KR20110133856A - 무선전력전송 시스템의 정류 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선전력전송 시스템의 정류 회로에 관한 것으로, RF 입력단을 통해 입력되는 RF 신호를 반파 정류 형태로 정류하는 정류부; 상기 RF 입력단과 상기 정류부 사이에 설치되어 상기 RF 입력단과 상기 정류부 사이의 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭부; 및 상기 정류부에 의해 정류된 신호를 필터링하는 필터부를 포함하도록 구성되어 고주파 노이즈 성분을 제거하고, 고주파 링잉 현상을 감소시켜 정류 회로의 효율을 개선한다.

Description

무선전력전송 시스템의 정류 회로{Retifier Circuit of System for Transmitting Power by Wireless}

본 발명은 무선전력전송 시스템의 정류 회로에 관한 것이다.

IT 기술의 발달과 더불어 통신 시스템은 무선이라는 무한 확장 영역을 바탕으로 2000년대 들어 비약적인 발전을 거듭하였다.

그 결과, 통신은 장소와 시간의 제약을 받지 않고 휴대하기 편리한 유저 지향적인 시스템으로 새롭게 변모하고 있다.

그러나, 이러한 통신 시스템의 발전에도 불구하고 전력과 에너지 전송은 여전히 유선 시스템에 의존하고 있어 실제로 시스템의 사용에 있어 장소와 시간의 제약을 많이 받고 있으며, 실제 시스템의 전(full) 무선화 개념 실현에 어려움이 있어 왔다.

현재, 무선 전력 전송 기술은 크게 전파를 이용한 전파수신형 기술, 자기장을 이용한 자기유도형 기술, 및 자기장과 전기장의 에너지 전환에 의한 자기공명 기술등이 대표적으로 사용되고 있다.

이 중 전파수신형 기술은 안테나를 통해 전파를 공기 중으로 방사함으로써 먼 거리까지 전력전송이 가능하다는 장점이 있으나, 공기 중에서 소모되는 방사손실(Radiation loss)이 매우 커서 전력전송의 효율성에 한계가 있다.

또한, 자기유도형 기술은 송신측 1차 코일과 수신측 2차 코일에 의한 자기 에너지 결합을 이용한 기술로 높은 전력전송의 효율성을 갖는 장점이 있다.

그러나, 자기유도형 기술은 전력전송을 위해서 송신측 1차 코일과 수신측 2차 코일이 수 mm 정도의 짧은 거리에 인접해 있어야 한다.

또한, 송신측 1차 코일과 수신측 2차 코일의 코일정렬에 따라 전력전송의 효율성이 급격히 변하며, 발열량이 크다는 단점이 있다.

따라서, 최근에 자기유도형 기술과 유사하나 코일형의 인덕터(L)와 캐패시터(C)에 의한 특정 공진 주파수에 에너지가 집중되게 하여 자기에너지 형태로 전력을 송신하는 자기공명 기술이 개발되고 있다.

이러한, 자기공명 기술은 비교적 큰 전력을 수 미터까지 보낼 수 있다는 장점이 있으나, 높은 공진 특성(High Quality factor)을 요구하고 있다.

한편, 상기와 같은 자기공명 방식의 무선전력전송 시스템에서 가장 중요한 이슈는 시스템의 크기와 효율이다.

즉, 크기를 작게 하면서 효율을 크게 가져가야 하나 그러기 위해서는 저주파수보다 고주파수가 상대적으로 유리하다.

그러나, 전력 시스템에서 고주파수의 사용은 전력밀도(Power Density)를 높게 가져가는 이점이 있지만 정류기단에서 고효율을 달성하기 위해서는 구성요소들의 기생성분을 최소화시켜 그로 인한 기생 RF 링잉(ringing) 현상을 줄여야 하는 제약이 있어 이를 구현하는 데 많은 문제가 있다.

물론, 패키징 기술의 발달로 인해 기생 인덕턴스가 많이 줄어들고는 있으나, 여전히 존재하는 기생 인덕턴스 성분이 고주파 하모닉(harmonic)을 만들어 노이즈가 발생하며 이는 전체 변환기의 효율을 감소시킨다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 고주파 노이즈 성분을 제거함과 아울러 주파 링잉 현상을 감소시켜 정류 회로의 효율을 개선 시킬 수 있는 무선전력전송 시스템의 정류 회로를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력전송 시스템의 정류 회로는 RF 입력단을 통해 입력되는 RF 신호를 반파 정류 형태로 정류하는 정류부; 상기 RF 입력단과 상기 정류부 사이에 설치되어 상기 RF 입력단과 상기 정류부 사이의 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭부; 및 상기 정류부에 의해 정류된 신호를 필터링하는 필터부를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 무선전력전송 시스템의 정류 회로에서 상기 정류부는, 상기 임피던스 매칭부와 필터부 사이에 직렬로 연결된 제 1 다이오드; 상기 임피던스 매칭부와 필터부 사이에 상기 제 1 다이오드와 병렬로 연결된 커패시터; 및 상기 제 1 다이오드의 캐소드 단자와 접지 사이에 상기 제 1 다이오드와 병렬로 연결된 제 2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 무선전력전송 시스템의 정류 회로에서 상기 임피던스 매칭부는 상기 RF 입력단과 상기 정류부 사이에 직렬로 연결된 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 무선전력전송 시스템의 정류 회로에서 상기 필터부는, 상기 정류부와 출력단 사이에 직렬로 연결된 인덕터; 상기 인덕터의 일단과 접지 사이에 상기 인덕터와 병렬로 연결된 제 1 커패시터; 및 상기 인덕터의 타단과 접지 사이에 상기 제 1 커패시터와 병렬로 연결된 제 2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 순방향 신호를 통과시키는 다이오드와 병렬로 연결된 커패시터로 고주파 노이즈 성분을 제거하고, 고주파 링잉 현상을 감소시킴으로써 정류 회로의 효율이 개선되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력전송 시스템의 정류 회로를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 정류 회로의 동작을 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 브릿지 정류 회로에서 발생하는 고주파 하모닉을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 정류 회로에 의한 고주파 노이즈 제거를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 정류 회로와 종래의 브릿지 정류 회로의 효율을 나타내는 그래프이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명들과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

또한, 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.

그리고, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 전송 시스템의 정류 회로를 나타내는 도면이다.

본 발명의 실시 예에 따른 무선전력 전송 시스템의 정류 회로는 도 1에 도시된 바와 같이, 임피던스 매칭부(2), 정류부(4) 및 필터부(6)를 포함하도록 구성된다.

상기 임피던스 매칭부(2)는 RF 입력단(Vin)과 정류부(4) 사이의 임피던스를 매칭시키기 위해 상기 RF 입력단(Vin)과 정류부(4) 사이에 설치된다.

이러한, 임피던스 매칭부(2)는 RF 입력단(Vin)과 정류부(4) 사이에 직렬로 연결된 제 1 커패시터(C1)로 구성된다.

상기 정류부(4)는 RF 입력단(Vin)을 통해 입력되는 RF 신호를 반파 정류 형태로 정류한다.

이를 위해, 상기 정류부(4)는 상기 임피던스 매칭부(2)와 필터부(6) 사이에 직렬로 연결된 제 1 다이오드(D1), 상기 임피던스 매칭부(2)와 상기 필터부(6) 사이에 상기 제 1 다이오드(D1)와 병렬로 연결된 제 2 커패시터(C2), 상기 제 1 다이오드(D1)와 병렬로 연결되도록 상기 제 1 다이오드(D1)의 출력단과 접지(GND) 사이에 직렬로 연결된 제 2 다이오드(D2)로 구성된다.

상기 필터부(6)는 상기 정류부(4)에 의해 정류된 신호를 필터링하는 곳으로, 필터링 특성을 높이기 위해 고차 필터가 사용되는 게 바람직하다.

이러한, 필터부(6)는 상기 제 1 다이오드(D1)의 캐소드 단자와 상기 제 2 다이오드(D2)의 캐소드 단자의 공통단과 접지(GND) 사이에 상기 제 2 다이오드(D2)와 병렬로 연결된 제 3 커패시터(C3), 상기 제 3 커패시터(C3)와 병렬로 연결된 제 4 커패시터(C4) 및 상기 제 3 커패시터(C3)와 상기 제 4 커패시터(C4) 사이에 상기 제 3 커패시터(C3) 및 제 4 커패시터(C4)와 병렬로 연결된 인덕터(L1)를 포함하도록 구성되어 로우 패스 필터(low pass filter)의 기능을 수행한다.

이때, 상기 인덕터(L1)와 제 4 커패시터(C4)의 공통단이 DC 전압을 출력하는 출력단으로 사용된다.

이러한 구성의 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력전송 시스템의 정류 회로는 상기 제 1 커패시터(C1)의 정전용량 값이 제 1 다이오드(D1)의 기생 커패시터(즉, 제 1 다이오드(D1)의 내부 커패시터)의 커패시턴스보다 매우 크기 때문에 입력 임피던스는 거의 제 1 커패시터(C1) 값으로 고정된다.

한편, 상기와 같은 구성의 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력전송 시스템의 정류 회로는 입력으로 기생 공진(parasitic resonance)이 중요한 영향으로 작용하는 10㎒ 이상(바람직하게는 13.56㎒)의 고주파 소스를 커버하며, 출력으로는 100mV 이하 리플의 안정적인 DC 전압 특성을 갖는다.

이를 위해, 상기와 같은 구성의 본 발명의 실시 예에 다른 무선전력전송 시스템의 정류 회로는 다음과 같은 조건을 만족하는 게 바람직하다.

ⅰ) 입력 소스(즉, RF 입력)는 최소 하모닉의 사인(sine) 파형이며, 50%의 듀티 사이클(duty cycle)을 갖는다.

ⅱ) 정류부(4)의 다이오드(즉, 제 1 다이오드(D1)와 제 2 다이오드(D2))는 전도 손실(conduction loss)이 없으며, 무한 차단 저항(off resistance)을 갖는다.

ⅲ) 스위칭 동작은 딜레이 없이 순식간에 일어난다.

이와 같은 조건으로 상기와 같은 구성의 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력전송 시스템의 동작을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, RF 입력단(Vin)을 통해 순방향(+)의 RF 신호가 입력될 때 상기 제 1 다이오드(D1)는 도통 된다.

이때, 전체 전류는 제 2 커패시터(C2)와 제 1 다이오드(D1)를 통해 흐르기 때문에 제 2 다이오드(D2)를 통해 흐르는 전류는 0이 된다.

즉, 순방향의 RF 신호가 RF 입력단(Vin)을 통해 입력될 때 상기 제 2 다이오드(D2)는 도통 되지 않는다.

한편, 전류는 상대적으로 큰 어드미턴스(admittance)를 갖는 제 2 커패시터(C2)에 우세하게 입력 파형을 따라간다.

이때, 상기 제 2 다이오드(D2)의 접합 커패시터(즉, 내부 커패시터)가 충전되어 제 2 다이오드(D2)의 양단에 걸리는 전압은 증가하게 된다.

그리고, RF 입력 신호가 최대가 된 후 제 2 다이오드(D2)의 접합 커패시터가 부하(즉, 출력단)에 방전하면서 제 2 다이오드(D2)의 양단에 걸리는 전압은 감소하고, 제 2 다이오드(D2)의 양단에 걸리는 전압이 0이 되면 제 2 다이오드(D2)는 순방향으로 도통 된다.

상기와 같이 제 2 다이오드(D2)가 순방향으로 도통 되면, 즉, RF 입력단(Vin)을 통해 역방향(-)의 RF 신호가 입력되면, 상기 제 2 다이오드(D2)는 도통 되는 반면, 상기 제 1 다이오드(D1)는 역바이어스가 되므로 차단된다.

이러한, 반 주기 동안 상기 제 2 다이오드(D2)의 양단에 걸리는 전압은 0이 되기 때문에 파워는 부하로 전달되지 않게 된다.

또한, 상기 제 1 다이오드(D1)의 커패시터를 통해 흐르는 전류는 0이 된다.

그러나, 상기 제 1 다이오드(D1)와 병렬로 연결된 제 2 커패시터(C2)를 통해 여전히 전류 통로가 연결되어 있기 때문에 제 2 다이오드(D2)의 도통은 마이너스 전하를 끌어당기게 된다(만약, 상기 제 2 커패시터(C2)에 의한 전류 통로가 존재하지 않을 경우 상기 제 2 다이오드(D2)는 부하 쪽의 전류를 끌어당긴다).

상기 제 2 다이오드(D2)의 전류가 최대가 된 후에는 상기 제 2 커패시터(C2)에 흐르는 전류의 기울기가 양으로 전환되며, 이로 인해 상기 제 1 다이오드(D1)는 순방향으로 도통 된다.

이와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력전송 시스템의 정류 회로는 제 1 다이오드(D1)와 병렬로 연결된 제 2 커패시터(C2)로 인해 고주파 노이즈 성분이 제거된다.

다시 말해, 종래에 사용되는 브릿지 정류 회로에서는 도 3과 같이 고주파 노이즈 성분이 존재하나, 본 발명의 실시 예에 따른 무전전력전송 시스템의 정류 회로는 제 1 다이오드(D1)의 출력 노드에서 바라볼 때 제 1 다이오드(D1)와 병렬로 연결된 제 2 커패시터(C2)로 인해, 도 4와 같이 노이즈 성분이 제거된다.

이로 인해, 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력전송 시스템의 정류 회로는 고주파 링잉(Ringing) 현상이 감소하게 되므로 효율이 개선되는 효과가 있음을 알 수 있다.

한편, 상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 실시 예에 따른 무선전력전송 시스템의 정류 회로는 도 5에 도시된 바와 같이 종래의 브릿지 정류기를 이용한 정류 회로에 비해 대략 50% 이상 효율이 개선되는 효과가 있음을 알 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

2 : 임피던스 매칭부 4 : 정류부
6 : 필터부

Claims (4)

1. RF 입력단을 통해 입력되는 RF 신호를 반파 정류 형태로 정류하는 정류부;
   상기 RF 입력단과 상기 정류부 사이에 설치되어 상기 RF 입력단과 상기 정류부 사이의 임피던스를 매칭시키는 임피던스 매칭부; 및
   상기 정류부에 의해 정류된 신호를 필터링하는 필터부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템의 정류 회로.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 정류부는,
   상기 임피던스 매칭부와 필터부 사이에 직렬로 연결된 제 1 다이오드;
   상기 임피던스 매칭부와 필터부 사이에 상기 제 1 다이오드와 병렬로 연결된 커패시터; 및
   상기 제 1 다이오드의 캐소드 단자와 접지 사이에 상기 제 1 다이오드와 병렬로 연결된 제 2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템의 정류 회로.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 임피던스 매칭부는 상기 RF 입력단과 상기 정류부 사이에 직렬로 연결된 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템의 정류 회로.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 필터부는,
   상기 정류부와 출력단 사이에 직렬로 연결된 인덕터;
   상기 인덕터의 일단과 접지 사이에 상기 인덕터와 병렬로 연결된 제 1 커패시터; 및
   상기 인덕터의 타단과 접지 사이에 상기 제 1 커패시터와 병렬로 연결된 제 2 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력전송 시스템의 정류 회로.

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