KR20120035356A - 전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치에 관한 것이다.
본 발명의 전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치는 소정 주파수의 교류 신호를 발생하는 교류신호 발생기와, 교류신호 발생기로부터 발생된 교류 신호를 입력받아 전자기장을 발생하는 전자기장 발생기와, 상기 전자기장 발생기로부터 발생한 시변 전자기장에 대해 공진을 일으킴으로써 시변 전자기장을 강화하는 송신측 전자기장 공진기를 구비하는 송신부; 및 상기 송신측 전자기장 공진기를 거쳐 무선 전송되는 전력신호를 수신하여 유도기전력을 발생하는 수신측 전자기장 공진기와, 상기 수신측 전자기장 공진기에 의해 발생한 전력(유도기전력)을 정류하는 정류기와, 상기 정류기를 거친 전압을 충전하는 충전기를 구비하는 수신부를 포함하며, 상기 송신부의 송신측 전자기장 공진기는 커패시터와 가변 인덕터의 병렬 공진회로로 구성된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 송신부의 송신측 전자기장 공진기가 커패시터와 가변 인덕터의 병렬 공진회로로 구성되어 있어, 가변 인덕터의 자체 저항 성분 에 의한 저항값을 0.1Ω 이하로 구성할 수 있으며, 따라서 종래의 무선 전력전송 시스템에서의 가변 커패시터 방식에 비해 손실이 적고, 이에 따라 높은 Q값을 구현할 수 있으며, 그 결과 무선 전력전송 효율을 한층 증진시킬 수 있다.

Description

전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치{WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM USING ELECTROMAGNETIC FIELD RESONATOR}
본 발명은 전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치에 관한 것으로서, 특히 전자기장 공진기에서 손실 성분을 줄여 높은 Q값을 구현함으로써 시변 자기장을 한층 강화하고, 무선 전력전송 효율을 증진시킬 수 있는 전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치에 관한 것이다.
오늘날 정보통신 분야는 매우 빠른 속도로 발전하고 있다. 전기, 전자, 통신, 반도체 등이 종합적으로 혼합된 다양한 기술들이 지속적으로 개발되고 있고, 전자기기들의 모바일화 경향이 증대함에 따라 통신분야에 있어서도 무선 통신 및 무선 전력전송 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 추세이다. 특히 전자기기에 무선으로 전력을 공급하는 방안에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이와 같은 무선 전력전송은 전력을 공급하는 송전단과 전력을 공급받는 전자기기(수전단) 간에 물리적인 접촉이 없이 자기 결합(inductive coupling), 용량 결합(capacitive coupling) 또는 안테나 등의 전자기장 공진 구조를 이용하여 공간을 통해 전력을 무선으로 공급(전송)하는 것이다.
일반적으로, 전자기장 공진 방식의 무선 전력전송장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 소정 주파수의 교류 신호를 발생하는 교류신호 발생기(105)와, 교류신호 발생기(105)로부터 발생된 교류 신호를 입력받아 전자기장을 발생하는 전자기장 발생기(111)와, 전자기장 발생기(111)로부터 발생한 시변 전자기장을 강화하는 송신측 전자기장 공진기(112)를 구비하는 송신부(110)와, 상기 송신측 전자기장 공진기(112)를 거쳐 무선 전송된 전력신호를 수신하여 유도기전력을 발생하는 수신측 전자기장 공진기(121)와, 수신측 전자기장 공진기(121)에 의해 발생한 전력(유도기전력)을 정류하는 정류기(122)와, 정류기(122)를 거친 전압을 충전하는 충전기(123)를 구비하는 수신부(120)를 포함한다.
도 2는 이상과 같은 전자기장 공진 방식의 무선 전력전송장치에 있어서, 송신측 전자기장 공진기의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전자기장 공진기(112)는 커패시터(capacitor) (201)와 인덕터(inductor)(202)로 구성할 수 있다. 이와 같은 구성의 전자기장 공진기(112)에 의해 시변 자기장을 최대한 강화하기 위해서는 공진주파수를 튜닝 (tuning)할 필요가 있는데, 종래에는 도시된 바와 같이 커패시터(201)로서 가변 커패시터를 사용하였다. 전자기장 공진기에서 중요한 것은 자체 손실을 줄여서 공진 Q 팩터를 높이는 것이다. 가변 커패시터는 도 3에 도시된 바와 같이, 일반적으로 바랙터(varactor) 다이오드(301)를 사용할 수 있는데, 바랙터 다이오드(301)는 등가회로로 나타낸 바와 같이 가변 커패시터(Cv)와 직렬 저항(Rs)(여기서, 직렬 저항(Rs)은 보통 1Ω 정도의 값을 가짐)으로 나타낼 수 있다. 이와 같은 바랙터 다이오드(301)는 자체 저항 성분(Rs)이 높으므로 손실이 크고, 이에 따라 높은 Q값을 구현하기가 어렵다.
본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 전자기장 공진기에서 손실 성분을 줄여 높은 Q값을 구현함으로써 시변 자기장을 한층 강화하고, 무선 전력전송 효율을 증진시킬 수 있는 전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치는,
소정 주파수의 교류 신호를 발생하는 교류신호 발생기와, 그 교류신호 발생기로부터 발생된 교류 신호를 입력받아 전자기장을 발생하는 전자기장 발생기와, 상기 전자기장 발생기로부터 발생한 시변 전자기장에 대해 공진을 일으킴으로써 시변 전자기장을 강화하는 송신측 전자기장 공진기를 구비하는 송신부; 및
상기 송신측 전자기장 공진기를 거쳐 무선 전송되는 전력신호를 수신하여 유도기전력을 발생하는 수신측 전자기장 공진기와, 상기 수신측 전자기장 공진기에 의해 발생한 전력(유도기전력)을 정류하는 정류기와, 상기 정류기를 거친 전압을 충전하는 충전기를 구비하는 수신부를 포함하며,
상기 송신부의 송신측 전자기장 공진기는 커패시터와 가변 인덕터의 병렬 공진회로로 구성되는 점에 그 특징이 있다.
여기서, 상기 가변 인덕터는, 일반 인덕터와 그 일반 인덕터의 인덕턴스값을 가변할 수 있도록 인덕터에 병렬로 접속되는 복수의 반도체 스위칭 소자로 구성될 수 있다.
또한, 상기 반도체 스위칭 소자로는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)이 사용될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 송신부의 송신측 전자기장 공진기가 커패시터와 가변 인덕터의 병렬 공진회로로 구성되어 있어, 가변 인덕터의 자체 저항 성분 에 의한 저항값을 0.1Ω 이하로 구성할 수 있으며, 따라서 종래의 무선 전력전송 시스템에서의 가변 커패시터 방식에 비해 손실이 적고, 이에 따라 높은 Q값을 구현할 수 있으며, 그 결과 무선 전력전송 효율을 한층 증진시킬 수 있다.
도 1은 종래 전자기장 공진 방식의 무선 전력전송장치의 구성을 보여주는 도면.
도 2는 종래 전자기장 공진 방식의 무선 전력전송장치의 송신측 전자기장 공진기의 구성을 보여주는 도면.
도 3은 도 2의 전자기장 공진기에서의 가변 커패시터로 사용되는 바랙터 다이오드 및 그 등가회를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치의 구성을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치의 송신측 전자기장 공진기의 구성을 보여주는 도면.
도 6은 도 5의 전자기장 공진기에서의 가변 인덕터의 일 실시예를 보여주는 도면.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치는 전력을 전자기장의 형태로 무선으로 전송하는 송신부(410)와, 송신부(410)로부터 송신된 전자기장 형태의 전력신호를 무선 수신하는 수신부(420)를 포함한다.
상기 송신부(410)는 소정 주파수의 교류 신호를 발생하는 교류신호 발생기 (405)와, 교류신호 발생기(405)로부터 발생된 교류 신호를 입력받아 전자기장을 발생하는 전자기장 발생기(411)와, 전자기장 발생기(411)로부터 발생한 시변 전자기장에 대해 공진을 일으킴으로써 시변 전자기장을 강화하는 송신측 전자기장 공진기(412)를 포함한다.
상기 수신부(420)는 상기 송신측 전자기장 공진기(112)를 거쳐 무선 전송된 전력신호를 수신하여 유도기전력을 발생하는 수신측 전자기장 공진기(421)와, 수신측 전자기장 공진기(421)에 의해 발생한 전력(유도기전력)을 정류하는 정류기(422)와, 정류기(422)를 거친 전압을 충전하는 충전기(423)를 포함한다.
한편, 상기 송신부(410)의 송신측 전자기장 공진기(412)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 커패시터(501)와 가변 인덕터(502)의 병렬 공진회로로 구성된다. 또한, 경우에 따라서는 상기 수신측 전자기장 공진기(421)도 커패시터(501)와 가변 인덕터(502)의 병렬 공진회로로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 가변 인덕터(502)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 일반 인덕터 (601)와 그 일반 인덕터(601)의 인덕턴스값을 가변할 수 있도록 인덕터(601)에 병렬로 접속되는 복수의 반도체 스위칭 소자(602)로 구성될 수 있다. 이때 반도체 스위칭 소자로는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)이 사용될 수 있다. 그러나, 반도체 스위칭 소자(602)는 이와 같이 MOSFET으로 한정되는 것은 아니며, 일반 트랜지스터도 사용될 수 있음은 당연하다.
그러면, 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치의 동작에 대하여 간략히 설명해 보기로 한다.
송신부(410)의 교류신호 발생기(405)가 무선 전력 전송을 위한 소정 주파수의 교류 신호를 발생하면, 전자기장 발생기(411)는 교류신호 발생기(405)로부터 발생된 교류 신호를 입력받아 시변 전자기장을 발생한다. 그러면, 전자기장 공진기 (412)는 전자기장 발생기(411)로부터 발생한 시변 전자기장에 대한 전자기장 유도에 의해 유도기전력을 발생하고, 그 유도기전력을 바탕으로 더욱 강화된 시변 전자기장을 발생한다. 이와 같은 전자기장의 발생은 곧 전력을 무선으로 전송하는 것을 의미한다.
한편, 수신부(420)의 수신측 전자기장 공진기(421)는 상기 송신측 전자기장 공진기(112)로부터 발생한 전자기장에 대해 전자기 공진을 일으키며, 이에 의해 송신측 전자기장 공진기(112)로부터 무선 전송에 의해 약화된 전자기장을 다시 강화시킨다.
이렇게 하여 수신측 전자기장 공진기(421)에 의해 수신된 전자기장에 대해 전자기 유도에 의해 코일(미도시)에 유도기전력이 발생하고, 발생한 유도기전력(전압)은 정류기(422)에 의해 정류되어 최종적으로 충전기(423)에 충전된다.
이상과 같은 일련의 과정에 있어서, 전술한 바와 같이 상기 송신측 전자기장 공진기(112)는 커패시터(501)와 가변 인덕터(502)의 병렬 공진회로로 구성되어 있고, 상기 가변 인덕터(502)는, 일반 인덕터 (601)와 그 일반 인덕터(601)의 인덕턴스값을 가변할 수 있도록 인덕터(601)에 병렬로 접속되는 복수의 반도체 스위칭 소자(602)로 구성되어 있는 바, 따라서 반도체 스위칭 소자(602)의 스위칭 동작에 따라 인덕터(601)의 인덕턴스 값을 L1, L2, L3와 같이 다양하게 가변할 수 있다.
이상과 같은 인덕턴스 값의 가변에 의해 가변 인덕터(601)의 자체 저항 성분에 의한 저항값을 0.1Ω 이하로 구성할 수 있으며, 따라서 종래의 무선 전력전송 시스템에서의 가변 커패시터 방식에 비해 손실이 적고, 이에 따라 높은 Q값을 구현할 수 있으며, 그 결과 무선 전력전송 효율을 한층 증진시킬 수 있게 된다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
105,405: 교류신호 발생기 110,410: 송신부
111,411: 전자기장 발생기 112,412: 송신측 전자기장 공진기
120,420: 수신부 121,421: 수신측 전자기장 공진기
122,422: 정류기 123,423: 충전기
201,502: 가변 커패시터 202,601: 인덕터
301: 바랙터 다이오드 602: 반도체 스위칭 소자

Claims (4)

  1. 소정 주파수의 교류 신호를 발생하는 교류신호 발생기와, 그 교류신호 발생기로부터 발생된 교류 신호를 입력받아 전자기장을 발생하는 전자기장 발생기와, 상기 전자기장 발생기로부터 발생한 시변 전자기장에 대해 공진을 일으킴으로써 시변 전자기장을 강화하는 송신측 전자기장 공진기를 구비하는 송신부; 및
    상기 송신측 전자기장 공진기를 거쳐 무선 전송되는 전력신호를 수신하여 유도기전력을 발생하는 수신측 전자기장 공진기와, 상기 수신측 전자기장 공진기에 의해 발생한 전력(유도기전력)을 정류하는 정류기와, 상기 정류기를 거친 전압을 충전하는 충전기를 구비하는 수신부를 포함하며,
    상기 송신부의 송신측 전자기장 공진기는 커패시터와 가변 인덕터의 병렬 공진회로로 구성되는 전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변 인덕터는, 일반 인덕터와 그 일반 인덕터의 인덕턴스값을 가변할 수 있도록 인덕터에 병렬로 접속되는 복수의 반도체 스위칭 소자로 구성되는 전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반도체 스위칭 소자는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field effect transistor)인 전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수신부의 수신측 전자기장 공진기는 커패시터와 가변 인덕터의 병렬 공진회로로 구성되는 전자기장 공진기를 이용한 무선 전력전송장치.
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