KR20100054846A - 다중 위상 유도 전력 공급 시스템 - Google Patents

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KR20100054846A
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KR1020107006784A
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데이비드 더블유. 바르만
워렌 이. 거스리
폴 덕워스
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액세스 비지니스 그룹 인터내셔날 엘엘씨
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Abstract

다중 위상 유도 전력 공급기(multiphase inductive power supply)는 무선으로 복수의 위상(multiple phases)에 전력을 전송한다. 제1차 회로는 위상이 어긋나 있는 관계에서(out of phase relationship) 복수의 탱크 회로(tank circuits)에 전력을 공급한다. 제2차 회로는 전력을 수신하고 전력을 재결합시킨다. 각각의 위상에서의 에너지의 양은, 단상 유도 전력 공급기(single phase inductive power supply)를 이용하여 같은 양의 전력을 전송하는 경우와 비교했을 때보다 감소 된다.

Description

다중 위상 유도 전력 공급 시스템{MULTIPHASE INDUCTIVE POWER SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 전자기 결합에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 원격 장치에 무선으로 전력을 공급하기 위한 유도 결합에 관한 것이다.
휴대폰, 디지털 음악 재생기, PDA, 및 기타 유사 전자 기기와 같은 원격 장치에 무선으로 전력을 공급하기 위한 요구는 나날이 증가하고 있다. 소형 전자 기기(handheld electronics)에 대한 사용이 증가함에 따라 그와 관련된 무선 전력 공급기(wireless power supply)에 대한 요구도 함께 증가하고 있다. 보통의 소형 전자 기기는 전자 기기가 전력원에 선택적으로 결합되게 하는 이동식 전력 공급 코드를 이용한다. 전력 공급 코드는 불편하고 다양한 문제점을 갖는다. 예를 들어, 전자 기기의 충전이 필요할 때마다 사용자는 전력 공급 코드의 위치를 찾아내어 코드를 꽂아 충전해야 한다. 사용자가 복수 개의 전력 공급 코드를 구매할 의사가 있거나 한 개의 전력 공급 코드를 휴대하고 돌아다니려는 의사가 있지 않는 한, 사용자는 전자 기기를 충전시키기 위해 특정 장소로 다시 돌아와야 한다. 또 다른 예를 들면, 전력 공급기 코드는 상당한 양의 공간을 차지하며 보관하기에 불편한 점이 있다. 전력 코드 및 기타 연관된 전력 공급 회로 소자는 사용자에게 상당한 추가 비용을 발생하게 할 수 있다. 한 개의 전력 코드도 상당한 문제를 가지지만, 많은 수의 원격 전자 기기에 대한 전력을 제어할 필요성이 있는 개인이나 조직에는 문제가 기하급수적으로 복잡하게 된다.
이 문제를 다루기 위하여, 원격 장치에 무선으로 전력을 공급하기 위한 다양한 기술들이 개발되어 왔다. 이러한 기술은 대부분 원격 장치와 전력 공급기 사이에 무선 연결(wireless bridge)을 제공하는 전자기 결합(또는 유도 결합)에 대한 기술을 응용한다. 예를 들어, 발명의 명칭이 "유도 결합된 밸러스트 회로(Inductively Coupled Ballast Circuit)"인 미국 특허 제6,825,620호, 발명의 명칭이 "적응적 유도성 전력 공급기"인 미국 특허 제7,212,414호, 및 발명의 명칭이 "통신 기능을 갖는 적응적 유도성 전력 공급기"인 미국 특허 출원 제10/689,148호는, 유도 결합을 통한 원격 장치로부터의 피드백에 기초하여, 전력 공급기가 원격 장치의 전력 공급 필요성에 적응하는 효율적인 유도 결합 기술에 관한 것이다. 이러한 특허들은 전부 참고 문헌으로 인용된다.
비록 유도 결합 기술이 지난 10년간 상당한 기술적 진보를 이룬 것이 사실이지만 뛰어난 효율, 향상된 성능, 및 더 작은 크기의 구성 요소에 대한 수요는 항상 존재할 것이다.
본 발명은 원격 장치에 전력을 무선으로 전달하기 위한 다중 위상 유도 결합에 관한 발명이다. 일 실시예에서, 유도 결합은 복수의 개별적 탱크 회로를 갖는 1차 회로 및 위상이 어긋나 있는 관계에 있는(in an out of phase relationship) 탱크 회로를 활성화하기(energizing) 위한 제어기(controller)를 포함한다. 각각의 탱크 회로는 1차 유도성 커플러(primary inductive coupler)를 포함하는데, 이는 일반적으로 코일이 된다. 유도 결합은 일반적으로 코일인 복수의 2차 유도성 커플러(secondary inductive couplers)를 포함하는 2차 회로도 포함한다. 각각의 2차 코일은 1차 코일과 고유하게 쌍을 이루어(uniquely paired) 복수 개의 결합 코일(a plurality of paired coils)을 성립시킨다(establish). 2차 코일은 다중 위상 전력을 모으고(converging) 직류 전력으로 변환하기 위한 정류기도 포함한다.
일 실시예에서, 1차 회로는 3개의 개별적 탱크 회로 및 3개의 탱크 회로가 서로 위상이 어긋나게 구동되도록 하기 위한 제어기를 포함한다. 이 실시예에서, 2차 회로는 1차 회로의 결합 코일에 근접하게 배치된 3개의 2차 코일을 포함한다.
다중 위상을 이용하여 전력을 무선으로 전송하게 되면 각각의 위상에서 요구되는 전류는 감소하게 된다. 따라서 단상의 무선 전력 전송과 비교했을 때, 무선으로 전송함에 따른 전체 전력의 손실은 감소될 수 있다. 더 나아가, 다중 위상 유도 전력 공급 시스템을 구현하기 위해 더 작은 구성 요소들이 이용될 수 있다. 대부분의 회로에서 바람직한 열 발산의 감소는 작은 구성 요소의 사용 및 적은 전류의 손실을 통해 얻을 수 있다.
본 발명의 목적, 장점, 및 특징과 이와 다른 목적, 장점, 및 특징들은 본 명세서의 실시예 및 도면에 대한 상세한 설명을 참조하면 용이하게 이해할 수 있다.
도 1은 다중 위상 유도 1차 회로의 일 실시예를 도시한 회로도.
도 2는 다중 위상 유도 2차 회로의 일 실시예를 도시한 회로도.
도 3은 다중 위상 유도 전력 공급 시스템의 일 실시예를 도시한 블록도.
도 4a는 코일의 배열을 도시한 도면.
도 4b는 다른 코일의 배열을 도시한 도면.
도 4c는 또 다른 코일의 배열을 도시한 도면.
도 5는 다중 위상 유도 전력 공급 시스템의 일 실시예를 도시한 블록도.
도 6은 다중 위상 유도 2차 회로의 일 실시예를 도시한 블록도.
본 발명은 전력이 전기적으로 공급되는 다양한 구성 요소들이 사용되는 수많은 어플리케이션에 전력을 공급하는 것이 가능한 다중 위상 유도 전력 공급 시스템에 관한 것이다. 다중 위상 회로는 다중 위상 부하의 전력 공급에 사용될 수 있지만 설명의 목적을 위해 다중 위상 유도 전력 공급 시스템의 실시예는 일반적인 단상 부하(generic single phase load)를 이용하여 설명한다. 비록 본 발명을 일반적인 부하와 관련하여 설명했지만 본 발명은 휴대폰, 디지털 음악 재생기, PDA, 및 기타 전자 기기에 전력을 공급하는 용도로도 적합하다.
본 발명의 다중 위상 유도 전력 공급 시스템(300)에 관한 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 다중 위상 유도 1차 회로의 다양한 실시예가 도 1의 회로도, 도 3 및 도 5의 블록도에 도시되어 있고 도면상으로는 도면 부호 100으로 지정되어 있다. 다중 위상 유도 2차 회로(200)의 다양한 실시예가 도 2의 회로도 및 도 6의 블록도에 도시되어 있다. 일반적으로 다중 위상 유도 전력 공급 시스템(300)은 다중 위상 유도 1차 회로(100)에서의 전력을 복수의 위상(multiple phases)으로 분리시킨 후 유도 결합을 통하여 다중 위상 유도 2차 회로(200)에 전력을 무선으로 전송한다. 도시된 일 실시예에서, 다중 위상 유도 2차 회로(200)는 전송된 전력을 단상으로 재결합한 후 부하(304)에 인가한다. 선택적인 실시예에서, 다중 위상 유도 1차 회로(100)는 전력 공급기에 통합되거나 또는 외부의 전력원을 받아들이는 단독형 장치(stand alone device)로 구현될 수 있다. 다중 위상 유도 2차 회로(200)는 임의의 부하(304)에 직접적으로 통합될 수 있거나, 또는 부하(304)를 위한 어댑터에 내장될 수 있다.
도 3에 도시된 실시예에서, 다중 위상 유도 1차 회로(100)는 마이크로프로세서(102), 3개의 발진기(310, 312, 314), 3개의 드라이버(320, 322, 324), 3개의 스위칭 회로(330, 332, 334), 및 1차 유도성 커플러(110, 112, 114)를 각각 포함하는 3개의 탱크 회로(340, 342, 344)를 포함한다. 일반적으로, 동작하는 동안에 마이크로프로세서는 위상이 어긋나 있는 관계에 있는 발진기(310, 312, 314) 각각에 3개의 위상으로 전력을 분리하도록 신호를 전송한다. 예를 들어, 발진기(310)가 마이크로프로세서(102)로부터 신호를 수신하면 발진기(310)는 전기적으로 연결된 드라이버(320)에 발진 신호(oscillating signal)를 제공한다. 드라이버(320)는 전기적으로 연결된 스위칭 회로(330)를 활성화하고 스위칭 회로는 탱크 회로(340)에 교류 전류를 제공하며, 궁극적으로는 유도성 커플러(110)를 통하여 다중 위상 유도 2차 회로(200)에 제1 위상의 전력을 제공한다. 제1 신호보다 지연된 제2 신호는 마이크로프로세서로부터 제2 발진기(312)에 전송되어 드라이버(322)에 발진 신호를 생성하며 이 신호는 스위칭 회로(332)를 활성화하고 스위칭 회로는 제2 탱크 회로(342)에 제2 위상의 전력을 공급하는데 이 전력은 유도성 커플러(112)를 통하여 다중 위상 유도 2차 회로(200)에 전송된다. 유사하게, 제2 신호보다 지연된 제3 신호는 마이크로프로세서(102)로부터 제3 발진기(314)에 전송되어 드라이버(324)에 발진 신호를 생성하며 이 신호는 스위칭 회로(334)를 활성화하고 스위칭 회로는 제3 탱크 회로(344)에 제3 위상의 전력을 공급하는데 이 전력은 유도성 커플러(114)를 통하여 다중 위상 유도 2차 회로(200)에 전송된다.
다중 위상 유도 1차 회로(100)의 일 실시예가 도 1의 회로도에 도시되어 있다. 다중 위상 유도 1차 회로(100)는 마이크로프로세서(102), 3개의 발진기(310, 312, 314), 3개의 드라이버(320, 322, 324), MOSFET(104-109)의 쌍으로부터 각각 형성된 3개의 하프 브리지 스위칭 회로(half bridge switching circuits), 직류 전력원(101), 공통 접지(common ground; 122), 3개의 탱크 회로(340, 342, 344)를 포함한다. 이와 다른 실시예는 추가적인 또는 상이한 구성 요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 다중 위상 유도 1차 회로(100)는 추가적인 마이크로프로세서, 전력원, 드라이버, 및 탱크 회로를 포함할 수 있다.
도 1의 실시예에 도시된 마이크로프로세서 또는 제어 유닛(102)은 다중 위상 유도 1차 회로(100)를 제어한다. 마이크로프로세서(102)는 각각의 발진기(310, 312, 314)와 전기적으로 연결되어 있다. 대안적으로, 도 5에서 도시된 것처럼, 만일 마이크로프로세서(102)가 발진기를 포함하거나 또는 발진기의 역할을 한다면, 마이크로프로세서가 각각의 드라이버(320, 322, 324)와 전기적으로 연결되고, 발진기가 회로에서 제거된다. 마이크로프로세서는 다중 위상 유도 1차 회로(100)에서 3상 전력을 생성하기 위하여 적절한 타이밍을 사용하여 신호를 생성하도록 프로그래밍되어 있다. 동작하는 동안, 마이크로프로세서(102)는, 궁극적으로는 부하(304)를 활성화하는, 개별적인 사전 결정된 전기 신호(separate predetermined electric signals)를 각각의 드라이버(320, 322, 324)로 전송할 수 있다.
발진기(310, 312, 314) 및 드라이버(320, 322, 324)는 당업자에게 일반적인 구성 요소들로 인식될 것이기 때문에 상세하게 설명되지 않을 것이다. 도 1에 도시된 실시예에서, 발진기는 일반적인 연산 증폭기, 전계 효과 트랜지스터, 및 저항의 조합으로 구현될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예는 일반적인 다중 권선 변압기(multi-winding transformer)에 관한 것이다. 대안적인 실시예에서, 드라이버 및 발진기는 다르게 구성되거나 또는 상이한 구성 요소를 포함할 수 있다. 상기에서 설명된 바와 같이, 도 5에 도시된 실시예에서는 각각의 위상에 대한 발진기 대신에 마이크로프로세서(102)에 하나의 발진기가 내장되어 있다. 도 5의 실시예에서, 마이크로프로세서는 각각의 드라이버(320, 322, 324)와 전기적으로 결합되어 있으며, 각각의 드라이버로 전송되기 전에, 마이크로프로세서 내에서 내장 발진 신호(onboard oscillator signal)는 타임 시프트된다(shifted in time).
도 1에 도시된 각각의 스위칭 회로는 n채널 MOSFET의 쌍을 이용하여 구현한 하프 브리지 스위칭 회로이다. 구체적으로, MOSFET(104)의 드레인은 직류 전력원(101)에 연결되어 있고, MOSFET(104)의 소스는 탱크 회로(340)에 연결되어 있고, MOSFET(104)의 게이트는 드라이버(320)에 연결되어 있다. MOSFET(105)의 드레인은 탱크 회로(340)와 연결되어 있고, MOSFET(105)의 소스는 공통 접지(122)에 연결되어 있고, MOSFET(105)의 게이트는 드라이버(320)에 연결되어 있다. MOSFET(106)의 드레인은 직류 전력원(101)에 연결되어 있고, MOSFET(106)의 소스는 탱크 회로(342)에 연결되어 있고, MOSFET(106)의 게이트는 드라이버(322)에 연결되어 있다. MOSFET(107)의 드레인은 탱크 회로(340)와 연결되어 있고, MOSFET(107)의 소스는 공통 접지(122)에 연결되어 있고, MOSFET(107)의 게이트는 드라이버(322)에 연결되어 있다. MOSFET(108)의 드레인은 직류 전력원(101)에 연결되어 있고, MOSFET(108)의 소스는 탱크 회로(342)에 연결되어 있고, MOSFET(108)의 게이트는 드라이버(324)에 연결되어 있다. MOSFET(109)의 드레인은 탱크 회로(340)와 연결되어 있고, MOSFET(109)의 소스는 공통 접지(122)에 연결되어 있고, MOSFET(109)의 게이트는 드라이버(324)에 연결되어 있다. 이는 하나의 특정 구성을 이용한 한 종류의 스위칭 회로를 표현한 것에 불과하다. 기타 스위칭 회로 또는 상이한 구성의 하프 브리지 스위칭 회로로도 구현될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예에서 하프 브리지 스위칭 회로는 3 방향 스위치 또는 스위치의 쌍으로 구현될 수 있다. 다른 실시예에서 하프 브리지 스위칭 회로는 BJT, 진공 튜브, 기타 트랜지스터의 종류, 및 다이오드 회로로 구현될 수 있다.
당업자는 직류 전력원(101)이 당업계에서 잘 알려진 것이며 본 발명의 기술적 특징은 아니라는 것을 인식할 수 있다. 본 발명의 목적을 위해 상기 회로가 존재하고 주어진 교류 또는 직류 전력원으로부터 다양한 직류 전압값을 공급하도록 설계하는 것이 가능하다는 것을 아는 것이 중요하다. 도시된 실시예에서는 +19 V 신호가 사용된다. 당업자는 다른 직류 전압 레벨에서 동작할 수 있도록 회로가 설계될 수 있다는 것을 인식할 수 있으며 이러한 다른 직류 전압 레벨값에서 동작한다는 것이 본 발명의 제한으로 해석되어서는 안될 것이다. 일 실시예에서, 직류 전력원(101)은 커패시터이다. 다른 실시예에서 직류 전력원(101)은 배터리이다. 또 다른 실시예에서 직류 전력원(101)은 콘센트에서 나오는, 변환된 교류 전력원이다.
현재의 실시예에서의 각각의 탱크 회로(340, 342, 344)는 직렬 공진 탱크 회로이다. 각각의 직렬 공진 탱크 회로(340, 342, 344)는 1차 유도성 커플러(110, 112, 114) 및 탱크 커패시터(116, 118, 120)를 포함한다. 각각의 1차 유도성 커플러(110, 112, 114)는 각각의 스위칭 회로와 탱크 커패시터(116, 118, 120)에 직렬로 연결되어 있다. 각각의 탱크 커패시터(116, 118, 120)는 공통 접지(122)에도 연결되어 있다. 탱크 회로는 추가적인 회로의 구성 요소를 포함할 수 있거나 상이한 구성으로 배열될 수 있다. 예를 들어, 현재의 실시예에서 각각의 탱크 커패시터는 각각의 유도성 커플러와 위치를 서로 교환하는 것이 가능하다. 비록 도시된 실시예에서 3개의 탱크 회로만을 보여주고 있지만, 더 많은 또는 더 적은 갯수의 탱크 회로도 사용될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예에서 2개의 위상 전력은 탱크 회로 중의 하나 및 그와 관련된 구성 요소를 제거하고 그에 따른 마이크로프로세서의 배열을 재배치함으로써 구현할 수 있다. 본 발명은 2007년 9월 28일에 출원되고, Paul Duckworth, Warren Guthrie, Dave Baarman, Joshua Schwannecke에게 권리가 있고 발명의 명칭이 "인쇄 회로 기판 코일"인 미국 특허 가출원(provisional application)에서 설명하고 있는 인쇄 회로 기판 코일과 관련되어 이용될 수 있다. 예를 들어, 1차 및 2차 회로에 있는 유도성 커플러 각각은 인쇄 회로 기판 리츠 와이어(printed circuit board litz wire)로 구현할 수 있다.
동작하는 동안 마이크로프로세서(102)는 탱크 회로(340, 342, 344)가 시차를 둔 위상에서(in staggered phases) 활성화될 수 있도록 발진기(310, 312, 314)의 타이밍을 제어한다. 3상 시스템의 일 실시예에서, 3개의 탱크 회로 각각은 서로 다른 시간에 순시 피크 전류에 도달하는 동일한 주파수의 교류 전류를 전달한다. 하나의 탱크 회로에 흐르는 전류를 기준으로 했을 때, 다른 2개의 탱크 회로에 있는 2개의 전류는 각각 한 주기의 3분의 1과 3분의 2의 시간이 지연된다. 이 "위상" 간의 지연은 다중 위상 유도 2차 회로(200)에서 재결합되었을 때 각 주기 동안 일정한 전력을 전송하는 효과를 가져다준다.
다중 위상 유도 1차 회로(100)에 다중 위상 전력을 생성하기 위한 마이크로프로세서(102)의 타이밍 프로그래밍에는 원하는 전력의 위상의 갯수, 구성 요소의 사이즈, 열 발산, 부하, 효율 허용치(efficiency tolerance), 원하는 출력 전력의 특성 및 기타 요인 등이 고려되어야 한다. 일 실시예에서, 3개 중에서 1개의 탱크 회로만이 임의의 주기 동안에 활성화된다. 다른 일 실시예에서, 탱크 회로에 있는 전력의 위상의 각각이 일정한 오프셋(equally offset)을 갖는 상태로 위상이 어긋나는 관계에 있도록 탱크 회로가 활성화될 수 있다.
도 1을 참조하면 동작하는 동안의 전류의 흐름의 실시예가 도시되어 있음을 알 수 있다. 화살표(150)는 스위치(104)가 닫혔을 때 전류가 직류 전력원(101)에서 탱크 회로 커패시터(116)로 흐를 수 있음을 표시한다. 화살표(152)는 스위치(105)가 닫혔을 때 전류가 탱크 회로 커패시터(116)에서 공통 접지(122)로 흐를 수 있음을 표시한다. 도시된 실시예의 회로 구성으로 인해 스위치(105)가 열렸을 때는 스위치(104)가 닫혀있고 스위치(105)가 닫혔을 때는 스위치(104)가 열려있다. 그러므로, 스위치(104)가 닫혔을 때 전류가 탱크 회로 커패시터(116)에 흘러 충전시키며 스위치(105)가 닫혔을 때는 탱크 회로 커패시터(116)는 방전되며 전류는 반대 방향으로 흘러 공통 접지(122)의 방향으로 흐른다. 일반적으로, 유도 코일(110)은 탱크 회로 커패시터(116)가 충전 및 방전이 되면서 생긴 교류 전류에 의해서 활성화된다. 교류 전류의 주파수는 스위치(104)와 스위치(105)의 타이밍에 의해서 판단된다. 도시된 실시예에서, 다른 스위치(106-109)의 두 쌍에서도 같은 관계가 성립한다.
현재의 실시예에서, 마이크로프로세서(102)는 동작하는 동안에 직류 전력원(101)에서의 전류를 3개의 위상으로 분리시키기 위해 MOSFET(104-109)의 타이밍을 제어한다. 구체적으로, 마이크로프로세서(102)는 탱크 회로(340)에 걸쳐 특정 주파수에서 교류 전력을 생성하기 위해 MOSFET(104, 105)을 동작시킴으로써 전력의 전송을 시작한다. 현재의 실시예에서, 마이크로프로세서(102)는 전력의 제2 위상을 생성하기 위해 주파수의 3분의 1이 지난 후에 MOSFET(106, 107)을 동작시키기 시작한다. 마이크로프로세서(102)는 전력의 제3 위상을 생성하기 위해 주파수의 3분의 2가 지난 후에 MOSFET(108, 109)을 동작시키기 시작한다. 기본적으로, 전력의 위상의 각각은 120도의 오프셋을 갖게 된다. 다중 위상 유도 2차 회로에서도 같은 오프셋의 관계가 성립한다. 즉, 각각의 탱크 회로(340-344)는 각각의 유도 코일(202, 204, 206)에 전력을 전송하며 다중 위상 전력은 유도(induction)를 하는 동안에도 일정하게 유지된다. 다른 일 실시예에서, 위상은 다른 양 만큼 오프셋을 가질 수 있다. 예를 들어, 위상은 120도 대신 30도의 오프셋을 가질 수 있다. 더 나아가, 탱크 회로 및 그와 관련된 회로 소자를 추가하여 전력의 추가적인 위상도 구현할 수 있다. 예를 들어, 3개 대신 5개의 탱크 회로, 5개의 드라이버, 5개의 스위칭 회로를 통해 5개의 위상 전력이 구현될 수 있다. 5개의 위상 전력의 실시예에서, 각각의 탱크 회로는 주파수의 5분의 1 만큼이 타임 시프트된다. 5개의 위상 전력의 실시예에서 전력 전송 효율을 최대화하기 위해서, 2차 회로는 반드시 필수적으로 3개의 유도성 커플러 대신 5개의 유도성 커플러를 포함하여야 하는 것은 아니지만 5개를 포함하는 것이 일반적이다.
도 6에서 다중 위상 유도 2차 회로(200)는 위상 결합 회로(600)에 각각 전기적으로 결합된 3개의 2차 유도성 커플러(202, 204, 206)를 포함한다. 위상 결합 회로(600)는 전력의 위상을 재결합하고 부하(304)에 단상 전력을 공급한다. 다른 일 실시예에서, 위상 결합 회로는 제거되고 부하(304)는 다중 위상 전력에 의해 전력이 공급된다. 반드시 필수적인 것은 아니지만, 일반적으로 2차 유도성 커플러의 갯수 및 배열은 1차 유도성 커플러의 갯수 및 배열과 일치한다.
도 2에 도시된 실시예에서, 다중 위상 전력을 재결합하기 위해 다중 위상 유도 2차 회로(200)를 하프 브리지 정류 회로로 구현한 것이 도시되어 있다. 도시된 다중 위상 유도 2차 회로(200)의 실시예에는 3개의 유도 코일(202, 204, 206), 3개의 선택적인 커패시터(208, 210, 212), 및 6개의 다이오드(214-224)가 포함된다. 비록 현재의 실시예는, 다중 위상 전력을 결합하기 위해 하프 브리지 정류 회로를 이용하여 구현되었지만 기타 정류 또는 결합 기술이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 다른 일 실시예에서, 하프 브리지 정류 대신 중앙 탭형 정류(center tapped rectification)가 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 하프 브리지 정류의 실시예에서, 각각의 유도 코일(202, 204, 206)은 제1 그룹으로부터의 다이오드(214, 218, 222)의 양극과 연결되어 있고 제2 그룹으로부터의 다이오드(216, 220, 224)의 음극과 연결되어 있다. 제1 그룹의 다이오드(214, 218, 222) 각각의 음극은 서로 연결되어 단상 부하(304)를 위한 양의 단자(positive terminal)를 형성하고 제2 그룹의 다이오드(216, 220, 224) 각각의 양극은 서로 연결되어 단상 부하(304)를 위한 음의 단자(negative terminal)를 형성한다.
상기에서 설명된 바와 같이, 다중 위상 유도 1차 회로(100)에서의 1차 유도 코일(110, 112, 114) 각각은 다중 위상 유도 2차 회로(200)에서의 유도 코일(202, 204, 206)과 유도 결합한다.
상기에서 설명된 실시예에서, 1차 유도 코일(110, 112, 114)에서의 유도성 커플러와 2차 유도 코일(202, 204, 206)에서의 유도성 커플러는 실질적으로 나란히 정렬된다(substantially aligned). 1차 및 2차 유도 코일은 선택적으로 자석이나 오목부 및 돌출부와 같은 정렬 메커니즘(alignment mechanisms)을 포함한다. 다른 실시예에서, 1차 및 2차 유도 코일을 충분히 근접하게 배치함으로써 정렬이 자연스럽게 일어난다. 그러나, 다중 위상 유도 전력 공급 시스템(300)이 동작하기 위해서 완벽한 정렬이 반드시 필요하지는 않다.
더 나아가, 많은 실시예에서 1차 및 2차 유도성 커플러의 배열은 다중 위상 전력의 전송을 용이하게 한다. 예를 들어 도 4a에 도시된 실시예에서 1차 유도 코일(110, 112, 114)은 서로 견고하게 중첩하는 삼각형의 관계(a tight overlapping triangular relationship)를 갖도록 배열되어 있다. 중첩하는 배열은 인접하는 1차 코일로부터 나온 전압을 서로 상쇄하게 한다. 이는 실질적으로 상호 인덕턴스를 0으로 조절하는 결과를 가져옴과 동시에 각각의 코일이 독립적으로 동작하게 하고 코일로 하여금 물리적으로 더 적은 공간을 차지하게 한다. 반드시 그래야 하는 것은 아니지만, 일반적으로 2차 유도 코일(202, 204, 206)의 유도성 커플러는 1차 유도 코일(110, 112, 114)의 유도성 커플러와 일치하는 패턴으로 배열되게 된다. 다른 실시예에서, 코일은 의도적으로 분리되어 배열된다. 예를 들어 도 4b에 도시된 실시예에서 1차 유도 코일(110, 112, 114)은 중첩하지 않는 느슨한(loose) 삼각형 패턴으로 일정한 거리를 상호간에 유지한 채로 배열된다. 도 4c에 도시된 다른 실시예에서, 1차 유도 코일(110, 112, 114)은 느슨한 선형 형태로 배열된다. 고립된 코일의 배열의 장점 중의 하나는 오정렬의 영향(the effect of misalignment)이 감소한다는 것이다. 코일의 배열에도 불구하고, 유도 결합을 이용하여 전력을 전송하기 위해서 1차 및 2차 코일이 실질적으로 나란히 정렬될 필요는 없다. 다중 위상 유도 1차 회로(100)와 다중 위상 유도 2차 회로(200)가 약간 정렬이 잘못된 경우 각각의 위상에서의 전력은 감소하겠지만 위상 관계는 일반적으로 유지된다.
복수의 탱크 회로에 걸쳐 전력을 개별 위상으로 분리함으로써, 유사한 양의 전력 그리고 어떤 경우에는 더 많은 전력을, 같은 전압일 때의 단상 유도 시스템에서의 손실보다 더 적은 손실로, 2차 회로에 전송할 수 있다. 더 나아가 다양한 실시예에서, 단상 유도 시스템에서 사용되고 있는 구성 요소보다 더 작은 구성 요소가 사용될 수 있다.
상기의 설명은 본 발명에 나타난 실시예에 관한 것이다. 첨부된 특허청구범위에서 정의하고 있는, 본 발명에 포함되는 다른 포괄적인 실시예나 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 다양한 교체나 변화가 가해질 수 있으나, 본 발명에 속하는지 여부는 균등론을 비롯한 특허법의 이론에 따라 해석되어야 할 것이다. 청구항의 구성 요소를 단수형으로 언급하는 경우, 예를 들어 부정 관사나 정관사 또는 상기의 표현을 사용하는 것은 그 구성 요소를 단수형으로 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

Claims (17)

  1. 다중 위상 유도 전력 공급 시스템(multiphase inductive power supply system)으로서,
    직류 전력원;
    접지(ground);
    마이크로프로세서;
    1차 유도성 커플러(primary inductive coupler) 및 커패시터를 각각 포함하는 복수의 탱크 회로(a plurality of tank circuits);
    복수의 발진기 - 상기 복수의 발진기 각각은 상기 마이크로프로세서에 전기적으로 결합되어 있으며, 상기 마이크로프로세서는 상기 복수의 발진기 상호로부터 위상이 어긋나 있는 관계로(in an out of phase relationship) 발진 신호(oscillating signal)를 생성하기 위해 상기 복수의 발진기 각각에 신호를 전송함 - ;
    각각 상기 복수의 발진기 중 적어도 하나와 전기적으로 결합되어 있는 복수의 드라이버;
    복수의 스위칭 회로(a plurality of switching circuits) - 상기 복수의 스위칭 회로 각각은 상기 복수의 드라이버 중 적어도 하나와 전기적으로 결합되어 있고, 상기 복수의 스위칭 회로 각각은 교류 전류(alternating current)를 생성하기 위해 선택적으로 상기 직류 전력원 또는 상기 접지를 상기 탱크 회로 중의 하나와 전기적으로 결합시키며, 각각의 교류 전류는 상기 위상이 어긋나 있는 관계에 있음 - ;
    복수의 2차 유도성 커플러를 포함하는 다중 위상 유도 2차 회로 - 상기 복수의 2차 유도성 커플러 각각은 상기 복수의 탱크 회로 각각에서 상기 1차 유도성 커플러 중 적어도 하나와 유도 결합되고, 상기 복수의 2차 유도성 커플러 각각은 상기 위상이 어긋나 있는 관계로 전류를 생성함 - ; 및
    상기 위상이 어긋나 있는 관계로 생성된 전류를 결합하기 위해 상기 복수의 2차 유도성 커플러와 전기적으로 결합되어 있는 위상 결합 회로(phase combination circuit)
    를 포함하는, 다중 위상 유도 전력 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 복수의 1차 유도성 커플러는 견고하게 중첩하는 삼각형 관계(a tight overlapping triangular relationship)의 형태로 배열되어, 이웃하는 1차 유도성 커플러로부터의 전압이 상쇄되는, 다중 위상 유도 전력 공급 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 2차 유도성 커플러는 견고하게 중첩하는 삼각형 관계의 형태로 배열되는, 다중 위상 유도 전력 공급 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 1차 유도성 커플러는 느슨한, 선형 형태로(in a loose, linear fashion) 배열되어 있는, 다중 위상 유도 전력 공급 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 1차 유도성 커플러는 느슨한, 중첩되지 않는 삼각형 형태로 배열되는, 다중 위상 유도 전력 공급 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 발진기 신호 각각의 위상은 상기 다른 발진기 신호 각각의 위상으로부터 적어도 120도 오프셋(offset)되어 있는, 다중 위상 유도 전력 공급 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 발진기 신호 각각의 위상은 적어도 하나의 다른 발진기 신호로부터 30도 오프셋되어 있는, 다중 위상 유도 전력 공급 시스템.
  8. 복수의 탱크 회로; 및
    상기 복수의 탱크 회로가 시차를 갖는 위상에서(in staggered phases) 활성화될 수 있도록 상이한 주파수에서 상기의 복수의 탱크 회로 각각을 활성화하는(energizes) 다중 위상 유도 1차 회로
    를 포함하는, 다중 위상 유도 전력 공급기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 복수의 탱크 회로는 견고하게 중첩하는 삼각형 관계의 형태로 배열되어, 이웃하는 탱크 회로로부터의 에너지가 상쇄되는, 다중 위상 유도 전력 공급기.
  10. 제8항에 있어서, 상기 복수의 탱크 회로는 느슨한, 선형 형태로 배열되어 있는, 다중 위상 유도 전력 공급기.
  11. 제8항에 있어서, 상기 복수의 탱크 회로는 느슨한, 중첩되지 않는 삼각형 형태로 배열되는, 다중 위상 유도 전력 공급기.
  12. 제8항에 있어서, 각각의 위상은 적어도 120도의 시차를 두고 떨어져 있는(staggered at least 120 degrees apart), 다중 위상 유도 전력 공급기.
  13. 제8항에 있어서, 각각의 위상은 적어도 30도의 시차를 두고 떨어져 있는, 다중 위상 유도 전력 공급기.
  14. 다중 위상 유도 전력 공급기로부터 전력을 수신하기 위한 다중 위상 유도 2차 회로(multiphase inductive secondary)로서,
    상기 다중 위상 전력 공급기로부터 전력을 수신하기 위한 복수의 2차 코일;
    상기 다중 위상 전력 공급기로부터 수신된 에너지를 재결합하기 위하여 상기 복수의 2차 코일과 전기적으로 결합되어 있는 위상 조합 회로(a phase combination circuit); 및
    상기 위상 조합 회로에 전기적으로 결합되어 있는 부하
    를 포함하는, 다중 위상 유도 2차 회로.
  15. 제14항에 있어서, 상기 복수의 2차 코일은 견고하게 중첩하는 삼각형 관계의 형태로 배열되어, 이웃하는 탱크 회로로부터의 에너지가 상쇄되는, 다중 위상 유도 2차 회로.
  16. 제14항에 있어서, 상기 복수의 2차 코일은 느슨한, 선형 형태로 배열되어 있는, 다중 위상 유도 2차 회로.
  17. 제14항에 있어서, 상기 복수의 2차 코일은 느슨한, 중첩되지 않는 삼각형 형태로 배열되는, 다중 위상 유도 2차 회로.
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