KR20210131882A

KR20210131882A - Apparatus and method for wireless power transfer

Info

Publication number: KR20210131882A
Application number: KR1020210043191A
Authority: KR
Inventors: 조인귀; 문정익; 박우천; 김상원; 김성민; 김장열; 윤재훈; 이재우; 이현준; 장동원
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2020-04-24
Filing date: 2021-04-02
Publication date: 2021-11-03

Abstract

A wireless power transfer device and a method thereof are disclosed. The wireless power transfer device comprises: a power supply unit for supplying power; a transmission variable transformer for changing a voltage of power supplied by the power supply unit and outputting it; a transmitting coil for transmitting wireless power by forming a magnetic field according to output power of the transmission variable transformer; a receiving coil for receiving wireless power from the transmitting coil; and a rectifying circuit for rectifying the wireless power received from the receiving coil and supplying it to a load.

Description

Apparatus and method for wireless power transfer {APPARATUS AND METHOD FOR WIRELESS POWER TRANSFER}

본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선으로 전력을 공급하는데 있어 최대 전송 거리와 최대 효율을 얻을 수 있도록 하는 무선 전력 전송 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless power transmission technology, and more particularly, to a wireless power transmission technology capable of obtaining a maximum transmission distance and maximum efficiency in wirelessly supplying power.

무선 전력 전송 기술은 전선을 사용하지 않고 전력을 전송하는 기술을 의미할 수 있다. 이와 같이 무선으로 전력을 전송하는 방식으로는 전자기파, 자기 유도, 자기 공진, 전기 공진 등 다양한 방식이 있을 수 있다.The wireless power transmission technology may refer to a technology for transmitting power without using a wire. As a method of wirelessly transmitting power as described above, there may be various methods such as electromagnetic waves, magnetic induction, magnetic resonance, and electric resonance.

여기서, 자기 유도 방식은 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치 간의 자기장의 결합을 이용하여 전력을 전송할 수 있다. 그리고, 자기 공진 방식은 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치 간의 자기장의 결합에 따른 공진을 이용하여 전력을 전송할 수 있다. 다음으로, 전기 공진 방식은 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 수신 장치 간의 전기장의 결합에 따른 공진을 이용하여 전력을 전송할 수 있다.Here, the magnetic induction method may transmit power using a combination of a magnetic field between the wireless power transmitter and the wireless power receiver. And, in the magnetic resonance method, power may be transmitted using resonance according to a combination of a magnetic field between the wireless power transmitter and the wireless power receiver. Next, in the electrical resonance method, power may be transmitted using resonance according to the combination of an electric field between the wireless power transmitter and the wireless power receiver.

이러한 자기 유도 또는 자기 공진을 이용한 무선 전력 전송 장치는 신호 발생기인 인버터에 바로 송신 코일이 연결될 수 있고, 수신 코일에 정류 회로가 바로 연결될 수 있다. 이처럼 무선 전력 전송 장치는 최대 효율을 얻기 위해 최소의 회로로 구성될 수 있으며, 추가적으로 인덕터와 커패시터를 이용한 정합 회로를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 무선 전력 전송 장치에서 결합 계수는 전송 거리에 반비례할 수 있다. 그 결과, 무선 전력 전송 장치가 공진기의 직경 대비 2배 이상의 전송 거리를 확보하고자 하는 경우에, 결합 계수가 매우 낮아 질 수 있다. 그리고, 누설 전력이 급격히 증가할 수 있어 무선 전력 전송 장치가 최대 전송 거리, 최대 효율을 확보하는데 어려움이 있을 수 있다.In a wireless power transmission device using such magnetic induction or magnetic resonance, a transmitting coil may be directly connected to an inverter that is a signal generator, and a rectifying circuit may be directly connected to a receiving coil. As such, the wireless power transmitter may be configured with a minimum circuit to obtain maximum efficiency, and may further include a matching circuit using an inductor and a capacitor. In such a wireless power transmitter, the coupling coefficient may be inversely proportional to the transmission distance. As a result, when the wireless power transmitter attempts to secure a transmission distance that is twice or more times the diameter of the resonator, the coupling coefficient may be very low. In addition, since leakage power may rapidly increase, it may be difficult for the wireless power transmitter to secure the maximum transmission distance and maximum efficiency.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 정확한 정합과 누설되는 전력을 최소화하여 최대 전송 거리와 최대 효율을 얻을 수 있도록 하는 무선 전력 전송 장치 및 방법을 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide an apparatus and method for transmitting wireless power that can achieve a maximum transmission distance and maximum efficiency by accurately matching and minimizing leakage power.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는, 전원을 공급하는 전원 공급부; 상기 전원 공급부가 공급하는 전원의 전압을 변화시켜 출력하는 송신 가변 변압기; 상기 송신 가변 변압기의 출력 전원에 따른 자기장을 형성하여 무선 전력을 송신하는 송신 코일; 상기 송신 코일에서 무선 전력을 수신하는 수신 코일; 및 상기 수신 코일에서 수신한 무선 전력을 정류하여 부하에 공급하는 정류 회로를 포함할 수 있다. A wireless power transmission apparatus according to a first embodiment of the present invention for achieving the above object, the power supply for supplying power; a transmission variable transformer for changing the voltage of the power supplied by the power supply and outputting it; a transmitting coil for transmitting wireless power by forming a magnetic field according to the output power of the transmitting variable transformer; a receiving coil for receiving wireless power from the transmitting coil; and a rectifying circuit for rectifying the wireless power received from the receiving coil and supplying it to a load.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 가변 변압기를 사용하여 누설 전력을 방지할 수 있고, 임피던스 정합을 제공할 수 있어 최대 전력 전송이 가능하도록 할 수 있다.According to the present invention as described above, it is possible to prevent leakage power by using a variable transformer, and to provide impedance matching, thereby enabling maximum power transmission.

또한, 본 발명에 의하면, 인버터의 임피던스, 동축 케이블의 임피던스 및 송신 코일을 구성하는 안테나의 임피던스를 거의 동일하게 하여 최대 전력 전달이 가능하도록 할 수 있다.In addition, according to the present invention, the impedance of the inverter, the impedance of the coaxial cable, and the impedance of the antenna constituting the transmission coil can be made almost the same to enable maximum power transmission.

또한, 본 발명에 의하면, 모노폴 스파이럴 안테나 코일 또는 다이폴 스파이럴 안테나 코일을 사용하는 무선 전력 송신 장치가 안테나 코일의 임피던스를 인버터나 동축 케이블의 고유 임피던스만큼 낮아지도록 하여 최대 전력 전달에 방해를 최소화할 수 있다. In addition, according to the present invention, the wireless power transmission device using the monopole spiral antenna coil or the dipole spiral antenna coil makes the impedance of the antenna coil as low as the intrinsic impedance of the inverter or the coaxial cable to minimize interference with the maximum power transmission. .

또한, 본 발명에 의하면, 전송거리 확장을 통하여 다양한 사물 무선 충전 및 중장거리 무선 전력 전송이 가능하도록 할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to enable wireless charging of various things and wireless power transmission over medium and long distances by extending the transmission distance.

또한, 본 발명에 의하면, 가변 변압기를 사용하여 부하가 너무 작아 코일에 전류가 너무 많이 흘러 열이 과도하게 발생하거나 효율이 심각하게 저하되는 것을 방지할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to prevent excessive heat generation or serious deterioration in efficiency due to excessive current flowing in the coil because the load is too small by using the variable transformer.

도 1은 통신 시스템의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.
도 2는 통신 시스템을 구성하는 통신 노드의 제1 실시예를 도시한 블록도이다.
도 3은 무선 전력 전송에 사용되는 등가회로의 제1 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 4는 무선 전력 전송에 사용되는 등가회로의 제2 실시예를 나타내는 회로도이다.
도 5는 무선 전력 전송 장치의 제1 실시예를 도시한 회로도이다.
도 6은 무선 전력 전송 장치의 제2 실시예를 도시한 회로도이다.
도 7은 무선 전력 전송 장치의 제3 실시예를 도시한 회로도이다.
도 8은 무선 전력 송신 방법의 제1 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 9는 무선 전력 수신 방법의 제1 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 10은 송신 코일과 수신 코일의 제1 실시예를 나타내는 구성도이다.
도 11은 송신 코일과 수신 코일의 제2 실시예를 나타내는 구성도이다.
도 12는 송신 코일과 수신 코일의 제3 실시예를 나타내는 구성도이다.
도 13은 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 가변 변압기가 없는 무선 전력 전송 장치의 스미스 챠트(smith chart)이다.
도 14는 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 가변 변압기가 없는 무선 전력 전송 장치의 인버터와 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 나타내는 사진이다.
도 15는 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 2:1 권수비의 가변 변압기를 1개 포함한 무선 전력 전송 장치의 스미스 챠트이다.
도 16은 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 2:1 권수비의 가변 변압기를 1개 포함한 무선 전력 전송 장치의 인버터와 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 나타내는 사진이다.
도 17은 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 2:1 권수비의 가변 변압기를 2개 포함한 무선 전력 전송 장치의 스미스 챠트이다.
도 18은 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 2:1 권수비의 가변 변압기를 2개 포함한 무선 전력 전송 장치의 인버터와 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 나타내는 사진이다.
도 19는 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 4:1 권수비의 가변 변압기를 1개 포함한 무선 전력 전송 장치의 스미스 챠트이다.
도 20은 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 4:1 권수비의 가변 변압기를 1개 포함한 무선 전력 전송 장치의 인버터와 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 나타내는 사진이다.
도 21은 무선 전력 전송 장치의 제4 실시예를 도시한 회로도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a first embodiment of a communication system.
2 is a block diagram showing a first embodiment of a communication node constituting a communication system.
3 is a circuit diagram illustrating a first embodiment of an equivalent circuit used for wireless power transmission.
4 is a circuit diagram illustrating a second embodiment of an equivalent circuit used for wireless power transmission.
5 is a circuit diagram illustrating a first embodiment of a wireless power transmitter.
6 is a circuit diagram illustrating a second embodiment of a wireless power transmitter.
7 is a circuit diagram illustrating a third embodiment of a wireless power transmitter.
8 is a flowchart illustrating a first embodiment of a method for transmitting power wirelessly.
9 is a flowchart illustrating a first embodiment of a method for wireless power reception.
10 is a configuration diagram illustrating a first embodiment of a transmitting coil and a receiving coil.
11 is a configuration diagram illustrating a second embodiment of a transmitting coil and a receiving coil.
12 is a block diagram showing a third embodiment of a transmitting coil and a receiving coil.
13 is a Smith chart of a wireless power transmitter including a transmitting coil and a receiving coil of a dipole spiral antenna coil and without a variable transformer.
14 is a photograph showing measurement results of an inverter and a spectrum analyzer of a wireless power transmitter including a transmitting coil and a receiving coil of a dipole spiral antenna coil and without a variable transformer.
15 is a Smith chart of a wireless power transmitter including a transmitting coil and a receiving coil of a dipole spiral antenna coil and one variable transformer with a 2:1 turns ratio.
16 is a photograph showing measurement results of an inverter and a spectrum analyzer of a wireless power transmission device including a transmitting coil and a receiving coil of a dipole spiral antenna coil and including one variable transformer with a 2:1 turns ratio.
17 is a Smith chart of a wireless power transmission device including a transmitting coil and a receiving coil of a dipole spiral antenna coil and two variable transformers having a 2:1 turns ratio.
18 is a photograph showing the measurement results of the inverter and the spectrum analyzer of the wireless power transmission device including the transmitting coil and the receiving coil of the dipole spiral antenna coil and including two variable transformers of 2:1 turns ratio.
19 is a Smith chart of a wireless power transmitter including a transmitting coil and a receiving coil of a dipole spiral antenna coil, and one variable transformer with a 4:1 turns ratio.
20 is a photograph showing measurement results of an inverter and a spectrum analyzer of a wireless power transmission device including a transmitting coil and a receiving coil of a dipole spiral antenna coil and including one variable transformer with a 4:1 turns ratio.
21 is a circuit diagram illustrating a fourth embodiment of a wireless power transmitter.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component. and/or includes a combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being “connected” or “connected” to another component, it is understood that the other component may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in between. it should be On the other hand, when it is mentioned that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, in order to facilitate the overall understanding, the same reference numerals are used for the same components in the drawings, and duplicate descriptions of the same components are omitted.

도 1은 통신 시스템의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.1 is a conceptual diagram illustrating a first embodiment of a communication system.

도 1을 참조하면, 통신 시스템(100)은 복수의 통신 노드들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)을 포함할 수 있다. 여기서, 통신 시스템은 "통신 네트워크"로 지칭될 수 있다. 복수의 통신 노드들 각각은 적어도 하나의 통신 프로토콜을 지원할 수 있다. 예를 들어, 복수의 통신 노드들 각각은 CDMA(code division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, WCDMA(wideband CDMA) 기반의 통신 프로토콜, TDMA(time division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, FDMA(frequency division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 기반의 통신 프로토콜, OFDMA(orthogonal frequency division multiple access) 기반의 통신 프로토콜, SC(single carrier)-FDMA 기반의 통신 프로토콜, NOMA(non-orthogonal multiple access) 기반의 통신 프로토콜, SDMA(space division multiple access) 기반의 통신 프로토콜 등을 지원할 수 있다. 복수의 통신 노드들 각각은 다음과 같은 구조를 가질 수 있다.1, the communication system 100 is a plurality of communication nodes (110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6). Here, the communication system may be referred to as a “communication network”. Each of the plurality of communication nodes may support at least one communication protocol. For example, each of the plurality of communication nodes may include a code division multiple access (CDMA)-based communication protocol, a wideband CDMA (WCDMA)-based communication protocol, a time division multiple access (TDMA)-based communication protocol, and a frequency division multiple (FDMA)-based communication protocol. access) based communication protocol, OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) based communication protocol, OFDMA (orthogonal frequency division multiple access) based communication protocol, SC (single carrier)-FDMA based communication protocol, NOMA (non-orthogonal multiple) access)-based communication protocol, space division multiple access (SDMA)-based communication protocol, and the like may be supported. Each of the plurality of communication nodes may have the following structure.

도 2는 통신 시스템을 구성하는 통신 노드의 제1 실시예를 도시한 블록도이다.2 is a block diagram showing a first embodiment of a communication node constituting a communication system.

도 2를 참조하면, 통신 노드(200)는 적어도 하나의 프로세서(210), 메모리(220) 및 네트워크와 연결되어 통신을 수행하는 송수신 장치(230)를 포함할 수 있다. 또한, 통신 노드(200)는 입력 인터페이스 장치(240), 출력 인터페이스 장치(250), 저장 장치(260) 등을 더 포함할 수 있다. 통신 노드(200)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(270)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다. 다만, 통신 노드(200)에 포함된 각각의 구성요소들은 공통 버스(270)가 아니라, 프로세서(210)를 중심으로 개별 인터페이스 또는 개별 버스를 통하여 연결될 수도 있다. 예를 들어, 프로세서(210)는 메모리(220), 송수신 장치(230), 입력 인터페이스 장치(240), 출력 인터페이스 장치(250) 및 저장 장치(260) 중에서 적어도 하나와 전용 인터페이스를 통하여 연결될 수도 있다.Referring to FIG. 2 , the communication node 200 may include at least one processor 210 , a memory 220 , and a transceiver 230 connected to a network to perform communication. In addition, the communication node 200 may further include an input interface device 240 , an output interface device 250 , a storage device 260 , and the like. Each component included in the communication node 200 may be connected by a bus 270 to communicate with each other. However, each of the components included in the communication node 200 may not be connected to the common bus 270 but to the processor 210 through an individual interface or an individual bus. For example, the processor 210 may be connected to at least one of the memory 220 , the transceiver 230 , the input interface device 240 , the output interface device 250 , and the storage device 260 through a dedicated interface. .

프로세서(210)는 메모리(220) 및 저장 장치(260) 중에서 적어도 하나에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(210)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU), 또는 본 발명의 실시예들에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(220) 및 저장 장치(260) 각각은 휘발성 저장 매체 및 비휘발성 저장 매체 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(220)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM) 중에서 적어도 하나로 구성될 수 있다.The processor 210 may execute a program command stored in at least one of the memory 220 and the storage device 260 . The processor 210 may mean a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), or a dedicated processor on which methods according to embodiments of the present invention are performed. Each of the memory 220 and the storage device 260 may be configured as at least one of a volatile storage medium and a non-volatile storage medium. For example, the memory 220 may be configured as at least one of a read only memory (ROM) and a random access memory (RAM).

다시 도 1을 참조하면, 통신 시스템(100)은 복수의 기지국들(base stations)(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2), 복수의 UE들(user equipment)(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)을 포함할 수 있다. 제1 기지국(110-1), 제2 기지국(110-2) 및 제3 기지국(110-3) 각각은 매크로 셀(macro cell)을 형성할 수 있다. 제4 기지국(120-1) 및 제5 기지국(120-2) 각각은 스몰 셀(small cell)을 형성할 수 있다. 제1 기지국(110-1)의 커버리지(coverage) 내에 제4 기지국(120-1), 제3 UE(130-3) 및 제4 UE(130-4)가 속할 수 있다. 제2 기지국(110-2)의 커버리지 내에 제2 UE(130-2), 제4 UE(130-4) 및 제5 UE(130-5)가 속할 수 있다. 제3 기지국(110-3)의 커버리지 내에 제5 기지국(120-2), 제4 UE(130-4), 제5 UE(130-5) 및 제6 UE(130-6)가 속할 수 있다. 제4 기지국(120-1)의 커버리지 내에 제1 UE(130-1)가 속할 수 있다. 제5 기지국(120-2)의 커버리지 내에 제6 UE(130-6)가 속할 수 있다.Referring back to FIG. 1 , the communication system 100 includes a plurality of base stations 110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, and a plurality of user equipment (UEs). ) (130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6). Each of the first base station 110-1, the second base station 110-2, and the third base station 110-3 may form a macro cell. Each of the fourth base station 120-1 and the fifth base station 120-2 may form a small cell. The fourth base station 120-1, the third UE 130-3, and the fourth UE 130-4 may belong to the coverage of the first base station 110-1. The second UE 130 - 2 , the fourth UE 130 - 4 and the fifth UE 130 - 5 may belong to the coverage of the second base station 110 - 2 . The fifth base station 120-2, the fourth UE 130-4, the fifth UE 130-5, and the sixth UE 130-6 may belong to the coverage of the third base station 110-3. . The first UE 130 - 1 may belong to the coverage of the fourth base station 120 - 1 . A sixth UE 130 - 6 may belong within the coverage of the fifth base station 120 - 2 .

여기서, 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 노드B(NodeB), 고도화 노드B(evolved NodeB), BTS(base transceiver station), 무선 기지국(radio base station), 무선 트랜시버(radio transceiver), 액세스 포인트(access point), 액세스 노드(node), 노변 장치(road side unit; RSU), DU(digital unit), CDU(cloud digital unit), RRH(radio remote head), RU(radio unit), TP(transmission point), TRP(transmission and reception point), 중계 노드(relay node) 등으로 지칭될 수 있다. 복수의 UE들(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 터미널(terminal), 액세스 터미널(access terminal), 모바일 터미널(mobile terminal), 스테이션(station), 가입자 스테이션(subscriber station), 모바일 스테이션(mobile station), 휴대 가입자 스테이션(portable subscriber station), 노드(node), 다바이스(device) 등으로 지칭될 수 있다.Here, each of the plurality of base stations 110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2 is a NodeB (NodeB), an advanced NodeB (evolved NodeB), a base transceiver station (BTS), A radio base station, a radio transceiver, an access point, an access node, a road side unit (RSU), a digital unit (DU), a cloud digital unit (CDU) , a radio remote head (RRH), a radio unit (RU), a transmission point (TP), a transmission and reception point (TRP), a relay node, and the like. A plurality of UEs (130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) each is a terminal (terminal), an access terminal (access terminal), a mobile terminal (mobile terminal), It may be referred to as a station, a subscriber station, a mobile station, a portable subscriber station, a node, a device, and the like.

복수의 통신 노드들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 셀룰러(cellular) 통신(예를 들어, 3GPP(3rd generation partnership project) 표준에서 규정된 LTE(long term evolution), LTE-A(advanced) 등)을 지원할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 서로 다른 주파수 대역에서 동작할 수 있고, 또는 동일한 주파수 대역에서 동작할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 아이디얼 백홀(ideal backhaul) 또는 논(non)-아이디얼 백홀을 통해 서로 연결될 수 있고, 아이디얼 백홀 또는 논-아이디얼 백홀을 통해 서로 정보를 교환할 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 아이디얼 백홀 또는 논-아이디얼 백홀을 통해 코어(core) 네트워크(미도시)와 연결될 수 있다. 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 코어 네트워크로부터 수신한 신호를 해당 UE(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)에 전송할 수 있고, 해당 UE(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6)로부터 수신한 신호를 코어 네트워크에 전송할 수 있다.A plurality of communication nodes (110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2, 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) Each may support cellular (cellular) communication (eg, long term evolution (LTE), LTE-A (advanced), etc. defined in the 3rd generation partnership project (3GPP) standard). Each of the plurality of base stations 110-1, 110-2, 110-3, 120-1, and 120-2 may operate in different frequency bands or may operate in the same frequency band. Each of the plurality of base stations 110-1, 110-2, 110-3, 120-1, and 120-2 may be connected to each other through an ideal backhaul or a non-ideal backhaul, and the ideal backhaul Alternatively, information may be exchanged with each other through a non-ideal backhaul. Each of the plurality of base stations 110-1, 110-2, 110-3, 120-1, and 120-2 may be connected to a core network (not shown) through an ideal backhaul or a non-ideal backhaul. Each of the plurality of base stations 110-1, 110-2, 110-3, 120-1, and 120-2 transmits a signal received from the core network to the corresponding UE 130-1, 130-2, 130-3, 130 -4, 130-5, 130-6), and the corresponding UE (130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) receives a signal from the core network can be sent to

복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 OFDMA 기반의 다운링크(downlink) 전송을 지원할 수 있고, SC-FDMA 기반의 업링크(uplink) 전송을 지원할 수 있다. 또한, 복수의 기지국들(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) 각각은 MIMO(multiple input multiple output) 전송(예를 들어, SU(single user)-MIMO, MU(multi user)-MIMO, 대규모(massive) MIMO 등), CoMP(coordinated multipoint) 전송, 캐리어 애그리게이션(carrier aggregation) 전송, 비면허 대역(unlicensed band)에서 전송, 단말 간 직접(device to device, D2D) 통신(또는, ProSe(proximity services) 등을 지원할 수 있다. 여기서, 복수의 UE들(130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6) 각각은 기지국(110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2)과 대응하는 동작, 기지국(110-1, 110-2,110-3, 120-1, 120-2)에 의해 지원되는 동작을 수행할 수 있다.Each of the plurality of base stations 110-1, 110-2, 110-3, 120-1, and 120-2 may support OFDMA-based downlink transmission, and SC-FDMA-based uplink (uplink) transmission. ) can support transmission. In addition, each of the plurality of base stations 110-1, 110-2, 110-3, 120-1, and 120-2 transmits multiple input multiple output (MIMO) (eg, single user (SU)-MIMO, MU (multi user)-MIMO, massive MIMO, etc.), coordinated multipoint (CoMP) transmission, carrier aggregation transmission, transmission in an unlicensed band, device to device, D2D ) communication (or Proximity services (ProSe), etc.), etc. Here, each of the plurality of UEs 130-1, 130-2, 130-3, 130-4, 130-5, 130-6 is a base station. Operation corresponding to (110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2), supported by the base station (110-1, 110-2, 110-3, 120-1, 120-2) action can be performed.

한편, 무선 전력 전송 기술에서 자기 유도 방식은 결합 계수가 거의 0.6 이상에 해당하여 공진기의 직경과 대비할 때에 매우 짧은 거리에 무전 전력을 전송할 수 있다. 이러한 자기 유도 방식의 무선 전력 전송 장치는 등가 회로를 이용하여 해석될 수 있다. 그리고, 자기 유도 방식의 무전 전력 전송 장치에서 공진 코일의 코일 전달 특성은 회로망 분석기(Network analyzer)를 이용하여 분석될 수 있다. 이때, 회로망 분석기를 이용하여 분석한 결과와 실제 효율은 큰 차이가 없을 수 있다. 하지만, 자기 공명 방식을 이용한 무선 전력 전송 기술은 결합 계수가 0.1 수준 또는 그 이하로 매우 작아서 회로망 분석기를 가지고 분석한 때에 회로망 분석기가 산출하는 결과와 실제 효율은 상이할 수 있다. On the other hand, in the wireless power transmission technology, the magnetic induction method has a coupling coefficient of almost 0.6 or more, so that when compared with the diameter of the resonator, wireless power can be transmitted over a very short distance. This magnetic induction type wireless power transmitter may be interpreted using an equivalent circuit. In addition, in the magnetic induction type radio power transmission device, the coil transfer characteristic of the resonant coil may be analyzed using a network analyzer. In this case, there may be no significant difference between the results analyzed using the network analyzer and the actual efficiency. However, the wireless power transmission technology using the magnetic resonance method has a very small coupling coefficient of 0.1 level or less, so that the actual efficiency may be different from the result calculated by the network analyzer when analyzed with the network analyzer.

도 3은 무선 전력 전송에 사용되는 등가회로의 제1 실시예를 나타내는 회로도이다.3 is a circuit diagram illustrating a first embodiment of an equivalent circuit used for wireless power transmission.

도 3을 참조하면, 무선 전력 전송에 사용되는 등가회로의 회로도에서 무선 전력 송신 장치는 전원(E), 전원(E)에 직렬 연결된 제1 저항(R₁), 제1 저항에 직렬 연결된 제1 커패시터(C₁) 및 제1 커패시터에 직렬 연결된 1차측 코일(L₁)을 포함할 수 있다. 그리고, 무선 전력 수신 장치는 2차측 코일(L₂), 2차측 코일에 직렬로 연결된 제2 커패시터(C₂), 제2 커패시터에 직렬 연결된 제2 저항(R₂) 및 제2 저항(323)에 직렬 연결된 부하(R_l)를 포함할 수 있다. 여기서, 1차측 코일(L₁)와 2차측 코일(L₂)은 공진기 또는 공진 코일을 형성할 수 있다. 무선 전력 송신 장치에 형성된 제1 전류 I₁의 방향은 무선 전력 수신 장치에 유도된 제2 전류 I₂와 방향이 반대일 수 있다. 그리고, 무선 전력 송신 장치는 접지가 형성되어 있어 불평형 회로인데 반해, 무선 전력 수신 장치는 접지가 형성되어 있지 않아 평형 회로임을 알 수 있다. 여기서, 1차측 코일과 2차측 코일은 결합 계수 M을 가지고 있을 수 있다. 이때, 상호 인덕턴스, 즉 결합 계수 M이 큰 경우는 인버터(즉, 전원)에 생성된 RF(radio frequency) 신호가 부하로 잘 전달되는데 반해 결합 계수가 작은 경우, 즉 먼 거리를 전송하는 경우에는 효율이 급격하게 떨어질 수 있다. 특히 1차측 코일의 구조가 모노폴 안테나 코일인 경우에 인버터와 1차측 코일을 연결하는 동축선 케이블의 외피로 누설 전력이 증가할 수 있어 무선 전력 전송 장치의 효율이 급격히 떨어질 수 있다.Referring to FIG. 3 , in a circuit diagram of an equivalent circuit used for wireless power transmission, the wireless power transmitter includes a power source (E), a first resistor (R ₁ ) connected in series to the power source (E), and a first resistor connected in series to the first resistor (R 1 ). A capacitor C ₁ and a primary-side coil L ₁ connected in series to the first capacitor may be included. And, the wireless power receiver is a secondary coil (L ₂ _{), a second capacitor (C 2} ) connected in series to the secondary coil, _{a second resistor (R 2} ) and a second resistor (323) connected in series to the second capacitor It may include a load (R _{l ) connected in series to .} Here, the primary side coil (L ₁ ) and the secondary side coil (L ₂ ) may form a resonator or a resonant coil. _{The direction of the first current I 1} formed in the wireless power transmitter may be opposite to that of the second current I _{2 induced in the wireless power receiver.} In addition, it can be seen that the wireless power transmitter is an unbalanced circuit because the ground is formed, whereas the wireless power receiver is a balanced circuit because the ground is not formed. Here, the primary side coil and the secondary side coil may have a coupling coefficient M. At this time, when the mutual inductance, that is, the coupling coefficient M is large, the RF (radio frequency) signal generated by the inverter (ie, the power supply) is transmitted well to the load, whereas when the coupling coefficient is small, that is, when the coupling coefficient is long, the efficiency is This can drop sharply. In particular, when the structure of the primary coil is a monopole antenna coil, leakage power may increase due to the outer sheath of the coaxial cable connecting the inverter and the primary coil, and thus the efficiency of the wireless power transmitter may be sharply reduced.

한편, 회로망 분석기를 사용하여 무선 전력 전송 장치의 효율을 측정하게 되면, 무선 전력 수신 장치에 접지가 형성되어 무선 전력 수신 장치가 불평형 회로를 구성하게 될 수 있다.Meanwhile, when the efficiency of the wireless power transmitter is measured using a network analyzer, a ground is formed in the wireless power receiver, and the wireless power receiver may constitute an unbalanced circuit.

도 4는 무선 전력 전송에 사용되는 등가회로의 제2 실시예를 나타내는 회로도이다.4 is a circuit diagram illustrating a second embodiment of an equivalent circuit used for wireless power transmission.

도 4를 참조하면, 무선 전력 전송에 사용되는 등가회로의 회로도에서 무선 전력 송신 장치는 전원(E), 전원에 직렬 연결된 제1 저항(R₁), 제1 저항에 직렬 연결된 제1 커패시터(C₁) 및 제1 커패시터에 직렬 연결된 1차측 코일(L₁)을 포함할 수 있다. 그리고, 무선 전력 수신 장치는 2차측 코일(L₂), 2차측 코일에 직렬로 연결된 제2 커패시터(C₂), 제2 커패시터에 직렬 연결된 제2 저항(R₂) 및 제2 저항에 직렬 연결된 부하(R_l)를 포함할 수 있다. 여기서, 1차측 코일(L₁)와 2차측 코일(L₂)은 공진기 또는 공진 코일을 형성할 수 있다. 무선 전력 송신 장치에 형성된 제1 전류 I₁의 방향은 무선 전력 수신 장치에 유도된 제2 전류 I₂와 방향이 반대일 수 있다. 그리고, 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치는 접지가 형성되어 있어 불평형 회로일 수 있다. 여기서, 1차측 코일과 2차측 코일은 결합 계수 M을 가질 수 있다. 이와 같은 무선 전력 전송에 사용되는 등가회로는 회로망 분석기를 이용하여 1차측 코일과 2차측 코일의 성능을 평가하는 경우에 사용되는 등가회로일 수 있다. 회로망 분석기는 포트 1(Port 1)과 포트 2(Port 2)가 내부적으로 양쪽이 모두 접지되어 있어 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치가 불평형 회로를 형성할 수 있다. 이처럼 회로망 분석기를 사용하여 무선 전력 전송 장치의 1차측 코일과 2차측 코일의 성능을 평가하게 되면, 실제 접지가 무선 전력 수신 장치에 발생하여 불평형 회로를 형성할 수 있다. 이에 따라, 회로망 분석기를 사용하여 1차측 코일과 2차측 코일의 성능을 평가하게 되면 회로망 분석기를 통하여 평가된 성능이 실제 회로의 효율과 상이할 수 있다.Referring to FIG. 4 , in a circuit diagram of an equivalent circuit used for wireless power transmission, the wireless power transmitter includes a power source (E), a first resistor (R ₁ ) connected in series to the power source, and a first capacitor (C) connected in series to the first resistor. ₁ ) and a primary side coil (L ₁ ) connected in series to the first capacitor. And, the wireless power receiver is a secondary coil (L ₂ _{), a second capacitor (C 2} ) connected in series to the secondary coil, _{a second resistor (R 2} ) connected in series to the second capacitor, and a second resistor in series It may include a load (R _{l ).} Here, the primary side coil (L ₁ ) and the secondary side coil (L ₂ ) may form a resonator or a resonant coil. _{The direction of the first current I 1} formed in the wireless power transmitter may be opposite to that of the second current I _{2 induced in the wireless power receiver.} In addition, the wireless power transmitter and the wireless power receiver are grounded and may be an unbalanced circuit. Here, the primary side coil and the secondary side coil may have a coupling coefficient M. The equivalent circuit used for such wireless power transmission may be an equivalent circuit used when evaluating the performance of the primary side coil and the secondary side coil using a network analyzer. In the network analyzer, both ports 1 (Port 1) and 2 (Port 2) are internally grounded, so that the wireless power transmitter and the wireless power receiver can form an unbalanced circuit. As such, when the performance of the primary coil and the secondary coil of the wireless power transmitter is evaluated using the network analyzer, actual grounding may occur in the wireless power receiver to form an unbalanced circuit. Accordingly, when the performance of the primary coil and the secondary coil is evaluated using the network analyzer, the performance evaluated through the network analyzer may be different from the actual circuit efficiency.

한편, 일반적인 무선 전력 전송 장치는 동축 케이블을 이용하여 인버터 출력을 송신 코일에 전달할 수 있다. 여기서, 인버터와 동축 케이블의 연결 구조는 동축 케이블이 접지된 불평형 회로일 수 있다. 동축 케이블에서 전파 신호는 심선을 통해 이동할 수 있고, 접지는 쉴드선인 외선을 통해 제공될 수 있다. 일반적으로 평형 케이블(두 가닥의 사다리 모양인 신호선)은 교류의 +와 -가 시간에 따라 교번하며 두 가닥의 선에 각각 신호가 번갈아 전달될 수 있다. 하지만, 동축 케이블은 중앙의 심선에서 신호가 방향을 바꾸는 형상으로 파형이 전달되어 평형 케이블과 상이한 특징을 가질 수 있다. 이에 따라, 동축 케이블은 외선에 전류(신호)가 흐르면 손실로 나타나는데 특히 안테나 구조가 모노폴 구조인 루프 안테나인 경우에 접지면으로 되돌아오는 현상인 누설 전력이 최대 무선 전력 전송에 큰 영향을 주게 될 수 있다. 이에 따라, 일반적인 무선 전력 전송 시스템의 구조에서 오는 정합 문제와 접지 효과로 인한 누설 전력으로 인해 발생하는 최대 전송의 어려움을 해결할 필요가 있을 수 있다.On the other hand, a general wireless power transmission device may transmit the inverter output to the transmission coil using a coaxial cable. Here, the connection structure between the inverter and the coaxial cable may be an unbalanced circuit in which the coaxial cable is grounded. In a coaxial cable, a radio signal may travel through a core wire, and a ground may be provided through an external wire that is a shield wire. In general, in a balanced cable (two-stranded ladder-shaped signal line), the + and - of AC alternate with time, and signals can be alternately transmitted to each of the two wires. However, the coaxial cable may have different characteristics from the balanced cable because the waveform is transmitted in a shape in which the signal changes direction in the central wire. Accordingly, the coaxial cable appears as a loss when a current (signal) flows through the external wire. In particular, in the case of a loop antenna with a monopole structure, leakage power, which is a phenomenon that returns to the ground plane, may have a significant effect on maximum wireless power transmission. have. Accordingly, it may be necessary to solve the difficulty of maximum transmission caused by the matching problem in the structure of a general wireless power transmission system and leakage power due to the grounding effect.

도 5는 무선 전력 전송 장치의 제1 실시예를 도시한 회로도이다.5 is a circuit diagram illustrating a first embodiment of a wireless power transmitter.

도 5를 참조하면, 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 송신 장치(510)와 무선 전력 수신 장치(520)로 구성될 수 있다. 이러한 무선 전력 송신 장치(510)는 도 1의 기지국에 설치될 수 있고, 무선 전력 수신 장치(520)는 도 1의 UE에 설치될 수 있다. 여기서, 무선 전력 송신 장치(510)는 전원 공급부(511), 전원 공급부(511)에 접지를 제공하는 접지부(512), 전원 공급부(511)에 직렬 연결된 송신 가변 변압기(513) 및 송신 가변 변압기(513)에 직렬 연결된 송신 코일(514)을 포함할 수 있다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(520)는 수신 코일(521), 수신 코일(521)에 직렬 연결된 수신 가변 변압기(522), 수신 가변 변압기(522)에 연결된 정류 회로(523) 및 정류 회로(523)에 연결된 부하(R_L)(524)를 포함할 수 있다. 여기서, 송신 코일(514)과 수신 코일(521)의 결합 계수는 k일 수 있고, k는 양의 실수일 수 있다. 그리고, 송신 코일(514)과 수신 코일(521)은 공진기 또는 공진 코일을 형성할 수 있다. 또한, 무선 전력 수신 장치에 수신 가변 변압기가 수신 코일과 정류 회로 사이에 구비되어 있으나, 반드시 필요한 구성 요소를 아닐 수 있다.Referring to FIG. 5 , the wireless power transmitter may include a wireless power transmitter 510 and a wireless power receiver 520 . The wireless power transmitter 510 may be installed in the base station of FIG. 1 , and the wireless power receiver 520 may be installed in the UE of FIG. 1 . Here, the wireless power transmission device 510 includes a power supply unit 511 , a ground unit 512 providing a ground to the power supply unit 511 , a transmission variable transformer 513 connected in series to the power supply unit 511 , and a transmission variable transformer A transmit coil 514 connected in series to 513 may be included. In addition, the wireless power receiver 520 includes a receiving coil 521 , a receiving variable transformer 522 connected in series to the receiving coil 521 , a rectifying circuit 523 connected to the receiving variable transformer 522 , and a rectifying circuit 523 . It may include a load (R _L ) 524 connected to. Here, the coupling coefficient between the transmitting coil 514 and the receiving coil 521 may be k, and k may be a positive real number. In addition, the transmitting coil 514 and the receiving coil 521 may form a resonator or a resonant coil. In addition, although the receiving variable transformer is provided between the receiving coil and the rectifying circuit in the wireless power receiving device, it may not be a necessary component.

이와 같은 구성에서, 전원 공급부(511)는 교류 전원을 송신 가변 변압기(513)에 공급할 수 있다. 그리고, 접지부(512)는 전원 공급부(511)의 일단에 연결되어 전원 공급부(511)에 접지를 제공할 수 있다. 그리고, 송신 가변 변압기(513)는 전원 공급부(511)의 양단에 연결되어 권수비(turn ratio)에 따라 전원 공급부(511)의 전원에 대하여 변화된 전압을 가지는 전원을 송신 코일(514)에 공급할 수 있다. 송신 코일(514)은 송신 가변 변압기(513)에서 공급되는 전원에 따라 자기장을 형성하여 무선 전력을 전송할 수 있다. In this configuration, the power supply unit 511 may supply AC power to the transmission variable transformer 513 . In addition, the ground unit 512 may be connected to one end of the power supply unit 511 to provide a ground to the power supply unit 511 . In addition, the transmission variable transformer 513 is connected to both ends of the power supply unit 511 to supply power having a voltage changed with respect to the power of the power supply unit 511 according to a turn ratio to the transmission coil 514. . The transmitting coil 514 may transmit power wirelessly by forming a magnetic field according to power supplied from the transmitting variable transformer 513 .

한편, 무선 전력 수신 장치(520)의 수신 코일(521)은 송신 코일(514)과 자기장 커플링을 통하여 송신 코일(514)에서 자기장을 통하여 전송하는 무선 전력을 수신할 수 있다. 그리고, 수신 가변 변압기(522)는 수신 코일(522)의 양단에 연결되어 권수비에 따라 수신 코일(521)의 전원에 대하여 변화된 전압의 전원을 정류 회로(523)에 공급할 수 있다. 정류 회로(523)는 수신 가변 변압기(522)의 전원을 정류하여 직류를 형성하여 부하(524)에 공급할 수 있다. 부하(524)는 정류 회로(523)에서 정류된 직류를 이용하여 충전 등을 수행할 수 있다. 부하(524)는 일 예로 충전기 등일 수 있다.Meanwhile, the receiving coil 521 of the wireless power receiving apparatus 520 may receive wireless power transmitted from the transmitting coil 514 through a magnetic field through magnetic field coupling with the transmitting coil 514 . In addition, the receiving variable transformer 522 may be connected to both ends of the receiving coil 522 to supply power of a voltage changed with respect to the power of the receiving coil 521 according to the turns ratio to the rectifier circuit 523 . The rectifying circuit 523 may rectify the power of the receiving variable transformer 522 to form direct current and supply it to the load 524 . The load 524 may perform charging or the like using the DC rectified by the rectifier circuit 523 . The load 524 may be, for example, a charger.

도 6은 무선 전력 전송 장치의 제2 실시예를 도시한 회로도이다.6 is a circuit diagram illustrating a second embodiment of a wireless power transmitter.

도 6을 참조하면, 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 송신 장치(610)와 무선 전력 수신 장치(620)로 구성될 수 있다. 여기서, 무선 전력 송신 장치(610)는 전원 공급부(611), 전원 공급부(611)에 접지를 제공하는 접지부(612), 전원 공급부(611)에 직렬 연결된 송신 가변 변압기(613) 및 송신 가변 변압기(613)에 직렬 연결된 송신 코일(614)을 포함할 수 있다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(620)는 수신 코일(621), 수신 코일(621)에 직렬 연결된 수신 가변 변압기(622), 수신 가변 변압기(622)에 연결된 정류 회로(623) 및 정류 회로(623)에 연결된 부하(R_L)(624)를 포함할 수 있다. 여기서, 송신 코일(614)과 수신 코일(621)의 결합 계수는 k일 수 있고, k는 양의 실수일 수 있다. 송신 코일(614)과 수신 코일(621)은 공진기 또는 공진 코일을 형성할 수 있다. 또한, 무선 전력 수신 장치에 수신 가변 변압기가 수신 코일과 정류 회로 사이에 구비되어 있으나, 반드시 필요한 구성 요소를 아닐 수 있다.Referring to FIG. 6 , the wireless power transmitter may include a wireless power transmitter 610 and a wireless power receiver 620 . Here, the wireless power transmission device 610 includes a power supply unit 611, a ground unit 612 providing a ground to the power supply unit 611, a transmission variable transformer 613 connected in series to the power supply unit 611, and a transmission variable transformer and a transmit coil 614 connected in series to 613 . In addition, the wireless power receiver 620 includes a receiving coil 621 , a receiving variable transformer 622 connected in series to the receiving coil 621 , a rectifying circuit 623 connected to the receiving variable transformer 622 , and a rectifying circuit 623 ) It may include a load (R _L ) 624 connected to. Here, the coupling coefficient between the transmitting coil 614 and the receiving coil 621 may be k, and k may be a positive real number. The transmitting coil 614 and the receiving coil 621 may form a resonator or a resonant coil. In addition, although the receiving variable transformer is provided between the receiving coil and the rectifying circuit in the wireless power receiving device, it may not be a necessary component.

여기서, 송신 가변 변압기(613)는 송신 일차 코일(613-1), 송신 이차 코일(613-2), 송신 이차 코일(613-2)에 서로 다른 권수비를 갖도록 서로 다른 위치에서 분기되는 복수의 송신 가변 탭(TT1~TTn), 송신 가변 탭(TT1~TTn)들과 송신 코일(614)의 접속 상태를 변경하여 송신 이차 코일(613-2)의 권수비를 변경하기 위한 송신 스위칭 소자(Ts)를 포함할 수 있다. 송신 스위치 소자(Ts)가 송신 가변 탭 TT1에서 TTn으로 송신 코일(514)과의 접속 상태를 변경시키면 입력 임피던스는 증가하게 될 수 있다. Here, the transmission variable transformer 613 is a transmission primary coil 613-1, a transmission secondary coil 613-2, and a plurality of transmissions branched at different positions to have different turns ratios to the secondary transmission coil 613-2. Transmission switching element (Ts) for changing the connection state of the variable taps (TT1 to TTn), the transmitting variable taps (TT1 to TTn) and the transmitting coil 614 to change the turns ratio of the transmitting secondary coil 613-2 may include When the transmission switch element Ts changes the connection state with the transmission coil 514 from the transmission variable tap TT1 to TTn, the input impedance may increase.

그리고, 수신 가변 변압기(622)는 수신 일차 코일(622-1), 수신 이차 코일(622-2), 수신 일차 코일(622-1)에 서로 다른 권수비를 갖도록 서로 다른 위치에서 분기되는 복수의 수신 가변 탭(RT1~RTn), 수신 가변 탭(RT1~RTn)들과 수신 코일(621)의 접속 상태를 변경하여 수신 일차 코일(622-1)의 권수비를 변경하기 위한 수신 스위칭 소자(Rs)를 포함할 수 있다. 수신 스위치 소자(Rs)가 수신 가변 탭 RT1에서 RTn으로 수신 코일(621)과의 접속 상태를 변경시키면 입력 임피던스는 감소하게 될 수 있다. In addition, the receiving variable transformer 622 is a receiving primary coil 622-1, a receiving secondary coil 622-2, and a plurality of receiving branches branched at different positions to have different turns ratios to the receiving primary coil 622-1. Receiving switching element (Rs) for changing the connection state of the variable taps (RT1 to RTn), the receiving variable taps (RT1 to RTn) and the receiving coil 621 to change the turns ratio of the receiving primary coil 622-1 may include When the reception switch element Rs changes the connection state with the reception coil 621 from the reception variable tap RT1 to RTn, the input impedance may be decreased.

이와 같은 구성에서, 전원 공급부(611)는 교류 전원을 송신 가변 변압기(613)에 공급할 수 있다. 그리고, 접지부(612)는 전원 공급부(611)의 일단에 연결되어 전원 공급부(611)에 접지를 제공할 수 있다. 그리고, 송신 가변 변압기(613)의 송신 일차 코일(613-1)은 전원 공급부(611)의 양단에 연결되어 있다. 이에 따라, 송신 일차 코일(613-1)은 권수비에 따라 송신 이차 코일(613-2)에 전원 공급부(611)의 전원에 대하여 증가된 전압을 유도할 수 있다. 이처럼 송신 가변 변압기(613)는 송신 일차 코일(613-1)과 송신 이차 코일(613-2)의 권수비에 따라 증가된 전압의 전원을 송신 이차 코일(613-2)에 유도하여 송신 코일(614)에 공급할 수 있다. 송신 코일(614)은 송신 가변 변압기(613)의 송신 이차 코일(613-2)에서 공급되는 전원에 따라 자기장을 형성하여 무선 전력을 전송할 수 있다. In this configuration, the power supply unit 611 may supply AC power to the transmission variable transformer 613 . In addition, the ground unit 612 may be connected to one end of the power supply unit 611 to provide a ground to the power supply unit 611 . In addition, the transmission primary coil 613 - 1 of the transmission variable transformer 613 is connected to both ends of the power supply unit 611 . Accordingly, the transmitting primary coil 613 - 1 may induce an increased voltage with respect to the power of the power supply unit 611 to the transmitting secondary coil 613 - 2 according to the turns ratio. As such, the transmitting variable transformer 613 induces the power of the voltage increased according to the turns ratio of the transmitting primary coil 613-1 and the transmitting secondary coil 613-2 to the transmitting secondary coil 613-2 to induce the transmitting coil 614. ) can be supplied. The transmitting coil 614 may transmit power wirelessly by forming a magnetic field according to power supplied from the transmitting secondary coil 613 - 2 of the transmitting variable transformer 613 .

한편, 무선 전력 수신 장치(620)의 수신 코일(621)은 송신 코일(614)과 자기장 커플링을 통하여 송신 코일(614)에서 자기장을 통하여 전송하는 무선 전력을 수신할 수 있다. 그리고, 수신 가변 변압기(622)의 수신 일차 코일(622-1)은 수신 코일(622)의 양단에 연결되어 있으며, 이에 따라 수신 코일(622)이 수신한 무선 전력을 공급받을 수 있다. 그리고, 수신 가변 변압기(622)의 수신 일차 코일(622-1)은 수신 이차 코일(622-2)에 권수비에 따라 수신 코일(621)의 전원에 대하여 감소된 전압의 전원을 수신 이차 코일(622-2)에 유도할 수 있다. 정류 회로(623)는 수신 가변 변압기(622)의 수신 이차 코일(622-2)에 유도된 전원을 정류하여 직류를 형성하여 부하(624)에 공급할 수 있다. 부하(624)는 정류 회로(623)에서 정류된 직류를 이용하여 충전 등을 수행할 수 있다. 부하(624)는 일 예로 충전기 등일 수 있다.Meanwhile, the receiving coil 621 of the wireless power receiving device 620 may receive wireless power transmitted from the transmitting coil 614 through a magnetic field through magnetic field coupling with the transmitting coil 614 . In addition, the receiving primary coil 622-1 of the receiving variable transformer 622 is connected to both ends of the receiving coil 622, so that the receiving coil 622 may receive the received wireless power. In addition, the receiving primary coil 622-1 of the receiving variable transformer 622 receives power of a reduced voltage with respect to the power of the receiving coil 621 according to the turns ratio to the receiving secondary coil 622-2. -2) can be induced. The rectifying circuit 623 may rectify the power induced in the receiving secondary coil 622 - 2 of the receiving variable transformer 622 to form direct current and supply it to the load 624 . The load 624 may perform charging or the like using the DC rectified by the rectifier circuit 623 . The load 624 may be, for example, a charger.

도 7은 무선 전력 전송 장치의 제3 실시예를 도시한 회로도이다.7 is a circuit diagram illustrating a third embodiment of a wireless power transmitter.

도 7을 참조하면, 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 송신 장치(710)와 무선 전력 수신 장치(720)로 구성될 수 있다. 여기서, 무선 전력 송신 장치(710)는 전원 공급부(711), 전원 공급부(711)에 접지를 제공하는 접지부(712), 전원 공급부(711)에 직렬 연결된 송신 가변 변압기(713) 및 송신 가변 변압기(713)에 직렬 연결된 송신 코일(714)을 포함할 수 있다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(720)는 수신 코일(721), 수신 코일(721)에 직렬 연결된 수신 가변 변압기(722), 수신 가변 변압기(722)에 연결된 정류 회로(723) 및 정류 회로(723)에 연결된 부하(R_L)(724)를 포함할 수 있다. 여기서, 송신 코일(714)과 수신 코일(721)의 결합 계수는 k일 수 있고, k는 양의 실수일 수 있다. 그리고, 송신 코일(714)와 수신 코일(721)은 공진기 또는 공진 코일을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 7 , the wireless power transmitter may include a wireless power transmitter 710 and a wireless power receiver 720 . Here, the wireless power transmission device 710 includes a power supply unit 711 , a ground unit 712 providing a ground to the power supply unit 711 , a transmission variable transformer 713 connected in series to the power supply unit 711 , and a transmission variable transformer and a transmit coil 714 connected in series to 713 . In addition, the wireless power receiving device 720 includes a receiving coil 721 , a receiving variable transformer 722 connected in series to the receiving coil 721 , a rectifying circuit 723 and a rectifying circuit 723 connected to the receiving variable transformer 722 . It may include a load (R _L ) 724 connected to. Here, the coupling coefficient between the transmitting coil 714 and the receiving coil 721 may be k, and k may be a positive real number. In addition, the transmitting coil 714 and the receiving coil 721 may form a resonator or a resonant coil.

여기서, 송신 가변 변압기(713)는 송신 일차 코일(713-1), 송신 이차 코일(713-2), 송신 일차 코일(713-1)에 서로 다른 권수비를 갖도록 서로 다른 위치에서 분기되는 복수의 송신 가변 탭(TT1'~TTn'), 송신 가변 탭(TT1'~TTn')들과 전원 공급부(711)의 접속 상태를 변경하여 송신 일차 코일(713-1)의 권수비를 변경함으로써 송신 일차 코일(713-1)과 송신 이차 코일(713-2)간의 권수비를 조정하기 위한 송신 스위칭 소자(TS')를 포함할 수 있다. 송신 스위치 소자(Ts')가 송신 가변 탭 TT1'에서 TTn'으로 전원 공급부(721)과의 접속 상태를 변경시키면 입력 임피던스는 감소하게 될 수 있다.Here, the transmission variable transformer 713 is a transmission primary coil 713-1, a transmission secondary coil 713-2, and a plurality of transmissions branched at different positions to have different turns ratios to the primary transmission coil 713-1. The transmission primary coil ( 713-1) and a transmission switching element TS' for adjusting the number of turns ratio between the transmission secondary coil 713-2 may be included. When the transmission switch element Ts' changes the connection state with the power supply unit 721 from the transmission variable tap TT1' to TTn', the input impedance may be reduced.

그리고, 수신 가변 변압기(722)는 수신 일차 코일(722-1), 수신 이차 코일(722-2), 수신 이차 코일(722-2)에 서로 다른 권수비를 갖도록 서로 다른 위치에서 분기되는 복수의 수신 가변 탭(RT1'~RTn'), 수신 가변 탭(RT1'~RTn')들과 정류 회로(723)의 접속 상태를 변경하여 수신 이차 코일(722-2)의 권수비를 변경함으로써 수신 일차 코일(722-1)과 수신 이차 코일(722-2)간의 권수비를 조정하기 위한 수신 스위칭 소자(Rs')를 포함할 수 있다. 수신 스위치 소자(Rs')가 수신 가변 탭 RT1'에서 RTn'으로 수신 이차 코일(722-2)과의 접속 상태를 변경시키면 입력 임피던스는 증가하게 될 수 있다. In addition, the receiving variable transformer 722 is a receiving primary coil 722-1, a receiving secondary coil 722-2, and a plurality of receiving branches branched at different positions to have different turns ratios to the receiving secondary coil 722-2. Receiving primary coil ( 722-1) and a reception switching element Rs' for adjusting the number of turns ratio between the reception secondary coil 722-2 may be included. When the reception switch element Rs' changes the connection state with the reception secondary coil 722-2 from the reception variable tap RT1' to RTn', the input impedance may increase.

이와 같은 구성에서, 전원 공급부(711)는 교류 전원을 송신 가변 변압기(713)에 공급할 수 있다. 그리고, 접지부(712)는 전원 공급부(711)의 일단에 연결되어 전원 공급부(711)에 접지를 제공할 수 있다. 그리고, 송신 가변 변압기(713)의 송신 일차 코일(713-1)은 전원 공급부(711)의 양단에 연결되어 전원 공급부(711)에서 전원을 공급받을 수 있다. 그리고, 송신 일차 코일(713-1)은 권수비에 따라 송신 이차 코일(713-2)에 전원 공급부(711)의 전원에 대하여 감소된 전압의 전원을 유도할 수 있다. 이처럼 송신 가변 변압기(713)는 송신 일차 코일(713-1)과 송신 이차 코일(713-2)의 권수비에 따라 감소된 전압의 전원을 송신 이차 코일(713-2)에 유도하여 송신 코일(714)에 공급할 수 있다. 송신 코일(714)은 송신 가변 변압기(713)의 송신 이차 코일(713-2)에서 공급되는 전원에 따라 자기장을 형성하여 무선 전력을 전송할 수 있다. In this configuration, the power supply unit 711 may supply AC power to the transmission variable transformer 713 . In addition, the ground unit 712 may be connected to one end of the power supply unit 711 to provide a ground to the power supply unit 711 . In addition, the primary transmission coil 713 - 1 of the transmission variable transformer 713 may be connected to both ends of the power supply unit 711 to receive power from the power supply unit 711 . In addition, the transmitting primary coil 713 - 1 may induce power of a reduced voltage with respect to the power of the power supply unit 711 to the transmitting secondary coil 713 - 2 according to the turns ratio. As such, the transmitting variable transformer 713 induces the power of the voltage reduced according to the turns ratio of the transmitting primary coil 713-1 and the transmitting secondary coil 713-2 to the transmitting secondary coil 713-2 to the transmitting coil 714. ) can be supplied. The transmitting coil 714 may transmit power wirelessly by forming a magnetic field according to power supplied from the transmitting secondary coil 713 - 2 of the transmitting variable transformer 713 .

한편, 무선 전력 수신 장치(720)의 수신 코일(721)은 송신 코일(714)과 자기장 커플링을 통하여 송신 코일(714)에서 자기장을 통하여 전송하는 무선 전력을 수신할 수 있다. 그리고, 수신 가변 변압기(722)의 수신 일차 코일(722-1)은 수신 코일(722)의 양단에 연결되어 있으며, 이에 따라 수신 코일(722)에 수신된 무선 전력을 공급받을 수 있다. 그리고, 수신 가변 변압기(722)의 수신 일차 코일(722-1)은 수신 이차 코일(722-2)에 권수비에 따라 수신 코일(721)의 전원에 대하여 증가된 전압의 전원을 수신 이차 코일(722-2)에 유도할 수 있다. 정류 회로(723)는 수신 가변 변압기(722)의 수신 이차 코일(722-2)에 유도된 전원을 정류하여 직류를 형성할 수 있다. 부하(724)는 정류 회로(723)에서 정류된 직류를 이용하여 충전 등을 수행할 수 있다. 부하(724)는 일 예로 충전기 등일 수 있다.Meanwhile, the receiving coil 721 of the wireless power receiving device 720 may receive wireless power transmitted from the transmitting coil 714 through a magnetic field through magnetic field coupling with the transmitting coil 714 . In addition, the receiving primary coil 722-1 of the receiving variable transformer 722 is connected to both ends of the receiving coil 722, so that the receiving coil 722 may receive wireless power received. In addition, the receiving primary coil 722-1 of the receiving variable transformer 722 receives power of an increased voltage with respect to the power of the receiving coil 721 according to the turns ratio to the receiving secondary coil 722-2. -2) can be induced. The rectifying circuit 723 may rectify the power induced in the receiving secondary coil 722 - 2 of the receiving variable transformer 722 to form direct current. The load 724 may perform charging or the like using the DC rectified by the rectifier circuit 723 . The load 724 may be, for example, a charger.

도 8은 무선 전력 송신 방법의 제1 실시예를 도시한 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating a first embodiment of a method for transmitting power wirelessly.

도 8을 참조하면, 무선 전력 송신 방법에서 무선 전력 송신 장치의 전원 공급부는 송신 가변 변압기에 교류 전원을 공급할 수 있다(S801). 그리고, 송신 가변 변압기는 전원 공급부에서 공급되는 전원의 전압을 권수비에 따라 변화시켜 전압이 변화된 전원을 송신 코일에 공급할 수 있다(S802). 송신 코일은 송신 가변 변압기에서 공급되는 전원에 따라 자기장을 형성하여 무선 전력을 전송할 수 있다(S803). Referring to FIG. 8 , in the wireless power transmission method, the power supply unit of the wireless power transmission apparatus may supply AC power to the transmission variable transformer ( S801 ). Then, the transmission variable transformer may supply the voltage of the changed power to the transmission coil by changing the voltage of the power supplied from the power supply unit according to the turns ratio (S802). The transmitting coil may transmit power wirelessly by forming a magnetic field according to power supplied from the transmitting variable transformer (S803).

도 9는 무선 전력 수신 방법의 제1 실시예를 도시한 흐름도이다.9 is a flowchart illustrating a first embodiment of a method for wireless power reception.

도 9를 참조하면, 무선 전력 수신 방법에서 수신 코일은 송신 코일과 자기장 커플링을 통하여 송신 코일에서 자기장을 통하여 전송하는 무선 전력을 수신하여 수신 가변 변압기에 공급할 수 있다(S901). 그리고, 수신 가변 변압기는 수신 일차 코일과 수신 이차 코일의 권수비에 따라 송신 코일의 전원의 전압을 변화시켜 전압이 변화된 전원을 정류 회로에 공급할 수 있다(S902). 정류 회로는 수신 가변 변압기의 수신 이차 코일의 전원을 정류하여 직류를 형성하여 부하에 공급할 수 있다(S903).Referring to FIG. 9 , in the wireless power receiving method, the receiving coil may receive wireless power transmitted from the transmitting coil through a magnetic field through magnetic field coupling with the transmitting coil and supply it to the receiving variable transformer ( S901 ). In addition, the receiving variable transformer may change the voltage of the power source of the transmitting coil according to the turns ratio of the receiving primary coil and the receiving secondary coil to supply the voltage-changed power to the rectifier circuit (S902). The rectifier circuit may rectify the power of the receiving secondary coil of the receiving variable transformer to form a direct current and supply it to the load (S903).

도 10은 송신 코일과 수신 코일의 제1 실시예를 나타내는 구성도이다.10 is a configuration diagram illustrating a first embodiment of a transmitting coil and a receiving coil.

도 10을 참조하면, 송신 코일과 수신 코일을 나타내는 구성에서 송신 코일(1001)은 모노폴 스파이럴(Monopole spiral) 안테나일 수 있고, 수신 코일(1002)도 모노폴 스파이럴 안테나일 수 있으며, 서로 마주보고 있을 수 있다. 그리고, 송신 코일(1001)과 수신 코일(1002)의 이격 거리(즉, 전송 거리)는 일예로 80Cm일 수 있다. 여기서, 모노폴 스파이럴 안테나는 일정한 폭을 가지는 도선이 일정한 직경을 가지는 원의 형상으로 권선되어 형성될 수 있고, 직경(내경)은 일예로 25Cm일 수 있다. 이와 같은 모노폴 스파이럴 안테나는 권선되는 도선의 길이를 늘려 인덕턴스를 향상 시킬 수 있고, 직경이 서로 다른 도선으로 설계가 가능한 장점을 가질 수 있다. Referring to FIG. 10, in a configuration representing a transmitting coil and a receiving coil, the transmitting coil 1001 may be a monopole spiral antenna, and the receiving coil 1002 may also be a monopole spiral antenna, and may be facing each other. have. In addition, a separation distance (ie, a transmission distance) between the transmitting coil 1001 and the receiving coil 1002 may be, for example, 80Cm. Here, the monopole spiral antenna may be formed by winding a wire having a constant width in the shape of a circle having a constant diameter, and the diameter (inner diameter) may be, for example, 25 cm. Such a monopole spiral antenna may have an advantage in that the inductance may be improved by increasing the length of the winding wire, and it may be designed with wires having different diameters.

도 11은 송신 코일과 수신 코일의 제2 실시예를 나타내는 구성도이다.11 is a configuration diagram illustrating a second embodiment of a transmitting coil and a receiving coil.

도 11을 참조하면, 송신 코일(1101)은 모노폴 스파이럴 안테나일 수 있고, 수신 코일(1102)도 모노폴 스파이럴 안테나일 수 있으며, 서로 마주보고 있을 수 있다. 그리고, 송신 코일(1101)과 수신 코일(1102)의 이격 거리(즉, 전송 거리)는 일예로 35Cm일 수 있다. 여기서, 모노폴 스파이럴 안테나는 일정한 폭을 가지는 도선이 일정한 직경을 가지는 원의 형상으로 권선되어 형성될 수 있고, 직경(내경)은 일예로 25Cm일 수 있다. Referring to FIG. 11 , the transmitting coil 1101 may be a monopole spiral antenna, and the receiving coil 1102 may also be a monopole spiral antenna, and may face each other. In addition, a separation distance (ie, a transmission distance) between the transmitting coil 1101 and the receiving coil 1102 may be, for example, 35Cm. Here, the monopole spiral antenna may be formed by winding a wire having a constant width in the shape of a circle having a constant diameter, and the diameter (inner diameter) may be, for example, 25 cm.

한편, 표 1은 도 10과 도 11에 도시된 송신 코일과 수신 코일을 사용하는 무선 전력 전송 장치의 전력 전달 특성을 가변 변압기의 유무와 서로 다른 측정 방법에 따라 측정한 결과를 보여줄 수 있다. 여기서, f₀는 송신 코일과 수신 코일의 공진 주파수일 수 있다.Meanwhile, Table 1 may show the results of measuring the power transfer characteristics of the wireless power transmitter using the transmitting coil and the receiving coil shown in FIGS. 10 and 11 according to the presence or absence of a variable transformer and different measurement methods. Here, f ₀ may be a resonant frequency of the transmitting coil and the receiving coil.

코일 구조coil structure 변압기 유무With or without transformer 측정 방법How to measure 전력 전달power delivery 모노폴
스파이럴
(전송거리: 80Cm)monopole
spiral
(Transmission distance: 80cm) 가변 변압기 유
(f₀=8.9MHz)variable transformer
(f ₀ =8.9 MHz) 회로망 분석기network analyzer -8.7dB-8.7dB 인버터/스펙트럼 분석기Inverter/Spectrum Analyzer -10dB-10dB 가변 변압기 무
(f₀=8.5MHz)variable transformer
(f ₀ =8.5 MHz) 회로망 분석기network analyzer -6.34dB-6.34dB 인버터/스펙트럼 분석기Inverter/Spectrum Analyzer -21.7dB-21.7dB 모노폴
스파이럴
(커패시터 없음)
(전송거리: 80Cm)monopole
spiral
(no capacitor)
(Transmission distance: 80cm) 가변 변압기 유
(f₀=25.6MHz)variable transformer
(f ₀ =25.6 MHz) 회로망 분석기network analyzer -8.7dB-8.7dB 인버터/스펙트럼 분석기Inverter/Spectrum Analyzer -14dB-14dB 가변 변압기 무
(f₀=23.1MHz)variable transformer
(f ₀ =23.1 MHz) 회로망 분석기network analyzer -2.81dB-2.81dB 인버터/스펙트럼 분석기Inverter/Spectrum Analyzer -31.1dB-31.1dB 모노폴
스파이럴
(커패시터 없음)
(전송거리: 35Cm)monopole
spiral
(no capacitor)
(Transmission distance: 35cm) 가변 변압기 유
(f₀=25.6MHz)variable transformer
(f ₀ =25.6 MHz) 회로망 분석기network analyzer -4.71dB-4.71dB 인버터/스펙트럼 분석기Inverter/Spectrum Analyzer -5.6dB-5.6dB 가변 변압기 무
(f₀=23.1MHz)variable transformer
(f ₀ =23.1 MHz) 회로망 분석기network analyzer -1.96dB-1.96dB 인버터/스펙트럼 분석기Inverter/Spectrum Analyzer -28.9dB-28.9dB

표 1을 참조하면, 도 10과 도 11에 도시된 송신 코일과 수신 코일을 포함하는 무선 전력 전송 장치는 누설 전력을 막아주는 가변 변압기가 없는 경우에 회로망 분석기를 사용하여 측정한 전력 전달 특성이 -6.34dB일 수 있고, 인버터와 스펙트럼 분석기를 이용하여 측정한 전력 전달 특성이 -21.7dB일 수 있다. 이처럼 도 10과 도 11에 도시된 송신 코일과 수신 코일을 포함하는 무선 전력 전송 장치는 가변 변압기가 없는 경우에 인버터와 스펙트럼 분석기를 이용하여 전력 전달 특성을 측정하게 되면 많은 에너지가 송신 코일에서 수신 코일로 전달되지 않음을 확인할 수 있다. 여기서, 스텍트럼 분석기는 배터리로 구동될 수 있고, 외부 시스템에 동축 케이블을 통하여 접지면이 플로팅(floating)된 상태에서 측정을 수행할 수 있다. 따라서, 이러한 결과는 스펙트럼 분석기의 동축 케이블의 외피에서 누설되는 전력량이 15.36dB일 수 있어, 많은 전력이 무선 전력 수신 장치로 전달되지 못하고 누설되고 있음을 알 수 있다. 반면에 도 10과 도 11에 도시된 송신 코일과 수신 코일을 포함하는 무선 전력 전송 장치는 가변 변압기가 있는 경우에 인버터와 스펙트럼 분석기를 이용하여 측정한 결과가 전송 거리가 80Cm일때에 전력 전달 특성이 -10dB로 가변 변압기 없는 구조에 비해 11.7dB이 개선된 것을 알 수 있다. 물론, 도 10과 도 11에 도시된 송신 코일과 수신 코일을 포함하는 무선 전력 전송 장치는 가변 변압기가 있는 경우에 회로망 분석기를 이용하여 측정한 경우에 전송 거리가 80Cm일때 전력 전달 특성이 -8.7dB로 가변 변압기가 없는 구조에 비해 1.3dB 손실이 더 있을 수는 있다. 여기서, 가변 변압기의 삽입 손실은 0.2dB 정도로 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치에 각각 1개씩 가변 변압기가 포함되는 경우에 전체적으로 가변 변압기의 삽입 손실은 0.4dB일 수 있다. 이러한 가변 변압기의 삽입 손실은 케이블 손실을 포함할 수 있고, 임피던스 정합이 완벽하게 되지 않은 부분을 포함할 수 있다. Referring to Table 1, the wireless power transmitter including the transmitting coil and the receiving coil shown in FIGS. 10 and 11 has a power transfer characteristic measured using a network analyzer when there is no variable transformer that prevents leakage power. It may be 6.34 dB, and the power transfer characteristic measured using the inverter and the spectrum analyzer may be -21.7 dB. As such, when the wireless power transmitter including the transmitting coil and the receiving coil shown in FIGS. 10 and 11 measures the power transfer characteristics using an inverter and a spectrum analyzer when there is no variable transformer, a lot of energy is transferred from the transmitting coil to the receiving coil. It can be confirmed that it is not transmitted to Here, the spectrum analyzer may be driven by a battery and may be measured while the ground plane is floating through a coaxial cable to an external system. Accordingly, this result indicates that the amount of power leaked from the outer jacket of the coaxial cable of the spectrum analyzer may be 15.36 dB, indicating that a lot of power is leaking without being transmitted to the wireless power receiver. On the other hand, in the wireless power transmission device including the transmitting coil and the receiving coil shown in FIGS. 10 and 11 , when the transmission distance is 80Cm, the measurement result using an inverter and a spectrum analyzer when there is a variable transformer has a power transmission characteristic. It can be seen that -10dB is improved by 11.7dB compared to the structure without variable transformer. Of course, the wireless power transmission device including the transmitting coil and the receiving coil shown in FIGS. 10 and 11 has a power transfer characteristic of -8.7 dB when the transmission distance is 80 Cm when measured using a network analyzer in the presence of a variable transformer. As a result, there may be more 1.3dB loss compared to the structure without a variable transformer. Here, the insertion loss of the variable transformer is about 0.2 dB, and when one variable transformer is included in each of the wireless power transmitter and the wireless power receiver, the overall insertion loss of the variable transformer may be 0.4 dB. The insertion loss of such a variable transformer may include a cable loss, and may include a portion in which impedance matching is not perfect.

전반적으로 도 10과 도 11에 도시된 송신 코일과 수신 코일을 포함하는 무선 전력 전송 장치는 회로망 분석기로 측정한 결과와 인버터와 스펙트럼 분석기로 측정한 결과가 큰 차이가 있을 수 있다. 그리고, 이러한 차이의 원인은 회로망 분석기의 경우 양 포트의 접지면을 따라 에너지가 전달되어 실제 무선 전력 수신 장치가 접지에 플로팅한 경우 에너지 전송이 일어나지 않기 때문일 수 있다. In general, the wireless power transmitter including the transmitting coil and the receiving coil shown in FIGS. 10 and 11 may have a large difference between a result measured by a network analyzer and a result measured by an inverter and a spectrum analyzer. And, the cause of this difference may be that, in the case of a circuit network analyzer, energy is transmitted along the ground planes of both ports, and energy transmission does not occur when the actual wireless power receiver floats to the ground.

이러한 문제를 해결하기 위하여 무선 전력 전송 장치가 가변 변압기를 이용하여 동축 케이블의 외피를 통하여 접지로 흐르는 누설 전력을 방지하면 회로망 분석기의 측정값과 인버터와 스펙트럼 분석기의 측정 결과가 거의 유사할 수 있다. 이에 따라 무선 전력 전송 장치는 등가 회로를 이용하여 실제 무선으로 전달되는 에너지를 평가할 수 있다. 이와 같은 결과는 무선 전력 전송 장치의 전력 전달 특성을 정확히 이해하는데 있어 매우 중요한 실험 결과일 수 있다. 즉 무선 전력 전송 장치의 전력 전달 특성의 측정이 가변 변압기를 사용하지 않은 상태에서 이루어지는 경우에 송신 코일에서 수신 코일로 전달되는 에너지 효율을 정확하게 측정하지 못할 수 있고, 접지면을 따라 전달된 신호까지 포함하여 평가될 수 있다. 이에 따라, 무선 전력 전송 장치는 가변 변압기를 사용하는 경우에 측정의 정확성을 확보할 수 있다. 즉, 무선 전력 전송 장치는 가변 변압기를 사용하여 동축 케이블의 외피를 통해 접지로 연결되는 통로로 차단하도록 구성할 필요가 있으며, 이러한 경우에 정확한 측정이 가능할 수 있다.In order to solve this problem, if the wireless power transmitter uses a variable transformer to prevent leakage power from flowing to the ground through the outer shell of the coaxial cable, the measured value of the network analyzer and the measured result of the inverter and the spectrum analyzer may be almost similar. Accordingly, the wireless power transmitter may evaluate the energy actually transmitted wirelessly using the equivalent circuit. Such a result may be a very important experimental result for accurately understanding the power transfer characteristics of the wireless power transmitter. That is, when the measurement of the power transfer characteristics of the wireless power transmitter is performed without using a variable transformer, it may not be possible to accurately measure the energy efficiency transferred from the transmitting coil to the receiving coil, including signals transmitted along the ground plane. can be evaluated. Accordingly, the wireless power transmitter may secure measurement accuracy when using a variable transformer. That is, the wireless power transmission device needs to be configured to block the passage to the ground through the sheath of the coaxial cable using a variable transformer, and in this case, accurate measurement may be possible.

한편, 표 1은 도 10과 도 11에 도시된 송신 코일과 수신 코일을 포함하는 무선 전력 전송 장치의 송신 코일과 수신 코일이 외부 커패시터를 구비하지 않은 상태에서 측정한 결과를 보여주며, 이때 공진 주파수는 23.1MHz일 수 있다. 반면 가변 변압기를 삽입한 무선 전력 전송 장치는 L값이 병렬로 추가되어 공진 주파수가 좀더 높은 25.6MHz일 수 있다. 이처럼 무선 전력 전송 장치가 가변 변압기를 포함하는 경우에 누설되는 전력이 적을 수 있고, 실제 구조에 가까워질 수 있으며, 회로망 분석기의 측정 결과도 이와 같은 결과를 보여줄 수 있다. On the other hand, Table 1 shows the results of measurements in a state where the transmitting coil and the receiving coil of the wireless power transmitter including the transmitting coil and the receiving coil shown in FIGS. 10 and 11 are not provided with an external capacitor, at this time the resonance frequency may be 23.1 MHz. On the other hand, the wireless power transmitter with the variable transformer inserted may have a higher resonant frequency of 25.6 MHz because the L value is added in parallel. In this way, when the wireless power transmitter includes a variable transformer, leakage power may be small, the actual structure may be approximated, and the measurement result of the circuit network analyzer may show such a result.

다만, 무선 전력 전송 장치는 전송 거리가 35Cm일때 보다 80Cm인 경우에 접지면을 통하여 누설되는 전력량이 더 많은 것을 확인할 수 있다. 이것은 송신 코일과 수신 코일의 거리가 증가하면 결합 계수가 적어질 수 있고, 이처럼 결합 계수가 적어지는 경우에 접지면을 통하여 누설되는 현상이 뚜렷해지기 때문일 수 있다. 가변 변압기를 사용하는 무선 전력 전송 장치는 전송 거리가 35Cm로 결합 계수가 큰 경우에 회로망 분석기를 사용하여 측정한 전력 전달 결과와 인버터와 스펙트럼 분석기를 사용하여 측정한 전력 전달 결과가 0.9dB 차이가 있을 수 있다. 이와 달리 가변 변압기를 사용하는 무선 전력 전송 장치는 전송 거리가 80Cm로 결합 계수가 작은 경우에 회로망 분석기를 사용하여 측정한 전력 전달 결과와 인버터와 스펙트럼 분석기를 사용하여 측정한 전력 전달 결과는 5.3dB 차이가 있을 수 있다. However, it can be confirmed that the wireless power transmitter has a larger amount of power leaked through the ground plane when the transmission distance is 80Cm than when the transmission distance is 35Cm. This may be because when the distance between the transmitting coil and the receiving coil increases, the coupling coefficient may be reduced, and when the coupling coefficient is decreased, the phenomenon of leakage through the ground plane becomes clear. In the case of a wireless power transmission device using a variable transformer, when the transmission distance is 35cm and the coupling coefficient is large, the power transmission result measured using the network analyzer and the power transmission result measured using the inverter and the spectrum analyzer may differ by 0.9dB. can In contrast, in the case of a wireless power transmission device using a variable transformer, when the transmission distance is 80Cm and the coupling coefficient is small, the power transmission result measured using the network analyzer and the power transmission result measured using the inverter and the spectrum analyzer differ by 5.3dB there may be

이와 같은 결과는 무선 전력 전송 장치가 송신 코일과 수신 코일의 직경 대비 1/10 수준의 전송 거리에 대하여 무선 전력을 전송하는 경우에 가변 변압기(누설 전력을 잡아주는 회로)를 사용하지 않아도 별 문제가 없을 수 있고, 회로망 분석기로 무선 전력 전송 장치의 성능을 평가하여도 큰 차이점이 없다는 것을 알려줄 수 있다. 반면에 이와 같은 결과는 무선 전력 전송 장치의 전송 거리가 증가하는 경우에 임피던스가 정확히 정합될 수 있고, 접지선으로 누설되는 에너지를 방지하지 않으면 원하는 에너지를 멀리 그리고 효율적으로 전송할 수 없다는 것을 알려줄 수 있다.Such a result is not a problem even if a variable transformer (a circuit that catches leakage power) is not used when the wireless power transmitter transmits wireless power over a transmission distance of 1/10 of the diameter of the transmitting coil and the receiving coil. There may not be, and it may be indicated that there is no significant difference even if the performance of the wireless power transmission device is evaluated with a network analyzer. On the other hand, such a result may indicate that the impedance can be accurately matched when the transmission distance of the wireless power transmitter increases, and the desired energy cannot be transmitted far and efficiently without preventing energy leaking to the ground line.

도 12는 송신 코일과 수신 코일의 제3 실시예를 나타내는 구성도이다.12 is a block diagram showing a third embodiment of a transmitting coil and a receiving coil.

도 12를 참조하면, 송신 코일과 수신 코일의 구성에서 송신 코일(1201)은 사각 루프 형상의 도선이 일정 높이를 가지며 수직축 방향에서 진행하며 형성되는 다이폴 스파이럴(dipole spiral) 안테나 코일일 수 있고, 수신 코일(1202)도 사각 루프 형상의 도선이 일정 높이를 가지며 수직축 방향에서 진행하며 형성되는 다이폴 스파이럴 안테나 코일일 수 있으며, 서로 마주보고 있을 수 있다. 송신 코일(2101)과 수신 코일(2102)의 이격 거리는 일예로 직경 대비 5배로 1m일 수 있다. Referring to FIG. 12 , in the configuration of the transmitting coil and the receiving coil, the transmitting coil 1201 may be a dipole spiral antenna coil in which a square loop-shaped wire has a predetermined height and proceeds in a vertical axis direction. The coil 1202 may also be a dipole spiral antenna coil in which a square loop-shaped conductive wire has a predetermined height and progresses in a vertical axis direction, and may face each other. The separation distance between the transmitting coil 2101 and the receiving coil 2102 may be, for example, 5 times the diameter of 1 m.

한편, 송신 코일(1201)을 형성하는 다이폴 스파이럴 안테나 코일은 중앙 급전 방식으로 무선 전력을 전송할 수 있다. 이와 같은 다이폴 스파이럴 안테나 코일은 전압이 최소가 되도록 할 수 있고, 전류가 최대가 되도록 할 수 있다. 이와 같은 다이폴 스파이럴 안테나 코일을 사용하는 무선 전력 송신 장치는 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 특성 임피던스(보통 수십 옴에서 400옴 이하) 및 인버터와 동축 케이블의 임피던스(보통 50옴으로 고정임)를 고려하여 송신 가변 변압기의 권선비를 결정할 수 있다. 이때, 무선 전력 송신 장치는 전압이 낮게 되면 임피던스가 감소할 수 있다. 따라서 다이폴 스파이럴 안테나 코일을 사용하는 무선 전력 송신 장치는 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 임피던스를 인버터나 동축 케이블의 고유 임피던스만큼 낮아지도록 하여 최대 전력 전달에 방해를 최소화할 수 있다. On the other hand, the dipole spiral antenna coil forming the transmission coil 1201 may transmit power wirelessly in a central feeding method. Such a dipole spiral antenna coil may have a minimum voltage and a maximum current. A wireless power transmitter using such a dipole spiral antenna coil transmits variable transmission considering the characteristic impedance of the dipole spiral antenna coil (usually tens of ohms to 400 ohms or less) and the impedance of the inverter and coaxial cable (usually fixed at 50 ohms). You can determine the turns ratio of the transformer. In this case, the impedance of the wireless power transmitter may decrease when the voltage is lowered. Therefore, the wireless power transmission device using the dipole spiral antenna coil can minimize the interference with the maximum power transmission by lowering the impedance of the dipole spiral antenna coil as much as the intrinsic impedance of the inverter or the coaxial cable.

한편, 송신 코일이 다이폴 스파이럴 안테나 코일을 사용하여 최대 전력을 전달하려면 인버터에서 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일로 가는 경로상에서 저항이 높거나 낮거나 하여 변화되는 현상이 없이 동일해야 할 수 있다. 이는 인버터의 임피던스, 동축 케이블의 임피던스 및 송신 코일의 임피던스가 거의 같아지도록 하여 최대로 전파가 잘 전달될 수 있도록 하기 위한 것일 수 있다. 이를 위하여 무선 전력 전송 장치는 가변 변압기를 사용할 수 있고, 그 결과 접지면을 통하여 누설되는 전력을 방지할 수 있다.On the other hand, in order for the transmitting coil to transmit the maximum power using the dipole spiral antenna coil, the resistance on the path from the inverter to the transmitting coil of the dipole spiral antenna coil may be the same without being changed due to high or low resistance. This may be to ensure that the impedance of the inverter, the impedance of the coaxial cable, and the impedance of the transmission coil are almost equal to allow the electric wave to be transmitted to the maximum. To this end, the wireless power transmitter may use a variable transformer, and as a result, it is possible to prevent power leakage through the ground plane.

한편, 표 2는 다이폴 스파이럴 안테나 코일을 사용하는 송신 코일과 수신 코일을 포함하는 무선 전력 전송 장치에 대하여 가변 변압기의 유무와 서로 다른 측정 방법을 사용하여 측정한 전력 전달을 나타낼 수 있다.Meanwhile, Table 2 may show the presence or absence of a variable transformer and power transfer measured using different measurement methods for a wireless power transmitter including a transmitting coil and a receiving coil using a dipole spiral antenna coil.

측정 방법How to measure 가변 변압기 없음no variable transformer 2:1 권수비의 가변 변압기 1개1 variable transformer with 2:1 turns ratio 2:1 권수비의 가변 변압기 2개2 variable transformers with 2:1 turns ratio 회로망
분석기network
analyzer 전력 전달:-10.5dB
입력 임피던스:3.2ΩPower Delivery: -10.5dB
Input Impedance: 3.2Ω 전력 전달:-5.6dB
입력 임피던스:12.2ΩPower Delivery: -5.6dB
Input Impedance: 12.2Ω 전력 전달:-3.64dB
입력 임피던스:53ΩPower Delivery: -3.64dB
Input Impedance: 53Ω 인버터와 스펙트럼 분석기Inverter and Spectrum Analyzer 전력 전달:-11.8dBmPower Delivery: -11.8dBm 전력 전달:-6.2dBmPower Delivery: -6.2dBm 전력 전달:-4.4dBmPower Delivery: -4.4dBm

표 2를 보면 모노폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 사용하는 무선 전력 전송 장치에 비해 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 사용하는 무선 전력 전송 장치가 가변 변압기를 사용하지 않은 상태에서도 접지로 누설되는 양이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 도 13은 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 가변 변압기가 없는 무선 전력 전송 장치의 스미스 챠트(smith chart)이다. Looking at Table 2, compared to the wireless power transmitter using the transmitting coil and the receiving coil of the monopole spiral antenna coil, the wireless power transmitting device using the transmitting coil and receiving coil of the dipole spiral antenna coil is grounded even when the variable transformer is not used. It can be seen that the leakage amount is reduced. 13 is a Smith chart of a wireless power transmitter including a transmitting coil and a receiving coil of a dipole spiral antenna coil and without a variable transformer.

도 13을 참조하면, 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 가변 변압기가 없는 무선 전력 전송 장치의 스미스 챠트에서 전력 전달 특성을 알 수 있는 S 파라미터 S21은 입력 임피던스 3.2Ω과 공진 주파수 14.315MHz에서 10.5dB일 수 있다. Referring to FIG. 13 , the S parameter S21, which includes the transmitting coil and the receiving coil of the dipole spiral antenna coil, and the power transmission characteristic of the Smith chart without a variable transformer, is an input impedance of 3.2Ω and a resonance frequency of 14.315. It can be 10.5 dB at MHz.

도 14는 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 가변 변압기가 없는 무선 전력 전송 장치의 인버터와 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 나타내는 사진이다.14 is a photograph showing measurement results of an inverter and a spectrum analyzer of a wireless power transmitter including a transmitting coil and a receiving coil of a dipole spiral antenna coil and without a variable transformer.

도 14를 참조하면, 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 가변 변압기가 없는 무선 전력 전송 장치의 인버터와 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 나타내는 사진에서 전력 전달 특성은 -11.8dBm임을 알 수 있다.Referring to FIG. 14 , it can be seen that the power transfer characteristic is -11.8 dBm in the photo showing the measurement results of the inverter and the spectrum analyzer of the wireless power transmitter including the transmitting coil and the receiving coil of the dipole spiral antenna coil and without a variable transformer. .

이와 같이, 도 13과 도 14를 참조하면, 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 사용하는 무선 전력 전송 장치는 가변 변압기를 사용하지 않는 경우에 회로망 분석기를 사용하여 측정한 전력 전달과 인버터와 스펙트럼 분석기를 사용하여 측정한 전력 전달의 차이가 1.3dB 수준임을 알 수 있다. As described above, referring to FIGS. 13 and 14 , the wireless power transmission device using the transmitting coil and the receiving coil of the dipole spiral antenna coil transmits power measured using a network analyzer and the inverter and It can be seen that the difference in power transfer measured using a spectrum analyzer is 1.3 dB.

도 15는 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 2:1 권수비의 가변 변압기를 1개 포함한 무선 전력 전송 장치의 스미스 챠트이다.15 is a Smith chart of a wireless power transmitter including a transmitting coil and a receiving coil of a dipole spiral antenna coil, and one variable transformer with a 2:1 turns ratio.

도 15를 참조하면, 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 2:1 권수비의 가변 변압기를 1개 포함한 무선 전력 전송 장치를 나타내는 스미스 챠트에서 전력 전달 특성을 알 수 있는 S 파라미터 S21은 입력 임피던스 12.2Ω과 공진 주파수 14.315MHz에서 -5.6dB일 수 있다.Referring to FIG. 15, the S parameter S21, which shows the power transfer characteristics in the Smith chart showing the wireless power transmitter including the transmitting coil and the receiving coil of the dipole spiral antenna coil, and including one variable transformer with a 2:1 turns ratio, is It can be -5.6dB at an input impedance of 12.2Ω and a resonance frequency of 14.315MHz.

도 16은 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 2:1 권수비의 가변 변압기를 1개 포함한 무선 전력 전송 장치의 인버터와 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 나타내는 사진이다.16 is a photograph showing measurement results of an inverter and a spectrum analyzer of a wireless power transmission device including a transmitting coil and a receiving coil of a dipole spiral antenna coil and including one variable transformer with a 2:1 turns ratio.

도 16을 참조하면, 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 2:1 권수비의 가변 변압기를 1개 포함한 무선 전력 전송 장치의 인버터와 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 나타내는 사진에서 전력 전달 특성은 -6.2dBm임을 알 수 있다.Referring to FIG. 16, in a photograph showing the measurement results of the inverter and the spectrum analyzer of the wireless power transmission device including the transmitting coil and the receiving coil of the dipole spiral antenna coil and including one variable transformer with a 2:1 turns ratio, the power transfer characteristics are It can be seen that -6.2dBm.

이와 같이, 도 15와 도 16을 참조하면, 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 사용하는 무선 전력 전송 장치는 2:1 권수비의 가변 변압기를 1개 사용하는 경우에 회로망 분석기를 사용하여 측정한 전력 전달과 인버터와 스펙트럼 분석기를 사용하여 측정한 전력 전달의 차이가 0.6dB로 접지로 누설되는 전력량이 적게 됨을 알 수 있다. 또한, 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 사용하는 무선 전력 전송 장치에서 2:1 권수비를 갖는 가변 변압기를 이용한 경우에는 입력 임피던스가 3.2Ω에서 4배 증가한 12.2Ω이 되면서 복사되어 전달되는 전력이 5.6dB로 개선됨을 확인 할 수 있다. As described above, referring to FIGS. 15 and 16 , a wireless power transmitter using a transmitting coil and a receiving coil of a dipole spiral antenna coil is measured using a network analyzer when one variable transformer with a 2:1 turns ratio is used. It can be seen that the difference between one power transmission and the power transmission measured using the inverter and spectrum analyzer is 0.6dB, indicating that the amount of power leaked to the ground is small. In addition, when a variable transformer having a 2:1 turns ratio is used in a wireless power transmission device using a transmitting coil and a receiving coil of a dipole spiral antenna coil, the input impedance increases 4 times from 3.2Ω to 12.2Ω. It can be confirmed that this is improved to 5.6dB.

도 17은 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 2:1 권수비의 가변 변압기를 2개 포함한 무선 전력 전송 장치의 스미스 챠트이다.17 is a Smith chart of a wireless power transmitter including a transmitting coil and a receiving coil of a dipole spiral antenna coil and two variable transformers with a 2:1 turn ratio.

도 17을 참조하면, 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 2:1 권수비의 가변 변압기를 2개 포함한 무선 전력 전송 장치를 나타내는 스미스 챠트에서 전력 전달 특성을 알 수 있는 S 파라미터 S21은 입력 임피던스 53Ω과 공진 주파수 14.315MHz에서 -3.64dB일 수 있다.Referring to FIG. 17, the S parameter S21, which shows the power transfer characteristics in the Smith chart showing the wireless power transmitter including the transmitting coil and the receiving coil of the dipole spiral antenna coil, and including two variable transformers of 2:1 turns ratio, is It can be -3.64dB at an input impedance of 53Ω and a resonance frequency of 14.315MHz.

도 18은 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 2:1 권수비의 가변 변압기를 2개 포함한 무선 전력 전송 장치의 인버터와 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 나타내는 사진이다.18 is a photograph showing the measurement results of the inverter and the spectrum analyzer of the wireless power transmission device including the transmitting coil and the receiving coil of the dipole spiral antenna coil and including two variable transformers of 2:1 turns ratio.

도 18을 참조하면, 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 포함하며 2:1 권수비의 가변 변압기를 2개 포함한 무선 전력 전송 장치의 인버터와 스펙트럼 분석기의 측정 결과를 나타내는 사진에서 전력 전달은 -4.4dBm임을 알 수 있다.Referring to FIG. 18, in the photo showing the measurement results of the inverter and the spectrum analyzer of the wireless power transmission device including the transmitting coil and the receiving coil of the dipole spiral antenna coil and including two variable transformers of 2:1 turns ratio, the power transfer is - It can be seen that 4.4 dBm.

이와 같이, 도 17와 도 18을 참조하면, 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 사용하는 무선 전력 전송 장치는 2:1 권수비의 가변 변압기를 2개 사용하는 경우에 회로망 분석기를 사용하여 측정한 전력 전달과 인버터와 스펙트럼 분석기를 사용하여 측정한 전력 전달의 차이가 0.76dB로 삽입 손실이 1개의 가변 변압기를 사용한 경우보다 변압기 삽입 손실이 접지면으로 누설되는 전력량보다 더 증가함을 확인할 수 있다. 그러나 송신 코일에서 수신 코일로 전달되는 전력은 임피던스 정합에 의해 기존 12.2Ω에서 53Ω까지 정합이 이루어 지면서 최종 4.4dB의 손실만 발생할 수 있고, 전력 전달이 잘 이루어짐을 확인 할 수 있다. 즉, 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 사용하는 무선 전력 전송 장치는 가변 변압기를 사용하지 않은 경우에 -11.8dBm이 전달되는데 반해, 가변 변압기를 2개 사용하여 임피던스 정합과 누설 전력을 방지하였을 경우에 같은 거리에서(직경대비 5배, 1m 전송) 전력 전달이 -4.4dBm로 급격히 개선됨을 확인할 수 있다. 여기에서 송신 전력은 모두 0dBm을 사용할 수 있다.As such, referring to FIGS. 17 and 18 , a wireless power transmitter using a transmitting coil and a receiving coil of a dipole spiral antenna coil is measured using a network analyzer when using two variable transformers with a 2:1 turn ratio. The difference between one power transmission and the power transmission measured using the inverter and spectrum analyzer is 0.76 dB. It can be seen that the insertion loss increases more than the amount of power leaked to the ground plane compared to the case where one variable transformer is used. . However, as the power delivered from the transmitting coil to the receiving coil is matched from 12.2Ω to 53Ω by impedance matching, only a final loss of 4.4dB can occur, and it can be seen that the power transfer is well performed. That is, the wireless power transmitter using the transmitting coil and the receiving coil of the dipole spiral antenna coil transmits -11.8dBm when a variable transformer is not used, whereas two variable transformers are used to prevent impedance matching and leakage power. In this case, it can be seen that the power transfer is rapidly improved to -4.4dBm at the same distance (5 times the diameter, 1m transmission). Here, all of the transmit power may be 0dBm.

한편, 표 3은 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 사용하는 무선 전력 전송 장치에 대하여 가변 변압기기 없는 경우와 4:1 권수비의 가변 변압기를 1개 사용하는 경우에 측정 방법을 달리하여 측정한 전력 전달의 측정 결과를 나타낼 수 있다.Meanwhile, Table 3 shows that the measurement method is different for the wireless power transmitter using the transmitting coil and the receiving coil of the dipole spiral antenna coil, when there is no variable transformer and when one variable transformer with a 4:1 turns ratio is used. It can represent the measurement result of one power transfer.

측정 방법How to measure 가변 변압기 없음no variable transformer 4:1 권수비의 가변 변압기 1개1 variable transformer with 4:1 turns ratio 회로망
분석기network
analyzer 전력 전달:-10.5dB, 입력 임피던스: 3.2 ΩPower Delivery: -10.5dB, Input Impedance: 3.2 Ω 전력 전달: -5.6dB
입력 임피던스: 12.2 ΩPower Delivery: -5.6dB
Input Impedance: 12.2 Ω 인버터와 스펙트럼 분석기Inverter and Spectrum Analyzer 전력 전달:-11.8dBmPower Delivery: -11.8dBm 전력 전달:-6.2dBmPower Delivery: -6.2dBm

표 3을 참조하면, 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 사용하는 무선 전력 전송 장치는 가변 변압기가 없는 상황에서 회로망 분석기로 측정한 경우에 입력 임피던스가 3.2Ω이고, 전력 전달 특성이 -10.5dB임을 확인할 수 있다. 그리고, 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 사용하는 무선 전력 전송 장치는 가변 변압기가 없는 상황에서 인버터와 스펙트럼 분석기로 측정한 경우에 전력 전달 특성이 0dBm 송신시에 -11.8dBm임을 확인할 수 있다. 이와 달리, 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 사용하는 무선 전력 전송 장치는 4:1 권수비의 가변 변압기를 1개 사용하는 경우에 입력 임피던스가 52.5Ω이고, 전력 전달 특성이 -2.6dB임을 확인할 수 있다. 그리고, 다이폴 스파이럴 안테나 코일의 송신 코일과 수신 코일을 사용하는 무선 전력 전송 장치는 가변 변압기를 1개 사용하는 경우에 인버터와 스펙트럼 분석기로 측정한 전력 전달 특성이 0dBm 송신시에 -3dBm임을 확인할 수 있다.이와 같이 표 3을 참조하면, 무선 전력 전송 장치가 4:1 권수비의 가변 변압기를 1개 이용하는 경우에 입력 임피던스가 52.5Ω으로 증가할 수 있고, 2개의 가변 변압기의 사용하는 경우보다 삽입 손실이 절반으로 줄어 전력 전달 특성이 -3dBm으로 아주 양호한 무선 전력 전송이 확보됨을 알 수 있다. 이것은 4:1 가변 변압기를 1개 사용한 무선 전력 전송 장치가 직경대비 5배, 즉 1m 전송 거리에서 순조롭게 전력 전달이 달성됨을 알 수 있다.Referring to Table 3, the wireless power transmitter using the transmitting coil and the receiving coil of the dipole spiral antenna coil has an input impedance of 3.2Ω and a power transfer characteristic of -10.5 when measured with a network analyzer in the absence of a variable transformer. It can be confirmed that dB is And, it can be confirmed that the wireless power transmission device using the transmitting coil and the receiving coil of the dipole spiral antenna coil has a power transfer characteristic of -11.8dBm at 0dBm transmission when measured with an inverter and a spectrum analyzer in the absence of a variable transformer. . On the other hand, a wireless power transmitter using a transmitting coil and a receiving coil of a dipole spiral antenna coil has an input impedance of 52.5Ω and a power transfer characteristic of -2.6dB when one variable transformer with a 4:1 turns ratio is used. can be checked In addition, it can be confirmed that the wireless power transmission device using the transmitting coil and the receiving coil of the dipole spiral antenna coil has a power transfer characteristic measured with an inverter and a spectrum analyzer when using one variable transformer is -3dBm at 0dBm transmission. As such, referring to Table 3, when the wireless power transmitter uses one variable transformer with a 4:1 turn ratio, the input impedance can increase to 52.5Ω, and the insertion loss is lower than when two variable transformers are used. It can be seen that when it is reduced by half, the power transfer characteristic is -3dBm, and very good wireless power transmission is secured. It can be seen that the wireless power transmission device using one 4:1 variable transformer achieves smooth power transmission at 5 times the diameter, that is, at a transmission distance of 1m.

도 21은 무선 전력 전송 장치의 제4 실시예를 도시한 회로도이다.21 is a circuit diagram illustrating a fourth embodiment of a wireless power transmitter.

도 21을 참조하면, 무선 전력 전송 장치는 무선 전력 송신 장치(2110)와 무선 전력 수신 장치(2120)로 구성될 수 있다. 여기서, 무선 전력 송신 장치(2110)는 전원 공급부(2111), 전원 공급부(2111)에 접지를 제공하는 접지부(2112), 전원 공급부(2111)에 연결된 송신 발룬(BALanced-to-UNBalanced, BALUN)(2113) 및 송신 발룬(2113)에 연결된 송신 코일(2114)을 포함할 수 있다. 그리고, 무선 전력 수신 장치(2120)는 수신 코일(2121), 수신 코일(2121)에 연결된 수신 발룬(2122), 수신 발룬(2122)에 연결된 정류 회로(2123) 및 정류 회로(2123)에 연결된 부하(R_L)(2124)를 포함할 수 있다. 여기서, 송신 코일(2114)과 수신 코일(2121)의 결합 계수는 k일 수 있고, k는 양의 실수일 수 있다. 그리고, 송신 코일(2114)과 수신 코일(2121)은 공진기 또는 공진 코일을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 21 , the wireless power transmitter may include a wireless power transmitter 2110 and a wireless power receiver 2120 . Here, the wireless power transmission device 2110 includes a power supply 2111 , a grounding unit 2112 providing a ground to the power supply 2111 , and a transmission balun connected to the power supply 2111 (BALanced-to-UNBalanced, BALUN). 2113 and a transmission coil 2114 connected to the transmission balun 2113 may be included. In addition, the wireless power receiver 2120 includes a receiving coil 2121 , a receiving balun 2122 connected to the receiving coil 2121 , a rectifying circuit 2123 connected to the receiving balun 2122 , and a load connected to the rectifying circuit 2123 . (R _L ) 2124 . Here, the coupling coefficient between the transmitting coil 2114 and the receiving coil 2121 may be k, and k may be a positive real number. In addition, the transmitting coil 2114 and the receiving coil 2121 may form a resonator or a resonant coil.

이와 같은 구성에서, 전원 공급부(2111)는 교류 전원을 송신 발룬(2113)에 공급할 수 있다. 그리고, 접지부(2112)는 전원 공급부(2111)의 일단에 연결되어 전원 공급부(2111)에 접지를 제공할 수 있다. 그리고, 송신 발룬(2113)은 전원 공급부(2111)의 양단에 연결되어 전원 공급부(2111)의 전원에 대하여 전압비에 따라 변화된 전압을 가지는 전원을 송신 코일(2114)에 공급할 수 있다. 송신 코일(2114)은 송신 가변 변압기(2113)에서 공급되는 전원에 따라 자기장을 형성하여 무선 전력을 전송할 수 있다. In this configuration, the power supply unit 2111 may supply AC power to the transmission balun 2113 . In addition, the ground unit 2112 may be connected to one end of the power supply unit 2111 to provide a ground to the power supply unit 2111 . In addition, the transmission balun 2113 may be connected to both ends of the power supply unit 2111 to supply power having a voltage changed according to a voltage ratio with respect to the power of the power supply unit 2111 to the transmission coil 2114 . The transmitting coil 2114 may transmit power wirelessly by forming a magnetic field according to power supplied from the transmitting variable transformer 2113 .

다음으로, 무선 전력 수신 장치(2120)의 수신 코일(2121)은 송신 코일(2114)과 자기장 커플링을 통하여 송신 코일(2114)에서 자기장을 통하여 전송하는 무선 전력을 수신할 수 있다. 그리고, 수신 발룬(2122)은 수신 코일(2122)의 양단에 연결되어 권수비에 따라 수신 코일(2121)의 전원에 대하여 전압비에 따라 변화된 전압의 전원을 정류 회로(2123)에 공급할 수 있다. 정류 회로(2123)는 수신 발룬(2122)의 전원을 정류하여 직류를 형성하여 부하(2124)에 공급할 수 있다. 부하(2124)는 정류 회로(2123)에서 정류된 직류를 이용하여 충전 등을 수행할 수 있다. Next, the receiving coil 2121 of the wireless power receiving apparatus 2120 may receive wireless power transmitted from the transmitting coil 2114 through a magnetic field through magnetic field coupling with the transmitting coil 2114 . In addition, the receiving balun 2122 may be connected to both ends of the receiving coil 2122 to supply power of a voltage changed according to a voltage ratio to the power of the receiving coil 2121 according to the turns ratio to the rectifying circuit 2123 . The rectifying circuit 2123 may rectify the power of the receiving balun 2122 to form a direct current and supply it to the load 2124 . The load 2124 may be charged by using the DC rectified by the rectifier circuit 2123 .

한편, 여기서 무선 전력 송신 장치는 전원 공급부와 송신 코일 사이에 발룬을 사용하였으나, 이와 달리 아이솔레이터를 사용할 수 있다. 그리고, 무선 전력 수신 장치는 수신 코일과 정류 회로 사이에 발룬을 사용하였으나, 이와 달리 아이솔레이터를 사용할 수 있다. 이와 같이 발룬을 사용하거나 아이솔레이터를 사용한 무선 전력 전송 장치는 가변 변압기를 사용한 무선 전력 전송 장치와 유사한 효과들을 얻을 수 있다.Meanwhile, in the wireless power transmission apparatus, a balun is used between the power supply unit and the transmission coil, but an isolator may be used otherwise. In addition, the wireless power receiver uses a balun between the receiving coil and the rectifying circuit, but an isolator may be used differently. As such, a wireless power transmitter using a balun or an isolator can achieve similar effects to a wireless power transmitter using a variable transformer.

본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함될 수 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The methods according to the present invention may be implemented in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded in a computer-readable medium. A computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the computer-readable medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media may include hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions may include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device described above may be configured to operate as at least one software module to perform the operations of the present invention, and vice versa.

또한, 상술한 방법 또는 장치는 그 구성이나 기능의 전부 또는 일부가 결합되어 구현되거나, 분리되어 구현될 수 있다.In addition, the above-described method or apparatus may be implemented by combining all or part of the configuration or function, or may be implemented separately.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. You will understand that it can be done.

Claims

a power supply for supplying power;
a transmission variable transformer for outputting by changing the voltage of the power supplied by the power supply;
a transmitting coil for transmitting wireless power by forming a magnetic field according to the output power of the transmitting variable transformer;
a receiving coil for receiving wireless power from the transmitting coil; and
and a rectifying circuit for rectifying the wireless power received from the receiving coil and supplying it to a load.