KR20130106840A - 무선 급전 장치 및 무선 급전 시스템 - Google Patents

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KR20130106840A
KR20130106840A KR1020137009609A KR20137009609A KR20130106840A KR 20130106840 A KR20130106840 A KR 20130106840A KR 1020137009609 A KR1020137009609 A KR 1020137009609A KR 20137009609 A KR20137009609 A KR 20137009609A KR 20130106840 A KR20130106840 A KR 20130106840A
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유키 엔도
야스오 후루카와
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가부시키가이샤 어드밴티스트
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Abstract

무선 급전 장치(200)는, 전계, 자계, 전자계 중 어느 하나를 포함하는 전력 신호(S1)를 송신한다. 브리지 회로(14)는, 복수의 스위치(SW1, SW2)를 포함한다. 제어부(12)는, 브리지 회로(14)의 복수의 스위치(SW1, SW2)를 송신 주파수인 제 1 주파수(f1)로 스위칭 제어한다. 송신 코일(LT) 및 공진용 커패시터(CT)는, 공진 안테나를 구성하고 브리지 회로(14)와 접속되어, 그 공진 주파수는 제 1 주파수(f1) 이상의 제 2 주파수(f2)이다. 제어부(12)는 복수의 스위치(SW1, SW2)가 모두 동시에 오프되는 데드 타임(Td)의 길이를 조절 가능하게 구성된다.

Description

무선 급전 장치 및 무선 급전 시스템{WIRELESS ENERGY TRANSFER DEVICE AND WIRELESS ENERGY TRANSFER SYSTEM}
본 발명은, 무선 급전 기술에 관한 것이다.
최근, 휴대전화 단말이나 노트형 컴퓨터 등의 전자 기기, 또는 전기 자동차에 대한 급전 기술로서, 무선(비접촉) 전력 전송이 주목되고 있다. 무선 전력 전송은, 주로 전자 유도형, 전파 수신형, 전장·자기공명형의 3가지로 분류된다.
전자 유도형은 단거리(수 cm 이내)에서 사용되고, 수백 kHz 이하의 대역으로 수백W의 전력을 전송할 수 있다. 전력의 이용 효율은 60~98% 정도로 되어 있다. 수 m 이상의 비교적 긴 거리에 급전하는 경우, 전파 수신형이 사용된다. 전파 수신형에는, 중파~마이크로파의 대역에서 수 W 이하의 전력을 전송할 수 있지만, 전력의 사용 효율은 낮다. 수 m 정도의 중거리를 비교적 높은 효율로 급전하는 수법으로서, 전장·자기공명형이 주목되고 있다(비특허문헌 1 참조).
A. Karalis, J.D Joannopoulos, M. Soljacic, "Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer", ANNALS of PHYSICS Vol. 323, pp.34-48, 2008, Jan.
자기(전장)공명형의 전력 전송에서 중요한 파라미터로서, Q값을 들 수 있다. 도 1(a)은, 무선 급전 시스템의 일 예를 나타내는 도이다. 무선 급전 시스템(1100)은, 무선 급전 장치(1200) 및 무선 수전 장치(1300)를 구비한다. 무선 급전 장치(1200)는, 송신 코일(LT1), 공진용 커패시터(CT) 및 교류 전원(10)을 구비한다. 교류 전원(10)은, 송신 주파수(f1)를 포함하는 전기 신호(구동 신호)(S2)를 발생시킨다. 공진용 커패시터(CT) 및 송신 코일(LT1)은 공진 회로를 구성하고 있으며, 그 공진 주파수는 전기 신호(S2)의 주파수에 튜닝되어 있다. 송신 코일(LT1)에서는, 전력 신호(S1)가 송출된다.
무선 수전 장치(1300)는, 수신 코일(LR1), 공진용 커패시터(CR) 및 부하 회로(20)를 구비한다. 공진용 커패시터(CR), 수신 코일(LR1) 및 부하 회로(20)는 공진 회로를 구성하고 있으며, 그 공진 주파수는 전력 신호(S1)의 주파수에 튜닝된다.
무선 급전 장치(1200)와 무선 수전 장치(1300)를 전기 신호(S2)의 주파수에 동조시키기 위해, 공진용 커패시터(CT, CR)는 도 1(b)에 나와 있는 바와 같이 가변 커패시터로 구성된다.
가변 커패시터는, 복수의 커패시터(C)와 그들을 전환하기 위한 복수의 스위치(SW)를 포함한다. 도 1(b)의 가변 커패시터는, 용량 값의 전환 단수를 크게 하면, 커패시터 및 스위치 등의 부품 점수가 증가하고, 회로 면적이나 코스트가 증대하는 문제가 있다.
본 발명은 관련된 문제에 비추어 이루진 것으로, 그 일 양태의 예시적인 목적 중 하나는, 부품 점수의 증가를 억제한 무선 급전 시스템의 제공에 있다.
본 발명의 어느 양태는, 전계, 자계, 전자계 중 어느 하나를 포함하는 전력 신호를 송신하는 무선 급전 장치에 관한 것이다. 이 무선 급전 장치는, 복수의 스위치를 포함하는 브리지 회로와, 브리지 회로의 복수의 스위치를 송신 주파수인 제 1 주파수에서 스위칭 제어하는 제어부와, 브리지 회로와 접속된 공진 안테나로 전력 신호를 송출하기 위한 송신 코일 및 송신 코일과 직렬로 마련된 공진용 커패시터를 포함하고, 그 공진 주파수가 제 1 주파수 이상의 제 2 주파수인 공진 안테나를 구비한다. 제어부는, 복수의 스위치가 모두 동시 오프되는 데드 타임의 길이를 조절 가능하게 구성된다.
이 양태에 의하면, 공진 안테나의 공진 주파수를 변경하지 않아도, 데드 타임의 길이를 최적화하는 것에 의해 공진 상태를 실현할 수 있다. 즉, 공진 안테나의 공진 주파수를 변경하기 위한 구성이 불필요하게 되기 때문에, 부품 점수를 삭감할 수 있다.
제어부는, 송신 코일에 흐르는 코일 전류가 공진 안테나와 부분 공진하도록 데드 타임의 길이를 설정해도 좋다.
제어부는, 송신 코일에 흐르는 코일 전류가 제로가 되는 타이밍에서, 복수의 스위치를 오프해도 좋다.
브리지 회로는, 하프 브리지 회로를 포함해도 좋다. 브리지 회로는, 풀 브리지 회로를 포함해도 좋다.
본 발명의 다른 양태는, 무선 급전 시스템이다. 이 무선 급전 시스템은 상술한 어느 한 양태의 무선 급전 장치와 무선 급전 장치에서 송신되는 전력 신호를 수신하는 무선 수전 장치를 구비한다.
또한, 이와 같은 구성 요소의 임의의 조합이나, 본 발명의 구성 요소나 표현을 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 상호 치환한 것도 또한 본 발명의 양태로서 유효하다.
본 발명의 일 양태에 의하면, 회로 면적을 삭감할 수 있다.
도 1의 도 1(a), (b)는, 무선 급전 시스템의 일 예를 나타내는 도이다.
도 2는 실시형태에 따른 무선 급전 시스템의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 3은 도 2의 무선 급전 장치의 동작을 나타내는 파형도이다.
도 4는 브리지 회로의 구성예를 나타내는 회로도이다.
도 5는 도 4의 브리지 회로를 사용한 경우의 동작을 나타내는 파형도이다.
도 6은 변형예에 관한 무선 급전 장치의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 7은 도 6의 무선 급전 장치의 동작을 나타내는 파형도이다.
도 8은 제 2의 실시형태에 따른 무선 급전 시스템의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 9의 도 9(a), (b)는, 도 8의 무선 수전 장치의 동작을 나타내는 회로도이다.
도 10은 도 8의 무선 수전 장치의 동작을 나타내는 파형도이다.
도 11은 비교 기술로서의 동기 정류 회로의 동작을 나타내는 파형도이다.
도 12는 제 1의 변형예에 관한 무선 수전 장치의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 13은 제 2의 변형예에 관한 무선 수전 장치의 구성을 나타내는 회로도이다.
도 14는 도 8의 무선 급전 시스템의 등가 회로도이다.
도 15는 제 3의 변형예에 관한 무선 급전 시스템의 동작을 나타내는 타임 차트이다.
도 16은 제 4의 변형예에 관한 무선 수전 장치의 구성을 나타내는 회로도이다.
이하, 본 발명을 적절한 실시형태를 기초로 도면을 참조하며 설명한다. 각 도면에 나와 있는 동일 또는 동등한 구성 요소, 부재, 처리에는, 동일한 부호를 붙이는 것으로 하고, 적당히 중복된 설명은 생략한다. 또, 실시형태는 발명을 한정하는 것이 아니라 예시이고, 실시형태에 기술되는 모든 특징이나 그 조합은, 반드시 발명의 본질적인 것이라고 할 수 없다.
본 명세서에 있어서, "부재(A)가 부재(B)와 접속된 상태"란, 부재(A)와 부재(B)가 물리적으로, 직접적으로 접속되는 경우 외에, 부재(A)와 부재(B)가 전기적인 접속 상태에 영향을 미치지 않는 다른 부재를 통해 간접적으로 접속되는 경우도 포함한다.
마찬가지로, "부재(C)가 부재(A)와 부재(B)의 사이에 마련된 상태"란, 부재(A)와 부재(C), 또는 부재(B)와 부재(C)가 직접적으로 접속되는 경우 외에, 전기적인 접속 상태에 영향을 미치지 않는 다른 부재를 통해 간접적으로 접속되는 경우도 포함한다.
(제 1의 실시형태)
도 2는, 제 1의 실시형태에 관한 무선 급전 시스템(100)의 구성을 나타내는 회로도이다. 무선 급전 시스템(100)은, 무선 급전 장치(200) 및 무선 수전 장치(300)를 구비한다.
먼저, 무선 수전 장치(300)의 구성을 설명한다. 무선 수전 장치(300)는, 무선 급전 장치(200)에서 송출되는 전력 신호(S1)를 수신한다. 무선 수전 장치(300)는 수신 코일(LR), 공진용 커패시터(CR), 부하 회로(20)를 구비한다. 공진용 커패시터(CR)는 수신 코일(LR)과 함께 공진 회로를 형성한다. 공진 회로의 공진 주파수는, 전력 신호(S1)에 동조된다.
수신 코일(LR)은, 무선 급전 장치(200)로부터의 전력 신호(S1)를 수신한다. 수신 코일(LR)에는, 전력 신호(S1)에 따른 유기 전류(공진 전류)(IR)가 흐르고, 무선 수전 장치(300)는 이 유기 전류에서 전력을 꺼낸다. 부하 회로(20)는, 무선 급전 장치(200)에서 전력 공급을 받아 동작하는 회로이고, 그 용도 및 구성은 한정되지 않는다.
무선 급전 장치(200)는, 무선 수전 장치(300)에 대해 전력 신호(S1)를 송출한다. 무선 급전 시스템(10)에는, 전력 신호(S1)로서 전파로 되어 있지 않은 전자파의 근방계(전계, 자계 또는 전자계)가 사용된다.
무선 급전 장치(200)는, 교류 전원(10), 송신 코일(LT), 공진용 커패시터(CT)를 구비한다. 교류 전원(10)은, 소정의 주파수를 가지는, 또는 주파수 변조된, 또는 위상 변조, 진폭 변조 등이 시행된 전기 신호(S2)를 발생시킨다. 본 실시형태에 있어서는 설명의 간결화와 이해의 용이화를 위해, 전기 신호(S2)가 일정한 주파수를 가지는 교류 신호인 경우를 설명한다.
교류 전원(10)은, 브리지 회로(14) 및 그 제어부(12)를 포함한다. 도 2의 브리지 회로(14)는, 하이사이드 스위치(SW1) 및 로사이드 스위치(SW2)를 포함하는 하프 브리지 회로이다.
교류 전원(10)의 제어부(12)는, 하이사이드 스위치(SW1) 및 로사이드 스위치(SW2)의 온, 오프 상태를 제어한다. 전력 신호(S1)의 송신 주파수가 제 1 주파수(f1)일 때, 하이사이드(high side) 스위치(SW1) 및 로사이드(low side) 스위치(SW2)의 스위칭 주파수 즉, 전기 신호(S2)의 주파수도 제 1 주파수(f1)에 동일하게 설정된다.
공진용 커패시터(CT) 및 송신 코일(LT)은, 공진 안테나를 형성한다. 송신 코일(LT)은 교류 전원(10)이 발생한 전기 신호(S2)를 전계, 자계, 전자계 중 어느 하나를 포함하는 근방계(전력 신호)(S1)로서 공간에 방사한다. 공진용 커패시터(CT)는, 송신 코일(LT)과 직렬로 마련되고, 로사이드 스위치(SW2)와 함께 폐쇄 루프를 형성하고 있다.
일반적인 무선 급전 장치에는, 공진용 커패시터(CT)와 송신 코일(LT1)이 형성하는 공진 안테나의 공진 주파수가, 전기 신호(S2)의 제 1 주파수(f1)로 튜닝된다. 이에 대해, 실시형태에 관한 무선 급전 시스템(100)에는, 무선 급전 장치(200)의 공진 안테나의 공진 주파수가, 제 1 주파수(f1) 이상의 제 2 주파수(f2)로 설정된다. 전력 신호(S1)가 주파수 변조, 위상 변조되고, 또는 송신 주파수(f1)가 복수의 값으로 전환 가능한 경우에는, 공진 안테나의 공진 주파수(f2)는, 송신 주파수(f1)를 얻는 주파수 중 가장 높은 한가지 보다도 높게, 또는 그것과 동일하게 설정된다.
실시형태에 관한 무선 급전 장치(200)에는, 공진 안테나의 공진 주파수(f2)를 전기 신호(S2)의 제 1 주파수(f1)로 튜닝하는 대신에, 제어부(12)가 브리지 회로(14)의 복수의 스위치(SW1, SW2)가 모두 동시 오프되는 데드 타임의 길이를 조절한다.
구체적으로, 제어부(12)는 송신 코일(LT)에 흐르는 코일 전류(IL)가, 공진 안테나(LT, CT)와 부분 공진하도록 데드 타임의 길이를 설정한다. 제어부(12)는, 송신 코일(LT)에 흐르는 코일 전류(IL)가 제로가 되는 타이밍에서 복수의 스위치(SW1, SW2)를 오프한다.
도 3은, 도 2의 무선 급전 장치(200)의 동작을 나타내는 파형도이다. 본 명세서에서 파형도나 타임 차트의 세로축 및 가로축은, 이해를 용이하게 하기 위해 적당히 확대, 축소한 것으로, 또, 도시된 각 파형도 이해를 용이하게 하기 위해 간략화되어 있다.
도 3의 파형도에는, 위에서 순서대로 하이사이드 스위치(SW1), 로사이드 스위치(SW2)의 온 오프 상태, 공진용 커패시터(CT)의 양단간의 전압(Vrc), 전기 신호(구동 신호)(S2)의 전압(Vdr), 코일 전류(IL)를 나타낸다.
하이사이드 스위치(SW1), 로사이드 스위치(SW2)는, 제 1 주파수(f1)에서 스위칭된다. 즉, 각각의 주기는 T1=1/f1으로 된다. 하이사이드 스위치(SW1)의 온 기간(Ton1)과, 로사이드 스위치(SW2)의 온 기간(Ton2)의 사이에는, 데드 타임(Td)이 마련되어 있다. 데드 타임(Td)의 길이는 Ton1=Ton2=1/(2×f2)가 성립되도록 설정된다.
온 기간(Ton1)에서, 공진 안테나(LT, CT)에는, 구동 전압(Vdr=VIN)이 인가된다. 이 동안에 코일 전류(IL)는 실질적으로 공진 안테나(LT, CT)의 공진 주파수(f2)에 따른 반파 파형으로 된다. 코일 전류(LT)에 의해 공진용 커패시터(CT)가 충전되고, 전압(Vrc)은 시간과 함께 증대한다. 코일 전류(IL)가 제로가 되면, 데드 타임(Td)으로 천이한다. 데드 타임(Td) 동안에 코일 전류(IL)가 흐르지 않기 때문에, 전압(Vcr)은 일정하게 유지된다. 또, 브리지 회로(14)의 출력 단자는 하이 임피던스가 되고, 구동 전압(Vdr)은 부정이 된다.
데드 타임(Td)이 종료하면, 온 기간(Ton2)이 되고, 구동 전압(Vdr)은 제로(GND)가 된다. 이것에 의해 공진용 커패시터(CT)가 방전되고, 코일 전류(IL)는 반파 파형을 얻는다. 코일 전류(IL)가 제로가 되면, 다시 데드 타임(Td)으로 천이한다. 무선 급전 장치(200)는 이상의 동작을 반복한다.
이와 같이, 무선 급전 장치(200)에는, 공진 안테나(LT, CT)의 공진 주파수(f2)를 일정하게 유지하면서 송신 주파수(f1)에 따라 데드 타임(Td)의 길이를 조절하는 것에 의해, 온 기간(Ton1, Ton2)에 흐르는 코일 전류(IL)를 부분 공진시킬 수 있다.
본 무선 급전 장치(200)에 의하면, 공진 주파수를 변화시키기 위해 가변 커패시터나 가변 인덕터가 불필요해지기 때문에, 부품 점수, 회로 면적을 삭감할 수 있다.
도 4는, 브리지 회로(14)의 구성예를 나타내는 회로도이다. 하이사이드 스위치(SW1), 로사이드 스위치(SW2)는, FET(Field Effect Transistor)(M1, M2)로 구성된다. 트랜지스터(M1,M2)의 백게이트와 드레인의 사이에는, 바디 다이오드(DB1, DB2)가 존재한다. 트랜지스터(M1)가, 오프 상태에서 바디 다이오드(DB1)를 통해 전류가 흐르는 것을 방지하기 위해, 바디 다이오드(DB1)에 대해 다이오드(D1)가 반대 방향으로 마련된다. 다이오드(D2)는, 동일한 이유에 의해 트랜지스터(M2)와 직렬로 반대 방향으로 마련된다. 또한, 하이사이드 스위치(SW1)에, N채널(MOSFET)을 사용해도 좋다.
도 5는, 도 4의 브리지 회로(14)를 사용한 경우의 동작을 나타내는 파형도이다. 도 4의 브리지 회로(14)를 사용한 경우, 도 3에 나와 있는 도 2의 무선 급전 장치(200)의 동작 파형과는 다른 것이지만, 데드 타임(Td)을 조절하는 것에 의해 도 2와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 다이오드(D1) 대신에 트랜지스터(M1)와 반대의 도전성을 가지는 FET를 사용해도 좋고, 동일하게 다이오드(D2) 대신에 트랜지스터(M2)와 반대의 도전성을 가지는 FET를 사용해도 좋다. 또는, 다이오드(D1, D2)는 생략해도 좋다.
이상, 본 발명에 대해서, 실시형태를 기초로 설명했다. 본 실시형태는 예시이고, 그들 각 구성 요소나 각 처리 프로세스의 조합에 여러 가지의 변형예가 가능한 것, 또, 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에게 이해되는 부분이다. 이하, 이러한 변형예에 대해 설명한다.
실시형태에서는, 브리지 회로(14)로서 하프 브리지 회로를 사용하는 경우를 설명했지만, 그 대신에, 풀 브리지 회로(H 브리지 회로)를 사용해도 좋다. 도 6은, 변형예에 관한 무선 급전 장치(200a)의 구성을 나타내는 회로도이다. 풀 브리지 회로는 스위치(SW1~SW4)를 구비한다. 제어부(12)는, 스위치(SW1)의 온 기간(Ton1)에서, 스위치(SW4)를 킨다. 또, 스위치(SW2)의 온 기간(Ton2)에서 스위치(SW3)를 킨다. 온 기간(Ton1, Ton2)의 사이에는, 데드 타임(Td)이 마련되고, 그 길이를 조절한다.
도 7은, 도 6의 무선 급전 장치(200a)의 동작을 나타내는 파형도이다. H 브리지 회로를 사용한 경우도, 하프 브리지 회로를 사용한 경우와 동일하게 코일 전류(IL)를 부분적으로 공진시킬 수 있고, 도 2의 회로와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
공명형의 무선 전력 전송에는, 급전(송신)측과 수전(수신)측의 결합도가 너무 높으면 전송 효율이 악화하는 경우가 있다. 상술의 데드 타임(Td)을 사용한 주파수 조절 기술을 사용하면, 송신 주파수를 변경할 필요 없이, 의도적으로 공진 상태를 악화시킬 수 있고, 결합도를 저하시켜서 효율의 악화를 방지할 수 있다는 이점도 있다.
(제 2의 실시형태)
제 1의 실시형태에는, 급전 장치에 관해 설명했다. 제 2의 실시형태에는, 제 1의 실시형태에 관한 급전 장치와 조합하여 또는, 단독으로 이용 가능한 수전 장치에 대해 설명한다.
도 8은, 제 2의 실시형태에 관한 무선 급전 시스템(100)의 구성을 나타내는 회로도이다. 본 회로도에는, 회로 정수가 예시되지만, 이들 수치는 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 무선 급전 시스템(100)은, 무선 급전 장치(200) 및 무선 수전 장치(300)를 구비한다. 먼저, 무선 급전 장치(200)의 구성을 설명한다.
무선 급전 장치(200)는, 무선 수전 장치(300)에 대해 전력 신호를 송출한다. 무선 급전 시스템(100)에는, 전력 신호(S1)로서 전파로 되어 있지 않은 전자파의 근방계(전계, 자계 또는 전자계)가 사용된다.
무선 급전 장치(200)는 교류 전원(10), 송신 코일(L1), 커패시터(C2)를 구비한다. 교류 전원(10)은 소정의 주파수를 가지는 또는, 주파수 조정된 또는, 위상변조, 진폭 변조 등이 시행된 전기 신호(S2)를 발생한다. 본 실시형태에서 설명의 간결화와 이해의 용이화를 위해, 전기 신호(S2)가 일정한 주파수를 가지는 교류 신호인 경우를 설명한다. 예컨대, 전기 신호(S2)의 주파수는, 수백 kHz~수 MHz의 사이에서 적당히 선택된다.
송신 코일(L1)은, 교류 전원(10)이 발생한 전기 신호(S2)를 전계, 자계, 전자계 중 어느 하나를 포함하는 근방계(전력 신호)(S1)로서 공간에 방사하는 안테나이다. 송신 커패시터(C2)는, 송신 코일(L1)과 직렬로 마련된다. 저항(R1)은, 송신 코일(L1)과 직렬인 저항 성분을 나타낸다.
이상이 무선 급전 장치(200)의 구성이다. 이어서, 무선 수전 장치(300)의 구성을 설명한다.
무선 수전 장치(300)는, 무선 급전 장치(200)에서 송출되는 전력 신호(S1)를 수신한다.
수신 코일(20)은, 송신 코일(L1)로부터의 전력 신호(S1)를 수신한다. 수신 코일(L2)에는, 전력 신호(S1)에 따른 유기 전류(공진 전류)(ICOIL)가 흐르고, 무선 수전 장치(300)는, 그 유기 전류에서 전력을 빼낸다.
무선 수전 장치(300)는, 수신 코일(L2), 공진용 커패시터(C1), H 브리지 회로(12), 제어부(14), 전력 보존용 커패시터(C3)를 구비한다. 공진용 커패시터(C1)는, 수신 코일(L2)과 함께 공진 회로를 형성한다.
전력 보존용 커패시터(C3)의 제 1 단자는 접지되어 그 전위가 고정되어 있다. H 브리지 회로(12)는, 제 1 스위치(SW1)~제 4 스위치(SW4)를 포함한다. 제 1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치(SW2)는, 수신 코일(L2) 및 공진용 커패시터(C1)와 폐쇄 루프를 형성하도록 차례차례 직렬로 접속된다. 제 1 스위치(SW1)와 제 2 스위치(SW2)의 접속점(N1)은, 전력 보존용 커패시터(C3)의 제 2 단자와 접속된다. 손실 저항(R2)은, 무선 수전 장치(300)에서 손실을 나타내고 있다. 부하 저항(R3)은, 전력 보존용 커패시터(C3)에 저축된 전력에 의해 구동되는 부하를 나타내고 있으며, 회로 소자로서의 저항을 의미하는 것이 아니다. 부하 저항(R3)에는, 전력 보존용 커패시터(C3)에 발생하는 전압(VPWR)이 공급된다.
제 3 스위치(SW3) 및 제 4 스위치(SW4)는, 제 1 스위치(SW1), 제 2 스위치(SW2)와 병렬인 경로에, 차례차례 직렬로 마련된다. 제 3 스위치(SW3)와 제 4 스위치(SW4)의 접속점(N2)은 접지되고, 그 전위가 고정되어 있다. 부하 저항(R3)은, 전력 보존용 커패시터(C3)의 전압(VPWR)을 Q값의 증대에 최적인 전압이 되도록 제어되어도 좋다.
H 브리지 회로(12)를 구성하는 제 1 스위치(SW1)~제 4 스위치(SW4)는, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 또는 바이폴라 트랜지스터(bipolar transistor) 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 반도체 소자를 사용해서 구성할 수 있다.
제어부(14)는, 제 1 스위치(SW1) 내지 제 4 스위치(SW4)를 제어한다.
구체적으로는 제어부(14)는, 제 1 상태(φ1)와 제 2 상태(φ2)가 전환 가능하게 구성된다. 제 1 상태(φ1)에 있어서, 제 1 스위치(SW1) 및 제 4 스위치(SW4)를 온 하고, 제 2 스위치(SW2) 및 제 3 스위치(SW3)가 오프 한다. 제 2 상태(φ2)에 있어서, 제 1 스위치(SW1) 및 제 4 스위치(SW4)가 오프 하고, 제 2 스위치(SW2) 및 제 3 스위치(SW3)를 온 한다.
수신 코일(L2)에 발생하는 유기 전류(ICOIL)는 교류 파형을 가진다. 제어부(14)는, 유기 전류(ICOIL)의 진폭이 최대한 근접하도록 제 1 상태(φ1)와 제 2 상태(φ2)의 전환 타이밍(위상)을 조절한다.
이상이 무선 급전 시스템(100)의 구성이다. 이어서, 그 동작을 설명한다. 도 9(a), (b)는, 도 8의 무선 수전 장치(300)의 동작을 나타내는 회로도이다. 도 9(a)는 제 1 상태(φ1)에서 각 스위치의 상태 및 전류의 상태를, 도 9(b)는 제 2 상태(φ2)에서 각 스위치의 상태 및 전류의 상태를 나타낸다. 도 10은, 도 8의 무선 수전 장치(300)의 동작을 나타내는 파형도이다. 도 10에는 위에서 순서대로 전력 보존용 커패시터(C3)에 발생하는 전압(VPWR), 전력 보존용 커패시터(C3)에 흘러들어가는 전류(IC3), 제 2 스위치(SW2) 및 제 3 스위치(SW3)의 상태, 제 1 스위치(SW1) 및 제 4 스위치(SW4)의 상태 및 수신 코일(L2)의 유기 전류(ICOIL)를 나타낸다.
도 10에서, 제 2 스위치(SW2) 및 제 3 스위치(SW3)는, +1V일 때가 풀 온으로, 0V일 때가 오프에 대응한다. 또, 제 1 스위치(SW1) 및 제 4 스위치(SW4)는, -1V일 때가 풀 온으로, 0V일 때가 오프에 대응한다. 스위치의 상태를 나타내는 전압 레벨은, 편의적인 것이다. 또, 전류 파형은, 도 8의 화살표 방향을 정(正)으로 취하고 있다.
현재, 도 8의 무선 급전 장치(200)에서 교류의 전력 신호(S1)가 송출된다. 그 전력 신호(S1)에 따라서, 수신 코일(L2)에서 유기 전류(ICOIL)는 교류 전류가 흐른다.
제어부(14)는, 전력 신호(S1)와 동기하고, 제 1 스위치(SW1)~제 4 스위치(SW4)의 온, 오프 상태를 제어한다. 제 1 상태(φ1)에는, 도 9(a)에 나와 있는 바와 같이, 접지 단자에서 제 4 스위치(SW4), 수신 코일(L2), 공진용 커패시터(C1), 제 1 스위치(SW1)를 통해 전류(IC3)가 흐른다. 제 2 상태(φ2)에는, 도 9(b)에 나와 있는 바와 같이, 접지 단자에서 제 3 스위치(SW3), 수신 코일(L2), 공진용 커패시터(C1), 제 2 스위치(SW2)를 통해 전류(IC3)가 흐른다. 제어부(14)는, 유기 전류(ICOIL) 또는 부하 저항(R3)에 공급되는 전력을 모니터하고, 그 진폭이 최대한 근접하도록 H 브리지 회로(12)의 전환 타이밍(위상)을 최적화해도 좋다.
전력 보존용 커패시터(C3)가 충분히 큰 용량을 가지고, 전압원으로서 다룬다고 한다면, 공진 회로의 구동 전압으로서 사용할 수 있다. 거기서, H 브리지 회로(12) 및 제어부(14)에 의해, 전력 보존용 커패시터(C3)를 수신 코일(L2)에 대해, 유기 전류(공진 전류)(ICOIL)의 제로 크로스점에 대해 90도 시프트한 위상에서 커플링하는 것에 의해, 수신 코일(L2)의 저항 성분 등에 의한 손실을 전원인 전력 보존용 커패시터(C3)에 의해 보충할 수 있다.
공진 회로의 Q값은, 저항(R)에 반비례하는바, 전력 보존용 커패시터(C3)에 의해 저항(R)에 의한 손실을 완전히 보충할 수 있다면, 저항(R)은 제로로 가정할 수 있고, Q값이 무한대(∞)인 공진 회로와 등가가 된다.
이와 같이, 실시형태에 관한 무선 수전 장치(300)에 의하면, H 브리지 회로(12)에서 제 1 상태(φ1)와 제 2 상태(φ2)의 전환 타이밍(위상)을 최적화하는 것에 의해, 전력 보존용 커패시터(C3)가 발생하는 전압을, 수신 코일(L2)에 대해 적절한 타이밍으로 인가할 수 있고, 실효적인 Q값을 높일 수 있다.
도 14는, 도 8의 무선 급전 시스템(100)의 등가 회로도이다. 도 8의 무선 급전 시스템(100)에서, 결합 함수(k)에서 결합하는 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)은, 인덕터(L5~L7)를 포함하는 T형 회로(20)와 등가로 가정할 수 있다. L1=L2=L일 때, 인덕터(L5, L6) 각각의 인덕턴스는, L×(1-k)로 공급되고, L7=L×k로 공급된다.
H 브리지 회로(12)에서 제 1 상태(φ1)와 제 2 상태(φ2)의 전환 타이밍을 최적화하는 것은, 교류 전원(10)과 부하 저항(R3)의 사이의 임피던스 정합을 최적화하는 것과 다름없다. 즉, H 브리지 회로(12)는, 스위치 모드의 임피던스 정합 회로로 파악할 수 있다. 교류 전원(10)의 출력 임피던스나, 결합 함수(K)가 변화하면, 임피던스 정합의 조건도 변화한다. H 브리지 회로(12)의 스위칭의 위상은, 최적인 임피던스 정합을 얻을 수 있도록 제어된다.
종래에는, 공진용 커패시터(C1나 C2)를 바리콘(베리어블 콘덴서)으로 구성하고, 모터로 바리콘을 기계적으로 제어하는 것에 의해, 임피던스 정합을 진행했다. 이것에 대해, 본 실시형태에 의하면, H 브리지 회로(12)의 스위칭 상태를 제어함으로써, 기계적이 아닌, 전기적인 방법에 의해 임피던스 정합을 실현할 수 있다.
기계적인 수법에 의한 임피던스 정합에는, 고속의 제어가 불가능하고, 무선 수전 장치(300)가 이동할 수 있는 경우에는, 임피던스 정합을 취하지 못하고 급전 효율이 악화한다는 문제가 발생한다. 이것에 대해, 본 실시형태에는, 종래보다도 고속으로 임피던스 정합을 취할 수 있고, 무선 수전 장치(300)가 이동하거나, 무선 급전 장치(200)의 급전 상태가 고속으로 전환되는 경우에도, 효율적인 급전이 가능하게 된다.
무선 수전 장치(300)의 Q값이 높아지면, 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)의 사이의 결합 함수(k)가 작아도, 다시 말해서 무선 수전 장치(300)와 무선 급전 장치(200)의 거리가 긴 경우라고 해도, 고효율적인 전력 전송을 실현할 수 있다.
또한, 제 1 스위치(SW1)~제 4 스위치(SW4)의 온, 오프 전환하는 타이밍은, 도 10에서 설명한 것에는 한정되지 않는다. 온, 오프 전환하는 타이밍을 제어하는 것에 의해, 공진 회로의 Q값을 컨트롤할 수 있기 때문에, 적극적으로 낮은 Q값을 실현하고 싶은 경우에는, 온, 오프 전환 타이밍을 도 10에서 설명한 것에서 의도적으로 옮겨도 좋다.
또, 도 8의 구성에 의하면, Q값을 증대하기 위한 H 브리지 회로(12)가 정류 회로로서도 기능하기 때문에, 후술하는 변형예와 같이 다이오드 등을 가지는 정류 회로가 불필요하게 되는 장점도 있다.
또한, 상술의 H 브리지 회로(12)를, 일반적인 동기 정류 회로와 혼동해서는 안된다. 도 11은, 비교 기술로서의 동기 정류 회로의 동작을 나타내는 파형도이다. 동기 정류 회로에는, 공진 전류(ICOIL)의 제로 크로스점의 타이밍에서, 제 1 상태(φ1)와 제 2 상태(φ2)가 전환된다. 이 경우, 전력 보존용 커패시터(C3)에 흘러들어가는 전류(IC3)는, 전파 정류된 파형이 된다. 단, 다이오드에 의한 정류와는 다르게, 전압 로스는 존재하지 않는다. 이와 같은 동기 정류 회로에는, 공진 회로의 손실을 보충할 수 없고, Q값을 높일 수 없다.
이상, 본 발명에 대해서, 실시형태를 기초로 설명했다. 본 실시형태는 예시이며, 그들의 각 구성 요소나 각 처리 프로세스의 조합에 여러 가지 변형예가 가능한 것, 또, 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에게 이해되는 부분이다. 이하, 이러한 변형예에 대해 설명한다.
도 12는, 제 1의 변형예에 관한 무선 수전 장치(300a)의 구성을 나타내는 회로도이다. 또한, 도 8과 중복하는 일부의 회로는 생략하고 있다. 도 12의 무선 수전 장치(300a)가 도 8의 무선 수전 장치(300)와 다른 점은, 부하의 위치이다. 구체적으로 도 12에서, 저항(R3)이 아니고, 저항(R6)이 부하로 되어 있다. 전력 보존용 커패시터(C3)와 병렬인 저항(R3)은 무시해도 지장을 주지 않는다.
도 12의 무선 수전 장치(300a)는, 도 8의 무선 수전 장치(300)에 더해, 보조 코일(L3), 정류 회로(16), 인덕터(L4)를 구비한다.
보조 코일(L3)은, 수신 코일(L2)과 밀접하게 결합되어 있다. 정류 회로(16)는, 보조 코일(L3)에 흐르는 전류(IL3)를 전파 정류한다. 인덕터(L4)는, 정류 회로(16)의 출력측에 부하 저항(R6)과 직렬로 마련된다.
도 12의 구성에 의하면, 수신 코일(L2) 및 공진용 커패시터(C1)를 포함하는 공진 회로의 Q값이, H 브리지 회로(12) 및 전력 보존용 커패시터(C3)를 포함하는 Q값 증대 회로에 의해 증대된다. 그 결과, 수신 코일(L2)과 밀접하게 결합된 보조 코일(L3)에도, 큰 전류(IL3)가 유기되고, 부하 저항(R6)에 대전력을 공급할 수 있다.
도 13은, 제 2의 변형예에 관한 무선 수전 장치(300b)의 구성을 나타내는 회로도이다. 무선 수전 장치(300b)는, 수신 코일(L2)과 은밀히 결합된 보조 코일(L3)을 구비한다. 그리고 H 브리지 회로(12b)는, 수신 코일(L2)이 아니고, 보조 코일(L3)에 접속된다. H 브리지 회로(12b)와 전력 보존용 커패시터(C3)의 사이에는, 병렬로 접속된 인덕터(L4) 및 저항(R5)이 마련된다.
정류 회로(16b)는, 수신 코일(L2) 및 공진용 커패시터(C1)를 포함하는 공진 회로에 흐르는 전류를 전파 정류한다. 전력 보존용 커패시터(C4)는 정류 회로(16b)의 출력측에 마련되어 있고, 정류 회로(16b)에 의해 전파 정류된 전류를 평활화한다. 전력 보존용 커패시터(C4)에 발생하는 전력이 부하 저항(R6)에 공급된다.
도 13의 구성에 의하면, H 브리지 회로(12b) 및 전력 보존용 커패시터(C3)를 포함하는 Q값 증대 회로는, 보조 코일(L3)을 통해 수신 코일(L2) 및 공진용 커패시터(C1)를 포함하는 공진 회로의 Q값을 증대할 수 있다. 그 결과, 전력을 고효율로 수신할 수 있다.
실시형태에는, H 브리지 회로(12)가 제 1 상태(φ1)와 제 2 상태(φ2)를 전환 가능하고, 그들 전환된 위상을 제어하는 경우를 설명한다. 제 3의 변형예에는, 위상의 제어 대신에 또는 위상의 제어에 더하여 이하와 같은 제어를 진행한다.
제 3의 변형예에서, 제어부(14)는 제 1 상태(φ1)와 제 2 상태(φ2)에 더하여 제 1 스위치(SW1)부터 제 4 스위치(SW4)가 모두 오프하는 제 3 상태(φ3)로 전환이 가능하다. 제어부(14)는, 제 1 상태(φ1)에서 제 2 상태(φ2)로 천이하는 도중, 제 2 상태(φ2)에서 제 1 상태(φ1)로 천이하는 도중의 적어도 한쪽으로, 제 3 상태(φ3)를 삽입하고, 수신 코일(L2)에 흐르는 유기 전류(ICOIL)의 진폭이 최대한 근접하도록, 제 3 상태(φ3)의 기간(데드 타임(Td)이라고도 함)의 길이를 조절한다. 도 15는, 제 3의 변형예에 관한 무선 급전 시스템(100)의 동작을 나타내는 타임 차트이다.
수신 코일(L2), 공진용 커패시터(C1), H 브리지 회로가(12)가 구성하는 공진 회로의 공진 주파수는, 반드시 무선 급전 장치(200)가 발생하는 전력 신호(S1)의 주파수와 일치하는 것에 한정되지 않는다. 이와 같은 경우에, 데드 타임(Td)의 길이를 조절하는 것에 의해 제 1 상태(φ1), 제 2 상태(φ2)에서 흐르는 유기 전류(ICOIL)를 무선 수전 장치(300)의 공진 회로에 부분 공진시킬 수 있다. 즉, 무선 급전 장치(200)의 공진 주파수를 전력 신호(S1)의 주파수에 튜닝할 수 있고, 급전 효율을 높일 수 있다.
실시형태에는, 스위치 모드의 임피던스 정합 회로로서 H 브리지 회로(12)를 사용하는 경우를 설명했지만, 하프 브리지 회로를 사용해도 좋다.
도 16은, 제 4의 변형예에 관한 무선 수전 장치(300c)의 구성을 나타내는 회로도이다. 도 16의 무선 수전 장치(300c)는, 도 13의 무선 수전 장치(300b)의 H 브리지 회로(12b)를 하프 브리지 회로(12c)로 치환한 구성을 포함한다. 하프 브리지 회로(12c)는, 제 5 스위치(SW5)와 제 6 스위치(SW6)를 포함한다. 제 5 스위치(SW5)는, 전력 보존용 커패시터(C3) 및 보조 코일(L3)과 폐쇄 루프를 형성하도록 접속된다. 제 6 스위치(SW6)는, 보조 코일(L3)의 양단간에 마련된다.
제 4의 변형예에 의하면, 제 5 스위치(SW5), 제 6 스위치(SW6)의 온, 오프 전환하는 위상을 제어함으로써, 임피던스 정합을 취할 수 있다. 또, 제 5 스위치(SW5), 제 6 스위치(SW6)가 동시에 오프하는 데드 타임의 길이를 조절하는 것에 의해, 부분 공진을 이용해서 전송 효율을 높일 수 있다.
실시형태에 기초하여 본 발명을 설명했지만, 실시형태는 본 발명의 원리, 응용을 나타내는 것에 지나지 않고, 실시형태에는 청구 범위에 규정된 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위에서 많은 변형예나 배치의 변경이 가능하다.
[산업상 이용가능성]
본 발명의 일 양태는, 무선 전력 전송에 사용할 수 있다.
100: 무선 급전 시스템
200: 무선 급전 장치
300: 무선 수전 장치
10: 교류 전원
12: 제어부
14: 브리지 회로
20: 부하 회로
LT: 송신 코일
CT, CR: 공진용 커패시터
LR: 수신 코일
S1: 전력 신호
S2: 전기 신호
SW1: 하이사이드 스위치
SW2: 로사이드 스위치

Claims (6)

  1. 전계, 자계, 전자계 중 어느 하나를 포함하는 전력 신호를 송신하는 무선 급전 장치로,
    복수의 스위치를 포함하는 브리지 회로와,
    상기 브리지 회로의 상기 복수의 스위치를, 송신 주파수인 제 1 주파수로 스위칭 제어하는 제어부와,
    상기 브리지 회로와 접속된 공진 안테나로, 전력 신호를 송출하기 위한 송신 코일 및 상기 송신 코일과 직렬로 마련된 공진용 커패시터를 포함하고, 그 공진 주파수가 상기 제 1 주파수 이상의 제 2 주파수인 공진 안테나를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 복수의 스위치가 모두 동시에 오프되는 데드 타임의 길이를 조절 가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 급전 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 송신 코일에 흐르는 코일 전류가, 상기 공진 안테나와 부분 공진하도록 상기 데드 타임의 길이를 설정하는 것을 특징으로 하는 무선 급전 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 송신 코일에 흐르는 코일 전류가 제로가 되는 타이밍에서, 상기 복수의 스위치를 오프하는 것을 특징으로 하는 무선 급전 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브리지 회로는, 하프 브리지 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 급전 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브리지 회로는, 풀 브리지 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 급전 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 무선 급전 장치와,
    상기 무선 급전 장치에서 송신되는 전력 신호를 송신하는 무선 수전 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 급전 시스템.
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