KR20210040756A - 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자려 발진 공진 회로를 구성하여 전자기 유도 결합에 의해 가열 또는 무선 충전에 필요한 에너지를 제공할 수 있는 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치를 제공한다.
상기한 바에 따르면, 중간탭을 가지는 유도 코일, 공진 콘덴서 및 블로킹 다이오드를 이용하여 자려 발진 공진 회로를 구성하여 전자기 유도 결합에 의해 가열 또는 무선 충전에 필요한 에너지를 제공할 수 있고, 모든 금속 재질의 가열 용기의 형상이나 구조, 위치에 무관하게 가열 에너지를 제공할 수 있고, 배터리의 구조, 개수, 잔여 에너지, 위치 등에 상관없이 무선 충전 에너지를 전달할 수 있으며, 유도 코일에서 발생되는 발열 손실이 감소되도록 구성된 무선 충전 기능이 구비된 유도가열 장치를 제공할 수 있다. 또한, 별도의 발진 회로나 부품이 필요 없이 자려 발진 공진 회로를 구성함으로써 공진 현상이 깨지면서 발생하는 과열이나 부품 파괴 등이 전혀 발생하지 않도록 할 수 있다.

Description

자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치{SELF-OSCILLATOR TYPE WIRELESS CHARGING DEVICE AND INDUCTION HEATING DEVICE}

본 발명은 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자려 발진 공진 회로를 구성하여 전자기 유도 결합에 의해 가열 또는 무선 충전에 필요한 에너지를 제공할 수 있는 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치에 관한 것이다.

전기를 이용하여 피가열 물체를 가열하는 방식은 크게 저항 가열 방식과 유도 가열 방식으로 나누어진다. 전기저항 방식은 금속 저항선 또는 탄화규소와 같은 비금속 발열체에 전류를 흘릴 때 생기는 열을 방사 또는 전도를 통해 피가열 물체에 전달함으로써 피가열 물체를 가열하는 방식이다.

그리고 유도 가열 방식은 소정 크기의 고주파 전력을 코일에 인가할 때 코일 주변에 발생하는 자계를 이용하여 금속 성분으로 이루어진 피가열 물체에 와전류(eddy current)를 발생시켜 피가열 물체 자체가 가열되도록 하는 방식이다. 이와 같은 두 가지 가열 방식 중 유도 가열 방식을 이용하는 유도 가열 장치가 최근 널리 보급되고 있다.

한편, 최근에는 무선으로 전력을 공급하는 기술이 개발되어 많은 전자 장치에 적용되고 있다. 무선 전력 전송 기술이 적용된 전자 장치는 별도의 충전 커넥터를 연결하지 않고 충전 패드에 올려놓는 것만으로도 배터리가 충전된다. 이러한 무선 전력 전송이 적용된 전자 장치는 유선 코드나 충전기가 필요하지 않으므로 휴대성이 향상되며 크기와 무게가 종래에 비해 감소하게 된다.

무선 전력 전송 기술은 크게 코일을 이용한 전자기 유도 방식과 공진을 이용하는 공진 방식, 그리고 전기적 에너지를 마이크로파로 변환시켜 전달하는 전파 방사 방식 등이 있다. 이 중 전자기 유도 방식은 무선 전력을 송신하는 장치에 구비되는 1차 코일과 무선 전력을 수신하는 장치에 구비되는 2차 코일 간의 전자기 유도를 이용하여 전력을 전송하는 기술이다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 유도 가열 장치의 유도 가열 방식은 전자기 유도에 의하여 피가열 물체를 가열한다는 점에서 전자기 유도에 의한 무선 전력 전송 기술과 원리가 실질적으로 동일하다. 따라서 유도 가열 및 무선 전력 전송을 사용자의 필요에 따라 선택적으로 수행할 수 있는 장치의 개발이 요구된다.

그러나, 종래에는 인덕션에 인덕션 렌지부와 스마트기기 충전부(300)가 별도로 설치되어 있어 사용자의 선택에 따라 조리시 인덕션 렌지부를 동작시키고, 무선 전력 충전 시 스마트 기기 충전부를 동작시키는 것으로서, 인덕션 렌지부 이외에 별도의 충전부를 추가로 설치해야 하며, 매번 사용자가 모드를 설정하여 가열 또는 충전을 선택적으로 사용해야 하는 불편함이 있다.

따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 방법이 필요하게 되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 더욱 상세하게는 중간탭을 가지는 유도 코일, 공진 콘덴서 및 블로킹 다이오드를 이용하여 자려 발진 공진 회로를 구성하여 전자기 유도 결합에 의해 가열 또는 무선 충전에 필요한 에너지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 모든 금속 재질의 가열 용기의 형상이나 구조, 위치에 무관하게 가열 에너지를 제공할 수 있고, 배터리의 구조, 개수, 잔여 에너지, 위치 등에 상관없이 무선 충전 에너지를 전달하는 것을 목적으로 한다.

또한, 유도 코일에서 발생되는 발열 손실이 감소되도록 구성되는 것을 목적으로 한다.

또한, 별도의 발진 회로나 부품이 필요 없이 자려 발진 공진 회로를 구성함으로써 공진 현상이 깨지면서 발생하는 과열이나 부품 파괴 등이 전혀 발생하지 않도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 전자기 유도 결합을 통해 에너지를 발생하는 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치에 있어서,

외부 부하에 대해 가열 에너지 또는 충전 에너지를 제공하는 하나 이상의 유도 코일; 상기 유도 코일과 병렬 연결된 공진 콘덴서; 외부 부하가 가열 용기인 경우 상기 가열 용기의 가열에 필요한 제1 공진 전류를 제1 방향으로 흐르게 하고, 외부 부하가 배터리인 경우 상기 배터리의 무선 충전에 필요한 제2 공진 전류를 제2 방향으로 흐르도록 상기 유도 코일과 공진 콘덴서 간에 공진 작용이 발생하도록 스위칭 동작을 수행하는 하나 이상의 스위칭 소자; 상기 가열 용기의 유도 가열 또는 상기 배터리의 무선 충전을 위한 제어 신호를 출력하는 제어부; 상기 제어 신호에 의하여 설정되는 공진 주파수에 따라 상기 스위칭 동작을 위한 스위칭 신호를 출력하는 구동 회로부; 및 상기 스위칭 소자의 발열 방지 기능 또는 상기 공진 주파수의 안정 기능을 수행하는 보호 회로부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 제1 공진 전류와 제2 공진 전류는 상기 유도 코일에 흐르는 공진 전류를 상기 스위칭 소자에 의해 교대로 1/2씩 양분한 것이고, 상기 제1 방향과 제2 방향은 서로 반대 방향인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 공진 주파수에서 연속 발진이 발생하도록 상기 공진 콘덴서와 병렬 연결되는 블로킹 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 보호 회로부는, 상기 유도 코일에 병렬 연결된 주파수 안정용 콘덴서; 상기 유도 코일과 상용 전원 사이에 연결된 연속 발진용 보호 인덕터; 및 상기 스위칭 소자의 발열 방지 및 전자파 노이즈를 제거하기 위해 상기 스위칭 소자와 구동 회로부 사이에 설치된 보호 저항 및 보호 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 보호 저항 및 보호 다이오드는 병렬 연결된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 유도 코일은 제1 단자와 제2 단자 사이에 중간 탭(center tap)을 가지고, 상기 중간탭을 기준으로 상기 제1 단자와 제2 단자 사이의 공진 전류가 양분되고, 각 양분된 공진 전류는 서로 180°의 위상차를 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 유도 코일은 하나 이상의 전류 스위치 소자와 직렬 연결되고, 상기 전류 스위치 소자는 상기 무선 충전시 상기 유도 코일에 공진 전류가 집중하도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 전류 스위치 소자는 NTC(Negative Temperature Coefficient of Resistance, NTC)인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 스위칭 소자는 FET 또는 IGBT 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 상용 전원이 입력되지 않은 경우, 충전 및 방전 동작을 통해 구동 전원을 제공하는 전원 공급부를 더 포함하고, 상기 전원 공급부는 잔여 용량이 제1 임계값에 도달하면 상기 유도 가열을 위한 가열 모드 또는 무선 충전을 위한 충전 모드 중 어느 하나의 모드만 실행하도록 경고신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 유도 코일 일측에 설치되어 발열되는 온도를 감지하는 온도센서를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 온도센서로부터 감지한 온도신호를 수신하고, 수신된 온도가 기설정된 임계값 이상인 경우에 상기 구동 회로부를 제어하여 상기 스위칭 소자의 온오프 스위칭을 제어하는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 함으로써 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

본 발명은 중간탭을 가지는 유도 코일, 공진 콘덴서 및 블로킹 다이오드를 이용하여 자려 발진 공진 회로를 구성하여 전자기 유도 결합에 의해 가열 또는 무선 충전에 필요한 에너지를 제공할 수 있다.

또한, 모든 금속 재질의 가열 용기의 형상이나 구조, 위치에 무관하게 가열 에너지를 제공할 수 있고, 배터리의 구조, 개수, 잔여 에너지, 위치 등에 상관없이 무선 충전 에너지를 전달할 수 있다.

또한, 유도 코일에서 발생되는 발열 손실이 감소되도록 구성된 무선 충전 기능이 구비된 유도가열 장치를 제공 할 수 있다.

또한, 별도의 발진 회로나 부품이 필요 없이 자려 발진 공진 회로를 구성함으로써 공진 현상이 깨지면서 발생하는 과열이나 부품 파괴 등이 전혀 발생하지 않도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치의 구성을 설명하는 도면.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치의 구성을 설명하는 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 코일의 형상을 설명하는 도면.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치를 설명하는 회로도.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치를 설명하는 회로도.
도 6은 본 발명의 유도 코일의 공진 전류 파형과 스위칭 소자의 전압 파형을 설명하는 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치의 구성을 설명하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치의 구성을 설명하는 회로도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 코일의 형상을 설명하는 도면이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치를 설명하는 회로도이며, 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치를 설명하는 회로도이고, 도 6은 본 발명의 유도 코일의 공진 전류 파형과 스위칭 소자의 전압 파형을 설명하는 도면이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치의 구성을 설명하는 블록도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치의 구성을 설명하는 회로도이다.

도 1및 도 2를 참조하면, 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치(100)는 하나 이상의 유도 코일(L9), 유도 코일과 병렬 연결된 공진 콘덴서(C21), 하나 이상의 스위칭 소자(Q9, Q10), 제어부(110), 구동 회로부(120) 및 보호 회로부(130)를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.

도 2는 FET(Field Effect Transistor)를 사용한 자려발진식 인덕션 가열장치 회로도 이다.

여기서, 유도 코일(L9)은 가열 용기(10)나 배터리 등의 외부 부하에 대해 가열 에너지 또는 충전 에너지를 제공한다. 블로킹 다이오드(D15, D16)는 설정된 공진 주파수에서 연속 발진이 발생하도록 공진 콘덴서(C21)와 병렬 연결된다.

서로 병렬 연결된 유도 코일(L9)과 공진 콘덴서(C21)는 스위칭 소자(Q9, Q10)의 스위칭에 따라 공진작용을 한다. 즉, 공진 콘덴서(C21)는 상용 전원에서 제공되는 공진전원에 의해 충전되고, 스위칭 소자(Q9, Q10)의 스위칭 동작에 따라 방전과 충전을 반복한다. 그리고 유도 코일(L9)은 공진 콘덴서(C21)의 충방전에 따라 역기전력이 발생하여 강력한 자계를 형성하고, 이 자계에 의해 공진 전류(즉, 공진전압)가 발생한다.

유도 코일(L9)에서 발생되는 공진 전류(즉, 공진전압)는 그 위에 놓여지는 가열 용기 바닥면에 와전류가 유도되도록 하고, 이 와전류에 의해 저항체인 가열 용기가 가열된다.

스위칭 소자(Q9, Q10)는 가열 용기(10)의 가열에 필요한 제1 공진 전류를 제1 방향으로 흐르게 하고, 배터리의 무선 충전에 필요한 제2 공진 전류를 제2 방향으로 흐르도록 유도 코일(L9)과 공진 콘덴서(C21) 간에 공진 작용이 발생하도록 스위칭 동작을 수행한다. 제1 공진 전류와 제2 공진 전류는 Q9와 Q10에 교대로 1/2씩 양분하여 서로 반대 방향으로 흐르게 한다.

제어부(110)는 가열 용기(10)의 유도 가열 또는 배터리(20)의 무선 충전을 위한 제어 신호를 출력한다. 이때, 제어부(110)는 유도 코일(L9)과 공진 콘덴서(C21), 가열 용기(10) 및 배터리(20) 내의 유도 코일간의 상호 작용에 의해서만 공진 주파수가 결정되도록 한다.

구동 회로부(120)는 제어 신호에 의하여 설정되는 공진 주파수에 따라 스위칭 소자(Q9, Q10)의 스위칭 동작을 위한 스위칭 신호를 출력한다. 이러한 구동 회로부(120)는 스위칭 소자(Q9)의 스위칭 동작을 위한 2개의 트랜지스터(Q14, Q15)가 교대로 온/오프 동작되고, 스위칭 소자(Q10)의 스위칭 동작을 위한 2개의 트랜지스터(Q16, Q17)가 교대로 온/오프 동작된다.

구동 회로부(120)는 상단에 배치된 트랜지스터(Q14, Q15)와 하단에 배치된 트랜지스터(Q16, Q17)로 구성된다. 여기서, 상기 트랜지스터는 npn형 트랜지스터(Q14, Q16)와 pnp형 트랜지스터(Q15, Q17)가 각각 연결되어 구성된다.

여기서, 상기 트랜지스터(Q14, Q15, Q16, Q17)의 base단자는 바이어스 저항(R28, R29)을 통해 상용전원(101)에 연결되어, 트랜지스터가 동작하기 위한 전류가 트랜지스터에 입력되도록 한다. 또한, npn형 트랜지스터(Q14, Q16)의 collector단자도 상용전원(101)에 연결되어 base단자에 전류가 인가되어 트랜지스터가 온 동작 될 때, emitter단자를 통해 상기 스위칭 소자(Q9, Q10)에 전압이 인가되도록 한다.

여기서 상기 스위칭 소자(Q9)가 온 동작되면, 다른 스위칭 소자(Q10)는 오프 동작되고, 스위칭 소자(Q10)가 온 동작되면, 다른 스위칭 소자(Q9)는 오프 동작됨으로써, 유도 코일(L9)과 공진 콘덴서(C21) 간에 공진작용이 발생하도록 한다.

이러한 스위칭 소자(Q9, 10)는 FET(Field Effect Transistor)를 사용한다.

그리고 스위칭소자(Q9, Q10)는 제어부(110)의 제어를 받는 구동 회로부(120)에 의해 구동되는데, 구동 회로부(120)는 공진작용이 지속되면서 그 온타임이 점차로 길어지도록 온오프 스위칭하고, 스위칭 소자(Q9, 10)를 고속 동작시킨다.

이때, 제어부(110)가 구동 회로부(120)를 통해 제어하는 스위칭 소자(Q9, 910)의 온오프 동작에서, 온타임 길이는 입력측 상용전원의 전압과 전류를 비교한 보상 신호의 크기에 따라 결정되고, 턴온 시점은 유도 코일(L9) 양단에서 발생되는 공진전압의 위상차에 따라 결정된다.

보호 회로부(130)는 스위칭 소자(Q9, Q10)의 발열 방지 기능 또는 공진 주파수의 안정 기능을 수행한다. 이러한 보호 회로부(130)는 유도 코일(L9)에 병렬 연결된 주파수 안정용 콘덴서(C19, C20), 유도 코일(L9)과 상용 전원 사이에 연결된 연속 발진용 보호 인덕터(L10) 및 스위칭 소자(Q9, Q10)의 발열 방지 및 전자파 노이즈를 제거하기 위해 스위칭 소자(Q9, Q10)와 구동 회로부(120) 사이에 설치된 보호 저항(R33, R35) 및 보호 다이오드(D13, D15)를 포함한다. 이때, 보호 저항(R33, R35)및 보호 다이오드(D13, D15)는 병렬 연결된다.

보호 회로부(130)는 상용전원(101)에서 노이즈를 제거하는 라인필터, 서지를 차단 흡수하는 바리스터와 어레스터, 과전류를 차단하는 퓨즈 등이 구비될 수 있다.

자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치(100)는 바이어스 저항(R28, R29), 다수의 저항(R30, R31, R32, R34), 다수의 콘덴서(C22, C23) 등을 포함할 수 있다.

전원 공급부(140)는 상용 전원이 입력되지 않은 경우, 충전 및 방전 동작을 통해 유도 가열 장치(100)를 구동하기 위한 구동 전원을 제공할 수 있다.

즉, 전원 공급부(140)는 상용 전원이 입력된 상태에서 충전 동작을 수행하고, 상용 전원이 입력되지 않는 상태에서 가열 모드 또는 충전 모드가 실행될 경우에 방전 동작을 수행한다.

이러한 전원 공급부(140)는 잔여 용량이 제1 임계값에 도달하면 유도 가열을 위한 가열 모드 또는 무선 충전을 위한 충전 모드 중 어느 하나의 모드만 실행하도록 경고 신호를 출력한다.

이때, 경고 신호는 음성 안내 또는 LED 점멸 등으로 전원의 잔여 용량이 가열 모드와 충전 모드를 모두 충족하기에 충분하지 않은 상태임을 알 수 있다. 따라서, 사용자는 전원 공급부(140)를 통해 유도 가열 장치(100)를 휴대용으로 사용할 수 있고, 정전 등의 비상 상태에서 비상 전원으로 사용할 수 있다.

제어부(110)에는 유도 코일(L9)의 중심측과 측면측에 각각 배치되어 발열되는 온도를 감지하는 온도센서(150)로부터 감지한 온도신호를 전송받고, 전송된 온도에 따라 상기 구동 회로부(150)를 제어하여 스위칭 소자(Q9, 910)의 온오프 스위칭을 제어함으로써 과열되지 아니하도록 한다. 즉, 제어부(110)는 온도가 기설정된 임계값 이상인 경우에 스위칭 소자(Q9, 910)의 오프 동작으로 가열 모드가 해제되도록 함으로써 과열로 인한 사고나 화재를 미연에 방지할 수 있다.

한편, 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치(100)는 제어부(110)의 제어에 따라 음성 안내 기능을 수행하는 음성처리부(도시되지 않음), 사용자 조작 버튼들(전원, 잠금, 파워 레벨, 타이머 등)이나 경고메시지를 출력하는 정전식 터치패드(도시되지 않음), 예약 기능이나 최대 가열 시간 설정 등의 사용자 설정 데이터를 저장하는 메모리(도시되지 않음) 등을 포함한다.

한편, 상기 유도 코일(L9)의 중간탭에는 제2 전원 공급부(141)가 더 연결된다. 상기 유도 코일에 형성된 중간 탭(center tap)은 상기 중간탭을 기준으로 상기 제1 단자와 제2 단자 사이의 공진 전류가 양분되고, 각 양분된 공진 전류는 서로 180°의 위상차를 가지게 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 코일의 형상을 설명하는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 유도 코일(L9)은 제1 단자와 제2 단자 사이에 중간 탭(center tap)을 가지고, 중간탭을 중심으로 제1 단자와 제2 단자 사이의 공진 전류가 양분되고, 각 양분된 공진 전류는 서로 180°의 위상차를 가지게 된다.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치를 설명하는 회로도이고, 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치를 설명하는 회로도이다.

보다 상세하게는 상기 도 4는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)소자를 사용한 자려발진식 대전력 무선 배터리 충전장치 회로도이다.

여기서 도 4의 회로도는 대용량 배터리나 전기자동차 등 도 2의 회로도보다 높은 전압, 전류의 환경에서 사용될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치(100)는 상기한 제1 실시예와 동일하게 구성되지만, 스위칭 소자(IGBT3, IGBT4)가 고전압과 고주파수에 강한 IGBT를 사용한다.

이때, 스위칭 소자(IGBT3, IGBT4)의 발열 방지 및 전자파 노이즈 제거를 위해 보호 저항(R50, R51)과 제너 다이오드(ZD3, ZD4)를 사용한다.

도 5는 NTC(Negative Temperature Coefficient of Resistance) 및 복수개의 유도 코일을 사용한 자려발진식 스마트폰 무선배터리 충전장치 회로도 이다.

보다 상세하게는 제3 실시예에 따른 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치(100)는 상기한 제1 실시예와 동일하게 구성되지만, 유도 코일(L9)이 전류 스위치 소자(160)와 직렬로 일대일 연결된다. 이러한 전류 스위치 소자(160)는 배터리의 무선 충전시 유도 코일(L9)에 공진 전류가 집중하도록 하는 것으로서, NTC를 사용할 수 있다.

여기서, NTC는 온도에 따라 저항성분이 변화하는 열 가변 저항기로 회로의 전류가 일정이상으로 흘러 발열이 발생되면, 상기 발열에 따라 저항 값이 감소하는 부품이다.

전류 스위치 소자(160)는 전류가 흐르면 열이 발생하면서 저항 값이 줄어들기 때문에 배터리(20)가 없는 경우에 유도 코일(L9)에 상호 작용이 발생하지 않아 전류가 거의 흐르지 않고, 그로 인해 저항 값이 커져 스위치 오프와 같은 상태로 있게 된다.

그런데, 전류 스위치 소자(160)는 배터리(20)가 놓이게 되면 유도 코일(L9)과 배터리 내의 유도 코일 간의 상호 작용이 발생하여 유도 코일(L9)에 전류가 서서히 증가하게 되고, 그로 인해 NTC의 저항 값이 감소하여 유도 코일(L9)에만 전류가 집중하게 된다.

도 6은 본 발명의 유도 코일의 공진 전류 파형과 스위칭 소자의 전압 파형을 설명하는 도면이다.

자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치(100)는 중간 탭을 가지는 유도 코일과 병렬 접속된 공진 콘덴서, 블로킹 다이오드를 이용한 자려 발진 공진 회로를 구성함으로써 전기 유도 결합에 의해 가열 용기(10)의 도전 특성 또는 배터리(20) 내부의 유도 코일 간의 상호 작용으로 가열 또는 충전 에너지를 전달할 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 유도 코일과 공진 콘덴서의 병렬 공진 전류 및 가열 용기(10)의 바닥면 와전류, 배터리(20)에 유도되는 유도 전류는 고조파가 '0'인 정현파 전류가 흐르고 있어 인체 유해성이 낮으며, 전자파 방해 규정을 쉽게 해결 할 수 있도록 한다.

종래의 기술은 타려발진 방식을 사용하여 발열손실이 쉽게 발생하고, 공진 현상이 쉽게 깨져 부품의 손상이 자주 일어났던 반면, 본 발명은 자려 발진 방식으로 모든 금속 재질의 가열 용기의 형상이나 구조, 위치에 무관하게 가열 에너지를 제공할 수 있고, 배터리의 구조, 개수, 잔여 에너지, 위치 등에 상관없이 무선 충전 에너지를 전달할 수 있으며, 발열 손실이 감소된 무선충전이 가능한 한편, 별도의 발진회로 없이 자려발진이 가능하여, 공진 현상이 깨져 발생되는 부품파괴를 방지할 수 있는 효과가 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치의 동작 방법은, 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 이러한 기록 매체는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하며, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함하며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

한편 본 명세서에 개시된 기술에 관한 설명은 단지 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 개시된 기술에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

또한 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. “제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소로 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

나아가 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 “~사이에” 또는 “~에 이웃하는”과 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다”또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

100 : 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치
L9, L11, L12, L13, L17: 유도 코일
C21, C27, C33 : 공진 콘덴서
Q9, Q10, Q11, Q12, IGBT3, IGBT4 : 스위칭 소자
110 : 제어부
120 : 구동 회로부
130 : 보호 회로부

Claims (5)

1. 전자기 유도 결합을 통해 에너지를 발생하는 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치에 있어서,
   외부 부하에 대해 가열 에너지 또는 충전 에너지를 제공하는 하나 이상의 유도 코일;과 상기 유도 코일과 병렬 연결된 공진 콘덴서;를 포함하여 구성되되,
   상기 외부 부하가 가열 용기인 경우 상기 가열 용기의 가열에 필요한 제1 공진 전류를 제1 방향으로 흐르게 하고,
   상기 외부 부하가 배터리인 경우 상기 배터리의 무선 충전에 필요한 제2 공진 전류를 제2 방향으로 흐르도록 상기 유도 코일과 공진 콘덴서 간에 공진 작용이 발생하도록 스위칭 동작을 수행하는 하나 이상의 스위칭 소자와;
   상기 가열 용기의 유도 가열 또는 상기 배터리의 무선 충전을 위한 제어 신호를 출력하는 제어부;
   상기 제어 신호에 의하여 설정되는 공진 주파수에 따라 상기 스위칭 동작을 위한 스위칭 신호를 출력하는 구동 회로부; 및
   상기 스위칭 소자의 발열 방지 기능 또는 상기 공진 주파수의 안정 기능을 수행하는 보호 회로부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 공진 전류와 제2 공진 전류는, 상기 유도 코일에 흐르는 공진 전류를 상기 스위칭 소자에 의해 교대로 1/2씩 양분한 것이고, 상기 제1 방향과 제2 방향은 서로 반대 방향인 것을 특징으로 하는 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 보호 회로부는 상기 유도 코일에 병렬 연결된 주파수 안정용 콘덴서와;
   상기 유도 코일과 상용 전원 사이에 연결된 연속 발진용 보호 인덕터; 및
   상기 스위칭 소자의 발열 방지 및 전자파 노이즈를 제거하기 위해 상기 스위칭 소자와 구동 회로부 사이에 설치된 보호 저항 및 보호 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 유도 코일은 제1 단자와 제2 단자 사이에 중간 탭(center tap)을 가지고, 상기 중간 탭을 기준으로 상기 제1 단자와 제2 단자 사이의 공진 전류가 양분되고, 각 양분된 공진 전류는 서로 180°의 위상차를 가지는 것을 특징으로 하는 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 전류 스위치 소자는 NTC(Negative Temperature Coefficient of Resistance, NTC)인 것을 특징으로 하는 자려발진 방식의 무선 충전 및 유도 가열 장치.

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