KR20190015782A - 에너지 수집을 이용한 공명 방식의 무선 전력 수신 장치 - Google Patents

에너지 수집을 이용한 공명 방식의 무선 전력 수신 장치 Download PDF

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Abstract

에너지 수집을 이용한 공명 방식의 무선 전력 수신 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 공명 방식의 무선 전력 수신 장치는 공명 방식으로 전송된 무선 전력을 수신하는 인덕터; 상기 인덕터와 병렬로 연결되며, 상기 인덕터를 통해 수신되는 무선 전력의 에너지를 상기 인덕터와의 공진을 통해 전압 형태로 저장하는 커패시터; 상기 인덕터의 제1 측과 상기 커패시터의 제1 측 사이에 연결되는 스위치; 및 상기 커패시터에 저장된 전압이 최대가 되는 경우 상기 스위치를 개방시켜, 상기 커패시터에 저장된 전압을 로드단으로 제공하는 제어부를 포함하고, 상기 스위치와 병렬로 연결되며, 상기 무선 전력의 에너지에 대응하는 상기 인덕터의 전류가 '0'이 되는 순간 상기 커패시터로의 에너지 전달을 자동으로 중단시키는 에너지 제어 수단을 더 포함할 수 있다.

Description

에너지 수집을 이용한 공명 방식의 무선 전력 수신 장치 {Resonant Wireless Power Receiving Apparatus Utilizing Energy Harvesting}
본 발명은 공명 방식의 무선 전력 수신 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 에너지 수집 원리와 동적 매칭 개념을 이용하여 전달되는 전력이 작은 경우에도 에너지 전달 효율을 향상시킬 수 있는 공명 방식의 무선 전력 수신 장치에 관한 것이다.
IOT(Internet of things) 개념이 발전되면서 저전력 센서의 전원 공급 문제가 그 활용성 및 유지비용 등의 측면에서 주요 문제로 부각되고 있으며, 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 및 무선 전력 전송(Wireless Power Transfer) 기술 등이 그 대안으로 개발되고 있다.
종래의 무선 전력 전송 방법에는, 대표적으로 유도 방식의 전력 전송 방법과 공명 방식의 전력 전송 방법이 있는데, 이러한 종래의 무선 전력 전송 방법은, 사용 전력이 비교적 큰 스마트 폰을 대상으로 주로 개발된 것이다.
하지만, 종래 무선 전력 전송 방법은 전력 전송부에서 보내는 전력이 일정 전력 이상으로 전력 수신부에 전달되지 않는 경우 전력 전송 자체가 제대로 이루어지지 않는 문제점이 있다.
또한, 종래 두 가지 방식의 전력 전송 방법 모두, 전력 전송부와 전력 수신부 간의 정렬 및 거리 등의 문제 등으로 전력 수신부에 전달되는 전력이 일정 전력보다 작을 경우 불안정한 동작을 반복하거나 전력 전달 자체가 이루어지지 않는 문제점이 있다.
따라서, 전달되는 전력이 작은 경우에도 에너지 전달 효율을 향상시킬 수 있는 무선 전력 수신 장치의 필요성이 대두된다.
본 발명의 실시예들은, 에너지 수집 원리와 동적 매칭 개념을 이용하여 전달되는 전력이 작은 경우에도 에너지 전달 효율을 향상시킬 수 있는 공명 방식의 무선 전력 수신 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공명 방식의 무선 전력 수신 장치는 공명 방식으로 전송된 무선 전력을 수신하는 인덕터; 상기 인덕터와 병렬로 연결되며, 상기 인덕터를 통해 수신되는 무선 전력의 에너지를 상기 인덕터와의 공진을 통해 전압 형태로 저장하는 커패시터; 상기 인덕터의 제1 측과 상기 커패시터의 제1 측 사이에 연결되는 스위치; 및 상기 커패시터에 저장된 전압이 최대가 되는 경우 상기 스위치를 개방시켜, 상기 커패시터에 저장된 전압을 로드단으로 제공하는 제어부를 포함한다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 공명 방식의 무선 전력 수신 장치는 상기 스위치와 병렬로 연결되며, 상기 무선 전력의 에너지에 대응하는 상기 인덕터의 전류가 '0'이 되는 순간 상기 커패시터로의 에너지 전달을 자동으로 중단시키는 에너지 제어 수단을 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 제어 수단은 상기 인덕터에서 상기 커패시터로 순방향으로 연결되는 다이오드를 포함하되, 상기 다이오드는 패시브 다이오드(passive diode)와 등가적인 동작을 액티브 소자로 구현한 액티브 다이오드(active diode) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 공명 방식의 무선 전력 수신 장치는 공명 방식으로 전송된 무선 전력을 수신하는 제1 인덕터; 상기 제1 인덕터를 통해 수신되는 무선 전력의 에너지를 상기 제1 인덕터와의 공진을 통해 전압 형태로 저장하는 커패시터; 상기 제1 인덕터의 제1 측과 상기 커패시터의 제1 측 사이에 연결되는 제1 스위치; 상기 커패시터의 제1 측과 제1 측이 연결되는 제2 스위치; 상기 제2 스위치의 제2 측과 제1 측이 연결되는 제2 인덕터; 상기 제2 인덕터의 제2 측과 제1 측이 연결되고 상기 커패시터의 제2 측과 제2 측이 연결되는 제3 스위치; 상기 제3 스위치의 제2 측과 제1 측이 연결되고 상기 제1 인덕터의 제2 측과 제2 측이 연결되는 제4 스위치; 및 상기 커패시터에 에너지를 저장하기 위하여 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치를 단락시키고 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치를 개방시키며, 상기 커패시터에 저장된 전압이 최대가 되는 경우 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치를 개방시키고 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치를 단락시킴으로써, 상기 커패시터에 저장된 전압을 로드단으로 제공하는 제어부를 포함한다.
나아가, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 공명 방식의 무선 전력 수신 장치는 상기 제1 스위치와 병렬로 연결되며, 상기 무선 전력의 에너지에 대응하는 상기 제1 인덕터의 전류가 '0'이 되는 순간 상기 커패시터로의 에너지 전달을 자동으로 중단시키는 에너지 제어 수단을 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 제어 수단은 상기 제1 인덕터에서 상기 커패시터로 순방향으로 연결되는 다이오드를 포함하되, 상기 다이오드는 패시브 다이오드(passive diode)와 등가적인 동작을 액티브 소자로 구현한 액티브 다이오드(active diode) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 공명 방식의 무선 전력 수신 장치는 공명 방식으로 전송된 무선 전력을 수신하여 저장하는 복수의 무선 전력 수신부들; 상기 복수의 무선 전력 수신부들 각각으로부터 제공되는 에너지를 로드단으로 제공하는 전력 변환부; 및 상기 복수의 무선 전력 수신부들 각각을 제어하여 상기 복수의 무선 전력 수신부들 각각의 에너지를 상기 전력 변환부로 제공하는 제어부를 포함하고, 상기 무선 전력 수신부들 각각은 공명 방식으로 전송된 무선 전력을 수신하는 제1 인덕터; 상기 제1 인덕터와 병렬로 연결되며, 상기 제1 인덕터를 통해 수신되는 무선 전력의 에너지를 상기 인덕터와의 공진을 통해 전압 형태로 저장하는 커패시터; 및 상기 제1 인덕터의 제1 측과 상기 커패시터의 제1 측 사이에 연결되는 제1 스위치를 포함하며, 상기 제어부는 상기 커패시터에 저장된 전압이 최대가 되는 경우 상기 제1 스위치를 개방시켜, 상기 커패시터에 저장된 전압을 상기 전력 변환부로 제공하는 것을 특징으로 한다.
상기 전력 변환부는 상기 복수의 무선 전력 수신부들 각각으로부터 제공되는 에너지를 복수의 입력 단자들을 통해 수신하고, 상기 수신된 에너지를 하나의 출력 단자를 통해 상기 로드단으로 제공하는 직류-직류 변환기를 포함할 수 있다.
상기 무선 전력 수신부들 각각은 상기 제1 스위치와 병렬로 연결되며, 상기 무선 전력의 에너지에 대응하는 상기 제1 인덕터의 전류가 '0'이 되는 순간 상기 커패시터로의 에너지 전달을 자동으로 중단시키는 에너지 제어 수단을 더 포함할 수 있다.
상기 에너지 제어 수단은 상기 제1 인덕터에서 상기 커패시터로 순방향으로 연결되는 다이오드를 포함하되, 상기 다이오드는 패시브 다이오드(passive diode)와 등가적인 동작을 액티브 소자로 구현한 액티브 다이오드(active diode) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 무선 전력 수신부들 각각은 상기 커패시터의 제1 측과 제1 측이 연결되는 제2 스위치; 상기 제2 스위치의 제2 측과 제1 측이 연결되는 제2 인덕터; 상기 제2 인덕터의 제2 측과 제1 측이 연결되고 상기 커패시터의 제2 측과 제2 측이 연결되는 제3 스위치; 및 상기 제3 스위치의 제2 측과 제1 측이 연결되고 상기 제1 인덕터의 제2 측과 제2 측이 연결되는 제4 스위치를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 커패시터에 에너지를 저장하기 위하여 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치를 단락시키고 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치를 개방시키며, 상기 커패시터에 저장된 전압이 최대가 되는 경우 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치를 개방시키고 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치를 단락시킴으로써, 상기 커패시터에 저장된 전압을 상기 전력 변환부로 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 에너지 수집 원리와 동적 매칭 개념을 이용하여 전달되는 전력이 작은 경우에도 에너지 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
즉 본 발명의 실시예들에 따르면, 에너지 하베스팅에서 적용되는 에너지 수집 원리를 적용하여, 전달되는 전력이 작은 경우에도 높은 효율로 에너지 전달이 가능하고, 또한 이 과정에 필요한 스위치의 단락 또는 개방 시점에 오차가 발생하더라도 안정적인 동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전달되는 전력이 충분히 큰 경우에는 기존의 방법으로 전력을 수신하고, 전달되는 전력이 작은 경우에는 에너지 하베스팅 방식의 에너지 수집 원리를 적용하여 넓은 전력 범위에 대해서 연속적인 전력 전달이 가능하다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 시간 도메인에서의 자유도를 한 단계 더 활용하면, 동적 매칭(Dynamic Matching) 개념을 적용할 수 있으며, 임피던스 매칭 또는 공명 주파수의 정합이 제대로 이루어지지 않은 경우에도 보상이 가능하다.
이러한 본 발명은 전달되는 전력이 작거나 크더라도 넓은 범위의 전력 범위에 대해서 전력 수신이 가능한 방법을 제시함으로써, 동일한 무선 전력 전송 기술로 요구되는 전력이 작은 저전력 센서 노드부터 요구되는 전력이 큰 핸드셋(Handset) 등에도 적용할 수 있다.
도 1은 두 코일의 무선 전력 전송 시스템에 대한 개념도를 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에서 수신 측 전압의 시간에 대한 변화의 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 3은 기존 무선 전력 수신 장치에 대한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에 대한 구성을 나타낸 것이다.
도5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에 대한 구성을 나타낸 것이다.
도6은 도 5의 동작을 설명하기 위한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 7은 도 4의 무선 전력 수신 장치에서 스위칭 타이밍에 대한 민감성을 완화시키기 위한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 8은 도 7의 무선 전력 수신 장치에서 스위칭 타이밍에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
도9는 도 5의 무선 전력 수신 장치에서 스위칭 타이밍에 대한 민감성을 완화시키기 위한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도10은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에 대한 구성을 나타낸 것이다.
도 11은 스위치의 개방 상태가 유지되는 구간의 폭을 조절하여 전류 파형의 한 주기를 바꾸는 개념도를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 실시예들은, 에너지 하베스팅에서 적용되는 에너지 수집 원리를 적용하여, 전달되는 전력이 작은 경우에도 높은 효율로 에너지 전달이 가능하고, 또한 이 과정에 필요한 스위치의 단락 또는 개방 시점에 오차가 발생하더라도 안정적인 동작을 수행할 수 있는 공명 방식의 무선 전력 수신 장치를 제공하는 것을 그 요지로 한다.
도 1은 두 코일의 무선 전력 전송 시스템에 대한 개념도를 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 공명 방식의 무선 전력 전송에서는, 무선 전력 송신 측(Tx)에서 무선 전력 수신 측(Rx)으로 무선 전력이 전달될 뿐만 아니라 수신 측 공진기(Rx Resonator)에 저장된 에너지가 다시 송신 측으로 전달되는 과정을 반복하게 된다.
또한, 송신 측과 수신 측 각각의 인덕터들(L1, L2) 사이에서 에너지가 전달되는 과정을 반복하게 됨으로써, 공명 방식의 무선 전력이 송신되고 수신되게 된다.
도 2는 도 1에서 수신 측 전압의 시간에 대한 변화의 일 예시도를 나타낸 것으로, 수신 측 즉, 무선 전력 수신 장치 내부의 인덕터 전류의 시간에 따를 변화를 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신 장치 즉, 송신 측에서 전달된 에너지가 주기적으로 커졌다 작아졌다 하는 과정을 반복하는 것을 알 수 있으며, 최대점(m1 또는 m2)을 지난 후에 에너지를 주고 받는 과정은 실제 유용한 일로 연결되지 못하는 에너지 로스(Loss)를 유발하게 된다.
이렇게 에너지가 주기적으로 교환되면서 발생하는 에너지 로스를 제거하는 방법으로 인덕터의 전류 또는 커패시터(Capacitor)의 전압이 최대값이 되거나 전류 또는 전류가 '0'이 되는 순간을 이용하는 방법이 있을 수 있으며, 도 2에서의 m1 또는 m2로 표시되는 순간을 이용하는 방법이 있을 수 있다.
도 3은 기존 무선 전력 수신 장치에 대한 일 예시도를 나타낸 것으로, 에너지 로스를 제거하기 위하여 도 3a에 같은 시스템 형태를 이용한 예를 나타낸 것이다.
도 3a와 도 3b에 도시된 바와 같이, 스위치(SW)를 단락된 상태로 유지하여 수신 측 공진기의 에너지를 축적하다가 수신 측 인덕터(L2)의 전류가 최대가 되는 시점 예를 들어, VR이 '0'이 되는 시점에 스위치(SW)를 개방함으로써, 다음 단 즉 로드단(CL, RL)으로 에너지가 전달되도록 하는 방법이다.
즉, 도 3의 기존 무선 전력 수신 장치는 도 3b에 도시된 바와 같이, VR=0이 될 때 스위치를 개방하는 방식으로, 이 방법에서는 스위치의 개방 순간, 출력 전압 VR노드에 샤프(Sharp)한 고전압 피크(High Voltage Peak)가 발생하는 것을 알 수 있다. 이로 인해 기존 무선 전력 수신 장치는 수신 장치에 고전압을 견딜 수 있는 소자가 필요하며, 샤프한 피크로 인해 EMI 노이즈가 발생하고, 오믹 로스(ohmic loss)가 증가되어 효율이 저하되며, 출력 전압을 레귤레이션(Regulation)하기 어려운 문제가 있다.
기본적으로 인덕터에 전류 형태로 저장된 에너지 보다는 커패시터에 전하 또는 전압 형태로 저장된 에너지가 에너지 보존 및 안정적인 제어가 쉽다. 따라서, 전압형태로 에너지를 저장할 수 있는 방법이 필요하며, 도 3과 같이 전류가 최대가 되는 순간을 이용하는 방식보다는 전압이 최대가 되는 순간을 이용하는 방법이 상술한 문제를 해결할 수 있다. 본 발명은 이러한 구현 방법을 제공할 수 있는 무선 전력 수신 장치를 제공한다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에 대한 구성을 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 공명 방식으로 전송된 무선 전력을 수신하는 인덕터(L2), 인덕터(L)로 연결되며, 인덕터를 통해 수신되는 무선 전력의 에너지를 인덕터와의 공진을 통해 전압 형태로 저장하는 커패시터(C2), 인덕터(L2)와 커패시터(C2) 사이에 연결되며 제어부(410)에 의해 단락 또는 개방이 제어되는 스위치(SW1) 및 커패시터에 저장된 전압이 최대가 되는 경우 스위치를 개방시켜, 커패시터에 저장된 전압을 로드(RL)측으로 제공하는 제어부(410)를 포함한다.
즉, 도 4에서는 인덕터 L2 의 전류가 0이 되고 커패시터 C2의 전압이 최대가 되는 순간 스위치 SW1을 개방하게 되면 수신 측(또는 수신 장치) 공진기에 저장되는 최대의 에너지가 커패시터 C2에 저장되게 된다. 이 방법에서는 수신 측에 전달되는 전력이 작을 경우 여러 사이클을 기다려서 최대의 전력이 되는 순간에 에너지를 저장할 수 있어 수신 측에 전달되는 전력이 작을 경우에도 동작이 가능하다.
실제로 이러한 개념은 일종의 에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 개념에 해당하며, 도 3에 도시된 바와 같이, 전압이 최대가 되고 전류가 최대가 되는 순간에 스위치 SW1을 개방하게 되면 전압과 전류에 불연속적인 변동이 발생하지 않는다. 또한 이 방법은 수신 측 자체에서 자체의 전류 또는 전압이 0 또는 최대가 되는 순간을 적응적으로 이용하므로, 임피던스 매칭(impedance matching)이 자동적으로 이루어지게 된다. 따라서 기존의 공명 방식의 전력 전송의 약점을 보완할 수 있다.
반면, 도 4의 방법에서는 일반적인 부하에 대해서 출력 전압의 레귤레이션을 유지하면서 에너지를 전달하는 방법이 불분명할 수 있기에, 본 발명에서는 도 5와 같이 전압이 최대가 되는 순간을 이용하면서도 출력 전압 레귤레이션을 유지할 수 있다.
도5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에 대한 구성을 나타낸 것이고, 도6은 도 5의 동작을 설명하기 위한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 5와 도6을 참조하면, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 송신 측(Tx)에서 공명 방식으로 전송된 무선 전력을 수신하는 제1 인덕터(L2), 제1 인덕터(L2)를 통해 수신되는 무선 전력의 에너지를 제1 인덕터(L2)와의 공진을 통해 전압 형태로 저장하는 커패시터(C2), 제1 인덕터(L2)의 제1 측과 커패시터(C2)의 제1 측 사이에 연결되는 제1 스위치(SW1), 커패시터(C2)의 제1 측과 제1 측이 연결되는 제2 스위치(SW2), 제2 스위치(SW2)의 제2 측과 제1 측이 연결되는 제2 인덕터(L3). 제2 인덕터(L3)의 제2 측과 제1 측이 연결되고 커패시터(C2)의 제2 측과 제2 측이 연결되는 제3 스위치(SW3), 제3 스위치(SW3)의 제2 측과 제1 측이 연결되고 제1 인덕터(L2)의 제2 측과 제2 측이 연결되는 제4 스위치(SW4) 및 커패시터(C2)에 에너지를 저장하기 위하여 제1 스위치(SW1)와 제4 스위치(SW4)를 단락시키고 제2 스위치(SW2)와 제3 스위치(SW3)를 개방시키며, 커패시터(C2)에 저장된 전압이 최대가 되는 경우 제1 스위치(SW1)와 제4 스위치(SW4)를 개방시키고 제2 스위치(SW2)와 제3 스위치(SW3)를 단락시킴으로써, 커패시터(C2)에 저장된 전압을 로드단(CL, RL)으로 제공하는 제어부(510)을 포함한다.
이러한 본 발명의 무선 전력 수신 장치는 도 4에서 설명한 구조의 동작을 이용하면서 출력 전압의 추가적인 승압 및 레귤레이션이 가능한 구조로서, 도 6a에 도시된 바와 같이, SW1과 SW4를 단락하고 SW2와 SW3를 개방함으로써, 상술한 도4의 SW1이 단락된 경우와 동등한 형태를 가지게 된다.
여기서, 수신 측의 에너지가 축적된 후 커패시터 C2의 전압이 최대가 되는 순간 도6b에 도시된 바와 같이 SW1과 SW4를 개방하고, SW2와 SW3를 단락시키면 커패시터 C2 양단의 전압에 의해 L3의 전류가 증가되고 출력단(또는 로드단)에 전달되게 된다. C2는 접지(ground)에서 분리되어 있고 인덕터 L3의 전류에 의해 출력단의 전압이 증가된다.
그리고, 본 발명은 목표 전압이 도달 되었을 때 다시 도 6a와 같은 형태로 다시 전환되며, 이 과정을 반복하여 출력 전압의 승압과 레귤레이션을 수행할 수 있게 된다.
즉, 도 6a는 수신 측 공진기에 에너지를 축적하는 동작을 도시한 것이며, 도 6b는 커패시터 C2에 축적된 에너지를 인덕터 L3를 통해 출력단에 전달하는 동작을 도시한 것으로, 상술한 바와 같이, 도 5의 무선 전력 수신 장치는 전압의 추가적인 승압이 가능하며 출력전압의 제어가 가능하다.
또한, 스위치를 이용하는 회로에서는 스위치를 제어하는 시점의 정확도가 중요하다. 특히, 주파수가 높은 경우에는 도 4에 도시된 스위치 SW1의 개방 시간을 정확히 맞추는 것이 힘들어질 수 있다.
이 경우 작은 지연(delay)이나 오차에 의해 커패시터에 저장되는 에너지에 큰 차이가 발생할 수 있다. 예컨대, Airfuel의 Rezence 표준 방식에서는 6.78[MHz]의 주파수가 전력 전송에 사용되는데 불과 10[ns] 내외의 오차에도 결과에 큰 차이가 발생할 수 있다. 따라서, 무선 전력 수신 장치의 구현 난이도와 비용을 줄이기 위해서는, 이러한 스위칭 타이밍에 대한 민감성을 완화시킬 방안이 필요하다.
도 7은 도 4의 무선 전력 수신 장치에서 스위칭 타이밍에 대한 민감성을 완화시키기 위한 일 예시도를 나타낸 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 도 4에 도시된 무선 전력 수신 장치의 스위치 SW1과 병렬로 연결되며, 무선 전력의 에너지에 대응하는 인덕터의 전류가 '0'이 되는 순간 커패시터 C2로의 에너지 전달을 자동으로 중단시키는 에너지 제어 수단(710)을 포함할 수 있다.
여기서, 에너지 제어 수단(710)은 인덕터 L2에서 커패시터 C2로 순"?袖막? 연결되는 다이오드를 포함하거나 다이오드 기능을 포함하는 회로를 포함할 수 있는데, 다이오드는 패시브 다이오드(passive diode) 또는 액티브 소자로 구현된 액티브 다이오드(active diode)일 수 있다.
구체적으로, SW1의 개방 타이밍이 빠르다 하더라도 에너지 제어 수단 예를 들어, 다이오드 D1에 의해 인덕터 L2의 전류 iL2 형태로 저장된 에너지가 계속 커패시터 C2로 전달되다가 iL2가 '0'이 되는 순간 에너지 전달이 자동으로 중단되게 된다.
도 8은 도 7의 무선 전력 수신 장치에서 스위칭 타이밍에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로, 도 8a는 접지가 가운데에 있는 바이폴라(bipolar) 형태에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이고, 도 8b는 유니폴라(unipolar) 형태에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.
도 8a를 통해 알 수 있듯이, 도 7의 무선 전력 수신 장치는 SW1의 스위칭 타이밍이 빨랐으나 최대 에너지(Maximum Energy)에 가까운 에너지가 전달된 후 저장된 형태를 보여주는 것을 알 수 있다. 즉, SW1의 개방 타이밍이 맞지 않아도 에너지 제어 수단인 다이오드에 의해 최대의 에너지에 가까운 에너지가 커패시터에 저장되는 것을 알 수 있다.
또한, 도 8b를 통해 알 수 있듯이, 스위치 제어 신호인 Vsw와 목표 시점 사이에 큰 오차가 있어서, 커패시터에 저장된 에너지가 거의 최저인 순간에 동작되었지만, 이와 같은 경우에도 본 발명에 따른 무선 전력 수신 장치는 에너지 제어 수단인 다이오드에 의해 최대에 가까운 에너지가 저장되는 것을 알 수 있다.
또한, 타이밍 오차가 있더라도 일정 범위 내에서 유지되는 경우에는, 인덕터 L2의 전류 iL2가 큰 구간에서는 로스(Loss)가 적은 SW1을 통해 전류가 흐르고 전류가 0에 가까워졌을 때 다이오드를 통해 전류가 흐르게 된다. 따라서 다이오드 D1의 순방향 전압과 관련된 로스의 증가는 최소화 될 수 있다.
도9는 도 5의 무선 전력 수신 장치에서 스위칭 타이밍에 대한 민감성을 완화시키기 위한 일 예시도를 나타낸 것으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 도 5에 도시된 무선 전력 수신 장치의 스위칭 SW1에 병렬로 에너지 제어 수단(910) 예를 들어, 다이오드가 연결된 형태를 가지고 있다.
즉, 도 9 또한 도 7과 마찬가지로, 스위치 SW1과 병렬로 연결되며, 무선 전력의 에너지에 대응하는 인덕터의 전류가 '0'이 되는 순간 커패시터 C2로의 에너지 전달을 자동으로 중단시키는 에너지 제어 수단(910)을 포함함으로써, SW1의 개방 타이밍이 빠르다 하더라도 에너지 제어 수단 예를 들어, 다이오드 D1에 의해 인덕터 L2의 전류 iL2 형태로 저장된 에너지가 계속 커패시터 C2로 전달되다가 iL2가 '0'이 되는 순간 에너지 전달이 자동으로 중단되게 된다.
도 8에서 설명한 바와 마찬가지로, 타이밍 오차가 있다 하더라도, 일정 범위 내에서 유지되는 경우에는, 인덕터 L2의 전류 iL2가 큰 구간에서는 로스가 적은 SW1을 통해 전류가 흐르고 전류가 0에 가까워졌을 때 다이오드를 통해 전류가 흐르게 된다. 따라서 다이오드 D1의 순방향 전압과 관련된 로스의 증가는 최소화 될 수 있다.
본 발명의 도 5와 도 9에서 설명한 무선 전력 수신 장치의 경우에는 출력단(또는 로드단)에 에너지를 전달하는 페이즈(phase)에서는 송신 측의 에너지가 수집되지 않는다. 물론, 동작 듀티 비율이 작은 경우에는 도 5와 도 9의 동작 방법으로도 가능하나 연속동작이 필요할 경우, 도10과 같은 구조를 이용할 수 있다.
도10은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 수신 장치에 대한 구성을 나타낸 것으로, 무선 전력 수신부가 두 개로 구성된 경우를 나타낸 것이다.
도10에 도시된 바와 같이, 무선 전력 수신 장치는 공명 방식으로 전송된 무선 전력을 수신하여 저장하는 복수의 무선 전력 수신부들(1010, 1020), 복수의 무선 전력 수신부들(1010, 1020) 각각으로부터 제공되는 에너지를 로드단(또는 출력단)으로 제공하는 전력 변환부(1030); 및 복수의 무선 전력 수신부들(1010, 1020) 각각을 제어하여 복수의 무선 전력 수신부들(1010, 1020) 각각의 에너지를 전력 변환부(1030)로 제공하는 제어부(1040)를 포함한다.
여기서, 도 10에 도시된 무선 전력 수신부들(1010, 1020) 각각은 도 7에 도시된 무선 전력 수신 장치의 인덕터 L2, 다이오드 D1, 스위치 SW1과 커패시터 C2를 포함할 수 있다. 물론, 도 10의 무선 전력 수신부들 각각은 도7의 무선 전력 수신 장치로 한정되지 않으며, 도 4에 도시된 무선 전력 수신 장치, 도 5에 도시된 무선 전력 수신 장치 및 도 9에 도시된 무선 전력 수신 장치 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
이 때, 제어부(1040)는 무선 전력 수신부들(1010, 1020) 각각의 커패시터에 저장된 전압이 최대가 되는 경우 해당 무선 전력 수신부의 스위치 SW1를 개방시켜, 커패시터 C2에 저장된 전압을 전력 변환부(1030) 순차적으로 제공할 수 있다. 즉, 제어부(1040)는 무선 전력 수신부들(1010, 1020) 각각을 제어함으로써, 무선 전력 수신부들(1010, 1020) 각각에서 에너지를 저장하는 페이즈를 순차적으로 제어하고, 저장된 에너지를 전력 변환부(1030)로 출력하는 페이즈를 순차적으로 제어하여 에너지를 연속적으로 로드단으로 제공할 수 있다.
전력 변환부(1030)는 복수의 무선 전력 수신부들(1010, 1020) 각각으로부터 제공되는 에너지를 복수의 입력 단자들을 통해 수신하고, 수신된 에너지를 하나의 출력 단자를 통해 로드단으로 제공하는 멀티 입력 싱글 출력 직류-직류 변환기(multi-input single-output DC-DC converter)를 포함할 수 있으며, 직류-직류 변환기는 용도에 따라 벅 컨버터(Buck converter), 부스트(Boost converter), 벅-부스트 컨버터(Buck-Boost converter) 등 또는 그 외의 형태를 포함할 수 있다.
비록, 도 10에서 두 개의 무선 전력 수신부들을 나타내었으나 세 개 이상의 무선 전력 수신부들을 이용하여 순차적으로 에너지를 수집할 수도 있다.
상술한 본 발명에 따른 장치에서, 공명 방식의 전력 전송 방법에서 나타날 수 있는 또 하나의 문제는 송신 측과 수신 측 간의 공명주파수에 서로 차이가 생길 경우 전력 전송이 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 상술한 스위치의 개방 시점 뿐만 아니라 스위치가 개방 상태를 유지하는 구간의 폭 또한 제어함으로써, 이에 대한 문제를 해결할 수도 있다.
즉, 스위치의 개방 상태를 유지하는 구간의 폭을 조절함으로써, 도 11에 도시된 바와 같은 전류 파형을 만들 수 있으며, 이러한 스위치의 개방 상태가 유지되는 구간의 폭 즉, toff 조절을 통해 한 주기가 연장되는 효과를 가지며 공명 주파수를 바꾸는 효과를 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 스위치의 개방 상태가 유지되는 구간의 폭 조절을 통해 인덕터의 실효 인덕턴스(effective inductance)를 바꾸는 효과를 가질 수 있다(E. Waffenschimidt, "Dynamic Resonant Matching Method for a Wireless Power Transmission Receiver," IEEE Trans. On Power Electronics, Vol. 30, No. 11, Nov. 2015.).
이상에서 설명된 시스템 또는 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 시스템, 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
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 (12)

  1. 공명 방식으로 전송된 무선 전력을 수신하는 인덕터;
    상기 인덕터와 병렬로 연결되며, 상기 인덕터를 통해 수신되는 무선 전력의 에너지를 상기 인덕터와의 공진을 통해 전압 형태로 저장하는 커패시터;
    상기 인덕터의 제1 측과 상기 커패시터의 제1 측 사이에 연결되는 스위치; 및
    상기 커패시터에 저장된 전압이 최대가 되는 경우 상기 스위치를 개방시켜, 상기 커패시터에 저장된 전압을 로드단으로 제공하는 제어부
    를 포함하는 공명 방식의 무선 전력 수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치와 병렬로 연결되며, 상기 무선 전력의 에너지에 대응하는 상기 인덕터의 전류가 '0'이 되는 순간 상기 커패시터로의 에너지 전달을 자동으로 중단시키는 에너지 제어 수단
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공명 방식의 무선 전력 수신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 에너지 제어 수단은
    상기 인덕터에서 상기 커패시터로 순방향으로 연결되는 다이오드
    를 포함하되,
    상기 다이오드는
    패시브 다이오드(passive diode)와 등가적인 동작을 액티브 소자로 구현한 액티브 다이오드(active diode) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 공명 방식의 무선 전력 수신 장치.
  4. 공명 방식으로 전송된 무선 전력을 수신하는 제1 인덕터;
    상기 제1 인덕터를 통해 수신되는 무선 전력의 에너지를 상기 제1 인덕터와의 공진을 통해 전압 형태로 저장하는 커패시터;
    상기 제1 인덕터의 제1 측과 상기 커패시터의 제1 측 사이에 연결되는 제1 스위치;
    상기 커패시터의 제1 측과 제1 측이 연결되는 제2 스위치;
    상기 제2 스위치의 제2 측과 제1 측이 연결되는 제2 인덕터;
    상기 제2 인덕터의 제2 측과 제1 측이 연결되고 상기 커패시터의 제2 측과 제2 측이 연결되는 제3 스위치;
    상기 제3 스위치의 제2 측과 제1 측이 연결되고 상기 제1 인덕터의 제2 측과 제2 측이 연결되는 제4 스위치; 및
    상기 커패시터에 에너지를 저장하기 위하여 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치를 단락시키고 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치를 개방시키며, 상기 커패시터에 저장된 전압이 최대가 되는 경우 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치를 개방시키고 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치를 단락시킴으로써, 상기 커패시터에 저장된 전압을 로드단으로 제공하는 제어부
    를 포함하는 공명 방식의 무선 전력 수신 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 스위치와 병렬로 연결되며, 상기 무선 전력의 에너지에 대응하는 상기 제1 인덕터의 전류가 '0'이 되는 순간 상기 커패시터로의 에너지 전달을 자동으로 중단시키는 에너지 제어 수단
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공명 방식의 무선 전력 수신 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 에너지 제어 수단은
    상기 제1 인덕터에서 상기 커패시터로 순방향으로 연결되는 다이오드
    를 포함하되,
    상기 다이오드는
    패시브 다이오드(passive diode)와 등가적인 동작을 액티브 소자로 구현한 액티브 다이오드(active diode) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 공명 방식의 무선 전력 수신 장치.
  7. 공명 방식으로 전송된 무선 전력을 수신하여 저장하는 복수의 무선 전력 수신부들;
    상기 복수의 무선 전력 수신부들 각각으로부터 제공되는 에너지를 로드단으로 제공하는 전력 변환부; 및
    상기 복수의 무선 전력 수신부들 각각을 제어하여 상기 복수의 무선 전력 수신부들 각각의 에너지를 상기 전력 변환부로 제공하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 무선 전력 수신부들 각각은
    공명 방식으로 전송된 무선 전력을 수신하는 제1 인덕터;
    상기 제1 인덕터와 병렬로 연결되며, 상기 제1 인덕터를 통해 수신되는 무선 전력의 에너지를 상기 제1 인덕터와의 공진을 통해 전압 형태로 저장하는 커패시터; 및
    상기 제1 인덕터의 제1 측과 상기 커패시터의 제1 측 사이에 연결되는 제1 스위치
    를 포함하며,
    상기 제어부는
    상기 커패시터에 저장된 전압이 최대가 되는 경우 상기 제1 스위치를 개방시켜, 상기 커패시터에 저장된 전압을 상기 전력 변환부로 제공하는 공명 방식의 무선 전력 수신 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전력 변환부는
    상기 복수의 무선 전력 수신부들 각각으로부터 제공되는 에너지를 복수의 입력 단자들을 통해 수신하고, 상기 수신된 에너지를 하나의 출력 단자를 통해 상기 로드단으로 제공하는 직류-직류 변환기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 공명 방식의 무선 전력 수신 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신부들 각각은
    상기 제1 스위치와 병렬로 연결되며, 상기 무선 전력의 에너지에 대응하는 상기 제1 인덕터의 전류가 '0'이 되는 순간 상기 커패시터로의 에너지 전달을 자동으로 중단시키는 에너지 제어 수단
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공명 방식의 무선 전력 수신 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 에너지 제어 수단은
    상기 제1 인덕터에서 상기 커패시터로 순방향으로 연결되는 다이오드
    를 포함하되,
    상기 다이오드는
    패시브 다이오드(passive diode)와 등가적인 동작을 액티브 소자로 구현한 액티브 다이오드(active diode) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 공명 방식의 무선 전력 수신 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신부들 각각은
    상기 커패시터의 제1 측과 제1 측이 연결되는 제2 스위치;
    상기 제2 스위치의 제2 측과 제1 측이 연결되는 제2 인덕터;
    상기 제2 인덕터의 제2 측과 제1 측이 연결되고 상기 커패시터의 제2 측과 제2 측이 연결되는 제3 스위치; 및
    상기 제3 스위치의 제2 측과 제1 측이 연결되고 상기 제1 인덕터의 제2 측과 제2 측이 연결되는 제4스위치
    를 더 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 커패시터에 에너지를 저장하기 위하여 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치를 단락시키고 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치를 개방시키며, 상기 커패시터에 저장된 전압이 최대가 되는 경우 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치를 개방시키고 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치를 단락시킴으로써, 상기 커패시터에 저장된 전압을 상기 전력 변환부로 제공하는 것을 특징으로 하는 공명 방식의 무선 전력 수신 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 무선 전력 수신 장치를 포함하는 전력 수신부; 및
    공명 방식으로 무선 전력을 상기 전력 수신부로 전송하는 전력 송신부
    를 포함하는 공명 방식의 무선 전력 장치.
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