KR20150076001A - 전계 결합형 무선 충전장치 - Google Patents

전계 결합형 무선 충전장치 Download PDF

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/05—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using capacitive coupling

Abstract

본 발명은 전계 결합형 무선 충전장치에 관한 것으로서, 소정 이격되는 송신부 및 수신부에 소정 권선비를 가지는 매칭 변압기를 각각 제공하는 개선된 회로 구성을 제공하고 있다. 이에 따라 본 발명은 스위치 구동시 영전압 스위칭(ZVS : Zero voltage switching) 조건을 만족하면서도 확보 가능한 수준의 낮은 AC- 링크 캐퍼시턴스 값만으로도 전기장을 이용하여 무선으로 전력을 전송할 수 있는 이점이 있다.

Description

전계 결합형 무선 충전장치{Capacitively coupled Wireless Charging Apparatus}
본 발명은 무선 충전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 AC-링크 캐패시터의 낮은 정전용량을 감안하면서도 스위치 소자의 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching) 조건을 만족하면서 모바일 기기의 배터리 충전이 충분히 가능하도록 한 전계 결합형 무선 충전장치에 관한 것이다.
주지된 바와 같이 전자기기를 충전함에 있어서 그 충전방식에는 접촉 충전방식 및 비접촉 충전방식이 사용되고 있다. 그 중 접촉 충전 방식은 송수신 전극을 직접 접촉시켜서 충전을 수행하는 방식이다. 이러한 방식은 현재까지 대부분의 전자기기를 충전하는 충전방식으로 이용되고 있다.
그러나 접촉 충전방식은 송수신 전극 상호 간의 접촉 불량 등의 이유로 인하여 충전 불량을 일으키는 등의 문제가 발생하고 있다.
이에 따라 최근에는 무선으로 전력을 전송하여 충전하는 비접촉 충전방식이 활발하게 연구되고 있다. 이러한 비접촉 충전방식은 최근 모바일 기기를 편리하게 충전할 수 있다는 점이 부각되면서 이를 이용한 충전장치가 일부 제품화되고 있다.
현재 비접촉 충전방식에는 자계 결합(Inductive Coupling) 방식과 전계 결합(Capacitive coupling) 방식이 있다. 그 중 자계 결합방식은 와이어리스 파워 컨소시움(WPC : Wireless Power Consortium)에서 제안한 Qi 규격이 대표적이다. 상기 방식은 전자기 유도 원리에 이용하는 것이고, 이는 도 1에 도시되어 있다.
도 1을 보면 송신코일(1)에 공급되는 전류에 의해 송신 코일(1)에 자기장이 형성되고 그 형성된 자기장을 공유하는 수신 코일(2)에 유도 기전력이 형성됨으로써, 에너지 전송이 일어남을 알 수 있다. 그런데 상기 자기장은 송신코일(1)과 수신코일(2) 주위뿐만 아니라 수신회로(3)에 위치한 PCB 회로에도 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.
이처럼 상기 자기장 경로에 수신회로(3)가 노출되기 때문에 EMI(Electro magnetic interference) 차폐물이 필요하다. 통상 차폐물은 일정한 두께 이상으로 제작되어야 하기 때문에 결국 수신회로(3)의 사이즈가 증대된다. 또한 송신 코일(1)과 수신 코일(2) 사이 또는 바로 인접한 곳에 금속물이 존재할 때 와류(Eddy current) 발생에 따른 자기장의 감소로 전송효율이 떨어지는 등 전반적으로 금속물과의 간섭이 심한 문제도 있다. 나아가 수신코일(2) 구조의 형상 제조가 어렵고 박형화가 용이하지 않다는 문제도 있다.
반면, 비접촉 충전방식 중 전계 결합방식은 상기 자계 결합방식이 가지는 여러 문제점을 해결하고 있다. 즉, 상기 전계 결합방식은 도 2에 도시된 바와 같이 송신 전극(5)에서 수신 전극(6) 사이의 전기장이 개루프 특성을 제공하기 때문에 상기 자계 결합방식에 비해 전자파 규제나 인체 유해성, EMI 특성 등에서 유리한 점이 있다. 또한 금속물과의 간섭이 상대적으로 적으며, 평판형의 도체판을 전극으로 사용할 수 있어 전극 구조를 간단하게 할 수 있다. 따라서 근래에는 상기 전계 결합방식에 대한 연구가 더 활발하게 진행되고 있는 실정이다.
그렇지만 상기 전계 결합방식은 송수신부의 접점에 구성할 수 있는 AC-링크 커패시턴스 값을 많이 확보할 수 없다는 문제점이 있다. 즉 송수신부를 매개하는 AC- 링크를 구성하는 송수신 전극 쌍의 정전용량을 확보하는데 한계가 있는 것이다. 예를 들어, 송신 전극(5)과 수신 전극(6)의 각각의 크기가 10cm*10cm로 설계하고, 그 사이에는 유전체로 PVC 투명 필름이 사용된다면, 상기 PVC의 비유전율 εr=3을 고려할 때 캐패시턴스 값은 약 531pF의 매우 낮은 값을 가지게 된다.
이처럼 높은 정전용량을 확보하지 못하게 되면 공진 회로에서 지나친 공진 양호도(Quality factor)를 유발하여 부하변동에 따른 민감도가 커지고, 따라서 무선 충전장치의 제어를 어렵게 만드는 문제가 있다.
대한민국 특허공개 2012-0028223호 (2012. 03. 22.)
따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 확보 가능한 수준의 낮은 AC-링크 캐패시턴스 값을 사용하더라도 모바일 기기의 배터리 충전이 충분히 가능하도록 한 전계 결합형 무선 충전장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 송신부; 상기 송신부에서 공급된 AC 전압을 전계 결합방식에 의해 무선 전송하도록 한 쌍(pair)으로 구성되는 링크 캐패시터; 및 상기 링크 캐패시터를 통해 전송되는 상기 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 부하로 전달하는 수신부를 포함하는 전계 결합형 무선 충전장치가 제공된다.
상기 송신부는, 스위치의 고주파 개폐 구동에 따라 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 송신회로, 상기 송신회로와 연결되며 임피던스 변환을 위해 소정 권선비를 가지는 제1 변압기, 상기 제1 변압기에 의해 변압된 AC 전압을 상기 링크 캐패시터에 전달하는 송신 전극을 포함한다.
상기 제1 변압기의 권선비는 1: N1이고, 상기 N1은 공진 회로 값을 최적화하도록 설계된다.
상기 수신부는, 상기 링크 캐패시터를 통해 전송되는 AC 전압을 전달받는 수신 전극, 상기 수신 전극과 연결되며 상기 송신회로의 스위치 동작시 영전압 스위칭(ZVS : Zero voltage switching) 조건을 만족하는 공진 양호도(QL) 값을 위하여 소정 권선비를 가지는 제2 변압기, 상기 제2 변압기로부터 전달되는 AC 전압을 정류 및 DC 전압으로 변환하는 수신회로를 포함한다.
상기 제2 변압기의 권선비는 N2 :1이고, 상기 N2는 상기 공진 양호도(QL) 값을 조정하기 위해 설계된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 일정 레벨을 공급하는 입력 전원단(Vg)에 연결되는 스위치(SW), 상기 스위치(SW)와 병렬로 연결되는 병렬 다이오드(D) 및 병렬 캐패시터(Cp), 상기 입력 전원단(Vg)과 상기 스위치(SW) 사이에 직렬 연결된 제1 코일(Ldc), 상기 병렬 캐패시터(Cp)의 일단에 연결되는 제2 코일(Ls)을 포함하면서 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 송신회로와, 일단은 상기 제2 코일(Ls)과 연결되어 임피던스 매칭을 위해 1: N1 권선비를 가지는 제1 변압기와, 상기 제1 변압기와 연결되며 상기 AC 전압을 무선 전송하는 송신 전극을 포함하는 송신부; 상기 송신 전극으로부터 상기 AC 전압을 전송받는 수신 전극과, 상기 수신 전극과 연결되며 상기 송신회로의 영전압 스위칭(ZVS : Zero voltage switching) 조건을 만족하도록 N2 : 1 권선비를 가지는 제2 변압기와, 상기 AC 전압의 정류/변환 기능을 수행하는 수신회로를 포함하는 수신부; 및 상기 송신부와 상기 수신부 사이에 전계 결합 방식으로 전력을 전송하는 1쌍의 링크 캐패시터를 포함하는 전계 결합형 무선 충전장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 브릿지(bridge) 회로가 구성된 송신부; 상기 송신부에 제공되며 1: N1 권선비를 가지는 제1 변압기; 정류회로가 구성된 수신부;상기 수신부에 제공되며 N2 : 1 권선비를 가지는 제2 변압기; 및 상기 송신부와 상기 수신부 사이에 전계 결합 방식으로 전력을 전송하는 1쌍의 링크 캐패시터를 포함하는 전계 결합형 무선 충전장치가 제공된다.
이와 같은 본 발명에 따른 전계 결합형 무선 충전장치는 다음과 같은 효과가 있다.
먼저 본 발명은 2개의 매칭 변압기를 포함하여 회로 설계를 개선한 전계 결합형 무선 충전장치를 제공하고 있다. 이에 따라 충분히 큰 AC- 링크 캐퍼시턴스 값 대신 확보 가능한 수준의 낮은 AC 링크 캐퍼시턴스 값만으로도 소정 용량의 모바일 기기의 배터리를 충분하게 무선 충전할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 개선된 전계 결합형 무선 충전장치는 송신회로의 스위치 동작시 영전압 스위칭(ZVS) 조건을 만족하기 때문에, 회로의 스위칭 손실을 줄여 고효율 고주파 구동이 가능함에 따라 송신 회로의 크기를 더욱 작게 설계할 수 있고, 스위칭에 따른 노이즈를 억제하는 효과도 있다.
도 1은 일반적인 비접촉 충전방식 중 자계 결합방식을 설명한 예시도
도 2는 일반적인 비접촉 충전방식 중 전계 결합방식을 설명한 예시도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전계 결합형 무선 충전장치의 구성도
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전계 결합형 무선 충전장치를 나타낸 회로도
도 5의 (a) 내지 (d)는 도 4의 전계 결합형 무선 충전장치의 시뮬레이션 파형도로서, (a)는 게이트 구동파형, (b)는 스위치 양단 전압인 드레인 소스 전압, (c)는 스위치에 병렬로 연결된 다이오드 D에 흐르는 전류 및 병렬 캐패시터 Cp에 흐르는 전류, (d)는 최종 부하 양단에 걸리는 출력 DC 전압을 보인 시뮬레이션 파형도
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 공진형 하프브릿지 송신부와 전파정류회로가 포함되어 구성되는 전계 결합형 무선 충전장치를 보인 회로도
본 발명은 전계 결합 방식의 비접촉 충전방식에서 송신 전극과 수신 전극으로 확보할 수 있는 면적의 제약과 이격물질의 유전계수의 실제적인 한계 때문에 에너지 전달에 활용할 수 있는 AC-링크 캐패시턴스 값이 매우 작은 문제를 해결하고자 회로 설계방식을 개선하여 낮은 수준의 AC-링크 캐패시턴스 값으로도 무선 충전이 가능하도록 하는 것을 기본적인 기술적 요지로 한다.
이하 본 발명에 의한 전계 결합형 무선 충전장치의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전계 결합형 무선 충전장치의 구성도이다. 도 3을 보면, 전계 결합형 무선 충전장치(100)는, 송신부(110), 링크 캐패시터(120) 및 수신부(130)를 포함한다. 그리고 송신부(110), 링크 캐패시터(120), 수신부(130)의 각 구성에 대해서는 도 4를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전계 결합형 무선 충전장치의 회로 구성도이다.
우선 송신부(110)의 구성에 대해 살펴본다.
송신부(110)는 송신회로(112), 제1 변압기(114) 및 송신 전극(116)을 포함한다.
송신 회로(112)는 입력 DC 전압을 공급하는 전원단(Vg)과 제1 코일(Ldc)를 통해 스위치 SW가 연결된다. 상기 스위치 SW는 PWM 게이트 펄스로 구동되는 MOSFET나 IGBT 등의 스위치 소자이고, 상기 스위치 소자 내부에는 역방향 다이오드(D)가 병렬로 구성된다. 그러나 상기 역방향 다이오드(D)가 없는 경우에는 추가적으로 다이오드를 병렬 연결한다. 그리고 스위치 SW에는 병렬로 병렬 캐패시터(Cp)를 연결한다. 상기 병렬 캐패시터(Cp)는 상기 스위치 SW의 소프트 스위칭을 위한 것이다. 또한 송신부(110)에는 병렬 캐패시터(Cp)와 제1 변압기(114) 사이에 제2 코일(Ls)이 연결된다. 여기서 제1 코일(Ldc)은 DC 전류를 공급하기 위한 초크 코일이고, 제2 코일(Ls)은 캐패시터 공진을 위한 코일이다.
제1 변압기(114)는 제2 코일(Ls)의 크기가 지나치게 커지는 것을 막고, 공진 주파수가 불필요하게 높은 값으로 설계되는 것을 억제하기 위한 것으로서, 상기 제2 코일(Ls)과 송신 전극(116) 사이에 연결되며, 임피던스 변환용 권선비는 1:N1이다. 상기 권선비는 1:N1에 대해서는 후술하여 설명한다.
송신 전극(116)은 전력의 무선 전송을 위한 소자로서, 통상 전도체 재질로 이루어진 소정 두께의 평판형으로 형성된 한 쌍의 도체판이 사용된다.
다음 수신부(130) 구성에 대해 설명한다.
수신부(130)는 수신 전극(132), 제2 변압기(134) 및 수신회로(136)를 포함한다.
수신 전극(132)은 상술한 송신 전극과 같이 전도체 재질로 이루어진 소정 두께의 평판형으로 형성된 한 쌍의 도체판이 사용된다.
제2 변압기(134)는 송신회로(112)의 영전압 스위칭(ZVS) 조건을 만족하는 공진 양호도 QL값을 보장하기 위한 변압기로서, 임피던스 변압용 권선비는 N2:1이다. 상기 권선비는 N2:1에 대해서는 후술하여 설명한다.
수신회로(136)에는 제1 내지 제4 정류 다이오드로 이루어진 정류부와, 캐패시터 필터(Co)가 구성된다.
또한 수신부(130)의 출력 DC 부하로 RL이 캐패시터 필터(Co)에 병렬로 연결되어 있다.
한편, 링크 캐패시터(120)는 송신부(110)와 수신부(130)의 물리적인 분리 구간에서 에너지 전송을 위해 형성되는 전계 결합용 AC-링크 캐패시터 성분을 말하며, 도시된 바와 같이 전류 회수 경로의 필요성 때문에 송신 전극(116)과 수신 전극(132) 사이에 총 2개(Clink1)(Clink2)가 구성된다.
이와 같은 링크 캐패시터(120) 값이 각각 Clink1과 Clink2라면, 공진에 참여하는 유효 캐패시턴스 Ceq 값은 일반적으로 두 캐패시터의 병렬 연결 값인 다음 수학식 1에 의해 주어진다.
Figure pat00001
여기서 만일 송신부(110)와 수신부(130)의 상호 간이 정렬된 상태임을 가정하면, 상기 Clink1과 Clink2 값이 서로 값으므로 유효 캐패시턴스 Ceq 값은 개별 링크 캐패시터 값의 1/2로 계산될 것이다.
한편 송신 전극(116)과 수신 전극(132) 사이에는 유전체로 PVC 투명 필름(미도시)이 사용되었고, 전극들(116)(132) 사이의 이격 거리는 0.5mm로 설계되었다. 또한 송신 전극(116)과 수신 전극(132)은 그 크기를 10cm*10cm로 하였다. 이 경우 상기 PVC의 비유전율 εr= 3을 고려할 때 캐패시턴스 값은 약 531pF의 이론치가 계산된다. 실제로 캐패시턴스 값을 측정하면 100kHz 동작 주파수에서 430pF이 측정되었고, 이때 손실 계수는 0.0165로 측정되는바, 본 실시 예에서는 상기 측정된 430pF 값을 사용할 것이다.
이어서는 상기 회로에 사용되는 제1 코일(Ldc) 및 제2 코일(Ls)의 인덕턴스 값과, 병렬 캐패시터(Cp)의 캐패시턴스 값, 제1 변압기(114)의 권선비 N1 및 제2 변압기(134)의 권선비 N2의 값에 대해 알아본다.
우선, 도 4의 회로가 듀티비 0.5(50%)를 가정할 때 상기 스위치(SW)의 영전압 스위칭(ZVS) 조건을 만족하는 매칭 부하 임피던스는 다음 수학식 2임을 전제로 한다.
Figure pat00002
여기서, PRi 는 부하에 공급하고자 하는 전력이고, Vi는 입력 DC 전압이고, Ri는 입력 DC 전압에서 바라볼 때의 전체 회로의 등가 입력 임피던스를 말한다. 이때 공진 양호도 QL값을 통산 5 정도의 충분히 큰 값으로 설계한다고 가정하면, 상기 값들은 다음의 수학식 3 내지 수학식 6과 같다. 이들 수학식에 기재된 f는 동작 주파수를 말하고, CS는 상기 유효 캐패시턴스 Ceq 값을 스위치 SW 쪽인 제1 변압기(114)의 1차 측에서 바라본 등가 캐패시턴스 값을 말한다.
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
한편, 본 실시 예에 따른 회로 구성에서는 정류부의 제1 내지 제4 정류 다이오드에 의해 출력전압의 위상은 공진 탱크로서 동작하는 상기 링크 캐피시터(120)의 전류 위상과 동일하기 때문에 상기 수신부(130)의 부하는 AC 등가 저항으로 모델링 할 수 있다.
이에 등가 AC 임피던스 Rac는 부하의 등가 저항 RL에 대해 다음 수학식 7로 표현할 수 있다.
Figure pat00007
그리고 상기 링크 캐패시터(120)를 구성하는 유효 AC- 링크 캐패시턴스를 Ceq 라고 하면 도 4에 구성된 제1 변압기(114) 및 제2 변압기(134)의 권선비는 다음 수학식 8 및 수학식 9와 같다.
Figure pat00008
이와 같이 전계 결합형 에너지 전송에 적합한 매칭 변압기로서 제1 변압기(114) 및 제2 변압기(134)를 송신부(110) 및 수신부(130)에 각각 제공하면, 전계 결합형 비접촉 충전방식회로에서 AC-링크 커패시턴스 값을 크게 확보할 수 없게 되더라도 전력을 무선 전송하여 소정 용량, 예컨대 2.5W급 모바일 기기의 배터리를 충분히 충전할 수 있게 된다.
이는 본 실시 예에 따른 전계 결합형 무선 충전장치를 시뮬레이션 한 결과를 통해 확인할 수 있고, 도 5를 통해 쉽게 알 수 있다. 이때 시뮬레이션에 사용되는 충전 부하는 2.5W급 모바일 기기를 사용하였다.
시뮬레이션에 사용되는 도 4의 전계 결합형 무선 충전장치의 설계 사양은 다음과 같다.
입력전압 Vg는 12V를 공급하고, 최종 부하는 배터리 충전을 하는 충전 회로로서 5V/500mA를 부하에 공급하는 것으로 가정하였다. 이에 등가 부하저항은 10Ω이고 2.5W 모바일 기기이다.
그리고 게이트 구동회로의 동작 주파수는 200kHz, 듀티비는 0.5로 하였으며, 개별 AC- 링크 캐패시턴스(Clink1)(Clink2)의 캐패시턴스 값은 상술한 바 있는 430pF의 측정값을 동일하게 사용하고, 공진 양호도(QL)는 5로 가정하였다.
그 결과 상기 수학식 1 내지 수학식 9를 통해, Ri=33.2Ω, Ls=132uH, Cp=4.4nF, Ldc=1.2mH, N1=5.4, N2=10.9를 산출할 수 있다.
이러한 값들을 이용하여 시뮬레이션 한 결과, 출력전압은 5.4V를 얻었을 있었나. 그러나 이 경우 스위치 SW가 닫힐 때 상기 스위치 SW의 양단 전압이 약 2V 정도 상승하는 문제가 있음이 확인되었다.
따라서 시뮬레이션에서는 그 동작 주파수를 약간 상향 이동하여 수행하였다. 즉 동작 주파수를 204kHz로 조정하였다.
그 결과, 도 5의 (a) 내지 (c)와 같이 완전한 영전압 스위칭 파형을 얻게 되었다. 즉 도 5의 (a)와 같이 스위치 SW의 게이트 펄스가 상승하는 순간에 도 5의 (b)의 드레인 소스 전압을 보면 0V로서 영전압 스위칭이 이루어지고 있다. 아울러 도 5의 (c)와 같이 다이오드 전류(I(D))도 0(zero)이 되기 때문에 다이오드에 대하여서는 영전류 스위칭도 동시에 이루어짐을 알 수 있다. 이때 출력 전압은 도 5의 (d)와 같이 약 4.5V가 출력되었다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 전계 결합형 무선 충전장치에 2개의 매칭 변압기를 더 구성하여 회로 구조를 개선함으로써, 스위치 구동시 영전압 스위칭(ZVS : Zero voltage switching) 조건을 만족하면서도 부하인 2.5W급 모바일 기기의 배터리에 전력이 전달되는 것이 확인되었다.
한편, 본 발명은 도 4와 같이 회로와 다른 송신회로 구조, 예를 들면 2개 또는 4개의 스위치를 가지는 브릿지(Bridge) 구조와 같은 곳에도 적용할 수 있을 것이다. 즉 본 실시 예가 설명하고 있는 2개의 매칭 변압기를 이용한 구조 개선 방법을 도 6과 같이 하프 브릿지(Half-bridge)형 송신회로에 적용할 수 있다. 도 6의 송신회로를 적용하더라도 도 4의 전계 결합형 무선 충전장치가 제공하는 효과와 동일하다. 즉 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따라 공진형 하프 브릿지 송신부와 전파 정류회로가 포함된 전계 결합형 무선 충전장치의 다른 회로 구성도이다.
또한 본 발명은 도 4와 같은 회로와 다른 수신회로 구조, 예를 들면 2개의 정류 다이오드만 가지는 반파 정류회로를 가지는 수신회로 등에도 동일하게 적용할 수 있다. 이 역시 도 4의 전계 결합형 무선 충전장치가 제공하는 효과와 동일하다.
이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100 : 전계 결합형 무선 충전장치 110 : 송신부
112 : 송신 회로 114 : 제1 변압기
116 : 송신 전극 120 : 링크 캐패시터
130 : 수신부 132 : 수신 전극
134 : 제2 변압기 136 : 수신 회로

Claims (12)

  1. DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 송신부;
    상기 송신부에서 공급된 AC 전압을 전계 결합방식에 의해 무선 전송하도록 한 쌍(pair)로 구성되는 링크 캐패시터; 및
    상기 링크 캐패시터를 통해 전송되는 상기 AC 전압을 DC 전압으로 변환하여 부하로 전달하는 수신부를 포함하는 전계 결합형 무선 충전장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신부는,
    스위치의 턴-온 구동에 따라 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 송신회로;
    상기 송신회로와 연결되며 임피던스 변환을 위해 소정 권선비를 가지는 제1 변압기; 및
    상기 제1 변압기에 의해 변압된 AC 전압을 상기 링크 캐패시터에 전달하는 송신 전극을 포함하는 전계 결합형 무선 충전장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 변압기의 권선비는 1: N1이고, 상기 N1은 공진 회로 값을 최적화하도록 설계되는 전계 결합형 무선 충전장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 N1은
    Figure pat00010
    인 전계 결합형 무선 충전장치.
    여기서, Ceq는 공진에 참여하는 유효 캐패시턴스 값, Cs는 유효 캐패시턴스 Ceq 값을 제1 변압기의 1차측에서 바라본 등가 패캐시턴스 값임.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신부는,
    상기 링크 캐패시터를 통해 전송되는 AC 전압을 전달받는 수신 전극;
    상기 수신 전극과 연결되며 상기 송신회로의 스위치 동작시 영전압 스위칭(ZVS : Zero voltage switching) 조건을 만족하는 공진 양호도(QL) 값을 위하여 소정 권선비를 가지는 제2 변압기; 및
    상기 제2 변압기로부터 전달되는 AC 전압을 정류 및 DC 전압으로 변환하는 수신회로를 포함하는 전계 결합형 무선 충전장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 변압기의 권선비는 N2 :1이고, 상기 N2는 공진양호도 값을 조정하기 위해 설계되는 전계 결합형 무선 충전장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 N2는
    Figure pat00011
    인 전계 결합형 무선 충전장치.
    여기서, N1은
    Figure pat00012
    이고, Ri는 스위치의 ZVS 구간을 만족하는 매칭 부하 임피던스이고, Rac는 등가 AC 임피던스임.
  8. 일정 레벨을 공급하는 전원단(Vg)에 병렬로 연결되는 스위치(SW) 및 병렬 캐패시터(Cp), 상기 전원단(Vg)과 상기 스위치(SW) 사이에 직렬 연결된 제1 코일(Ldc), 상기 병렬 캐패시터(Cp)의 일단에 연결되는 제2 코일(Ls)을 포함하면서 DC 전압을 AC 전압으로 변환하는 송신회로와, 일단은 상기 제2 코일(Ls)과 연결되고 타단은 상기 전원단(Vg)과 연결되며 임피던스 매칭을 위해 1: N1 권선비를 가지는 제1 변압기와, 상기 제1 변압기와 연결되며 상기 AC 전압을 무선 전송하는 송신 전극을 포함하는 송신부;
    상기 송신 전극으로부터 상기 AC 전압을 전송받는 수신 전극과, 상기 수신 전극과 연결되며 상기 송신회로의 영전압 스위칭(ZVS : Zero voltage switching) 조건을 만족하도록 N2 : 1 권선비를 가지는 제2 변압기와, 상기 AC 전압의 정류/변환 기능을 수행하는 수신회로를 포함하는 수신부; 및
    상기 송신부와 상기 수신부 사이에 전계 결합 방식으로 전력을 전송하는 1쌍의 링크 캐패시터를 포함하는 전계 결합형 무선 충전장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 N1 및 N2 중 하나는 공진 양호도 값을 조정하기 위해 설계되고, 다른 하나는 공진 회로 값을 최적화하도록 설계되는 전계 결합형 무선 충전장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 N1은
    Figure pat00013
    이고, 상기 N2는
    Figure pat00014
    인 전계 결합형 무선 충전장치.
    여기서, Ceq는 공진에 참여하는 유효 캐패시턴스 값, Cs는 유효 캐패시턴스 Ceq 값을 제1 변압기의 1차측에서 바라본 등가 캐패시턴스 값, Ri는 스위치의 ZVS 구간을 만족하는 매칭 부하 임피던스이고, Rac는 등가 AC 임피던스임.
  11. 브릿지(bridge) 회로가 구성된 송신부;
    상기 송신부에 제공되며 1: N1 권선비를 가지는 제1 변압기;
    정류회로가 구성된 수신부;
    상기 수신부에 제공되며 N2 : 1 권선비를 가지는 제2 변압기; 및
    상기 송신부와 상기 수신부 사이에 전계 결합 방식으로 전력을 전송하는 1쌍의 링크 캐패시터를 포함하는 전계 결합형 무선 충전장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 N1 및 N2 중 하나는 공진 양호도 값을 조정하기 위해 설계되고, 다른 하나는 공진 회로 값을 최적화하도록 설계되는 전계 결합형 무선 충전장치.
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