KR20140143584A - 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치 - Google Patents

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KR20140143584A
KR20140143584A KR1020130065307A KR20130065307A KR20140143584A KR 20140143584 A KR20140143584 A KR 20140143584A KR 1020130065307 A KR1020130065307 A KR 1020130065307A KR 20130065307 A KR20130065307 A KR 20130065307A KR 20140143584 A KR20140143584 A KR 20140143584A
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Abstract

고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치가 개시된다. 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치는 타겟 공진기와의 공진을 통하여 전력을 전송하는 소스 공진기, 소스 공진기로 전력을 공급하는 전원 공급부, 소스 공진기와 전원 공급부의 연결을 온(on)/오프(off) 하는 스위칭부를 포함한다. 또한, 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치는 소스 공진기로 유입되는 전류의 양에 따라 스위칭부를 제어하는 제어부, 전원 공급부에 포함된 입력 저항에 인가되는 전압을 제어하는 전압 제어부 및 스위칭부의 동작에 따라 소스 공진기로 유입되는 전류를 제어하는 전류 제어부 중 적어도 하나를 포함한다.

Description

고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치{WIRELESS POWER TRANSMISSION APPARATUS FOR HIGH EFFICIENT ENERGY CHARGING}
아래의 실시 예들은 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 아래의 실시 예들은 에너지 및 데이터 동시전송 시스템에서의 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.
무선 전력 전송에 대한 연구는 휴대용 단말을 포함한 다양한 전기기기의 폭발적 증가로 인한 유선 전력 공급의 불편 증가 및 기존 배터리(battery) 용량의 한계 등을 극복하기 위해 시작되었다. 그 중에서도 근거리 무선 전력 전송에 대한 연구가 집중되고 있다. 근거리 무선 전력 전송이라 함은 동작 주파수에서 파장의 길이에 비해 송수신 코일간의 거리가 충분히 작은 경우를 의미한다. 이러한 근거리 무선 전력 전송에는 고립 공진 시스템이 이용된다. 공진 특성을 이용하는 고립 공진 시스템은 전력을 공급하는 소스와 전력을 공급받는 타겟을 포함할 수 있다. 최근에는 보다 효율적으로 전력을 전송하기 위한 연구가 계속되고 있다.
일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치는 타겟 공진기와의 공진을 통하여 전력을 전송하는 소스 공진기; 상기 소스 공진기로 전력을 공급하는 전원 공급부; 상기 소스 공진기와 상기 전원 공급부의 연결을 온(on)/오프(off) 하는 제1 스위칭부; 및 상기 소스 공진기로 유입되는 전류의 양에 따라 상기 제1 스위칭부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 소스 공진기로 유입되는 전류의 양을 센싱하는 전류 센싱부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 센싱된 전류의 양이 미리 정해진 목표 전류의 양보다 크거나 같을 경우, 상기 제1 스위칭부를 오프 시킬 수 있다.
상기 제어부는, 상기 센싱된 전류의 양이 미리 정해진 제1 임계 전류량보다 작거나 같을 경우, 상기 제1 스위칭부를 온 시키고, 상기 센싱된 전류의 양이 미리 정해진 제2 임계 전류량보다 크거나 같을 경우, 제1 스위칭부를 오프 시킬 수 있다.
상기 전원 공급부는, 입력 저항을 포함할 수 있다.
상기 전류 센싱부는, 상기 입력 저항에 인가되는 전압에 따라 상기 소스 공진기로 유입되는 전류의 양을 센싱할 수 있다.
상기 전류 센싱부는, 상기 입력 저항에 인가되는 전압 및 미리 정해진 기준 전압 - 상기 미리 정해진 기준 전압은 상기 미리 정해진 목표 전류의 양과 대응됨 - 을 비교하는 비교기(comparator)를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 비교기의 비교 결과에 따라 상기 제1 스위칭부의 온/오프를 제어할 수 있다.
상기 전류 센싱부는, 상기 소스 공진기로 유입되는 전류의 미러(mirror)된 전류의 흐름을 제어하는 제2 스위칭부; 및 상기 미러된 전류에 대응하는 전압과 미리 정해진 기준 전압 - 상기 미리 정해진 기준 전압은 상기 미리 정해진 목표 전류의 양과 대응됨 - 을 비교하는 비교기를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 비교기의 비교 결과에 따라 상기 제1 스위칭부의 온/오프를 제어할 수 있다.
상기 제1 스위칭부는, 상기 전원 공급부와 상기 소스 공진기 사이에 위치하는 트랜지스터; 및 상기 트랜지스터와 직렬로 연결된 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 제2 스위칭부는, 상기 제1 스위칭부에 포함된 트랜지스터보다 사이즈가 작은 미러 트랜지스터를 포함할 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치는 타겟 공진기와의 공진을 통하여 전력을 전송하는 소스 공진기; 상기 소스 공진기로 전력을 공급하는 전원 공급부 - 상기 전원 공급부는 입력 저항을 포함함 -; 상기 소스 공진기와 상기 전원 공급부의 연결을 온(on)/오프(off) 하는 스위칭부; 및 상기 입력 저항에 인가되는 전압을 제어하는 전압 제어부를 포함할 수 있다.
상기 전압 제어부는, DC-DC 컨버터를 포함할 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치는 상기 소스 공진기에 유입되는 전류의 양 및 미리 정해진 목표 전류의 양을 비교한 결과에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 소스 공진기에 유입되는 전류의 양이 미리 정해진 목표 전류의 양보다 크거나 같을 경우, 상기 스위칭부를 오프 시킬 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치는 타겟 공진기와의 공진을 통하여 전력을 전송하는 소스 공진기; 상기 소스 공진기로 전력을 공급하는 전원 공급부; 상기 소스 공진기와 상기 전원 공급부의 연결을 온(on)/오프(off) 하는 스위칭부; 및 상기 스위칭부의 동작에 따라 상기 소스 공진기로 유입되는 전류를 제어하는 전류 제어부를 포함할 수 있다.
상기 전류 제어부는, 상기 전원 공급부와 상기 스위칭부 사이에 위치하는 인덕터 및 상기 인덕터와 병렬로 연결된 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 전류 제어부는, 상기 스위칭부가 오프 상태인 동안, 상기 인덕터와 상기 다이오드 사이의 폐루프(closed loop)로 상기 스위칭부가 오프 상태가 된 시점에서의 상기 소스 공진기로 유입되는 전류를 환류(freewheeling)시키고, 상기 스위칭부가 온 상태인 동안, 상기 소스 공진기로 상기 환류된 전류를 공급할 수 있다.
또 다른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치는 상기 소스 공진기에 유입되는 전류의 양 및 미리 정해진 목표 전류의 양을 비교한 결과에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 소스 공진기에 유입되는 전류의 양이 미리 정해진 목표 전류의 양보다 크거나 같을 경우, 상기 스위칭부를 오프 시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치는 타겟 공진기와의 공진을 통하여 전력을 전송하는 소스 공진기; 상기 소스 공진기로 전력을 공급하는 전원 공급부 - 상기 전원 공급부는 입력 저항을 포함함 -; 상기 소스 공진기와 상기 전원 공급부의 연결을 온(on)/오프(off) 하는 스위칭부; 상기 소스 공진기로 유입되는 전류의 양에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 제어부; 상기 입력 저항에 인가되는 전압을 제어하는 전압 제어부; 및 상기 스위칭부의 동작에 따라 상기 소스 공진기로 유입되는 전류를 제어하는 전류 제어부를 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 2는 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서의 스위치의 동작에 따른 충전 효율을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 다른 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 또 다른 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치를 나타낸 블록도이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 일 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
무선 전력 전송 시스템은 무선으로 전력을 필요로 하는 다양한 시스템에 응용될 수 있다. 무선 전력 전송 시스템은 모바일 디바이스 또는 wireless TV 등 무선 전력의 사용이 가능한 시스템에 이용될 수 있다. 또한, 바이오 헬스 케어(bio health care) 분야에 응용이 가능하여, 인체에 삽입된 디바이스에 원격으로 전력을 전송하거나, 심박수 측정을 위한 붕대 모양의 디바이스에 무선으로 전력을 전송하는데 응용될 수 있다.
무선 전력 전송 시스템은 적은 전력으로 동작하고, 적은 전력의 소모가 요구되는 저전력 센서 등의 디바이스에 응용될 수 있다.
또한, 무선 전력 전송 시스템은 전원 소스가 없는 정보 저장 장치의 원격 제어에 응용될 수 있다. 무선 전력 전송 시스템은 정보 저장 장치에 원격으로 장치를 구동할 수 있는 전력을 공급함과 동시에, 무선으로 정보 저장 장치에 저장된 정보를 불러오는 시스템에 응용될 수 있다.
무선 전력 전송 시스템은 신호의 발생을 위해 전원 공급 장치로부터 에너지를 공급받아, 소스 공진기에 저장하고, 전원 공급 장치와 소스 공진기를 전기적으로 연결하는 스위치를 오프 시킴으로써, 소스 공진기의 자체 공진을 유도할 수 있다. 자체 공진 하는 소스 공진기와 상호 공진을 할 만큼 충분히 가까운 거리에 소스 공진기의 공진 주파수와 동일한 공진 주파수를 가지는 타겟 공진기가 존재하는 경우, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진 현상이 발생한다. 소스 공진기는 전원 공급 장치로부터 에너지를 공급받는 공진기를 의미하고, 타겟 공진기는 상호 공진 현상에 의해 소스 공진기로부터 에너지를 전달받는 공진기를 의미한다.
무선 전력 전송 시스템은 고립 공진 시스템(Resonator Isolation: RI) 시스템이라고 정의될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다. 도 1은 고립 공진 시스템의 예로서, CC(Capacitive Charging) 방식을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 무선 전력 전송 시스템은 소스에 해당하는 무선 전력 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 전력 수신 장치를 포함할 수 있다.
무선 전력 전송 장치는 전력 입력부(110), 전력 전송부(120) 및 스위칭부(130)를 포함한다. 전력 입력부(110)는 전원 공급 장치를 이용하여 캐패시터에 에너지를 저장한다. 스위칭부(130)는 캐패시터에 에너지가 저장되는 동안에는 전력 입력부(110)에 캐패시터를 연결하고, 스위칭부(130)는 캐패시터에 저장된 에너지를 방전하는 동안에는 캐패시터를 전력 전송부(120)에 연결한다. 즉, 스위칭부(130)는 캐패시터가 동시에 전력 입력부(110) 및 전력 전송부(120)에 연결되지 않도록 한다.
전력 전송부(120)는 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신부(140)로 전달(transferring)한다. 보다 구체적으로 전력 전송부(120)는 전력 전송부(120)의 소스 공진기와 수신부(130)의 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통해 전력을 전달할 수 있다. 이때, 소스 공진기는 캐패시터(C1) 및 송신 코일(L1)을 포함할 수 있고, 타겟 공진기는 캐패시터(C2) 및 수신 코일(L2)을 포함할 수 있다. 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 발생하는 상호 공진의 정도는 상호 인덕턴스 M의 영향을 받는다.
전력 입력부(110)는 입력 전압(VDC), 내부 저항(Rin) 및 캐패시터(C1)로, 전력 전송부(120)는 기초 회로 소자(R1, L1, C1)로, 스위칭부(130)는 적어도 하나의 스위치로 모델링 될 수 있다. 캐패시터(C1)는 스위칭부(130)의 동작에 따라 전력 입력부(110)에 속하기도 하고, 전력 전송부(120)에 속하기도 한다. 스위치로는 온/오프 기능을 수행할 수 있는 능동소자가 사용될 수 있다. R은 저항 성분, L은 인덕터 성분, C는 캐패시터 성분을 의미한다. 입력 전압(VDC) 중 캐패시터(C1)에 걸리는 전압은 Vin으로 표시될 수 있다.
무선 전력 수신 장치는 수신부(140), 전력 출력부(150) 및 스위칭부(160)를 포함한다. 수신부(140)는 전력 전송부(120)로부터 전자기(electromagnetic) 에너지를 수신한다. 수신부(140)는 수신한 전자기 에너지를 연결된 캐패시터들에 저장한다. 스위칭부(160)는 수신부(140)에 캐패시터를 연결하여 캐패시터에 에너지를 저장하고, 스위칭부(160)는 캐패시터를 전력 출력부(150)에 연결하여 캐패시터에 저장된 에너지를 부하에 전달할 수 있다. 즉, 스위칭부(160)는 캐패시터가 동시에 수신부(140) 및 전력 출력부(150)에 연결되지 않도록 한다.
보다 구체적으로 수신부(140)의 수신 코일(L2)은 전력 전송부(120)의 송신 코일(L1)과의 상호 공진을 통하여 전력을 수신할 수 있다. 수신된 전력을 통하여 수신 코일(L2)과 연결된 캐패시터가 충전될 수 있다. 전력 출력부(150)는 캐패시터에 충전된 전력을 배터리로 전달한다. 전력 출력부(150)는 배터리 대신, 부하 또는 타겟 디바이스에 전력을 전달할 수 있다.
수신부(140)는 기초 회로 소자(R2, L2 , C2)로, 전력 출력부(150)는 연결되는 캐패시터(C2) 및 배터리로, 스위칭부(160)는 적어도 하나의 스위치로 모델링 될 수 있다. 캐패시터(C2)는 스위칭부(160)의 동작에 따라 수신부(140)에 속하기도 하고, 전력 출력부(150)에 속하기도 한다. 수신 코일(L2)에서 수신되는 에너지 중, 캐패시터(C2)에 걸리는 전압은 Vout으로 표시될 수 있다.
위와 같이 전력 입력부(110)와 전력 전송부(120)를 물리적으로 분리하고, 수신부(140)와 전력 출력부(150)를 물리적으로 분리하여 전력을 전송하는 RI(Resonator Isolation) 시스템은 임피던스 매칭을 사용한 기존의 전력 전송 방식에 비하여 여러 가지의 차이점이 있다. 첫째, DC 전원으로부터 소스 공진기에 직접 전력 공급이 가능하기 때문에, 전력 증폭기를 사용하지 않을 수 있다. 둘째, 배터리의 충전을 위해 수신단의 캐패시터에 충전된 전력에서 에너지를 채득(capture)하기 때문에, 정류기를 통한 정류작업이 필요 없다. 셋째, 임피던스 매칭을 할 필요가 없으므로 전송 효율이 송신단과 수신단 사이의 거리변화에 민감하지 않다. 또한, 복수의 송신단 및 복수의 수신단을 포함하는 무선 에너지 전송 시스템으로의 확장이 용이하다.
도 2는 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 등가회로를 나타낸 도면이다. 도 2는 고립 공진 시스템의 다른 예로서, 인덕티브 차징(Inductive Charging; IC) 방식을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 소스와 타겟으로 구성되는 소스-타겟 구조이다. 무선 전력 전송 시스템은 소스에 해당하는 무선 전력 전송 장치와 타겟에 해당하는 무선 전력 수신 장치를 포함한다.
무선 전력 전송 장치는 전력 충전부(210), 제어부(220) 및 전송부(230)를 포함한다. 전력 충전부(210)는 전원 공급 장치(Vin)와 저항(Rin)으로 구성될 수 있다. 소스 공진기는 캐패시터(C1)와 인덕터(L1)로 구성될 수 있다. 전송부(230)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 소스 공진기에 저장된 에너지를 전송할 수 있다. 제어부(220)는 전력 충전부(210)로부터 소스 공진기에 전력을 공급하기 위해 스위치를 온(on) 할 수 있다. 전원 공급 장치(Vin)로부터 캐패시터(C1)에 전압이 인가되고, 인덕터(L1)에 전류가 인가된다. 소스 공진기가 정상 상태에 도달하게 되면, 캐패시터(C1)에 인가되는 전압은 0이 되고, 인덕터(L1)에 흐르는 전류는 Vin/ Rin의 값을 갖는다. 정상 상태에서는 인덕터(L1)에 인가되는 전류를 통하여 인덕터(L1)에 전력이 충전된다.
제어부(220)는 정상 상태에서 소스 공진기에 충전된 전력이 소정 값에 도달하면, 스위치를 오프(off)할 수 있다. 소정 값에 대한 정보는 제어부(220)에 미리 설정될 수 있다. 일 실시예에서, 전송부(230)에 유입되는 전류가 미리 정해진 목표 전류와 같아지는 경우, 제어부(220)는 스위치를 오프할 수 있다.
전력 충전부(210)와 전송부(230)는 스위치 동작에 의해 분리된다. 스위치가 오프 되면, 소스 공진기는 캐패시터(C1)와 인덕터(L1)간에 자체 공진을 시작한다. 또한, 상호 인덕턴스 M(270)의 영향을 받는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여, 소스 공진기에 저장된 에너지는 타겟 공진기로 전달될 수 있다. 이때, 소스 공진기의 공진 주파수(f1)와 타겟 공진기의 공진 주파수(f2)는 동일하다. 소스 공진기의 공진 주파수(f1)와 타겟 공진기의 공진 주파수(f2)는 [수학식 1]을 통해서 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
무선 전력 수신 장치는 충전부(240), 제어부(250) 및 전력 출력부(260)를 포함할 수 있다. 타겟 공진기는 캐패시터(C2)와 인덕터(L2)로 구성될 수 있다. 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진을 할 때는 소스 공진기는 전원 공급 장치(Vin)와 분리되어 있고, 타겟 공진기는 부하(LOAD) 및 캐패시터(CL)와 분리되어 있다. 타겟 공진기의 캐패시터(C2)와 인덕터(L2)는 상호 공진을 통하여 전력을 충전할 수 있다. 제어부(250)는 타겟 공진기에 전력을 충전하기 위해, 스위치를 오프(off)할 수 있다. 스위치가 오프인 동안, 타겟 공진기의 공진 주파수와 소스 공진기의 공진 주파수는 일치하여, 상호 공진이 발생할 수 있다. 제어부(250)는 타겟 공진기에 충전된 전력이 소정 값에 도달하면, 스위치를 온(on)할 수 있다. 소정 값에 대한 정보는 제어부(250)에 미리 설정될 수 있다. 스위치가 온 되면, 캐패시터(CL)이 연결되어, 타겟 공진기의 공진 주파수가 [수학식 2]와 같이 변경된다.
[수학식 2]
Figure pat00002
따라서, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 공진 주파수가 일치하지 않게 되고, 소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진이 종료된다. 보다 구체적으로는 타겟 공진기의 Q를 고려하여, f2'이 f2보다 충분히 작다면, 상호 공진 채널이 소멸할 수 있다. 또한, 전력 출력부(260)는 캐패시터(C2)와 인덕터(L2)에 충전된 전력을 부하(LOAD)에 전달할 수 있다. 전력 출력부(260)는 부하(LOAD)의 필요에 적합한 방식으로 전력을 전달할 수 있다. 예를 들면, 전력 출력부(260)는 부하에서 요구하는 정격 전압으로 전압을 레귤레이션(regulation)하여 전력을 전달할 수 있다.
제어부(250)는 타겟 공진기에 충전된 전력이 소정 값 미만의 값을 갖게 되면, 스위치를 오프(off)할 수 있다. 오프(off)로 인하여 소스 공진기와 타겟 공진기의 공진 주파수가 다시 일치하게 되면, 충전부(240)는 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진을 통하여 다시 타겟 공진기에 전력을 충전할 수 있다.
소스 공진기와 타겟 공진기 간에 상호 공진이 발생할 때는 스위치가 연결되지 않는다. 따라서, 스위치의 연결에 따른 전송 효율의 감소가 예방될 수 있다.
도 1의 CC 방식에 비해, 도 2의 IC 방식은 타겟 공진기에 저장된 에너지의 채득(capture) 시점을 제어하는 것이 좀 더 용이하다. 도 1의 CC 방식에서는 무선 전력 수신 장치가 캐패시터에 충전된 에너지를 채득(capture) 할 수 있지만, 도 2의 IC 방식은 타겟 공진기의 인덕터 및 캐패시터에 저장된 에너지를 채득하므로, 에너지의 채득 시점에 대한 자유도가 향상된다.
고립 공진 시스템의 송신단은 전력 혹은 데이터의 전송을 위해, 스위치의 연결을 통해 소스 공진기에 에너지의 충전과 방전을 반복 수행한다. 이러한 한 번의 에너지의 충전과 방전 과정은 하나의 심볼로 정의될 수 있다. 수신단은 송신단으로부터 에너지 또는 데이터를 수신하기 위해, 송신단의 충전 및 방전을 반복하는 스위치의 동작 주기에 맞추어, 수신단의 스위치를 제어한다.
수신단은 송신단으로부터 오류 없이 전력 또는 데이터를 수신하기 위해, 송신단의 스위치가 언제 오프(off)되고 언제 온(on)되는지, 그리고 언제 상호 공진을 시작하고, 언제 타겟 공진기에 저장된 에너지가 피크 값을 가지는지 알 필요가 있다. 송신단 스위치의 온/오프 타임에 대한 정보를 알아내고, 수신단의 온/오프 타임을 송신단 스위치의 온/오프 타임에 대한 정보에 맞게 조절하는 과정을 시간 동기화 과정이라고 정의할 수 있다.
고립 공진 시스템은 정보를 전달하기 위하여, 소스 공진기와 타겟 공진기 간의 상호 공진 현상을 이용한다. 보다 구체적으로, 송신단은 미리 정해진 시간 구간 동안 전원으로부터 소스 공진기로 에너지를 주입하거나/주입하지 않는 동작을 통해 해당 시간 구간 동안 상호 공진을 일으키거나/일으키지 아니하는 상태(state)를 스위칭할 수 있다. 보다 구체적으로는, 소스 공진기와 전원의 연결을 스위칭하여, 상호 공진 현상을 스위칭할 수 있다. 상호 공진이 일어나는 상태 및 상호 공진이 일어나지 않는 상태 각각에 정보를 할당(assign)할 수 있다. 예를 들면, 송신단은 상호 공진이 일어나는 상태에 비트 1을, 상호 공진이 일어나지 않는 상태에 비트 0을 할당할 수 있다. 여기서 상기 미리 정해진 시간 구간은 예를 들면, 하나의 심볼로 정의될 수 있다.
수신단은 상기 시간 구간 동안, 타겟 공진기의 공진주파수를 소스 공진기의 공진주파수와 맞추거나(tune)/맞추지 아니하는(de-tune) 동작으로 상호 공진이 일어나는/일어나지 않는 상태를 스위칭할 수 있다. 이때, 수신단은 각각의 현상에 정보를 할당(assign)할 수 있다. 예를 들면, 수신단은 상호 공진이 일어나는 상태에 비트 1을, 상호 공진이 일어나지 않는 상태에 비트 0을 할당할 수 있다.
심볼 단위로 정보를 전달하는 방법에 있어서, 심볼의 동기를 맞추는 작업이 선행되어야 한다. 심볼의 동기를 맞추기 위해 수신단 또는 송신단에서 동기 정합 작업을 수행할 수 있다. 동기 정합 작업이 이루어지면, 사전에 정해진 프로토콜에 의해 송신단과 수신단 간에 양방향 데이터 전송이 이루어질 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서의 스위치의 동작에 따른 충전 효율을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 인덕티브 차징(IC) 방식에 따른 고립 공진 시스템을 고려한다.
도 3을 참조하면, 식별부호(310)는 무선 전력 전송 장치에서의 스위치의 온/오프 동작에 따른 에너지 충전 구간을 나타낸다. 무선 전력 전송 장치는 충전(charging)과 방전(discharging) 과정의 반복을 통해 무선 전력 수신 장치로 에너지를 전송한다. 한 번의 에너지의 충전과 방전 과정은 하나의 심볼로 정의될 수 있다. 무선 전력 전송 장치의 스위치가 온 상태일 때, 소스 공진기는 에너지를 충전할 수 있고, 무선 전력 전송 장치의 스위치가 오프 상태일 때, 소스 공진기의 에너지는 방전될 수 있다.
식별부호(320)는 식별부호(310)의 에너지 충전 구간 내에서의 시간에 따른 전류 및 전압의 양을 나타낸다. 충전이 시작되면, 무선 전력 전송 장치의 소스 공진기에서 전압은 급격히 감소하고, 소스 공진기가 정상 상태(steady state)에 도달하게 되면, 소스 공진기의 커패시터에 인가되는 전압은 0이 된다. 충전이 시작되면, 무선 전력 전송 장치의 소스 공진기에서 전류는 급격히 증가하고, 소스 공진기가 정상 상태에 도달하게 되면, 소스 공진기의 인덕터에 흐르는 전류는 일정한 값(예를 들어, IL = Vin/ Rin)에 도달하게 된다. 정상 상태에서는 인덕터에 인가되는 전류를 통하여 LIL 2/2 의 에너지가 충전될 수 있다. 여기서, L은 소스 공진기 인덕터의 인덕턴스 값이다.
식별부호(330)는 에너지 충전 구간 내에서의 입력 저항(Rin)에 따른 에너지 충전 효율을 나타낸다. 에너지 충전이 시작될 때, 입력 저항(Rin)에 따른 에너지 충전 효율은 상승한다. 시간이 흐름에 따라 소스 공진기가 정상 상태에 도달하게 되면, 소스 공진기에 충전되는 에너지량은 증가하지 않는다. 정상 상태일 때, 입력 저항(Rin)에는 전류가 계속 흐르게 되어 전력 손실이 발생할 수 있다. 입력 저항(Rin)에 따른 에너지 충전 효율은 최고점에 도달한 후, 점점 감소한다.
위와 같은 식별부호(310) 내지 (330)을 고려하면, 입력 저항(Rin)을 감소시키거나, 에너지 충전 구간의 시간을 단축시키거나, 무선 전력 전송 장치의 스위치를 정밀하게 제어할 수 있을 때, 에너지 충전 효율은 향상될 수 있다.
<전류 센싱을 이용한 무선 전력 전송 장치>
도 4a 내지 도 4c는 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 4a 내지 도 4c는 전류 센싱을 이용한 무선 전력 전송 장치를 나타낸다.
도 4a를 참조하면, 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치는 전원 공급부(410), 제1 스위칭부(420), 소스 공진기(430) 및 제어부(441)를 포함한다.
전원 공급부(410)는 소스 공진기(430)로 전력을 공급할 수 있다. 전원 공급부(410)는 직류 전압원 또는 직류 전류원 중 어느 하나일 수 있다. 전원 공급부(410)는 제1 스위칭부(420)를 통하여 소스 공진기(430)와 연결되는 경우에 전력을 공급할 수 있다. 전원 공급부(410)는 입력 전원 및 입력 저항을 포함할 수 있다.
제1 스위칭부(420)는 전원 공급부(410)와 소스 공진기(430)를 연결할 수 있다. 제1 스위칭부(420)는 제어부(440)의 제어에 따라 온(on) 또는 오프(off) 동작을 수행할 수 있다. 온 상태에서, 전원 공급부(410)와 소스 공진기(430)는 연결되고, 오프 상태에서, 전원 공급부(410)와 소스 공진기(430)의 연결은 끊어진다.
소스 공진기(430)는 타겟 공진기(미도시)와의 상호 공진을 통하여 전력을 전송할 수 있다.
제1 스위칭부(420)는 전원 공급부(410)와 소스 공진기(430) 사이에 위치하는 트랜지스터 및 트랜지스터와 직렬로 연결된 다이오드를 포함할 수 있다. 다이오드는 트랜지스터의 전단 또는 후단 어디에나 위치할 수 있다. 트랜지스터는 시모스(Complementary Metal Oxide Semiconductor: CMOS), 엔모스(N-channel Metal Oxide Semiconductor: NMOS) 및 피모스(P-channel Metal Oxide Semiconductor: PMOS) 중 어느 하나일 수 있다.
제1 스위칭부(420)의 트랜지스터는 제어부(440)에서 송신하는 제어 신호의 값과 기준 값을 비교한 결과에 기초하여 전원 공급부(410)와 소스 공진기(430)의 연결을 온 또는 오프할 수 있다. 트랜지스터의 종류에 따라, 제어 신호의 값이 기준 값보다 작은 경우에 온 동작을 수행하는 경우가 있고, 제어 신호의 값이 기준 값보다 크거나 같은 경우에 온 동작을 수행하는 경우가 있다. 또한, 트랜지스터의 종류에 따라, 제어 신호의 값이 기준 값보다 크거나 같은 경우에 오프 동작을 수행하는 경우가 있고, 제어 신호의 값이 기준 값보다 작은 경우에 오프 동작을 수행하는 경우가 있다.
다이오드는 트랜지스터와 직렬로 연결된다. 트랜지스터 및 다이오드는 온 상태에서 전원 공급부(410)의 직류 신호를 통과시키고, 오프 상태에서 소스 공진기(430)로부터 교류 신호의 유입을 차단할 수 있다.
제어부(440)는 소스 공진기(430)로 유입되는 전류의 양에 따라 제1 스위칭부(420)를 제어할 수 있다. 제어부(440)는 소스 공진기(430)로 유입되는 전류의 양을 센싱하는 전류 센싱부(441)를 포함할 수 있다.
입력 저항을 작게 설정하는 경우, 입력 저항에서 소비되는 전력은 감소될 수 있고, 에너지 충전 효율은 향상될 수 있다. 입력 저항이 임계값보다 작아지는 경우, 소스 공진기(430)에 유입될 수 있는 임계 전류의 양보다 많은 전류가 소스 공진기(430)에 인가될 수 있다. 이에 따라, 소스 공진기(430)는 정상적인 동작을 수행하지 못할 수 있다. 무선 전력 전송 장치는 에너지 전송 효율을 위하여 입력 저항을 임계값보다 작게 설정하여 소스 공진기(430)에 많은 전류를 소스 공진기(430)에 유입시킬 수 있다. 이 때, 전류 센싱부(441)는 소스 공진기(430)에 유입되는 전류의 양을 센싱할 수 있고, 소스 공진기(430)에 미리 정해진 목표 전류와 같은 양의 전류를 감지하여, 제어부(440)는 제1 스위칭부(420)를 오프 시킬 수 있다. 미리 정해진 목표 전류의 양보다 작거나 같은 전류만이 소스 공진기(430)에 유입될 수 있으므로, 무선 전력 전송 장치는 소스 공진기(430)를 정상적으로 동작시키면서, 에너지 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 전류 센싱부(441)는 입력 저항에 인가되는 전압을 이용하여 소스 공진기(430)로 유입되는 전류의 양을 센싱할 수 있다. 또한, 전류 센싱부(441)는 제1 스위칭부(420)에 흐르는 전류의 미러된 전류를 이용하여 소스 공진기(430)로 유입되는 전류의 양을 센싱할 수도 있다. 이에 대해서는 도 4b 및 도 4c를 참조하여 후술한다.
제어부(440)는 제어 신호를 생성하고, 제어 신호의 진폭 및 주기를 제어할 수 있다. 제어부(440)는 트랜지스터(421)의 온 또는 오프 동작에 필요한 크기로 제어 신호의 진폭을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제1 스위치부(420)의 트랜지스터가 모스(Metal Oxide Semiconductor: MOS) 타입인 경우에, 제어부(440)는 모스의 게이트(Gate)에 인가하는 전압의 진폭을 조절함으로써, 전원 공급부(410)로부터 소스 공진기(430)로 전달하는 전력의 양을 조절할 수 있다.
제어부(440)는 전류 센싱부(441)에서 센싱한 소스 공진기(430)로 유입되는 전류의 양에 따라 제1 스위치부의 동작을 제어할 수 있다. 제어부(440)는 제1 스위치부(420)에 온(on) 신호를 전송함으로써, 제1 스위치부(420)를 온 시킬 수 있다. 이 경우, 제어부(420)는 외부로부터 디지털 신호를 수신할 수 있고, 이에 응답하여 제1 스위치부(420)로 온 신호를 전송할 수 있다.
.센싱된 전류의 양이 미리 정해진 목표 전류의 양보다 크거나 같을 경우, 제어부(440)는 제1 스위칭부(420)를 오프 시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 스위칭부(420)의 트랜지스터가 피모스인 경우, 전류 센싱부(441)에서 센싱된 전류의 양이 미리 정해진 목표 전류의 양보다 같거나 클 때, 제어부(440)는 피모스의 소스에 인가되는 전압과 피모스의 문턱 전압의 차이보다 큰 제어 신호를 제1 스위칭부(420)의 트랜지스터에 인가할 수 있다. 이에 따라, 제1 스위칭부(420)는 전원 공급부(410)과 소스 공진기(430)의 연결을 오프 시킬 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(440)는 센싱된 전류의 양이 미리 정해진 제1 임계 전류량보다 작거나 같을 경우, 제1 스위칭부(420)를 온 시킬 수 있다. 센싱된 전류의 양이 미리 정해진 제2 임계 전류량보다 크거나 같을 경우, 제어부(440)는 제1 스위칭부를 오프 시킬 수 있다. 이 때, 미리 정해진 제2 임계 전류량은 미리 정해진 목표 전류의 양과 동일할 수 있다. 예를 들어, 미리 정해진 제1 임계 전류량이 0.1 A 로 설정되고, 미리 정해진 제2 임계 전류량이 1 A로 설정될 경우, 센싱된 전류의 양이 0.01 A 일 때, 제어부(440)는 제1 스위칭부(420)를 온 시킬 수 있다. 이후, 센싱된 전류의 양이 1 A 일 때, 제어부(440)는 제1 스위칭부(420)를 오프 시킬 수 있다.
도 4b의 식별부호(450) 및 식별 부호(470)는 도 4a의 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 4b를 참조하면, 식별부호(450) 및 식별 부호(470)의 무선 전력 전송 장치에서, 전류 센싱부는 입력 저항에 인가되는 전압을 이용하여 소스 공진기로 유입되는 전류의 양을 센싱할 수 있다.
식별부호(450)의 무선 전력 전송 장치는 전원 공급부(451), 제1 스위칭부(453), 소스 공진기(454) 및 제어부(460)를 포함할 수 있다. 전원 공급부(451)는 입력 저항(452)을 포함할 수 있다. 이 경우, 입력 저항(452)은 미리 정해진 목표 전류보다 많은 전류가 흐를 수 있을 정도로 저항값이 작을 수 있다.
제어부(460)는 전류 센싱부(461)를 포함할 수 있다. 제어부(460)는 입력 저항(452)의 양단과 제1 스위칭부(453)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 전류 센싱부(461)는 입력 저항에 인가되는 전압을 이용하여 소스 공진기(454)에 인가되는 전류를 센싱할 수 있고, 제어부(460)는 센싱된 전류의 양에 따라 제1 스위칭부(453)의 온/오프 동작을 제어할 수 있다.
식별 부호(470)는 식별부호(450)의 무선 전력 전송 장치에서의 제어부(460)를 보다 구체적으로 나타낸 도면이다.
제어부(480)는 비교기(comparator)(481) 및 게이트 드라이버(gate driver)(482)를 포함할 수 있다. 비교기(481)는 전류 센싱부(461)에 대응될 수 있다. 비교기(481)는 입력 저항의 양단에 위치할 수 있다. 이에 따라, 비교기(481)는 입력 저항에 인가되는 전압을 식별할 수 있다. 비교기(481)는 미리 정해진 기준 전압(reference voltage)과 입력 저항에 인가되는 전압을 비교할 수 있다. 여기서, 미리 정해진 기준 전압은 미리 정해진 목표 전류의 양과 대응될 수 있다. 제어부(480)는 비교기(481)의 비교 결과에 따라 제1 스위칭부의 온/오프 동작을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 스위칭부의 트랜지스터가 피모스인 경우, 제어부(480)가 외부로부터 디지털 신호를 수신할 때, 제어부(480)는 게이트 드라이버(482)를 통하여 피모스의 소스에 인가되는 전압과 피모스의 문턱 전압의 차이보다 작거나 같은 제어 신호를 제1 스위칭부의 트랜지스터에 인가할 수 있다. 이에 따라, 제1 스위칭부는 온(on) 동작을 수행할 수 있다.
비교기(481)의 비교 결과, 입력 저항에 인가되는 전압이 미리 정해진 기준 전압보다 크거나 같을 때, 제어부(480)는 피모스의 소스에 인가되는 전압과 피모스의 문턱 전압의 차이보다 큰 제어 신호를 제1 스위칭부의 트랜지스터에 인가할 수 있다. 이에 따라, 제1 스위칭부는 오프(off) 동작을 수행할 수 있다.
도 4c의 식별부호(490)는 도 4a의 제어부(440)를 보다 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 4c를 참조하면, 제어부(490)는 제2 스위칭부(491), 증폭기 및 트랜지스터(492), 가변 저항(493), 비교기(494) 및 게이트 드라이버(495)를 포함할 수 있다. 전류 센싱부는 제2 스위칭부(491), 증폭기 및 트랜지스터(492), 가변 저항(493), 비교기(494)에 대응할 수 있다.
제2 스위칭부(491)는 트랜지스터로 구성될 수 있다. 제2 스위칭부(491)의 트랜지스터는 제1 스위칭부의 트랜지스터보다 사이즈가 작을 수 있다. 또한, 제2 스위칭부(491)의 트랜지스터의 게이트-소스 전압(Vgs) 및 드레인-소스 전압(Vds)은 제1 스위칭부의 트랜지스터의 게이트-소스 전압 및 드레인 소스 전압과 같은 양이 인가될 수 있다. 이에 따라, 제2 스위칭부를 흐르는 전류는 제1 스위칭부를 흐르는 전류의 미러된 전류로서, 제2 스위칭부를 흐르는 전류의 양은 제1 스위칭부를 흐르는 전류의 양의 1/N배일 수 있다. 예를 들어, 제2 스위칭부(491)의 트랜지스터는 제1 스위칭부의 트랜지스터의 축소형 미러(mirror) 트랜지스터 일 수 있다.
제2 스위칭부(491)는 소스 공진기로 유입되는 전류의 미러된 전류의 흐름을 제어할 수 있다. 제2 스위칭부(491)를 통하여 흐르는 미러된 전류는 증폭기 및 트랜지스터(492)에 유입될 수 있고, 증폭기 및 트랜지스터(492)는 미러된 전류와 대응하는 전압을 가변 저항(493)에 인가할 수 있다. 비교기(494)는 미러된 전류와 대응하는 전압과 미리 정해진 기준 전압을 비교할 수 있다. 여기서, 미리 정해진 기준 전압은 미리 정해진 목표 전류의 양과 대응될 수 있다. 제어부(490)는 비교기(494)의 비교 결과에 따라 제1 스위칭부의 온/오프 동작을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 스위칭부의 트랜지스터가 피모스인 경우, 제어부(490)가 외부로부터 디지털 신호를 수신할 때, 제어부(490)는 게이트 드라이버(495)를 통하여 피모스의 소스에 인가되는 전압과 피모스의 문턱 전압의 차이보다 작거나 같은 제어 신호를 제1 스위칭부의 트랜지스터에 인가할 수 있다. 이에 따라, 제1 스위칭부는 온 동작을 수행할 수 있다.
비교기(494)의 비교 결과, 입력 저항에 인가되는 전압이 미리 정해진 기준 전압보다 크거나 같을 때, 제어부(490)는 피모스의 소스에 인가되는 전압과 피모스의 문턱 전압의 차이보다 큰 제어 신호를 제1 스위칭부의 트랜지스터에 인가할 수 있다. 이에 따라, 제1 스위칭부는 오프 동작을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(490)는 비교기(494)의 비교 결과에 따라 제2 스위칭부의 온/오프 동작 역시 제어할 수 있다.
<입력 전원 조절을 이용한 무선 전력 전송 장치>
도 5a 및 도 5b는 다른 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a를 참조하면, 다른 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치는 전원 공급부(510), 전압 제어부(520), 스위칭부(530) 및 소스 공진기(540)를 포함할 수 있다.
전원 공급부(510)는 소스 공진기(540)로 전력을 공급할 수 있다. 전원 공급부(510)는 직류 전압원 또는 직류 전류원 중 어느 하나일 수 있다. 전원 공급부(510)는 스위칭부(530)를 통하여 소스 공진기(540)와 연결되는 경우에 전력을 공급할 수 있다. 전원 공급부(510)는 입력 전원 및 입력 저항을 포함할 수 있다.
소스 공진기(540)는 타겟 공진기(미도시)와의 상호 공진을 통하여 전력을 전송할 수 있다.
스위칭부(530)는 소스 공진기(540)와 전원 공급부(510)의 연결을 온/오프할 수 있다. 스위칭부(530)는 전원 공급부(510)와 소스 공진기(540) 사이에 위치하는 트랜지스터 및 트랜지스터와 직렬로 연결된 다이오드를 포함할 수 있다.
제어부(미도시)는 소스 공진기(540)에 유입되는 전류의 양 및 미리 정해진 목표 전류의 양을 비교할 수 있고, 소스 공진기(540)에 유입되는 전류의 양 및 미리 정해진 목표 전류의 양을 비교한 결과에 따라 스위칭부(530)를 제어할 수 있다.
전원 공급부(510)에 포함된 입력 저항에는 입력 전원에 인하여 전압이 인가될 수 있고, 소스 공진기(540)에 유입되는 전류가 흐를 수 있다. 이에 따라, 입력 저항에서 소비 전력이 발생할 수 있고, 에너지 충전 효율은 감소될 수 있다.
전압 제어부(520)는 입력 전항에 인가되는 전압을 제어할 수 있다. 구체적으로, 전압 제어부(520)는 입력 전원의 뒷부분에 위치할 수 있다. 또한, 전압 제어부(520)는 DC-DC 컨버터(DC-DC converter)를 포함할 수 있다. 전압 제어부(520)는 입력 전원에서 공급하는 전압 내지 전류를 기초로 입력 저항에 인가되는 전압을 조절할 수 있다. 이에 따라, 입력 저항에서 발생하는 소비 전력이 감소할 수 있고, 충전 효율이 향상될 수 있다.
도 5b는 도 5a의 다른 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 5b를 참조하면, 무선 전력 전송 장치는 입력 전원(561), DC-DC 컨버터(562), 입력 저항(563), 스위칭부(564), 소스 공진기(565) 및 제어부(566)를 포함할 수 있다.
입력 전원(561)은 입력 저항(563)을 통하여 소스 공진기(565)에 전원을 공급할 수 있다. 입력 저항(563)에 소스 공진기(565)로 유입되는 전류가 흐를 때, 입력 저항(563)에서는 전력이 소모될 수 있다. DC-DC 컨버터(562)는 입력 전원(561)의 전압을 조절할 수 있다. 또한, DC-DC 컨버터(562)는 도 5a의 전압 제어부(520)에 대응될 수 있다.
DC-DC 컨버터(562)는 입력 전원(561)의 뒤에 위치할 수 있다. 도 5b는 DC-DC 컨버터(562)를 입력 전원(561)과 입력 저항(563)사이에 위치한 것으로 나타냈지만, DC-DC 컨버터(562)는 입력 저항(563)의 뒤에 위치할 수 있고, 입력 저항(563)과 병렬적으로 위치할 수도 있다.
DC-DC 컨버터(562)는 입력 저항(563)에 인가되는 전압을 조절하여 소스 공진기(565)에 유입되는 전류의 양을 조절할 수 있다. 이에 따라, 소스 공진기(565)에는 DC-DC 컨버터(562)에 의해 조절된 전류가 유입될 수 있다.
또한, DC-DC 컨버터(562)는 입력 저항(563)에서 소비되는 전력의 양을 조절할 수 있다. 이에 따라, DC-DC 컨버터(562)는 에너지 충전 효율을 증가시킬 수 있는 전압을 입력 저항(563)에 인가할 수 있다. 예를 들어, DC-DC 컨버터(562)는 입력 저항(563)에 목표 전류가 흐르도록 입력 저항에 인가되는 전압을 조절할 수 있고, 이에 따라, 짧은 시간내에 소스 공진기(565)에 목표 전류가 유입될 수 있으므로, 에너지 충전 효율이 향상될 수 있다. 다른 예로서, DC-DC 컨버터(562)는 입력 저항(563)에 입력 전원(561)에서 공급되는 전압보다 낮은 전압을 인가하여, 입력 저항(563)에서 소비되는 전력의 양을 감소시킴으로써, 에너지 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
제어부(566)는 소스 공진기(565)에 유입되는 전류의 양 및 미리 정해진 목표 전류의 양을 비교한 결과에 따라 스위칭부(564)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(566)는 소스 공진기(540)에 유입되는 전류의 양이 미리 정해진 목표 전류의 양보다 크거나 같을 경우, 스위칭부(530)를 오프 시킬 수 있다. 또한, 제어부(566)는 외부로부터 디지털 신호를 수신할 때, 스위칭부(530)에 온(on) 신호를 전송함으로써 스위칭부(530)를 온 시킬 수 있다.
<충전 시간 제어를 이용한 무선 전력 전송 장치>
도 6a 및 도 6b는 또 다른 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a를 참조하면, 또 다른 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치는 전원 공급부(610), 전류 제어부(620), 스위칭부(630) 및 소스 공진기(640)를 포함한다.
전원 공급부(610)는 소스 공진기(640)로 전력을 공급한다. 전원 공급부(610)는 직류 전압원 또는 직류 전류원 중 어느 하나일 수 있다. 전원 공급부(610)는 스위칭부(630)를 통하여 소스 공진기(640)와 연결되는 경우에 전력을 공급할 수 있다. 전원 공급부(610)는 입력 전원 및 입력 저항을 포함할 수 있다.
소스 공진기(640)는 타겟 공진기(미도시)와의 상호 공진을 통하여 전력을 전송할 수 있다.
스위칭부(630)는 소스 공진기(640)와 전원 공급부(610)의 연결을 온/오프할 수 있다. 스위칭부(630)는 전원 공급부(610)와 소스 공진기(640) 사이에 위치하는 트랜지스터 및 트랜지스터와 직렬로 연결된 다이오드를 포함할 수 있다.
제어부(미도시)는 소스 공진기(640)에 유입되는 전류의 양 및 미리 정해진 목표 전류의 양을 비교할 수 있고, 소스 공진기(640)에 유입되는 전류의 양 및 미리 정해진 목표 전류의 양을 비교한 결과에 따라 스위칭부(630)를 제어할 수 있다.
스위칭부(630)는 제어부에 의하여 소스 공진기(640)에 유입되는 전류의 양이 미리 정해진 목표 전류의 양과 같아질 때까지 소스 공진기(640)과 전원 공급부(610)를 연결시킬 수 있다. 이에 따라, 소스 공진기(640)에 유입되는 전류의 양이 미리 정해진 목표 전류의 양보다 같아질 때까지는 입력 저항에 전류가 흐름에 따라, 입력 저항에서 전력 소비가 발생할 수 있다. 소스 공진기(640)에 유입되는 전류가 미리 정해진 목표 전류까지 도달하는 시간이 단축된다면, 스위치부(640)가 온 상태인 동안 입력 저항에서 소비되는 전력은 감소될 수 있다.
이를 위해, 전류 제어부(620)는 스위칭부의 온/오프 동작에 따라 소스 공진기로 유입되는 전류를 제어할 수 있다. 구체적으로, 전류 제어부(620)는 전원 공급부(610)와 스위칭부(630) 사이에 위치하는 인덕터 및 인덕터와 병렬로 연결된 다이오드를 포함할 수 있다. 스위칭부(630)가 오프 상태인 동안, 인덕터와 다이오드 사이의 폐루프(closed loop)로 스위칭부가 오프 상태가 된 시점에서의 소스 공진기(640)로 유입되는 전류를 환류(freewheeling) 시킬 수 있다. 또한, 전류 제어부(620)는 스위칭부(630)가 온 상태인 동안, 소스 공진기(640)로 환류된 전류를 공급할 수 있다. 이에 따라, 스위칭부(630)가 온 상태가 되면, 인덕터에 흐르고 있던 환류된 전류에 의해 소스 공진기의 인덕터에 더 빠른 속도로 전류가 충전될 수 있고, 충전 시간이 감소하게 되어 전원 공급부(610)의 입력 저항에서 소비되는 전력이 감소될 수 있다.
도 6b는 도 6a의 또 다른 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 6b를 참조하면, 무선 전력 전송 장치는 전원 공급부(661), 전류 제어부(650), 스위칭부(662), 소스 공진기(663) 및 제어부(664)를 포함한다.
전원 공급부(661)은 스위칭부(662)를 통하여 소스 공진기(663)에 전원을 공급한다.
제어부(664)는 소스 공진기(663)에 유입되는 전류의 양 및 미리 정해진 목표 전류의 양을 비교한 결과에 따라 스위칭부(662)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(664)는 소스 공진기(663)에 유입되는 전류의 양이 미리 정해진 목표 전류의 양보다 크거나 같을 경우, 스위칭부(662)를 오프 시킬 수 있다. 또한, 제어부(664)는 제어부(664)가 외부로부터 디지털 신호를 수신할 때, 스위칭부(662)에 온(on) 신호를 전송함으로써 스위칭부(662)를 온 시킬 수 있다.
전류 제어부(650)는 전원 공급부(661)와 스위치부(662) 사이에 위치하는 인덕터(651) 및 인덕터(651)와 병렬로 연결된 다이오드(652)를 포함할 수 있다. 전원 공급부(661)가 소스 공진기(664)에 전력을 공급하여, 소스 공진기(664)에 유입되는 전류의 양이 미리 정해진 목표 전류의 양과 동일해질 때, 제어부(664)는 스위칭부(662)를 오프 상태로 제어할 수 있다. 스위칭부(662)가 오프 상태가 되는 순간, 전류 제어부(650)의 인덕터(651)에는 미리 정해진 목표 전류의 양과 동일한 양의 전류가 흐를 수 있다. 이 경우, 인덕터(651)에 흐르는 전류는 인덕터(651)과 병렬로 연결된 다이오드(652)로 흐르게 되어, 인덕터(651)과 다이오드(652)사이의 폐루프(closed loop)에서 환류(freewheeling)하게 된다. 스위칭부(662)가 온 상태가 되면, 전원 제어부(650)는 인덕터(651)에 흐르던 환류된 전류를 소스 공진기(663)에 공급할 수 있다. 이에 따라, 소스 공진기(663)는 빠른 속도로 충전될 수 있고, 스위치부(662)가 빠른 속도로 오프 상태로 전환됨에 따라, 소비 전력은 감소될 수 있고, 에너지 충전 효율은 향상될 수 있다.
<하이브리드 방식에 따른 무선 전력 전송 장치>
도 7은 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치를 나타낸 블록도이다.
도 4a 내지 도 4c에서 설명한 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치(이하, 제1 무선 전력 전송 장치), 도 5a 및 도 5b에서 설명한 다른 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치(이하, 제2 무선 전력 전송 장치) 및 도 6a 및 도 6b에서 설명한 또 다른 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치(이하, 제3 무선 전력 전송 장치)는 독립적으로 구성될 수 있고, 조합되어 구성될 수도 있다. 예를 들어, 제1 무선 전력 전송 장치와 제2 무선 전력 전송 장치는 서로 조합될 수 있고, 제2 무선 전력 전송 장치와 제3 무선 전력 전송 장치는 서로 조합될 수 있다. 또한, 제1 무선 전력 전송 장치와 제3 무선 전력 전송 장치는 서로 조합될 수 있고, 제1 무선 전력 전송 장치, 제2 무선 전력 전송 장치 및 제3 무선 전력 전송 장치가 하나의 무선 전력 전송 장치로 조합될 수 있다.
도 7을 참조하면, 전원 공급부(710)은 소스 공진기(750)로 전력을 공급하고, 입력 저항을 포함할 수 있다.
전압 제어부(720)는 입력 저항에 인가되는 전압을 제어할 수 있다.
전류 제어부(730)는 스위칭부(740)의 동작에 따라 소스 공진기(750)로 유입되는 전류를 제어할 수 있다.
스위칭부(740)는 소스 공진기(750)와 전원 공급부(710)의 연결을 온(on)/오프(off) 할 수 있다.
소스 공진기(750)는 타겟 공진기와의 공진을 통하여 전력을 전송할 수 있다.
제어부(760)는 소스 공진기(750)로 유입되는 전류의 양에 따라 스위칭부(740)를 제어할 수 있다.
도 7에 도시된 일 실시예에 따른 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치에는 도 1 내지 도 6b를 통해 설명된 내용이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 내용은 생략한다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (17)

  1. 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    타겟 공진기와의 공진을 통하여 전력을 전송하는 소스 공진기;
    상기 소스 공진기로 전력을 공급하는 전원 공급부;
    상기 소스 공진기와 상기 전원 공급부의 연결을 온(on)/오프(off) 하는 제1 스위칭부; 및
    상기 소스 공진기로 유입되는 전류의 양에 따라 상기 제1 스위칭부를 제어하는 제어부
    를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 소스 공진기로 유입되는 전류의 양을 센싱하는 전류 센싱부
    를 더 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 센싱된 전류의 양이 미리 정해진 목표 전류의 양보다 크거나 같을 경우, 상기 제1 스위칭부를 오프 시키는 무선 전력 전송 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 센싱된 전류의 양이 미리 정해진 제1 임계 전류량보다 작거나 같을 경우, 상기 제1 스위칭부를 온 시키고,
    상기 센싱된 전류의 양이 미리 정해진 제2 임계 전류량보다 크거나 같을 경우, 제1 스위칭부를 오프 시키는 무선 전력 전송 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    입력 저항을 포함하고,
    상기 전류 센싱부는,
    상기 입력 저항에 인가되는 전압에 따라 상기 소스 공진기로 유입되는 전류의 양을 센싱하는 무선 전력 전송 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전류 센싱부는,
    상기 입력 저항에 인가되는 전압 및 미리 정해진 기준 전압 - 상기 미리 정해진 기준 전압은 상기 미리 정해진 목표 전류의 양과 대응됨 - 을 비교하는 비교기(comparator)
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 비교기의 비교 결과에 따라 상기 제1 스위칭부의 온/오프를 제어하는 무선 전력 전송 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 전류 센싱부는,
    상기 소스 공진기로 유입되는 전류의 미러(mirror)된 전류의 흐름을 제어하는 제2 스위칭부; 및
    상기 미러된 전류에 대응하는 전압과 미리 정해진 기준 전압 - 상기 미리 정해진 기준 전압은 상기 미리 정해진 목표 전류의 양과 대응됨 - 을 비교하는 비교기
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 비교기의 비교 결과에 따라 상기 제1 스위칭부의 온/오프를 제어하는 무선 전력 전송 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제1 스위칭부는,
    상기 전원 공급부와 상기 소스 공진기 사이에 위치하는 트랜지스터; 및
    상기 트랜지스터와 직렬로 연결된 다이오드
    를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 스위칭부는,
    상기 제1 스위칭부에 포함된 트랜지스터보다 사이즈가 작은 미러 트랜지스터
    를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  10. 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    타겟 공진기와의 공진을 통하여 전력을 전송하는 소스 공진기;
    상기 소스 공진기로 전력을 공급하는 전원 공급부 - 상기 전원 공급부는 입력 저항을 포함함 -;
    상기 소스 공진기와 상기 전원 공급부의 연결을 온(on)/오프(off) 하는 스위칭부; 및
    상기 입력 저항에 인가되는 전압을 제어하는 전압 제어부
    를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전압 제어부는,
    DC-DC 컨버터를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 소스 공진기에 유입되는 전류의 양 및 미리 정해진 목표 전류의 양을 비교한 결과에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 제어부
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 소스 공진기에 유입되는 전류의 양이 미리 정해진 목표 전류의 양보다 크거나 같을 경우, 상기 스위칭부를 오프 시키는 무선 전력 전송 장치.
  13. 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    타겟 공진기와의 공진을 통하여 전력을 전송하는 소스 공진기;
    상기 소스 공진기로 전력을 공급하는 전원 공급부;
    상기 소스 공진기와 상기 전원 공급부의 연결을 온(on)/오프(off) 하는 스위칭부; 및
    상기 스위칭부의 동작에 따라 상기 소스 공진기로 유입되는 전류를 제어하는 전류 제어부
    를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전류 제어부는,
    상기 전원 공급부와 상기 스위칭부 사이에 위치하는 인덕터 및 상기 인덕터와 병렬로 연결된 다이오드
    를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전류 제어부는,
    상기 스위칭부가 오프 상태인 동안, 상기 인덕터와 상기 다이오드 사이의 폐루프(closed loop)로 상기 스위칭부가 오프 상태가 된 시점에서의 상기 소스 공진기로 유입되는 전류를 환류(freewheeling)시키고,
    상기 스위칭부가 온 상태인 동안, 상기 소스 공진기로 상기 환류된 전류를 공급하는 무선 전력 전송 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 소스 공진기에 유입되는 전류의 양 및 미리 정해진 목표 전류의 양을 비교한 결과에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 제어부
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 소스 공진기에 유입되는 전류의 양이 미리 정해진 목표 전류의 양보다 크거나 같을 경우, 상기 스위칭부를 오프 시키는 무선 전력 전송 장치.
  17. 고효율 에너지 주입을 위한 무선 전력 전송 장치에 있어서,
    타겟 공진기와의 공진을 통하여 전력을 전송하는 소스 공진기;
    상기 소스 공진기로 전력을 공급하는 전원 공급부 - 상기 전원 공급부는 입력 저항을 포함함 -;
    상기 소스 공진기와 상기 전원 공급부의 연결을 온(on)/오프(off) 하는 스위칭부;
    상기 소스 공진기로 유입되는 전류의 양에 따라 상기 스위칭부를 제어하는 제어부;
    상기 입력 저항에 인가되는 전압을 제어하는 전압 제어부; 및
    상기 스위칭부의 동작에 따라 상기 소스 공진기로 유입되는 전류를 제어하는 전류 제어부
    를 포함하는 무선 전력 전송 장치.
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