KR20190087250A - 무선 전력 송신 장치 - Google Patents

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KR20190087250A
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Abstract

본 발명의 실시예에 따르면, 무선 전력 송신 장치가 공개된다. 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 입력 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력하는 교류 전력 출력부, 및 복수개의 공진기들을 포함하며, 상기 교류 전력을 인가받아 전력을 무선으로 송신하는 송전부를 포함하고, 제1 동작 모드에서는 상기 복수개의 공진기들 중 2개의 공진기가 직렬로 연결되고 직렬로 연결된 공진기들을 이용하여 전력을 무선으로 송신하고, 제2 동작 모드에서는 상기 복수개의 공진기들 중 하나를 이용하여 전력을 무선으로 송신한다.

Description

무선 전력 송신 장치{Wireless power transmitter}
본 출원은 전력을 무선으로 송신하는 무선 전력 송신 장치에 관한 것이다.
최근들어 모바일 단말 등의 기기가 무선으로 충전되는 기능을 가지는 경우가 많아지고 있다. 무선 충전 기능을 가지는 기기는 전력을 무선으로 송신하는 무선 전력 송신 장치 상에 전력이 전송 가능한 영역인 충전 영역에 위치함으로써, 전력을 무선으로 수신하게 된다. 충전 영역이 넓어지게 되면 사용자는 보다 편리하게 무선 충전 기능을 활용할 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2017-0107344호
본 발명의 실시예에 따르면, 전력을 무선으로 송신하는 무선 전력 송신 장치가 제공된다.
본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 교류 전력을 출력하는 교류 전력 출력부와, 일단이 중성점에 연결된 복수개의 송전 코일들과, 상기 중성점과 상기 교류 전력 출력부와 상기 중성점 사이에 연결된 스위치부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 입력 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력하는 교류 전력 출력부, 및 복수개의 공진기들을 포함하며, 상기 교류 전력을 인가받아 전력을 무선으로 송신하는 송전부를 포함하고, 제1 동작 모드에서는 상기 복수개의 공진기들 중 2개의 공진기가 직렬로 연결되고 직렬로 연결된 공진기들을 이용하여 전력을 무선으로 송신하고, 제2 동작 모드에서는 상기 복수개의 공진기 중 하나를 이용하여 전력을 무선으로 송신한다.
본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 입력 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력하는 교류 전력 출력부, 및 각각을 통하여 흐르는 전류의 방향이 동일한 복수개의 송전 코일들을 포함하고, 상기 교류 전력을 인가받아 전력을 무선으로 송신하는 송전부를 포함하고, 무선 전력 수신 장치가 상기 복수개의 송전 코일들 중 제1 송전 코일과 제2 송전 코일의 중간에 위치하면, 상기 교류 전력이 상기 제1 송전 코일의 일단과 상기 제2 송전 코일의 일단으로 인가된다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 보다 적은 수의 송전 코일과 보다 적은 수의 스위칭 소자를 사용하여 다크존이 없으면서도 넓은 충전 영역을 형성할 수 있다. 따라서 사용자의 편의를 향상시킴과 동시에 무선 전력 송신 장치의 제작 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 개략적인 구성을 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3 각각은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 송전 코일들의 배치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6(a) 내지 도 6(c)는 도 5에 나타낸 무선 전력 송신 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8(a) 내지 도 8(c)는 도 7에 나타낸 무선 전력 송신 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 5 또는 도 7에 나타낸 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 스위칭 소자들의 실시예들을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에서 인접한 송전 코일들의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 송전 코일들의 배치를 나타낸 도면이다.
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.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 개략적인 구성을 나타낸 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 전원 공급부(110), 교류 전력 출력부(120), 송전부(130), 및 제어부(140)를 포함할 수 있다.
전원 공급부(110)는 입력 전력(Vin)을 출력할 수 있다. 입력 전력은 직류 전압일 수 있다.
교류 전력 출력부(120)는 입력 전력(Vin)을 교류 전력(Vac)으로 변환하여 출력할 수 있다. 교류 전력 출력부(120)는 인버터 등을 포함할 수 있다. 또한, 교류 전력(Vac)의 주파수는 제어부(140)가 출력하는 제어 신호(con)에 따라 결정될 수 있다.
송전부(130)는 교류 전력(Vac)을 입력받고, 전력을 무선으로 송신할 수 있다. 송전부(130)는 복수개의 송전 코일들을 포함할 수 있으며, 복수개의 송전 코일들은 개별적으로 전력을 송신할 수도 있고, 2개 또는 그 이상의 송전 코일들이 함께 전력을 송신할 수도 있다. 이를 위해, 송전부(130)는 적어도 하나 이상의 스위칭 소자들을 포함할 수 있다. 송전부(130)의 구체적인 실시예에 관하여는 후술한다.
제어부(140)는 교류 전력 출력부(120) 및 송전부(130)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어부(140)는 교류 전력 출력부(120)의 인버터를 구성하는 복수개의 스위칭 소자들을 제어하는 제1 제어 신호(con1)를 출력하여 교류 전력 출력부(120)로부터 출력되는 교류 전력(Vac)의 주파수 및/또는 크기를 제어할 수 있다. 또한, 제어부(140)는 송전부(130)의 적어도 하나 이상의 스위칭 소자들을 제어하는 제2 제어 신호들(con2)을 출력할 수 있다. 제어부(140)는 무선 전력 수신 장치(미도시)의 위치에 따라 제2 제어 신호(con2)를 출력할 수 있다. 예를 들면, 무선 전력 수신 장치가 복수개의 송전 코일들 중 하나에 대응하는 위치에 있는 경우, 상기 하나의 송전 코일로만 교류 전력이 공급되도록 송전부(130)의 스위칭 소자들을 제어할 수 있다. 또는, 무선 전력 수신 장치가 복수개의 송전 코일들 중 적어도 2개의 중간 지역에 위치하는 경우, 상기 적어도 2개의 송전 코일들로 교류 전력이 공급되도록 송전부(130)의 스위칭 소자들을 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 송전 코일들의 배치를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 복수개의 송전 코일들(L11, L21, L31, L41, L51) 각각은 사각형 형태로 구현될 수 있고, 일렬로 배치될 수 있다. 또한, 복수개의 송전 코일들(L11, L21, L31, L41, L51) 중 서로 인접하는 코일들은 권선부가 겹치도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 서로 인접하는 코일들은 서로 한 변이 겹쳐지는 형태로 배치될 수 있다.
복수개의 송전 코일들(L11, L21, L31, L41, L51)로 전류가 흐름으로써, 전력이 무선으로 송신된다. 이 때, 복수개의 송전 코일들(L11, L21, L31, L41, L51) 각각이 전력을 무선으로 송신할 수도 있고, 복수개의 송전 코일들(L11, L21, L31, L41, L51) 중 적어도 2개의 코일들이 함께 전력을 무선으로 송신할 수도 있다. 적어도 2개의 코일들이 함께 전력을 송신하기 위해, 복수개의 송전 코일들(L11, L21, L31, L41, L51)은 전류(i)가 흐르는 방향이 모두 동일할 수 있다. 다시 말하면, 복수개의 송전 코일들(L11, L21, L31, L41, L51)은 각각이 생성하는 자기장이 동일한 방향이 되도록 권선되고 연결될 수 있다. 또한, 복수개의 송전 코일들(L11, L21, L31, L41, L51) 각각을 개별적으로 사용할지 또는 적어도 2개의 코일들을 결합하여 사용할지를 결정하기 위해, 복수개의 송전 코일들(L11, L21, L31, L41, L51) 각각의 일단은 하나의 중성점에 연결될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 송전 코일들의 배치를 나타낸 도면이다.
도 3에 나타낸 실시예는 복수개의 송전 코일들(L12, L22, L32, L42, L52) 각각이 삼각형 형태로 구현된다는 것만 제외하면 도 1에서 설명한 실시예와 동일하다.
도 2 및 도 3에서는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치가 5개의 송전 코일들을 포함하는 것을 예시하였으나, 송전 코일의 개수는 필요에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 또한, 송전 코일들 각각의 형상도 필요에 따라 적절하게 변형될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 동작을 설명하기 위한 도면으로서, 도 4의 La와 Lb는 서로 인접하는 송전 코일들을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 송전 코일(La)에서 흐르는 전류의 방향과 송전 코일(Lb)에서 흐르는 전류의 방향은 서로 동일하다.
만일, 무선 전력 수신 장치가 A 영역에 위치한 경우, 무선 전력 송신 장치는 송전 코일(La)에만 전류가 흐르도록 함으로써 무선 전력 수신 장치로 전력을 전송할 수 있다. 예를 들면, 송전 코일(La)은 교류 전력을 출력하는 교류 전력 출력부와 연결하고, 송전 코일(Lb)은 교류 전력 출력부와 연결되지 않도록 함으로써, 송전 코일(La)만 이용하여 전력을 전송할 수 있다.
만일 무선 전력 수신 장치가 C 영역에 위치한 경우, 무선 전력 송신 장치는 송전 코일(Lb)에만 전류가 흐르도록 함으로써 무선 전력 수신 장치로 전력을 전송할 수 있다. 예를 들면, 송전 코일(Lb)은 교류 전력 출력부와 연결하고, 송전 코일(La)은 교류 전력 출력부와 연결되지 않도록 함으로써, 송전 코일(Lb)만 이용하여 전력을 전송할 수 있다.
만일 무선 전력 수신 장치가 B 영역에 위치한 경우, 무선 전력 송신 장치는 송전 코일(La)과 송전 코일(Lb) 모두에 전류가 흐르도록 함으로써 무선 전력 수신 장치로 전력을 전송할 수 있다. 상술한 바와 같이, 송전 코일(La)의 일단과 송전 코일(Lb)의 일단은 모두 하나의 중성점에 연결되어 있다. 따라서, 송전 코일(La)의 타단과 송전 코일(Lb)의 타단을 교류 전력 출력부와 연결함으로써, 송전 코일(La)과 송전 코일(Lb)을 모두 이용하여 전력을 전송할 수 있다. 이때, 송전 코일(La)과 송전 코일(Lb) 각각의 권선 방향은 두 코일이 모두 교류 전력 출력부와 연결되었을 때 흐르는 전류의 방향이 동일하도록 설정될 수 있다.
즉, 송전 코일(La)에서 흐르는 전류의 방향과 송전 코일(Lb)에서 흐르는 전류의 방향은 서로 동일하므로, 송전 코일(La)에 전류가 흐를 때 형성되는 자기장의 방향과 송전 코일(Lb)에 전류가 흐를 때 형성되는 자기장의 방향이 서로 동일하게 된다. 따라서, 무선 전력 수신 장치가 송전 코일(La)과 송전 코일(Lb) 사이의 영역인 B 영역에 존재하더라도 송전 코일(La)과 송전 코일(Lb) 모두에 전류가 흐르도록 함으로써 무선 전력 수신 장치로 전력을 전송할 수 있다. 다시 말하면, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 수신 장치는 송전 코일(La)과 송전 코일(Lb) 사이에 추가적인 송전 코일을 설치하지 않더라도 음영지역 없이 전력을 무선으로 송신할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 전원 공급부(111), 교류 전력 출력부(121), 및 송전부(131)를 포함할 수 있다. 또한, 도 6(a) 내지 도 6(c)는 도 5에 나타낸 무선 전력 송신 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
전원 공급부(111)는 입력 전력(Vin)을 출력할 수 있다. 입력 전력은 직류 전압일 수 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 전원부(111)는 입력 전력(Vin)을 출력하는 전력원과, 전력원과 병렬로 연결되는 입력 커패시터(Cin)를 포함할 수 있다. 전력원은 배터리 또는 외부로부터 입력된 전원을 입력 전력으로 변환하는 어댑터 등을 포함할 수 있다.
교류 전력 출력부(121)는 입력 전력(Vin)을 교류 전력으로 변환하여 출력할 수 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 교류 전력 출력부(121)는 풀 브리지 인버터를 포함할 수 있다. 즉, 교류 전력 출력부(121)는 입력 전력(Vin)이 인가되는 단자와 제1 노드(N1) 사이에 연결된 제1 변환 스위칭 소자(S1), 제1 노드(N1)와 접지 사이에 연결된 제2 변환 스위칭 소자(S2), 입력 전력(Vin)이 인가되는 단자와 제2 노드(N2) 사이에 연결된 제3 변환 스위칭 소자(S3), 및 제2 노드(N2)와 접지 사이에 연결된 제4 변환 스위칭 소자(S4)를 포함할 수 있다. 교류 전력은 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2)로 출력될 수 있다.
송전부(131)는 교류 전력을 입력받고, 전력을 무선으로 송신할 수 있다. 송전부(131)는 복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5), 복수개의 공진 커패시터들(C1, C2, C3, C4, C5), 복수개의 선택 스위칭 소자들(SS1, SS2, SS3, SS4, Ss5), 및 중성점(NP)과 교류 전력 출력부(121)의 출력단, 즉, 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 연결된 스위치부를 포함할 수 있다. 스위치부는 제1 노드(N1)과 중성점(NP) 사이에 연결된 제1 중성점 스위칭 소자(SN1) 및 제2 노드(N2)과 중성점(NP) 사이에 연결된 제2 중성점 스위칭 소자(SN2)를 포함할 수 있다.
복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5)과 복수개의 공진 커패시터들(C1, C2, C3, C4, C5)은 복수개의 공진부들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315)을 구성할 수 있다. 즉, 제1 송전 코일(L1)과 제1 공진 커패시터(C1)는 서로 직렬로 연결되어 제1 공진부(1311)를 구성하고, 제2 송전 코일(L2)과 제2 공진 커패시터(C2)는 서로 직렬로 연결되어 제2 공진부(1312)를 구성하고, 제3 송전 코일(L3)과 제3 공진 커패시터(C3)는 서로 직렬로 연결되어 제3 공진부(1313)를 구성하고, 제4 송전 코일(L4)과 제4 공진 커패시터(C4)는 서로 직렬로 연결되어 제4 공진부(1314)를 구성하고, 제5 송전 코일(L5)과 제5 공진 커패시터(C5)는 서로 직렬로 연결되어 제5 공진부(1315)를 구성할 수 있다. 복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5)은 모두 동일한 인덕턴스를 가질 수 있고, 복수개의 공진 커패시터들(C1, C2, C3, C4, C5)은 모두 동일한 커패시턴스를 가질 수 있다.
복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5)은 도 2 또는 도 3에서 설명한 것과 동일한 형상을 가지며, 도 2 또는 도 3에서 설명한 것과 동일하게 배치될 수 있다. 즉, 복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5)은 제1 송전 코일(L1), 제2 송전 코일(L2), 제3 송전 코일(L3), 제4 송전 코일(L4), 및 제5 송전 코일(L5)의 순서대로 일렬로 배치될 수 있으며, 복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5)을 통하여 흐르는 전류의 방향은 동일할 수 있다. 상술한 바와 같이, 복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5) 각각의 형상은 필요에 따라 다양하게 구현될 수 있으며, 복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5)의 개수도 필요에 따라 변경될 수 있다.
제1 내지 제5 공진부(1311~1315)의 복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5) 각각의 일단은 중성점(NP)에 연결될 수 있다.
복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5) 중 홀수번째 송전 코일들(L1, L3, L5)은 선택 스위칭 소자(SS1, SS3, SS5)를 통해 제2 노드(N2)와 연결될 수 있고, 복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5) 중 짝수번째 송전 코일들(L2, L4)은 선택 스위칭 소자(SS2, SS4)를 통해 제1 노드(N1)와 연결될 수 있다.
즉, 제1 선택 스위칭 소자(SS1)는 제1 송전 코일(L1)을 포함하는 제1 공진부(1311)와 제2 노드(N2) 사이에 연결되며, 제2 선택 스위칭 소자(SS2)는 제2 송전 코일(L2)을 포함하는 제2 공진부(1312)와 제1 노드(N1) 사이에 연결되며, 제3 선택 스위칭 소자(SS3)는 제3 송전 코일(L3)을 포함하는 제3 공진부(1313)와 제2 노드(N2) 사이에 연결되며, 제4 선택 스위칭 소자(SS4)는 제4 송전 코일(L4)을 포함하는 제4 공진부(1314)와 제1 노드(N1) 사이에 연결되며, 제5 선택 스위칭 소자(SS5)는 제5 송전 코일(L5)을 포함하는 제5 공진부(1315)와 제2 노드(N2) 사이에 연결될 수 있다.
제1 중성점 스위칭 소자(SN1)는 중성점(NP)과 제1 노드(N1) 사이에 연결될 수 있다. 제2 중성점 스위칭 소자(SN2)는 중성점(NP)과 제2 노드(N1) 사이에 연결될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 송전부(130)의 스위칭 소자들(SS1, SS2, SS3, SS4, SS5, SN1, SN2)을 적절하게 온오프 함으로써, 전력을 송신할 송전 코일을 결정할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 수신 장치가 제1 송전 코일(L1)의 중심 부근에 위치하여 제1 송전 코일(L1)을 통해 전력을 송신하고자 할 경우, 도 6(a)에 나타낸 바와 같이 제1 선택 스위칭 소자(SS1) 및 제1 중성점 스위칭 소자(SN1)를 온 시키고, 나머지 스위칭 소자들(SS2, SS3, SS4, SS5, SN2)은 오프시킬 수 있다. 이 경우, 제1 공진부(1311)만 활성화되어 전력 전송에 사용되고, 나머지 공진부들(1312, 1313, 1314, 1315)은 비활성화되어 동작하지 않는다. 또는, 무선 전력 수신 장치가 제2 송전 코일(L2)의 중심 부근에 위치하여 제2 송전 코일(L2)을 통해 전력을 송신하고자 할 경우, 도 6(b)에 나타낸 바와 같이 제2 선택 스위칭 소자(SS2) 및 제2 중성점 스위칭 소자(SN2)를 온 시키고, 나머지 스위칭 소자들(SS1, SS3, SS4, SS5, SN1)은 오프시킬 수 있다. 이 경우, 제2 공진부(1312)만 활성화되어 전력 전송에 사용되고, 나머지 공진부들(1311, 1313, 1314, 1315)은 비활성화되어 동작하지 않는다. 또는, 무선 전력 수신 장치가 제1 송전 코일(L1)과 제2 송전 코일(L2)의 중간에 위치하여 제1 송전 코일(L1) 및 제2 송전 코일(L2)을 통해 전력을 송신하고자 할 경우, 도 6(c)에 나타낸 바와 같이 제1 선택 스위칭 소자(SS1)와 제2 선택 스위칭 소자(SS2)를 온 시키고, 나머지 스위칭 소자들(SS3, SS4, SS5, SN1, SN2)을 오프시킬 수 있다. 이 경우, 제1 공진부(1311)와 제2 공진부(1312)가 활성화되어 전력 전송에 사용되고, 나머지 공진부들(1313, 1314, 1315)은 비활성화되어 동작하지 않는다. 또한, 상술한 바와 같이, 송전 코일들(L1, L2)은 동일한 인덕턴스를 가지고, 공진 커패시터들(C1, C2)은 동일한 커패시턴스를 가진다. 또한 도 6(c)에 나타낸 바와 같이, 제1 공진부(1311)와 제1 공진부(1312)는 직렬로 연결된다. 따라서, 제1 공진부(1311)와 제1 공진부(1312)가 결합된 공진부의 공진 주파수는 공진부들(1311, 1312, 1313, 1314, 1315) 각각의 공진 주파수와 동일해진다.
도 5에서 도시하지는 않았지만, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 스위칭 소자들(S1, S2, S3, S4, SN1, SN2, SS1, SS2, SS3, SS4, SS5)을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 전원 공급부(112), 교류 전력 출력부(122), 및 송전부(132)를 포함할 수 있다. 또한, 도 8(a) 내지 도 8(c)는 도 7에 나타낸 무선 전력 송신 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
전원 공급부(112)는 입력 전력을 출력할 수 있다. 입력 전력은 직류 전압일 수 있다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 전원부(112)는 입력 전력(Vin)을 출력하는 전력원과, 전력원과 병렬로 연결되는 입력 커패시터(Cin)를 포함할 수 있다. 전력원은 배터리 또는 외부로부터 입력된 전원을 입력 전력으로 변환하는 어댑터 등을 포함할 수 있다.
교류 전력 출력부(122)는 입력 전력(Vin)을 교류 전력으로 변환하여 출력할 수 있다. 교류 전력 출력부(220)는 입력 전력(Vin)이 인가되는 단자와 제1 노드(N1) 사이에 연결된 제1 변환 스위칭 소자(S1), 제1 노드(N1)와 접지 사이에 연결된 제2 변환 스위칭 소자(S2), 입력 전력(Vin)이 인가되는 단자와 제2 노드(N2) 사이에 연결된 제3 변환 스위칭 소자(S3), 제2 노드(N2)와 접지 사이에 연결된 제4 변환 스위칭 소자(S4), 입력 전력(Vin)이 인가되는 단자와 제3 노드(N3) 사이에 연결된 제5 변환 스위칭 소자(S5), 제3 노드(N3)와 접지 사이에 연결된 제6 변환 스위칭 소자(S6), 입력 전력(Vin)이 인가되는 단자와 제4 노드(N4) 사이에 연결된 제7 변환 스위칭 소자(S7), 제4 노드(N4)와 접지 사이에 연결된 제8 변환 스위칭 소자(S8), 입력 전력(Vin)이 인가되는 단자와 제5 노드(N5) 사이에 연결된 제9 변환 스위칭 소자(S9), 제5 노드(N5)와 접지 사이에 연결된 제10 변환 스위칭 소자(S10), 입력 전력(Vin)이 인가되는 단자와 중성점(NP) 사이에 연결된 제1 중성점 스위칭 소자(SN1), 및 중성점(NP)과 접지 사이에 연결된 제2 중성점 스위칭 소자(SN2)를 포함할 수 있다. 교류 전력은 제1 노드(N1), 제2 노드(N2), 제3 노드(N3), 제4 노드(N4), 제5 노드(N5), 및 중성점(NP) 중 적어도 2개의 노드로 출력될 수 있다.
즉, 교류 전력 출력부(122)는 복수개의 브리지 회로들을 포함하고 있으나, 특정 시점에서는 2개의 브리지 회로들을 포함하는 풀 브리지 회로로서 동작한다. 구체적으로, 제1 중성점 스위칭 소자(SN1) 및 제2 중성점 스위칭 소자(SN2)는 공통 브리지 회로를 구성하고, 제1 변환 스위칭 소자(S1) 및 제2 변환 스위칭 소자(S2)는 제1 선택 브리지 회로를 구성하고, 제3 변환 스위칭 소자(S3) 및 제4 변환 스위칭 소자(S4)는 제2 선택 브리지 회로를 구성하고, 제5 변환 스위칭 소자(S5) 및 제6 변환 스위칭 소자(S6)는 제3 선택 브리지 회로를 구성하고, 제7 변환 스위칭 소자(S7) 및 제8 변환 스위칭 소자(S8)는 제4 선택 브리지 회로를 구성하고, 제9 변환 스위칭 소자(S9) 및 제10 변환 스위칭 소자(S10)는 제5 선택 브리지 회로를 구성한다. 필요에 따라, 선택 브리지 회로들 중 하나와 공통 브리지 회로가 결합하여 풀 브리지 회로로 동작할 수도 있고, 선택 브리지 회로들 중 2개가 결합하여 풀 브리지 회로로 동작할 수도 있다.
송전부(132)는 교류 전력을 입력받고, 전력을 무선으로 송신할 수 있다. 송전부는 복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5), 및 복수개의 공진 커패시터들(C1, C2, C3, C4, C5)을 포함할 수 있다.
복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5)과 복수개의 공진 커패시터들(C1, C2, C3, C4, C5)은 복수개의 공진부(1321, 1322, 1323, 1324, 1325)를 구성할 수 있다. 즉, 제1 송전 코일(L1)과 제1 공진 커패시터(C1)는 서로 직렬로 연결되어 제1 공진부(1321)를 구성하고, 제2 송전 코일(L2)과 제2 공진 커패시터(C2)는 서로 직렬로 연결되어 제2 공진부(1322)를 구성하고, 제3 송전 코일(L3)과 제3 공진 커패시터(C3)는 서로 직렬로 연결되어 제3 공진부(1323)를 구성하고, 제4 송전 코일(L4)과 제4 공진 커패시터(C4)는 서로 직렬로 연결되어 제4 공진부(1324)를 구성하고, 제5 송전 코일(L5)과 제5 공진 커패시터(C5)는 서로 직렬로 연결되어 제5 공진부(1325)를 구성할 수 있다. 복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5)은 모두 동일한 인덕턴스를 가질 수 있고, 복수개의 공진 커패시터들(C1, C2, C3, C4, C5)은 모두 동일한 커패시턴스를 가질 수 있다.
복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5)은 도 2 또는 도 3에서 설명한 것과 동일한 형상을 가지며, 도 2 또는 도 3에서 설명한 것과 동일하게 배치될 수 있다. 즉, 복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5)은 제1 송전 코일(L1), 제2 송전 코일(L2), 제3 송전 코일(L3), 제4 송전 코일(L4), 및 제5 송전 코일(L5)의 순서대로 일렬로 배치될 수 있으며, 복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5)을 통하여 흐르는 전류의 방향은 동일할 수 있다. 상술한 바와 같이, 복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5) 각각의 형상은 필요에 따라 다양하게 구현될 수 있으며, 복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5)의 개수도 필요에 따라 변경될 수 있다.
제1 내지 제5 공진부의 복수개의 송전 코일들(L1, L2, L3, L4, L5) 각각의 일단은 중성점(NP)에 연결될 수 있다.
제1 송전 코일(L1)을 포함하는 제1 공진부의 일단은 제1 노드(N1)와 연결되고, 제2 송전 코일(L2)을 포함하는 제2 공진부의 일단은 제2 노드(N2)와 연결되고, 제3 송전 코일(L3)을 포함하는 제3 공진부의 일단은 제3 노드(N3)와 연결되고, 제4 송전 코일(L4)을 포함하는 제4 공진부의 일단은 제4 노드(N4)와 연결되고, 제5 송전 코일(L5)을 포함하는 제1 공진부의 일단은 제5 노드(N5)와 연결될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 변환부(220)의 스위칭 소자들(S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, SN1, SN2)을 적절하게 온오프 함으로써, 전력을 송신할 송전 코일을 결정할 수 있다. 예를 들어, 무선 전력 수신 장치가 제1 송전 코일(L1)의 중심 부근에 위치하여 제1 송전 코일(L1)을 통해 전력을 송신하고자 할 경우, 도 8(a)에 나타낸 바와 같이 제1 변환 스위칭 소자(S1), 제2 변환 스위칭 소자(S2), 제1 중성점 스위칭 소자(SN1), 및 제2 중성점 스위칭 소자(SN2)를 풀 브리지 인버터로서 동작시키고, 나머지 스위칭 소자들은 오프 상태를 유지할 수 있다. 이 경우, 제1 공진부(1321)만 활성화되어 전력 전송에 사용되고, 나머지 공진부들(1322, 1323, 1324, 1325)은 비활성화되어 동작하지 않는다. 또는, 무선 전력 수신 장치가 제2 송전 코일(L2)의 중심 부근에 위치하여 제2 송전 코일(L2)을 통해 전력을 송신하고자 할 경우, 도 8(b)에 나타낸 바와 같이 제3 변환 스위칭 소자(S3), 제4 변환 스위칭 소자(S4), 제1 중성점 스위칭 소자(SN1), 및 제2 중성점 스위칭 소자(SN2)를 풀 브리지 인버터로서 동작시키고, 나머지 스위칭 소자들은 오프 상태를 유지할 수 있다. 이 경우, 제2 공진부(1322)만 활성화되어 전력 전송에 사용되고, 나머지 공진부들(1321, 1323, 1324, 1325)은 비활성화되어 동작하지 않는다. 또는, 무선 전력 수신 장치가 제1 송전 코일(L1)과 제2 송전 코일(L2)의 중간에 위치하여 제1 송전 코일(L1) 및 제2 송전 코일(L2)을 통해 전력을 송신하고자 할 경우, 도 8(c)에 나타낸 바와 같이 제1 변환 스위칭 소자(S1), 제2 변환 스위칭 소자(S2), 제3 변환 스위칭 소자(S3), 및 제4 변환 스위칭 소자(S4)를 풀 브리지 인버터로서 동작시키고, 나머지 스위칭 소자들은 오프 상태를 유지할 수 있다. 이 경우, 제1 공진부(1321)와 제2 공진부(1322)가 활성화되어 전력 전송에 사용되고, 나머지 공진부들(1323, 1324, 1325)은 비활성화되어 동작하지 않는다. 또한, 상술한 바와 같이, 송전 코일들(L1, L2)은 동일한 인덕턴스를 가지고, 공진 커패시터들(C1, C2)은 동일한 커패시턴스를 가진다. 또한 도 6(c)에 나타낸 바와 같이, 제1 공진부(1321)와 제1 공진부(1322)는 직렬로 연결된다. 따라서, 제1 공진부(1321)와 제1 공진부(1322)가 결합된 공진부의 공진 주파수는 공진부들(1321, 1322, 1323, 1324, 1325) 각각의 공진 주파수와 동일해진다.
도 9는 도 5 또는 도 7에 나타낸 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 스위칭 소자들의 실시예들을 나타낸 도면이다. 스위칭 소자들(도 4의 SS1, SS2, SS3, SS4, SS5, SN1, SN2, 도 5의 SN1, SN2)은 릴레이 스위치 또는 도 9에 나타낸 여러가지 반도체 스위치 중 어느 하나로 구현될 수 있다.
예를 들어, 스위칭 소자들(도 5의 SS1, SS2, SS3, SS4, SS5, SN1, SN2, 도 7의 SN1, SN2)은 도 9의 (a)에 나타낸 것과 같이, 2개의 반도체 스위칭 소자를 연결한 백투백 스위치일 수 있다. 또는, 스위칭 소자들(도 5의 SS1, SS2, SS3, SS4, SS5, SN1, SN2, 도 7의 SN1, SN2)은 도 9의 (b)에 나타낸 것과 같이, 하나의 반도체 스위칭 소자와 커패시터가 직렬로 연결된 스위치일 수도 있다. 이와 같이 구성됨으로써, 교류 신호를 보다 적절하게 차단할 수 있다.
또는 선택 스위칭 소자들(도 5의 SS1, SS2, SS3, SS4, SS5)의 경우, 연결된 공진부에 공진 커패시터가 도 9(b)의 커패시터로 기능할 수 있다. 따라서, 선택 스위칭 소자들(도 4의 SS1, SS2, SS3, SS4, SS5)의 경우, 도 9(c)에 나타낸 것과 같이 하나의 반도체 스위칭 소자로 구현될 수도 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치에서 인접한 송전 코일들의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 10에서, La 및 Lb는 인접하여 배치된 송전 코일들을 L_Rx는 전력을 수신하는 수전 코일을 각각 나타낸다. 또한, A는 송전 코일의 일측의 폭을, B는 송전 코일(La)과 송전 코일(Lb)이 겹쳐진 부분에서 송전 코일(La)의 내측 경계면과 송전 코일(Lb)의 내측 경계면 사이의 거리를, C는 송전 코일의 내경을, D는 수전 코일의 외경을 각각 나타낸다.
먼저, 송전 코일들(La, Lb)은 권선부의 적어도 일부분이 겹쳐지도록 배치될 수 있다. 이때, 송전 코일들(La, Lb)은 완전혀 겹쳐지지는 않도록 배치될 수 있다. 즉, 송전 코일들(La, Lb)은 송전 코일(La)의 내측 공간(즉, 내측 경계면 안쪽 공간)과 송전 코일(Lb)의 내측 공간이 서로 겹쳐지지 않도록 배치될 수 있다.
이때, 송전 코일들(La, Lb)은 조건 B < 1.4A 를 만족하도록 배치될 수 있다.
또한, 송전 코일들(La, Lb)은 조건 B+C < D 를 추가적으로 만족하도록 배치될 수도 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 송전 코일들의 배치를 나타낸 도면이다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 무선 전력 송신 장치는 두 줄로 나열된 송전 코일들(L13, L23, L33, L43, L53, L63, L73, L83, L93, L103)을 포함할 수도 있다.
도시하지는 않았지만, 본 발명의 무선 전력 송신 장치는 세개 이상의 줄로 나열된 송전 코일들을 포함할 수도 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
110, 111, 112 : 전원 공급부 120, 121, 122 : 교류 전력 출력부
130, 131, 132 : 송전부

Claims (15)

  1. 입력 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력하는 교류 전력 출력부; 및
    복수개의 공진기들을 포함하며, 상기 교류 전력을 인가받아 전력을 무선으로 송신하는 송전부를 포함하고,
    제1 동작 모드에서는 상기 복수개의 공진기들 중 2개의 공진기가 직렬로 연결되고 직렬로 연결된 공진기들을 이용하여 전력을 무선으로 송신하고, 제2 동작 모드에서는 상기 복수개의 공진기들 중 하나를 이용하여 전력을 무선으로 송신하는 무선 전력 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 송전부는
    복수개의 공진기들 각각에 배치되고, 일단이 하나의 중성점에 연결된 복수개의 송전 코일을 포함하고,
    상기 복수개의 송전 코일들은 각각을 통하여 흐르는 전류의 방향이 동일한 무선 전력 송신 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 교류 전력 출력부는
    제1 노드와 제2 노드 사이에 교류 전압을 형성하는 풀 브리지 인버터인 무선 전력 송신 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 송전부는
    상기 제1 노드와 상기 중성점 사이에 연결된 제1 중성점 스위칭 소자; 및
    상기 제2 노드와 상기 중성점 사이에 연결된 제2 중성점 스위칭 소자를 더 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  5. 제4항에 있어서
    상기 제1 동작 모드에서는 상기 제1 중성점 스위칭 소자와 상기 제2 중성점 스위칭 소자가 모두 오프되고,
    상기 제2 동작 모드에서는 상기 제1 중성점 스위칭 소자와 상기 제2 중성점 스위칭 소자 중 하나는 온 되고, 나머지 하나는 오프되는 무선 전력 송신 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 복수개의 송전 코일들은
    일렬로 배치되는 무선 전력 송신 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 송전부는
    상기 복수개의 송전 코일들 중 짝수 번째에 배치되는 송전 코일 각각과 상기 제1 노드 사이에 연결되는 적어도 하나의 제1 선택 스위칭 소자; 및
    상기 복수개의 송전 코일들 중 홀수 번째에 배치되는 송전 코일 각각과 상기 제2 노드 사이에 연결되는 적어도 하나의 제2 선택 스위칭 소자를 더 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 동작 모드에서는 상기 제1 선택 스위칭 소자 중 하나와 상기 제2 선택 스위칭 소자 중 하나가 온되고,
    상기 제2 동작 모드에서는 상기 제1 선택 스위칭 소자와 상기 제2 선택 스위칭 소자 중 하나가 온되는 무선 전력 송신 장치.
  9. 제2항에 있어서, 상기 교류 전력 출력부는
    상기 입력 전력이 인가되며, 상기 중성점과 연결된 공통 브리지 회로; 및
    상기 입력 전력이 인가되며, 상기 복수개의 송전 코일들 각각의 타단과 개별적으로 연결된 복수개의 선택 브리지 회로들을 포함하고,
    상기 제1 동작 모드에서는 상기 복수개의 선택 브리지 회로들 중 2개가 결합하여 풀 브리지 회로로 동작하고,
    상기 제2 동작 모드에서는 상기 공통 브리지 회로와 상기 복수개의 선택 브리지 회로 중 하나가 결합하여 풀 브리지 회로로 동작하는 무선 전력 송신 장치.
  10. 입력 전력을 교류 전력으로 변환하여 출력하는 교류 전력 출력부; 및
    각각을 통하여 흐르는 전류의 방향이 동일한 복수개의 송전 코일들을 포함하고, 상기 교류 전력을 인가받아 전력을 무선으로 송신하는 송전부를 포함하고,
    무선 전력 수신 장치가 상기 복수개의 송전 코일들 중 제1 송전 코일과 제2 송전 코일의 중간에 위치하면, 상기 교류 전력이 상기 제1 송전 코일의 일단과 상기 제2 송전 코일의 일단으로 인가되는 무선 전력 송신 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수개의 송전 코일들의 타단들은 하나의 중성점에 연결된 무선 전력 송신 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 교류 전력 출력부는
    제1 노드와 제2 노드 사이에 교류 전압을 형성하는 풀브리지 인버터인 무선전력 송신 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 송전부는
    상기 제1 노드와 상기 중성점 사이에 연결된 제1 중성점 스위칭 소자;
    상기 제2 노드와 상기 중성점 사이에 연결된 제2 중성점 스위칭 소자;
    상기 제1 송전 코일의 일단과 상기 제2 노드 사이에 연결된 제1 선택 스위칭 소자; 및
    상기 제2 송전 코일의 일단과 상기 제1 노드 사이에 연결된 제2 선택 스위칭 소자를 더 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 무선 전력 수신 장치가 상기 복수개의 송전 코일들 중 제1 송전 코일과 제2 송전 코일의 중간에 위치하면, 상기 제1 중성점 스위칭 소자 및 상기 제2 중성점 스위칭 소자는 오프되고, 상기 제1 선택 스위칭 소자와 상기 제2 선택 스위칭 소자는 온되는 무선 전력 송신 장치.
  15. 제11항에 있어서, 상기 교류 전력 출력부는
    상기 입력 전력이 인가되며, 상기 중성점과 연결된 공통 브리지 회로;
    상기 입력 전력이 인가되며, 상기 제1 송전 코일의 타단과 연결된 제1 선택 브리지 회로; 및
    상기 입력 전력이 인가되며, 상기 제2 송전 코일의 타단과 연결된 제2 선택 브리지 회로를 포함하고,
    상기 무선 전력 수신 장치가 상기 복수개의 송전 코일들 중 제1 송전 코일과 제2 송전 코일의 중간에 위치하면, 상기 제1 선택 브리지 회로 및 상기 제2 선택 브리지 회로가 결합하여 풀 브리지 회로로 동작하는 무선 전력 송신 장치.
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