KR20220136104A - 저이득 무선 전력 전송 시스템의 정류기 - Google Patents
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Abstract
장치는 정류기 회로의 스위치를 제어하도록 구성된 제어기를 포함하고, 여기서 정류기 회로는 무선 전력 전송 시스템의 송신기 코일에 자기적으로 결합되도록 구성된 수신기 코일의 2개의 단자에 결합되고, 높은 전압에 응답하여 무선 전력 전송 시스템의 시스템 이득이 낮은 경우 제어기는 정류기 회로를 하프 브리지 정류기로 구성하고, 무선 전력 전송 시스템의 낮은 시스템 이득에 응답하여 제어기는 정류기 회로를 풀 브리지 정류기로 구성한다.
Description
우선권 주장 및 상호 참조
본 출원은 2021년 3월 30일에 출원된 중국 특허 출원 번호 202110345121.X에 대한 우선권을 주장하며, 2021년 4월 19일에 출원된 미국 특허 출원 번호 17/234,016의 계속 출원이며, 각각의 출원은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
기술분야
본 발명은 저이득 무선 전력 전송 시스템에 관한 것이다.
기술이 더욱 발전함에 따라, 무선 전력 전송은 휴대폰, 태블릿 PC, 디지털 카메라, MP3 플레이어 등과 같은 배터리 기반 모바일 장치에 전력을 공급하거나 충전하기 위한 효율적이고 편리한 메커니즘으로 등장했다. 무선 전력 전송 시스템은 일반적으로 1차측 송신기와 2차측 수신기를 포함한다. 1차측 송신기는 자기 결합을 통해 2차측 수신기에 자기적으로 결합된다. 자기 결합은 1차 측 송신기에 형성된 1차 측 코일 및 2차 측 수신기에 형성된 2차 측 코일을 갖는 느슨하게 결합된 변압기로 구현될 수 있다.
1차측 송신기는 전력 변환기의 1차측과 같은 전력 변환 유닛을 포함할 수 있다. 전력 변환 유닛은 전원에 연결되고 전력을 무선 전력 신호로 변환할 수 있다. 2차측 수신기는 느슨하게 결합된 변압기를 통해 무선 전력 신호를 수신하고 수신된 무선 전력 신호를 부하에 적합한 전력으로 변환할 수 있다.
전력 소모가 더욱 중요해짐에 따라, 높은 전력 밀도 및 고효율 무선 전력 전송 시스템에 대한 요구가 있을 수 있다. 고전력 무선 전송 시스템에서 더 큰 전류 출력은 무선 전력 전송 시스템의 수신기 코일의 온도 상승으로 이어진다. 이러한 온도 상승은 시스템 효율성을 저하시킨다. 이러한 단점을 극복하기 위해 낮은 인덕턴스의 수신기 코일을 사용하여 수신기 코일의 온도 상승을 줄일 수 있다. 그러나, 낮은 인덕턴스 수신기 코일을 갖는 수신기는 저전력 애플리케이션(예를 들어, 무선 전력 전송 시스템의 전력이 10W 미만)과 같은 다양한 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 저전력 애플리케이션에서, 낮은 인덕턴스 수신기 코일을 갖는 수신기는 저전력 송신기(예를 들어, 낮은 입력 전압을 갖는 송신기)와 호환되지 않는다. 좋은 동작을 나타내는 고성능 수신기를 갖는 것이 바람직할 것이다. 예를 들어, 고효율 수신기는 다양한 작동 조건과 호환된다.
다양한 동작 조건과 양립할 수 있는 고효율 정류기 회로를 제공하는 본 발명의 바람직한 실시예에 의해 이러한 문제 및 기타 문제가 일반적으로 해결되거나 우회되며, 기술적 이점이 일반적으로 달성된다.
일 실시예에 따르면, 장치는 정류기 회로의 스위치를 제어하도록 구성된 제어기를 포함하고, 정류기 회로는 무선 전력 전송 시스템의 송신기 코일에 자기적으로 결합되도록 구성된 수신기 코일의 2개의 단자에 결합되고, 제어기는 무선 전력 전송 시스템의 높은 시스템 이득에 응답하여 정류기 회로를 하프 브리지 정류기로 구성하고, 무선 전력 전송 시스템의 낮은 시스템 이득에 응답하여 정류기 회로를 풀 브리지 정류기로 구성한다.
다른 실시예에 따르면, 방법은 제어기에 의해, 송신기 코일, 수신기 코일 및 수신기 코일에 결합된 정류기 회로를 포함하는 무선 전력 전송 시스템의 시스템 이득을 결정하는 단계; 무선 전력 전송 시스템의 높은 시스템 이득 애플리케이션에 응답하여, 정류기 회로를 하프 브리지 정류기로 구성하도록 정류기 회로의 스위치를 제어하는 단계; 무선 전력 전송 시스템의 낮은 시스템 이득 애플리케이션에 응답하여, 정류기 회로의 스위치를 제어하여 정류기 회로를 풀 브리지 정류기로 구성하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, 제어기는 무선 전력 전송 시스템의 시스템 이득을 검출하도록 구성되고, 무선 전력 전송 시스템의 송신기 코일에 자기적으로 결합되도록 구성된 수신기 코일에 결합된 정류기 회로의 스위치를 제어하는 회로를 포함하고, 제어기는 무선 전력 전송 시스템의 낮은 입력 전압에 응답하여 무선 전력 전송 시스템의 출력 전압을 높이기 위해 정류기 회로를 하프 브리지 정류기로 구성한다.
전술한 내용은 뒤따르는 개시물의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 본 개시물의 특징 및 기술적 이점을 다소 광범위하게 개략화하였다. 본 발명의 청구범위의 주제를 형성하는 본 발명의 추가적인 특징 및 이점이 이하에서 설명될 것이다. 개시된 개념 및 특정 실시예는 본 개시의 동일한 목적을 수행하기 위한 다른 구조 또는 프로세스를 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 용이하게 활용될 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해되어야 한다. 또한, 그러한 등가 구성은 첨부된 청구범위에 기재된 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않는다는 것이 당업자에 의해 인식되어야 한다.
본 개시내용 및 그의 이점에 대한 보다 완전한 이해를 위해, 이제 첨부 도면과 함께 취해진 다음 설명을 참조하며, 여기서:
도 1은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 예시하고;
도 2는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 도 1에 도시된 무선 전력 전송 장치의 개략도를 도시하며,
도 3은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 높은 시스템 이득 애플리케이션에서 수신기의 제1 구성의 제1 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 도시하고,
도 4는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 높은 시스템 이득 애플리케이션에서 수신기의 제1 구성의 제2 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 도시하며,
도 5는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 높은 시스템 이득 애플리케이션에서 수신기의 제2 구성의 제1 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 도시하고,
도 6은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 높은 시스템 이득 애플리케이션에서 수신기의 제2 구성의 제2 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 도시하며,
도 7은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 낮은 시스템 이득 애플리케이션의 제1 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 도시하고,
도 8은 본 개시의 다양한 실시예에 따른 낮은 시스템 이득 애플리케이션의 제2 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 도시하며; 그리고,
도 9는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따라 도 2에 도시된 수신기를 제어하는 흐름도를 도시한다.
다른 도면에서 대응하는 숫자 및 기호는 일반적으로 달리 표시되지 않는 한 대응하는 부분을 지칭한다. 도면은 다양한 실시예의 관련 양태를 명확하게 예시하기 위해 그려지며 반드시 일정한 비율로 그려지는 것은 아니다.
도 1은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 예시하고;
도 2는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 도 1에 도시된 무선 전력 전송 장치의 개략도를 도시하며,
도 3은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 높은 시스템 이득 애플리케이션에서 수신기의 제1 구성의 제1 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 도시하고,
도 4는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 높은 시스템 이득 애플리케이션에서 수신기의 제1 구성의 제2 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 도시하며,
도 5는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 높은 시스템 이득 애플리케이션에서 수신기의 제2 구성의 제1 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 도시하고,
도 6은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 높은 시스템 이득 애플리케이션에서 수신기의 제2 구성의 제2 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 도시하며,
도 7은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 낮은 시스템 이득 애플리케이션의 제1 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 도시하고,
도 8은 본 개시의 다양한 실시예에 따른 낮은 시스템 이득 애플리케이션의 제2 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 도시하며; 그리고,
도 9는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따라 도 2에 도시된 수신기를 제어하는 흐름도를 도시한다.
다른 도면에서 대응하는 숫자 및 기호는 일반적으로 달리 표시되지 않는 한 대응하는 부분을 지칭한다. 도면은 다양한 실시예의 관련 양태를 명확하게 예시하기 위해 그려지며 반드시 일정한 비율로 그려지는 것은 아니다.
현재 바람직한 실시예의 제조 및 사용은 아래에서 상세히 논의된다. 그러나, 본 개시는 매우 다양한 특정 맥락에서 구현될 수 있는 많은 적용 가능한 발명 개념을 제공한다는 것을 이해해야 한다. 논의된 특정 실시예는 단지 본 개시를 만들고 사용하는 특정한 방법의 예시일 뿐이며, 본 개시의 범위를 제한하지 않는다.
본 개시내용은 특정 맥락에서 바람직한 실시예, 즉 무선 전력 전송 시스템의 상이한 동작 조건과 호환가능한 정류기 회로와 관련하여 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 또한 무선 전력 전송 시스템의 다양한 전력 변환 장치에 적용될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 예시한다. 무선 전력 전송 시스템(100)은 전력 변환기(Power Converter)(104) 및 입력 전원(Input Power Source)(102)과 부하(Load)(114) 사이에 캐스케이드 연결된 무선 전력 전송 장치(101)를 포함한다. 무선 전력 전송 장치(101)는 송신기(110) 및 수신기(120)를 포함한다. 도 1에서, 송신기(110)는 송신기 회로(Transmitter Circuit)(107) 및 캐스케이드로 연결된 송신기 코일(L1)을 포함한다. 송신기 회로(107)의 입력은 전력 변환기(104)의 출력에 연결된다. 수신기(120)는 캐스케이드로 연결된 수신기 코일(L2) 및 정류기 회로(Rectifier Circuit)(112)를 포함한다. 정류기 회로(112)의 출력은 부하(114)에 연결된다.
송신기(110)는 수신기(120)가 송신기(110) 근처에 위치될 때 자기장을 통해 수신기(120)에 자기적으로 결합된다. 느슨하게 결합된 변압기(115)는 송신기(110)의 일부인 송신기 코일(L1)과 수신기(120)의 일부인 수신기 코일(L2)에 의해 형성된다. 그 결과, 전력이 송신기(110)로부터 수신기(120)로 전달될 수 있다.
일부 실시예에서, 송신기(110)는 충전 패드 내부에 있을 수 있다. 송신기 코일은 충전 패드의 윗면 아래에 위치한다. 수신기(120)는 휴대폰에 내장될 수 있다. 휴대폰을 충전 패드 근처에 놓으면 송신기 코일과 수신기 코일 사이에 자기 결합이 설정될 수 있다. 다시 말해, 송신기 코일과 수신기 코일은 느슨하게 결합된 변압기를 형성하여 송신기(110)와 수신기(120) 사이에 전력 전달이 발생한다. 송신기 코일(L1)과 수신기 코일(L2) 사이의 결합 강도는 결합 계수(k)에 의해 정량화된다. 일부 실시양태에서, k는 약 0.05 내지 약 0.9의 범위이다.
일부 실시예에서, 송신기 코일(L1)과 수신기 코일(L2) 사이에 자기 결합이 설정된 후, 송신기(110) 및 수신기(120)는 전력이 입력 전원(102)에서 부하(114)로 무선으로 전송되는 전력 시스템을 형성할 수 있다.
입력 전원(102)은 유틸리티 라인 전압을 직류(dc) 전압으로 변환하는 전원 어댑터일 수 있다. 대안적으로, 입력 전원(102)은 태양광 패널 어레이와 같은 재생 가능한 전원일 수 있다. 또한, 입력 전원(102)은 재충전 가능한 배터리, 연료 전지 등과 같은 에너지 저장 장치일 수 있다.
부하(114)는 수신기(120)에 결합된 모바일 장치(예를 들어, 모바일 폰)에 의해 소비되는 전력을 나타낸다. 대안적으로, 부하(114)는 재충전 가능한 배터리 및/또는 직렬/병렬로 연결되고 수신기(120)의 출력에 결합된 배터리를 지칭할 수 있다.
송신기 회로(107)는 일부 실시예에 따른 풀 브리지 컨버터의 1차 측 스위치를 포함할 수 있다. 대안적으로, 송신기 회로(107)는 하프 브리지 변환기, 푸시-풀 변환기 등과 같은 다른 변환기의 1차 측 스위치를 포함할 수 있다.
위에서 설명된 변환기는 단지 예에 불과하다는 점에 유의해야 한다. 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 클래스 E 토폴로지 기반 전력 변환기(예를 들어, 클래스 E 증폭기)와 같은 다른 적절한 전력 변환기가 대안적으로 사용될 수 있음을 인식할 것이다.
송신기 회로(107)는 공진 커패시터를 더 포함할 수 있다. 공진 커패시터와 송신기 코일의 자기 인덕턴스가 공진 탱크를 형성할 수 있다. 설계 요구 사항과 다양한 애플리케이션에 따라 공진 탱크는 공진 인덕터를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 공진 인덕터는 외부 인덕터로 구현될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 공진 인덕터는 연결 와이어로 구현될 수 있다.
수신기(120)는 수신기(120)가 송신기(110) 근처에 배치된 후 송신기 코일(L1)에 자기적으로 결합된 수신기 코일(L2)을 포함한다. 그 결과 전력은 수신기 코일로 전달될 수 있으며, 정류기 회로(112)를 통하여 부하(114)로 추가 전달될 수 있다. 수신기(120)는 2차 공진 커패시터를 포함할 수 있다.
정류기 회로(112)는 수신 코일(L2)의 출력으로부터 수신된 교류 극성 파형을 단일 극성 파형으로 변환한다. 일부 실시예에서, 정류기 회로(112)는 n형 금속 산화물 반도체(NMOS) 트랜지스터와 같은 스위칭 소자에 의해 형성되는 전파 브리지이다.
더하여, 정류기 회로(112)는 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 장치, 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT) 장치, 슈퍼 접합 트랜지스터(SJT) 장치, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 장치, 질화갈륨(GaN) 기반 전력 소자 등과 같은 다른 유형의 제어 가능한 장치에 의해 형성될 수 있다.
전력 변환기(104)는 입력 전원(102)과 무선 전력 전송 장치(101)의 입력 사이에 연결된다. 설계 요구 및 상이한 애플리케이션에 따라, 전력 변환기(104)는 많은 상이한 구성을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 변환기(104)는 벅 변환기와 같은 비절연 전력 변환기일 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 변환기(104)는 선형 레귤레이터로서 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 변환기(104)는 순방향 변환기와 같은 절연된 전력 변환기일 수 있다.
위에서 설명된 전력 변환기(104)의 구현은 단지 예일 뿐이며, 청구범위의 범위를 과도하게 제한하지 않아야 한다. 당업자는 많은 변형, 대안 및 수정을 인식할 것이다.
동작시, 무선 전력 전송 시스템(100)은 낮은 시스템 이득 애플리케이션에서 동작하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 무선 전력 전송 시스템(100)이 많은 양의 전력을 전달하도록 구성되는 경우, 시스템 이득을 낮추어 코일 온도를 낮추어 효율을 향상시킨다. 낮은 시스템 이득 애플리케이션에서 송신기와 수신기 사이에 전달되는 최대 전력은 약 40W 내지 약 80W의 범위에 있다. 한편, 무선 전력 전송 시스템(100)은 시스템 이득이 높은 애플리케이션에서 동작하도록 구성될 수 있다. 신청을 얻습니다. 보다 구체적으로, 무선 전력 전송 시스템(100)이 소량의 전력을 전달하도록 구성되거나, 무선 전력 전송 시스템(100)의 입력 전압이 낮은 경우, 무선 전력 전송 시스템(100)의 시스템 이득은 무선 전력 전송 시스템에 결합된 부하에 적합한 높은 출력 전압을 생성하도록 부스트된다. 높은 시스템 이득 애플리케이션에서 송신기와 수신기 사이에 전달되는 최대 전력은 약 5W에서 약 10W 사이이다. 위에서 설명한 높은 이득 애플리케이션과 낮은 이득 애플리케이션의 전력 레벨에 유의해야 한다. 청구 범위를 과도하게 제한해서는 안 되는 예시일 뿐이다. 당업자는 많은 변형, 대안 및 수정을 인식할 것이다. 예를 들어, 다양한 애플리케이션 및 설계 요구 사항에 따라 저이득 애플리케이션에서 송신기와 수신기 사이에 전달되는 전력은 120W보다 클 수 있다. 또한, 고이득 애플리케이션에서 송신기와 수신기 사이에 전달되는 전력은 약 30W에서 약 40W 범위일 수 있다.
일부 실시예에서, 정류기 회로(112)는 하프-브리지 정류기 또는 풀-브리지 정류기로서 구성되어 수신기(120)가 상이한 애플리케이션과 호환 가능하다. 보다 구체적으로, 무선 전력 전송 시스템(100)이 많은 양의 전력을 전달하도록 구성되는 경우, 수신기(120) 및 송신기(110)는 저이득 무선 전력 전송 시스템을 형성한다. 일부 실시예에서, 수신기와 송신기 사이의 이득은 약 0.5이다. 예를 들어, 송신기의 입력 전압이 약 20V일 때 수신기의 출력 전압은 약 10V이다. 위에 설명된 전압 레벨은 단지 예일 뿐이며 청구 범위를 과도하게 제한해서는 안된다.
저이득 무선 전력 전송 시스템에서, 정류기 회로(112)는 풀 브리지 정류기로 구성된다. 전력은 송신 코일 L1과 수신 코일 L2 사이에 전달된다. 수신기 코일 L2는 송신기 코일 L1보다 작다. 보다 상세하게는, 수신 코일(L2)은 송신 코일(L1)에 비해 작은 인덕턴스를 갖는다. 이러한 작은 인덕턴스 코일은 수신기 코일의 저항을 줄이는 데 도움이 되어 수신기(120)에 대한 열 스트레스를 줄인다.
한편, 무선 전력 전송 시스템(100)이 소량의 전력을 전송하도록 구성되는 경우, 정류기 회로(112)는 하프 브리지 정류기로 구성된다. 하프 브리지 정류기는 무선 전력 전송 시스템(100)의 출력 전압을 증가시키기 위한 전압 부스터의 기능을 한다. 전압 부스터는 약 1.3에서 약 2의 이득을 갖는다. 전압 부스터는 무선 전력 전송 시스템이 정상적인 이득을 갖도록 무선 전력 전송 시스템의 이득을 높이는 데 도움이 된다. 일부 실시예에서, 수신기와 송신기 사이의 정상 이득은 약 0.9이다.
도 2는 본 개시내용의 다양한 실시예들에 따른 도 1에 도시된 무선 전력 전송 디바이스의 개략도를 예시한다. 다시 도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 장치(101)는 송신기 회로(107), 송신기 코일(L1), 수신기 코일(L2) 및 정류기 회로(112)를 포함한다.
송신기 회로(107)는 도 2에 도시된 바와 같이 풀-브리지로서 구현된다. 설명 전반에 걸쳐, 송신기 회로(107)는 대안적으로 풀-브리지(107)로 지칭될 수 있다. 송신기 회로(107)는 4개의 스위칭 소자, 즉 Q11, Q12, Q13 및 Q14를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자(Q11, Q12)는 입력 전압 버스(VIN)와 접지 사이에 직렬로 연결된다. 입력 전압 버스(VIN)는 도 1에 도시된 전력 변환기(104)의 출력에 연결된다. 마찬가지로, 스위칭 소자(Q13, Q14)는 입력 전압 버스(VIN)와 접지 사이에 직렬로 연결된다. 스위칭 소자(Q11, Q12)의 공통 노드는 송신기 공진 커패시터(C1)를 통해 송신기 코일(L1)의 제1 입력 단자에 결합된다. 스위칭 소자(Q13, Q14)의 공통 노드는 송신기 코일(L1)의 제2 입력 단자에 연결된다.
일부 실시예에 따르면, 스위칭 소자(Q11, Q12, Q13 및 Q14)는 MOSFET 또는 병렬로 연결된 MOSFET들, 이들의 임의의 조합 및/또는 이와 유사한 것으로 구현된다. 대안적인 실시예에 따르면, 스위칭 소자(예를 들어, 스위치 Q11)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 장치일 수 있다. 대안적으로, 1차 스위치는 집적 게이트 정류 사이리스터(IGCT) 장치, 게이트 턴오프 사이리스터(GTO) 장치, 실리콘 제어 정류기(SCR) 장치, 접합 게이트 전계 효과 트랜지스터(JFET) 장치, MOS 제어 사이리스터(MCT) 장치, 질화갈륨(GaN) 기반 전력 장치 등과 같은 제어 가능한 스위치일 수 있다.
설명 전체의 예가 풀 브리지 변환기(예: 도 2에 도시된 풀 브리지(107))에 기초하지만, 도 2에 도시된 송신기 회로(107)의 구현은 많은 대안, 수정 및 변형을 가질 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 하프 브리지 컨버터, 푸시-풀 컨버터, 클래스 E 기반 전력 컨버터(예를 들어, 클래스 E 증폭기)가 대안적으로 사용될 수 있다. 더욱이, 인덕터-인덕터-커패시터(LLC) 공진 변환기는 일부 애플리케이션에서 송신기 코일(L1)이 수신기 코일(L2)와 단단히 결합될 때 형성될 수 있다.
요컨대, 여기에 예시된 풀 브리지(107)는 다양한 실시예의 독창적인 측면을 명확하게 설명하기 위한 목적으로만 제한된다. 본 발명은 임의의 특정 전력 토폴로지에 제한되지 않는다.
도 2가 4개의 스위치 Q11, Q12, Q13 및 Q14를 예시하지만, 본 개시내용의 다양한 실시예는 다른 변형, 수정 및 대안을 포함할 수 있음을 추가로 주목해야 한다. 예를 들어, 별도의 커패시터가 풀 브리지(107)의 각 스위치와 병렬로 연결될 수 있다. 이러한 개별 커패시터는 풀 브리지(107)의 공진 프로세스의 타이밍을 더 잘 제어하는데 도움이 된다.
수신기 코일(L2)의 출력은 수신기 공진 커패시터(C2), 정류기 회로(112) 및 출력 커패시터를 통해 부하(도 1에 도시됨)에 결합된다. 정류기 회로(112)는 수신기 코일(L2)의 출력들로부터 수신된 교류 극성 파형을 단일 극성 파형으로 변환한다. 수신기 공진 커패시터(C2)는 무선 전력 전송 시스템을 위한 소프트 스위칭을 달성하는 데 도움이 된다.
정류기 회로(112)는 4개의 스위치, 즉 Q21, Q22, Q23 및 Q24를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스위치(Q21, Q22)는 무선 전력 전송 시스템의 출력 단자(Vo)와 접지 사이에 직렬로 연결된다. 마찬가지로, 스위치(Q23, Q24)는 출력 단자(Vo)와 접지 사이에 직렬로 연결된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스위치(Q21 및 Q22)의 공통 노드는 수신기 공진 커패시터(C2)를 통해 수신기 코일(L2)의 제1 단자에 결합된다. 스위치(Q23, Q24)의 공통 노드는 수신기 코일(L2)의 제2 단자에 연결된다.
일부 실시예에 따르면, 스위치(Q21, Q22, Q23 및 Q24)는 병렬로 연결된 MOSFET 또는 MOSFET, 이들의 임의의 조합 등으로 구현된다. 대안적인 실시예에 따르면, 스위칭 소자(예를 들어, 스위치 Q21)는 IGBT 장치일 수 있다. 대안적으로, 1차 스위치는 IGCT 장치, GTO 장치, SCR 장치, JFET 장치, MCT 장치, GaN 기반 전력 장치 등과 같은 제어 가능한 스위치일 수 있다.
도 2는 4개의 스위치(Q21, Q22, Q23 및 Q24)를 도시하지만, 본 개시내용의 다양한 실시예는 다른 변형, 수정 및 대안을 포함할 수 있음을 주목해야 한다. 예를 들어, 별도의 커패시터가 정류기 회로의 각 스위치와 병렬로 연결될 수 있다. 이러한 별도의 커패시터는 정류기 회로의 공진 프로세스 타이밍을 더 잘 제어하는 데 도움이 된다.
동작시, 무선 전력 전송 시스템은 높은 시스템 이득 애플리케이션 및 낮은 시스템 이득 애플리케이션 모두에서 사용될 수 있다. 높은 시스템 이득 애플리케이션에서 수신기에 두 가지 다른 구성을 적용할 수 있다. 수신기의 제1 구성에서, 제2 스위치(Q22)는 상시 온 스위치로 구성된다. 정류기 회로(112)는 수신기의 제1 구성에 응답하여 2개의 상이한 위상에서 동작하도록 구성된다. 수신기의 첫 번째 구성의 두 가지 다른 위상에서 수신기 코일(L2), 수신기 공진 커패시터(C2) 및 스위치(Q21-Q24)는 하프 브리지 정류기를 형성한다. 수신기 코일(L2) 양단의 전압과 수신기 커패시터(C2) 양단의 전압의 합은 제2 스위치(Q22) 및 제3 스위치(Q23)를 통해 장치에 결합된 부하에 인가된다. 이 두 단계의 자세한 작동 원리는 도 3-4와 관련하여 아래에서 논의될 것이다
수신기의 제2 구성에서, 제4 스위치(Q24)는 상시 온 스위치로 구성된다. 정류기 회로는 수신기의 두 번째 구성에 응답하여 두 개의 다른 위상에서 작동하도록 구성된다. 수신기의 두 번째 구성의 두 가지 다른 위상에서 수신기 코일(L2), 수신기 공진 커패시터(C2) 및 스위치(Q21-Q24)는 하프 브리지 정류기를 형성한다. 수신기 코일(L2) 양단의 전압과 수신기 커패시터(C2) 양단의 전압의 합은 제4 스위치(Q24) 및 제1 스위치(Q21)를 통해 장치에 결합된 부하에 인가된다. 이 두 단계의 자세한 작동 원리는 도 5-6과 관련하여 아래에서 논의될 것이다.
낮은 시스템 이득 애플리케이션에서, 정류기 회로(112)는 2개의 상이한 위상에서 동작하도록 구성된다. 이 두 단계의 상세한 작동 원리는 도 7-8과 관련하여 아래에서 논의될 것이다.
도 3은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 높은 시스템 이득 애플리케이션에서 수신기의 제1 구성의 제1 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 예시한다. 일부 실시예에서, 도 2에 도시된 수신기는 소량의 전력을 수신하도록 구성된다. 송신기는 저전력 송신기이다. 예를 들어, 송신기와 수신기 사이에 전달되는 전력은 약 5W에서 약 10W의 범위에 있다. 송신기의 입력 전압은 약 10V이다. 저전력 송신기와 호환되기 위해서는 그에 따라 수신기를 늘려야 한다. 도 3에 표시된 것처럼 스위치(Q22)는 높은 시스템 이득 애플리케이션 동안 상시 작동 스위치로 구성된다. 스위치(Q22)를 상시 온(always-on) 스위치로 구성한 결과, 제2 수신 코일(L3)과 커패시터(C2)는 하프 브리지 정류기를 형성한다. 이러한 하프 브리지 정류기는 수신기의 이득을 높이는 데 도움이 된다.
수신기의 제1 구성의 제1 단계에서, 스위치(Q11, Q14, Q21 및 Q23)은 각각의 기호에 화살표로 표시된 바와 같이 턴오프된다. 스위치(Q12, Q13, Q22 및 Q24)가 켜진다. 도 3에 도시된 점선으로 표시된 바와 같이 전류는 스위치(Q24), 수신기 커패시터(C2), 수신기 코일(L2) 및 스위치(Q22)를 통해 흐른다. 전류는 수신기 커패시터(C2)를 충전하는 데 사용된다. 수신기 커패시터(C2)의 전압은 수신기 코일(L2)의 전압과 거의 같다.
도 4는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 높은 시스템 이득 애플리케이션에서 수신기의 제1 구성의 제2 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 예시한다. 수신기의 첫 번째 구성의 두 번째 단계에서 스위치(Q12, Q13, Q21 및 Q24)는 각 기호의 화살표로 표시된 대로 꺼진다. 스위치(Q11, Q14, Q22 및 Q23)가 켜진다. 도 4에 도시된 점선으로 표시된 바와 같이 전류는 스위치(Q22), 수신기 코일 (L2), 수신기 커패시터(C2) 및 스위치(Q23)을 통해 흐른다. 수신기 코일(L2) 양단의 전압과 수신기 커패시터(C2) 양단의 전압의 합은 출력 단자(Vo)에 인가된다.
일부 실시예에서, 위에서 논의된 제1 위상 및 제2 위상에서, 송신기 회로의 듀티 사이클은 수신기 커패시터(C2) 양단의 전압을 조정하도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 첫 번째 위상의 시간을 줄임으로써 수신기 커패시터(C2)가 완전히 충전되지 않는다. 충전 시간이 짧기 때문에 수신기 커패시터(C2) 양단의 전압이 그에 따라 감소한다. 다시 말해서, 첫 번째 위상의 시간을 제어함으로써 수신기 커패시터(C2) 양단의 전압이 그에 따라 조정된다. 일부 실시예에서, 무선 전력 전송 시스템의 상이한 전력 레벨에 따라, 수신기 커패시터(C2)에 걸친 전압은 무선 전력 전송 시스템의 이득이 무선 전력 전송 시스템의 전력 레벨에 반비례하도록 점진적으로 조정된다.
도 5는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 높은 시스템 이득 애플리케이션에서 수신기의 제2 구성의 제1 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 예시한다. 수신기의 두 번째 구성의 첫 번째 단계에서 스위치(Q12, Q13, Q21 및 Q23)는 각 기호의 화살표로 표시된 대로 꺼진다. 스위치(Q11, Q14, Q22 및 Q24)는 켜진다. 도 5에 도시된 점선으로 표시된 바와 같이 전류는 스위치(Q22), 수신기 코일(L2), 수신기 커패시터(C2) 및 스위치(Q24)를 통해 흐른다. 전류는 수신기 커패시터(C2)를 충전하는 데 사용된다. 수신기 커패시터(C2)의 전압은 수신기 코일(L2)의 전압과 거의 같다.
도 6은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 높은 시스템 이득 애플리케이션에서 수신기의 제2 구성의 제2 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 예시한다. 수신기의 두 번째 구성의 두 번째 단계에서 스위치(Q11, Q14, Q22 및 Q23)는 각 기호의 화살표로 표시된 대로 꺼진다. 스위치(Q12, Q13, Q21 및 Q24)는 켜진다. 도 6에서 점선으로 나타낸 바와 같이, 전류는 스위치(Q24), 수신기 커패시터(C2), 수신기 코일(L2) 및 스위치(Q21)를 통해 흐른다. 수신기 코일(L2) 양단의 전압과 수신기 커패시터(C2) 양단의 전압의 합은 출력 단자(Vo)에 인가된다.
도 7은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 낮은 시스템 이득 애플리케이션의 제1 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 예시한다. 낮은 시스템 이득 애플리케이션에서 송신기는 고전력 송신기이다. 예를 들어, 송신기와 수신기 사이에 전달되는 전력은 약 40W에서 약 80W의 범위에 있다. 송신기의 입력 전압은 약 20V이다. 고전력 송신기와 호환되기 위해서는 그에 따라 수신기의 이득을 줄여야 한다. 정류기 회로는 무선 전력 시스템의 이득을 낮추기 위해 풀 브리지 정류기로 구성된다.
낮은 시스템 이득 애플리케이션의 첫 번째 단계에서, 스위치(Q11, Q14, Q21 및 Q24)는 각각의 기호에 화살표로 표시된 바와 같이 꺼진다. 스위치(Q12, Q13, Q22 및 Q23)는 켜진다. 전류는 도 7에 점선으로 표시된 것처럼 스위치(Q22), 수신기 코일(L2), 수신기 커패시터(C2) 및 스위치(Q23)를 통해 흐른다.
도 8은 본 개시내용의 다양한 실시예에 따른 낮은 시스템 이득 애플리케이션의 제2 위상에서 동작하도록 구성된 정류기 회로의 개략도를 예시한다. 낮은 시스템 이득 애플리케이션의 두 번째 단계에서 스위치(Q12, Q13, Q22 및 Q23)는 각 기호의 화살표로 표시된 대로 꺼진다. 스위치(Q11, Q14, Q21 및 Q24)는 켜진다. 전류는 도 8에 표시된 점선으로 표시된 것처럼 스위치(Q24), 수신기 커패시터(C2), 수신기 코일(L2) 및 스위치(Q21)를 통해 흐른다.
도 7-8과 관련하여 위에서 설명된 낮은 시스템 이득 애플리케이션을 갖는 한 가지 유리한 특징은 도 2에 도시된 수신기가 고효율을 달성할 수 있다는 점이다. 특히, 수신 코일(L2)의 인덕턴스는 송신 코일(L1)의 인덕턴스에 비해 작다. 이러한 작은 인덕턴스 코일은 저항이 낮다. 낮은 저항은 코일 온도를 낮추는 데 도움이 되어 무선 전력 전송 시스템의 효율성을 향상시킨다.
도 9는 본 개시내용의 다양한 실시예에 따라 도 2에 도시된 수신기를 제어하는 흐름도를 예시한다. 도 9에 도시된 이 흐름도는 단지 예시일 뿐이며, 이는 청구범위를 과도하게 제한하지 않아야 한다. 당업자는 많은 변형, 대안 및 수정을 인식할 것이다. 예를 들어, 도 9에 도시된 다양한 단계가 추가, 제거, 교체, 재배열 및 반복될 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 송신기 및 수신기를 포함한다. 다른 애플리케이션에 따라 송신기는 고전력 송신기일 수 있다. 수신기(예: 도 2의 수신기)가 이 고전력 송신기에 자기적으로 결합되면 수신기는 낮은 시스템 이득 애플리케이션에서 작동하도록 구성된다. 반면에, 송신기가 저전력 송신기인 경우 수신기는 높은 시스템 이득 애플리케이션에서 작동하도록 구성된다.
수신기는 정류기 회로를 포함한다. 다양한 시스템 이득 애플리케이션에 따라 정류기 회로는 수신기가 다른 애플리케이션과 호환되도록 다르게 구성될 수 있다. 수신기는 다음 단계에 따라 제어된다.
단계 902에서, 제어기는 무선 전력 전송 시스템의 시스템 이득을 결정하도록 구성된다. 무선 전력 전송 시스템은 송신기 코일, 수신기 코일 및 수신기 코일에 결합된 정류기 회로를 포함한다. 무선 전력 전송 시스템은 적은 양의 전력을 전달할 수 있으므로 송신기와 수신기 사이에 정상적인 이득이 필요하다. 반면, 무선 전력 전송 시스템은 많은 양의 전력을 전달할 수 있으므로 송신기와 수신기 사이의 이득을 줄여야 한다.
단계 904에서, 무선 전력 전송 시스템의 높은 시스템 이득 애플리케이션에 응답하여, 정류기 회로는 하프 브리지 정류기로 구성된다.
단계 906에서, 무선 전력 전송 시스템의 낮은 시스템 이득 애플리케이션에 응답하여, 정류기 회로는 풀 브리지 정류기로서 구성된다.
본 개시내용의 실시예 및 그의 이점이 상세하게 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경, 대체 및 변경이 본 명세서에서 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.
또한, 본 출원의 범위는 명세서에 기재된 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시양태로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 당업자는 본 개시의 개시로부터 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 현재 존재하거나 나중에 개발될 수단, 방법 또는 단계를 쉽게 이해할 것이다. 또는 본 명세서에 기술된 대응하는 실시예가 본 개시내용에 따라 이용될 수 있는 것과 실질적으로 동일한 결과를 달성할 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 그러한 프로세스, 기계, 제조, 물질의 구성, 수단, 방법 또는 단계와 같은 범위를 포함하도록 의도된다.
Claims (20)
- 정류기 회로의 스위치를 제어하도록 구성된 제어기로서,
상기 정류기 회로는 무선 전력 전송 시스템의 송신기 코일에 자기적으로 결합되도록 구성된 수신기 코일의 2개의 단자에 결합되고,
상기 제어기는 상기 무선 전력 전송 시스템의 높은 시스템 이득에 응답하여, 상기 정류기 회로를 하프 브리지 정류기로 구성하고;
상기 제어기는 상기 무선 전력 전송 시스템의 낮은 시스템 이득에 응답하여, 상기 정류기 회로를 풀 브리지 정류기로 구성하는 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 정류기 회로는 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치와, 직렬로 연결된 제3 스위치 및 제4 스위치를 포함하고,
상기 제1 스위치 및 제2 스위치의 공통 노드는 상기 수신기 코일의 제1 단자에 연결되고,
상기 제3 스위치 및 제4 스위치의 공통 노드는 수신기 캐패시터를 통해 상기 수신기 코일의 제2 단자에 연결되는, 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 무선 전력 전송 시스템의 높은 시스템 이득에 응답하여, 상기 제어기는 상기 제2 스위치를 상시 온 스위치로 구성하고,
상기 수신기 코일 양단의 전압과 상기 수신기 커패시터 양단의 전압의 합은 상기 제2 스위치 및 상기 제3 스위치를 통해 무선 전력 전송 시스템에 연결된 부하에 인가되는, 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 무선 전력 전송 시스템의 높은 시스템 이득에 응답하여, 상기 제어기는 상기 제4 스위치를 상시 온 스위치로 구성하고,
상기 수신기 코일 양단의 전압과 상기 수신기 커패시터 양단의 전압의 합은 상기 제1 스위치 및 상기 제4 스위치를 통해 무선 전력 전송 시스템에 연결된 부하에 인가되는, 장치.
- 제2항에 있어서,
상기 무선 전력 전송 시스템의 낮은 시스템 이득에 응답하여, 상기 제어기는 상기 정류기 회로가 두 개의 다른 위상에서 작동하도록 구성하는 장치.
- 제5항에 있어서,
상기 두 개의 다른 위상 중 제1 위상에서, 상기 제어기는 상기 제1 스위치 및 제4 스위치를 끄고, 상기 제2 스위치 및 제3 스위치를 켜도록 구성되고,
상기 두 개의 다른 위상 중 제2 위상에서, 상기 제어기는 상기 제1 스위치 및 제4 스위치를 켜고, 상기 제2 스위치 및 제3 스위치를 끄도록 구성되는, 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 수신기 코일은 무선 전력 전송 시스템에서 에너지를 전달하기 위해 송신기 코일에 자기적으로 결합되는, 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 정류기 회로는 부하에 결합된 출력을 갖고, 상기 제어기는 교번 극성 파형을 부하에 인가되는 단일 극성 파형으로 변환하도록 정류기 회로를 구성하는, 장치.
- 제어기에 의해, 송신기 코일, 수신기 코일 및 수신기 코일에 결합된 정류기 회로를 포함하는 무선 전력 전송 시스템의 시스템 이득을 결정하는 단계;
상기 무선 전력 전송 시스템의 높은 시스템 이득 애플리케이션에 응답하여, 상기 정류기 회로를 하프 브리지 정류기로 구성하도록 상기 정류기 회로의 스위치를 제어하는 단계; 및
상기 무선 전력 전송 시스템의 낮은 시스템 이득 애플리케이션에 응답하여, 상기 정류기 회로의 스위치를 제어하여 상기 정류기 회로를 풀 브리지 정류기로 구성하는 단계
를 포함하는 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 무선 전력 전송 시스템은 수신기 커패시터를 더 포함하고,
상기 정류기 회로는 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치와, 직렬로 연결된 제3 스위치 및 제4 스위치를 포함하고,
상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 공통 노드는 상기 수신기 코일의 제1 단자에 연결되고;
상기 제3 스위치 및 상기 제4 스위치의 공통 노드는 상기 수신기 커패시터를 통해 상기 수신기 코일의 제2 단자에 연결되는, 방법
- 제10항에 있어서,
상기 높은 시스템 이득 애플리케이션의 제1 위상에서, 전류가 상기 제2 스위치, 상기 수신기 코일, 상기 수신기 커패시터 및 상기 제4 스위치를 통해 흐르도록 상기 정류기 회로의 상기 스위치를 제어하는 단계; 및
상기 높은 시스템 이득 애플리케이션의 제2 위상에서, 전류가 상기 제2 스위치, 상기 수신기 코일, 상기 수신기 커패시터 및 상기 제3 스위치를 통해 흐르도록 정류기 회로의 스위치를 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 높은 시스템 이득 애플리케이션의 제1 위상에서, 전류가 상기 제2 스위치, 상기 수신기 코일, 상기 수신기 커패시터 및 상기 제4 스위치를 통해 흐르도록 상기 정류기 회로의 상기 스위치를 제어하는 단계; 및
상기 높은 시스템 이득 애플리케이션의 제2 위상에서, 전류가 상기 제4 스위치, 상기 수신기 커패시터, 상기 수신기 코일 및 상기 제1 스위치를 통해 흐르도록 정류기 회로의 스위치를 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 낮은 시스템 이득 애플리케이션의 제1 위상에서, 전류가 상기 제2 스위치, 상기 수신기 코일, 상기 수신기 커패시터 및 상기 제3 스위치를 통해 흐르도록 상기 정류기 회로의 상기 스위치를 제어하는 단계; 및
상기 낮은 시스템 이득 애플리케이션의 제2 위상에서, 전류가 상기 제4 스위치, 상기 수신기 커패시터, 상기 수신기 코일 및 상기 제1 스위치를 통해 흐르도록 상기 정류기 회로의 상기 스위치를 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 낮은 시스템 이득 애플리케이션에서, 상기 무선 전력 전송 시스템의 시스템 이득은 0.8 미만인, 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 송신기 코일의 인덕턴스는 상기 수신기 코일의 인덕턴스보다 큰, 방법.
- 제9항에 있어서,
상기 정류기 회로가 상기 제어기에 의해 상기 하프 브리지 정류기로 구성된 후, 상기 정류기 회로는 전압 부스터로 기능하는, 방법.
- 무선 전력 전송 시스템의 시스템 이득을 검출하고 상기 무선 전력 전송 시스템의 송신기 코일에 자기적으로 결합되도록 구성된 수신기 코일에 결합된 정류기 회로의 스위치를 제어하도록 구성된 회로를 포함하고,
상기 무선 전력 전송 시스템의 낮은 입력 전압에 응답하여, 상기 무선 전력 전송 시스템의 출력 전압을 승압하기 위해 상기 정류기 회로를 하프 브리지 정류기로 구성하는 제어기.
- 제18항에 있어서,
상기 정류기 회로는 직렬로 연결된 제1 스위치 및 제2 스위치와, 직렬로 연결된 제3 스위치 및 제4 스위치를 포함하고,
상기 정류기 회로는 커패시터를 통해 상기 수신기 코일에 결합되는, 제어기.
- 제17항에 있어서,
상기 무선 전력 전송 시스템의 높은 입력 전압에 응답하여, 상기 정류기 회로를 풀 브리지 정류기로 구성하는 제어기.
- 제19항에 있어서,
상기 무선 전력 전송 시스템의 높은 입력 전압에 응답하여, 상기 송신기 코일, 상기 수신기 코일 및 상기 정류기 회로는 저 이득 무선 전력 전송 시스템을 형성하는, 제어기.
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