WO2019078488A1 - 무선 전력 송신 장치 - Google Patents

무선 전력 송신 장치 Download PDF

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WO2019078488A1
WO2019078488A1 PCT/KR2018/010601 KR2018010601W WO2019078488A1 WO 2019078488 A1 WO2019078488 A1 WO 2019078488A1 KR 2018010601 W KR2018010601 W KR 2018010601W WO 2019078488 A1 WO2019078488 A1 WO 2019078488A1
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WO
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wireless power
frequency
clock signal
external clock
signal
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PCT/KR2018/010601
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English (en)
French (fr)
Inventor
최순철
이윤복
Original Assignee
엘지이노텍(주)
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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
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration

Definitions

  • the present invention relates to a wireless power transmission technology, and more particularly, to a wireless power transmission device capable of preventing interference to other service frequency bands in advance by generating operating frequencies more precisely.
  • the wireless power transmission technology is a technology to transmit electric energy from the transmitter to the receiver wirelessly using the induction principle of the magnetic field.
  • electric motor or transformer And thereafter, a method of transmitting electrical energy by radiating electromagnetic waves such as high frequency, microwave, and laser has also been attempted.
  • Our electric toothbrushes and some wireless shavers are actually charged with electromagnetic induction.
  • energy transmission using radio may be roughly classified into a magnetic induction method, an electromagnetic resonance method, and an RF transmission method using a short wavelength radio frequency.
  • the magnetic induction method when two coils are adjacent to each other and a current is supplied to one coil, a magnetic flux generated at this time causes an electromotive force to the other coils.
  • the magnetic induction method has the disadvantage that it can transmit power of up to several hundred kilowatts (kW) and the efficiency is high, but the maximum transmission distance is 1 centimeter (cm) or less, so it is usually adjacent to the charger or the floor.
  • the self-resonance method is characterized by using an electric field or a magnetic field instead of using electromagnetic waves or currents.
  • the self-resonance method is advantageous in that it is safe to other electronic devices or human body since it is hardly influenced by the electromagnetic wave problem. On the other hand, it can be used only at a limited distance and space, and has a disadvantage that energy transfer efficiency is somewhat low.
  • RF transmission - takes advantage of the fact that energy can be transmitted and received directly in radio wave form.
  • This technology is a RF power transmission system using a rectenna. Rectena is a combination of an antenna and a rectifier, which means a device that converts RF power directly into direct current power. That is, the RF method is a technique of converting an AC radio wave into DC and using it. Recently, as the efficiency has improved, commercialization has been actively researched.
  • Wireless power transmission technology can be applied to various industries such as IT, automobile, railroad, home appliance industry as well as mobile.
  • a wireless power transmitter that supplies wireless power in a magnetically inductive manner is driven at a predetermined, predetermined operating frequency.
  • An MCU Main Control Processor
  • An MCU Main Control Processor
  • the present invention can provide a wireless power transmission apparatus.
  • the wireless power transmission apparatus includes a transmission controller for generating and supplying a reference clock signal, an external clock generator for supplying an external clock signal for generating the reference clock signal to the transmission controller, A gate driver for generating a plurality of switching control signals based on the input DC voltage, a converter for converting an input DC voltage level to supply an output DC voltage, and a controller for controlling the plurality of switches provided in accordance with the plurality of switching control signals An inverter for generating an AC power signal and a power transmitter for wirelessly transmitting the AC power signal, wherein the frequency of the reference clock signal is any frequency between 112.4 KHz and 112.75 KHz.
  • the external clock generator may be a resonator having a resolution within 700 PPM.
  • the external clock generator may be a crystal oscillator within 50 PPM.
  • the inverter may be a full bridge inverter including first to fourth switches.
  • the inverter may be a half bridge inverter including first to second switches.
  • the external clock generator may generate the external clock signal so that the frequency upper / lower deviation of the reference clock signal falls within +/- 0.25 KHz, and may supply the external clock signal to the transmission controller.
  • the external clock generator may generate the external clock signal so as to have a tolerance within 0.22% of a predetermined target operation frequency, and supply the external clock signal to the transmission controller.
  • An advantage of the present invention is to provide a wireless power transmission apparatus capable of preventing interference to other service frequency bands by generating an operating frequency more precisely.
  • the present invention also has the advantage of providing a vehicular wireless power transmission apparatus capable of minimizing interference to the AM radio frequency band.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a wireless charging system according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a sensing signal transmission procedure in a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating an internal structure of a wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view for explaining a structure of an inverter according to an embodiment of the present invention.
  • 6 to 7 are views for explaining operations of a full bridge inverter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a target frequency setting method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an experimental result table showing a deviation of an operating frequency according to resonator characteristics in a wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • 10 is an experimental result table showing an operating frequency deviation when a crystal oscillator is used as an external clock generator according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless power transmission apparatus includes a transmission controller for generating and supplying a reference clock signal, an external clock generator for supplying an external clock signal for generating the reference clock signal to the transmission controller, A gate driver for generating a plurality of switching control signals based on the input DC voltage, a converter for converting an input DC voltage level to supply an output DC voltage, and a controller for controlling the plurality of switches provided in accordance with the plurality of switching control signals An inverter for generating an AC power signal and a power transmitter for wirelessly transmitting the AC power signal, wherein the frequency of the reference clock signal is any frequency between 112.4 KHz and 112.75 KHz.
  • a signal transmitted and received between the wireless power transmission apparatus and the wireless power reception apparatus is used in combination with the packet.
  • an apparatus equipped with a function of transmitting wireless power on a wireless charging system includes a wireless power transmitter, a wireless power transmitter, a wireless power transmitter, a wireless power transmitter, a transmitter, a transmitter, , , A transmitting side, a wireless power transmission device, a wireless power transmitter, and the like are used in combination.
  • a wireless power receiving apparatus a wireless power receiving apparatus, a wireless power receiving apparatus, a wireless power receiving apparatus, a wireless power receiving apparatus, a receiving terminal, a receiving side, A receiver, a receiver, and the like can be used in combination.
  • the transmitter according to the present invention may be configured as a pad type, a cradle type, an access point (AP) type, a small base type, a stand type, a ceiling embedded type, a wall type, Power can also be transmitted.
  • AP access point
  • the transmitter may comprise at least one radio power transmission means.
  • the radio power transmitting means may be various non-electric power transmission standards based on an electromagnetic induction method in which a magnetic field is generated in a power transmitting terminal coil and charged using an electromagnetic induction principle in which electricity is induced in a receiving terminal coil under the influence of the magnetic field.
  • the wireless power transmission means may include an electromagnetic induction wireless charging technique defined by Wireless Power Consortium (WPC) and Power Matters Alliance (PMA), which are standard wireless charging technologies.
  • WPC Wireless Power Consortium
  • PMA Power Matters Alliance
  • a receiver may include at least one wireless power receiving means, and may receive wireless power from two or more transmitters at the same time.
  • the wireless power receiving means may include an electromagnetic induction wireless charging technique defined by Wireless Power Consortium (WPC) and Power Matters Alliance (PMA), which are standard wireless charging technologies.
  • WPC Wireless Power Consortium
  • PMA Power Matters Alliance
  • the receiver according to the present invention may be used in a mobile phone, a smart phone, a laptop computer, a digital broadcasting terminal, a PDA (Personal Digital Assistants), a PMP (Portable Multimedia Player), a navigation device, A portable electronic device such as a toothbrush, an electronic tag, a lighting device, a remote control, a fishing rod, a smart watch, etc.
  • a portable electronic device such as a toothbrush, an electronic tag, a lighting device, a remote control, a fishing rod, a smart watch, etc.
  • the present invention is not limited thereto. It suffices.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless charging system includes a wireless power transmission terminal 10 for wirelessly transmitting power, a wireless power receiving terminal 20 for receiving the transmitted power, and an electronic device 20 Lt; / RTI >
  • the wireless power transmitting terminal 10 and the wireless power receiving terminal 20 can perform in-band communication in which information is exchanged using the same frequency band as that used for wireless power transmission.
  • the wireless power transmitting terminal 10 and the wireless power receiving terminal 20 perform out-of-band communication in which information is exchanged using a different frequency band different from the operating frequency used for wireless power transmission .
  • information exchanged between the wireless power transmitting terminal 10 and the wireless power receiving terminal 20 may include control information as well as status information of each other.
  • the in-band communication and the out-of-band communication may provide bidirectional communication, but the present invention is not limited thereto. In another embodiment, the in-band communication and the out-of-band communication may be provided.
  • the unidirectional communication may be that the wireless power receiving terminal 20 transmits information only to the wireless power transmitting terminal 10, but the present invention is not limited thereto, and the wireless power transmitting terminal 10 may transmit information Lt; / RTI >
  • bidirectional communication is possible between the wireless power receiving terminal 20 and the wireless power transmitting terminal 10, but information can be transmitted only by any one device at any time.
  • the wireless power receiving terminal 20 may acquire various status information of the electronic device 30.
  • the status information of the electronic device 30 may include current power usage information, information for identifying a running application, CPU usage information, battery charge status information, battery output voltage / current information, And is information obtainable from the electronic device 30 and available for wireless power control.
  • the wireless power transmitting terminal 10 can transmit a predetermined packet indicating whether or not to support fast charging to the wireless power receiving terminal 20.
  • the wireless power receiving terminal 20 can inform the electronic device 30 of the connected wireless power transmitting terminal 10 when it is confirmed that it supports the fast charging mode.
  • the electronic device 30 may indicate that fast charging is possible through a predetermined display means, which may be, for example, a liquid crystal display.
  • the user of the electronic device 30 may select the predetermined fast charge request button displayed on the liquid crystal display means to control the wireless power transmitting terminal 10 to operate in the fast charge mode.
  • the electronic device 30 can transmit a predetermined fast charge request signal to the wireless power receiving terminal 20 when the quick charge request button is selected by the user.
  • the wireless power receiving terminal 20 may generate a charging mode packet corresponding to the received fast charging request signal and transmit the same to the wireless power transmitting terminal 10 to switch the general low power charging mode to the fast charging mode.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a wireless charging system according to another embodiment of the present invention.
  • the wireless power receiving terminal 20 may include a plurality of wireless power receiving devices, and a plurality of wireless power receiving devices may be connected to one wireless power transmitting terminal 10, Charging may also be performed.
  • the wireless power transmitting terminal 10 can distribute power to a plurality of wireless power receiving apparatuses in a time division manner, but it is not limited thereto. In another example, the wireless power transmitting terminal 10 can distribute power to a plurality of wireless power receiving apparatuses using different frequency bands allocated to the wireless power receiving apparatuses.
  • the number of wireless power receiving apparatuses connectable to one wireless power transmitting apparatus 10 is set to at least one of the required power amount for each wireless power receiving apparatus, the battery charging state, the power consumption amount of the electronic apparatus, Can be determined adaptively based on
  • the wireless power transmitting terminal 10 may be composed of a plurality of wireless power transmitting apparatuses.
  • the wireless power receiving terminal 20 may be connected to a plurality of wireless power transmission apparatuses at the same time, and may simultaneously receive power from connected wireless power transmission apparatuses to perform charging.
  • the number of wireless power transmission apparatuses connected to the wireless power receiving terminal 20 is adaptively set based on the required power amount of the wireless power receiving terminal 20, the battery charging status, the power consumption amount of the electronic apparatus, Can be determined.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a sensing signal transmission procedure in a wireless charging system according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless power transmitter may be equipped with three transmit coils 111, 112, 113. Each transmit coil may overlap a portion of the transmit coil with a different transmit coil, and the wireless power transmitter may include a predetermined sense signal 117, 127 for sensing the presence of the wireless power receiver through each transmit coil - And sequentially transmits digital ping signals in a predefined order.
  • the wireless power transmitter sequentially transmits the sensing signal 117 through the primary sensing signal transmission procedure shown in FIG. 110, and receives a signal intensity signal Signal Strength Signal 116 may identify the received transmit coil 111, 112.
  • the signal strength signal may include information on the signal strength measured by the wireless power receiver 115 in correspondence with the sensing signal, which is called a signal strength indicator for convenience of explanation.
  • the wireless power transmitter sequentially transmits the sense signal 127 through the secondary sense signal delivery procedure shown at 120 and transmits the signal strength signal 126 to the transmit coil 111, 112, It is possible to control the efficiency (or charging efficiency) - that is, the state of alignment between the transmitting coil and the receiving coil - to identify a good transmitting coil and to allow power to be delivered through the identified transmitting coil, .
  • the reason why the wireless power transmitter performs the two detection signal transmission procedures is to more accurately identify to which transmission coil the reception coil of the wireless power receiver is well aligned.
  • the signal strength indicators 116 and 126 are received at the first transmission coil 111 and the second transmission coil 112 as shown in the aforementioned numerals 110 and 120 of FIG. 3, Selects the best aligned transmission coil based on the received signal strength signal 126 in each of the first transmission coil 111 and the second transmission coil 112 and performs wireless charging using the selected transmission coil .
  • FIG. 4 is a block diagram illustrating an internal structure of a wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the wireless power transmission apparatus 400 includes a transmission controller 410, a gate driver 420, a converter 430, an inverter 440, a power transmitter 450, an external clock generator 460 and a power source 470.
  • the converter 430 may convert the input DC voltage V_in to generate a DC voltage V_out to be used in the next stage. And may be input to the inverter 440 as the generated DC voltage V_out.
  • the converter 430 may further include a rectifier and a filter for converting an AC power source of several tens Hz range to a DC power source.
  • the rectifier and the filter may be independently configured and mounted between the power source 470 and the converter 430.
  • the DC power converted by the converter 430 may be a DC / DC converter that produces a DC voltage suitable for power transfer and may be a step-down converter that provides a lower output DC voltage than the input DC voltage. But is not limited thereto.
  • the converter 430 may dynamically adjust the DC voltage output according to the control signal of the transmission controller 410.
  • the transmission controller 410 may dynamically control the output DC voltage of the converter 430 according to the intensity of the power required by the to-be-charged receiver.
  • the transmission controller 410 may control the overall operation of the wireless power transmission apparatus 400.
  • the transmission controller 410 may generate a reference clock (Ref_CLK) signal based on the specific frequency signal received from the external clock generator 460 and provide the signal to the gate driver 420.
  • Ref_CLK reference clock
  • the external clock generator 460 may generate and supply a clock signal to the transmission controller 410 so that the upper / lower limit tolerance for a specific target driving frequency is maintained within +/- 0.25 KHz.
  • the target driving frequency set in the transmission controller 410 may be set to 112.5 KHz, but is not limited thereto. That is, the external clock generator 460 may generate a clock signal of 112.5 KHz +/- 0.25 KHz and transmit it to the transmission controller 410.
  • the external clock generator 460 may generate and transmit to the transmission controller 410 a clock signal whose upper / lower limit tolerance for a specific target driving frequency falls within 0.22%.
  • the external clock generator 460 may be a resonator having a resolution of 700 PPM or less.
  • the external clock generator 460 may be a crystal oscillator having a resolution of 50 PPM or less.
  • the gate driver 420 may generate a switch control signal for controlling the operation of each switch provided in the inverter 440 based on the reference clock signal.
  • the gate driver 420 outputs four switch control signals SC1 , SC2, SC3, and SC4 to the inverter 440.
  • the four switches may be a metal oxide semiconductor field effect transistor, and either an n-type MOSFET or a p-type MOSFET may be selected and used.
  • the inverter 440 can change the DC voltage applied from the converter 430 to a pulse voltage signal (a spherical pulse) through a switching operation and deliver the changed pulse voltage signal (a spherical pulse) to the antenna of the transmitter 450 .
  • the power transmitter 450 may include at least one power transmission antenna, i.e., an LC resonant circuit, for wirelessly transmitting the pulse voltage signal.
  • the power transmitter 450 may further include a selection switching circuit for selecting a transmission coil to be used for transmission of radio power among the plurality of transmission coils.
  • the power transmitter 450 may further include various sensing circuits for measuring the intensity and temperature of the transmitted power.
  • the sensed information may be transmitted to the transmission controller 410.
  • the power transmitter 450 may further include a matching circuit for impedance matching.
  • FIG. 5 is a view for explaining a structure of an inverter according to an embodiment of the present invention.
  • the inverter 440 includes a full bridge inverter capable of converting and amplifying DC power supplied from the converter 430 to AC power based on a switch control signal provided from the gate driver 420 .
  • the inverter 440 includes a first switching element S1 441, a second switching element S2 442, a third switching element S3 443, and a fourth switching element S4, 444).
  • the first switching element S1 441 is connected between the first node N1 and the converter 430 and can be controlled by the first switch control signal SC1 421 and the second switching element S2, 442 may be connected between the first node N1 and ground and may be controlled by a second switch control signal SC2,
  • the third switching elements S3 and 443 are connected between the second node N2 and the converter 430 and can be controlled by the third switch control signals SC3 and 423 and the fourth switching elements S4, 444 may be connected between the second node N2 and ground and may be controlled by a fourth switch control signal SC4,
  • the first to fourth switching elements S1, S2, S3, and S4 may be an N-type MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) 1 to the fourth switch control signals SC1, SC2, SC3, and SC4.
  • MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor
  • the first to fourth switch control signals SC1, SC2, SC3, and SC4 may be PWM (Pulse Width Modulation) signals.
  • 6 to 7 are views for explaining operations of a full bridge inverter according to an embodiment of the present invention.
  • the first switching device S1 441 and the fourth switching device S4 444 are turned on according to a PWM (Pulse Width Modulation) control signal provided from the gate driver 420, as shown in FIG. 6
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the second switching elements S2 and 442 and the third switching elements S3 and 443 are turned off so that the positive output voltage Vo can be applied to the power transmitter 450 .
  • the first switching device S1 441 and the fourth switching device S4 444 are turned off by the PWM control signal provided from the gate driver 420 as shown in FIG. 7,
  • the second switching elements S2 and 442 and the third switching elements S3 and 443 may be turned on and the negative output voltage Vo may be applied to the power transmitter 450.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a target frequency setting method according to an embodiment of the present invention.
  • the self-guided wireless charging technique may use a specific target driving frequency selected within a pre-allocated operating frequency band.
  • the operating frequency band defined in the International Standard (Qi) standard of the Wireless Power Consortium (WPC) is 110 to 205 KHz. Therefore, manufacturers of wireless charging devices conforming to the Qi standard can use a specific frequency between 110 KHz and 205 KHz as the target driving frequency.
  • a portion of the selected operating frequency within the operating frequency band may be an interference and noise component of another service band, such as its AM radio frequency band, whose odd frequency multiplication component may distort the signal of the corresponding service band.
  • the driver can wirelessly charge his / her smartphone while watching the AM radio.
  • the multiplication component of the operating frequency used for wireless charging is input to the AM radio receiver, the listening sensitivity of the AM radio may be lowered.
  • the wireless charging device may cause a deviation between a desired driving frequency and an actual output driving frequency even if a specific driving frequency is set according to the design and the type of the used component.
  • the deviation from the target drive frequency is large, some wireless charging devices may generate noise for different service bands - for example, the AM frequency band. Therefore, it is very important to keep the deviation from the target drive frequency within a certain range.
  • Reference numeral 810 in FIG. 8 shows a target driving frequency and its tolerance that does not cause interference with the AM radio signal.
  • the allowable deviation may include a lower limit permissible deviation indicating a difference between the target driving frequency and the target lower limit frequency, and a target upper limit frequency indicating a difference between the target driving frequency and the target upper limit frequency.
  • the frequency of the reference clock output from the actual transmission controller 410 that is, the main control unit (MCU) exceeds the lower limit permissible deviation or the upper limit permissible deviation in accordance with the predetermined target driving frequency, A frequency multiplying component may be introduced and the noise may be audible.
  • Reference numerals 820 and 830 in FIG. 8 denote driving frequencies for introducing noise into other service bands.
  • the oscillator which is mounted inside the transmission controller 410 to produce a reference clock to be provided to the gate driver 420, may have a different maximum reference clock frequency and tolerance depending on the type.
  • the transmission controller 410 of the wireless power transmitter may receive a clock signal from the external clock generator 460 that can satisfy the upper / lower limit tolerance.
  • the external clock generator 460 may generate and supply a clock signal to the transmission controller 410 so that the upper / lower limit tolerance for a specific target driving frequency is maintained within +/- 0.25 KHz.
  • the target driving frequency set in the transmission controller 410 may be set to 112.5 KHz, but is not limited thereto.
  • the external clock generator 460 can generate and transmit a clock signal to the transmission controller 410 so that the frequency of the reference clock signal generated by the transmission controller 410 has a tolerance of 112.5 KHz +/- 0.25 KHz have.
  • the reference clock signal may mean a target operating frequency or a target driving frequency.
  • the external clock generator 460 may generate and transmit a clock signal to the transmission controller 410 so that the upper / lower limit tolerance for a specific target driving frequency falls within 0.22%.
  • the external clock generator 460 may be a resonator having a resolution of 700 PPM or less.
  • the external clock generator 460 may be a crystal oscillator having a resolution of 50 PPM or less.
  • FIG. 9 is an experimental result table showing a deviation of an operating frequency according to resonator characteristics in a wireless power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 there is shown an actual output frequency value for each sample measured for each resonator having a resolution of 5000 PPM and a resonator having a resolution of 700 PPM, when the operating frequency set in the software installed in the transmission controller 410 is 113.122 KHz.
  • the average output operation frequency measurement value of 31 samples equipped with a resonator having a resolution of 5000PPM is 112.801KHz
  • the maximum output operation frequency value (MAX, 113.334KHz) and the minimum operation frequency value (MIN, 112.514 KHz) is 0.832 KHz (DIFF).
  • the average output frequency of the 31 samples with resonator with resolution of 700PPM is 112.873KHz and the difference between the maximum output frequency (MAX, 112.896KHz) and the minimum frequency (MIN, 112.832KHz) 0.0 > kHz < / RTI > (DIFF).
  • the resonator with a resolution of 700 PPM has a 13 times smaller output operating frequency deviation than a resonator with a resolution of 5000 PPM.
  • the smaller deviation of the output operating frequency means that the target operating frequency can be controlled more precisely, by which the multiplication component of the driving frequency of the wireless power transmission apparatus is introduced into another frequency band, for example, the AM frequency band So that interference and noise can be prevented from being generated.
  • FIG. 10 is an experimental result table for explaining an operating frequency deviation when a crystal oscillator is used as an external clock generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows the actually measured operating frequency values per sample for a crystal oscillator having a resolution of 50 PPM when the operating frequency set in the software installed in the transmission controller 410 is 112.688 KHz.
  • the measured operating frequency value for each sample is the same at 112.576 KHz. That is, when a crystal oscillator having a resolution of 50 PPM is used as the external clock generator 460, it can be seen that the operating frequency deviation measured by each sample is almost zero.
  • a 50PPM crystal oscillator may be used as the external clock generator of the wireless power transmission apparatus according to the present embodiment, but this is only one embodiment, and the frequency of the reference clock signal is between 112.4KHz and 112.75KHz, It should be noted that crystal oscillators of different resolutions may be used with an upper / lower deviation of +/- 0.25 respectively.
  • the inverter installed in the wireless power transmission apparatus is a full bridge inverter including four switches.
  • this is merely one embodiment, and the wireless power transmission apparatus A half bridge inverter may be provided.
  • the present invention can be applied to a vehicular wireless power transmission apparatus capable of controlling an operation frequency.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

본 발명은 무선 전력 송신 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 기준 클락 신호를 생성하여 공급하는 전송 제어기와 상기 기준 클락 신호를 생성하기 위한 외부 클럭 신호를 상기 전송 제어기에 공급하는 외부 클락 생성기와 상기 기준 클락 신호에 기초하여 복수의 스위칭 제어 신호를 생성하는 게이트 드라이버와 입력 직류 전압을 레벨 변환하여 출력 직류 전압을 공급하는 컨버터와 상기 출력 직류 전압을 상기 복수의 스위칭 제어 신호에 따라 구비된 복수의 스위치를 제어하여 교류 전력 신호를 생성하는 인버터와 상기 교류 전력 신호를 무선으로 전송하는 전력 전송기를 포함하고, 상기 기준 클락 신호의 주파수는 112.4KHz와 112.75KHz 사이의 어느 주파수일 수 있다.

Description

무선 전력 송신 장치
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 상세하게, 보다 정밀하게 동작 주파수를 생성함으로써, 다른 서비스 주파수 대역으로의 간섭을 미연에 방지하는 것이 가능한 무선 전력 송신 장치에 관한 것이다.
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 핸드셋과 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 고주파, Microwave, 레이저 등과 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 RF 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 전송 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, 자동차, 철도, 가전 산업 등 산업 전반에 다양하게 활용될 수 있다.
자기 유도 방식으로 무선 전력을 공급하는 무선 전력 송신기는 미리 설정된 특정 동작 주파수로 구동된다. 무선 전력 송신기의 제어를 담당하는 MCU(Main Control Processor)는 인버터에 스위치 제어를 위한 기준 클락을 공급한다.
하지만, 무선 전력 송신기의 동작 주파수의 체배 성분 중 일부가 AM 라디오 수신 신호에 유입되어 AM 라디오 수신 감도가 떨어지는 문제점이 있었다.
따라서, 보다 정밀한 동작 주파수 제어가 가능한 무선 전력 송신 장치가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 보다 정밀하게 동작 주파수를 생성함으로써, 다른 서비스 주파수 대역으로의 간섭을 미연에 방지하는 것이 가능한 무선 전력 송신 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 AM 라디오 주파수 대역으로의 간섭을 최소화시키는 것이 가능한 차량용 무선 전력 송신 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 무선 전력 송신 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 기준 클락 신호를 생성하여 공급하는 전송 제어기와 상기 기준 클락 신호를 생성하기 위한 외부 클럭 신호를 상기 전송 제어기에 공급하는 외부 클락 생성기와 상기 기준 클락 신호에 기초하여 복수의 스위칭 제어 신호를 생성하는 게이트 드라이버와 입력 직류 전압을 레벨 변환하여 출력 직류 전압을 공급하는 컨버터와 상기 출력 직류 전압을 상기 복수의 스위칭 제어 신호에 따라 구비된 복수의 스위치를 제어하여 교류 전력 신호를 생성하는 인버터와 상기 교류 전력 신호를 무선으로 전송하는 전력 전송기를 포함하고, 상기 기준 클락 신호의 주파수는 112.4KHz와 112.75KHz 사이의 어느 주파수인 것을 특징으로 한다.
일 예로, 상기 외부 클락 생성기는 700PPM 이내의 해상도를 가지는 공명기일 수 있다.
다른 일 예로, 상기 외부 클락 생성기는 50PPM 이내의 수정 발진기일 수 있다.
일 예로, 상기 인버터는 제1 내지 제4 스위치를 포함하는 풀 브릿지 인버터일 수 있다.
다른 일 예로, 상기 인버터는 제1 내지 제2 스위치를 포함하는 하프 브릿지 인버터일 수 있다.
또한, 상기 외부 클락 생성기는 상기 기준 클락 신호의 주파수 상/하한 편차가 +/- 0.25KHz 이내에 들어오도록 상기 외부 클락 신호를 생성하여 상기 전송 제어기에 공급할 수 있다.
또한, 상기 외부 클락 생성기는 소정 목표 동작 주파수 대비 0.22% 이내의 허용 오차를 가지도록 상기 외부 클락 신호를 생성하여 상기 전송 제어기에 공급할 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 방법, 장치에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 보다 정밀하게 동작 주파수를 생성함으로써, 다른 서비스 주파수 대역으로의 간섭을 미연에 방지하는 것이 가능한 무선 전력 송신 장치를 제공하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 AM 라디오 주파수 대역으로의 간섭을 최소화시키는 것이 가능한 차량용 무선 전력 송신 장치를 제공하는 장점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 다른 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 내부 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터의 구조의 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풀 브릿지 인버터의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 목표 주파수 설정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치에서의 공명기 특성에 따른 동작 주파수의 편차를 보여주는 실험 결과 테이블이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따라 외부 클럭 생성기로 수정 발진기가 사용되는 경우의 동작 주파수 편차를 보여주는 실험 결과 테이블이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 기준 클락 신호를 생성하여 공급하는 전송 제어기와 상기 기준 클락 신호를 생성하기 위한 외부 클럭 신호를 상기 전송 제어기에 공급하는 외부 클락 생성기와 상기 기준 클락 신호에 기초하여 복수의 스위칭 제어 신호를 생성하는 게이트 드라이버와 입력 직류 전압을 레벨 변환하여 출력 직류 전압을 공급하는 컨버터와 상기 출력 직류 전압을 상기 복수의 스위칭 제어 신호에 따라 구비된 복수의 스위치를 제어하여 교류 전력 신호를 생성하는 인버터와 상기 교류 전력 신호를 무선으로 전송하는 전력 전송기를 포함하고, 상기 기준 클락 신호의 주파수는 112.4KHz와 112.75KHz 사이의 어느 주파수인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
실시예에 설명에 있어서, 무선 전력 송신 장치와 무선 전력 수신 장치 사이에서 송수신되는 신호를 패킷과 혼용하여 사용하기로 한다.
실시예의 설명에 있어서, 무선 충전 시스템상에서 무선 전력을 송신하는 기능이 탑재된 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 기능이 탑재된 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.
본 발명에 따른 송신기는 패드 형태, 거치대 형태, AP(Access Point) 형태, 소형 기지국 형태, 스텐드 형태, 천장 매립 형태, 벽걸이 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 복수의 무선 전력 수신 장치에 파워를 전송할 수도 있다.
이를 위해, 송신기는 적어도 하나의 무선 파워 전송 수단을 구비할 수도 있다. 여기서, 무선 파워 전송 수단은 전력 송신단 코일에서 자기장을 발생시켜 그 자기장의 영향으로 수신단 코일에서 전기가 유도되는 전자기유도 원리를 이용하여 충전하는 전자기 유도 방식에 기반한 다양한 무전 전력 전송 표준이 사용될 수 있다.
여기서, 무선파워 전송 수단은 무선 충전 기술 표준 기구인 WPC(Wireless Power Consortium) 및 PMA(Power Matters Alliance)에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 수신 수단이 구비될 수 있으며, 2개 이상의 송신기로부터 동시에 무선 파워를 수신할 수도 있다.
여기서, 무선 전력 수신 수단은 무선 충전 기술 표준 기구인 WPC(Wireless Power Consortium) 및 PMA(Power Matters Alliance)에서 정의된 전자기 유도 방식의 무선 충전 기술을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 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, 스마트 워치와 같은 웨어러블 디바이스 등의 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 본 발명에 따른 무선 전력 수신 수단이 장착되어 배터리 충전이 가능한 기기라면 족하다.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템은 크게 무선으로 전력을 송출하는 무선 전력 송신단(10), 상기 송출된 전력을 수신하는 무선 전력 수신단(20) 및 수신된 전력을 공급 받는 전자기기(20)로 구성될 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 동일한 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 인밴드(In-band) 통신을 수행할 수 있다.
다른 일예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 상이한 별도의 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 대역외(Out-of-band) 통신을 수행할 수도 있다.
일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20) 사이에 교환되는 정보는 서로의 상태 정보뿐만 아니라 제어 정보도 포함될 수 있다.
여기서, 송수신단 사이에 교환되는 상태 정보 및 제어 정보는 후술할 실시예들의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.
상기 인밴드 통신 및 대역외 통신은 양방향 통신을 제공할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 다른 실시예에 있어서는 단방향 통신 또는 반이중 방식의 통신을 제공할 수도 있다.
일 예로, 단방향 통신은 무선 전력 수신단(20)이 무선 전력 송신단(10)으로만 정보를 전송하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 전력 송신단(10)이 무선 전력 수신단(20)으로 정보를 전송하는 것일 수도 있다.
반이중 통신 방식은 무선 전력 수신단(20)과 무선 전력 송신단(10) 사이의 양방향 통신은 가능하나, 어느 한 시점에 어느 하나의 장치에 의해서만 정보 전송이 가능한 특징이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 수신단(20)은 전자 기기(30)의 각종 상태 정보를 획득할 수도 있다.
일 예로, 전자 기기(30)의 상태 정보는 현재 전력 사용량 정보, 실행중인 응용을 식별하기 위한 정보, CPU 사용량 정보, 배터리 충전 상태 정보, 배터리 출력 전압/전류 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 전자 기기(30)로부터 획득 가능하고, 무선 전력 제어에 활용 가능한 정보이면 족하다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송신단(10)은 고속 충전 지원 여부를 지시하는 소정 패킷을 무선 전력 수신단(20)에 전송할 수 있다. 무선 전력 수신단(20)은 접속된 무선 전력 송신단(10)이 고속 충전 모드를 지원하는 것으로 확인된 경우, 이를 전자 기기(30)에 알릴 수 있다. 전자 기기(30)는 구비된 소정 표시 수단-예를 들면, 액정 디스플레이일 수 있음-을 통해 고속 충전이 가능함을 표시할 수 있다.
또한, 전자 기기(30) 사용자는 액정 표시 수단에 표시된 소정 고속 충전 요청 버튼을 선택하여 무선 전력 송신단(10)이 고속 충전 모드로 동작하도록 제어할 수도 있다. 이 경우, 전자 기기(30)는 사용자에 의해 고속 충전 요청 버튼이 선택되면, 소정 고속 충전 요청 신호를 무선 전력 수신단(20)에 전송할 수 있다.
무선 전력 수신단(20)은 수신된 고속 충전 요청 신호에 상응하는 충전 모드 패킷을 생성하여 무선 전력 송신단(10)에 전송함으로써, 일반 저전력 충전 모드를 고속 충전 모드로 전환시킬 수 있다.
도 2는 본 발명에 다른 실시예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
일 예로, 도면 부호 200a에 도시된 바와 같이, 무선 전력 수신단(20)은 복수의 무선 전력 수신 장치로 구성될 수 있으며, 하나의 무선 전력 송신단(10)에 복수의 무선 전력 수신 장치가 연결되어 무선 충전을 수행할 수도 있다.
이때, 무선 전력 송신단(10)은 시분할 방식으로 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 분배하여 송출할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며. 다른 일 예로, 무선 전력 송신단(10)은 무선 전력 수신 장치 별 할당된 상이한 주파수 대역을 이용하여 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 분배하여 송출할 수 있다.
이때, 하나의 무선 전력 송신 장치(10)에 연결 가능한 무선 전력 수신 장치의 개수는 무선 전력 수신 장치 별 요구 전력량, 배터리 충전 상태, 전자 기기의 전력 소비량 및 무선 전력 송신 장치의 가용 전력량 중 적어도 하나에 기반하여 적응적으로 결정될 수 있다.
다른 일 예로, 도면 부호 200b에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신단(10)은 복수의 무선 전력 송신 장치로 구성될 수도 있다. 이 경우, 무선 전력 수신단(20)은 복수의 무선 전력 송신 장치와 동시에 연결될 수 있으며, 연결된 무선 전력 송신 장치들로부터 동시에 전력을 수신하여 충전을 수행할 수도 있다.
이때, 무선 전력 수신단(20)과 연결된 무선 전력 송신 장치의 개수는 무선 전력 수신단(20)의 요구 전력량, 배터리 충전 상태, 전자 기기의 전력 소비량, 무선 전력 송신 장치의 가용 전력량 등에 기반하여 적응적으로 결정될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 충전 시스템에서의 감지 신호 전송 절차를 설명하기 위한 도면이다.
일 예로, 무선 전력 송신기는 3개의 송신 코일(111, 112, 113)이 장착될 수 있다. 각각의 송신 코일은 일부 영역이 다른 송신 코일과 서로 중첩될 수 있으며, 무선 전력 송신기는 각각의 송신 코일을 통해 무선 전력 수신기의 존재를 감지하기 위한 소정 감지 신호(117, 127)-예를 들면, 디지털 핑 신호-를 미리 정의된 순서로 순차적으로 송출한다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신기는 도면 번호 110에 도시된 1차 감지 신호 송출 절차를 통해 감지 신호(117)를 순차적으로 송출하고, 무선 전력 수신기(115)로부터 신호 세기 신호(Signal Strength Signal, 116)가 수신된 송신 코일(111, 112)을 식별할 수 있다.
여기서, 신호 세기 신호에는 해당 감지 신호에 대응하여 무선 전력 수신기(115)에서 측정된 신호 세기에 관한 정보-이하 설명의 편의를 위해 신호 세기 지시자라 명함-가 포함될 수 있다.
연이어, 무선 전력 송신기는 도면 번호 120에 도시된 2차 감지 신호 송출 절차를 통해 감지 신호(127)를 순차적으로 송출하고, 신호 세기 신호(126)가 수신된 송신 코일(111, 112) 중 전력 전송 효율(또는 충전 효율)-즉, 송신 코일과 수신 코일 사이의 정렬 상태-이 좋은 송신 코일을 식별하고, 식별된 송신 코일을 통해 전력이 송출되도록-즉, 무선 충전이 이루어지도록- 제어할 수 있다.
상기의 도 3에서 보여지는 바와 같이, 무선 전력 송신기가 2회의 감지 신호 송출 절차를 수행하는 이유는 어느 송신 코일에 무선 전력 수신기의 수신 코일이 잘 정렬되어 있는지를 보다 정확하게 식별하기 위함이다.
만약, 상기한 도 3의 도면 번호 110 및 120에 도시된 바와 같이, 제1 송신 코일(111), 제2 송신 코일(112)에 신호 세기 지시자(116, 126)가 수신된 경우, 무선 전력 송신기는 제1 송신 코일(111)과 제2 송신 코일(112) 각각에 수신된 신호 세기 신호(126)에 기반하여 가장 정렬이 잘된 송신 코일을 선택하고, 선택된 송신 코일을 이용하여 무선 충전을 수행한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 내부 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 송신 장치(400)는 전송 제어기(410), 게이트 드라이버(420), 컨버터(Convertor, 430), 인버터(Invertor, 440), 전력 전송기(450), 외부 클락 생성기(460) 및 전원(470)을 포함하여 구성될 수 있다.
전원(470)으로부터 공급되는 전력이 DC 전원인 경우, 컨버터(430)는 입력된 직류 전압(V_in)을 변환하여 다음 스테이지에서 사용될 직류 전압(V_out)을 생성할 수 있다. 생성된 직류 전압(V_out)으로 인버터(440)에 입력될 수 있다.
만약, 전원(470)으로부터 공급되는 전력이 AC 전원인 경우, 컨버터(430)는 수십 Hz 대역의 AC 전원을 DC 전원으로 변환하기 위한 정류기 및 필터를 더 포함하여 구성될 수도 있다. 여기서, 정류기 및 필터가 독립적으로 구성되어 전원(470)과 컨버터(430) 사이에 장착될 수도 있다.
컨버터(430)에 의해 변환되는 DC 전력은 전력 전송에 적합한 DC 전압을 생성하는 직류/직류(DC/DC) 컨버터가 될 수 있고, 입력 DC 전압보다 더 낮은 출력 DC 전압을 제공하는 스텝-다운 컨버터가 될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
또한, 컨버터(430)는 전송 제어기(410)의 제어 신호에 따라 출력되는 DC 전압을 동적으로 조절할 수도 있다.
일 예로, 전송 제어기(410)는 충전 대상 수신기에 의해 요구되는 전력의 세기에 따라 동적으로 컨버터(430)의 출력 DC 전압을 제어할 수도 있다.
전송 제어기(410)는 무선 전력 송신 장치(400)의 전체적인 동작을 제어할 수 있다.
특히, 전송 제어기(410)는 외부 클럭 생성기(460)로부터 수신되는 특정 주파수 신호에 기반하여 기준 클럭(Reference Clock, Ref_CLK) 신호를 생성한 후 게이트 드라이버(420)에 제공할 수 있다.
일 예로, 외부 클럭 생성기(460)는 특정 목표 구동 주파수에 대한 상/하한 허용 편차가 +/-0.25Khz 이내에 유지되게 클럭 신호를 생성하여 전송 제어기(410)에 공급할 수 있다. 여기서, 전송 제어기(410) 내부에 설정되는 목표 구동 주파수는 112.5KHz로 설정될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 즉, 외부 클럭 생성기(460)는 112.5Khz +/- 0.25KHz의 클럭 신호를 생성하여 전송 제어기(410)에 전송할 수 있다.
다른 일 예로, 외부 클럭 생성기(460)는 특정 목표 구동 주파수에 대한 상/하한 허용 편차가 0.22% 이내로 들어오는 클럭 신호를 생성하여 전송 제어기(410)에 전송할 수도 있다.
일 예로, 외부 클럭 생성기(460)는 700PPM 이내의 해상도를 가지는 공명기(Resonator)가 사용될 수 있다.
다른 일 예로, 외부 클럭 생성기(460)는 50PPM 이내의 해상도를 가지는 수정 발진기(crystal oscillator)가 사용될 수도 있다.
게이트 드라이버(420)는 기준 클럭 신호에 기반하여 인버터(440)에 구비된 각각의 스위치의 동작을 제어하기 위한 스위치 제어 신호를 생성할 수 있다.
일 예로, 인버터(440)가 4개의 스위치(S1, S2, S3, S4)를 포함하는 풀 브릿지 형태인 경우, 게이트 드라이버(420)는 각각의 스위치 동작을 제어하기 위한 4개의 스위치 제어 신호(SC1, SC2, SC3, SC4)를 생성하여 인버터(440)에 제공할 수 있다.
여기서, 4개의 스위치는 모스펫(Metal oxide semiconductor field effect transistor)일 수 있으며, n형 모스펫 또는 p형 모스펫 중 어느 하나가 선택되어 사용될 수 있다.
인버터(440)는 컨버터(430)로부터 인가된 직류 전압을 스위칭 동작을 통해, 펄스전압신호(구형펄스)로 변경하며, 변경된 펄스전압신호(구형펄스)를 전송기(450)의 안테나에 전달할 수 있다.
전력 전송기(450)는 펄스전압신호를 무선으로 전송하기 위한 적어도 하나의 전력 전송 안테나-즉, LC 공진 회로-를 포함할 수 있다.
또한, 전력 전송기(450)가 복수의 송신 코일 중 무선 전력 전송에 사용될 송신 코일을 선택하기 위한 선택 스위칭 회로를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
또한, 전력 전송기(450)는 송출되는 전력의 세기, 온도 등을 측정하기 위한 각종 센싱 회로를 더 포함하여 구성될 수도 있다. 여기서, 센싱된 정보는 전송 제어기(410)로 전달될 수 있다.
또한, 전력 전송기(450)는 임피던스 매칭을 위한 매칭 회로를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 인버터의 구조의 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 인버터(440)는 게이트 드라이버(420)로부터 제공받은 스위치 제어 신호를 기반으로 컨버터(430)로부터 제공받은 DC 전력을 교류 전력으로 변환 및 증폭시킬 수 있는 풀 브릿지 인버터로 구성될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 인버터(440)는 제1 스위칭 소자(S1, 441), 제2 스위칭 소자(S2, 442), 제3 스위칭 소자(S3, 443) 및 제4 스위칭 소자(S4, 444)를 포함할 수 있다.
제1 스위칭 소자(S1, 441)는 제1 노드(N1)와 컨버터(430) 사이에 연결되며, 제1 스위치 제어 신호(SC1, 421)에 의해 제어될 수 있고, 제2 스위칭 소자(S2, 442)는 제1 노드(N1)와 접지 사이에 연결되며 제2 스위치 제어 신호(SC2, 422)에 의해 제어될 수 있다.
제3 스위칭 소자(S3, 443)는 제2 노드(N2)와 컨버터(430) 사이에 연결되며, 제3 스위치 제어 신호(SC3, 423)에 의해 제어될 수 있고, 제4 스위칭 소자(S4, 444)는 제2 노드(N2)와 접지 사이에 연결되며 제4 스위치 제어 신호(SC4, 424)에 의해 제어될 수 있다.
상기 제1 내지 제4 스위칭 소자(S1, S2, S3, S4)는 N형 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)일 수 있으나 이에 한정되지 않고, 게이트 드라이버(420)로부터 공급되는 제1 내지 제4 스위치 제어 신호(SC1, SC2, SC3, SC4)에 의하여 스위칭 동작을 수행할 수 있는 소자라면 족하다.
여기서, 제1 내지 제4 스위치 제어 신호(SC1, SC2, SC3, SC4)는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호일 수 있다.
도 6 내지 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 풀 브릿지 인버터의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 게이트 드라이버(420)로부터 제공되는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 신호에 의하여 제1 스위칭 소자(S1, 441)과 제4 스위칭 소자(S4, 444)가 턴 온(Turn On)되면, 제2 스위칭 소자(S2, 442)와 제3 스위칭 소자(S3, 443)은 턴 오프(Turn Off)되어 전력 전송기(450)에는 정극성의 출력전압(+Vo)이 인가될 수 있다.
반면, 도 7에 도시된 바와 같이 게이트 드라이버(420)로부터 제공되는 PWM 제어 신호에 의하여 제1 스위칭 소자(S1, 441)과 제4 스위칭 소자(S4, 444)가 턴 오프되면, 제2 스위칭 소자(S2, 442)와 제3 스위칭 소자(S3, 443)은 턴 온되어 전력 전송기(450)에는 부극성의 출력 전압(Vo)이 인가될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 목표 주파수 설정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 자기 유도 방식의 무선 충전 기술은 미리 할당된 동작 주파수 대역 내에서 선택된 특정 목표 구동 주파수를 사용할 수 있다.
일 예로, 국제 무선 충전 협회(Wireless Power Consortium, WPC)의 국제 표준 치(Qi) 규격에서 정의된 동작 주파수 대역은 110~205KHz이다. 따라서, Qi 규격을 따르는 무선 충전 기기 제조사들은 110KHz에서 205KHz 사이의 특정 주파수를 목표 구동 주파수로 결정하여 사용할 수 있다.
동작 주파수 대역 내에서 선택된 구동 주파수의 일부는 그것의 홀수 주파수 체배 성분이 AM 라디오 주파수 대역과 같은 다른 서비스 대역의 간섭 및 잡음 성분이 되어 해당 서비스 대역의 신호를 왜곡시킬 수 있다.
일 예로, 차량에 무선 충전 기기가 장착된 경우, 운전자는 AM 라디오를 시청함과 동시에 자신의 스마트폰을 무선 충전할 수 있다. 이때, 무선 충전에 사용된 동작 주파수의 체배 성분이 AM 라디오 수신기에 유입되면, AM 라디오의 청취 감도가 떨어질 수 있다.
따라서, 다른 서비스 대역에 대한 영향을 최소화시킬 수 있는 무선 충전용 구동 주파수를 찾는 것은 매우 중요하다.
하지만, 무선 충전 기기는 그것의 설계 및 사용된 부품의 종류에 따라 특정 구동 주파수를 설정하여도 원하는 구동 주파수와 실제 출력되는 구동 주파수 사이의 편차가 발생될 수 있다.
만약, 목표 구동 주파수로부터의 편차가 큰 경우, 일부 무선 충전 기기는 다른 서비스 대역-예를 들면, AM 주파수 대역-에 대한 잡음을 발생시킬 수 있다. 따라서, 목표 구동 주파수로부터 편차를 일정 범위 이내로 유지시키는 것은 매우 중요하다.
상기한 도 8의 도면 번호 810은 AM 라디오 신호에 간섭을 일으키지 않는 목표 구동 주파수 및 그것의 허용 편차를 보여준다. 여기서, 허용 편차는 목표 구동 주파수로부터 목표 하한 주파수 사이의 차이를 의미하는 하한 허용 편차와 목표 구동 주파수로부터 목표 상한 주파수 사이의 차이를 의미하는 목표 상한 주파수를 포함할 수 있다.
만약, 기 설정된 목표 구동 주파수에 상응하여 실제 전송 제어기(410)-즉, MCU(Main Control Unit)-에서 출력되는 레퍼런스 클럭의 주파수가 하한 허용 편차 또는 상한 허용 편차를 벗어나는 경우, AM 주파수 대역에 원하지 않는 주파수 체배 성분이 유입되어 잡음이 감청될 수 있다.
상기한 도 8의 도면 번호 820 및 830은 다른 서비스 대역에 잡음을 유입시키는 구동 주파수를 의미한다.
전송 제어기(410) 내부에 탑재되어 게이트 드라이버(420)에 제공할 레퍼런스 클럭을 생산하는 오실레이터는 종류에 따라 상이한 최대 레퍼런스 클럭 주파수 및 허용 오차(tolerance)를 가질 수 있다.
하지만, 종래의 대부분의 무선 충전 기기 제조사에서 채택한 MCU의 내부 오실레이터 성능 및 규격은 AM 주파수 대역으로서 간섭을 방지할 수 있을 정도의 정밀한 제어 편차를 가지지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신기의 전송 제어기(410)는 상/하한 허용 편차를 만족시킬 수 있는 클럭 신호를 외부 클럭 생성기(460)로부터 제공받을 수 있다.
일 예로, 외부 클럭 생성기(460)는 특정 목표 구동 주파수에 대한 상/하한 허용 편차가 +/-0.25Khz 이내에 유지되게 클럭 신호를 생성하여 전송 제어기(410)에 공급할 수 있다.
여기서, 전송 제어기(410) 내부에 설정되는 목표 구동 주파수는 112.5KHz로 설정될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
즉, 외부 클럭 생성기(460)는 전송 제어기(410)에 의해 생성되는 기준 클락 신호의 주파수가 112.5Khz +/- 0.25KHz의 허용 오차를 가지도록 클럭 신호를 생성하여 전송 제어기(410)에 전송할 수 있다.
여기서, 기준 클락 신호는 목표 동작 주파수 또는 목표 구동 주파수를 의미할 수 있다.
다른 일 예로, 외부 클럭 생성기(460)는 특정 목표 구동 주파수에 대한 상/하한 허용 편차가 0.22% 이내로 들어오도록 클럭 신호를 생성하여 전송 제어기(410)에 전송할 수도 있다.
일 예로, 외부 클럭 생성기(460)는 700PPM 이내의 해상도를 가지는 공명기(Resonator)가 사용될 수 있다.
다른 일 예로, 외부 클럭 생성기(460)는 50PPM 이내의 해상도를 가지는 수정 발진기(crystal oscillator)가 사용될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치에서의 공명기 특성에 따른 동작 주파수의 편차를 보여주는 실험 결과 테이블이다.
도 9를 참조하면, 전송 제어기(410)에 탑재된 소프트웨어에 설정된 동작 주파수가 113.122Khz인 경우, 해상도가 5000PPM인 공명기와 700PPM인 공명기 각각에 대해 측정된 시료 별 실제 출력되는 동작 주파수 값을 보여준다.
상기한 도 9의 테이블 900을 참조하면, 해상도가 5000PPM인 공명기가 장착된 31개의 시료의 평균 출력 동작 주파수 측정 값은 112.801KHz이고, 최대 출력 동작 주파수 값(MAX, 113.334KHz)과 최소 동작 주파수 값(MIN, 112.514KHz)의 차이 값은 0.832KHz(DIFF)인 것을 보여준다.
반면, 해상도가 700PPM인 공명기가 장착된 31개의 시료의 평균 출력 동작 주파수 측정 값은 112.873KHz이고, 최대 출력 동작 주파수 값(MAX, 112.896KHz)과 최소 동작 주파수 값(MIN, 112.832KHz)의 차이 값은 0.064KHz(DIFF)인 것을 보여준다.
해상도가 700PPM인 공명기가 해상도가 5000PPM인 공명기에 비해 출력 동작 주파수 편차가 약 13배 작은 것을 알 수 있다.
출력 동작 주파수의 편차가 작은 것은 보다 정밀하게 목표 동작 주파수를 제어할 수 있는 것을 의미하며, 이를 통해 무선 전력 송신 장치의 구동 주파수의 체배 성분이 다른 주파수 대역-예를 들면, AM 주파수 대역-에 유입되어 간섭 및 잡음이 발생되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따라 외부 클럭 생성기로 수정 발진기가 사용되는 경우의 동작 주파수 편차를 설명하기 위한 실험 결과 테이블이다.
상세하게, 도 10은 전송 제어기(410)에 탑재된 소프트웨어에 설정된 동작 주파수가 112.688Khz인 경우, 해상도가 50PPM인 수정 발진기에 대해 시료 별 실제 측정된 동작 주파수 값을 보여준다.
도 10의 테이블 1000에 도시된 바와 같이, 시료 별 측정된 동작 주파수 값은 112.576KHz로 동일한 것을 알 수 있다. 즉, 해상도가 50PPM인 수정 발진기가 외부 클락 생성기(460)로 사용되면, 시료 별 측정되는 동작 주파수 편차가 거의 없는 것을 알 수 있다.
본 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 외부 클락 생성기로 50PPM의 수정 발진기가 사용될 수 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 기준 클락 신호의 주파수가 112.4KHz와 112.75KHz 사이에 들어오고, 동작 주파수의 상/하한 편차가 각각 +/-0.25 이내인 다른 해상도의 수정 발진기가 사용될 수도 있음을 주의해야 한다.
이상의 실시 예에서는 무선 전력 송신 장치에 장착되는 인버터가 4개의 스위치를 포함하는 풀 브릿지(Full Bridge) 인버터인 것으로 설명되고 있으나, 이는 하나의 실시 예에 불과하며, 다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 하프 브릿지(Half Bridge) 인버터가 구비될 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
본 발명은 동작 주파수 제어가 가능한 차량용 무선 전력 송신 장치 등에 적용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 기준 클락 신호를 생성하여 공급하는 전송 제어기;
    상기 기준 클락 신호를 생성하기 위한 외부 클럭 신호를 상기 전송 제어기에 공급하는 외부 클락 생성기;
    상기 기준 클락 신호에 기초하여 복수의 스위칭 제어 신호를 생성하는 게이트 드라이버;
    입력 직류 전압을 레벨 변환하여 출력 직류 전압을 공급하는 컨버터;
    상기 출력 직류 전압을 상기 복수의 스위칭 제어 신호에 따라 구비된 복수의 스위치를 제어하여 교류 전력 신호를 생성하는 인버터; 및
    상기 교류 전력 신호를 무선으로 전송하는 전력 전송기
    를 포함하고, 상기 기준 클락 신호의 주파수는 112.4KHz와 112.75KHz 사이의 어느 주파수인 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외부 클락 생성기는 700PPM 이내의 해상도를 가지는 공명기인, 무선 전력 송신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 외부 클락 생성기는 50PPM 이내의 수정 발진기인, 무선 전력 송신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인버터는 제1 내지 제4 스위치를 포함하는 풀 브릿지 인버터인 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인버터는 제1 내지 제2 스위치를 포함하는 하프 브릿지 인버터인 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 외부 클락 생성기는 상기 기준 클락 신호의 주파수 상/하한 편차가 +/- 0.25KHz 이내에 들어오도록 상기 외부 클락 신호를 생성하여 상기 전송 제어기에 공급하는, 무선 전력 송신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 외부 클락 생성기는 소정 목표 동작 주파수 대비 0.22% 이내의 허용 오차를 가지도록 상기 외부 클락 신호를 생성하여 상기 전송 제어기에 공급하는, 무선 전력 송신 장치.
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