KR20120051319A

KR20120051319A - 무선 전력 수신기

Info

Publication number: KR20120051319A
Application number: KR1020100112700A
Authority: KR
Inventors: 전상훈; 김용해; 이명래; 강승열; 조인귀; 문정익; 김성민; 윤재훈
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2012-05-22

Abstract

본 발명에 따른 무선 전력 수신기는, 공진시 비방사형 전자파를 수신하는 비방사형 전자파 수신부, 상기 수신된 비방사형 전자파로부터 다상 신호들을 분리하는 다상 신호 분리기, 및 상기 분리된 다상 신호들을 정류하는 다상 신호 정류기를 포함한다. 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 수신기는, 가전기기 구동에 적합한 DC전력으로 변환하는 과정의 변환효율을 극대화시킴으로써 전송 거리를 늘어나게 하고, 불필요한 발열을 방지할 수 있다.

Description

무선 전력 수신기{WIRELESS POWER RECEIVER}

본 발명은 무선 전력 수신기에 관한 것이다.

최근 가전 제품을 포함한 전자제품의 소형화와 휴대화가 급속히 진행되고 있다. 모든 정보와 신호의 전송이 무선으로 처리되면서 기기와 연결된 선이 거의 없어지고 있고, 가전기기의 경우 전력도 무선으로 전송하려는 시도가 이루어지고 있다. 무선으로 전력을 전송하는 방법으로는 자기유도가 가장 일반적으로 사용된다. 구체적으로, 자기유도를 이용한 무선 전력 전송은 전동 칫솔 등에 사용되고 있으나, 거리가 조금만 떨어져도 전송 효율이 너무 떨어지고 와전류에 의한 불필요하고 위험한 발열을 일으킬 수 있는 문제가 있다.

최근 연구되고 있는 비방사형 에너지 전송 기술인 자기공명형 무선 전력 전송 방식은, 종래의 전자기유도 방식 보다 멀리, 수 미터의 거리에서도 높은 전송 효율을 얻을 수 있다. 이 기술은 두 매체가 같은 주파수로 공진할 경우에 전자파가 근거리 전자장을 통하여 한 매체에서 다른 매체로 이동하는 감쇄파 결합에 기반을 두고 있어, 두 매체 사이의 공진 주파수가 동일할 때만 에너지가 전달되고, 사용되지 않는 에너지는 전자장으로 재흡수 되는 장점이 있는 것으로 알려져 있다.

무선으로 전송된 전력을 일반적인 가전기기에 사용하기 위해서는 DC신호로 변환되어야 한다. 이에 따라 수신된 AC전력으로부터 정류하는 과정이 필요하다. 그런데, 이러한 정류과정에서도 손실이 발생한다. 특히, 정류과정에서 손실은 무선 전력 전송 시스템의 효율을 저하시키는 원인이 된다.

본 발명의 목적은 무선 전력 전송시 전송 효율을 향상시키는 무선 전력 수신기를 제공하는데 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 수신기는, 공진시 비방사형 전자파를 수신하는 비방사형 전자파 수신부, 상기 수신된 비방사형 전자파로부터 다상 신호들을 분리하는 다상 신호 분리기, 및 상기 분리된 다상 신호들을 정류하는 다상 신호 정류기를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 수신기는, 가전기기 구동에 적합한 DC전력으로 변환하는 과정의 변환효율을 극대화시킴으로써 전송 거리를 늘어나게 하고, 불필요한 발열을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템에 대한 제 1 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템에 대한 제 2 실시 예를 보여주는 도면이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치(10)에 대한 제 1 실시 예를 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 장치(10)는, 무선 전력 송신기(100) 및 무선 전력 수신기(200)를 포함한다.

본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치(10)는 비방사형 무선 전력전송기술 (Non-radiative Wireless Power Transfer Technology)에 따라 전송될 수 있다. 이러한 비방사형 무선 전력전송 기술은 일반적인 전자기유도(Electromagnetic Induction)보다 먼 거리에서, 전자기방사(Electromagnetic Radiation)보다 더 높은 효율로 전력을 전송할 수 있다. 여기서, 비방사형 무선 전력전송 기술은 두 매체가 같은 주파수로 공진할 경우에 전자파가 근거리 전자장을 통하여 한 매체에서 다른 매체로 이동하는 감쇄파 결합(Evanescent Wave Coupling)에 기반을 두고 있다. 이때 두 매체 사이의 공진 주파수가 동일할 때 전력이 전송되고, 사용되는 않는 전력은 공기 중으로 방사되지 않고 전자장으로 재흡수된다. 이로써, 비방사형 무선 전력전송 기술에 사용되는 전자파는 다른 전자파와는 달리 주변의 다른 기계나 인체에 무해하다.

무선 전력 송신기(100)는 전력 발생부(110) 및 비방사형 전자파 발생부(120)를 포함한다.

전력 발생부(110)는 일반가정용 전원으로부터 인버터, 또는 전력증폭기의 형태로 구현되어 AC신호 형태의 전력을 발생시킨다.

전자파 발생부들(120)은, 전력 발생부(110)로부터 AC신호를 입력 받아, 공진을 통하여 비방사형 전자파를 발생한다. 비방사형 전자파 발생부(120)는, 대응하는 전달코일(도시되지 않음) 및 송신 공진 코일(도시되지 않음)을 포함한다. 전달코일은 전력발생부(110)에서 발생된 AC신호를 입력 받아, 이를 송신 공진 코일에 전달하는 역할을 한다. 보통 턴 수(Turn)가 1이지만, 임피던스 정합을 위해 여러 턴을 사용할 수 있다. 저항의 손실을 줄이기 위해 사용주파수의 표피 두께 (Skin Depth)보다 두껍고 전기전도도(Conductivity)가 좋은 금속을 사용한다. 전달코일은 임피던스 정합을 위해 송신 공진 코일과 적절한 최적의 거리를 두고 배치된다.

송신 공진 코일은 전달코일로부터 받은 에너지를 이용, 공진을 일으킴으로써, 비방사형 전자파를 발생시킨다. 송신 공진 코일은 고유의 공진 주파수를 갖는다. 송신공진코일(1412)도 저항의 손실을 줄이기 위해 사용주파수의 표피 두께 보다 두껍고 전기전도도가 좋은 금속을 사용한다. 송신공진코일은 헬리컬(Helical)구조 또는 스파이럴(Spiral) 구조로 구현될 수 있다.

무선 전력 수신기(200)는 무선 전력 송신기(100)로 부터 발생된 비방사형 전자파를 공진을 통하여 전송받는다. 무선 전력 수신기(200)는 이동통신 단말기(Mobile Phone), 휴대용 컴퓨터(Portable Computer) 등 다양한 종류의 전자장치(Electronic Device)일 수 있다. 이러한 전자 장치들은 비방사형 전자파를 통해 수신된 전력으로 직접 구동될 수 있고, 배터리가 장착되는 전자장치들은 충전이 될 것이다.

무선 전력 수신기(200)는 비방사형 전자파 수신부(210), 다상 신호 분리부(220), 다상 신호 정류부(230), DC/DC 변환부(240) 및 부하부(250)를 포함한다.

비방사형 전자파 수신부(210)는 수신 공진 코일(도시되지 않음) 및 부하 코일(도시되지 않음)을 포함한다. 수신 공진 코일은 공진시 송신 공진 코일로부터 발생된 비방사형 전자파를 수신한다. 실시 예에 있어서, 수신 공진 코일은 스피럴(Spiral) 구조일 수 있다. 다른 실시 예에 있어서, 수신 코일은 헬리컬(Helical) 구조일 수 있다. 부하코일은 수신 공진 코일로부터 수신된 전력을 부하부로 전달하는 역할을 한다. 부하 코일은 임피던스 정합을 위해 수신 공진 코일과 적절한 최적의 거리에 배치된다.

다상 신호 분리부(220)는 비방사형 전자파 수신부(210)에 수신된 비방사형 전자파로부터 3상 혹은 다상의 신호를 분리한다. 다상 신호 분리부(220)는 3상 혹은 다상의 신호를 얻기 위하여, 복수의 중간 탭들을 갖는 트랜스포머를 사용하거나, rat-race 전력분배기 등을 이용할 수 있다.

다상 신호 정류부(230)는 다상 신호 분리부(220)로부터 분리된 3 상 혹은 다상의 신호를 정류한다.

DC/DC 변환부(240)는 다상 신호 정류부(230)로부터 정류된 DC 전원을 부하부(250)에 이용 가능한 전원으로 변환한다.

부하부(250)는 DC/DC 변환부(240)로부터 변환된 전원을 이용한다.

본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 수신기(200)는 비방사형 전자파 수신부(210)과 다상 신호 정류부(230) 사이에 임피던스 정합을 이루도록 구현될 수 있다.

일반적으로, 무선 전력 전송 시스템에서 최종적인 전송 효율은 각 모듈의 효율의 곱으로 나타나고, 그 중에서 AC신호를 DC신호로 변환하는 정류 변환 효율이 매우 중요한 비중을 차지한다. 일반적인 무선 전력 전송 시스템은, 단상의 신호를 정류하기 때문에 낮은 전송 효율을 갖는다.

반면에, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템(10)은 3상 혹은 다상의 신호를 정류함으로써, 정류 효율을 최대 99.8% 이상 얻을 수 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템(10)은, 전체적인 전송효율을 증가시키고, 그 결과로써 무선 전송 거리를 확장할 수 있다.

도 1에서, 무선 전력 송신기(100)는 단상의 비방사형 전자파를 전송한다. 그러나 본 발명의 반드시 여기에 한정될 필요는 없다. 본 발명의 무선 전력 송신기는 3 상 혹은 다상의 비방사형 전자파를 전송할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 무선 전력 전송 시스템(20)에 대한 제 2 실시 예를 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템(20)은 무선 전력 송신기(300) 및 무선 전력 수신기(400)를 포함한다.

무선 전력 송신기(300)는 전원 발생부(310) 및 비방사형 전자파 발생부(320)를 포함한다. 전원 발생부(310)는 다상 신호 발생부(311)를 포함한다. 다상 신호 발생부(311)는 다상의 전력 신호로 발생한다.

비방사형 전자파 발생부(320)는 공진시 다상 신호 발생부(311)로부터 다상의 전력 신호를 입력 받아 다상의 비방사형 전자파를 발생한다.

무선 전력 수신기(400)는 비방사형 전자파 수신부(410), 다상 신호 분리부(420), 다상 신호 정류부(430), DC/DC 변환부(440) 및 부하부(450)를 포함한다.

비방사형 전자파 수신부(410)는 공진시 다상의 비방사형 전자파를 수신한다.

다상 신호 분리부(420), 다상 신호 정류부(430), DC/DC 변환부(440) 및 부하부(450)는, 도 1에 도시된 다상 신호 분리부(220), 다상 신호 정류부(230), DC/DC 변환부(240) 및 부하부(250)와 동일한 구성 및 동작을 갖는다.

상술 된 무선 전력 전송 시스템은, 비방사형 전자파 기술에 적용한다. 그러나 본 발명이 반드시 여기에 국한될 필요는 없다. 본 발명의 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템은, 자기 유도를 이용하는 무선 전력 전송 기술에도 적용 가능하다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형할 수 있다. 그러므로 본 발명의 범위는 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허 청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10, 20: 무선 전력 전송 장치
100, 300: 무선 전력 송신기
200, 400: 무선 전력 수신기
110, 210: 전력 발생부
111, 211: 신호 제어부
112, 212: 전력 발생부
213: 다상 신호 발생부
120, 220: 비방사형 전자파 발생부
210, 410: 비방사형 전자파 수신부
220, 420: 다상 신호 분리부
230, 430: 다상 신호 정류부
240, 440: DC/DC 변환부
250, 450: 부하부

Claims

공진시 비방사형 전자파를 수신하는 비방사형 전자파 수신부;
상기 수신된 비방사형 전자파로부터 다상의 신호들을 분리하는 다상 신호 분리기; 및
상기 분리된 다상의 신호들을 정류하는 다상 신호 정류기를 포함하는 무선 전력 수신기.