KR20130113694A - 전력 공급 장치, 무선전력 송신장치 및 전력 공급 방법 - Google Patents

전력 공급 장치, 무선전력 송신장치 및 전력 공급 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 송신장치의 전력 공급 장치는 직류 전력을 공급하는 전원 공급부와 상기 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 변환부 및 상기 변환부에서 변환된 교류 전력 중 조화 주파수 성분에 대한 입력 임피던스를 증가시켜 상기 조화 주파수 성분에 대한 전력의 크기를 감소시키는 전력 소모 방지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 공급 장치, 무선전력 송신장치 및 전력 공급 방법{APPARATUS FOR SUPPLYING POWER AND APPARATUS FOR TRANSMITTING WIRELESS POWER AND METHOD FOR SUPPLYING POWER}
본 발명은 무선전력 전송 기술에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 자기 공진 또는 전자기 유도를 이용하여 전력 전송 효율을 극대화시킬 수 있는 무선전력 전송 기술에 관한 것이다.
무선으로 전기 에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선전력전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도 되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 전자기 유도는 도체의 주변에서 자기장을 변화시켰을 때 전압이 유도되어 전류가 흐르는 현상을 말한다. 전자기 유도 방식은 소형 기기를 중심으로 상용화가 빠르게 진행되고 있으나, 전력의 전송 거리가 짧은 문제가 있다.
현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 전자기 유도 이외에 자기 공진 및 단파장 무선 주파수를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.
최근에는 이와 같은 무선 전력 전송 기술 중 자기 공진을 이용한 에너지 전달 방식이 많이 사용되고 있다.
자기 공진을 이용한 무선전력 전송 시스템은 송신 측과 수신 측에 형성된 전기신호가 코일을 통해 무선으로 전달되기 때문에 사용자는 휴대용 기기와 같은 전자기기를 손쉽게 충전할 수 있다.
그러나, 기존의 무선전력 송신장치에 공급되는 교류 전력 중에는 불필요한 주파수 성분으로 인해 무선전력 전송 시스템의 전력 전송 효율을 떨어뜨리는 문제가 있었다.
본 발명은 직류전력을 교류전력으로 변환할 시 발생하는 전력 손실을 줄여 전력 전송 효율을 극대화시킬 수 있는 방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명은 전력 공급 장치에서 무선전력 송신장치로 전달하는 교류 전력 중 조화 주파수 성분의 전력을 감소시켜 전력 전송 효율을 높일 수 있는 방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명은 전자기 유도 또는 자기 공진형 무선전력 전송 시스템에서 전력 전송 효율을 극대화시킬 수 있는 방법의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 송신장치의 전력 공급 장치는 직류 전력을 공급하는 전원 공급부와 상기 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 변환부 및 상기 변환부에서 변환된 교류 전력 중 조화 주파수 성분에 대한 입력 임피던스를 증가시켜 상기 조화 주파수 성분에 대한 전력의 크기를 감소시키는전력 소모 방지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 입력 임피던스는 상기 전력 소모 방지부에서 상기 무선전력 송신장치를 바라본 임피던스인 것을 특징으로 한다.
상기 전력 소모 방지부는 인덕터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 변환부는 상기 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 제1 모스펫 및 제2 모스펫과 상기 제1 모스펫 및 상기 제2 모스펫에 크기는 같고, 위상은 반대인 교류전력 신호를 인가하는 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 인가된 교류전력 신호에 의해 상기 제1 모스펫 및 상기 제2 모스펫 중 하나는 온 상태가 되고, 다른 하나는 오프 상태가 되는 것을 특징으로 한다.
상기 변환부는 푸쉬 풀 타입(push-pull type)의 듀얼 모스펫(Dual MOSFET)을 이용하는 것을 특징으로 한다.
상기 전력 공급 장치는 소정의 주파수를 갖는 교류전력 신호를 상기 드라이버에 인가하는 발진기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전력 공급 장치는 상기 전원 공급부로부터 공급받은 직류전력을 소정의 직류전력으로 변환하고, 상기 변환된 직류전력을 상기 전류 변화량 조절부에 전달하는 직류 직류 변환기를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 송신장치는 직류 전력을 공급하는 전원 공급부와 상기 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 변환부 및 상기 변환부에서 변환된 교류 전력 중 조화 주파수 성분에 대한 전력의 소모를 방지하는 전력 소모 방지부를 포함하는 전력 공급 장치 및 상기 변환된 교류 전력을 송신하기 위하여 외부 코일과 자기적으로 상호 결합된 송신 코일부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 송신 코일부는 전자기 유도에 의해 상기 외부 코일로 전력을 전송하는 것을 특징으로 한다.
상기 송신 코일부는 상기 전력 공급 장치로부터 교류 전력을 수신하여 자기장을 발생하는 송신 유도 코일부 및 상기 송신 유도 코일로부터 수신한 전력을 자기적으로 상호 결합된 상기 외부 코일로 공진을 이용해 전송하는 송신 공진 코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 무선전력 송신장치에 전력을 공급하는 전력 공급 장치의 전력 공급 방법은 직류 전력을 공급하는 단계와 상기 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 단계 및 상기 변환된 교류 전력의 조화 주파수 성분에 대한 입력 임피던스를 증가시켜 상기 조화 주파수 성분에 대한 전력의 크기를 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 조화 주파수 성분에 대한 입력 임피던스 크기를 조절하는 단계는 상기 조화 주파수 성분에 대한 전력 소모를 방지하기 위해 상기 입력 임피던스 크기를 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 입력 임피던스는 상기 전력 공급 장치에서 상기 무선전력 송신장치를 바라본 임피던스인 것을 특징으로 한다.
상기 무선전력 송신장치는 상기 변환된 교류 전력을 외부 코일과 자기적으로 상호 결합된 송신 코일부를 포함하고, 상기 입력 임피던스 크기를 증가시키는 단계는 상기 송신 코일부에 연결된 인덕터를 통해 상기 입력 임피던스 크기를 증가시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 무선전력 전송 시스템에 전력 소모 방지부의 구성을 두어 직류전력을 교류전력으로 변환할 시 발생하는 전력 손실을 줄여 전력 전송 효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 전력 공급 장치에서 무선전력 송신장치로 전달하는 교류 전력 중 조화 주파수 성분의 전력을 감소시켜 전력 전송 효율을 높일 수 있는 방법의 제공을 목적으로 한다.
한편 그 외의 다양한 효과는 후술될 본 발명의 실시 예에 따른 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 공급 장치(100)의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력 공급 장치(100)에서 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(10)의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(10)의 주파수에 따른 전력전송 효율의 변화를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(10)의 주파수에 따른 입력 임피던스의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(20)의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(20)의 주파수에 따른 전력전송 효율의 변화를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(20)의 주파수에 따른 입력 임피던스의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선전력 전송 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
또한, 전원 또는 전력은 전압 또는 전류에 비례하므로, 전원, 전력, 전압 및 전류는 모두 같은 개념을 가정하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 공급 장치(100)의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 전력 공급 장치(100)는 전원 공급부(110), 발진기(120), 직류 직류 변환기(130), 변환부(140), 전력 소모 방지부(150)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 무선전력 송신장치(100)가 자기 공진을 이용하여 무선전력 수신장치(200)에 전력을 전송하는 경우라면, 무선전력 송신장치(100)는 송신 유도 코일부(111) 및 송신 공진 코일부(112)를 포함하지만, 전자기 유도를 이용하여 무선전력 수신장치(300)에 전력을 전송하는 경우라면, 무선전력 송신장치(200)는 송신 공진 코일부(112)을 포함하지 않는다.
전원 공급부(110)는 전력 공급 장치(100)의 각 구성요소에 직류전원을 공급할 수 있다.
발진기(Oscillator)(120)는 소정의 주파수를 갖는 교류전력 신호를 생성하여 변환부(160)에 전달할 수 있다.
특히, 발진기(Oscillator)(120)는 후술할 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 공진주파수를 갖는 교류전력 신호를 생성하여 변환부(140)에 전달할 수 있다.
직류 직류 변환기(DC-DC converter)(130)는 전원 공급부(110)로부터 공급받은 직류전압을 이용하여 소정의 전압 값을 갖는 직류전압으로 변환하여 출력할 수 있다.
직류 직류 변환기(DC-DC converter)(130)는 전원 공급부(110)에서 출력된 직류전압을 교류전압으로 변환한 다음, 변환된 교류전압을 승압 또는 강압하고 정류하여 소정의 전압 값을 갖는 직류전압을 출력할 수 있다.
직류-직류 변환기(DC-DC converter)(130)로 스위칭 레귤레이터(Switching regulator) 또는 리니어 레귤레이터(Linear regulator)가 사용될 수 있다.
리니어 레귤레이터(Linear regulator)는 입력전압을 받아 필요한 만큼 출력전압을 내보내고, 나머지 전압은 열로 방출하는 변환기이다.
스위칭 레귤레이터(Switching regulator)는 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation)를 이용하여 출력전압을 조절할 수 있는 변환기이다.
변환부(140)는 발진기(120)로부터 전달받은 교류전력 신호를 이용하여 직류 직류 변환기(130)로부터 전달받은 직류전력을 교류전력으로 변환할 수 있다.
변환부(140)는 푸쉬 풀 타입(push-pull type)의 듀얼 모스펫(Dual MOSFET)을 포함할 수 있다.
변환부(140)가 푸쉬 풀 타입(push-pull type)의 듀얼 모스펫(Dual MOSFET)을 포함하는 경우, 변환부(140)는 제1 모스펫(MOSFET)(141), 제2 모스펫(MOSFET)(143), 드라이버(145)를 포함할 수 있다.
드라이버(145)는 발진기(120)로부터 소정의 주파수를 갖는 교류전력 신호를 전달받는다. 일 실시 예에서 교류전력 신호는 구형파(rectangular) 형태일 수 있다.
드라이버(145)는 발진기(120)로부터 전달받은 교류전력 신호를 증폭하여 제1 모스펫(141) 및 제2 모스펫(143)에 전달할 수 있는 증폭 버퍼(미도시)를 더 포함할 수 있다.
드라이버(145)는 제1 모스펫(141) 및 제2 모스펫(143)에 크기는 같고, 위상은 반대인 교류전력을 인가할 수 있다. 위상이 반대인 교류전력이 인가됨에 따라 제1 모스펫(141)이 온(ON) 상태가 되면, 제2 모스펫(143)은 오프(OFF) 상태가 되고, 제1 모스펫(141)이 오프(OFF) 상태가 되면, 제2 모스펫(143)은 온(ON) 상태가 된다.
제1 모스펫(141)이 온(ON) 상태, 제2 모스펫(143)은 오프(OFF) 상태가 되면, 무선전력 송신장치(200)로 교류전류가 흐르게 되고, 반대로 제1 모스펫(161)이 오프(OFF) 상태, 제2 모스펫(163)은 온(ON) 상태가 되면, 무선전력 송신장치(200)에서 그라운드 방향으로 교류전류가 흐르게 된다.
위와 같이 제1 모스펫(141), 제2 모스펫(143) 및 드라이버(145) 사이를 교류전류가 밀고, 당기는 것처럼 흘러 변환부(140)는 푸쉬 풀 타입(push pull type)구조를 갖는 것으로 설명될 수 있다.
무선전력 송신장치(200)로 인가되는 구형파 형태의 교류전력은 기본 주파수(Fundamental Frequency) 성분 및 조화 주파수(Harmonic Frequency) 성분을 포함할 수 있다.
기본 주파수(Fundamental Frequency) 성분은 무선전력 송신장치(200)로 인가되는 구형파 형태의 교류전력의 주파수 성분 중 기본파의 주파수 성분을 의미한다. 보통, 일그러짐이 없는 파를 의미한다.
조화 주파수(Harmonic Frequency) 성분은 기본 주파수(Fundamental Frequency)의 정수배인 주파수를 의미한다.
일 실시 예에서 기본 주파수는 300kHz일 수 있으나, 이는 예시에 불과하다.
기본 주파수가 300kHz인 경우, 조화 주파수는 300kHz의 정수배인 600kHz, 900kHz, 1200kHz, 1500kHz, 1800kHz, 2100kHz가 된다.
전력 전송에서 실제 전달되는 교류전력은 기본 주파수 성분이고, 조화 주파수 성분은 불필요한 성분이다. 따라서, 전력 전송 효율 측면에서 조화 주파수 성분은 전력 손실을 일으키는 한 요인으로 작용할 수 있다.
전력 소모 방지부(150)는 변환부(140)에서 변환된 교류 전력 중 조화 주파수(Harmonic Frequency) 성분에 대한 입력 임피던스의 크기를 증가시켜 조화 주파수 성분에 대한 전력의 크기를 감소시킬 수 있다.
조화 주파수(Harmonic Frequency) 성분에 대한 입력 임피던스의 크기가 증가되면, 조화 주파수(Harmonic Frequency) 성분이 소모하는 전력의 크기가 줄어들게 된다. 왜냐하면, 전력은 입력 임피던스의 크기에 반비례하기 때문이다.
전력 소모 방지부(150)는 변환부(140)에서 변환된 교류 전력 중 조화(harmonic) 주파수 성분에 대한 입력 임피던스를 증가시켜 조화(harmonic) 주파수 성분으로 인해 발생하는 불필요한 전력이 무선전력 송신장치(200)에 전달되는 것을 방지하여 불필요한 전력 소모를 방지할 수 있다.
전력 소모 방지부(150)로 인해 무선전력 전송 시스템의 입력 임피던스가 증가됨은 도 5에서 상세히 설명한다.
일 실시 예에서 전력 소모 방지부(150)는 인덕터로 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 전력 공급 장치(100)에서 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(10)의 구성도이다.
도 2는 특히, 전력 소모 방지부(150)를 포함하지 않은 전력 공급 장치(100)를 이용한 무선전력 전송 시스템(10)의 구성도이다.
도 2를 참고하면, 무선전력 전송 시스템(10)은 전력 공급 장치(100), 무선전력 송신장치(200), 무선전력 수신장치(300), 부하(400)을 포함할 수 있다.
전력 공급 장치(100)는 무선전력 송신장치(200)에 교류 전력을 공급하고, 무선전력 송신장치(200)는 자기 공진을 이용해 무선전력 송신장치(200)와 공진을 이루는 무선전력 수신장치(300)로 전력을 전송한다.
무선전력 송신장치(200)는 자기적으로 상호 결합된 코일간에 일어나는 공진을 이용해 무선전력 수신장치(300)에 전력 전송을 수행할 수 있다.
무선전력 수신장치(300)로 전송된 전력은 부하(400)로 전달된다. 부하(400)는 충전지 또는 기타 전력을 필요로 하는 임의의 장치를 의미할 수 있고, 본 발명의 실시 예에서는 부하(400)의 부하저항을 RL로 나타낸다. 일 실시 예에서 부하(400)는 무선전력 수신장치(300)에 포함될 수도 있다.
전력 공급 장치(100)는 전원 공급부(110), 발진기(120), 직류 직류 변환기(130), 변환부(140)를 포함할 수 있고, 이에 대한 자세한 설명은 도 1에서 설명한 것과 동일하다.
무선전력 송신장치(200)는 송신 코일부(210), 검출부(220)를 포함할 수 있다.
송신 코일부(210)는 전력 공급 장치(100)로부터 공급받은 교류 전력을 무선전력 수신장치(300)에 무선으로 전송한다.
송신 코일부(210)는 송신 유도 코일부(211), 송신 공진 코일부(212)를 포함할 수 있다.
송신 유도 코일부(211)는 전력 공급 장치(100)와 연결되며, 전력 공급 장치(100)로부터 제공받은 교류전력에 의해 교류 전류가 흐르게 된다. 송신 유도 코일부(211)에 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격되어 있는 송신 공진 코일부(212)에도 교류 전류가 유도되어 흐르게 된다. 송신 공진 코일부(212)로 전달된 전력은 자기 공진에 의해 무선전력 송신장치(200)와 공진 회로를 이루는 무선전력 수신장치(300)로 전달된다.
임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로 사이는 자기 공진에 의해 전력이 전송될 수 있다. 이와 같은 자기 공진에 의한 전력 전송은 전자기 유도에 의한 전력 전송보다 더 먼 거리까지 더 높은 효율로 전력 전달이 가능하게 한다.
송신 유도 코일부(211)는 송신 유도 코일(L1)과 캐패시터(C1)를 포함할 수 있다. 여기서, 캐패시터(C1)의 캐패시턴스는 공진주파수 w에서 공진하도록 조절된 값이다.
캐패시터(C1)의 일단은 전력 공급 장치(100)의 일단에 연결되고, 캐패시터(C1)의 타단은 송신 유도 코일(L1)의 일단에 연결된다. 송신 유도 코일(L1)의 타단은 전력 공급 장치(100)의 타단에 연결된다.
송신 공진 코일부(212)는 송신 공진 코일(L2), 캐패시터(C2), 저항(R2)을 포함한다. 송신 공진 코일(L2)은 캐패시터(C2)의 일단에 연결된 일단과 저항(R2)의 일단에 연결된 타단을 포함한다. 저항(R2)의 타단은 캐패시터(C2)의 타단에 연결된다. R2는 송신 공진 코일(L2)에서 전력손실로 발생하는 양을 저항으로 나타낸 것이다. 캐패시터(C2)의 캐패시턴스는 공진주파수 w에서 공진하도록 조절된 값이다.
검출부(220)는 제1 입력 임피던스(Z1)를 검출할 수 있다. 일 실시 예에서 제1 입력 임피던스(Z1)는 전력 공급 장치(100)에서 송신 코일부(210) 측을 바라본 임피던스를 의미할 수 있다.
무선전력 수신장치(300)는 수신 코일부(310), 정류부(320)를 포함할 수 있다.
무선전력 수신장치(300)는 휴대폰, 마우스, 노트북, MP3 플레이어 등과 같은 전자기기에 내장될 수 있다.
수신 코일부(310)는 수신 공진 코일부(311)와 수신 유도 코일부(312)를 포함할 수 있다.
수신 공진 코일부(311)는 수신 공진 코일(L3), 캐패시터(C3), 저항(R3)을 포함한다. 수신 공진 코일(L3)은 캐패시터(C3)의 일단에 연결된 일단과 저항(R3)의 일단에 연결된 타단을 포함한다. 저항(R3)의 타단은 캐패시터(C2)의 타단에 연결된다. 저항(R3)는 수신 공진 코일(L3)에서 전력손실로 발생하는 량을 저항으로 나타낸 것이다. 캐패시터(C3)의 캐패시턴스는 공진주파수 w에서 공진하도록 조절된 값이다.
수신 유도 코일부(312)는 수신 유도 코일(L4) 및 캐패시터(C4)를 포함할 수 있다. 수신 유도 코일(L4)의 일단은 캐패시터(C4)의 일단에 연결되고, 수신 유도 코일(L4)의 타단은 정류부(320)의 타단에 연결된다. 캐패시터(C4)의 타단은 정류뷰(320)의 일단에 연결된다. 캐패시터(C4)의 캐패시턴스는 공진주파수 w에서 공진하도록 조절된 값이다.
수신 공진 코일부(311)는 송신 공진 코일부(212)와 공진주파수에서 자기 공진 상태를 유지한다. 즉, 수신 공진 코일부(311)는 송신 공진 코일부(212)와 커플링(coupling)되어 교류전류가 흐르게 되고, 이에 따라 비방사(Non-Radiative) 방식으로 무선전력 송신장치(200)로부터 전력을 수신할 수 있다.
수신 유도 코일부(312)는 수신 공진 코일부(311)로부터 전자기 유도에 의해 전력을 수신하고, 수신된 전력은 정류부(320)를 통해 정류되어 부하(400)로 전달된다.
정류부(320)는 수신 유도 코일부(312)로부터 교류전력을 전달받고, 전달받은 교류전력을 직류전력으로 변환시켜 부하(400)로 전달할 수 있다.
정류부(320)는 정류회로(미도시)와 평활회로(미도시)를 포함할 수 있다.
정류회로는 다이오드와 캐패시터로 구성될 수 있으며, 수신 유도 코일부(312)로부터 전달받은 교류전력을 직류전력으로 변환할 수 있다.
평활 회로는 변환된 직류전력의 출력 파형을 매끄럽게 하는 역할을 한다. 평활회로는 캐패시터로 구성될 수 있다.
부하(400)는 직류 전력을 필요로 하는 임의의 충전지 또는 장치일 수 있다. 예를 들어, 부하(400)는 배터리를 의미할 수 있다.
일 실시 예에서 부하(400)는 무선전력 수신장치(300)에 포함될 수도 있다.
다음으로 도 3 내지 도 4에서 도 2에서 설명한 본 발명의 제1 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(10)의 주파수에 따른 전력전송 효율 및 입력 임피던스 변화를 설명한다.
기본 주파수는 300kHz이고, 조화 주파수는 300kHz의 정수배인 600kHz, 900kHz, 1200kHz, 1500kHz, 1800kHz, 2100kHz이다.
또한, 기본 주파수는 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 자기 공진을 위한 공진 주파수를 의미할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(10)의 주파수에 따른 전력전송 효율의 변화를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(10)의 주파수에 따른 입력 임피던스의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참고하면, 가로축은 주파수(단위: kHz)이고, 세로축은 전력전송 효율을 의미한다. 여기서, 전력전송 효율은 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 전력 전송 효율을 의미할 수 있다. 즉, 전력전송 효율은 무선전력 송신장치(200)에서 송신한 전력 대비 무선전력 수신장치(300)가 수신한 전력의 비율을 의미할 수 있다.
도 4를 참고하면, 가로축은 주파수(단위: kHz)이고, 세로축은 입력 임피던스를 의미한다. 여기서, 입력 임피던스는 전력 공급 장치(100)에서 무선전력 송신장치(200)를 바라보았을 때, 측정되는 임피던스를 의미한다. 검출부(220)는 상기 입력 임피던스를 검출할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 기본 주파수인 300kHz에서는 조화 주파수(600kHz, 900kHz, 1200kHz, 1500kHz, 1800kHz, 2100kHz)에 비해 전력전송 효율이 높고, 입력 임피던스의 크기도 큼을 확인할 수 있다.
조화 주파수(600kHz, 900kHz, 1200kHz, 1500kHz, 1800kHz, 2100kHz)에서 전력전송 효율이 낮다는 것은 조화 주파수 성분에 대응하는 전력이 무선전력 송신장치(200)측으로 전달되지 못함을 의미한다.
또한, 조화 주파수(600kHz, 900kHz, 1200kHz, 1500kHz, 1800kHz, 2100kHz)에서 입력 임피던스의 크기가 작다는 것은 [수학식 2]에서 볼 수 있듯, 조화 주파수 성분에 대응하는 전력이 커지게 되어, 불필요한 전력 소모가 발생됨을 의미한다.
도 5는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(20)의 구성도이다.
도 5는 특히, 전력 소모 방지부(150)를 포함한 전력 공급 장치(100)를 이용한 무선전력 전송 시스템(20)의 구성도이다.
도 5를 참고하면, 무선전력 전송 시스템(20)은 전력 공급 장치(100), 무선전력 송신장치(200), 무선전력 수신장치(300), 부하(400)을 포함할 수 있다.
도 5에서 전력 공급 장치(100)는 변환부(140) 및 전력 소모 방지부(150)만을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 전력 공급 장치(100)에 대한 설명은 도 1에서 설명한 것과 동일한 구성을 포함할 수 있다.
또한, 무선전력 송신장치(200), 무선전력 수신장치(300), 부하(400)에 대한 설명은 도 2에서 설명한 것과 동일하다. 일 실시 예에서 전력 공급 장치(100)는 무선전력 송신장치(200)에 포함될 수 있다.
전력 소모 방지부(150)는 변환부(140)에서 변환된 교류 전력 중 조화 주파수(Harmonic Frequency) 성분에 대한 입력 임피던스의 크기를 증가시켜 조화 주파수 성분에 대한 전력의 크기를 감소시킬 수 있다. 조화 주파수(Harmonic Frequency) 성분에 대한 입력 임피던스의 크기가 증가되면, 조화 주파수(Harmonic Frequency) 성분이 소모하는 전력의 크기가 줄어들게 된다. 왜냐하면, 전력은 입력 임피던스의 크기에 반비례하기 때문이다.
전력 소모 방지부(150)는 변환부(140)에서 변환된 교류 전력 중 조화(harmonic) 주파수 성분에 대한 입력 임피던스를 증가시켜 조화(harmonic) 주파수 성분으로 인해 발생하는 불필요한 전력이 무선전력 송신장치(200)에 전달되는 것을 방지하여 불필요한 전력 소모를 방지할 수 있다.
도 5에서는 전력 소모 방지부(150)로 인덕터(Lm)를 사용한 경우를 가정하여 설명한다.
인덕터(Lm)는 송신 유도 코일부(211)에 직렬 연결될 수 있다.
전력 공급 장치(100)의 변환부(140)는 교류 전력을 출력하는데, 출력되는 교류 전력에는 기본 주파수 성분과 조화 주파수 성분이 포함되어 있다.
인덕터(Lm)는 조화 주파수 성분에 해당하는 전력이 송신 코일부(210)에 전달되는 것을 방지할 수 있다. 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 전력 전송 과정에서 전송되는 전력은 기본 주파수 성분에 해당하는 전력이고, 조화 주파수 성분에 해당하는 전력은 전송되지 않는 불필요한 성분의 전력이다.
따라서, 인덕터(Lm)는 조화 주파수 성분에 해당하는 전력이 송신 코일부(210)로 전달되는 것을 방지하여, 무선전력 전송 시스템(20)의 전체 전력 전송 효율을 증가시킬 수 있다.
인덕터(Lm)는 조화 주파수 성분에 대한 입력 임피던스를 증가시켜 조화 주파수 성분에 대응하는 전력을 감소시킬 수 있다. 즉, 인덕터(Lm)는 조화 주파수 성분에 대응하는 전력을 감소시켜 전력 공급 장치(100)과 무선전력 송신장치(200)간 전력 전송 효율을 증가시킬 수 있고, 이로 인해, 전체 무선전력 전송 시스템(20)의 전력 전송 효율을 증가시킬 수 있다.
이하에서는, 인덕터(Lm)의 추가로 인해 조화 주파수 성분에 대한 입력 임피던스를 측정하는 방법에 대해 설명한다. 입력 임피던스는 제1 입력 임피던스(Z1)와 동일하다.
후술할 제3 입력 임피던스(Z3) 및 제2 입력 임피던스(Z2)는 무선전력 수신장치(300)에 검출부(미도시)을 더 두어 검출될 수 있고, 무선전력 송신장치(200)의 검출부(220)에 의해 검출될 수도 있다.
제3 입력 임피던스(Z3)는 수신 공진 코일부(311)에서 부하(400)를 바라보았을 때 측정되는 임피던스를 의미할 수 있고, [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, w는 송신 공진 코일(L2)와 수신 공진 코일(L3)이 공진할 때의 공진주파수이고, M3는 수신 공진 코일(L3)와 수신 유도 코일(L4)간 상호 인덕턴스를 의미한다. 또한, ZL은 출력 임피던스를 의미한다.
[수학식 1]은 주파수 영역을 기준으로 한 수식이고, 이하의 수식들도 주파수 영역을 기준으로 하여 표현하기로 한다.
제2 입력 임피던스(Z2)는 무선전력 송신장치(200)에서 무선전력 수신장치(300)를 바라보았을 때 측정되는 임피던스를 의미하고, [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, M2는 송신 공진 코일(L2)와 수신 공진 코일(L3)간의 상호 인덕턴스를 의미하고, C3는 수신 공진 코일부(311)를 등가회로로 변환시 표현되는 캐패시터를 의미한다. 또한, R3는 수신 공진 코일(L3)에서 전력손실로 발생하는 량을 저항으로 나타낸 것이다.
캐패시터(C3), 누설저항(R3)은 고정된 값이나, 상호 인덕턴스 M2는 송신 공진 코일(L2)와 수신 공진 코일(L3)간의 결합계수(K2)에 따라 변화될 수 있는 값이다.
결합계수(K2)는 송신 공진 코일(L2)와 수신 공진 코일(L3)간의 전자기적 결합의 정도를 표시하는 것으로, 무선전력 전송 시스템(1000)의 무선전력 송신장치(200) 및 무선전력 수신장치(300) 간의 거리, 방향, 위치 중 적어도 어느 하나에 의해 달라질 수 있는 값이다.
제1 입력 임피던스(Z1)는 전력소스(100)에서 무선전력 송신장치(200) 측을 바라보았을 때 측정되는 임피던스를 의미하고, [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
여기서, M1은 송신 유도 코일(L1)과 송신 공진 코일(L2)간 상호 인덕턴스를 의미한다.
검출부(220)는 제1 입력 임피던스(Z1)를 측정할 수 있다. 즉, 제1 입력 임피던스(Z1)는 제3 입력 임피던스(Z3)을 [수학식 2]에 대입한 후, 그 결과에 따른 제2 입력 임피던스(Z2)를 [수학식 3]에 대입하여 검출될 수 있다.
만약, 도 2의 경우처럼, 인덕터(Lm)를 포함하지 않는 경우, 제1 입력 임피던스(Z1)는 [수학식 3]에서 jwLm 성분이 제거되어야 한다.
또한, 기본 주파수(공진 주파수)가 w1이고, 수신 공진 코일(L3)과 캐패시터(C3) 및 수신 유도 코일(L4)과 캐패시터(C4)가 공진 주파수 w1에서 공진하도록 값을 정하면, 기본 주파수는 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00004
각 조화 주파수는 다음의 [수학식 5] 내지 [수학식 7]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]는 기본 주파수의 2배인 조화 주파수를 나타낸 것이다.
[수학식 5]
Figure pat00005
[수학식 6]은 기본 주파수의 3배인 조화 주파수를 나타낸 것이다.
[수학식 6]
Figure pat00006
[수학식 7]은 기본 주파수의 4배인 조화 주파수를 나타낸 것이다.
[수학식 7]
Figure pat00007

각 조화 주파수 성분에 대한 입력 임피던스는 [수학식 3]의 w대신 [수학식 5] 내지 [수학식 7]의 w2, w3, w4를 대입하여 얻어질 수 있다.
다음으로 도 6 내지 도 7에서 도 5에서 설명한 본 발명의 제2 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(20)의 주파수에 따른 전력전송 효율 및 입력 임피던스 변화를 설명한다.
기본 주파수는 300kHz이고, 조화 주파수는 300kHz의 정수배인 600kHz, 900kHz, 1200kHz, 1500kHz, 1800kHz, 2100kHz이다.
또한, 기본 주파수는 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 자기 공진을 위한 공진 주파수를 의미할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(20)의 주파수에 따른 전력전송 효율의 변화를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 자기 공진형 무선전력 전송 시스템(20)의 주파수에 따른 입력 임피던스의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참고하면, 가로축은 주파수(단위: kHz)이고, 세로축은 전력전송 효율을 의미한다. 여기서, 전력전송 효율은 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 전력 전송 효율을 의미할 수 있다. 즉, 전력전송 효율은 무선전력 송신장치(200)에서 송신한 전력 대비 무선전력 수신장치(300)가 수신한 전력의 비율을 의미할 수 있다.
도 7을 참고하면, 가로축은 주파수(단위: kHz)이고, 세로축은 입력 임피던스를 의미한다. 여기서, 입력 임피던스는 전력 공급 장치(100)에서 무선전력 송신장치(200)를 바라보았을 때, 측정되는 임피던스를 의미한다. 검출부(220)는 상기 입력 임피던스를 검출할 수 있다.
도 3와 도 6을 비교해 보면, 기본 주파수인 300kHz에서는 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 전력 전송 효율의 변화가 35%정도로 거의 차이가 없다.
도 4와 도 7을 비교해 보면, 기본 주파수인 300kHz에서 입력 임피던스의 크기가 0.5옴 정도 증가하였고, 조화 주파수인 600kHz에서 입력 임피던스의 크기가 3.5옴, 조화 주파수인 900kHz에서 입력 임피던스의 크기가 5.5옴, 조화 주파수인 1200kHz에서 입력 임피던스의 크기가 8옴, 조화 주파수인 1500kHz에서 입력 임피던스의 크기가 10옴, 조화 주파수인 1800kHz에서 입력 임피던스의 크기가 11.5옴, 조화 주파수인 2100kHz에서 입력 임피던스의 크기가 13옴이 증가되었음을 확인할 수 있다.
즉, 송신 유도 코일부(211)에 전력 소모 방지부(150)로 인덕터(Lm)를 연결한 경우, 무선전력 송신장치(200)와 무선전력 수신장치(300)간 전력 전송 효율은 거의 변화가 없지만, 조화 주파수에서의 입력 임피던스를 증가시켜 조화 주파수에 대응하는 전력이 소모되지 않게 된다.
따라서, 인덕터(Lm)의 연결을 통해 전력 공급 장치(100)와 무선전력 송신장치(200)간 전력 전달 효율이 개선되어 전체 무선전력 전송 시스템(20)의 전력 전송 효율도 증가될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 공급 장치의 전력 공급 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
전력 공급 장치(100)의 구성은 도 1에서 설명한 것과 동일하다.
도 8을 참고하면, 전원 공급부(110)는 전원 공급 장치(100)의 각 구성요소에 직류 전력을 공급한다(S101).
그 후, 직류 직류 변환기(130)는 전원 공급부(110)로부터 공급받은 직류 전력을 이용하여 소정의 직류 전압 값을 갖는 직류 전력으로 변환하여 출력한다. 직류 직류 변환기(DC-DC converter)(130)는 전원 공급부(110)에서 공급받은 직류전압을 교류전압으로 변환한 다음, 변환된 교류전압을 승압 또는 강압하고 정류하여 소정의 전압 값을 갖는 직류전압을 출력할 수 있다.
그 후, 변환부(140)는 직류 직류 변환기(130)로부터 전달받은 직류 전력을 교류 전력으로 변환할 수 있다(S103).
변환부(140)는 발진기(120)로부터 전달받은 교류전력 신호를 이용하여 직류 직류 변환기(130)로부터 전달받은 직류전력을 교류전력으로 변환할 수 있다.
변환부(140)는 푸쉬 풀 타입(push-pull type)의 듀얼 모스펫(Dual MOSFET)을 포함할 수 있다.
그 후, 전력 소모 방지부(150)는 변환된 교류 전력 중 조화 주파수 성분의 입력 임피던스 크기를 조절한다(S105). 즉, 전력 소모 방지부(150)는 변환부(140)에서 변환된 교류 전력 중 조화 주파수(Harmonic Frequency) 성분에 대한 입력 임피던스의 크기를 증가시켜 조화 주파수(Harmonic Frequency) 성분이 소모하는 전력의 크기를 감소시킬 수 있다.
이로 인해, 전력 소모 방지부(150)는 조화(harmonic) 주파수 성분으로 인해 발생하는 불필요한 전력이 무선전력 송신장치(200)에 전달되는 것을 방지하여 전력 소모를 방지할 수 있다.
그 후, 전력 소모 방지부(150)는 조화 주파수 성분의 전력이 감소된 상태의 교류 전력을 무선전력 송신장치(200)에 전달한다(S107).
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해 되어서는 안될 것이다.
10,20: 무선전력 전송 시스템
100: 전력 공급 장치
110: 전원 공급부
120: 발진기
130: 직류 직류 변환기
140: 변환부
150: 전력 소모 방지부
200: 무선전력 송신장치
210: 송신 코일부
220: 검출부
300: 무선전력 수신장치
310: 수신 코일부
320: 정류부
400: 부하

Claims (14)

  1. 무선전력 송신장치의 전력 공급 장치로서,
    직류 전력을 공급하는 전원 공급부;
    상기 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 변환부; 및
    상기 변환부에서 변환된 교류 전력 중 조화 주파수 성분에 대한 입력 임피던스를 증가시켜 상기 조화 주파수 성분에 대한 전력의 크기를 감소시키는 전력 소모 방지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입력 임피던스는,
    상기 전력 소모 방지부에서 상기 무선전력 송신장치를 바라본 임피던스인 것을 특징으로 하는 전력 공급 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 소모 방지부는,
    인덕터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 변환부는
    상기 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 제1 모스펫 및 제2 모스펫;
    상기 제1 모스펫 및 상기 제2 모스펫에 크기는 같고, 위상은 반대인 교류전력 신호를 인가하는 드라이버를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인가된 교류전력 신호에 의해 상기 제1 모스펫 및 상기 제2 모스펫 중 하나는 온 상태가 되고, 다른 하나는 오프 상태가 되는 것을 특징으로 하는 전력 공급 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 변환부는,
    푸쉬 풀 타입(push-pull type)의 듀얼 모스펫(Dual MOSFET)을 이용하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    소정의 주파수를 갖는 교류전력 신호를 상기 드라이버에 인가하는 발진기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 공급 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급부로부터 공급받은 직류전력을 소정의 직류전력으로 변환하고, 상기 변환된 직류전력을 상기 전류 변화량 조절부에 전달하는 직류 직류 변환기를 더 포함하는 전력 공급 장치.
  9. 제1항에 기재된 전력 공급 장치; 및
    상기 변환된 교류 전력을 송신하기 위하여 외부 코일과 자기적으로 상호 결합된 송신 코일부를 포함하는 무선전력 송신장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 송신 코일부는,
    전자기 유도에 의해 상기 외부 코일로 전력을 전송하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 송신 코일부는,
    상기 전력 공급 장치로부터 교류 전력을 수신하여 자기장을 발생하는 송신 유도 코일부; 및
    상기 송신 유도 코일로부터 수신한 전력을 자기적으로 상호 결합된 상기 외부 코일로 공진을 이용해 전송하는 송신 공진 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선전력 송신장치.
  12. 무선전력 송신장치에 전력을 공급하는 전력 공급 장치의 전력 공급 방법에 있어서,
    직류 전력을 공급하는 단계;
    상기 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 단계; 및
    상기 변환된 교류 전력의 조화 주파수 성분에 대한 입력 임피던스를 증가시켜 상기 조화 주파수 성분에 대한 전력의 크기를 감소시키는 단계를 포함하는 전력 공급 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 입력 임피던스는,
    상기 전력 공급 장치에서 상기 무선전력 송신장치를 바라본 임피던스인 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 무선전력 송신장치는,
    상기 변환된 교류 전력을 외부 코일과 자기적으로 상호 결합된 송신 코일부를 포함하고,
    상기 입력 임피던스 크기를 증가시키는 단계는,
    상기 송신 코일부에 연결된 인덕터를 통해 상기 입력 임피던스 크기를 증가시키는 것을 특징으로 하는 전력 공급 방법.
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