KR20140053282A - 튜닝 가능한 무선 전력 아키텍처 - Google Patents

Abstract

본 명세서에는 무선 전력 전달을 위한 향상된 구성이 설명되어 있다. 디바이스에 있는 부하에 전달되는 전력을 제어하기 위해 무선 에너지 전달 시스템의 콤포넌트의 파라미터를 조정한다. 디바이스의 정류기에서 실질적으로 50％ 듀티 사이클을 유지하기 위해 소스 증폭기의 전력 출력을 제어한다.

Description

튜닝 가능한 무선 전력 아키텍처{TUNABLE WIRELESS POWER ARCHITECTURES}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2011년 8월 4일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/515,324의 이점을 청구한다.

발명의 분아

본 발명은 무선 에너지 전달, 이러한 무선 에너지 전달을 달성하기 위한 방법, 시스템 및 장치와 어플리케이션에 관한 것이다.

에너지 또는 전력은 예컨대 2010년 5월 6일자로 미국 특허 공개 번호 2010/010909445로 공개된 "Wireless Energy Transfer Systems"를 발명의 명칭으로 하는 공동 소유의 미국 특허 출원 번호 12/613,686, 2010년 12월 9일자로 미국 특허 공개 번호 2010/0308939로 공개된 "Integrated Resonator-Shield Structures"를 발명의 명칭으로 하는 미국 특허 출원 번호 12/860,375, 2012년 3월 5일자로 미국 특허 공개 번호 2012/0062345로 공개된 "Low Resistance Electrical Conductor"를 발명의 명칭으로 하는 미국 특허 출원 번호 13/222,915, 및 "Multi-Resonator Wireless Energy Transfer for Lighting"를 발명의 명칭으로 하는 미국 특허 출원 번호 13/283,811에 상세하게 설명된 바와 같이 다양한 공지의 방사성(radiative) 또는 원거리장(far-field) 및 비방사성 또는 근거리장(near-field) 기술을 이용하여 무선으로 전달될 수 있으며, 이들 공개 특허 및 특허 출원은 그 전체 내용이 참조에 의해 본 명세서에 원용된다. 종래 기술의 무선 에너지 전달 시스템은 사용자 안정성, 낮은 에너지 전달 효율, 및 에너지 공급 및 싱크 부품(energy supply and sink component)에 대한 제한적인 물리적 근접/정렬 공차에 걸친 문제점들을 포함한 다양한 요인에 의해 제한되어 왔다.

무선 에너지 전달에 있어서의 한 가지 특별한 도전은 제어된 전력을 부하에 전달하기 위한 공진기 구조체 및 전력원의 제어 및 튜닝이다. 무선 에너지 전달 시스템에서, 소스 및 디바이스는 이동하거나 위치를 변경할 수 있다. 시스템 요소의 상대적인 위치설정이 변경됨에 따라, 무선 에너지 전달의 특성이 변경된다. 소스와 디바이스 간의 커플링이 변경되어 예컨대 에너지 전달의 효율을 감소시킬 수도 있다. 무선 에너지 전달 특성에서의 변화는 부하에 전달되는 전력을 변화시키거나 또는 디바이스에 있는 부하에 전달되는 전력에서의 원하지 않은 변동(fluctuation)을 야기할 수도 있다.

시스템 부품의 위치설정, 커플링, 지향방향(orientation) 등에서의 변화에도 불구하고 디바이스에 있는 부하에 대한 효율적이고 일정한 에너지 전달을 유지하기 위해 튜닝 가능한 부품을 갖는 조정 가능한 무선 에너지 전달 시스템을 위한 방법 및 설계의 필요성이 존재한다.

여러 실시예에서 다양한 시스템 및 프로세스는 결합된 공진기를 이용하여 무선 에너지 전달을 제공한다. 몇몇 실시예에서, 무선 에너지 전달 시스템은 무선 에너지의 소스 및 싱크(sink)를 검증(verify)하고 인증하는 성능을 요구하거나 이러한 성능으로부터 이점을 취할 수 있다. 이러한 실시예의 특징부는 전반적인 것이며, 본 명세서 논의된 구체적인 예에 상관없이 넓은 범위의 공진기에 적용될 수 있다.

실시예에서, 자기 공진기(magnetic resonator)는 인덕터와 커패시터의 몇몇 조합을 포함할 수 있다. 커패시터, 인덕터, 저항기, 스위치 등과 같은 추가의 회로 요소가 자기 공진기와 전력원 사이 및/또는 자기 공진기와 전력 부하 사이에 삽입될 수 있다. 본 발명에서, 공진기의 하이-Q 유도성 루프를 포함하는 전도 코일은 인덕터 및/또는 유도성 부하로서 지칭될 수 있다. 유도성 부하는 다른 시스템 또는 관계없는 물체(extraneous object)에 무선으로 결합(상호 인덕턴스를 통해)될 때에는 인덕터로도 지칭할 수 있다. 본 발명에서, 유도성 부하가 아닌 회로 요소는 임피던스 정합 네트워크 또는 IMN의 일부인 것으로 지칭될 수 있다. 임피던스 정합 네트워크의 일부인 것으로 지칭되는 요소의 전부 또는 몇몇이 자기 공진기의 일부가 될 수 있거나, 임피던스 정합 네트워크의 일부인 것으로 지칭되는 요소의 어느 것도 자기 공진기의 일부가 되지 않아도 된다는 것을 이해할 것이다. 어느 요소가 공진기의 일부이고, 어느 요소가 공진기와는 별개의 것인지는 특정한 자기 공진기 및 무선 에너지 전달 시스템 설계에 좌우될 것이다.

그와 다른 것으로 나타내지 않는다면, 본 발명은 무선 에너지 전달, 무선 전력 전달, 무선 전력 전송 등의 표현을 동일한 의미로서 서로 바꾸어 사용한다. 당해 기술에 익숙한 사람이라면 본 명세서에 설명되는 넓은 범위의 무선 시스템 설계 및 기능에 의해 다양한 시스템 아키텍처가 지원될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 명세서에 설명되는 무선 에너지 전달 시스템에서, 전력은 적어도 2개의 공진기 간에 무선으로 교환될 수 있다. 공진기는 에너지를 공급, 수신, 보유, 전달 및 분배할 수 있다. 무선 전력의 소스는 소스 또는 공급부로서 지칭될 수 있으며, 무선 전력의 수신부는 디바이스, 수신기 및 전력 부하로서 지칭될 수 있다. 공진기는 동시에 소스, 디바이스, 또는 소스와 디바이스 둘 모두이어도 되거나, 제어된 방식으로 하나의 기능의 것으로부터 다른 기능의 것으로 바뀔 수도 있다. 전력 공급부 또는 전력 드레인(power drain)에 대한 유선 접속을 갖지 않는 에너지를 보유 또는 분배하도록 구성된 공진기는 리피터(repeater)로 지칭될 수 있다.

본 발명의 무선 에너지 전달 시스템의 공진기는 또한 공진기 자체의 크기에 비하여 큰 거리에 걸쳐 전력을 전달할 수 있다. 즉, 공진기 크기가 공진기 구조체를 둘러쌀 수 있는 가장 작은 구(sphere)의 반경에 의해 정해진다면, 본 발명의 무선 에너지 전달 시스템은 공진기의 특징적 크기(characteristic size of a resonator)보다 큰 거리에 걸쳐 전력을 전달할 수 있다. 시스템은, 공진기가 상이한 특징적 크기를 갖는 경우, 및 공진기의 유도성 요소가 상이한 크기 및 상이한 형상을 갖고 상이한 재료로 구성되는 등의 경우에, 공진기들 간에 에너지를 교환할 수 있다.

본 발명의 무선 에너지 전달 시스템은 결합 영역, 에너지가 공급되는 영역 또는 체적을 갖는 것으로서 설명될 수 있으며, 그 모두는, 서로 떨어져 있는 공진성 물체들 간에 에너지가 전달될 수 있고, 이들이 서로에 대해 가변 거리를 가질 수 있으며, 서로에 관련하여 이동할 수 있는 것으로 설명된다. 몇몇 실시예에서, 에너지가 전달될 수 있는 영역 또는 체적은 액티브 필드 영역 또는 체적으로서 지칭된다. 이에 부가하여, 무선 에너지 전달 시스템은 2개보다 많은 공진기를 포함할 수 있으며, 이들 공진기의 각각은 전력원, 전력 부하, 또는 전력원과 전력 부하 둘 모두에 결합될 수도 있고 또는 이들의 어느 것에도 결합되지 않을 수도 있다.

무선 방식으로 공급된 에너지는 전기 또는 전자 장비에 전력을 공급하거나, 배터리를 재충전하거나, 또는 에너지 저장 유닛을 충전하기 위해 이용될 수 있다. 복수의 디바이스가 동시에 충전 또는 전력공급될 수 있거나, 복수의 디바이스에 대한 전력 전달이 직렬로 이루어지도록 하여, 하나 이상의 디바이스가 일정 기간의 시간 동안 전력을 수신하고, 그 후 전력 전달이 다른 디바이스에게로 스위칭될 수 있다. 다양한 실시예에서, 복수의 디바이스는 하나 이상의 소스로부터의 전력을 하나 이상의 다른 디바이스와 공유할 수 있으며, 이러한 공유는 동시적으로, 시간 다중화 방식으로, 주파수 다중화 방식으로, 공간 다중화 방식으로, 지방방향 다중화 방식으로, 또는 시간, 주파수, 공간 및 지향방향 다중화의 임의의 조합으로 이루어질 수 있다. 복수의 디바이스는 전력을 서로 공유할 수 있으며, 적어도 하나의 디바이스가 무선 전력원을 작동시키도록 지속적으로, 간헐적으로, 주기적으로, 때때로 또는 일시적으로 재구성된다. 당해 기술에 익숙한 사람이라면 본 명세서에 설명되는 기술 및 어플리케이션에 적용 가능한 디바이스에 전력을 공급하거나 및/또는 충전하기 위한 다양한 방식이 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명은 커패시터, 인덕터, 저항기, 다이오드, 트랜스포머, 스위치 등과 같은 특정한 개별 회로 부품 및 요소와; 네트워크, 토폴로지, 회로 등과 같은 이들 구성요소의 조합과; 커패시턴스 또는 인덕턴스가 전체 물체의 이곳저곳에 분포된(또는 단독으로 집중되는 것의 반대 의미로서의 부분적으로 분포된) "자체 공진(self-resonant)" 물체와 같은 고유 특징을 갖는 물체를 언급하고 있다. 당해 기술에 익숙한 사람은 회로 또는 네트워크 내의 가변 부품을 조정하고 제어하는 것이 회로 또는 네트워크의 성능을 조정할 수 있고, 이들 조정이 전반적으로 튜닝, 조정, 정합, 정정 등으로서 기술될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 무선 전력 전달 시스템의 작동점(operating point)을 튜닝하거나 조정하기 위한 다른 방법이 단독으로 이용될 수도 있고, 또는 인덕터 및 커패시터 또는 인덕터와 커패시터의 뱅크(bank)와 같은 튜닝 가능한 부품을 조정하는 것에 부가하여 이용될 수 있다. 당해 기술에 익숙한 사람이라면 본 발명에서 개시된 특정한 토폴로지가 다양한 다른 방식으로 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

다르게 정의되지 않는다면, 본 명세서에 사용되는 모든 기술 용어 및 과학 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 공통적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에서 참조에 의해 언급되거나 원용되는 공개 문헌, 특허 출원, 특허 및 기타 참고자료와 상충하는 경우, 그에 대한 정의를 포함하는 본 명세서가 우선할 것이다.

전술한 특징 중의 어떠한 것도 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고서도 단독으로 또는 조합하여 이용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법의 기타 특징, 목적 및 장점은 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 명확하게 될 것이다.

도 1은 무선 에너지 전달 구성의 시스템 블록도이다.
도 2a 내지 도 2e는 간략한 공진기 구조의 일례의 구조 및 개요도이다.
도 3은 싱글-엔디드 증폭기(single-ended amplifier)를 갖는 무선 소스의 블록도이다.
도 4는 차동 증폭기를 갖는 무선 소스의 블록도이다.
도 5a 및 도 5b는 감지 회로의 블록도이다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 무선 소스의 블록도이다.
도 7은 증폭기의 파라미터에 대한 듀티 사이클의 영향을 보여주는 플로트이다.
도 8은 스위칭 증폭기를 갖는 무선 전력원의 간략화된 회로도이다.
도 9는 무선 전력원의 파라미터의 변경의 효과에 대한 플로트를 도시하고 있다.
도 10은 무선 전력원의 파라미터의 변경의 효과에 대한 플로트를 도시하고 있다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c는 무선 전력원의 파라미터의 변경의 효과를 보여주는 플로트이다.
도 12는 무선 전력원의 파라미터의 변경의 효과의 플로트를 도시하고 있다.
도 13은 스위칭 증폭기 및 무선 전력 장치를 갖는 무선 전력원을 포함하는 무선 에너지 전달 시스템의 간략화된 회로도이다.
도 14는 무선 전력원의 파라미터의 변경의 효과의 플로트를 도시하고 있다.
도 15는 자기 재료의 타일(tile of magnetic material)들 간의 불규칙한 간격으로 인한 균일하지 않은 가능한 자기장 분포를 보여주는 공진기의 다이아그램이다.
도 16은 자기 재료 블록에서의 핫스팟(hotspot)을 감소시킬 수 있는 자기 재료의 블록에서의 타일의 배열을 갖는 공진기를 도시하고 있다.
도 17a는 더 작은 개별 타일을 포함하는 자기 재료의 블록을 갖는 공진기를 도시하며, 도 17b 및 도 17c는 열 관리를 위해 이용되는 열 도전성 재료의 추가의 스트립(strip)을 갖는 공진기를 도시하고 있다.
도 18은 인밴드(in-band) 및 아웃 오브 밴드(out-of-band) 통신 채널을 갖는 무선 에너지 전달 시스템의 블록도이다.
도 19a 및 도 19b는 아웃 오브 밴드 통신 채널을 이용하여 에너지 전달 채널을 검증하기 위해 이용될 수 있는 단계를 도시하고 있다.
도 20의 (a) 및 (b)는 무선 에너지 전달 시스템 전자장치의 블록도이다.
도 21의 (a) 및 (b)는 튜닝 가능 전자장치를 갖는 무선 에너지 전달 시스템의 블록도이다.
도 22a는 튜닝 가능 전자장치를 갖는 무선 에너지 전달 시스템의 간략화된 개요도이고, 도 22b는 스위칭 요소의 실시예에 대한 상세도이다.
도 23a 내지 도 23d는 증폭기의 동작을 보여주는 그래프이다.
도 24는 튜닝 가능 무선 에너지 전달 시스템의 실시예에 대한 블록도이다.
도 25는 튜닝 가능 무선 에너지 전달 시스템의 실시예에 대한 개요도이다.
도 26은 밸런스드 임피던스 정합 네트워크(balanced impedance matching network)의 실시예에 대한 개요도이다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 결합된 전자기 공진기를 이용하는 무선 에너지 전달에 관한 것이다. 그러나, 이러한 에너지 전달은 전자기 공진기로 국한되지 않으며, 본 명세서에 설명된 무선 에너지 전달 시스템은 더욱 보편적으로 이용되고, 다양한 공진기 및 공진 물체를 이용하여 실시될 수 있다.

당해 기술에 익숙한 사람이라면 인지할 수 있는 바와 같이, 공진기 기반 전력 전달을 위한 중요한 고려사항은 공진기 효율 및 공진기 결합을 포함한다. 예컨대 결합 모드 이론(coupled mode theory , CMT), 결합 계수 및 인자(coupling coefficients and factors), 품질 인자(quality factor)(또한 Q-인자로도 지칭됨), 및 임피던스 정합과 같은 이러한 항목에 대한 포괄적인 논의가 예컨대 2010년 9월 23일에 미국 특허 공개 번호 2010/0237709로 공개된 "RESONATOR ARRAYS FOR WIRELESS ENERGY TRANSFER"를 발명의 명칭으로 하는 미국 특허 출원 번호 12/789,611과, 2010년 7월 22일에 미국 특허 공개 번호 2010/0181843으로 공개된 "WIRELESS ENERGY TRANSFER FOR REFRIGERATOR APPLICATION"를 발명의 명칭으로 하는 미국 특허 출원 번호 12/722,050에 상세하게 개시되어 있고, 본 명세서에 전체적으로 설명되는 바와 같이 이들 공개 특허의 내용이 본 명세서에 원용되어 있다.

공진기는, 에너지를 적어도 2개의 상이한 형태로 저장할 수 있고, 저장된 에너지가 2개의 형태 사이에서 발진(oscillate)하는 공진 구조체로서 정의될 수 있다. 공진 구조체는 공진 (모드) 주파수 f 및 공진 (모드) 필드와의 특정한 발진 모드를 가질 것이다. 공진 각주파수(angular resonant frequency) ω는 ω=2πf 로서 정의될 수 있으며, 공진 주기 T는 T=1/f=2π/ω 로서 정의될 수 있으며, 공진 파장 λ는 λ=c/f 로서 정의될 수 있으며, 여기서 c는 연관된 필드 웨이브(field wave)(전자기 공진기에 대해서는 광)의 속도이다. 손실 메카니즘(loss mechanism), 결합 메카니즘, 또는 외부 에너지 공급 또는 드레이닝 메카니즘(external energy supplying or draining mechanisms)이 없는 경우, 공진기에 의해 저장되는 에너지의 총량 W는 고정된 채로 유지될 것이지만, 에너지의 형태는 공진기에 의해 지원되는 2가지 형태들 사이에서 발진할 것이고, 여기서 하나의 형태가 최소일 때에 다른 하나의 형태가 최대로 될 것이며, 그 반대도 가능하다.

예컨대, 공진기는 저장된 에너지의 2가지 형태가 자기 에너지와 전기 에너지이도록 구성될 수 있다. 또한, 공진기는 전기장에 의해 저장된 전기 에너지가 주로 구조체 내에 가두어지는 한편 자기장에 의해 저장된 자기 에너지가 주로 공진기를 둘러싸는 영역에 있게 되도록 구성될 수 있다. 즉, 총 전기 및 자기 에너지가 동일하게 될 것이지만, 이들의 국지화(localization)가 상이하게 될 것이다. 이러한 구조체를 이용하여, 적어도 2개의 구조체들 간의 에너지 교환이 적어도 2개의 공진기의 공진성 자기 근거리장(resonant magnetic near-field)에 의해 중재될 수 있다. 이들 타입의 공진기는 자기 공진기(magnetic resonator)로 지칭될 수 있다.

무선 전력 전송 시스템에서 이용되는 공진기의 중요 파라미터는 공진기의 품질 인자, 또는 Q-인자, 또는 Q이며, 이것은 에너지 쇠퇴(energy decay)의 특징을 나타내고, 공진기의 에너지 손실에 반비례한다. Q=ω*W/P 로서 정의될 수 있으며, 여기서 P는 정상 상태에서 손실된 시간 평균 전력(time-averaged power)이다. 즉, 하이-Q를 갖는 공진기는 비교적 낮은 고유 손실(intrinsic loss)을 갖고, 비교적 긴 시간 동안 에너지를 저장할 수 있다. 공진기가 자신의 고유 쇠퇴율(intrinsic decay rate) 2Γ로 에너지를 상실하므로, 고유 Q로도 지칭되는 공진기의 Q는 Q=ω/2Γ에 의해 주어진다. 품질 인자는 또한 발진 주기 T의 개수를 표현하며, 이것은 공진기의 에너지를 e^-2π의 인자에 의해 쇠퇴하게 한다. 품질 인자 또는 고유 품질 인자 또는 공진기의 Q는 단지 고유 손실 메카니즘으로 인한 것이라는 것에 유의하기 바란다. 전력 발생기 g 또는 부하 ℓ에 접속되거나 결합된 공진기의 Q는 "부하가 걸린 상태의 품질 인자(loaded quality factor)" 또는 "부하가 걸린 상태의 Q"로 지칭될 수 있다. 에너지 전달 시스템의 일부가 되도록 의도되지 않은 직접적인 관련이 없는 대상물(extraneous object)의 존재 시의 공진기의 Q는 "동요된 품질 인자(perturbed quality factor)" 또는 "동요된(perturbed) Q"로 지칭될 수 있다.

자신의 근거리장의 임의의 부분을 통해 결합된 공진기들은 상호작용하고, 에너지를 교환할 수 있다. 이 에너지 전달의 효율은 공진기들이 실질적으로 동일한 공진 주파수로 작동하는 경우에는 크게 향상될 수 있다. 본 발명을 제한하려는 것이 아니라 본 발명의 예시하기 위한 일례로서, Qs를 갖는 소스 공진기와 Qd를 갖는 디바이스 공진기를 가정하여 설명한다. 하이-Q 무선 에너지 전달 시스템은 하이-Q인 공진기를 이용할 수 있다. 각각의 공진기의 Q는 하이가 될 수 있다. 공진기 Q들의 기하학적 평균

은 하이로 될 수 있고, 또는 하이로 되지 않을 수도 있다.

커플링 인자 k는

사이의 숫자이며, 소스 공진기 및 디바이스 공진기가 서브파장 거리(sub-wavelength distance)로 위치되는 때에는 소스 공진기 및 디바이스 공진기의 공진 주파수에 무관(또는 거의 무관)할 수 있다. 오히려, 커플링 인자 k는 대개는 소스 공진기와 디바이스 공진기의 커플링을 중재하는 필드의 물리적 쇠퇴 법칙(physical decay-law)이 고려되는 곳에서는 소스 공진기와 디바이스 공진기 간의 거리 및 상대적인 지오메트리에 의해 결정될 수 있다. CMT에서 이용되는 커플링 계수

는 공진기 구조체의 기타 특징뿐만 아니라 공진 주파수의 강한 함수일 수 있다. 공진기의 근거리장을 이용하는 무선 에너지 전달을 위한 어플리케이션에서는, 공진기의 크기를 공진 파장보다 훨씬 작게 하여, 복사(radiation)에 의해 손실되는 전력이 감소되도록 하는 것이 바람직하다. 몇몇 실시예에서, 하이-Q 공진기는 서브파장 구조체이다. 몇몇 전자기 실시예에서, 하이-Q 공진기 구조체는 100 ㎑보다 높은 공진 주파수를 갖도록 설계된다. 다른 실시예에서, 공진 주파수는 1 ㎓ 미만이 될 수도 있다.

일례의 실시예에서, 이들 서브파장 공진기에 의해 원거리장(far-field) 내로 복사된 전력은 공진기의 공진 주파수 및 시스템의 작동 주파수를 낮춤으로써 추가로 감소될 수 있다. 다른 실시예에서, 원거리장 복사(far field radiation)는 원거리장에서 상쇄적으로 간섭하도록 2개 이상의 공진기의 원거리장을 배열함으로써 감소될 수 있다.

무선 에너지 전달 시스템에서, 공진기는 무선 에너지원, 무선 에너지 캡쳐 장치, 리피터, 또는 이들의 조합으로서 이용될 수 있다. 실시예에서, 공진기는 에너지를 전달하거나, 에너지를 수신하거나, 또는 에너지를 중계하는 것을 번갈아가며 행할 수 있다. 무선 에너지 전달 시스템에서, 하나 이상의 자기 공진기는 에너지원에 결합될 수 있고, 진동 자기 근거리장(oscillating magnetic near-field)을 발생하도록 에너지를 공급받게 될 수 있다. 진동 자기 근거리장 내에 있는 다른 공진기는 이들 장(field)을 캡쳐하고, 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있으며, 이 전기 에너지가 부하에 전력을 공급하거나 충전하기 위해 이용될 수 있으며, 이에 의해 유용한 에너지의 무선 전달이 가능하게 된다.

유용한 에너지 교환에서의 소위 "유용한" 에너지는, 디바이스를 수용 가능한 속도로 전력을 공급하거나 충전하기 위해 디바이스에 전달되어야 하는 에너지 또는 전력이다. 유용한 에너지 교환에 대응하는 전달 효율은 시스템 또는 어플리케이션에 의존될 수도 있다. 예컨대, 수 킬로와트의 전력을 전달하는 고전력 차량 충전 어플리케이션은 유용한 양의 전력을 공급하여 전달 시스템의 다양한 부품의 온도를 크게 올리지 않고서도 차량 배터리를 재충전하기에 충분한 유용한 에너지 교환을 발생하기 위해 적어도 80％ 효율로 될 필요가 있다. 몇몇 소비자 전자장치 어플리케이션에서, 유용한 에너지 교환은 10％ 또는 재충전 가능한 배터리를 "최고까지 채워진 상태(topped off)"로 유지하고 장기간의 시간 동안 동작하도록 하기 위해 수용 가능한 임의의 다른 양보다 큰 임의의 에너지 전달 효율을 포함할 수 있다. 이식된 의료 장치 어플리케이션에서, 유용한 에너지 교환은 환자에게 해를 끼치지 않고 배터리의 수명을 연장시키거나 센서, 모니터 또는 스티뮬레이터(stimulator)를 기동시키는 어떠한 교환이어도 된다. 이러한 어플리케이션에서는, 100 mW의 전력 또는 그 미만이 유용할 수도 있다. 분산된 감지 어플리케이션에서는, 마이크로와트의 전력 전달이 유용할 수 있으며, 전달 효율은 1％ 아래인 것이 좋을 것이다.

전력 공급 또는 재충전 어플리케이션에서의 무선 에너지 전달을 위한 유용한 에너지 교환은, 낭비된 에너지 레벨, 열소산, 및 연관된 장의 세기(field strength)가 허용 가능한 한계 내에 있고, 비용, 중량, 크기 등과 같은 관련 요소와 적절하게 균형을 이루는 한, 효율적이거나, 매우 효율적이거나, 또는 충분히 효율적일 수 있다.

공진기는 소스 공진기, 디바이스 공진기, 제1 공진기, 제2 공진기, 리피터 공진기 등으로서 지칭될 수 있다. 구현예는 3개 이상의 공진기를 포함할 수 있다. 예컨대, 하나의 소스 공진기가 복수의 디바이스 공진기 또는 복수의 디바이스에 에너지를 전달할 수 있다. 제1 디바이스로부터 제2 디바이스로, 그리고나서 제2 디바이스로부터 제3 디바이스로 등등으로 에너지가 전달될 수 있다. 복수의 소스는, 단일 디바이스, 단일 디바이스 공진기에 접속된 복수의 디바이스, 또는 복수의 디바이스 공진기에 접속된 복수의 디바이스에 에너지를 전달할 수도 있다. 공진기는 소스와 디바이스로서 교번적으로 또는 동시에 작용할 수 있거나, 및/또는 하나의 지점에 있는 소스로부터의 전력을 또 다른 지점에 있는 디바이스에 중계하도록 이용될 수도 있다. 중간 전자기 공진기는 무선 에너지 전달 시스템의 거리 범위를 연장시키거나 및/또는 집중된 자기 근거리장의 영역을 발생하기 위해 이용될 수 있다. 복수의 공진기는 함께 데이지 체인식으로 연결(daisy-chained)되어, 연장된 거리에 걸쳐 넓은 범위의 소스 및 디바이스와 에너지를 교환할 수 있다. 예컨대, 소스 공진기는 여러 개의 리피터 공진기를 통해 디바이스 공진기에 전력을 전달할 수 있다. 소스로부터의 에너지가 제1 리피터 공진기에 전달될 수 있고, 제1 리피터 공진기가 에너지를 제2 리피터 공진기에 전달할 수 있고, 제2 리피터 공진기가 에너지를 제3 리피터 공진기에 전달하는 등등이 최종 리피터 공진기가 자신의 에너지를 디바이스 공진기에 전달할 때까지 이루어진다. 이러한 점에서, 무선 에너지 전달의 범위 또는 거리는 리피터 공진기를 추가함으로써 연장되거나 및/또는 맞춤(tailor)될 수 있다. 고전력 레벨은 복수의 소스들 사이에서 분할되고, 복수의 디바이스에 전달되며, 원거리 지점에서 재조합될 수 있다.

공진기는 결합 모드 이론 모델(coupled mode theory model), 회로 모델, 전자기장 모델 등을 이용하여 설계될 수 있다. 공진기는 튜닝 가능한 특징적 크기(tunable characteristic size)를 갖도록 설계될 수 있다. 공진기는 상이한 전력 레벨을 핸들링하도록 설계될 수 있다. 일례의 실시예에서, 고전력 공진기는 저전력 공진기보다 전류 또는 전압의 정격이 높은 부품 및 더 큰 전도체를 요구할 수도 있다.

도 1은 무선 에너지 전달 시스템의 일례의 구성 및 배치에 대한 도면을 도시하고 있다. 무선 에너지 전달 시스템은 에너지원(102)에 연결된 하나 이상의 소스 공진기(R1)(104) 및 필요한 경우 센서 및 제어 유닛(108)을 포함할 수 있다. 에너지 소스는 소스 공진기(104)를 구동하기 위해 이용될 수 있는 전기 에너지로 변환될 수 있는 임의의 타입의 에너지의 소스이어도 된다. 에너지 소스는 배터리, 솔라 패널, 일렉트릭 메인(electrical mains), 풍력 또는 수력 터빈, 전자기 공진기, 제너레이터 등이어도 된다. 자기 공진기를 구동하기 위해 이용되는 전기 에너지는 공진기에 의해 진동 자기장(oscillating magnetic field)으로 변환된다. 진동 자기장은 필요한 경우 에너지 드레인(110)에 연결되는 디바이스 공진기(R2; 106)(R3; 116)이어도 되는 다른 공진기에 의해 캡쳐될 수 있다. 진동 자기장은 필요한 경우 무선 에너지 전달 영역을 연장하거나 맞춤하도록 구성된 리피터 공진기(R4, R5)에 연결될 수 있다. 디바이스 공진기는 소스 공진기, 리피터 공진기 및 다른 디바이스 공진기에 인접하여 자장을 캡쳐하고, 이들을 에너지 드레인에 의해 이용될 수 있는 전기 에너지로 변환할 수 있다. 에너지 드레인(110)은 전기 에너지를 수신하기 위해 구성된 전기, 전자, 기계 또는 화학 장치 등이어도 된다. 리피터 공진기는 소스 공진기, 디바이스 공진기 및 리피터 공진기에 인접하여 자장을 캡쳐할 수 있고, 다른 공진기에 에너지를 건네줄 수 있다.

무선 에너지 전달 시스템은 에너지원(102)에 연결된 하나의 소스 공진기(104) 및 에너지 드레인(110)에 연결된 하나의 디바이스 공진기(106)를 포함할 수 있다. 실시예에서, 무선 에너지 전달 시스템은 하나 이상의 에너지원에 연결된 복수의 소스 공진기를 포함하여도 되고, 하나 이상의 드레인에 연결된 복수의 디바이스 공진기를 포함하여도 된다.

실시예에서, 에너지는 소스 공진기(104)와 디바이스 공진기(106) 사이에서 직접 전달될 수 있다. 다른 실시예에서, 에너지는 디바이스 공진기, 소스 공진기, 리피터 공진기 등이어도 되는 임의의 개수의 중간 공진기를 통해 하나 이상의 소스 공진기(104, 112)로부터 하나 이상의 디바이스 공진기(106, 116)로 전달될 수 있다. 에너지는 토큰 링, 메시, ad hoc 등과 같은 토폴로지의 임의의 조합으로 배열된 서브네트워크(118, 120)를 포함할 수 있는 공진기(114)의 네트워크 또는 배열을 통해 전달될 수도 있다.

실시예에서, 무선 에너지 전달 시스템은 중앙화된 감지 및 제어 시스템(108)을 포함할 수 있다. 실시예에서, 공진기, 에너지원, 에너지 드레인, 네트워크 토폴로지, 작동 파라미터 등의 파라미터가 모니터링되고, 시스템의 특정한 작동 파라미터를 충족하도록 제어 프로세서로부터 조정될 수 있다. 중앙 제어 프로세서는 전체적인 에너지 전달 효율을 최적화하고 전달되는 전력의 양을 최적화하는 등을 위해 시스템의 개별 부품의 파라미터를 조정할 수 있다. 다른 실시예는 실질직으로 분산된 감지 및 제어 시스템을 갖도록 설계될 수 있다. 감지 및 제어는 각각의 공진기 혹은 공진기의 그룹, 에너지원, 에너지 드레인 등에 통합될 수 있으며, 개별 부품의 파라미터를 그룹으로 조정하여, 전달되는 전력을 최대화하거나 최소화하고, 그 그룹에서의 에너지 전달 효율을 최대화하는 등을 위해 구성될 수 있다.

실시예에서, 무선 에너지 전달 시스템의 부품은 디바이스, 소스, 리피터, 전력원, 공진기 등과 같은 다른 부품에 대한 무선 또는 유선 데이터 통신 링크를 가질 수 있으며, 분산된 또는 중앙화된 감지 및 제어를 가능하게 하기 위해 이용될 수 있는 데이터를 전송하거나 수신할 수 있다. 무선 통신 채널은 무선 에너지 전달 채널과는 별개의 것일 수도 있고, 또는 동일한 것일 수도 있다. 일실시예에서, 전력 교환을 위해 이용된 공진기는 또한 정보를 교환하기 위해 이용될 수도 있다. 몇몇 경우에, 정보는 소스 또는 디바이스 회로에서의 콤포넌트를 변조하고 이러한 변화를 포트 파라미터(port parameter) 또는 기타 모니터링 장비로 감지함으로써 교환될 수 있다. 공진기는 시스템 내의 다른 공진기의 반사 임피던스(reflected impedance)에 영향을 줄 수 있는 공진기의 임피던스와 같은 공진기 파라미터에 대해 튜닝, 변화, 변경, 디더(dither) 등을 행함으로써 서로 시그널링할 수 있다. 본 명세서에 설명된 시스템 및 방법은 무선 전력 전송 시스템에서의 공진기들 간의 전력 및 통신 신호의 동시 전송을 가능하게 하거나, 또는 무선 에너지 전달 동안에 이용되는 동일한 자장을 이용하여 상이한 시간 주기 동안 또는 상이한 주파수로 전력 및 통신 신호의 전송을 가능하게 할 수 있다. 다른 실시예에서, 무선 통신은 WiFi, 블루투스, 적외선, NFC 등과 같은 별도의 무선 통신 채널로 인에이블될 수도 있다.

실시예에서, 무선 에너지 전달 시스템은 복수의 공진기를 포함할 수 있으며, 전체적인 시스템 성능이 시스템 내의 다양한 요소의 제어에 의해 향상될 수 있다. 예컨대, 더 낮은 전력 요구를 갖는 디바이스는 자신의 공진 주파수를 더 높은 전력 요구를 갖는 디바이스에 전력을 공급하는 고전력 소스의 공진 주파수로부터 멀어지게 튜닝할 수 있다. 또 다른 예로, 더 적은 전력을 요구하는 디바이스는 이들이 소스로부터 더 적은 전력을 끌어올 수 있도록 이들 디바이스의 정류기 회로를 조정할 수도 있다. 이로써, 저전력 디바이스 및 고전력 디바이스가 단일의 고전력 소스로부터 안전하게 작동하고 충전할 수 있게 된다. 또한, 충전 존 내의 복수의 디바이스는 퍼스트-컴-퍼스트-서브(First-Come-First-Serve), 베스트 에포트(Best Effort), 게런티드 파워(Guaranteed Power) 등과 같은 임의의 다양한 소모 제어 알고리즘(consumption control algorithm)을 따라 조절된(regulated) 이들 디바이스에게 이용할 수 있는 전력을 찾을 수 있다. 전력 소모 알고리즘은 본질적으로 계층적으로 되어 특정한 사용자 또는 특정한 타입의 디바이스에게 우선순위를 줄 수 있거나, 또는 소스에서 이용할 수 있는 전력을 동등하게 공유함으로써 임의의 수의 사용자를 지원할 수 있다. 전력은 본 명세서에 설명된 다중화 기술들 중의 어떠한 것에 의해서도 공유될 수 있다.

실시예에서, 전자기 공진기는 형상, 구조 및 구성의 조합을 이용하여 실현되거나 실시될 수 있다. 전자기 공진기는 유도성 요소, 분산된 인덕턴스, 또는 총인덕턴스 L과의 인덕턴스의 조합과, 용량성 요소, 분산된 커패시턴스, 또는 총커패시턴스 C와의 커패시턴스의 조합을 포함할 수 있다. 커패시턴스, 인덕턴스 및 레지스턴스를 포함하는 전자기 공진기의 최소 회로 모델이 도 2f에 도시되어 있다. 공진기는 유도성 요소(238) 및 용량성 요소(240)를 포함할 수 있다. 커패시터(240)에 저장된 전기장 에너지와 같은 초기 에너지가 제공되면, 시스템은 커패시터가 방전함에 따라 발진하여, 에너지를 인덕터(238)에 저장되는 자기장 에너지로 전달하고, 이 인덕터는 그 다음으로 에너지를 커패시터(240)에 저장되는 전기장 에너지로 전달한다. 이들 전자기 공진기에서의 고유 손실은 유도성 및 용량성 요소에서의 레지스턴스로 인한 손실 및 복사 손실을 포함하며, 도 2f에서 저항기 R(242)로 표현된다.

도 2a는 일례의 자기 공진기 구조의 간략화된 도면을 도시하고 있다. 자기 공진기는 유도성 요소(202)로서 작용하는 전도체의 루프 및 전도체 루프의 끝에 있는 용량성 요소(204)를 포함할 수 있다. 전자기 공진기의 인덕터(202) 및 커패시터(204)는 부피가 큰(bulk) 회로 요소이어도 되고, 또는 인덕턴스 및 커패시턴스는 분산되고, 전도체가 그 구조에서 형성되거나, 성형되거나 또는 위치되는 방식으로부터 비롯될 수도 있다.

예컨대, 인덕터(202)는 전도체를 도 2a에 도시된 바와 같이 표면 영역을 둘러싸도록 성형함으로써 실현될 수도 있다. 이 타입의 공진기는 커패시터가 로딩된 루프 인덕터(capacitively-loaded loop inductor)로서 지칭될 수 있다. 일반적으로 임의의 형상 및 치수의 표면을 임의의 권회수(any number of turns)로 둘러싸는 전도 구조체(와이어, 튜브, 스트립 등)를 나타내기 위해 "루프" 또는 "코일"이라는 표현을 사용할 수 있다는 것에 유의하기 바란다. 도 2a에서, 둘러싸인 표면 영역은 원형이지만, 이 표면은 다양한 다른 형상 및 크기의 어떠한 것으로도 될 수 있으며, 특정한 시스템 성능 사양을 달성하도록 설계될 수 있다. 실시예에서, 인덕턴스는 인덕터 요소, 분산된 인덕턴스, 네트워크, 어레이, 인덕터와 인덕턴스의 직렬 및 병렬 조합 등을 이용하여 실현될 수 있다. 인덕턴스는 고정될 수도 있고 가변적일 수도 있으며, 공진 주파수 작동 상태뿐만 아니라 임피던스 정합을 바꾸기 위해 이용될 수 있다.

공진기 구조를 위한 요구된 공진 주파수를 달성하기 위해 요구되는 커패시턴스를 실현하기 위한 다양한 방법이 있다. 커패시터 플레이트(204)가 도 2a에 도시된 바와 같이 형성되어 이용될 수도 있고, 또는 커패시턴스가 분산되고, 멀티-루프 전도체의 인접한 권선들 사이에서 실현될 수도 있다. 커패시턴스는 커패시터 요소, 분산된 커패시턴스, 네트워크, 어레이, 커패시턴스의 직렬 및 병렬 조합 등을 이용하여 실현될 수 있다. 커패시턴스는 고정될 수도 있고 가변적일 수도 있으며, 공진 주파수 작동 상태뿐만 아니라 임피던스 정합을 바꾸기 위해 이용될 수 있다.

자기 공진기에서 이용되는 유도성 요소는 하나보다 많은 루프를 포함할 수 있고, 안쪽, 바깥쪽, 위쪽, 아래쪽, 또는 몇몇 조합의 방향으로 나선형을 이룰 수 있다. 일반적으로, 자기 공진기는 다양항 형상, 크기 및 권회수를 가질 수 있으며, 이들은 다양한 전도 재료로 구성될 수 있다. 전도체(210)는 예컨대 와이어, 리쯔 와이어(Litz wire), 리본, 파이프, 또는 도전 잉크, 페인트, 겔 등으로 형성되거나 인쇄 기판 상에 프린트된 하나 또는 복수의 트레이스로 형성된 트레이스이어도 된다. 유도성 루프를 형성하는 기판(208) 상의 트레이스 패턴의 일례의 실시예가 도 2b에 도시되어 있다.

실시예에서, 유도성 요소는 임의의 크기, 형상 두께 등의 자기 재료 및 넓은 범위의 투자율(permeability) 및 손실값을 갖는 재료를 이용하여 형성되어도 된다. 이들 자기 재료는 고형의 블록(solid block)이어도 되고, 속이 빈 체적을 둘러쌀 수도 있고, 함께 붙여지거나 및/또는 적층된 자기 재료의 더 작은 다수의 피스(piece)로 형성되어도 되고, 도전성이 높은 재료로 이루어진 도전 시트 또는 인클로저와 통합되어도 된다. 전도체는 자기장을 생성하기 위해 자기 재료 둘레에 감겨질 수도 있다. 이들 전도체는 구조체의 하나 또는 하나보다 많은 축 둘레에 감겨질 수도 있다. 복수의 전도체가 자기 재료 둘레에 감겨지고, 커스터마이즈된(customized) 근거리장 패턴을 형성하거나 및/또는 구조체의 다이폴 모멘트를 지향시키기 위해 스위치를 통해 병렬 또는 직렬로 조합될 수 있다. 자기 재료를 포함하는 공진기의 예가 도 2c, 도 2d 및 도 2e에 도시되어 있다. 도 2d에서, 공진기는 전도체(224)의 루프의 축에 평행을 이루는 자기 다이폴 모멘트(228)를 갖는 구조체를 생성하는 자기 재료(222)의 코어 둘레에 감겨진 전도체(224)의 루프를 포함한다. 공진기는 전도체가 구동되는 방법에 따라 도 2c에 도시된 바와 같이 하나보다 많은 방향으로 지향될 수 있는 자기 다이폴 모멘트(218, 220)를 갖는 공진기를 형성하는 자기 재료(214) 둘레에 직교 방향으로 감겨진 전도체(216, 212)의 복수의 루프를 포함할 수 있다.

전자기 공진기는 자신의 물리적 성질에 의해 결정된 특성 주파수, 고유 주파수(natural frequency), 또는 공진 주파수를 가질 수 있다. 이 공진 주파수는 공진기에 의해 저장된 에너지가 전기장에 의해 저장된 에너지 W_E(W_E = q²/2C, 여기서 q는 커패시터 C 상의 전하임)와 공진기의 자기장에 의해 저장된 에너지 W_B(W_B = Li²/2, 여기서 i는 인덕터 L을 통과하는 전류임) 사이에서 진동하는 주파수이다. 이 에너지가 교환되는 주파수는 공진기의 특성 주파수, 고유 주파수 또는 공진 주파수로 지칭될 수 있으며, 아래의 ω에 의해 제공된다;

공진기의 공진 주파수는 공진기의 인덕턴스 L 및/또는 커패시턴스 C를 튜닝함으로써 변경될 수 있다. 일실시예에서, 시스템 파라미터는 최적의 작동 조건에 가능한 한 근접하게 달성하기 위해 동적으로 조정 가능하거나 튜닝 가능하다. 그러나, 전술한 설명을 토대로, 몇몇 시스템 파라미터가 변화 가능하지 않거나 또는 부품이 동적 조정이 가능하지 않은 경우에도, 효율적인 충분한 에너지 교환이 실현될 수 있다.

실시예에서, 공진기는 커패시터 및 회로 요소의 네트워크로 배열된 하나보다 많은 커패시터에 연결된 유도성 요소를 포함할 수 있다. 실시예에서, 커패시터와 회로 요소의 연결된 네트워크는 공진기의 하나보다 많은 공진 주파수를 규정하기 위해 이용될 수 있다. 실시예에서, 공진기는 하나보다 많은 주파수에서 공진하도록 되거나 또는 부분적으로 공진하도록 될 수 있다.

실시예에서, 무선 전력원은 전력 공급부(power supply)에 연결된 하나 이상의 공진기 코일을 포함할 수 있으며, 이 전력 공급부는 클래스-D 증폭기 또는 클래스-E 증폭기 또는 이들의 조합과 같은 스위칭 증폭기이어도 된다. 이 경우, 공진기 코일은 전력 공급부에 대한 전력 부하(power load)인 것이 효과적이다. 실시예에서, 무선 전력 장치는 전력 부하에 연결된 하나 이상의 공진기 코일을 포함할 수 있으며, 이 전력 부하는 클래스-D 정류기 또는 클래스 E-정류기 또는 이들의 조합과 같은 스위칭 정류기이어도 된다. 이 경우, 공진기 코일은 전력 부하를 위한 전력 공급부인 것이 효과적이며, 부하의 임피던스는 공진기 코일로부터의 부하의 워크-드레이니지 속도(work-drainage rate)에 관련된다. 전력 공급부와 전력 부하 간의 전력 전송의 효율은 전력원의 출력 임피던스가 부하의 입력 임피던스에 얼마나 근접하게 정합되는지에 의해 영향을 받을 수 있다. 전력은 부하의 입력 임피던스가 전력 공급부의 내부 임피던스의 복소 켤레(complex conjugate)에 동일하게 될 때에 최대 가능 효율로 부하에 전달될 수 있다. 최대 전력 전송 효율을 획득하도록 전력 공급부 또는 전력 부하를 설계하는 것은, 흔히 "임피던스 정합"으로 지칭되며, 또한 시스템에서의 유용한 전력 대 손실 전력의 비율의 최적화로서도 지칭될 수 있다. 임피던스 정합은 전력 공급부와 전력 부하 간의 임피던스 정합 네트워크를 형성하기 위해 커패시터, 인덕터, 트랜스포머, 스위치, 저항기 등과 같은 요소의 세트 또는 네트워크를 추가함으로써 수행될 수 있다. 실시예에서, 요소 위치설정에서의 기계적 조정 및 변경은 임피던스 정합을 달성하기 위해 이용될 수 있다. 부하를 변경시키는 것에 대해, 임피던스 정합 네트워크는, 동적인 환경 및 작동 시나리오에서도, 부하 쪽으로 바라보는 전력 공급부 단자에서의 임피던스 및 전력 공급부의 특성 임피던스가 실질적으로 서로의 복소 켤레로 유지하도록 하기 위해 동적으로 조정되는 가변 부품을 포함할 수 있다.

실시예에서, 임피던스 정합은 전력 공급부의 구동 신호의 듀티 사이클, 위상, 및/또는 주파수를 튜닝하거나, 또는 커패시터와 같은 전력 공급부 내의 물리적 부품을 튜닝함으로써 달성될 수 있다. 이러한 튜닝 메카니즘은, 튜닝 가능한 임피던스 정합 네트워크를 사용하지 않거나 또는 예컨대 더 적은 수의 튜닝 가능한 부품을 갖는 튜닝 가능한 임피던스 정합 네트워크와 같은 간략한 튜닝 가능한 임피던스 정합 네트워크를 이용하여, 전력 공급부와 부하 간의 임피던스 정합을 허용할 수 있기 때문에 이로울 것이다. 실시예에서, 전력 공급부에 대한 구동 신호의 듀티 사이클, 주파수 및/또는 위상을 튜닝하는 것은, 연장된 튜닝 범위 또는 정밀도, 더 높은 전력, 전압 및/또는 전류 성능, 더 빠른 전자식 제어, 더 적은 외부 부품 등을 갖는 동적인 임피던스 정합 시스템을 산출할 수 있다.

몇몇 무선 에너지 전달 시스템에서, 인덕턴스와 같은 공진기의 파라미터는 주변 물체, 온도, 지향 방향, 다른 공진기의 개수 및 위치 등과 같은 환경적 조건에 의해 영향을 받게 될 수 있다. 공진기의 작동 파라미터의 변경은 무선 에너지 전달에서의 전달된 전력의 효율과 같은 특정한 시스템 파라미터를 변경시킬 수 있다. 예컨대, 공진기에 가깝게 위치된 도전율이 높은 재료는 공진기의 공진 주파수를 시프트할 수 있고, 공진 주파수를 다른 물체로부터 디튜닝(detune)할 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 리액티브 요소(예컨대, 유도성 요소 또는 용량성 요소)를 변경함으로써 공진기의 주파수를 수정하는 공진기 피드백 메카니즘이 채용된다. 수용 가능한 정합 조건을 달성하기 위해, 시스템 파라미터의 적어도 몇몇은 동적으로 조정 가능하게 되거나 또는 튜닝 가능하게 될 필요가 있다. 모든 시스템 파라미터는 최적의 작동 조건을 개략적으로 달성하기 위해 동적으로 조정 가능하게 되거나 튜닝 가능하게 될 수 있다. 그러나, 시스템 파라미터의 전부 또는 일부가 바뀔 수 없는 경우에도, 효율적인 충분한 에너지 교환이 실현될 수 있다. 몇몇 예에서, 디바이스의 적어도 몇몇은 동적으로 조정되지 않을 수도 있다. 몇몇 예에서, 소스의 적어도 몇몇은 동적으로 조정되지 않을 수도 있다. 몇몇 예에서, 중간 공진기의 적어도 몇몇은 동적으로 조정되지 않을 수도 있다. 몇몇 예에서, 시스템 파라미터의 어느 것도 동적으로 조정되지 않을 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 부품의 파라미터에 있어서의 변경은 작동 환경 또는 작동점(operating point)에서의 상이점이 있을 때에 보충적인 또는 반대 방식이나 방향으로 변경되는 특성을 갖는 부품을 선택함으로써 완화될 수 있다. 실시예에서, 시스템은 온도, 전력 레벨, 주파수 등으로 인한 파라미터 변동(parameter fluctuation) 또는 반대 의존성을 갖는 커패시터와 같은 부품으로 설계될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 온도를 함수로 하는 부품의 값들이 시스템 마이크로컨트롤러 내의 룩업 테이블에 저장될 수 있으며, 온도 센서로부터의 판독치가 온도에 의해 야기된 부품 값 변경을 보상하도록 다른 파라미터를 조정하기 위해 시스템 제어 피드백 루프에서 이용될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 부품의 파라미터 값의 변경은 튜닝 가능한 부품을 포함하는 액티브 튜닝 회로로 보상될 수 있다. 부품 및 시스템의 작동 환경과 작동점을 모니터링하는 회로가 설계에 통합될 수도 있다. 모니터링 회로는 부품의 파라미터에서의 변경을 능동적으로 보상하기 위해 필요한 신호를 제공할 수 있다. 예컨대, 온도의 범위에 걸쳐 요구된 커패시턴스를 유지하기 위해 다른 커패시터 또는 튜닝 커패시터에서의 스위칭에 의해 보상을 허용하는 시스템의 커패시턴스에 있어서의 예상된 변화를 계산하기 위해 또는 이 커패시턴의 이전에 측정된 값을 나타내기 위해 온도 판독치가 이용될 수 있다. 실시예에서, 시스템에서의 부품값 또는 부하 변화를 보상하기 위해 RF 증폭기 스위칭 파형이 조정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 부품의 파라미터의 변화는 액티브 냉각, 가열, 능동적 환경 컨디셔닝 등으로 보상될 수 있다.

파라미터 측정 회로는 시스템의 특정한 전력, 전압 및 전류, 신호를 측정하거나 모니터링할 수 있으며, 프로세스 또는 제어 회로가 이들 측정치에 기초하여 특정한 설정치 또는 작동 파라미터를 조정할 수 있다. 이에 부가하여, 시스템 성능을 측정하거나 모니터링하기 위해, 시스템 전반에 걸쳐서의 전압 및 전류 신호의 크기 및 위상과 전력 신호의 크기가 액세스될 수 있다. 본 명세서 전반에 걸쳐서 지칭되는 측정된 신호는 전압 신호, 전류 신호, 전력 신호, 온도 신호 등뿐만 아니라 포트 파라미터 신호(port parameter signal)의 어떠한 조합이어도 된다. 이들 파라미터는 아날로그 또는 디지털 기술을 이용하여 측정될 수 있고, 샘플링 및 처리될 수 있으며, 공지의 다수의 아날로그 및 디지털 처리 기술을 이용하여 디지털화되거나 변환될 수 있다. 실시예에서, 사전에 설정된 값의 특정한 측정량이 시스템 컨트롤러 또는 메모리 위치에 로딩되고, 다양한 피드백 및 제어 루프에서 이용된다. 실시예에서, 측정되거나, 모니터링되거나, 및/또는 사전 설정된 신호의 임의의 조합이 공진기 및/또는 시스템의 작동을 제어하기 위해 피드백 회로 또는 시스템에서 이용될 수 있다.

자기 공진기의 주파수 Q 및/또는 임피던스를 조정하기 위해 조정 알고리즘이 이용될 수 있다. 알고리즘은 시스템에 대한 요구된 작동점으로부터의 편차(deviation)의 정도에 관련된 기준 신호를 입력으로서 취할 수 있으며, 시스템을 요구된 작동점 또는 작동점들 쪽으로 되돌리기 위해 시스템의 변화 가능하거나 조정 가능한 요소를 제어하는 상기한 편차에 관련된 제어 신호 또는 보정치를 출력할 수 있다. 공진기가 무선 전력 전송 시스템에서 전력을 교환하고 있는 동안 자기 공진기에 대한 기준 신호가 획득될 수 있거나, 또는 이들이 시스템 작동 동안 회로에서 벗어나도록 스위칭될 수도 있다. 시스템에 대한 보정은 지속적으로, 주기적으로, 임계치 교차 시에, 디지털 방식으로, 아날로그 방법을 이용하여 등으로 적용되거나 수행될 수 있다.

실시예에서, 손실성 외부 재료(lossy extraneous material) 및 물체가 무선 전력 전송 시스템의 공진기의 자기 및/또는 전기 에너지의 흡수에 의해 잠재적인 효율의 감소를 유발할 수도 있다. 이들 영향은 다양한 실시예에서는 손실성 외부 재료 및 물체의 작용을 최소화하도록 공진기를 위치시킴으로써 그리고 이들의 작용을 최소화하도록 구조적 필드 성형 요소(structural field shaping element)(예컨대, 도전성 구조체, 플레이트 및 시트와, 자기 재료 구조체, 플레이트 및 시트와, 이들의 조합)를 배치함으로써 완화될 수 있다.

공진기에 미치는 손실성 재료의 영향을 감소시키기 위한 한 가지 방법은, 공진기 필드가 손실성 물체를 회피하도록 공진성 필드를 성형하기 위해, 도전율이 높은 재료, 자기 재료, 또는 이들의 조합을 이용하는 것이다. 일례의 실시예에서, 공진기의 전자기장을 편향시킴으로써 공진기의 전자기장이 이들에 인접해 있는 손실성 물체를 회피하도록, 높은 도전율 재료 및 자기 재료의 계층 구조가 공진기의 전자기장을 맞춤, 성형, 지향, 재지향하는 등을 행할 수 있다. 도 2d는 공진기의 필드가 전도체(226) 아래에 있을 수도 있는 손실성 물체를 회피하도록 공진기의 필드를 맞춤하기 위해 이용될 수 있는 자기 재료 아래의 전도체(226)의 시트를 갖는 공진기의 평면도를 도시하고 있다. 우수한 전도체(226)의 층 또는 시트는 소정의 어플리케이션에 대해서는 가장 적합할 수도 있는 바와 같이 구리, 은, 알루미늄과 같은 임의의 높은 도전율 재료를 포함할 수 있다. 특정한 실시예에서, 우수한 전도체의 층 또는 시트는 공진기 작동 주파수에서의 표피 깊이(skin depth)보다 두껍다. 전도체 시트는 공진기의 크기보다 더 커서 공진기의 물리적인 규모(physical extent)를 지나 연장할 수 있는 것이 바람직하다.

전송되고 있는 전력의 양이 액티브 필드 볼륨 내로 침범할 수도 있는 사람 또는 동물에 대해 안전 위험을 나타낼 수 있는 환경 및 시스템에서, 이 시스템에는 안전 대책이 포함될 수 있다. 전력 레벨이 특화된 안전 대책을 요구하는 실시예에서, 공진기의 패키징, 구조, 재료 등은 자기 공진기의 전도 루프로부터 간격 또는 "이격(keep away)" 존을 제공하도록 설계될 수 있다. 그 이상의 보호를 제공하기 위해, 하이-Q 공진기와 전력 및 제어 회로가 인클로저에 위치되어, 높은 전압 또는 전류를 인클로저 내로 제한할 수 있으며, 이것은 공진기 및 전기 부품을 충격, 진동, 긁힘(scrape), 폭발, 및 기타 유형의 기계적 쇼크뿐만 아니라 기후, 습도, 모래, 먼지 및 기타 외부 요소로부터 보호한다. 이러한 인클로저는 전기 부품 및 공진기에 대한 수용 가능한 작동 온도 범위를 유지하기 위해 열소산과 같은 다양한 요인에 대한 주의를 요망한다. 실시예에서, 인클로저는 복합재료(composite), 플라스틱, 나무, 콘크리트 등과 같은 비손실성 재료(non-lossy material)로 구성될 수 있으며, 손실성 물체로부터 공진기 부품까지의 최소 거리를 제공하도록 이용될 수 있다. 금속 물체, 소금물, 오일 등을 포함할 수 있는 손실성 물체 또는 환경으로부터의 최소 분리 거리는 무선 에너지 전달의 효율을 향상시킬 수 있다. 실시예에서, "이격" 존은 공진기 또는 공진기들의 시스템의 동요된 Q를 증가시키기 위해 이용될 수 있다. 실시예에서, 최소 분리 거리는 공진기의 더욱 신뢰 가능한 또는 더욱 일정한 작동 파라미터를 제공할 수 있다.

실시예에서, 공진기 및 이들의 각각의 센서 및 제어 회로는 다른 전자장치와 제어 시스템 및 서브시스템과의 다양한 레벨의 통합을 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전력 및 제어 회로와 디바이스 공진기는 완전히 별개의 모듈이거나 또는 기존의 시스템에 대한 최소의 통합을 갖는 인클로저이며, 전력 출력과 제어 및 진단 인터페이스를 제공한다. 몇몇 실시예에서, 장치는 인클로저 안쪽의 캐비티에 공진기 및 회로 어셈블리를 수용하도록 구성되거나, 또는 장치의 하우징 또는 인클로저 내로 통합된다.

공진기 회로의 예

도 3 및 도 4는 무선 에너지 전달 시스템의 일례의 소스를 위한 전력 생산, 모니터링 및 제어 부품을 나타내고 있는 하이 레벨 블록도를 도시하고 있다. 도 3은 하프-브리지 스위칭 전력 증폭기 및 관련 측정, 튜닝 및 제어 회로의 몇몇을 포함하는 소스는 블록도이다. 도 4는 풀-브리지 스위칭 증폭기 및 관련 측정, 튜닝 및 제어 회로의 몇몇을 포함하는 소스의 블록도이다.

도 3에 도시된 하프-브리지 시스템 토폴로지는 제어 알고리즘(328)을 실행하는 처리 유닛을 포함할 수 있다. 제어 알고리즘(328)을 실행하는 처리 유닛은 마이크로컨트롤러, 어플리케이션 스페시픽 회로(application specific circuit), 필드 프로그래머블 게이트 어레이, 프로세서, 디지털 신호 프로세서 등이어도 된다. 처리 유닛은 단일 디바이스이어도 되고, 또는 디바이스의 네트워크이어도 된다. 제어 알고리즘은 처리 유닛의 임의 부분 상에서 실행될 수 있다. 알고리즘은 특정한 어플리케이션을 위해 커스토마이즈될 수 있고, 아날로그 및 디지털 회로 및 신호의 조합을 포함할 수 있다. 마스터 알고리즘이 전압 신호 및 레벨과, 전류 신호 및 레벨과, 신호 위상과, 디지털 카운트 세팅 등을 측정하고 조정할 수 있다.

시스템은 무선 통신 회로(312)에 연결된 옵션의 소스/디바이스 및/또는 소스/기타 공진기 통신 컨트롤러(332)를 포함할 수 있다. 옵션의 소스/디바이스 및/또는 소스/디바이스 공진기 통신 컨트롤러(332)는 마스터 제어 알고리즘을 실행하는 동일한 처리 유닛의 일부이어도 되고, 마이크로컨트롤러(302) 내의 회로 또는 그 일부분이어도 되고, 무선 전력 전송 모듈의 외부에 있어도 되며, 유선 전력공급 또는 배터리 전력공급 어플리케이션에 사용된 통신 컨트롤러와 실질적으로 유사하지만, 무선 전력 전송을 향상시키고 지원하기 위해 몇몇의 새롭거나 상이한 기능을 포함하도록 적합화될 수도 있다.

시스템은 2개 이상의 트랜지스터 게이트 드라이버(334)에 접속된 PWM 발생기(306)를 포함할 수 있으며, 제어 알고리즘에 의해 제어될 수 있다. 2개의 트랜지스터 게이트 드라이버(334)는 2개의 전력 트랜지스터(336)에 직접 접속되거나, 또는 임피던스 정합 네트워크 부품(342)을 통해 소스 공진기 코일(344)을 구동하는 게이트 드라이브 트랜스포머를 통해 접속될 수 있다. 전력 트랜지스터(336)는 조정 가능한 DC 공급부(304)에 접속되어 전원을 공급받으며, 조정 가능한 DC 공급부(304)는 가변 버스 전압 Vbus에 의해 제어될 수 있다. Vbus 컨트롤러는 제어 알고리즘(328)에 의해 제어될 수 있으며, 마이크로컨트롤러(302) 또는 기타 집적회로의 일부가 되거나 이들에 통합될 수도 있다. Vbus 컨트롤러(326)는 증폭기의 전력 출력 및 공진기 코일(344)에 전달되는 전력을 제어하기 위해 이용될 수 있는 조정 가능한 DC 공급부(304)의 전압 출력을 제어할 수 있다.

시스템은 신호 필터링 및 버퍼링 회로(318, 320)를 포함하는 감지 및 측정 회로를 포함할 수 있으며, 신호 필터링 및 버퍼링 회로는 자신의 입력을 프로세서 및/또는 예컨대 아날로그 대 디지털 변환기(ADC)(314, 316)와 같은 변환기에 제공하기 전에 신호에 대해 성형, 수정, 필터링, 처리, 버퍼링 등을 행할 수 있다. 프로세서 및 ADC(314, 316)와 같은 변환기는 마이크로컨트롤러(302)에 통합될 수도 있고, 또는 처리 코어(330)에 접속될 수 있는 별도의 회로이어도 된다. 측정된 신호에 기초하여, 제어 알고리즘(328)은 PWM 발생기(306), 통신 컨트롤러(332), Vbus 컨트롤러(326), 소스 임피던스 정합 컨트롤러(338), 필터/버퍼링 요소(318, 320), 변환기(314, 316), 및 공진기 코일(344)의 작동을 발생, 제한, 개시, 종료, 제어, 조정, 또는 수정할 수 있으며, 마이크로컨트롤러(302) 또는 별도의 회로의 일부가 되거나 또는 이들에 통합될 수도 있다. 임피던스 정합 네트워크(342) 및 공진기 코일(344)은 본 명세서에 설명된 바와 같이 커패시터, 스위치, 인덕터 등과 같은 전기적으로 제어 가능하거나, 변경 가능하거나, 튜닝 가능한 부품을 포함할 수 있으며, 이들 부품은 소스 임피던스 정합 컨트롤러(338)로부터 수신된 신호에 따라 조정되는 작동점 또는 자신의 부품값을 가질 수 있다. 이들 부품은 공진기에 전달되고 공진기에 의해 전달되는 전력, 공진기의 공진 주파수, 공진기의 임피던스, 공진기의 Q를 포함한 공진기의 작동 및 특성과, 임의의 다른 접속된 시스템 등을 조정하도록 튜닝될 수 있다. 공진기는 커패시터가 로딩된 루프 공진기(capacitively loaded loop resonator), 자기 재료를 포함하는 평판형 공진기(planar resonator), 또는 이들의 임의의 조합을 포함한 본 명세서에 개시된 어떠한 타입 또는 구조의 공진기이어도 된다.

도 4에 도시된 풀-브리지 시스템 토폴로지는 마스터 제어 알고리즘(328)을 실행하는 처리 유닛을 포함할 수 있다. 제어 알고리즘(328)을 실행하는 처리 유닛은 마이크로컨트롤러, 어플리케이션 스페시픽 회로, 필드 프로그래머블 게이트 어레이, 프로세서, 디지털 신호 프로세서 등이어도 된다. 시스템은 무선 통신 회로(312)에 연결된 소스/디바이스 및/또는 소스/기타 공진기 통신 컨트롤러(332)를 포함할 수 있다. 소스/디바이스 및/또는 소스/기타 공진기 통신 컨트롤러(332)는 마스터 제어 알고리즘을 실행하는 동일한 처리 유닛의 일부이어도 되고, 마이크로컨트롤러(302) 내의 회로 또는 그 일부분이어도 되고, 무선 전력 전송 모듈의 외부에 있어도 되며, 유선 전력공급 또는 배터리 전력공급 어플리케이션에 사용된 통신 컨트롤러와 실질적으로 유사하지만, 무선 전력 전송을 향상시키고 지원하기 위해 몇몇의 새롭거나 상이한 기능을 포함하도록 적합화될 수도 있다.

시스템은 마스터 제어 알고리즘에서 발생된 신호에 의해 제어될 수 있는 4개 이상의 트랜지스터 게이트 드라이버(334)에 접속된 2개 이상의 출력을 갖는 PWM 발생기(410)를 포함할 수 있다. 4개의 트랜지스터 게이트 드라이버(334)는 4개의 전력 트랜지스터(336)에 직접 접속되거나, 또는 임피던스 정합 네트워크(342)를 통해 소스 공진기 코일(344)을 구동할 수 있는 게이트 드라이브 트랜스포머를 통해 접속될 수 있다. 전력 트랜지스터(336)는 조정 가능한 DC 공급부(304)에 접속되어 전원을 공급받을 수 있으며, 조정 가능한 DC 공급부(304)는 마스터 제어 알고리즘에 의해 제어될 수 있는 Vbus 컨트롤러(326)에 의해 제어될 수 있다. Vbus 컨트롤러(326)는 증폭기의 전력 출력 및 공진기 코일(344)에 전달되는 전력을 제어하기 위해 이용될 수 있는 조정 가능한 DC 공급부(304)의 전압 출력을 제어할 수 있다.

시스템은 신호 필터링 및 버퍼링 회로(318, 320) 및 차동/싱글 엔디드 변환 회로(402, 404)를 포함하는 감지 및 측정 회로를 포함할 수 있으며, 이들 회로는 신호를 프로세서 및/또는 예컨대 아날로그 대 디지털 변환기(ADC)(314, 316)와 같은 변환기에 입력하기 전에 신호에 대해 성형, 수정, 필터링, 처리, 버퍼링 등을 행할 수 있다. 프로세서 및 ADC(314, 316)와 같은 변환기는 마이크로컨트롤러(302)에 통합될 수도 있고, 또는 처리 코어(330)에 접속될 수 있는 별도의 회로이어도 된다. 측정된 신호에 기초하여, 마스터 제어 알고리즘은 PWM 발생기(410), 통신 컨트롤러(332), Vbus 컨트롤러(326), 소스 임피던스 정합 컨트롤러(338), 필터/버퍼링 요소(318, 320), 차동/싱글 엔디드 변환 회로(402, 404), 변환기(314, 316), 및 공진기 코일(344)의 작동을 발생, 제한, 개시, 종료, 제어, 조정, 또는 수정할 수 있으며, 마이크로컨트롤러(302) 또는 별도의 회로의 일부가 되거나 또는 이들에 통합될 수도 있다.

임피던스 정합 네트워크(342) 및 공진기 코일(344)은 본 명세서에 설명된 바와 같이 커패시터, 스위치, 인덕터 등과 같은 전기적으로 제어 가능하거나, 변경 가능하거나, 튜닝 가능한 부품을 포함할 수 있으며, 이들 부품은 소스 임피던스 정합 컨트롤러(338)로부터 수신된 신호에 따라 조정되는 작동점 또는 자신의 부품값을 가질 수 있다. 이들 부품은 공진기에 전달되고 공진기에 의해 전달되는 전력, 공진기의 공진 주파수, 공진기의 임피던스, 공진기의 Q를 포함한 공진기의 작동 및 특성과, 임의의 다른 접속된 시스템 등의 튜닝을 가능하게 하도록 튜닝될 수 있다. 공진기는 커패시터가 로딩된 루프 공진기, 자기 재료를 포함하는 평판형 공진기, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한 본 명세서에 개시된 어떠한 타입 또는 구조의 공진기이어도 된다.

임피던스 정합 네트워크는 본 명세서에 설명된 바와 같이 커패시터, 인덕터와 같은 고정된 값의 부품 및 부품의 네트워크를 포함할 수 있다. 임피던스 정합 네트워크 A, B 및 C의 부분은 본 명세서에 설명된 바와 같이 인덕터, 커패시터, 트랜스포머, 및 이러한 부품의 직렬 및 병렬 조합을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 임피던스 정합 네트워크 A, B 및 C의 부분은 비어 있는 상태(단락 회로)일 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 부분 B는 인덕터와 커패시터의 직렬 조합을 포함하고, 부분 C는 비어 있는 상태이다.

풀-브리지 토폴로지는 등가의 하프-브리지 증폭기와 동일한 DC 버스 전압을 이용하여 더 높은 출력 전력 레벨에서의 작동을 허용할 수 있다. 도 3의 일례의 하프-브리지 토폴로지는 싱글-엔디드 구동 신호를 제공할 수 있는 한편, 도 4의 일례의 풀-브리지 토폴로지는 소스 공진기(308)에 대한 차동 구동을 제공할 수 있다. 임피던스 정합 토폴로지와 부품 및 공진기 구조는 본 명세서에서 설명된 바와 같이 2개의 시스템에 대해 상이할 수도 있다.

도 3 및 도 4에 도시된 일례의 시스템은 소스 증폭기에서 마이크로컨트롤러의 셧다운을 트리거하거나 또는 증폭기의 작동을 변경하거나 인터럽트하기 위해 이용될 수 있는 장애 검지 회로(fault detection circuitry)(340)를 더 포함할 수 있다. 이 보호 회로는 증폭기 귀환 전류, DC 공급부(304)로부터의 증폭기 버스 전압(Vbus), 소스 공진기(308) 및/또는 옵션의 튜닝 보드 양단의 전압, 또는 시스템 내의 부품에 손상을 야기하거나 또는 바람직하지 않은 작동 조건을 산출할 수 있는 임의의 다른 전압 또는 전류 신호를 모니터링하기 위해 고속 비교기 또는 비교기들을 포함할 수 있다. 바람직한 실시예는 상이한 어플리케이션에 연관된 잠재적으로 바람직하지 않은 작동 모드에 의존할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 보호 회로가 실시되지 않을 수도 있고, 또는 회로가 팝퓰레이트(populate)되지 않을 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 시스템 및 부품 보호는 마스터 제어 알고리즘과 기타 시스템 모니터링 및 제어 회로의 일부로서 실시될 수 있다. 실시예에서, 전용의 장애 검지 회로(340)는, 시스템 셧다운, 출력 전력의 감소(예컨대, Vbus의 감소), PWM 발생기에 대한 변경, 작동 주파수의 변경, 튜닝 요소에 대한 변경, 또는 작동점 모드를 조정하거나, 시스템 성능을 향상시키거나, 및/또는 보호를 제공하기 위해 제어 알고리즘(328)에 의해 실시될 수 있는 임의의 기타 합리적인 동작을 트리거할 수 있는 마스터 제어 알고리즘(328)에 접속된 출력(도시하지 않음)을 포함할 수 있다.

본 명세서에 설명된 바와 같이, 무선 전력 전달 시스템에서의 소스는, 소스 공진기 코일(344)을 구동하는 임피던스 정합 네트워크(342)의 입력 임피던스의 측정치를, 마스터 제어 알고리즘의 일부일 수도 있는 시스템 제어 루프에 대한 오류 또는 제어 신호로서 이용할 수 있다. 일례의 실시예에서, 이들 파라미터의 임의의 조합에서의 변동(variation)이 환경 조건의 변화, 커플링의 변화, 장치 전력 요구의 변화, 모듈, 회로, 부품 또는 서브시스템 성능의 변화, 시스템에서의 소스, 장치 또는 리피터의 개수의 증가 또는 감소, 사용자가 개시한 변화 등을 보상하도록 무선 전력원을 튜닝하기 위해 이용될 수 있다. 일례의 실시예에서, 증폭기 듀티 사이클에 대한 변화, 가변 커패시터 및 인덕터와 같은 가변 전기 부품의 부품값에 대한 변화, 및 DC 버스 전압에 대한 변화는 무선 소스의 작동점 또는 작동 범위를 변경하고 몇몇 시스템 작동값을 향상시키기 위해 이용될 수 있다. 상이한 어플리케이션에 대해 채용되는 제어 알고리즘의 세부사항(specifics)은 요구된 시스템 성능 및 동작에 좌우되어 변경될 수도 있다.

본 명세서에 설명되고 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같은 임피던스 측정 회로는 2채널 동시 샘플링 ADC를 이용하여 구현될 수 있으며, 이들 ADC는 마이크로컨트롤러 칩 내에 통합되거나 별도의 회로의 일부가 될 수 있다. 소스 공진기의 임피던스 정합 네트워크 및/또는 소스 공진기에 대한 입력에서 전압 및 전류 신호를 동시에 샘플링하는 것은, 전류 및 전압 신호의 위상 및 크기 정보를 산출할 수 있으며, 복소 임피던스 파라미터(complex impedance parameter)를 산출하기 위해 공지의 신호 처리 기술을 이용하여 처리될 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 전압 신호만을 모니터링하거나 또는 전류 신호만을 모니터링하는 것으로 충분할 수도 있다.

본 명세서에 설명된 임피던스 측정은 몇몇 다른 공지의 샘플링 방법보다 비교적 간략할 수도 있는 직접 샘플링 방법을 이용할 수도 있다. 실시예에서, 측정된 전압 및 전류 신호는 ADC에 입력되기 전에 필터링/버퍼링 회로에 의해 컨디셔닝, 필터링 및 스케일링될 수 있다. 실시예에서, 필터/버퍼링 회로는 다양한 신호 레벨 및 주파수에서 작동하도록 조정 가능하게 될 수 있으며, 필터 형상 및 폭과 같은 회로 파라미터는 수동으로, 전자 방식으로, 자동으로, 제어 신호에 응답하여, 마스터 제어 알고리즘에 의해 등의 방식으로 조정될 수 있다. 필터/버퍼링 회로의 일례의 실시예가 도 3, 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.

도 5는 필터/버퍼링 회로에서 사용될 수 있는 일례의 회로 부품을 더욱 상세하게 나타내는 도면을 도시하고 있다. 실시예에서, 시스템 설계에서 이용된 ADC의 타입에 좌우되어, 싱글-엔디드 증폭기 토폴로지는 차동 신호 포맷으로부터 싱글-엔디드 신호 포맷으로 변환하기 위한 하드웨어에 대한 필요성을 제거함으로써 시스템, 서브시스템, 모듈 및/또는 부품 성능의 특징을 찾기 위해 이용되는 아날로그 신호 측정 경로의 복잡성을 감소시킬 수 있다. 다른 구현예에서는, 차동 신호 포맷이 바람직할 수도 있다. 도 5에 도시된 구현예는 예시를 위한 것이며, 본 명세서에 설명되는 기능을 구현하기 위한 유일한 가능한 방법인 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 아날로그 신호 경로가 상이한 입력 조건을 갖는 부품을 채용할 수 있고, 그러므로 상이한 신호 경로 아키텍처를 가질 수도 있다는 것을 이해하여야 한다.

싱글 엔디드 및 차동 증폭기 토폴로지 둘 모두에서, 공진기 코일(344)을 구동하는 임피던스 정합 네트워크(342)에 대한 입력 전류는 커패시터(324) 양단의 전압을 측정함에 의해 또는 몇몇 타입의 전류 센서를 통해 획득될 수 있다. 도 3의 일례의 싱글 엔디드 증폭기 토폴로지에 대해, 임피던스 정합 네트워크(342)로부터의 접지 귀환 경로 상에서 전류가 감지될 수 있다. 도 4에 도시된 일례의 차동 전력 증폭기에 대해서는, 공진기 코일(344)을 구동하는 임피던스 정합 네트워크(342)에 대한 입력 전류가 커패시터(324)의 단자를 가로지르는 차동 증폭기를 이용하여 측정되거나 또는 몇몇 타입의 전류 센서를 통해 측정될 수 있다. 도 4의 차동 토폴로지에서, 커패시터(324)는 소스 전력 증폭기의 음의 출력 단자에 복제(duplicate)될 수 있다.

둘 모두의 토폴로지에서, 소스 공진기 및 임피던스 정합 네트워크에 대한 입력 전압 및 전류를 표현하는 싱글 엔디드 신호가 획득된 후, 신호 파형의 요구된 부분을 획득하기 위해 신호가 필터링(502)될 수 있다. 실시예에서, 신호는 신호의 기본적인 성분을 획득하기 위해 필터링될 수도 있다. 실시예에서, 엘립티컬(elliptical), 쉐비세브(Chebyshev), 버터워쓰(Butterworth) 등과 같은 사용된 필터 토폴로지뿐만 아니라 저역 통과, 밴드갭, 노치 등과 같은 수행된 필터링 타입은 시스템의 특정한 조건에 좌우될 수 있다. 몇몇 실시예에서는 필터링이 요구되지 않을 것이다.

전압 및 전류 신호는 옵션의 증폭기(504)에 의해 증폭될 수도 있다. 옵션의 증폭기(504)의 이득은 고정될 수도 있고 가변적일 수도 있다. 증폭기의 이득은 수동으로, 전자 방식으로, 자동으로, 제어 신호에 응답하여 등의 방식으로 제어될 수 있다. 증폭기의 이득은 피드백 루프로, 제어 알고리즘에 응답하여, 마스터 제어 알고리즘에 의해서 등의 방식으로 조정될 수 있다. 실시예에서, 증폭기에 대한 요구된 성능 사양은 신호 세기 및 요구된 측정 정확도에 좌우될 수 있으며, 상이한 어플리케이션 시나리오 및 제어 알고리즘에 대해 상이할 수도 있다.

측정된 아날로그 신호는 이들에게 추가된 DC 오프셋(506)을 가질 수 있으며, 이 오프셋은 신호를 몇몇 시스템에 대해서는 0 내지 3.3 V일 수 있는 ADC의 입력 전압 범위 내로 하기 위해 요구될 수도 있다. 몇몇 시스템에서, 이 스테이지는 사용된 특정한 ADC의 사양에 따라서는 요구되지 않을 수도 있다.

전술한 바와 같이, 전력 발생기와 전력 부하 간의 전력 전송의 효율은 전력 발생기의 출력 임피던스가 부하의 입력 임피던스에 대해 얼마나 밀접하게 정합되는지에 의해 영향을 받게 될 수 있다. 도 6a에 도시된 바와 같은 일례의 시스템에서, 전력은 부하(604)의 입력 임피던스가 전력 발생기 또는 전력 증폭기(602)의 내부 임피던스의 복수 켤레와 동일할 때에 최대의 가능 효율로 부하에 전달될 수 있다. 높은 및/또는 최대 전력 전송 효율을 획득하도록 발생기 또는 부하 임피던스를 설계하는 것은 "임피던스 정합"으로 지칭될 수 있다. 임피던스 정합은 도 6b에 도시된 바와 같이 전력 발생기(602)와 전력 부하(604) 사이에, 임피던 정합 네트워크(606)를 형성하기 위한 커패시터, 저항기, 인덕터, 트랜스포머, 스위치 등과 같은 구성요소의 세트 또는 적합한 네트워크를 삽입함으로써 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 임피던스 정합을 달성하기 위해 구성요소 위치설정에 있어서의 기계적 조정 및 변화가 요구될 수도 있다. 부하를 변경하기 위해 위에서 설명한 바와 같이, 임피던스 정합 네트워크(606)는, 동적인 환경 및 작동 시나리오에서도, 부하 쪽으로 바라보는 발생기 단자에서의 임피던스와 발생기의 특성 임피던스가 실질적으로 서로의 복소 켤레를 유지하도록 하기 위해 동적으로 조정되는 변화 가능한 부품을 포함할 수 있다. 실시예에서, 동적 임피던스 정합은 전력 발생기의 구동 신호의 듀티 사이클, 위상 및/또는 주파수를 튜닝함으로써 또는 도 6c에 도시된 바와 같이 커패시터와 같은 전력 발생기 내의 물리적 부품을 튜닝함으로써 달성될 수 있는 이러한 튜닝 메카니즘은 튜닝 가능한 임피던스 접합 네트워크를 사용하지 않고서도 또는 예컨대 더 적은 튜닝 가능한 부품을 갖는 네트워크와 같은 간략화된 튜닝 가능한 임피던스 정합 네트워크(606)를 이용하여 전력 발생기(608)와 부하 사이의 임피던스 정합을 허용할 수 있기 때문에 이로울 수 있다. 실시예에서, 전력 발생기에 대한 구동 신호의 듀티 사이클, 주파수 및/또는 위상을 튜닝하는 것은 확장된 튜닝 범위 또는 정밀도를 갖거나, 더 높은 전력, 전압 및/또는 전류 용량을 갖거나, 더 빠른 전자식 제어를 갖거나, 더 적은 외부 부품을 갖는 등의 동적인 임피던스 정합 시스템을 산출할 수 있다. 아래에 설명되는 임피던스 정합 방법, 아키텍처, 알고리즘, 프로토콜, 회로, 측정, 제어 등은 본 명세서에 설명된 바와 같이 전력 발생기가 하이-Q 자기 공진기를 구동하는 시스템 및 하이-Q 무선 전력 전송 시스템에 유용할 것이다. 무선 전력 전달 시스템에서, 전력 발생기는 전력 증폭기에 대한 부하일 수도 있는 소스 공진기로서 지칭되기도 하는 공진기를 구동하는 전력 증폭기이어도 된다. 무선 전력 어플리케이션에서, 전력 증폭기로부터 공진기로의 전력 전달의 효율을 제어하기 위해 전력 증폭기와 공진기 부하 간의 임피던스 정합을 제어하는 것이 바람직할 수도 있다. 임피던스 정합은 공진기를 구동하는 전력 증폭기의 구동 신호의 듀티 사이클, 위상 및/또는 주파수를 튜닝하거나 조정함으로써 달성되거나 부분적으로 달성될 수 있다.

스위칭 증폭기의 효율

클래스 D, E, F 증폭기 등과 이들의 임의의 조합과 같은 스위칭 증폭기는 증폭기의 스위칭 요소 상에서 전력이 거의 소모되지 않을 때에 부하에 최대 효율로 전력을 전달한다. 이 작동 조건은 가장 중요한 스위칭 조작(즉, 스위칭 손실을 야기하기 가장 쉬운 조작)이 스위칭 요소 양단의 전압과 스위칭 요소를 통과하는 전류 중의 하나 또는 둘 모두가 거의 영(0)일 때에 행해지도록 시스템을 설계함으로써 달성될 수 있다. 이들 조건은 각각 제로 전압 스위칭(ZVS)과 제로 전류 스위칭(ZCS)으로 지칭될 수 있다. 증폭기가 ZVS 및/또는 ZCS에서 작동할 때, 스위칭 요소 양단의 전압 또는 스위칭 요소를 통과하는 전류 중의 하나가 영(0)이며, 그러므로 스위치에서는 전력이 소모될 수 없다. 스위칭 증폭기가 특정한 주파수 또는 주파수 대역에서 DC(또는 매우 낮은 주파수의 AC) 전력을 AC 전력으로 변환할 수 있으므로, 스위칭 프로세스에 의해 발생될 수 있는 원하지 않는 고조파(harmonic)가 부하에 도달되고 그 부하에서 소멸되는 것을 방지하기 위해 부하 앞에 필터가 도입될 수도 있다. 실시예에서, 스위칭 증폭기는, 품질 인자(quality factor)(즉, Q＞5)를 갖고, 동시적인 ZVS 및 ZCS를 야기할 수 있는

의 특정 임피던스(specific impedance)를 갖는 공진 부하에 접속될 때에 최대 효율의 전력 변환으로 작동하도록 설계될 수 있다. 본 명세서에서는, 최대 전력 전송 효율을 달성하는 것이 증폭기의 특성 임피던스에 공진 부하를 정합시키는 임피던스와 등가가 되도록,

를 증폭기의 특성 임피던스로 정의한다.

스위칭 증폭기에서, 스위칭 요소의 스위칭 주파수 f_switch, 여기서 f_switch = ω/2π, 및 스위칭 요소의 ON 스위치-상태 듀레이션의 듀티 사이클 dc는 증폭기의 모든 스위칭 요소에 대해 동일한 것으로 될 수 있다. 본 명세서에서는, 클래스 D 및 클래스 DE 증폭기 둘 모두, 즉 dc≤50％인 스위칭 증폭기를 지칭하기 위해 "클래스 D"라는 표현을 사용할 것이다.

증폭기의 특성 임피던스의 값은 작동 주파수, 증폭기 토폴로지, 및 스위칭 요소의 스위칭 시퀀스에 좌우될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스위칭 증폭기는 하프-브리지 토폴로지이어도 되며, 몇몇 실시예에서는 풀-브리지 토폴로지이어도 된다. 몇몇 실시예에서, 스위칭 증폭기는 클래스 D이어도 되며, 몇몇 실시예에서는 클래스 E이어도 된다. 위의 실시예의 어떠한 것에서도, 브리지의 요소가 대칭적인 것으로 가정하면, 스위칭 증폭기의 특성 임피던스는 다음의 형태를 갖는다:

(1)

여기서, dc는 스위칭 요소의 ON 스위치-상태의 듀티 사이클이며, 함수 F_R(dc) 및 F_X(dc)가 도 7에 플로트되어 있고(클래스 D 및 E 모두에 대해), ω는 스위칭 요소가 스위칭되는 주파수이며, C_a=n_aC_switc이며, 여기서 n_aC_switc는 트랜지스터 출력 커패시턴스 및 스위치와 병렬로 위치된 가능한 외부 커패시터를 포함한 각각의 스위치 양단의 커패시턴스인 한편, 풀-브리지에 대해서는 n_a=1이고, 하프-브리지에 대해서는 n_a=2이다. 클래스 D에 대해서는, 분석 표현식(analytical expression)을 다음과 같이 작성할 수 있으며,

(2)

여기서, u=π(1-2*dc)이고, 이것은 듀티 사이클 dc가 50％를 향해 증가함에 따라 클래스 D 증폭기의 특성 임피던스 레벨이 감소한다는 것을 나타낸다. dc=50％인 클래스 D 증폭기에 대해서는, ZVS 및 ZCS를 달성하는 것은 스위칭 요소가 실제적으로 출력 커패시턴스를 갖지 않고(C_a=0), 부하가 정확히 공진에 있는(X₀=0) 한편, R₀가 임의의 것(arbitrary)일 수 있을 때에만 가능하다.

임피던스 정합 네트워크

어플리케이션에서, 피구동 부하는 이 부하에 접속된 외부 구동 회로의 특성 임피던스와는 매우 상이한 임피던스를 가질 수 있다. 더욱이, 피구동 부하는 공진 네트워크가 아닐 수도 있다. 임피던스 정합 네트워크(IMN)는 IMN 회로 및 부하를 포함하는 네트워크의 입력에서 보여지는 임피던스를 조절(regulate)하기 위해 도 6b에서와 같이 부하 앞에 접속될 수 있는 회로 네트워크이다. IMN 회로는 통상적으로 구동 주파수에 근접한 공진을 생성함으로써 이러한 조절을 달성할 수 있다. 이러한 IMN 회로가 발생기로부터 부하로의 전력 전송 효율을 최대화하기 위해 요구되는 모든 조건을 달성하므로(공진 및 임피던스 정합 - 스위칭 증폭기에 대한 ZVS 및 ZCS), 실시예에서, IMN 회로는 구동 회로와 부하 사이에 이용될 수 있다.

도 6b에 도시된 구성에 대해, 임피던스 정합 네트워크(IMN) 회로 및 부하를 포함하는(이후 함께 IMN+부하로서 지칭함) 네트워크의 입력 임피던스를

인 것으로 한다. 특성 임피던스 Z₀ = R₀ -jX₀를 갖는 외부 회로에 대한 이 네트워크의 임피던스 정합 조건은

이다.

가변 부하의 튜닝 가능한 임피던스 정합을 위한 방법

부하가 가변 부하이어도 되는 실시예에서, 부하와 선형 전력 증폭기 또는 스위칭 전력 증폭기 등의 외부 구동 회로 간의 임피던스 정합은 가변 부하를 외부 회로의 고정된 특성 임피던스 Z₀에 정합시키도록 조정될 수 있는 조정 가능한/튜닝 가능한 부품을 IMN 회로에 사용함으로써 달성될 수 있다(도 6b). 임피던스의 실수부와 허수부 둘 모두를 정합시키기 위해, IMN에 2개의 튜닝 가능한/조정 가능한 요소가 요구될 수도 있다.

실시예에서, 부하는 임피던스 R+jωL을 갖는 유도성의 것(공진기 코일과 같은)이어도 되며, 이로써 IMN 회로 내의 2개의 튜닝 가능한 요소가 2개의 튜닝 가능한 커패시턴스 네트워크이거나, 또는 하나의 튜닝 가능한 커패시턴스 네트워크와 하나의 튜닝 가능한 인덕턴스 네트워크이거나, 하나의 튜닝 가능한 커패시턴스 네트워크와 하나의 튜닝 가능한 상호 인덕턴스 네트워크이어도 된다.

부하가 가변 부하이어도 되는 실시예에서, 부하와 선형 전력 증폭기 또는 스위칭 전력 증폭기 등의 구동 회로 간의 임피던스 정합은 증폭기의 특성 임피던스 Z₀를 IMN 회로 및 부하(IMN+부하)로 이루어진 네트워크의 변화하는(부하 변동으로 인해) 입력 임피던스에 정합하기 위해 조정될 수 있는 조정 가능한/튜닝 가능한 부품 또는 파라미터를 증폭기에 사용함으로써 달성될 수 있으며, 여기서 IMN 회로 또한 튜닝 가능하여도 된다(도 6c). 임피던스의 실수부와 허수부 둘 모두를 정합시키기 위해, 증폭기 및 IMN 회로 내의 총 2개의 튜닝 가능한/변화 가능한 요소 또는 파라미터가 요구될 수 있다. 개시된 임피던스 정합 방법은 IMN 회로에서 요구되는 튜닝 가능한/변화 가능한 요소의 개수를 감소시키거나 또는 심지어는 IMN 회로에서의 튜닝 가능한/변화 가능한 요소에 대한 요구를 완전히 제거할 수 있다. 몇몇 예에서는, 전력 증폭기에서의 하나의 튜닝 가능한 요소와 IMN 회로에서의 하나 이상의 튜닝 가능한 요소가 사용될 수 있다. 몇몇 예에서는, 전력 증폭기에 2개의 튜닝 가능한 요소가 사용되고, IMN 회로에는 튜닝 가능한 요소가 사용되지 않을 수도 있다.

실시예에서, 전력 증폭기에서의 튜닝 가능한 요소 또는 파라미터는 트랜지스터, 스위치, 다이오드 등에 인가되는 구동 신호의 주파수, 진폭, 위상, 파형, 듀티 사이클 등이어도 된다.

실시예에서, 튜닝 가능한 특성 임피던스를 갖는 전력 증폭기는 클래스 D, E, F 또는 이들의 임의의 조합의 튜닝 가능한 스위칭 증폭기이어도 된다. 수식 (1)과 (2)를 조합하면, 이 네트워크에 대한 임피던스 정합 조건은 다음과 같다:

(3)

튜닝 가능한 스위칭 증폭기의 몇몇 예에서, 하나의 튜닝 가능한 요소는 커패시턴스 C_a이어도 되며, 이 커패시턴스는 스위칭 요소와 병렬로 위치된 외부 커패시터를 튜닝함으로써 튜닝될 수 있다.

튜닝 가능한 스위칭 증폭기의 몇몇 예에서, 하나의 튜닝 가능한 요소는 증폭기의 스위칭 요소의 ON 스위치-상태의 듀티 사이클 dc이어도 된다. 출력 전력 제어를 달성하기 위해 스위칭 증폭기에서는 펄스폭 변조(PWM)를 통해 듀티 사이클 dc를 조정하는 것이 이용되어 왔다. 본 명세서에서는 임피던스 정합을 달성하기 위해, 즉 수식 (3)을 충족시키고 그에 따라 증폭기 효율을 최대화하기 위해, PWM 또한 사용될 수 있는 것으로 개시한다.

튜닝 가능한 스위칭 증폭기의 몇몇 예에서, 하나의 튜닝 가능한 요소는 스위칭 주파수이어도 되며, 이 스위칭 주파수는 또한 IMN+부하 네트워크의 구동 주파수이고, IMN+부하 네트워크의 공진 주파수에 실질적으로 근접하게 되도록 설계될 수 있다. 스위칭 주파수를 튜닝하는 것은 증폭기의 특성 임피던스 및 IMN+부하 네트워크의 임피던스를 변경시킬 수 있다. 증폭기의 스위칭 주파수는 수식 (3)이 충족되도록 하나 이상의 튜닝 가능한 파라미터와 함께 적절하게 튜닝될 수 있다.

동적 임피던스 정합을 위해 증폭기의 듀티 사이클 및/또는 구동 주파수를 튜닝하는 이점은, 이들 파라미터가 전자 방식으로 신속하게 넓은 범위에 걸쳐 튜닝될 수 있다는 것이다. 반대로, 예컨대, 커다란 전압을 지속시킬 수 있고, 커다란 충분한 튜닝 가능한 범위 및 품질 인자를 갖는 튜닝 가능한 커패시터는, 고가이거나, 속도가 느리거나, 필요한 부품 사양과 함께 이용 가능하지 않을 수도 있다.

가변 부하의 튜닝 가능한 임피던스 정합을 위한 방법의 예

클래스 D 전력 증폭기(802), 임피던스 정합 네트워크(804) 및 유도성 부하(806)의 회로 레벨 구조를 보여주는 간략화된 회로도가 도 8에 도시되어 있다. 이 도면은 전력원(810), 스위칭 요소(808) 및 커패시터를 포함하는 스위칭 증폭기(804)와, 인덕터 및 커패시터를 포함하는 임피던스 정합 네트워크(804)와, 인덕터 및 저항기로서 모델링된 부하(806)를 갖는 시스템의 기본 부품을 도시하고 있다.

본 발명의 튜닝 방식의 일례의 실시예는 스위치 주파수 f로 작동하고 도 8에 도시된 바와 같이 IMN을 통해 저손실 유도성 요소 R+jωL을 구동하는 하프-브리지 클래스 D 증폭기를 포함한다.

몇몇 실시예에서, L'은 튜닝 가능하게 되어도 된다. L'은 인덕터 상의 가변 탭핑 포인트(variable tapping point)에 의해 튜닝되거나 또는 튜닝 가능한 커패시터를 인덕터에 직렬 또는 병렬로 연결함으로써 튜닝될 수 있다. 몇몇 실시예에서는 C_a가 튜닝 가능하게 되어도 된다. 하프-브리지 토폴로지에 대해, C_a는 커패시터 C_switc의 하나 또는 둘 모두를 변화시킴으로써 튜닝될 수 있으며, 그 이유는 이들 커패시터의 병렬 합만이 증폭기 작동을 위해 중요하기 때문이다. 풀-브리지 토폴로지에 대해, C_a는 1개, 2개, 3개 또는 모든 커패시터 C_switc를 변화시킴으로써 튜닝될 수 있으며, 그 이유는 이들의 조합(브리지의 2개의 반부(half)에 연관된 2개의 병렬 합의 직렬 합)만이 증폭기 작동을 위해 중요하기 때문이다.

튜닝 가능한 임피던스 정합의 몇몇 실시예에서, IMN의 부품 중의 2개가 튜닝 가능하게 될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, L' 및 C₂가 튜닝될 수 있다. 도 9는 유도성 요소의 변화하는 R 및 L의 함수로서 임피던스 정합을 달성하기 위해 요구된 2개의 튜닝 가능한 부품의 값들과, f=250㎑, dc=40％, C_a=640pF 및 C₁=10nF에 대하여 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서의)의 연관된 변동을 나타내고 있다. IMN이 항상 증폭기의 고정된 특성 임피던스로 조정하므로, 유도성 요소가 변화하고 있는 때에 출력 전력은 항상 일정하다.

튜닝 가능한 임피던스 정합의 몇몇 실시예에서, 스위칭 증폭기 내의 요소 또한 튜닝 가능하게 될 수 있다. 몇몇 실시예에서, IMN 커패시터 C₂와 함께 커패시턴스 C_a가 튜닝될 수 있다. 도 10은 유도성 요소의 변화하는 R 및 L의 함수로서 임피던스 정합을 달성하기 위해 요구된 2개의 튜닝 가능한 부품의 값들과, f=250㎑, dc=40％, C₁=10nF 및 ωL'=1000Ω에 대하여 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서의)의 연관된 변동을 나타내고 있다. 도 10으로부터 L에서의 변동에 응답하여 주로 C₂가 튜닝될 필요가 있고, R이 증가함에 따라 출력 전력이 감소한다는 것을 추론할 수 있다.

튜닝 가능한 임피던스 정합의 몇몇 실시예에서, IMN 커패시터 C₂와 함께 듀티 사이클 dc이 튜닝될 수 있다. 도 11은 유도성 요소의 변화하는 R 및 L의 함수로서 임피던스 정합을 달성하기 위해 요구된 2개의 튜닝 가능한 부품의 값들과, f=250㎑, C_a=640pF, C₁=10nF 및 ωL'=1000Ω에 대하여 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서의)의 연관된 변동을 나타내고 있다. 도 11로부터 L에서의 변동에 응답하여 주로 C₂가 튜닝될 필요가 있고, R이 증가함에 따라 출력 전력이 감소한다는 것을 추론할 수 있다.

튜닝 가능한 임피던스 정합의 몇몇 실시예에서, IMN 인덕터 L'과 함께 커패시턴스 C_a가 튜닝될 수 있다. 도 11a는 유도성 요소의 변화하는 R의 함수로서 임피던스 정합을 달성하기 위해 요구된 2개의 튜닝 가능한 부품의 값들과, f=250㎑, dc=40％, C₁=10nF 및 C₂=7.5nF에 대하여 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서의)의 연관된 변동을 나타내고 있다. 도 11a로부터 R이 증가함에 따라 출력 전력이 감소한다는 것을 추론할 수 있다.

튜닝 가능한 임피던스 정합의 몇몇 실시예에서, IMN 인덕터 L'과 함께 듀티 사이클 dc가 튜닝될 수 있다. 도 11b는 유도성 요소의 변화하는 R의 함수로서 임피던스 정합을 달성하기 위해 요구된 2개의 튜닝 가능한 파라미터들의 값들과, 유도성 요소의 변화하는 R의 함수로서 f=250㎑, C_a=640pF, C₁=10nF 및 C₂=7.5nF에 대한 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서의)의 연관된 변동을 나타내고 있다. 도 11b로부터 R이 증가함에 따라 출력 전력이 감소한다는 것을 추론할 수 있다.

튜닝 가능한 임피던스 정합의 몇몇 실시예에서, IMN 내의 튜닝 가능한 요소 없이 스위칭 증폭기 내의 요소만이 튜닝될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 커패시턴스 C_a와 함께 듀티 사이클이 튜닝될 수 있다. 도 11c는 유도성 요소의 변화하는 R의 함수로서 임피던스 정합을 달성하기 위해 요구된 2개의 튜닝 가능한 파라미터들의 값들과, f=250㎑, C₁=10nF, C₂=7.5nF 및 ωL'=1000Ω에 대한 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서의)의 연관된 변동을 나타내고 있다. 도 11c로부터 출력 전력인 R의 비단조 함수(non-monotonic function)라는 것을 추론할 수 있다. 이들 실시예는 L(및 그에 따라 공진 주파수)에서의 변동이 보통(modest)인 때에 동적인 임피던스 정합을 달성할 수 있다.

몇몇 실시예에서, IMN 내부의 고정된 요소와의, 또한 L이 전술한 바와 같이 크게 변화하고 있는 때의, 동적 임피던스 정합은 외부 주파수 f(예컨대, 스위칭 증폭기의 스위칭 주파수)의 구동 주파수를 공진기의 변화하는 공진 주파수를 따르도록 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 스위칭 주파수 f 및 스위치 듀티 사이클 ds를 2개의 가변 파라미터로서 이용하면, R과 L이 어떠한 가변 부품의 필요 없이도 변화함에 따라 전체 임피던스 정합이 달성될 수 있다. 도 12는 유도성 요소의 변화하는 R 및 L의 함수로서 임피던스 정합을 달성하기 위해 요구되는 2개의 튜닝 가능한 파라미터들의 값들과, C_a=640pF, C₁=10nF, C₂=7.5nF 및 L'=637μH에 대한 증폭기의 출력 전력(주어진 DC 버스 전압에서의)의 연관된 변동을 나타내고 있다. 도 12로부터 전술한 바와 같이 L에서의 변동에 응답하여 주파수 f가 주로 튜닝될 필요가 있다는 것을 추론할 수 있다.

무선 전력 전송의 시스템을 위한 튜닝 가능한 임피던스 정합

무선 전력 전달의 어플리케이션에서, 저손실성 유도성 요소는 하나 이상의 디바이스 공진기 또는 예컨대 리피터 공진기와 같은 기타 공진기에 결합된 소스 공진기의 코일이어도 된다. 유도성 요소의 임피던스 R+jωW는 소스 공진기의 코일 상에 다른 공진기의 반사 임피던스(reflected impedance)를 포함할 수 있다. 유도성 요소의 R 및 L의 변동은 소스 공진기 및/또는 기타 공진기 부근에서의 외부 동요(external perturbation) 또는 부품의 더멀 드리프트(thermal drift)로 인해 발생할 수 있다. 유도성 요소의 R 및 L의 변동은 또한 소스에 대한 디바이스 공진기 및 기타 공진기의 상대적인 움직임으로 인해 무선 전력 전송 시스템의 정상적인 사용 동안에도 발생할 수 있다. 소스에 대한 디바이스 공진기 및 기타 공진기의 상대적인 움직임 또는 기타 소스의 상대적인 움직임 또는 위치는 소스에 대한 장치의 변화하는 결합(및 그에 따라 변화하는 반사 임피던스)를 야기할 수 있다. 더욱이, 유도성 요소의 R 및 L의 변동은 또한 다른 결합된 공진기들 내에서의 변화, 예컨대 이들의 부하의 파워 드로우(power draw)의 변화로 인해 무선 전력 전송 시스템의 정상적인 사용 동안에도 발생할 수 있다. 지금까지 개시한 방법 및 실시예 모두는 이 유도성 요소를 구동하는 외부 회로에 대한 이 유도성 요소의 동적인 임피던스 정합을 달성하기 위해 이 경우에도 적용된다.

무선 전력 전송 시스템을 위한 현재 개시된 동적 임피던스 정합 방법을 입증하기 위해, 저항성 부하를 구동하는 디바이스 공진기의 디바이스 코일에 유도성으로 결합되는 저손실성 소스 코일을 포함하는 소스 공진기를 고려한다.

몇몇 실시예에서는, 동적 임피던스 정합이 소스 회로에서 달성될 수 있다. 몇몇 실시예에서는, 동적 임피던스 정합이 또한 디바이스 회로에서도 달성될 수 있다. 완전한 임피던스 정합이 획득될 때(소스 및 디바이스 둘 모두에서), 소스 임피던스 요소의 실효 저항(effective resistance)(즉, 소스 코일의 저항 R_s + 디바이스로부터의 반사 임피던스)은

이다(유사하게, 디바이스 유도성 요소의 실효 저항은

이며, 여기서 R_d는 디바이스 코일의 저항이다). 움직임으로 인한 코일들 간의 상호 인덕턴스의 동적인 변동은

의 동적인 변동을 발생한다. 따라서, 소스 및 디바이스 둘 모두가 동적으로 튜닝될 때, 상호 인덕턴스의 변동이 소스 회로측으로부터 소스 유도성 요소 저항 R에서의 변동으로서 보이게 된다. 이 유형의 변동에서, L이 변경되지 않고 않을 수도 있기 때문에, 공진기의 공진 주파수는 실질적으로 변경되지 않을 수도 있다는 것에 유의하기 바란다. 따라서, 동적 임피던스 정합을 위해 제공된 방법 및 예의 모두가 무선 전력 전송 시스템의 소스 회로를 위해 이용될 수 있다.

저항 R이 소스 코일 및 소스 코일에 대한 디바이스 코일의 반사 임피던스 둘 모두를 표현하므로, 도 9 내지 도 12에서, 증가하는 U로 인해 R이 증가할 때, 연관된 전력 전송 효율이 증가한다. 몇몇 실시예에서, 디바이스 회로에 의해 구동된 부하에는 대략적으로 일정한 전력이 요구될 수도 있다. 디바이스에 전송되는 일정한 레벨의 전력을 달성하기 위해, 소스 회로의 요구된 출력 파워는 U가 증가할 때에 감소할 필요가 있을 수 있다. 증폭기 파라미터의 몇몇 파라미터의 튜닝을 통해 동적 임피던스 정합이 달성되면, 증폭기의 출력 전력이 그에 따라 변화될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 출력 전력의 자동 변동이 R에 따라 단조적으로(monotonically) 감소하게 되는 것이 바람직하며, 이로써 출력 전력이 일정한 디바이스 전력 요건에 부합하게 된다. 전력 발생기의 DC 구동 전압을 조정함으로써 출력 전력 레벨이 달성되는 실시예에서, R에 대한 단조적으로 감소하는 출력 전력을 야기하는 튜닝 가능한 파라미터의 임피던스 정합 세트를 이용하는 것은, DC 구동 전압의 보통의 조정(moderate adjustment)만으로도 디바이스 내의 전력 부하에서 일정한 전력이 유지될 수 있다는 것을 암시할 것이다. 출력 전력 레벨을 조정하기 위한 "노브(knob)"가 임피던스 정합 네트워크 내부의 부품 또는 스위칭 증폭기의 듀티 사이클 dc 또는 위상인 실시예에서, R에 대한 단조적으로 감소하는 출력 전력을 야기하는 튜닝 가능한 파라미터의 임피던스 정합 세트를 이용하는 것은, 이 전력 "노브"의 보통의 조정만으로 디바이스 내의 전력 부하에서 일정한 전력이 유지될 수 있다는 것을 암시할 것이다.

도 9 내지 도 12의 예에서, R_s=0.19Ω 이면, R=0.2∼2Ω의 범위는 대략 U_sd=0.3∼10.5에 대응한다. 이들 값에 대해, 도 14에는, 소스 및 디바이스 둘 모두가 동적으로 임피던스 정합된 때에는, 부하에서 일정한 전력 레벨을 유지하기 위해 요구된 출력 전력(DC 전압의 제곱으로 정규화된)을 점선으로 나타내고 있다. 실선과 점선 간의 유사한 추세는 출력 전력의 이러한 변동을 갖는 튜닝 가능한 파라미터의 세트가 바람직할 수 있는지에 대한 이유를 설명한다.

몇몇 실시예에서는, 동적 임피던스 정합이 소스 회로에서 달성될 수 있지만, 임피던스 정합은 달성되지 않을 수도 있고 또는 디바이스 회로에서 부분적으로만 달성될 수도 있다. 소스 코일과 디바이스 코일 간의 상호 인덕턴스가 변화할 때에, 소스에 대한 디바이스의 변화하는 반사 임피던스는 소스 유도성 요소의 유효 저항 R 및 유효 인덕턴스 L 둘 모두의 변동을 발생할 수 있다. 동적 임피던스 정합에 대해 지금까지 제시한 방법은 무선 전력 전송 시스템의 튜닝 가능한 소스 회로에의 적용 및 이용이 가능하다.

일례로서, 도 14의 회로를 고려하면, 여기서 f=250㎑, C_a=640pF, R_s=0.19Ω, L_s=100μH, C_1s=10nF, ωL'_s=1000Ω, R_d=0.3Ω, L_d=40μH, C_1d=87.5nF, C_2d=13nF, ωL'_d=400Ω 및 Z_l=50Ω 이며, 여기서 s와 d는 각각 소스 공진기와 디바이스 공진기를 나타내고, 시스템은 U_sd=3에서 정합된다. 튜닝 가능하지 않은 디바이스가 소스에 관련하여 이동하여 소스와 디바이스 간의 상호 인덕턴스 M을 변경시킬 때에, 소스를 동적으로 임피던스 정합시키기 위해 스위칭 증폭기 및 커패시터 C_2s의 듀티 사이클을 튜닝하는 것이 이용될 수 있다. 도 14에는, 튜닝 가능한 파라미터의 요구된 값을 증폭기의 DC 전압 당의 출력 전력과 함께 도시하고 있다. 점선은 역시 부하에서의 전력이 일정한 값이 되도록 하기 위해 요구되는 증폭기의 출력 전력을 나타낸다.

몇몇 실시예에서, 소스와 하나 이상의 디바이스 간의 무선 전력 전송의 시스템을 위한 소스에서의 동적 임피던스 정합을 달성하기 위해 여전히 소스 구동 회로의 구동 주파수 f를 튜닝하는 것이 이용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 이 방법은 소스 인덕턴스 L_s와 그에 따라 소스 공진 주파수에서 변동이 있을 때에도 소스의 완전하게 동적인 임피던스 정합을 가능하게 한다. 소스로부터 디바이스로의 효율적인 전력 전송을 위해, 디바이스 공진 주파수는 정합된 구동 주파수 및 소스-공진 주파수의 변동을 따르도록 튜닝되어야 한다. 소스 공진기 또는 디바이스 공진기 중의 어느 하나의 공진기의 공진 주파수에서 변동이 있는 때에는, 디바이스 커패시턴스(예컨대, 도 13의 실시예에서는 C_1d 또는 C_2d)를 튜닝하는 것이 필수적일 수 있다. 실제로, 복수의 소스 및 디바이스를 갖는 무선 전력 전달 시스템에서, 구동 주파수를 튜닝하는 것은 단지 하나의 소스-대상물 공진 주파수만을 튜닝할 필요성을 완화시키지만, 대상물의 나머지 모두가 자신의 공진 주파수를 구동 주파수에 부합하도록 튜닝하기 위한 메카니즘(튜닝 가능한 커패시턴스와 같은)을 필요로 할 수 있다.

공진기 열 관리

무선 에너지 전달 시스템에서, 무선 전달 프로세스 동안 손실된 에너지의 어느 정도의 부분은 열로 소비된다. 에너지는 공진기 부품 자체에서 소비될 수 있다. 예컨대, 보통의 하이-Q 전도체 및 부품은 약간의 손실 또는 저항을 가지며, 이들 전도체 및 부품은 이들을 통해 전기 전류 및/또는 전자기장이 흐를 때에 가열될 수 있다. 에너지는 공진기 주위의 재료 및 물체에서 소비될 수 있다. 예컨대, 공진기를 둘러싸거나 또는 공진기 가까이에 있는 불완전한 전도체 또는 유전체에서 소멸되는 멤돌이 전류(eddy current)는 이들 물체를 가열할 수 있다. 이들 물체의 재료 특성에 영향을 주는 것에 추가하여, 이 열은 도전, 복사 또는 대류 프로세스를 통해 공진기 부품에 전달될 수 있다. 이들 가열 효과들 중의 어떠한 효과는 공진기 Q, 임피던스, 주파수 등과 그에 따라 무선 에너지 전달 시스템의 성능에 영향을 줄 수 있다.

자기 재료의 블록 또는 코어를 포함하는 공진기에서, 유기된 멤돌이 전류에 의해 발생되는 저항성 손실 및 이력 손실(hysteresis losse)로 인해 자기 재료에서 열이 발생될 수 있다. 둘 모두의 작용은 재료에서의 자속 밀도에 좌우되며, 이 둘 모두는 특히 자속 밀도 또는 멤돌이 전류가 집중되거나 국소화될 수 있는 영역에서 상당한 양의 열을 생성할 수 있다. 자속 밀도에 추가하여, 진동 자기장(oscillating magnetic field)의 주파수, 자기 재료 조성 및 손실, 및 자기 재료의 주변 온도 또는 작동 온도가 이력 손실 및 저항성 손실이 재료를 얼마나 가열하는지에 영향을 줄 수 있다.

실시예에서, 자기 재료의 가열을 최소화하기 위한 특정한 작동 전력 레벨 및 환경을 위하여 재료의 타입, 블록의 치수 등과 같은 자기 재료의 성질과 자기장 파라미터가 선택될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 자기 재료의 블록에서의 변경, 크랙 또는 결함(imperfection)이 무선 전력 전송 어플리케이션에서의 자기 재료의 손실 및 가열을 증가시킬 수도 있다.

결함을 갖거나, 또는 더 큰 유닛으로 배열되는 더 작은 크기의 타일 또는 피스의 자기 재료로 구성되는 자기 블록에 대해, 블록에서의 손실은 고르지 않을 수도 있으며, 자기 재료의 인접한 타일 또는 피스들 간의 비교적 좁은 갭 또는 불균질성(inhomogeneity)이 있는 영역에 집중될 수도 있다. 예컨대, 재료의 자기 블록에 불규칙한 갭이 존재하는 경우, 재료를 통한 다양한 자속 경로의 실효 릴럭턴스(effective reluctance)가 실질적으로 불규칙할 것이며, 자기 릴럭턴스가 가장 낮은 블록의 부분에 자기장이 보다 집중될 수 있다. 몇몇 경우에, 실효 릴럭턴스는 타일들 또는 피스들 사이의 갭이 가장 좁거나 또는 결함 밀도가 가장 낮은 곳에서 최저가 될 수 있다. 자기 재료가 자기장을 안내하기 때문에, 자속 밀도는 블록에 걸쳐 실질적으로 균일하지 않을 수도 있지만, 상대적으로 더 낮은 릴럭턴스를 제공하는 영역에 집중될 수 있다. 자기 재료의 블록 내의 자기장의 불규칙한 집중은 재료에서의 고르지 않은 손실 및 열소산을 발생할 수도 있기 때문에 바람직하지 않을 것이다.

예컨대, 2개의 개별 타일(1502, 1504)이 도 15에 도시된 바와 같이 전도체(1506) 루프의 축에 수직을 이루는 심(seam)(1508)을 형성하도록 이들 2개의 개별 타일(1502, 1504)로 구성된 자기 재료의 블록 둘레에 감겨진 전도체(1506)를 포함하는 자기 공진기를 고려하여 설명한다. 자기 재료(1502, 1504)의 타일들 간의 심(1508)에서의 불규칙한 갭은 공진기의 자기장(1512)(점선 자기장 라인에 의해 개략적으로 나타낸)을 자기 재료의 횡단면의 하위 영역(1510)에 집중되도록 할 수 있다. 자기장이 최소 릴럭턴스의 경로를 따를 것이므로, 자기 재료의 2개의 피스들 사이의 에어 갭을 포함하는 경로는 자기 재료의 피스들이 서로 닿거나 또는 더 작은 에어 갭을 갖는 지점에서의 자기 재료의 폭을 가로지르는 릴럭턴스 경로보다 실제로 더 높은 릴럭턴스 경로(effectively higher reluctance path)를 생성할 수 있다. 따라서, 자속 밀도는 우선적으로 자기 재료의 상대적으로 작은 교차 영역(cross area)을 통해 흘러서 그 작은 영역(1510)에 자속의 높은 집중을 발생할 수 있다.

관심의 대상이 되는 다수의 자기 재료에서, 더욱 불균질한 자속 분포는 더 높은 전체 손실을 야기한다. 더욱이, 더욱 불균질한 자속 분포는 자기 포화를 발생할 수 있고, 자속이 집중되는 영역의 국소 가열을 야기할 수 있다. 국소 가열은 자기 재료의 성질을 변경시켜, 일부 경우에는 손실을 악화시킬 수 있다. 예컨대, 몇몇 재료의 관련 작동 체제에서, 이력 손실 및 저항성 손실은 온도에 따라 증가한다. 재료를 가열하는 것이 재료 손실을 증가시켜 더 많은 가열을 발생하면, 재료의 온도는 지속적으로 증가할 수 있고, 이를 보완하는 동작이 취해지지 않으면 심지어는 걷잡을 수 없게(runaway) 될 수 있다. 몇몇 경우에, 온도는 100C 이상에 도달할 수 있으며, 자기 재료의 성질 및 무선 전력 전달의 성능을 저하시킬 수 있다. 몇몇 경우에는, 자기 재료가 손상을 입게 될 수 있거나, 또는 주변 전자 부품, 패키징 및/또는 인클로저가 과도한 열에 의해 손상을 입게 될 수 있다.

실시예에서, 자기 재료의 블록의 타일들 또는 피스들 간의 변동 또는 불규칙성은 자기 재료의 타일들 간의 충밀한 맞춤(tight fit)이 이루어지게 하여 자기 재료의 블록의 전체 횡단면을 통해 실질적으로 더욱 균일한 릴럭턴스를 제공하기 위해 타일 또는 피스의 가장자리에 대해 기계 가공(machining), 폴리싱, 그라인등 등을 행함으로써 최소화될 수 있다. 실시예에서, 자기 재료의 블록은 타일들이 갭 없이 함께 충밀하게 프레스되도록 하기 위해 타일들 간에 압박력을 제공하기 위한 수단을 요구할 수도 있다. 실시예에서, 타일들이 충밀한 접촉을 유지하도록 하기 위해 타일들 간에 접착제가 이용될 수도 있다.

실시예에서, 자기 재료의 인접한 타일들 간의 불규칙적인 간격은 자기 재료의 인접한 타일들 간에 의도적인 갭(deliberate gap)을 추가함으로써 감소될 수 있다. 실시예에서, 의도적인 갭은 자기 재료 타일들 또는 피스들 간의 고른 분리 또는 규칙적인 분리를 보장하기 위해 스페이서로서 이용될 수 있다. 가요성 재료의 의도적인 갭은 또한 타일 이동 또는 진동으로 인한 간격의 불규칙성을 감소시킬 수 있다. 실시예에서, 자기 재료의 인접한 타일들의 가장자리는 멤돌이 전류가 블록의 감소된 횡단면 영역을 통해 흐르는 것을 방지하여 자기 재료에서의 멤돌이 전류 손실을 낮추기 위해 전기 절연체로 테이핑, 디핑(dipping), 코팅 등이 행해질 수 있다. 실시예에서, 공진기 패키징 내에 세퍼레이터(separator)가 통합될 수도 있다. 스페이서가 1 mm 또는 그 미만의 간격을 제공할 수 있다.

실시예에서, 타일들 사이의 스페이서의 기계적 성질은 외부 충격 및 진동뿐만 아니라 고유 작용(예컨대, 자기변형(magnetostriction), 열팽창 등)으로 인한 타일의 치수 및/또는 형상에서의 변화와 같은 기계적 작용에 대한 전체 구조의 저항력(tolerance)을 향상시키도록 선택될 수 있다. 예컨대, 스페이서는 개별 타일의 팽창 및/또는 수축을 수용하기 위해 요구된 양의 기계적 탄력성(mechanical give)을 가질 수 있으며, 타일들이 기계적 진동을 받게 될 때에 타일에 미치는 스트레스를 감소시키는데 도움을 주어, 자기 재료에서의 크랙 및 기타 결함의 출현을 감소시키는데 도움을 줄 수 있다.

실시예에서, 자기 재료의 블록을 포함하는 개별 타일들을 공진기의 다이폴 모멘트에 수직을 이루는 타일들 간의 심 또는 갭의 수를 최소화하도록 배치하는 것이 바람직할 수 있다. 실시예에서, 공진기를 포함하는 전도체의 루프에 의해 형성된 축에 수직을 이루는 타일들 간의 갭을 최소화시키도록 자기 재료의 타일들을 배열 및 지향시키는 것이 바람직할 수 있다.

예컨대, 도 16에 도시된 공진기 구조를 고려하여 설명한다. 공진기는 3×2 어레이로 배열된 6개의 별도의 개별 타일(1602)을 포함하는 자기 재료의 블록의 주위에 감겨진 전도체(1604)를 포함한다. 타일들의 배열은, 자기 재료의 블록을 한 방향으로 가로지를 때의 2개의 타일 심(1606, 1608)과, 자기 재료의 블록을 직교 방향으로 가로지를 때의 하나의 타일 심(1610)을 발생한다. 실시예에서, 공진기의 다이폴 모멘트가 더 적은 수의 타일 심에 직각을 이루도록 자기 재료의 블록의 둘레에 전도체 와이어(1604)를 감는 것이 바람직할 수 있다. 본 발명의 발명자는 공진기의 다이폴 모멘트에 평행을 이루는 심 및 갭(1606, 1608) 주위에 상대적으로 적은 가열이 유기되는 것을 관찰하였다. 공진기의 다이폴 모멘트에 수직으로 연장하는 심 및 갭은 또한 임계 심(critical seam) 또는 임계 심 영역으로서 지칭될 수도 있다. 그러나, 멤돌이 전류 손실을 감소시키기 위해 공진기의 다이폴 모멘트에 평행하게 연장하는 갭(1606 및 1608과 같은)을 전기적으로 절연시키는 것이 여전히 바람직할 것이다.

실시예에서, 간격의 불규칙성은 자기 재료가 가열될 때의 재료 성질의 국소적인 열화를 방지하기 위한 임계 심 영역의 적절한 냉각으로 극복될 수 있다. 자기 재료의 온도를 임계 온도 아래로 유지하는 것은 충분히 높은 온도에 의해 야기되는 런어웨이 효과(runaway effect)를 방지할 수 있다. 임계 실 영역의 적절한 냉각으로, 타일들 간의 불규칙한 간격, 크랙 또는 갭으로 인한 추가의 손실 및 가열 작용에도 불구하고 무선 에너지 전달 성능이 만족스럽게 이루어질 수 있다.

자기 재료의 과도한 국소 가열을 방지하기 위한 공진기 구조물의 효율적인 히트싱킹은 여러 가지의 도전 과제를 갖고 있다. 히트싱크 및 열전도를 위해 통상적으로 이용되는 금속성 재료는 공진기에 의한 무선 에너지 전달을 위해 이용되는 자기장과 상호작용할 수 있고, 시스템의 성능에 영향을 줄 수 있다. 이들의 위치, 크기, 지향방향 및 사용법은 히트싱킹 재료의 존재 시에 공진기의 동요된 Q를 과도하게 낮추지 않도록 설계되어야 한다. 이에 부가하여, 페라이트와 같은 자기 재료의 비교적 열악한 열전도율 때문에, 적정한 냉각을 제공하기 위해서는 히트싱크와 자기 재료 간의 비교적 큰 접촉 면적이 요구될 수 있으며, 이것은 자기 공진기에 인접한 상당한 양의 손실성 재료의 배치를 요구할 수 있다.

실시예에서, 공진기의 적정한 냉각은 열전도성 재료의 전략적 배치로 무선 에너지 전달 성능에 관한 최소로 영향을 미치는 상태로 달성될 수 있다. 실시예에서, 열전도성 재료의 스트립이 전도체 와이어의 루프들 사이에 그리고 자기 재료의 블록과의 열접촉으로 위치될 수 있다.

열전도성 재료의 스트립을 갖는 일례의 실시예가 도 17에 도시되어 있다. 도 17a는 도전 스트립이 없고 또한 갭 또는 심을 형성하는 자기 재료의 더 작은 타일을 포함하는 자기 재료의 블록을 갖는 공진기 구조체를 도시하고 있다. 열전도성 재료의 스트립(1708)은 도 17b 및 도 17c에 도시된 바와 같이 전도체(1702)의 루프들 사이에 그리고 자기 재료(1704)의 블록과의 열접촉으로 위치될 수 있다. 공진기의 파라미터에 미치는 스트립의 작용을 최소화하기 위해, 몇몇 실시예에서는, 스트립을 전도체의 루프에 평행하거나 또는 공진기의 다이폴 모멘트에 수직하게 배치하는 것이 바람직할 수 있다. 전도체의 스트립은 타일들 사이의 심 또는 갭, 특히 공진기의 다이폴 모멘트에 수직을 이루는 타일들 사이의 심을 가능한 한 많이 덮도록 위치될 수 있다.

실시예에서, 열전도성 재료는 구리, 알루미늄, 황동(brass), 더멀 에폭시, 페이스트(paste), 패드 등을 포함할 수 있으며, 적어도 공진기의 자기 재료의 열전도율(~5W/(K-m))과 동일한 열전도율을 갖는 어떠한 재료이어도 된다. 열전도성 재료가 또한 전기를 전도하는 실시예에서, 그 재료는 공진기의 전도체의 루프 또는 자기 재료와의 단락 및 직접적인 전기 접촉을 방지하기 위해 전기 절연체의 층 또는 코팅을 필요로 할 수도 있다.

실시예에서, 열전도성 재료의 스트립은 공진기 구조체로부터의 열을 열에너지를 안전하게 소산시킬 수 있는 구조체 또는 매질에 전도하기 위해 이용될 수 있다. 실시예에서, 열전도 스트립은 수동 대류 또는 강제 대류, 복사, 또는 전도를 이용하여 열에너지를 분위기에 소산시킬 수 있는 전도체의 스트립 위에 위치된 커다란 플레이트와 같은 히트 싱크에 연결될 수 있다. 실시예에서, 시스템은, 공진기 구조체의 내부 또는 외부에 있을 수 있고, 열전도 스트립으로부터 열 에너지를 소산시킬 수 있고, 수냉 시스템, 강제 에어 시스템 등을 포함할 수 있는 임의의 개수의 액티브 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 예컨대, 열전도 스트립은 속이 비어 있을 수도 있고, 또는 자기 재료를 냉각시키기 위해 펌핑되거나 통과하도록 힘을 받게 되는 냉각제를 위한 채널을 포함할 수 있다. 실시예에서, 우수한 전기 전도체(예컨대, 구리, 은, 알루미늄 등과 같은)로 이루어진 필드 디플렉터(field deflector)는 히트싱킹 장치의 부분으로서 이중으로 작용할 수 있다. 자기 재료와 필드 디플렉터 사이의 공간에 열전도성 및 전기 전도성 스트립을 추가하는 것은, 그 공간에서의 전자기장이 통상적으로 필드 디플렉터의 존재에 의해 억제될 수 있기 때문에, 동요된 Q에 미치는 한계 효과(marginal effect)를 가질 수 있다. 이러한 도전성 스트립은 상이한 스트립들 간의 온도 분배를 더욱 균질하게 하기 위해 자기 재료와 필드 디플렉터 둘 모두에 열적으로 연결될 수 있다.

실시예에서, 열전도 스트립은 전도체의 적어도 하나의 루프로 하여금 자기 재료 둘레를 감을 수 있도록 이격된다. 실시예에서, 열전도성 재료의 스트립은 자기 재료의 갭 또는 심에만 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 스트립은 실질적으로 자신의 전체 길이에 걸쳐 자기 재료와 접촉하도록 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 스트립은 자기 재료 내의 자속 밀도와 부합하도록 분포될 수 있다. 공진기의 정상 작동 하에서 더 큰 자속 밀도를 가질 수 있는 자기 재료의 영역은 열전도성 스트립과의 더 높은 접촉 밀도를 가질 수 있다. 예컨대, 도 17a에 도시된 실시예에서, 자기 재료의 가장 높은 자속 밀도는 자기 재료의 블록의 중앙 쪽에서 관찰될 수 있으며, 공진기의 다이폴 모멘트의 방향에서 블록의 끝쪽을 향해 자속 밀도가 더 낮아지게 될 수 있다.

열전도 스트립의 사용이 잠재적인 고온 지점에서의 온도뿐만 아니라 자기 재료에서의 전체적인 온도를 감소시키는데 어떻게 도움을 주는지를 보여주기 위해, 본 발명의 발명자는 도 17c에 도시된 것과 유사한 공진기 구조체에 대해 유한 요소 시뮬레이션(finite element simulation)을 수행하였다. 각각 40A의 피크 전류를 운반하는 10 권회수의 리츠 와이어(litz wire)(구조체의 대칭의 평면으로부터 25 mm, 40 mm, 55 mm, 90 mm 및 105 mm에 대칭적으로 위치된)에 의해 여자되고, 구조체의 대칭 평면으로부터 -75 mm, 0 mm 및 +75 mm에 위치된 중심축을 갖는 알루미늄(합금 6063)으로 이루어진 3개의 3×3/4×1' 공동의(hollow) 정방형 튜브(1/8" 벽두께)를 통해 50cm×50cm×4mm 필드 디플렉터에 열적으로 연결된, 30cm×30cm×5mm 크기의 EPCOS N95 자기 재료의 블록을 포함하는 구조체를 235 ㎑의 주파수에서 작동시켜 시뮬레이션하였다. 필드 디플렉터 및 공동의 튜브로 인한 동요된 Q는 1400(공동의 튜브가 없는 동일한 구조체에 대해서는 1710인 것에 비하여)인 것으로 판명되었다. 실드 및 튜브에서 소비된 전력은 35.6W인 것으로 계산되는 한편, 자기 재료에서 소비된 전력은 58.3W이었다. 구조체가 공기 대류 및 복사에 의해 냉각되고, 주변 온도가 24℃인 것으로 가정하면, 구조체에서의 최대 온도는 85℃(공동의 튜브들 사이의 대략 중간에 있는 자기 재료의 지점에서의)인 한편, 공동의 튜브와 접촉하고 있는 자기 재료의 부분에서의 온도는 대략 68℃이었다. 비교에 의해, 열전도 공동 튜브를 갖지 않는 동일한 공진기는 40W 피크의 동일한 여자 전류에 대해 자기 재료에서 62.0W를 소비하였고, 그 자기 재료에서의 최대 온도는 111℃인 것으로 판명되었다.

튜브와 우수한 열접촉을 이루고 있는 자기 재료의 부분에 결함을 도입하여도, 도전 스트립의 장점은 더욱 분명하다. 자기 재료의 중앙에 위치되고 다이폴 모멘트에 수직으로 지향된 10cm 길이와 0.5mm의 에어 갭은 자기 재료에서 소비되는 전력을 69.9W(전술한 결함이 없는 예에 비하여 추가의 11.6W가 갭의 부근에서 높게 집중됨)로 증가시키지만, 도전 튜브는 자기 재료에서의 최대 온도를 96℃로 하여 11℃의 비교적 완만한 증가만을 갖는다. 반대로, 도전 튜브를 갖지 않는 동일한 결함은 결함의 부근에서 161℃의 최대 온도를 야기한다. 전도 튜브 몸체를 커다란 더멀 매스(thermal mass)로 열전도하거나 또는 전도 튜브를 액티브 방식으로 냉각하는 것과 같은, 대류 및 복사가 아닌 냉각 해법은 동일한 전류 레벨에서 이러한 공진기에 대해 고르고 더 낮은 작동 온도를 야기할 수 있다.

실시예에서, 열전도성 재료의 스트립은 자기 재료에서 불규칙한 갭을 초래할 수 있는 크랙을 전개할 가장 높은 가능성을 가질 수도 있는 영역에 위치될 수 있다. 이러한 영역은 재료에 높은 스트레스 또는 스트레인이 미치는 영역이거나, 또는 공진기의 패키징으로부터 열악한 지지 또는 지원(backing)을 갖는 영역일 것이다. 전략적으로 위치된 열전도성 스트립은 자기 재료에서 크랙 또는 불규칙한 갭이 전개할 때 자기 재료의 온도가 자신의 임계 온도 아래로 유지될 수 있도록 할 것이다. 임계 온도는 자기 재료의 퀴리 온도(Curie temperature)로서 정해지거나, 또는 요구된 성능 파라미터를 지나서 공진기의 특성이 저하되는 임의의 온도로서 정해질 수 있다.

실시예에서, 히트싱킹 구조체는 자기 재료에 대한 기계적 지지를 제공할 수 있다. 실시예에서, 히트싱킹 구조체는 공진기에게 외부 충격 및 진동뿐만 아니라 자신의 요소의 고유 치수의 변화(열팽창, 자기변형 등으로 인한)에 대한 더 커다란 양의 내성을 제공하고 크랙 및 기타 결함의 형성을 방지하기 위해 요구된 양의 기계적 탄력성(예컨대, 구조체의 상이한 요소들을 열적으로 연결하기 위해 적합한 기계적 성질을 갖는 에폭시, 더멀 패드 등을 이용함으로써)을 갖도록 설계될 수 있다.

공진기가 자기 재료 둘레에 감겨진 직교 권선을 포함하는 실시예에서, 전도 재료의 스트립은 인접한 루프의 2개의 직교 세트에 의해 범위가 정해지는 영역 내에서 자기 재료와 열접촉하도록 맞춤될 수 있다. 실시예에서, 스트립은 적어도 하나의 지점에서 자기 재료와 열접촉을 이루면서 적어도 하나의 직교 권선의 전도체 둘레에 끼워지도록 적합한 오목부(indentation)를 포함할 수 있다. 실시예에서, 자기 재료는 인접한 루프들 사이에 위치된 다수의 열전도 블록과 열접촉하게 될 수 있다. 열전도 블록은 그 다음으로 우수한 열전도체 및/또는 히트싱크를 통해 서로 열적으로 연결될 수 있다.

이러한 설명의 전반에 걸쳐, 열전도성 재료의 형상의 일례의 시료(specimen)로서 열전도성 재료의 스트립이라는 표현이 사용되었지만, 당해 기술에 익숙한 사람이라면 본 발명의 사상에서 벗어나지 않고서도 임의의 형상 및 외관으로 대체될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 정방향, 타원형, 스트립, 도트(dot), 기다란 형상 등은 그 모두가 본 발명의 사상 내에 있는 것이다.

무선 에너지 전달 시스템에서의 통신

무선 에너지 전달 시스템은 지정된 공진기들 간에 에너지가 전달되도록 하기 위해 검증 단계를 요구할 수도 있다. 예컨대, 무선 에너지 전달 시스템에서, 소스 공진기, 디바이스 공진기 및 리피터 공진기는 에너지를 교환하기 위해 서로 물리적으로 접촉할 필요가 없으며, 이들 공진기는 시스템에서의 공진기의 크기 및 개수에 따라서는 센티미터 또는 미터 단위의 거리로 서로 분리될 수 있다. 몇몇 구성에서, 전력을 발생하거나 수신하기 위한 위치에 복수의 공진기가 있을 수 있지만, 이들 공진의 단지 2개 또는 일부만이 공진기로 지정된다.

무선 에너지 전달 시스템에서의 공진기들 간의 정보의 통신은 공진기를 지정하기 위해 이용될 수 있다. 공진기들 간의 정보의 통신은 인밴드(in-band) 또는 아웃 오브 밴드(out-of-band) 통신 또는 통신 채널을 이용하여 실시될 수 있다. 전력을 교환하기 위해 사용된 자기 공진기의 적어도 몇몇 부분이 또한 정보를 교환하기 위해서도 이용되고, 정보 교환의 반송 주파수가 전력 교환에서 이용되는 공진 주파수와 근접하면, 이러한 통신을 인밴드로 지칭한다. 자기 공진기들 간의 임의의 다른 유형의 통신은 아웃 오브 밴드로 지칭된다. 아웃 오브 밴드 통신 채널은 안테나아, 에너지 전달 공진기 및 자기장과 분리된 시그널링 프로토콜을 이용할 수 있다. 아웃 오브 밴드 통신 채널은 블루투스, WiFi, Zigbee, NFC 기술 등을 이용하거나 또는 이러한 기술을 기반으로 할 수 있다.

공진기들 간의 통신은 무선 에너지 전달을 조직화(coordinate)하거나 또는 무선 에너지 전달 시스템의 파라미터를 조정하고, 이용 가능한 전력 소스 및 디바이스를 식별 및 인증하고, 효율, 전력 전달 등을 최적화하고, 에너지 선호(energy preference), 사용량 등을 추적 및 청구하고, 시스템 성능, 배터리 상태, 차량 상태, 외부 물체로도 지칭되는 외부의 물체 등을 모니터하기 위해 이용될 수 있다. 에너지 전달을 위한 공진기를 지정하고 검증하는 방법은 인밴드 통신 채널과 아웃 오브 밴드 통신 채널이 사용될 때에는 상이하게 될 것이며, 그 이유는 아웃 오브 밴드 기술을 이용하여 통신 신호를 교환할 수 있는 거리가 전력 신호를 교환할 수 있는 거리를 훨씬 초과할 것이기 때문이다. 또한, 아웃 오브 밴드 통신 신호의 대역폭은 인밴드 통신 신호보다 클 수도 있다. 통신 범위 및 성능에 있어서의 이러한 차이는 무선 에너지 전달 시스템의 조직화에 영향을 줄 수도 있다. 예컨대, 아웃 오브 밴드 통신을 이용하여 어드레스될 수 있는 공진기의 개수는 매우 클 수 있으며, 통신 공진들은 에너지를 효율적으로 교환할 수 있는 거리보다 더 멀리 떨어질 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 시그널링 및 통신의 모두가 인밴드 통신 채널을 이용하여 수행될 수도 있으며, 신호가 에너지 전달을 위해 사용된 필드로 변조될 수 있다. 다른 실시예에서, 인밴드 통신은 에너지 전달을 위한 것과 실질적으로 동일한 주파수 스펙트럼을 이용할 수 있지만, 통신은 상당한 에너지를 전달하지 않는 동안에도 발생한다. 통신의 범위가 전력 교환과 동일한 범위로 제한될 수도 있기 때문에 또는 정보가 전력 신호 자체로의 변조로서 도달하기 때문에, 별도의 또는 복수의 검증 단계가 문제가 될 수 있는 경우에는, 인밴드 통신 채널만을 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 몇몇 실시예에서, 별도의 아웃 오브 밴드 통신 채널이 보다 바람직할 수도 있다. 예컨대, 아웃 오브 밴드 통신 채널은 더 저렴하게 구현할 수 있으며, 더 높은 데이터 속도를 지원할 수 있다. 아웃 오브 밴드 통신 채널은 더 긴 거리의 통신을 지원하여, 공진기 발견과 전력 시스템 맵핑을 가능하게 할 수 있다. 아웃 오브 밴드 통신 채널은 전력 전송이 발생하는지의 여부에 상관없이 작동할 수 있으며, 전력 전달의 중단없이 발생할 수도 있다.

무선 에너지 전달 시스템의 일례의 실시예가 도 18에 도시되어 있다. 이 예의 실시예는 2개의 디바이스 공진기(1802, 1816) 및 2개의 소스 공진기(1806, 1810)를 포함하며, 각각의 디바이스 공진기가 각각 아웃 오브 밴드 통신 모듈(1804, 1818)을 갖고, 각각의 소스 공진기가 각각 자신의 아웃 오브 밴드 통신 모듈(1808, 1812)을 갖는다. 시스템은 에너지 전달을 조정하고 조직화하기 위해 아웃 오브 밴드 통신 채널을 이용할 수 있다. 통신 채널은 전력 전달을 개시하고 개개의 공진기의 전력 출력, 임피던스, 주파수 등과 같은 작동 파라미터의 조정을 통신하기 위해 근접해 있는 공진기를 발견하거나 찾아내도록 이용될 수 있다.

몇몇 상황에서, 디바이스 공진기는 하나의 소스와 부정확하게 통신하지만, 또 다른 소스 공진기로부터 에너지를 수신할 수 있다. 예컨대, 디바이스 공진기(1802)가 소스로부터 전력을 요청하는 아웃 오브 밴드 통신 신호를 발송하는 것으로 가정한다. 소스 공진기(1810)는 디바이스 공진기(1802)에 응답하고, 디바이스 공진기에 전력을 공급하는 것을 개시할 수 있다. 디바이스 공진기(1816)는 또한 소스로부터 전력을 요청하는 아웃 오브 밴드 통신 신호를 발송하고, 그 소스 디바이스(1816)가 디바이스 공진기(1816)에 응답하고, 디바이스 공진기(1816)에 전력을 공급하는 것을 개시한다. 디바이스 공진기(1802)가 소스 공진기(1806)에 근접하여 있기 때문에, 디바이스 공진기(1802)가 소스 공진기(1806)로부터 자신의 전력의 일부 또는 대부분을 수신하는 것이 가능하다. 디바이스 공진기(1802)에 의해 수신된 전력 레벨이 너무 높게 된다면, 디바이스 공진기(1802)는 소스 공진기(1810)에게 아웃 오브 밴드 통신 신호를 보내어, 디바이스 공진기(1802)에 보내는 전력을 감소시키도록 할 수 있다. 그러나, 디바이스 공진기(1802)는 소스 공진기(1806)로부터 전력을 수신하고 있지만 소스 공진기(1806)와 제어 신호를 통신하고 있지 않기 때문에 여전히 너무 많은 전력을 수신할 수도 있다.

따라서, 에너지 전달 채널과 통신 채널의 분리는 성능, 제어, 안전성, 보안, 신뢰성 등과 같은 무선 에너지 전달 시스템에서의 문제를 야기할 수도 있다. 실시예에서, 무선 에너지 전달 시스템에서의 공진기가 그 공진기와 전력을 교환하고 있는 임의의 및 모든 공진기를 식별/지정 및 검증하도록 하는 것이 필요할 수도 있다. 당해 기술에 익숙한 사람이라면 인지할 수 있는 바와 같이, 도 18에 도시된 예는 단지 하나의 예일 뿐이며, 명시적(explicit) 또는 암시적(implicit) 에너지 전달 검증 단계로부터 이점을 얻을 수 있는 다수의 상이한 구성 및 배열의 무선 전력 전송 시스템이 존재한다.

실시예에서, 잠재적인 성능, 제어, 안전성, 보안, 신뢰성 등과 같은 문제는 한 쌍의 공진기에 의해 사용되는 에너지 전달 채널과 통신 채널이 동일한 쌍의 공진기에 연계되도록 하는 추가의 검증 단계를 제공함으로써 방지될 수 있다.

실시예에서, 검증 단계는 무선 에너지 전달 채널을 통한 몇몇 추가의 정보 교환 또는 시그널링을 포함할 수 있다. 아웃 오브 밴드 통신 채널이 에너지를 교환하고 있거나 에너지를 교환할 동일한 2개의 공진기 간에 정보를 교환하고 있는지를 검증하기 위해, 에너지 전달 채널 또는 에너지 전달 채널의 필드를 이용하는 통신 또는 정보 교환을 포함하는 검증 단계가 이용될 수 있다.

아웃 오브 밴드 통신 채널을 갖는 실시예에서, 검증 단계는 명시적일 수도 있고 또는 암시적일 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 검증은 암시적이어도 된다. 실시예에서, 에너지 전달 채널은 에너지 전달 채널의 행위를 모니터링하고 아웃 오브 밴드 정보 교환에 응답하는 예상된 행동 또는 파라미터와 비교함으로써 암시적으로 검증될 수도 있다. 예컨대, 아웃 오브 밴드 통신을 구축한 후, 디바이스는 무선 소스에게 무선 소스가 전송하고 있는 전력의 양을 증가시키도록 요청할 수도 있다. 이와 동시에, 무선 에너지 전달 채널 및 공진기의 파라미터가 모니터링될 수 있다. 디바이스에서의 전달된 전력의 관측된 증가는, 아웃 오브 밴드 통신 채널 및 에너지 전달 채널이 지정된 공진기에 정확하게 링크된 것으로 추론하도록 이용될 수 있다.

실시예에서, 암시적 검증 단계는 무선 에너지 전달의 임의의 개수의 파라미터 또는 무선 에너지 전달에 사용된 공진기 및 부품의 파라미터를 모니터링하는 것을 수반할 수 있다. 실시예에서, 공진기 및 이들의 구동 회로 등의 전류, 전압, 임피던스, 주파수, 효율, 온도가 모니터링되고, 아웃 오브 밴드 통신 교환의 결과로서의 예상된 값, 추세, 변화량 등에 비교될 수 있다.

실시예에서, 공진기는 측정된 파라미터와 통신 교환의 결과로 이들 파라미터에 대한 예상 값, 추세 및/또는 변화량의 테이블을 저장할 수 있다. 공진기는 에너지 전달 채널을 검증하기 위해 이용될 수 있는 관측된 파라미터 변화 및 통신의 이력을 저장할 수 있다. 몇몇 경우에, 통신 교환으로 인한 하나의 예상되지 않은 파라미터 변화는, 아웃 오브 밴드 채널이 부정확하게 페어링(pairing)된 것을 판정하기에 충분한 정도로 결정적이지는 않을 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 파라미터 변화의 이력이 검증을 수행하기 위한 여러 개의 또는 다수의 통신 교환에 걸쳐 스캐닝되거나 모니터링될 수 있다.

아웃 오브 밴드 통신을 이용하는 무선 에너지 전달 시스템에서의 에너지 전달 채널을 암시적으로 검증하기 위해 이용될 수 있는 일련의 단계를 보여주는 일례의 알고리즘이 도 19a에 도시되어 있다. 제1 단계 1902에서는, 소스 공진기와 디바이스 공진기 간의 아웃 오브 밴드 통신 채널이 구축된다. 다음 단계 1904에서, 소스 공진기와 디바이스 공진기는 무선 에너지 전달의 파라미터 또는 무선 에너지 전달을 위해 이용되는 부품의 파라미터를 조정하는 것에 관한 정보를 교환할 수 있다. 아웃 오브 밴드 통신 채널을 통한 정보 교환은 에너지 전달을 제어하고 조정하기 위해 시스템의 정상적인 작동시에 사용된 정상적인 교환일 수 있다. 몇몇 시스템에서, 아웃 오브 밴드 통신 채널은 암호화되어 도청(eavesdropping), 위장(impersonation) 등이 방지될 수도 있다. 다음 단계 1906에서, 소스 공진기 및 디바이스 공진기, 또는 단지 소스 공진기, 또는 단지 디바이스 공진기가 무선 에너지 전달의 파라미터에 대한 임의의 변화 또는 에너지 전달에 사용된 부품에서의 파라미터의 임의의 변화를 모니터링하고 계속 추적할 수 있다. 추적된 변화는 임의의 아웃 오브 밴드 통신 교환의 결과로서 파라미터에 대한 예상 변화에 대하여 비교될 수 있다. 파라미터에서의 하나 또는 다수의 관측된 변화가 파라미터에서의 예상된 변화에 대응하지 않을 때에는 밸리데이션(validation)이 실패한 것으로 간주될 수 있다.

무선 에너지 전달 시스템의 몇몇 실시예에서, 검증은 명시적일 수도 있다. 실시예에서, 소스 공진기 또는 디바이스 공진기는 검증 가능 신호(verifiable signal)를 에너지 전달 채널을 통해 소스 공진기 또는 디바이스 공진기에 통신하거나 제공하기 위해 무선 에너지 전달의 파라미터 또는 무선 에너지 전달에 사용된 공진기의 파라미터를 바꾸거나, 디더(dither)하거나, 변조하는 등을 행할 수 있다. 명시적 검증은 명시적 목적의 검증을 위해 무선 에너지 전달의 몇몇 파라미터 또는 에너지 전달에 사용된 공진기 및 부품의 파라미터를 변화시키거나, 바꾸거나 변조하는 등을 수반할 수 있으며, 에너지 전달을 최적화하거나 튜닝하거나 조정하는 것에 연관되지 않을 수도 있다.

또 다른 무선 에너지 공진기 또는 부품과의 시그널링 또는 통신을 목적으로 무선 에너지 전달의 몇몇 파라미터 또는 에너지 전달에 사용된 공진기 및 부품의 파라미터를 변화시키거나, 바꾸거나 변조하는 등은 인밴드 통신으로서도 지칭될 수 있다. 실시예에서, 인밴드 통신 채널은 무선 에너지 전달 공진기 및 부품의 일부분으로서 실시될 수도 있다. 정보는 공진기의 파라미터를 변화시킴으로써 하나의 공진기로부터 또 다른 공진기로 전송될 수 있다. 인덕턴스, 임피던스, 저항 등과 같은 파라미터는 하나의 공진기에 의해 디더되거나 변화될 수 있다. 이들 변화는 시그널링 공진기 주위의 다른 공진기의 임피던스, 저항 또는 인덕턴스에 영향을 줄 수도 있다. 이러한 변화는, 변화 자체를, 검출되고 메시지로 디코딩될 수 있는 공진기 상의 전압 전류 등의 대응하는 디더로서 나타낼(manifest) 수 있다. 실시예에서, 인밴드 통신은 에너지 전달을 위해 사용된 자기장의 파워 레벨, 진폭, 위상, 지향방향, 주파수 등을 바꾸거나, 변화시키거나, 변조하는 등을 포함할 수 있다.

일실시예에서, 명시적 인밴드 검증은 아웃 오브 밴드 통신 채널이 구축된 후에 수행될 수도 있다. 아웃 오브 밴드 통신 채널을 이용하여, 소스 공진기 및 디바이스 공진기는 전력 전달 성능 및 인밴드 시그널링 성능에 관한 정보를 교환할 수 있다. 그 후, 소스 공진기와 디바이스 공진기 간의 무선 에너지 전달이 개시될 수도 있다. 소스 공진기 또는 디바이스 공진기는 아웃 오브 밴드 통신 채널과 에너지 전달 채널 간의 연결을 검증하기 위해 다른 소스 또는 디바이스로 하여금 인밴드 통신 채널을 이용하여 시그널링하도록 요청하거나 요구할 수 있다. 채널은 아웃 오브 밴드 통신 채널에서 구축된 동의된 시그널링이 인밴드 통신 채널에서 관측될 때에 검증된다.

실시예에서, 검증은 에너지 전달 개시 동안과 같은 에너지 교환 프로토콜의 특정한 또는 사전에 정해진 시간 동안에만 수행될 수도 있다. 다른 실시예에서, 명시적 검증 단계는 무선 에너지 전달 시스템의 정상적인 작동 동안 주기적으로 수행될 수도 있다. 검증 단계는 물리적인 지향방향이 변화되었다는 것을 시그널링할 수도 있는 무선 전력 전달의 효율 또는 특성이 변화될 때에 트리거될 수도 있다. 실시예에서, 통신 컨트롤러는 에너지 전달 특성의 이력을 유지하고, 특성의 변화가 관측될 때에 공진기를 이용하여 시그널링하는 것을 포함하는 전달의 검증을 개시할 수 있다. 에너지 전달 특성에서의 변화는, 공진기 또는 공진기 및 전력 및 제어 회로의 부품의 에너지 전달의 효율, 임피던스, 전압, 전류 등에서의 변화로서 관측될 수 있다.

당해 기술에 익숙한 사람은 메시지를 전송할 수 있는 시그널링 및 통신 채널이 임의의 개수의 암호화, 인증, 및 보안 알고리즘으로 안전하게 될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 실시예에서, 아웃 오브 밴드 통신은 암호화될 수 있으며, 인밴드 채널을 이용한 검증을 위한 랜덤 시퀀스를 전송하기 위해 안전한 통신이 이용될 수 있다. 실시예에서, 인밴드 통신 채널은 어떠한 공지의 보안 및 암호화 프로토콜 및 알고리즘에 의해서도 암호화되거나, 랜덤화되거나, 또는 안전하게 될 수 있다. 보안 및 암호화 알고리즘은 공진기들 간의 호환성을 인증하고 검증하기 위해 이용될 수 있으며, 권한 부여(authorization) 및 인증을 위해 공개키 인프라스트럭처(PKI) 및 2차 통신 채널을 이용할 수 있다.

소스와 디바이스 간의 에너지 전달 시스템의 실시예에서, 디바이스는 요구된 또는 추정된(assumed) 소스로부터 에너지를 수신하는 것을 보장하기 위해 에너지 전달 채널을 검증할 수 있다. 소스는 에너지가 요구된 또는 추정된 소스로 전달되는 것을 보장하기 위해 에너지 전달 채널을 검증할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 검증은 양방향이어도 되며, 소스 및 디바이스 둘 모두는 하나의 단계 또는 프로토콜 동작으로 자신들의 에너지 전달 채널을 검증할 수 있다. 실시예에서, 2개보다 많은 공진기 있을 수도 있으며, 리피터 공진기(repeater resonator)가 있어도 된다. 복수의 공진기의 실시예에서, 통신 및 제어가 하나의 또는 소수의 공진기에 집중될 수도 있거나, 또는 통신 및 제어가 다수의 공진기, 대부분의 공진기, 또는 모든 공진기에 걸쳐 네트워크로 분포될 수도 있다. 실시예에서, 통신 및/또는 제어는 다른 무선 에너지 전달 부품에 결합되는 하나 이상의 반도체칩 또는 마이크로컨트롤러에 의해 이루어질 수도 있다.

아웃 오브 밴드 통신을 이용하여 무선 에너지 전달 시스템에서의 에너지 전달 채널을 명시적으로 검증하기 위해 사용될 수 있는 일련의 단계를 보여주는 일례의 알고리즘이 도 19b에 도시되어 있다. 제1 단계 1908에서, 소스와 디바이스 간의 아웃 오브 밴드 통신 채널이 구축된다. 다음 단계 1910에서, 소스 및 디바이스는 무선 에너지 전달 채널을 통해 전송될 수 있는 시그널링 프로토콜, 방법, 체계 등을 조직화하거나 동의할 수 있다. 도청을 방지하고 보안을 제공하기 위해, 아웃 오브 밴드 통신 채널이 암호화될 수 있으며, 소스 및 디바이스가 임의의 개수의 공지의 암호 인증 프로토콜(cryptographic authentication protocol)을 따를 수도 있다. 암호 프로토콜로 인에이블된 시스템에서, 검증 코드는 추가 레벨의 보안 및 인증 성능을 제공할 수 있는 챌린지-응답 유형 교환(challenge-response type exchange)을 포함할 수 있다. 디바이스는, 예컨대, 공유된 비밀 암호화 키 또는 개인키를 이용하여 아웃 오브 밴드 통신 채널을 통해 소스에 보내는 랜덤한 검증 코드를 암호화하기 위해 소스를 챌린지할 수 있다. 단계 1912에서, 아웃 오브 밴드 통신 채널로 전송된 검증 코드가 인밴드 통신 채널을 통해 시그널링될 수 있다. 소스 및 디바이스가 암호 프로토콜로 인에이블되는 경우에, 인밴드 통신 채널로 시그널링된 검증 코드는, 수신자로 하여금 발송자를 추가로 인증하도록 하고, 인밴드 통신 채널이 아웃 오브 밴드 통신 채널에 연관된 동일한 소스 또는 디바이스와 링크되었는지를 검증하도록 하는, 가역 가능한 암호 함수로 발송자에 의해 암호화되거나 수정될 수 있다.

검증이 실패한 때의 상황에서, 무선 에너지 전달 시스템은 밸리데이션 과정을 반복하려고 시도할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 시스템은 인밴드 통신 채널을 이용한 시그널링을 위해 또 다른 검증 시퀀스를 교환함으로써 무선 에너지 전달을 다시 밸리데이션하려고 시도할 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 시스템은 인밴드 통신 채널이 실패하였다는 것을 검증하려고 시도한 후에 인밴드 통신 채널을 검증하기 위해 이용되는 정보의 타입 또는 시퀀스를 변화시키거나 바꿀 수 있다. 시스템은 인밴드 통신 검증 코드의 시그널링, 프로토콜, 길이, 복잡도 등의 유형을 변경하 수 있다.

몇몇 실시예에서, 인밴드 통신 채널 및 그에 따라 에너지 전달 채널의 검증의 실패 시에, 시스템은 인밴드 통신 채널에서의 시그널링 방법의 전력 레벨, 변조의 세기, 변조 주파수 등을 조정할 수도 있다. 예컨대, 디바이스에 의한 소스의 검증의 실패 시에, 시스템은 고 높은 에너지 전달 레벨에서 검증을 수행하려고 시도할 수도 있다. 시스템은 더 강한 자기장을 발생하는 소스의 전력 출력을 증가시킬 수도 있다. 또 다른 예에서, 디바이스에 의해 소스의 검증의 실패 시에, 자신의 소스 공진기의 임피던스를 변화시킴으로써 검증 코드를 디바이스에 통신한 소스는, 시그널링을 위한 소스 공진기의 임피던스에서의 변화의 양을 증가시키거나 심지어는 2배로 할 수 있다.

실시예에서, 에너지 전달 채널의 검증의 실패 시에, 시스템은 아웃 오브 밴드 통신 채널을 이용하여 다른 가능한 소스 또는 디바이스를 입증하거나, 찾아내거나, 또는 발견하려고 시도할 수 있다. 실시예에서, 아웃 오브 밴드 통신 채널은 무선 에너지 전달을 위한 다른 가능한 후보를 발견하기 위해 이용될 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 시스템은 잘못된 페어링(false pairing)을 최소화하기 위해 아웃오브 밴드 통신 채널의 범위 또는 출력 전력을 변화시키거나 조정할 수 있다.

아웃 오브 밴드 통신 채널은 여러 모드, 예컨대 소스를 검출하기 위한 롱 레인지 모드(long range mode) 및 근접해 있는 또 다른 디바이스 또는 소스와의 통신을 보장하기 위한 ? 레인지 모드(short range mode) 또는 로우 파워 모드를 갖도록 파워 변조될 수도 있다. 실시예에서, 아웃 오브 밴드 통신 채널은 각각의 어플리케이션을 위한 무선 채널의 범위에 부합될 수도 있다. 에너지 전달 채널의 검증의 실패 후, 아웃 오브 밴드 통신 채널의 출력 파워는 무선 에너지 전달을 위한 다른 가능한 소스 또는 디바이스를 발견하기 위해 천천히 증가될 수도 있다. 전술한 바와 같이, 아웃 오브 밴드 통신 채널은 에너지 전달 채널의 간섭 및 방해(obstruction)와는 상이할 수도 있는 간섭 및 방해를 나타낼 수도 있으며, 아웃 오브 밴드 통신을 위해 더 높은 파워 레벨을 요구할 수도 있는 소스와 디바이스는 무선 에너지 전달을 허용하기 위해 충분히 근접하게 될 수도 있다.

몇몇 실시예에서, 아웃 오브 밴드 통신 채널은, 에너지 전달을 위해 충분한 근접, 위치 및 지향 방향에 있는 또 다른 소스 또는 디바이스와의 통신을 구축할 수 있도록 하기 위해, 제한된 영역(즉, 차량 아래)에서만 시행되도록 실딩 또는 위치설정(positioning)을 이용하여 지향, 배치, 포커싱 등이 이루어질 수 있다.

실시예에서, 시스템은 아웃 오브 밴드 통신 채널을 구축하거나 인밴드 에너지 전달 채널을 검증하기 위해 하나 이상의 보조적인 정보 소스를 이용할 수도 있다. 예컨대, 아웃 오브 밴드 통신 채널의 초기 구축 동안, 소스 또는 디바이스의 위치는 성공적인 에너지 전달을 위해 가장 가능한 쌍을 결정하기 위해 무선 소스 또는 디바이스의 공지의 또는 맵핑된 위치 또는 위치의 데이터베이스에 비교될 수 있다. 아웃 오브 밴드 통신 채널 발견은 하나 이상의 GPS 수신기로부터의 GPS 데이터, 위치설정 센서로부터의 데이터, 관성 유도 장치(inertial guidance system) 등으로 보조될 수 있다.

튜닝 가능한 무선 전력 전송 시스템 아키텍처

무선 전력 전송 시스템에서의 소스 유닛을 위한 시스템 다이아그램의 일실시예가 도 20의 (a)에 도시되어 있다. 이 실시예에서의 DC/DC 컨버터는 스위칭 증폭기의 DC 버스 전압 및 그에 따른 증폭기의 출력 파워와 같은 적어도 하나의 소스 파라미터의 조절을 허용하도록 이용될 수 있다. 무선 전력 전송 시스템에서의 디바이스 유닛을 위한 시스템 다이아그램의 실시예가 도 20의 (b)에 도시되어 있다. 이 실시예에서의 DC/DC 컨버터는 DC/DC 컨버터의 출력에서의 DC 부하 전압 또는 정류기의 입력단에서의 임피던스와 같은 적어도 하나의 디바이스 파라미터의 조절을 허용하도록 이용될 수 있다. 본 명세서에서는, 소스 유닛과 디바이스 유닛에서의 동일한 파라미터가 조절될 수 있고, 시스템의 전체적인 튜닝이 DC/DC 컨버터 없이 도 21의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 제어 가능(튜닝 가능) 스위칭 증폭기 및 정류기를 이용하는 것만으로 달성될 수 있다는 것을 실증할 것이다. 시스템에서의 각각의 파워 시스템 스테이지(DC/DC 컨버터와 같은)가 통상적으로 어느 정도의 효율 비용(efficiency cost)을 수반하고 있으므로, 스테이지를 제거하는 것은 이들 스테이지의 에너지 손실을 제거할 수 있다. 그러므로, DC/DC 컨버터를 활용하지 않는 무선 전력 전송 시스템 실시예는 DC/DC 컨버터를 사용하는 시스템에 비하여 향상된 시스템 효율을 가질 수 있다.

튜닝 가능한 스위칭 컨버터

스위칭 증폭기 및 정류기는 클래스 D 또는 E의 하프-브리지(half-bridge) 또는 풀-브리지 토폴로지를 가질 수 있다. 하나의 예시 실시예를 위해, 클래스 D의 하프-브리지 토폴로지를 고려할 것이며, 이 토폴로지에서는, 컨버터(증폭기 또는 정류기)의 DC측 상의 전압이 대략 일정하고, 적정 규모의(appropriately-sized) DC 필터 병렬 커패시터를 이용함으로써 달성될 수 있으며, 컨버터의 AC측 상의 전류는 대략 사인 곡선이 될 수 있고, 스위칭 컨버터에 의해 발생된 더 높은 전류 고조파(current harmonic)를 필터링하기 위해 적정 규모의 필터 직렬 인덕터를 이용함으로써 달성될 수 있다. 일례의 증폭기 및 일례의 정류기에 대한 토폴로지가 도 22a의 (a)와 (b)에 도시되어 있다. 특정한 예의 토폴로지가 여기에서 조사될 수 있지만, 어떠한 토폴로지도 본 명세서의 전반적인 원리로 설계된 무선 전력 전송의 시스템에 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예컨대, 사인 곡선의 AC 전압 및 일정한 DC 전류를 제공하기 위해, DC 필터 직렬 인덕터 및 AC 필터 병렬 인덕터 및 AC 필터 병렬 커패시터를 갖는 풀-브리지 컨버터가 설계될 수 있다.

병렬 커패시턴스를 갖는 스위치가 0이 아닌(non-zero) 전압에서 턴온되면, 또는 직렬 인덕턴스를 갖는 스위치가 영이 아닌 전류에서 턴오프되면, 스위칭 컨버터는 스위치를 통한 전도 동안 및 스위칭 순간에 손실이 발생할 수 있다.

정류기

정류기는 작은 병렬 커패시턴스를 가질 수 있는 다이오드를 스위치로서 이용하는 경우가 많다. 다이오드가 자체 스위칭되는(self-switched) 것으로 고려될 수 있으므로, 도 22a의 (b)의 토폴로지에서, 다이오드는 통상적으로 영이 아닌 전압에서 자체 턴온되고, 영이 아닌 전류에서 턴오프되며, 이로써 다이오드는 스위칭 손실을 겪지 않게 될 수 있다. 그러나, 다이오드는 다이오드 전압 강하로 인해 커다란 전도 손실을 겪게 될 수 있다. 그러므로, MOSFET, 또는 이러한 것으로 한정되지는 않지만, 전계 효과 트랜지스터(FET), IGBT 등을 포함한 임의의 타입의 능동 스위치가 스위치로서 이용되는 것이 바람직할 것이며, 입력 전류 파형에 동기될 수 있고, 다이오드와 유사한 방식으로 작동하도록 구성될 수 있지만, MOSFET의 작은 ON-저항으로 인해 훨씬 더 작은 전도 손실만을 겪게 될 수 있다. 다이오드를 MOSFET로 교체하는 것은 간혹 동기식 정류기로서 지칭되는 아키텍처를 야기한다. MOSFET는 병렬 출력 커패시턴스 및 병렬 리버스 바디 다이오드(parallel reverse body diode)를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 외부 커패시턴스 및/또는 다이오드는 정류기 브리지의 각각의 MOSFET에 병렬로 접속될 수 있다. 외부 다이오드는 쇼트키(Schottky) 다이오드이어도 된다. MOSFET 브리지의 유효 커패시턴스 C_r은 스위치가 ON이 아닐 때에 브리지에 대한 입력으로부터 보여지는 커패시턴스로서 정의될 수 있다. 전도 동안 스위치가 입력과 직렬로 됨에 따라, AC 입력 정류기 임피던스의 실수부가 작으면 작을수록, 스위치의 ON-저항으로 인해 효율에 미치는 영향은 더 커지게 될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 입력 임피던스의 예상 실수부보다 실질적으로 작은 ON-저항의 MOSFET가 선택될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 병렬 커패시턴스가 스위치 온 시에 방전(즉, 제로 전압으로)될 수 있도록(소위 제로 전압 스위칭 ZVS 상태), 또한 병렬 다이오드가 전도하지 않도록, MOSFET는 다이오드 온과 오프로 스위칭될 때와 실질적으로 동일한 포인트에서 온과 오프로 스위칭될 수 있다. 오히려, 전류는 MOSFET 자체를 통해 흐른다. 따라서, 정류기는 최소의 손실, MOSFET의 ON-저항의 작은 전도 손실로 작동하게 될 수 있다. 도 22a의 (b)의 토폴로지에 대해, 대응하는 전압, 전류 및 스위칭 파형이 도 23a에 도시되어 있으며, 이 도면에서, 이들 파형이 주기의 2개의 반부(half)에 대해 대칭을 이루고 있고, 스위치 모두가 오프일 때에 데드 타임(dead time)이 있다는 것을 알 수 있다. 이 작동 모드에서, 데드 타임 위상 φ₀, 상부 스위치의 ON 듀티 사이클 D, 정류기의 입력 복합 임피던스 Z_r, 및 입력 사인 곡선 전류 I_AC의 진폭에 대한 DC 출력 전압 V_DC의 비 Z_IO는 DC 부하 저항 R₁ 및 유효 커패시턴스 C_r에만 좌우될 수 있다. 도 22a의 (b)의 하프-브리지 실시예에 대해, Z_IO 비, 데드 타임 위상, 및 정류기의 복합 입력 임피던스 Z_r은 다음의 수식에 의해 주어진다:

몇몇 실시예에서, 적절한 데드 타임 위상 φ₀는 C_r 및 DC 부하 저항 R₁의 실시간 측정치에 대한 지식을 통해 디바이스 유닛 내부의 마이크로컨트롤러 또는 기타 프로세서 부품에 의해 작동 동안 실시간으로 계산 및 조정될 수 있다. 작동 동안의 MOSFET 정류기는, ZVS가 유지되고, 병렬 다이오드가 전도하지 않을(또는 최소한으로만 전도할) 수 있도록, 동적으로 조정될 수 있으며, 이로써 부하를 변경시킬 수 있으면서도 그 효율이 최적화될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전체 입력 전압 파형이 모니터링될 수 있으며, 데드 타임 위상이 ZVS를 실질적으로 유지하고 병렬 다이오드를 통한 최소의 전도 또는 비전도(no conduction)를 실질적으로 유지하도록 조정될 수 있다.

정류기의 이 실시예의 이 작동 모드에서, 스위치는 또한 제로 전류에서 턴 오프될 수 있다(소위 제로 전류 스위치 ZCS 상태)는 것에 유의하기 바란다. 이것이 다이오드 스위치가 자체 턴오프할 수도 있는 방법이며, 본 명세서에서는 MOSFET를 다이오드 동작을 흉내 내도록 설계하였다. 다이오드 및 MOSFET가 실질적으로 직렬 인덕턴스를 갖지 않을 수도 있으므로, 턴 오프 시에 ZCS를 유지하는 것은 중요하지 않을 수도 있다. 따라서, 몇몇 실시예에서, MOSFET가 ZCS 시상수(time-instant)가 아닌 더 늦은 시각에서 턴오프할 수 있도록 MOSFET 정류기를 설계할 수 있다. 이러한 설계는 MOSFET를 ZVS로 턴온하는 성능을 훼손시키지 않을 수 있으며, 그 이유는 이 성능이 스위치 모두가 오프인 동안의 연관된 데드 타임의 약간의 조정으로 실현 가능하기 때문이다. 도 23b는 단지 하나의(하부) 스위치가 ZCS 시상수로부터 시프트된 시각에서 턴오프되는 실시예에 대한 전압, 전류 및 스위칭 파형을 도시한다. 도 23c는 둘 모두의(하부 및 상부) 스위치가 동일한 위상에 의해 ZCS로부터 시프트되어, 파형이 주기의 2개의 반부에 대해 여전히 대칭을 이루도록 하는 실시예에 대한 파형을 도시하고 있다. 도 23c는 둘 모두의 스위치가 ZCS로부터 상이한 위상에 의해 시프트되는 실시예에 대한 파형을 도시하고 있다. 도 23b 및 도 23d에서의 파형은 주기의 2개의 반부에 대해 대칭을 이루지 않는다. 따라서, 하프-브리지 정류기의 하부 및 상부 MOSFET에 대한 시퀀스를 스위칭하는 위의 실시예들에서, 오프 스위칭 시간은 독립적으로 튜닝(ZCS로부터 지연된 상태로)될 수 있다. 그리고나서, 이들이 튜닝될 때에, DC 부하 저항 R₁이 고정되거나 또는 가변적인 경우에도, 정류기의 입력 복합 임피던스 Z_r이 조정될 수 있으며, 그에 따라 DC 정류기 출력 전압 및 전력이 조정될 수 있다. ZVS를 상실하지 않을 수도 있고, 병렬 다이오드가 거의 전혀 전도하지 않거나 또는 최소한으로 전도할 수 있기 때문에, 이러한 조정은 효율에 대한 실질적인 희생 없이 이루어질 수 있다. 위의 작동 모드 실시예들의 각각의 실시예는 동일한 DC 부하 임피던스에 대해서도 상이한 AC 입력 임피던스를 제공할 수 있다. 그러므로, MOSFET의 ON-저항이 효율에 미치는 영향이 최소화될 수 있도록, 작동 모드는 요구된 출력 전압 또는 전력 조정에 따라 또는 AC 입력 임피던스의 후속의 실수부에 따라 선택될 수 있다.

도 23b에 도시된 작동 모드에서, 상부 스위치의 ON 듀티 사이클 D는 영(0)과 D₀ 사이의 값으로 독립적으로 튜닝될 수 있다. 이 하프-브리지 정류기 실시예의 전기적 특성은 Z_IO, φ_ON, 및 Z_r에 대한 수식에 의해 제공된다:

φ_ON=0인 경우, φ₁=φ₂-π=φ₀ 및 D=D₀는 정류기 실시예의 이전의 결과를 제공하며, 여기서 듀티 사이클이 DC 부하에 대해 독립적으로 튜닝되지 않고, ZCS가 유지된다.

몇몇 실시예에서, 적합한 위상 φ_ON, φ₁, φ₂는 C_r에 대한 지식, DC 부하 저항 R₁의 실시간 측정치, 및/또는 듀티 사이클 D, 비 Z_IO, 및/또는 정류기 임피던스의 실수부 등과 같은 하나 이상의 요구된 시스템 성능 특성의 지식을 통해 디바이스 유닛 내부의 마이크로컨트롤러 또는 기타 프로세서 부품에 의해 작동 동안 실시간으로 계산 및 조정될 수 있다. 이러한 실시예에서, ZVS가 유지되고, 병렬 다이오드가 거의 전도하지 않거나 최소한으로 전도할 수 있도록, 작동 동안 튜닝 가능한 MOSFET 정류기는 동적으로 조정될 수 있으며, 이로써 부하를 변경시킬 수 있고, 요구된 출력 전압 또는 전력 또는 입력 임피던스 레벨을 조절할 수 있으면서도, 그 효율이 최적화될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전체 입력 전압 파형이 모니터링될 수 있으며, 위상 φ_ON, φ₁, φ₂이 ZVS를 실질적으로 유지하고 병렬 다이오드를 통한 아주 약간의 전도 또는 비전도(no conduction)를 실질적으로 유지하도록 조정될 수 있다.

도 23c 및 도 23d의 작동 모드에 대해 유사한 결론이 얻어질 수 있다. 역시, 정류기의 입력 임피던스, 출력 전압 및 전력 레벨은 ZCS로부터의 하나 또는 2개의 위상-시프트를 튜닝함으로써 조정될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 정류기는 풀-브리지 토폴로지를 가질 수 있다. 풀-브리지에서의 효율을 훼손시키지 않고서도 동일한 듀티 사이클 튜닝을 달성하기 위해, 브리지의 좌측편과 우측편이 몇몇 실시예에서는 도 23c에 도시되어 있지만 1/2 주기만큼 위상 시프트된 스위칭 파형으로 작동할 수 있고, 몇몇 실시예에서는 도 23a에 도시되어 있지만 1/2 주기 미만의 약간의 값만큼 위상 시프트된 스위칭 파형으로 작동할 수 있다.

증폭기

도 22a의 (a)에서의 증폭기의 일실시예에서, MOSFET는 스위치로서 사용될 수 있다. MOSFET는 병렬 출력 커패시턴스 및 병렬 리버스 바디 다이오드를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 외부 커패시턴스 및/또는 다이오드는 증폭기 브리지의 각각의 MOSFET에 병렬로 접속될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 외부 다이오드는 쇼트키 다이오드이어도 된다. MOSFET 브리지의 유효 커패시턴스 C_a는 어떤 스위치도 ON이 아닐 때에 증폭기의 출력으로부터 보이는 커패시턴스로서 정의될 수 있다. 전도 동안 스위치가 출력과 직렬로 접속될 수 있기 때문에, 스위치의 ON-저항으로 인한 효율에 미치는 영향은 증폭기 출력에서의 AC 임피던스의 실수부가 작을수록 더 커지게 될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 출력 임피던스의 예상 실수부보다 실질적으로 작은 ON-저항의 MOSFET가 선택될 수 있다. MOSFET 증폭기와 정류기의 도 22a의 (a) 및 (b)의 토폴로지가 동일하므로, 대응하는 정류기의 파형을 시간 반전(time-reversing)함으로써 상이한 가능한 작동 모드의 증폭기를 분석할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 하프-브리지의 하부 및 상부 스위치에 대해, 주기의 2개의 반부 간에 대칭을 이루는 스위칭 시퀀스를 이용할 수 있다. 이러한 실시예에서, 증폭기의 출력에서, 값의 복합 임피던스 Z_r*, 여기서 Z_r은 수식 (1)에 의해 주어짐,를 연결하면, 증폭기의 DC 입력 임피던스 R_a가 수식 (1)의 대응하는 R₁과 동일하게 될 수 있고, 상부 스위치의 ON 듀티 사이클이 수식 (1)에서 제공된 바와 같이 D₀일 수 있으며, 전압 및 전류 파형이 도 23a에 도시된 파형의 시간 반전된 것으로 될 수 있어, ZVS와 ZCS가 동시에 달성될 수 있다는 것을 나타낸다. 증폭기의 출력에서, 임의의 R₁에 대해 수식 (1)에 의해 주어질 수 없는 값의 복합 임피던스를 연결하면, ZVS와 ZCS는 동시에 달성 가능하지 않을 수도 있다. 유도성(inductive)인 복합 임피던스의 세트에 대해, ZVS가 달성될 수 있으며, 그러므로 높은 효율이 유지될 수 있고, 파형이 도 23c에서의 파형의 시간 반전된 것으로 될 수 있다. MOSFET가 실질적인 직렬 인덕턴스를 갖지 않을 수도 있으므로, ZCS 상태는 증폭기의 스위칭 효율에 대해서는 중요하지 않을 수도 있다는 것에 유의하기 바란다. 스위치의 턴온 동안의 ZCS는, ZVS와 동반할 때에는, ZVS 상태가 또한 제로 도함수(zero derivative)의 전압에 의해 동반되고 그러므로 ZVS 순간(instant)을 달성함에 있어서의 타이밍의 면에서 향상된 공차를 허용한다는 것을 주로 암시할 수 있다. 즉, ZVS가 충분히 폐쇄되는(ZVS is close enough) 일정 범위의 시간을 허용한다. 이들 실시예에서, 대칭적 스위칭 시퀀스 및 듀티 사이클 D는, 증폭기의 출력에서의 AC 복합 임피던스, 및 ON 스위칭 순간(instance)에서의 ZVS 및 병렬 다이오드를 통한 아주 약간의 전도 또는 비전도를 달성하기 위한 조건에 의해 고유하게 결정될 수 있다. 따라서, 고정된 DC 입력 전압이 주어지면, 전력 레벨을 요구된 양으로 독립적으로 조장하는 것은 효율에 있어서의 어느 정도 희생 없이는 가능하지 않을 수도 있다.

몇몇 실시예에서, C_a 및 AC 출력 임피던스 실시간 측정치에 대한 지식으로, 적절한 듀티 사이클 D 및 데드 타임이 소스 유닛 내부의 마이크로컨트롤러 또는 기타 프로세서 부품에 의해 작동 동안 실시간으로 결정(즉, 계산, 룩업 테이블을 이용하여 발견 등) 및 조정될 수 있다. 작동 동안의 MOSFET 증폭기는, ZVS가 유지되고, 병렬 다이오드가 전도하지 않거나 또는 최소한으로만 전도할 수 있도록, 동적으로 조정될 수 있으며, 이로써 출력 임피던스를 변경시킬 수 있으면서도 효율이 최적화될 수 있도록 한다. 몇몇 실시예에서, 전체 입력 전압 파형이 모니터링될 수 있으며, 스위칭 시퀀스가 ZVS를 실질적으로 유지하고 병렬 다이오드를 통한 아주 작은 전도 또는 비전도(no conduction)를 실질적으로 유지하도록 조정될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 하프-브리지의 하부 및 상부 스위치에 대해, 주기의 2개의 반부 간에 대칭을 이루는 스위칭 시퀀스를 이용할 수 있다. 즉, MOSFET의 ON 스위칭 시간이 적합한 효율을 유지하기 위해 ZVS에서 또는 ZVS 부근에서 발생할 수 있지만, 상부 MOSFET의 OFF 스위칭 시간이 튜닝 가능하게 될 수 있다. 이 체계는 증폭기의 파워가 조정될 수 있게 하는 독립적 튜닝 노브(independent tuning knob)를 제공한다. 증폭기의 출력에서, 값의 복합 임피던스 Z_r*, 여기서 Z_r은 수식 (2)에 의해 주어짐,를 연결하면, 증폭기의 DC 입력 임피던스 R_a가 수식 (2)의 대응하는 R₁과 동일하게 될 수 있고, 상부 스위치의 ON 듀티 사이클이 수식 (2)에서 제공된 바와 같이 D일 수 있으며, 전압 및 전류 파형이 도 23a에 도시된 파형의 시간 반전된 버전의 것으로 될 수 있어, ZVS가 둘 모두의 턴-ON 순산에서 달성될 수 있고, ZCS가 하나의 턴-ON 순간에 달성될 수 있다는 것을 나타낸다. 증폭기의 출력에서, 임의의 D 및 R₁에 대해 수식 (2)에 의해 주어질 수 없는 값의 복합 임피던스를 연결하면, ZCS는 어떠한 시각에도 달성되지 않을 수 있다. 유도성(inductive)인 복합 임피던스의 세트에 대해, ZVS가 달성될 수 있으며, 그러므로 높은 효율이 유지될 수 있고, 파형이 도 23d에서의 파형의 시간 반전된 버전으로 될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 적합한 듀티 사이클 D 및 데드 타임은 C_a 및 AC 출력 임피던스의 실시간 측정치 중의 적어도 하나에 대한 지식과, 듀티 사이클 D, 비 Z_IO, 및/또는 DC 입력 임피던스 등과 같은 하나 이상의 요구된 시스템 성능 특성에 대한 지식을 통해 소스 유닛 내부의 마이크로컨트롤러 또는 기타 프로세서 부품에 의해 작동 동안 실시간으로 결정되고 조정될 수 있다. ZVS가 유지되고, 병렬 다이오드가 거의 전혀 전도하지 않거나 최소한으로 전도할 수 있도록, 작동 동안 튜닝 가능한 MOSFET 증폭기는 동적으로 조정될 수 있으며, 이로써 출력 임피던스를 변경시킬 수 있고, 요구된 파워 레벨을 조절할 수 있으면서도, 그 효율이 최적화될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전체 입력 전압 파형이 모니터링될 수 있으며, 스위칭 시퀀스가 ZVS를 실질적으로 유지하고 병렬 다이오드를 통한 아주 약간의 전도 또는 비전도(no conduction)를 실질적으로 유지하도록 조정될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 증폭기는 풀-브리지 토폴로지를 가질 수 있다. 풀-브리지에서의 효율을 훼손시키지 않고서도 동일한 듀티 사이클 튜닝을 달성하기 위해, 브리지의 좌측편과 우측편이 도 23c에 도시되어 있지만 시간 반전되고 1/2 주기만큼 위상 시프트된 스위칭 파형으로 작동할 수 있고, 도 23a에 도시되어 있지만 시간 반전되고 1/2 주기 미만의 약간의 값만큼 위상 시프트된 스위칭 파형으로 작동할 수 있다.

상기한 내용으로부터, 높은 효율이 유지될 수 있도록 하면서, 독립적인 듀티 사이클 "노브"를 튜닝하여 컨버터의 몇몇 특성을 조정할 수 있도록, 스위칭 증폭기 및 스위칭 정류기 둘 모두를 설계할 수 있다는 결론을 내릴 수 있다. 이 노브 또는 조정 가능한 파라미터는 DC/DC 컨버터를 이용하여 수행할 수 있었던 무선 전력 전송의 시스템에서의 튜닝 태스크를 제공할 수 있는 것으로 밝혀질 수 있다.

튜닝 가능한 무선 전력 전송 시스템

일례의 실시예로서, 변경되지 않을 수도 있고(R_s, L_s, R_d, L_d 및 M_sd가 변경되지 않을 수도 있고), 부하가 일정한 저항 R₁으로 될 수 있는, 무선 전력 전송(WPT) 시스템의 시나리오를 가정한다. 도 22a의 (a) 및 (b)는 이러한 일례의 실시예를 예시할 수 있다. 이러한 고정된 전체적인 시스템에 대해, 단대단 효율(end-to-end efficiency)을 최적화하기 위해 소스 유닛 및 디바이스 유닛에서 튜닝 가능 요소가 요구되지 않을 수도 있다. 오히려, 시스템의 효율을 최적화하기 위해서는, 앞에서 개시한 바와 같이, 작동 주파수 f=ω/2π 에서, 정류기의 입력 임피던스 Z_r이 디바이스 코일로부터 부하 쪽으로 볼 때에

로 변환되거나 또는 등가적으로 디바이스-코일 임피던스

의 감산 후에 IMN_d의 입력에서 부하 쪽으로 볼 때에

로 변환될 수 있도록, 디바이스의 임피던스 정합 네트워크 IMN_d를 설계할 수 있다. 소스 코일에 대해 반영된 임피던스는

이거나, 또는 등가적으로 소스-코일 임피던스

의 추가 후에, 소스 코일의 단자에서의

일 수 있다. 따라서, 작동 주파수에서, 이 임피던스가 적합한 임피던스 Z_s로 변환되어, 증폭기가 최소의 손실로(예컨대, ZVS 및 ZCS로) 작동하고, 요구된 양의 전력을 출력하도록, 소스의 임피던스 정합 네트워크 IMN_s를 설계할 수 있다. 위의 임피던스 레벨이 달성된 때에는, 시스템이 임피던스 정합 상태 하에서 작동하고 있다고 할 수 있다.

위의 임피던스 레벨은 우수한 WPT 효율을 가능하게 할 수 있다. 자신의 듀티 사이클을 튜닝함으로써(그리고 ZCS를 포기함으로써) 자신의 출력 전력을 수정하도록 이용될 수 있는 튜닝 가능 증폭기로 전력 레벨이 조정될 수 있다. 이러한 방식으로, 전체 WPT 시스템의 임피던스 레벨은 변화되지 않을 수 있고(시스템의 임피던스 정합이 유지될 수 있음), 그러므로 우수한 전체적인 효율이 유지될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 튜닝 가능 정류기는 자신의 듀티 사이클 및 그러므로 자신의 입력 임피던스를 튜닝함으로써(그리고 ZCS를 포기함으로써) 자신의 출력 전력을 수정하도록 이용될 수 있다. 이러한 방식으로, WPT 시스템의 임피던스 레벨이 변화될 수 있지만, 몇몇 경우에는 효율에 미치는 영향이 그리 크지 않을 수도 있다.

또 다른 예로서, 디바이스 유닛 내의 부하가 일정한 저항 R₁이지만, 코일 파라미터(R_s, L_s, R_d, L_d 및 M_sd)가 자신의 상대적 위치에서의 변동 또는 변경되는 외부 동요로 인해 변경될 수 있는 WPT 시스템의 시나리오를 고려한다. 최대 WPT 효율을 유지하기 위해서는, 소스 및 디바이스 유닛에서의 임피던스 레벨은, 디바이스 코일로부터 부하 쪽으로 볼 때에 임피던스

가 달성될 수 있고, ZVS 및 ZCS를 제공하는 임피던스가 증폭기의 출력에서 달성될 수 있도록, 튜닝 가능하게 될 필요가 있다. 이들 2개의 임피던스의 각각이 복합 임피던스이고, 실수부와 허수부를 가질 수 있으므로, 몇몇 실시예에서, 2개의 튜닝 가능한 "노브"(다른 경우에는 부품, 파라미터, 양, 값 등으로서 지칭됨)가 디바이스 유닛 및 소스 유닛에서 2개 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전술한 바와 같이, 시스템이 변경됨에 따라 ZVS 및 ZCS를 위해 튜닝하는 성능을 제공할 수 있는, 소스 유닛에서 사용된 2개의 노브는 증폭기의 듀티 사이클과, IMN_s 내부의 하나의 튜닝 가능 부품의 값, 예컨대 튜닝 가능 커패시터의 값일 수 있다. 유사하게, 몇몇 실시예에서, 시스템이 변경됨에 따라

를 위해 튜닝하는 성능을 제공할 수 있는, 디바이스 유닛에서 사용되는 2개의 노브는 정류기의 듀티 사이클과, IMN_d 내부의 하나의 튜닝 가능 부품, 예컨대 튜닝 가능 커패시터의 값일 수 있다. 튜닝 가능 증폭기는 자신의 듀티 사이클을 감소시킴으로써(및 ZCS를 포기함으로써) 자신의 출력 전력을 감소시키도록 이용될 수 있다. 이러한 방식으로, 전체 WPT 시스템의 임피던스 레벨은 변화되지 않을 수 있고, 그러므로 우수한 전체 효율이 유지될 수 있다. 디바이스에서의 실제 임피던스

를 유지하는 것은 디바이스 공진이 유지될 필요가 있다는 것을 암시할 수도 있다. 유사하게, 소스 증폭기에 대해 ZVS 및 ZCS를 유지하는 것은 소스 공진이 유지될 필요가 있다는 것을 암시할 수도 있으며, 그렇지 않은 경우에는, 증폭기의 출력 임피던스는 충분하지 않은 전력이 전달될 수도 있도록 하는 값을 취할 수 있게 되고, 그 값에서는, 충분하지 않은 전력이 용량성이 되어 ZVS가 달성될 수 없도록 하거나, 또는 매우 유도성이 되어 ZCS가 크게 상실되고 MOSFET의 ON-저항이 출력 임피던스의 실수부에 필적할 수 있게 되어, ON 전도 손실로 인해 효율의 저하를 야기할 수도 있다. 따라서, 이러한 실시예에서의 튜닝 가능 IMN 요소의 용도는 공진기의 공진 주파수를 작동 주파수에 충분히 가깝게 유지하는 것이다.

몇몇 실시예에서, 코일들 간의 커플링, 즉 M_sd 만이 실질적으로 변경되면, 튜닝 가능한 IMN은 충분한 파워를 충분한 효율로 부하에 제공할 필요가 없을 수도 있다. 고정된 IMN은 요구된 양의 전력이 바람직한 작동 범위의 커플링을 통해 부하에 전송될 수 있도록 설계 가능할 수 있는 한편, 튜닝 가능 정류기는 자신의 입력 임피던스를 조정함으로써 효율을 향상시키도록 이용될 수 있고, 튜닝 가능 증폭기는 ZVS 및 아주 작은 다이오드 전도 또는 다이오드 비전도를 충분히 달성하고, 추가로 전력 레벨을 요구된 경우에 조정하도록 이용될 수 있다.

또 다른 예의 실시예에서, 코일 파라미터 및 커플링이 변경되지 않을 수 있지만(R_s, L_s, R_d, L_d 및 M_sd가 변경되지 않을 수 있음), 부하가 변경되는 양의 전력을 요청하고, 일정한 전압에 있게 될 필요가 있는 WPT 시스템의 시나리오를 가정한다. 몇몇 실시예에서, 이러한 부하는 배터리의 배터리 충전 회로, LED 조명 등이어도 된다. 이러한 시나리오에 대해, DC/DC 컨버터는 도 20의 (b)에 도시된 바와 같이 출력 전압을 요구된 레벨로 조절하기 위해 디바이스 유닛 내의 정류기 다음에 이용될 수 있다. 본 명세서에서, 이러한 DC/DC 컨버터는 요구되지 않을 수 있다는 것을 제시한다. WPT 시스템 전반에 걸쳐 임피던스 정합이 달성되어, WPT 효율을 최적화하고, 정확한 출력 DC 전압이 부하에서 나타나도록, 시스템은 최초에는 최대 부하 전력 레벨로 설계될 수 있는 것으로 간주한다. 몇몇 실시예에서, 커플링된 공진기의 시스템이 실질적으로 선형일 수 있으므로, 튜닝 가능 증폭기가 소스 유닛에 사용되어, 부하에 의해 요구되는 전력이 감소함에 따라, 튜닝 가능 증폭기의 출력 전력이 동일한 양만큼 감소될 수 있으며(자신의 듀티 사이클의 감소 및 ZCS의 상실을 통해), 이러한 감소가 DC 부하 전압과 임피던스 정합 레벨을 실질적으로 동일한 것으로 남겨지도록 할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 튜닝 가능 정류기는 부하 전력 요구가 감소될 수 있도록 하면서 부하에서의 요구된 출력 DC 전압 레벨을 유지하기 위해 이용될 수 있다. 이러한 실시예에서, 최적의 임피던스 정합이 상실될 수 있고, 소스 증폭기의 전력 출력이 출력 임피던스의 변동에 따라서만 변경될 수 있음에 따라, WPT 시스템의 효율이 영향을 받을 수도 있지만, 그 효율은 몇몇 어플리케이션에 대해서는 충분한 것일 수도 있다.

또 다른 예의 실시예에서, 코일들 간의 커플링이 변화될 수도 있고, 외부 동요가 시스템에 영향을 줄 수도 있음에 따라, 변경될 수도 있는(R_s, L_s, R_d, L_d 및 M_sd가 변경될 수 있음) WPT 시스템에 상기한 타입의 부하가 사용될 수 있다. 시스템에서 유지될 필요가 있는 바람직한 작동 목표는 4가지, 즉 (1) 부하의 지정된 동작을 위한 DC 부하 전압, (2), (3) WPT 효율을 최대화하기 위해 부하 쪽으로 볼 때에 디바이스 코일로부터 보이는 바와 같은 임피던스 레벨

(실수부와 허수부)을 정합하는 것, (4) 소스에서의 공진이며, 이로써 증폭기의 출력에서의 임피던스(근본적으로 이 임피던스의 실수부 대 허수부의 비)가 적정한 레벨로 되어, 충분한 파워가 부하(및 그러므로 디바이스 부하)에 전달될 수 있도록 하고, 증폭기 효율의 감소를 초래할 수도 있는 용량성 또는 매우 큰 유도성의 임피던스를 방지하도록 할 수 있다.

이들 4개의 시스템 목표를 유지하기 위해서는, 통상적으로 시스템 내의 4개의 튜닝 가능 노브를 요구할 수도 있다. 제안된 실시예에서, 4개의 노브는 소스 증폭기의 튜닝 가능 듀티 사이클, 디바이스 정류기의 튜닝 가능 듀티 사이클, IMN_s에서의 튜닝 가능 요소(커패시터와 같은), 및 IMN_d에서의 튜닝 가능 요소(커패시터와 같은)일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 4개의 노브 전부는 4개의 요망 사항 전부를 동시에 달성하도록 튜닝될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 각각의 노브는 하나의 요망 사항을 타겟으로 할 수 있으며, 모든 노브가 자신의 개별 타겟을 위해 튜닝할 때에, 시스템은 전체적인 요망된 상태로 수렴할 수 있다. 하나의 이러한 실시예에서, 정류기의 듀티 사이클은 부하에서의 요구된 DC 출력 전압을 유지하도록 튜닝될 수 있고, IMN_s에서의 튜닝 가능 요소는 소스 공진을 유지하도록 튜닝될 수 있으며, 증폭기의 듀티 사이클과 IMN_d의 튜닝 가능 요소는 디바이스에서의 임피던스 정합 상태를 유지하도록 튜닝될 수 있다. 이 최종 단계는, 전력 레벨을 조정하는 것이 정류기의 AC 입력 임피던스를 조정하고(비선형 부하가 자신의 출력에 접속되어 있으므로), 튜닝 가능 IMN_d 요소가 디바이스의 공진을 조정할 수 있기 때문에, 달성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 증폭기의 듀티 사이클은 일정한 DC 부하 전압을 위해 조정되도록 튜닝될 수 있고, IMN_s에서의 튜닝 가능 요소 역시 소스 공진을 유지하도록 튜닝될 수 있고, 정류기의 듀티 사이클과 IMN_d의 튜닝 가능 요소는 디바이스에서의 임피던스 정합 상태를 유지하도록 튜닝될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 디바이스 공진기의 공진이 실질적으로 변경되지 않으면(통상적으로, 디바이스 코일의 인덕턴스가 동요로 인해 실질적으로 변경되지 않기 때문에), IMN_d 에서의 튜닝 가능 요소는 요구된 DC 전압에서 충분히 높은 효율로 부하에 전달될 요구된 전력을 달성하기 위해 요구되지 않을 수도 있다. 몇몇 이러한 실시예에서, IMN_s의 튜닝 가능 요소는 소스 공진을 실질적으로 유지하도록 튜닝될 수 있고, 정류기의 듀티 사이클은 DC 부하 전압을 유지하도록 튜닝될 수 있으며, 증폭기의 듀티 사이클은 전체적인 전송 효율을 최대화하도록 튜닝될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 증폭기와 정류기의 듀티 사이클의 역할은 서로 교환 가능하지 않을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나의 듀티 사이클 노브는 효율을 최대화하는 대신 정류기의 입력에서 특정한 AC 임피던스 레벨을 달성하도록 튜닝될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 코일들 간의 커플링, 즉 M_sd 만이 실질적으로 변경될 수 있으면, 튜닝 가능 IMN은 요구된 전압 레벨에서 충분한 효율로 부하에 요구된 전력을 제공하기 위해 소스 또는 디바이스의 어떠한 것에도 있을 필요가 없다. 몇몇 실시예에서, 정류기의 듀티 사이클은 DC 부하 전압을 유지하도록 튜닝될 수 있고, 증폭기의 듀티 사이클은 전체적인 전송 효율을 최대화하도록 튜닝될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 증폭기와 정류기의 듀티 사이클의 역할은 서로 교환 가능할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 하나의 듀티 사이클 노브는 효율을 최대화하는 대신 정류기의 입력에서의 특정한 AC 임피던스 레벨을 달성하도록 튜닝될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 증폭기에서 튜닝될 수 있는 추가의 노브는 스위칭(및 그러므로 작동) 주파수이다. 주파수를 튜닝하는 것은 전력 조정을 제공할 수 있다. 공진기들 간에 인접 공진(close resonance)이 요구되는 하이-Q 공진기를 갖는 WPT의 몇몇 실시예에서, 주파수를 튜닝하는 것은, 모든 디바이스 유닛이 튜닝 가능 IMN을 포함할 수 있다면, 자신의 공진 주파수가 작동 주파수에 실질적으로 부합하도록 조정될 수 있도록 전력을 조정하기 위해 이용될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 이용 가능하게 될 수 있는 추가의 튜닝 가능 노브는 소스 및 디바이스의 IMN 내의 추가의 튜닝 가능 요소이어도 된다.

전형적인 배터리 동력 디바이스에서, 충전 회로는 배터리를 각각의 충전 사이클에서 특정한 충전 프로파일로 충전하기 위해 배터리를 선행할 수도 있다. 실시예에서, 디바이스 유닛의 출력을 조절하기 위한 본 명세서의 WPT 시스템 실시예의 성능은, 추가의 충전 회로에 대한 필요성 없이, 배터리에 대한 디바이스 유닛의 직접 접속을 허용할 수 있거나, 또는 추가의 충전 회로가 여전히 요구되는 경우에는, 더 소형이고 더 저렴하며 더 적은 부품을 포함할 수 있다. 즉, 실시예에서, WPT 시스템은 그 자체가 배터리를 위한 배터리 충전 회로일 수 있으며, 배터리 상태(전압 또는 온도와 같은)를 모니터링하는 것과 같은 모든 배터리 관리를 수행하고, 충전 사이클의 상이한 부분에서 상이한 양의 전력을 요구한다. 리튬-이온 또는 NiMH 배터리를 위한 충전 프로파일과 같은 전형적인 충전 프로파일은 충전 회로에 의해 제공된 일정한 전류 또는 일정한 전압의 시간 간격을 포함할 수 있다. 본 명세서에서는, 몇몇 실시예에서, WPT 시스템이 적어도 하나의 시스템 노브를 튜닝함으로써 정류기의 출력에서 DC 부하 전압을 유지할 수 있는 것으로 예시하였다. 몇몇 실시예에서, 이 노브는 튜닝 가능 정류기의 듀티 사이클일 수 있다. 배터리에 대한 직접 접속 시에, 배터리는 출력 전압을 자기 자신의 내부 순시 전압으로 자동으로 설정하는 경우가 있다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 시스템 튜닝 노브는 정류기의 출력에서의 DC 부하 전류를 유지하도록 튜닝될 수 있다(전압 대신). 몇몇 실시예에서, 이 튜닝 노브는 튜닝 가능 정류기의 듀티 사이클이어도 된다. 몇몇 실시예에서, WPT는 적어도 하나의 시스템 노브를 튜닝함으로써 일정한 전류 또는 일정한 전압의 간격을 포함한 임의의 요구된 충전 프로파일을 구현할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 이 튜닝 노브는 튜닝 가능 정류기의 듀티 사이클이어도 된다.

WPT 시스템의 실시예에서, 자신의 튜닝을 야기하는 시스템의 제어는 어떠한 목록의 파라미터에 대한 측정치에 좌우될 수 있다. 소스 유닛에서, DC 전압 및 전류는 소스 증폭기에 대한 입력 전력과 DC 임피던스를 결정하기 위해 측정될 수 있다. 소스 DC 전력, 전압 및/또는 전류의 측정치는 소스 유닛에 입력되는 전력, 전압 및/또는 전류를 조절하기 위해 증폭기의 듀티 사이클을 튜닝하도록 이용될 수 있다. 소스 유닛에서도, 소스 증폭기의 출력 전력 및/또는 AC 임피던스를 결정하기 위해 AC 전압 및/또는 전류가 측정될 수 있다. AC 임피던스의 측정치는, 전술한 바와 같이, ZVS가 달성될 수 있고, 전류가 MOSFET를 통해서가 아닌 병렬 다이오드를 통해 전혀 흐르지 않도록, 증폭기 MOSFET의 스위칭 시간을 튜닝하기 위해 이용될 수 있다. 또한, AC 임피던스의 측정치는, 소스 공진을 유지하기 위해, 및/또는 AC 임피던스를 증폭기로부터의 요구된 출력 전력을 더 우수한 증폭기 효율로 허용하는 값으로 수정하기 위해, 소스 임피던스 정합 네트워크에서의 하나 이상의 튜닝 가능 요소의 값을 튜닝하기 위해 이용될 수 있다. 디바이스 유닛에서, DC 전압 및/또는 전류는 부하에 전달되는 디바이스 정류기의 출력 전력 및 순시 DC 부하 임피던스를 결정하기 위해 측정될 수 있다. 디바이스 DC 전력, 전압 및/또는 전류의 측정치는 디바이스 유닛으로부터 부하에 출력되는 전력, 전압 및/또는 전류를 조절하기 위해 정류기의 듀티 사이클을 튜닝하기 위해 이용될 수 있다. 또한, 디바이스 유닛에서, 디바이스 정류기에 대한 입력 전력 및/또는 AC 입력 임피던스를 결정하기 위해 AC 전압 및/또는 전류가 측정될 수 있다. 전술한 바와 같이, ZVS가 달성될 수 있고, 전류가 MOSFET를 통해서가 아닌 병렬 다이오드를 통해 거의 전혀 흐르지 않도록, MOSFET의 스위칭 시간을 튜닝하기 위해 DC 임피던스의 측정치 및 입력 AC 전류 파형에 대한 동기화가 이용될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 감지된 AC 소스 및/또는 디바이스 전압 파형을 필터링하기 위해 아날로그 필터가 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 필터는 싱글-앰플리파이어-바이쿼드(Single-Amplifier-Biquad, SAB) 하이-Q 저역통과 또는 대역통과 필터를 포함할 수 있다.

몇몇 실시예에서, AC 소스 및/또는 디바이스 전류는 전류-감지 트랜스포머(current-sense transformer)를 이용하여 측정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 임피던스 정합 네트워크가 증폭기 및/또는 정류기의 AC측에 직렬로 접속된 인덕터를 포함하면, AC 전류는 하나 이상의 2차 권선의 추가에 의하여 트랜스포머에 대해 이 인덕터를 수정함으로써 측정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 감지된 전류 파형을 필터링하기 위해 아날로그 필터가 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 필터는 SAB 하이-Q 저역통과 또는 대역통과 필터를 포함할 수 있다.

튜닝 가능 정류기의 실시예에서, 정류기에 입력되는 AC 전류에 대한 정류기 MOSFET의 스위칭 파형의 동기화는 아날로그 회로, 디지털 회로, 마이크로컨트롤러, 또는 이들의 임의의 조합을 이용하여 달성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, AC 전류가 감지될 수 있으며, 필터링될 수 있고, 동기화 신호를 생성하기 위해 비교기에 입력될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 비교기는 마이크로컨트롤러 내부에 있을 수도 있다. 정류기 MOSFET의 스위칭 파형은 동기화 신호에 ?여 지연될 필요가 있을 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 이러한 지연은 별도의 아날로그 또는 디지털 부품으로 달성되거나 또는 마이크로컨트롤러 내부에서 달성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 정류기 MOSFET의 가변 듀티 사이클(또는 위상 시프트)의 스위칭 파형은 아날로그 및 디지털 논리 회로를 이용하여 생성되거나 또는 마이크로컨트롤러 내부에서 생성될 수 있다.

WPT 시스템의 실시예에서, 자신의 튜닝을 야기하는 시스템의 제어는, 소스 유닛에 있거나, 디바이스 유닛에 있거나, 또는 소스 유닛과 디바이스 유닛 둘 모두에 있는 처리 유닛에서 실행될 알고리즘을 요구할 수 있다. 알고리즘은 측정된 시스템 파라미터 중의 하나 이상을 활용할 수 있으며, 시스템의 튜닝 가능 파라미터에 대해 필요한 수정을 결정할 수 있다. 알고리즘은 측정된 파라미터 모두를 받아들이고 필요한 튜닝 모두를 전달하는 하나의 글로벌 알고리즘일 수도 있다. 알고리즘은, 직렬 또는 병렬로 실행되고 글로벌 컨버전스(global convergence)를 야기하는 복수 알고리즘의 모음(sum)일 수도 있다. 복수 알고리즘의 이러한 실시예에서, 몇몇 알고리즘은 소스 유닛에서 실행될 수 있고, 몇몇 알고리즘은 디바이스 유닛에서 실행될 수도 있다.

WPT 시스템의 실시예에서, WPT 시스템의 하나의 유닛에서 실행되는 제어 알고리즘은 WPT 시스템의 상이한 유닛에서 측정된 파라미터에 대한 정보를 요구할 수도 있다. 이러한 정보는 통신 채널을 통해 상이한 유닛 간에 통신될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 정보 전달의 통신 채널은 에너지 전달을 위한 채널과 동일한 채널일 수도 있다. 인밴드 통신의 이러한 실시예에서, 정보 전송 유닛의 하나 이상의 파라미터 또는 콤포넌트는 정보 수신 유닛의 동작에 대한 측정 가능한 변화가 영향을 받을 수 있도록 튜닝 가능하게 될 필요가 있다. 튜닝 가능 파라미터 또는 콤포넌트는 유닛의 컨버터 또는 유닛의 IMN에서의 튜닝 가능 요소 등에서의 듀티 사이클일 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 정보 전달의 통신 채널은 에너지 전달을 위한 채널과 상이한 채널일 수도 있다. 아웃 오브 밴드 통신의 이러한 실시예에서, 무선 안테나, 적외선 LED 및 센서, 어쿠스틱 신호 등과 같은 WPT 작동 주파수와는 상이한 임의의 주파수에서 작동하는 통신 플랫폼 및 임의의 표준 방법을 이용할 수 있다.

WPT 시스템의 실시예에서, 튜닝 가능 MOSFET 증폭기 및 정류기의 대칭성은 WPT 시스템의 유닛의 역할의 상호 교환을 허용할 수 있다. 즉, 소스 유닛이 디바이스로서 작동할 수 있고, 디바이스 유닛이 소스로서 작동할 수 있다. 따라서, 시스템은 전력의 양방향 흐름을 허용할 수 있다. 이 특징은 시스템 및 그 어플리케이션의 제어의 면에서 여러 이유로 매우 유용할 수 있다. 양방향 작동은 디바이스 유닛 내의 부하가 배터리 자체인 때에는 추가로 용이하게 될 수 있다. 그러므로, 시스템은 임의의 토폴로지 수정 없이도 역행과정(backwards)을 실행할 수 있다.

시스템 제어의 몇몇 실시예에서, 몇몇 통신 프로토콜은 주기적이기는 하지만 매우 짧은 양의 시간 동안 시스템이 이하의 알고리즘을 수행하도록 조절할 수 있다: WPT 시스템 내의 모든 유닛이 소스 유닛으로서 작동하는 하나의 유닛을 제외하고는 디바이스로서 작동하도록 하여, 이 소스 유닛이 측정을 수행하고(그리고 아마도 다른 유닛에서 수행된 측정에 대한 정보를 통신을 통해 수신하고) 그 자체를 튜닝할 수 있게 하고; 모든 유닛이 차례로 하나의 튜닝 유닛이 되게 하여, 모든 유닛이 튜닝된 때에는, 시스템이 자신의 최적의 튜닝된 상태에 도달하도록 한다. 다른 실시예에서, 상이한 알고리즘 변형예는, 짧은 양의 시간 동안, 유닛이 전력 전송 동안 정상적으로 갖는 하나의 유닛으로부터의 역할을 바꾸도록 요구할 수도 있다.

어플리케이션의 실시예에서, 유닛의 양방향 동작을 위한 능력은, 정상적으로는 특정한 소스에 의해 전력을 공급받는 디바이스로서 작동할 수 있는 이러한 유닛을, 다른 시점에서는 상이한 디바이스에 전력을 공급하는 소스로서 작동할 수 있도록 할 수 있다. 일례로서, 랩톱 컴퓨터는, 통상적으로는 책상에 매립된 소스 유닛으로부터 전력을 공급받는 디바이스로서 작동하지만, 다른 시점에서(예컨대, 이동 동안에) 셀룰러폰, 스마트폰, 헤드셋, 디지털 카메라 등의 내부의 디바이스 유닛에 전력을 공급하기 위해 소스로서 작동할 수 있는 WPT 유닛을 포함할 수 있다.

WPT 시스템에서의 고효율 튜닝 가능 컨버터의 토폴로지 및 구성에 대한 상기한 설명은 복수의 소스 및/또는 복수의 디바이스와 가능하게는 복수의 리피터 유닛과 같은 복수의 유닛을 갖는 시스템으로 확장될 수도 있다. 이러한 실시예에서, 각각의 디바이스 유닛 내의 튜닝 가능 정류기는 고정된 DC 전압 또는 고정된 DC 전류 또는 부하 출력에서의 임의의 요구된 배터리 충전 프로파일을 위해 조정되도록 자신의 듀티 사이클을 튜닝할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 각각의 소스 유닛 내의 튜닝 가능 증폭기는 자신의 출력 전력을 조정하기 위해 자신의 듀티 사이클을 튜닝할 수 있다. 이러한 전력 조정은 전체적인 시스템 효율이 최적화될 수 있도록 할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 튜닝 가능 요소가 시스템 유닛의 몇몇 또는 전부의 IMN에 존재하는 경우, 추가의 튜닝 노브는 요구된 DC 부하 전압, 부하 전력 요구, 최대 소스 전력 전달 성능 등에 의해 제한되는 시스템 효율의 최적화를 최종적인 목표로서 가질 수 있는 더욱 복잡한 시스템 제어를 허용할 수 있다. 통상적으로, 상이한 디바이스는 하나 이상의 소스 유닛으로부터 출력되는 증가되거나 또는 감소된 전력에 대한 상충하는 이해관계(conflicting interest)를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 소스 유닛으로부터 출력된 전력은 최대의 가능한 출력 전력 레벨까지에서는 모든 디바이스로부터의 최대의 전력 요구를 충족하도록 조정될 수 있다. 그러므로, 더 적은 전력을 요구할 수 있는 디바이스에서는, 이들이 공진에 가깝게 튜닝된다면, 커다란 순환 및 소모 전력이 있을 수 있다. 몇몇 실시예에서, 복수의 디바이스를 갖는 WPT 시스템에서의 하나의 디바이스의 IMN에 하나 이상의 튜닝 가능 요소가 존재하는 경우, 더 적은 전력을 요구하는 디바이스 내의 하나 이상의 튜닝 가능 요소는 요구된 출력 파워, 전압 또는 전류를 유지하면서 디바이스 내에서의 소모 전력을 감소시키기 위해 디튜닝(detune)될 수도 있다.

일례의 시스템 실시예

도 24는 본 발명에 따른 무선 에너지 전달 시스템의 일례의 블록도를 도시한다. 도 24에서의 시스템은 에너지를 적어도 하나의 무선 에너지 캡쳐 디바이스에 전달하는 무선 에너지 소스를 포함한다. 시스템은 시스템의 에너지 전달을 조정할 수 있는 튜닝 가능 소스 요소 및 튜닝 가능 디바이스 요소를 포함한다. 에너지 전달의 조정은 디바이스에 전달되는 에너지의 양을 제어하기 위해 이용될 수 있다. 에너지 전달의 조정은 상이한 부하 상태 및 소스에 대한 상이한 디바이스 위치/지향방향 하에서 부하에 전달되는 전력을 제어하기 위해 이용될 수 있다. 에너지 전달의 조정은 시스템 요소에 저장되거나 시스템 요소를 통해 흐르는 과도한 에너지로 인해 시스템 요소에서 낭비되거나 소모되는 에너지를 감소시킴으로써 에너지가 효율적으로 전달되도록 하기 위해 이용될 수 있다.

시스템의 소스는 튜닝 가능 스위칭 증폭기 및 튜닝 가능 임피던스 정합 네트워크를 포함할 수 있다. 소스의 튜닝 가능 요소는 소스의 전력 출력, 소스의 효율, 및 소스 공진기의 공진 주파수를 조정하기 위해 이용될 수 있다. 일례의 실시예에서, 튜닝 가능 스위칭 증폭기(2402)는 예컨대 DC 전압 소스와 같은 에너지 소스에 접속된다. 에너지 소스의 DC 전압은 스위칭 증폭기(2402)를 통해 스위칭 또는 발진 전압으로 변환될 수 있고, 임피던스 정합 네트워크(2404)를 통해 소스 공진기 코일(2422)을 구동하기 위해 이용될 수 있다. 스위칭 증폭기는 조정 가능한 또는 튜닝 가능한 스위칭 주파수를 가질 수 있다. 몇몇 실시예에서, 스위칭 증폭기의 주파수는 증폭기의 전력 출력을 조정하기 위해 이용될 수 있다. 소스 공진기를 소스의 공진 주파수 아래 또는 위로 구동하는 것은, 증폭기의 전력 출력을 변화시키기 위해 이용될 수 있다. 일례의 실시예에서, 스위칭 증폭기는 증폭기의 정상적인 작동 동안 실질적으로 고정되거나 일정한 스위칭 주파수를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 증폭기의 스위칭 주파수는 시스템 주파수에 부합되는 것이 바람직할 수 있거나, 또는 소스 공진기의 공진 주파수에 실질적으로 동일하게 될 수 있다. 이 실시예에서, 소스의 전력 제어는 증폭기의 듀티 사이클 또는 증폭기의 위상 시프트를 조정함으로써 제어되는 것이 바람직하다.

소스의 임피던스 정합 네트워크(2404)는 증폭기의 효율적인 작동을 제공하도록 튜닝될 수 있다. 이 임피던스 정합 네트워크는 효율적인 에너지 전달을 위해 소스의 공진기와 증폭기 간의 임피던스 정합을 제공하기 위해 튜닝 가능 콤포넌트를 포함할 수 있다. 임피던스 정합 네트워크는 또한 소스의 공진 주파수의 제어 및 조정을 제공하기 위해 튜닝 가능 콤포넌트를 포함할 수 있다. 튜닝 가능 콤포넌트는 디바이스의 작동의 변화, 디바이스의 이동 등으로 인해 변화된 환경에 의해 공진기의 파라미터가 동요될 때에 소스의 공진 주파수를 실질적으로 시스템 주파수로 유지하기 위해 이용될 수 있다.

소스의 튜닝 가능 요소는 소스에서의 피드백 또는 제어 루프를 통해 제어될 수 있다. 소스의 튜닝 가능 요소는 소스 전압, 전류, 온도, 필드 강도 등의 측정된 파라미터에 기초하는 피드백 또는 제어 루프를 통해 제어될 수 있다. 소스의 튜닝 가능 요소는 시스템의 디바이스들과 교환되는 정보를 이용한 피드백 또는 제어 루프를 통해 제어될 수 있다.

예컨대, 도 24에 도시된 일례의 실시예에서, 소스는 증폭기에 대한 입력에서 DC 전압 및 DC 전류의 하나 이상의 측정치를 취하는 증폭기 제어부(2410)를 포함할 수 있다. 증폭기(2416)의 입력에서 입력 전압 및 전류를 측정하는 것은, 소스에 대한 전력 입력을 결정할 수 있고, 소스의 전력 출력을 추론할 수 있다. 증폭기 제어부는 증폭기에 대한 전력 입력 또는 증폭기의 출력을 조정하기 위해 증폭기(2402)의 스위칭 요소의 듀티 사이클 또는 위상 시프트를 조정할 수 있다. 증폭기 제어부는 디바이스에 통신 방식으로 접속될 수 있고, 디바이스에 전달되는 전력 또는 디바이스에 의해 요청되는 전력에 기초하여 증폭기의 듀티 사이클 또는 위상 시프트를 조정할 수 있다.

이 시스템에서, 증폭기의 듀티 사이클 또는 위상 시프트는 디바이스에 전달되는 또는 디바이스에 의해 요구되는 전력의 양의 변화의 결과로 주기적인 또는 일정한 조정을 필요로 할 수 있다. 디바이스에 의해 요구되는 전력은 소스 공진기 코일(2422)과 디바이스 공진기 코일(2424) 간의 커플링의 변화, 디바이스의 이동, 시스템 내의 다른 디바이스의 전력 드로우(power draw) 등으로 인해 변화될 수 있다. 예컨대, 소스 공진기 코일과 디바이스 공진기 코일 간의 커플링은 디바이스가 소스로부터 더 멀리 떨어져 위치되면 감소될 수 있다. 더 멀리 위치되는 것으로 인해, 디바이스 공진기 코일(2424)에 전달되는 전력이 감소될 수 있다. 디바이스에 전달되는 특정한 전력을 유지하기 위해서는, 증폭기 제어부는 소스 공진기 코일의 출력에서 더 많은 전력을 전달하게 하기 위해 증폭기의 스위칭 요소의 듀티 사이클을 증가시킬 수 있다.

도 24에 도시된 일례의 실시예에서, 소스는 증폭기(2402)의 출력에서 AC 전압 및 AC 전류의 하나 이상의 측정치(2418)를 취하는 임피던스 정합 제어부(2412)를 포함할 수 있다. 증폭기의 출력에서의 파형의 특성을 측정함으로써, 증폭기 제어부(2410)는 증폭기(2402)의 스위칭 요소에서 제로 전압 스위칭을 달성하기 위해 증폭기(2402)의 스위칭 요소를 조정할 수 있다. 파형의 특성의 측정치는 소스의 공진 주파수를 결정하기 위해 임피던스 정합 제어부에 의해 이용될 수 있다. IMN의 요소는 공진 주파수를 실질적으로 증폭기의 스위칭 주파수로 하도록 조정될 수 있다. 파형의 특성의 측정치는 증폭기에 대한 전력 입력 또는 증폭기의 출력을 향상된 증폭기 효율을 갖는 요구된 레벨로 조정하는 임피던스 정합 네트워크의 튜닝 가능 요소의 값을 결정하기 위해 임피던스 정합 제어부에 의해 이용될 수 있다.

실시예에서, 증폭기 제어부 및 임피던스 정합 제어부는 물리적으로 동일한 제어기일 수도 있거나, 또는 별도의 회로 또는 블록일 수도 있다. 당해 기술에 익숙한 사람이라면 본 명세서에서 설명된 기능을 갖는 제어 블록을 구현하기 위해 다양한 방식이 있다는 것을 인지할 것이다. 실시예에서, 제어부는 비교기, 센서 등을 이용하는 아날로그 회로를 이용하여 구현될 수도 있다. 실시예에서, 제어부는 FPGA, 마이크로컨트롤러, ASIC 등과 같은 디지털 하드웨어로 구현될 수도 있다.

시스템의 디바이스는 임피던스 정합 네트워크(2406) 및 튜닝 가능 스위칭 정류기(2408)를 포함할 수 있다. 공진기 코일 상에 유도된 발진 전압은 임피던스 정합 네트워크(2406)를 통해 전달되고, 실질적으로 배터리, 전자 장치 등과 같은 부하에 전력을 공급하기 위해 정류기(2408)의 출력에서의 DC 전압 및 전류로 정류될 수 있다. 정류기는 스위칭 요소의 튜닝 가능 듀티 사이클 또는 위상 시프트를 갖는 제어된 제로 전압 스위칭 증폭기이어도 되며, 디바이스의 부하에 전달되는 출력 전압 또는 출력 전류를 제어하기 위해 이용될 수 있다.

스위칭 정류기의 튜닝 가능 요소는 디바이스 내의 피드백 루프를 통해 제어될 수 있다. 정류기 제어부(2414)는 디바이스의 전압 및 전류의 하나 이상의 측정치를 취할 수 있고, 정류기의 스위칭 요소의 듀티 사이클 또는 위상 시프트를 조정할 수 있다. 실시예에서, 정류기 제어부는 정류기(2420)의 출력에서의 DC 전압 및 전류를 측정할 수 있다. 실시예에서, 정류기의 스위칭 요소의 듀티 사이클 및/또는 위상 시프트는 부하 또는 정류기(2420)의 출력에서 일정한 전압을 달성하도록 제어되거나 조정될 수 있다. 실시예에서, 정류기의 스위칭 요소의 듀티 사이클 및/또는 위상 시프트는 부하 또는 정류기(2420)의 출력에서 실질적으로 일정한 전류를 달성하도록 제어되거나 조정될 수 있다.

무선 에너지 전달 시스템에서, 부하 또는 정류기(2420)의 출력에서의 전압 및/또는 전류는 부하 파라미터의 변화로 인해 주기적이거나 또는 심지어는 지속적인 조정을 필요로 할 수도 있다. 실시예에서, 부하의 전력 요구는 주기적으로 또는 지속적으로 변화할 수도 있다. 일례의 실시예에서, 부하가 배터리인 경우, 전력 요구는 배터리의 충전 상태가 변화함에 따라 지속적으로 변화될 수 있다. 배터리가 방전된 때, 배터리는 자신의 초기 충전 사이클 동안에는 일정한 전류를 요구할 것이지만, 배터리가 충전되어 감에 따라, 전류 요구가 감소할 수 있다. 시스템에서, 정류기 제어부(2414)는 요구된 전압 및/또는 전류를 부하에 제공하기 위해 정류기의 스위칭 요소의 듀티 사이클 및/또는 위상 시프트를 조정할 수 있다.

시스템에서, 정류기의 듀티 사이클 및/또는 위상 시프트는 소스로부터 수신된 전력의 양의 변화의 결과로 주기적인 또는 일정한 조정을 필요로 할 수 있다. 디바이스 공진기 코일(2424)에 전달되는 전력은, 더 적은 전류를 출력하는 소스, 소스 공진기 코일(2422)과 디바이스 공진기 코일(2424) 간의 커플링의 변화, 디바이스의 이동, 시스템 내의 다른 디바이스의 동작 또는 전력 드로우 등으로 인해 변화할 수 있다. 예컨대, 소스 공진기 코일과 디바이스 공진기 코일 간의 커플링은 디바이스가 소스로부터 더 멀리 떨어져 위치되면 감소할 수 있다. 더 멀리 떨어져 위치됨으로 인하여, 디바이스 공진기 코일(2424)에 전달되는 전력은 감소될 수 있다. 디바이스 공진기 코일에 전달되는 전력의 변화에도 불구하고 부하에서의 전압, 전류 또는 전력 출력을 유지하기 위해, 정류기 제어부는 디바이스 공진기 코일에서의 더 커다란 백분율의 캡쳐된 전력을 부하에 흐를 수 있도록 하기 위해 정류기의 스위칭 요소의 듀티 사이클을 증가시킬 수 있다.

실시예에서, 정류기 제어부는 시스템의 소스에 통신 방식으로 접속될 수 있다. 실시예에서, 정류기 제어부는 정류기의 츨력에서의 전압 및 전류 또는 정류기의 작동 파라미터에 기초하여 자신의 전력 출력을 증가하거나 감소하도록 소스에 시그널링할 수 있다. 정류기가 자신의 작동 범위의 최대치에서 벗어나거나 근접하고, 부하의 전력 수요를 충족하도록 자신의 듀티 사이클 또는 위상 시프트를 증가시킬 수 없다면, 디바이스는 소스에게 더 많은 전력을 출력하도록 시그널링할 수 있다. 실시예에서, 정류기 제어부는 정류기가 50％ 듀티 사이클 부근 또는 40％ 듀티 사이클 부근 또는 그 미만일 때에 소스에게 더 많은 전력을 출력하도록 시그널링할 수 있다. 실시예에서, 정류기는 소스에게 소스의 출력 전력을 감소하도록 시그널링할 수 있다. 실시예에서, 정류기가 40％ 또는 그보다 낮은 듀티 사이클 또는 30％ 또는 그보다 낮은 듀티 사이클로 작동할 때, 디바이스는 부하의 전력 수요를 충족하기 위해 필요로 하는 것보다 더 많은 전력을 수신할 수 있다. 실시예에서, 디바이스 공진기 코일 및 소스 공진기 코일에서의 여분의 순환 전력은 불필요한 또는 여분의 손실, 요소의 발열 등을 초래할 수 있다. 여분의 순환 전류는 감소된 에너지 전달 효율을 발생할 수 있다. 실시예에서, 디바이스 정류기 제어부는 부하에서의 전력 요구와 부합하기 위해 소스 전력 출력을 감소시키도록 소스에게 시그널링할 수 있다.

실시예에서, 시스템은 디바이스에서의 정류기를 디바이스에서의 부하의 전력 요구를 충족하기 위해 실질적으로 50％ 듀티 사이클로 또는 40％와 50％ 듀티 사이클 사이로 동작할 수 있도록 소스에서의 전력 출력을 조정할 수 있다. 정류기에서의 50％ 듀티 사이클 부근에서 작동은 정류기를 더욱 효율적이 되게 할 수 있고, 소스 또는 디바이스 공진기 코일 및 콤포넌트에서의 여분의 순환 전류로 인한 손실을 감소시킬 수 있다. 실시예에서, 디바이스는 소스의 전력 출력을 조정하도록 소스에게 주기적으로 시그널링할 수 있다. 실시예에서, 디바이스는 자신의 전력 수요를 식별하고 소스로 하여금 가장 적합한 전력 출력을 결정할 수 있도록 소스에게 주기적으로 시그널링할 수 있다.

몇몇 실시예에서, 디바이스는 디튜닝 성능을 포함할 수 있다. 실시예에서, 디바이스가 너무 많은 전력 또는 자신이 필요로 하는 것보다 많은 전력을 수신하면, 디바이스는 디바이스에 전달되는 전력을 감소시키기 위해 자신의 공진 주파수를 소스의 공진 주파수로부터 멀리 떨어지도록 디튜닝할 수 있다. 몇몇 시스템에서, 디바이스는 먼저 자신의 전력 수요를 소스와 통신하려고 시도하고, 자신의 전력 출력을 감소시키기 위해 소스를 대기한다. 그러나, 특정한 시간 후에 소스 전력 출력이 감소하지 않으면, 디바이스는 자신이 캡쳐하는 에너지를 감소시키기 위해 자신의 공진 주파수를 디튜닝할 수 있다. 디바이스는 자신의 임피던스 정합 네트워크에서의 하나 이상의 콤포넌트를 조정함으로써 자신의 공진 주파수를 디튜닝할 수 있다. 실시예에서, 소스로의 반대로의 전력 수요 통신 및 디바이스 공진 주파수의 디튜닝은 부하의 측정된 전력 수요 및 부하의 전력 수요를 측정하기 위해 필요로 하는 정류기의 파라미터에 기초하여 수행될 수 있다. 정류기가 30％ 미만의 듀티 사이클에서 작동하고, 부하의 전력 수요를 충족하면, 정류기 제어부는 디바이스를 디튜닝하거나 또는 자신의 전력 출력을 감소시키기 위해 통신할 수 있다.

도 25는 시스템 요소를 더욱 상세히 표시한 시스템의 실시예를 도시한다. 소스는 스위칭 증폭기(2402) 및 임피던스 정합 네트워크(2404)를 포함할 수 있다. 증폭기는 2개의 스위칭 요소(S1, S2)를 갖는 스위칭 하프-브리지 증폭기이어도 된다. 스위칭 요소는 전계 효과 트랜지스터(FET), BJT, 전기 기계 스위치 등을 포함한 임의의 개수의 타입의 스위치를 포함할 수 있다. 스위치는 고정된 주파수로 주기적으로 온과 오프로 스위치되어 입력 전압 및 전류를 증폭기의 출력에서의 발진 전압 및 전류로 변경할 수 있다. 스위칭 요소(S1, S2)의 스위칭 주파수 및 듀티 사이클은 증폭기 제어부(2410)에 의해 제어될 수 있다. 당해 기술에 익숙한 사람은 증폭기가 4개 이상의 스위칭 요소를 포함할 수 있고 풀-브리지 토폴로지를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

임피던스 정합 네트워크(2404)는 소스 공진기 코일(2422)에 대해 직렬 및 병렬 구성으로 인덕터(L2) 및 커패시터(C6, C5, C4)의 네트워크를 포함할 수 있다. 임피던스 정합 네트워크의 요소의 토폴로지는 시스템의 작동 조건에 대해 맞춤되고(tailored) 조정될 수 있다. 네트워크는 몇몇 시스템에서의 커패시터에 걸친 전류 또는 피크 전압을 감소시키도록 설계될 수 있다. 다른 시스템에서, 네트워크는 네트워크 내의 부품의 개수를 최소화하도록 설계될 수 있다.

실시예에서, 임피던스 정합 네트워크(2404)는 하나 이상의 튜닝 가능 부품을 포함할 수 있다. 실시예에서, 네트워크(2404)는 공진기 코일(2422)과 병렬로 튜닝 가능 커패시턴스(C5, C4)를 포함할 수 있다. 튜닝 가능 커패시턴스는 하나 이상의 전자적으로 제어 가능한 스위치를 이용하여 회로에 접속 및 접속해제될 수 있는 하나 이상의 커패시터의 뱅크(bank)를 포함할 수 있다. 예컨대, 도 25에서, 병렬 커패시턴스는 전자적으로 제어 가능한 스위치(S3)를 이용하여 커패시터(C5)를 접속 또는 접속해제함으로써 조정될 수 있다. 커패시턴스의 변화는 소스의 공진 주파수에 대한 임의의 동요 또는 변화를 정정하기 위해 소스의 공진 주파수를 튜닝하도록 조정될 수 있다. 실시예에서, 커패시턴스 튜닝은 실질적으로 시스템의 고정된 주파수에서 소스의 공진 주파수를 유지하기 위해 이용될 수 있다. 실시예에서, 커패시턴스 튜닝은 향상된 증폭기 효율에서 증폭기의 전력 입력 또는 출력을 조절하기 위해 이용될 수 있다.

임피던스 정합 네트워크는 인덕터, 기타 커패시터, 저항기 등과 같은 다른 튜닝 가능 요소를 가질 수 있다. 요소는 도 25의 C5에서의 커패시터와 같은 스위칭 요소로 조정될 수 있다. 스위칭 요소는 회로에 하나 이상의 커패시터를 접속하거나 회로로부터 하나 이상의 커패시터를 제거함으로써 커패시턴스를 변화시킬 수 있는 임피던스 정합 회로(2412)에 의해 전자적으로 제어될 수 있다.

디바이스의 임피던스 정합 네트워크(2406)는 커패시터와 인덕터의 네트워크를 포함할 수 있으며, 이 커패시터와 인덕터의 네트워크는 디바이스의 공진 주파수를 설정하고, 공진기 코일(2424)을 정류기(2408)에 임피던스 정합한다. 정류기(2408)는 적어도 하나의 능동 스위칭 요소를 포함할 수 있다. 하나 이상의 스위칭 요소(S4, S5)는 정류기의 입력에서의 발진 전압에 동기될 수 있으며, 발진 전압 및 전류를 정류기의 출력에서 실질적으로 DC 전압 및 전류로 정류하는 것을 온과 오프로 스위칭할 수 있다. 스위치는 정류기 제어부(2414)에 의해 제어된 트랜지스터와 같은 전자적으로 제어 가능한 스위치인 것이 바람직할 수 있다. 정류기 제어부(2414)는 정류기의 출력에서의 출력 전압 또는 전류를 제어하기 위해 스위치의 듀티 사이클과 같은 스위칭 특성을 제어할 수 있다. 실시예에서, 정류기는 출력 전압에서의 출력 리플을 평활화하거나 감소시키기 위해 하나 이상의 필터를 포함할 수 있다. 필터는 하나 이상의 커패시터 또는 임의의 개수의 다른 패시브 및 액티브 필터링 토폴로지이어도 된다.

실시예에서, 증폭기 토폴로지 및 정류기 토폴로지는 도 26에 도시된 바와 같이 풀-브리지 중심의 설계를 기반으로 할 수 있다. 소스의 풀-브리지 토폴로지에서, 증폭기(2402)는 적어도 4개의 스위칭 요소(S1, S2, S3, S4)를 포함할 수 있다. 풀-브리지 토폴로지에서, 임피던스 정합 네트워크(2404)는 공진기 코일(2422)을 중심으로 대칭을 이루는 것이 바람직할 수 있다. 임피던스 정합 네트워크의 요소는 증폭기의 양쪽 출력 상에 복제(duplicate)될 수 있다. 예컨대, 인덕터 L2는 이 예의 네트워크에서 양쪽 출력 상에서 L2a와 L2b로서 복제될 수 있다. 대칭적 임피던스 정합 네트워크는 회로의 안과 밖에서 스위칭될 수 있는 커패시터의 뱅크와 같은 튜닝 가능 부품을 포함할 수 있다. 실시예에서, 스위칭 가능 커패시터의 뱅크는 또한 C5a 및 C5b와 같은 대칭의 것으로 될 수 있으며, 회로의 중앙 지점을 중심으로 대칭 스위치(S5, S6)를 이용하여 스위칭될 수 있다.

튜닝 가능 소스 증폭기 및 튜닝 가능 디바이스 정류기를 갖는 일례의 시스템 실시예는 이동하고 있거나 또는 이동 가능한 디바이스에 대한 무선 에너지 전달 또는 하나보다 많은 디바이스를 갖는 시스템에 대해 중요한 장점을 가질 수 있다. 하나보다 많은 디바이스를 갖는 실시예에서, 고정되거나 일정한 스위칭 및 출력 주파수를 갖는 소스는 하나보다 많은 디바이스로 하여금 전력을 동시에 수신할 수 있도록 한다. 소스의 공진 주파수를 유지하도록 소스 임피던스 정합 네트워크를 튜닝하는 것은, 디바이스가 이동하고 소스 공진기 코일 상의 부하 및 동요를 변화시킬 때에 필요할 수 있다.

본 발명을 특정한 바람직한 실시예에 관련하여 설명하였지만, 당해 기술에 익숙한 사람이라면 다른 실시예도 가능하다는 것을 이해할 것이며, 이러한 실시예 또한 법률에 의해 허용될 수 있는 가장 넓은 의미로 해석되는 본 발명의 범위 내에 있는 것이다.

본 명세서에서 언급된 모든 문헌은 참조에 의해 그 전체 내용이 본 명세서에 전체적으로 설명된 것처럼 원용되는 것으로 한다.

Claims (24)

1. 전력 공급부와 부하 간에 에너지를 전달하는 무선 에너지 전달 시스템에 있어서,
   소스 공진기 코일;
   상기 소스 공진기 코일에 유도성으로 결합된 디바이스 공진기 코일;
   상기 전력 공급부에 의해 구동되고, 소스 임피던스 정합 네트워크를 통해 상기 소스 공진기 코일을 구동하며, 전자적으로 제어 가능한 스위칭 요소를 갖는 튜닝 가능 스위칭 증폭기;
   상기 부하를 구동하고, 디바이스 임피던스 정합 네트워크를 통해 상기 디바이스 공진기 코일로부터 에너지를 수신하며, 전자적으로 제어 가능한 스위칭 요소를 갖는 튜닝 가능 스위칭 정류기;
   상기 전력 공급부로부터 추출되는 전력을 조절하기 위해 상기 증폭기의 스위칭 요소의 스위칭 특성을 제어하도록 구성된 소스 증폭기 제어부; 및
   상기 부하에 제공되는 출력의 특성을 조절하기 위해 상기 정류기의 스위칭 요소의 스위칭 특성을 제어하도록 구성되며, 상기 소스 증폭기 제어부에 통신 방식으로 결합된 정류기 제어부
   를 포함하며,
   상기 소스 증폭기 제어부는 상기 증폭기의 스위칭 요소에 실질적으로 고정된 스위칭 주파수를 제공하는,
   무선 에너지 전달 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 증폭기는 하프-브리지 토폴로지를 가지며, 상기 소스 증폭기 제어부는 상기 증폭기의 스위칭 요소의 스위칭 듀티 사이클을 제어하도록 구성되는, 무선 에너지 전달 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 증폭기는 풀-브리지 토폴로지를 가지며, 상기 소스 증폭기 제어부는 상기 증폭기의 스위칭 요소의 위상을 제어하도록 구성되는, 무선 에너지 전달 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 정류기는 하프-브리지 토폴로지를 가지며, 상기 정류기 제어부는 상기 정류기의 스위칭 요소의 스위칭 듀티 사이클을 제어하도록 구성되는, 무선 에너지 전달 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 정류기는 풀-브리지 토폴로지를 가지며, 상기 정류기 제어부는 상기 정류기의 스위칭 요소의 스위칭 위상을 제어하도록 구성되는, 무선 에너지 전달 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 정류기 제어부는 상기 부하에 제공되는 전압을 제어하도록 구성되는, 무선 에너지 전달 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 정류기 제어부는 상기 부하에 제공되는 전류를 제어하도록 구성되는, 무선 에너지 전달 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 정류기 제어부는 상기 부하에 제공되는 전력을 제어하도록 구성되는, 무선 에너지 전달 시스템.
9. 제1항에 있어서,
   상기 소스 증폭기 제어부는 상기 전력 공급부로부터 부하로의 전력 전송의 효율을 최적화하기 위해 상기 전력 공급부로부터 추출되는 전력을 조절하는, 무선 에너지 전달 시스템.
10. 제4항에 있어서,
    상기 소스 증폭기 제어부는 실질적으로 상기 정류기의 스위칭 요소에서 50％ 듀티 사이클을 유지하기 위해 상기 전력 공급부로부터 추출되는 전력을 조절하는, 무선 에너지 전달 시스템.
11. 제5항에 있어서,
    상기 소스 증폭기 제어부는 실질적으로 상기 정류기의 스위칭 요소에서 50％ 위상 시프트를 유지하기 위해 상기 전력 공급부로부터 추출되는 전력을 조절하는, 무선 에너지 전달 시스템.
12. 제1항에 있어서,
    상기 소스 증폭기 제어부는 실질적으로 제로 전압 스위칭(zero voltage switching)을 유지하기 위해 상기 증폭기의 스위칭 요소의 스위칭 특성의 적어도 하나의 데드 타임(dead time)을 제어하도록 구성되는, 무선 에너지 전달 시스템.
13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 데드 타임은 상기 증폭기의 출력 전압 및 출력 전류의 측정치에 응답하여 제어되는, 무선 에너지 전달 시스템.
14. 제1항에 있어서,
    상기 정류기 제어부는 실질적으로 제어 전압 스위칭을 유지하기 위해 상기 정류기의 스위칭 요소의 스위칭 특성의 적어도 하나의 데드 타임을 제어하도록 구성되는, 무선 에너지 전달 시스템.
15. 제14항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 데드 타임은 상기 정류기의 출력 전압 및 출력 전류의 측정치에 응답하여 제어되는, 무선 에너지 전달 시스템.
16. 제1항에 있어서,
    상기 소스 임피던스 정합 네트워크는 하나 이상의 튜닝 가능 요소를 포함하는, 무선 에너지 전달 시스템.
17. 제16항에 있어서,
    상기 하나 이상의 튜닝 가능 요소는 조정 가능 커패시터인, 무선 에너지 전달 시스템.
18. 제17항에 있어서,
    상기 커패시터는 소스 공진 주파수를 유지하도록 조정되는, 무선 에너지 전달 시스템.
19. 제17항에 있어서,
    상기 커패시터는 상기 전력 공급부로부터 상기 소스 공진기 코일로 전송되는 전력의 향상된 효율로 상기 전력 공급부로부터 추출되는 전력을 조절하도록 조정되는, 무선 에너지 전달 시스템.
20. 제17항에 있어서,
    상기 커패시터는 상기 증폭기의 스위칭 요소에서 실질적으로 50％ 듀티 사이클 또는 위상 시프트를 유지하면서 상기 전력 공급부로부터 추출되는 전력을 조절하도록 조정되는, 무선 에너지 전달 시스템.
21. 무선 에너지 전달 시스템에서의 부하에 대한 에너지를 제어하는 방법에 있어서,
    증폭기의 스위칭 요소의 튜닝 가능 듀티 사이클을 갖는 증폭기를 갖는 소스를 제공하는 단계;
    정류기의 스위칭 요소의 튜닝 가능 듀티 사이클을 갖는 정류기를 갖는 디바이스를 제공하는 단계로서, 상기 정류기가 상기 소스의 증폭기에 통신 방식으로 결합되는, 제공하는 단계;
    상기 정류기의 출력에서 전력 수요를 충족하기 위해 상기 정류기의 듀티 사이클을 조정하는 단계; 및
    상기 정류기의 스위칭 요소에서 실질적으로 50％ 듀티 사이클을 획득하기 위해 상기 증폭기의 듀티 사이클을 조정하는 단계
    를 포함하는, 무선 에너지 전달 시스템에서의 부하에 대한 에너지를 제어하는 방법.
22. 제21항에 있어서,
    상기 정류기는 하나 이상의 작동 특성을 상기 증폭기에 통신하는, 무선 에너지 전달 시스템에서의 부하에 대한 에너지를 제어하는 방법.
23. 제21항에 있어서,
    상기 정류기는 상기 정류기의 출력에서 일정한 전압을 제공하도록 듀티 사이클을 조정하는, 무선 에너지 전달 시스템에서의 부하에 대한 에너지를 제어하는 방법.
24. 제21항에 있어서,
    상기 정류기는 상기 정류기의 출력에서 일정한 전류를 제공하도록 듀티 사이클을 조정하는, 무선 에너지 전달 시스템에서의 부하에 대한 에너지를 제어하는 방법.

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