소프트 스위칭의 달성할 목적으로 전기 및 자기 에너지 모두를 저장한다. 물리적인 배치 및/또는 사용된 물질은, 유도성 에너지 저장, 전기(용량성) 에너지 저장 또는 내장된 LC 공진 특성과 결합된 자기 변압기와 같은 이들의 조합 이외에, 용량성 에너지를 전달하거나 전달하지 않는 변압기 기능을 허용할 수 있다. 평면 공진기는 예를 들어 단일 코일 구성에서 에너지 전달을 위해 반드시 IOET를 사용하지는 않는다.
본 발명의 또다른 양태에 따르면, 격리 결합 인터페이스와 공진 탱크는 전력 전달의 격리 특성을 가진 평면 구성으로 기능상 통합된다. 이 디바이스는 예를 들어 휴대전화와 그것의 충전기와 같은 IOET의 한쪽 위에 있는 2개의 분리 가능한 구조를 포함할 수 있다. IOET에 필수적인 전기 접점이 존재하지 않으므로, 전체 충전회로의 크기는 IEC950과 같은 안전 표준을 위한 격리 설계 명세서에 따라 감소될 수 있다. 물리적인 구조는 IOET의 각 측면 상에 한 세트의 나선 코일을 포함할 수 있으며, 각 나선은 플렉스(flex)나 인쇄 회로 기판(FR-4)과 같은 개별 기판 상의 도체 트래이스(trace)이다.
본 발명의 장점은 착용 가능한 전자 장치의 사용을 용이하게 한다는 점이다. 예를 들어, FR4와 같은 물질과, 플렉스 회로가 코일의 표면이 유연하게 될 수 있도록 사용될 수 있다. 이러한 유연성 외에도, 코일은 하나의 직물 또는 패드(pad)로 배치된 엮어진 전선이 의복에 부착될 수 있는 삽입된 도체를 용이하게 구비할 수 있게 어떤 임의의 형태로 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 누구나 라디오, 휴대 전화 및/또는 컴퓨터(많은 착용 가능한 항목 중 단지 몇 가지만 언급함)를 상기 직물에 디바이스를 가깝게 가져감으로써 충전시킬 수 있다. 그러므로, 착용 가능한 전자 장치를 구비한 본 발명의 구현물은 착용 가능한 디바이스(들)와 외부 전력원 사이의 인터페이스를 제공할 수 있다. 디지털 또는 아날로그 신호는 예를 들어 업 또는 다운로드(up or download) 디지털 정보로의 그러한 인터페이스를 통해 전송될 수도 있다.
본 발명의 또다른 양태에서, 평면 전력 공진기의 IOET는 얇은 및/또는 비교적 편평한 상부 코일 표면을 가질 수 있다. 무선 응용에서, IOET는 예를 들어 (ⅰ) 상부 나선(들)의 하부 상의 비 전도성/유전체 막(격리용), (ⅱ)공기, 및 (ⅲ) 하부 나선(들)의 상부 상의 비 전도성/유전체 막(격리용)을 포함할 수 있다. 코일은 실질적으로 축 정렬된 상부 및 하부 구성으로 배치될 수 있다. 또한, 상부 코일의 하부에서는 유화제가 존재할 수 있는데, 이러한 유화제와 하부 코일의 상부 사이에는 공기 간극이 존재한다.
나선 형태의 도체는 pcb 나선 감김 도체를 포함할 수 있다. 또, 배터리 충전 회로는 제 1 및 제 2 나선 형태의 도체 중 하나에 결합될 수 있고, 부하가 제 1 및 제 2 나선 형태의 도체 중 나머지 것에 결합될 수 있다. 배터리 충전 회로 사이의 결합은 용량성 결합을 포함할 수 있다. 부하는 자기 결합을 위해 연결될 수 있고, 전력은 IOET를 통해 자속을 결합시킴으로써 전달된다.
본 발명의 일 양태에 따르면, 제 1 나선 형태의 도체에 인가된 신호는 IOET를 통해 제 1 나선 형태의 도체와 제 2 나선 형태의 도체의 자속을 결합시킴으로써 제 2 나선 형태의 도체에 전달될 수 있다.
제 1 및 제 2 나선 형태의 도체와 IOET는 바람직하게 평면(편평한/얇은) 구조로 통합된다.
평면 공진기는 또한 IOET의 상부 표면상에 제 1 나선 형태의 도체를 구비한 2중선의 나선 구성으로 배치되는 제 3 나선 형태의 도체 및/또는 IOET의 하부 표면상에 상기 제 2 나선 형태의 도체를 구비한 2중선의 나선 구성으로 배치되는 제 4 나선 형태의 도체를 포함할 수 있다. 2중 실선 상부 및 단일 하부 또는 단일 상부 및 2중 실선 하부는 대안적인 배치임을 이해해야 한다. 등가 직렬 또는 병렬 공진기 동작이 이들 2개의 나선 사이의 갈바니 전기 연결의 부재 또는 존재에 의해 각각 달성될 수 있다.
그러므로, IOET의 상부 표면과 하부 표면상의 2중선의 나선 구성이 병렬 공진기 또는 직렬 공진기를 형성하도록 배치될 수 있다.
또, 2중 실선 구성 대신, 복수의 나선 형태의 도체가 각각의 상부 또는 하부 표면상의 다중선의 구성으로 배치될 수 있다. 나선 형태의 도체는 평면 공진기가 병렬 공진기 또는 직렬 공진기를 포함하도록 구성될 수 있다.
평면 공진기가 병렬 공진기 또는 직렬 공진기를 포함하도록, 제 1 및 제 2의 복수의 나선 형태의 도체가 구성될 수 있다. 1개의 커패시터 플레이트를 구비한 배치가 존재할 수 있다. 코일은 커패시터의 유전체에 연결된 1개의 단부와, 충전 회로에 나머지 단부가 연결되는 단부를 가진다. 이러한 배치에서, 평면 공진기는 이 회로의 Q값에 영향을 주는 직렬로 연결된 인덕터와 커패시터로서 작용한다.
2중 실선 배치는 IOET의 한 면상에 2중 실선 배치를 형성하는 2개의 나선으로 분리하는 유전체 물질의 제 2막으로 얻어질 수도 있다. 즉, 유전체 막은 상부 나선의 상부에 있고, 또다른 나선은 이 유전체 막의 상부 상에 존재한다. 이 유전체 막은 전기 에너지를 저장하고, 유도성 부분이 유전체 막의 어느 한쪽의 나선 세트를 자기 결합함으로써 얻어지는 공진기의 용량성 부분을 형성한다. 이 막은 에너지를 전달하는 것이 아니라 IOET를 통해 전달될 수 있는 에너지를 저장한다.
나선이 동일한 방향으로 감기는 2중 실선 배치 대신, 나선 중 하나는 감기는 방향이 반대인 구성을 가질 수 있다. 그러므로, 이러한 경우 2개의 나선은 동일한 물리적 평면에 있지 않게 된다. 이러한 장점은 유연한 회로를 가지는 것이 필요하거나 바람직할 때 또는 공진기의 자기 및 전기 성능을 증가시키기 위해 코일의 여러 개의 층을 가지는 것이 바람직하게 될 때 이용될 수 있다. 상기 배치 모두는 다수의 공진 주파수에 대한 전송선 특성을 갖는다. 전기적인 거동은 등가 전기 저항, 커패시터, 인덕터 및 결합된 인덕터의 분산 네트워크에 의해 추가로 모델화될 수 있다. 분산된 요소의 값과 그것으로 인한 공진 주파수, 임피던스, 이득 및 위상을 포함하는, 단자에서의 구조체의 전기적인 거동은 나선 및 인터페이스의 기하학적 구성과 물질의 특성을 선택함으로써 제어 가능하다.
다음 설명은 제한하기 위한 것이 아니라 예시의 목적으로 제공된다. 본 발명의 정신과 첨부된 청구항의 범위 내에 있는 많은 다른 구성이 존재한다.
도 1a 와 도 1b는 본 발명의 일 양태에 따른 평면 통합된 공진기의 변형예를 예시한다. 통합된 공진기는 동일한 함수의 일부로서 자기 에너지를 저장하기도 하는 구조(기하학적)의 시간-에너지 함수의 일부로 전기 에너지를 저장함으로써 얻어진다.
도 1a는 기본 나선(100)의 일 예를 예시하고, 도 1b는 2중 실선(bi-filar)나선(200)을 예시한다. 물론 본 발명이 나선과 2중선의 나선에 제한되지 않고, 필요에 따라 임의의 개수의 나선 감기(spiral wrapping)(다중선)를 사용할 수 있음이 당업자에 의해 이해되어야 한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 평면(planar)(200)은 에너지 전달의 인터페이스(IOET: interface-of-energy-transfer)(215)의 상부측 상에 감겨진 나선(210)을 가지고, 또다른 나선(미도시)이 IOET의 하부측(220)에 감긴다. IOET의 상부측 상의 나선의 축, 내부 직경 및 외부 직경은 IOET의 하부측 상의 나선에 밀접하게 대응한다.
도 2b는 도 2a에 도시된 나선(210)의 횡단면을 예시한다. 이 단면으로부터, IOET에 의해 분리된 컨덕터(225, 230)를 나선이 가지는 것을 볼 수 있다. 자기 결합 계수를 가지는{즉, 공통 선속을 공유하는} 나선 사이의 IOET 층을 형성함으로써, 통합된 공진기가 자기 에너지를 저장하는 구조의 시간-에너지 함수의 부분인 전기 에너지를 저장하는 것을 허용한다.
도 2b가 위아래에 배치된 나선 컨덕터를 가지는 IOET를 보여주지만, IOET는 기판이어야 하는 것은 아니고, 도 2c에 도시된 바와 같이 IOET는 기판(240)과 기판(241) 사이에 배치되는 점이 주목되어야 한다. 2개의 기판 물질은 인터페이스(235)의 양면에 있고, 이러한 인터페이스(235)를 따라 공기 간극(air gap)이 존재하면 2개의 기판 물질이 분리될 수 있다.
IOET는 μr>1 또는 Er>1일 수 있고, 여기서 μr은 물질의 투자율이며, Er은 물질의 유전율이다.
도 3은 다수의 병렬 나선이나 다중선이 사용될 수 있는 일 실시예를 보여준다. 도 3에 도시된 바와 같이, "w"는 폭과 동일하고 "t"는 두께와 동일하다. 나선의 감긴 횟수와 그들의 크기 및 연결과 회전 방향은 직렬, 병렬 또는 직/병렬 결합 회로를 달성하도록 구성될 수 있다.
도 4, 도 5, 도 6 및 도 7은 개별 나선 사이를 구별하기 위해 A와 B와 같은 표시법을 사용하여 나선의 배치와 그들의 등가 회로를 예시한다. 예를 들어, 도 4는 도 1a에 관한 대략적인 등가 회로이고, 이는 제 1 근사로서 등가 집중 커패시터와 등가 집중 인덕터로 추가로 감소될 수 있다.
예를 들어 좀더 복잡한 등가 회로 모델은 변압기를 포함할 수 있고, 그러한 모델의 복잡도는 그 모델을 전송선 네트워크로서 간주함으로써 더 높은 차수(order)의 효과를 포함하도록 확장될 수 있다는 점을 주목해야 한다.
도 6과 도 7에 관해서, 이들 도면은 직렬 공진기와 병렬 공진기를 각각 예시한다. 도 6에서 가능한 응용은 저역통과 필터와 병렬 로딩된 공진 반 브리지(parallel-loaded resonant half-bridge)인 점이 주목되어야 한다.
도 8a와 도 8b를 참조하면, 전형적인 임피던스 곡선은 제 1 공진 주파수 둘레에 그려지고, L과 C는 유도성 또는 용량성 거동이 각각 우세함을 표시한다.
본 발명의 이러한 양태에서 직렬 평면 공진기의 동작은 다음과 같다. 즉, 동작 주파수가 구성의 자체 공진 주파수 아래에 있는 주파수일 경우, 나선의 각 세트 사이에 더 많은 양의 커패시턴스가 존재하고, 전기 에너지 시각으로부터 직렬 공진기는 커패시터처럼 거동하는 단일 포트 네트워크로 간주될 수 있다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 공진 주파수 ω0에서 최소 임피던스가 존재한다. 더 높은 주파수에서는, 커패시턴스가 나선형 권선에 걸쳐 분포하고, 인덕턴스 특성을 가지는 나선형 권선 사이에서 좀더 전송선과 같이 거동하는 2개 포트 네트워크로서의 기능을 한다. 가장 간단한 등가 집중 매개변수 회로 모델은 등가 커패시턴스와 직렬인 등가 인덕턴스를 포함한다. 좀더 복잡하고 좀더 정확한 모델은 또한 변압기를 포함하고, 그러한 모델의 복잡도는 그 모델을 전송선 네트워크로 간주함으로써 높은 차수의 효과를 포함하도록 확장될 수 있다.
도 8c와 도 8d에 관해서, 병렬 공진기에 관한 간단한 등가 회로가 도시된다. 공진 주파수인 동작 주파수에서 병렬 공진기는 유도성으로 거동하고, 이는 2개 포트 네트워크와 같은 것일 수 있다. 공진 주파수 위의 동작 주파수에서, 병렬 공진기는 전기 에너지 관점에서, 커패시터처럼 거동하는 단일 포트 네트워크로 간주될 수 있다. 임피던스는 공진 주파수에서 최대이다.
또한 도 8f와 도 8g에 도시된 바와 같이, 수신하는 에너지와 되돌아오는 에너지에 관한 경로를 제공하기 위해 2개의 상이한 방식이 제공된다.
도 9a는 본 발명의 IOET(903)가 2개의 코일을 분리하는 판(board)의 실시예의 것보다 넓은 판임을 예시하고 있다. 도 9a와 도 9b에서의 예에 도시된 바와 같이, IOET는 2개의 나선 사이의 공간이다. 이 경우, 유전체(905)로부터의 에너지는 1개의 코일로 들어가고 공기 코일 변압기의 역할을 하는 그 코일을 통해 전달된다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 코일 사이에는 커패시턴스가 존재하고, 이들은 에너지전달을 위해 이용될 수 있다. 도 9c는 도 9b에 도시된 A1 내지 A4로의 경로를 보여주는 등가 회로를 예시한다. 코일 사이의 하나의 공간이 있는 IOET의 중요성은, 예를 들어 무선 배터리 충전기와 같은 무선 연결이 이루어질 수 있다는 것이다. 한가지 특정 예로, 디바이스(예를 들어 휴대전화)의 배터리는 배터리로의 코일 전달 에너지로 에너지 소스를 연결하기 위해 물리적인 전선(wire)을 사용하지 않고 재충전될 수 있다. 무선 결합은 예를 들어 배터리와 충전기 사이에 용량성 결합이 존재하도록 코일과 송신된 에너지의 주파수가 선택된다는 전제하에 이러한 특징을 허용한다.
도 10은 상부 및 하부 병렬 공진기의 등가 회로를 예시한다. IOET(1003)는 개별 커패시터를 모아놓은 것이 아니고, 상부와 하부 공진기 사이의 IOET에 걸친 커패시턴스라는 점이 이해되어야 한다. 충분히 높은 주파수에서, 에너지 전달은 공진기에 걸리는 전기 에너지의 형태가 될 것이다. 그러므로, 용량성 결합은 전기 에너지가 전달되는 것을 허용하도록 이루어진다.
도 11은 본 발명에 따른 직렬 공진 배터리 충전기의 등가 회로의 개략도이다. 이 특별한 배터리 충전기는 레벨 시프터(level shifter)를 가지지만, 레벨 시프터 없이 충전기를 사용하는 것이 가능하다.
이 회로에서, 다른 나선 변압기가 사용될 수 있다. 각 나선 변압기는 자체의 누설 인덕턴스(Ls)와 자기 인덕턴스(Lm)를 가지는 것으로 모델화될 수 있고, 따라서 주어진 부하 사양에 관해 적절한 공진 커패시턴스(Cr)가 계산될 수 있거나 시뮬레이션될 수 있다. 이러한 측정에서, 공진 커패시턴스는 사용된 나선 변압기에 관해 수동으로 조정되었다. 판은 입력 DC가 C3과 C5 사이의 노드로부터 공급되고, 공진 커패시터(C2)와 정류 다이오드(D4)가 단락되며, D2와 D4가 제거될 때 능동 클램프(도 12에 도시된)를 구비한 플라이백 토폴로지(flyback topology)로서 재구성될 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 플라이백 변압기의 개략도이다. 직렬 공진 토폴로지 대신, 플라이백 토폴로지가 사용될 수 있는지를 알기 위해 일 실시예가 행해졌다. 플라이백 토폴로지를 사용하는 다수의 장점이 존재한다.
·도 10에서의 직렬 공진기 충전기에 있어서 4개의 쇼트키 다이오드 대신 1개의 쇼트키 다이오드만이 필요하다.
·정류 다이오드(들)로부터 심각한 손실이 덜하다.
·듀티 사이클 제어로 주파수 동작이 고정된다.
·어떠한 공진 커패시터도 필요하지 않다.
·공진 커패시터 없이 충전기 보급이 좀더 용이하게 이루어질 수 있다.
도 11과 도 12에 도시된 예에서, 본 발명의 정신과 첨부된 청구항의 범위 내에 많은 변형예가 가능하다는 점이 이해되어야 한다.
평면 공진기의 설계 매개변수는 종횡비, 상대 길이, 도체 두께를 포함하는 물리적인 크기 및 유전율(또는 유전체 상수), 투자율, IOET를 포함하는 매체를 포함하는 물질의 탄젠트 손실과 같은 물질 특성, 나선의 감긴 횟수를 포함한다.
또, 평면 공진기는 배터리 충전기와의 연결 수단을 포함하거나 연결물이 제공된다.
본 발명의 정신과 첨부된 청구항의 범위 내에 있는 다양한 변형예가 본 발명에 이루어질 수 있다. 예를 들어, 배터리 등으로의 부착물을 예시하는 공진기 층의 개수, IOET 표면의 타입, 나선의 개수와 두께는 모두 도면에 예시되고 명세서에서 기술된 구조로부터 수정될 수 있다. 코일의 배치는 특히 공진기 배치가 직물로 엮어질 때 2개 이상의 평면을 차지할 수 있다.
본 발명은 비접촉 전력 전달 시스템에서의 무선 전력 전달용 평면 공진기에 이용 가능하다.
Claims (36)
- 평면 공진기로서,상부 표면과 하부 표면을 가지는 에너지 전달의 인터페이스(IOET)(215);상기 IOET의 상부 표면상에 배치된 제 1 감긴 도체(210, 225); 및상기 IOET의 하부 표면상에 배치되고 상기 제 1 감긴 도체와 정렬된 수직 축을 가지는 제 2 감긴 도체(230)를 포함하고,상기 IOET와 제 1 감긴 도체는 미리 결정된 자체 공진 주파수를 가지고,상기 제 1 및 제 2 도체 사이의 커패시턴스는 상기 IOET를 통한 에너지 전달을 허용하며,상기 감긴 도체의 배치는 직렬 공진 구성과 병렬 공진 구성 중 하나를 포함하는, 평면 공진기.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 감긴 도체는 각각 제 1 및 제 2 pcb 나선 감김 도체(910, 920)를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 나선 형태의 도체와 상기 IOET(215)는 평면 구조로 통합되는, 평면 공진기.
- 제 1항에 있어서, 상기 IOET(215)는 상기 제 1 감긴 도체의 하부 표면상의 비-전도성(non-conductive) 유전체 막, 상기 제 2 감긴 도체의 상부 표면상의 비 전도성 막, 및 공기 간극에 의해 상기 제 1 감긴 도체의 하부 표면으로부터 이격된유화제(emulsifier) 중 하나를 포함하는, 평면 공진기.
- 제 2항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 나선 감김 도체 중 하나에 결합된 배터리 충전 회로(1100, 1200)를 더 포함하는, 평면 공진기.
- 제 4항에 있어서, 부하(1105, 1205)가 상기 제 1 및 제 2 나선 감김 도체 중 나머지 것에 결합되는, 평면 공진기.
- 제 5항에 있어서, 상기 부하는 자기적으로 결합되고, 상기 전력은 배터리 충전 회로로부터 상기 부하로 자속에 의해 전달되는, 평면 공진기.
- 제 1항에 있어서, 상기 제 1 감긴 도체(210, 225)에 인가된 신호는 상기 제 1 및 제 2 나선 형태의 도체의 자속을 상기 IOET(215)를 통해 결합시킴으로써, 상기 제 2 감긴 도체(230)에 전달되는, 평면 공진기.
- 제 2항에 있어서, 상기 IOET의 상부 표면상에 상기 제 1 나선 감김 도체를 구비한 2중선의 나선 구성(200)으로 배치되는 제 3 나선 감김 도체를 더 포함하는, 평면 공진기.
- 제 2항에 있어서, 상기 IOET의 하부 표면상에 상기 제 2 나선 감김 도체를구비한 2중선의 나선 구성(200)으로 배치되는 제 4 나선 감김 도체를 더 포함하는, 평면 공진기.
- 제 7항에 있어서, 상기 IOET의 상부 표면상에 상기 제 1 나선 감김 도체를 구비한 2중선의 나선 구성(200)으로 배치되는 제 3 나선 감김 도체를 더 포함하는, 평면 공진기.
- 제 10항에 있어서, 상기 IOET(215)의 상부 표면과 하부 표면상의 상기 2중선의 나선 구성(200)은 병렬 공진기를 형성하는, 평면 공진기.
- 제 10항에 있어서, 상기 IOET의 상부 표면과 하부 표면상의 상기 2중선의 나선 구성은 직렬 공진기를 형성하는, 평면 공진기.
- 제 7항에 있어서, 상기 제 1 및 제 3 나선 형태의 도체는 상기 IOET와 병렬로 결합되는, 평면 공진기.
- 제 10항에 있어서, 상기 제 1 및 제 3 나선 형태의 도체는 상기 IOET와 직렬로 결합되는, 평면 공진기.
- 제 10항에 있어서, 상기 제 2 및 제 4 나선 형태의 도체는 상기 IOET와 병렬로 결합되는, 평면 공진기.
- 제 10항에 있어서, 상기 제 2 및 제 4 나선 형태의 도체는 상기 IOET와 직렬로 결합되는, 평면 공진기.
- 제 1항에 있어서, 직렬 구성으로 상기 IOET의 상부 표면상에 배치된 제 1 복수의 감긴 도체와, 직렬 구성으로 상기 IOET의 하부 표면상에 배치된 제 2 복수의 감긴 도체를 더 포함하는, 평면 공진기.
- 제 17항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 복수의 감긴 도체는 병렬 공진기로서 구성되는, 평면 공진기.
- 제 17항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 복수의 감긴 도체는 직렬 공진기로서 구성되는, 평면 공진기.
- 제 1항에 있어서, 상기 IOET는 μr>1인 물질의 상대 투자율(μr)을 포함하는, 평면 공진기.
- 제 1항에 있어서, 상기 IOET는 Er>1인 상대 유전율(εr)을 포함하는, 평면공진기.
- 평면 전력 공진기로서,유전체 물질 상에 배치된 편평한 나선 도체(100);상기 나선 도체의 제 1 표면에 배치된 제 1 결합 입력(207); 및상기 편평한 나선 도체의 배치와 마주하는 유전체의 배면 상에 배치된 제 2 결합 입력을 포함하는, 평면 전력 공진기.
- 사이에 공기 간극을 가지는 한 쌍의 편평한 감긴 도체를 포함하는 평면 전력 공진기로서,전기 소스에 결합하는 수단을 포함하는, 유전체와 접촉하는 감긴 도체 쌍의 제 1 감긴 도체(910)와,부하와의 결합용 수단을 포함하는, 상기 제 1 감긴 도체와 수직으로 정렬되는 감긴 도체 쌍의 제 2 감긴 도체(920)를 포함하고,상기 감긴 도체의 쌍 사이의 커패시턴스는 상기 제 1 감긴 도체로부터 상기 제 2 감긴 도체로의 에너지 전달을 허용하는, 평면 전력 공진기.
- 제 23항에 있어서, 상기 전기 소스에 결합하는 수단은 배터리 충전기(1100)에 결합되고, 상기 부하와의 결합용 수단은 무선 배터리 충전용 배터리(1105)에 결합되는, 평면 전력 공진기.
- 평면 전력 공진기로서,상부 표면과 하부 표면을 가지는 에너지 전달의 인터페이스(IOET)(215);상기 IOET의 상부 표면상에 배치된 제 1 나선 형태의 도체(210);상기 IOET의 하부 표면상에 배치되고, 상기 제 1 나선 형태의 도체와 정렬된 수직 축을 가지는 제 2 나선 형태의 도체(230);상기 IOET의 상부 표면상에 배치된 제 1 기판 물질(240);상기 IOET의 하부 표면상에 배치된 제 2 기판 물질(241)을 포함하고,상기 IOET와 상기 제 1 및 제 2 나선 형태의 도체는 미리 결정된 자체 공진 주파수를 가지는, 평면 전력 공진기.
- 제 25항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 나선 형태의 도체 중 하나에 결합된 배터리 충전 회로(1100, 1200)를 더 포함하는, 평면 전력 공진기.
- 제 25항에 있어서, 상기 IOET는 μr>1인 물질의 상대 투자율(μr)을 포함하는, 평면 전력 공진기.
- 제 25항에 있어서, 상기 IOET는 Er>1인 상대 유전율(εr)을 포함하는, 평면 전력 공진기.
- 비접촉 전력 전달용 평면 전력 공진기를 제공하는 방법으로서,(a) 상부 표면과 하부 표면을 가지는, 에너지 전달의 인터페이스(IOET)를 제공하는 단계;(b) 상기 IOET의 상부 표면상에 제 1 나선 형태의 도체를 배치하는 단계;(c) 제 2 나선 형태의 도체가 상기 제 1 나선 형태의 도체와 정렬된 수직 축을 가지도록, 상기 IOET의 하부 표면상에 제 2 나선 형태의 도체를 배치하는 단계를 포함하고,상기 IOET와 상기 제 1 및 제 2 나선 형태의 도체는 미리 결정된 자체 공진 주파수를 가지도록 선택되고,상기 제 1 및 제 2 나선은 직렬 공진기 및 병렬 공진기 배치 중 하나로 배치되는, 비접촉 전력 전달용 평면 전력 공진기를 제공하는 방법.
- 제 29항에 있어서, 상기 단계 (b)는 상기 IOET의 상부 표면상에 제 1 나선 형태의 도체를 구비한 2중선의 나선 구성으로 제 3 나선 형태의 도체를 배치하는 단계를 더 포함하고, 상기 단계 (c)는 상기 IOET의 하부 표면상에 제 2 나선 형태의 도체를 구비한 2중선의 나선 구성으로 제 4 나선 형태의 도체를 배치하는 단계를 더 포함하는, 비접촉 전력 전달용 평면 전력 공진기를 제공하는 방법.
- 제 29항에 있어서, 상기 단계 (b)는 상기 IOET의 상부 표면상에 제 1 나선형태의 도체를 구비한 다중선의 나선 구성으로 제 1 복수의 나선 형태의 도체를 배치하는 단계를 더 포함하고, 상기 단계 (c)는 상기 IOET의 하부 표면상에 제 2 나선 형태의 도체를 구비한 다중선의 나선 구성으로 제 2 복수의 나선 형태의 도체를 배치하는 단계를 더 포함하는, 비접촉 전력 전달용 평면 전력 공진기를 제공하는 방법.
- 제 31항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 복수의 나선 형태의 도체는 병렬 공진기로서 구성되는, 비접촉 전력 전달용 평면 전력 공진기를 제공하는 방법.
- 제 31항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 복수의 나선 형태의 도체는 직렬 공진기로서 구성되는, 비접촉 전력 전달용 평면 전력 공진기를 제공하는 방법.
- 제 33항에 있어서, 상기 단계 (a)에서 제공된 상기 IOET는 μr>1인 물질의 상대 투자율(μr)을 포함하는, 비접촉 전력 전달용 평면 전력 공진기를 제공하는 방법.
- 제 33항에 있어서, 상기 IOET는 Er>1인 상대 유전율(εr)을 포함하는, 비접촉 전력 전달용 평면 전력 공진기를 제공하는 방법.
- 평면 전력 공진기를 제공하는 방법으로서,(a) 유전체 물질 상에 편평한 나선 도체를 배치하는 단계;(b) 상기 나선 도체의 제 1 표면에 제 1 결합 입력을 연결하는 단계;(c) 상기 편평한 나선 도체의 배치 반대측 유전체의 배면 상에 제 2 결합 입력을 연결하는 단계를 포함하는, 평면 전력 공진기를 제공하는 방법.
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