KR20210058360A - 무선 전력 전송 장치 및 방법 - Google Patents

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주식회사 히타치엘지 데이터 스토리지 코리아
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Abstract

이 명세서는 무선 전력 전송 장치와 방법에 관한 것이다. 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터; 수신 장치의 2차 코일과의 자기 유도 결합에 의해 전력을 전송하기 위한 1차 코일을 포함하는 복수 개의 공진 회로; 복수 개의 공진 회로 각각과 인버터의 연결을 제어하기 위한 복수 개의 스위치; 복수 개의 스위치를 제어하기 위한 복수 개의 스위치 제어 회로; 및 복수 개의 스위치 제어 회로를 통해 복수 개의 스위치를 제어하여 인버터에 연결할 공진 회로 조합을 선택하고, 인버터의 동작을 제어하여 선택된 공진 회로 조합으로 수신 장치로의 전력 전송을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성될 수 있다. 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 복수 개의 코일 각각에 연결된 복수 개의 스위치를 제어하여 인버터에 연결되는 코일 조합을 선택하는 제1 단계; 인버터를 제어하여 선택된 코일 조합을 구동하면서 오브젝트에 대한 선택된 코일 조합의 구동 특성 값을 검출하는 제2 단계; 검출된 구동 특성 값을 기준 값과 비교하는 제3 단계; 및 비교 결과를 근거로 오브젝트의 존재 여부와 오브젝트의 종류 중 하나 이상을 판별하는 제4 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

무선 전력 전송 장치 및 방법 {Apparatus and method for transmitting power wirelessly}
이 명세서는 무선으로 전력을 전송하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
통신 및 정보 처리 기술이 발달함에 따라 스마트 폰이나 태블릿 PC 등과 같은 스마트 단말기의 사용이 점차적으로 증가되고 있는데, 현재 스마트 단말에 많이 적용되고 있는 충전 방식은 전원에 연결된 어댑터를 스마트 단말기에 직접 연결하여 외부 전원을 공급받아 충전하거나 또는 호스트의 USB 단자를 통해 스마트 단말기에 연결하여 호스트의 USB 전원을 공급받아 충전하는 방식이다.
최근에는, 연결 선을 통해 어댑터에 또는 호스트에 스마트 단말기를 직접 연결해야 하는 불편함을 줄이기 위하여, 전기적 접촉 없이 자기 결합을 이용하여 배터리를 무선으로 충전하는 무선 충전 방식이 점차 스마트 단말기에 적용되고 있다.
최근에 보편적으로 일반적으로 사용되는 무선 충전기의 경우, 15W 이하의 저전력만 충전이 가능하며, 전송 거리도 수 mm 이하로 짧아서, 무선 충전을 위해서 전력 수신 장치인 스마트 단말기를 전력 전송 장치인 무선 충전기에 접촉시켜야 한다. 이와 같이 기존의 전력 전송 장치에서는 전력 전송 능력이 낮고 전송 거리가 짧은 문제가 있다. 또한, 전력 수신 장치가 전력 전송 장치 표면 위에서 이동하여 전송 효율이 저하되는 문제도 있다.
무선 전력 전송 장치의 전력 전송 능력과 전송 거리를 개선하고 무선 충전 영역을 넓히기 위해, 유도 결합 방식의 무선 전력 전송 장치에 전송 코일을 하나만 형성하지 않고 전송 코일을 복수 개 겹치도록 배치하는 다중 코일 유형의 전송 장치가 출시되고 있다.
하지만, 다중 코일을 구동하기 위해 코일 개수에 대응하는 개수의 인버터를 채용하는 경우, 복수 개의 인버터로 복수 개의 코일을 구동할 때 구동을 원하는 코일의 인버터만 동작시키더라도 코일들 사이에 커플링이 발생하고 이에 따라 구동을 원하지 않는 코일에도 인버터 스위치의 기생 다이오드를 타고 전류가 흐를 수 있다.
구동을 원하지 않는 코일에 전류가 흐르면 구동하려는 코일의 동작 특성이 바뀌어 전력 전송 효율이 감소할 뿐만 아니라 충전 대상을 감지하는 성능도 저하되는 문제가 있다.
이 명세서는 이러한 상황을 감안한 것으로, 이 명세서의 목적은 오브젝트 검출 능력을 향상시키는 다중 코일을 제공하는 데 있다.
이 명세서의 다른 목적은, 코일들 사이에 간섭을 최소화하는 다중 코일을 제공하는 데 있다.
이 명세서의 또 다른 목적은, 다중 코일에서 구동을 원하는 코일의 특성을 바뀌지 않으면서 독립적으로 구동하는 데 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 복수 개의 코일 각각에 연결된 복수 개의 스위치를 제어하여 인버터에 연결되는 코일 조합을 선택하는 제1 단계; 인버터를 제어하여 선택된 코일 조합을 구동하면서 오브젝트에 대한 선택된 코일 조합의 구동 특성 값을 검출하는 제2 단계; 검출된 구동 특성 값을 기준 값과 비교하는 제3 단계; 및 비교 결과를 근거로 오브젝트의 존재 여부와 오브젝트의 종류 중 하나 이상을 판별하는 제4 단계를 포함하여 이루어 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 복수 개의 코일 각각에 연결된 복수 개의 스위치를 제어하여 인버터에 연결되는 코일 조합을 선택하는 제1 단계; 인버터를 제어하여 선택된 코일 조합을 구동하면서 오브젝트에 대한 선택된 코일 조합의 구동 특성 값을 검출하는 제2 단계; 검출된 구동 특성 값을 기준 값과 비교하는 제3 단계; 및 비교 결과를 근거로 오브젝트의 존재 여부와 오브젝트의 종류 중 하나 이상을 판별하는 제4 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
따라서, 코일들 사이 간섭을 최소화하게 되고, 수신 장치와 결합이 가장 큰 코일을 정확하게 선택할 수 있게 되어, 오브젝트 검출과 판별 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이고,
도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 장치의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이고,
도 3은 무선 전력 전송 장치와 수신 장치가 전력과 메시지를 주고 받기 위한 구성을 도시한 것이고,
도 4는 무선 전력 전송 장치와 수신 장치 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이고,
도 5a와 도 5b는 전송 거리 개선을 위한 다중 코일 및 전송할 전력 양에 따라 다중 코일을 다르게 구동하는 예를 도시한 것이고,
도 6a와 도 6b는 각각 도 5a와 도 5b에 따라 다중 코일을 구동할 때 자기장의 분포를 도시한 것이고,
도 7은 종래 다중 코일을 구동하는 구동 회로를 도시한 것이고,
도 8은 인버터를 공유하고 인버터에 연결되는 코일마다 스위치가 연결되는 다중 코일을 구동하는 구동 회로의 일 실시예를 도시한 것이고,
도 9는 스위치가 연결되는 코일마다 인버터를 배치하는 다중 코일을 구동하는 구동 회로의 일 실시예를 도시한 것이고,
도 10은 코일에 연결되는 스위치를 구동하는 회로를 도시한 것이고,
도 11a와 도 11b는 각각 도 7과 도 8 구동 회로에 대해 코일 인덕턴스 변화에 따른 코일 전압의 변화를 도시한 것이고,
도 12는 다중 코일의 전력 전송 장치에서 수신 장치를 검출하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이고,
도 13은 도 5의 다중 코일을 구비하는 충전기의 분해 사시도를 도시한 것이다.
이하, 무선 전력 전송 장치 및 방법에 대한 실시예를 첨부하는 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 무선 전력 전송 장치로부터 전자 기기로 전력이 무선으로 전송되는 것을 개념적으로 나타낸 것이다.
무선 전력 전송 장치(100)는, 무선 전력 수신 장치 또는 전자 기기(200)가 필요로 하는 전력을 무선으로 전달하는 전력 전달 장치이거나, 무선으로 전력을 전달함으로써 전자 기기(200)의 배터리를 충전하기 위한 무선 충전 장치일 수 있고, 또는 접촉되지 않은 상태에서 전원이 필요한 전자 기기(200)에 전력을 전달하는 여러 가지 형태의 장치로 구현될 수 있다.
전자 기기(200)는 무선 전력 전송 장치(100)로부터 무선으로 전력을 수신하여 동작이 가능한 기기로, 무선으로 수신되는 전력을 이용하여 배터리를 충전할 수도 있다. 무선으로 전력을 수신하는 전자 기기는 휴대가 가능한 전자 기기, 예를 들어 스마트 폰이나 스마트 단말, 태블릿 컴퓨터, 멀티미디어 단말, 키보드, 마우스, 영상 또는 음성의 보조 장치 등의 입출력 장치, 보조 배터리 등을 포함할 수 있다.
무선 전력 전송 장치(100)의 무선 전력 신호에 의한 전자기 유도 현상에 기초한 유도 결합 방식, 즉 무선 전력 전송 장치(100)에서 전송하는 무선 전력 신호에 의하여 전자 기기(200)에서 공진이 발생하고 공진 현상에 의하여 무선 전력 전송 장치(100)로부터 전자 기기(200)로 접촉 없이 무선으로 전력이 전달될 수 있는데, 전자기 유도 현상에 의하여 1차 코일에서 교류 전류에 의해 자기장을 변화시켜 2차 코일 쪽에 전류를 유도함으로써 전력을 전달한다.
무선 전력 전송 장치(100)의 1차 코일에 흐르는 전류의 세기가 변화하면, 그 전류에 의해 1차 코일 또는 송신 코일(primary coil, TX coil)을 통과하는 자기장이 변화하고, 변화된 자기장은 전자 기기(200) 내의 2차 코일 또는 수신 코일(secondary coil, RX coil) 측에 유도 기전력을 발생시킨다.
무선 전력 전송 장치(100) 측의 1차 코일과 전자 기기(200) 측의 수신 코일이 근접하도록 무선 전력 전송 장치(100) 및 전자 기기(200)를 배치하고, 무선 전력 전송 장치(100)가 1차 코일의 전류가 변화하도록 제어하면, 전자 기기(200)는 수신 코일에 유도된 기전력을 이용하여 배터리와 같은 부하에 전원을 공급한다.
유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율은, 무선 전력 전송 장치(100)와 전자 기기(200) 사이의 배치와 거리의 영향을 받게 되므로, 무선 전력 전송 장치(100)는 평평한 인터페이스 표면을 포함하도록 구성되고 인터페이스 표면의 하부에는 1차 코일이 장착되고, 인터페이스 표면 상부에 하나 이상의 전자 기기가 놓일 수 있다. 인터페이스 표면 하부에 장착된 1차 코일과 인터페이스 표면 상부에 위치한 수신 코일 사이 공간을 충분히 작게 함으로써 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 올릴 수 있다.
인터페이스 표면 상부에는 전자 기기가 놓일 위치를 지시하는 마크가 표시될 수 있는데, 인터페이스 표면 하부에 장착된 1차 코일과 수신 코일 사이의 배열이 적합하게 이루어지도록 하는 전자 기기의 위치를 지시할 수 있다. 전자 기기의 위치를 안내하기 위한 돌출 형태의 구조물이 인터페이스 표면 상부에 형성될 수도 있고, 인터페이스 표면 하부에 자석과 같은 자성체를 형성하여 전자 기기 내부에 마련된 다른 극의 자성체와의 인력에 의하여 1차 코일과 수신 코일이 잘 배열되도록 안내할 수도 있다.
도 2는 전자기 유도 방식으로 전력을 무선으로 전송하기 위한 전송 장치의 전력 변환부의 회로 구성을 개념적으로 도시한 것이다.
무선 전력 전송 장치는 크게 전원 및 인버터와 공진 회로로 구성되는 전력 변환부를 포함하여 구성될 수 있는데, 전원은 전압원이나 전류원이 될 수 있고 전력 변환부는 전원으로부터 공급되는 전력을 무선 전력 신호로 변환하여 수신 장치에 전달한다. 무선 전력 신호는 공진 특성을 갖는 자기장 또는 전자기장 형태로 형성되고, 공진 회로는 무선 전력 신호를 발생시키는 코일을 포함한다.
인버터는 스위칭 소자와 제어 회로를 통해 직류 입력을 원하는 전압과 주파수의 교류 파형으로 변환하는데, 도 2에서는 풀 브리지(Full-bridge) 인버터를 도시한 것이고, 하프 브리지 인버터 등 다른 종류의 인버터도 가능하다.
공진 회로는 자기 유도 방식으로 전력을 전송할 1차 코일(Lp)과 커패시터(Cp)를 포함하여 구성되는데, 코일과 커패시터가 전력 전송의 기본 공진 주파수를 결정한다. 1차 코일은 전류의 변화에 따라 무선 전력 신호에 해당하는 자기장을 형성하고, 평판 형태 또는 솔레노이드 형태로 구현될 수 있다.
인버터에 의해 변환된 교류 전류가 공진 회로를 구동시킴으로써 1차 코일에 자기장이 형성되는데, 인버터가 공진 회로의 공진 주파수에 가까운 주파수의 교류를 생성하여 전송 장치의 전송 효율을 높일 수 있고, 인버터를 제어함으로써 전송 장치의 전송 효율을 변경할 수 있다.
도 3은 무선 전력 전송 장치와 수신 장치가 전력과 메시지를 주고 받기 위한 구성을 도시한 것이다.
전력 변환부는 수신 장치의 수신 상태와 상관 없이 일방적으로 전력을 전송할 뿐이므로, 수신 장치의 상태에 맞도록 전력을 전송하기 위해서는 수신 장치로부터 수신 상태와 관련된 피드백을 받기 위한 구성이 무선 전력 전송 장치에 필요하다.
무선 전력 전송 장치(100)는 전력 변환부(110), 통신부(120), 제어부(130) 및 전원부(140)를 포함하여 구성될 수 있고, 무선 전력 수신 장치(200)는 전력 수신부(210), 통신부(220) 및 제어부(230)를 포함하여 구성될 수 있고 수신되는 전력이 공급될 부하(250)를 더 포함하여 구성될 수 있다.
전력 변환부(110)는, 도 2의 인버터와 공진 회로로 구성되고, 무선 전력 신호를 형성시키기 위해 사용되는 주파수, 전압, 전류 등의 특성을 조절할 수 있는 회로를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
통신부(120)는, 전력 변환부(110)에 연결되어, 전송 장치(100)로부터 자기 유도에 따라 무선으로 전력을 수신하는 수신 장치(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호를 복조하여 전력 제어 메시지를 검출할 수 있다.
제어부(130)는, 통신부(120)가 검출하는 메시지를 기초로, 전력 변환부(110)의 동작 주파수, 전압, 전류 중 하나 이상의 특성을 결정하고, 전력 변환부(110)를 제어하여 전력 변환부(110)가 메시지에 적합한 무선 전력 신호를 생성하도록 할 수 있다. 통신부(120)와 제어부(130)는 하나의 모듈로 구성될 수 있다.
전력 수신부(210)는, 전력 변환부(110)의 1차 코일에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 유도 기전력이 발생하는 수신 코일과 커패시터로 구성되는 매칭 회로를 포함하고, 수신 코일에 흐르는 교류 전류를 정류하여 직류 전류를 출력하는 정류 회로를 포함할 수 있다.
수신 장치의 통신부(220)는, 전력 수신부(210)에 연결되고, DC에서의 저항 부하 및/또는 AC에서의 용량성 부하를 조절하는 방식으로 전력 수신부의 부하를 조절함으로써, 전송 장치와 수신 장치 사이의 무선 전력 신호를 변화시켜 전력 제어 메시지를 전송 장치에 전송할 수 있다.
수신 장치의 제어부(230)는, 수신 장치에 포함된 각 구성 요소를 제어하는데, 전력 수신부(210)의 출력을 전류 또는 전압 형태로 측정하고, 이를 근거로 통신부(220)를 제어하여 무선 전력 전송 장치(100)에 전력 제어 메시지를 전달할 수 있다. 메시지는 무선 전력 전송 장치(100)로 하여금 무선 전력 신호의 전달을 시작하거나 종료하도록 지시할 수 있고 또한 무선 전력 신호의 특성을 조절하도록 할 수 있다.
전송 장치의 전력 변환부(110)에 의하여 형성된 무선 전력 신호는 전력 수신부(210)에 의하여 수신되고, 수신 장치의 제어부(230)는 무선 전력 신호를 변조하도록 통신부(220)를 제어하는데, 제어부(230)는 통신부(220)의 리액턴스(reactance)를 변경시킴으로써 무선 전력 신호로부터 수신하는 전력량이 변하도록 하는 변조 과정을 수행할 수 있다. 무선 전력 신호로부터 수신되는 전력량이 변하면 무선 전력 신호를 형성시키는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압도 바뀌고, 무선 전력 전송 장치(100)의 통신부(120)는 전력 변환부(110)의 전류 및/또는 전압의 변경을 감지하여 복조 과정을 수행할 수 있다.
수신 장치의 제어부(230)는, 무선 전력 전송 장치(100)에게 전달하고자 하는 메시지를 포함하는 패킷을 생성하고 생성되는 패킷을 포함하도록 무선 전력 신호를 변조하고, 전송 장치의 제어부(130)는 통신부(120)를 통해 추출한 패킷을 디코딩 하여 전력 제어 메시지를 획득할 수 있는데, 수신 장치의 제어부(230)는 수신되는 파워를 조절하기 위하여 전력 수신부(210)를 통해 수신되는 전력량을 근거로 무선 전력 신호의 특성을 변경을 요청하는 메시지를 전송할 수 있다.
도 4는 무선 전력 전송 장치와 수신 장치 사이 전력 전송을 제어하기 위한 루프를 블록으로 도시한 것이다.
전송 장치(100)의 전력 변환부(110)에서 발생하는 자기장의 변화에 따라 수신 장치(200)의 전력 수신부(210)에서 전류가 유도되어 전력이 전송되고, 수신 장치의 제어부(230)는 원하는 제어 점, 즉 원하는 출력 전류 및/또는 전압을 선택하고, 전력 수신부(210)을 통해 수신되는 전력의 실제 제어 점을 결정한다.
수신 장치의 제어부(230)는 전력이 전송되는 동안 원하는 제어 점과 실제 제어 점을 이용하여 제어 에러 값을 계산하는데, 예를 들어 2개의 출력 전압 또는 전류의 차이를 제어 에러 값으로 취할 수 있다. 원하는 제어 점에 도달하기 위해 적은 전력이 요구되면, 예를 들어 마이너스 값이 되고, 원하는 제어 점에 도달하기 위해 더 많은 전력이 필요하면 플러스 값이 되도록 제어 에러 값을 결정할 수 있다. 수신 장치의 제어부(230)는 통신부(220)를 통해 전력 수신부(210)의 리액턴스를 시간에 따라 변경하는 방식으로 계산된 제어 에러 값을 포함하는 패킷을 생성하여 전송 장치(100)에 전송할 수 있다.
전송 장치의 통신부(120)는 수신 장치(200)에 의하여 변조되는 무선 전력 신호에 포함되는 패킷을 복조하여 메시지를 검출하는데, 제어 에러 값을 포함하는 제어 에러 패킷을 복조할 수 있다.
전송 장치의 제어부(130)는, 통신부(120)를 통해 추출한 제어 에러 패킷을 디코딩 하여 제어 에러 값을 얻고, 전력 변환부(110)에 실제로 흐르는 실제 전류 값과 제어 에러 값을 이용하여 수신 장치가 원하는 전력을 전송하기 위한 새로운 전류 값을 결정할 수 있다.
전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치로부터 제어 에러 패킷을 수신하는 과정으로부터 시스템이 안정화되면, 1차 코일에 흐르는 실제 전류 값이 새로운 전류 값이 되도록 새로운 동작 점, 즉 1차 코일에 인가되는 AC 전압의 크기, 주파수, 듀티 비 등이 새로운 값에 이르도록 전력 변환부(110)를 제어하고, 수신 장치가 추가로 제어 정보나 상태 정보를 통신할 수 있도록 새로운 동작 점을 계속 유지하도록 한다.
무선 전력 전송 장치(100)와 무선 전력 수신 장치(200) 사이 상호 작용은 선택(selection), 핑(ping), 식별/구성(identification & configuration) 및 파워 전송(power transfer)을 포함하여 4가지 단계로 이루어질 수 있다. 선택 단계는 전송 장치가 인터페이스 표면 위에 놓인 대상물을 발견하기 위한 단계이고, 핑 단계는 대상물이 수신 장치를 포함하는 지 여부를 확인하는 단계이고, 식별/구성 단계는 수신 장치에 전력을 보내기 위한 준비 단계로 수신 장치로부터 적절한 정보를 수신하고 이를 근거로 수신 장치와 전력 전송 계약(Power Transfer Contract)을 체결하고, 파워 전송 단계는 전송 장치와 수신 장치의 상호 작용으로 실제로 전력을 무선으로 수신 장치에 전송하는 단계이다.
핑 단계에서는, 수신 장치(200)가 1차 코일과 수신 코일의 자속 결합 정도를 가리키는 신호 강도 패킷(Signal Strength Packet, SSP)을 공진 파형의 변조를 통해 전송 장치(100)에 전송하는데, 신호 강도 패킷(SSP)은 수신 장치에서 정류한 전압을 모니터링 하여 생성하는 메시지로서, 송신 장치(100)는 이를 수신 장치(200)로부터 수신하여 전력 전송을 위한 초기 구동 주파수를 선정하는 데 활용할 수 있다.
식별/구성 단계에서는, 수신 장치(200)의 버전, 제조사 코드, 장치 식별 정보 등을 포함하는 식별 패킷(Identification Packet), 수신 장치(200)의 최대 파워, 파워 전송 방법 등의 정보를 포함하는 구성 패킷(Configuration Packet) 등을 수신 장치(200)가 전송 장치(100)에 전송한다.
파워 전송 단계에서는, 수신 장치(200)가 전력 신호를 수신하는 동작 점과 파워 전송 계약에서 정한 동작 점과의 차이를 가리키는 제어 에러 패킷(Control Error Packet, CEP), 수신 장치(200)가 인터페이스 표면을 통해 수신하는 파워의 평균 값을 가리키는 수신 파워 패킷(Received Power Packet, RPP) 등을 수신 장치(200)가 전송 장치(100)에 전송한다.
수신 파워 패킷(RPP)은, 수신 장치의 전력 수신부(210)의 정류 전압, 부하 전류, 옵셋 전력 등을 감안한 수신 전력량 데이터로, 수신 장치(200)에 의해 전력을 수신 중에 계속하여 전송 장치(100)로 전송되고, 전송 장치(100)는 이를 수신하여 전력 제어를 위한 연산 인자로 사용한다.
전송 장치의 통신부(120)는 각각 공진 파형의 변화로부터 패킷을 추출하고, 제어부(130)는 추출되는 패킷을 디코딩 하여 메시지를 얻고 이를 기초로 전력 변환부(110)를 제어하여 수신 장치(200)가 요청하는 대로 파워 전송 특성을 바꾸면서 전력을 무선으로 전송할 수 있다.
한편, 유도 결합에 의해 전력을 무선으로 전달 방식에서 그 효율은 주파수 특성에 따른 영향은 적으나, 전송 장치(100)와 수신 장치(200) 사이의 배열과 거리의 영향을 받게 된다.
무선 전력 신호가 도달할 수 있는 영역을 두 가지로 구분할 수 있는데, 전송 장치(100)가 수신 장치(200)에 무선으로 전력을 전달할 때 높은 효율의 자기장이 통과할 수 있는 인터페이스 표면의 부분을 활동 영역이라고 할 수 있고, 전송 장치(100)가 수신 장치(200)의 존재를 감지할 수 있는 영역을 감지 영역이라 할 수 있다.
전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치(200)가 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되거나 제거되었는지 여부에 대하여 감지할 수 있는데, 전력 변환부(110)에서 형성되는 무선 전력 신호를 이용하거나 별도로 구비되는 센서에 의하여 수신 장치(200)가 활동 영역 또는 감지 영역에 배치되었는지 여부를 검출할 수 있다.
예를 들어, 전송 장치의 제어부(130)는 감지 영역에 존재하는 수신 장치(200)로 인하여 무선 전력 신호가 영향을 받아 전력 변환부(110)의 무선 전력 신호를 형성하기 위한 전력의 특성이 변화하는지 여부를 모니터링 함으로써 수신 장치(200)의 존재를 검출할 수 있다. 전송 장치의 제어부(130)는 수신 장치(200)의 존재를 검출한 결과에 따라 수신 장치(200)를 식별하는 과정을 수행하거나 무선 전력 전송을 시작할 것인지 여부 등을 결정할 수 있다.
전송 장치의 전력 변환부(110)는 위치 결정부를 더 포함할 수 있는데, 위치 결정부는 유도 결합 방식에 의한 무선 전력 전달의 효율을 높이기 위하여 1차 코일을 이동 또는 회전시킬 수 있고, 특히 수신 장치(200)가 전송장치(100)의 활동 영역 내에 존재하지 않는 경우에 사용될 수 있다.
위치 결정부는 전송 장치(100)의 1차 코일과 수신 장치(200)의 수신 코일의 중심간 거리가 일정 범위 이내가 되도록 1차 코일을 이동시키거나 1차 코일과 수신 코일의 중심이 중첩되도록 1차 코일을 이동시키는 구동부를 포함하도록 구성될 수 있다. 이를 위해 전송 장치(100)는 수신 장치(200)의 위치를 감지하기 위한 센서나 감지부를 더 구비할 수 있고, 전송 장치의 제어부(130)는 감지부의 센서로부터 수신하는 수신 장치(200)에 대한 위치 정보를 기초로 위치 결정부를 제어할 수 있다.
또는, 전송 장치의 제어부(130)는 통신부(120)를 통하여 수신 장치(200)와의 배열 또는 거리에 대한 제어 정보를 수신하고 이를 기초로 위치 결정부를 제어할 수도 있다.
또한, 전송 장치(100)는 둘 이상 복수의 1차 코일을 포함하도록 형성되어 복수의 1차 코일 중에서 수신 장치(200)의 수신 코일과 적합하게 배열되는 일부의 코일을 선택적으로 이용하여 전송 효율을 높일 수 있는데, 이 경우 위치 결정부는 복수의 1차 코일 중에서 어느 것이 전력 전달을 위하여 사용될 것인지 결정할 수 있다.
활동 영역을 통과하는 자기장을 형성시키는 단일 1차 코일 또는 하나 이상의 1차 코일들의 조합을 주요 셀(primary cell)로 지칭할 수 있는데, 전송 장치의 제어부(130)는, 수신 장치(200)의 위치를 감지하고 이를 기초로 활동 영역을 결정하고, 활동 영역에 대응되는 주요 셀을 구성하는 전송 모듈을 연결하고 해당 전송 모듈의 1차 코일과 수신 장치(200)의 수신 코일이 유도 결합될 수 있도록 제어할 수 있다.
한편, 수신 장치(200)는 스마트 폰 또는 멀티미디어 재생 단말을 포함하는 스마트 폰이나 스마트 기기와 같은 전자 기기 내에 내장되고, 전자 기기가 전송 장치(100)의 인터페이스 표면 위에 수직이나 수평 방향으로 일정하지 않은 방향이나 위치로 놓이게 되므로, 전송 장치는 넓은 활동 영역을 필요로 한다.
활동 영역을 넓히기 위하여 복수 개의 전송 코일을 사용할 경우, 전송 코일 개수만큼 구동 회로가 필요하고 복수 개의 전송 코일에 대한 제어가 복잡해지므로, 제품화할 때 전송 장치 즉 무선 충전기의 비용 증가가 발생한다. 또한, 활동 영역을 확대하기 위하여 전송 코일의 위치를 바꾸는 방식을 적용하는 경우에도 전송 코일의 위치를 옮기기 위한 이송 메커니즘을 구비해야 하므로, 부피와 무게가 커지고 제작 비용이 많아지는 문제가 있다.
위치가 고정된 하나의 1차 코일을 가지고도 활동 영역을 확장하는 방법이 있다면 효과적이지만, 단순하게 1차 코일의 크기를 키운다면 1차 코일의 단위 면적당 자속 밀도가 떨어지고 송수신 코일 사이에 자기 결합력이 약해져 기대하는 만큼 활동 영역이 증가하지도 않고 전송 효율도 떨어지게 된다.
이와 같이, 활동 영역의 확대와 전송 효율의 향상을 위하여 1차 코일의 적절한 형상과 크기를 결정하는 것이 중요하다. 둘 이상의 1차 코일을 채용하는 다중 코일 방식이 무선 전력 전송 장치의 활동 영역을 확대하는 방법으로 효과적이다.
도 5a와 도 5b는 전송 거리 개선을 위한 다중 코일 및 전송할 전력 양에 따라 다중 코일을 다르게 구동하는 예를 도시한 것이다.
무선 전력 전송 장치의 전력 전송 능력과 전송 거리의 개선을 위해서 다중 코일을 사용하는 무선 충전기에 대한 개발이 진행되고 있고, 그 중에서도 도 5a와 도 5b와 같이 저전력 전송 및 기본 통신 동작을 위한 센터 코일과 중전력 이상의 전력 전송을 위한 분할 코일로 구성된 다중 코일이 개발되고 있다.
도 5a에 도시한 것과 같이, 중앙에 동그라미 형상으로 센터 코일이 배치되고, 센터 코일보다 더 큰 직경의 원주를 n개, 예를 들어 3개로 분할하여 부채꼴 형상으로 센터 코일과 중첩되는 3개의 분할 코일이 배치되어 다중 코일을 형성할 수 있다.
도 5a와 도 5b에서 빗금친 코일이 동작 중인 코일이고(Activated), 빗금이 없는 코일이 동작하고 있지 않은 코일이다(Not activated).
도 5a는 저전력을 전송하기 위해 센터 코일만 구동하고 있는 상황이고, 도 5b는 중전력 이상의 전력을 전송하기 위해 센터 코일과 분할 코일을 모두 구동하고 있는 상황으로, 도 5b와 다르게 분할 코일 중 일부만을 센터 코일과 함께 구동할 수도 있다.
도 5 구조의 다중 코일을 사용할 때 전력을 무선으로 전송할 수 있는 전력 수신 장치까지의 거리를 늘릴 수 있다.
도 6a와 도 6b는 각각 도 5a와 도 5b에 따라 다중 코일을 구동할 때 자기장의 분포를 도시한 것이다.
단순히 분할 코일로만 무선 전력 전송 또는 무선 충전을 수행하면, 도 6a에 도시한 것과 같이, B 필드, 즉 자기장이 중앙에서 큰 값으로 분포하지 못한다. 하지만, 분할 코일과 함께 센터 코일도 같이 구동하면, 도 6b에 도시한 것과 같이, 자기장이 중앙에서도 높은 값으로 분포하게 된다. 따라서, 도 5와 같은 다중 코일 구조가 중전력 이상의 전력 전송에 유리하다.
도 7은 종래 다중 코일을 구동하는 구동 회로를 도시한 것이다.
도 7의 구동 회로는, 예를 들어 3개의 코일(L1, L2, L3)로 구성되는 다중 코일을 구동하는 3개의 인버터를 포함한다. 도 7에서, L1과 C1으로 구성되는 제1 공진 회로는 ISW1 내지 ISW4로 구성되는 풀 브리지 인버터가 구동하고, L2와 C2로 구성되는 제2 공진 회로는 ISW1, ISW2, ISW5 및 ISW6으로 구성되는 풀 브리지 인버터가 구동하고, L3과 C3으로 구성되는 제3 공진 회로는 ISW1, ISW2, ISW7및 ISW8로 구성되는 풀 브리지 인버터가 구동한다.
도 7과 같이 다중 코일을 단순히 코일 개수에 대응하는 개수의 인버터를 사용하여 구동할 때, 다중 코일 전부를 사용하여 전력을 전송하는 경우에는 문제가 없지만, 다중 코일의 일부 또는 하나만 사용하여 전력을 전송하는 경우에는 문제가 발생할 수 있다.
앞서 언급한 것과 같이, 다수의 인버터로 다중 코일을 구동하는 경우, 구동을 원하는 코일의 인버터만 동작시키더라도 코일들 사이 커플링에 의해서 구동을 원치 않는 코일에도 인버터 스위치의 기생 다이오드를 타고 전류가 흐를 수가 있다. 구동을 원하지 않는 코일에 전류가 흐르면 구동하려는 코일의 동작 특성이 바뀌어 전력 전송 효율이 감소할 뿐만 아니라 전력 수신 장치를 검출하는 성능도 떨어지게 된다.
도 5의 구조의 다중 코일을 도 7의 구동 회로로 구동하여 전력 수신 장치를 검출할 때, 무선 전력 전송 장치와 전력 수신 장치 사이 거리가 중간 거리인 25mm일 때 15W로 전력을 수신하려 하는 수신 장치(Rx)를 감지하지 못하는 문제가 발생하였다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 다중 코일을 구성하는 각 코일에 코일 스위치를 추가하여 구동을 원치 않는 코일에는 전류가 흐르지 않도록 할 수 있다. 코일 스위치가 오프일 때 전류의 흐름을 막아 주어서 코일들 사이 커플링에 의해서 전압이 유도되더라도 전류가 흐르지 않게 한다. 또한, 코일 스위치를 온 시켜 주면 전류가 양방향으로 전류가 흐를 수 있게 된다. 즉, 다중 코일을 구성하는 각 코일에 마련된 코일 스위치를 제어함으로써 다중 코일을 독립적으로 제어할 수 있다.
도 8은 인버터를 공유하고 인버터에 연결되는 코일마다 스위치가 연결되는 다중 코일을 구동하는 구동 회로의 일 실시예를 도시한 것이다.
도 8는 코일과 커패시터로 구성된 공진 회로가 n개인 다중 코일을 구동하는 구동 회로로, ISW1 내지 ISW4로 구성되는 하나의 풀 브리지 인버터와 각 공진 회로를 인버터에 연결하는 n개의 스위치(SW1 ~ SWn)로 구성될 수 있다.
예를 들어 제1 공진 회로는 제1 코일(L1)과 제1 커패시터(C1)로 구성되고, 제1 스위치(SW1)를 통해 인버터에 연결될 수 있다.
스위치를 제어하여 구동을 원하지 않는 공진 회로를 인버터로부터 분리하여 해당 공진 회로에 포함된 코일에 전류가 흐르지 않도록 할 수 있다. 즉, 스위치를 오프 시키면, 스위치에 포함된 다이오드가 전류의 흐름을 막아 주어 코일들 사이에 커플링에 의해 전압이 유도되더라도 전류를 흐르지 않게 된다.
도 9는 스위치가 연결되는 코일마다 인버터를 배치하는 다중 코일을 구동하는 구동 회로의 일 실시예를 도시한 것으로, 도 9와 같이 공진 회로마다 인버터와 스위치를 마련하는 멀티 인버터 멀티 스위치 형태로도 구성할 수 있다.
도 10은 코일에 연결되는 스위치를 구동하는 회로를 도시한 것이다.
공진 회로와 인버터를 연결하는 스위치(예를 들어 제1 스위치 SW1)는, 도 10과 같이 2개의 트랜지스터(T1, T2)와 2개의 다이오드(D1, D2)로 구성될 수 있고, 이를 구동하는 스위치 구동 회로는 2개의 저항(R1, R2), 커패시터(C), 다이오드(D3), 온오프 스위치(S1) 및 전압원(Vgd)으로 구성될 수 있다.
스위치(SW1)에서, 두 트랜지스터(T1, T2)의 소스 전극끼리 또한 게이트 전극끼리 서로 묶어 결선하여 스위치 구동 회로에 연결하고, 두 드레인 전극은 각각 인버터와 공진 회로에 연결될 수 있고, 두 다이오드(D1, D2)는 캐소드 전극이 각각 두 트랜지스터(T1, T2)의 드레인 전극에 연결될 수 있다.
온오프 스위치(S1)를 온 시키면, 소정의 전압이 스위치(SW1)에 인가되어, 트랜지스터(T1, T2)와 다이오드(D1, D2)를 통해 공진 회로와 인버터 사이에 양방향으로 전류가 흐를 수 있게 된다. 반면, 온오프 스위치(S1)가 오프일 때 제1 스위치(SW1)에 포함된 다이오드(D1, D2)가 공진 회로와 인버터 사이의 전류의 흐름을 막아 준다.
온오프 스위치의 제어는 전송 장치의 제어부(130)가 수행할 수 있다.
따라서, 온오프 스위치를 통해 공진 회로와 인버터를 연결하는 스위치를 제어함으로써 다중 코일을 독립적으로 제어할 수 있게 된다.
도 11a와 도 11b는 각각 도 7과 도 8 구동 회로에 대해 코일 인덕턴스 변화에 따른 코일 전압의 변화를 도시한 것이다.
코일 3개로 구성되는 다중 코일 시스템에서 도 7의 구동 회로를 이용하여 코일 하나만 구동하는 경우, 0.5ms에 예를 들어 외부 물질을 전송 장치와 수신 장치 사이에 개입시켜 코일의 인덕턴스가 5% 감소할 때, 구동하는 코일과 커패시터 사이의 전압이 도 11a와 같이 변하여, 코일의 인덕턴스가 바뀌기 전의 전압과 비교하여 전압 변화율이 13.5%가 된다.
하지만, 코일 3개로 구성되는 다중 코일 시스템에서 도 7의 구동 회로를 이용하여 도 8 구동 회로를 이용하여 코일 하나만 구동하는 경우, 0.5ms에 예를 들어 외부 물질을 전송 장치와 수신 장치 사이에 개입시켜 코일의 인덕턴스가 5% 감소할 때, 구동하는 코일과 커패시터 사이의 전압이 도 11b와 같이 변하여, 코일의 인덕턴스가 바뀌기 전의 전압과 비교하여 전압 변화율이 51.9%가 된다.
즉, 도 8의 구동 회로가 도 7의 구동 회로보다 인덕턴스 변화 특성이 코일과 커패시터 사이의 전압에 더 잘 나타나는 것을 알 수 있고, 이에 따라 수신부나 금속 이물질 등의 외부 요인에 대해 더 예민하게 반응할 수 있음을 알 수 있다.
도 12는 다중 코일의 전력 전송 장치에서 수신 장치를 검출하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
도 12 동작 흐름도는 n개의 코일로 구성되는 다중 코일 시스템에서 1부터 N까지 N개의 코일 조합을 구동하여, 오브젝트, 예를 들어 이물질이나 수신 장치(Rx)를 검출하는 방법을 설명한다. 도 12의 동작은 전송 장치의 제어부(130)가 수행할 수 있다.
먼저, n에 1을 대입하여(n<-1) 제1 코일 조합, 예를 들어 도 5a의 다중 코일에서 센터 코일을 선택하고, 인버터를 구동하면서 센터 코일을 인버터에 연결하는 스위치를 온 시킨다. 인버터 구동 동작과 제n 코일 조합을 인버터에 연결하는 스위치를 온 시키는 동작의 순서는 서로 바뀔 수 있다.
예를 들어 제1 코일 조합은 도 5의 다중 코일에서 센터 코일을 구동하는 경우이고, 제2 코일 조합은 도 5의 다중 코일에서 센터 코일과 3개의 분할 코일을 모두 구동하는 경우이고, 제3 코일 조합은 도 5의 다중 코일에서 3개의 분할 코일만 구동하는 경우이고, 제4 코일 조합은 도 5의 다중 코일에서 센터 코일과 3개의 분할 코일 중에서 일부만 구동하는 경우로 할 수 있다. 분할 코일의 개수와 센터 코일과 분할 코일의 여러 조합에 의해 코일 조합 개수를 변경할 수 있다.
인버터로 제n 코일 조합을 구동시키면서 제n 코일 조합을 구성하는 하나 이상 또는 모든 공진 회로에 인가되는 전압을 측정하는데, 공진 회로를 구성하는 코일과 커패시터 사이 전압을 측정할 수도 있다.
이후, 제n 코일 조합의 전압 기준 값과 제n 코일 조합에 대해 측정한 전압의 차이를 에러로 계산하고, 제n 코일 조합을 구성하는 각 공진 회로와 인버터를 연결하는 스위치를 오프 시킨다.
자성체와 금속에 대한 코일의 특성 변화가 다르게 나타나기 때문에, 에러 값의 부호와 크기를 통해서 오브젝트의 종류를 판단할 수 있는데, 예를 들어 에러 값이 음수면서 소정의 기준 값 이상이면 금속 물질로, 에러 값이 양수이면서 소정의 기준 값 이상이면 수신 장치로 판단할 수 있다.
도 5 구조의 다중 코일을 도 8의 구동 회로로 구동하여 오브젝트를 검출하였는데, 15W의 전력을 수신할 수 있는 수신 장치(15W Rx)와 60W의 전력을 수신할 수 있는 수신 장치(60W Rx)에 대해 검출한 전압이 약 3배 이상 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 실험 결과를 근거로, 계산한 에러 값이 제1 기준 값(Vth1)보다 크면 오브젝트를 60W 수신 장치(60W Rx)로 판단하고, 계산한 에러 값이 제1 기준 값(Vth1)보다 작으면서 제2 기준 값(Vth2)보다 크면, 오브젝트를 15W 수신 장치(15W Rx)로 판단할 수 있다. 즉, 수신 장치의 전력 수신 능력을 판별할 수 있다.
에러 값이 제2 기준 값(Vth2)보다 작으면, n이 제N 코일 조합(마지막 코일 조합)에 해당하는지 확인하고, 마지막 코일 조합이 아니면, n을 1 증가시켜 제(n+1) 코일 조합에 대해 인버터에 연결하여 구동하여 전압을 측정하고 에러 값을 계산하고 이를 기준 값과 비교하여 오브젝트를 판별하는 동작을 반복한다.
제N 코일 조합까지 반복하여 코일에 인가되는 전압을 측정할 때까지 모든 코일 조합에서 측정한 전압이 제2 기준 값보다 작으면, 수신 장치가 없다고 판단할 수 있다.
마지막 코일 조합에 이르기 전에 오브젝트의 종류가 판별되는 경우, 도 12와 같이 다른 코일 조합에 대해 오브젝트 검출 동작을 멈출 수도 있다. 또는, 마지막 코일 조합에 이르기 전에 오브젝트의 종류가 판별되더라도 모든 코일 조합에 대해 도 12의 판별 동작을 끝까지 진행할 수도 있다.
한편, 오브젝트 검출에 이용하는 제n 코일 조합의 전압 대신 해당 조합에 관련되는 다른 특성을 사용할 수 있는데, 예를 들어 제n 코일 조합 때 사용되는 코일 전류, 공진 회로의 전압이나 전류, 감쇄 특성 등을 해당 조합에 관한 특성으로 사용할 수 있다.
인버터와 공진 회로로 구성되는 전송 장치의 전력 변환부(110)는 인버터에 연결된 공진 회로의 특성, 즉 공진 회로의 전압, 전류, 감쇄 특성 등을 측정하기 위한 센싱부를 더 포함할 수 있다. 센싱부는 공진 회로마다 마련되거나 또는 인버터와 공진 회로가 연결된 전단 또는 후단에 마련될 수도 있다.
도 8의 구동 회로로 다중 코일 시스템을 구동하면 코일들 사이 상호 간섭이 최소화되기 때문에, 구동하는 코일과 수신 장치의 결합만 확인할 수 있고, 이에 따라 수신 장치와 유도 결합 특성이 좋은 코일 조합을 더 정확하게 선택할 수 있게 된다.
오브젝트가 수신 장치로 판단되고 수신 장치의 전력 수신 능력이 판별되면, 수신 장치와 유도 결합 특성이 좋은 코일 조합을 선택하여 수신 장치의 전력 수신 능력에 맞추어 전력을 전송할 수 있다.
도 13은 도 5의 다중 코일을 구비하는 충전기의 분해 사시도를 도시한 것이다.
도 13의 충전기(300)는, 유도 전력을 제공하는 무선 전력 송신 장치를 포함하고, 상면에 충전 대상인 수신 장치를 포함하는 전자 기기가 놓이고 동작 영역을 갖는 안착 면이 형성될 수 있고, 안착 면에 전자 기기가 놓이면 충전기가 이를 감지하여 무선 충전을 시작할 수 있다.
충전기(300)는 전면 케이스(311)와 후면 케이스(312) 사이에 도 5와 같이 센터 코일과 복수 개의 분할 코일로 구성되는 다중 전송 코일(320)이 장착될 수 있고, 다중 전송 코일(320)의 아래에 차폐부(330)가 형성될 수 있다. 즉, 차폐부(330)는, 충전기(300)의 후면 케이스(312)와 다중 전송 코일(320)의 사이에 형성될 수 있고, 다중 전송 코일(320)의 외곽을 기준으로 적어도 일부가 초과하도록 형성될 수 있다.
차폐부(330)는, 다중 전송 코일(320)의 동작에 의해 회로 기판(미도시)에 장착된 마이크로 프로세서, 메모리 등의 소자가 전자기적인 영향을 받거나 회로 기판에 장착된 소자들의 동작에 의해 다중 전송 코일(320)이 전자기적인 영향을 받는 것을 방지할 수 있는데, 도금이 필요 없는 스테인레스나 티타늄 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 다중 전송 코일(320)과 회로 기판(미도시) 사이에 페라이트 시트(미도시)가 마련되어, 다중 전송 코일(320)이나 회로 기판에서 발생하는 와전류(Eddy current) 등의 전자파 장애가 다른 부품에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다.
충전기(300)는, 다중 전송 코일을 포함하는 전력 변환부, 통신부, 제어부, 전원부 등이 하나의 몸체에 구비되는 구조로 형성되거나 또는 다중 전송 코일(320)과 차폐부(330)가 장착되는 제1 몸체 및 제1 몸체와 연결되어 다중 전송 코일(320)의 동작을 제어하기 위한 변환부, 통신부, 제어부, 전원부 등을 포함하는 제2 몸체로 분리되어 구성될 수 있다.
또한, 충전기(300)의 몸체에는 디스플레이나 스피커와 같은 출력부, 사용자 입력부, 전원을 공급하기 위한 소켓이나 외부 기기가 결합되는 인터페이스 등이 배치될 수 있다. 디스플레이는 전면 케이스(311)의 상면에 형성될 수 있고, 사용자 입력부와 소켓 등은 몸체 측면에 배치될 수 있다.
이와 같이, 충전 거리를 개선할 수 있는 도 5와 같은 다중 코일 시스템을 구동할 때, 코일들과 인버터 사이를 스위치로 연결을 제어하여 코일들 사이 커플링에 의해 전압이 유도되더라도 동작 코일의 구동 특성이 바뀌는 문제가 발생하지 않게 된다.
또한, 도 12와 같은 알고리즘으로 다중 코일 시스템을 구동하여 오브젝트를 검출함으로써, 오브젝트 검출 성능이 향상되고, 오브젝트의 종류를 더 정확하게 판별할 수 있게 되고, 오브젝트와 유도 결합 특성이 좋은 코일 조합을 정확하게 선택할 수 있게 된다.
이 명세서에 기재된 무선 전력 전송 장치 및 방법은 아래와 같이 설명될 수 있다.
일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터; 수신 장치의 2차 코일과의 자기 유도 결합에 의해 전력을 전송하기 위한 1차 코일을 포함하는 복수 개의 공진 회로; 복수 개의 공진 회로 각각과 인버터의 연결을 제어하기 위한 복수 개의 스위치; 복수 개의 스위치를 제어하기 위한 복수 개의 스위치 제어 회로; 및 복수 개의 스위치 제어 회로를 통해 복수 개의 스위치를 제어하여 인버터에 연결할 공진 회로 조합을 선택하고, 인버터의 동작을 제어하여 선택된 공진 회로 조합으로 수신 장치로의 전력 전송을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 스위치는 2개의 트랜지스터와 2개의 다이오드로 구성될 수 있다. 2개의 트랜지스터에서, 소스 전극끼리 서로 연결되고 게이트 전극끼리 서로 연결되어 소스 전극과 게이트 전극이 스위치 제어 회로에 연결되고, 2개의 드레인 전극이 인버터에 연결될 수 있다. 2개의 다이오드의 캐소드 전극이 2개의 드레인 전극에 각각 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 인버터는 풀 브리지 인버터이고, 복수 개의 공진 회로가 복수 개의 스위치를 통해 하나의 인버터에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 인버터는 풀 브리지 인버터이고, 복수 개의 공진 회로가 각각 복수 개의 스위치를 통해 복수 개의 인버터 중 하나에 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 복수 개의 공진 회로는, 원 형상으로 중앙에 배치되는 센터 코일 및 센터 코일보다 더 큰 직경의 원주를 n(n은 2 이상 자연수)개로 분할하여 부채꼴 형상으로 센터 코일과 중첩하도록 배치되는 n개의 분할 코일을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부는 복수 개의 스위치를 제어하여 공진 회로 조합을 바꾸고, 인버터를 제어하여 선택된 공진 회로 조합을 구동하여 오브젝트에 대한 선택된 공진 회로 조합의 공진 회로 특성을 검출하고, 이를 기준 값과 비교하여 오브젝트를 검출할 수 있다.
다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 방법은, 복수 개의 코일 각각에 연결된 복수 개의 스위치를 제어하여 인버터에 연결되는 코일 조합을 선택하는 제1 단계; 인버터를 제어하여 선택된 코일 조합을 구동하면서 오브젝트에 대한 선택된 코일 조합의 구동 특성 값을 검출하는 제2 단계; 검출된 구동 특성 값을 기준 값과 비교하는 제3 단계; 및 비교 결과를 근거로 오브젝트의 존재 여부와 오브젝트의 종류 중 하나 이상을 판별하는 제4 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 복수 개의 스위치를 제어하여 인버터에 연결되는 코일 조합을 바꾸면서 제1 단계 내지 제4 단계를 반복할 수 있다.
일 실시예에서, 제4 단계는 판별되는 오브젝트와 유도 결합 특성이 상대적으로 좋은 코일 조합을 판별할 수 있다.
일 실시예에서, 제3 단계는, 선택된 코일 조합에 대한 기준 값에서 구동 특성 값을 빼서 에러 값을 구하는 단계; 및 오차 값을 제1 기준 값 및 제1 기준 값보다 작은 제2 기준 값과 비교하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 제4 단계는, 모든 코일 조합에 대해 에러 값이 제2 기준 값보다 작을 때 코일과 자기 유도 결합에 의해 전력을 수신하기 위한 오브젝트가 없다고 판단할 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 무선 전력 전송 장치 110: 전력 변환부
120: 통신부 130: 제어부
140: 전원부 200: 무선 전력 수신 장치
210: 전력 수신부 220: 통신부
230: 제어부 250: 충전부
300: 충전기 311: 전면 케이스
312: 후면 케이스 320: 다중 전송 코일
330: 차폐부

Claims (11)

  1. 직류 전원을 교류로 변환하기 위한 인버터;
    수신 장치의 2차 코일과의 자기 유도 결합에 의해 전력을 전송하기 위한 1차 코일을 포함하는 복수 개의 공진 회로;
    상기 복수 개의 공진 회로 각각과 상기 인버터의 연결을 제어하기 위한 복수 개의 스위치;
    상기 복수 개의 스위치를 제어하기 위한 복수 개의 스위치 제어 회로; 및
    상기 복수 개의 스위치 제어 회로를 통해 상기 복수 개의 스위치를 제어하여 상기 인버터에 연결할 공진 회로 조합을 선택하고, 상기 인버터의 동작을 제어하여 상기 선택된 공진 회로 조합으로 상기 수신 장치로의 전력 전송을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되는 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 스위치는 2개의 트랜지스터와 2개의 다이오드로 구성되고,
    상기 2개의트랜지스터에서, 소스 전극끼리 서로 연결되고 게이트 전극끼리 서로 연결되어 상기 소스 전극과 게이트 전극이 상기 스위치 제어 회로에 연결되고, 2개의 드레인 전극이 상기 인버터에 연결되고,
    상기 2개의 다이오드의 캐소드 전극이 상기 2개의 드레인 전극에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 인버터는 풀 브리지 인버터이고, 상기 복수 개의 공진 회로가 상기 복수 개의 스위치를 통해 하나의 인버터에 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 인버터는 풀 브리지 인버터이고, 상기 복수 개의 공진 회로가 각각 상기 복수 개의 스위치를 통해 복수 개의 인버터 중 하나에 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 공진 회로는, 원 형상으로 중앙에 배치되는 센터 코일 및 상기 센터 코일보다 더 큰 직경의 원주를 n(n은 2 이상 자연수)개로 분할하여 부채꼴 형상으로 상기 센터 코일과 중첩하도록 배치되는 n개의 분할 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 복수 개의 스위치를 제어하여 상기 공진 회로 조합을 바꾸고, 상기 인버터를 제어하여 선택된 공진 회로 조합을 구동하여 오브젝트에 대한 상기 선택된 공진 회로 조합의 공진 회로 특성을 검출하고, 이를 기준 값과 비교하여 상기 오브젝트를 검출하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  7. 복수 개의 코일 각각에 연결된 복수 개의 스위치를 제어하여 인버터에 연결되는 코일 조합을 선택하는 제1 단계;
    상기 인버터를 제어하여 상기 선택된 코일 조합을 구동하면서 오브젝트에 대한 상기 선택된 코일 조합의 구동 특성 값을 검출하는 제2 단계;
    상기 검출된 구동 특성 값을 기준 값과 비교하는 제3 단계; 및
    상기 비교 결과를 근거로 상기 오브젝트의 존재 여부와 상기 오브젝트의 종류 중 하나 이상을 판별하는 제4 단계를 포함하여 이루어지는 무선 전력 전송 방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 복수 개의 스위치를 제어하여 상기 인버터에 연결되는 코일 조합을 바꾸면서 상기 제1 단계 내지 제4 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제4 단계는 상기 판별되는 오브젝트와 유도 결합 특성이 상대적으로 좋은 코일 조합을 판별하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 제3 단계는, 상기 선택된 코일 조합에 대한 기준 값에서 상기 구동 특성 값을 빼서 에러 값을 구하는 단계; 및 상기 오차 값을 제1 기준 값 및 상기 제1 기준 값보다 작은 제2 기준 값과 비교하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제4 단계는, 모든 코일 조합에 대해 상기 에러 값이 상기 제2 기준 값보다 작을 때 상기 코일과 자기 유도 결합에 의해 전력을 수신하기 위한 오브젝트가 없다고 판단하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
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