KR20190040289A - 인터리빙된 정류기들을 갖는 무선 전력 전송 시스템 - Google Patents

인터리빙된 정류기들을 갖는 무선 전력 전송 시스템 Download PDF

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KR20190040289A
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Abstract

무선 전력 수신기(300)는 임피던스 매칭 네트워크(C3A', C3A'', C3B', C3B'')에 결합되고, 임피던스 매칭 네트워크는 제1 출력 노드(N3) 및 제2 출력 노드(N4)를 가진다. 제1 양의 리액턴스(X4A)를 갖는 컴포넌트(L4A, C4A)를 갖는 제1 브랜치 및 제1 음의 리액턴스(X4B)를 갖는 컴포넌트(L4B, C4B)를 갖는 제2 브랜치는 제1 출력 노드(N3)에 결합되고, 제1 양의 리액턴스(X4A)의 절대값은 제1 음의 리액턴스(X4B)의 절대값과 상이하고, 제2 양의 리액턴스(X4C)를 갖는 컴포넌트(L4C, C4C)를 갖는 제3 브랜치 및 제2 음의 리액턴스(X4D)를 갖는 컴포넌트(L4D, C4D)를 갖는 제4 브랜치는 제2 출력 노드(N4)에 결합되고, 제2 양의 리액턴스(X4C)의 절대값은 제2 음의 리액턴스(X4D)의 절대값과 상이하다.

Description

인터리빙된 정류기들을 갖는 무선 전력 전송 시스템
관련 출원의 상호참조
본 특허출원은 그 전체가 참조로서 본 명세서에 통합되는 2016년 8월 24일에 출원된 "인터리빙된 정류기들을 갖는 무선 전력 수신기들"이라는 제목의 미국 특허 가출원 제62/379,042호, 및 2016년 10월 25일에 출원된 "인터리빙된 정류기들을 갖는 무선 전력 수신기들"이라는 제목의 미국 특허 가출원 제62/412,595호의 우선권을 주장한다.
기술분야
본 개시내용은 일반적으로 무선 전력 시스템들에 관한 것이고, 더 구체적으로는 본 개시내용은 무선 전력 시스템들 내의 무선 전력 수신기들을 위한 정류기들(rectifiers)에 관한 것이다.
무선 전력 시스템들은 큰 전압 범위들을 갖는 배터리들을 충전하는 데 사용될 수 있다. 무선 전력 송신기로부터 수신기로 전력을 효율적으로 송신하는 데에 있어서의 주요 과제는 큰 전압 범위에 응답하기 위해 매칭될 필요가 있는 임피던스들의 범위이다. 더 나아가, 실제 무선 전력 시스템들에서, 무선 전력 시스템의 수신기의 발진(oscillating) 에너지의 기본 주파수와 관련된 상당한 양의 고조파 성분(harmonic content)이 있다.
하나의 실시예에 따르면, 무선 전력 수신기는 임피던스 매칭 네트워크(impedance matching network)에 결합된 수신기 공진기를 포함하고, 임피던스 매칭 네트워크는 제1 노드 및 제2 노드를 가진다. 제1 양의 리액턴스를 갖는 제1 브랜치(branch) 및 제1 음의 리액턴스를 갖는 제2 브랜치는 제1 노드에 결합되고, 제1 양의 리액턴스의 절대값은 제1 음의 리액턴스의 절대값과 상이하며, 제2 양의 리액턴스를 갖는 제3 브랜치 및 제2 음의 리액턴스를 갖는 제4 브랜치는 제2 노드에 결합되고, 제2 양의 리액턴스의 절대값은 제2 음의 리액턴스의 절대값과 상이하다. 수신기는 제1 브랜치에 결합된 제1 정류기 입력을 갖는 제1 정류기, 제2 브랜치에 결합된 제2 정류기 입력을 갖는 제2 정류기, 제3 브랜치에 결합된 제3 정류기 입력을 갖는 제3 정류기, 및 제4 브랜치에 결합된 제4 정류기 입력을 갖는 제4 정류기를 더 포함한다.
관련된 실시예에서, 제1 음의 리액턴스의 절대값은 제1 양의 리액턴스의 절대값과 적어도 4% 상이하고, 제2 음의 리액턴스의 절대값은 제2 양의 리액턴스의 절대값과 적어도 4% 상이하다. 임의로(optionally), 제1 음의 리액턴스의 절대값은 제1 양의 리액턴스의 절대값과 적어도 10% 상이하고, 제2 음의 리액턴스의 절대값은 제2 양의 리액턴스의 절대값과 적어도 10% 상이하다. 임의로, 제1 음의 리액턴스의 절대값은 제1 양의 리액턴스의 절대값과 적어도 20% 상이하고, 제2 음의 리액턴스의 절대값은 제2 양의 리액턴스의 절대값과 적어도 20% 상이하다.
다른 관련된 실시예에서, 무선 전력 수신기에 의한 전자기 에너지의 수신 동안, 제1 브랜치에 제1 전류가 형성되고 제2 브랜치에 제2 전류가 형성되고, 제1 전류의 크기(magnitude)는 제2 전류의 크기의 30% 이내이며, 제3 브랜치에 제3 전류가 형성되고 제4 브랜치에 제4 전류가 형성되고, 제3 전류의 크기는 제4 전류의 크기의 30% 이내이며, 각각의 전류들은 기본 주파수 f0 및 기본 주파수의 적어도 하나의 고조파 주파수 fh에서 발진한다.
또 다른 관련된 실시예에서, 수신기는 Vlow 내지 Vhigh의 전압 범위로 배터리에 전력을 전달하도록 구성되고, 배터리는 제1 및 제2 정류기들의 출력에 결합되며, Vlow 내지 0.5(Vlow + Vhigh)의 전압들에 대해, (i) 제1 전류의 크기는 제2 전류의 크기의 30% 이내이고 (ii) 제3 전류의 크기는 제4 전류의 크기의 30% 이내이다. 임의로, 청구항 4의 무선전력 수신기에서, 전압 Vlow에 대해, 제1 전류의 크기는 제2 전류의 상기 크기의 10% 이내이고 제3 전류의 크기는 제4 전류의 크기의 10% 이내이다.
관련된 실시예에서, 각각의 정류기는 양의 출력 및 음의 출력을 갖고, 정류기들의 양의 출력들은 제1 출력 노드를 형성하도록 결합되고 정류기들의 음의 출력들은 제2 출력 노드를 형성하도록 결합된다. 임의로, 제1 출력 노드 및 제2 출력 노드는 단일 부하(load)에 결합된다. 다른 관련된 실시예에서, 제1 출력 노드 및 제2 출력 노드는 스무딩(smoothing) 커패시터에 결합되고, 스무딩 커패시터는 부하와 병렬로 결합되도록 구성된다.
다른 관련된 실시예에서, 임피던스 매칭 네트워크는 무선 전력 수신기가 다양한 기본 주파수 f0를 수용할 수 있도록 제1 노드에 결합된 제1 튜닝가능한(tunable) 요소 및 제2 노드에 결합된 제2 튜닝가능한 요소를 포함한다. 임의로, 제1 튜닝가능한 요소 및 제2 튜닝가능한 요소는 각각 튜닝가능한 커패시터를 포함한다.
관련된 실시예에서, 각각의 제1, 제2, 제3, 및 제4 정류기들은 하프 브리지(half bridge) 정류기이다. 임의로, 제1 정류기 및 제3 정류기가 풀 브리지 정류기를 형성하도록 결합되고, 제2 및 제4 정류기들이 풀 브리지 정류기를 형성하도록 결합된다. 임의로, 제1, 제2, 제3, 및 제4 정류기들은 다이오드 정류기들 또는 스위칭 정류기들 중 어느 하나이다.
다른 관련된 실시예에서, 제1 브랜치 및 제3 브랜치는 각각 제1 인덕터 및 제1 커패시터를 포함하고, 제1 인덕터의 리액턴스 값의 절대값은 제1 커패시턴스의 리액턴스 값의 절대값보다 크다. 임의로, 제2 브랜치 및 제4 브랜치는 각각 제2 인덕터 및 제2 커패시터를 포함하고, 제2 인덕터의 리액턴스 값의 절대값은 제2 커패시터의 리액턴스 값의 절대값보다 작다.
또 다른 관련된 실시예에서, 제1 인덕터의 인덕턴스 값은 제2 인덕터의 인덕턴스 값과 대략 동일하다. 임의로, 기본 주파수 f0는 85 kHz이다. 임의로 또는 대안적으로(alternatively), 기본 주파수 f0는 6.78 MHz이다.
다른 실시예에 따르면, 차량 충전 시스템은 임피던스 매칭 네트워크에 결합된 수신기 공진기를 갖는 무선 전력 수신기를 포함하고, 임피던스 매칭 네트워크는 제1 노드 및 제2 노드를 갖는다. 제1 양의 리액턴스를 갖는 제1 브랜치 및 제1 음의 리액턴스를 포함하는 제2 브랜치가 제1 노드에 결합되고, 제1 양의 리액턴스의 절대값은 제1 음의 리액턴스의 절대값과 상이하며, 제2 양의 리액턴스를 갖는 제3 브랜치 및 제2 음의 리액턴스를 갖는 제4 브랜치가 제2 노드에 결합되고, 제2 양의 리액턴스의 절대값은 제2 음의 리액턴스의 절대값과 상이하다. 수신기는 제1 브랜치에 결합된 제1 정류기 입력을 갖는 제1 정류기, 제2 브랜치에 결합된 제2 정류기 입력을 갖는 제2 정류기, 제3 브랜치에 결합된 제3 정류기 입력을 갖는 제3 정류기, 및 제4 브랜치에 결합된 제4 정류기 입력을 갖는 제4 정류기를 더 포함한다. 차량 충전기 시스템은 제1 출력 노드 및 제2 출력 노드에 결합된 차량 배터리를 더 포함하고, 제1 출력 노드는 제1 정류기의 출력 및 제3 정류기의 출력으로부터 형성되고, 제2 출력 노드는 제2 정류기의 출력 및 제4 정류기의 출력으로부터 형성된다.
관련된 실시예에서, 제1 음의 리액턴스의 절대값은 제1 양의 리액턴스의 절대값과 적어도 4% 상이하고, 제2 음의 리액턴스의 절대값은 제2 양의 리액턴스의 절대값과 적어도 4% 상이하다. 임의로, 제1 음의 리액턴스의 절대값은 제1 양의 리액턴스의 절대값과 적어도 10% 상이하고, 제2 음의 리액턴스의 절대값은 제2 양의 리액턴스의 절대값과 적어도 10% 상이하다. 임의로, 제1 음의 리액턴스의 절대값은 제1 양의 리액턴스의 절대값과 적어도 20% 상이하고, 제2 음의 리액턴스의 절대값은 제2 양의 리액턴스의 절대값과 적어도 20% 상이하다.
다른 관련된 실시예에서, 무선 전력 수신기에 의한 전자기 에너지의 수신 동안, 제1 전류가 제1 브랜치에서 형성되고 제2 전류가 제2 브랜치에서 형성되며, 제1 전류의 크기는 제2 전류의 크기의 30% 이내이고, 제3 전류가 제3 브랜치에서 형성되고 제4 전류가 제4 브랜치에서 형성되며, 제3 전류의 크기는 제4 전류의 크기의 30% 이내이며, 각각의 전류들은 기본 주파수 f0 및 기본 주파수의 적어도 하나의 고조파 주파수 fh에서 발진한다.
또 다른 관련된 실시예에서, 수신기는 Vlow 내지 Vhigh의 전압 범위로 배터리에 전력을 전달하도록 구성되고, 배터리는 제1 및 제2 정류기들의 출력에 결합되며, Vlow 내지 0.5(Vlow + Vhigh)의 전압들에 대해, (i) 제1 전류의 크기는 제2 전류의 크기의 30% 이내이고 (ii) 제3 전류의 크기는 제4 전류의 크기의 30% 이내이다. 임의로, 청구항 4의 무선 전력 수신기에서, 전압 Vlow에 대해, 제1 전류의 크기는 제2 전류의 크기의 10% 이내이고 제3 전류의 크기는 제4 전류의 크기의 10% 이내이다.
관련된 실시예에서, 각각의 정류기는 양의 출력 및 음의 출력을 갖고, 정류기들의 양의 출력들은 제1 출력 노드를 형성하도록 결합되고 정류기들의 음의 출력들은 제2 출력 노드를 형성하도록 결합된다. 임의로, 제1 출력 노드 및 제2 출력 노드는 단일 부하에 결합된다. 다른 관련된 실시예에서, 제1 출력 노드 및 제2 출력 노드는 스무딩 커패시터에 결합되고, 스무딩 커패시터는 부하와 병렬로 결합되도록 구성된다.
다른 관련된 실시예에서, 임피던스 매칭 네트워크는 무선 전력 수신기가 다양한 기본 주파수 f0를 수용할 수 있도록 제1 노드에 결합된 제1 튜닝가능한 요소 및 제2 노드에 결합된 제2 튜닝가능한 요소를 포함한다. 임의로, 제1 튜닝가능한 요소 및 제2 튜닝가능한 요소는 각각 튜닝가능한 커패시터를 포함한다.
관련된 실시예에서, 각각의 제1, 제2, 제3, 및 제4 정류기들은 하프 브리지 정류기이다. 임의로, 제1 정류기 및 제3 정류기가 풀 브리지 정류기를 형성하도록 결합되고, 제2 및 제4 정류기들이 풀 브리지 정류기를 형성하도록 결합된다. 임의로, 제1, 제2, 제3, 및 제4 정류기들은 다이오드 정류기들 또는 스위칭 정류기들 중 어느 하나이다.
다른 관련된 실시예에서, 제1 브랜치 및 제3 브랜치는 각각 제1 인덕터 및 제1 커패시터를 포함하고, 제1 인덕터의 리액턴스 값의 절대값은 제1 커패시턴스의 리액턴스 값의 절대값보다 크다. 임의로, 제2 브랜치 및 제4 브랜치는 각각 제2 인덕터 및 제2 커패시터를 포함하고, 제2 인덕터의 리액턴스 값의 절대값은 제2 커패시터의 리액턴스 값의 절대값보다 작다.
또 다른 관련된 실시예에서, 제1 인덕터의 인덕턴스 값은 제2 인덕터의 인덕턴스 값과 대략 동일하다. 임의로, 기본 주파수 f0는 85 kHz이다. 임의로 또는 대안적으로, 기본 주파수 f0는 6.78 MHz이다.
본 기술분야의 통상의 기술자는 바로 아래에 요약된 도면들을 참조해 설명되는 아래의 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용"으로부터 다양한 실시예들의 이점들을 완전히 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 인터리빙된(interleaved) 정류기를 갖는 무선 전력 수신기를 포함하는 예시적인 무선 전력 시스템의 도면이다.
도 2는 인터리빙된 정류기를 갖는 무선 전력 수신기의 예시적인 회로 구현의 도면이다.
도 3은 인터리빙된 정류기를 갖는 무선 전력 수신기의 예시적인 회로 구현의 개략도이다.
도 4는 인터리빙된 정류기를 갖는 무선 전력 수신기의 부분의 예시적인 실시예의 개략도이다. 도 5a는 무선 전력 수신기의 매칭 네트워크에서 인덕터들 L4A, L4B, L4C, 및 L4D 중 2개 이상을 위해 사용될 수 있는 통합된 인덕터들의 예시적인 실시예의 도면이다. 도 5b는 무선 전력 수신기의 매칭 네트워크에서 4개의 인덕터들 L4A, L4B, L4C, 및 L4D를 위해 사용될 수 있는 통합된 인덕터들의 예시적인 실시예의 도면이다.
도 6a는 예시적인 무선 전력 수신기의 보상되지 않은 리액턴스를 갖는 임피던스 매칭 네트워크에서의 전류 레벨들의 플롯(plot)이다. 도 6b는 예시적인 무선 전력 수신기에서 보상된 리액턴스를 갖는 임피던스 매칭 네트워크에서의 전류 레벨들의 플롯이다.
도 7a는 보상되지 않은 및 보상된 리액턴스들의 다양한 구성들을 갖는 수신기들을 위한 배터리 전압 Vbatt의 함수로서의 입력 저항 Rin의 플롯이다. 도 7b는 배터리 전압 Vbatt의 함수로서의 입력 리액턴스 Xin의 플롯이다. 도 7c는 보상되지 않은 및 보상된 리액턴스들의 다양한 구성들을 갖는 수신기들을 위한 배터리 전압 Vbatt의 함수로서의 입력 저항 Rin의 플롯이다. 도 7d는 배터리 전압 Vbatt의 함수로서의 입력 리액턴스 Xin의 플롯이다.
예시적인 실시예들에서, 무선 전력 시스템들은 인터리빙된 정류기들을 갖는 수신기들을 포함한다. 더 나아가, 이들 무선 전력 수신기들은 에너지를 수신 요소로부터 부하로 효율적으로 결합하는 컴포넌트들을 포함한다. 정류기는 일반적으로 직류(direct current) 또는 정전압(constant voltage)을 필요로 하는 부하들을 위해 요구된다. 인터리빙된 정류기들은 아래에 자세히 설명된 대로 무선 전력 시스템들에서 다수의 이점들을 가질 수 있다. 이들 이점들 중 일부는 (i) 무선 전력 시스템이 경험하는 부하 임피던스들의 범위의 감소; (ii) 무선 전력 송신기에 의해 송신되는 전체 및 감소된 전력 레벨들에서의 효율성 향상; (iii) 송신기가 디튜닝(detuned)될 때 보다 쉬운 시스템 제어; (iv) 인터리빙된 정류기가 없는 것들과 비교해서 무선 전력 시스템의 컴포넌트들의 설치 공간(footprint)의 유지 또는 감소; (v) 넓은 범위의 배터리 전압들에 대한 효율성 향상; 및/또는 (vi) 정류기 컴포넌트들에 대한 스트레스 감소. 예시적인 실시예들의 상세들이 아래에 논의된다.
도 1은 아래에 보다 완전하게 설명되는 인터리빙된 정류기를 갖는 무선 전력 수신기를 포함하는 무선 전력 시스템(100)의 예시적인 실시예의 고수준 기능 블록도를 도시한다. 시스템의 입력 전력은 예를 들어, AC/DC 컨버터(converter) 블록(102)에서 DC로 전환되는 벽 전력(wall power)(AC 메인)에 의해 제공될 수 있다. 대안적으로, DC 전압은 배터리 또는 다른 DC 공급원(supply)으로부터 직접적으로 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, AC/DC 컨버터(converter) 블록(102)은 역률 정정(power factor correction)(PFC) 스테이지일 수 있다. PFC는 AC 입력(예를 들어, 50 또는 60 Hz)을 DC로 전환하는 것에 더해, 전류가 전압과 실질적으로 동위상이도록 전류를 조절할 수 있다. 고효율 스위칭 인버터(inverter) 또는 증폭기(amplifier)(104)는 DC 전압을 송신기 공진기(resonator)(106)를 구동하는 데 사용되는 AC 전압 파형으로 전환한다. 일부 실시예들에서, AC 전압 파형의 주파수는 80 내지 90 kHz 범위일 수 있다. 일부 실시예들에서, AC 전압 파형의 주파수는 10 kHz 내지 15 MHz 범위일 수 있다. 하나의 특정한 실시예에서, AC 전압 파형의 주파수는 대략 6.78 MHz로, FCC 및 CISPR 규제들 때문에 15 kHz 내에서 다를 수 있다. 이들 예시적인 주파수들은 무선 전력 시스템의 "작동 주파수"로 불릴 수 있다.
예시적인 시스템(100)에서, 송신기 임피던스 매칭 네트워크(transmitter impedance matching network)(Tx IMN)(108)는 인버터(104) 출력을 송신기 공진기(106)에 효율적으로 결합하고, 효율적인 스위칭-증폭기 작동을 가능하게 할 수 있다. 클래스 D 또는 E 스위칭 증폭기들은 많은 응용들에 적합하고, 최고 효율을 위한 유도성 부하 임피던스를 요구할 수 있다. Tx IMN(108)은 송신기 공진기 임피던스를 인버터(104)를 위한 그러한 임피던스로 전환한다. 송신기 공진기 임피던스는 예를 들어, 수신기 공진기(110) 및/또는 출력 부하에 커플링에 의해 로드될 수 있다. 송신기 공진기(106)에 의해 생성된 자기장은 수신기 공진기(110)에 결합되고, 그것에 의해 수신기 공진기(110)의 전압을 유도한다. 이 에너지는 예를 들어, 부하에 직접적으로 전력을 공급하거나 배터리를 충전하기 위해 수신기 공진기(110)로부터 결합될 수 있다. 수신기 임피던스 매칭 네트워크(IMN)(112)는 수신기 공진기(110)로부터 부하(114)에 에너지를 효율적으로 결합하고 송신기 공진기(106)와 수신기 공진기(110) 사이의 전력 전송을 최적화하는 데 사용될 수 있다. 그것은 실제 부하 임피던스를 최적 효율의 부하에 더 가깝게 매칭하는 수신기 공진기(110)가 보는 효율적인 부하 임피던스로 전환할 수 있다. 직류 또는 정전압(또한 DC 전압으로 알려짐)을 요구하는 부하들을 위해서, 정류기(116)는 수신된 AC 전력을 DC로 전환한다. 실시예들에서, 송신기(118) 및 수신기(120)는 각각 필터들, 센서들, 및 다른 컴포넌트들을 더 포함할 수 있다.
임피던스 매칭 네트워크들(IMN들)(108, 112)은 원하는 주파수(예를 들어, 80 - 90 kHz, 100 - 200 kHz, 6.78 MHz)에서 부하(114)에 전달되는 전력을 최대화하거나 전력 전달 효율을 최대화 하도록 설계될 수 있다. IMN들(108, 112)의 임피던스 매칭 컴포넌트들은 공진기들(106, 110)의 고품질 요소(Q) 값을 보존하기 위해 선택되고 연결될 수 있다.
IMN들(108, 112)의 컴포넌트들은 예를 들어, 커패시터 또는 커패시터들의 네트워크들, 인덕터 또는 인덕터들의 네트워크들, 또는 커패시터들, 인덕터들, 다이오드들, 스위치들, 및 저항들(resistors)의 다양한 조합을 포함할 수 있다. IMN들의 컴포넌트들은 조정할 수 있고(adjustable) 및/또는 가변적(variable)일 수 있으며, 시스템의 효율성 및 작동점에 영향을 주도록 제어될 수 있다. 임피던스 매칭은 커패시턴스를 변경하고, 인덕턴스를 변경하고, 공진기의 연결점을 제어하고, 자성 물질의 투자율(permeability)을 조정하고, 바이어스 필드를 제어하고, 여기(excitation)의 주파수를 조정하는 등에 의해 수정될 수 있다. 고정된 매칭(예를 들어, 고정 인덕턴스, 커패시턴스 등), 고정된 주파수, 고정된 입력 전압 등을 갖는 시스템은 일정 작동 조건들에서 임피던스 매칭을 달성할 수 있는 것이 이해된다. 가변 주파수, 입력 전압, 또는 컴포넌트들의 실효 값(effective value)은 매칭 및/또는 출력을 바꿀 수 있다. 임피던스 매칭은 임의의 수의 버랙터들(varactors), 버랙터 어레이들, 스위칭된 요소들, 커패시터 뱅크들(capacitor banks), 스위칭된 및 튜닝가능한 요소들, 역 바이어스 다이오드들, 공기 갭(air gap) 커패시터들, 압축 커패시터들, 바륨 지르코늄 티타네이트(barium zirconium titanate)(BZT) 전기적으로 튜닝된 커패시터들, 마이크로 전자기계 시스템(microelectromechanical system)(MEMS)-튜닝가능한 커패시터들, 전압 가변 유전체들(dielectrics), 트랜스포머(transformer) 결합된 튜닝 회로들 등 또는 그것들의 조합을 사용하거나 포함할 수 있다. 가변 컴포넌트들은 기계적, 열적, 전기적, 피에조-전기적 등으로 튜닝될 수 있다. 임피던스 매칭의 요소들은 실리콘 디바이스들, 갈륨 나이트라이드(gallium nitride) 디바이스들, 실리콘 카바이드(silicon carbide) 디바이스들 등일 수 있다. 요소들은 고전류, 고전압, 고전력, 또는 전류, 전압, 및 전력의 임의의 조합을 견디도록 선택될 수 있다. 요소들은 높은-Q 요소들이도록 선택될 수 있다.
송신기 및/또는 수신기 임피던스 매칭 네트워크들(IMN들)은 특정 응용의 필요들에 부합하는 임피던스들을 갖는 다양한 컴포넌트들이 있는 다양한 범위의 회로 구현들을 가질 수 있다. 본 명세서에 참조로서 통합되는 Kesler 외의 미국 특허 번호 제8,461,719호는 예를 들어, 도 28a - 37b에서와 같이 다양한 튜닝가능한 임피던스 네트워크들을 개시한다. 임의의 실용적인 수의 스위칭된 커패시터들이 소스 및/또는 디바이스 측에 원하는 작동 특징들을 제공하기 위해 사용될 수 있음이 더 이해된다.
도 2는 인터리빙된 정류기를 갖는 무선 전력 수신기의 예시적인 실시예의 블록도를 도시한다. 수신기는 균형화된(balanced) 전자 컴포넌트들(202A, 202B)을 갖는 임피던스 매칭 네트워크(IMN)에 결합된 공진기(110)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 이들 전자 컴포넌트들(202A, 202B) 튜닝가능한 커패시터들 및/또는 인덕터들을 포함할 수 있다. 이들 컴포넌트들은 균형화된 전자 컴포넌트들을 갖는 인터리빙된 정류기의 제1 스테이지(204)에 연결된다.
균형화 컴포넌트들은 예를 들어, 구동 회로의 섭동들(perturbations)로 인해 있을 수 있는 임의의 공통 모드 신호를 거절하는 데 중요할 수 있다. 각각의 상부 브랜치들(204A 및 204C)은 양의 리액턴스(reactance) +jX1 및 +jX3를 갖고, 각각의 하부 브랜치들(204B 및 204D)은 음의 리액턴스 -jX2 및 -jX4를 가진다는 것에 주목해야 한다. 제1 스테이지(204)의 양의 리액턴스 +jX(-jX1, +jX3) 브랜치들(204A, 204C)은 인터리빙된 정류기의 제2 스테이지(206)의 제1 정류기(206A)에 연결된다. 제2 스테이지(204)의 음의 리액턴스 -jX(-jX2, -jX4) 브랜치들(204B, 204D)은 인터리빙된 정류기의 제2 스테이지(206)의 제2 정류기(206B)에 연결된다. 일부 실시예들에서, 양의 및 음의 리액턴스 값들의 절대값은 서로 동일할 수 있다는 것에 주목해야 한다. 다른 실시예들에서, 양의 리액턴스의 절대값은 음의 리액턴스의 절대값보다 크거나 작을 수 있다. 이들 정류기들(206A, 206B)의 출력들은 아래에서 더 완전히 설명되는 것처럼 배터리 또는 배터리 관리자(manager)와 같은 부하(114)에 연결되도록 함께 더해진다. "인터리빙된 정류"의 효과는 잠재적으로 서로에 대해 위상차가 있을 수 있는 정류된 신호들의 유익한 재조합이다. 이것은 조합된 신호 출력에 대한 스무딩 효과로 이어질 수 있다.
일부 예시적인 무선 전력 시스템들에서, 스위칭 인버터(104)는 기본 주파수 f0 자체에 더해, 기본 주파수 f0의 하나 이상의 고조파 주파수 fh에서 교류 전류 또는 발진 전압을 생성할 수 있다. 기본 주파수 f0에 더해, 하나 이상의 고조파 주파수 fh에서의 에너지는 송신기로부터 수신기로 전파된다. 예를 들어, 85 kHz의 작동 주파수에서, 송신기에 의해 수신기에 유도된 전류는 주파수 f0 = 85 kHz 및 고조파 주파수들 fh1 = 170 kHz, fh2 = 255 kHz, fh3 = 340 kHz 등에서 발진한다. 일부 예시적인 시스템들에서, 수신기 내의 컴포넌트들은 고조파 주파수들 fh에서 발진하는 에너지들이 수신기 내에서 전파되도록 야기할 수 있다. 일부 실시예들에서, 이들 고조파 주파수들 fh(기본 주파수 f0에 더해서)에서의 에너지의 전파는 수신기의 컴포넌트들이 기본 주파수 f0에서만 단독으로 작동하는 것과 비교해서 예기치 못하게 행동하도록 야기할 수 있다. 예를 들어, 수신기의 인덕터들 및 커패시터들과 같은 컴포넌트들은 기본 주파수 f0 = 85 kHz에서의 작동 동안 특정 임피던스를 갖도록 선택될 수 있지만, 회로가 f0 = 85 kHz에 더해 fh1 = 170 kHz(및/또는 다른 고조파들)에서 전류를 운반할 때 상당히 상이한 임피던스를 나타낼 수 있다. 따라서, 수신기 회로의 임피던스가 바르게 매칭되고 송신기에 예상되는 반사 임피던스가 제시되게끔 수신기의 컴포넌트들이 튜닝되는 것이 유리하다.
예시적인 실시예에서 위의 과제를 해결하기 위해, 반응성(reactive) 컴포넌트들이 고조파 성분들에서 기인한 임피던스 미스매칭을 완화하기 위해 불균형화될(imbalanced) 수 있다. 다른 말로, 양의 리액턴스 브랜치 +jX1의 리액턴스 X1은 음의 리액턴스 브랜치 -jX2의 리액턴스 X2로부터 다르도록 구성될 수 있다. 그러므로, 도 2에 도시된 예시적인 구성에서, 리액턴스들은 다음과 같이 구성될 수 있다:
X1 ≠ X2
X3 ≠ X4
일부 실시예들에서, X1과 X2 사이의 차이는 X1과 X2 중 높은 것의 적어도 4%일 수 있다. 다른 실시예들에서, X1과 X2 사이의 차이는 X1과 X2 중 높은 것의 적어도 1%일 수 있다. 또 다른 실시예들에서, X1과 X2 사이의 차이는 X1과 X2 중 높은 것의 적어도 5%일 수 있다. 이 범위들이 X3과 X4 사이의 차이에도 적용될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 일부 실시예들에서, X1과 X2 사이의 차이 d(X1, X2)은 X3과 X4 사이의 차이 d(X3, X4)와 대략적으로 동일하다:
d(X1, X2)
Figure pct00001
d(X3, X4).
불균형화된 리액턴스들은 무선 전력 시스템의 작동 동안 수신기의 브랜치들을 통해 더 나은 균형화된 전류로 이어진다. 위에서 설명된 구성의 다른 중요한 이점은 수신기 내의 인덕터들 즉, 인터리빙된 정류기 내의 인덕터들의 피크 전류의 감소이다. 피그 전류의 감소는 또한 인덕터들 및/또는 수신기의 다른 컴포넌트들의 큰 전류들로부터 일어날 수 있는 임의의 열 이슈들(thermal issues)을 완화한다.
도 3은 인터리빙된 정류기를 갖는 무선 전력 수신기의 예시적인 실시예의 개략도이다. 수신기는 커패시터 C1A 및 커패시터 C1B에 직렬로 연결되고 커패시터 C2에 병렬로 연결된 인덕터 L1을 포함한다. 튜닝가능한 커패시터 C3A''에 직렬로 연결된 고정된 커패시터 C3A', 및 커패시터 C3B''에 직렬로 연결된 고정된 커패시터 C3B'(튜닝가능한 커패시터들에 대한 위의 예시들을 참조)가 노드 N1 및 N2 각각에 연결된다. 상부 브랜치의 하나 이상의 컴포넌트가 하부 브랜치의 동일 또는 유사 값의 하나 이상의 컴포넌트와 균형화된다는 것에 주목해야 한다. 예를 들어, 커패시터 C1A는 커패시터 C1B와 균형화된다. 제1 브랜치 및 제2 브랜치를 포함하는 상부 부분(304)이 노드 N3에 연결된다. 제1 브랜치는 커패시터 C4A에 연결된 인덕터 L4A를 포함하고, 제2 브랜치는 커패시터 C4B에 연결된 인덕터 L4B를 포함한다. 인덕터들 및 커패시터들은 서로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 제1 브랜치에서 양의 리액턴스를 달성하기 위해서, 작동 주파수에서 인덕터 L4A의 리액턴스는 커패시터 C4A의 리액턴스보다 더 클 수 있다. 제2 브랜치에서 음의 리액턴스를 달성하기 위해서, 작동 주파수에서 인덕터 L4B의 리액턴스는 커패시터 C4B의 리액턴스보다 더 작을 수 있다.
제3 브랜치 및 제4 브랜치를 포함하는 하부 부분(306)이 노드 N4에 연결된다. 제3 브랜치는 커패시터 C4C에 연결된 인덕터 L4C를 포함하고, 제4 브랜치는 커패시터 C4D에 연결된 인덕터 L4D를 포함한다. 인덕터들 및 커패시터들은 서로 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다는 것에 주목해야 한다. 예를 들어, 커패시터 C4에 직렬로 연결된 인덕터 L4는 원하는 주파수의 전류를 정류기의 입력으로 전달하게끔 필터를 생성한다. 제3 브랜치에서 양의 리액턴스를 달성하기 위해서, 작동 주파수에서 인덕터 L4C의 리액턴스는 커패시터 C4C의 리액턴스보다 더 클 수 있다. 제4 브랜치에서 음의 리액턴스를 달성하기 위해서, 작동 주파수에서 인덕터 L4D의 리액턴스는 커패시터 C4D의 리액턴스보다 더 작을 수 있다. 인덕터들 L4 및/또는 커패시턴스들 C4 중 임의의 것이 튜닝가능한 컴포넌트들을 포함할 수 있다는 것에 주목해야 한다.
제1 브랜치의 출력은 제1 정류기 Rec1의 입력 I1에 연결되고, 제2 브랜치의 출력은 Rec1의 입력 I2에 연결된다. 제3 브랜치의 출력은 제2 정류기 Rec2의 입력 I3에 연결되고, 제4 브랜치의 출력은 Rec2의 입력 I4에 연결된다. 각각의 정류기들은 하프-브리지(half-bridge), 풀-브리지(full-bridge), 수동(다이오드) 또는 능동(스위칭) 유형 정류기일 수 있다는 것에 주목해야 한다. 실시예들에서, 10, 15, 20 kW보다 더 큰 출력의 무선 전력 시스템은 부하에 고효율 전력을 유지하기 위해 스위칭 정류기를 사용할 수 있다. 다른 말로, 특정 전력 레벨들에서, 다이오드 정류기는 매우 높은 전력 레벨들에서 효율적으로 작동할 수 없을 수 있다.
정류기 Rec2의 출력 O3는 출력들 O1 및 O3가 전기적으로 더해지도록 노드 N5에 연결된다. 정류기 Rec2의 출력 O4는 출력들 O2 및 O4가 전기적으로 더해지는 노드 N6에 연결된다. 결합된 출력들 O1+O3(노드 N5에서) 및 O2+O4(노드 N6에서)은 스무딩 커패시터 C5에 연결된다. 배터리 또는 배터리 관리자 같은 부하(114)가 스무딩 커패시터 C5에 병렬로 연결된다. 정류기들 Rec1 및 Rec2의 구성이 도 3에 2개의 풀 브리지 정류기들로서 나타내져 있다는 점에 주목해야 한다. 이 2개의 풀 브리지 정류기 구성은 도 4에 도시된 4개의 하프 브리지 정류기들과 전기적으로 동등하다. 다른 말로, 하프 브리지 정류기들의 쌍(2)은 풀 브리지 정류기 구성을 형성하기 위해 함께 결합될 수 있다.
도 4는 인터리빙된 정류기를 갖는 무선 전력 수신기의 부분의 예시적인 실시예의 도면이다. 인터리빙된 정류기의 입력에서 보는 임피던스 ZIN = RIN은 부하 임피던스 ZDC = RDC 및 특성 임피던스(characteristic impedance) X의 함수이다. 도 4에 도시된 예에서, 리액턴스 X4A = X4C = X 이고 X4B = X4D = -X 이다. 정류기에의 입력 임피던스는 부하 임피던스의 함수로서 부하 임피던스가
Figure pct00002
일 때 최소값을 갖고, 더 작거나 큰 부하 임피던스들에 대해 증가한다. 만약 특성 임피던스 X가
Figure pct00003
가 부하 임피던스의 최소값과 최대값 사이 예를 들어, 중간점 근처이도록 선택된다면, 다음으로 입력 임피던스는 출력 임피던스보다 더 작은 범위에서 변할 수 있다. 예에서, 최소 및 최대 부하 임피던스들은 최소 및 최대 배터리 전압 마커들 280V 및 450V로 표시된다. 이것은 인터리빙된 정류기의 중요한 이점이다 - 그것은 인터리빙된 정류기에 결합된 회로에서 봤을 때의 임피던스들의 범위를 감소시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 다이오드 구성들(402a, 402b, 402c, 및 402d)은 하프-브리지 정류기들로서 작동할 수 있다는 것을 주목해야 한다.
아래는 이상적인 저항 압축기(compressor)를 위한 부하 임피던스의 함수로서의 입력 임피던스의 관계이다.
Figure pct00004
차량들, 로봇들, 의료 디바이스들, 모바일 전자 디바이스들 등과 같은 제품들에 통합된 무선 전력 수신기들을 위해서, 임피던스 매칭 네트워크에 사용되는 인덕터(들)의 크기, 무게, 또는 비용이 최소화되는 것이 매우 바람직하다. 예를 들어 많은 응용들에서, 인덕터들 L4A, L4B, L4C, 및 L4D(도 3 참조)은 각각의 인덕터를 구성하는 와인딩들(windings) 및 자성 재료 때문에 많은 공간을 차지할 수 있다. 따라서, 각각의 인덕터들 L4A, L4B, L4C, 및 L4D에 대해 가능한 최소값의 인덕터가 선택된다.
일부 실시예들에서, 둘 이상의 인덕터들 L4A, L4B, L4C, 및 L4D는 개별 인덕터들과 비교했을 때 통합된 인덕터들의 크기, 무게, 및/또는 비용이 더 최소화되도록 단일 구조에 통합될 수 있다. 도 5a는 무선 전력 수신기의 매칭 네트워크의 둘 이상의 인덕터들 L4A, L4B, L4C, 및 L4D에 사용될 수 있는 통합된 인덕터들의 예시적인 실시예의 도면이다. 인덕터 L4A 및 인덕터 L4C는 코어 SC1을 공유하고 페라이트 층(ferrite layer) SF1을 공유한다. 도시된 실시예에서, 인덕터 L4A 및 인덕터 L4C에 의해 생성된 플럭스(flux)는 흐름이 반대 방향들이기 때문에 공유된 페라이트 층 SF1에서 실질적으로 소거(cancelled)될 수 있다. 인덕터 L4A 및 인덕터 L4C는 추가적으로 자기적으로 분리된다(decoupled). 코어를 공유할 수 있는 인덕터들 L4B 및 L4D는 그들 사이의 공유된 페라이트 층 SF2의 플럭스가 실질적으로 소거되는 유사한 구성을 가진다. 인덕터 L4B 및 인덕터 L4D는 추가적으로 자기적으로 분리된다. 다양한 와인딩 구성들이 특정 응용의 필요에 부합하기 위해 플럭스 소거들을 생성할 수 있다는 것이 이해된다. 도 5b는 무선 전력 수신기의 매칭 네트워크에서 4개의 인덕터들 L4A, L4B, L4C, 및 L4D에 사용될 수 있는 통합된 인덕터들의 예시적인 실시예의 도면이다. 도 5b는 도시된 것처럼 하나 이상의 공유된 페라이트 피스들(pieces)(504a, 504b) 및 대응하는 플럭스 소거를 동반하는 4개의 코어들(502a, 502b, 502c, 502d)을 갖는 예시적인 공유된 페라이트 인덕터 시스템을 도시한다. 다양한 와인딩 구성들이 특정 응용의 필요에 부합하기 위해 복수의 플럭스 소거들을 생성할 수 있다는 것이 이해된다. 4개의 인덕터들 L4A, L4B, L4C, 및 L4D는 페라이트의 공유된 부분들이 하나의 인덕터에 링크된 플럭스가 다른 것에 의해 링크되는 것을 효과적으로 방지하기 때문에 상당히 자기적으로 결합되지 않는다. 통합된 인덕터들의 예들은 "플럭스 소거를 위한 공유된 재료를 갖는 인덕터 시스템"이라는 제목을 갖고 2017년 8월 8일에 출원된 공동 소유의 미국 특허 출원 제15/671,680호에서 찾을 수 있다.
예시들
이하는 인터리빙된 정류기에 보상된(compensated) 리액턴스를 갖는 무선 전력 수신기들의 장점들을 설명하는 예시들이다. 예시들 1A-1C은 이하의 명세들을 갖는 무선 전력 시스템의 실시예를 설명한다. 무선 전력 시스템은 85 kHz의 작동 주파수(기본 주파수 f0)에서 부하에 대략 10 kW의 전력을 송신하도록 구성된다. 무선 전력 송신기의 스위칭 인버터에 의해 생성된 사각 파형(square waveform) 때문에, 기본 주파수 f0가 아닌 주파수들에서 전류들 및/또는 전압들이 시스템에 도입된다. 예를 들어, 기본 주파수 f0의 적어도 하나의 고조파 주파수 fh를 갖는 에너지가 무선 전력 수신기에 의해 수신된다. 기본 주파수가 아닌 시스템의 주파수들의 존재는 예상하지 않은 임피던스 값들을 낳는다. 아래의 관계에 의해 수신기의 리액턴스 X가 정의된다는 것에 주목하라:
Figure pct00005
예시들 1A-1C에서 부하는 280V 내지 420V의 전체 전압 범위 Vbatt를 갖는 하나 이상의 배터리일 수 있다.
예시 1A
280V의 배터리 전압 Vbatt에 대하여, 다음의 표는 예시적인 무선 전력 수신기(300)의 컴포넌트들에 연관된 값들을 개략적으로 보여준다. 각각의 상부 및 하부 부분(304, 306)의 예상된 임피던스 Z는 6.35+j9.53옴(Ohm)이다. 일부 실시예들에서, 입력 전압 Vin은 입력 전력 Pin을 일정하게 유지하도록 조정될 수 있다.
인터리빙된 정류기의 각각의 브랜치들의 저항들은 회로 시뮬레이션들에 의해 결정될 수 있다. 이 특정한 예에서, 예상된 저항들 R4A, R4B, R4C, 및 R4D는 각각 6.35옴이다. 예상된 리액턴스들 X4A, X4B, X4C, 및 X4D는 아래와 같이 계산된다:
Figure pct00006
Figure pct00007
브랜치들 4A, 4B, 4C, 및 4D의 전류들 I4A, I4B, I4C, 및 I4D는 무선 전력 시스템의 작동 동안에 (예를 들어, 전류 센서에 의해) 측정된다. 전류들 I4A, I4C(그룹 1)가 대략 동일하고(전류들 중 더 큰 것의 1% 이내로) 전류들 I4B, I4D(그룹 2)가 대략 동일하다(전류들 중 더 큰 것의 1% 이내로). 그러나, 이들 두 전류들의 그룹들 사이의 차이는 각각의 브랜치 4A-4D의 임피던스 Z의 차이의 결과일 수 있다. 예를 들어, 예시적인 보상되지 않은 시스템에서, 리액턴스 X4A는 리액턴스 X4B와 동일하고 리액턴스 X4C는 X4D와 동일하다. 이는 또한 "보상되지 않은 리액턴스들"로서 지칭된다. 그것은 리액턴스들이 전류(및/또는 전력) 불균형을 처리하도록 조정되지 않는다(또는 불균형화된다)는 점에서 보상되지 않는다. 따라서, 기본 및 고조파 주파수들 둘 다에서 에너지를 수신하는 균형화된 리액턴스들을 갖는 보상되지 않은 수신기는 불균형화된 전류들을 경험한다. 보상된 리액턴스들을 갖는 보상된 수신기는 균형화된 전류들을 경험한다. 보상된 수신기에서 각각의 브랜치들 4A, 4B, 4C, 및 4D를 들여다보는 알짜(net) 임피던스는 물리 리액턴스들 X4A, X4B, X4C, 및 X4D이 :
X4A ≠ X4B
X4C ≠ X4D.
이도록 조정되었기 때문에 유사하다.
일부 실시예들에서, 리액턴스들 X4A, X4B, X4C, 및 X4D은 각각의 브랜치들 4A, 4B, 4C, 및 4D를 들여다보는 알짜 임피던스를 고의적으로 음수 또는 양수로 만들기 위해 특별히 선택될 수 있다. 일부 실시예들에서, 알짜 임피던스는 특정 값 또는 값의 범위를 갖도록 만들어질 수 있다. 이 유형의 조정은 매칭 네트워크의 튜닝가능한 컴포넌트(도 2의 202A 또는 202B, 또는 도 3의 C3A'' 또는 C3B''로서 도시됨)를 수용하는(accommodating) 이점을 가질 수 있다. 예를 들어, 만약 튜닝가능한 컴포넌트가 한 방향으로 즉, 더 음의 또는 더 양의 리액턴스를 갖도록 조정될 수 있다면, 인터리빙된 정류기의 알짜 임피던스를 반대 방향으로 구성하는 것은 튜닝가능한 컴포넌트에 대해 더 큰 정도의 조정을 제공할 수 있다. 무선 전력 시스템들에서 튜닝가능한 컴포넌트들의 예들은 "무선 전력 시스템들의 제어"라는 제목으로 2017년 2월 2일에 출원된 미국 특허 출원 제15/422,554호 및 "PWM 커패시터 제어"라는 제목으로 2017년 2월 8일에 출원된 미국 특허 출원 제15/427,186호에서 찾을 수 있다.
저항 값들의 퍼센티지 차이는 아래에 보여진 것처럼 저항 값들의 차이와 두 저항 값들 중 더 높은 값과의 비를 결정함으로써 계산될 수 있다. 리액턴스 값들의 퍼센트 차이는 각각의 리액턴스 값들의 절대값들의 차이와 2개의 리액턴스 값들 중 더 높은 값의 절대값의 비를 결정함으로써 계산될 수 있다.
Figure pct00008
Figure pct00009
일부 실시예들에서, 리액턴스
Figure pct00010
의 절대값은 리액턴스
Figure pct00011
의 절대값과 적어도 4% 상이하고, 리액턴스
Figure pct00012
의 절대값은 리액턴스
Figure pct00013
의 절대값과 적어도 4% 상이하다. 일부 실시예들에서, 리액턴스
Figure pct00014
의 절대값은 리액턴스
Figure pct00015
의 절대값과 적어도 10% 상이하고, 리액턴스
Figure pct00016
의 절대값은 리액턴스
Figure pct00017
의 절대값과 적어도 10% 상이하다. 일부 실시예들에서, 리액턴스
Figure pct00018
의 절대값은 리액턴스
Figure pct00019
의 절대값과 적어도 20% 상이하고, 리액턴스
Figure pct00020
의 절대값은 리액턴스
Figure pct00021
의 절대값과 적어도 20% 상이하다.
아래 표에서 상세히 설명되는 예시적인 보상되지 않은 수신기에서, 제1 그룹의 전류들과 제2 그룹의 전류들 사이의 차이는 대략 20.1%이다:
Figure pct00022
위의 식에서, 퍼센티지 차이는 더 높은 전류로부터의 차이로서 결정된다는 것에 주목해야 한다.
반대로 아래 표에서 상세히 설명되는 예시적인 보상된 수신기에서, 제1 그룹의 전류들과 제2 그룹의 전류들 사이의 차이는 대략 0.2%이다:
Figure pct00023
.
지금까지 설명한 예시적인 보상되지 않은 시스템에 존재하는 불균형화된 전류 문제는 인덕터들 L4A-L4D에 대해 낮은 인덕턴스 값을 선택하는 맥락에서 이루어졌다. 이에 비교하여, 예시적인 보상되지 않은 수신기에서, 최소 크기의 인덕터 L4의 4배 크기의 인덕터는 또한 전류 불균형을 완화하는 데 사용될 수 있다. 이처럼 큰 인덕터는 일부 응용들에서 실행 가능한 해결책일 수 있지만, 많은 응용들에서 크기, 비용, 및 무게의 제한들이 무선 전력 수신기를 상업화하는 데 주요 힘이 될 것이다. 일부 실시예들에서, 보상되지 않은 수신기는 전류 불균형을 감소시키기 위해 최소 크기의 인덕터 L4의 크기의 4배 내지 10배 사이 임의의 크기를 요구할 수 있다. 사용된 인덕터가 클수록, 고조파 주파수들에서 발진하는 전류들에 대해 더 좋은 필터링 효과를 가진다. 그러나, 예상된 성능을 유지하면서 인덕터(들)의 크기를 줄이는 것에는 상당한 난제가 존재한다.
일부 실시예들에서, 인덕턴스 값 L4는 L4A, L4B, L4C, 및 L4D 모두에 대해 동일하다는 점에 주목해야 한다. 다른 말로, L4 = L4A = L4B = L4C = L4D.
Figure pct00024
표 1. 배터리 전압 Vbatt = 280V에서 기본 주파수 f0 = 85 kHz로 에너지를 수신하도록 구성된 예시적인 보상되지 않은 및 보상된 무선 전력 수신기들의 성질들.
도 6a는 예시적인 무선 전력 수신기의 보상되지 않은 리액턴스를 갖는 임피던스 매칭 네트워크의 전류 레벨들의 플롯(plot)이다. 선(602a)은 시간의 함수로서의 I4B, I4D의 전류 크기이고, 선(604a)은 시간의 함수로서의 I4A, I4C의 전류 크기이다. 도 6b는 예시적인 무선 전력 수신기의 보상된 리액턴스를 갖는 임피던스 매칭 네트워크의 전류 레벨들의 플롯이다. 선(602b)은 시간의 함수로서의 I4B, I4D의 전류 크기이고, 선(604b)은 시간의 함수로서의 I4A, I4C의 전류 크기이다. 도 7a에서 선(602b)의 크기와 선(604b)의 크기 사이의 차이(606)를 주목해야 한다. 이러한 차이(606)는 도 6b의 전류 크기들(602b, 604b)에서 명백히 존재하지 않고, 리액턴스들이 보상되었을 때 전류들이 균형화된다는 것을 설명하기 위해 쓰인다.
예시 1B
350V의 배터리 전압 Vbatt에 대해, 다음의 표는 예시적인 무선 전력 수신기(300)의 컴포넌트들에 연관된 값들을 개략적으로 보여준다. 매칭 네트워크의 예상된 임피던스 Z는 9.93+j9.53옴이다.
이전의 예인 예시 1A와 유사한 계산들이 전류, 저항, 및 임피던스 값들의 퍼센트 차이를 결정하기 위해 여기서 사용된다. 보상된 수신기에서 위의 균형화된 전류들(및/또는 밸런싱된 전력)의 효과는 이 배터리 전압 레벨에서 덜 두드러진다는 것에 주목해야 한다. 예를 들어, 전류 레벨들의 퍼센트 차이는 보상되지 않은 수신기의 41%에서 보상된 수신기의 25.4%로 떨어진다. 훨씬 더 큰 인덕터는 전류 불균형을 대략 12.7%로 감소시키는 효과를 갖지만 훨씬 더 큰 비용이 소요된다(즉, 최소 인덕턴스 L4의 인덕턴스 값의 4배 가량).
Figure pct00025
표 2. 배터리 전압 Vbatt = 350V에서 기본 주파수 f0 = 85 kHz로 에너지를 수신하도록 구성된 예시적인 보상되지 않은 및 보상된 무선 전력 수신기들의 성질들.
예시 1C
420V의 배터리 전압 Vbatt에 대해, 다음의 표는 예시적인 무선 전력 수신기(300)의 컴포넌트들에 연관된 값들을 개략적으로 보여준다. 매칭 네트워크의 예상된 임피던스 Z는 14.3+j9.53옴이다.
예시 1A와 유사한 계산들이 전류, 저항, 및 임피던스 값들의 퍼센트 차이를 결정하기 위해 여기서 사용된다. 보상된 수신기에서 위의 밸런싱된 전류들(및/또는 밸런싱된 전력)의 효과는 이 배터리 전압 레벨에서 덜 두드러진다는 것에 주목해야 한다. 예를 들어, 전류 레벨들의 퍼센트 차이는 보상되지 않은 수신기의 65%에서 보상된 수신기의 53.5%로 떨어진다. 훨씬 더 큰 인덕터는 전류 불균형을 대략 24.5%로 감소시키는 효과를 갖지만 훨씬 더 큰 비용이 소요된다(즉, 최소 인덕턴스 L4의 인덕턴스 값의 4배 가량).
Figure pct00026
표 3. 배터리 전압 Vbatt = 420V에서 기본 주파수 f0 = 85 kHz로 에너지를 수신하도록 구성된 예시적인 보상되지 않은 및 보상된 무선 전력 수신기들의 성질들.
다양한 구성들의 보상되지 않은 및 보상된 리액턴스들을 갖는 수신기들에 대해, 도 7a는 배터리 전압 Vbatt의 함수로서의 입력 저항 Rin(도 4 참조)의 플롯이고, 도 7b는 배터리 전압 Vbatt의 함수로서의 입력 리액턴스 Xin의 플롯이다. 실선들(702a 및 702b)은 입력 AC 소스(이 경우, 무선 전력 송신기)가 등가 부하 저항보다 더 작은 범위의 등가 저항을 보는 이상적인 저항 압축기의 예상된 저항 및 리액턴스를 각각 나타낸다. 최소 인덕턴스 L4 = 18.12 uH를 갖는 보상되지 않은(또는 보상되지 않은) 수신기(704)의 저항 및 리액턴스는 도 7a 및 7b에서 각각 삼각형 모양(▲)의 데이터 지점들로 표현된다. 최소 인덕턴스 L4 = 18.12 uH를 갖는 보상된 수신기(706)의 저항 및 리액턴스는 도 7a 및 7b에서 각각 원형 모양(●)의 데이터 지점들로 표현된다. 위의 데이터에서 관측된 것처럼, 낮은 배터리 전압들에서(예를 들어, V = 280V에서) 보상된 수신기(706)의 저항 및 리액턴스 둘 다는 이상적인 저항 압축기(702)와 가장 가깝다. 더욱이, 다른 배터리 전압 레벨들에 대해, 보상된 수신기(706)는 유사한 크기의 인덕터들 L4를 갖는 보상되지 않은 시스템(704)보다 이상적인 저항 압축기(702)에 더 가깝다. 다른 말로, 보상된 수신기(706)의 일부 가장 큰 이점은 수신기의 더 큰 전류 레벨들이다.
보상된 수신기(706)의 저항 및 리액턴스가 이상적인 저항 압축기(702)에 가장 가깝도록 배터리 전압을 선택하는 것이 가능하다. 예를 들어, 저항 및 리액턴스가 이상적인 저항 압축기에 가장 가까운 지점으로서 작은 배터리 전압(즉, 이 예에서 280V) 대신에 더 큰 배터리 전압(즉, 이 예에서 420V)을 선택할 수 있다. 이 경우, 보상된 수신기의 리액턴스는 낮은 배터리 전압 레벨에서 양수일 수 있다.
기본 주파수 f0 = 85 kHz로 에너지를 수신하도록 구성된 보상된 리액턴스들을 갖는 수신기에 대해, 도 7c는 배터리 전압 Vbatt의 함수로서의 입력 저항 Rin(도 4 참조)의 플롯이고 도 7d는 배터리 전압 Vbatt의 함수로서의 입력 리액턴스 Xin의 플롯이다. 예시적인 보상된 무선 전력 수신기는 커패시턴스들 C4A, C4C = 445 nF, C4B, C4D = 75nF, 및 인덕터들 L4A, L4C, L4B, 및 L4D = 18.12 uH로 설계될 수 있다. 실선들(702c, 702d)은 입력 AC 소스(이 경우, 무선 전력 송신기)가 등가 부하 저항보다 더 작은 범위의 등가 저항을 보는 이상적인 저항 압축기의 예상된 저항 및 리액턴스를 각각 나타낸다. 최소 인덕턴스 L4 = 18.12 uH를 갖는 보상된 수신기의 저항 및 리액턴스는 도 7c 및 7d에서 각각 원형 모양(●)의 데이터 지점들로 표현된다. 저항 및 리액턴스가 이상적인 저항 압축기와 가장 가까운 지점으로서 낮은 배터리 전압(즉, 이 예에서 280V) 대신 더 큰 배터리 전압(즉, 이 예에서 420V)를 선택할 수 있다. 수신기의 구성요소들(C3A'', C3A'')(도 3 참조)의 조정은 각각의 배터리 전압들에서 수신기의 입력 리액턴스의 조정에 사용될 수 있다는 점이 이해된다.
예시 2
예시적인 무선 전력 시스템은 대략 6.78 MHz의 기본 주파수 f0에서 작동하고 대략 100W의 전력을 부하에 송신하도록 구성된다. 이 부하에 대한 배터리 전압 Vbatt 대역은 20V 내지 30V이다. 일부 실시예들에서, 입력 전압 Vin은 입력 전력 Pin을 일정하게 유지하기 위해 조정될 수 있다. 일부 예시적인 실시예들에서, 부하는 랩톱 또는 노트북 컴퓨터일 수 있다. 다음의 표는 예시적인 무선 전력 수신기(300)의 컴포넌트들에 연관된 값들을 개략적으로 보여준다. 매칭 네트워크의 예상된 임피던스 Z는 3.24+j4.86옴이다.
아래의 데이터는 무선 전력 수신기의 리액턴스들에서의 보상의 이점들을 설명한다. 예를 들어, 전류의 불균형이 보상되지 않은 수신기의 21.3%에서 보상된 수신기의 1.6%로 감소된다.
Figure pct00027
표 4. 배터리 전압 Vbatt = 20-30V에서 기본 주파수 f0 = 6.78 kHz로 에너지를 수신하도록 구성된 예시적인 보상되지 않은 및 보상된 무선 전력 수신기들의 성질들.
본 명세서에서 설명된 임의의 커패시터 컴포넌트들에 대한 참조는 전기적으로 서로 연결된 하나 이상의 커패시터 또는 커패시턴스 컴포넌트를 지칭할 수 있음에 주목해야 한다. 도면에서, 다수의 커패시터 컴포넌트들이 명확성을 위해 단일 커패시터 심볼(symbol)에 의해 표현되었을 수 있다.
위의 설명은 발명의 다양한 예시적인 실시예들을 개시하지만, 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 개시내용의 진정한 범위를 벗어나지 않으면서 발명의 일부 이점들을 달성할 수 있는 다양한 변경들을 만들 수 있다는 것이 명백할 것이다. 본 명세서에서 참조된 모든 문서들은 참조로서 여기에 통합된다.

Claims (21)

  1. 무선 전력 수신기로서,
    임피던스 매칭 네트워크(impedance matching network)에 결합된 수신기 공진기(resonator) - 상기 임피던스 매칭 네트워크는 제1 노드 및 제2 노드를 갖고;
    상기 제1 노드에는, 제1 양의 리액턴스를 갖는 제1 브랜치(branch) 및 제 1 음의 리액턴스를 갖는 제2 브랜치가 결합되고, 상기 제1 양의 리액턴스의 절대값은 상기 제1 음의 리액턴스의 절대값과 상이하고;
    상기 제2 노드에는, 제2 양의 리액턴스를 갖는 컴포넌트를 갖는 제3 브랜치 및 제2 음의 리액턴스를 갖는 제4 브랜치가 결합되고, 상기 제2 양의 리액턴스의 절대값은 상기 제2 음의 리액턴스의 절대값과 상이함 -;
    상기 제1 브랜치에 결합된 제1 정류기(rectifier) 입력을 갖는 제1 정류기;
    상기 제2 브랜치에 결합된 제2 정류기 입력을 갖는 제2 정류기;
    상기 제3 브랜치에 결합된 제3 정류기 입력을 갖는 제3 정류기; 및
    상기 제4 브랜치에 결합된 제4 정류기 입력을 갖는 제4 정류기
    를 포함하는 무선 전력 수신기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 음의 리액턴스의 상기 절대값은 상기 제1 양의 리액턴스의 상기 절대값과 적어도 4% 상이하고, 상기 제2 음의 리액턴스의 상기 절대값은 상기 제2 양의 리액턴스의 상기 절대값과 적어도 4% 상이한, 무선 전력 수신기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 음의 리액턴스의 상기 절대값은 상기 제1 양의 리액턴스의 상기 절대값과 적어도 10% 상이하고, 상기 제2 음의 리액턴스의 상기 절대값은 상기 제2 양의 리액턴스의 상기 절대값과 적어도 10% 상이한, 무선 전력 수신기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 무선 전력 수신기에 의한 전자기 에너지의 수신 동안:
    상기 제1 브랜치에 제1 전류가 형성되고 상기 제2 브랜치에 제2 전류가 형성되고, 상기 제1 전류의 크기(magnitude)는 상기 제2 전류의 크기의 30% 이내이며;
    상기 제3 브랜치에 제3 전류가 형성되고 상기 제4 브랜치에 제4 전류가 형성되며, 상기 제3 전류의 크기는 상기 제4 전류의 크기의 30% 이내이고, 각각의 상기 전류들은 기본 주파수 f0 및 상기 기본 주파수 f0의 적어도 하나의 고조파(harmonic) 주파수 fh에서 발진(oscillating)하는, 무선 전력 수신기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수신기는 Vlow 내지 Vhigh의 전압 범위로 배터리에 전력을 전달하도록 구성되고, 상기 배터리는 상기 제1 및 제2 정류기들의 출력에 결합되고,
    Vlow 내지 0.5(Vlow + Vhigh)의 전압들에 대해, (i) 제1 전류의 크기는 제2 전류의 크기의 30% 이내이고 (ii) 제3 전류의 크기는 제4 전류의 크기의 30% 이내인, 무선 전력 수신기.
  6. 제5항에 있어서, 전압 Vlow에 대해, 상기 제1 전류의 상기 크기는 상기 제2 전류의 상기 크기의 10% 이내이고, 상기 제3 전류의 상기 크기는 상기 제4 전류의 상기 크기의 10% 이내인, 무선 전력 수신기.
  7. 제1항에 있어서, 각각의 정류기는 양의 출력 및 음의 출력을 갖고, 상기 정류기들의 상기 양의 출력들은 제1 출력 노드를 형성하도록 결합되고 상기 정류기들의 상기 음의 출력들은 제2 출력 노드를 형성하도록 결합되는, 무선 전력 수신기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 출력 노드 및 제2 출력 노드는 단일 부하(load)에 결합된, 무선 전력 수신기.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제1 출력 노드 및 상기 제2 출력 노드는 스무딩(smoothing) 커패시터에 결합되고, 상기 스무딩 커패시터는 부하와 병렬로 결합되도록 구성되는, 무선 전력 수신기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 매칭 네트워크는 상기 무선 전력 수신기가 다양한 기본 주파수 f0를 수용할 수 있도록 상기 제1 노드에 결합된 제1 튜닝가능한(tunable) 요소 및 상기 제2 노드에 결합된 제2 튜닝가능한 요소를 포함하는, 무선 전력 수신기.
  11. 제9항에 있어서, 제1 튜닝가능한 요소 및 제2 튜닝가능한 요소 각각은 튜닝가능한 커패시터를 포함하는, 무선 전력 수신기.
  12. 제1항에 있어서, 각각의 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4 정류기들은 하프 브리지(half bridge) 정류기인, 무선 전력 수신기.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 정류기 및 상기 제3 정류기가 풀 브리지 정류기를 형성하도록 결합되고, 상기 제2 및 제4 정류기들이 풀 브리지 정류기를 형성하도록 결합되는, 무선 전력 수신기.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4 정류기들은 다이오드 정류기들 또는 스위칭 정류기들 중 어느 하나인, 무선 전력 수신기.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1 브랜치 및 상기 제3 브랜치는 각각 제1 인덕터 및 제1 커패시터를 포함하고, 상기 제1 인덕터의 리액턴스 값의 절대값은 상기 제1 커패시터의 리액턴스 값의 절대값보다 큰, 무선 전력 수신기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제2 브랜치 및 상기 제4 브랜치는 각각 제2 인덕터 및 제2 커패시터를 포함하고, 상기 제2 인덕터의 리액턴스 값의 절대값은 상기 제2 커패시터의 리액턴스 값의 절대값보다 작은, 무선 전력 수신기.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 인덕터의 인덕턴스 값은 상기 제2 인덕터의 인덕턴스 값과 대략 동일한, 무선 전력 수신기.
  18. 제1항에 있어서, 기본 주파수 f0는 85 kHz인, 무선 전력 수신기.
  19. 제1항에 있어서, 기본 주파수 f0는 6.78 MHz인, 무선 전력 수신기.
  20. 차량 충전 시스템으로서,
    무선 전력 수신기, - 상기 무선 전력 수신기는:
    임피던스 매칭 네트워크에 결합된 수신기 공진기 - 상기 임피던스 매칭 네트워크는 제1 노드 및 제2 노드를 갖고; 상기 제1 노드에는, 제1 양의 리액턴스를 갖는 컴포넌트를 갖는 제1 브랜치 및 제 1 음의 리액턴스를 갖는 제2 브랜치가 결합되고, 상기 제1 양의 리액턴스의 절대값은 상기 제1 음의 리액턴스의 절대값과 상이하며; 상기 제2 노드에는, 제2 양의 리액턴스를 갖는 컴포넌트를 갖는 제3 브랜치 및 제2 음의 리액턴스를 갖는 제4 브랜치가 결합되고, 상기 제2 양의 리액턴스의 절대값은 상기 제2 음의 리액턴스의 절대값과 상이함 -;
    상기 제1 브랜치에 결합된 제1 정류기 입력을 갖는 제1 정류기; 및
    상기 제2 브랜치에 결합된 제2 정류기 입력을 갖는 제2 정류기
    를 포함함 -; 및
    제1 출력 노드 및 제2 출력 노드에 결합된 차량 배터리 - 상기 제1 출력 노드는 상기 제1 정류기의 출력 및 제3 정류기의 출력으로부터 형성되고, 상기 제2 출력 노드는 상기 제2 정류기의 출력 및 제4 정류기의 출력으로부터 형성됨 -
    를 포함하는 차량 충전 시스템.
  21. 제1항에 있어서, 상기 제1 음의 리액턴스의 상기 절대값은 상기 제1 양의 리액턴스의 상기 절대값의 적어도 4%이고, 상기 제2 음의 리액턴스의 상기 절대값은 상기 제2 양의 리액턴스의 상기 절대값의 적어도 4%인, 차량 충전 시스템.
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