WO2016153208A1 - 무선 전력 수신기 - Google Patents

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WO2016153208A1
WO2016153208A1 PCT/KR2016/002562 KR2016002562W WO2016153208A1 WO 2016153208 A1 WO2016153208 A1 WO 2016153208A1 KR 2016002562 W KR2016002562 W KR 2016002562W WO 2016153208 A1 WO2016153208 A1 WO 2016153208A1
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rectifier
resonator
switch
power
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PCT/KR2016/002562
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황종태
신현익
전상오
김대호
정휘용
이준
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주식회사 맵스
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    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
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    • H03H3/0077—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks of microelectro-mechanical resonators or networks for obtaining desired frequency or temperature coefficients by tuning of resonance frequency
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    • H03H2003/0414—Resonance frequency

Definitions

  • the present invention relates to a power transmission and reception technology, and more particularly, to a wireless power reception technology.
  • the wireless power transfer system includes a power transmitter (PTU, hereinafter PTU) and a power receiver (PRU, hereinafter PRU) for transmitting and receiving power wirelessly.
  • the PRU receives power using a resonator composed of an inductor L and a capacitor C. At this time, the power of the resonator flows an AC current having the same frequency as that of the power transmitted from the PTU.
  • a rectifier is required for this purpose.
  • the rectifier converts the AC signal into an unregulated DC signal. This signal is converted into a sophisticated DC voltage signal using a power converter and supplied to the load.
  • Whatever type of power converter is located, it has a two-stage structure, and the power transmission efficiency of the receiver is determined by multiplying the efficiency of the rectifier by the efficiency of the power converter. Therefore, the higher the efficiency, the more difficult the multi-stage configuration.
  • a wireless power receiver capable of increasing power transmission efficiency by generating stable output power using only a rectifier and a resonator without a separate power converter.
  • a wireless power receiver includes a resonator for receiving wireless power, a rectifier for converting AC power received from the resonator into direct current power and providing an output power to a load, and adjusting a resonance frequency of the resonator to be provided to the load. It includes a control unit for directly controlling the output power of the rectifier.
  • the resonator includes an inductor, a first capacitor, a second capacitor connected to the inductor and the first capacitor to increase the resonant frequency of the resonator, and the controller is connected between the second capacitor and the ground of the resonator to form a first capacitor. And a first switch controlling the output power of the rectifier by the first control voltage.
  • the second capacitor may be connected in series with the first capacitor and the inductor of the resonator and may be connected in series with the rectifier capacitor to increase the resonance frequency of the resonator.
  • the control unit applies a first control voltage above a preset threshold to turn on the first switch to increase the output power of the rectifier, or applies a first control voltage below the preset threshold to apply the first switch. Off to reduce the output power of the rectifier.
  • the resonator includes an inductor, a first capacitor, and a third capacitor connected in parallel with the first capacitor, connected in parallel with the inductor, and connected in parallel with the rectifier capacitor to lower the resonance frequency of the resonator.
  • the controller includes a second switch connected between the third capacitor and the ground of the resonator to control the output power of the rectifier by the second control voltage.
  • the resonator is connected in parallel with an inductor, a first capacitor, a second capacitor connected in series with the inductor and the first capacitor, and connected in series with a rectifier capacitor to increase the resonance frequency of the resonator, and in parallel with the first capacitor.
  • a third capacitor connected in parallel with the inductor and connected in parallel with the rectifier capacitor to lower the resonance frequency of the resonator, and the control unit is connected between the second capacitor of the resonator and the ground to output the rectifier by the first control voltage.
  • a second switch connected between the third capacitor and the ground of the resonator to control the output power of the rectifier by the second control voltage.
  • the control unit increases the output power of the rectifier by turning on the first switch using the first control voltage and turning off the second switch using the second control voltage, or the first switch. Is turned off using the first control voltage and the second switch is turned off using the second control voltage to increase the resonance frequency to lower the output power of the rectifier.
  • the controller turns on the first switch using the first control voltage and The second switch is turned on using the second control voltage to lower the resonance frequency to lower the output power of the rectifier.
  • the rectifier includes a first rectifier for receiving a first output signal of the resonator and a second rectifier for receiving a second output signal of the resonator.
  • power transmission efficiency may be increased by generating stable output power using only a rectifier and a resonator without a separate power converter.
  • 1 is an equivalent circuit diagram of a wireless power transfer system
  • PRU 2 is a voltage and current waveform diagram of a PRU resonator at a resonant frequency according to a change in capacitance value of a capacitor Crx in a power receiver unit (hereinafter referred to as a PRU).
  • FIG. 3 is a circuit diagram of a PRU composed of a resonator and a rectifier
  • FIG. 4 is a circuit diagram of a PRU for increasing a resonant frequency of a resonator by using a second capacitor Cdh;
  • FIG. 5 is a circuit diagram of a PRU in which a second capacitor Cdh is connected in series with a rectifier capacitor CRECT;
  • FIG. 6 is a circuit diagram of a PRU for changing output power by changing a resonance frequency by using a first switch M0;
  • FIG. 7 is a circuit diagram of a PRU for lowering a resonance frequency of a resonator by using a third capacitor Cdl;
  • FIG. 8 is a circuit diagram of a PRU for controlling a resonance frequency by using a first switch M0 and a second switch M1 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a circuit diagram of a PRU having a first rectifier and a second rectifier according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a waveform diagram showing waveforms for controlling rectifier output voltage VRECT by controlling switches M0 and M1;
  • FIG. 11 is a configuration diagram of a PRU according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is an equivalent circuit diagram of a wireless power transfer system.
  • a wireless power transmission system includes a power transmitter (Power Transmitting Unit (PTU) 10) and a power receiver (Power Receiving Unit (PRU) 12).
  • PTU Power Transmitting Unit
  • PRU Power Receiving Unit
  • the PTU 10 that transmits energy wirelessly drives the PTU resonator 102 through the high frequency AC power supply Vs 100, and the PTU resonator 102 drives the capacitor Ctx 104 and the inductor Ltx 106.
  • Inductor Ltx 106 has the equivalent impedance of the antenna of PTU 10. In order to smoothly transfer the energy supplied from the power supply Vs 100 to the PRU 12 through the antenna, it is necessary to synchronize the resonance frequency of the capacitor Ctx 104 and the inductor Ltx 106 with the frequency of the power supply Vs 100. It is common.
  • Resistor Rs 108 in FIG. 1 equals the output impedance of power supply Vs 100 and the series resistance component of PTU resonator 102 with a resistor.
  • the PRU 12 includes a PRU resonator 122 composed of an inductor Lrx 126 that is a receiving antenna and a capacitor Crx 124 for resonance.
  • the resonant frequency by the inductor Lrx 126 and the capacitor Crx 124 is generally synchronized with the frequency of the power supply Vs 100 to enable optimal energy reception.
  • Resistor RL 128 of FIG. 1 is the equivalent of a load for delivering power to a resistor.
  • K in FIG. 1 is a coupling coefficient between the inductor Ltx 106 of the PTU 10 and the inductor Lrx 126 of the PRU 12, and has a value between 0 and 1, and in the case of 1, the PTU 10. Energy of the inductor Ltx 106 of the NELUXE) is transferred to the inductor Lrx 126 of the PRU 12 at maximum.
  • FIG. 2 is a voltage and current waveform diagram of a PRU resonator at a resonant frequency according to a change in capacitance value of the capacitor Crx in the PRU.
  • FIG. 2 A simulation result of the resonance frequency of the capacitor Ctx 104 of the PTU 10 and the inductor Ltx 106 is set to 6.78 MHz is shown in FIG. 2.
  • the capacitance value of the capacitor Crx 124 is small, that is, when the resonant frequency of the PRU resonator 122 is higher than 6.78 MHz, it can be seen that the current Irx of the PRU resonator 122 decreases rapidly.
  • the impedance of the capacitor Crx 124 increases, the voltage Vrx of the PRU resonator 122 does not significantly decrease.
  • the resonance frequency is decreased by increasing the capacitance value of the capacitor Crx 124
  • the voltage Vrx of the PRU resonator 122 decreases rapidly, while the current Irx of the PRU resonator 122 does not decrease significantly. This phenomenon is also affected by the characteristics of the PTU resonator 102.
  • the resonant frequency of the PRU resonator 122 is changed to 6.19 MHz, it can be seen from FIG. 2 that the resonant frequency is different from the case where the resonant frequency is 6.78 MHz.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of a PRU composed of a resonator and a rectifier.
  • the PRU 3 has a resonator 30 and a rectifier 32 connected thereto.
  • the resonator 30 includes an inductor Lrx 300 and a first capacitor Cs 302.
  • Reference numeral 32 includes diodes D1, D2 (320, 322).
  • the rectifier 32 performs a rectifying function for converting the received AC power into DC power.
  • power is proportional to voltage or current, it is assumed for convenience that power, voltage, and current are the same concept.
  • the power received from inductor Lrx 300 is in alternating current form.
  • the AC power is converted into DC power using the rectifier 32 including the diodes D1 and D2 (320 and 322) and the rectifier capacitor CRECT 34.
  • the resonant frequency fr of the resonator 30 is equal to Equation 1, and generally, the frequency of the resonator 30 is synchronized with the frequency of the driving voltage Vs of the PRU 3.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of a PRU for increasing the resonant frequency of the resonator by using the second capacitor Cdh.
  • the resonance frequency is changed. For example, as shown in FIG. 4, the resonance frequency is increased through the PRU 4 in which the second capacitor Cdh 404 is added. Since the second capacitor Cdh 404 is added, the resonant frequency when the resonator 40 is only viewed is expressed by Equation 2 below.
  • the resonance frequency frh is higher than the resonance frequency fr when resonance occurs in the inductor Lrx 400 and the first capacitor Cs 402. Therefore, since the current of the resonator 40 is reduced, the power supplied to the load can be reduced. However, this phenomenon is applicable only when a resonance current flows through the first capacitor Cs 402 and the second capacitor Cdh 404. As described above with reference to FIG. 2, as the resonant frequency increases, the decrease in the capacitor voltage does not occur very rapidly.
  • the rectifier 42 Diode D1 420 is turned on so that the current in resonator 40 flows through rectifier capacitor CRECT 44 and load 46.
  • the rectifier capacitor CRECT 44 is a capacitor for smoothing an alternating voltage, and has a much larger value than the first capacitor Cs 402 and the second capacitor Cdh 404.
  • the rectifier capacitor CRECT 44 is connected in parallel with the second capacitor Cdh 404 in the state in which the rectifier 42 operates, so that the resonance frequency is substantially equal to Equation 1. Therefore, when VIN> VRECT, since the current of the resonator 40 cannot be lowered, it is difficult to lower the power supplied from the resonator 40.
  • FIG. 5 is a circuit diagram of a PRU in which a second capacitor Cdh is connected in series with a rectifier capacitor CRECT.
  • the PRU 5 has a rectifier input voltage VIN 510 higher than the rectifier output voltage VRECT 524 as the second capacitor Cdh 504 is connected in series with the rectifier capacitor CRECT 54 ( VIN > VRECT), when the rectifier 52 is operated, the second capacitor Cdh 504 is connected in series with the rectifier capacitor CRECT 54 and is equal to CRECT >> Cdh. Therefore, the resonator 50 is equivalent to the inductor Lrx. (500), the first capacitor Cs (502) and the second capacitor Cdh (504) is in the form of a series connected so that the resonance frequency is approximately equal to the equation (2). Therefore, since the resonant frequency of the resonator 50 increases while transferring energy to the load 56, the current of the resonator 50 may be reduced and the power delivered to the output may be lowered.
  • FIG. 6 is a circuit diagram of a PRU that changes output power by changing a resonance frequency by using a first switch M0.
  • the PRU 6 adjusts the rectifier output voltage VRECT 624 by changing the resonant frequency using the first switch M0 612.
  • the first switch M0 612 implemented as a MOSFET is connected between the second capacitor Cdh 604 and the ground 614, and the control voltage S0 is applied to the first switch M0 612 above the threshold voltage.
  • the first switch M0 612 may be turned on.
  • both ends of the second capacitor Cdh 604 have a short-circuit effect. Therefore, the resonance frequency is expressed by Equation 1 so that a large amount of energy is supplied from the resonator. It is effective to increase.
  • the rectifier output voltage VRECT 624 may be controlled by applying the control voltage S0 to the first switch M0 612.
  • FIG. 7 is a circuit diagram of a PRU that lowers the resonant frequency of the resonator by using a third capacitor Cdl.
  • the rectifier output voltage VRECT is increased to supply power unnecessarily to the load, and the rectifier output voltage VRECT may rise above the breakdown voltage of the rectifier.
  • a method of lowering the resonant frequency is used to protect the resonator 70 and to maintain the rectifier output voltage VRECT 724 constant. If the frequency of the resonator 70 is lowered, the current of the resonator 70 decreases slowly, but this method is effective because the voltage of the resonator 70 can be drastically lowered.
  • a PRU 7 including a third capacitor Cdl 706 as shown in FIG. 7 is implemented. If the capacitance value of the third capacitor Cdl 706 is set large enough to lower the resonance frequency, the resonance frequency is lowered, the inductor voltage is lowered, the rectifier input voltage VIN 710 is lowered below the rectifier output voltage VRECT 724, and the rectifier. 72 will not operate. Therefore, the resonant frequency frl is determined by the inductor Lrx 700 and the third capacitor Cdl 706 and can be expressed by Equation 3 below.
  • FIG. 8 is a circuit diagram of a PRU for controlling a resonance frequency by using a first switch M0 and a second switch M1 according to an embodiment of the present invention.
  • the circuit of the PRU 8 is configured to give the above-described effect to the circuit described above with reference to FIG. 6.
  • the same circuit as described above with reference to FIG. 7 is the same.
  • the PRU 8 circuit of FIG. 8 can be used to freely control the rectifier output voltage VRECT 824.
  • the PRU 8 includes the resonator 80, the rectifier 82, the rectifier capacitor CRECT 84, the load 86, and the first switch M0 ( 812 and a second switch M1 816.
  • the resonator 80 constitutes a resonance tank in which a second capacitor Cdh 804 and a third capacitor Cdl 806 are added to the inductor Lrx 800 and the first capacitor Cs 802 connected in series.
  • the second capacitor Cdh 804 is connected in series with the inductor Lrx 800 and the first capacitor Cs 802, and is connected in series with the rectifier capacitor CRECT 84 to increase the resonant frequency of the resonator 80.
  • the third capacitor Cdl 806 is connected in parallel with the inductor Lrx 800, in parallel with the first capacitor Cs 802, and in parallel with the rectifier capacitor CRECT 84 to lower the resonant frequency of the resonator 80.
  • Rectifier 82 is connected to the output of resonator 80.
  • Rectifier 82 includes at least one diode, for example, diodes D1, D2 (820, 822).
  • Rectifier capacitor CRECT 84 smoothes the output voltage of rectifier 82.
  • a source is connected to the first ground 814, a drain is connected to the second capacitor Cdh 804, and a first control voltage S0 is input to the gate.
  • the first switch M0 812 is on when the first control voltage S0 is equal to or greater than a preset threshold and is off when the first control voltage S0 is equal to or greater than the preset threshold.
  • a source is connected to the second ground 818
  • a drain is connected to the third capacitor Cdl 806, and the second control voltage S1 is input to the gate.
  • the second switch M1 816 is turned on when the second control voltage S1 is equal to or greater than the preset threshold, and turned off when the second control voltage S1 is equal to or greater than the preset threshold.
  • the resonant frequency control method of the PRU 8 having the above-described circuit configuration can be classified into three steps.
  • FIG. 9 is a circuit diagram of a PRU having a first rectifier and a second rectifier according to another embodiment of the present invention.
  • two outputs of the resonator 90 may be connected to inputs of the half-wave rectifiers 92-1 and 92-2, which may be applied to a full-wave rectifier circuit.
  • the circuit can be configured like a PRU as shown in FIG. Except that the two outputs of the resonator 90 are connected to the respective half-wave rectifiers 92-1 and 92-2 inputs, the description is similar to that of the circuit of the PRU 8 described above with reference to FIG. Omit.
  • the diode described above with reference to FIGS. 8 and 9 may be implemented using an active diode implemented using an active element such as a MOSFET.
  • the rectifier output voltage VRECT may be directly controlled by adjusting the resonance frequency high or low using a general rectifier, a resonator, and a switch. This approach eliminates the need for a separate power converter to convert the rectifier output voltage VRECT to a voltage suitable for the load, enabling a simple and efficient wireless power transfer system.
  • FIG. 10 is a waveform diagram illustrating a waveform for controlling the rectifier output voltage VRECT by controlling the switches M0 and M1.
  • the waveform shows the inductor Lrx current, the load current, the first control voltage S0, the second control voltage S1, and the rectifier output voltage VRECT in order from the top.
  • a current source is connected instead of the load described above with reference to FIG. 8, and the rectifier outputs by applying control voltages S0 and S1 of the switches M0 and M1 while changing the current source to 0 to 200 mA as shown in FIG. 10.
  • the voltage VRECT is controlled to a predetermined voltage, for example near 5V.
  • the signal generators of the control voltages S0 and S1 for automatically controlling the rectifier output voltage VRECT are not included in the scope of the present invention, and thus detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 11 is a configuration diagram of a PRU according to an embodiment of the present invention.
  • the PRU includes a resonator 1100, a rectifier 1110, a load 1120, and a controller 1130.
  • the resonator 1100 receives a wireless power signal from the PTU.
  • the rectifier 1110 converts AC power received from the resonator 1100 into DC power to provide output power to the load 1120.
  • the controller 1130 directly controls the output power of the rectifier 1110 provided to the load 1120 by adjusting the resonance frequency of the resonator 1100.
  • the resonator 1100 includes an inductor Lrx, a first capacitor Cs, and a second capacitor Cdh connected to the inductor Lrx and the first capacitor Cs to increase the resonant frequency of the resonator 1100.
  • the controller 1130 includes a first switch M0 connected between the second capacitor Cdh of the resonator 1100 and the ground to control the rectifier output power VRECT by the first control voltage S0.
  • the second capacitor Cdh may be connected in series with the first capacitor Cs and the inductor Lrx of the resonator 1100 and connected in series with the rectifier capacitor CRECT to increase the resonance frequency of the resonator 1100.
  • the controller 1130 increases the rectifier output power VRECT by applying the first control voltage S0 above the preset threshold to turn on the first switch M0, or increases the first control voltage S0 below the preset threshold. Is applied to turn off the first switch M0 to reduce the rectifier output power VRECT.
  • the resonator 1100 may be connected in parallel with the inductor Lrx, the first capacitor Cs, and the first capacitor Cs, connected in parallel with the inductor Lrx, and connected in parallel with the rectifier capacitor CRECT to resonate the resonator 1100.
  • a third capacitor Cdl which lowers the frequency.
  • the controller 1130 includes a second switch M1 connected between the third capacitor Cdl of the resonator 1100 and the ground to control the rectifier output power VRECT by the second control voltage S1.
  • the resonator 1100 may be connected in series with the inductor Lrx, the first capacitor Cs, the inductor Lrx and the first capacitor Cs, and connected in series with the rectifier capacitor CRECT to increase the resonant frequency of the resonator 1100.
  • 2 capacitor Cdh, and a third capacitor Cdl connected in parallel with the first capacitor Cs, connected in parallel with the inductor Lrx, and connected in parallel with the rectifier capacitor CRECT to lower the resonance frequency of the resonator 1100.
  • the controller 1130 is connected between the second capacitor Cdh of the resonator 1100 and the ground to control the rectifier output power VRECT by the first control voltage S0, and the third capacitor Cdl of the resonator 1100 and And a second switch M1 connected between grounds to control the rectifier output power VRECT by the second control voltage S1.
  • the control unit 1130 turns on the first switch M0 using the first control voltage S0 and turns off the second switch M1 using the second control voltage S1 to rectifier 1110.
  • the output power of the rectifier or the first switch M0 is turned off using the first control voltage S0 and the second switch M1 is turned off using the second control voltage S1 to increase the resonance frequency to increase the rectifier output power. Lower the VRECT.
  • the control unit 1130 uses the first control voltage S0 when the first switch M0 and the second switch M1 are turned off and the output power is high even when the rectifier output power VRECT is lowered.
  • the second switch M1 is turned on using the second control voltage S1 to lower the resonance frequency to further lower the rectifier output power VRECT.
  • the rectifier 1110 includes a first rectifier for receiving a first output signal of the resonator 1100 and a second rectifier for receiving a second output signal of the resonator.

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Abstract

무선 전력 수신기가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 수신기는 무선 전력을 수신하는 공진기와, 공진기로부터 수신된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 출력 전력을 부하에 제공하는 정류기와, 공진기의 공진 주파수를 조절하여 부하에 제공되는 정류기의 출력 전력을 직접 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

무선 전력 수신기
본 발명은 전력 송수신 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 전력 수신기술에 관한 것이다.
무선 전력 전송 시스템은 무선으로 전력을 송수신하는 전력 송신기(Power Transfer Unit: PTU, 이하 PTU라 칭함)와 전력 수신기(Power Receiving Unit: PRU, 이하 PRU라 칭함)로 구성된다. PRU는 인덕터(L)와 커패시터(C)로 구성된 공진기(resonator)를 이용하여 전력을 수신한다. 이때 공진기의 전력은 PTU에서 전송하는 전력의 주파수와 동일한 주파수의 교류 전류가 흐른다. 일반적으로 안정된 DC 신호 형태로 최종 출력신호를 생성하여 부하(load)에 공급하므로, 이를 위해 정류기(rectifier)가 필요하다. 정류기는 AC 신호를 레귤레이션(regulation) 되지 않은 DC 신호로 변환한다. 이 신호를 전력 변환기(converter)를 이용하여 정교한 DC 전압신호로 변환하여 부하에 공급한다. 어떤 형태의 전력 변환기가 위치하건 간에 2단(2-stage) 구조를 가지게 되며, 수신기의 전력 전송 효율은 정류기의 효율과 전력 변환기의 효율을 곱한 형태로 결정된다. 따라서, 다 단(multi-stage)으로 구성될수록 높은 효율을 획득하기 어렵다.
일 실시 예에 따라, 별도의 전력 변환기 없이도 정류기와 공진기만으로 안정적인 출력 전력을 생성함에 따라 전력 전송 효율을 높일 수 있는 무선 전력 수신기를 제안한다.
일 실시 예에 따른 무선 전력 수신기는 무선 전력을 수신하는 공진기와, 공진기로부터 수신된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 출력 전력을 부하에 제공하는 정류기와, 공진기의 공진 주파수를 조절하여 부하에 제공되는 정류기의 출력 전력을 직접 제어하는 제어부를 포함한다.
일 실시 예에 따른 공진기는 인덕터와, 제1 커패시터와, 인덕터 및 제1 커패시터와 연결되어 공진기의 공진 주파수를 높이는 제2 커패시터를 포함하고, 제어부는 공진기의 제2 커패시터와 그라운드 사이에 연결되어 제1 제어전압에 의해 정류기의 출력 전력을 제어하는 제1 스위치를 포함한다. 이때, 제2 커패시터는 공진기의 제1 커패시터 및 인덕터와 직렬로 연결되고 정류기 커패시터와 직렬로 연결되어 공진기의 공진 주파수를 높일 수 있다. 제어부는 미리 설정된 문턱 값 이상으로 제1 제어전압을 인가하여 제1 스위치를 온(on) 시켜 정류기의 출력 전력을 증가시키거나, 미리 설정된 문턱 값 이하로 제1 제어전압을 인가하여 제1 스위치를 오프(off) 시켜 정류기의 출력 전력을 감소시킨다.
일 실시 예에 따른 공진기는 인덕터와, 제1 커패시터와, 제1 커패시터와 병렬로 연결되고 인덕터와 병렬로 연결되며 정류기 커패시터와 병렬로 연결되어 공진기의 공진 주파수를 낮추는 제3 커패시터를 포함한다. 이때, 제어부는 공진기의 제3 커패시터와 그라운드 사이에 연결되어 제2 제어전압에 의해 정류기의 출력 전력을 제어하는 제2 스위치를 포함한다.
일 실시 예에 따른 공진기는 인덕터와, 제1 커패시터와, 인덕터 및 제1 커패시터와 직렬로 연결되고 정류기 커패시터와 직렬로 연결되어 공진기의 공진 주파수를 높이는 제2 커패시터와, 제1 커패시터와 병렬로 연결되고 인덕터와 병렬로 연결되며 정류기 커패시터와 병렬로 연결되어 공진기의 공진 주파수를 낮추는 제3 커패시터를 포함하고, 제어부는 공진기의 제2 커패시터와 그라운드 사이에 연결되어 제1 제어전압에 의해 정류기의 출력 전력을 제어하는 제1 스위치와, 공진기의 제3 커패시터와 그라운드 사이에 연결되어 제2 제어전압에 의해 정류기의 출력 전력을 제어하는 제2 스위치를 포함한다.
일 실시 예에 따른 제어부는 제1 스위치를 제1 제어전압을 이용하여 온(on) 시키고 제2 스위치를 제2 제어전압을 이용하여 오프(off) 시켜 정류기의 출력 전력을 높이거나, 제1 스위치를 제1 제어전압을 이용하여 오프(off) 시키고 제2 스위치를 제2 제어전압을 이용하여 오프(off) 시켜 공진 주파수를 높여 정류기의 출력 전력을 낮춘다. 일 실시 예에 따른 제어부는 제1 스위치 및 제2 스위치가 오프(off)되어 정류기의 출력 전력을 낮춘 상태에서도 출력 전력이 높으면, 제1 스위치를 제1 제어전압을 이용하여 온(on) 시키고 제2 스위치를 제2 제어전압을 이용하여 온(on) 시켜 공진 주파수를 낮춰 정류기의 출력 전력을 더 낮춘다.
일 실시 예에 따른 정류기는 공진기의 제1 출력신호를 입력받는 제1 정류기와, 공진기의 제2 출력신호를 입력받는 제2 정류기를 포함한다.
일 실시 예에 따르면, 별도의 전력 변환기 없이도 정류기와 공진기만으로 안정적인 출력 전력을 생성함에 따라 전력 전송 효율을 높일 수 있다. 또한, 무선 전력 전송 시스템의 비용을 절감시키고 무선 전력 수신기의 전체 크기를 감소시킬 수 있다.
도 1은 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로도,
도 2는 전력 수신기(Power Receiving Unit: PRU, 이하 PRU라 칭함) 내 커패시터 Crx의 커패시턴스 값 변화에 따른 공진 주파수에서 PRU 공진기의 전압 및 전류 파형도,
도 3은 공진기 및 정류기로 구성되는 PRU의 회로도,
도 4는 제2 커패시터 Cdh를 이용하여 공진기의 공진 주파수를 높이는 PRU의 회로도,
도 5는 제2 커패시터 Cdh가 정류기 커패시터 CRECT와 직렬로 연결되는 PRU의 회로도,
도 6은 제1 스위치 M0을 이용하여 공진 주파수를 바꾸어 출력 전력을 바꾸는 PRU의 회로도,
도 7은 제3 커패시터 Cdl을 이용하여 공진기의 공진 주파수를 낮추는 PRU의 회로도,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 스위치 M0와 제2 스위치 M1을 이용하여 공진 주파수를 제어하는 PRU의 회로도,
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제1 정류기와 제2 정류기를 가진 PRU의 회로도,
도 10은 스위치 M0, M1을 제어하여 정류기 출력전압 VRECT을 제어하는 파형을 도시한 파형도,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PRU의 구성도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 무선 전력 전송 시스템의 등가 회로도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 전력 송신기(Power Transmitting Unit: PTU, 이하 PTU라 칭함)(10)와 전력 수신기(Power Receiving Unit: PRU, 이하 PRU라 칭함)(12)를 포함한다.
무선으로 에너지를 전송하는 PTU(10)는 고주파 AC 전원 Vs(100)를 통해 PTU 공진기(102)를 구동하며, PTU 공진기(resonator)(102)는 커패시터 Ctx(104)와 인덕터 Ltx(106)를 포함한다. 인덕터 Ltx(106)는 PTU(10)의 안테나의 등가 임피던스를 가진다. 전원 Vs(100)에서 공급되는 에너지를 원활하게 안테나를 통해 PRU(12)로 전송하기 위해, 커패시터 Ctx(104)와 인덕터 Ltx(106)의 공진 주파수를 전원 Vs(100)의 주파수와 동기화시키는 것이 일반적이다. 도 1의 저항 Rs(108)는 전원 Vs(100)의 출력 임피던스와 PTU 공진기(102)의 직렬 저항 성분을 저항으로 등가화한 것이다.
PRU(12)는 수신용 안테나인 인덕터 Lrx(126)와 공진을 위한 커패시터 Crx(124)로 구성된 PRU 공진기(122)를 포함한다. 인덕터 Lrx(126)와 커패시터 Crx(124)에 의한 공진 주파수는 일반적으로 전원 Vs(100)의 주파수와 동기화시켜서 최적의 에너지 수신이 가능하도록 한다. 도 1의 저항 RL(128)은 전력을 전달하기 위한 부하(load)를 저항으로 등가한 것이다. 도 1의 K는 PTU(10)의 인덕터 Ltx(106)와 PRU(12)의 인덕터 Lrx(126) 간의 커플링(coupling) 계수인데, 0 ~ 1 사이의 값을 가지며, 1인 경우 PTU(10)의 인덕터 Ltx(106)의 에너지가 최대로 PRU(12)의 인덕터 Lrx(126)로 전달된다.
도 2는 PRU 내 커패시터 Crx의 커패시턴스 값 변화에 따른 공진 주파수에서 PRU 공진기의 전압 및 전류 파형도이다.
도 1 및 도 2를 참하면, 도 1의 무선 전송시스템에서 PRU(12)의 커패시터 Crx(124)의 커패시턴스 값을 조절하면 공진 주파수가 변화되기 때문에 수신되는 전력이 변화하게 된다. PRU 공진기(122)의 전압(Vrx) 및 전류(Irx) 변화를 알아보기 위해, RL=0으로 설정하고 커패시터 Crx(124)의 커패시턴스 값을 변화시킨다. 모의 실험을 통해 전원 Vs(100)의 주파수를 6.78MHz로 설정하고 인덕터 Lrx(126)의 인덕턴스 값을 1.8uH로 설정한 후, 커패시터 Crx(124)의 커패시턴스 값을 10pF ~ 10nF으로 변화시킨다. PTU(10)의 커패시터 Ctx(104)와 인덕터 Ltx(106)의 공진 주파수를 6.78MHz로 설정하고 모의 실험한 결과가 도 2에 도시된 바와 같다. 커패시터 Crx(124)의 커패시턴스 값이 작은 경우, 즉 PRU 공진기(122)의 공진 주파수가 6.78MHz 보다 높아질 경우 PRU 공진기(122)의 전류(Irx)가 급격히 작아짐을 확인할 수 있다. 이에 비해, 커패시터 Crx(124)의 임피던스가 증가하기 때문에 PRU 공진기(122)의 전압(Vrx)은 크게 감소하지 않는 특성을 보인다. 한편, 커패시터 Crx(124)의 커패시턴스 값을 증가시켜서 공진 주파수를 낮추는 경우 PRU 공진기(122)의 전압(Vrx)이 급격히 작아지는 반면 PRU 공진기(122)의 전류(Irx)는 크게 감소하지 않는다. 이러한 현상은 PTU 공진기(102)의 특성에도 영향을 받는다. PRU 공진기(122)의 공진 주파수를 6.19MHz로 변화시킨 경우, 공진 주파수가 6.78MHz인 경우와 다른 양상을 보임을 도 2를 통해서 확인할 수 있다. 그러나, PRU 공진 주파수가 높아짐에 따라 PRU 공진기(122)의 전류(Irx)가 급격히 감소하고 PRU 공진 주파수가 낮아짐에 따라 PRU 공진기(122)의 전압(Vrx)이 급격히 감소하는 특성은 여전히 나타난다.
도 3은 공진기 및 정류기로 구성되는 PRU의 회로도이다.
도 3을 참조하면, PRU(3)는 공진기(30)와 정류기(rectifier)(32)가 연결되며, 공진기(30)는 인덕터 Lrx(300)와 제1 커패시터 Cs(302)를 포함하며, 정류기(32)는 다이오드 D1,D2(320,322)을 포함한다. 정류기(32)는 수신된 교류전력을 직류전력으로 변환하는 정류기능을 수행한다. 본 발명의 실시 예에서 전력은 전압 또는 전류와 비례하므로 편의상 전력과 전압, 전류는 같은 개념임을 가정한다. 인덕터 Lrx(300)로부터 수신된 전력은 교류 형태이다. 일반적으로 부하(load)는 직류 전압을 요구하므로, 다이오드 D1,D2(320,322)로 구성된 정류기(32)와 정류기 커패시터 CRECT(34)를 이용하여 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다. 이때, 공진기(30)의 공진 주파수 fr은 수학식 1과 같으며, 일반적으로 공진기(30)의 주파수를 PRU(3)의 구동전압 Vs의 주파수와 동기화시킨다.
Figure PCTKR2016002562-appb-M000001
도 4는 제2 커패시터 Cdh를 이용하여 공진기의 공진 주파수를 높이는 PRU의 회로도이다.
도 3을 참조로 하여 전술한 PRU에서 만약 부하가 소모하는 전력이 작고 공진기에서 공급되는 전력이 이보다 많으면 VRECT 전압이 과도하게 증가한다. VRECT 전압을 낮추기 위해서는 공진기에서 공급되는 전력을 줄여야 하므로 공진 주파수를 변경한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 제2 커패시터 Cdh(404)를 추가한 PRU(4)를 통해 공진 주파수를 높인다. 제2 커패시터 Cdh(404)가 추가되었기 때문에 공진기(40)만 보았을 때 공진 주파수는 수학식 2와 같다.
Figure PCTKR2016002562-appb-M000002
수학식 2를 참조하면, 공진 주파수 frh는 인덕터 Lrx(400)와 제1 커패시터 Cs(402)로 공진이 일어날 때의 공진 주파수 fr보다 높다. 따라서 공진기(40)의 전류가 감소하므로 부하에 공급되는 전력이 줄어들 수 있다. 그러나, 이러한 현상은 제1 커패시터 Cs(402)와 제2 커패시터 Cdh(404)를 통해 공진 전류가 흐를 때에만 해당된다. 도 2를 참조로 하여 전술한 바와 같이 공진 주파수가 높아짐에 따라 커패시터 전압의 감소는 그다지 급격히 일어나지 않는다. 따라서, 공진기(40)의 전류는 줄었지만, 정류기 입력전압 VIN(410)이 크게 줄지 않아서 정류기 입력전압 VIN(410)이 정류기 출력전압 VRECT(424)보다 크게 되면(VIN > VRECT), 정류기(42)의 다이오드 D1(420)이 on되어 공진기(40)의 전류는 정류기 커패시터 CRECT(44)와 부하(46)를 통해 흐르게 된다. 정류기 커패시터 CRECT(44)는 교류 전압을 평활하기 위한 커패시터로, 제1 커패시터 Cs(402)와 제2 커패시터 Cdh(404)에 비해 매우 큰 값을 가진다. 또한 정류기 커패시터 CRECT(44)는 정류기(42)가 동작하는 상태에서 제2 커패시터 Cdh(404)와 병렬 연결되는 형태가 되어 공진 주파수는 수학식 1과 거의 일치하게 된다. 따라서, VIN > VRECT가 되면 공진기(40)의 전류를 낮출 수 없으므로 공진기(40)로부터 공급되는 전력을 낮추기 힘들어진다.
도 5는 제2 커패시터 Cdh가 정류기 커패시터 CRECT와 직렬로 연결되는 PRU의 회로도이다.
도 5를 참조하면, PRU(5)는 제2 커패시터 Cdh(504)가 정류기 커패시터 CRECT(54)와 직렬로 연결됨에 따라, 정류기 입력전압 VIN(510)이 정류기 출력전압 VRECT(524)보다 높아져서(VIN > VRECT), 정류기(52)가 동작하는 경우 제2 커패시터 Cdh(504)가 정류기 커패시터 CRECT(54)와 직렬로 연결되는 형태가 되고 CRECT >> Cdh 이므로 등가적으로 공진기(50)는 인덕터 Lrx(500), 제1 커패시터 Cs(502) 및 제2 커패시터 Cdh(504)가 직렬 연결된 형태가 되어 공진 주파수는 거의 수학식 2와 동일하다. 따라서, 부하(56)에 에너지를 전달하는 동안에 공진기(50)의 공진 주파수가 높아지게 되므로 공진기(50)의 전류가 작아지고 출력으로 전달되는 전력을 낮출 수 있다.
도 6은 제1 스위치 M0을 이용하여 공진 주파수를 바꾸어 출력 전력을 바꾸는 PRU의 회로도이다.
도 6을 참조하면, PRU(6)는 제1 스위치 M0(612)을 이용하여 공진 주파수를 바꾸어 정류기 출력전압 VRECT(624)를 조절한다. MOSFET으로 구현된 제1 스위치 M0(612)를 제2 커패시터 Cdh(604)와 그라운드(ground)(614) 사이에 연결하고, 제어전압 S0를 문턱 전압 이상으로 제1 스위치 M0(612)에 인가하면 제1 스위치 M0(612)를 on 시킬 수 있다. 제1 스위치 M0(612)가 on 되면 제2 커패시터 Cdh(604)의 양단은 단락한 효과가 나므로 공진 주파수는 수학식 1과 같이 되어 공진기로부터 많은 에너지가 공급되게 되어 정류기 출력전압 VRECT(624)를 증가시키는 데 효과적이다. 반면 제1 스위치 M0(612)가 off 되면 제2 커패시터 Cdh(604)가 공진 주파수를 높이므로 공진기 전류가 작아서 정류기 출력전압 VRECT(624)를 낮추는 데 효과적이다. 따라서, 제1 스위치 M0(612)에 제어전압 S0를 인가하여 정류기 출력전압 VRECT(624)를 제어할 수 있게 된다.
도 7은 제3 커패시터 Cdl을 이용하여 공진기의 공진 주파수를 낮추는 PRU의 회로도이다.
부하가 요구하는 전력이 매우 작아지는 경우, 도 6을 참조로 전술한 바와 같이 제2 커패시터 Cdh를 추가하는 것만으로 공진기의 전력을 제어하지 못할 경우가 발생한다. 그러한 경우에는 정류기 출력전압 VRECT가 증가하여 부하에 불필요하게 전력을 공급하게 되며, 정류기 출력전압 VRECT가 정류기의 파괴 전압 이상으로 상승할 수도 있다.
이를 방지하기 위해, 공진기(70)를 보호함과 동시에 정류기 출력전압 VRECT(724)를 일정하게 유지하기 위해 공진 주파수를 낮추는 방법을 사용한다. 공진기(70)의 주파수를 낮추게 되면 공진기(70)의 전류는 느리게 감소하지만 공진기(70)의 전압을 급격히 낮출 수 있기 때문에 이 방법이 효과적이다. 이를 위해 도 7에 도시된 바와 같은 제3 커패시터 Cdl(706)을 포함하는 PRU(7)를 구현한다. 제3 커패시터 Cdl(706)의 커패시턴스 값을 공진 주파수를 낮출 정도로 충분히 크게 설정하면 공진 주파수가 낮아지고 인덕터 전압이 낮아지고, 정류기 입력전압 VIN(710)이 정류기 출력전압 VRECT(724) 이하로 낮아져 정류기(72)가 동작하지 않게 된다. 따라서 공진 주파수 frl는 인덕터 Lrx(700)와 제3 커패시터 Cdl(706)에 의해 결정되어 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2016002562-appb-M000003
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 스위치 M0와 제2 스위치 M1을 이용하여 공진 주파수를 제어하는 PRU의 회로도이다.
도 8을 참조하면, 도 6을 참조로 하여 전술한 회로에 도 7을 참조로 전술한 효과를 줄 수 있도록 PRU(8)의 회로를 구성한다. 제1 스위치 M0(812)가 on 되어 있는 상태에서 제2 스위치 M1(816)이 on 되면 도 7을 참조로 전술한 회로와 동일해진다. 도 8의 PRU(8) 회로를 이용하여 정류기 출력전압 VRECT(824)를 자유롭게 제어할 수 있다.
이하, 일 실시 예에 따른 PRU(8)의 회로 구성을 설명하면, PRU(8)는 공진기(80), 정류기(82), 정류기 커패시터 CRECT(84), 부하(86), 제1 스위치 M0(812) 및 제2 스위치 M1(816)을 포함한다. 공진기(80)는 직렬로 연결된 인덕터 Lrx(800) 및 제1 커패시터 Cs(802)에, 제2 커패시터 Cdh(804) 및 제3 커패시터 Cdl(806)가 추가된 공진 탱크(resonance tank)를 구성한다. 제2 커패시터 Cdh(804)는 인덕터 Lrx(800) 및 제1 커패시터 Cs(802)와 직렬로 연결되고, 정류기 커패시터 CRECT(84)와 직렬로 연결되어 공진기(80)의 공진 주파수를 높인다. 제3 커패시터 Cdl(806)은 인덕터 Lrx(800)와는 병렬 연결되고 제1 커패시터 Cs(802)와는 병렬 연결되며, 정류기 커패시터 CRECT(84)와는 병렬로 연결되어 공진기(80)의 공진 주파수를 낮춘다. 정류기(82)는 공진기(80)의 출력과 연결된다. 정류기(82)는 적어도 하나의 다이오드를 포함하는데, 예를 들어, 다이오드 D1,D2(820,822)를 포함한다. 정류기 커패시터 CRECT(84)는 정류기(82)의 출력 전압을 매끄럽게 한다. 제1 스위치 M0(812)는 소스가 제1 그라운드(814)에 연결되고 드레인이 제2 커패시터 Cdh(804)에 연결되며 게이트에 제1 제어전압 S0가 입력된다. 제1 스위치 M0(812)는 제1 제어전압 S0가 미리 설정된 문턱 값 이상이면 on 되고, 문턱 값 이하이면 off 된다. 제2 스위치 M1(816)는 소스가 제2 그라운드(818)에 연결되고 드레인이 제3 커패시터 Cdl(806)에 연결되며 게이트에 제2 제어전압 S1이 입력된다. 제2 스위치 M1(816)은 제2 제어전압 S1이 미리 설정된 문턱 값 이상이면 on 되고, 문턱 값 이하이면 off 된다.
전술한 회로 구성을 가진 PRU(8)의 공진 주파수 제어방법은 다음 3가지 단계로 분류될 수 있다.
(1) 정류기 출력전압 VRECT(824)를 높여야 하는 경우: S0=high, S1=low로 설정하여 제1 스위치 M0(812)를 on하고 제2 스위치 M1(816)을 off 한다. 이때 공진 주파수는 수학식 1과 같이 되어 공진기(80)가 최적의 상태로 동작하여 부하(86)에 많은 전력을 공급할 수 있다.
(2) 정류기 출력전압 VRECT(824)를 낮춰야 하는 경우: S0=low, S1=low로 설정하여 스위치(812,816)를 모두 off 한다. 이때의 공진 주파수는 수학식 2와 같이 높아지므로 공진기(80)에서 공급되는 전류가 감소하여 정류기 출력전압 VRECT(824)를 낮출 수 있다.
(3) (2) 상태에서도 정류기 출력전압 VRECT(824)가 높은 경우: S0=high, S1=high로 설정하여 스위치(812,816)를 모두 on 한다. 이때의 공진 주파수는 수학식 3과 같이 낮아지므로 공진기(80)의 인덕터 전압이 낮아져서 정류기(82)가 동작하지 않도록 할 수 있다. 따라서 부하(86)로 전력이 공급되지 않으므로 정류기 출력전압 VRECT(824)는 낮아진다.
3가지 방법 이외에 S0=low, S1=high로 설정하는 (2)와 (3)의 중간과정을 둘 수 있다. 이 과정은 제2 커패시터 Cdh(804)와 제3 커패시터 Cdl(806)이 모두 공진 주파수에 영향을 주는 상태로 공진기(80)의 전류를 줄이면서도 인덕터 전압을 약간 낮출 수 있다. 필요시에 이 단계를 (2)와 (3) 사이에서 사용할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제1 정류기와 제2 정류기를 가진 PRU의 회로도이다.
도 9를 참조하면, 공진기(90)의 2개의 출력을 각각의 반파 정류기(92-1,92-2) 입력에 연결하여 전파 정류기 회로에 응용이 가능하다. 더 높은 출력 전력을 요구할 때, 도 9에 도시된 바와 같은 PRU와 같이 회로를 구성할 수 있다. 공진기(90)의 2개의 출력을 각각의 반파 정류기(92-1,92-2) 입력에 연결되는 것을 제외하면, 도 8을 참조로 하여 전술한 PRU(8)의 회로와 유사하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 8 및 도 9를 참조로 하여 전술한 다이오드는 MOSFET 등과 같은 능동 소자를 사용하여 구현한 능동 다이오드(active diode)를 이용하여 구현하는 것도 가능하다.
전술한 바와 같이, 일반적인 정류기, 공진기 및 스위치를 이용하여 공진 주파수를 높게 또는 낮게 조절하여 정류기 출력전압 VRECT을 직접 제어할 수 있다. 이러한 방식은 정류기 출력전압 VRECT을 부하에 적합한 전압으로 만들기 위한 별도의 전력 변환기(converter)가 필요 없는 방식으로, 간단하고 효율적으로 무선 전력 전송 시스템을 구현할 수 있다.
도 10은 스위치 M0, M1을 제어하여 정류기 출력전압 VRECT을 제어하는 파형을 도시한 파형도이다.
도 10에서 파형은 위에서부터 차례로 인덕터(Lrx) 전류, 부하 전류, 제1 제어전압 S0, 제2 제어전압 S1, 정류기 출력 전압 VRECT를 각각 나타낸다.
도 10을 참조하면, 도 8을 참조로 전술한 부하 대신 전류원을 연결하고, 도 10에 도시된 바와 같이 전류원을 0~200mA로 변화시키면서 스위치 M0, M1의 제어전압 S0, S1을 인가하여 정류기 출력전압 VRECT를 소정의 전압, 예를 들어 5V 근처로 제어한다. 정류기 출력전압 VRECT를 자동으로 제어하기 위한 제어전압 S0, S1의 신호 발생기에 대해서는 본 발명의 범주에서 벗어나므로 상세한 설명을 생략한다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PRU의 구성도이다.
도 11을 참조하면, PRU는 공진기(1100), 정류기(1110), 부하(1120) 및 제어부(1130)를 포함한다.
공진기(1100)는 PTU로부터 무선 전력신호를 수신한다. 정류기(1110)는 공진기(1100)로부터 수신된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 출력 전력을 부하(1120)에 제공한다. 제어부(1130)는 공진기(1100)의 공진 주파수를 조절하여 부하(1120)에 제공되는 정류기(1110)의 출력 전력을 직접 제어한다.
일 실시 예에 따른 공진기(1100)는 인덕터 Lrx와, 제1 커패시터 Cs와, 인덕터 Lrx 및 제1 커패시터 Cs와 연결되어 공진기(1100)의 공진 주파수를 높이는 제2 커패시터 Cdh를 포함한다. 제어부(1130)는 공진기(1100)의 제2 커패시터 Cdh와 그라운드 사이에 연결되어 제1 제어전압 S0에 의해 정류기 출력 전력 VRECT를 제어하는 제1 스위치 M0를 포함한다. 이때, 제2 커패시터 Cdh는 공진기(1100)의 제1 커패시터 Cs 및 인덕터 Lrx와 직렬로 연결되고 정류기 커패시터 CRECT와 직렬로 연결되어 공진기(1100)의 공진 주파수를 높일 수 있다. 제어부(1130)는 미리 설정된 문턱 값 이상으로 제1 제어전압 S0을 인가하여 제1 스위치 M0를 온(on) 시켜 정류기 출력 전력 VRECT를 증가시키거나, 미리 설정된 문턱 값 이하로 제1 제어전압 S0를 인가하여 제1 스위치 M0를 오프(off) 시켜 정류기 출력 전력 VRECT을 감소시킨다.
일 실시 예에 따른 공진기(1100)는 인덕터 Lrx와, 제1 커패시터 Cs와, 제1 커패시터 Cs와 병렬로 연결되고 인덕터 Lrx와 병렬로 연결되며 정류기 커패시터 CRECT와 병렬로 연결되어 공진기(1100)의 공진 주파수를 낮추는 제3 커패시터 Cdl을 포함한다. 이때, 제어부(1130)는 공진기(1100)의 제3 커패시터 Cdl과 그라운드 사이에 연결되어 제2 제어전압 S1에 의해 정류기 출력 전력 VRECT을 제어하는 제2 스위치 M1을 포함한다.
일 실시 예에 따른 공진기(1100)는 인덕터 Lrx와, 제1 커패시터 Cs와, 인덕터 Lrx 및 제1 커패시터 Cs와 직렬로 연결되고 정류기 커패시터 CRECT와 직렬로 연결되어 공진기(1100)의 공진 주파수를 높이는 제2 커패시터 Cdh와, 제1 커패시터 Cs와 병렬로 연결되고 인덕터 Lrx와 병렬로 연결되며 정류기 커패시터 CRECT와 병렬로 연결되어 공진기(1100)의 공진 주파수를 낮추는 제3 커패시터 Cdl을 포함한다. 제어부(1130)는 공진기(1100)의 제2 커패시터 Cdh와 그라운드 사이에 연결되어 제1 제어전압 S0에 의해 정류기 출력 전력 VRECT을 제어하는 제1 스위치 M0와, 공진기(1100)의 제3 커패시터 Cdl과 그라운드 사이에 연결되어 제2 제어전압 S1에 의해 정류기 출력 전력 VRECT을 제어하는 제2 스위치 M1을 포함한다.
일 실시 예에 따른 제어부(1130)는 제1 스위치 M0를 제1 제어전압 S0을 이용하여 온(on) 시키고 제2 스위치 M1을 제2 제어전압 S1을 이용하여 오프(off) 시켜 정류기(1110)의 출력 전력을 높이거나, 제1 스위치 M0를 제1 제어전압 S0를 이용하여 오프(off) 시키고 제2 스위치 M1을 제2 제어전압 S1을 이용하여 오프(off) 시켜 공진 주파수를 높여 정류기 출력 전력 VRECT을 낮춘다. 일 실시 예에 따른 제어부(1130)는 제1 스위치 M0 및 제2 스위치 M1이 오프(off)되어 정류기 출력 전력 VRECT을 낮춘 상태에서도 출력 전력이 높으면, 제1 스위치 M0를 제1 제어전압 S0를 이용하여 온(on) 시키고 제2 스위치 M1을 제2 제어전압 S1을 이용하여 온(on) 시켜 공진 주파수를 낮춰 정류기 출력 전력 VRECT을 더 낮춘다.
일 실시 예에 따른 정류기(1110)는 공진기(1100)의 제1 출력신호를 입력받는 제1 정류기와, 공진기의 제2 출력신호를 입력받는 제2 정류기를 포함한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 무선 전력을 수신하는 공진기;
    상기 공진기로부터 수신된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 출력 전력을 부하에 제공하는 정류기; 및
    상기 공진기의 공진 주파수를 조절하여 상기 부하에 제공되는 정류기의 출력 전력을 직접 제어하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공진기는
    인덕터와, 제1 커패시터와, 인덕터 및 제1 커패시터와 연결되어 상기 공진기의 공진 주파수를 높이는 제2 커패시터를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 공진기의 제2 커패시터와 그라운드 사이에 연결되어 제1 제어전압에 의해 상기 정류기의 출력 전력을 제어하는 제1 스위치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 커패시터는 상기 공진기의 제1 커패시터 및 인덕터와 직렬로 연결되고 정류기 커패시터와 직렬로 연결되어 상기 공진기의 공진 주파수를 높이는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제어부는
    미리 설정된 문턱 값 이상으로 제1 제어전압을 인가하여 상기 제1 스위치를 온(on) 시켜 상기 정류기의 출력 전력을 증가시키거나, 미리 설정된 문턱 값 이하로 제1 제어전압을 인가하여 상기 제1 스위치를 오프(off) 시켜 상기 정류기의 출력 전력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 공진기는
    인덕터와, 제1 커패시터와, 제1 커패시터와 병렬로 연결되고 인덕터와 병렬로 연결되며 정류기 커패시터와 병렬로 연결되어 상기 공진기의 공진 주파수를 낮추는 제3 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 공진기의 제3 커패시터와 그라운드 사이에 연결되어 제2 제어전압에 의해 상기 정류기의 출력 전력을 제어하는 제2 스위치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 공진기는
    인덕터와, 제1 커패시터와, 인덕터 및 제1 커패시터와 직렬로 연결되고 정류기 커패시터와 직렬로 연결되어 상기 공진기의 공진 주파수를 높이는 제2 커패시터와, 제1 커패시터와 병렬로 연결되고 인덕터와 병렬로 연결되며 정류기 커패시터와 병렬로 연결되어 상기 공진기의 공진 주파수를 낮추는 제3 커패시터를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 공진기의 제2 커패시터와 그라운드 사이에 연결되어 제1 제어전압에 의해 상기 정류기의 출력 전력을 제어하는 제1 스위치; 및
    상기 공진기의 제3 커패시터와 그라운드 사이에 연결되어 제2 제어전압에 의해 상기 정류기의 출력 전력을 제어하는 제2 스위치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 제1 스위치를 제1 제어전압을 이용하여 온(on) 시키고 상기 제2 스위치를 제2 제어전압을 이용하여 오프(off) 시켜 상기 정류기의 출력 전력을 높이거나, 상기 제1 스위치를 제1 제어전압을 이용하여 오프(off) 시키고 상기 제2 스위치를 제2 제어전압을 이용하여 오프(off) 시켜 공진 주파수를 높여 상기 정류기의 출력 전력을 낮추는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 제1 스위치 및 제2 스위치가 오프(off)되어 상기 정류기의 출력 전력을 낮춘 상태에서도 출력 전력이 높으면, 상기 제1 스위치를 제1 제어전압을 이용하여 온(on) 시키고 상기 제2 스위치를 제2 제어전압을 이용하여 온(on) 시켜 공진 주파수를 낮춰 상기 정류기의 출력 전력을 더 낮추는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 정류기는
    상기 공진기의 제1 출력신호를 입력받는 제1 정류기; 및
    상기 공진기의 제2 출력신호를 입력받는 제2 정류기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 수신기.
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