KR20160088424A - 무선 전력 전송 시스템을 위한 고조파 감소 장치 - Google Patents
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Abstract
디바이스는, 전력 소스에 결합되고 복수의 전력 스위치를 포함하는 스위치 네트워크, 상기 복수의 전력 스위치에 결합되고 제1차 공진 커패시터를 포함하는 송신기 공진 탱크, 상기 송신기 공진 탱크에 결합된 송신기 코일, 및 상기 스위치 네트워크와 상기 송신기 코일 사이에 결합된 고조파 감소 장치를 포함하고, 상기 고조파 감소 장치는 적어도 하나의 원치 않는 주파수 성분을 감쇠시키도록 구성된다.
Description
본 출원은 전체 내용이 본 명세서에 병합된 2014년 1월 7일에 출원된 발명의 명칭이 "High Efficiency Power Conversion Techniques with EMC Measures"인 미국 가출원 번호 61/964,526의 이익을 주장한다.
본 발명은 고조파 감소 장치(harmonic reduction apparatus)에 관한 것으로, 특정 실시예에서, 무선 전력 전송 시스템에 적용된 고조파 노치(harmonic notch) 및/또는 고조파 트랩 회로(harmonic trap circuit)에 관한 것이다.
기술이 더욱더 진보함에 따라, 모바일 폰, 태블릿 PC, 디지털 카메라, MP3 플레이어 및/또는 등을 포함하는 배터리 기반 모바일 디바이스(mobile device)에 전력을 공급하거나 또는 이 모바일 디바이스를 충전하는 효율적이고 편리한 메커니즘으로 무선 전력 전송이 등장하였다. 무선 전력 전송 시스템은 일반적으로 제1차측 송신기와 제2차측 수신기를 포함한다. 제1차측 송신기는 자기 결합(magnetic coupling)을 통해 제2차측 수신기에 자기적으로 결합된다. 이 자기 결합은 제1차측 송신기에 형성된 제1차측 코일과, 제2차측 수신기에 형성된 제2차측 코일을 구비하는 느슨하게 결합된 변압기로 구현될 수 있다.
제1차측 송신기는 전력 컨버터의 제1차측과 같은 전력 변환 유닛을 포함할 수 있다. 전력 변환 유닛은 전력 소스에 결합되고, 전기 전력을 무선 전력 신호로 변환할 수 있다. 제2차측 수신기는 느슨하게 결합된 변압기를 통해 무선 전력 신호를 수신하고, 수신된 무선 전력 신호를 부하에 적합한 전기 전력으로 변환할 수 있다.
모바일 폰을 포함하는 배터리 기반 시스템에서, 송신기의 상부 표면은 충전 패드로 구현될 수 있다. 송신기 코일은 충전 패드 아래에 배치될 수 있다. 모바일 폰은 충전 패드 부근에 또는 위에 배치될 때 충전 패드로부터 전력을 수신할 수 있다. 특히, 모바일 폰 내 수신기 코일은 2개의 코일들 사이에 자기 결합을 통해 송신기 코일로부터 전달되는 전력을 픽업한다. 송신기 코일과 수신기 코일 사이의 거리는 약 1 mm 내지 약 100 mm의 범위이다. 긴 거리에 걸쳐 전력을 효율적으로 전송하기 위하여 송신기에는 높은 주파수 전류가 요구된다. 그러나, 무선 전력 전송 시스템에서 달성가능한 주파수는 통상 무선 전력 전송 시스템의 전력 스위치의 스위칭 손실에 의해 제한된다.
전력 소비가 보다 중요해졌기 때문에, 높은 전력 밀도와 높은 효율의 무선 전력 전송 시스템이 요구될 수 있다. 공진 컨버터가 영전압 스위칭 및/또는 영전류 스위칭을 통해 전력 스위치의 스위칭 손실을 감소시킬 수 있기 때문에 공진 컨버터 기반 무선 전력 전송 시스템이 고성능(예를 들어, 더 낮은 전력 손실)을 달성하는데 바람직한 것으로 선택되었다. 그러나, 무선 전력 전송 시스템의 주파수가 더 높아짐에 따라, EMI 적합성이 상당히 문제가 되어서, 무선 전력 전송 시스템의 시스템 설계에 문제를 제기한다.
이들 문제 및 다른 문제 일반적으로 무선 전력 전송 시스템의 잡음을 감소시키는 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 해결되거나 회피되고, 이에 기술적 잇점이 일반적으로 달성된다.
일 실시예에 따라, 시스템은, 전력 소스에 결합되고 복수의 전력 스위치를 포함하는 스위치 네트워크, 상기 복수의 전력 스위치에 결합되고 적어도 공진 커패시터를 포함하는 제1차 공진 탱크, 상기 제1차 공진 탱크에 결합되고 수신기 코일에 자기적으로 결합되도록 구성된 송신기 코일로서, 상기 송신기 코일과 수신기 코일은 상기 송신기 코일로부터 상기 수신기 코일로 무선 전력을 전달하도록 구성된, 상기 송신기 코일, 및 상기 스위치 네트워크와 상기 송신기 코일 사이에 결합된 고조파 감소 장치를 포함하고, 상기 고조파 감소 장치는 상기 송신기 코일의 전류에서 적어도 하나의 원치 않는 주파수 성분을 감쇠시키도록 구성된다.
다른 실시예에 따라, 디바이스는 전력 소스에 결합되고 복수의 전력 스위치를 포함하는 스위치 네트워크, 상기 복수의 전력 스위치에 결합되고 제1차 공진 커패시터를 포함하는 송신기 공진 탱크, 상기 송신기 공진 탱크에 결합된 송신기 코일, 및 상기 스위치 네트워크와 상기 송신기 코일 사이에 결합된 고조파 감소 장치를 포함하고, 상기 고조파 감소 장치는 상기 송신기 코일의 전류에서 적어도 하나의 원치 않는 주파수 성분을 감소시키도록 구성된다.
또 다른 실시예에 따라, 디바이스는 입력 커패시터를 통해 전력 소스에 결합되고 복수의 전력 스위치를 포함하는 스위치 네트워크, 상기 복수의 전력 스위치에 결합되고 제1차 공진 커패시터를 포함하는 송신기 공진 탱크, 상기 송신기 공진 탱크에 결합되고 전력을 수신기 코일에 전달하는 송신기 코일, 복수의 고조파 노치 회로와 복수의 고조파 트랩 회로를 포함하는 고조파 감소 장치, 및 상기 전력 소스와 상기 입력 커패시터 사이에 결합된 소프트 스타트 스위치(soft start switch)를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예의 잇점은 고조파 노치 회로 및/또는 고조파 트랩 회로를 사용하여 상기 무선 전력 전송 시스템의 송신기 코일에 고조파 전류(예를 들어, 제3차 고조파)가 흐르는 것을 방지하여 무선 전력 전송 시스템의 성능을 개선하는 것이다.
전술된 것은 이하 본 발명의 상세한 설명을 보다 잘 이해하기 위하여 본 발명의 특징과 기술적 잇점을 다소 넓게 약술한 것이다. 본 발명의 청구범위의 주제를 형성하는 본 발명의 추가적인 특징과 잇점이 이후 설명된다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 개시된 개념과 특정 실시예는 본 발명과 동일한 목적을 수행하는 다른 구조 또는 공정을 변경하거나 설계하기 위한 기초로 용이하게 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 첨부된 청구범위에 제시된 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않는 균등한 구성을 구현할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명과 그 잇점을 보다 완전히 이해하기 위하여, 이제 첨부 도면을 참조하여 설명된 이하 설명을 참조한다:
도 1은 본 발명의 여러 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 전력 변환 부분의 블록도;
도 2는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 고조파 감소 장치의 제1 예시적인 구현의 개략도;
도 3은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 2에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 파형을 도시하는 도면;
도 4는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제2 예시적인 구현의 개략도.
도 5는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제3 예시적인 구현의 개략도;
도 6은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제4 예시적인 구현의 개략도;
도 7은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제5 예시적인 구현의 개략도;
도 8은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제6 예시적인 구현의 개략도;
도 9는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 8에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 파형을 도시하는 도면;
도 10은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제7 예시적인 구현의 개략도;
도 11은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제8 예시적인 구현의 개략도;
도 12는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제9 예시적인 구현의 개략도;
도 13은 본 발명의 여러 실시예에 따라 소프트 스타트 회로를 포함하는 무선 전력 전송 시스템의 개략도;
도 14는 본 발명의 여러 실시예에 따라 소프트 스타트 회로를 포함하는 다른 무선 전력 전송 시스템의 개략도;
도 15는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 13에 도시된 소프트 스타트 회로의 상세한 구현의 개략도; 및
도 16은 본 발명의 여러 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도.
여러 도면에서 대응하는 숫자와 심볼은, 달리 언급되지 않는 한, 일반적으로 대응하는 부분을 말한다. 이들 도면은 여러 실시예의 관련 측면을 명확히 예시하기 위하여 도시된 것일 뿐 반드시 축척에 맞게 도시된 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 여러 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 전력 변환 부분의 블록도;
도 2는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 고조파 감소 장치의 제1 예시적인 구현의 개략도;
도 3은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 2에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 파형을 도시하는 도면;
도 4는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제2 예시적인 구현의 개략도.
도 5는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제3 예시적인 구현의 개략도;
도 6은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제4 예시적인 구현의 개략도;
도 7은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제5 예시적인 구현의 개략도;
도 8은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제6 예시적인 구현의 개략도;
도 9는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 8에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 파형을 도시하는 도면;
도 10은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제7 예시적인 구현의 개략도;
도 11은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제8 예시적인 구현의 개략도;
도 12는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제9 예시적인 구현의 개략도;
도 13은 본 발명의 여러 실시예에 따라 소프트 스타트 회로를 포함하는 무선 전력 전송 시스템의 개략도;
도 14는 본 발명의 여러 실시예에 따라 소프트 스타트 회로를 포함하는 다른 무선 전력 전송 시스템의 개략도;
도 15는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 13에 도시된 소프트 스타트 회로의 상세한 구현의 개략도; 및
도 16은 본 발명의 여러 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도.
여러 도면에서 대응하는 숫자와 심볼은, 달리 언급되지 않는 한, 일반적으로 대응하는 부분을 말한다. 이들 도면은 여러 실시예의 관련 측면을 명확히 예시하기 위하여 도시된 것일 뿐 반드시 축척에 맞게 도시된 것은 아니다.
현재 바람직한 실시예를 제조하고 사용하는 것은 아래에 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명은 여러 특정 상황에서 구현될 수 있는 많은 응용가능한 본 발명의 개념을 제공하는 것으로 이해된다. 설명된 특정 실시예는 본 발명을 제조하고 사용하는 특정 방식을 단지 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 제한하려고 의도된 것이 아니다.
본 발명은, 특정 상황, 즉 무선 전력 전송 시스템에서 하프-브리지 공진 컨버터(half-bridge resonant convert)를 위한 고조파 감소 장치에서 바람직한 실시예에 대하여 설명된다. 그러나, 본 발명은, 여러 공진 컨버터에도 적용될 수 있다. 이후, 여러 실시예는 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 여러 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 전력 변환 부분의 블록도를 도시한다. 무선 전력 전송 시스템(100)은 전력 송신기(110)와 전력 수신기(120)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전력 송신기(110)의 입력은 입력 전력 소스(102)에 결합된다. 전력 수신기(120)의 출력은 부하(122)에 결합된다. 전력 송신기(110)는 전력 수신기(120)가 전력 송신기(110) 부근에 배치될 때 자기장을 통해 전력 수신기(120)에 자기적으로 결합된다. 느슨하게 결합된 변압기(112)는 전력 송신기(110) 내 송신기 코일과 전력 수신기(120) 내 수신기 코일에 의해 형성된다. 그 결과, 전력이 전력 송신기(110)로부터 전력 수신기(120)로 전달될 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 송신기(110)는 충전 패드일 수 있다. 송신기 코일은 충전 패드의 상부 표면 아래에 배치된다. 전력 수신기(120)는 모바일 폰에 매립될 수 있다. 모바일 폰이 충전 패드 부근에 배치될 때, 송신기 코일과 수신기 코일 사이에 자기 결합이 수립될 수 있다. 다시 말해, 송신기 코일과 수신기 코일은, 전력 송신기(110)와 전력 수신기(120) 사이에 전력 전송이 일어나는, 느슨하게 결합된 변압기를 형성할 수 있다. 송신기 코일과 수신기 코일 사이에 결합 강도는 결합 계수(k)에 의해 정량화된다. 일부 실시예에서, k는 약 0.05 내지 약 0.9에 이르는 범위에 있다.
일부 실시예에서, 자기 결합이 송신기 코일과 수신기 코일 사이에 수립된 후, 전력 송신기(110)와 전력 수신기(120)는 입력 전력 소스(102)로부터 부하(122)로 전력을 무선으로 전달하는 컨버터를 형성할 수 있다.
입력 전력 소스(102)는 상용 라인(utility line) 전압을 dc 전압으로 변환하는 전력 어댑터일 수 있다. 대안적으로, 입력 전력 소스(102)는 솔라 패널 어레이(solar panel array)와 같은 재생 가능한(renewable) 전력 소스일 수 있다. 나아가, 입력 전력 소스(102)는 재충전가능한 배터리, 연료 셀 및/또는 등을 포함하는 에너지 저장 디바이스일 수 있다.
부하(122)는 전력 수신기(120)에 결합된 모바일 디바이스(예를 들어, 모바일 폰)에 의해 소비되는 전력을 나타낸다. 대안적으로, 부하(122)는, 전력 수신기(120)의 출력에 결합되고 직렬로/병렬로 연결된 재충전가능한 배터리 및/또는 배터리들을 말할 수 있다.
전력 송신기(110)는 스위치 네트워크(104), 고조파 감소 장치(106), 제1차 공진 탱크(108), 및 송신기 코일(L1)을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스위치 네트워크(104)는 입력 전력 소스(102)에 결합된다. 고조파 감소 장치(106)와 제1차 공진 탱크(108)는 보조 네트워크(107)를 형성할 수 있다. 설계 요구와 여러 응용에 따라, 보조 네트워크(107)는 많은 상이한 구성을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 송신기 코일(L1)은 제1차 공진 탱크(108)의 일부일 수 있다. 일부 실시예에서, 고조파 감소 장치(106)와 제1차 공진 탱크(108)는 직렬로 연결된다. 일부 실시예에서, 고조파 감소 장치(106)는 스위치 네트워크(104)와 제1차 공진 탱크(108) 사이에 연결된다. 대안적인 실시예에서, 고조파 감소 장치(106)와 제1차 공진 탱크(108)는 병렬로 연결된다. 나아가, 고조파 감소 장치(106)는 제1차 공진 탱크(108)의 공진 인덕터와 공진 커패시터 사이에 배치될 수 있다. 보조 네트워크(107)의 상세한 구성은 도 2 내지 도 12에 대해 아래에 설명된다.
스위치 네트워크(104)는 일부 실시예에 따라 하프-브리지 컨버터의 제1차측 스위치를 포함할 수 있다. 대안적으로, 스위치 네트워크(104)는 풀-브리지 컨버터(full-bridge converter), 푸시-풀 컨버터(push-pull converter) 등을 포함하는 다른 컨버터의 제1차측 스위치를 포함할 수 있다. 스위치 네트워크(104)의 상세한 구성은 도 2에 대해 아래에 설명된다.
전술된 컨버터는 단지 예인 것으로 이해된다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 클래스 E 토폴로지 기반 전력 컨버터(예를 들어, 클래스 E 증폭기)를 포함하는 다른 적절한 전력 컨버터를 대안적으로 사용할 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
고조파 감소 장치(106)는 적어도 하나의 인덕터와 하나의 커패시터를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 고조파 감소 장치(106)의 인덕터와 커패시터는 직렬로 연결되어 직렬 공진 회로를 형성할 수 있다. 이러한 직렬 공진 회로는 대안적으로 직렬 공진 회로의 공진 주파수와 같은 주파수를 가지는 고조파 성분에 대해 낮은 임피던스 경로를 형성하기 때문에 고조파 노치 회로로 언급된다. 대안적으로, 고조파 감소 장치(106)의 인덕터와 커패시터는 병렬로 연결되어 병렬 공진 회로를 형성할 수 있다. 이러한 병렬 공진 회로는 대안적으로 병렬 공진 회로의 공진 주파수와 같은 주파수를 갖는 고조파 성분에 대해 높은 임피던스 경로를 형성하기 때문에 고조파 트랩 회로로 언급된다. 나아가, 고조파 감소 장치(106)는 저항기를 포함할 수 있다. 이 저항기는 고조파 감소 장치(106)의 균등한 저항으로 형성될 수 있다. 대안적으로, 저항기는 별개의 저항기로 구현될 수 있다. 나아가, 저항기는 균등한 저항과 별개의 저항기의 조합으로 형성될 수 있다. 고조파 감소 장치(106)의 상세한 구조는 도 2 내지 도 12에 대해 아래에 설명된다.
제1차 공진 탱크(108)는 직렬 공진 회로, 병렬 공진 회로 및/또는 직렬-병렬 공진 회로를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 제1차 공진 탱크(108)는 제1 직렬 공진 인덕터, 송신기 코일(L1), 및 제1 직렬 공진 커패시터(도 2에 미도시)를 포함할 수 있다. 제1차 공진 탱크(108)는 선택적인 것일 수 있다. 예를 들어, 제1 직렬 공진 인덕터는 외부 인덕터로 구현될 수 있다. 대안적으로, 제1 직렬 공진 인덕터는 연결 와이어로 구현될 수 있다.
전력 수신기(120)는 전력 수신기(120)가 전력 송신기(110) 부근에 배치된 후 송신기 코일에 자기적으로 결합된 수신기 코일을 포함한다. 그 결과, 전력은 수신기 코일로 전달되고, 제2차 공진 탱크(114), 정류기(116), 및 출력 필터(118)를 통해 부하(122)로 더 전달될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제2차 공진 탱크(114), 정류기(116) 및 출력 필터(118)는 수신기 코일과 부하(122) 사이에 케스케이드로 연결된다.
제2차 공진 탱크(114)는 제1차 공진 탱크(108)의 것과 유사한 구조일 수 있다. 간략화를 위해, 제2차 공진 탱크(114)의 구조는 본 명세서에서 상세히 설명되지 않는다.
정류기(116)는 수신기 코일의 출력으로부터 수신된 교번하는 극성 파형(alternating polarity waveform)을 단일 극성 파형으로 변환한다. 일부 실시예에서, 정류기(116)는 한 쌍의 다이오드를 포함한다. 대안적인 실시예에서, 정류기는 n-형 금속 산화물 반도체(n-type metal oxide semiconductor: NMOS) 트랜지스터와 같은 한 쌍의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
나아가, 정류기(116)는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal oxide semiconductor field effect transistor: MOSFET) 디바이스, 바이폴러 정션 트랜지스터(bipolar junction transistor: BJT) 디바이스, 수퍼 정션 트랜지스터(super junction transistor: SJT) 디바이스, 절연된 게이트 바이폴러 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor: IGBT) 디바이스, 갈륨 질화물(GaN) 기반 전력 디바이스 및/또는 등을 포함하는 다른 유형의 제어가능한 디바이스로 형성될 수 있다. 정류기(116)의 상세한 동작과 구조는 이 기술 분야에서 잘 알려져 있으므로, 본 명세서에서는 더 설명되지 않는다.
출력 필터(118)는 무선 전력 전송 시스템(100)의 스위칭 리플(switching ripple)을 감소시키는데 사용된다. 절연된 dc/dc 컨버터의 동작 원리에 따라, 출력 필터(118)는 인덕터와 복수의 커패시터로 형성된 L-C 필터일 수 있다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 순방향 컨버터와 같은 일부 절연된 dc/dc 컨버터 토폴로지가 L-C 필터를 요구할 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 한편, 공진 컨버터와 같은 일부 절연된 dc/dc 컨버터 토폴로지는 커패시터로 형성된 출력 필터를 포함할 수 있다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 상이한 출력 필터 구성이 상이한 전력 컨버터 토폴로지에 적절히 적용될 수 있다는 것을 더 이해할 수 있다. 출력 필터(118)의 구성 변형은 본 발명의 여러 실시예의 범위 내에 있다.
도 2는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 고조파 감소 장치의 제1 예시적인 구현의 개략도를 도시한다. 스위치 네트워크(104)는 2개의 스위칭 소자, 즉 S1과 S2를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자(S1 및 S2)는 입력 dc 전력 소스(VIN)의 2개의 단자들 사이에 직렬로 연결된다. 스위칭 소자(S1 및 S2)의 공통 노드는 보조 네트워크(107)의 제1 입력 단자에 결합된다. 스위칭 소자(S2)의 소스는 접지에 연결되고, 보조 네트워크(107)의 제2 입력 단자에 더 연결된다. 보조 네트워크(107)의 출력 단자는 도 2에 도시된 바와 같이 송신기 코일(L1)의 2개의 단자에 각각 연결된다.
스위칭 소자(S1 및 S2)는 하프-브리지 공진 컨버터의 제1차측 스위칭 네트워크를 형성한다. 일부 실시예에 따라, 스위칭 소자(S1 및 S2)는 병렬로 연결된 MOSFET 또는 MOSFET들로 구현되거나, 이들의 임의의 조합으로 구현되거나 및/또는 다른 방식 등으로 구현된다.
대안적인 실시예에 따라, 스위칭 소자(예를 들어, 스위치 S1)는 절연된 게이트 바이폴러 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor: IGBT) 디바이스일 수 있다. 대안적으로, 제1차 스위치는 통합된 게이트 정류된 싸이리스터(integrated gate commutated thyristor: IGCT) 디바이스, 게이트 턴오프 싸이리스터(gate turn-off thyristor: GTO) 디바이스, 실리콘 제어 정류기(silicon controlled rectifier: SCR) 디바이스, 정션 게이트 전계 효과 트랜지스터(junction gate field-effect transistor: JFET) 디바이스, MOS 제어 싸이리스터(MOS controlled thyristor: MCT) 디바이스, 갈륨 질화물(GaN) 기반 전력 디바이스 및/또는 등을 포함하는 임의의 제어가능한 스위치일 수 있다.
설명 전체에 걸쳐 있는 예는 하프-브리지 공진 컨버터(예를 들어, 도 2에 도시된 하프-브리지 공진 컨버터)에 기초하지만, 도 2에 도시된 공진 컨버터(200)는 많은 변형, 대안, 및 변경을 가질 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 풀-브리지 컨버터, 푸시-풀 컨버터, 클래스 E 기반 전력 컨버터(예를 들어, 클래스 E 증폭기)가 대안적으로 사용될 수 있다. 나아가, 송신기 코일(L1)이 일부 응용에서 수신기 코일(L2)과 타이트하게 결합될 때 LLC 공진 컨버터가 형성될 수 있다.
요약하면, 본 명세서에서 도시된 하프-브리지 공진 컨버터(200)는 여러 실시예의 본 발명의 측면을 명확히 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명은 임의의 특정 전력 토폴로지로 제한되지 않는다.
도 2는 2개의 스위치(S1 및 S2)를 예시하고 있으나, 본 발명의 여러 실시예는 다른 변형, 변경 및 대안을 포함할 수 있는 것으로 더 이해된다. 예를 들어, 별도의 커패시터가 스위칭 네트워크(104)의 각 스위치와 병렬로 연결될 수 있다. 이러한 별도의 커패시터는 하프-브리지 공진 컨버터(200)의 공진 과정의 타이밍을 더 잘 제어하는 것을 도와준다.
하프-브리지 공진 컨버터(200)의 제1차 공진 탱크는 제1 직렬 공진 인덕터(Lx1), 제1 직렬 공진 커패시터(Cr1) 및 송신기 코일(L1)로 형성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 공진 인덕터(Lx1), 제1 공진 커패시터(Cr1) 및 송신기 코일(L1)은 직렬로 연결된다. 도 2에 도시된 제1차 공진 탱크는 단지 하나의 예일 뿐인 것으로 이해된다. 많은 변형, 대안 및 변경이 있을 수 있다. 예를 들어, 추가적인 공진 커패시터 및/또는 공진 인덕터는 제1차 공진 탱크에 사용될 수 있다. 나아가, 도 2는 제1차 공진 탱크의 공진 소자들이 직렬로 연결된 것을 도시하지만, 병렬 연결, 병렬-직렬 연결을 포함하는 다른 연결 구성도 본 발명의 범위 내에 있다.
(도 1에 도시된) 고조파 감소 장치(106)의 제1 구현은 직렬로 연결된 인덕터(Lh1)와 커패시터(Ch1)로 고조파 노치 회로를 형성하는 것이다. 설명 전체에 걸쳐, 도 2에 도시된 고조파 노치 회로는 대안적으로 고조파 노치 회로(106N)로 언급된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 고조파 노치 회로(106N)는 스위칭 소자(S1 및 S2)의 공통 노드에 연결된 제1 단자를 구비한다. 고조파 노치 회로(106N)의 제2 단자는 제1 공진 커패시터(Cr1)와 송신기 코일(L1)의 공통 노드에 연결된다.
설계 요구와 여러 응용에 따라, 고조파 노치 회로(106N)는 인덕터(Lh1)와 커패시터(Ch1)와 직렬로 연결된 저항기(미도시)를 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 저항기는 인덕터(Lh1)와 커패시터(Ch1)의 균등한 저항으로 형성될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 저항기는 별개의 저항기로 구현될 수 있다.
동작시, 인덕터(Lh1)와 커패시터(Ch1)의 값은 인덕터(Lh1)와 커패시터(Ch1)가 원치 않는 주파수 성분에 대해 낮은 임피던스 경로를 형성하도록 선택된다. 일부 실시예에서, 스위치 네트워크(104)는 6.78 MHz의 스위칭 주파수에서 동작된다. 고조파 노치 회로(106N)는 약 20.34 MHz의 주파수를 가지는 제3차 고조파를 감쇠시키도록 설계된다. 다시 말해, 인덕터(Lh1)와 커패시터(Ch1)는 제3차 고조파 전류를 낮은 임피던스 경로로 전환(divert)하도록 제3차 고조파에 대해 낮은 임피던스 경로를 형성한다.
일부 실시예에서, Lh1의 인덕턴스는 약 1 nH 내지 약 100 nH에 이르는 범위에 있다. Ch1의 커패시터는 약 10 pF 내지 약 100 nF에 이르는 범위에 있다. 전술된 값은 순전히 예시를 위해 선택된 것일 뿐 본 발명의 여러 실시예를 임의의 특정 값으로 제한하려고 의도된 것이 아닌 것으로 이해된다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 여러 응용과 설계 요구에 따라, 전술된 인덕턴스와 커패시턴스는 상이한 값으로 변경될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
도 2에 도시된 고조파 노치 회로(106N)의 하나의 유리한 특징은 고조파 노치 회로(106N)가 원치 않는 고조파(예를 들어, 제3차 고조파)를 감쇠시킬 수 있다는 것이다. 그 결과, 송신기 코일을 흐르는 전류는 정현파 파형이다. 이러한 정현파 파형은 무선 전력 전송 시스템이 EMC 규제를 만족시키는 것을 도와준다.
제2차 공진 탱크(114)는 제2 직렬 공진 인덕터(Lx2), 수신기 코일(L2) 및 제2 직렬 공진 커패시터(Cr2)를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 공진 인덕터(Lx2), 수신기 코일(L2) 및 제2 공진 커패시터(Cr2)는 직렬로 연결된다. 도 2에 도시된 제2차 공진 탱크(114)는 단지 하나의 예일 뿐인 것으로 이해된다. 많은 변형, 대안 및 변경이 있을 수 있다. 예를 들어, 추가적인 공진 커패시터 및/또는 공진 인덕터는 제2차 공진 탱크(114)에 사용될 수 있다. 나아가, 도 2는 제2차 공진 탱크(114)의 공진 소자들이 직렬로 연결된 것을 도시하지만, 병렬 연결, 병렬-직렬 연결을 포함하는 다른 연결도 본 발명의 범위 내에 있다.
제2차 공진 탱크(114)의 출력은 다이오드(D1 및 D2)로 형성된 정류기(116)를 통해 부하(RL)에 결합된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 다이오드(D1 및 D2)는 직렬로 연결되고, 부하(RL)의 2개의 단자들 사이에 더 결합된다.
도 2에 도시된 정류기 구조는 단지 하나의 예인 것으로 이해된다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 많은 대안, 변형 및 변경을 인식할 수 있는 것이다. 예를 들어, 다이오드(D1 및 D2)는 2개의 스위치로 대체될 수 있다.
도 3은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 2에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 여러 파형을 도시한다. 도 3의 수평축은 시간 간격을 나타낸다. 수평축의 단위는 마이크로 초이다. 5개의 수직축이 있을 수 있다. 제1 수직축(Y1)은 스위치(S2)의 드레인-소스에 걸친 전압을 나타낸다. 제2 수직축(Y2)은 제1 직렬 공진 커패시터(Cr1)를 흐르는 전류를 나타낸다. 제3 수직축(Y3)은 커패시터(Ch1)를 흐르는 전류를 나타낸다. 제4 수직축(Y4)은 송신기 코일(L1)을 흐르는 전류를 나타낸다. 제5 수직축(Y5)은 무선 전력 전송 시스템(200)의 출력 전압을 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 파형(310)은 출력 전압(Vo)이 원하는 값에 유지되는 것을 나타낸다. 파형(308)은 송신기 코일(L1)을 흐르는 전류가 정현파 파형을 가지는 것을 도시한다. 다시 말해, 파형(308)의 제3차 고조파 성분(content)은 제3차 고조파가 Ch1과 Lh1(도 2에 도시)을 포함하는 고조파 노치 회로로 전환되었기 때문에 상대적으로 낮다.
파형(302)은 무선 전력 전송 시스템(200)의 스위칭 주파수를 도시한다. 나아가, 파형(302)은 S1과 S2가 모두 영전압 턴온 전이를 가지는 것을 나타낸다. 파형(306)은 고조파 노치 회로를 흐르는 전류가 주로 제3차 고조파 전류인 것을 도시한다. 파형(304)은 제1 직렬 공진 커패시터(Cr1)를 흐르는 전류가 제3차 고조파 파형과 기본 주파수 파형의 조합인 것을 도시한다.
도 4는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제2 예시적인 구현의 개략도를 도시한다. 스위칭 네트워크(104), 제1차 공진 탱크, 느슨하게 결합된 변압기(112), 제2차 공진 탱크(114), 정류기(116) 및 출력 필터(118)의 구조와 동작 원리는 도 2에 도시된 것과 유사하므로, 반복을 피하기 위해 다시 설명되지 않는다. 도 4에 도시된 무선 전력 전송 시스템(400)의 고조파 감소 장치는 병렬로 연결된 복수의 고조파 노치 회로(106N)로 형성된다. 일부 실시예에서, 도 4에 도시된 각 고조파 노치 회로(106N)는 홀수차 고조파를 감소시키도록 설계될 수 있다. 그 결과, 다수의 홀수차 고조파는 고조파 감소 장치로 전환된다.
도 5는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제3 예시적인 구현의 개략도를 도시한다. 무선 전력 전송 시스템(500)의 구조는 고조파 노치 회로(106N)의 위치가 상이한 것을 제외하고는 도 2에 도시된 것과 유사하다. 보다 구체적으로, 고조파 노치 회로(106N)의 제1 단자는 제1 공진 인덕터(Lx1)와 송신기 코일(L1)의 공통 노드에 연결된다. 고조파 노치 회로(106N)의 제2 단자는 접지에 연결된다. 도 5에 도시된 구성의 하나의 유리한 특징은 제1 공진 인덕터(Lx1)가 고조파 성분을 감소시키는 것을 도와줄 수 있다는 것이다. 다시 말해, 제1 공진 인덕터(Lx1)는 무선 전력 전송 시스템(500)의 고조파 성분(content)을 더 감소시키는 필터 소자로 기능할 수 있다.
도 6은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제4 예시적인 구현의 개략도를 도시한다. 무선 전력 전송 시스템(600)의 구조는 고조파 노치 회로(106N)의 위치가 상이한 것을 제외하고는 도 2에 도시된 것과 유사하다. 보다 구체적으로, 고조파 노치 회로(106N)는 도 6에 도시된 제1차 공진 탱크와 임피던스 회로 사이에 연결된다. 고조파 노치 회로(106N)는 Lh1과 Ch1의 공진 주파수와 같은 주파수를 가지는 고조파를 감쇠시키도록 설계된 것으로 이해된다. 임피던스 회로의 임피던스는 Lh1과 Ch1의 공진 주파수에서 0이 아니다. 일부 실시예에서, 임피던스 회로는 고조파 트랩 회로의 일부일 수 있고, 이는 도 8에 대해 아래에서 상세히 설명된다.
도 7은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제5 예시적인 구현의 개략도를 도시한다. 무선 전력 전송 시스템(700)의 구조는 고조파 노치 회로(106N)의 위치가 상이한 것을 제외하고는 도 2에 도시된 것과 유사하다. 보다 구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 고조파 노치 회로(106N)는 제1차 공진 탱크와 송신기 코일(L1) 사이에 연결된다.
도 8은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제6 예시적인 구현의 개략도를 도시한다. 도 8에 도시된 고조파 감소 장치는 인덕터(Lh1)와 커패시터(Ch1)를 포함하는 고조파 트랩 회로로 구현된다. 설명 전체에 걸쳐, 도 8에 도시된 고조파 트랩 회로는 대안적으로 고조파 트랩 회로(106T)로 언급된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 고조파 트랩 회로(106T)는 스위칭 소자(S1 및 S2)의 공통 노드에 연결된 제1 단자를 구비한다. 고조파 트랩 회로(106T)의 제2 단자는 제1 직렬 공진 인덕터(Lx1)에 연결된다. 설계 요구와 여러 응용에 따라, 고조파 트랩 회로(106T)는 인덕터(Lh1)와 커패시터(Ch1)와 병렬로 연결된 저항기(미도시)를 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 저항기는 인덕터(Lh1)와 커패시터(Ch1)의 균등한 저항으로 형성될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 저항기는 별개의 저항기로 구현될 수 있다.
동작시, 인덕터(Lh1)와 커패시터(Ch1)의 값은 인덕터(Lh1)와 커패시터(Ch1)가 원치 않는 주파수 성분에 대해 높은 임피던스 경로를 형성하도록 선택된다. 일부 실시예에서, 스위치 네트워크(104)는 6.78 MHz의 스위칭 주파수에서 동작된다. 고조파 트랩 회로(106T)는 약 20.34 MHz의 주파수를 가지는 제3차 고조파를 감쇠시키도록 설계된다. 다시 말해, 인덕터(Lh1)와 커패시터(Ch1)는 제3차 고조파 전류가 송신기 코일(L1)로 들어가는 것을 차단하도록 제3차 고조파에 대해 높은 임피던스 경로를 형성한다.
일부 실시예에서, Lh1의 인덕턴스는 약 10 pH 내지 약 10 nH에 이르는 범위이다. Ch1의 커패시터는 약 100 pF 내지 약 10 nF에 이르는 범위이다. 전술된 값은 순전히 예시를 위해 선택된 것일 뿐 본 발명의 여러 실시예를 임의의 특정 값으로 제한하는 것으로 의도된 것으로 더 이해된다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 여러 응용과 설계 요구에 따라, 전술된 인덕턴스와 커패시턴스는 상이한 값으로 변경될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다.
도 8에 도시된 고조파 트랩 회로(106T)의 하나의 유리한 특징은 고조파 트랩 회로(106T)가 원치 않는 고조파(예를 들어, 제3차 고조파)가 송신기 코일에 들어가는 것을 방지할 수 있다는 것이다. 그 결과, 무선 전력 전송 시스템은 EMC 규제를 만족시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 8에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 여러 파형을 도시한다. 도 9의 수평축은 시간 간격을 나타낸다. 수평축의 단위는 마이크로 초이다. 4개의 수직축이 있을 수 있다. 제1 수직축(Y1)은 스위치(S2)의 드레인-소스에 걸쳐 전압을 나타낸다. 제2 수직축(Y2)은 커패시터(Ch1)를 흐르는 전류를 나타낸다. 제3 수직축(Y3)은 송신기 코일(L1)을 흐르는 전류를 나타낸다. 제4 수직축(Y4)은 무선 전력 전송 시스템(800)의 출력 전압을 나타낸다.
도 9에 도시된 바와 같이, 파형(908)은 출력 전압(Vo)이 원하는 값에 유지되는 것을 나타낸다. 파형(906)은 송신기 코일(L1)의 전류가 정현파 파형과 근사한 것을 도시한다. 파형(906)의 제3차 고조파 성분(content)은 제3 고조파가 송신기 코일(L1)에 들어가는 것을 차단하였기 때문에 상대적으로 낮다. 파형(902)은 무선 전력 전송 시스템(800)의 스위칭 주파수를 도시한다. 나아가, 파형(902)은 S1과 S2가 모두 영전압 턴온 전이를 가지는 것을 나타낸다. 파형(904)은 고조파 트랩 회로를 흐르는 전류가 주로 제3차 고조파 전류인 것을 도시한다.
도 10은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제7 예시적인 구현의 개략도를 도시한다. 도 10에 도시된 무선 전력 전송 시스템(1000)의 고조파 감소 장치는 직렬로 연결된 복수의 고조파 트랩 회로(106T)로 형성된다. 일부 실시예에서, 도 10에 도시된 각 고조파 트랩 회로는 홀수차 고조파가 송신기 코일(L1)에 들어가는 것을 방지하도록 설계될 수 있다. 그 결과, 다수의 홀수차 고조파가 감쇠되고 송신기 코일(L1)을 흐르는 전류는 정현파 파형이다.
도 11은 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제8 예시적인 구현의 개략도를 도시한다. 도 11에 도시된 무선 전력 전송 시스템(1100)의 전력 변환 토폴로지는 고조파 감소 장치가 상이한 것을 제외하고는 도 2에 도시된 것과 유사하다. 보다 구체적으로, 도 11에 도시된 고조파 감소 장치는 도 2에 도시된 고조파 노치 회로(106N)와, 도 8에 도시된 고조파 트랩 회로(106T)를 포함한다. 일부 실시예에서, 고조파 노치 회로(106N)는 원치 않는 주파수 성분에 대해 낮은 임피던스 경로를 제공한다. 한편, 고조파 트랩 회로(106T)는 원치 않는 주파수 성분이 송신기 코일(L1)에 들어가는 것을 차단한다. 고조파 노치 회로(106N)와 고조파 트랩 회로(106T)의 이러한 조합은 원치 않는 고조파를 더 감소시켜 무선 전력 전송 시스템(1100)이 EMC 규제에 적합하도록 도와준다. 도 11이 고조파 노치 회로(106N)가 고조파 트랩 회로(106T) 전에 배치된 것을 도시하지만, 다른 변형도 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 고조파 노치 회로(106N)는 고조파 트랩 회로(106T) 후에 배치될 수 있다.
도 12는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 1에 도시된 고조파 감소 장치의 제9 예시적인 구현의 개략도를 도시한다. 도 12에 도시된 무선 전력 전송 시스템(1200)의 고조파 감소 장치는, 도 11에 도시된 단일 고조파 트랩 회로(106T)가 직렬로 연결된 복수의 고조파 트랩 회로(106T)로 대체되고, 도 11에 도시된 단일 고조파 노치 회로(106N)가 병렬로 연결된 복수의 고조파 노치 회로(106N)로 대체된 것을 제외하고는 도 11에 도시된 것과 유사하다.
도 12는 고조파 노치 회로(106N)가 고조파 트랩 회로(106T) 전에 배치되는 것을 도시하지만, 다른 변형도 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 고조파 노치 회로(106N)는 고조파 트랩 회로(106T) 후에 배치될 수 있다. 나아가, 고조파 노치 회로(106N)와 고조파 트랩 회로(106T)는 교번하는 방식으로 배치될 수 있다.
요약하면, 고조파 노치 회로(디바이스)는 송신기 코일에 걸쳐 또는 제1차 공진 탱크에 걸쳐 연결될 수 있다. 나아가, 고조파 노치 회로는 스위칭 네트워크와 제1차 공진 회로의 내부 노드 사이에 결합될 수 있다. 상기 배열에서, 고조파 주파수에 대해 낮은 임피던스 경로는 고조파 주파수에서 고조파 노치 회로에 걸쳐 전압을 감소시키도록 형성된다. 그 결과, 송신기 코일에서 고조파 주파수의 고조파 전류가 감소되었다. 유사하게, 고조파 트랩 회로(디바이스)는 송신기 코일, 제1차 공진 탱크, 또는 송신기 코일과 직렬 결합 관계가 있는 임의의 곳과 직렬로 배치될 수 있다. 고조파 트랩 회로는 선택된 고조파 주파수에 대해 높은 임피던스 경로를 제공하기 때문에, 송신기 코일에서 고조파 주파수의 고조파 전류가 감소되었다. 고조파 노치 회로와 고조파 트랩 회로는 특정 고조파 주파수의 고조파 성분(content)을 더 감소시키도록 유리하게 결합될 수 있다.
전술된 고조파 트랩 회로와 고조파 노치 회로는 공진 회로이다. 이러한 공진 회로는 시스템 동작의 복잡성을 증가시킬 수 있다. 나아가, 이것은 무선 전력 전송 시스템의 성분들에 과도한 발진과, 높은 전압과 전류 스트레스(stress)를 야기할 수 있다. 보다 구체적으로, 무선 전력 시스템의 스타트업 과정(startup process)을 포함하는 신호 과도 상태(signal transient)가 클 때, 공진 회로에 의해 야기된 문제를 해결하기에 적절한 소프트-스타트 동작이 요구된다.
도 13은 본 발명의 여러 실시예에 따른 소프트 스타트 회로를 포함하는 무선 전력 전송 시스템의 개략도를 도시한다. 도 13에 도시된 바와 같이, 무선 전력 전송 시스템(1300)의 입력 dc 전력 소스는 스위치 네트워크에 직접 연결되지 않는다. 입력 dc 전력 소스의 음의 단자와 입력 커패시터(Cdc)의 음의 단자 사이에 결합된 dc-링크 스위치(Sdc)가 있다. 소프트 스타트 과정 동안, dc-링크 스위치(Sdc)의 게이트 제어 신호는 dc-링크 스위치(Sdc)를 느리게 턴온하도록 제어된다. dc-링크 스위치(Sdc)의 이러한 느린 턴온은 dc-링크 스위치(Sdc)를 흐르는 전류를 제한하는 것을 도와준다. 그 결과, 도 13에 도시된 전압(Vdc)은 제어가능한 방식으로 느리게 상승한다.
바이어스 전력은 입력 dc 전력 소스(Vin)에 결합된다. 그 결과, 바이어스 전력은 Vdc가 상당한 값에 도달하기 전에 수립될 수 있다. 바이어스 전력은 dc-링크 스위치(Sdc)의 동작을 제어하는데 사용될 수 있다.
도 13에 도시된 소프트 스타트 회로를 가지는 것의 하나의 유리한 특징은 Vdc의 점진적이고 느린 증가가 제1차 공진 탱크의 원활한 동작을 수립하는 것을 도와준다는 것이다. 그 결과, 무선 전력 전송 시스템(1300)의 소자 스트레스가 감소된다.
도 14는 본 발명의 여러 실시예에 따른 소프트 스타트 회로를 포함하는 또 다른 무선 전력 전송 시스템의 개략도를 도시한다. 도 14에 도시된 무선 전력 전송 시스템(1400)의 소프트 스타트 회로는 dc-링크 스위치(Sdc)가 입력 dc 전력 소스(Vin)의 양의 단자와 입력 커패시터(Cdc)의 양의 단자 사이에 결합된 것을 제외하고는 도 13에 도시된 것과 유사하다.
도 15는 본 발명의 여러 실시예에 따라 도 13에 도시된 소프트 스타트 회로의 상세한 구현의 개략도를 도시한다. S1은, 스타트업 과정 동안 신뢰성 있는 선형 모드 동작을 가지도록 설계된 주 dc-링크 스위치(소프트-스타트 스위치)이다. 스타트업 과정이 종료된 후, dc-링크 스위치(S1)는 S1이 완전히 턴온된 후 낮은 온-저항 레벨을 구비한다. S1의 전송 특성은 S1의 드레인과 게이트 사이에 매우 비-선형 밀러 커패시턴스(miller capacitance)를 고려하여 매우 선형이지 않을 수 있는 것으로 이해된다.
소프트 스타트 회로는 Cf와 Rf로 형성된 피드백 회로를 더 포함한다. 도 15에 도시된 바와 같이, Cf와 Rf는 직렬로 연결되고, S1의 드레인과 게이트 사이에 더 결합된다. Cr과 Rf는 밀러 커패시턴스의 변형을 보상하여 S1의 전송 특성을 선형화하는데 사용된다.
도 15는 S1의 게이트와 소스 사이에 결합된 커패시터(Cg)가 있는 것을 더 도시한다. Cg는 S1의 게이트-소스 커패시턴스, 별개의 커패시터 및/또는 이들의 임의의 조합일 수 있다.
S1의 게이트의 충전 전류는 게이트를 충전하는 전류 소스(Ich)를 조절하는 것에 의해 제어될 수 있다. 게이트 충전 전류의 형상을 제어하는 것에 의해, 게이트 전압이 적절히 제어될 수 있다. 그 결과, 스위치(S1)는 느리게 턴온될 수 있고, 전압(Vs)은 허용가능한 패턴으로 느리게 감소하도록 제어된다.
게이트 전류 소스(Ich)는 입력 전압 소스에 결합되거나 및/또는 제어 동작 증폭기와 같은 임의의 다른 적절한 전력 소스에 결합된 저항기에 의해 생성될 수 있다. 대안적으로, 게이트 전류 소스(Ich)는 입력 전압 소스에 결합되거나 및/또는 제어 전류 소스와 같은 임의의 다른 적절한 전력 소스에 결합된 전류 소스일 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 제너 다이오드(Zener diode)(Dg)는 S1의 게이트의 최대 전압을 제한하는데 사용된다. Sdn은 트랜지스터 및/또는 MOSFET 스위치이다. Sdn는 요구될 때 S1을 턴오프하는데 사용된다. S1의 셧다운 과정(shutdown process)은 Sdn이 턴온될 때 시작된다.
일부 실시예에서, S1의 셧다운 속력은 그 턴온 속력보다 훨씬 더 빠를 수 있다. 전압(Vs)이 S1의 주 전력 경로에 결합된 인덕턴스에 의해 야기된 전압 스파이크로 인해 미리 한정된 값(이 미리 한정된 값은 S1의 애벌란치 전압보다 더 낮다)에 도달하면, 제너 다이오드(Ddn)는 도통하기 시작하고, 저항기(Rdn2)를 통해, 신호는 셧다운 제어 블록에 결합된다. 셧다운 제어 블록은 신호를 처리하여 Sdn를 턴오프하는 신호를 생성한다. Sdn이 턴오프되거나 또는 일시적으로 선형 모드에서 적어도 동작한 후, 또 다른 저항기 Rdn1를 통해, S1의 게이트 전압이 충전되어 S1은 일부 전류를 다시 도통하기 시작할 수 있다. 그 결과, S1에 결합된 인덕턴스의 에너지가 S1에서 소비될 수 있다.
요약하면, 이것이 S1의 스트레스를 제한하는 클램프 동작이다. 그 결과, S1(드레인-소스)에 인가되는 최대 전압이 감소된다. 이러한 감소된 전압은 S1이 애벌란치 모드 동작으로 들어가지 않게 하거나 또는 애벌란치 에너지를 적어도 감소시키는 것을 도와준다.
Rdn1과 Rdn2는 S1의 드레인 전압과 드레인 전류가 S1의 안전한 구역 내에 있도록 선택되어야 한다. 요구되는 경우, Rdn1과 Rdn2는 추가적인 제너 다이오드에 더 결합되어 보다 유연성을 제공할 수 있다. 유사하게, 제너-저항기 조합이 Ich에 더 결합되어, Rdn1과 병렬로 동작하거나 또는 Rdn1을 완전히 대체할 수 있는 다른 충전 경로를 도입할 수 있다.
Vs가 제너 다이오드(Ddn)의 클램프 전압 아래로 강하한 후, Sdn은, 셧다운 제어 블록에 의해 생성되고 셧다운 과정을 종료하는 신호에 의해 턴온된다. 이 소프트-스타트 회로와 셧다운 제어 메커니즘은 임의의 적절한 전력 컨버터 및/또는 전력 시스템에 적용할 수 있다.
무선 전력 전송 시스템에서, 결함 상태가 셧다운을 트리거할 수 있다. 셧다운 제어 블록은 셧다운 과정을 개시한다. 셧다운 과정이 종료한 후, 결함 상태가 제거(cleared)되었다. 무선 전력 전송 시스템은 다시 시작될 수 있다. 스타트업 과정은 도 13에 대해 전술된 소프트-스타트 메커니즘을 따를 수 있다.
도 13에 도시된 소프트-스타트 제어 메커니즘은 핫스왑(hot-swap)을 포함하는 다른 적절한 응용에 사용될 수 있다. 핫스왑 과정에서, 도 13에 도시된 소프트 스타트 회로는 회로가 전력 소스에 삽입되거나 이 전력 소스에 연결될 때, 돌입 전류(inrush current)를 감소시키는데 사용될 수 있다. 소프트-스타트 회로는 스위치 양단의 전압이 상대적으로 높은 스타트 과정의 제1 단계 동안 소프트-스타트 스위치(도 15에서 dc-링크 스위치(S1))를 흐르는 전류를 상대적으로 낮은 값으로 제한하도록 제어될 수 있다. 제2 단계에서, 스위치 전압이 특정 값으로 감소되고 소프트-스타트 회로에 결합된 시스템이 동작을 시작할 수 있을 만큼 충분히 높은 전압을 가진 후, 전력 소스는 보다 많은 전류를 제공할 필요가 있을 수 있다. 스위치(S1)는 스위치를 흐르는 전류가 증가된 수요를 충족시키기 위해 증가될 수 있도록 제어될 수 있다. 스위치 전압과 전류 제어를 조정하는 것에 의해, 스위치(S1)의 스트레스가 감소될 수 있다. 감소된 스트레스는 신뢰성을 개선시키고 비용을 더 낮추는 것을 도와준다.
소프트-스타트 회로의 전부 또는 일부는 반도체 디바이스로 서로 통합될 수 있다. 나아가, 소프트-스타트 회로는 도 13에 도시된 송신기 회로와 같은 전력 변환 회로와 통합될 수 있다. 반도체 다이 내에 도 13의 Cdc와 같은 높은 값 커패시터를 배치하는 것은 실용적이지 않을 수 있다. 이러한 높은 값 커패시터는 반도체 다이 내에 통합되고 더 작은 값을 갖는 반도체 커패시터와 병렬로 배치된 별개의 커패시터로 구현될 수 있다. 이 2개의 커패시터(별개의 커패시터와 반도체 커패시터)들 사이에 상호 연결 인덕턴스가 상당한 전압 링잉(voltage ringing)을 야기하는 경우, RC 스너버(snubber) 또는 유사한 수단을 사용하여 이 링잉을 감소시키거나 댐핑(dampen)시킬 수 있다.
도 16은 본 발명의 여러 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 도시한다. 무선 전력 전송 시스템(1600)은 송신기(1602)와 수신기(1612)를 포함한다. 송신기(1602)는 송신기 전력 스테이지 IC(1606), 송신기 코일과 공진 커패시터 블록(1608), 및 송신기 제어기(1604)를 포함한다. 수신기(1612)는 수신기 코일과 공진 커패시터 블록(1614), 및 수신기 전력 스테이지 IC(1616)를 포함한다.
송신기 전력 스테이지 IC(1606)는 전력 스위치, 드라이브 회로, 및 기본 전력 변환 제어 회로를 포함할 수 있다. 송신기 전력 스테이지 IC(1606)는 필요한 경우 송신기 제어기(1604)에 바이어스 전력을 더 제공할 수 있다. 선택적으로, 송신기 전력 스테이지 IC(1606)는 공진 커패시터와 그 제어 회로 및 드라이브 회로의 전부 또는 일부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 출력 전압 제어는 공진 커패시턴스를 제어하는 것을 통해 구현될 수 있다.
송신기 제어기(1604)는 시스템 제어 기능, 통신 기능 및/또는 다른 기능 등을 포함하는 여러 제어 기능을 제공한다. 통신 기능은 주 전력 전송 과정에 부착된 변조 과정으로 구현될 수 있다. 대안적으로, 통신 기능은 블루투스, WIFI, 지그비, I2C 등을 포함하는 통신 채널을 통해 수행될 수 있다. 외부 통신은 매우 신뢰적이지 않을 수 있다. 능동 통신 신호가 송신된 후 상대적으로 긴 시간 동안 컨펌되지 않은 경우, 전력 변환은 에너지를 절감하고 원치 않는 상태를 방지하기 위해 셧다운될 수 있다.
송신기(1602)에서 공진 커패시터는 커패시터의 일부가 양의 전압에만 노출될 수 있도록 전압 시프트 메커니즘에 의해 제어될 수 있다. 그 결과, 가변 커패시턴스는 전압을 제어하는 것에 의해 및/또는 단방향 스위치를 스위칭하는 것에 의해 달성될 수 있다.
수신기 회로에서, 통신은 주 전력 전송 과정에 부착된 신호를 변조하는 것에 의해, 또는 전력 관리 버스, 배터리 관리/제어 버스, 또는 I2C, 블루투스, Wi-Fi 등을 포함하는 다른 적절한 방법을 통해 신호를 전달하는 것에 의해 수립될 수 있다.
수신기 전력 스테이지 IC(1616)는 자체 바이어스 전력 회로를 구비할 수 있고, 바이어스 전력을 다른 기능 유닛에 선택적으로 제공할 수 있다. 나아가, 수신기 전력 스테이지 IC(1616)는 무선 전력 전송 시스템의 배터리 또는 컨버터와 같은 시스템으로부터 바이어스 전력을 수신할 수 있다. 수신기 회로에서 공진 커패시터의 전부 또는 일부는 수신기 전력 스테이지 IC(1616)와 통합될 수 있다. 전술된 전압 시프트 메커니즘은 수신기 내 공진 커패시터에 적용될 수 있다. 그 결과, 가변 커패시턴스는 전압을 제어하는 것에 의해 또는 단방향 스위치를 스위칭하는 것에 의해 달성될 수 있다.
dc 입력이 도 16에 도시되어 있으나, ac 입력 또는 다른 전력 소스도 또한 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, ac 입력 소스와 전력 스테이지 IC 사이에 적절한 전력 변환 회로를 연결하는 것에 의해 ac 입력으로부터 전력이 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예와 그 잇점이 상세히 설명되었으나, 첨부된 청구범위에 의해 한정된 본 발명의 사상과 범위를 벗어남이 없이 본 명세서에서 여러 변화, 대체 및 변경이 이루어질 수 있는 것으로 이해된다.
나아가, 본 출원의 범위는 본 명세서에 설명된 공정, 기계, 제조, 조성물, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시예로 제한되도록 의도된 것이 아니다. 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 설명으로부터, 본 명세서에 설명된 대응하는 실시예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 또는 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현재 존재하거나 또는 이후 개선된 공정, 기계, 제조, 조성물, 수단, 방법, 또는 단계를 본 발명에 따라 사용할 수 있다는 것을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 이러한 공정, 기계, 제조, 조성물, 수단, 방법, 또는 단계를 그 청구범위 내에 포함하도록 의도된다.
Claims (20)
- 시스템으로서,
전력 소스에 결합되고, 복수의 전력 스위치를 포함하는 스위치 네트워크;
상기 복수의 전력 스위치에 결합되고, 적어도 하나의 공진 커패시터를 포함하는 제1차 공진 탱크;
상기 제1차 공진 탱크에 결합되고 수신기 코일에 자기적으로 결합되도록 구성된 송신기 코일로서, 상기 송신기 코일과 수신기 코일은 무선 전력이 상기 송신기 코일로부터 상기 수신기 코일로 전달되도록 구성된, 상기 송신기 코일; 및
상기 스위치 네트워크와 상기 송신기 코일 사이에 결합된 고조파 감소 장치(harmonic reduction apparatus)를 포함하고, 상기 고조파 감소 장치는 상기 송신기 코일의 전류에서 적어도 하나의 원치 않는 주파수 성분을 감쇠시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 고조파 감소 장치는 직렬로 연결된 제1 인덕터와 제1 커패시터를 포함하는 제1 고조파 노치 회로(harmonic notch circuit)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 고조파 노치 회로는 상기 송신기 코일에 결합된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 고조파 노치 회로는 상기 제1차 공진 탱크에 걸쳐 연결된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 고조파 노치 회로는 상기 스위치 네트워크와 상기 제1차 공진 탱크 내 노드 사이에 결합된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제2항에 있어서,
직렬로 연결된 제2 인덕터와 제2 커패시터를 포함하는 제2 고조파 노치 회로를 더 포함하고, 상기 제1 고조파 노치 회로와 상기 제2 고조파 노치 회로는 병렬로 연결되고;
상기 제1 인덕터와 상기 제1 커패시터는 제1 원치 않는 주파수 성분을 감쇠시키도록 구성되고;
상기 제2 인덕터와 상기 제2 커패시터는 제2 원치 않는 주파수 성분을 감쇠시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 고조파 감소 장치는 병렬로 연결된 제3 인덕터와 제3 커패시터를 포함하는 제1 고조파 트랩 회로(harmonic trap circuit)를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 고조파 트랩 회로는 상기 송신기 코일과 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 고조파 트랩 회로는 상기 제1차 공진 탱크와 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 고조파 트랩 회로는 상기 스위치 네트워크와 상기 제1차 공진 탱크 내 노드 사이에 결합된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제7항에 있어서,
병렬로 연결된 제4 인덕터와 제4 커패시터를 포함하는 제2 고조파 트랩 회로를 더 포함하고, 상기 제1 고조파 트랩 회로와 상기 제2 고조파 트랩 회로는 직렬로 연결되고;
상기 제3 인덕터와 상기 제3 커패시터는 제3 원치 않는 주파수 성분을 감소시키도록 구성되고;
상기 제4 인덕터와 상기 제4 커패시터는 제4 원치 않는 주파수 성분을 감쇠시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 고조파 감소 장치는 제1 직렬 고조파 감소 디바이스와 제1 병렬 고조파 감소 디바이스를 포함하고;
상기 제1 직렬 고조파 감소 디바이스는 상기 스위치 네트워크와 상기 제1차 공진 탱크 사이에 결합되고;
상기 제1 병렬 고조파 감소 디바이스는 상기 제1 직렬 고조파 감소 디바이스와 상기 스위치 네트워크의 공통 노드와, 상기 제1차 공진 탱크와 상기 스위치 네트워크의 공통 노드 사이에 결합된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 고조파 감소 장치는 제1 직렬 고조파 감소 디바이스와 제1 병렬 고조파 감소 디바이스를 포함하고,
상기 제1 직렬 고조파 감소 디바이스는 상기 스위치 네트워크와 상기 제1차 공진 탱크 사이에 결합되고;
상기 제1 병렬 고조파 감소 디바이스는 상기 제1 직렬 고조파 감소 디바이스와 상기 스위치 네트워크의 공통 노드와 상기 제1차 공진 탱크 내 노드 사이에 결합된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 고조파 감소 장치는 제1 직렬 고조파 감소 디바이스와 제1 병렬 고조파 감소 디바이스를 포함하고,
상기 제1 직렬 고조파 감소 디바이스는 상기 스위치 네트워크와 상기 제1차 공진 탱크 사이에 결합되고;
상기 제1 병렬 고조파 감소 디바이스는 상기 송신기 코일과 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 고조파 감소 장치는 제1 직렬 고조파 감소 디바이스와 제1 병렬 고조파 감소 디바이스를 포함하고,
상기 제1 직렬 고조파 감소 디바이스는 상기 제1 병렬 고조파 감소 디바이스와 상기 제1차 공진 탱크 사이에 결합되고;
상기 제1 병렬 고조파 감소 디바이스는 임피던스 회로와 상기 스위치 네트워크의 공통 노드에 결합된 것을 특징으로 하는 시스템. - 디바이스로서,
전력 소스에 결합되고, 복수의 전력 스위치를 포함하는 스위치 네트워크;
상기 복수의 전력 스위치에 결합되고, 제1차 공진 커패시터를 포함하는 송신기 공진 탱크;
상기 송신기 공진 탱크에 결합된 송신기 코일; 및
상기 스위치 네트워크와 상기 송신기 코일 사이에 결합된 고조파 감소 장치를 포함하고, 상기 고조파 감소 장치는 상기 송신기 코일의 전류에서 적어도 하나의 원치 않는 주파수 성분을 감쇠시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 디바이스. - 제16항에 있어서,
상기 고조파 감소 장치는 복수의 고조파 트랩 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스. - 제16항에 있어서,
상기 고조파 감소 장치는 복수의 고조파 노치 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스. - 디바이스로서,
입력 커패시터를 통해 전력 소스에 결합되고, 복수의 전력 스위치를 포함하는 스위치 네트워크;
상기 복수의 전력 스위치에 결합되고, 제1차 공진 커패시터를 포함하는 송신기 공진 탱크;
상기 송신기 공진 탱크에 결합되고 전력을 수신기 코일에 전달하는 송신기 코일;
복수의 고조파 노치 회로와 복수의 고조파 트랩 회로를 포함하는 고조파 감소 장치; 및
상기 전력 소스와 상기 입력 커패시터 사이에 결합된 소프트 스타트 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스. - 제19항에 있어서,
상기 소프트 스타트 스위치는 스타트업 과정 동안 상기 송신기 공진 탱크와 상기 고조파 감소 장치의 공진을 댐핑하도록 구성되고;
상기 소프트 스타트 스위치는 상기 소프트 스타트 스위치의 드레인 전압에 기초하여 생성된 피드백 신호에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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