KR20190091994A - 무선 충전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무선 충전 장치가 개시된다. 본 발명의 무선 충전 장치는, 수신코일과 병렬로 연결되는 공진 커패시터; 공진 커패시터 후단에서 유도된 교류전압을 직류전압으로 정류하는 정류부; 정류부 후단에 병렬로 연결된 충전 커패시터; 충전 커패시터를 통해 전달되는 전력을 레귤레이터에 선택적으로 공급하는 충전스위치; 및 부하의 특성에 따라 충전스위치를 주기적으로 온오프시키는 충전 조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

무선 충전 장치{WIRELESS CHARGER}
본 발명은 무선 충전 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자기 유도 방식으로 무선 충전할 때 수신코일을 전류원으로 구동시키고 레귤레이터에 공급되는 전압의 변화를 조절하여 충전 끊김 현상에 의한 전력량 저하를 줄일 뿐만 아니라 전류원 특성에 따라 정류기의 출력단에 걸리는 과전압을 방지할 수 있도록 한 무선 충전 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 배터리를 충전하는 방법으로는 플러그 인 방식을 채용하고 있으나, 이러한 충전 방법에 비해 사용자의 편의성 및 안전성이 향상된 무선 충전 방법인 유도 전력 전송(IPT: Inductive Power Transfer) 방법도 많이 활용되고 있다.
유도 전력 전송 충전기는 전도성(conductive) 충전기와는 달리 변압기 대신에 약결합 코일(loosely coupled coils) 세트를 사용하는데, 전송 및 수신 코일 간의 낮은 결합 계수(coupling coefficient)에 의해 높은 무효 전력(reactive power) 및 낮은 전력 전송 효율을 갖는다는 문제점이 있다.
따라서 유도 전력 전송(IPT) 충전기에 있어서 이러한 무효 전력을 감소시키고, 전력 전송 능력을 향상시키며 전체적인 효율을 높일 수 있는 보상 탱크(compensation tank)가 중요한 부분이라 할 수 있다.
이와 같은 보상 토폴로지는 1차측 및 2차측 코일에 보상 커패시터들이 어떻게 부가되었는지에 따라 직렬-직렬(SS), 직렬-병렬(SP), 병렬-직렬(PS) 및 병렬-병렬(PP)의 4개로 나뉠 수 있다. 이외에도, 전력 전송 효율을 증가시키고, 유도 전력 전송(IPT) 시스템의 제어를 간단히 할 수 있도록 하이브리드 토폴로지들이 사용될 수 있다.
예를 들면, 1차측에 LC 보상 네트워크가 부가된 LCL 하이브리드 토폴로지가 있다. 부가된 LC 보상 탱크는 1차측 전류를 감소시켜 1차측 스위치들의 전도 손실(conduction loss)을 감소시킬 수 있다. 또한, 부하-독립적인 특징을 가지며 이를 이용하여 출력단에서의 정전류 제어를 손쉽게 달성할 수 있다. 아울러, 듀티 또는 위상 천이 제어 방식을 이용하여 간단한 출력 전력의 제어가 가능하다.
또는, 이러한 LCL 하이브리드 토폴로지에 하나의 LC 회로를 병렬로 추가하여 수신 코일의 순환 전류를 최소화하고, 단위 역률(unity power factor)을 달성한 LCCL 토폴로지가 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제1773403호(2017.08.31. 공고, 무선 충전기용 양면 LCC 컨버터 및 그 구현방법)에 개시되어 있다.
이와 같은 자기 유도 방식의 무선 충전 장치에서는 송신부로부터 방사되는 자장이 수신부에 유도되어 교류 유기 전압이 형성되면 이를 정류한 후 레귤레이터를 통해 부하에 적합한 전압으로 변환하여 부하인 배터리에 충전하게 된다.
이때 유도전압을 높이기 위해 수신코일의 턴수를 높게하여 수신코일의 등가 내부저항과 부하저항을 비슷한 수준까지 높여 적용하고 있다.
그러나 충전부에서 부하에 충전을 시작할 때 큰 전류를 요구함에 따라 큰 전류가 공급될 경우, 수신코일의 등가 내부저항에 의한 전압 강하로 인해 레귤레이터의 입력전압이 레귤레이터의 동작에 요구되는 전압보다 낮아져 전력 공급이 이루어지지 않게 되고, 이로 인해 충전이 끊기는 현상이 발생하며, 이러한 현상은 충전부에서 다시 전력 수신하기 위해 시도하는 시간을 갖고 반복적으로 나타나는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 일 측면에 따른 본 발명의 목적은 자기 유도 방식으로 무선 충전할 때 수신코일을 전류원으로 구동시키고 레귤레이터에 공급되는 전압의 변화를 조절하여 충전 끊김 현상에 의한 전력량 저하를 줄일 뿐만 아니라 전류원 특성에 따라 정류기의 출력단에 걸리는 과전압을 방지할 수 있도록 한 무선 충전 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 무선 충전 장치는, 수신코일과 병렬로 연결되는 공진 커패시터; 공진 커패시터 후단에서 유도된 교류전압을 직류전압으로 정류하는 정류부; 정류부 후단에 병렬로 연결된 충전 커패시터; 충전 커패시터를 통해 전달되는 전력을 레귤레이터에 선택적으로 공급하는 충전스위치; 및 부하의 특성에 따라 충전스위치를 주기적으로 온오프시키는 충전 조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 충전 조절부는, 충전 커패시터의 양단 전압이 레귤레이터의 구동을 위한 최소전압 미만인 경우 충전스위치를 오프상태로 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 충전 조절부는, 충전 커패시터의 양단 전압이 최대 전압에 도달할 경우 충전스위치를 온시키고, 최소 전압으로 낮아질 경우 오프시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 정류부에 공급되는 전력을 프리휠링시키는 프리휠링 스위치를 더 포함하고, 충전 조절부는 충전 커패시터의 전압에 따라 프리휠링 스위치를 구동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 프리휠링 스위치는, 정류부의 (-) 단 브리지 다이오드와 각각 병렬로 연결된 제1 프리휠링 스위치와 제2 프리휠링 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 충전 조절부는, 충전 커패시터의 양단 전압이 최대 전압을 초과할 경우 프리휠링 스위치를 구동시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 무선 충전 장치는 자기 유도 방식으로 무선 충전할 때 수신코일을 전류원으로 구동시키고 레귤레이터에 공급되는 전압의 변화를 조절하여 충전 끊김 현상에 의한 전력량 저하를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전류원 특성에 따라 정류기의 출력단에 과전압이 걸릴 경우 전달되는 전력을 프리휠링시켜 과전압을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 장치를 나타낸 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 장치의 동작에 따른 충전 커패시터 양단의 전압변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 장치에서 프리휠링 스위치의 작동에 따른 충전 커패시터 양단의 전압변화를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 무선 충전 장치를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 장치를 나타낸 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 장치의 동작에 따른 충전 커패시터 양단의 전압변화를 나타낸 그래프이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 장치에서 프리휠링 스위치의 작동에 따른 충전 커패시터 양단의 전압변화를 나타낸 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 장치는 공진 커패시터(20), 정류부(30), 충전 커패시터(40), 충전스위치(50) 및 충전 조절부(60)를 포함한다.
공진 커패시터(20)는 수신코일(10)과 병렬로 연결되어 수신코일(10)의 인덕턴스를 자장의 주파수에 맞게 공진하여 수신코일(10)을 전류원으로 구동시킨다.
정류부(30)는 제1 내지 제4 다이오드(D1~D4)로 구성된 브리지 정류기로써 공진 커패시터(20)의 후단에서 수신코일(10)을 통해 유도된 교류전압을 직류전압으로 정류하여 출력한다.
충전 커패시터(40)는 정류부(30) 후단에 병렬로 연결되어 후단의 레귤레이터(80)에 공급되는 전압의 변화를 늦추고, 충전 전압을 레귤레이터(80)에 공급하여 레귤레이터(80)의 작동이 정상적으로 이루어질 수 있도록 한다.
충전스위치(50)는 충전 커패시터(40)를 통해 전달되는 전력을 레귤레이터(80)에 선택적으로 공급할 수 있도록 스위칭한다.
여기서, 충전스위치(50)가 온 될 경우 충전 커패시터(40)와 레귤레이터(80)를 연결하여 충전 커패시터(40)에 충전된 충전전압이 방전되어 레귤레이터(80)에 공급되고, 충전스위치(50)가 오프 될 경우 충전 커패시터(40)와 레귤레이터(80)를 차단하여 정류부(30)의 출력전압이 충전 커패시터(40)에 충전된다.
충전 조절부(60)는 부하 특성에 따라 충전스위치(50)를 주기적으로 온오프시켜 레귤레이터(80)의 입력 전압이 낮아져 충전이 끊기는 현상을 해소할 수 있다.
또한, 충전 조절부(60)는 충전 커패시터(40)의 양단 전압이 레귤레이터(80)의 구동 최소전압(Vmin) 미만인 경우, 충전스위치(50)를 오프상태로 구동하여 충전 커패시터(40)와 레귤레이터(80)를 차단하고 충전 커패시터(40)를 충전시킨다.
그리고 도 2에 도시된 바와 같이 충전 커패시터(40)의 양단 전압(Vc1)이 최대 전압(Vmax)에 도달할 경우, 충전 조절부(60)는 충전스위치(50)를 온 시켜 온 시간동안(ton) 충전 커패시터(40)에 충전된 충전전압이 레귤레이터(80)에 공급되도록 하고, 충전스위치(50)가 온 상태로 방전되어 충전 커패시터(40)의 양단 전압(Vc1)이 최소 전압(Vmin)으로 낮아질 경우 충전 조절부(60)는 충전스위치(50)를 오프시켜 오프 시간동안(toff) 충전 커패시터(40)를 충전시킬 수 있도록 한다.
한편, 프리휠링 스위치(70)는 정류부(30)에 공급되는 전력을 프리휠링(free wheeling)시키기 위해 정류부(30)의 (-) 단 제3 다이오드(D3)와 제4 다이오드(D4)와 각각 병렬로 연결된 제1 프리휠링 스위치(71)와 제2 프리휠링 스위치(72)를 포함할 수 있다.
따라서, 충전 조절부(60)는 도 3에 도시된 바와 같이 충전 커패시터(40)의 전압에 따라 충전 커패시터(40)의 양단 전압(Vc1)이 최대 전압(Vmax)을 초과할 경우 프리휠링 스위치(70)를 구동시켜 수신코일(10)에서 유도된 유도전압이 충전 커패시터(40)로 출력되지 않고 프리휠링(free wheeling)되도록 함으로써 최대 전압(Vmax)을 초과하는 t2 시간동안 제한되어 충전 커패시터(40)를 과전압으로부터 보호할 수 있다.
이와 같이 레귤레이터(80)에 전력이 공급되면 레귤레이터(80)에서는 부하(100)에 적합한 전압으로 변환하여 충전부(90)로 출력하게 되고, 충전부(90)는 부하(100)인 배터리를 충전하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 무선 충전 장치에 따르면, 자기 유도 방식으로 무선 충전할 때 수신코일을 전류원으로 구동시키고 레귤레이터에 공급되는 전압의 변화를 조절하여 충전 끊김 현상에 의한 전력량 저하를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 전류원 특성에 따라 정류기의 출력단에 과전압이 걸릴 경우 전달되는 전력을 프리휠링시켜 과전압을 방지할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 수신코일 20 : 공진 커패시터
30 : 정류부 40 : 충전 커패시터
50 : 충전스위치 60 : 충전 조절부
70 : 프리휠링 스위치 71 : 제1 프리휠링 스위치
72 : 제2 프리휠링 스위치 80 : 레귤레이터
90 : 충전부 100 : 부하
D1~D4 : 제1 내지 제4 다이오드

Claims (6)

  1. 수신코일과 병렬로 연결되는 공진 커패시터;
    상기 공진 커패시터 후단에서 유도된 교류전압을 직류전압으로 정류하는 정류부;
    상기 정류부 후단에 병렬로 연결된 충전 커패시터;
    상기 충전 커패시터를 통해 전달되는 전력을 레귤레이터에 선택적으로 공급하는 충전스위치; 및
    부하의 특성에 따라 상기 충전스위치를 주기적으로 온오프시키는 충전 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 충전 조절부는, 상기 충전 커패시터의 양단 전압이 상기 레귤레이터의 구동을 위한 최소전압 미만인 경우 상기 충전스위치를 오프상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 충전 조절부는, 상기 충전 커패시터의 양단 전압이 최대 전압에 도달할 경우 상기 충전스위치를 온시키고, 최소 전압으로 낮아질 경우 오프시키는 것을 특징으로 하는 무선 충전 장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 정류부에 공급되는 전력을 프리휠링시키는 프리휠링 스위치를 더 포함하고,
    상기 충전 조절부는 상기 충전 커패시터의 전압에 따라 상기 프리휠링 스위치를 구동시키는 것을 특징으로 하는 무선 충전 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 프리휠링 스위치는, 상기 정류부의 (-) 단 브리지 다이오드와 각각 병렬로 연결된 제1 프리휠링 스위치와 제2 프리휠링 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 충전 장치.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 충전 조절부는, 상기 충전 커패시터의 양단 전압이 최대 전압을 초과할 경우 상기 프리휠링 스위치를 구동시키는 것을 특징으로 하는 무선 충전 장치.
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