WO2016093478A1 - 무선전력 송신장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신장치는, 공진형 코일부, 유도형 코일부 및 상기 유도형 코일부 양단에 연결된 직렬 공진회로를 포함하는 손실 억제부, 상기 손실 억제부는 상기 공진형 코일부를 구동하기 위한 제1 주파수에서 공진하는 무선전력 송신장치를 제공할 수 있고, 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치는, 공진형 코일부; 유도형 코일부 및 상기 유도형 코일부 양단에 연결된 스위치 소자, 상기 스위치 소자는 상기 공진형 코일부 또는 상기 유도형 코일부 중 어느 하나에 의한 전력 전송 시 턴 온(Turn On) 또는 턴 오프(Turn Off)되는 무선전력 송신장치를 제공할 수 있다.

Description

무선전력 송신장치

본 발명은 무선전력전송 시스템에 관한 것으로 구체적으로는 무선전력 송신장치에 관한 발명이다.

최근 정보 통신 기술이 급속도로 발전함에 따라, 정보 통신 기술을 기반으로 하는 유비쿼터스 사회가 이루어지고 있다. 언제 어디서나 정보통신 기기들이 접속되기 위해서는 사회 모든 시설에 통신 기능을 가진 컴퓨터 칩을 내장시킨 센서들이 설치되어야 한다. 따라서 이들 기기나 센서의 전원 공급 문제는 새로운 과제가 되고 있다. 또한 휴대폰뿐만 아니라 블루투스 헤드셋과 아이팟 같은 뮤직 플레이어 등의 휴대기기 종류가 급격히 늘어나면서 배터리를 충전하는 작업이 사용자에게 시간과 수고를 요구하고 됐다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 무선 전력 전송 기술이 최근 들어 관심을 받고 있다.

무선 전력 전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 자기장의 유도 원리를 이용하여 무선으로 송신기에서 수신기로 전기 에너지를 전송하는 기술로서, 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 라디오파나 레이저와 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다.

현재까지 무선을 이용한 에너지 전달 방식은 크게 자기 유도 방식, 자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식 및 단파장 무선 주파수를 이용한 전력 전송 방식 등으로 구분될 수 있다.

자기 유도 방식은 두 개의 코일을 서로 인접시킨 후 한 개의 코일에 전류를 흘려보내면 이 때 발생한 자속(MagneticFlux)이 다른 코일에 기전력을 일으키는 현상을 사용한 기술로서, 휴대폰과 같은 소형기기를 중심으로 빠르게 상용화가 진행되고 있다. 자기 유도 방식은 최대 수백 키로와트(kW)의 전력을 전송할 수 있고 효율도 높지만 최대 전송 거리가 1센티미터(cm) 이하이므로 일반적으로 충전기나 바닥에 인접시켜야 하는 단점이 있다.

자기 공진 방식은 전자기파나 전류 등을 활용하는 대신 전기장이나 자기장을 이용하는 특징이 있다. 자기 공진 방식은 전자파 문제의 영향을 거의 받지 않으므로 다른 전자 기기나 인체에 안전하다는 장점이 있다. 반면, 한정된 거리와 공간에서만 활용할 수 있으며 에너지 전달 효율이 다소 낮다는 단점이 있다.

단파장 무선 전력 전송 방식-간단히, RF 방식-은 에너지가 라디오 파(RadioWave)형태로 직접 송수신될 수 있다는 점을 활용한 것이다. 이 기술은 렉테나(rectenna)를 이용하는 RF 방식의 무선 전력 전송 방식으로서, 렉테나는 안테나(antenna)와 정류기(rectifier)의 합성어로서 RF 전력을 직접 직류 전력으로 변환하는 소자를 의미한다. 즉, RF 방식은 AC 라디오파를 DC로 변환하여 사용하는 기술로서, 최근 효율이 향상되면서 상용화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

무선 전력 전송 기술은 모바일 뿐만 아니라 IT, 철도, 가전 산업 등 산업 전반에 다양하게 활용될 수 있다.

최근에는 자기 유도 방식과 자기 공진 방식을 복합적으로 적용한 송신장치에 대한 개발이 활발해지고 있다. 이는 수신장치의 전력 공급 방식의 종류에 관계없이 수신장치에 전력을 공급할 수 있기 때문이다.

다만 자기 유도 방식과 자기 공진 방식을 혼용하는 경우, 어느 하나의 방식으로 전력 공급 시 자기 유도를 위한 코일과 자기 공진을 위한 코일 간의 자속에 의한 커플링 현상으로 전력 손실이 발생하여 전력 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

본 발명에 따른 실시예는 자기 공진 방식으로 동작 시, 자기 공진을 위한 코일로부터 발생하는 자속에 기인한 자기 유도를 위한 코일에서의 커플링 현상에 따른 전력 손실을 방지하기 위한 손실 억제부를 포함하는 무선전력전송을 위한 송신장치를 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 실시예는 자기 유도 방식으로 동작 시 손실 억제부가 자기 유도 동작에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 무선전력전송을 위한 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명에 따른 실시예는 자기 유도 방식으로 동작 시 스위치부가 자기 유도 동작에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 무선전력전송을 위한 송신장치를 제공할 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력 송신장치는, 공진형 코일부; 유도형 코일부; 및 상기 유도형 코일부 양단에 연결된 직렬 공진회로를 포함하는 손실 억제부; 상기 손실 억제부는 상기 공진형 코일부를 구동하기 위한 제1 주파수에서 공진하는 무선전력 송신장치를 제공할 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 직렬 공진회로는 적어도 하나의 커패시터와 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 손실 억제용 커패시터와 상기 손실 억제용 커패시터와 직렬 연결된 손실 억제용 인덕터를 포함하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 손실 억제부는 상기 유도형 코일부를 구동하기 위한 제2 주파수에서 기 설정된 임피던스의 크기 이상의 임피던스의 크기를 가지는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 제1 직류 신호를 변환하여 상기 공진형 코일부에 상기 제1 주파수를 가진 교류 신호를 전달하는 제1 직류/교류 변환부; 및 제2 직류 신호를 변환하여 상기 유도형 코일부에 상기 제2 주파수를 가진 교류 신호를 전달하는 제2 직류/교류 변환부;를 더 포함하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1 직류/교류 변환부를 인에이블(enable)시키고, 상기 제2 직류/교류 변환부를 디스에이블(disable) 시켜, 상기 제1 직류/교류 변환부가 상기 공진형 코일부에 상기 제1 주파수를 가진 교류 신호를 전달하도록 상기 제1 직류/교류 변환부를 제어하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제2 직류/교류 변환부를 인에이블(enable)시키고, 상기 제1 직류/교류 변환부를 디스에이블(disable) 시켜, 상기 제2 직류/교류 변환부가 상기 유도형 코일부에 상기 제2 주파수를 가진 교류 신호를 전달하도록 상기 제2 직류/교류 변환부를 제어하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 교류 신호를 입력 받아 상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부에 상기 제1 및 제2 직류 신호를 공급하는 교류/직류 변환부;를 더 포함하고, 상기 제1 직류/교류 변환부는, 상기 교류/직류 변환부 및 제1 노드 사이에 연결된 제1 고주파 필터부; 상기 교류/직류 변환부 및 제2 노드 사이에 연결된 제2 고주파 필터부; 상기 제1 노드와 제3 노드 사이에 연결된 제1 스위치; 및 상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결된 제2 스위치;를 포함하고, 상기 공진형 코일부는 상기 제1 및 제2 노드 사이에 연결된 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 교류 신호를 입력 받아 상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부에 상기 제1 및 제2 직류 신호를 공급하는 교류/직류 변환부;를 더 포함하고, 상기 제2 직류/교류 변환부는, 상기 교류/직류 변환부 및 제1 노드 사이에 연결된 제1 스위치; 상기 제1 노드 및 제3 노드 사이에 연결된 제2 스위치; 상기 교류/직류 변환부 및 제2 노드 사이에 연결된 제3 스위치; 및 상기 제2 노드 및 상기 제3 노드 사이에 연결된 제4 스위치;를 포함하고, 상기 유도형 코일부는 상기 제1 및 제2 노드 사이에 연결된 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치는, 제1 코일부; 제2 코일부; 상기 제2 코일부 양단에 연결된 공진회로를 포함하는 손실 억제부; 상기 손실 억제부의 공진 회로는 상기 제1 코일부를 구동하기 위한 제1 주파수의 신호에서 공진하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 공진회로는 적어도 하나의 커패시터와 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 공진회로는 직렬 공진회로인 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 손실 억제부는 상기 제2 코일부를 구동하기 위한 제2 주파수에서 기 설정된 임피던스의 크기 이상의 임피던스의 크기를 가지는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 제1 코일부는 공진형 코일을 포함하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 제2 코일부는 유도형 코일을 포함하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 제1 주파수는 6.78MHz인 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 제2 주파수는 125KHz인 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 손실 억제부는, 서로 직렬 연결된 가변 커패시터 및 가변 인덕터를 포함하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 제1 주파수가 가변될 때 상기 가변 커패시터의 커패시턴스 및 상기 가변 인덕터의 인덕턴스 중 적어도 하나가 변하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 제1 직류 신호를 변환하여 상기 공진형 코일부에 상기 제1 주파수를 가진 교류 신호를 전달하는 제1 직류/교류 변환부; 제2 직류 신호를 변환하여 상기 유도형 코일부에 상기 제2 주파수를 가진 교류 신호를 전달하는 제2 직류/교류 변환부; 및 상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부 중 어느 하나를 인에이블(enable)시키고 나머지 하나를 디스에이블(disable) 시키는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치는, 공진형 코일부; 유도형 코일부; 및 상기 유도형 코일부 양단에 연결된 직렬 공진회로를 포함하는 손실 억제부; 상기 손실 억제부는 상기 공진형 코일부를 구동하기 위한 제1 주파수에서 공진하는 무선전력 송신장치를 제공할 수 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 직렬 공진회로는 적어도 하나의 커패시터와 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 손실 억제용 커패시터와 상기 손실 억제용 커패시터와 직렬 연결된 손실 억제용 인덕터를 포함하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 손실 억제부는 상기 유도형 코일부를 구동하기 위한 제2 주파수에서 기 설정된 임피던스의 크기 이상의 임피던스의 크기를 가지는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 제1 직류 신호를 변환하여 상기 공진형 코일부에 상기 제1 주파수를 가진 교류 신호를 전달하는 제1 직류/교류 변환부; 및 제2 직류 신호를 변환하여 상기 유도형 코일부에 상기 제2 주파수를 가진 교류 신호를 전달하는 제2 직류/교류 변환부;를 더 포함하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1 직류/교류 변환부를 인에이블(enable)시키고, 상기 제2 직류/교류 변환부를 디스에이블(disable) 시켜, 상기 제1 직류/교류 변환부가 상기 공진형 코일부에 상기 제1 주파수를 가진 교류 신호를 전달하도록 상기 제1 직류/교류 변환부를 제어하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제2 직류/교류 변환부를 인에이블(enable)시키고, 상기 제1 직류/교류 변환부를 디스에이블(disable) 시켜, 상기 제2 직류/교류 변환부가 상기 유도형 코일부에 상기 제2 주파수를 가진 교류 신호를 전달하도록 상기 제2 직류/교류 변환부를 제어하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 교류 신호를 입력 받아 상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부에 상기 제1 및 제2 직류 신호를 공급하는 교류/직류 변환부;를 더 포함하고, 상기 제1 직류/교류 변환부는, 상기 교류/직류 변환부 및 제1 노드 사이에 연결된 제1 고주파 필터부; 상기 교류/직류 변환부 및 제2 노드 사이에 연결된 제2 고주파 필터부; 상기 제1 노드와 제3 노드 사이에 연결된 제1 스위치; 및 상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결된 제2 스위치;를 포함하고, 상기 공진형 코일부는 상기 제1 및 제2 노드 사이에 연결된 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 교류 신호를 입력 받아 상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부에 상기 제1 및 제2 직류 신호를 공급하는 교류/직류 변환부;를 더 포함하고, 상기 제2 직류/교류 변환부는, 상기 교류/직류 변환부 및 제1 노드 사이에 연결된 제1 스위치; 상기 제1 노드 및 제3 노드 사이에 연결된 제2 스위치; 상기 교류/직류 변환부 및 제2 노드 사이에 연결된 제3 스위치; 및 상기 제2 노드 및 상기 제3 노드 사이에 연결된 제4 스위치;를 포함하고, 상기 유도형 코일부는 상기 제1 및 제2 노드 사이에 연결된 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치는, 제1 코일부; 제2 코일부; 상기 제2 코일부 양단에 연결된 공진회로를 포함하는 손실 억제부; 상기 손실 억제부의 공진 회로는 상기 제1 코일부를 구동하기 위한 제1 주파수의 신호에서 공진하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 공진회로는 적어도 하나의 커패시터와 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 공진회로는 직렬 공진회로인 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 손실 억제부는 상기 제2 코일부를 구동하기 위한 제2 주파수에서 기 설정된 임피던스의 크기 이상의 임피던스의 크기를 가지는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 제1 코일부는 공진형 코일을 포함하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 제2 코일부는 유도형 코일을 포함하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 제1 주파수는 6.78MHz인 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 제2 주파수는 125KHz인 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 손실 억제부는, 서로 직렬 연결된 가변 커패시터 및 가변 인덕터를 포함하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 상기 제1 주파수가 가변될 때 상기 가변 커패시터의 커패시턴스 및 상기 가변 인덕터의 인덕턴스 중 적어도 하나가 변하는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

또한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선전력 송신장치에서, 제1 직류 신호를 변환하여 상기 공진형 코일부에 상기 제1 주파수를 가진 교류 신호를 전달하는 제1 직류/교류 변환부; 제2 직류 신호를 변환하여 상기 유도형 코일부에 상기 제2 주파수를 가진 교류 신호를 전달하는 제2 직류/교류 변환부; 및 상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부 중 어느 하나를 인에이블(enable)시키고 나머지 하나를 디스에이블(disable) 시키는 무선전력 송신장치를 제공할 수도 있다.

도 1은 자기 유도 방식 등가회로.

도 2는 자기 공진 방식 등가회로.

도 3a 및 3b는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 송신장치를 나타낸 블록도이다.

도 4a 및 도 4b는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 수신장치를 나타낸 블록도이다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 송신측 코일부의 구조를 나타낸 도면.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 송신측 코일부를 나타낸 블록도.

도 9는 송신측 코일부의 등가 회로도.

도 10은 손실 억제부의 주파수에 따른 임피던스 크기를 나타낸 그래프.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 송신장치에서 제1 및 제2 송신측 직류/교류 변환부와 제1 및 제2 송신측 임피던스 매칭부 그리고 제1 및 제2 송신측 코일부를 나타낸 도면.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 송신장치가 제1 주파수 하에서 자기 공진 방식으로 전력을 공급 시 등가회로를 나타낸 도면.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 송신장치가 제2 주파수 하에서 자기 유도 방식으로 전력을 공급 시 등가회로를 나타낸 도면.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 무선전력 송신장치의 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 또한 이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를

구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다. 또한 실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)", "전(앞) 또는 후(뒤)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(위) 또는 하(아래)" 및"전(앞) 또는 후(뒤)"는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥 상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

실시예의 설명에 있어서, 무선 전력 시스템상에서 무선 전력을 송신하는 장치는 설명의 편의를 위해 무선 파워 송신기, 무선 파워 송신 장치, 무선 전력 송신 장치, 무선 전력 송신기, 송신단, 송신기, 송신 장치, 송신측, 무선 파워 전송 장치, 무선 파워 전송기 등을 혼용하여 사용하기로 한다. 또한, 무선 전력 송신 장치로부터 무선 전력을 수신하는 장치에 대한 표현으로 설명의 편의를 위해 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 무선 파워 수신 장치, 무선 파워 수신기, 수신 단말기, 수신측, 수신 장치, 수신기 등이 혼용되어 사용될 수 있다.

발명에 따른 무선 전력 송신기는 패드 형태, 거치대 형태, AP(Access Point) 형태, 소형 기지국 형태, 스탠드 형태, 천장 매립 형태, 벽걸이 형태, 차량 매립 형태, 차량 거치 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 수신 장치에 동시에 파워를 전송할 수 있다. 이를 위해, 무선 파워 송신기는 적어도 하나의 무선 전력 전송 방식 (가령, 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식 등을 포함)을 제공할 수도 있다.

예로, 무선 전력 전송 방식은 전력 송신단 코일에서 자기장을 발생시켜 그 자기장의 영향으로 수신단 코일에서 전기가 유도되는 전자기 유도 원리를 이용하여 충전하는 전자기 유도 방식에 기반한 다양한 무전 전력 전송 표준이 사용될 수 있다. 여기서, 전자기 유도 방식의 무선파워 전송 표준은 WPC(Wireless Power Consortium) 또는/및 PMA(Power Matters Alliance)에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.

다른 일 예로, 무선 전력 전송 방식은 무선 파워 송신기의 송신 코일에 의해 발생되는 자기장을 특정 공진 주파수에 동조하여 근거리에 위치한 무선 파워 수신기에 전력을 전송하는 전자기 공진(Electromagnetic Resonance) 방식이 이용될 수도 있다. 일 예로, 전자기 공진 방식은 무선 충전 기술 표준 기구인 A4WP(Alliance for Wireless Power)에서 정의된 공진 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.

또 다른 일 예로, 무선 전력 전송 방식은 RF 신호에 저전력의 에너지를 실어 원거리에 위치한 무선 파워 수신기로 전력을 전송하는 RF 무선 파워 전송 방식이 이용될 수도 있다.

본 발명의 또 다른 일 예로, 본 발명에 따른 무선 파워 송신기는 상기한 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식, RF 무선 파워 전송 방식 중 적어도 2개 이상의 무선 전력 전송 방식을 지원할 수 있도록 설계될 수도 있다. 경우, 무선 파워 송신기는 무선 파워 송신기 및 무선 파워 수신기에서 지원 가능한 무선 전력 전송 방식뿐만 아니라 무선 파워 수신기의 종류, 상태, 요구 전력 등에 기반하여 적응적으로 해당 무선 파워 수신기를 위해 사용될 무선 전력 전송 방식을 결정할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 파워 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 전송 방식이 구비될 수 있으며, 2개 이상의 무선 파워 송신기로부터 동시에 무선 전력을 수신할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 전송 방식은 상기 전자기 유도 방식, 전자기 공진 방식, RF 무선 파워 전송 방식 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

실시예는 무선 전력 전송을 위하여 저주파(50kHz)부터 고주파(15MHz)까지의 다양한 종류의 주파수 대역을 선택적으로 사용하며, 시스템 제어를 위하여 데이터 및 제어신호를 교환할 수 있는 통신시스템을 포함할 수도 있다.

실시예는 배터리를 사용하거나 필요로 하는 전자기기를 사용하는 휴대단말 산업, 스마트 시계 산업, 컴퓨터 및 노트북 산업, 가전기기 산업, 전기자동차 산업, 의료기기 산업, 로봇 산업 등 다양한 산업분야에 적용될 수 있다.

특히 실시예에 따른 무선 전력 수신기는 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 전동 칫솔, 전자 태그, 조명 장치, 리모콘, 낚시찌 등의 소형 전자 기기 등에 탑재될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 본 발명에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 기기라면 족하다. 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 무선 파워 수신기는 차량, 무인 항공기, 에어 드론 등에도 탑재될 수 있다.

실시예는하나 또는 복수개의 전송 코일을 사용하여 한 개 이상의 다수기기에 전력 전송이 가능한 시스템을 고려할 수 있다.

실시예에 따르면 스마트폰, 노트북 등 모바일기기에서의 배터리 부족문제를 해결할 수 있고, 일 예로 테이블에 무선충전패드를 놓고 그 위에서 스마트폰, 노트북을 사용하면 자동으로 배터리가 충전되어 장시간 사용할 수 있게 된다. 또한 까페, 공항, 택시, 사무실, 식당 등 공공장소에 무선충전패드를 설치하면 모바일기기 제조사별로 상이한 충전단자에 상관없이 다양한 모바일기기를 충전할 수 있다. 또한 무선전력전송 기술이 청소기, 선풍기 등의 생활가전제품에 적용되면 전원케이블을 찾아 다닐 필요가 없게 되고 가정 내에서 복잡한 전선이 사라지면서 건물 내 배선이 줄고 공간활용 폭도 넓어질 수 있다. 또한 현재의 가정용 전원으로 전기자동차를 충전할 경우 많은 시간이 소요되지만 무선전력전송 기술을 통해서 고전력을 전송한다면 충전시간을 줄일 수 있게 되고 주차장 바닥에 무선충전시설을 설치하게 되면 전기자동차 주변에 전원케이블을 준비 해야 하는 불편함을 해소 할 수 있다.

실시예에서 사용되는 용어와 약어는 다음과 같다.

무선전력전송 시스템 (Wireless Power Transfer System): 자기장 영역 내에서 무선 전력 전송을 제공하는 시스템

송신장치(Wireless Power Transfer System-Charger; Power Transfer Unit: PTU ): 자기장 영역 내에서 전력수신기에게 무선전력전송을 제공하며 시스템 전체를 관리하는 장치로 송신장치 또는 송신기로 지칭할 수 있다.

수신장치(Wireless Power Receiver System-Device; Power Receiver Unit: PRU ): 자기장 영역 내에서 전력송신기로부터 무선전력 전송을 제공받는 장치로 수신장치 또는 수신기로 지칭할 수 있다.

충전 영역(Charging Area): 자기장 영역 내에서 실제적인 무선 전력 전송이 이루어지는 지역이며, 응용 제품의 크기, 요구 전력, 동작주파수에 따라 변할 수 있다.

S 파라미터(Scattering parameter): S 파라미터는 주파수 분포상에서 입력전압 대 출력전압의 비로 입력 포트 대 출력 포트의 비(Transmission; S21) 또는 각각의 입/출력 포트의 자체 반사값, 즉 자신의 입력에 의해 반사되어 돌아오는 출력의 값(Reflection; S11, S22).

품질 지수 Q(Quality factor): 공진에서 Q의 값은 주파수 선택의 품질을 의미하고 Q 값이 높을수록 공진 특성이 좋으며, Q 값은 공진기에서 저장되는 에너지와 손실되는 에너지의 비로 표현됨.

무선으로 전력을 전송하는 원리를 살펴보면, 무선 전력 전송 원리로 크게 자기 유도 방식과 자기 공진 방식이 있다.

자기 유도 방식은 소스 인덕터(Ls)와 부하 인덕터(Ll)를 서로 근접시켜 한쪽의 소스 인덕터(Ls)에 전류를 흘리면 발생하는 자속을 매개로 부하 인덕터(Ll)에도 기전력이 발생하는 비접촉 에너지 전송기술이다. 그리고 자기공진 방식은 2개의 공진기를 결합하는 것으로 2개의 공진기 간의 고유 주파수에 의한 자기 공진이 발생하여 동일 주파수로 진동 하면서 동일 파장 범위에서 전기장 및 자기장을 형성시키는 공명 기법을 활용하여 에너지를 무선으로 전송하는 기술이다.

도 1은 자기 유도 방식 등가회로이다.

도 1을 참조하면, 자기 유도 방식 등가회로에서 송신장치는 전원을 공급하는 장치에 따른 소스 전압(Vs), 소스 저항(Rs), 임피던스 매칭을 위한 소스 커패시터(Cs) 그리고 수신장치와의 자기적 결합을 위한 소스 코일(Ls)로 구현될 수 있고, 수신장치는 수신장치의 등가 저항인 부하 저항(Rl), 임피던스 매칭을 위한 부하 커패시터(Cl) 그리고 송신장치와의 자기적 결합을 위한 부하 코일(Ll)로 구현될 수 있고, 소스 코일(Ls)과 부하 코일(Ll)의 자기적 결합 정도는 상호 인덕턴스(Msl)로 나타낼 수 있다.

도 1에서 임피던스 매칭을 위한 소스 커패시터(Cs)와 부하 커패시터(Cl)이 없는 오로지 코일로만 이루어진 자기 유도 등가회로로부터 입력전압 대 출력전압의 비(S21)를 구하여 이로부터 최대 전력 전송 조건을 찾으면 최대 전력 전송 조건은 이하 수학식 1을 충족한다.

수학식 1

Ls/Rs=Ll/Rl

상기 수학식 1에 따라 송신 코일(Ls)의 인덕턴스와 소스 저항(Rs)의 비와 부하 코일(Ll)의 인덕턴스와 부하 저항(Rl)의 비가 같을 때 최대 전력 전송이 가능하다. 인덕턴스만 존재하는 시스템에서는 리액턴스를 보상할 수 있는 커패시터가 존재하지 않기 때문에 최대 전력 전달이 이루이지는 지점에서 입/출력 포트의 자체 반사값(S11)의 값은 0이 될 수 없고, 상호 인덕턴스(Msl) 값에 따라 전력 전달 효율이 크게 변화할 수 있다. 그리하여 임피던스 매칭을 위한 보상 커패시터로써 송신장치에 소스 커패시터(Cs)가 부가될 수 있고, 수신장치에 부하 커패시터(Cl)가 부가될 수 있다. 상기 보상 커패시터(Cs, Cl)는 예로 수신 코일(Ls) 및 부하 코일(Ll) 각각에 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 또한 임피던스 매칭을 위하여 송신장치 및 수신장치 각각에는 보상 커패시터 뿐만 아니라 추가적인 커패시터 및 인덕터와 같은 수동 소자가 더 부가될 수 있다.

도 2는 자기 공진 방식 등가회로이다.

도 2를 참조하면, 자기 공진 방식 등가회로에서 송신장치는 소스 전압(Vs), 소스 저항(Rs) 그리고 소스 인덕터(Ls)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 소스 코일(Source coil)과 송신측 공진 인덕터(L1)와 송신측 공진 커패시터(C1)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 송신측 공진 코일(Resonant coil)로 구현되고, 수신장치는 부하 저항(Rl)와 부하 인덕터(Ll)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 부하 코일(Load coil)과 수신측 공진 인덕터(L2)와 수신측 공진 커패시터(C2)의 직렬 연결로 폐회로를 구성하는 수신측 공진 코일로 구현되며, 소스 인덕터(Ls)와 송신측 인덕터(L1)는 K01의 결합계수로 자기적으로 결합되고, 부하 인덕터(Ll)와 부하측 공진 인덕터(L2)는 K23의 결합계수로 자기적으로 결합되고, 송신측 공진 인덕터(L1)와 수신측 공진 인덕터(L2)는 K12의 결합 계수로 자기적으로 결합된다. 또 다른 실시예의 등가회로에서는 소스 코일 및/또는 부하 코일을 생략하고 송신측 공진 코일과 수신측 공진 코일만으로 이루어질 수도 있다.

자기 공진 방식은 두 공진기의 공진 주파수가 동일할 때에는 송신장치의 공진기의 에너지의 대부분이 수신장치의 공진기로 전달되어 전력 전달 효율이 향상될 수 있고, 자기 공진 방식에서의 효율은 이하 수학식 2를 충족할 때 좋아진다.

수학식 2

k/Γ >> 1 (k는 결합계수, Γ 감쇄율)

자기 공진 방식에서 효율을 증가시키기 위하여 임피던스 매칭을 위한 소자를 부가할 수 있고, 임피던스 매칭 소자는 인덕터 및 커패시터와 같은 수동 소자가 될 수 있다.

이와 같은 무선 전력 전송 원리를 바탕으로 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식으로 전력을 전달하기 위한 무선전력전송 시스템을 살펴본다.

<송신장치>

도 3a 및 도 3b는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 송신장치를 나타낸 블록도이다.

도 3a를 참조하면, 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 송신장치(1000)와 상기 송신장치(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신장치(2000)를 포함할 수 있다. 상기 송신장치(1000)는 입력되는 교류 신호를 전력 변환하여 교류 신호로 출력하는 전력변환부(101)와 상기 전력변환부(101)로부터 출력되는 교류 신호에 기초하여 자기장을 생성하여 충전 영역 내의 수신장치(2000)에 전력을 제공하는 공진회로부(102) 및 상기 전력변환부(101)의 전력 변환을 제어하고, 상기 전력변환부(101)의 출력 신호의 진폭과 주파수를 조절하고, 상기 공진회로부(102)의 임피던스 매칭을 수행하며, 상기 전력변환부(101) 및 상기 공진회로부(102)로부터 임피던스, 전압, 전류 정보를 센싱하며, 상기 수신장치(2000)와 무선 통신할 수 있는 제어부(103)를 포함할 수 있다. 상기 전력변환부(101)는 교류신호를 직류로 변환하는 전력변환부, 직류의 레벨을 가변하여 직류를 출력하는 전력변환부, 직류를 교류로 변환하는 전력변환부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고 상기 공진회로부(102)는 코일과 상기 코일과 공진할 수 있는 임피던스 매칭부를 포함할 수 있다. 또한 상기 제어부(103)는 임피던스, 전압, 전류 정보를 센싱하기 위한 센싱부와 무선 통신부를 포함할 수 있다.

구체적으로 도 3b를 참조하면, 상기 송신장치(1000)는 송신측 교류/직류 변환부(1100), 송신측 직류/교류 변환부(1200), 송신측 임피던스 매칭부(1300), 송신 코일부(1400) 그리고 송신측 통신 및 제어부(1500)을 포함할 수 있다.

송신측 교류/직류 변환부(1100)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 외부로부터 제공되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 전력 변환부로써, 상기 송신측 교류/직류 변환부(1100)는 서브 시스템으로 정류기(1110)와 송신측 직류/직류 변환부(1120)을 포함할 수 있다. 상기 정류기(1110)는 제공되는 교류 신호를 직류 신호로 변환하는 시스템으로써 이를 구현하는 실시예로 고주파수 동작 시 상대적으로 높은 효율을 가지는 다이오드 정류기, 원-칩(one-chip)화가 가능한 동기 정류기 또는 원가 및 공간 절약이 가능하고 및 데드 타임(Dead time)의 자유도가 높은 하이브리드 정류기가 될 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고, 교류를 직류로 변환하는 시스템이라면 적용 가능하다. 또한 상기 송신측직류/직류 변환부(1120)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 상기 정류기(1110)으로부터 제공되는 직류 신호의 레벨을 조절하는 것으로 이를 구현하는 예로 입력 신호의 레벨을 낮추는 벅 컨버터(Buck converter), 입력 신호의 레벨을 높이는 부스트 컨버터(Boost converter), 입력 신호의 레벨을 낮추거나 높일 수 있는 벅 부스트 컨버터(Buck Boost converter) 또는 축 컨버터(Cuk converter)가 될 수 있다. 또한 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)는 전력 변환 제어 기능을 하는 스위치소자와 전력 변환 매개 역할 또는 출력 전압 평활 기능을 하는 인덕터및 커패시터, 전압 이득을 조절 또는 전기적인 분리 기능(절연 기능)을 하는 트랜스 등을 포함할 수 있으며, 입력되는 직류 신호에 포함된 리플 성분 또는 맥동 성분(직류 신호에 포함된 교류 성분)을 제거하는 기능을 할 수 있다. 그리고 상기 송신측 직류/직류 변환부(1120)의 출력 신호의 지령치와 실제 출력치와의 오차는 피드백 방식을 통해 조절될 수 있고, 이는 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)에 의하여 이루어 질 수 있다.

송신측 직류/교류 변환부(1200)는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 송신측 교류/직류 변환부(1100)으로부터 출력되는 직류 신호를 교류 신호로 변환하고, 변환된 교류 신호의 주파수를 조절할 수 있는 시스템으로 이를 구현하는 예로 하프 브릿지 인버터(Half bridge inverter) 또는 풀 브릿지 인버터(Full bridge inverter)가 있다. 그리고 무선전력전송 시스템은 직류를 교류로 변환하는 다양한 증폭기가 적용될 수 있고, 예로 A급, B급, AB급, C급, E 급 F급 증폭기가 있다. 또한 상기 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 출력 신호의 주파수를 생성하는 오실레이터(Ocillator)와 출력 신호를 증폭하는 파워 증폭부를 포함할 수 있다.

상기 교류/직류 변환부(1100) 및 송신측 직류/교류 변환부(1200)의 구성은 교류 전력 공급기로 대체할 수 있으며, 생략되거나 또 다른 구성으로 대체할 수도 있다.

송신측 임피던스 매칭부(1300)는 서로 다른 임피던스를 가진 지점에서 반사파를 최소화하여 신호의 흐름을 좋게 한다. 송신장치(1000)와 수신장치(2000)의 두 코일은 공간적으로 분리되어 있어 자기장의 누설이 많으므로 상기 송신장치(1000)와 수신장치(2000)의 두 연결단 사이의 임피던스 차이를 보정하여 전력 전달 효율을 향상시킬 수 있다. 상기 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 인덕터, 커패시터 그리고 저항 소자 중 적어도 하나로 구성될 수 있고, 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 상기 인덕터의 인덕턴스와 커패시터의 커패시턴스 그리고 저항의 저항 값을 가변하여 임피던스 매칭을 위한 임피던스 값을 조정할 수 있다. 그리고 무선전력전송 시스템이 자기 유도 방식으로 전력을 전송하는 경우, 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 직렬 공진 구조 또는 병렬 공진 구조를 가질 수 있고, 송신장치(1000)와 수신장치(2000) 사이의 유도 결합 계수를 증가시켜 에너지 손실을 최소화 할 수 있다. 그리고 무선전력전송 시스템이 자기 공진 방식으로 전력을 전송하는 경우, 송신측 임피던스 매칭부(1300)는송신장치(1000)와 수신장치(2000) 간의 이격 거리가 변화되거나 금속성 이물질(FO; Foreign Object), 다수의 디바이스에 의한 상호 영향 등에 따라 코일의 특성의 변화로 에너지 전송 선로상의 매칭 임피던스 변화에 따른 임피던스 매칭의 실시간 보정을 가능하게 할 수 있고, 그 보정 방식으로써 커패시터를 이용한 멀티 매칭 방식, 멀티 안테나를 이용한 매칭 방식, 멀티 루프를 이용한 방식 등이 될 수 있다.

송신측 코일(1400)은 복수개의 코일 또는 단수개의 코일로 구현될 수 있고, 송신측 코일(1400)이 복수개로 구비되는 경우 이들은 서로 이격되어 배치되거나 서로 중첩되어 배치될 수 있고, 이들이 중첩되어 배치되는 경우 중첩되는 면적은 자속 밀도의 편차를 고려하여 결정할 수 있다. 또한 송신측 코일(1400)을 제작할 때 내부 저항 및 방사 저항을 고려하여 제작할 수 있고, 이 때 저항 성분이 작으면 품질 지수(Quality factor)가 높아지고 전송 효율이 상승할 수 있다.

통신 및 제어부(1500)는 송신측 제어부(1510)와 송신측 통신부(1520)를 포함할 수 있다. 상기 송신측 제어부(1510)는 수신장치(2000)의 전력 요구량, 현재 충전량, 수신장치의 정류기 출력단의 전압(Vrect), 복수 수신장치의 각 충전 효율 그리고 무선 전력 방식중 적어도 하나 이상을 고려하여 상기 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 출력 전압(또는 송신 코일에 흐르는 전류(Itx_coil)을 조절하는 역할을 할 수 있다. 그리고 최대 전력 전송 효율를 고려하여 상기 송신측 직류/교류 변환부(1200)를 구동하기 위한 주파수 및 스위칭 파형들을 생성하여 전송될 전력을 제어할 수 있다. 또한 수신장치(2000)의 저장부(미도시)로부터 독출한 제어에 요구되는 알고리즘, 프로그램 또는 어플리케이션을 이용하여 수신장치(2000)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 한편 상기 송신측 제어부(1510)는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤유닛(Micro Controller Unit) 또는 마이콤(Micom)이라고 지칭할 수 있다. 상기 송신측 통신부(1520)는 수신측 통신부(2620)와 통신을 수행할 수 있고, 통신 방식의 일 예로 블루투스, NFC, Zigbee 등의 근거리 통신 방식을 이용할 수 있다. 상기 송신측 통신부(1520)와 수신측 통신부(2620)는 서로간에 충전 상황 정보 및 충전 제어 명령 등의 송수신을 진행할 수 있다. 그리고 상기 충전 상황 정보로는 수신장치(2000)의 개수, 배터리 잔량, 충전 횟수, 사용량, 배터리 용량, 배터리 비율 그리고 송신장치(1000)의 전송 전력량 등을 포함할 수 있다. 또한 송신측 통신부(1520)는 수신장치(2000)의 충전 기능을 제어하는 충전 기능 제어 신호를 송신할 수 있고, 상기 충전 기능 제어 신호는 수신장치(2000)를 제어하여 충전 기능을 인에이블(enabled) 또는 디스에이블(disabled)하게 하는 제어 신호일 수 있다.

이처럼, 송신측 통신부(1520)는 별도의 모듈로 구성되는 아웃-오브-밴드(out-of-band) 형식으로 통신될 수도 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 송신장치가 전송하는 전력신호를 이용하여 수신장치가 송신장치에 전달하는 피드백 신호를 이용하고, 송신장치가 전송하는 전력신호의 주파수를 쉬프트(Frequency shift)를 이용하여 송신장치가 수신장치에 신호를 전송하는 인-밴드(in-band) 형식으로 통신을 수행할 수도 있다. 예를 들어, 수신장치는 피드백 신호를 변조하여 충전 개시, 충전 종료, 배터리 상태 등의 정보를 피드백 신호를 통해 송신기에 전달할 수도 있다. 또한 상기 송신측 통신부(1520)는 상기 송신측 제어부(1510)와 별도로 구성될 수 있고, 상기 수신장치(2000) 또한 수신측 통신부(2620)가 수신 장치의 제어부(2610)에 포함되거나 별도로 구성될 수 있다.

또한 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 송신장치(1000)는 검출부(1600)를 추가로 구비할 수 있다.

상기 검출부(1600)는 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 입력 신호, 송신측 교류/직류 변환부(1100)의 출력 신호, 송신측 직류/교류 변환부(1200)의 입력 신호, 송신측 직류/교류 변환부(1200)의 출력 신호, 송신측 임피던스 매칭부(1300)의 입력 신호, 송신측 임피던스 매칭부(1300)의 출력 신호, 송신측 코일(1400)의 입력 신호 또는 송신측 코일(1400) 상의 신호 중 적어도 하나를 검출할 수 있다. 일 예로, 상기 신호는 전류에 대한 정보, 전압에 대한 정보 또는 임피던스에 대한 정보 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 검출된 신호는 통신 및 제어부(1500)로 피드백되고 이를 기초로 상기 통신 및 제어부(1500)는 송신측 교류/직류 변환부(1100), 송신측 직류/교류 변환부(1200), 송신측 임피던스 매칭부(1300)를 제어할 수 있다. 또한 상기 검출부(1600)의 검출 결과를 기초하여 상기 통신 및 제어부(1500)는 FOD(Foreign object detection)를 수행할 수 있다. 그리고 상기 검출되는 신호는 전압 및 전류 중 적어도 하나일 수 있다. 한편 상기 검출부(1600)는 통신 및 제어부(1500)와 상이한 하드웨어로 구성되거나, 하나의 하드웨어로 구현될 수 있다.

<수신장치>

도 4a 및 도 4b는 무선전력전송 시스템을 구성하는 서브 시스템 중 하나로 수신부(또는, 수신 장치)를 나타낸 블록도이다.

도 4a를 참조하면, 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 송신부(1000)와 상기 송신부(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신부(2000)를 포함할 수 있다. 상기 수신장치(2000)는 상기 송신장치(1000)로부터 전송되는 교류 신호를 수신하는 수신측 공진회로부(201), 상기 수신측 공진회로부(201)로부터의 교류 전력을 전력 변환하여 직류 신호로 출력하는 수신측 전력변환부(202)와 상기 수신측 전력변환부(202)로부터 출력되는 직류 신호를 수신하여 충전되는 부하(2500) 그리고 상기 수신측 공진회로부(201)의 전류 전압을 센싱하거나, 상기 수신측 공진회로부(201)의 임피던스 매칭을 수행하거나, 상기 수신측 전력변환부(202)의 전력 변환을 제어하고, 상기 수신측 전력변환부(202)의 출력 신호의 레벨을 조절하거나, 상기 수신측 전력변환부(202)의 입력 또는 출력 전압이나 전류를 센싱 하거나, 상기 수신측 전력변환부(202)의 출력 신호의 상기 부하(2500)로의 공급 여부를 제어하거나, 상기 송신장치(1000)와 통신할 수 있는 수신측 제어부(203)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 수신측 전력변환부(202)는 교류신호를 직류로 변환하는 전력변환부, 직류의 레벨을 가변하여 직류를 출력하는 전력변환부, 직류를 교류로 변환하는 전력변환부를 포함할 수 있다. 또한 도 4b를 참조하면, 실시예에 따른 무선전력전송 시스템은 송신장치(또는, 송신 장치)(1000)와 상기 송신장치(1000)로부터 무선으로 전력을 전송받는 수신장치(또는, 수신 장치)(2000)를 포함할 수 있고, 상기 수신장치(2000)는수신측 코일부(2100) 및 수신측 임피던스 매칭부(2200)로 구성된 수신측 공진회로부(2120), 수신측 교류/직류 변환부(2300), 직류/직류변환부(2400), 부하(2500) 및 수신측 통신 및 제어부(2600)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)는 교류 신호를 직류 신호로 정류하는 정류부로 지칭할 수 있다.

수신측 코일부(2100)은 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식을 통해 전력을 수신할 수 있다. 이와 같이 전력 수신 방식에 따라서 유도 코일 또는 공진 코일 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

일 실시예로, 수신측 코일부(2100)는 근거리 통신용 안테나(NFC: Near Field Communication)와 함께 휴대단말에 배치될 수 있다. 그리고 상기 수신측 코일부(2100)은송신측 코일부(1400)와 동일할 수도 있고, 수신 안테나의 치수는 수신장치(200)의 전기적 특성에 따라 달라질 수도 있다.

수신측 임피던스 매칭부(2200)는 송신기(1000)와 수신기(2000) 사이의 임피던스 매칭을 수행한다.

상기 수신측교류/직류 변환부(2300)는 수신측 코일부(2100)으로부터 출력되는 교류 신호를 정류하여 직류 신호를 생성한다. 그리고 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압은 정류 전압(Vrect)로 지칭할 수 있고,수신측 통신 및 제어부(2600)는 상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압을 검출하거나 변경할 수 있고,상기 수신측 교류/직류 변환부(2300)의 출력 전압의 최소값인 최소 정류 전압(Vrect_min)(또는 최소 출력 전압(Vrect_min)으로 지칭), 최대값인 최대 정류 전압(Vrect_max)(또는 최대 출력 전압(Vrect_max)으로 지칭), 상기 최소값과 최대값 사이의 값 중 어느 하나의 전압 값을 가지는 최적 정류 전압(Vrect_set)(또는 최적 출력 전압(Vrect_set)으로 지칭)에 대한 정보와 같은 상태 파라미터 정보를 송신장치(1000)에 전송할 수 있다.

수신측 직류/직류 변환부(2400)는 수신측 교류/직류 변환부(2300)에서 출력되는 직류 신호의 레벨을 부하(2500)의 용량에 맞게 조정할 수 있다.

상기 부하(2500)는 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서 그리고 각종 센서들을 포함할 수 있다.

수신측 통신 및 제어부(2600)는 송신측 통신 및 제어부(1500)로부터 웨이크-업 전력에 의해 활성화 될 수 있고, 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)와 통신을 수행하고, 수신장치(2000)의 서브 시스템의 동작을 제어할 수 있다.

상기 수신장치(2000)는 단수 또는 복수개로 구성되어 송신장치(1000)로부터 동시에 에너지를 무선으로 전달 받을 수 있다. 즉 자기 공진 방식의 무선전력전송 시스템에서는 하나의 송신장치(1000)로부터 복수의 타켓 수신장치(2000)가 전력을 공급받을 수 있다. 이때 상기 송신장치(1000)의 송신측 매칭부(1300)는 복수개의 수신장치(2000)들 사이의 임피던스 매칭을 적응적으로 수행할 수 있다. 이는 자기 유도 방식에서 서로 독립적인 수신측 코일부를 복수개 구비하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.

또한 상기 수신장치(2000)가 복수개로 구성된 경우 전력 수신 방식이 동일한 시스템이거나, 서로 다른 종류의 시스템이 될 수 있다. 이 경우, 송신장치(1000)는 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식으로 전력을 전송하는 시스템이거나 양 방식을 혼용한 시스템일 수 있다.

한편 무선전력전송 시스템의 신호의 크기와 주파수 관계를 살펴보면, 자기 유도 방식의 무선 전력 전송의 경우, 송신장치(1000)에서 송신측 교류/직류 변환부(1100)은 수십 또는 수백 V대(예를 들어 110V~220V)의 수십 또는 수백 Hz 대(예를 들어 60Hz)의 교류 신호를 인가 받아 수V 내지 수십V, 수백V(예를 들어 10V~20V)의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 직류 신호를 인가 받아 KHz대(예를 들어 125KHz)의 교류 신호를 출력할 수 있다. 그리고 수신장치(2000)의수신측 교류/직류 변환부(2300)는 KHz대(예를 들어 125KHz)의 교류 신호를 입력 받아 수V 내지 수십V, 수백V대(예를 들어 10V~20V)의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 수신측 직류/직류변환부(2400)는 부하(2500)에 적합한, 예를 들어 5V의 직류 신호를 출력하여 상기 부하(2500)에 전달할 수 있다. 그리고 자기 공진 방식의 무선 전력 전송의 경우, 송신장치(1000)에서 송신측 교류/직류 변환부(1100)은 수십 또는 수백 V대(예를 들어 110V~220V)의 수십 또는 수백 Hz 대(예를 들어 60Hz)의 교류 신호를 인가 받아 수V 내지 수십V, 수백V(예를 들어 10V~20V)의 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 직류 신호를 인가받아 MHz대(예를 들어 6.78MHz)의 교류 신호를 출력할 수 있다. 그리고 수신장치(2000)의수신측 교류/직류 변환부(2300)는 MHz(예를 들어 6.78MHz)의 교류 신호를 입력 받아 수V 내지 수십V, 수백V(예를 들어 10V~20V)의 수신측 직류 신호로 변환하여 출력할 수 있고, 직류/직류변환부(2400)는 부하(2500)에 적합한, 예를 들어 5V의 직류 신호를 출력하여 상기 부하(2500)에 전달할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 송신장치를 나타낸 블록도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 송신장치(1000)의 송신측 직류/교류 변환부(1200)는 제1 및 제2 직류/교류 변환부(1210, 1220)을 포함할 수 있고, 송신측 임피던스 매칭부(1300)는 제1 및 제2 임피던스 매칭부(1310, 1320)를 포함할 수 있다. 그리고 송신측 코일부(1400)는 제1 및 제2 송신측 코일부(1410, 1420)를 포함할 수 있다.

제1 실시예에 따른 상기 송신장치(1000)는 제1 송신측 코일부(1410)와 제2 송신측 코일부(1420) 그리고 상기 제2 송신측 코일부(1420) 양단에 연결된 공진회로를 포함하는 손실 억제부(1430)을 포함할 수 있다. 그리고 상기 손실 억제부(1430)의 공진 회로는 상기 제1 송신측 코일부(1410)를 구동하기 위한 제1 주파수의 신호에서 공진할 수 있다. 그리고 상기 공진회로는 적어도 하나의 커패시터와 적어도 하나의 인덕터를 포함할 수 있다. 그리고 상기 공진회로는 직렬 공진회로일 수 있다. 또한 상기 손실 억제부(1430)는 상기 제2 송신측 코일부(1420)를 구동하기 위한 제2 주파수에서 기 설정된 임피던스의 크기 이상의 임피던스의 크기를 가질 수 있다. 이 때 상기 기 설정된 임피던스의 크기는 상기 제2 주파수에서 상기 손실 억제부(1430)가 상기 제2 송신측 코일부(1420)에 끼치는 영향의 최소화를 고려하여 미리 설정된 임계치일 수 있다.

제2 실시예에 따른 상기 송신장치(1000)는 제1 송신측 코일부(1410)와 제2 송신측 코일부(1420) 그리고 상기 제2 송신측 코일부(1420)의 양단에 연결된 스위치부(1430)를 포함할 수 있다. 상기 스위치부(1430)는 적어도 하나의 스위치 소자를 포함하고, 상기 스위치부(1430)는 상기 제1 송신측 코일부(1410)를 구동하여 무선 전력을 전송할 때 턴 온(Turn On)됨으로써 단락되어 상기 제2 송신측 코일부(1420) 양단에 도선이 병렬 연결된 것과 같은 효과를 가져오고, 상기 제2 송신측 코일부(1420)를 구동하여 무선 전력을 전송할 때 턴 오프(Turn Off)됨으로써 개방되어 상기 제2 송신측 코일부(1420)의 양단에 무한대의 저항이 병렬 연결된 것과 같은 효과를 가져올 수 있다.

제1 및 제2 실시예에 따른 상기 제1 송신측 코일부(1410)는 공진형 코일부일 수 있고, 이 경우 상기 제1 직류/교류 변환부(1210)는 상기 공진형 코일부(1410)에 제1 주파수인 6.78MHz 또는 6.78MHz 근방의 주파수를 가진 교류 전력을 제공할 수 있으며, 상기 제1 임피던스 매칭부(1310)는 상기 공진형 코일부(1410)와 수신장치(200)의 수신측 코일부(2100)간의 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.

또한 제1 및 제2 실시예에 따른 상기 제2 송신측 코일부(1420)는 유도형 코일부일 수 있고, 이 경우 상기 제2 직류/교류 변환부(1220)는 상기 유도형 코일부(1420)에 제2 주파수인 125KHz 또는 125KHz 근방의 주파수를 가진 교류 전력을 제공할 수 있으며, 상기 제2 임피던스 매칭부(1320)는 상기 유도형 코일부(1420)와 수신장치(200)의 수신측 코일부(2100)간의 임피던스 매칭을 수행할 수 있다.

한편 제1 및 제2 실시예에 따른 송신측 통신 및 제어부(1500)는 상기 제1 직류/교류 변환부(1210) 또는 제2 직류/교류 변환부(1220) 중 어느 하나를 제어하여 송신장치(1000)가 자기 공진 방식 또는 자기 유도 방식으로 무선 전력을 전송하도록 할 수 있다. 즉, 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)는 상기 제1 직류/교류 변환부(1210)가 구동하도록 상기 제1 직류/교류 변환부(1210)를 인에이블(enable)하고 상기 제2 직류/교류 변환부(1220)가 구동하지 않도록 상기 제2 직류/교류 변환부(1220)를 디스에이블(disable)하고, 상기 공진형 코일부(1410)에 제1 주파수의 신호를 공급함으로써 자기 공진 방식으로 송신장치(1000)가 수신장치(2000)로 전력 전송을 하고, 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)는 상기 제2 직류/교류 변환부(1220)를 인에이블(enable)하고 상기 제1 직류/교류 변환부(1210)를 디스에이블(disable)하고, 상기 유도형 코일부(1420)에 제2 주파수의 신호를 공급함으로써 자기 유도 방식으로 송신장치(1000)가 수신장치(2000)로 전력을 전송하게 할 수 있다.

한편 제2 실시예에 따르면, 제1 직류/교류 변환부(1210)를 구동시키고, 상기 제2 직류/교류 변환부(1220)를 구동 시키지 않는 경우, 상기 제1 직류/교류 변환부(1210)의 동작에 동기하여 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)로부터의 스위칭 제어 신호에 의해 스위치부(1430)의 스위치 소자를 단락시키고, 상기 제2 직류/교류 변환부(1220)를 구동시키고, 상기 제1 직류/교류 변환부(1210)를 구동 시키지 않는 경우, 상기 제2 직류/교류 변환부(1220)의 동작에 동기하여 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)로부터의 스위칭 제어 신호에 의해 스위치부(1430)의 스위치 소자를 개방시킬 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 송신측 코일부의 구조를 나타낸 도면이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 송신측 코일부(1400)는 코일이 실장되는 코일 인쇄회로기판(Printed circuit board; 3100)과 상기 코일 인쇄회로기판(3100)의 일면에 부착된 차폐제(3200) 그리고 상기 차폐제(3200)의 일면에 부착되고 상기 코일에 전기적 신호를 전송하는 송신 인쇄회로기판(3300)을 포함할 수 있다. 또한 상기 코일 인쇄회로기판(3100) 상에는 공진형 코일부(1410)를 구성하는 공진 코일(1411)과 유도형 코일부(1420)를 구성하는 유도 코일(1421)이 형성될 수 있다. 상기 공진 코일(1411)은 상기 코일 인쇄회로기판(3100)의 가장자리를 둘러싸며 배치될 수 있고, 상기 유도 코일(1421)은 상기 코일 인쇄회로기판(3100)의 중심 영역에 배치되어 상기 공진 코일(1411)이 상기 유도 코일(1421)을 감쌀 수 있다.

상기 제1 및 제2 실시예에 따른 차폐제(3200)는 상기 코일 인쇄회로기판(3100)과 상기 송신 인쇄회로기판(3300)을 전기적으로 격리하여, 상기 송신 인쇄회로기판(3300)의 구동에 따라 발생하는 전자기장의 상기 공진 및 유도 코일(1411, 1421)에 미치는 영향과 상기 공진 및 유도 코일(1411, 1421)의 구동에 따라 발생하는 전자기장의 상기 송신 인쇄회로기판(3300)에 미치는 영향을 최소화 할 수 있다.

도 8은 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 송신측 코일부를 나타낸 블록도이고, 도 9는 제1 실시예에 따른 송신측 코일부의 등가 회로도이다.

<제1 실시예에 따른 송신측 코일부 >

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 송신측 코일부(1400)는 공진형 코일부(1410)와 유도형 코일부(1420) 그리고 손실 억제부(1430)를 포함할 수 있다.

상기 손실 억제부(1430)는 상기 유도형 코일부(1420)와 제2 임피던스 매칭부(1320) 사이에 연결되고, 구체적으로 상기 유도형 코일부(1420)와 병렬 연결되고, 상기 제2 임피던스 매칭부(1320)와 병렬로 연결될 수 있다.

상기 손실 억제부(1430)는 상기 공진형 코일부(1410)에 제1 구동 주파수의 교류 신호가 공급될 때, 상기 유도형 코일부(1420)의 양단을 단락, 다시 말해 상기 유도형 코일부(1420)의 양단을 0V로 만드는 기능을 할 수 있다.

각 구성을 등가회로로 표현하면, 상기 유도형 코일부(1420)는 제1 인덕터(L1)로 표현할 수 있고, 상기 제2 임피던스 매칭부(1320)는 상기 유도형 코일부(1420)의 일단에 일단이 연결되고 타단이 제1 노드(N1)에 연결된 제1 커패시터(C1), 상기 일단이 상기 제1 노드(N1)에 연결되고 타단이 제2 노드(N2)에 연결된 제2 커패시터(C2), 일단이 상기 제1 노드(N1)에 연결되고 타단이 제2 직류/교류 변환부(1220)의 일단에 연결된 제2 인덕터(L2) 그리고 일단이 상기 제2 노드(N2)에 연결되고 타단이 상기 제2 직류/교류 변환부(1220)의 타단에 연결된 제3 인덕터(L3)로 표현할 수 있으며, 상기 상기 공진형 코일부(1410)는 제4 인덕터(L4)로 표현할 수 있다.

상기 손실 억제부(1430)는 손실 억제용 커패시터(Cp) 및 손실 억제용 인덕터(Lp)를 포함할 수 있다.

상기 손실 억제용 커패시터(CP)와 상기 손실 억제용 인덕터(Lp)는 서로 직렬 연결되어 상기 제1 인덕터(L1) 양단에 연결될 수 있다. 다시 말해 상기 제1 커패시터(C1)의 일단과 상기 제2 노드(N2) 사이에 연결될 수 있다.

이하 손실 억제부(1430)의 기능을 구체적으로 살펴본다.

상기 손실 억제부(1430)가 연결되지 않은 상태에서, 제1 주파수(f1)의 신호가 공진형 코일부(1410)에 인가될 때 상기 공진형 코일부(1410)에서 유도형 코일부(1420) 측을 바라본 입력 임피던스(Zin), 즉 상기 제4 인덕터(L4)에서 유도형 코일부(1420) 측을 바라본 입력 임피던스(Zin)을 구하면 하기 수학식 3을 충족할 수 있다.

수학식 3

(상기 수학식에서

이고 M1은 상호 인덕턴스이고, k이는 결합계수이고,

는 제1 주파수이며, Z1=R1+jX1을 의미한다)

상기 수학식 3에서 입력 임피던스(Zin)의 리얼 파트(Real part)가 존재함으로 알 수 있고, 이러한 리얼 파트에 의하여 전력 손실이 발생할 수 있다.

상기 손실 억제부(1430)가 연결된 상태에서, 제1 주파수(f1)의 신호가 공진형 코일부(1410)에 인가되고, 상기 손실 억제부(1430)가 상기 제1 주파수(f1)에 의하여 공진 상태가 되는 경우, 상기 공진형 코일부(1410)에서 유도형 코일부(1420) 측을 바라본 입력 임피던스(Zin), 즉 상기 제4 인덕터(L4)에서 유도형 코일부(1420) 측을 바라본 입력 임피던스(Zin)을 구하면 하기 수학식 4를 충족할 수 있다.

수학식 4

상기 수학식 4에서 입력 임피던스(Zin)는 리얼 파트(Real part)가 존재하지 않음을 알 수 있고, 이러한 리얼 파트에 부 존재로 인하여 제1 주파수(f1)로 공진형 코일부(1410)을 구동하는 경우 유도형 코일부(1420)에서의 전력 손실이 이상적으로는 0, 실제적으로는 전력 손실이 최소화됨을 알 수 있다.

도 10은 손실 억제부의 주파수에 따른 임피던스 크기를 나타낸 그래프이다.

도 10을 참조하면, 손실 억제부(1430)의 주파수에 따른 임피던스 크기를 살펴보면, 특정 주파수에서 임피던스(Z) 크기가 최소가 되는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 특정 주파수를 공진형 코일부(1410)를 구동하기 위한 제1 주파수(f1)가 되도록 상기 손실 억제부(1430)가 포함하는 소자 값을 셋팅(Setting)할 수 있다. 구체적으로 상기 손실 억제부(1430)의 손실 억제용 커패시터(Cp)와 손실 억제용 인덕터(Lp)가 직렬 연결되고, 제1 주파수(f1)에서 이들이 직렬 공진하여 등가적으로 단락회로처럼 동작 하도록, 하기 수학식 5를 충족하는 손실 억제용 커패시터(Cp)의 커패시턴스 값과 손실 억제용 인덕터(Lp)의 인덕턴스 값을 설정할 수 있다.

수학식 5

예를 들어 상기 제1 주파수(f1)가 6.78MHz인 이고 손실 억제용 인덕터(Lp)의 인덕턴스가 5.516uH인 경우, 손실 억제용 커패시터(Cp)의 커패시턴스는 0.1nF이 될 수 있고, 그에 따라 손실 억제부(1430)의 임피던스가 하기 수학식 6을 충족할 수 있다. 그리하여 6.78MHz에서 상기 손실 억제부(1430)가 직렬 공진하여 유도형 코일부(1420) 양단에 도선이 연결된 효과를 가지도록 하고, 전술한 수학식 4에 따라 입력 임피던스(Zin)의 리얼 파트를 제거할 수 있다. 그리하여 송신장치(1000)가 자기 공진 방식으로 무선 전력을 전송하는 경우, 유도형 코일부(1420)에서의 전력 손실을 최소화 할 수 있다.

수학식 6

본 발명에 따른 실시예는 공진형 코일부(1410)의 입력단의 임피던스에서 저항(Real part) 성분이 최소가 되도록 하여 공진형 코일부(1410)와 유도형 코일부(1420)의 간섭에 의하여 전력 로스(Loss)를 최소화하며, 각각의 자기 유도 방식의 전력 전송과 자기 공진 방식의 전력 전송이 각각 독립적으로 동작하도록 할 수 있다.

또한 유도 코일부(1420) 양단에 손실 억제용 커패시터(Cp)와 손실 억제용 인덕터(Lp)를 직렬 연결하여 제1 주파수(f1)인 6.78MHz에서 공진하도록 함으로써 공진형 코일부(1410)에서 바라보는 임피던스에서는 리얼(Real) 성분은 존재하지 않고, 허수(imaginary) 성분만 남게 됨으로써 공진형 코일부(1410)와 유도형 코일부(1420)의 유도성 커플링(inductive coupling)에 의한 손실 발생이 제거됨을 알 수 있다. 또한, 손실 억제용 커패시터(Cp)와 손실 억제용 인덕터(Lp)의 직렬연결로 인하여 자기 유도 방식으로 송신장치(1000)가 동작하는데 있어서 손실 억제부(1430)의 영향을 최소화할 필요가 있다. 구체적으로 그림10에서 볼 수 있는 것과 같이 자기 유도 방식으로 송신장치(1000)가 동작하는 제2 주파수(일 예로 200kHz, f2)에서 손실 억제용 커패시터(Cp)와 손실 억제용 인덕터(Lp)의 직렬 연결은 고(High) 임피던스가 되어, 유도형 코일부(1420)의 양단에 개방회로가 연결된 것과 같은 효과를 가짐으로써 자기 유도 방식으로 송신장치(1000)의 동작할 때 상기 손실 억제부(1430)가 끼치는 영향은 매우 작다. 예를 들어 손실 억제용 인덕터(Lp)의 인덕턴스로 5.516uH인 인덕터와, 손실 억제용 커패시터(Cp)의 커패시턴스로 0.1nF의 커패시터를 사용하는 경우, 제1 주파수(일 예로 200kHz, f1)에서 손실 억제부(1430)의 임피던스 값은 하기 수학식 7과 같이 매우 큰 값임을 알 수 있다.

수학식 7

손실 억제용 커패시터(Cp)와 손실 억제용 인덕터(Lp)의 곱의 값의 범위를 정할 수 있는데, 손실 억제용 커패시터(Cp)와 손실 억제용 인덕터(Lp)의 값이 식7에서 도출한 값과 정확히 일치할 필요가 없이, 그 근처 값을 가지더라도 제1 주파수(f1)에서는 손실 억제용 커패시터(Cp)와 손실 억제용 인덕터(Lp)의 직렬 연결 회로인 손실 억제부(1430)의 임피던스는 작은 값을 가지므로 입력 임피던스(Zin)의 저항 성분이 최소가 될 수 있고 그에 따라 또한 하나의 코일 인쇄회로기판(3100)에 실장되어 서로 인접한 공진형 코일부(1410)와 유도형 코일부(1420)간의 유도성 커플링(Inductive coupling)에 의해 발생할 수 있는 전력 손실을 줄여줄 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

한편 상기 손실 억제부(1430)은 가변 커패시터 및 가변 인덕터를 포함할 수 있다. 상기 가변 커패시터의 커패시턴스와 가변 인덕터의 인덕턴스는 송신측 통신 및 제어부(1500)의 제어 하에 변경될 수 있다. 예를 들어 제1 직류/교류 변환부(1210)을 구동하여 공진형 코일부(1410)에 제1 주파수를 가진 교류 신호를 전송할 때 상기 제1 주파수가 가변되면, 상기 송신측 통신 및 제어부(1500)는 가변 커패시터의 커패시턴스와 가변 인덕터의 인덕턴스 중 적어도 하나를 변경하여 상기 손실 억제부(1430)가 가변된 주파수에서 직렬 공진하도록 하고 그에 따라 공진형 코일부(1410)와 유도형 코일부(1420)간의 유도성 커플링(Inductive coupling)에 의해 발생할 수 있는 전력 손실을 최소화 할 수 있다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 송신장치에서 제1 및 제2 송신측 직류/교류 변환부와 제1 및 제2 송신측 임피던스 매칭부 그리고 제1 및 제2 송신측 코일부를 나타낸 도면이다.

도 11을 참조하면, 제1 송신측 직류/교류 변환부(1210)는 교류/직류 변환부(1100)로부터 제1 직류 신호(DC1)를 제5 노드(Ne) 노드로 입력 받아 제3 및 제4 노드(Nc, Nd) 양단으로 교류 신호를 출력할 수 있다. 그리고 상기 제3 및 제4 노드(Nc, Nd) 양단의 교류 신호에 의해 제1 송신측 코일부(1410)에 전류가 흐르고, 흐르는 전류에 의해 발생한 자속을 매개로 수신장치(2000)의 수신측 코일부(2100)에 전력을 전송한다.

상기 제1 송신측 직류/교류 변환부(1210)는 제1 및 제2 스위치(Sa, Sb)와 제1 및 제2 고주파 필터부(1211, 1212)를 포함할 수 있다. 상기 제1 고주파 필터부(1211)는 제3 및 제5 노드(Nc, Ne) 사이에 접속되고, 상기 제2 고주파 필터부(1212)는 제4 및 제5 노드(Nd, Ne) 사이에 접속될 수 있다. 그리고 제1 스위치(Sa)는 제3 노드(Nc)와 기준 접지 사이에 접속될 수 있고, 제2 스위치(Sb)는 제4 노드(Nd)와 기준 접지 사이에 접속될 수 있다.

상기 제1 및 제2 스위치(Sa, Sb)에는 상기 제1 및 제2 스위치(Sa, Sb)가 서로 교번하며 도통할 수 있도록 펄스 폭 변조 신호(Pulse width modulation signal)가 공급될 수 있고, 상기 상기 제1 및 제2 스위치(Sa, Sb)는 송신측 통신 및 제어부(1500)에 의하여 제1 주파수로 동작할 수 있다. 그리고 상기 제1 및 제2 고주파 필터부(1211, 1212)는 제5 노드(Ne)로부터 제공된 직류 신호(DC1)에 포함된 고주파 신호를 감쇠시킬 수 있고, 상기 제1 및 제2 고주파 필터부(1211, 1212) 각각은 적어도 하나 이상의 초크 코일(RFC)로 이루어질 수 있다.

상기 제1 송신측 임피던스 매칭부(1310)는 제3 내지 제5 커패시터(C3, C4, C5)를 포함할 수 있고, 상기 제3 커패시터(C3)는 제1 및 제3 노드(Na, Nc) 사이에 접속되고, 제4 커패시터(C4)는 제1 및 제2 노드(Na, Nb) 사이에 접속되고, 제5 커패시터(C5)는 제2 및 제4 노드(Na, Nd) 사이에 접속될 수 있다.

상기 제1 송신측 코일부(1410)는 공진형 코일부로써 제1 및 제2 노드(Na, Nb) 사이에 접속될 수 있다.

또한 손실 엑제부(1430)는 상기 제1 송신측 코일부(1410) 양단, 즉 제1 및 제2 노드(Na, Nb) 사이에 접속될 수 있다.

상기 제2 송신측 직류/교류 변환부(1220)는 교류/직류 변환부(1100)로부터 제2 직류 신호(DC2)를 제5 노드(N5) 노드로 입력 받아 제3 및 제4 노드(N3, N4) 양단으로 교류 신호를 출력할 수 있다. 그리고 상기 제3 및 제4 노드(N3, N4) 양단의 교류 신호에 의해 제2 송신측 코일부(1420)에 전류가 흐르고, 흐르는 전류에 의해 발생한 자속을 매개로 수신장치(2000)의 수신측 코일부(2100)에 전력을 전송한다.

상기 제2 송신측 직류/교류 변환부(1220)는 제1 내지 제4 스위치(S1, S2, S3, S4)를 포함할 수 있고, 상기 제1 스위치(S1)는 제3 노드(N3)와 제5 노드(N5) 사이에 접속될 수 있고, 상기 제2 스위치(S2)는 제3 노드(N3)와 기준 접지 사이에 접속될 수 있고, 상기 제3 스위치(S3)는 제4 노드(N4)와 제5 노드(N5) 사이에 접속될 수 있고, 상기 제4 스위치(S4)는 제4 노드(N4)와 기준 접지 사이에 접속될 수 있다.

상기 제1 및 제4 스위치(S1, S4)는 동일 위상, 제2 및 제3 스위치(S2, S3)는 동일 위상 그리고 제1 및 제2 스위치(S1, S2)는 반대 위상을 가지고 스위칭 할 수 있다. 그리고 송신측 통신 및 제어부(1500)에 의하여 제2 주파수로 동작할 수 있다.

상기 제2 송신측 임피던스 매칭부(1320)는 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 접속된 제2 인덕터(L2), 제2 노드(N2)와 제4 노드(N4) 사이에 접속된 제3 인덕터(L3), 제1 노드(N1)와 제6 노드(N6) 사이에 접속된 제1 커패시터(C1) 및 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 접속된 제2 커패시터(C2)를 포함할 수 있다.

상기 제2 송신측 코일부(1420)는 유도형 코일부로써 제1 및 제2 노드(N1, N2) 사이에 접속될 수 있다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 송신장치가 제1 주파수 하에서 자기 공진 방식으로 전력을 공급 시 등가회로를 나타낸 도면이다.

도 12를 참조하면, 송신장치(1000)가 자기 공진 방식으로 전력을 전송할 때, 제1 송신측 직류/교류 변환부(1210)에 제1 직류 신호(DC1)가 공급되고, 제2 송신측 직류/교류 변환부(1220)에 제2 직류 신호(DC2)의 공급이 차단될 수 있다. 그리고 송신측 통신 및 제어부(1500)에 의하여 상기 제1 송신측 직류/교류 변환부(1210)의 제1 및 제2 스위치(Sa, Sb)가 제1 주파수로 동작하고, 손실 억제부(1430)의 직렬 공진 주파수가 제1 주파수 또는 상기 제1 주파수에 근접한 주파수일 때 상기 손실 억제부(1430)는 단락 회로처럼 동작한다. 따라서 상기 손실 억제부(1430)는 제6 및 제2 노드(N6, N2) 사이에 연결된 유도형 코일부(1420)에 도선이 병렬 연결된 효과를 가져와 상기 공진형 코일부(1410)에서 상기 유도형 코일부(1420)를 바라본 입력 임피던스(Zin)에서 저항 성분이 최소가 되도록 할 수 있고, 그에 따라 상기 공진현 코일부(1410)에서 발생한 자속이 유도형 코일부(1420)에 쇄교하면서 발생하는 전력 손실을 최소화할 수 있다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 송신장치가 제2 주파수 하에서 자기 유도 방식으로 전력을 공급 시 등가회로를 나타낸 도면이다.

도 13을 참조하면, 송신장치(1000)가 자기 유도 방식으로 전력을 전송할 때, 제1 송신측 직류/교류 변환부(1210)에 제1 직류 신호(DC1)의 공급이 차단되고, 제2 송신측 직류/교류 변환부(1220)에 제2 직류 신호(DC2)가 공급될 수 있다. 그리고 송신측 통신 및 제어부(1500)에 의하여 상기 제2 송신측 직류/교류 변환부(1220)의 제1 내지 제4 스위치(S1~S4)가 제2 주파수로 동작하고, 손실 억제부(1430)는 상기 제2 주파수에서 고 임피던스를 가져 개방 회로처럼 동작한다. 따라서 자기 유도 방식으로 전력을 전송할 때 송신장치(1000)의 동작에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.

<제2 실시예에 따른 송신측 코일부>

도 14는 제2 실시예에 따른 송신측 코일부의 등가 회로도이다.

도 8 및 도 14를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 송신측 코일부(1400)는 공진형 코일부(1410)와 유도형 코일부(1420) 그리고 스위치부(1430)를 포함할 수 있다.

상기 스위치부(1430)는 상기 유도형 코일부(1420)와 제2 임피던스 매칭부(1320) 사이에 연결되고, 구체적으로 상기 유도형 코일부(1420)와 병렬 연결되고, 상기 제2 임피던스 매칭부(1320)와 병렬로 연결될 수 있다.

상기 스위치부(1430)는 상기 공진형 코일부(1410)에 제1 구동 주파수의 교류 신호가 공급될 때, 상기 유도형 코일부(1420)의 양단을 단락, 다시 말해 상기 유도형 코일부(1420)의 양단을 0V로 만드는 기능을 할 수 있다.

각 구성을 등가회로로 표현하면, 상기 유도형 코일부(1420)는 제1 인덕터(L1)로 표현할 수 있고, 상기 제2 임피던스 매칭부(1320)는 상기 유도형 코일부(1420)의 일단에 일단이 연결되고 타단이 제1 노드(N1)에 연결된 제1 커패시터(C1), 상기 일단이 상기 제1 노드(N1)에 연결되고 타단이 제2 노드(N2)에 연결된 제2 커패시터(C2), 일단이 상기 제1 노드(N1)에 연결되고 타단이 제2 직류/교류 변환부(1220)의 일단에 연결된 제2 인덕터(L2) 그리고 일단이 상기 제2 노드(N2)에 연결되고 타단이 상기 제2 직류/교류 변환부(1220)의 타단에 연결된 제3 인덕터(L3)로 표현할 수 있으며, 상기 상기 공진형 코일부(1410)는 제4 인덕터(L4)로 표현할 수 있다.

상기 스위치부(1430)는 송신측 통신 및 제어부(1500)로부터의 스위칭 제어 신호에 따라 구동할 수 있는 스위치 소자를 포함할 수 있다.

상기 스위치 소자는 상기 제1 인덕터(L1) 양단에 연결, 즉 상기 제1 인덕터(L1)와 병렬 연결될 수 있다. 다시 말해 상기 제1 커패시터(C1)의 일단과 상기 제2 노드(N2) 사이에 연결될 수 있다.

이하 스위치부(1430)의 기능을 구체적으로 살펴본다.

상기 스위치부(1430)가 연결되지 않은 상태에서, 제1 주파수(f1)의 신호가 공진형 코일부(1410)에 인가될 때 상기 공진형 코일부(1410)에서 유도형 코일부(1420) 측을 바라본 입력 임피던스(Zin), 즉 상기 제4 인덕터(L4)에서 유도형 코일부(1420) 측을 바라본 입력 임피던스(Zin)을 구하면 전술한 수학식 3을 충족할 수 있다.

상기 수학식 3에서 입력 임피던스(Zin)의 리얼 파트(Real part)가 존재함으로 알 수 있고, 이러한 리얼 파트에 의하여 전력 손실이 발생할 수 있다.

상기 스위치부(1430)가 연결된 상태에서, 제1 주파수(f1)의 신호가 공진형 코일부(1410)에 인가되고, 상기 스위치부(1430)가 단락 상태가 되는 경우, 상기 공진형 코일부(1410)에서 유도형 코일부(1420) 측을 바라본 입력 임피던스(Zin), 즉 상기 제4 인덕터(L4)에서 유도형 코일부(1420) 측을 바라본 입력 임피던스(Zin)을 구하면 전술한 수학식4를 충족할 수 있다.

상기 수학식 4에서 입력 임피던스(Zin)는 리얼 파트(Real part)가 존재하지 않음을 알 수 있고, 이러한 리얼 파트에 부 존재로 인하여 제1 주파수(f1)로 공진형 코일부(1410)을 구동하는 경우 유도형 코일부(1420)에서의 전력 손실이 이상적으로는 0, 실제적으로는 전력 손실이 최소화됨을 알 수 있다.

도 15는 본 발명의 실시예에 따른 송신장치에서 제1 및 제2 송신측 직류/교류 변환부와 제1 및 제2 송신측 임피던스 매칭부 그리고 제1 및 제2 송신측 코일부를 나타낸 도면이다.

도 15를 참조하면, 제1 송신측 직류/교류 변환부(1210)는 교류/직류 변환부(1100)로부터 제1 직류 신호(DC1)를 제5 노드(Ne) 노드로 입력 받아 제3 및 제4 노드(Nc, Nd) 양단으로 교류 신호를 출력할 수 있다. 그리고 상기 제3 및 제4 노드(Nc, Nd) 양단의 교류 신호에 의해 제1 송신측 코일부(1410)에 전류가 흐르고, 흐르는 전류에 의해 발생한 자속을 매개로 수신부(2000)의 수신측 코일부(2100)에 전력을 전송한다.

상기 제1 송신측 직류/교류 변환부(1210)는 제1 및 제2 스위치(Sa, Sb)와 제1 및 제2 고주파 필터부(1211, 1212)를 포함할 수 있다. 상기 제1 고주파 필터부(1211)는 제3 및 제5 노드(Nc, Ne) 사이에 접속되고, 상기 제2 고주파 필터부(1212)는 제4 및 제5 노드(Nd, Ne) 사이에 접속될 수 있다. 그리고 제1 스위치(Sa)는 제3 노드(Nc)와 기준 접지 사이에 접속될 수 있고, 제2 스위치(Sb)는 제4 노드(Nd)와 기준 접지 사이에 접속될 수 있다.

상기 제1 및 제2 스위치(Sa, Sb)에는 상기 제1 및 제2 스위치(Sa, Sb)가 서로 교번하며 도통할 수 있도록 펄스 폭 변조 신호(Pulse width modulation signal)가 공급될 수 있고, 상기 상기 제1 및 제2 스위치(Sa, Sb)는 송신측 통신 및 제어부(1500)에 의하여 제1 주파수로 동작할 수 있다. 그리고 상기 제1 및 제2 고주파 필터부(1211, 1212)는 제5 노드(Ne)로부터 제공된 직류 신호(DC1)에 포함된 고주파 신호를 감쇠시킬 수 있고, 상기 제1 및 제2 고주파 필터부(1211, 1212) 각각은 적어도 하나 이상의 초크 코일(RFC)로 이루어질 수 있다.

상기 제1 송신측 임피던스 매칭부(1310)는 제3 내지 제5 커패시터(C3, C4, C5)를 포함할 수 있고, 상기 제3 커패시터(C3)는 제1 및 제3 노드(Na, Nc) 사이에 접속되고, 제4 커패시터(C4)는 제1 및 제2 노드(Na, Nb) 사이에 접속되고, 제5 커패시터(C5)는 제2 및 제4 노드(Na, Nd) 사이에 접속될 수 있다.

상기 제1 송신측 코일부(1410)는 공진형 코일부로써 제1 및 제2 노드(Na, Nb) 사이에 접속될 수 있다.

또한 스위치부(1430)는 상기 제1 송신측 코일부(1410) 양단, 즉 제1 및 제2 노드(Na, Nb) 사이에 접속될 수 있다.

상기 제2 송신측 직류/교류 변환부(1220)는 교류/직류 변환부(1100)로부터 제2 직류 신호(DC2)를 제5 노드(N5) 노드로 입력 받아 제3 및 제4 노드(N3, N4) 양단으로 교류 신호를 출력할 수 있다. 그리고 상기 제3 및 제4 노드(N3, N4) 양단의 교류 신호에 의해 제2 송신측 코일부(1420)에 전류가 흐르고, 흐르는 전류에 의해 발생한 자속을 매개로 수신부(2000)의 수신측 코일부(2100)에 전력을 전송한다.

상기 제2 송신측 직류/교류 변환부(1220)는 제1 내지 제4 스위치(S1, S2, S3, S4)를 포함할 수 있고, 상기 제1 스위치(S1)는 제3 노드(N3)와 제5 노드(N5) 사이에 접속될 수 있고, 상기 제2 스위치(S2)는 제3 노드(N3)와 기준 접지 사이에 접속될 수 있고, 상기 제3 스위치(S3)는 제4 노드(N4)와 제5 노드(N5) 사이에 접속될 수 있고, 상기 제4 스위치(S4)는 제4 노드(N4)와 기준 접지 사이에 접속될 수 있다.

상기 제1 및 제4 스위치(S1, S4)는 동일 위상, 제2 및 제3 스위치(S2, S3)는 동일 위상 그리고 제1 및 제2 스위치(S1, S2)는 반대 위상을 가지고 스위칭 할 수 있다. 그리고 송신측 통신 및 제어부(1500)에 의하여 제2 주파수로 동작할 수 있다.

상기 제2 송신측 임피던스 매칭부(1320)는 제1 노드(N1)와 제3 노드(N3) 사이에 접속된 제2 인덕터(L2), 제2 노드(N2)와 제4 노드(N4) 사이에 접속된 제3 인덕터(L3), 제1 노드(N1)와 제6 노드(N6) 사이에 접속된 제1 커패시터(C1) 및 제1 노드(N1)와 제2 노드(N2) 사이에 접속된 제2 커패시터(C2)를 포함할 수 있다.

상기 제2 송신측 코일부(1420)는 유도형 코일부로써 제1 및 제2 노드(N1, N2) 사이에 접속될 수 있다.

도 16은 본 발명의 실시예에 따른 송신장치가 제1 주파수 하에서 자기 공진 방식으로 전력을 공급 시 등가회로를 나타낸 도면이다.

도 16을 참조하면, 송신장치(1000)가 자기 공진 방식으로 전력을 전송할 때, 제1 송신측 직류/교류 변환부(1210)에 제1 직류 신호(DC1)가 공급되고, 제2 송신측 직류/교류 변환부(1220)에 제2 직류 신호(DC2)의 공급이 차단될 수 있다. 그리고 스위치부(1430)는 단락될 수 있다. 따라서 상기 스위치부(1430)는 제6 및 제2 노드(N6, N2) 사이에 연결된 유도형 코일부(1420)에 도선이 병렬 연결된 효과를 가져와 상기 공진형 코일부(1410)에서 상기 유도형 코일부(1420)를 바라본 입력 임피던스(Zin)에서 저항 성분이 최소가 되도록 할 수 있고, 그에 따라 상기 공진현 코일부(1410)에서 발생한 자속이 유도형 코일부(1420)에 쇄교하면서 발생하는 전력 손실을 최소화할 수 있다.

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 송신장치가 제2 주파수 하에서 자기 유도 방식으로 전력을 공급 시 등가회로를 나타낸 도면이다.

도 17을 참조하면, 송신장치(1000)가 자기 유도 방식으로 전력을 전송할 때, 제1 송신측 직류/교류 변환부(1210)에 제1 직류 신호(DC1)의 공급이 차단되고, 제2 송신측 직류/교류 변환부(1220)에 제2 직류 신호(DC2)가 공급될 수 있다. 그리고 스위치부(1430)는 개방될 수 있다. 따라서 스위치부(1430)는 개방 회로처럼 동작하여 자기 유도 방식으로 전력을 전송할 때 송신장치(1000)의 동작에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.이와 같이 본 발명의 제1 및 제2 실시예는 자기 공진 방식과 자기 유도 방식에 따른 무선 전력 전송이 복합적으로 가능한 송신장치(1000)의 경우, 하나의 코일 인쇄회로기판(3100)에 공진형 코일부(1410)와 유도형 코일부(1420)가 함께 실장되므로 상기 공진형 코일부(1410)와 유도형 코일부(1420)가 서로간의 상호 간섭을 일으켜 손실이 발생할 수 있으나, 일반적으로 유도형 코일부(1420)에서 발생한 자기장이 공진형 코일부(1410)에 결합되어 손실되는 양은 매우 작으나, 그 반대인 공진형 코일부(1410)에서 발생한 자기장이 유도형 코일부(1420)에 결합되어 발생하는 손실은 매우 클 수 있는 점을 고려하여 손실 억제부(1430)를 통해 공진형 코일부(1410)에서 유도형 코일부(1420)측을 바라본 입력 임피던스(Zin)에서 나타나는 반사 임피던스에서 실수 부분을 제거함으로써 전력 손실을 최소화할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술할 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

본 발명은 무선으로 전력을 송수신 할 수 있는 무선충전분야에서 이용할 수 있다.

Claims (20)

1. 공진형 코일부;

   유도형 코일부; 및

   상기 유도형 코일부 양단에 연결된 직렬 공진회로를 포함하는 손실 억제부;

   상기 손실 억제부는 상기 공진형 코일부를 구동하기 위한 제1 주파수에서 공진하는 무선전력 송신장치.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 직렬 공진회로는

   적어도 하나의 커패시터와 적어도 하나의 인덕터를 포함하는 무선전력 송신장치.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 손실 억제부는 상기 유도형 코일부를 구동하기 위한 제2 주파수에서 기 설정된 임피던스의 크기 이상의 임피던스의 크기를 가지는 무선전력 송신장치.
4. 제3 항에 있어서,

   제1 직류 신호를 변환하여 상기 공진형 코일부에 상기 제1 주파수를 가진 교류 신호를 전달하는 제1 직류/교류 변환부; 및

   제2 직류 신호를 변환하여 상기 유도형 코일부에 상기 제2 주파수를 가진 교류 신호를 전달하는 제2 직류/교류 변환부;를 더 포함하는 무선전력 송신장치.
5. 제4 항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하고,

   상기 제어부는 상기 제1 직류/교류 변환부를 인에이블(enable)시키고, 상기 제2 직류/교류 변환부를 디스에이블(disable) 시켜, 상기 제1 직류/교류 변환부가 상기 공진형 코일부에 상기 제1 주파수를 가진 교류 신호를 전달하도록 상기 제1 직류/교류 변환부를 제어하고, 상기 제2 직류/교류 변환부를 인에이블(enable)시키고, 상기 제1 직류/교류 변환부를 디스에이블(disable) 시켜, 상기 제2 직류/교류 변환부가 상기 유도형 코일부에 상기 제2 주파수를 가진 교류 신호를 전달하도록 상기 제2 직류/교류 변환부를 제어하는 무선전력 송신장치.
6. 제4 항에 있어서,

   교류 신호를 입력 받아 상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부에 상기 제1 및 제2 직류 신호를 공급하는 교류/직류 변환부;를 더 포함하고,

   상기 제1 직류/교류 변환부는,

   상기 교류/직류 변환부 및 제1 노드 사이에 연결된 제1 고주파 필터부;

   상기 교류/직류 변환부 및 제2 노드 사이에 연결된 제2 고주파 필터부;

   상기 제1 노드와 제3 노드 사이에 연결된 제1 스위치; 및

   상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결된 제2 스위치;를 포함하고,

   상기 공진형 코일부는 상기 제1 및 제2 노드 사이에 연결된 무선전력 송신장치.
7. 제4 항에 있어서,

   교류 신호를 입력 받아 상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부에 상기 제1 및 제2 직류 신호를 공급하는 교류/직류 변환부;를 더 포함하고,

   상기 제2 직류/교류 변환부는,

   상기 교류/직류 변환부 및 제1 노드 사이에 연결된 제1 스위치;

   상기 제1 노드 및 제3 노드 사이에 연결된 제2 스위치;

   상기 교류/직류 변환부 및 제2 노드 사이에 연결된 제3 스위치; 및

   상기 제2 노드 및 상기 제3 노드 사이에 연결된 제4 스위치;를 포함하고,

   상기 유도형 코일부는 상기 제1 및 제2 노드 사이에 연결된 무선전력 송신장치.
8. 제3 항에 있어서,

   상기 제1 주파수는 6.78MHz이고

   상기 제2 주파수는 125KHz인 무선전력 송신장치.
9. 제1 항에 있어서,

   상기 손실 억제부는,

   서로 직렬 연결된 가변 커패시터 및 가변 인덕터를 포함하는 무선전력 송신장치.
10. 제9 항에 있어서,

    상기 제1 주파수가 가변될 때 상기 가변 커패시터의 커패시턴스 및 상기 가변 인덕터의 인덕턴스 중 적어도 하나가 변하는 무선전력 송신장치.
11. 공진형 코일부;

    유도형 코일부; 및

    상기 유도형 코일부 양단에 연결된 스위치 소자;

    상기 스위치 소자는 상기 공진형 코일부 또는 상기 유도형 코일부 중 어느 하나에 의한 전력 전송 시 턴 온(Turn On) 또는 턴 오프(Turn Off)되는 무선전력 송신장치.
12. 제11 항에 있어서,

    상기 스위치 소자는 상기 공진형 코일부에 의한 전력 전송 시 턴 온되는 무선전력 송신장치.
13. 제11 항에 있어서,

    상기 스위치 소자는 상기 유도형 코일부에 의한 전력 전송 시 턴 오프되는 무선전력 송신장치.
14. 제13 항에 있어서,

    제1 직류 신호를 변환하여 상기 공진형 코일부에 제1 주파수를 가진 교류 신호를 전달하는 제1 직류/교류 변환부; 및

    제2 직류 신호를 변환하여 상기 유도형 코일부에 제2 주파수를 가진 교류 신호를 전달하는 제2 직류/교류 변환부;를 더 포함하는 무선전력 송신장치.
15. 제14 항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부의 동작 및 상기 스위치 소자의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하고,

    상기 제어부는 상기 제1 직류/교류 변환부를 인에이블(enable)시키고, 상기 제2 직류/교류 변환부를 디스에이블(disable) 시켜, 상기 제1 직류/교류 변환부가 상기 공진형 코일부에 상기 제1 주파수를 가진 교류 신호를 전달하도록 상기 제1 직류/교류 변환부를 제어하고,

    상기 제어부는 상기 스위치 소자를 턴 온시키는 무선전력 송신장치.
16. 제14 항에 있어서,

    상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부의 동작을 제어하는 제어부;를 더 포함하고,

    상기 제어부는 상기 제2 직류/교류 변환부를 인에이블(enable)시키고, 상기 제1 직류/교류 변환부를 디스에이블(disable) 시켜, 상기 제2 직류/교류 변환부가 상기 유도형 코일부에 상기 제2 주파수를 가진 교류 신호를 전달하도록 상기 제2 직류/교류 변환부를 제어하고,

    상기 제어부는 상기 스위치 소자를 턴 오프시키는 무선전력 송신장치.
17. 제14 항에 있어서,

    교류 신호를 입력 받아 상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부에 상기 제1 및 제2 직류 신호를 공급하는 교류/직류 변환부;를 더 포함하고,

    상기 제1 직류/교류 변환부는,

    상기 교류/직류 변환부 및 제1 노드 사이에 연결된 제1 고주파 필터부;

    상기 교류/직류 변환부 및 제2 노드 사이에 연결된 제2 고주파 필터부;

    상기 제1 노드와 제3 노드 사이에 연결된 제1 스위치; 및

    상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결된 제2 스위치;를 포함하고,

    상기 공진형 코일부는 상기 제1 및 제2 노드 사이에 연결된 무선전력 송신장치.
18. 제14 항에 있어서,

    교류 신호를 입력 받아 상기 제1 및 제2 직류/교류 변환부에 상기 제1 및 제2 직류 신호를 공급하는 교류/직류 변환부;를 더 포함하고,

    상기 제2 직류/교류 변환부는,

    상기 교류/직류 변환부 및 제1 노드 사이에 연결된 제1 스위치;

    상기 제1 노드 및 제3 노드 사이에 연결된 제2 스위치;

    상기 교류/직류 변환부 및 제2 노드 사이에 연결된 제3 스위치; 및

    상기 제2 노드 및 상기 제3 노드 사이에 연결된 제4 스위치;를 포함하고,

    상기 유도형 코일부는 상기 제1 및 제2 노드 사이에 연결된 무선전력 송신장치.
19. 제11 항에 있어서,

    상기 공진형 코일부의 구동 시 상기 공진형 코일부에 6.78MHz 주파수의 교류 신호가 공급되는 무선전력 송신장치.
20. 제11 항에 있어서,

    상기 유도형 코일부의 구동 시 상기 유도형 코일부에 125KHz 주파수의 교류 신호가 공급되는 무선전력 송신장치.

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