KR20210039034A - 무선 전력 송신 장치 - Google Patents

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KR20210039034A
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손도현
이성훈
이은수
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은 공진 주파수의 변화에 대응하면서 송신 코일에 흐르는 전류량을 일정하게 유지시켜 전력 전송의 안정성을 향상시키는 무선 전력 송신 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 복수의 스위칭 소자를 포함하는 전력 변환부, 상기 복수의 스위칭 소자에 게이트 펄스를 인가하는 펄스 인가부, 상기 전력 변환부의 출력단에 연결되는 공진 회로부 및 상기 전력 변환부의 출력단 전압의 위상이 상기 코일 전류의 위상보다 앞서도록 상기 게이트 펄스의 타이밍을 제어하고, 상기 코일 전류의 크기에 기초하여 상기 게이트 펄스의 펄스폭을 제어하는 펄스 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

무선 전력 송신 장치{WIRELESS POWER TRASMITTING APPARATUS}
본 발명은 공진 주파수의 변화에 대응하면서 송신 코일에 흐르는 전류량을 일정하게 유지시켜 전력 전송의 안정성을 향상시키는 무선 전력 송신 장치에 관한 것이다.
무선 전력 송신 방식은 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치에 의해 수행되며, 두 장치 간의 전자기 유도 현상을 통해 무선 전력 송신 장치에서 무선 전력 수신 장치로 전력이 이동하는 방식이다.
이러한 무선 전력 송신 방식에서 충분한 전력을 송신하기 위해서는 무선 전력 송신 장치 내 송신 코일과 무선 전력 수신 장치 내 수신 코일은 높은 결합 계수(coupling coefficient)로 자기 결합되어야 하고, 무선 전력 송신 장치는 공진 주파수에 가까운 전류를 송신 코일에 인가해야 한다.
높은 결합 계수를 유지하면서 공진 주파수가 변동되지 않도록 하기 위해, 근래에 상용화되고 있는 많은 무선 전력 시스템은, 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치가 매우 가까운 거리에서 서로 마주보도록 배치되어야 하는 한계가 있다.
한편, 최근에는 무선 전력 송신 방식을 다양한 제품에 적용하기 위한 시도가 이루어지고 있으며, 더 많은 전력을 더 먼 거리에서 무선 송신하기 위한 기술 개발이 이루어지고 있다.
그러나, 전력의 송신 거리가 점차 멀어지게 되면 다양한 요인(예컨대, 인접한 전자 디바이스)에 의한 외란이 발생할 수 있고, 이러한 외란은 송신 코일과 수신 코일 간의 결합 계수를 낮추고, 공진 주파수를 변경시킬 뿐만 아니라, 무선 전력 수신 장치의 부하량을 변경시킬 수 있으므로 전력 전송 효율이 매우 떨어지는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 대한민국 공개특허번호 제10-2012-0066281호(이하, 선행기술)과 같이, 무선 전력 전송의 효율성을 향상시키기 위한 기술이 제안되고 있다.
도 1은 종래 무선 전력 송신 장치의 동작을 설명하기 위한 도면으로, 선행기술의 도 1을 발췌한 것이다.
도 1을 참조하면, 선행기술의 무선 전력 송신부(100)는 무선 전력 수신부(200)의 수신 환경을 인지하기 위해, 임피던스 추적 모듈(193)을 통해 무선 전력 수신부(200)의 임피던스를 추정하고, 이를 임피던스 정합기(140)에 제공하여 임피던스를 정합(impedance matching)시킴으로써, 공진 주파수로 전력을 송신한다.
또한, 선행기술의 무선 전력 수신부(200)는 부하 장치(300)에 안정적인 전력을 제공하기 위해, 무선 전력 송신부(100)에서 제공된 전력을 일정하게 변환하는 전력 신호 변환기(240)를 포함한다.
그러나, 선행기술에 따라 전력 전송의 안정성을 확보하기 위해서는 임피던스 정합을 위한 모듈(임피던스 정합기(140))이 필수적으로 요구되며, 전력 전송의 안정성 향샹을 위해서는 임피던스 정합을 위한 모듈이 매우 정밀하게 설계되어야 한다는 한계가 있다.
또한, 선행기술에 따라 부하에 제공되는 전력의 안정성을 확보하기 위해서는, 무선 전력 수신 장치에 무선 전력 송신 장치에서 공급된 전력을 안정적인 전원으로 변환하는 전력 변환 모듈(전력 신호 변환기(240))이 필수적으로 요구된다는 한계가 있다.
이에 따라, 부가적인 회로적 구성 요소(임피던스 정합을 위한 모듈 및 전력 변환 모듈) 없이도 무선 전력 송신 장치가 안정적으로 전력을 송신할 수 있고, 부하가 안정적으로 전력을 제공받을 수 있는 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 송신 코일에 흐르는 전류의 주파수가 공진 주파수를 추종하도록 제어하는 무선 전력 송신 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 송신 코일에 흐르는 전류량을 일정하게 제어하는 무선 전력 송신 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 코일 전류를 생성하는 스위칭 소자의 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching; ZVS)을 보장하는 무선 전력 송신 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 코일 전류의 위상을 검출하고 이를 코일 전류의 생성을 위한 게이트 신호로 이용함으로써, 송신 코일에 흐르는 전류의 주파수가 공진 주파수를 추종하도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 코일 전류의 크기를 검출하여 이를 기준 크기와 비교하고, 비교 결과에 따라 게이트 펄스의 펄스폭을 제어함으로써 송신 코일에 흐르는 전류량을 일정하게 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 복수의 스위칭 소자로 구성된 전력 변환 회로의 출력단 전압의 위상이 코일 전류의 위상보다 앞서도록 게이트 펄스의 타이밍을 제어함으로써, 코일 전류를 생성하는 스위칭 소자의 영전압 스위칭(ZVS)을 보장할 수 있다.
본 발명은 송신 코일에 흐르는 전류의 주파수가 공진 주파수를 추종하도록 제어함으로써, 공진 주파수를 변경시키는 외란이 발생하더라도 안정적으로 전력을 송신할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 송신 코일에 흐르는 전류량을 일정하게 제어함으로써, 외부 요인에 의해 무선 전력 수신 장치의 부하량이 변경되더라도 무선 전력 수신 장치가 안정적으로 전력을 공급받을 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 코일 전류를 생성하는 스위칭 소자의 영전압 스위칭(ZVS)을 보장함으로써, 스위칭 손실을 줄일 수 있고 이에 따라 전력 전송의 효율성을 향상시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 종래의 무선 전력 송신 장치를 설명하기 위한 도면.
도 2는 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치 간의 전력 전송을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 도 3에 도시된 무선 전력 송신 장치의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 5a는 도 4에 도시된 전류 검출부가 회로로 구현된 모습을 도시한 도면.
도 5b는 도 5a에 도시된 전류 검출부의 입출력 파형을 도시한 도면.
도 6은 기준 펄스와 지연 펄스를 설명하기 위한 도면.
도 7은 펄스 제어부의 내부 구성요소와 이들 간의 제어 흐름을 설명하기 위한 도면.
도 8a는 도 7에 도시된 위상 지연부가 회로로 구현된 모습을 도시한 도면.
도 8b는 도 8a에 도시된 위상 지연부의 입출력 파형을 도시한 도면.
도 9a 내지 도 9c는 기준 펄스의 주파수를 결정하는 제어 전압이, 지연 펄스와 코일 전류의 위상차에 의해 결정되는 모습을 도시한 도면.
도 10은 코일 전류의 위상 및 크기에 따라 각 스위칭 소자에 제공되는 게이트 펄스를 도시한 도면.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
또한, 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다. (기술분야에 따라 옵션으로 선택)
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
도 2는 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치 간의 전력 전송을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 무선 전력 송신 장치(1) 및 이와 자기 결합(magnetic coupling)되는 무선 전력 수신 장치(2)를 간략하게 등가회로로 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 무선 전력 송신 장치(1)는 무선 전력 수신 장치(2)와 자기 결합되어 전자기 유도를 통해 무선으로 전력을 송신할 수 있다.
보다 구체적으로, 무선 전력 송신 장치(1) 내 송신 코일(L1)은 무선 전력 수신 장치(2) 내 수신 코일(L2)과 일정 결합 계수(coupling coefficient)로 자기 결합될 수 있다. 이 때 송신 코일(L1)에 전류가 흐르게 되면 송신 코일(L1)에서는 자기장이 발생하고, 자기장은 수신 코일(L2)에 쇄교함으로써 수신 코일(L2)에 전류를 유도할 수 있다. 수신 코일(L2)에 유도된 전류는 부하를 구동하거나 배터리를 충전하는 데 이용될 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이 수신 코일(L2)은 커패시터(C2)와 연결되어 LC 공진 회로를 구성할 수 있다. 이 때, 송신 코일(L1)에 흐르는 전류(I)의 크기를 일정하게 제어하고 송신 코일(L1)에 흐르는 전류의 주파수를 LC 공진 회로의 공진 주파수로 제어하는 경우, 부하에 일정한 전압(V)이 인가될 수 있다. 다시 말해, 앞서 언급한 조건이 만족되는 경우, 무선 전력 송신 장치(1)는 무선 전력 수신 장치(2)에 안정적인 전압을 공급할 수 있다.
다만, 무선 전력 송신 장치(1)와 무선 전력 수신 장치(2)가 일부 오정렬(misalignment)되어 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)간의 결합 계수가 변동되거나 외부 요인으로 인해 부하량이 변동되는 경우, 송신 코일(L1)에 인가되는 전류의 주파수가 공진 주파수로 제어되기 어려울 뿐만 아니라, 송신 코일(L1)에 인가되는 전류의 크기가 일정하게 제어되기 어렵다는 문제가 있다.
이하, 도 3 내지 도 10을 참조하여, 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(1)를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 무선 전력 송신 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는 도 4에 도시된 전류 검출부가 회로로 구현된 모습을 도시한 도면이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 전류 검출부의 입출력 파형을 도시한 도면이다.
도 6은 기준 펄스와 지연 펄스를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도 7은 펄스 제어부의 내부 구성요소와 이들 간의 제어 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 도 7에 도시된 위상 지연부가 회로로 구현된 모습을 도시한 도면이고, 도 8b는 도 8a에 도시된 위상 지연부의 입출력 파형을 도시한 도면이다.
도 9a 내지 도 9c는 기준 펄스의 주파수를 결정하는 제어 전압이, 지연 펄스와 코일 전류의 위상차에 의해 결정되는 모습을 도시한 도면이다.
도 10은 코일 전류의 위상 및 크기에 따라 각 스위칭 소자에 제공되는 게이트 펄스를 도시한 도면이다.
본 발명은 공진 주파수의 변화에 대응하면서 송신 코일(L1)에 흐르는 전류량을 일정하게 유지시켜 전력 전송의 안정성을 향상시키는 무선 전력 송신 장치(1)에 관한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치(1)는 전력 변환부(10), 펄스 인가부(20), 공진 회로부(30), 전류 검출부(40) 및 펄스 제어부(50)를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 무선 전력 송신 장치(1)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 3에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 각 구성요소는 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors) 중 적어도 하나의 물리적인 요소를 포함하여 구현될 수 있다.
전력 변환부(10)는 직류 전압(VDC)을 제공받아 아를 교류 전류로 변환하고, 변환된 교류 전류를 공진 회로부(30)에 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 전력 변환부(10)는 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 각 스위칭 소자는 펄스 인가부(20)로부터 게이트 펄스를 제공받아 온/오프 됨으로써, 직류 전압(VDC)을 교류 전류로 변환할 수 있다. 전력 변환부(10)에서 변환된 교류 전류는, 전력 변환부(10)의 출력단에 연결되는 공진 회로부(30)로 제공될 수 있다.
도 4를 참조하여 구체적으로 설명하면, 전력 변환부(10)에 포함되는 복수의 스위칭 소자는 반도체 스위칭 소자일 수 있고, 예컨대, IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor), BJT(Bipolar Junction Transistor), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등일 수 있다.
이러한 스위칭 소자들은 풀 브리지(full-bridge) 회로로 구현될 수 있고, 펄스 인가부(20)로부터 제공되는 게이트 펄스(Q1, Q2, Q3, Q4)에 의해 동작할 수 있다. 보다 구체적으로, 펄스 인가부(20)는 복수의 스위칭 소자 각각의 게이트 단자에 게이트 펄스를 인가할 수 있고, 각 스위칭 소자는 게이트 단자에 인가되는 게이트 펄스에 따라 온/오프될 수 있다. 예컨대, 각 스위칭 소자는 게이트 펄스가 하이(high) 상태이면 온될 수 있고, 게이트 펄스가 로우(low) 상태이면 오프될 수 있다.
한편, 펄스 인가부(20)는, 기준 펄스(Vpwm)에 동기화되는 게이트 펄스를 생성하고, 이를 각 스위칭 소자에 인가하는 게이트 드라이버로 구현될 수 있다. 다만, 기준 펄스(Vpwm)에 대해서는 후술하도록 한다.
풀 브리지 회로의 출력단에는 공진 회로부(30)가 연결될 수 있다. 공진 회로부(30)는 송신 코일(L1) 및 이와 직렬 연결된 공진 커패시터(C1)로 구성된 LC 공진 회로를 포함할 수 있고, 송신 코일(L1)은 무선 전력 수신 장치(2)의 수신 코일(L2)과 자기 결합될 수 있다. 공진 회로부(30)에는 전력 변환부(10)에서 출력되는 교류 전류가 흐를 수 있고, 이하에서는 송신 코일(L1)에 흐르는 전류를 코일 전류(ic)로 지칭하도록 한다.
전류 검출부(40)는 코일 전류(ic)의 위상 및 크기를 검출하여 후술되는 펄스 제어부(50)에 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 전류 검출부(40)는 코일 전류(ic)를 제어 레벨의 전류로 변환하여 코일 전류(ic)의 크기를 검출할 수 있고, 코일 전류(ic)의 영점(zero crossing point)을 통해 코일 전류(ic)의 위상을 검출할 수 있다. 전류 검출부(40)는 코일 전류(ic)의 크기와 위상을 검출할 수 있는 임의의 아날로그 회로 및 디지털 회로를 포함할 수 있다.
이하, 도 5a 및 도 5b를 하나의 예시로 들어 전류 검출부(40)가 코일 전류(ic)의 위상 및 크기를 검출하는 방법을 설명하도록 한다.
도 5a를 참조하면, 전류 검출부(40)는 코일 전류(ic)의 영점을 검출하기 위해 버퍼(41)에서 출력되는 션트 저항(R1)의 일단 전압과 션트 저항(R1)의 타단 전압을 비교하는 제2 비교기(42)를 포함할 수 있다. 제2 비교기(42)는 션트 저항(R1)의 양단에 인가되는 전압을 비교하고, 비교 결과를 위상 신호(Vp)로서 출력할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 전술한 구성에 따라 위상 신호(Vp)는 하이 상태 및 로우 상태를 갖는 사각 펄스로 출력되되, 그 값이 코일 전류(ic)의 영점에서 전환될 수 있다. 전류 검출부(40)는 위상 신호(Vp)에 기초하여 코일 전류(ic)의 위상과 주파수를 결정할 수 있다.
다시 도 5a를 참조하면, 전류 검출부(40)는 변류기(Current Transformer; CT)와 션트 저항(R1)을 포함할 수 있다. 변류기는 코일 전류(ic)를 제어 레벨의 전류로 변환하고, 션트 저항(R1)은 제어 레벨의 전류를 전압 신호로 전환할 수 있다. 이 때, 션트 저항(R1)의 일단에 인가되는 전압은 제1 비교기(43)에 연결된 두 저항(R2, R3)에 의해 결정되는 증폭비에 따라 반전 증폭되어 진폭 신호(Va)로서 출력될 수 있다.
다시 도 5b를 참조하면, 전술한 구성에 따라 진폭 신호(Va)는 코일 전류(ic)와 동일한 위상을 갖고, 코일 전류(ic)가 반전된 정현파로 출력될 수 있다. 이 때, 전류 검출부(40)는 코일 전류(ic)의 피크값(peak value)을 통해 코일 전류(ic)의 크기를 검출할 수 있다.
일 예에서, 전류 검출부(40)는 아날로그 신호인 진폭 신호(Va)를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(analog-digital converter; ADC)를 포함할 수 있다. 전류 검출부(40)는 실시간으로 변환되는 디지털 신호 중에서 그 크기가 최대인 값을 피크값으로 식별할 수 있다.
다른 예에서, 전류 검출부(40)는 인접한 두 영점의 중간 지점에서 코일 전류(ic)의 크기를 피크값으로 검출할 수 있다. 도 5b를 참조하면, 전류 검출부(40)는 전술한 위상 신호(Vp)에 기초하여 코일 전류(ic)의 영점(Z1, Z2)을 식별할 수 있다. 전류 검출부(40)는 인접한 두 영점(Z1, Z2)의 중간 지점(Zm)에서의 진폭 신호(Va)를 아날로그-디지털 변환기를 통해 디지털 신호로 변환할 수 있고, 이를 피크값으로 식별할 수 있다.
도 5a에 도시된 바와 같이 진폭 신호(Va)가 증폭되어 있는 경우, 전류 검출부(40)는 피크값을 다시 복원하고 복원된 값을 코일 전류(ic)의 크기로 결정할 수 있다. 반면에, 진폭 신호(Va)가 코일 전류(ic) 자체인 경우, 전류 검출부(40)는 피크값을 코일 전류(ic)의 크기로 결정할 수 있다.
펄스 제어부(50)는 앞서 설명한 방법에 의해 검출된 코일 전류(ic)의 위상을 이용하여, 전력 변환부(10)의 출력단 전압(Vo)(공진 회로부(30)의 입력단 전압)의 위상이 코일 전류(ic)의 위상보다 앞서도록 게이트 펄스의 타이밍을 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 펄스 제어부(50)는 전력 변환부(10)의 출력단 전압(Vo)의 위상이 코일 전류(ic)의 위상보다 앞서도록 제어함으로써, 전력 변환부(10)에 포함된 각 스위칭 소자가 항상 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching; ZVS) 동작하도록 제어할 수 있다.
다시 말해, 도 10에 도시된 바와 같이, 펄스 제어부(50)는 각 스위칭 소자에 인가되는 게이트 신호(Q1, Q2, Q3, Q4)의 타이밍을 제어함으로써, 출력단 전압(Vo)의 발생 시점이 코일 전류(ic)의 영점보다 앞서게 할 수 있다. 도 10에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 코일 전류(ic)를 생성하는 스위칭 소자의 영전압 스위칭(Zero Voltage Switching; ZVS)을 보장함으로써, 스위칭 손실을 줄일 수 있고 이에 따라 전력 전송의 효율성을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 출력단 전압(Vo)의 위상이 코일 전류(ic)의 위상보다 앞서게 되는 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
다시 도 4를 참조하면, 펄스 인가부(20)는 펄스 제어부(50)에서 출력되는 기준 펄스(Vpwm)에 동기화되는 게이트 펄스를 생성하여 복수의 스위칭 소자에 인가할 수 있다. 기준 펄스(Vpwm)는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호일 수 있고, 게이트 펄스의 타이밍을 결정할 수 있다.
펄스 제어부(50)는 기준 펄스(Vpwm)의 위상을 기준 위상(θ)만큼 지연시켜 지연 펄스(Vdelay)를 생성하고, 지연 펄스(Vdelay)의 위상과 코일 전류(ic)의 위상이 동일해지는 기준 펄스(Vpwm)를 생성할 수 있다. 즉, 펄스 제어부(50)는 네거티브 피드백(negative feedback)을 통해 코일 전류(ic)의 위상보다 기준 위상(θ)만큼 앞서는 기준 펄스(Vpwm)를 생성할 수 있다.
도 6을 참조하면, 펄스 제어부(50)는 일정 주기를 갖는 기준 펄스(Vpwm)의 위상을 기준 위상(θ)만큼 지연시킴으로써 지연 펄스(Vdelay)를 생성할 수 있다. 이에 따라, 지연 펄스(Vdelay)는 기준 펄스(Vpwm)와 동일한 크기 및 주파수를 갖되, 기준 펄스(Vpwm)보다 기준 위상(θ)만큼 지연된 사각 펄스일 수 있다. 펄스 제어부(50)는 지연 위상이 코일 전류(ic)의 위상과 동일해지는 기준 펄스(Vpwm)를 생성할 수 있다.
이하, 도 7, 도 8a, 도 8b, 도 9a 내지 도 9c를 참조하여 기준 펄스(Vpwm)를 생성하기 위한 펄스 제어부(50)의 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 7을 참조하면, 펄스 제어부(50)는 위상 지연부(52), 위상 비교부(53) 및 기준 펄스 생성부(51)를 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 펄스 제어부(50)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 7에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
위상 지연부(52)는 기준 펄스 생성부(51)로부터 기준 펄스(Vpwm)를 제공받아 지연 펄스(Vdelay)를 생성할 수 있다. 위상 지연부(52)는 기준 펄스(Vpwm)를 지연시킬 수 있으며 이를 위한 아날로그 회로 및 디지털 회로 등을 포함할 수 있다.
일 예에서 도 8a를 참조하면, 위상 지연부(52)는, 비교기(52a)를 통해 지연 커패시터(Cd)에 인가되는 기준 펄스(Vpwm)를, 전압 분배 저항(R5, R6, R7)에 의해 결정되는 기준 전압과 비교함으로써 지연 펄스(Vdelay)를 생성할 수 있다.
도 8b를 참조하면, 기준 펄스(Vpwm)의 인가에 따라 지연 커패시터(Cd)에 저장되는 전압(V1)은 기준 펄스(Vpwm)의 상승 엣지(rising edge)에서 상승을 시작하고, 기준 펄스(Vpwm)의 하강 엣지(falling edge)에서 하강을 시작하는 삼각파 형태를 가질 수 있다. 비교기(52a)는 삼각파 펄스(V1)를, 기준 위상(θ)에 따라 설정되는 기준 전압(V2)과 비교함으로써 지연 펄스(Vdelay)를 생성할 수 있다.
위상 비교부(53)는 지연 펄스(Vdelay)의 위상과 코일 전류(ic)의 위상의 비교 결과에 따른 제어 전압(Vc)을 출력할 수 있고, 기준 펄스 생성부(51)는 제어 전압(Vc)의 크기에 대응하는 주파수에 따라 기준 펄스(Vpwm)를 생성할 수 있다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 기준 펄스(Vpwm)의 주파수가 공진 주파수와 다를 경우 코일 전류(ic)에 대한 위상 신호(Vp)는 지연 펄스(Vdelay)의 위상보다 뒤지거나 앞설 수 있다. 각 경우에, 위상 비교부(53)는 로우 상태 및 하이 상태인 제어 전압(Vc)을 출력할 수 있다. 이와 달리, 도 9c에 도시된 바와 같이, 기준 펄스(Vpwm)의 주파수와 공진 주파수가 동일한 경우 위상 신호(Vp)와 지연 펄스(Vdelay)의 위상은 동일할 수 있다. 이 때, 위상 비교부(53)는 하이 상태와 로우 상태 사이의 임의의 값을 갖는 제어 전압(Vc)(이하, 미디엄 상태인 제어 전압(Vc))을 출력할 수 있다.
한편 제어 전압(Vc)을 출력함에 있어서, 위상 비교부(53)는 지연 펄스(Vdelay)와 위상 신호(Vp)의 위상차에 따라 선형적으로 결정되는 제어 전압(Vc)을 출력할 수도 있다. 보다 구체적으로, 위상 비교부(53)는 위상 신호(Vp)의 위상과 지연 펄스(Vdelay)의 위상이 동일한 경우 기준 크기의 제어 전압(Vc)을 출력할 수 있다. 이 때, 위상 비교부(53)는 위상 신호(Vp)의 위상이 지연 펄스(Vdelay)의 위상보다 뒤질수록, 기준 크기를 기준으로 더 낮은 크기의 제어 전압(Vc)을 출력할 수 있다. 반대로, 위상 비교부(53)는 위상 신호(Vp)의 위상이 지연 펄스(Vdelay)의 위상보다 앞설수록, 더 큰 크기의 제어 전압(Vc)을 출력할 수 있다.
기준 펄스 생성부(51)는 제어 전압(Vc)의 크기에 따라 기준 펄스(Vpwm)의 주파수를 결정할 수 있다.
앞선 예와 같이, 제어 전압(Vc)은 하이, 로우, 미디엄 상태의 전압을 가질 수 있다. 기준 펄스 생성부(51)는 로우 상태 또는 하이 상태인 제어 전압(Vc)에 따라 기준 펄스(Vpwm)의 주파수를 현재 주파수보다 낮거나 높은 주파수로 결정할 수 있다. 이와 달리, 제어 전압(Vc)이 미디엄 상태인 경우, 기준 펄스 생성부(51)는 별도의 주파수 제어를 수행하지 않을 수 있다.
상술한 동작에 따라, 코일 전류(ic)의 주파수는 항상 공진 주파수를 추종할 뿐만 아니라, 게이트 펄스의 타이밍과 동기화되는 기준 펄스(Vpwm)가 항상 코일 전류(ic)의 위상보다 앞서게 되므로 전력 변환부(10)의 출력단 전압(Vo)의 위상 또한 항상 코일 전류(ic)의 위상보다 앞서게 될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 송신 코일(L1)에 흐르는 전류의 주파수가 공진 주파수를 추종하도록 제어함으로써, 공진 주파수를 변경시키는 외란이 발생하더라도 안정적으로 전력을 송신할 수 있다.
한편, 펄스 제어부(50)는 앞서 설명한 방법에 의해 검출된 코일 전류(ic)의 크기에 기초하여 게이트 펄스의 펄스폭을 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 펄스 제어부(50)는 목표 전류와 현재 코일 전류(ic)의 크기를 비교하여, 현재 코일 전류(ic)의 크기가 목표 전류를 추종하도록 게이트 펄스의 펄스폭을 제어할 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 펄스 제어부(50)는 외부로부터 목표 전류에 대한 전압 지령(Vi_ref)을 제공받을 수 있고, 전류 검출부(40)로부터 진폭 신호(Va)를 제공받을 수 있다. 펄스 제어부(50)는 목표 전류에 대한 전압 지령(Vi_ref)을 통해 기준 크기(목표 전류의 크기)를 식별할 수 있고, 진폭 신호(Va)를 통해 코일 전류(ic)의 크기를 식별할 수 있다.
펄스 제어부(50)는 코일 전류(ic)의 크기가 기준 크기보다 크면 게이트 펄스의 펄스폭(pulse width)을 줄일 수 있고, 코일 전류(ic)의 크기가 기준 크기보다 작으면 게이트 펄스의 펄스폭을 늘릴 수 있다.
코일 전류(ic)의 진폭은 교류 전류를 발생시키는 스위칭 소자의 온 타임에 따라 결정될 수 있다. 다시 말해, 코일 전류(ic)의 진폭은 스위칭 소자의 온 타임이 증가할수록 커질 수 있고, 스위칭 소자의 온 타임이 감소할수록 작아질 수 있다.
스위칭 소자는 게이트 신호의 펄스폭에 따라 온 타임을 가지므로, 펄스 제어부(50)는 스위칭 소자의 온 타임을 제어하기 위해 게이트 펄스의 펄스폭을 조절할 수 있다.
일 예에서, 펄스 제어부(50)는 코일 전류(ic)의 크기가 기준 크기보다 크면 게이트 펄스의 펄스폭을 기준폭만큼 줄일 수 있고, 코일 전류(ic)의 크기가 기준 크기보다 작으면 게이트 펄스의 펄스폭을 기준폭만큼 늘릴 수 있다. 이에 따라, 코일 전류(ic)의 크기는 목표 전류의 크기(기준 크기)를 단계적으로 추종할 수 있다.
다른 예에서, 펄스 제어부(50)는 코일 전류(ic)의 크기와 기준 크기의 차이값에 비례하여 게이트 펄스의 펄스폭을 줄이거나 늘릴 수 있다. 보다 구체적으로, 펄스 제어부(50)는 코일 전류(ic)가 기준 크기보다 클수록 게이트 펄스의 펄스폭을 더 많이 줄일 수 있고, 코일 전류(ic)가 기준 크기보다 작을수록 게이트 펄스의 펄스폭을 더 적게 줄일 수 있다. 이 경우, 앞선 예보다 코일 전류(ic)의 크기가 목표 전류의 크기(기준 크기)를 빠르게 추종할 수 있다.
펄스 제어부(50)는 펄스폭 조절을 위해 게이트 펄스의 하강 엣지(falling edge)를 조절할 수 있다. 보다 구체적으로, 펄스 제어부(50)는 게이트 펄스의 하강 엣지의 타이밍을 조절하여 게이트 펄스의 펄스폭을 제어할 수 있다.
도 10은 코일 전류(ic)에 따른 위상 신호(Vp), 기준 펄스(Vpwm) 및 각 스위칭 소자에 인가되는 게이트 펄스(Q1~Q4)의 파형과, 게이트 펄스(Q1~Q4)에 따라 공진 회로부(30)로 출력되는 출력단 전압(Vo)의 파형을 나타낸다.
도 10을 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 기준 펄스(Vpwm)는 위상 신호(Vp)의 위상 보다 앞설 수 있고, 게이트 펄스의 상승 엣지는 기준 펄스(Vpwm)에 동기화되어 t1 내지 t5에서 발생할 수 있다.
이 때, 펄스 제어부(50)는 코일 전류(ic)의 크기를 일정하게 유지하기 위해, 코일 전류(ic)의 진폭에 기초하여 게이트 펄스(Q1~Q4)의 하강 엣지의 타이밍을 조절함으로써 게이트 펄스(Q1~Q4)의 펄스폭을 제어할 수 있다. 이에 따라, t1 내지 t5에서 상승한 게이트 펄스(Q1~Q4)는, 펄스 제어부(50)에 의해 조절된 타이밍에서 하강할 수 있고, 게이트 펄스(Q1~Q4)의 온 타임에 따라 코일 전류(ic)의 크기가 제어될 수 있다.
예를 들어, t6 시점에 발생하는 게이트 펄스(Q1)의 하강 엣지에 의해 첫 번째 양의 반주기에서 교류 전압의 크기가 기준 크기보다 작은 경우, 펄스 제어부(50)는 다음 게이트 펄스(Q3)의 하강 엣지를 결정하는 t7 시점을 지연시킬 수 있다. 이에 따라, 첫 번째 음의 반주기에서 교류 전압의 크기는 증가할 수 있다.
반대로, t8 시점에 발생하는 게이트 펄스(Q1)의 하강 엣지에 의해 두 번째 양의 반주기에서 교류 전압의 크기가 기준 크기보다 큰 경우, 펄스 제어부(50)는 다음 게이트 펄스(Q3)의 하강 엣지를 결정하는 t9 시점을 앞당길 수 있다. 이에 따라, 두 번째 음의 반주기에서 교류 전압의 크기는 감소할 수 있다.
즉, 펄스 제어부(50)는 네거티브 피드백(negative feedback)을 통해 코일 전류(ic)가 기준 크기를 추종하도록 게이트 신호의 펄스폭을 제어할 수 있고, 이에 따라, 다양한 원인에 의해 무선 전력 수신 장치(2) 내 부하랑이 변동되더라도 코일 전류(ic)는 항상 일정한 크기를 추종할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 송신 코일(L1)에 흐르는 전류량을 일정하게 제어함으로써, 외부 요인에 의해 무선 전력 수신 장치(2)의 부하량이 변경되더라도 무선 전력 수신 장치(2)가 안정적으로 전력을 공급받도록 할 수 있다.
도 10은 본 발명을 설명하기 위한 하나의 예시에 불과할 뿐, 도 10에 도시된 게이트 펄스의 파형 외에도, 출력단 전압(Vo)의 위상이 코일 전류(ic)의 위상보다 앞서게 하는 다양한 게이트 펄스가 기준 펄스(Vpwm)에 따라 생성될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (14)

  1. 복수의 스위칭 소자를 포함하는 전력 변환부;
    상기 복수의 스위칭 소자에 게이트 펄스를 인가하는 펄스 인가부;
    상기 전력 변환부의 출력단에 연결되는 공진 회로부; 및
    상기 전력 변환부의 출력단 전압의 위상이 상기 코일 전류의 위상보다 앞서도록 상기 게이트 펄스의 타이밍을 제어하고, 상기 코일 전류의 크기에 기초하여 상기 게이트 펄스의 펄스폭을 제어하는 펄스 제어부를 포함하는
    무선 전력 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 스위칭 소자는 풀 브리지(full-bridge) 회로로 구현되는
    무선 전력 송신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 인가부는 상기 복수의 스위칭 소자 각각에 게이트 펄스를 인가하는
    무선 전력 송신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공진 회로부는 상기 송신 코일과 상기 송신 코일에 직렬 연결된 공진 커패시터를 포함하는
    무선 전력 송신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공진 회로부 내 송신 코일에 흐르는 코일 전류의 위상 및 크기를 검출하여 상기 펄스 제어부에 제공하는 전류 검출부를 더 포함하는
    무선 전력 송신 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전류 검출부는 상기 코일 전류의 피크값(peak value)을 통해 상기 코일 전류의 크기를 검출하는
    무선 전력 송신 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전류 검출부는 상기 코일 전류의 영점(zero crossing point)을 통해 상기 코일 전류의 위상을 검출하는
    무선 전력 송신 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전류 검출부는 인접한 두 영점의 중간 지점에서 상기 코일 전류의 크기를 검출하는
    무선 전력 송신 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 인가부는 상기 게이트 펄스의 타이밍이 기준 펄스에 동기화되도록 제어하고,
    상기 펄스 제어부는 상기 기준 펄스의 위상을 기준 위상만큼 지연시켜 지연 펄스를 생성하고, 상기 지연 펄스의 위상과 상기 코일 전류의 위상이 동일해지는 상기 기준 펄스를 생성하는
    무선 전력 송신 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 펄스 제어부는
    상기 지연 펄스를 생성하는 위상 지연부와,
    상기 지연 펄스의 위상과 상기 코일 전류의 위상의 비교 결과에 따른 제어 전압을 출력하는 위상 비교부와,
    상기 위상 비교부에서 출력되는 상기 제어 전압의 크기에 대응하는 주파수에 따라 상기 기준 펄스를 생성하는 기준 펄스 생성부를 포함하는
    무선 전력 송신 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 위상 비교부는 상기 지연 펄스와 상기 코일 전류의 위상차에 따라 선형적으로 결정되는 상기 제어 전압을 출력하는
    무선 전력 송신 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 펄스 제어부는 상기 코일 전류의 크기가 기준 크기보다 크면 상기 게이트 펄스의 펄스폭(pulse width)을 줄이고 상기 코일 전류의 크기가 상기 기준 크기보다 작으면 상기 게이트 펄스의 펄스폭을 늘리는
    무선 전력 송신 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 펄스 제어부는 상기 코일 전류의 크기와 상기 기준 크기의 차이값에 비례하여 상기 게이트 펄스의 펄스폭을 줄이거나 늘리는
    무선 전력 송신 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 펄스 제어부는 상기 게이트 펄스의 하강 엣지(falling edge)의 타이밍을 조절하여 상기 게이트 펄스의 펄스폭을 제어하는
    무선 전력 송신 장치.
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