KR20170126977A - 유도 전류 전송 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증폭기에 의해 전력을 공급받는 적어도 하나의 전송 코일에 의한 유도 전류 전송 방법에 관한 것이다. 본 발명에 있어서, 상기 증폭기는 영전압 스위칭(ZVC) 및 영전류 스위칭(ZCV) 모드로 작동된다.

Description

유도 전류 전송 방법

본 발명은 증폭기에 의해 전력을 공급받는 적어도 하나의 전송 코일에 의한 유도 전류 전송 방법에 관한 것이다.

예컨대 전기 장치의 공급을 위한 축전지의 충전을 위한 유도 전류 전송은 광범위하게 알려져 있다. 따라서, EP　1　318　260　A2는 고정된 네트워크로부터 문짝(door leaf)을 따라 이동되는 축전지로의 무선 전류 전송을 개시한다.

추가 적용은 DE 10 2010 047 579 A1에 개시된다. 이 경우에, 예컨대, 테이블 윗면 또는 조리대와 같이 얇은 판(laminar) 방식으로 연장하는 가구 부품가 개시되고, 여기서, 다수의 전송기 코일은 특히 랩탑, 스마트폰, 태블릿 등과 같은 전기 작동 기기를 위한 유도 전류 전송을 위하여 통합된다.

본 발명의 목적은 가구 부품 상에서 어디든 위치된 전기 부하가 전류 공급을 수신하는 것이다.

이러한 전기 부하는 상이한 전력 등급의 소비 전류(current consumption)로 분류될 수 있다. 이러한 상이한 부하에 대해 최적의 전류 공급을 보장하기 위해서는 상이한 전력을 전송해야 한다. 따라서 적어도 하나의 전송기 코일에 전력을 충돌시키는 증폭기는 매우 효율적으로 그리고 낮은 간섭으로 설계되어야 한다. 이것은 특히 무선 에너지 전송을 위한 약 500kHz부터의 고주파 범위에도 적용된다.

이러한 기술적 문제는, 증폭기가 영전압 스위칭(ZVC) 및 영전류 스위칭(ZCV) 모드에서 동작한다는 측정에 의해 청구항 1의 특징에 따라 증폭기에 의해 전력이 충돌되는 적어도 하나의 전송 코일에 의한 유도 전류 전송의 방법에 의해 해결된다.

증폭기의 트랜지스터와 같은 전자 스위치를 전류의 제로 크로싱(zero crossing) 및 전압의 제로 크로싱으로 스위칭함으로써 전자 스위치의 전력 손실이 최소화되고 장애가 크게 회피되므로 고주파에서도 안전하고 안정된 작동이 보장된다.

그러나 동시에 두 가지 조건을 모두 충족시키는 데 적합한 스위칭 모드는 드물다. 이것은 시퀀스 제어로 재조정되며 클래스 DE의 증폭기인 클래스 D 증폭기로 가능하다.

이러한 시퀀스 제어는 독립적이고 자유롭게 프로그램 가능한 논리 유닛 또는 ASIC, 응용 주문형 집적 회로(Application Specific Integrate Circuit)로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 구성적인 실시예에서, 증폭기는 2개의 전자 스위치, 일련의 공진 회로 및 상기 전자 스위치에 할당되는 2개의 커패시티를 갖는 하프 브릿지를 포함하고, 상기 시퀀스 제어는 상기 전자 스위치를 제어하기 위하여 반주기만큼 위상 이동되는 2개의 구형파 신호를 생성하며, 펄스 폭은, 방전 커패시티가 이하의 구형파 신호가 존재할 때 바로 방전되도록 치수가 정해진다.

커패시티는 스위치 용량 자체 또는 적절한 조합에 의해 스위치에 병렬로 연결된 적절한 커패시터에 의해 형성될 수 있다.

펄스 폭 변조는 일반적으로 클래스 D 증폭기의 경우와 같이 전력 제어를 위한 것이 아니라 클래스 DE의 증폭기 모드, 영전압 스위칭 및 영전류 스위칭을 튜닝하기 위한 것이다. 이러한 맥락에서, 시퀀스 제어는 2개의 값을 취할 수 있는 구형파 신호로서 고정된 주파수의 펄스를 생성한다. 그러나, 시퀀스 제어가 구형파 신호로서 미리 설정가능한 펄스 폭의 펄스를 생성한다. 따라서, 이들 마지막 특징을 조합하여, 연속적인 펄스의 두 상승 에지 사이의 거리가 항상 동일하다. 펄스 폭 만 변경된다.

이러한 펄스 폭 변조는 증폭기 전력의 조정을 위한 것이 아니며 언급된 모드에서의 증폭기 작동을 위한 것이다. 전력 제어를 위해, 구형파 신호는 동일하게 이격된 인터벌로 나뉘고, 증폭기의 전력 제어에 있어서, 시퀀스 제어는 인터벌로 미리 설정된 수의 펄스, 시닝 아웃(thinning out)을 생성한다.

펄스가 전송되지 않으면 신호는 0으로 유지되고 에너지는 전송되지 않는다.

하프 브릿지의 스윙 아웃(swing-out)을 위하여, 상기 하프 브릿지는 한쪽으로 단락되며, 이것은 원칙적으로 강제(forced) 스위치-오프를 나타낸다.

유도 전력 전송을 위한 전송기의 최적 동작을 보장하기 위해, 펄스 생성 시퀀스 제어와 하프 브리지 사이에 제어 루프가 더 제공된다. 결과적으로, 하프 브릿지가 최적으로 동작하도록 하프 브릿지의 평가된 신호에 의해 펄스 폭을 조정하는 것이 가능하다. 시퀀스 제어가 데이터 버스를 통해 정보를 수신하는 마이크로컨트롤러는 이러한 목적에 적합하다. 또한, 이러한 정보는 증폭기의 전력 제어를 위한 데이터를 포함할 수 있어서, 최적의 무선 에너지 전송은 상이한 전력 클래스의 장치에 대해서도 가능하다.

전체적으로, 시퀀스 제어가 복합 프로그램 가능 논리 디바이스(CPLD), 프로그램 가능 논리 유닛일 경우, 적절한 것으로 입증되었다. 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA)와 달리, CPLD는 EEPROM 기술을 기반으로 하므로 전원 전압이 손실 될 경우 그 프로그래밍을 잃지 않는다. 대안으로, 응용 주문형 집적 회로가 시퀀스 제어에 이용가능하다.

본 발명의 핵심은 단지 개략적이며 예시적인 표현이 주어지는 도면을 통해 보다 상세히 설명된다.
도 1은 증폭기로서의 인버터의 회로를 도시한다.
도 2는 최적의 펄스 폭 조정을 도시한다.
도 3은 과도하게 큰 펄스 폭 조정을 도시한다.
도 4는 과도하게 작은 펄스 폭 조정을 도시한다.
도 5는 시닝 아웃(thinning out)을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 무선 에너지 전송을 위한 간략화된 블록도이다.

도 1은 트랜지스터와 같은 2개의 전자 스위치(Q₁, Q₂)를 갖는 하프 브릿지(2)를 갖는 인버터로서 본 발명에 따른 방법의 구현을 위한 증폭기(1)의 형성을 도시한다.

2개의 전자 스위치(Q₁, Q₂)의 부하 회로에는 커패시티(C)와 유도율(L_a)을 갖는 직렬 공진 회로(3)가 연결된다. 유도율(L_a)을 갖는 직렬 공진 회로(3)와 직렬로 연결된 추가의 유도율(L_b)은 전송 코일을 형성한다. 부하 회로는 옴 저항(R)을 통해 폐쇄된다.

2개의 커패시티(C₁, C₂)는 전자 스위치(Q₁, Q₂)에 병렬로 연결된다.

전자 스위치(Q₁, Q₂)의 스위치 위치에 따라, 2개의 커패시티(C₁, C₂) 중 하나는 각각 전원 전압(U)으로 충전되거나 부하 회로를 통해 방전된다.

증폭기(1)의 동작을 위해, 전자 스위치(Q₁, Q₂)에는 반주기만큼 위상 이동된 동일한 주파수의 구형파 신호가 필요하다. 그 결과, 유도율(L_a 및 L_b)에서 교류(alternating current)가 발생한다.

유도 에너지 전송의 최고 가능 효율을 위해, 전자 스위치(Q₁, Q₂)는 최적으로 조절된 구형파 신호로 제어되어야 한다. 펄스 폭은 커패시티(C₁, C₂)가 방전 시간(t_D) 내에 부하 회로의 유도 효과를 통해 방전할 수 있는 크기여야 한다. 하나의 펄스가 다른 전자 스위치(Q₂, Q₁)를 구동하고 제 2 커패시티(C₂, C₁)를 충전하기 시작할 때 커패시티(C₁, C₂) 중 하나는 정확하게 방전되어야 한다. 이것은 전압 또는 전류가 각각 제로일 때 펄스가 전자 스위치(Q₁, Q₂)에 정확히 도달하면 증폭기가 영전압 스위칭 및 영전류 스위칭 모드에서 동작하는 경우이다.

도 2는 2개의 상위 좌표계에서 여기서 1로 정규화된 반주기 T/2만큼 위상 이동된 구형파 신호를 도시한다. 2개의 구형파 신호의 펄스 폭은 제로 크로싱에서 전류(i)가 전자 스위치(Q₁ 또는 Q₂)에 의해 각각 스위칭되도록 최적이다. 최하위 좌표계에서 정규화된 제로 크로싱 신호는 제 1 구형파 신호의 에지 상승으로 시작하여 제 2 구형파 신호의 에지 상승으로 끝난다. 제 1 구형파 신호의 하강 에지로부터 제 2 구형파 신호의 상승 에지까지 또는 제 2 구형파 신호의 하강 에지와 제 3 구형파 신호의 상승 에지 까지의 거리는 방전 시간(t_D)에 대응한다.

도 3에서 펄스 폭이 과하게 크게 도시된다. 따라서, 전류(i)의 제로 크로싱은 너무 늦게 나타나거나, 과하게 작은 펄스 폭을 갖는 도 4에서 과하게 일찍 나타난다. 이 두 가지 경우에서 구형파 신호의 스위치-온 시간은 전류(i)의 제로 크로싱과 일치하지 않기 때문에 회로의 효율이 현저히 떨어진다.

최적 펄스 폭의 변조를 위해, 예를 들어 복합 프로그램 가능 논리 디바이스, CLPD 또는 ASIC과 같은 시퀀스 제어가 제공된다. 고정된 주파수, 그러나 미리 설정 가능한 펄스 폭의 펄스를 갖는 이러한 펄스 폭 변조는 증폭기(1)에 의해 전달되는 전력의 조정을 위한 것이 아니라 최적 동작만을 위해, 전자 스위치(Q₁, Q₂)의 정확한 스위칭을 위한 것이다.

그러나, 유도 전송 전력의 조정은 또한 시퀀스 제어에 의해 영향을 받는다. 통상적으로, 시퀀스 제어는 인터벌(4)에서 미리 설정가능한 수의 펄스, 예를 들어도 5의 상위 좌표계에서 20개의 임펄스를 생성한다. 그러나, 유도 전송 전력의 감소를 위해, 이러한 20개의 펄스가 생성되지 않되, 더 적은, 예를 들어 도 5의 하위 좌표계에서 단 10개의 펄스가 생성된다.

이와 관련하여, 2개의 전자 스위치(Q₁, Q₂)는 펄스가 전송되지 않는 시간 동안 유도 에너지 전송이 일어나지 않도록 연결되어야 한다.

도 6은 본 발명에 따른 방법의 마스터 플랜을 단순한 방식으로 도시한다. 부하(5)는 수신 코일(6)을 통해 유도 전류 전송을 위한 전송기(8)의 전송기 코일(7)에 연결된다. 전송기 코일(7)은 상술한 바와 같이 증폭기(9)에 의해 로딩된다. 증폭기(9)의 스위칭 거동을 미리 설정하는 시퀀스 제어(9)는 파선으로 표시된 제어 루프(11)에 의해, 예를 들어, 회로로부터 또는 마이크로컨트롤러(12)를 통해 직접적으로 위상 신호로서 펄스 폭의 조정을 위한 필수 정보를 수신한다. 마이크로컨트롤러(12)는 증폭기(9)의 전력 제어를 위해 예를 들어 부하(5)의 전력 클래스에 관한 추가 정보를 시퀀스 제어(10)에 전송할 수 있다. 따라서, 증폭기(9)의 최적 동작뿐만 아니라 부하(5)에 대한 증폭기(9)의 최적의 전력 제어가 보장된다.

Claims (10)

1. 증폭기에 의해 전력을 공급받는 적어도 하나의 전송 코일에 의한 유도 전류 전송 방법으로서, 상기 증폭기는 영전압 스위칭(ZVC) 및 영전류 스위칭(ZCV) 모드로 작동되는 것을 특징으로 하는 유도 전류 전송 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 증폭기는 시퀀스 제어에 의해 재조정되는 클래스 D 증폭기인 것을 특징으로 하는 유도 전류 전송 방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 증폭기는 2개의 전자 스위치, 일련의 공진 회로 및 상기 전자 스위치에 할당되는 2개의 커패시티를 갖는 하프 브릿지를 포함하는 것, 그리고, 시퀀스 제어는, 상기 전자 스위치를 제어하기 위하여 반주기만큼 위상 이동되는 2개의 구형파 신호를 생성하며, 펄스 폭은, 뒤따르는 구형파 신호가 존재할 때 바로 방전 커패시티가 방전되도록 치수가 정해지는 것을 특징으로 하는, 유도 전류 전송 방법.
4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서, 상기 시퀀스 제어는 구형파 신호로서 고정된 주파수의 펄스를 생성하는 것을 특징으로 하는 유도 전류 전송 방법.
5. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시퀀스 제어는 구형파 신호로서 미리 설정가능한 펄스 폭의 펄스를 생성하는 것을 특징으로 하는 유도 전류 전송 방법.
6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서, 미리 설정가능한 수의 펄스가 동일하게 이격된 인터벌로 나뉘는 것, 그리고, 상기 증폭기의 전력 제어에 있어서, 상기 시퀀스 제어가 미리 설정된 수의 펄스보다 적은 수의 펄스를 상기 인터벌로 생성하는 것을 특징으로 하는 유도 전류 전송 방법.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하프 브릿지의 스윙 아웃(swing-out)을 위하여, 상기 하프 브릿지는 한쪽으로 단락되는 것을 특징으로 하는 유도 전류 전송 방법.
8. 청구항 3 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 펄스 생성 시퀀스 제어와 하프 브릿지 사이의 제어 루프를 특징으로 하는 유도 전류 전송 방법.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 시퀀스 제어는 데이터 버스를 통해 마이크로컨트롤러로부터 전력의 조정을 위한 정보를 수신하는 것을 특징으로 하는 유도 전류 전송 방법.
10. 청구항 2 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시퀀스 제어는 복합 프로그램 가능 논리 디바이스(CPLD) 또는 ASIC인 것을 특징으로 하는 유도 전류 전송 방법.

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