KR20140060865A - 무선 전력 송신 장치 및 방법 - Google Patents

무선 전력 송신 장치 및 방법 Download PDF

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KR20140060865A KR1020120127746A KR20120127746A KR20140060865A KR 20140060865 A KR20140060865 A KR 20140060865A KR 1020120127746 A KR1020120127746 A KR 1020120127746A KR 20120127746 A KR20120127746 A KR 20120127746A KR 20140060865 A KR20140060865 A KR 20140060865A
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Abstract

사인 반파 전력 생성부는 사인 반파 형상의 직류 전압을 가지는 사인 반파 직류 전력을 생성한다. 교류 전력 생성부는 사인 반파 직류 전력을 사인 반파 교류 전력으로 변환한다. 전력 송신부는 사인 반파 교류 전력을 공진에 의해 무선 전력 수신 장치에 송신한다.

Description

무선 전력 송신 장치 및 방법{WIRELESS POWER TRANSMITTING APPARATUS AND METHOD}
본 발명의 기술 분야는 무선 전력 송신 장치 및 방법에 관한 것이다.
무선으로 전기 에너지를 원하는 기기로 전달하는 무선전력전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도 되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다. 전자기 유도는 도체의 주변에서 자기장을 변화시켰을 때 전압이 유도되어 전류가 흐르는 현상을 말한다. 전자기 유도 방식은 소형 기기를 중심으로 상용화가 빠르게 진행되고 있으나, 전력의 전송 거리가 짧은 문제가 있다.
현재까지 무선 방식에 의한 에너지 전달 방식은 전자기 유도 이외에 자기 공진 및 단파장 무선 주파수를 이용한 원거리 송신 기술 등이 있다.
최근에는 이와 같은 무선 전력 전송 기술 중 자기 공진을 이용한 에너지 전달 방식이 많이 사용되고 있다.
자기 공진을 이용한 무선전력 전송 시스템은 송신 측과 수신 측에 형성된 전기신호가 코일을 통해 무선으로 전달되기 때문에 사용자는 휴대용 기기와 같은 전자기기를 손쉽게 충전할 수 있다.
그러나, 기존의 무선전력 송신장치에 공급되는 교류 전력 중에는 불필요한 주파수 성분으로 인해 무선전력 전송 시스템의 전력 전송 효율을 떨어뜨리는 문제가 있었다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 공진에 의한 무선 전력 송신의 효율을 향상시킬 수 있는 무선 전력 전송 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 송신하는 무선 전력 송신 장치는 사인 반파 형상의 교류 전압을 가지는 사인 반파 교류 전력을 생성하는 교류 전력 생성부; 및 상기 사인 반파 교류 전력을 공진에 의해 상기 무선 전력 수신 장치에 송신하는 전력 송신부를 포함한다.
무선 전력 송신 장치는 사인 반파 형상의 직류 전압을 가지는 사인 반파 직류 전력을 생성하는 사인 반파 전력 생성부를 더 포함하고, 상기 교류 전력 생성부는 상기 사인 반파 직류 전력을 상기 사인 반파 교류 전력으로 변환할 수 있다.
상기 사인 반파 전력 생성부는 사인 반파 전력 생성 제어 신호를 생성하는 사인 반파 전력 생성 제어부와, 상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호에 기초하여 직류 전력을 상기 사인 반파 직류 전력으로 변환하는 직류-직류 변환부를 포함할 수 있다.
상기 직류-직류 변환부는 상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호에 의해 제어되는 전력 스위치를 포함하고, 상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호의 한 주기는 제어 타임 슬롯과 비-제어 타임 슬롯을 포함하고, 상기 제어 타임 슬롯의 전반부에서 상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호의 듀티율은 시간의 증가에 따라 증가하고, 상기 제어 타임 슬롯의 후반부에서 상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호의 듀티율은 시간의 증가에 따라 감소할 수 있다.
무선 전력 송신 장치는 소전력 사인파를 생성하는 발진부를 더 포함하고, 상기 사인 반파 전력 생성 제어부는 상기 소전력 사인파에 기초하여 사인 반파 전력 생성 제어 신호를 생성하고, 상기 제어 타임 슬롯은 상기 소전력 사인파의 반주기에 해당하고, 상기 비-제어 타임 슬롯은 소전력 사인파의 나머지 반주기에 해당한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 송신하는 무선 전력 송신 방법은 사인 반파 형상의 교류 전압을 가지는 사인 반파 교류 전력을 생성하는 단계; 및 상기 사인 반파 교류 전력을 공진에 의해 상기 무선 전력 수신 장치에 송신하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 송신하는 무선 전력 송신 장치는 사인 반파 직류 전력이 인가되는 드레인 전극과 상측 트랜지스터 제어 신호가 인가되는 게이트 전극을 포함하는 상측 트랜지스터; 상기 상측 트랜지스터의 소스 전극에 연결된 드레인 전극과 하측 트랜지스터 제어 신호가 인가되는 게이트 전극을 포함하는 하측 트랜지스터; 상기 하측 트랜지스터의 드레인 전극에 연결된 일단과 상기 사인 반파 교류 전력을 출력하는 타단을 포함하는 직류 차단 커패시터; 및 상기 사인 반파 교류 전력을 공진에 의해 상기 무선 전력 수신 장치에 송신하는 전력 송신부를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 공진에 의한 무선 전력 송신의 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송신 유도 코일의 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 공급 장치와 무선 전력 송신 장치(200)의 등가 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신장치의 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 공급 장치의 블록도를 보여준다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 방법의 흐름도를 보여준다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 전력 생성부의 블록도를 보여준다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류-직류 변환부의 회로도를 보여준다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전력 생성부의 블록도를 보여준다
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류-교류 변환부의 회로도를 보여준다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 방법의 흐름도를 보여준다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 공급 장치 내의 노드들의 파형도를 보여준다.
도 13은 본 발명의 실시에에 따른 무선 전력 송신 장치에 공급되는 전압의 주파수 영역의 그래프이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 공급 장치의 블록도를 보여준다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신 방법의 흐름도를 보여준다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 직류 전력 생성부의 블록도를 보여준다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 직류-직류 변환부의 회로도를 보여준다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 교류 전력 생성부의 블록도를 보여준다
도 19은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 직류-교류 변환부의 회로도를 보여준다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신 방법의 흐름도를 보여준다
도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 공급 장치 내의 노드들의 파형도를 보여준다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에 공급되는 전압의 주파수 영역의 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에서는 도 1 내지 도 4를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참고하면, 무선 전력 전송 시스템은 전력 공급 장치(100), 무선 전력 송신 장치(200), 무선 전력 수신장치(300), 부하(400)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서 전력 공급 장치(100)는 무선 전력 송신 장치(200)에 포함될 수 있다.
무선 전력 송신 장치(200)는 송신 유도 코일(210) 및 송신 공진 코일(220)을 포함할 수 있다.
무선 전력 수신장치(300)는 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320), 정류부(330)를 포함할 수 있다.
전력 공급 장치(100)의 양단은 송신 유도 코일(210)의 양단과 연결된다.
송신 공진 코일(220)은 송신 유도 코일(210)과 일정한 거리를 두고 배치될 수 있다.
수신 공진 코일(310)은 수신 유도 코일(320)과 일정한 거리를 두고 배치될 수 있다.
수신 유도 코일(320)의 양단은 정류부(330)의 양단과 연결되고, 부하(400)는 정류부(330)의 양단에 연결된다. 일 실시 예에서 부하(400)는 무선 전력 수신장치(300)에 포함될 수 있다.
전력 공급 장치(100)에서 생성된 전력은 무선 전력 송신 장치(200)로 전달되고, 무선 전력 송신 장치(200)로 전달된 전력은 공진 현상에 의해 무선 전력 송신 장치(200)와 공진을 이루는 즉, 공진 주파수 값이 동일한 무선 전력 수신장치(300)로 전달된다.
이하에서는 보다 구체적으로 전력전송 과정을 설명한다.
전력 공급 장치(100)는 소정 주파수를 갖는 교류 전력을 생성하여 무선 전력 송신 장치(200)에 전달한다.
송신 유도 코일(210)과 송신 공진 코일(220)은 유도 결합되어 있다. 즉, 송신 유도 코일(210)는 전력 공급 장치(100)로부터 공급받은 전력에 의해 교류 전류가 흐르면, 전자기 유도에 의해 물리적으로 이격 되어 있는 송신 공진 코일(220)에도 교류 전류가 유도된다.
그 후, 송신 공진 코일(220)로 전달된 전력은 공진에 의해 무선 전력 송신 장치(200)와 공진 회로를 이루는 무선 전력 수신장치(300)로 전달된다.
임피던스가 매칭된 2개의 LC 회로 사이는 공진에 의해 전력이 전송될 수 있다. 이와 같은 공진에 의한 전력 전송은 전자기 유도에 의한 전력 전송보다 더 먼 거리까지 더 높은 효율로 전력 전달이 가능하게 한다.
수신 공진 코일(310)은 송신 공진 코일(220)로부터 공진에 의해 전력을 수신한다. 수신된 전력으로 인해 수신 공진 코일(310)에는 교류 전류가 흐른다. 수신 공진 코일(310)로 전달된 전력은 전자기 유도에 의해 수신 공진 코일(310)과 유도 결합된 수신 유도 코일(320)로 전달된다. 수신 유도 코일(320)로 전달된 전력은 정류부(330)를 통해 정류되어 부하(400)로 전달된다.
일 실시 예에서 송신 유도 코일(210), 송신 공진 코일(220), 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320)은 원형, 타원형, 사각형 등과 같은 형상을 가질 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.
무선 전력 송신 장치(200)의 송신 공진 코일(220)은 자기장을 통해 무선 전력 수신장치(300)의 수신 공진 코일(310)에 전력을 전송할 수 있다.
구체적으로, 송신 공진 코일(220)과 수신 공진 코일(310)은 공진 주파수에서 동작하도록 공진 결합되어 있다.
송신 공진 코일(220)과 수신 공진 코일(310)의 공진 결합으로 인해, 무선 전력 송신 장치(200)와 무선 전력 수신장치(300)간 전력 전송 효율은 크게 향상될 수 있다.
무선 전력 전송에서 품질 지수(Quality Factor)와 결합계수(Coupling Coefficient)는 중요한 의미를 갖는다. 즉, 전력 전송 효율은 품질 지수 및 결합계수가 큰 값을 가질수록 향상될 수 있다.
품질 지수(Quality Factor)는 무선 전력 송신 장치(200) 또는 무선 전력 수신장치(300) 부근에 축척할 수 있는 에너지의 지표를 의미할 수 있다.
품질 지수(Quality Factor)는 동작 주파수(w), 코일의 형상, 치수, 소재 등에 따라 달라질 수 있다. 품질 지수는 수식으로 Q=w*L/R 와 같이 표현될 수 있다. L은 코일의 인덕턴스이고, R은 코일자체에서 발생하는 전력손실량에 해당하는 저항을 의미한다.
품질 지수(Quality Factor)는 0에서 무한대의 값을 가질 수 있고, 품질지수가 클수록 무선 전력 송신 장치(200)와 무선 전력 수신장치(300)간 전력 전송 효율이 향상될 수 있다.
결합계수(Coupling Coefficient)는 송신 측 코일과 수신 측 코일 간 자기적 결합의 정도를 의미하는 것으로 0에서 1의 범위를 갖는다.
결합계수(Coupling Coefficient)는 송신 측 코일과 수신 측 코일의 상대적인 위치나 거리 등에 따라 달라질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송신 유도 코일(210)의 등가 회로도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 송신 유도 코일(210)은 인덕터(L1)와 캐패시터(C1)로 구성될 수 있으며, 이들에 의해 적절한 인덕턴스와 캐패시턴스 값을 갖는 회로를 구성하게 된다.
송신 유도 코일(210)은 인덕터(L1)의 양단이 캐패시터(C1)의 양단에 연결된 등가회로로 구성될 수 있다. 즉, 송신 유도 코일(210)은 인턱터(L1)와 캐패시터(C1)가 병렬로 연결된 등가회로로 구성될 수 있다.
캐패시터(C1)는 가변 캐패시터일 수 있으며, 캐패시터(C1)의 캐패시턴스가 조절됨에 따라 임피던스 매칭이 수행될 수 있다. 송신 공진 코일(220), 수신 공진 코일(310), 수신 유도 코일(320)의 등가 회로도 또한, 도 2에 도시된 것과 동일할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전력 공급 장치(100)와 무선 전력 송신 장치(200)의 등가 회로도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 송신 유도 코일(210)과 송신 공진 코일(220)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L1, L2)와 캐패시터(C1, C2)로 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신장치(300)의 등가 회로도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 수신 공진 코일(310)과 수신 유도 코일(320)은 각각 소정 인덕턴스 값과 캐패시턴스 값을 갖는 인덕터(L3, L4)와 캐패시터(C3, C4)로 구성될 수 있다.
정류부(330)는 수신 유도 코일(320)로부터 전달받은 교류 전력을 직류 전력을 변환하여 변환된 직류 전력을 부하(400)에 전달할 수 있다.
구체적으로, 정류부(330)는 정류기와 평활 회로를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서 정류기는 실리콘 정류기가 사용될 수 있고, 도 4에 도시된 바와 같이, 다이오드(D1)로 등가화 될 수 있다.
정류기는 수신 유도 코일(320)로부터 전달받은 교류 전력을 직류 전력을 변환할 수 있다.
평활 회로는 정류기에서 변환된 직류 전력에 포함된 교류 성분을 제거하여 매끄러운 직류 전력을 출력할 수 있다. 일 실시 예에서 평활 회로는 도 4에 도시된 바와 같이, 정류 캐패시터(C5)가 사용될 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.
부하(400)는 직류 전력을 필요로 하는 임의의 충전지 또는 장치일 수 있다. 예를 들어, 부하(400)는 배터리를 의미할 수 있다.
무선 전력 수신장치(300)는 휴대폰, 노트북, 마우스 등 전력이 필요한 전자기기에 장착될 수 있다. 이에 따라, 수신 공진 코일(310) 및 수신 유도 코일(320)은 전자기기의 형태에 맞는 형상을 가질 수 있다.
무선 전력 송신 장치(200)는 무선 전력 수신장치(300)와 인밴드(In band) 또는 아웃 오브 밴드(out of band) 통신을 이용하여 정보를 교환할 수 있다.
인밴드(In band) 통신은 무선 전력 전송에 사용되는 주파수를 갖는 신호를 이용하여 무선 전력 송신 장치(200)와 무선 전력 수신장치(300)간 정보를 교환하는 통신을 의미할 수 있다. 무선 전력 수신장치(300)는 스위치를 더 포함할 수 있고, 상기 스위치의 스위칭 동작을 통해 무선 전력 송신 장치(200)에서 송신되는 전력을 수신하거나, 수신하지 않을 수 있다. 이에 따라, 무선 전력 송신 장치(200)는 무선 전력 송신 장치(200)에서 소모되는 전력량을 검출하여 무선 전력 수신장치(300)에 포함된 스위치의 온 또는 오프 신호를 인식할 수 있다.
구체적으로, 무선 전력 수신장치(300)는 저항과 스위치를 이용해 저항에서 흡수하는 전력량을 변화시켜 무선 전력 송신 장치(200)에서 소모되는 전력을 변경시킬 수 있다. 무선 전력 송신 장치(200)는 상기 소모되는 전력의 변화를 감지하여 무선 전력 수신장치(300)의 상태 정보를 획득할 수 있다. 스위치와 저항은 직렬로 연결될 수 있다. 일 실시 예에서 무선 전력 수신장치(300)의 상태 정보는 무선 전력 수신장치(300)의 현재 충전량, 충전량 추이에 대한 정보를 포함할 수 있다.
더 구체적으로 설명하면, 스위치가 개방되면, 저항이 흡수하는 전력은 0이 되고, 무선 전력 송신 장치(200)에서 소모되는 전력도 감소한다.
스위치가 단락되면, 저항이 흡수하는 전력은 0보다 크게 되고, 무선 전력 송신 장치(200)에서 소모되는 전력은 증가한다. 무선 전력 수신장치에서 이와 같은 동작을 반복하면, 무선 전력 송신 장치(200)는 무선 전력 송신 장치(200)에서 소모되는 전력을 검출하여 무선 전력 수신장치(300)와 디지털 통신을 수행할 수 있다.
무선 전력 송신 장치(200)는 위와 같은 동작에 따라 무선 전력 수신장치(300)의 상태 정보를 수신하고, 그에 적합한 전력을 송신할 수 있다.
이와는 반대로, 무선 전력 송신 장치(200) 측에 저항과 스위치를 구비하여 무선 전력 송신 장치(200)의 상태 정보를 무선 전력 수신장치(300)에 전송하는 것도 가능하다. 일 실시 예에서 무선 전력 송신 장치(200)의 상태 정보는 무선 전력 송신 장치(200)가 전송할 수 있는 최대공급 전력량, 무선 전력 송신 장치(200)가 전력을 제공하고 있는 무선 전력 수신장치(300)의 개수 및 무선 전력 송신 장치(200)의 가용 전력량에 대한 정보를 포함할 수 있다.
다음으로, 아웃 오브 밴드 통신에 대해 설명한다.
아웃 오브 밴드 통신은 공진 주파수 대역이 아닌 별도의 주파수 대역을 이용하여 전력 전송에 필요한 정보를 교환하는 통신을 말한다. 무선 전력 송신 장치(200)와 무선 전력 수신장치(300)는 아웃 오브 밴드 통신 모듈을 장착하여 전력 전송에 필요한 정보를 교환할 수 있다. 상기 아웃 오브 밴드 통신 모듈은 전력 공급 장치에 장착될 수도 있다. 일 실시 예에서 아웃 오브 밴드 통신 모듈은 블루투스, 지그비, 무선랜, NFC(Near Field Communication)와 같은 근거리 통신 방식을 사용할 수 있으나, 이에 한정될 필요는 없다.
다음은 도 5 내지 도 13을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 공급 장치(100)를 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 공급 장치의 블록도를 보여준다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 공급 장치(100)는 전원 공급부(110), 직류 전력 생성부(120), 발진기(130), 교류 전력 생성부(150)를 포함하고, 전력 공급 장치(100)는 무선 전력 송신 장치(200)와 연결된다.
전원 공급부(110)는 직류 전압을 가진 전력인 직류 전력을 생성하여 출력단에 출력한다.
직류 전력 생성부(120)의 입력단은 전원 공급부(110)의 출력단에 연결되며, 직류 전력 생성부(120)는 제1 직류 전압을 가지는 전력을 제2 직류 전압을 가지는 전력으로 변환하여, 제2 직류 전압을 가지는 전력을 출력단에 출력한다.
발진기(130)는 소전력 사인파를 생성하여 출력단에 출력한다.
교류 전력 생성부(150)는 제2 직류 전압을 가지는 전력을 이용하여 발진기(130)의 소전력 사인파의 전력을 증폭하여 구형파 형상의 전압을 가지는 전력을 생성한 후, 생성한 전력을 출력단에 출력한다.
무선 전력 송신 장치(200)는 구형파 형상의 전압을 가지는 전력을 공진에 의해 무선 전력 수신장치(300)에 전달한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 방법의 흐름도를 보여준다.
전원 공급부(110)는 제1 직류 전압을 가진 전력인 직류 전력을 생성한다(S101).
발진기(130)는 소전력 사인파를 생성한다(S103).
직류 전력 생성부(120)는 제1 직류 전압을 가지는 전력을 제2 직류 전압을 가지는 전력으로 변환한다(S105).
교류 전력 생성부(150)는 제2 직류 전압을 가지는 전력을 이용하여 발진기(130)의 소전력 사인파의 전력을 증폭하여 구형파 형상의 전압을 가지는 전력을 생성한다(S107).
무선 전력 송신 장치(200)는 구형파 형상의 전압을 가지는 전력을 공진에 의해 무선 전력 수신장치(300)에 전달한다(S109).
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 전력 생성부의 블록도를 보여준다.
도 7에 도시된 바와 같이, 직류 전력 생성부(120)는 직류 전력 생성 제어부(121)와 직류-직류 변환부(123)를 포함하고, 전원 공급부(110)에 연결되며, 교류 전력 생성부(150)에도 연결된다.
직류 전력 생성 제어부(121)는 직류-직류 변환부(123)가 제1 직류 전압을 가지는 직류 전력을 제2 직류 전압을 가지는 직류 전력으로 변환할 수 있도록 하는 직류 전력 생성 제어 신호를 생성한다.
직류-직류 변환부(123)는 직류 전력 생성 제어 신호에 기초하여 제1 직류 전압을 가지는 직류 전력을 제2 직류 전압을 가지는 직류 전력으로 변환한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류-직류 변환부의 회로도를 보여준다.
도 8에 도시된 바와 같이, 직류-직류 변환부(123)는 인덕터(L11), 전력 스위치(T11), 다이오드(D11), 커패시터(C11)를 포함한다. 전력 스위치(T11)는 트랜지스터로 구현될 수 있고, 특히 전력 스위치(T11)는 N-채널 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(n-channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, NMOS)일 수 있으나 동일한 작용을 할 수 있는 다른 소자로 대체될 수 있다.
인덕터(L11)의 일단은 전원 공급부(110)의 출력단에 연결되고, 타단은 전력 스위치(T11)의 드레인 전극에 연결된다.
전력 스위치(T11)의 게이트 전극은 직류 전력 생성 제어부(121)의 출력단인 노드(A)에 연결되고, 소스 전극은 그라운드에 연결된다.
다이오드(D11)의 애노드 전극은 전력 스위치(T11)의 드레인 전극에 연결되고, 캐소드 전극은 노드(B)에 연결된다.
커패시터(C11)의 일단은 다이오드(D11)의 캐소드 전극에 연결되고, 타단은 그라운드에 연결된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 교류 전력 생성부의 블록도를 보여준다
도 9에 도시된 바와 같이, 교류 전력 생성부(150)는 교류 전력 생성 제어부(151)와 직류-교류 변환부(153)를 포함하고, 발진기(130), 직류 전력 생성부(120) 및 무선 전력 송신 장치(200)에 연결된다.
교류 전력 생성 제어부(151)는 발진기(130)의 소전력 사인파에 기초하여 교류 전력 생성 제어 신호를 생성한다.
직류-교류 변환부(153)는 교류 전력 생성 제어 신호에 기초하여 직류 전력 생성부(120)가 출력하는 제2 직류 전압을 가지는 직류 전력를 구형파 교류 전압을 가지는 교류 전력으로 변환한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류-교류 변환부의 회로도를 보여준다.
도 10에 도시된 바와 같이, 직류-교류 변환부(153)는 상측 트랜지스터(T21), 하측 트랜지스터(T22), 직류 차단 커패시터(C21)를 포함하고, 직류 전력 생성부(120), 교류 전력 생성 제어부(151) 및 송신 유도 코일(210)에 연결된다. 상측 트랜지스터(T21)와 하측 트랜지스터(T22)는 N-채널 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(n-channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, NMOS)일 수 있으나 동일한 작용을 할 수 있는 다른 소자로 대체될 수 있다.
교류 전력 생성 제어부(151)는 상측 트랜지스터 제어 신호 출력단과 하측 트랜지스터 제어 신호 출력단을 가지고, 발진기(130)의 소전력 사인파에 기초하여 교류 전력 생성 제어 신호를 생성한다. 교류 전력 생성 제어부(151)는 발진기(130)의 소전력 사인파에 기초하여 상측 트랜지스터 제어 신호를 교류 전력 생성 제어 신호로서 생성하고, 상측 트랜지스터 제어 신호 출력단인 노드(C)를 통해 상측 트랜지스터 제어 신호를 출력한다. 교류 전력 생성 제어부(151)는 발진기(130)의 소전력 사인파에 기초하여 하측 트랜지스터 제어 신호를 교류 전력 생성 제어 신호로서 생성하고, 하측 트랜지스터 제어 신호 출력단인 노드(D)를 통해 하측 트랜지스터 제어 신호를 출력한다.
상측 트랜지스터(T21)의 드레인 전극은 노드(B)에 연결되고, 게이트 전극은 교류 전력 생성 제어부(151)의 상측 트랜지스터 제어 신호 출력단에 연결된다.
하측 트랜지스터(T22)의 드레인 전극은 상측 트랜지스터(T21)의 소스 전극인 노드?에 연결되고, 게이트 전극은 교류 전력 생성 제어부(151)의 하측 트랜지스터 제어 신호 출력단에 연결되며, 소스 전극은 그라운드에 연결된다.
직류 차단 커패시터(C21)의 일단은 상측 트랜지스터(T21)의 소스 전극에 연결되고, 타단은 노드(E)에 해당하는 인덕터(L1)의 일단에 연결된다.
다음은 도 11과 도 12를 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 방법을 설명한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 방법의 흐름도를 보여주고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력 공급 장치 내의 노드들의 파형도를 보여준다.
특히, 도 11은 도 6의 실시예가 구체화된 무선 전력 송신 방법이다.
전원 공급부(110)는 제1 직류 전압을 가지는 전력인 직류 전력을 생성한다(S201). 특히, 전원 공급부(110)는 교류 전압을 가지는 교류 전력을 제1 직류 전압을 가지는 전력인 직류 전력으로 변환할 수 있다. 이때, 제1 직류 전압은 불안정한(unstable) 전압일 수 있다.
발진기(130)는 소전력 사인파를 생성한다(S202).
직류 전력 생성 제어부(121)는 직류-직류 변환부(123)가 제1 직류 전압을 가지는 직류 전력을 제2 직류 전압을 가지는 직류 전력으로 변환할 수 있도록 하는 직류 전력 생성 제어 신호를 생성하여(S203), 노드(A)에 출력한다. 특히, 직류 전력 생성 제어부(121)는 노드(B)의 전압을 피드백 정보로 이용하여 직류 전력 생성 제어 신호를 생성할 수 있다. 이때, 직류 전력 생성 제어 신호는 도 12에 도시된 바와 같이 전 구간에서 계속되는 펄스 폭 변조(pulse width modulation, PWM) 신호일 수 있다. 직류 전력 생성 제어부(121)는 이 PWM 신호의 듀티를 노드(B)의 전압에 기초하여 결정할 수 있다.
직류-직류 변환부(123)는 직류 전력 생성 제어 신호에 기초하여 제1 직류 전압을 가지는 직류 전력을 제2 직류 전압을 가지는 직류 전력으로 변환한다(S205). 이때, 제2 직류 전압은 안정된(stable) 전압일 수 있다. 제2 직류 전압의 크기는 제1 직류 전압의 크기와 동일할 수도 있고, 제1 직류 전압의 크기보다 크거나 작을 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 직류-직류 변환부(173)는 부스트 변환기(boost converter)일 수 있고, 이 경우, 제2 직류 전압의 크기는 제1 직류 전압의 크기보다 크다. 예컨데, 제1 직류 전압의 크기는 5볼트이고, 제2 직류 전압의 크기는 19볼트일 수 있다.
교류 전력 생성 제어부(151)는 발진기(130)의 소전력 사인파에 기초하여 교류 전력 생성 제어 신호를 생성한다(S209). 교류 전력 생성 제어부(151)는 발진기(130)의 소전력 사인파에 기초하여 상측 트랜지스터 제어 신호를 교류 전력 생성 제어 신호로서 생성하고, 상측 트랜지스터 제어 신호 출력단인 노드(C)를 통해 상측 트랜지스터 제어 신호를 출력할 수 있다. 교류 전력 생성 제어부(151)는 발진기(130)의 소전력 사인파에 기초하여 하측 트랜지스터 제어 신호를 교류 전력 생성 제어 신호로서 생성하고, 하측 트랜지스터 제어 신호 출력단인 노드(D)를 통해 하측 트랜지스터 제어 신호를 출력할 수 있다.
도 12를 참고하여 상측 트랜지스터 제어 신호와 하측 트랜지스터 제어 신호를 설명한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 상측 트랜지스터 제어 신호와 하측 트랜지스터 제어 신호는 구형파이다.
상측 트랜지스터 제어 신호의 한 주기는 상측 트랜지스터(T21)의 턴온 타임 슬롯, 상측 트랜지스터(T21)의 데드 타임 슬롯, 상측 트랜지스터(T21)의 턴오프 타임 슬롯을 순서대로 포함한다. 상측 트랜지스터(T21)의 턴온 타임 슬롯 및 상측 트랜지스터(T21)의 데드 타임 슬롯은 발진기(130)의 소전력 사인파의 반주기에 해당하고, 상측 트랜지스터(T21)의 턴오프 타임 슬롯은 소전력 사인파의 나머지 반주기에 해당할 수 있다.
하측 트랜지스터 제어 신호의 한 주기는 하측 트랜지스터(T22)의 턴온 타임 슬롯, 하측 트랜지스터(T22)의 데드 타임 슬롯, 하측 트랜지스터(T22)의 턴오프 타임 슬롯을 순서대로 포함한다. 하측 트랜지스터(T22)의 턴온 타임 슬롯 및 하측 트랜지스터(T22)의 데드 타임 슬롯은 소전력 사인파의 반주기에 해당하고, 하측 트랜지스터(T22)의 턴오프 타임 슬롯은 소전력 사인파의 나머지 반주기에 해당할 수 있다.
상측 트랜지스터(T21)의 턴온 타임 슬롯에서 상측 트랜지스터 제어 신호는 상측 트랜지스터(T21)를 턴온하기 위한 레벨을 가진다. 상측 트랜지스터(T21)를 턴온하기 위한 레벨은 하이 레벨일 수 있다.
상측 트랜지스터(T21)의 턴오프 타임 슬롯에서 상측 트랜지스터 제어 신호는 상측 트랜지스터(T21)를 턴오프하기 위한 레벨을 가진다. 상측 트랜지스터(T21)를 턴오프하기 위한 레벨은 로우 레벨일 수 있다.
하측 트랜지스터(T22)의 턴온 타임 슬롯에서 하측 트랜지스터 제어 신호는 하측 트랜지스터(T22)를 턴온하기 위한 레벨을 가진다. 하측 트랜지스터(T22)를 턴온하기 위한 레벨은 하이 레벨일 수 있다.
하측 트랜지스터(T22)의 턴오프 타임 슬롯에서 하측 트랜지스터 제어 신호는 상측 트랜지스터(T22)를 턴오프하기 위한 레벨을 가진다. 하측 트랜지스터(T22)를 턴오프하기 위한 레벨은 로우 레벨일 수 있다.
상측 트랜지스터(T21)의 턴온 타임 슬롯에서, 하측 트랜지스터(T22)의 턴오프 타임 슬롯의 하측 트랜지스터 제어 신호는 하측 트랜지스터(T22)를 턴오프하기 위한 레벨을 가진다.
하측 트랜지스터(T22)의 턴온 타임 슬롯에서, 상측 트랜지스터(T21)의 턴오프 타임 슬롯의 하측 트랜지스터 제어 신호는 하측 트랜지스터(T22)를 턴오프하기 위한 레벨을 가진다.
상측 트랜지스터(T21)의 데드 타임 슬롯에서 상측 트랜지스터 제어 신호는 상측 트랜지스터(T21)를 턴오프하기 위한 레벨을 가진다. 하측 트랜지스터(T22)의 데드 타임 슬롯에서 하측 트랜지스터 제어 신호는 하측 트랜지스터(T22)를 턴오프하기 위한 레벨을 가진다. 이 상측 트랜지스터(T21)의 데드 타임 슬롯과 하측 트랜지스터(T22)의 데드 타임 슬롯은 상측 트랜지스터(T21)와 하측 트랜지스터(T22)가 동시에 턴온되는 것을 막아, 쇼트 서킷을 방지한다.
노드(E)에 50% 듀티의 구형파 전압을 가지는 전력을 출력하기 위하여, 상측 트랜지스터(T21)의 턴온 타임 슬롯은 한 주기(T)의 (50-a)%의 시간 길이를 가지고, 상측 트랜지스터(T21)의 데드 타임 슬롯은 한 주기(T)의 a% 의 시간 길이를 가지고, 상측 트랜지스터(T21)의 턴오프 타임 슬롯은 50%의 시간 길이를 가지고, 하측 트랜지스터(T22)의 턴온 타임 슬롯은 한 주기(T)의 (50-a)%의 시간 길이를 가지고, 하측 트랜지스터(T22)의 데드 타임 슬롯은 한 주기(T)의 a% 의 시간 길이를 가지며, 하측 트랜지스터(T22)의 턴오프 타임 슬롯은 50%의 시간 길이를 가질 수 있다. 예컨데, 여기서 a는 1%일 수 있다.
직류-교류 변환부(153)는 교류 전력 생성 제어 신호에 기초하여 직류 전력 생성부(120)가 출력하는 제2 직류 전압을 가지는 직류 전력를 구형파 교류 전압을 가지는 교류 전력으로 변환하여(S211), 노드(F)에 교류 전력을 출력한다.
도 12를 참고하여, 직류-교류 변환부(153)의 동작을 설명한다.
데드 타임 슬롯을 가지는 상측 트랜지스터 제어 신호와 하측 트랜지스터 제어 신호에 의해서 상측 트랜지스터(T21)와 하측 트랜지스터(T22)는 노드(E)에 도 12에 도시된 바와 같은 구형파 전압을 가지는 구형파 전력을 출력한다.
직류 차단 커패시터(C21)는 구형파 전력의 직류 전압을 차단하여 구형파 교류 전압을 가지는 구형파 교류 전력을 노드(F)에 출력한다.
무선 전력 송신 장치(200)는 구형파 교류 전압을 가지는 구형파 교류 전력을 공진에 의해 무선 전력 수신장치(300)에 전달한다(S213).
다음은 도 13을 참고하여 도 5 내지 도 12의 실시예의 전력 공급 장치(100)와 무선 전력 송신 장치(200)의 효율을 설명한다.
도 13은 본 발명의 실시에에 따른 무선 전력 송신 장치에 공급되는 전압의 주파수 영역의 그래프이다.
도 5 내지 도 12의 실시예의 전력 공급 장치(100)는 도 12에 도시된 바와 같은 구형파 교류 전압을 가지는 구형파 교류 전력을 무선 전력 송신 장치(200)에 출력한다.
이 구형파 교류 전력은, 도 13에서 보여지는 바와 같이 주파수 영역에서 공진 주파수(f)에 해당하는 기본 주파수 성분(fundamental frequency component)와 홀수차의 조화 주파수 성분(harmonic frequency component)을 가진다. 높은 차수의 조화 주파수 성분의 크기는 낮은 차수의 조화 주파수 성분의 크기보다 작은 경향이 나타난다.
무선 전력 송신 장치(200)는 구형파 교류 전력을 공진에 의해 무선 전력 수신장치(300)에 전달하므로, 공진 주파수 성분에 해당하는 전력만이 무선 전력 수신장치(300)에 전달되고, 나머지 조화 주파수 성분에 해당하는 전력은 무선 전력 수신장치(300)에 전달되지 않고 무선 전력 송신 장치(200)에서 소모된다. 따라서, 조화 주파수 성분에 해당하는 전력의 양을 줄인다면, 전력 전달 효율이 개선될 수 있다.
다음은 도 14 내지 도 22를 참고하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 공급 장치(100)를 설명한다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 공급 장치의 블록도를 보여준다.
도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 공급 장치(100)는 전원 공급부(160), 사인 반파 전력 생성부(170), 발진기(180), 교류 전력 생성부(190)를 포함하고, 전력 공급 장치(100)는 무선 전력 송신 장치(200)와 연결된다.
전원 공급부(160)는 직류 전압을 가진 전력인 직류 전력을 생성하여 출력단에 출력한다.
발진기(180)는 소전력 사인파를 생성하여 출력단에 출력한다.
사인 반파 전력 생성부(170)의 입력단은 전원 공급부(160)의 출력단에 연결되며, 사인 반파 전력 생성부(170)는 발진기(180)의 소전력 사인파에 기초하여 직류 전압을 가지는 전력을 사인 반파 형상의 직류 전압을 가지는 사인 반파 직류 전력으로 변환하여, 사인 반파 직류 전력을 출력단에 출력한다.
교류 전력 생성부(190)는 발진기(180)의 소전력 사인파에 기초하여 사인 반파 직류 전력을 이용하여 사인 반파 형상의 교류 전압을 가지는 사인 반파 교류 전력을 생성한 후, 생성한 사인 반파 교류 전력을 출력단에 출력한다.
무선 전력 송신 장치(200)는 사인 반파 교류 전력을 공진에 의해 무선 전력 수신장치(300)에 전달한다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신 방법의 흐름도를 보여준다.
전원 공급부(160)는 직류 전압을 가진 전력인 직류 전력을 생성한다(S301).
발진기(180)는 소전력 사인파를 생성한다(S303).
사인 반파 전력 생성부(170)는 발진기(180)의 소전력 사인파에 기초하여 직류 전압을 가지는 전력을 사인 반파 형상의 직류 전압을 가지는 사인 반파 직류 전력으로 변환한다(S305).
교류 전력 생성부(190)는 발진기(180)의 소전력 사인파에 기초하여 사인 반파 직류 전력을 이용하여 사인 반파 형상의 교류 전압을 가지는 사인 반파 교류 전력을 생성한다(S307).
무선 전력 송신 장치(200)는 사인 반파 교류 전력을 공진에 의해 무선 전력 수신 장치(300)에 전달한다(S309).
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 직류 전력 생성부의 블록도를 보여준다.
도 16에 도시된 바와 같이, 사인 반파 전력 생성부(170)는 사인 반파 전력 생성 제어부(171)와 직류-직류 변환부(173)를 포함하고, 전원 공급부(160)에 연결되며, 교류 전력 생성부(190)에도 연결된다.
사인 반파 전력 생성 제어부(171)는 발진기(180)의 소전력 사인파에 기초하여 직류 전압을 가지는 직류 전력을 사인 반파 형상의 직류 전압을 가지는 사인 반파 직류 전력으로 변환할 수 있도록 하는 직류 전력 생성 제어 신호를 생성한다. 직류-직류 변환부(173)는 직류 전력 생성 제어 신호에 기초하여 사인 반파 직류 전력으로 변환한다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 직류-직류 변환부의 회로도를 보여준다.
도 17에 도시된 바와 같이, 직류-직류 변환부(173)는 인덕터(L31), 전력 스위치(T31), 다이오드(D31), 커패시터(C31)를 포함한다. 전력 스위치(T31)는 트랜지스터로 구현될 수 있고, 특히 전력 스위치(T31)는 N-채널 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(n-channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, NMOS)일 수 있으나 동일한 작용을 할 수 있는 다른 소자로 대체될 수 있다.
인덕터(L31)의 일단은 전원 공급부(160)의 출력단에 연결되고, 타단은 전력 스위치(T31)의 드레인 전극에 연결된다.
전력 스위치(T31)의 게이트 전극은 사인 반파 전력 생성 제어부(171)의 출력단인 노드(F)에 연결되고, 소스 전극은 그라운드에 연결된다.
다이오드(D31)의 애노드 전극은 전력 스위치(T31)의 드레인 전극에 연결되고, 캐소드 전극은 노드(H)에 연결된다.
커패시터(C31)의 일단은 다이오드(D31)의 캐소드 전극에 연결되고, 타단은 그라운드에 연결된다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 교류 전력 생성부의 블록도를 보여준다
도 18에 도시된 바와 같이, 교류 전력 생성부(190)는 교류 전력 생성 제어부(191)와 직류-교류 변환부(193)를 포함하고, 발진기(180), 사인 반파 전력 생성부(170) 및 무선 전력 송신 장치(200)에 연결된다.
교류 전력 생성 제어부(191)는 발진기(180)의 소전력 사인파에 기초하여 교류 전력 생성 제어 신호를 생성한다.
직류-교류 변환부(193)는 교류 전력 생성 제어 신호에 기초하여 사인 반파 직류 전압을 사인 반파 교류 전력으로 변환한다.
도 19은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 직류-교류 변환부의 회로도를 보여준다.
도 19에 도시된 바와 같이, 직류-교류 변환부(193)는 상측 트랜지스터(T41), 하측 트랜지스터(T42), 직류 차단 커패시터(C41)를 포함하고, 사인 반파 전력 생성부(170), 교류 전력 생성 제어부(191) 및 송신 유도 코일(210)에 연결된다. 상측 트랜지스터(T41)와 하측 트랜지스터(T42)는 N-채널 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(n-channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, NMOS)일 수 있으나 동일한 작용을 할 수 있는 다른 소자로 대체될 수 있다.
교류 전력 생성 제어부(191)는 상측 트랜지스터 제어 신호 출력단과 하측 트랜지스터 제어 신호 출력단을 가지며, 상측 트랜지스터 제어 신호 출력단인 노드(I)를 통해 상측 트랜지스터 제어 신호를 교류 전력 생성 제어 신호로서 출력하고, 하측 트랜지스터 제어 신호 출력단인 노드(J)를 통해 하측 트랜지스터 제어 신호를 교류 전력 생성 제어 신호로서 출력한다.
상측 트랜지스터(T41)의 드레인 전극은 노드(H)에 연결되고, 게이트 전극은 교류 전력 생성 제어부(191)의 상측 트랜지스터 제어 신호 출력단에 연결된다.
하측 트랜지스터(T42)의 드레인 전극은 상측 트랜지스터(T41)의 소스 전극인 노드(K)에 연결되고, 게이트 전극은 교류 전력 생성 제어부(191)의 하측 트랜지스터 제어 신호 출력단에 연결되며, 소스 전극은 그라운드에 연결된다.
직류 차단 커패시터(C41)의 일단은 상측 트랜지스터(T41)의 소스 전극인 노드(K)에 연결되고, 타단은 노드(L)에 해당하는 인덕터(L1)의 일단에 연결된다.
다음은 도 20과 도 21을 참고하여 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신 방법을 설명한다.
도 20은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신 방법의 흐름도를 보여주고, 도 21은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전력 공급 장치 내의 노드들의 파형도를 보여준다.
특히, 도 20은 도 15의 실시예가 구체화된 무선 전력 송신 방법이다.
전원 공급부(160)는 직류 전압을 가지는 전력인 직류 전력을 생성한다(S401). 특히, 전원 공급부(160)는 교류 전압을 가지는 교류 전력을 직류 전압을 가지는 전력인 직류 전력으로 변환할 수 있다. 이때, 직류 전압은 불안정한(unstable) 전압일 수 있다.
발진기(180)는 소전력 사인파를 생성한다(S402).
사인 반파 전력 생성 제어부(171)는, 소신호 사인파에 기초하여, 직류-직류 변환부(173)가 직류 전압을 가지는 직류 전력을 사인 반파 형상의 직류 전압을 가지는 사인 반파 직류 전력으로 변환할 수 있도록 하는 직류 전력 생성 제어 신호를 생성하여(S403), 노드(G)에 출력한다.
이 직류 전력 생성 제어 신호를 도 21을 참고하여 설명한다.
도 21에 도시된 바와 같이, 직류 전력 생성 제어 신호의 한 주기는 제어 타임 슬롯과 비-제어 타임 슬롯을 포함한다. 제어 타임 슬롯은 소전력 사인파의 반주기에 해당하고, 비-제어 타임 슬롯은 소전력 사인파의 나머지 반주기에 해당할 수 있다. 비-제어 타임 슬롯에서 직류 전력 생성 제어 신호는 직류-직류 변환부(173)가 전력을 출력하지 않도록 하는 값을 가질 수 있다. 비-제어 타임 슬롯에서 직류 전력 생성 제어 신호는 0V일 수 있다.
제어 타임 슬롯의 전반부에서는 듀티율이 시간의 증가에 따라 증가하고, 제어 타임 슬롯의 후반부에서는 듀티율이 시간의 증가에 따라 감소하여, 직류-직류 변환부(173)가 직류 전압을 가지는 직류 전력을 사인 반파 형상의 직류 전압을 가지는 사인 반파 직류 전력으로 변환할 수 있도록 한다. 이때의 듀티율은 노드(H)의 전압과 기준 사인 반파 직류 신호의 비교에 기초하여 결정될 수 있다.
직류-직류 변환부(173)는 직류 전력 생성 제어 신호에 기초하여 직류 전압을 가지는 직류 전력을 사인 반파 형상의 직류 전압을 가지는 사인 반파 직류 전력으로 변환한다(S405). 이때, 사인 반파 직류 전압의 피크의 크기는 전원 공급부(160)의 직류 전압의 크기와 동일할 수도 있고, 전원 공급부(160)의 직류 전압의 크기보다 크거나 작을 수 있다. 도 17에 도시된 바와 같이, 직류-직류 변환부(173)는 부스트 변환기(boost converter)일 수 있고, 이 경우, 사인 반파 직류 전압의 피크의 크기는 전원 공급부(160)의 전압의 크기보다 크다. 예컨데, 전원 공급부(160)의 전압의 크기는 5볼트이고, 사인 반파 직류 전압의 피크의 크기는 19볼트일 수 있다.
사인 반파 직류 전압의 형상이 도 21에 보여진다.
도 21에 보여지는 바와 같이, 사인 반파 직류 전압의 한 주기는 포지티브 사인파 시간 구간과 로우 레벨 시간 구간을 포함한다. 포지티브 사인파 시간 구간에서 사인 반파 직류 전압은 사인파의 포지티브 영역의 형상을 가지고, 로우 레벨 시간 구간에서 사인 반파 직류 전압은 로우 레벨을 가진다. 사인 반파 직류 전압의 포지티브 사인파 시간 구간은 직류 전력 생성 제어 신호의 제어 타임 슬롯에 해당하고, 사인 반파 직류 전압의 로우 레벨 시간 구간은 직류 전력 생성 제어 신호의 비-제어 타임 슬롯에 해당한다.
교류 전력 생성 제어부(191)는 발진기(180)의 소전력 사인파에 기초하여 교류 전력 생성 제어 신호를 생성한다(S409). 교류 전력 생성 제어부(191)는 상측 트랜지스터 제어 신호 출력단인 노드(I)를 통해 상측 트랜지스터 제어 신호를 교류 전력 생성 제어 신호로서 출력하고, 하측 트랜지스터 제어 신호 출력단인 노드(J)를 통해 하측 트랜지스터 제어 신호를 교류 전력 생성 제어 신호로서 출력할 수 있다.
도 21를 참고하여 상측 트랜지스터 제어 신호와 하측 트랜지스터 제어 신호를 설명한다.
도 21에 도시된 바와 같이, 상측 트랜지스터 제어 신호와 하측 트랜지스터 제어 신호는 구형파이다.
상측 트랜지스터 제어 신호의 한 주기는 상측 트랜지스터(T41)의 턴온 타임 슬롯, 및 상측 트랜지스터(T41)의 턴오프 타임 슬롯을 순서대로 포함한다.
하측 트랜지스터 제어 신호의 한 주기는 하측 트랜지스터(T42)의 턴온 타임 슬롯, 하측 트랜지스터(T42)의 턴오프 타임 슬롯을 순서대로 포함한다.
상측 트랜지스터(T41)의 턴온 타임 슬롯에서 상측 트랜지스터 제어 신호는 상측 트랜지스터(T41)를 턴온하기 위한 레벨을 가진다. 상측 트랜지스터(T41)를 턴온하기 위한 레벨은 하이 레벨일 수 있다.
상측 트랜지스터(T41)의 턴오프 타임 슬롯에서 상측 트랜지스터 제어 신호는 상측 트랜지스터(T41)를 턴오프하기 위한 레벨을 가진다. 상측 트랜지스터(T41)를 턴오프하기 위한 레벨은 로우 레벨일 수 있다.
하측 트랜지스터(T42)의 턴온 타임 슬롯에서 하측 트랜지스터 제어 신호는 하측 트랜지스터(T42)를 턴온하기 위한 레벨을 가진다. 하측 트랜지스터(T42)를 턴온하기 위한 레벨은 하이 레벨일 수 있다.
하측 트랜지스터(T42)의 턴오프 타임 슬롯에서 하측 트랜지스터 제어 신호는 상측 트랜지스터(T42)를 턴오프하기 위한 레벨을 가진다. 하측 트랜지스터(T42)를 턴오프하기 위한 레벨은 로우 레벨일 수 있다.
상측 트랜지스터(T41)의 턴온 타임 슬롯에서, 하측 트랜지스터(T42)의 턴오프 타임 슬롯의 하측 트랜지스터 제어 신호는 하측 트랜지스터(T42)를 턴오프하기 위한 레벨을 가진다.
하측 트랜지스터(T42)의 턴온 타임 슬롯에서, 상측 트랜지스터(T41)의 턴오프 타임 슬롯의 하측 트랜지스터 제어 신호는 하측 트랜지스터(T42)를 턴오프하기 위한 레벨을 가진다.
상측 트랜지스터(T41)의 턴온 타임 슬롯은 한 주기(T)의 50%의 시간 길이를 가지고, 상측 트랜지스터(T41)의 턴오프 타임 슬롯은 50%의 시간 길이를 가지고, 하측 트랜지스터(T42)의 턴온 타임 슬롯은 한 주기(T)의 50%의 시간 길이를 가지고, 하측 트랜지스터(T42)의 턴오프 타임 슬롯은 50%의 시간 길이를 가질 수 있다.
직류-교류 변환부(193)는 교류 전력 생성 제어 신호에 기초하여 사인 반파 직류 전력를 사인 반파 교류 전력으로 변환하여(S411), 노드(L)에 교류 전력을 출력한다.
도 21를 참고하여, 직류-교류 변환부(193)의 동작을 설명한다.
상측 트랜지스터 제어 신호와 하측 트랜지스터 제어 신호에 의해서 상측 트랜지스터(T41)와 하측 트랜지스터(T42)는 노드(K)에 도 21에 도시된 바와 같은 사인 반파 형상의 직류 전압을 가지는 사인 반파 직류 전력을 출력한다.
직류 차단 커패시터(C41)는 사인 반파 직류 전력의 직류 전압을 차단하여 사인 반파 형상의 교류 전압을 가지는 사인 반파 교류 전력을 노드(L)에 출력한다.
무선 전력 송신 장치(200)는 사인 반파 교류 전력을 공진에 의해 무선 전력 수신장치(300)에 전달한다(S413).
다음은 도 22을 참고하여 도 14 내지 도 21의 실시예의 전력 공급 장치(100)와 무선 전력 송신 장치(200)의 효율을 설명한다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에 공급되는 전압의 주파수 영역의 그래프이다.
도 14 내지 도 21의 실시예의 전력 공급 장치(100)는 도 21에 도시된 바와 같은 사인 반파 교류 전압을 가지는 사인 반파 교류 전력을 무선 전력 송신 장치(200)에 출력한다.
이 사인 반파 교류 전력은, 도 22에서 보여지는 바와 같이 주파수 영역에서 공진 주파수(f)에 해당하는 기본 주파수 성분(fundamental frequency component)와 홀수차의 조화 주파수 성분(harmonic frequency component)을 가진다. 높은 차수의 조화 주파수 성분의 크기는 낮은 차수의 조화 주파수 성분의 크기보다 작은 경향이 나타난다. 한편, 도 13과 도 22를 비교하여 보면, 도 21의 사인 반파 교류 전력은 도 12의 구형파 교류 전력에 비해 조화 주파수 성분에 해당하는 전력의 양이 적다. 따라서, 공진에 의한 무선 전력 전달 효율이 개성될 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 송신하는 무선 전력 송신 장치에 있어서,
    사인 반파 형상의 교류 전압을 가지는 사인 반파 교류 전력을 생성하는 교류 전력 생성부; 및
    상기 사인 반파 교류 전력을 공진에 의해 상기 무선 전력 수신 장치에 송신하는 전력 송신부를 포함하는
    무선 전력 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    사인 반파 형상의 직류 전압을 가지는 사인 반파 직류 전력을 생성하는 사인 반파 전력 생성부를 더 포함하고,
    상기 교류 전력 생성부는
    상기 사인 반파 직류 전력을 상기 사인 반파 교류 전력으로 변환하는
    무선 전력 송신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 사인 반파 전력 생성부는
    사인 반파 전력 생성 제어 신호를 생성하는 사인 반파 전력 생성 제어부와,
    상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호에 기초하여 직류 전력을 상기 사인 반파 직류 전력으로 변환하는 직류-직류 변환부를 포함하는
    무선 전력 송신 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 직류-직류 변환부는 상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호에 의해 제어되는 전력 스위치를 포함하고,
    상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호의 한 주기는 제어 타임 슬롯과 비-제어 타임 슬롯을 포함하고,
    상기 제어 타임 슬롯의 전반부에서 상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호의 듀티율은 시간의 증가에 따라 증가하고,
    상기 제어 타임 슬롯의 후반부에서 상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호의 듀티율은 시간의 증가에 따라 감소하는
    무선 전력 송신 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    소전력 사인파를 생성하는 발진부를 더 포함하고,
    상기 사인 반파 전력 생성 제어부는 상기 소전력 사인파에 기초하여 사인 반파 전력 생성 제어 신호를 생성하고,
    상기 제어 타임 슬롯은 상기 소전력 사인파의 반주기에 해당하고,
    상기 비-제어 타임 슬롯은 소전력 사인파의 나머지 반주기에 해당하는
    무선 전력 송신 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 직류-직류 변환부는
    일단에 상기 직류 전력이 인가되는 인덕터,
    게이트 전극에 상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호가 인가되는 전력 스위치,
    애노드 전극이 상기 전력 스위치의 드레인 전극에 연결되는 다이오드, 및
    일단이 상기 다이오드의 캐소드 전극에 연결되는 커패시터를 포함하고,
    상기 커패시터의 일단을 통해 상기 사인 반파 직류 전력이 출력되는
    무선 전력 송신 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 교류 전력 생성부는
    교류 전력 생성 제어 신호를 생성하는 교류 전력 생성 제어부와,
    상기 교류 전력 생성 제어 신호에 기초하여 상기 사인 반파 직류 전력을 상기 사인 반파 교류 전력으로 변환하는 직류-교류 변환부를 포함하는
    무선 전력 송신 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 교류 전력 생성 제어 신호는 상측 트랜지스터 제어 신호와 하측 트랜지스터 제어 신호를 포함하고,
    상기 직류-교류 변환부는
    상기 사인 반파 직류 전력이 인가되는 드레인 전극과 상기 상측 트랜지스터 제어 신호가 인가되는 게이트 전극을 포함하는 상측 트랜지스터,
    상기 상측 트랜지스터의 소스 전극에 연결된 드레인 전극과 상기 하측 트랜지스터 제어 신호가 인가되는 게이트 전극을 포함하는 하측 트랜지스터, 및
    상기 하측 트랜지스터의 드레인 전극에 연결된 일단과 상기 사인 반파 교류 전력을 출력하는 타단을 포함하는 직류 차단 커패시터를 포함하는
    무선 전력 송신 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 상측 트랜지스터 제어 신호는 상측 트랜지스터 턴온 타임 슬롯과 상측 트랜지스터 턴오프 타임 슬롯을 포함하고,
    상기 하측 트랜지스터 제어 신호는 하측 트랜지스터 턴온 타임 슬롯과 하측 트랜지스터 턴오프 타임 슬롯을 포함하고,
    상기 하측 트랜지스터 턴온 타임 슬롯은 상기 상측 트랜지스터 턴오프 타임 슬롯에 대응하고,
    상기 하측 트랜지스터 턴오프 타임 슬롯은 상기 상측 트랜지스터 턴온 타임 슬롯에 대응하는
    무선 전력 송신 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    소전력 사인파를 생성하는 발진부를 더 포함하고,
    상기 하측 트랜지스터 턴온 타임 슬롯과 상기 상측 트랜지스터 턴오프 타임 슬롯은 상기 소전력 사인파의 반주기에 대응하고,
    상기 상측 트랜지스터 턴온 타임 슬롯과 상기 하측 트랜지스터 턴오프 타임 슬롯은 상기 소전력 사인파의 나머지 반주기에 대응하는
    무선 전력 송신 장치.
  11. 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 송신하는 무선 전력 송신 방법에 있어서,
    사인 반파 형상의 교류 전압을 가지는 사인 반파 교류 전력을 생성하는 단계; 및
    상기 사인 반파 교류 전력을 공진에 의해 상기 무선 전력 수신 장치에 송신하는 단계를 포함하는
    무선 전력 송신 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    사인 반파 형상의 직류 전압을 가지는 사인 반파 직류 전력을 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 사인 반파 교류 전력을 생성하는 단계는
    상기 사인 반파 직류 전력을 상기 사인 반파 교류 전력으로 변환하는 단계를 포함하는
    무선 전력 송신 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 사인 반파 직류 전력을 상기 사인 반파 교류 전력으로 변환하는 단계는
    사인 반파 전력 생성 제어 신호를 생성하는 단계와,
    상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호에 기초하여 직류 전력을 상기 사인 반파 직류 전력으로 변환하는 단계를 포함하는
    무선 전력 송신 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호의 한 주기는 제어 타임 슬롯과 비-제어 타임 슬롯을 포함하고,
    상기 제어 타임 슬롯의 전반부에서 상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호의 듀티율은 시간의 증가에 따라 증가하고,
    상기 제어 타임 슬롯의 후반부에서 상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호의 듀티율은 시간의 증가에 따라 감소하는
    무선 전력 송신 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    소전력 사인파를 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호를 생성하는 단계는
    상기 소전력 사인파에 기초하여 상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 제어 타임 슬롯은 상기 소전력 사인파의 반주기에 해당하고,
    상기 비-제어 타임 슬롯은 소전력 사인파의 나머지 반주기에 해당하는
    무선 전력 송신 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 사인 반파 직류 전력을 상기 사인 반파 교류 전력으로 변환하는 단계는
    교류 전력 생성 제어 신호를 생성하는 단계와,
    상기 교류 전력 생성 제어 신호에 기초하여 상기 사인 반파 직류 전력을 상기 사인 반파 교류 전력으로 변환하는 단계를 포함하는
    무선 전력 송신 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 교류 전력 생성 제어 신호는 상측 트랜지스터 제어 신호와 하측 트랜지스터 제어 신호를 포함하고,
    상기 상측 트랜지스터 제어 신호는 상측 트랜지스터 턴온 타임 슬롯과 상측 트랜지스터 턴오프 타임 슬롯을 포함하고,
    상기 하측 트랜지스터 제어 신호는 하측 트랜지스터 턴온 타임 슬롯과 하측 트랜지스터 턴오프 타임 슬롯을 포함하고,
    상기 하측 트랜지스터 턴온 타임 슬롯은 상기 상측 트랜지스터 턴오프 타임 슬롯에 대응하고,
    상기 하측 트랜지스터 턴오프 타임 슬롯은 상기 상측 트랜지스터 턴온 타임 슬롯에 대응하는
    무선 전력 송신 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    소전력 사인파를 생성하는 단계를 더 포함하고,
    상기 하측 트랜지스터 턴온 타임 슬롯과 상기 상측 트랜지스터 턴오프 타임 슬롯은 상기 소전력 사인파의 반주기에 대응하고,
    상기 상측 트랜지스터 턴온 타임 슬롯과 상기 하측 트랜지스터 턴오프 타임 슬롯은 상기 소전력 사인파의 나머지 반주기에 대응하는
    무선 전력 송신 방법.
  19. 무선 전력 수신 장치에 무선 전력을 송신하는 무선 전력 송신 장치에 있어서,
    사인 반파 직류 전력이 인가되는 드레인 전극과 상측 트랜지스터 제어 신호가 인가되는 게이트 전극을 포함하는 상측 트랜지스터;
    상기 상측 트랜지스터의 소스 전극에 연결된 드레인 전극과 하측 트랜지스터 제어 신호가 인가되는 게이트 전극을 포함하는 하측 트랜지스터;
    상기 하측 트랜지스터의 드레인 전극에 연결된 일단과 상기 사인 반파 교류 전력을 출력하는 타단을 포함하는 직류 차단 커패시터; 및
    상기 사인 반파 교류 전력을 공진에 의해 상기 무선 전력 수신 장치에 송신하는 전력 송신부를 포함하는
    무선 전력 송신 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    사인 반파 전력 생성 제어 신호에 기초하여 직류 전력을 상기 사인 반파 직류 전력으로 변환하는 직류-직류 변환부를 포함하고,
    상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호의 한 주기는 제어 타임 슬롯과 비-제어 타임 슬롯을 포함하고,
    상기 제어 타임 슬롯의 전반부에서 상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호의 듀티율은 시간의 증가에 따라 증가하고,
    상기 제어 타임 슬롯의 후반부에서 상기 사인 반파 전력 생성 제어 신호의 듀티율은 시간의 증가에 따라 감소하는
    무선 전력 송신 장치.
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