KR20190067018A - 무선 전력 송신 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 기술적 측면에 따른 무선 전력 송신 장치는, 제1 브리지 회로를 형성하는 복수의 제1 스위칭 소자들을 포함하고, 상기 복수의 제1 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 제1 전력을 송신하는 제1 송전부,및 제2 브리지 회로를 형성하는 복수의 제2 스위칭 소자들을 포함하고, 상기 복수의 제2 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 제2 전력을 송신하는 제2 송전부를 포함한다. 상기 제1 송전부는 상기 복수의 제1 브리지 스위칭 소자들 중 적어도 하나의 스위칭 소자의 듀티비에 의해 입력 직류 전압을 승압하여 상기 제1 브리지 회로에 인가한다. 상기 제2 송전부는 상기 복수의 제1 브리지 스위칭 소자들 중 적어도 하나의 스위칭 소자의 듀티비에 의해 상기 입력 직류 전압을 승압 또는 감압하여 상기 제2 브리지 회로에 인가한다.

Description

무선 전력 송신 장치 {APPARATUS FOR TRANSMITING POWER WIRELESSLY}
본 발명은 무선 전력 송신 장치에 관한 것이다.
무선 기술의 발전에 따라, 무선 기술은 데이터뿐만 아니라 전력까지 전송하는 등 다양하게 발전되고 있다. 특히, 최근에는 비 접촉 상태에서도 전자 기기에 전력 충전이 가능한 무선 충전 기술이 개발되고 있다.
특히 스마트폰, 웨어러블 시계 등 다양한 종류의 디바이스에 무선 충전 기술이 적용되며, 또한 사용자가 다양한 종류의 디바이스를 구비하는 경우가 많아지고 있다.
이에 따라, 하나의 무선 전력 송신 장치를 이용하여 다양한 종류의 디바이스를 동시에 충전하는 것에 대한 요구가 있다.
또한, 하나의 무선 전력 송신 장치에서, 다양한 종류의 충전용 전원 어댑터의 지원하는 요구가 존재한다.
한국 공개특허공보 제2013-0005571호 한국 공개특허공보 제2016-0100755호 한국 공개특허공보 제2008-0005687호
본 발명에 따른 일 실시형태의 목적은, 서로 다른 종류의 디바이스를 충전할 수 있으면서도 저 가격화 및 소형화의 요구를 만족할 수 있는 무선 전력 송신 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명에 따른 일 실시형태의 목적은, 다양한 입력 전압 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있는 무선 전력 송신 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 기술적 측면은 무선 전력 송신 장치의 일 예를 제안한다. 상기 무선 전력 송신 장치의 일 예는, 제1 브리지 회로를 형성하는 복수의 제1 스위칭 소자들을 포함하고, 상기 복수의 제1 스위칭 소자들의 스위칭 동작에 의해 제1 전력을 송신하는 제1 송전부,및 제2 브리지 회로를 형성하는 복수의 제2 스위칭 소자들을 포함하고, 상기 복수의 제2 스위칭 소자들의 스위칭 동작에 의해 제2 전력을 송신하는 제2 송전부를 포함한다. 상기 제1 송전부는 상기 복수의 제1 브리지 스위칭 소자들 중 적어도 하나의 스위칭 소자의 듀티비에 의해 입력 직류 전압을 승압하여 상기 제1 브리지 회로에 인가한다. 상기 제2 송전부는 상기 복수의 제2 브리지 스위칭 소자들 중 적어도 하나의 스위칭 소자의 듀티비에 의해 상기 입력 직류 전압을 승압 또는 감압하여 상기 제2 브리지 회로에 인가한다.
본 발명의 다른 일 기술적 측면은 무선 전력 송신 장치의 다른 일 예를 제안한다. 상기 무선 전력 송신 장치의 다른 일 예는, 제1 공진 회로 및 제1 브리지 회로를 형성하는 복수의 제1 스위칭 소자들을 포함하고, 상기 복수의 제1 스위칭 소자들의 스위칭 동작에 의해 상기 제1 공진 회로를 통하여 제1 전력을 송신하는 승압/감압형 인버터를 포함한다. 상기 승압/감압형 인버터는 상기 복수의 제1 브리지 스위칭 소자들 중 적어도 하나의 스위칭 소자의 듀티비에 의해 상기 입력 직류 전압을 승압 또는 감압하여 상기 제1 브리지 회로에 인가한다.
상기한 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 과제 해결을 위한 다양한 수단들은 이하의 상세한 설명의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 무선 전력 수신 장치는, 서로 다른 종류의 디바이스를 충전할 수 있으면서도, 저 가격화 및 소형화가 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따른 일 실시형태의 목적은, 다양한 입력 전압 환경에서도 안정적으로 동작할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 설명하는 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에 대한 개략적인 회로도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 설명하는 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에 대한 개략적인 회로도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치와, 그에 자기적으로 결합되는 무선 전력 수신 장치에 대한 개략적인 회로도이다.
도 8은 도 7에서 도시된 회로도에서의 각 신호들의 개략적인 예시를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다.
그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 '~사이에'와 '바로 ~사이에' 또는 '~에 이웃하는'과 '~에 직접 이웃하는' 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 송신 장치(100)는 서로 다른 종류의 디바이스(300, 301)를 대상으로 동시에 충전을 제공할 수 있다. 도 1에서는 제1 무선 전력 수신 장치(200) 및 제2 무선 전력 수신 장치(201)에 동시에 충전하는 예를 개시하고 있으나, 경우에 따라 제1 무선 전력 수신 장치(200) 또는 제2 무선 전력 수신 장치(201) 중 어느 하나에 대해서만 충전이 가능함은 자명하다.
도시된 예에서, 무선 전력 송신 장치(100)는 스마트 폰(300)에 구비된 제1 무선 전력 수신 장치(200)와, 웨어러블 기기(301)에 구비된 제2 무선 전력 수신 장치(201)에 각각 전력을 제공할 수 있다.
무선 전력 송신 장치(100)는 하나의 입력 전력을 기반으로, 서로 다른 공진 회로를 이용하여 제1 무선 전력 수신 장치(200) 및 제2 무선 전력 수신 장치(201)에 각각 전력을 공급한다.
제1 무선 전력 수신 장치(200)에 대한 공진 설정과 제2 무선 전력 수신 장치(201)에 대한 공진 설정이 상이할 수 있으므로, 무선 전력 송신 장치(100)는 복수의 공진 회로들에 대하여 각각 개별적으로 승압 기능 또는 승압/감압 기능 및 인버팅 기능을 제공할 수 있다.
이를 위하여, 무선 전력 송신 장치(100)는 승압 기능 또는 승압/감압 기능과 인버팅 기능을 하나의 통합된 회로를 이용하여 수행할 수 있다. 본 명세서에서는 이러한 회로를 '승압형 인버터' 또는 '승압/감압형 인버터'라 칭한다.
이하 도 2 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에 대하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 설명하는 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 송신 장치(100)는 입력 직류 전압을 입력받는 입력단(110), 제1 송전부(120), 제2 송전부(130) 및 제어기(140)를 포함할 수 있다.
입력단(110)을 통하여, 입력 전력이 공급된다. 입력 전력은 직류 전력일 수 있으며, 따라서 입력단(110) 양단에는 입력 직류 전압이 형성될 수 있다.
입력 직류 전압은, 무선 전력 송신 장치(100)에 직류 전압을 제공하는 파워 어댑터(미도시)에 의하여 제공될 수 있다. 또는 실시예에 따라, 무선 전력 송신 장치(100)는, 교류 전력을 입력받고 상기 입력 전력을 공급하는 전원 공급부(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 이러한 전원 공급부에 의하여 입력 직류 전압이 제공될 수 있다.
입력단(110)을 통하여 공급되는 입력 직류 전압은, 그 전압값이 가변될 수 있다.
입력 직류 전압은 제1 전압, 또는 상기 제1 전압 보다 큰 제2 전압 중 어느 하나일 수 있다. 일 예로, 입력 직류 전압은 5V 이거나 또는 9V일 수 있다.
예컨대, 입력 직류 전압을 제공하는 파워 어댑터의 종류 등에 의하여 파워 어댑터가 제공하는 입력 직류 전압의 크기가 변경될 수 있으나, 무선 전력 송신 장치(100)는 이와 같이 입력 직류 전압이 변경되는 환경에서도, 그러한 변화에 적응적으로 승압 또는 감압을 수행하여 안정적으로 전력을 송신할 수 있다.
제1 송전부(120)는 제1 브리지 회로를 형성하는 복수의 제1 스위칭 소자들을 포함한다. 상기 제1 브리지 회로를 형성하는 복수의 제1 스위칭 소자들은 승압형 인버터(121)를 구성할 수 있다.
제1 송전부(120)는 입력 직류 전압을 입력받고, 상기 복수의 제1 스위칭 소자들의 스위칭 동작에 의해, 제1 전력을 제1 무선 전력 수신 장치(200)로 송신할 수 있다.
제1 송전부(120)는 상기 복수의 제1 브리지 스위칭 소자들 중 적어도 하나의 스위칭 소자의 듀티비에 의해 입력 직류 전압을 승압하여, 상기 제1 브리지 회로에 인가할 수 있다. 즉, 제1 송전부(120)는 하나의 회로를 이용하여 승압 및 교류화를 수행하는 승압형 인버터(121)를 포함할 수 있다.
이러한 승압형 인버터(121)의 스위칭 동작에 의하여, 승압 및 교류화가 수행되며 그에 따라 제1 공진 회로(122)를 통하여 제1 무선 전력 수신 장치(200)로 제1 전력을 무선으로 송신할 수 있다.
제2 송전부(130)는 제2 브리지 회로를 형성하는 복수의 제2 스위칭 소자들을 포함한다. 상기 제2 브리지 회로를 형성하는 복수의 제2 스위칭 소자들은 승압/감압형 인버터(131)를 구성할 수 있다.
제2 송전부(130)는 입력 직류 전압을 입력받고, 상기 복수의 제2 스위칭 소자들의 스위칭 동작에 의해, 제2 전력을 제2 무선 전력 수신 장치(201)로 송신할 수 있다.
제2 송전부(130)는 상기 복수의 제2 브리지 스위칭 소자들 중 적어도 하나의 스위칭 소자의 듀티비에 의해 입력 직류 전압을 승압 또는 감압하여, 상기 제2 브리지 회로에 인가할 수 있다. 즉, 제2 송전부(130)는 하나의 회로를 이용하여 승압 또는 감압 및 교류화를 수행하는 승압/감압형 인버터(131)를 포함할 수 있다.
이러한 승압/감압형 인버터(131)의 스위칭 동작에 의하여, 승압 또는 감압 및 교류화가 수행되며 그에 따라 제2 공진 회로(132)를 통하여 제2 무선 전력 수신 장치(201)로 제2 전력을 무선으로 송신할 수 있다.
제1 송전부(120)가 송신하는 제1 전력은 제2 송전부(130)가 송신하는 제2 전력보다 클 수 있다. 이를 위하여, 제1 송전부(120)는 풀 브리지 인버터를 포함하고, 제2 송전부(130)는 하프 브리지 인버터를 포함할 수 있다. 이러한 예로서, 제1 무선 전력 수신 장치는 상대적으로 큰 전력량을 요구하는 스마트폰 등 모바일 단말기일 수 있고, 제2 무선 전력 수신 장치는 상대적으로 적은 전력량을 요구하는 웨어러블 기기일 수 있다.
제어기(140)는 승압형 인버터(121) 및 승압/감압형 인버터(131)의 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 제어기(140)는 상기 복수의 제1 스위칭 소자들을 제어하는 제1 송전 제어 신호 및 상기 복수의 제2 스위칭 소자들을 제어하는 제2 송전 제어 신호를 출력할 수 있다.
제1 송전 제어 신호는 제1 송전부(120)의 인버터의 복수개의 스위칭 소자들을 제어하기 위한 복수개의 제어신호들을 포함할 수 있고, 제2 송전 제어 신호는 제2 송전부(130)의 인버터의 복수개의 스위칭 소자들을 제어하기 위한 복수개의 제어신호들을 포함할 수 있다.
제어기(140)는 제1 송전 제어 신호를 구성하는 제어신호들 각각의 주파수, 듀티, 및/또는 타이밍(또는 위상차) 등을 조정함으로써 제1 송전부(120)에 의해 수행되는 무선 충전 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어기(140)는 제1 무선 전력 수신 장치(도 1의 200)로부터 입력되는 신호에 응답하여 제1 송전 제어 신호를 구성하는 제어신호들 각각의 주파수 및 듀티 등을 결정하고, 그 결과에 따라 제1 송전 제어 신호를 출력할 수 있다.
또한, 제어기(140)는 제2 송전 제어 신호를 구성하는 제어신호들 각각의 주파수 및/또는 듀티를 조정함으로써 제2 송전부(130)에 의해 수행되는 무선 충전 동작을 제어할 수 있다. 이때, 제2 송전제어신호(con2)를 구성하는 제어신호들의 주파수는 제1 송전 제어 신호를 구성하는 제어신호들의 주파수에 의해 결정될 수 있다. 예를 들면, 제어기(140)는 제2 송전 제어 신호를 구성하는 제어 신호들의 주파수는 제1 송전 제어 신호들의 주파수로 결정하고, 제2 무선 전력 수신 장치(도 1의 201)로부터 입력되는 신호에 응답하여 제2 송전 제어 신호를 구성하는 제어 신호들의 듀티를 결정하고, 그 결과에 따라 제2 송전 제어 신호를 출력할 수 있다. 즉, 제2 송전 제어 신호를 구성하는 제어 신호들의 주파수는 제1 무선 전력 수신장치(도 1의 200)로부터 입력되는 신호에 따라 결정될 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 입력 직류 전압의 크기는 변경될 수 있다. 예컨대, 입력 직류 전압은 제1 전압, 또는 상기 제1 전압 보다 큰 제2 전압 중 어느 하나일 수 있다.
그에 대응하여, 제어기(140)는 승압형 인버터(121) 및 승압/감압형 인버터(131)의 동작을 제어할 수 있다.
예를 들어, 상기 입력 직류 전압이 상기 제1 전압 이면, 제어기(140)는 상기 제1 송전 제어 신호의 듀티비를 제1 기준 듀티비로 설정하도록 제1 송전 제어 신호를 출력할 수 있다. 예컨대, 입력 직류 전압이 5V이면, 기준 듀티비를 50%로 설정하여 입력 직류 전압이 10V로 승압되도록 제1 송전 제어 신호를 출력할 수 있다.
한편, 상기 입력 직류 전압이 상기 제2 전압 이면, 제어기(140)는 상기 제1 송전 제어 신호의 듀티비를 제1 기준 듀티비 보다 작은 듀티비로 설정하도록 제1 송전 제어 신호를 출력할 수 있다. 예컨대, 입력 직류 전압이 9V이면, 기준 듀티비인 50% 보다 작은 듀티비로 설정하여 입력 직류 전압이 10V로 승압되도록 제1 송전 제어 신호를 출력할 수 있다.
다른 예를 들어, 상기 입력 직류 전압이 상기 제1 전압 이면, 제어기(140)는 상기 제2 송전 제어 신호의 듀티비를 제2 기준 듀티비 보다 큰 제1 듀티비로 설정하도록 제2 송전 제어 신호를 출력할 수 있다. 이와 같이, 상기 제2 송전 제어 신호의 듀티비가 제2 기준 듀티비 보다 큰 제1 듀티비로 설정되면, 승압/감압형 인버터(131)는 승압과 교류화 동작, 즉, 승압형 인버터로서 동작한다.
다른 예를 들어, 상기 입력 직류 전압이 상기 제2 전압 이면, 제어기(140)는 상기 제2 송전 제어 신호의 듀티비를 제2 기준 듀티비 보다 작은 제2 듀티비로 설정하도록 제2 송전 제어 신호를 출력할 수 있다. 이와 같이, 상기 제2 송전 제어 신호의 듀티비가 제2 기준 듀티비 보다 작은 제2 듀티비로 설정되면, 승압/감압형 인버터(131)는 감압과 교류화 동작, 즉, 감압형 인버터로서 동작한다.
여기에서, 상기 제2 기준 듀티비는 50% 일 수 있다.
제어기(140)는 하나의 집적 회로로 구현될 수 있다. 제1 송전부(120)와 제2 송전부(130)를 하나의 집적 회로로 구현된 하나의 제어기(140)로 제어함으로써, 무선 전력 송신 장치의 제작 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 제어기(140)는 적어도 하나의 프로세싱 유닛을 포함할 수 있다. 실시예에 따라 제어기(140)는 메모리를 더 포함할 수 있다. 프로세싱 유닛은 예를 들어 중앙처리장치(CPU), 그래픽처리장치(GPU), 마이크로프로세서, 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC), Field Programmable Gate Arrays(FPGA) 등을 포함할 수 있으며, 복수의 코어들을 가질 수 있다. 메모리는 휘발성 메모리(예를 들어, RAM 등), 비휘발성 메모리(예를 들어, ROM, 플래시 메모리 등) 또는 이들의 조합일 수 있다. 상기 메모리에는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 방법을 수행하기 위해 작성된 프로그램이 저장될 수 있다.
실시예에 따라, 제어기(140)는 게이트 드라이버를 포함할 수 있다. 또는 실시예에 따라, 무선 전력 송신 장치는 제어기로부터 제공된 제어 신호에 따라 제1 송전부(120) 및/또는 제2 송전부(130)에 포함된 스위치들을 구동하는 게이트 드라이버를 별도로 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에 대한 개략적인 회로도이다. 이하, 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 동작에 대하여 설명한다.
도 3을 참조하면, 무선 전력 송신 장치는, 승압형 인버터(121), 제1 공진회로(122), 승압 감압형 인버터(131) 및 제2 공진회로(132)를 포함할 수 있다. 도 3에서는 제어기(140)를 생략하여 도시하고 있다.
전원(310)을 통하여, 입력 직류 전압(Vs)이 형성될 수 있다. 입력 직류 전압은 제1 전압, 또는 상기 제1 전압 보다 큰 제2 전압 중 어느 하나일 수 있음은 상술한 바와 같다.
승압형 인버터(121)는, 입력 직류 전압(Vs)가 인가되는 노드와 제1 노드(N1) 사이에 연결되는 제1 부스트 인덕터(Lb1), 제2 노드(N2)와 접지 사이에 연결되는 제1 커패시터(C11), 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결되고 제1 제어신호(Q1)에 응답하여 동작하는 제1 스위칭 소자(Q11), 제1 노드(N1)와 접지 사이에 연결되고 제2 제어신호(Q2)에 응답하여 동작하는 제2 스위칭 소자(Q12), 제2 노드(N3)와 제3 노드(N3) 사이에 연결되고 제3 제어신호(Q3)에 응답하여 동작하는 제3 스위칭 소자(Q13), 제3 노드(N3)와 접지 사이에 연결되고 제4 제어신호(Q4)에 응답하여 동작하는 제4 스위칭 소자(Q14)를 포함한다.
제1 공진 회로(122)는 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 직렬로 연결되는 제1 공진 커패시터(Cr1) 및 제1 공진 인덕터(Lr1)를 포함한다.
승압형 인버터(121), 즉, 제1 부스트 인덕터(Lb1), 제1 커패시터(C11), 제1 스위칭 소자(Q11), 제2 스위칭 소자(Q12), 제3 스위칭 소자(Q13), 및 제4 스위칭 소자(Q14)는 입력 직류 전압(Vs)을 제1 교류 전력으로 변환하여 출력한다.
승압형 인버터(121)에서, 제1 부스트 인덕터(Lb1), 제1 커패시터(C11), 제1 스위칭 소자(Q11), 및 제2 스위칭 소자(Q12)는 입력 직류 전압(Vs)을 제1 인버터 입력 전압(즉, 제2 노드(N2)의 전압)으로 승압하는 부스트 컨버터로서 동작한다. 또한, 제1 스위칭 소자(Q11), 제2 스위칭 소자(Q12), 제3 스위칭 소자(Q13), 및 제4 스위칭 소자(Q14)는 제1 인버터 입력 전압을 제1 교류 전력으로 변환하는 풀 브리지 인버터로서 동작할 수 있다.
이와 같이, 승압형 인버터(121)는 부스트 컨버터와 인버터가 결합된 형태이다. 즉, 승압형 인버터(121)에 포함된 제1 스위칭 소자 내지 제4 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, 승압 뿐만 아니라 교류화가 수행되게 된다. 즉, 하나의 스위칭 제어에 의해 승압 및 교류화가 이루어지게 된다.
제1 공진 회로(122)에 포함된 제1 공진 커패시터(Cr1) 및 제1 공진 인덕터(Lr1)는 상기 제1 교류 전력을 공급받고, 이러한 교류 전력을 기반으로 무선 전력 수신 장치의 수신 공진 회로와 자기적으로 결합하여, 제1 전력을 무선으로 송신한다.
제1 공진부로 제1 교류 전력이 인가되는 시간은, 스위칭 소자들(Q11, Q21, Q31, Q41)의 온오프 타이밍에 의해 결정될 수 있다. 즉, 제1 스위칭 소자(Q11)와 제4 스위칭 소자(Q14)가 모두 온 상태가 되거나, 제2 스위칭 소자(Q12)와 제3 스위칭 소자(Q13)가 모두 온 상태가 된 경우에 제1 교류 전력이 제1 공진부로 인가된다. 제1 공진부로 제1 교류 전력이 인가되는 시간을 결정하는 인버터 듀티는 스위칭 소자들(Q11, Q21, Q31, Q41)의 동작 주기에 대한 1 스위칭 소자(Q11)와 제4 스위칭 소자(Q14)가 모두 온 상태인 제1 시간과 제2 스위칭 소자(Q12)와 제3 스위칭 소자(Q13)가 모두 온 상태인 제2 시간의 합의 비율로 정의될 수 있다.
위상 제어를 하지 않는 경우, 제1 교류 전력(Vinv1(t)), 즉, 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이의 전압은 수학식 1과 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, Vs은 전원(310)으로부터 입력되는 입력 직류 전압의 전압 크기이고, D는 동작 듀티로서 제1 제어 신호의 듀티이고, ω는 제어 신호들(Q1, Q2, Q3, Q4)의 주파수이다.
승압 감압형 인버터(131)는 입력 직류 전압(Vs)이 인가되는 노드와 제4 노드(N4) 사이에 연결되는 제2 부스트 인덕터(Lb2), 제5 노드(N5)와 제4 노드(N4) 사이에 연결되는 제2 커패시터(C21), 제6 노드(N6)와 접지 사이에 연결되는 제3 커패시터(C22), 제5 노드(N5)와 제6 노드(N6) 사이에 연결되고 제5 제어신호(Q5)에 응답하여 동작하는 제5 스위칭 소자(Q21), 제4 노드(N4)와 접지 사이에 연결되고 제6 제어신호(Q6)에 응답하여 동작하는 제6 스위칭 소자(Q22)를 포함한다.
제2 공진 회로(132)는 제5 노드(N5)와 접지 사이에 직렬로 연결된 제2 공진 커패시터(Cr2) 및 제2 공진 인덕터(Lr2)를 포함할 수 있다.
승압 감압형 인버터(131)의 제2 부스트 인덕터(Lb2), 제2 커패시터(C21), 제3 커패시터(C22),제5 스위칭 소자(Q21), 및 제6 스위칭 소자(Q22)는 입력 직류 전압(Vs)을 제2 교류 전력으로 변환하여 출력한다.
승압 감압형 인버터(131)에서, 제2 부스트 인덕터(Lb2), 제2 커패시터(C21), 제3 커패시터(C22), 제5 스위칭 소자(Q21), 및 제6 스위칭 소자(Q22)는 입력 직류 전압(Vs)을 제2 인버터 입력 전압으로 승압 또는 감압하는 스텝 업/다운 컨버터로서 동작하고, 제5 스위칭 소자(Q21), 및 제6 스위칭 소자(Q22)는 제2 인버터 입력 전압을 제2 교류 전력으로 변환하는 하프 브리지 인버터로서 동작할 수 있다.
이와 같이, 승압 감압형 인버터(131)는 스텝 업/다운 컨버터와 인버터가 결합된 형태이다. 즉, 승압 감압형 인버터(131)에 포함된 제5 스위칭 소자 내지 제6 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, 승압 또는 감압 뿐만 아니라 교류화가 수행되게 된다. 즉, 하나의 스위칭 제어에 의해 승압 또는 갑압 및 교류화가 이루어지게 된다.
제2 인버터 입력 전압(V_N6)의 크기는 수학식 2에 의해 결정될 수 있다.
Figure pat00002
여기서, Vs은 전원(310)으로부터 입력되는 입력 직류 전압의 전압 크기이고, D는 동작 듀티로서, 제6 제어 신호(Q6)의 온 듀티이다.
제1 인버터 입력 전압(즉, 제2 노드(N2)의 전압)과 제2 인버터 입력 전압(즉, 제6 노드(N6)의 전압)은 상호간에 영향을 주지 않는다. 이로 인하여, 제1 송전부(도 2의 120)와 제2 송전부(도 2의 130)가 각각 개별적으로 제어될 수 있으며, 따라서 제1 송전부(도 2의 120)와 제2 송전부(도 2의 130) 모두 최적의 효율로 전력을 무선으로 송신할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 송신 장치(101)는 웨어러블 디바이스(301)를 대상으로 충전을 제공할 수 있다.
무선 전력 송신 장치(101)는 승압 또는 감압 기능과 인버팅 기능을 하나의 통합된 회로를 이용하여 수행할 수 있다. 즉, 무선 전력 송신 장치(101)는 승압/감압형 인버터를 포함하여, 입력 직류 전압의 크기에 따라 승압 또는 감압과 함께, 교류화 동작을 수행할 수 있다.
이하 도 5 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에 대하여 보다 상세히 설명한다. 다만, 도 1 내지 도 3에서 상술한 설명에 상응하거나, 또는 그로부터 용이하게 이해가능한 것에 대해서는 이하에서 중복 설명하지 아니한다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 설명하는 블록 구성도이다.
도 5를 참조하면, 무선 전력 송신 장치(101)는 입력 직류 전압을 제공하는 입력단(510), 제1 공진 회로(520), 승압/감압형 인버터(530) 및 제어기(540)를 포함할 수 있다.
승압/감압형 인버터(530)는 제1 브리지 회로를 형성하는 복수의 제1 스위칭 소자들을 포함한다. 승압/감압형 인버터(530)는 상기 복수의 제1 스위칭 소자들의 스위칭 동작에 의해 상기 제1 공진 회로를 통하여 제1 전력을 송신한다. 승압/감압형 인버터(530)는 상기 복수의 제1 브리지 스위칭 소자들 중 적어도 하나의 스위칭 소자의 듀티비에 의해 상기 입력 직류 전압을 승압 또는 감압하여 상기 제1 브리지 회로에 인가할 수 있다.
제어기(540)는 제1 송전 제어 신호를 승압/감압형 인버터(530)에 제공하여, 승압/감압형 인버터(530)의 동작을 제어할 수 있다.
상술한 바와 같이, 입력 직류 전압의 크기는 변경될 수 있다. 예컨대, 입력 직류 전압은 제1 전압, 또는 상기 제1 전압 보다 큰 제2 전압 중 어느 하나일 수 있으며, 이에 대응하여 제어기(540)는 승압/감압형 인버터(530)의 동작을 제어할 수 있음은 기 설명한 바와 같다.
일 예로, 상기 입력 직류 전압이 상기 제1 전압 이면, 제어기(540)는 상기 제1 송전 제어 신호의 듀티비를 기준 듀티비 보다 큰 제1 듀티비로 설정하도록 제1 송전 제어 신호를 출력할 수 있다. 이와 같이, 상기 제1 송전 제어 신호의 듀티비가 기준 듀티비 보다 큰 제1 듀티비로 설정되면, 승압/감압형 인버터(530)는 승압과 교류화 동작, 즉, 승압형 인버터로서 동작한다.
다른 예를 들어, 상기 입력 직류 전압이 상기 제2 전압 이면, 제어기(540)는 상기 제1 송전 제어 신호의 듀티비를 기준 듀티비 보다 작은 제2 듀티비로 설정하도록 제1 송전 제어 신호를 출력할 수 있다. 이와 같이, 상기 제1 송전 제어 신호의 듀티비가 기준 듀티비 보다 작은 제2 듀티비로 설정되면, 승압/감압형 인버터(530)는 감압과 교류화 동작, 즉, 감압형 인버터로서 동작할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에 대한 개략적인 회로도이다.
도 6을 참조하면, 승압 감압형 인버터(530)는, 입력 직류 전압(Vs)이 인가되는 노드와 제1 노드(N1) 사이에 연결되는 부스트 인덕터(Lb), 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결되는 제1 커패시터(C1), 제3 노드(N3)와 접지 사이에 연결되는 제2 커패시터(C2), 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3) 사이에 연결되고 제1 제어신호(Q1)에 응답하여 동작하는 제1 스위칭 소자(Q31), 제1 노드(N1)와 접지 사이에 연결되고 제2 제어신호(Q2)에 응답하여 동작하는 제2 스위칭 소자(Q32)를 포함한다.
제2 공진 회로(520)는 제2 노드(N2)와 접지 사이에 직렬로 연결된 공진 커패시터(Cr) 및 공진 인덕터(Lr)를 포함할 수 있다.
승압 감압형 인버터(530)의 부스트 인덕터(Lb2), 제1 커패시터(C1), 제2 커패시터(C2), 제1 스위칭 소자(Q31), 및 제2 스위칭 소자(Q32)는 입력 직류 전압(Vs)을 교류 전력으로 변환하여 출력한다.
또한, 승압 감압형 인버터(530)에서, 부스트 인덕터(Lb2), 제1 커패시터(C1), 제2 커패시터(C2), 제1 스위칭 소자(Q31), 및 제2 스위칭 소자(Q32)는 입력 직류 전압(Vs)을 인버터 입력 전압으로 승압 또는 감압하는 스텝 업/다운 컨버터로서 동작하고, 제1 스위칭 소자(Q31) 및 제2 스위칭 소자(Q32)는 인버터 입력 전압을 교류 전력으로 변환하는 하프 브리지 인버터로서 동작할 수 있음은, 도 3을 참조하여 상술한 바와 같다.
이와 같이, 승압 감압형 인버터(530)는 스텝 업/다운 컨버터와 인버터가 결합된 형태이다. 즉, 승압 감압형 인버터(530)에 포함된 제1 스위칭 소자 내지 제2 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해, 승압 또는 감압 뿐만 아니라 교류화가 수행되게 된다. 즉, 하나의 스위칭 제어에 의해 승압 또는 갑압 및 교류화가 이루어지게 된다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치와, 그에 자기적으로 결합되는 무선 전력 수신 장치에 대한 개략적인 회로도이고, 도 8은 도 7에서 도시된 회로도에서의 각 신호들의 개략적인 예시를 나타내는 그래프이다.
도 7 및 도 8에 도시된 예에서, 입력 직류 전압을 5V 및 9V로 두 가지 조건으로 설정하고, 무선 전력 수신 장치의 출력 전압을 5V, 0.5A 를 기준으로 하는 예이다.
도 8에서의 Vload1은, 무선 전력 송신 장치의 입력 직류 전압이 5V인 경우의 무선 전력 수신 장치의 출력 전압을, Vload2는 무선 전력 송신 장치의 입력 직류 전압이 9V인 경우의 무선 전력 수신 장치의 출력 전압을 의미한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 입력 전압이 5V 또는 9V 중에서 변동되는 경우, 그에 대응하여 무선 전력 송신 장치의 스위치의 듀티비를 변경-도시된 예에서, 5V인 경우, 듀티비는 64%, 9V인 경우 듀티비는 35%임-함에 따라, 무선 전력 수신 장치의 출력 전압이 5V에 근사치로 유지되는 것을 알 수 있다.
또한, 듀티비의 범위도 30% 내지 70% 범위에서 조절되므로, 듀티비의 제어 범위를 일정한 범위 내에서 조절할 수 있어, 제어의 용이성을 확보할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100 : 무선 전력 송신 장치
110 : 입력단
120 : 제1 송전부
121 : 승압형 인버터 122 : 제1 공진회로
130 : 제2 송전부
131 : 승압/감압형 인버터 132 : 제2 공진회로
140 : 제어기
200, 201 : 무선 전력 수신 장치
300, 301 : 전자 기기

Claims (16)

  1. 입력 직류 전압을 입력받고, 제1 브리지 회로를 형성하는 복수의 제1 스위칭 소자들을 포함하고, 상기 복수의 제1 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 제1 전력을 송신하는 제1 송전부; 및
    상기 입력 직류 전압을 입력받고, 제2 브리지 회로를 형성하는 복수의 제2 스위칭 소자들을 포함하고, 상기 복수의 제2 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 제2 전력을 송신하는 제2 송전부;
    를 포함하고,
    상기 제1 송전부는
    상기 복수의 제1 브리지 스위칭 소자들 중 적어도 하나의 스위칭 소자의 듀티비에 의해 상기 입력 직류 전압을 승압하여 상기 제1 브리지 회로에 인가하고,
    상기 제2 송전부는
    상기 복수의 제2 브리지 스위칭 소자들 중 적어도 하나의 스위칭 소자의 듀티비에 의해 상기 입력 직류 전압을 승압 또는 감압하여 상기 제2 브리지 회로에 인가하는 무선 전력 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 무선 전력 송신 장치는
    상기 복수의 제1 스위칭 소자들을 제어하는 복수의 제1 송전 제어 신호들 및 상기 복수의 제2 스위칭 소자들을 제어하는 복수의 제2 송전 제어 신호들을 출력하는 제어기;
    를 더 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제어기는
    하나의 집적 회로로 구현되는 무선 전력 송신 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 입력 직류 전압은
    제1 전압; 또는
    상기 제1 전압 보다 큰 제2 전압; 중 어느 하나인 무선 전력 송신 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어기는
    상기 입력 직류 전압이 상기 제1 전압 이면, 상기 복수의 제2 송전 제어 신호들 중 적어도 하나의 듀티비를 기준 듀티비 보다 큰 제1 듀티비로 설정하는 무선 전력 송신 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제어기는
    상기 입력 직류 전압이 상기 제2 전압 이면, 상기 복수의 제2 송전 제어 신호들 중 적어도 하나의 듀티비를 기준 듀티비 보다 작은 제2 듀티비로 설정하는 무선 전력 송신 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 송전 제어 신호의 주파수와, 상기 제2 송전 제어 신호의 주파수는 동일한 무선 전력 송신 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어기는
    상기 제1 송전부로부터 전력을 수신하는 제1 무선 전력 수신 장치로부터 수신한 신호에 응답하여 상기 제1 송전 제어 신호의 듀티 및 주파수와, 상기 제2 송전 제어 신호의 주파수를 결정하고, 상기 제2 송전부로부터 전력을 수신하는 제2 무선 전력 수신 장치로부터 수신한 신호에 응답하여 상기 제2 송전 제어 신호의 듀티를 결정하는 무선 전력 송신 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 브리지 회로는 풀 브리지 회로이고,
    상기 제2 브리지 회로는 하프 브리지 회로인 무선 전력 송신 장치.
  10. 제1 공진 회로; 및
    입력 직류 전압을 입력받고, 제1 브리지 회로를 형성하는 복수의 제1 스위칭 소자들을 포함하고, 상기 복수의 제1 스위칭 소자의 스위칭 동작에 의해 상기 제1 공진 회로를 통하여 제1 전력을 송신하는 승압/감압형 인버터;
    를 포함하고,
    상기 승압/감압형 인버터는
    상기 입력 직류 전압이 제1 전압이면, 상기 복수의 제1 브리지 스위칭 소자들 중 적어도 하나의 스위칭 소자의 듀티비에 의해 상기 입력 직류 전압을 감압하여 상기 제1 브리지 회로에 인가하는 무선 전력 송신 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 승압/감압형 인버터는
    상기 입력 직류 전압이 상기 제1 전압보다 작은 제2 전압이면, 상기 입력 직류 전압을 승압하여 상기 제1 브리지 회로에 인가하는 무선 전력 송신 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 무선 전력 송신 장치는
    상기 복수의 제1 스위칭 소자들을 제어하는 제1 송전 제어 신호 및 상기 복수의 제1 스위칭 소자들을 제어하는 제1 송전 제어 신호를 출력하는 제어기;
    를 더 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제어기는
    상기 입력 직류 전압이 상기 제1 전압 이면, 상기 제1 송전 제어 신호의 듀티비를 기준 듀티비 보다 작은 제1 듀티비로 설정하는 무선 전력 송신 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제어기는
    상기 입력 직류 전압이 상기 제2 전압 이면, 상기 제1 송전 제어 신호의 듀티비를 기준 듀티비 보다 큰 제2 듀티비로 설정하는 무선 전력 송신 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제1 브리지 회로는 하프 브리지 회로인 무선 전력 송신 장치.
  16. 제10항에 있어서, 상기 승압/감압형 인버터는
    상기 입력 직류 전압이 인가되는 단자와 제1 노드 사이에 연결된 인덕터;
    상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결되는 제1 커패시터;
    상기 제2 노드와 제3 노드 사이에 연결되는 제1 스위칭 소자;
    상기 제1 노드와 접지 사이에 연결되는 제2 스위칭 소자; 및
    상기 제3 노드와 상기 접지 사이에 연결되는 제2 커패시터를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
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