WO2017217716A1 - 임피던스 변화에 자동 조정 가능한 무선 전력 송신기 - Google Patents

임피던스 변화에 자동 조정 가능한 무선 전력 송신기 Download PDF

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WO2017217716A1
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wireless power
switch
power
amplifier
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PCT/KR2017/006073
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황종태
전익수
이동수
신현익
이준
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주식회사 맵스
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type

Definitions

  • the present invention relates to wireless power transmission and reception technology.
  • the impedance of the load is reflected in a power transmitting unit (PTU), hereinafter, referred to as a PTU.
  • PTU power transmitting unit
  • the operating point and output power of the amplifier are determined. Therefore, there is a need for an auto tuning circuit that tunes the resonator according to the impedance of the reflected load so that a stable operating point and output power can be smoothly transmitted.
  • the resonance frequency of the resonator is 6.78MHz and the resonator voltage can reach several hundred volts, so it is not easy to implement a circuit that accurately detects the phase.
  • a wireless power transmitter capable of stable operation by automatically adjusting to a change in impedance of a load without measuring phase information of a resonator is proposed.
  • a wireless power transmitter includes a hard switching detector configured to detect a hard switching operation state of a switch in an amplifier constituting the wireless power transmitter, and a controller configured to automatically adjust a value of a resonance capacitor according to the detected hard switching operation state.
  • the hard switching detector may detect whether the switch is turned on from the driving voltage signal of the switch, and may detect whether the hard switching operation state is performed from the drain voltage of the switch when the switch is turned on.
  • the controller increases the value of the resonant capacitor to reduce the portion where the resonant frequency is increased. By decreasing the value, you can increase the portion where the resonance frequency decreases.
  • the controller may determine the current operating state of the amplifier by using the output power value of the amplifier and the received power value of the wireless power receiver together with the hard switching operation state, and control the resonance capacitor value according to the determination result.
  • the controller may control the output power of the amplifier together with the control of the resonance capacitor value.
  • the resonant capacitor may be a variable capacitor in which the capacitor value is electrically adjusted, and the automatic power transmitter automatic tuning device may further include a DAC for generating a variable signal under the control of a controller and applying the variable signal to the variable capacitor.
  • the resonant capacitor is a plurality of capacitors connected to each capacitor switch and the capacitor value is changed by the switching of each switch, the wireless power transmitter automatic tuning device is a plurality of capacitor switches selectively switched according to the switch control signal received from the control unit It may further include.
  • an apparatus for automatically tuning a wireless power transmitter includes a hard switching detector configured to detect a hard switching operation state of a switch in an amplifier constituting the wireless power transmitter, and a switch is hard switched by receiving a detection signal from the hard switching detector.
  • a first determination unit determining whether the operation state is in operation, a transmission power processing unit obtaining a power supply voltage and a power supply current value of the amplifier and calculating a transmission power value of the wireless power transmitter, and a reception receiving the reception power value from the wireless power receiver.
  • a power processor, a second determiner that determines the current operating state of the amplifier using the calculated transmit power value and the received receive power value, and a resonance capacitor value and an amplifier according to the determination result of the first determiner and the second determiner. It includes an adjusting unit for adjusting the output power of.
  • the adjusting unit is in the hard switching operation state according to the determination result of the first determination unit, the transmission power value of the wireless power transmitter is excessive due to the determination result of the second determination unit to set the maximum allowable allowance for driving the load of the wireless power receiver.
  • the resonance capacitor value is increased, and when the increased resonance capacitor value reaches the maximum value, the transmission power of the wireless power transmitter may be lowered by decreasing the power supply voltage of the amplifier.
  • the adjustment unit decreases the resonance capacitor value when it is determined that the switch is in the hard switching operation state by the determination result of the first determination unit and that the switch is not the overpower transmission state by the determination result of the second determination unit.
  • the wireless power If it is excessive to determine whether the receiver's reception power is excessively excessive, the transmission power of the wireless power transmitter can be lowered by lowering the power supply voltage of the amplifier without changing the resonance capacitor value.
  • the resonance capacitor value If the transmission power of the wireless power transmitter is low even though the reduced resonance capacitor value reaches the minimum value, the transmission power of the wireless power transmitter can be increased by increasing the power supply voltage of the amplifier.
  • the reception power processor may receive a reception power value of the wireless power receiver from the wireless power receiver through Bluetooth communication.
  • the automatic tuning is performed by detecting the operating state of the switch, in particular, the hard switching state, so that the switch can be quickly protected, and since the complicated and sophisticated impedance sensing circuit is not required, the automatic tuning is very simple. Can be. Furthermore, the resonator is tuned without measuring the phase information of the resonator so that the amplifier can deliver the output power smoothly at a stable operating point.
  • FIG. 1 is a block diagram of a wireless power transmission and reception system using an amplifier according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a circuit diagram of a PTU including a reflected load impedance (ZRF) transferred from the PRU to the PTU according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a Smith chart showing a load impedance of an A4WP Class-3 PTU according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a waveform diagram of a drain voltage of a switch showing a ZVS and a hard-switching operation of an amplifier according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a table showing a change in operating point of the amplifier by the series resonant capacitors Cs and ZRF according to an embodiment of the present invention
  • 6 to 8 are graphs showing the voltage change per time according to the table of FIG. 5;
  • FIG. 9 is a block diagram of an auto-tuning circuit of the PTU according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a detailed configuration diagram of a control unit of FIG. 9 according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating an automatic tuning method of a PTU according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram of a wireless power transmission and reception system using an amplifier according to an embodiment of the present invention.
  • a wireless power transmission / reception system includes a wireless power transmitter (PTU) 10 and a wireless power receiver (PRU) 12. do.
  • PTU wireless power transmitter
  • PRU wireless power receiver
  • the PTU 10 includes an amplifier and a resonator.
  • the amplifier may be a class-E amplifier.
  • the amplifier includes a choke inductor Lch 101, a switch 100, and a capacitor Cp 102 connected in parallel with the switch 100.
  • the Lch current induced by the switching operation of the switch 100 is supplied to the transmit antenna Ltx 104 to supply a wireless power signal to the PRU 12.
  • the switch 100 may be a MOSFET transistor. However, the switch 100 may perform the same function even if it is replaced with an active device capable of switching operation, for example, a BJT, SiC FET, GaN FET, or the like.
  • the resonator includes a resonant capacitor Cs 103 and a transmit antenna Ltx 104, and may further include an inductor Le 105.
  • Resonant capacitor Cs 103 forms a resonator together with transmit antenna Ltx 104 to determine the resonant frequency.
  • the resonant frequency is generally matched with the drive frequency of the switch 100.
  • Inductor Le 105 serves to cause a delay in the current so that switch 100 becomes zero-voltage switching (ZVS, hereinafter referred to as ZVS).
  • ZVS zero-voltage switching
  • the inductor Le 105 may be removed and the resonant capacitor Cs 103 grown to produce a current phase delay equal to the amount produced by the inductor Le 105.
  • the inductor Le 105 is not removed to explain the structure of the general amplifier.
  • Capacitor Cp 102 connected in parallel with switch 100 should also be set to an appropriate value for switch 100 to perform ZVS operation.
  • the PRU 12 can be easily equalized with the receiving antenna Lrx 120, the capacitor Csr 124 for resonance, and the load impedance ZL 122. Since the resonant frequency of the receiving antenna Lrx 120 and the capacitor Csr 124 is the same as the resonant frequency of the transmitting antenna Ltx 104 and the resonant capacitor Cs 103, the optimum power transmission is possible, so that the switch 100 is used. If the driving frequency of (fr) is fr, it is good to satisfy the condition as shown in the following equation (1).
  • k is a coupling coefficient indicating a coupling degree between two antennas Ltx 104 and Lrx 120, and has a value between 0 and 1.
  • Equation 1 the load impedance ZL 122 of the PRU 12 is reflected to the PTU 10 and is equalizable as shown in FIG. 2.
  • FIG. 2 is a circuit diagram of a PTU including a reflected load impedance (ZRF) transferred from a PRU to a PTU according to one embodiment of the present invention.
  • ZRF reflected load impedance
  • the impedance transferred from the PRU 12 to the PTU 10 is represented by the ZRF 106, and the ZRF 106 satisfies Equation 2 below.
  • ZRF 106 is a value proportional to the inverse of ZL 122 and proportional to k. If ZL 122 is a complete resistor, ZRF 106 also appears to be a resistor, but ZL 122 may be an inductive or capacitive load. Therefore, since the impedance ZRF 106 may also be an inductive or capacitive load, as shown in Equation 3, the load impedance ZRF 106 of the PTU 10 is an impedance in which the resistance R which is a real part and the reactance X which is an imaginary part are combined. Can be seen as an ingredient.
  • FIG. 3 is a Smith chart showing a load impedance of the A4WP Class-3 PTU according to an embodiment of the present invention.
  • A4WP Alliance for Wireless Power
  • a wireless charging standard that uses the 6.78 MHz frequency, divides the output power of the PTU into classes, and there are impedance specifications according to the class.
  • the impedance to be satisfied is shown on the Smith chart as shown in FIG. 3.
  • the resistance R may be up to 55 [Ohm], and the reactance X should be able to operate smoothly in a range corresponding to at least -150 to 10.
  • Smooth operation means that the PTU's amplifier must be able to supply the power required by the PRU and that the class-E amplifier is stable. In this wide ZRF region, the operating point of the amplifier changes, allowing for three major operations. The operating state of the amplifier can be seen by observing the drain voltage (Vd) of the switching element as shown in FIG.
  • FIG. 4 is a waveform diagram of a drain voltage of a switch showing a ZVS and a hard-switching operation of an amplifier according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the drain voltage Vd of the switch 100 becomes near 0V.
  • the drain voltage Vd of the switch 100 is increased and decreased as shown in FIG. 4 by the current of the resonator and the current of the choke inductor Lch 101.
  • the impedance of the ZRF 106 is in the region considered in the design of the class-E amplifier, the drain waveform moves similarly to the half-wave sinusoid and meets the ZVS condition 400 of FIG. 4 and 0V just before the switch 100 is turned on. It becomes a voltage. This operation is therefore called zero-voltage switching (ZVS).
  • the current of the resonator may be small depending on the state of the ZRF 106.
  • a waveform such as hard-switching type-I (HS1, hereinafter referred to as HS1) 410 of FIG. 4 may occur.
  • HS1 condition 410 the peak of the drain voltage Vd is small, but when the switch 100 is turned on, the drain voltage Vd is not zero, so that a current spike occurs and the capacitor Cp 102 is discharged.
  • Excessive current causes heat generation. This case is mainly caused when the X component of the ZRF 106 becomes positive and the resonance frequency is lowered together with the capacitor Cs 103 and the transmission antenna Ltx 104.
  • the resonance frequency may be increased together with the capacitor Cs 103 and the transmission antenna Ltx 104 and the resonance frequency may be equal to or greater than fr.
  • hard-switching type-II (HS2, hereinafter referred to as HS2), in which hard-switching occurs while two peaks occur ( 420) operation.
  • HS2 420 may be a more vulnerable operating state since the HS2 420 may cause a higher drain voltage at the beginning of switching.
  • FIG. 5 is a table showing a change in operating point of the amplifier by the series resonant capacitors Cs and ZRF according to an embodiment of the present invention
  • Figures 6 to 8 is a graph showing the voltage change per time according to the table of FIG. .
  • Po means output effective power and a unit is [W].
  • Op refers to the operating state and is classified into three types: ZVS, HS1, and HS2.
  • the HS2 510 operation occurs.
  • the X2 condition of the HS2 510 operation is reduced, and the HS2 510 operation occurs when -125 or less.
  • ZVS 520 can be operated even when X is -150, but HS1 (530) can be operated when X is small as (+) or (-). .
  • the R value is 55 ⁇ (ohms), and 16W output must be possible in this state.
  • the VDC condition was 30V, and the output power could be increased by increasing the VDC, so the output power was satisfied on the assumption that the VDC could be slightly increased when it was over 13W. Since the portion defined by the thick line in the table of FIG. 5 satisfies the ZVS condition and the output power, the tuning point of the resonator needs to be changed to satisfy the output power condition even when ZVS is obtained. Can be.
  • FIG. 9 is a block diagram illustrating an auto-tuning circuit of a PTU according to an embodiment of the present invention.
  • the controller 108 controls the resonant frequency of the resonator, and automatically tunes the resonant capacitor Cs for this purpose.
  • an amplifier transmitting the output power to the resonator can transmit the output power smoothly at a stable operating point.
  • 9 is a DC power supply voltage applied to the amplifier
  • IDC is the amount of current supplied from the DC power supply
  • VDC x IDC is power consumption of the amplifier. This power dissipation is proportional to the amplifier's output power.
  • the method of increasing the output power of the amplifier is to increase the DC supply voltage VDC.
  • the hard-switching detector 107 detects the drain voltage Vd of the switch 100 to determine whether hard switching occurs when the gate driving signal Vgate becomes high and the switch is turned on. Detect it. Then, whether the detected hard switching is output as a logic level signal. Therefore, the gate driving signal Vgate and the switch drain signal Vd are required for hard switching detection.
  • the hard switching detector 107 may be configured by a combination of a comparator and various circuits, but various implementation methods are not particularly limited in the present invention.
  • the controller 108 determines an operation state of the current switch from the signal received from the hard switching detector 107. According to the determination result, a signal for adjusting the value of the resonant capacitor Cs is generated to automatically tune the resonator. For example, if the operating state of the switch is a state in which the resonance frequency is increased by the load to perform hard switching (HS2), the value of the resonance capacitor Cs is increased to decrease the portion where the resonance frequency is increased. On the other hand, if the resonance frequency is lowered due to the load and the hard switching state HS1, the value of the resonance capacitor Cs is decreased to increase the portion where the resonance frequency is decreased.
  • the control unit 018 determines the current operating state of the amplifier using the hard switching operation state and the output power value of the amplifier and the received power value of the PRU.
  • the output power of the current amplifier can be calculated from the DC supply voltage VDC and the DC supply current IDC.
  • the PTU may be automatically tuned by controlling the value of the resonant capacitor CS and the DC power supply voltage VDC applied to the amplifier according to the result of determining the current operating state of the amplifier.
  • An embodiment of PTU automatic tuning of the controller 108 will be described later with reference to FIG. 10.
  • the received power value of the PRU may be delivered to the PTU through Bluetooth communication.
  • the control unit 108 is composed of a micro-controller or the like.
  • FIG. 10 is a detailed block diagram of the controller of FIG. 9 according to an exemplary embodiment.
  • the controller 108 includes a first determiner 1080, a transmit power processor 1082, a receive power processor 1084, a second determiner 1086, and an adjuster 1088. .
  • the first determination unit 1080 receives a detection signal from the hard switching detection unit 107 to determine whether the switch is in a hard switching operation state.
  • the received detection signal is in the form of a logic level, and it can be known whether the hard switching operation state.
  • the transmit power processor 1082 calculates the transmit power value of the PTU by obtaining the DC power voltage VDC and the DC power current IDC value of the amplifier.
  • the reception power processor 1084 obtains a reception power value from the PRU.
  • the second determiner 1086 determines the current operating state of the amplifier by using the transmit power value calculated by the transmit power processor 1082 and the receive power value obtained through the receive power processor 1084.
  • the adjusting unit 1088 adjusts the value of the resonance capacitor Cs and the output power of the amplifier according to the determination result of the first determination unit 1080 and the second determination unit 1086.
  • the adjustment of the output power of the amplifier may be achieved by adjusting the DC power supply voltage VDC applied to the amplifier.
  • the switch is in a hard switching operation state according to the determination result of the first determination unit 1080, and the transmission power value of the PTU is excessive due to the determination result of the second determination unit 1086. If it is determined that the PRU is in an overpower transmission state higher than the maximum allowable reception power set for driving the PRU, the value of the resonance capacitor Cs is increased. At this time, when the value of the increased resonance capacitor Cs reaches the maximum value, the DC power supply voltage VDC of the amplifier is reduced to lower the transmission power of the PTU.
  • the adjustment unit 1088 determines that the switch is in the hard switching operation state based on the determination result of the first determination unit 1080 and is not an overpower transmission state based on the determination result of the second determination unit 1086. This reduces the value of the resonant capacitor Cs.
  • the adjusting unit 1088 determines that the switch is not in the hard switching operation state according to the determination result of the first determination unit 1080, and that the reception power of the PRU is determined by the determination result of the second determination unit 1086. If the minimum reception power set for driving does not fall below, it is determined whether the reception power of the PRU is excessively necessary. When excessive, the resonant capacitor Cs is lowered without changing the value of the resonant capacitor Cs, thereby lowering the transmit power of the PTU.
  • the adjusting unit 1088 determines that the switch is not in the hard switching operation state according to the determination result of the first determination unit 1080, and that the reception power of the PRU is determined by the determination result of the second determination unit 1086.
  • the minimum reception power set for driving is lowered, the value of the resonance capacitor Cs is decreased.
  • the transmit power of the PTU is increased by increasing the DC power supply voltage VDC of the amplifier.
  • FIG. 11 is a flowchart illustrating an automatic tuning method of a PTU according to an embodiment of the present invention.
  • the amplifier when the amplifier operates, it is determined whether the hard switching (1102). If it is not the hard switching operation, ZVS operation is performed, so the operation of the amplifier is normal. In the normal state, the reception power supplied from the PRU falls below the minimum reception power set for driving the load (1104). If the reception power does not fall below the minimum reception power, the resonance capacitor Cs and the DC power supply voltage VDC are properly set. Therefore, the value is not changed (1110). However, it is determined whether the PRU is receiving excessive power above the maximum allowable reception power set for driving the load (1106), and when the maximum reception power is exceeded, the DC supply voltage VDC is reduced without changing the value of the resonance capacitor Cs. (1108) to lower the PTU transmit power.
  • step 1104 if the PRU is receiving sufficient power, if the received power supplied from the PRU is less than the minimum received power set for driving the load, the value of the capacitor Cs is reduced (1112) to reduce the resonance frequency. Increase When the value of capacitor Cs is decreased to reach the minimum value of Cs, min (1114), the DC supply voltage VDC is increased when the reception power of the PRU is low (1116).
  • the conventional method tunes the capacitor by measuring the impedance of the resonator and measuring the phase from the information. In other words, if possible, the resonance point is controlled to be constant under all impedance conditions.
  • the method proposed by the present invention detects the operation state of the switch, in particular, the hard switching state, and attempts to autotune, thereby quickly protecting the switch, and very simple because it does not require a complicated and sophisticated impedance sensing circuit. Tuning can be performed.
  • the capacitor adjusted through automatic tuning may be a variable capacitor.
  • the variable capacitor may use an electric tunable capacitor 1200 as shown in FIG. 12.
  • a digital-to-analog converter (DAC) 1210 may be required to generate a variable signal.
  • the signal controlling the DAC 1210 is provided by the controller 108 of FIG. 9.
  • a capacitor value is obtained by a combination of capacitor switches 1310-1,... 1300-n and capacitors 1300-1,.
  • capacitor values 1310-1,... 1300-n may be selectively turned on / off to change a capacitor value through a capacitor connected to the capacitor switch to be turned on.
  • the capacitor switches 1310-1,... 1300-n are selectively switched according to the switch control signals Vc ⁇ 1> to Vc ⁇ n> received from the controller 108.

Abstract

본 발명은 증폭기 내 스위치의 하드 스위칭을 감지하고 감지된 하드 스위칭 동작 상태에 따라 공진 커패시터의 값을 자동 조정하여, 공진기의 위상정보를 측정하지 않으면서도 부하의 임피던스 변화에 자동 조정하여 안정적인 동작이 가능한 무선 전력 송신기술에 관한 것이다. 무선 전력 송신기를 구성하는 증폭기 내 스위치의 하드 스위칭 동작 상태를 감지하는 하드 스위칭 감지부 및 감지된 하드 스위칭 동작 상태에 따라 공진 커패시터의 값을 자동 조정하는 제어부를 포함하여 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치를 구성한다.

Description

임피던스 변화에 자동 조정 가능한 무선 전력 송신기
본 발명은 무선 전력 송수신 기술에 관한 것이다.
6.78MHz 주파수를 이용하는 무선충전규격인 A4WP(Alliance for Wireless Power) 방식은 부하의 임피던스가 무선 전력 송신기(Power Transmitting Unit: PTU, 이하 PTU라 칭함)에 반영되므로, 부하의 임피던스에 의해 PTU를 구성하는 증폭기의 동작점과 출력전력이 결정된다. 따라서, 반영되는 부하의 임피던스에 따라 공진기를 튜닝하여 안정적인 동작점과 출력전력이 원활히 전달되도록 하는 자동 튜닝(auto tuning) 회로가 필요하다.
공진기의 전압/전류를 감지하여 위상을 파악하고, 부하의 임피던스 변동에 따라 유사한 공진점에 있도록 공진기를 동작시키는 방법이 있다. 그러나 A4WP 방식에서는 공진기의 공진 주파수가 6.78MHz로 매우 빠르고 공진기 전압이 수백 V에 도달할 수 있기 때문에, 위상을 정확히 감지해 내는 회로를 구현하기는 쉽지 않다.
일 실시 예에 따라, 공진기의 위상정보를 측정하지 않으면서도 부하의 임피던스 변화에 자동 조정하여 안정적인 동작이 가능한 무선 전력 송신기를 제안한다.
일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기는 무선 전력 송신기를 구성하는 증폭기 내 스위치의 하드 스위칭 동작 상태를 감지하는 하드 스위칭 감지부와, 감지된 하드 스위칭 동작 상태에 따라 공진 커패시터의 값을 자동 조정하는 제어부를 포함한다.
하드 스위칭 감지부는 스위치의 구동전압 신호로부터 스위치가 온(on) 되었는지를 감지하고 스위치 온(on) 되었을 때 스위치의 드레인 전압으로부터 하드 스위칭 동작 상태인지를 감지할 수 있다.
제어부는 스위치의 동작 상태가 부하에 의해 공진 주파수가 높아져 하드 스위칭을 하는 상태이면 공진 커패시터 값을 증가시켜서 공진 주파수가 증가한 부분을 감소시키고, 부하에 의해 공진 주파수가 낮아져 하드 스위칭을 하는 상태이면 공진 커패시터 값을 감소시켜서 공진 주파수가 감소한 부분을 증가시킬 수 있다.
제어부는 하드 스위칭 동작 상태와 함께, 증폭기의 출력전력 값 및 무선 전력 수신기의 수신전력 값을 이용하여 증폭기의 현재 동작 상태를 판단하고 판단 결과에 따라 공진 커패시터 값을 제어할 수 있다. 제어부는 공진 커패시터 값 제어와 함께 증폭기의 출력전력을 제어할 수 있다.
공진 커패시터는 전기적으로 커패시터 값이 조정되는 가변 커패시터이고, 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치는 제어부의 제어에 의해 가변신호를 발생하여 가변 커패시터에 인가하는 DAC를 더 포함할 수 있다. 공진 커패시터는 각 커패시터 스위치와 연결되어 각 스위치의 스위칭에 의해 커패시터 값이 가변하는 다수의 커패시터이고, 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치는 제어부로부터 수신되는 스위치 제어신호에 따라 선택적으로 스위칭되는 다수의 커패시터 스위치를 더 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치는, 무선 전력 송신기를 구성하는 증폭기 내 스위치의 하드 스위칭 동작 상태를 감지하는 하드 스위칭 감지부와, 하드 스위칭 감지부로부터 감지 신호를 수신하여 스위치가 하드 스위칭 동작 상태인지를 판단하는 제1 판단부와, 증폭기의 전원전압 및 전원전류 값을 획득하여 무선 전력 송신기의 송신전력 값을 계산하는 송신전력 처리부와, 무선 전력 수신장치로부터 수신전력 값을 획득하는 수신전력 처리부와, 계산된 송신전력 값과 획득된 수신전력 값을 이용하여 증폭기의 현재 동작 상태를 판단하는 제2 판단부와, 제1 판단부 및 제2 판단부의 판단 결과에 따라 공진 커패시터 값 및 증폭기의 출력전력을 조정하는 조정부를 포함한다.
조정부는 제1 판단부의 판단 결과에 의해 스위치가 하드 스위칭 동작 상태이고, 제2 판단부의 판단 결과에 의해 무선 전력 송신기의 송신전력 값이 과도하여 무선 전력 수신기의 부하의 구동을 위해 설정한 허용 가능한 최대 수신전력을 초과하여 과전력 송신 상태인 것으로 판단되면 공진 커패시터 값을 증가시키고, 증가된 공진 커패시터 값이 최대 값에 도달되면 증폭기의 전원전압을 감소시켜 무선 전력 송신기의 송신전력을 낮출 수 있다.
조정부는 제1 판단부의 판단 결과에 의해 스위치가 하드 스위칭 동작 상태이고, 제2 판단부의 판단 결과에 의해 과전력 송신 상태가 아닌 것으로 판단되면 공진 커패시터 값을 감소시킨다.
조정부는 제1 판단부의 판단 결과에 의해 스위치가 하드 스위칭 동작 상태가 아니고, 제2 판단부의 판단 결과에 의해 무선 전력 수신기의 수신전력이 부하의 구동을 위해 설정한 최소 수신전력에 미달되지 않으면 무선 전력 수신기의 수신전력이 필요 이상으로 과도한지를 판단하여 과도하면 공진 커패시터 값은 변화시키지 않고 증폭기의 전원전압을 낮추어 무선 전력 송신기의 송신전력을 낮출 수 있다.
조정부는 제1 판단부의 판단 결과에 의해 스위치가 하드 스위칭 동작 상태가 아니고, 제2 판단부의 판단 결과에 의해 무선 전력 수신기의 수신전력이 부하의 구동을 위해 설정한 최소 수신전력에 미달되면 공진 커패시터 값을 감소시키고, 감소한 공진 커패시터 값이 최소 값에 도달했음에도 여전히 무선 전력 송신기의 송신전력이 낮으면 증폭기의 전원전압을 증가시켜 무선 전력 송신기의 송신전력을 높일 수 있다.
수신전력 처리부는 무선 전력 수신기의 수신전력 값을 무선 전력 수신기로부터 블루투스 통신을 통해 수신할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 스위치의 동작 상태, 특히 하드 스위칭 상태를 감지하여 자동 튜닝을 시도하므로 스위치를 빠르게 보호할 수 있을 뿐 아니라, 복잡하고 정교한 임피던스 감지 회로가 필요 없으므로 매우 간단하게 자동 튜닝을 수행할 수 있다. 나아가, 공진기의 위상 정보를 측정하지 않으면서도 공진기를 튜닝하여 증폭기가 안정적인 동작점에서 출력전력을 원활히 전달되도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 증폭기를 이용한 무선 전력 송수신 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 PRU에서 PTU로 옮겨진 부하 임피던스(Reflected load impedance, ZRF)를 포함하는 PTU의 회로도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 A4WP Class-3 PTU의 부하 임피던스를 도시한 스미스 챠트(smith chart),
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 증폭기의 ZVS 및 하드 스위칭(Hard-switching) 동작을 보이는 스위치의 드레인 전압의 파형도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직렬 공진 커패시터 Cs와 ZRF에 의한 증폭기의 동작점 변화를 보여주는 표,
도 6 내지 도 8은 도 5의 표에 따른 시간 당 전압 변화를 도시한 그래프,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PTU의 자동 튜닝(auto-tuning) 회로 구성도,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 9의 제어부의 세부 구성도,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PTU의 자동 튜닝 방법을 도시한 흐름도,
도 12 및 도 13은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 커패시터(Variable capacitor) 구현 예이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 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. 이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 증폭기를 이용한 무선 전력 송수신 시스템의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 송수신 시스템은 무선 전력 송신기(Power Transmitting Unit: PTU, 이하 PTU라 칭함)(10)와 무선 전력 수신기(Power Receiving Unit: PRU, 이하 PRU라 칭함)(12)를 포함한다.
PTU(10)는 증폭기와 공진기를 포함한다. 증폭기는 class-E 증폭기일 수 있다. 증폭기는 쵸크 인덕터(choke inductor) Lch(101)와 스위치(100), 스위치(100)와 병렬 연결되는 커패시터 Cp(102)를 포함한다. 스위치(100)의 스위칭 동작에 의해 유기된 Lch 전류가 송신 안테나 Ltx(104)에 공급되어 PRU(12)에 무선 전력신호를 공급한다. 스위치(100)는 MOSFET 트랜지스터일 수 있다. 그러나 스위치(100)는 스위칭 동작이 가능한 능동소자, 예를 들어 BJT, SiC FET, GaN FET 등의 소자로 대체하여도 동일한 기능을 수행할 수 있다.
공진기는 공진 커패시터 Cs(103)와 송신 안테나 Ltx(104)를 포함하며, 인덕터 Le(105)를 더 포함할 수 있다. 공진 커패시터 Cs(103)는 송신 안테나 Ltx(104)와 함께 공진기를 구성하여 공진 주파수를 결정한다. 공진 주파수는 스위치(100)의 구동 주파수와 일치시키는 것이 일반적이다. 인덕터 Le(105)는 전류의 지연을 유발하여 스위치(100)가 영전압 스위칭(zero-voltage switching: ZVS, 이하 ZVS라 칭함)이 되도록 하는 역할을 한다. 인덕터 Le(105)를 제거하고 공진 커패시터 Cs(103)를 키워서 인덕터 Le(105)가 발생시키는 양과 동일한 전류 위상 지연을 발생시킬 수도 있다. 그러나 도 1에서는 일반적인 증폭기의 구성에 준하여 설명하고자 인덕터 Le(105)를 제거하지 않았다. 스위치(100)와 병렬로 연결되는 커패시터 Cp(102)도 스위치(100)가 ZVS 동작을 하도록 적당한 값으로 설정되어야 한다.
PRU(12)는 수신 안테나 Lrx(120)와, 공진을 위한 커패시터 Csr(124)과, 부하 임피던스 ZL(122)로 간단하게 등가화 가능하다. 수신 안테나 Lrx(120)와 커패시터 Csr(124)에 의한 공진 주파수가, 송신 안테나 Ltx(104)와 공진 커패시터 Cs(103)에 의한 공진 주파수와 동일할 때 최적의 전력 전송이 가능하므로 스위치(100)의 구동 주파수(driving frequency)를 fr이라고 한다면 다음 수학식 1과 같은 조건을 만족하는 것이 좋다.
Figure PCTKR2017006073-appb-M000001
도 1의 k는 두 개의 안테나 Ltx(104), Lrx(120) 사이의 커플링 정도를 나타내는 커플링 계수(coupling coefficient)로써, 0 ~ 1 사이의 값을 가진다. 만약 수학식 1을 만족한다면, PRU(12)의 부하 임피던스 ZL(122)은 PTU(10)로 옮겨지며(reflected), 도 2에 도시된 바와 같이 등가화 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 PRU에서 PTU로 옮겨진 부하 임피던스(Reflected load impedance, ZRF)를 포함하는 PTU의 회로도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, PRU(12)에서 PTU(10)로 옮겨진 임피던스는 ZRF(106)로 표현되며 ZRF(106)는 아래와 같은 수학식 2를 만족한다.
Figure PCTKR2017006073-appb-M000002
수학식 2에 있어서, ZRF(106)는 ZL(122)의 역수에 비례하고 k에 비례하는 값이 된다. ZL(122)이 완전 저항체라면 ZRF(106)도 저항으로 보이지만, ZL(122)은 유도성(inductive) 또는 용량성(capacitive) 부하가 될 수 있다. 따라서, 임피던스 ZRF(106)도 유도성 또는 용량성 부하가 될 수 있으므로, 수학식 3에서와 같이, PTU(10)의 부하 임피던스 ZRF(106)는 실수부인 저항 R과 허수부인 리액턴스 X가 결합한 임피던스 성분으로 볼 수 있다.
Figure PCTKR2017006073-appb-M000003
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 A4WP Class-3 PTU의 부하 임피던스를 도시한 스미스 챠트(smith chart)이다.
6.78MHz 주파수를 이용하는 무선 충전 규격인 A4WP(Alliance for Wireless Power)에는 PTU의 출력전력(output power)을 클래스(class)로 나누고 있으며, 클래스에 따른 임피던스 규격이 있다. 16W를 출력하는 Class-3의 경우 만족해야 할 임피던스를 스미스 챠트 상에 나타내면 도 3에 도시된 바와 같다.
도 3을 참조하면, 저항 R의 경우 최대 55 [Ohm]까지이고, 리액턴스 X는 최소 -150에서 10에 해당하는 범위까지 원활한 동작이 가능해야 한다. 원활한 동작이란 PTU의 증폭기가 PRU에 필요로 하는 전력을 공급할 수 있어야 하고 class-E 증폭기에 무리가 가지 않는 안정적인 동작 상태를 의미한다. 이러한 광범위한 ZRF 영역에서는 증폭기의 동작점이 변화하게 되어 크게 3가지 동작이 가능하다. 증폭기의 동작 상태는 도 4에 도시된 바와 같이 스위칭 소자의 드레인 전압(drain voltage) Vd을 관찰함으로 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 증폭기의 ZVS 및 하드 스위칭(Hard-switching) 동작을 보이는 스위치의 드레인 전압의 파형도이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 스위치(100)가 on 되어 있을 때 스위치(100)의 드레인 전압 Vd는 0V 근처가 된다. 그러나 스위치(100)가 off 되면 공진기의 전류와 초크 인덕터 Lch(101)의 전류에 의해 도 4에 도시된 바와 같이 스위치(100)의 드레인 전압 Vd이 상승과 하강을 반복하게 된다. 일반적으로 ZRF(106)의 임피던스가 class-E 증폭기 설계시 고려된 영역에 있다면, 도 4의 ZVS 조건(400)을 만족하여 드레인 파형은 반파 정현파와 유사하게 움직이고 스위치(100)가 on 되기 직전 0V 전압이 된다. 따라서 이러한 동작을 ZVS(zero-voltage switching)이라 한다. ZVS 조건(400)이 되면 스위치(100)가 on 될 때 커패시터 Cp(102)의 전압은 0이 되므로 커패시터 Cp(102)를 방전할 때 발생하는 전류 스파이크(current spike)가 발생하지 않으며 추가적인 손실(loss)이 발생하지 않아 가장 이상적인 동작 상태가 된다.
그러나 ZRF(106)의 상태에 따라 공진기의 전류가 작을 수 있다. 이 경우에는 커패시터 Cp(102)의 충방전이 원활하지 않아, 도 4의 하드 스위칭 타입-I(hard-switching type-I: HS1, 이하 HS1이라 칭함)(410)과 같은 파형이 발생할 수 있다. HS1 조건(410)에서는 드레인 전압 Vd의 피크(peak)는 작지만 스위치(100)가 on 될 때 드레인 전압 Vd이 0이 아니므로 전류 스파이크(current spike)가 발생하고 커패시터 Cp(102)를 방전하는 과정에서 과도한 전류에 의한 발열이 발생한다. 이 경우는 ZRF(106)의 X 성분이 (+)가 되어 커패시터 Cs(103), 송신 안테나 Ltx(104)와 함께 공진 주파수를 낮추는 경우 주로 발생이 된다.
만약 ZRF(106)의 X가 큰 크기를 갖는 (-) 값인 경우에는 커패시터 Cs(103), 송신 안테나 Ltx(104)와 함께 공진 주파수를 높이게 되고 공진 주파수가 fr 보다 같거나 커질 수 있다. 이 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이, 피크(peak)가 2번 발생하면서 하드 스위칭(hard-switching)이 일어나는 하드 스위칭 타입-II(hard-switching type-II: HS2, 이하 HS2라 칭함)(420) 동작을 하게 된다. HS1(410), HS2(420) 동작 모두 지양해야 할 조건이지만, HS2(420)가 스위칭이 시작하는 시점에서 더 높은 드레인 전압을 유발할 수 있으므로 HS2(420)가 더 취약한 동작 상태라 할 수 있다. HS1(410), HS2(420) 동작을 하게 되면 스위치(100)의 발열이 급격히 증가하여 스위치(100)가 파괴될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 직렬 공진 커패시터 Cs와 ZRF에 의한 증폭기의 동작점 변화를 보여주는 표이고, 도 6 내지 도 8은 도 5의 표에 따른 시간 당 전압 변화를 도시한 그래프이다.
도 5는 저항 R을 1 ~ 55, 인덕턴스 X를 -150 ~ 10까지 변화시키면서 PTU를 모의 실험한 결과이다. 도 5의 표에서, Po는 출력 실효 전력을 의미하며 단위는 [W]이다. Op는 동작 상태를 의미하는 것으로 ZVS, HS1, HS2 3가지로 정리되어 있다. Cs=160pF 일 때 X가 -75 이하가 되면 HS2(510) 동작이 발생한다. 이때 Cs를 약간 키워서 Cs=160pF+50pF으로 설정할 경우 HS2(510) 동작이 되는 X 조건이 줄어들어서 -125 이하일 때 HS2(510) 동작이 발생한다. Cs를 160pF+100pF으로 더 키웠을 경우는 X가 -150일 때도 ZVS(520) 동작이 가능하지만, X가 (+) 혹은 (-)로 작은 값일 때 HS1(530) 동작을 함을 알 수 있다. 이 모의실험에서 R 값은 55 Ω(옴)으로, 이 상태일 때 16W 출력이 가능해야 한다. VDC 조건은 30V였고 VDC를 증가시키면 출력전력이 증가할 수 있으므로 13W 이상일 경우 VDC를 약간 증가시킬 수 있다는 가정하에 출력전력을 만족한다고 보았다. 도 5의 표에서 굵은 선으로 한정되어 있는 부분이 ZVS 조건과 출력전력을 만족하는 상태이므로, ZVS가 된다 하더라도 출력전력 조건을 만족시키기 위해 공진기의 튜닝 지점(tuning point)이 달라질 필요가 있음을 알 수 있다.
위의 동작 상태를 보면, HS2(510) 동작이 발생하면 커패시터 Cs의 값을 증가시켜서 -X에 의한 공진 주파수가 증가한 부분을 감소시키면 되고, HS1(530) 동작이 발생하면 일반적으로 출력전력이 원활치 않은 상태가 되므로 커패시터 Cs의 값을 감소시켜서 공진 주파수를 다소 높여야 된다는 것을 실험적으로 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 PTU의 자동 튜닝(auto-tuning) 회로 구성도이다.
도 9를 참조하면, 제어부(108)는 공진기의 공진 주파수를 제어하는데, 이를 위해 공진 커패시터 Cs를 자동 튜닝한다. 공진 커패시터 Cs의 자동 튜닝에 따라 공진기에 출력전력을 전송하는 증폭기가 안정적인 동작점에서 원활히 출력전력을 전송할 수 있다. 도 9의 VDC는 증폭기에 인가된 DC 전원전압이고, IDC는 DC 전원으로부터 공급되는 전류의 양이므로 VDC×IDC는 증폭기의 전력 소모이다. 이 전력 소모는 증폭기의 출력전력과 비례하는 값이 된다.
일반적으로 증폭기에서 출력전력을 높이는 방법은 DC 전원전압 VDC를 증가시키는 방법을 사용하고 있다. 하드 스위칭 감지부(Hard-switching detector)(107)는 스위치(100)의 드레인 전압 Vd 감지를 통해, 게이트 구동신호 Vgate가 하이(high)가 되어 스위치가 켜질(turn-on) 때 하드 스위칭이 일어나는지를 감지한다. 그리고 감지된 하드 스위칭 여부를 논리 레벨(logic level) 신호로 출력한다. 따라서, 하드 스위칭 감지를 위해서는 게이트 구동신호 Vgate와 스위치 드레인 신호 Vd가 필요하다. 하드 스위칭 감지부(107)는 비교기와 여러 회로의 조합으로 구성될 수 있으나, 구현 방법이 다양하므로 본 발명에서는 특별히 회로를 한정 짓지 않는다.
제어부(108)는 하드 스위칭 감지부(107)로부터 수신된 신호로부터 현재 스위치의 동작 상태를 판단한다. 그리고 판단 결과에 따라 공진 커패시터 Cs의 값을 조정하는 신호를 발생하여 공진기를 자동 튜닝한다. 예를 들어, 스위치의 동작 상태가 부하에 의해 공진 주파수가 높아져 하드 스위칭을 하는 상태(HS2)이면 공진 커패시터 Cs의 값을 증가시켜서 공진 주파수가 증가한 부분을 감소시킨다. 이에 비해, 부하에 의해 공진 주파수가 낮아져 하드 스위칭을 하는 상태(HS1)이면 공진 커패시터 Cs의 값을 감소시켜서 공진 주파수가 감소한 부분을 증가시킨다.
일 실시 예에 따른 제어부(018)는 하드 스위칭 동작 상태와 함께, 증폭기의 출력전력 값 및 PRU의 수신전력 값을 이용하여 증폭기의 현재 동작 상태를 판단한다. DC 전원전압 VDC와 DC 전원전류 IDC로부터 현재 증폭기의 출력전력을 계산할 수 있다. 증폭기의 현재 동작 상태 판단 결과에 따라 공진 커패시터 CS의 값과 증폭기에 인가되는 DC 전원전압 VDC를 제어하여 PTU를 자동 튜닝할 수 있다. 제어부(108)의 PTU 자동 튜닝 실시 예에 대해서 도 10을 참조로 하여 후술한다. PRU의 수신전력 값은 블루투스(Bluetooth) 통신을 통해 PTU에 전달될 수 있다. 제어부(108)는 마이컴(micro-controller) 등으로 구성되어 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 9의 제어부의 세부 구성도이다.
도 9 및 10을 참조하면, 제어부(108)는 제1 판단부(1080), 송신전력 처리부(1082), 수신전력 처리부(1084), 제2 판단부(1086) 및 조정부(1088)를 포함한다.
제1 판단부(1080)는 하드 스위칭 감지부(107)로부터 감지 신호를 수신하여 스위치가 하드 스위칭 동작 상태인지를 판단한다. 수신되는 감지 신호는 로직 레벨 형태로, 하드 스위칭 동작 상태 여부를 알 수 있다. 송신전력 처리부(1082)는 증폭기의 DC 전원전압 VDC 및 DC 전원전류 IDC 값을 획득하여 PTU의 송신전력 값을 계산한다. 수신전력 처리부(1084)는 PRU로부터 수신전력 값을 획득한다. 제2 판단부(1086)는 송신전력 처리부(1082)를 통해 계산된 송신전력 값과 수신전력 처리부(1084)를 통해 획득된 수신전력 값을 이용하여 증폭기의 현재 동작 상태를 판단한다. 조정부(1088)는 제1 판단부(1080)와 제2 판단부(1086)의 판단 결과에 따라 공진 커패시터 Cs의 값과 증폭기의 출력전력을 조정한다. 증폭기의 출력전력 조정은 증폭기에 인가되는 DC 전원전압 VDC 조정을 통해 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 따른 조정부(1088)는 제1 판단부(1080)의 판단 결과에 의해 스위치가 하드 스위칭 동작 상태이고, 제2 판단부(1086)의 판단 결과에 의해 PTU의 송신전력 값이 과도하여 PRU의 부하 구동을 위해 설정한 허용 가능한 최대 수신전력보다 높아 과전력 송신 상태인 것으로 판단하면, 공진 커패시터 Cs의 값을 증가시킨다. 이때, 증가한 공진 커패시터 Cs의 값이 최대 값에 도달하면, 증폭기의 DC 전원전압 VDC을 감소시켜 PTU의 송신전력을 낮춘다.
일 실시 예에 따른 조정부(1088)는 제1 판단부(1080)의 판단 결과에 의해 스위치가 하드 스위칭 동작 상태이고, 제2 판단부(1086)의 판단 결과에 의해 과전력 송신 상태가 아닌 것으로 판단하면, 공진 커패시터 Cs의 값을 감소시킨다.
일 실시 예에 따른 조정부(1088)는 제1 판단부(1080)의 판단 결과에 의해 스위치가 하드 스위칭 동작 상태가 아니고, 제2 판단부(1086)의 판단 결과에 의해 PRU의 수신전력이 부하의 구동을 위해 설정한 최소 수신전력에 미달되지 않으면 PRU의 수신전력이 필요 이상으로 과도한지를 판단한다. 과도하면 공진 커패시터 Cs의 값은 변화시키지 않고 증폭기의 DC 전원전압 VDC을 낮추어 PTU의 송신전력을 낮춘다.
일 실시 예에 따른 조정부(1088)는 제1 판단부(1080)의 판단 결과에 의해 스위치가 하드 스위칭 동작 상태가 아니고, 제2 판단부(1086)의 판단 결과에 의해 PRU의 수신전력이 부하의 구동을 위해 설정한 최소 수신전력에 미달되면 공진 커패시터 Cs의 값을 감소시킨다. 이때, 감소한 공진 커패시터 Cs의 값이 최소 값에 도달했음에도 여전히 PTU의 송신전력이 낮으면 증폭기의 DC 전원전압 VDC을 증가시켜 PTU의 송신전력을 높인다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 PTU의 자동 튜닝 방법을 도시한 흐름도이다.
도 11의 PTU의 자동 튜닝 프로세스는 도 9의 제어부(108)에서 수행될 수 있다. 공진 커패시터 Cs의 값은 최대 값 Cs,max까지 변화할 수 있다고 가정한다. 동작을 할 때 공진 커패시터 Cs의 값은 어떠한 값이 되든 상관이 없으나, 동작의 안정성을 고려한다면 공진 주파수가 낮은 지점부터 동작하는 것이 좋으므로 시작과 동시에 공진 커패시터 Cs의 값은 최대 값 Cs,max에 있도록 설정한다(Cs= Cs,max)(1100). 또한, 증폭기는 아직 동작 이전이므로, 증폭기의 DC 전원전압 VDC는 최소 값 VDC,min이다(VDC=VDC,min)(1100).
이어서, 증폭기가 동작하면 하드 스위칭 여부를 판단한다(1102). 만약 하드 스위칭 동작 상태가 아니라면 ZVS 동작을 하므로 증폭기의 동작은 정상적인 상태이다. 정상 상태이면, PRU에서 공급받는 수신전력이 부하의 구동을 위해 설정한 최소 수신전력에 미달되는지 판단(1104)하여, 만약 최소 수신전력에 미달되지 않는다면 공진 커패시터 Cs, DC 전원전압 VDC 모두 제대로 설정된 상태이므로 해당 값을 변화시키지 않는다(1110). 단 PRU에서 부하 구동을 위해 설정한 허용 가능한 최대 수신전력 이상으로 과다한 전력을 수신하고 있는지를 판단(1106)하여, 최대 수신전력을 초과하면 공진 커패시터 Cs의 값은 변화시키지 않고 DC 전원전압 VDC을 감소(1108)시켜 PTU 송신전력을 낮춘다.
PRU에서 충분한 전력을 수신하고 있는지 판단하는 단계(1104)에서, PRU에서 공급받는 수신전력이 부하의 구동을 위해 설정한 최소 수신전력에 미달되는 경우, 커패시터 Cs의 값을 감소시켜서(1112) 공진 주파수를 높인다. 커패시터 Cs의 값을 감소시켜 최소 값인 Cs,min에 도달(1114) 했음에도 여전히 PRU의 수신전력이 낮을 때는 DC 전원전압 VDC를 증가시킨다(1116).
하드 스위칭 여부 판단 단계(1102)에서, 하드 스위칭이 발생하고 있는 것으로 판단되면, PRU 수신전력이 부하 구동을 위해 설정한 허용 가능한 최대 수신전력을 초과하는지 여부를 판단한다(1118). PTU의 송신전력이 과도하여 PRU의 허용 가능한 최대 수신전력을 초과하는 경우는 효율이 매우 감소하고 있는 상황이라 판단되므로 HS2 동작을 하고 있는 것이다. 따라서 이 경우는 커패시터 Cs의 값을 증가시킨다(1122). 단, 커패시터 Cs의 값이 최대 값 Cs,max에 도달했는지 판단(1124)하여 최대 값 Cs,max이면 DC 전원전압 VDC를 감소(1126)시켜 PTU의 송신전력을 낮춘다.
하드 스위칭 동작 상태이기는 하지만 PRU가 공급받는 전력이 허용 가능한 최대 수신전력을 초과하지 않을 때는 공진기의 전류가 작아서 HS1 상태에 동작하는 것으로 판단할 수 있다. 이 경우, 공진 주파수를 증가시키기 위해 커패시터 Cs의 값을 감소시킨다(1120).
기존의 PTU 자동 튜닝 방법과 비교했을 때, 직렬 공진 커패시터 Cp를 변화시켜서 증폭기의 동작이 안정되게 하고 PRU에 원하는 전력을 공급하게 할 수 있게 동작하는 것은 동일하다. 그러나 기존의 방법은 공진기의 임피던스를 측정하여 그 정보로부터 위상을 측정하여 커패시터를 튜닝한다. 즉, 가능하면 모든 임피던스 조건에서 공진점이 일정하도록 제어를 하게 된다. 이에 비하여, 본 발명에서 제안하는 방법은 스위치의 동작 상태, 특히 하드 스위칭 상태를 감지하여 자동 튜닝을 시도하므로 스위치를 빠르게 보호할 수 있을 뿐 아니라, 복잡하고 정교한 임피던스 감지 회로가 필요 없으므로 매우 간단하게 자동 튜닝을 수행할 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 커패시터(Variable capacitor) 구현 예이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 자동 튜닝을 통해 조정되는 커패시터는 가변 커패시터(Variable capacitor)일 수 있다. 가변 커패시터는 도 12에 도시된 바와 같이 전기적으로 튜닝이 가능한 커패시터 소자(Electrical Tunable capacitor)(1200)를 사용할 수 있다. 이 경우, 가변신호를 발생시키기 위해 DAC(digital-to-analog converter)(1210)가 필요할 수 있다. DAC(1210)를 제어하는 신호는 도 9의 제어부(108)에서 제공된다.
도 12의 가변 커패시터(1200)를 사용하지 않고, 도 13에 도시된 바와 같이 커패시터 스위치(1310-1,…1310-n)와 커패시터(1300-1,…1300-n)의 조합으로 커패시터 값을 가변시킬 수 있다. 예를 들어, 커패시터 스위치(1310-1,…1310-n)를 선택적으로 온/오프시켜 온 되는 커패시터 스위치와 연결된 커패시터를 통해 커패시터 값을 가변시킬 수 있다. 이를 위해, 커패시터 스위치(1310-1,…1310-n)는 제어부(108)로부터 수신되는 스위치 제어신호 Vc<1> ~ Vc<n>에 따라 선택적으로 스위칭된다.
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 (13)

  1. 무선 전력 송신기를 구성하는 증폭기 내 스위치의 하드 스위칭 동작 상태를 감지하는 하드 스위칭 감지부; 및
    감지된 하드 스위칭 동작 상태에 따라 공진 커패시터의 값을 자동 조정하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 하드 스위칭 감지부는
    상기 스위치의 구동전압 신호로부터 스위치가 온(on) 되었는지를 감지하고 스위치 온(on) 되었을 때 상기 스위치의 드레인 전압으로부터 하드 스위칭 동작 상태인지를 감지하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 스위치의 동작 상태가 부하에 의해 공진 주파수가 높아져 하드 스위칭을 하는 상태이면 공진 커패시터 값을 증가시켜서 공진 주파수가 증가한 부분을 감소시키고, 부하에 의해 공진 주파수가 낮아져 하드 스위칭을 하는 상태이면 공진 커패시터 값을 감소시켜서 공진 주파수가 감소한 부분을 증가시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    하드 스위칭 동작 상태와 함께, 증폭기의 출력전력 값 및 무선 전력 수신기의 수신전력 값을 이용하여 증폭기의 현재 동작 상태를 판단하고 판단 결과에 따라 공진 커패시터 값을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어부는
    공진 커패시터 값 제어와 함께 증폭기의 출력전력을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 공진 커패시터는
    전기적으로 커패시터 값이 조정되는 가변 커패시터이고,
    상기 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치는
    상기 제어부의 제어에 의해 가변신호를 발생하여 상기 가변 커패시터에 인가하는 DAC; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 공진 커패시터는
    각 커패시터 스위치와 연결되어 각 스위치의 스위칭에 의해 커패시터 값이 가변하는 다수의 커패시터이고,
    상기 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치는
    상기 제어부로부터 수신되는 스위치 제어신호에 따라 선택적으로 스위칭되는 다수의 커패시터 스위치; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치.
  8. 무선 전력 송신기를 구성하는 증폭기 내 스위치의 하드 스위칭 동작 상태를 감지하는 하드 스위칭 감지부;
    상기 하드 스위칭 감지부로부터 감지 신호를 수신하여 스위치가 하드 스위칭 동작 상태인지를 판단하는 제1 판단부;
    증폭기의 전원전압 및 전원전류 값을 획득하여 무선 전력 송신기의 송신전력 값을 계산하는 송신전력 처리부;
    무선 전력 수신장치로부터 수신전력 값을 획득하는 수신전력 처리부;
    계산된 송신전력 값과 획득된 수신전력 값을 이용하여 증폭기의 현재 동작 상태를 판단하는 제2 판단부; 및
    상기 제1 판단부 및 제2 판단부의 판단 결과에 따라 공진 커패시터 값 및 증폭기의 출력전력을 조정하는 조정부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 조정부는
    상기 제1 판단부의 판단 결과에 의해 스위치가 하드 스위칭 동작 상태이고, 상기 제2 판단부의 판단 결과에 의해 무선 전력 송신기의 송신전력 값이 과도하여 무선 전력 수신기의 부하의 구동을 위해 설정한 허용 가능한 최대 수신전력을 초과하여 과전력 송신 상태인 것으로 판단하면, 공진 커패시터 값을 증가시키고, 증가한 공진 커패시터 값이 최대 값에 도달하면 증폭기의 전원전압을 감소시켜 무선 전력 송신기의 송신전력을 낮추는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 조정부는
    상기 제1 판단부의 판단 결과에 의해 스위치가 하드 스위칭 동작 상태이고, 상기 제2 판단부의 판단 결과에 의해 과전력 송신 상태가 아닌 것으로 판단하면, 공진 커패시터 값을 감소시키는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 조정부는
    상기 제1 판단부의 판단 결과에 의해 스위치가 하드 스위칭 동작 상태가 아니고, 상기 제2 판단부의 판단 결과에 의해 무선 전력 수신기의 수신전력이 부하의 구동을 위해 설정한 최소 수신전력에 미달되지 않으면 무선 전력 수신기의 수신전력이 필요 이상으로 과도한지를 판단하여 과도하면 공진 커패시터 값은 변화시키지 않고 증폭기의 전원전압을 낮추어 무선 전력 송신기의 송신전력을 낮추는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 조정부는
    상기 제1 판단부의 판단 결과에 의해 스위치가 하드 스위칭 동작 상태가 아니고, 상기 제2 판단부의 판단 결과에 의해 무선 전력 수신기의 수신전력이 부하의 구동을 위해 설정한 최소 수신전력에 미달되면 공진 커패시터 값을 감소시키고, 감소한 공진 커패시터 값이 최소 값에 도달했음에도 여전히 무선 전력 송신기의 송신전력이 낮으면 증폭기의 전원전압을 증가시켜 무선 전력 송신기의 송신전력을 높이는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치.
  13. 제 8 항에 있어서, 상기 수신전력 처리부는
    무선 전력 수신기의 수신전력 값을 무선 전력 수신기로부터 블루투스 통신을 통해 수신하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 송신기 자동 튜닝 장치.
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