KR20150052991A - 공진형 무선 전력 전송기의 수신장치 및 이를 구비하는 공진형 무선 전력 전송기 - Google Patents

공진형 무선 전력 전송기의 수신장치 및 이를 구비하는 공진형 무선 전력 전송기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 송신장치로부터 송신되는 교류 전원을 전달받고, 전달받은 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 공진형 무선 전력 전송기의 수신장치 및 이를 구비하는 공진형 무선 전력 전송기에 관한 것으로, 전력 전송 효율을 높일 수 있는 공진형 무선 전력 전송기를 제공하는데 있다. 본 발명에 따른 공진형 무선 전력 전송기의 수신장치는 송신장치로부터 송신되는 공명파를 수신하여, 교류 전원을 생성하는 수신부, 수신부로부터 교류 전원을 전달받아 복수의 스위칭 소자를 선택적으로 ON/OFF 시켜 교류 전원의 위상을 조절하여 직류 전원으로 변환시키는 스위칭부, 송신장치로부터 전달되는 전력신호의 주파수에 따라, 수신장치의 공진 주파수를 송신장치로부터 전달되는 전력신호의 주파수와 일치시키도록 스위칭 소자를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

공진형 무선 전력 전송기의 수신장치 및 이를 구비하는 공진형 무선 전력 전송기{Apparatus for receiving wireless power and wireless power transmission device having the same}
본 발명은 무선 전력 전송기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 송신장치로부터 송신되는 교류 전원을 전달받고, 전달받은 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력하는 공진형 무선 전력 전송기의 수신장치 및 이를 구비하는 공진형 무선 전력 전송기에 관한 것이다.
무선 전력은 공명현상을 통해 무선 전력 전송(wires power transmission; WPT) 장치로부터 무선 전력수신 장치로 전달되는 에너지를 의미한다.
무선 전력은 100W 이상의 전력을 소모하는 고 전력 응용(high power application)에서부터, 10W 이하의 전력을 소모하는 저전력 응용(low power application)에 이르기까지, 여러 가지 제품들이 연구되고 있다. 특히, 10W 급의 전력을 사용하는 무선 전력 응용이 모바일(mobile) 장치를 위해 널리 사용될 수 있다.
최근 IT 기술이 발전함에 따라 다양한 휴대용 전자제품이 출시되고 있으며, 이와 같이 다양한 휴대용 전자제품이 출시됨에 따라 사용자가 휴대하고 다니는 휴대 전자제품의 수량이 급증하고 있다.
그러나, 이와 같은 휴대용 전자제품은 내장된 2차 전지에 의해 전원이 공급되는데 이러한 2차 전지를 충전할 수 있는 다양한 방법들이 제시되고 있다. 특히, 최근에는 전선을 사용하지 않고, 전자기 공명방식을 이용하여 전력을 공급할 수 있는 무선전력전송기술에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
이와 같은 연구에 따라, 최근에는 전자기 공명 방식에 적용되는 공진기의 효율을 80% 이상으로 설계 가능하게 되었지만, 회로 부분의 효율이 낮아 전체 무선전력 송수신시스템의 전체 효율은 낮았다. 즉 종래의 무선전력전송방식에서는 전파정류 회로(Full Wave Rectifier)를 이용하여 무선 전송된 전력을 정류하였으나, 전자기 공명방식을 이용하기 위해서는 수십 kHz에서 수 MHz 사이에서 회로가 동작되어야 한다는 점에서, 종래의 일반적인 정류 회로로는 높은 전송 효율을 갖기 어려운 문제점이 있었다.
종래의 공진형 무선 전력 전송기의 정류 회로는 다이오드를 이용하여 정류를 수행하나, 다이오드의 경우 고주파 구동시 기생성분 즉, 기생 인덕터에 의하여 임피던스가 커지게 되고, 이로 인해 고주파 교류 입력 전압을 제대로 정류하지 못하게 된다. 특히 정류되지 못한 교류 성분은 손실로 발생하기 때문에 무선전력 송수신 시스템의 전체 효율도 떨어지게 된다는 문제점이 있었다.
또한, 공진형 무선 전력 전송기는 정류 회로의 출력단에 연결되는 부하가 최대 부하에서 최소 부하로 변화되는 경우, 기생 성분과 부하에 의해 특성 임피던스가 변화하여, 정류되는 전압의 크기 역시 변하게 된다는 문제점이 있었다. 즉 공진형 방식의 경우 부하가 작아지면 정류되는 전압이 커지게 된다는 점에서, 정류 회로 후단에 DC/DC 컨버터가 연결되는 경우, DC/DC 컨버터의 부담이 커지게 되어 더더욱 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 종래의 공진형 무선 전력 전송기의 수신부는 다이오드를 이용한 정류부와 출력전압을 일정하게 조정하는 DC-DC컨버팅 회로를 구비하기 때문에 구조가 복잡한 문제점이 있었다.
한국공개특허 제10-2013-0013396호(2013.02.06.)
따라서, 본 발명의 목적은 전력 전송 효율을 높일 수 있는 공진형 무선 전력 전송기를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 간단한 구조의 공진형 무선 전력 전송기의 수신부를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 송신장치로부터 송신되는 공명파를 수신하여, 교류 전원을 생성하는 수신부, 상기 수신부로부터 교류 전원을 전달받아 복수의 스위칭 소자를 선택적으로 ON/OFF 시켜 상기 교류 전원의 위상을 조절하여 직류 전원으로 변환시키는 스위칭부, 상기 송신장치로부터 전달되는 전력신호의 주파수에 따라, 상기 수신장치의 공진 주파수를 상기 송신장치로부터 전달되는 전력신호의 주파수와 일치시키도록 상기 스위칭 소자를 제어하는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따른 공진형 무선 전력 전송기의 수신장치에 있어서, 상기 스위칭부는 제1 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자, 상기 제1 스위칭 소자 내지 상기 제4 스위칭 소자와 각각 병렬로 연결된 다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 공진형 무선 전력 전송기의 수신장치에 있어서, 상기 제1 스위칭 소자 내지 상기 제4 스위칭 소자는 H-브리지 형태로 형성되어, 상기 수신부와 병렬 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공진형 무선 전력 전송기의 수신장치에 있어서, 상기 스위칭 소자로는 MOSFET을 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 공진형 무선 전력 전송기의 수신장치에 있어서, 상기 스위칭부는 상기 스위칭 소자와 연결되어, 상기 출력되는 직류 전원을 평활하여 출력 측으로 전달하는 출력 측 커패시터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 상기 공진형 무선 전력 전송기의 수신장치를 구비하는 공진형 무선 전력 전송기에 있어서, 입력 전원을 공명파로 변환하여 송신하는 송신장치, 상기 송신장치로부터 송신된 교류 전원을 전달받고, 상기 교류 전원을 직류전력으로 변환하고, 상기 송신장치로부터 전달되는 전력신호의 주파수에 따라, 공진 주파수를 상기 송신장치로부터 전달되는 전력신호의 주파수와 일치시키 출력하는 수신장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 무선 전력 전송기.
본 발명에 따른 공진형 무선 전력 전송기는 복수의 스위칭 소자를 구비하여, 복수의 스위칭 소자를 선택적으로 ON/OFF 시켜 수신장치로 전력을 전달하는 과정에서 수신장치의 공진 주파수를 조절하여 송신장치의 전력신호 주파수와 일치시킴으로써 전력 전송 효율을 높일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 공진형 무선 전력 전송기는 복수의 스위칭 소자를 구비하여, 교류 전원을 직류 전원으로 변환시킴으로써 종래의 다이오드와 DC-DC컨버팅 회로로 구성된 수신부에 비해 구조가 간단하여 효율을 높일 수 있다.
도 1는 본 발명의 실시예에 따른 공진형 무선 전력 전송기의 수신부가 직렬 공진 회로로 구성된 공진형 무선 전력 전송기의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공진형 무선 전력 전송기의 수신부가 병렬 공진 회로로 구성된 공진형 무선 전력 전송기의 회로도이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따른 공진형 무선 전력 전송기의 수신부의 스위칭부가 커패시터 역할을 하도록 구성된 공진형 무선 전력 전송기의 회로도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공진형 무선 전력 전송기의 스위칭 소자의 ON/OFF에 따른 A-B단에서의 전압에 따른 스위칭 소자 동작의 예시도이다.
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 공진형 무선 전력 전송기의 A-B단에서의 제어부의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 공진형 무선 전력 전송기(100)를 상세하게 설명한다.
도 1는 본 발명의 실시예에 따른 공진형 무선 전력 전송기의 수신부가 직렬 공진 회로로 구성된 공진형 무선 전력 전송기의 회로도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공진형 무선 전력 전송기의 수신부가 병렬 공진 회로로 구성된 공진형 무선 전력 전송기의 회로도이고, 도 3는 본 발명의 실시예에 따른 공진형 무선 전력 전송기의 수신부의 스위칭부가 커패시터 역할을 하도록 구성된 공진형 무선 전력 전송기의 회로도이다.
도 1 내지 도 3를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 공진형 무선 전력 전송기(100)는 송신장치(10) 및 수신장치(20)를 포함한다.
송신장치(10)는 전원을 공명파로 변환하여 송신할 수 있다. 송신장치(10)는 전원변환부(11) 및 송신부(12)를 포함할 수 있다.
전압변환부(11)는 외부에서 공급되는 전원을 입력받아 송신장치(11) 내의 각 구성에 필요한 전압으로 입력된 전원을 변환하고, 변환된 전원을 각각 공급할 수 있다.
송신부(12)는 공급된 전원을 공명파로 변환하여 수신장치(20)에 송신한다. 여기서 공명파는 특정 공진 주파수를 갖는 전자기파를 의미하며, 수십 kHz 내지 10MHz의 공진 주파수를 가질 수 있다. 즉 송신부(12)는 인덕터(L)와 커패시터(C)로 구성된 특정 공진 주파수를 갖는 공진 회로이다. 송신부(12)는 전압변환부(11)에서 공급된 전원을 통해 액티베이션(activation)되고, 송신부(12)는 수신장치(20)의 수신부(21)가 공진을 일으킬 수 있도록 특정 공진 주파수를 가지는 공명파를 생성할 수 있다. 수신부(21)는 송신부(12)에 의해 생성된 공명파를 통해 무선으로 전력을 공급받을 수 있다.
수신장치(20)는 송신장치(10)로부터 송신되는 공명파를 수신하여, 교류 전원을 생성 하고, 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다. 수신장치(20)는 수신부(21), 스위칭부(22) 및 제어부(23)를 포함한다.
수신부(21)는 외부에서 송신된 공명파를 수신한다. 또한 수신부(21)는 인덕터(L)와 커패시터(C)로 구성된 특정 공진 주파수를 갖는 공진 회로이다. 즉 수신부(21)는 송신장치(10)에서 생성된 공명파를 수신하여 교류 전원을 생성할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 수신부(21)는 커패시터와 인덕터가 직렬로 연결된 직렬 공진 회로로 구성되어 있으나, 이에 한정된 것은 아니고, 도 2에 도시된 바와 같이 커패시터와 인덕터가 병렬로 연결된 병렬 공진 회로로 구성되거나, 도 3에 도시된 바와 같이 후술할 스위칭부(22)가 커패시터의 역할을 할 수 있도록 구성될 수 있다.
스위칭부(22)는 구비된 복수의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)를 선택적으로 턴 온 또는 턴 오프시키면서 수신부(21)를 통해 인가된 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 출력할 수 있다. 또한, 스위칭부(22)는 제1 스위칭 소자(Q1), 제2 스위칭 소자(Q2), 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭소자(Q4)를 포함하고, 제1 스위칭 소자(Q1) 내지 제4 스위칭 소자(Q4)는 H-브리지 형태로 형성되며, 수신부(21)와 병렬로 연결된다. 즉, 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)들은 MOSFET으로써 출력 측에 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)의 드레인(drain)이 접속되고, 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)의 소스(source)가 제3 스위칭소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)의 드레인에 각각 접속되어 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭소자(Q4)의 소스가 출력 측에 접속된다. 그리고 제1 스위칭 소자(Q1) 및 제2 스위칭 소자(Q2)의 소스와 제3 스위칭 소자(Q3) 및 제4 스위칭 소자(Q4)의 드레인의 접속점들이 수신부(21)와 접속된다. 본 발명의 실시예에 따른 스위칭 소자로는 MOSFET을 사용하고 있지만 이에 한정된 것은 아니고, 트렌지스터, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)등 다양한 스위칭 소자들을 사용할 수 있다. 즉 제1 스위칭 소자(Q1)와 제3 스위칭 소자(Q3)가 직렬 접속되되, 제1 스위칭 소자(Q1)와 제3 스위칭 소자(Q3) 간의 일측인 A단이 수신부(21)에 병렬 접속된다. 또한, 제2 스위칭 소자(Q2)와 제4 스위칭 소자(Q4)가 직렬 접속되되, 제2 스위칭 소자(Q2)와 제4 스위칭 소자(Q4)간의 타측인 B단이 수신부(21)에 병렬 접속된다. 또한, 제1 스위칭 소자(Q1) 내지 제4 스위칭 소자(Q4)는 각각 병렬로 연결된 다이오드를 포함한다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 공진형 무선 전력 전송기(100)는 복수의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)를 구비하여, 교류 전원을 직류 전원으로 변환시킴으로써 종래의 다이오드와 DC-DC컨버팅 회로로 구성된 수신부에 비해 구조가 간단하여 효율을 높일 수 있다.
제어부(23)는 송신장치(10)로부터 전달되는 전력신호의 주파수에 따라, 수신장치(10)의 공진 주파수를 송신장치(10)로부터 전달되는 전력신호의 주파수와 일치시키도록 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)를 제어하여 수신장치(10)의 공진 주파수를 조절한다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 수신장치(10)는 스위칭부(22)와 병렬 연결되어, 스위칭부(22)로부터 출력되는 직류 전원을 평활하여 출력 측으로 전달하는 출력 측 커패시터(24)를 더 포함할 수 있다.
이하 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 공진형 무선 전력 전송기(100)의 복수의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)의 동작에 대해서 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공진형 무선 전력 전송기(100)의 스위칭 소자의 ON/OFF에 따른 A-B단에서의 전압에 따른 스위칭 소자 동작의 예시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제어부(23)는 복수의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)를 ON/OFF 시킴으로써 수신부(21)의 공진 주파수를 조절할 수 있다. 즉 제어부(23)는 제1 스위칭 소자(Q1)와 제4 스위칭 소자(Q4)를 ON 시키고 제2 스위칭 소자(Q2)와 제3 스위칭 소자(Q3)를 OFF 시킴으로써 플러스(+) 전압을 발생시키고, 제2 스위칭 소자(Q2)와 제3 스위칭 소자(Q3)를 ON 시키고 제1 스위칭 소자(Q1)와 제4 스위칭 소자(Q4)를 OFF 시킴으로써 마이너스(-) 전압을 발생시킬 수 있다. 또한 제1 스위칭 소자(Q1) 또는 제2 스위칭 소자(Q2)를 ON 시키고 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)를 OFF 시키거나, 제3 스위칭 소자(Q3)와 제4 스위칭 소자(Q4)를 ON 시키고 제1 스위칭 소자(Q1) 또는 제2 스위칭 소자(Q2)를 OFF 시킴으로써 전압을 0으로 발생시킬 수 있다. 이와 같이 제어부(23)는 제1 스위칭 소자(Q1) 내지 제4 스위칭 소자(Q4)를 제어하여 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)와 병렬로 연결되는 다이오드에 의해 원하는 직류 전압으로 생성할 수 있다.
이하 도 5을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 공진형 무선 전력 전송기(100)의 제어부(23)의 동작을 상세히 설명한다.
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 공진형 무선 전력 전송기(100)의 A-B단에서의 제어부(23)의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 제어부(23)는 복수의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3, Q4)를 제어함으로써, 수신부(21)로부터 인가되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환시키고, 위상을 진상시키거나 지상시킬 수 있다. 예컨데 전류 측면으로 보았을때, 제어부(23)는 수신부(21)로부터 Iin과 같은 전류값의 파형이 인가되게 되면 상술한 바와 같이 제1 스위치 소자(Q1) 내지 제4 스위치 소자(Q4)를 제어하여 직류 전원을 얻을 수 있고, 제1 스위치 소자(Q1) 내지 제4 스위치 소자(Q4)를 입력되는 교류 전류보다 진상된 형태가 되도록 제어하여 위상이 진상된 전압값의 파형을 생성하거나, 제1 스위치 소자(Q1) 내지 제4 스위치 소자(Q4)를 입력되는 교류 전류보다 지상된 형태로 제어하여 위상이 지상된 전압값의 파형을 생성할 수 있다.
이에 따라 제어부(23)는 전압값의 파형의 위상을 변화시킴으로써 수신장치(20)의 공진 주파수를 조절할 수 있다. 즉 전압값의 파형의 위상을 변화시킴으로써 커패시터(C) 또는 인덕터(L)의 값을 조절하여 하기의 수학식 1에 따른 수신장치(20)의 공진 주파수를 조절할 수 있다.
Figure pat00001
일반적으로 공진형 무선 전력 전송기(100)는 송신장치(10)에서 전달되는 전력신호의 주파수와 수신장치(20)의 공진 주파수가 일치할 경우 최대의 전력을 출력할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 공진형 무선 전력 전송기(100)는 송신장치(10)에서 수신장치(20)로 전력을 전달하는 과정에서 수신장치(10)의 공진 주파수를 미세 조절하여 송신장치(10)의 전력신호 주파수와 일치시킴으로써 전력 전송 효율을 높일 수 있다.
한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 송신장치 11 : 전원변환부
12 : 송신부 20 : 수신장치
21 : 수신부 22 : 스위칭부
23 : 제어부 24 : 출력 측 커패시터
100 : 공진형 무선 전력 전송기

Claims (6)

  1. 송신장치로부터 송신되는 공명파를 수신하여, 교류 전원을 생성하는 수신부;
    상기 수신부로부터 교류 전원을 전달받아 복수의 스위칭 소자를 선택적으로 ON/OFF 시켜 상기 교류 전원의 위상을 조절하여 직류 전원으로 변환시키는 스위칭부;
    상기 송신장치로부터 전달되는 전력신호의 주파수에 따라, 상기 수신장치의 공진 주파수를 상기 송신장치로부터 전달되는 전력신호의 주파수와 일치시키도록 상기 스위칭 소자를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 무선 전력 전송기의 수신장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 스위칭부는,
    제1 스위칭 소자, 제2 스위칭 소자, 제3 스위칭 소자 및 제4 스위칭 소자;
    상기 제1 스위칭 소자 내지 상기 제4 스위칭 소자와 각각 병렬로 연결된 다이오드;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 무선 전력 전송기의 수신장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 스위칭 소자 내지 상기 제4 스위칭 소자는 H-브리지 형태로 형성되어, 상기 수신부와 병렬 연결되는 것을 특징으로 하는 공진형 무선 전력 전송기의 수신장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 스위칭 소자로는 MOSFET을 사용하는 것을 특징으로 하는 공진형 무선 전력 전송기의 수신장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 스위칭부는 상기 스위칭 소자와 연결되어, 상기 출력되는 직류 전원을 평활하여 출력 측으로 전달하는 출력 측 커패시터;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 무선 전력 전송기의 수신장치.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 따른 상기 수신장치;
    입력 전원을 공명파로 변환하여 상기 수신장치로 송신하는 송신장치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 공진형 무선 전력 전송기.
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