KR101818773B1 - 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치 - Google Patents

공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치에 있어서, 무선 전력 송신 장치에서 송신한 무선 전력을 수신하는 무선 전력 수신부와; 무선 전력 수신부에서 수신한 AC 형태의 전원을 DC로 정류하는 정류부와; 스위칭 제어 신호에 의해 스위칭 동작하여, 무선 전력 수신부에서 수신된 AC 형태의 전원을 환류(free-wheeling)시키는 경로를 형성하는 환류 스위칭부와; 해당 전력 변환 장치의 출력 신호를 피드백 받아 이의 레벨을 검출하는 피드백회로와; 피드백회로에서 검출된 출력 레벨에 따라 환류 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하는 제어부를 구비한다.

Description

공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치{POWER CONVERSION DEVICE　FOR RESONANCE WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM}
본 발명은 무선 충전 기술에 관한 것으로, 특히 공진 방식의 무선 충전 시스템에서 수신 전력 변환 장치에 관한 것이다.
최근, 무선 충전 또는 무접점 충전 기술이 개발되어 최근 많은 전자 기기에 활용되고 있다.
이러한 무선충전 기술은 무선 전력 송수신 방식을 이용한 것으로서, 예를 들어 휴대폰을 별도의 충전 커넥터를 연결하지 않고, 단지 충전 패드에 올려놓기만 하면 자동으로 배터리가 충전이 될 수 있는 시스템이다. 일반적으로 무선 전동 칫솔이나 무선 전기 면도기 등으로 일반인들에게 알려져 있다. 이러한 무선충전 기술은 전자제품을 무선으로 충전함으로써 방수 기능을 높일 수 있고, 유선 충전기가 필요하지 않으므로 전자 기기 휴대성을 높일 수 있는 장점이 있으며, 다가오는 전기차 시대에도 관련 기술이 크게 발전할 것으로 전망된다.
이러한 무선 충전 기술에는 크게 코일을 이용한 전자기 유도방식과, 공진(Resonance)을 이용하는 공진 방식과, 전기적 에너지를 마이크로파로 변환시켜 전달하는 전파 방사(RF/Micro Wave Radiation) 방식이 있다.
전자기 유도에 의한 전력 전송 방법은 1차 코일과 2차 코일 간의 전력을 전송하는 방식이다. 코일에 자석을 움직이면 유도 전류가 발생하는데, 이를 이용하여 송신단에서 자기장을 발생시키고 수신단에서 자기장의 변화에 따라 전류가 유도되어 에너지를 만들어 낸다. 이러한 현상을 자기 유도 현상이라고 일컬으며 이를 이용한 전력 전송 방법은 에너지 전송 효율이 뛰어나다.
공진 방식은, 2005년 MIT의 Soljacic 교수가 Coupled Mode Theory로 공진 방식 전력 전송 원리를 사용하여 충전장치와 몇 미터(m)나 떨어져 있어도 전기가 무선으로 전달되는 시스템을 발표했다. MIT팀의 무선 충전시스템은 전기 에너지를 담은 전자기파를 공명시키는 기술을 개발하였다. 공명된 전기 에너지는 공진 주파수를 가진 기기가 존재할 경우에만 직접 전달되고 사용되지 않는 부분은 공기 중으로 퍼지는 대신 전자장으로 재흡수되기 때문에 다른 전자파와는 달리 주변의 기계나 신체에는 영향을 미치지 않을 것으로 보고 있다.
한편, 종래의 공진 방식에 의한 무선 전력 수신기는 수신된 교류 파형을 직류 파형으로 변환하는 정류 회로 및 정류된 직류 파형 전력을 출력단의 기설정된 전압 값으로 조정하는 DC-DC 컨버팅 회로와, 이와 더불어, 다수의 용량 값이 큰 수동소자들의 사용을 고려하여야 하는데, 그럴 경우에, 실장 사이즈에서 상당한 제약이 있을 수 있다.
이는 특히, 휴대용 단말기와 같이, 사이즈 문제가 극도로 중요시되는 부분에서 해당 무선 충전 시스템을 적용하는데, 더욱 어려움을 가중시키고 있다.
이에 따라, 무선 충전 관련 장치들을 높은 출력 및 고효율성을 가지면서 사이즈를 작게 할 수 있도록 하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
따라서 본 발명의 목적은 높은 출력 및 고효율성을 가지면서 사이즈를 작게 할 수 있도록 하여, 휴대용 단말기와 같은 장비들에 적용되기에 적합한 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치에 있어서; 무선 전력 송신 장치에서 송신한 무선 전력을 수신하는 무선 전력 수신부와; 상기 무선 전력 수신부에서 수신한 AC 형태의 전원을 DC로 정류하는 정류부와; 스위칭 제어 신호에 의해 스위칭 동작하여, 상기 무선 전력 수신부에서 수신된 AC 형태의 전원을 환류(free-wheeling)시키는 경로를 형성하는 환류 스위칭부와; 해당 전력 변환 장치의 출력 신호를 피드백 받아 이의 레벨을 검출하는 피드백회로와; 상기 피드백회로에서 검출된 출력 레벨에 따라 상기 환류 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하는 제어부를 포함함을 특징으로 한다.
상기에서, 무선 전력 수신부는 상기 무선 전력 송신 장치의 제1코일에서 방출되는 전자기파를 흡수하는 제2코일과, 상기 제2코일과 직렬 연결되는 공진용 제1커패시터로 구성된다.
상기에서, 환류 스위칭부는 상기 제어부의 제어하에 온/오프 동작하는 제1 스위칭 트랜지스터로 구성한다.
상기에서, 정류부는 상기 무선 전력 수신부 측에서 제공되는 전원을 제공받아 출력하는 하나의 제1다이오드로 구성되며, 상기 무선 전력 수신부에서 제2코일과 제1커패시터의 직렬 연결 회로의 일단과 타단은 각각 상기 정류부의 제1다이오드 및 접지단과 연결될 수 있다.
상기에서, 정류부는 제1 및 제2다이오드의 직렬 연결 회로와, 제3 및 제4다이오드의 직렬 연결 회로를 서로 병렬로 연결하는 구조를 가지며, 상기 병렬 연결된 두 노드의 중 상기 제1다이오드와 제3다이오드의 연결 노드는 출력 노드로 설정하고, 상기 제2다이오드와 제4다이오드의 연결 노드는 접지단과 연결되며. 상기 무선 전력 수신부의 제2코일과 제1커패시터의 직렬 연결 회로의 일단과 타단은 각각 상기 제1다이오드와 제2다이오드의 연결 지점 및 상기 제3다이오드와 제4다이오드의 연결지점과 연결될 수 있다.
상기에서, 정류부는 제1 및 제2다이오드의 직렬 연결 회로와, 제6 및 제7커패시터의 직렬 연결 회로를 서로 병렬로 연결하는 구조를 가지며, 상기 병렬 연결된 두 노드의 중 제1다이오드와 제6커패시터의 연결 노드는 출력 노드로 설정하고, 제2다이오드와 제7커패시터의 연결 노드는 접지단과 연결되며. 상기 무선 전력 수신부의 제2코일과 제1커패시터의 직렬 연결 회로의 일단과 타단은 각각 상기 제1다이오드와 제6커패시터의 연결 지점 및 상기 제2다이오드와 제7커패시터의 연결지점과 연결될 수 있다.
상기에서, 정류부는 제2 및 제3 스위칭 트랜지스터의 직렬 연결 회로와, 제6 및 제7커패시터의 직렬 연결 회로를 서로 병렬로 연결하는 구조를 가지며,
상기 병렬 연결된 두 노드의 중 제2 스위칭 트랜지스터와 제6커패시터의 연결 노드는 출력 노드로 설정하고, 제3 스위칭 트랜지스터와 제7커패시터의 연결 노드는 접지단과 연결되며. 상기 무선 전력 수신부의 제2코일과 제1커패시터의 직렬 연결 회로의 일단과 타단은 각각 상기 제2 스위칭 트랜지스터와 제6커패시터의 연결 지점 및 상기 제3스위칭 트랜지스터와 제7커패시터의 연결지점과 연결될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치는 높은 출력 및 고효율성을 가지면서 사이즈를 작게 할 수 있도록 하여, 휴대용 단말기와 같은 장비들에 적용되기에 적합할 수 있다.
도 1은 시험적으로 고려해 볼 수 있는 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치의 회로 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치의 회로 구성도
도 3a는 도 2 중 주요부의 부분 회로 구성도
도 3b는 도 2 및 도 3a의 일 부 관련 신호 파형도
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치의 회로 구성도
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치의 회로 구성도
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 따른 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치의 회로 구성도
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치의 회로 구성도
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 첨부한 도면들에서는 동일한 구성 요소에 대해서는 가능한 한 동일한 참조 번호(기호)를 부여하였다.
도 1은 시험적으로 고려해 볼 수 있는 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치의 회로 구성도이다. 도 1을 참조하여, 먼저 시험적으로 고려해볼 수 있는 수신 전력 변환 장치의 구성 및 동작을 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 무선 충전 시스템은 무선 전력을 송신하는 무선 전력 송신 장치(1)와 무선 전력을 수신하는 무선 전력 수신 장치(2)로 구분할 수 있는데, 무선 전력 수신 장치(2)에서는 수신 전력 변환 장치로서, 무선 전력 송신 장치(1)에서 송신한 무선 전력을 수신하는 무선 전력 수신부(20); 무선 전력 수신부(20)에서 수신한 AC 형태의 전원을 DC로 정류하는 정류부(30); 정류부(30)에서 정류한 DC 전원을 해당 휴대용 단말기 등에서 원하는 동작 전원(예를 들어 5V)으로 변환하는 DC-DC 변환부(40); 및 출력단의 DC 파형을 안정화하여 출력하는 파형 안정화부(50) 등을 구비할 수 있다.
구체적인 회로 구조를 살펴보면, 무선 전력 수신부(20)는 무선 전력 송신 장치(1)의 제1코일(L1)에서 방출되는 전자기파를 흡수하는 제2코일(L2) 및 제2코일(L2)과 직렬 연결되는 공진용 제1커패시터(C1)로 구성될 수 있다.
정류부(30)는 4개의 다이오드(D1, D2, D3, D4)를 이용한 풀 브리지 다이오드(full-bridge diode) 구조로 구성될 수 있는데, 예를 들어, 제1, 제2다이오드(D1, D2)의 직렬 연결 회로와, 제3, 제4다이오드(D3, D4)의 직렬 연결 회로를 서로 병렬로 연결하고, 상기 병렬 연결된 두 노드의 중 제1, 제3다이오드(D1, D3) 연결 노드는 출력 노드로 설정하고, 제2, 제4다이오드(D2, D4)의 연결 노드는 접지단과 연결한 구조를 가질 수 있다.
상기 무선 전력 수신부(20)에서 제2코일(L2)과 제1커패시터(C1)의 직렬 연결 회로의 일단과 타단은 상기 제1, 제2다이오드(D1, D2)의 연결 지점 및 상기 제3, 제4다이오드(D3, D4)의 연결지점과 각각 연결된다. 이때 무선 전력 수신부(20)와 병렬로 전력 충전용 제2커패시터(C2)가 추가로 더 연결될 수도 있다.
DC-DC 변환부(40)는 정류부(30)의 출력을 제공받아, 정류된 DC를 원하는 레벨의 DC로 변환하는데, 통상 DC-DC 벅 컨버터(Buck Converter)라는 일종의 스텝다운(Step-Down) 컨버터를 사용하여 원하는 레벨의 DC 신호를 발생한다.
정류부(30)와 DC-DC 변환부(40) 사이에는 추가적으로, 회로 보호를 위한 제너 다이오드(ZD)가 병렬로 연결될 수 있으며, 또한 전원 충전 및 안정화를 위한 제3커패시터(C3)가 병렬로 연결될 수 있다.
파형 안정화부(50)는 LC 회로 구현될 수 있는데, DC-DC 변환부(40)의 출력과 직렬 연결되는 인덕터(L3)와, 인덕터(L3)의 출력과 접지단 사이에 연결되는 제4커패시터(C4)로 구현될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같은, 공진형(Resonant) 자기유도 전력전달 방식의 무선 전력 수신 장치(2) 측의 전력 변환 회로 구조는 무선 전력 수신부(20)에서 무선 전력을 수신하여, Sine 파형의 유도 전류를 생성한 이후, 수동 다이오드(Passive Diode)를 사용하여 구성한 정류부(30)를 이용하여 어느 정도 정류를 한 이후, 벅(Buck)을 포함하는 스텝다운 컨버터를 이용하여 원하는 출력 DC 전압을 얻어내는 방식임을 알 수 있다.
이와 같은 전력 변환 장치에서는 정류부(30)를 구성하는 수동 다이오드(Passive Diode)를 포함하여 스텝다운 컨버터로 전력을 넘겨주기 위한 고용량의 커패시터(제3커패시터) 등의 수동 소자가 상당수 필요하기 때문에, 해당 장치의 두께에 영향을 많이 주게 된다. 또한 스텝다운 컨버터에서는 전력 변환 확보를 위하여 출력단의 파형 안정화부(50)에서 uH급 인덕터(L3)와 uF급 커패시터(C4)를 사용해야 하며 이 수동소자들의 두께는 통상 2t(mm) 이상 요구되기 때문에 휴대용 장치의 회로에 내장되기 어려운 문제점을 가지고 있다. 따라서 이러한 구조의 전력 변화 회로는 고효율, 대전력 휴대용 기기에 적용하기에 어려움이 있다.
일반적으로 무선 전력 전송 시스템에 있어서 원가와 전력 전송 효율 및 전력 소모 레벨은 가장 중요한 요건이다. 특히, 공진 방식을 이용하여 전력 전송 효율을 극대화 시키고 수신측에서 전력을 받아 출력까지 최대의 효율로 안정적으로 넘겨주기 위해서는 수신측의 전력 변환 회로의 효율이 매우 중요하다. 또한 휴대용 기기에 에 적용하기 위한 전력 변환 회로의 경우 기존 구조에서 사용되어지는 외부 수동소자의 용량 값과 크기가 커다란 개발 장벽이 되고 있다.
따라서 본 발명에서는 통상 고려될 수 있는 정류 회로에 스텝다운 컨버터 등을 구비하지 않고 수동 소자들의 감소 등을 통한 작은 사이즈를 구현하며, 고효율의 전력 변환이 가능한 전력 변환 회로를 제안한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치의 회로 구성도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예예 따른 수신 전력 변환 장치는 도 1에 도시된 구조와 유사하게, 무선 전력 송신 장치(1)에서 송신한 무선 전력을 수신하는 무선 전력 수신부(20); 무선 전력 수신부(20)에서 수신한 AC 형태의 전원을 DC로 정류하는 정류부(32); 및 출력단의 DC 파형을 안정화하여 출력하는 파형 안정화부(52) 등을 구비할 수 있다. 또한, 정류부(32)와 파형 안정화부(52) 사이에는 추가적으로, 회로 보호를 위한 제너 다이오드(ZD) 및 전원 충전 및 안정화를 위한 제3커패시터(C3)가 병렬로 연결될 수 있다.
이때, 본 발명의 특징에 따라, 외부(제어부)의 스위칭 제어 신호에 의해 스위칭 동작하여, 무선 전력 수신부(20)에서 수신된 AC 형태의 전원을 환류(free-wheeling)시키는 경로를 형성하는 환류 스위칭부(80)가 구비된다. 이러한 환류 스위칭부(80)에 의해 무선 전력 수신부(20)에서 수신된 AC 형태의 전원은 환류되거나, 또는 상기 정류부(32)로 제공된다. 이때 상기 정류부(32)는 본 발명의 제1 실시예에 따라 단순히 하나의 제1다이오드(D1)만으로 구현 가능하다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에서는 해당 전력 변환 장치의 출력 신호를 피드백 받아 이의 레벨을 검출하는 피드백회로(60)가 구비되며, 또한 피드백회로(60)에서 검출된 출력 레벨에 따라 상기 환류 스위칭부(80)의 스위칭 동작을 제어하는 제어부(70)가 구비된다. 제어부(70)는 출력 신호의 레벨이 기준치 이상일 경우에는 환류 스위칭부(80)가 턴온되도록 제어하여, 무선 전력 수신부(20)에서 수신된 AC 형태의 전원이 환류되도록 하며, 출력 신호의 레벨이 기준치 이하일 경우에는 환류 스위칭부(80)가 턴오프되도록 제어하여, 무선 전력 수신부(20)에서 수신된 AC 형태의 전원이 정류부(32)에 제공되도록 한다.
구체적인 회로 구조를 살펴보면, 무선 전력 수신부(20)는 도 1에 도시된 구조와 마찬가지로, 무선 전력 송신 장치(1)의 제1코일(L1)에서 방출되는 전자기파를 흡수하는 제2코일(L2) 및 제2코일(L2)과 직렬 연결되는 공진용 제1커패시터(C1)로 구성될 수 있다.
정류부(32)는 하나의 다이오드(D1)로 구현될 수 있으며, 상기 무선 전력 수신부(20)에서 제2코일(L2)과 제1커패시터(C1)의 직렬 연결 회로의 일단과 타단은 각각, 상기 정류부(32)의 제1다이오드(D1) 및 접지단과 연결된다.
피드백회로(60)는 해당 전력 변환 장치의 출력 신호, 예를 들어 파형 안정화부(52)의 출력 신호를 피드백 받아, 이를 미리 설정된 기준 전압(Vref)과 비교하며, 그 비교결과를 출력하는 비교기(OP-AMP)로 구현될 수 있다.
제어부(70)는 간단히 상기 피드백회로(60)의 출력 신호에 따라 상기 환류 스위칭부(80)의 동작을 온/오프 제어하도록 구성할 수도 있으나, 정밀한 온/오프 제어 동작을 위해, 상기 무선 전력 수신부(20)에서 수신한 신호와 동기되게 온/오프 신호를 발생하도록 구성한다. 이를 위해, 제어부(70)는 무선 전력 수신부(20)에서 수신한 신호를 제공받아 이에 따른 동기신호를 발생하는 동기신호 발생부(72)와; 동기신호 발생부(72)에서 발생된 동기신호에 맞추어 상기 피드백회로(60)의 출력에 따른 상기 환류 스위칭부(80)의 온/오프 제어를 위한 구동 신호를 발생하는 구동부(74)로 구성될 수 있다.
도 3a는 도 2 중 주요부, 즉 무선 전력 수신부(20)의 환류 경로를 형성하는 환류 스위칭부(80) 관련 부분의 회로 구성도이며, 도 3b는 도 2 및 도 3a의 일 부 관련 신호 파형도이다. 도 3a 및 도 3b에서 굵은 실선으로 표시한 신호의 파형은 무선 전력 수신부(20)의 일단, 예를 들어, 정류부(32)측과 연결될 수 있는 단자로 출력되는 신호의 파형이며, 가는 실선으로 표시한 신호의 파형은 무선 전력 수신부(20)의 타단, 예를 들어 접지단 측과 연결될 수 있는 단자로 출력되는 신호의 파형이다.
도 3b에서 1번 신호의 파형은 무선 전력 수신부(20)에 의해 발생된 신호의 파형을 나타내며, 2번 신호의 파형은 도 2에 도시된 구조에서, 정류부(32)에서 출력되는 신호의 파형을 나타내며, 2번 신호의 파형은 만약 무선 전력 수신부(20)에서 수신된 신호를 전파 정류(full rectifying)할 경우에 출력 신호의 파형을 나타낸다.
이때, 도 3b의 2번 신호의 파형에서와 같이, 도 2에 도시된 구조에서, 정류부(32)로 제공되는 신호는 이미 반파 정류된 형태를 가짐을 알 수 있다.
또한, 도 3b의 2번 및 3번 신호 파형에서 도시된 바와 같이, A구간, 즉 출력 신호가 없는(O A) 구간은 현재 환류 스위칭부(80)가 온 상태이므로 무선 전력 수신부(20)의 수신 신호가 환류 상태임을 나타낸다.
이와 같이, 본 발명에 따른 구조의 특징은 무선 전력 수신부(20)에서 수신된 전원을 미리 적정 수준으로 낮추어 후단으로 제공하는 구조(따라서, 종래의 DC-DC 컨버트 등이 필요치 않는 구조)임을 알 수 있다.
상기 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전력 변환 장치의 기본 구조를 살펴보면, 폐루프(closed loop) 내의 능동형 환류 스위칭부(80)는 무선 전력 수신부(20)의 공진기 구조를 통하여 입력된 AC 신호를 시간(time) 영역에서 잘게 분할하여 환류(free wheeling)시키다가 스위치가 오프되는 상태에서 전력을 후단의 부하(load)로 넘겨주는 역할을 한다. 이때 부하의 변화에 따라서 부하가 경(light)해지는 정도를 피드백 받아 검출하여 스위치를 온/오프 제어하여 부하로 전력을 넘겨주는 정도를 조절한다.
이러한 일련의 과정은 도 3a에서와 같은 폐루프 내에서 일어나게 되며, 이때 환류 스위칭부(80)를 능동 FET(Field Effect Transistor) 스위치로 구현할 경우에, 이를 PWM(Pulse Width Modulation) 방식으로 정교하게 제어하여, 원하는 DC 레벨의 출력을 얻을 수 있게 된다. 이때, 후단의 C-L-C 필터 구조 즉, 제3커패시터(C3), 파형 안정화부(52)의 제4인덕터(L4) 및 제5커패시터(C5)를 통하여 스위칭 리플(ripple)을 제거할 수 있다. 또한, 제너 다이오드(ZD) 및 제3커패시터(C3)를 비롯하여, 파형 안정화부(52)의 제4인덕터(L4) 및 제5커패시터(C5)의 용량 값은 매우 작은 값을 가지게 하거나, 경우에 따라서는 그 구성을 생략할 수도 있다. 예를 들어, 상기 파형 안정화부(52)는 nH급 인덕터(L4)와 nF급 커패시터(C5)를 사용할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같은 전력 변환 구조의 경우에는, 정류부에 의한 중간 전압이 과도하게 커지는 경향이 있다. 이는 공진형 전력 변환 구조에서 부하에 따른 공진출력전압의 편차가 매우 크게 나타나고 이를 보상하기 위해 공진주파수에 마진(margin)을 두고 설계하다 보면 나타나는 자연적인 현상이라 할 수 있다. 하지만, 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명에서 제안한 구조에 따르면, 정류부 자체의 출력 전압이 특정 전압에 조절되도록 구현되기 때문에, 추가적인 스텝다운 컨버터(DC-DC 벅 컨버터)가 불필요해 지게 된다. 이와 같이 구조적 이점을 가지고 있기 때문에, 본 발명에서 제안하는 구조는 수동 소자의 사용이 현저하게 줄어들어 폼 팩터(form factor)를 작게 가져갈 수 있으며, 전력 변환을 2단 구조가 아닌 단일 구조의 전력 변환 회로로 구성되어 전력 변환 효율 역시 더 높게 된다.
즉, 본 발명에 따르면, 기존의 정류부 및 DC-DC 컨버터를 사용한 회로 대비 부품 수가 현저하게 줄어드는 장점이 있으며, 수동소자의 수도 줄일 수 있어 전체 적인 부품 수 및 실장면적을 줄이는 장점이 있다. 또한, 무선 충전시에, 현재 충전이 진행 중인 중 부하(heavy load)와 충전 완료되는 경 부하(light load) 간의 트랜셔트(transient) 특성, 즉 응답 특성이 통상의 구조에 비해 간략한 구조로 인하여 향상될 수 있다. 또한, 공진 방식의 멀티 충전 시스템의 경우에도 공진 회로와 정류회로 조절 회로가 일체형으로 구성된 본 발명에 따른 방식의 회로가 적절한 폐루프 능동 스위칭(closed loop active switching)을 통하여 빠르고 안정적인 전력 전송이 가능하게 하는 장점이 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치의 회로 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 전력 변환 장치는 도 2에 도시된 제1 실시예의 구조와 대부분 동일하며, 다만 환류 스위칭부(80)가 제어부(70)의 제어하에 온/오프 동작하는 스위칭 트랜지스터, 예를 들어, n타입의 제1 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor - FET)(T1)을 이용한 스위치로 구현된 것을 나타내고 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 제3 내지 제5 실시예에 따른 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치의 회로 구성도이다. 도 5 내지 도 7을 참조하면 본 발명의 제3 내지 제5 실시예에 따른 전력 변환 장치는 상기 도 4에 도시된 제2 실시예에 따른 구조와 대부분 동일하며, 다만 정류부(30, 34, 36)의 구조 및 정류부(30, 34, 36)와 무선 전력 수신부(20)와의 연결 관계에서만 차이가 있다. 또한, 도 5 내지 도 7에서는 설명의 편의를 위해, 도 4에 도시된 제어부(70) 및 피드백회로(60)의 도시는 생략하였다.
먼저, 도 5를 참조하여 본 발명의 제3 실시예의 구조를 살펴보면, 제3 실시예에 따른 정류부(30)는 4개의 다이오드(D1, D2, D3, D4)를 이용한 풀 브리지 다이오드(full-bridge diode) 구조로 구성된다. 즉 제1, 제2다이오드(D1, D2)의 직렬 연결 회로와, 제3, 제4다이오드(D3, D4)의 직렬 연결 회로를 서로 병렬로 연결하고, 상기 병렬 연결된 두 노드의 중 제1, 제3다이오드(D1, D3) 연결 노드는 출력 노드로 설정하고, 제2, 제4다이오드(D2, D4)의 연결 노드는 접지단과 연결한 구조를 가질 수 있다.
이때 무선 전력 수신부(20)에서 제2코일(L2)과 제1커패시터(C1)의 직렬 연결 회로의 일단과 타단은 각각 상기 제1, 제2다이오드(D1, D2)의 연결 지점 및 상기 제3, 제4다이오드(D3, D4)의 연결지점과 연결된다.
이와 같이, 도 5에 도시된 제3 실시예의 구조는 전파 정류 구조임을 알 수 있다. 따라서, 도 5의 정류부(30)에서 출력되는 신호는 도 3b에서 3번 신호로 나타낸 신호와 유사할 수 있다.
도 6에 도시된 본 발명의 제4 실시예의 구조는 정류부(34)의 구조가 도 5에 도시된 제3실시예의 구조에 따른 정류부(30)와 다른 구조를 가지는데, 즉 도 5에 도시된 제3 실시예에 따른 정류부(30)의 구조 중에서, 제3 및 제4다이오드(D3, D4)가 각각 커패시터(C6, C7)로 대체된 구조를 가진다.
도 7에 도시된 본 발명의 제5 실시예에 따른 구조는 정류부(36)의 구조가 도 6에 도시된 제 4실시예에 따른 정류부(34)와 다른 구조를 가지는데, 도 6에 도시된 제4 실시예에 따른 정류부(34)의 구조 중에서, 제1 및 제2다이오드(D1, D2)가 각각 p타입 제2 MOSFET(T2) 및 n타입의 제3 MOSFET(T3)로 대체된 구조를 가진다.
이때 제2 MOSET(T2)과 제3 MOSFET(T3)의 온/오프 동작 상태는 서로 동기되지만, 온/오프 상태가 서로 반대되도록 구성된다. 마찬가지로, 제2 MOSFET(T2)은 환류 스위칭부(80)의 제1 MOSFET(T1)의 온/오프 동작 상태는 서로 동기 되지만, 온/오프 상태가 서로 반대되도록 구성된다. 즉, 제1 MOSFET(T1)과 제3 MOSFET(T3) 간은 온/오프 주기 및 동작 상태가 동일하다.
이러한 제2 및 제3 MOSFET(T2, T3)의 스위칭 동작도 제어부(미도시)에 의해 동작되도록 구성할 수 있는데, 본 실시예에서와 같이 제2 및 제3 MOSFET(T2, T3)기 각각 p타입 및 n타입이며, 환류 스위칭부(80)의 제1 MOSFET(T1)이 n타입으로 구성할 경우에, 제어부에서 출력되는 하나의 스위칭 제어신호를 동시에 제공받아 동작하는 구성이 가능해질 수 있다.
이와 같이, 정류부의 회로 구성에서 다이오드 대신에 FET을 이용하게 되면, 다른 전력 회로들과 집적이 가능하며, 다이오드보다 높은 효율을 낼 수 있다.
상기와 같이, 본 발명에 따른 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치의 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한편, 상기의 설명에서는 본 발명의 특정 실시예들을 참조하여 설명하였으나, 이외에도 다양한 실시예들 및 이들의 변경이나 변형이 있을 수 있다.
예를 들어, 상기 도 6 및 도 7에서 도시된 정류부(34, 36) 내의 커패시터(C6, C7)는 FET으로 대체하는 것도 가능하며, 이러한 FET들을 비롯하여 환류 스위칭부(80)의 MOSFET(T1)도 n타입 외에 p타입으로 대체하는 구성도 물론 가능하다.

Claims (11)

  1. 공진 방식 무선 충전 시스템용 수신 전력 변환 장치에 있어서,
    무선 전력 송신 장치에서 송신한 무선 전력을 수신하는 무선 전력 수신부와;
    상기 무선 전력 수신부에서 수신한 AC 형태의 전원을 DC로 정류하는 정류부와;
    스위칭 제어 신호에 의해 스위칭 동작하여, 상기 무선 전력 수신부에서 수신된 AC 형태의 전원을 환류(free-wheeling)시키는 경로를 형성하는 환류 스위칭부와;
    상기 수신 전력 변환 장치의 출력 신호를 피드백 받아 이의 레벨을 검출하는 피드백회로와;
    상기 피드백회로에서 검출된 출력 레벨에 따라 상기 환류 스위칭부의 스위칭 동작을 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 환류스위칭부는 턴온시에는 상기 수신된 AC 형태의 전원을 환류시키며, 턴오프시에는 상기 수신된 AC 형태의 전원의 환류를 차단하고 상기 정류부로 상기 AC 형태의 전원을 제공함을 특징으로 하는 수신 전력 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 무선 전력 수신부는 상기 무선 전력 송신 장치의 제1코일에서 방출되는 전자기파를 흡수하는 제2코일과, 상기 제2코일과 직렬 연결되는 공진용 제1커패시터로 구성됨을 특징으로 하는 수신 전력 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 환류 스위칭부는 상기 제어부의 제어하에 온/오프 동작하는 제1 스위칭 트랜지스터로 구성함을 특징으로 하는 수신 전력 변환 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 정류부는 상기 무선 전력 수신부 측에서 제공되는 전원을 제공받아 출력하는 하나의 제1다이오드로 구성되며,
    상기 무선 전력 수신부에서 제2코일과 제1커패시터의 직렬 연결 회로의 일단과 타단은 각각 상기 정류부의 제1다이오드 및 접지단과 연결됨을 특징으로 하는 수신 전력 변환 장치.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 정류부는 제1 및 제2다이오드의 직렬 연결 회로와, 제3 및 제4다이오드의 직렬 연결 회로를 서로 병렬로 연결하는 구조를 가지며,
    상기 병렬 연결된 두 노드의 중 상기 제1다이오드와 제3다이오드의 연결 노드는 출력 노드로 설정하고, 상기 제2다이오드와 제4다이오드의 연결 노드는 접지단과 연결되며,
    상기 무선 전력 수신부의 제2코일과 제1커패시터의 직렬 연결 회로의 일단과 타단은 각각 상기 제1다이오드와 제2다이오드의 연결 지점 및 상기 제3다이오드와 제4다이오드의 연결지점과 연결됨을 특징으로 하는 수신 전력 변환 장치.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 정류부는 제1 및 제2다이오드의 직렬 연결 회로와, 제6 및 제7커패시터의 직렬 연결 회로를 서로 병렬로 연결하는 구조를 가지며,
    상기 병렬 연결된 두 노드의 중 제1다이오드와 제6커패시터의 연결 노드는 출력 노드로 설정하고, 제2다이오드와 제7커패시터의 연결 노드는 접지단과 연결되며,
    상기 무선 전력 수신부의 제2코일과 제1커패시터의 직렬 연결 회로의 일단과 타단은 각각 상기 제1다이오드와 제6커패시터의 연결 지점 및 상기 제2다이오드와 제7커패시터의 연결지점과 연결됨을 특징으로 하는 수신 전력 변환 장치.
  7. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 정류부는 제2 및 제3 스위칭 트랜지스터의 직렬 연결 회로와, 제6 및 제7커패시터의 직렬 연결 회로를 서로 병렬로 연결하는 구조를 가지며,
    상기 병렬 연결된 두 노드의 중 제2 스위칭 트랜지스터와 제6커패시터의 연결 노드는 출력 노드로 설정하고, 제3 스위칭 트랜지스터와 제7커패시터의 연결 노드는 접지단과 연결되며,
    상기 무선 전력 수신부의 제2코일과 제1커패시터의 직렬 연결 회로의 일단과 타단은 각각 상기 제2 스위칭 트랜지스터와 제6커패시터의 연결 지점 및 상기 제3스위칭 트랜지스터와 제7커패시터의 연결지점과 연결됨을 특징으로 하는 수신 전력 변환 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제2 및 제3 스위칭 트랜지스터는 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor)으로 구성함을 특징으로 하는 수신 전력 변환 장치.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피드백회로는 상기 수신 전력 변환 장치의 출력 신호를 피드백 받아 미리 설정된 기준 전압과 비교하며, 그 비교결과를 출력하는 비교기로 구현함을 특징으로 하는 수신 전력 변환 장치.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 무선 전력 수신부에서 수신한 신호를 제공받아 이에 따른 동기신호를 발생하는 동기신호 발생부와;
    상기 동기신호 발생부에서 발생된 동기신호에 맞추어 상기 피드백회로의 출력에 따른 상기 환류 스위칭부의 온/오프 제어를 위한 구동 신호를 상기 스위칭 제어 신호로서 발생하는 구동부를 포함함을 특징으로 하는 수신 전력 변환 장치.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    인덕터 및 커패시터로 구성되어 상기 수신 전력 변환 장치의 출력단의 DC 파형을 안정화하여 출력하는 파형 안정화부와;
    상기 정류부와 상기 파형 안정화부 사이에서 병렬로 연결되는 회로 보호를 위한 제너 다이오드 및 전원 충전 및 안정화를 위한 제3커패시터를 더 포함함을 특징으로 하는 수신 전력 변환 장치.
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