KR20130043629A

KR20130043629A - 높은 ｑ 값을 제공할 수 있는 무선 수전 장치

Info

Publication number: KR20130043629A
Application number: KR1020127028913A
Authority: KR
Inventors: 야스오 후루카와
Original assignee: 가부시키가이샤 어드밴티스트
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2013-04-30
Also published as: US8791601B2; JP5462953B2; TW201210168A; JP2013524743A; TWI435509B; CN102823148A; WO2011122048A1; US20110241436A1

Abstract

무선 수전 장치(300)는 무선 급전 장치로부터 송출된, 전기장, 자기장 및 전자기장 중 어느 하나를 포함하는 전력 신호(s1)를 수신한다. 수신 코일(L2)은 전력 신호(S1)를 수신하도록 구성된다. 전력 보존용 커패시터(C3)는 고정 전위로 설정된 제 1 단자를 갖도록 배치된다. 제 1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치(SW2)는 수신 코일(L2)을 포함하는 폐 루프를 형성하도록 직렬로 연결된다. 이들 스위치를 연결하는 접속점(N1)은 전력 보존용 커패시터(C3)의 제 2 단자에 연결된다. 제 3 스위치(SW3) 및 제 4 스위치(SW4)는 제 1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치(SW2)를 포함하는 경로와는 병렬로 배치되고, 상호 간에는 순서대로 직렬로 배치된다. 제 3 스위치(SW3) 및 제 4 스위치(SW4)를 연결하는 접속점(N2)은 고정 전위로 설정된다.

Description

높은 Ｑ 값을 제공할 수 있는 무선 수전 장치{WIRELESS POWER RECEIVING APPARATUS CAPABLE OF PROVIDING A HIGH Q VALUE}

본 발명은 무선 급전(給電) 기술에 관한 것이다.

최근 몇 년 사이에, 휴대폰 단말, 랩탑 컴퓨터 등과 같은 전자 장치 또는 전기 자동차를 위한 급전 기술로서 무선(비접촉) 전력 전송이 주목을 받아왔다. 무선 전력 전송은 전자(電磁) 유도형, 전파(電波) 수신형, 전자기(電磁氣) 공명형의 세 가지 주요 방법으로 분류될 수 있다.

상기 전자 유도형 방법은 단거리(수 cm 이내)에서 급전하는데 이용되며, 수백 kHz 이하의 대역으로 수백 W의 전력을 전송할 수 있고, 전력 이용 효율은 60% 내지 98% 정도이다.

수 m 이상의 비교적 장거리로 급전하는 경우, 전파 수신형이 이용된다. 전파수신형은 중파(中波) ～ 마이크로파의 대역으로 수 W 이하의 전력을 전송할 수 있지만 전력의 이용효율이 낮다. 수 m 정도의 중거리에서, 비교적 높은 효율로 급전하는 방법으로서, 전자기 공명형(공진형)이 주목을 받고 있다(비특허 문헌 1 참조).

A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M. Soljacic, "효율적인 무선 비-방사 중거리 에너지 전송", 애널스 오브 피직스(ANNALS OF PHYSICS), Vol. 323, 2008년 1월, pp. 34-48

자기장결합에 의한 전력 송출에 있어서, 전자 유도형의 코일간 결합계수k는 거리의 세제곱 비율로 감소한다. 이것은 코일간 거리를 증가시킬 수 없는 제약 조건이 되며, 이러한 상태에서 결합계수가 1에 근사한 상태를 실현하기 위해서는 코일에 근접한 상태에서 이용하는 것이 일반적이다.

본 발명자는 공명형 무선 급전 기술에서는 공명상태의 코일 사이에는 낮은 결합계수 k에서도 Q값이 높으면, 높은 전송효율이 얻어진다(전송효율 ∝ k·Q)는 점에 주목하였다. 다시 말해서, 1차 코일과 2차 코일Q 사이의 거리가 길고, 1차와 2차 간의 결합계수k가 극히 낮은(0.01 이하) 경우에도, Q값을 높여서 고효율 전송을 실현할 수 있는 가능성이 있다.

예를 들어, k=0.01 또는 그 이하인 경우, Q 값은 100 또는 그 이상으로 설정되어야 한다. 그러나, 통상의 코일에서는 배선 저항 이나 표피효과의 영향으로 높은 Q값을 실현하기가 어렵다. 특히, 소형 코일에서 이와 같이 높은 Q 값을 실현하기가 어렵다.

상술한 고찰은 본 발명의 분야에서 공통의 일반적인 지식 범주에 속하지 않는 것임을 주목해야 한다. 다시 말하면, 본 발명자가 이러한 고찰에 최초로 도달한 당사자라고 말할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안되었다. 따라서, 본 발명의 일 양태의 목적은 높은 Q 값을 제공할 수 있는 전력 수전 회로 또는 전력 수전 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태는 무선 급전 장치로부터 송출된, 전기장, 자기장, 전자기장 중 어느 하나를 포함하는 전력 신호를 수신하도록 구성된 무선 수전 장치에 관한 것이다. 상기 무선 수전 장치는: 상기 전력 신호를 수신하는 수신 코일과; 제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 한편, 상기 제1단자의 전위가 고정된 커패시터와; 상기 수신 코일과 함께 폐루프를 형성하도록 상호간에 순서대로 직렬로 접속된 제 1 스위치 및 제 2 스위치와; 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치와는 병렬로 접속된 경로를 이루고, 상호간에는 순대서로 직렬로 접속된 경로를 이루는 제 3 스위치 및 제 4 스위치와; 상기 제 1 스위치 내지 상기 제 4 스위치를 제어하는 제어부를; 포함하며, 상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치 간의 접속점이 상기 커패시터의 상기 제 2 단자와 접속되고, 상기 제 3 스위치와 상기 제 4 스위치 간의 접속점의 전위가 고정되어 있다.

이 같은 실시예에 따르면, 상기 제 1 스위치 내지 상기 제 4 스위치를 적절히 제어함으로써, 회로의 Q 값을 상승시킬 수 있다. 따라서, 상기 무선 급전 장치와 상기 무선 수전 장치 간의 커플링 효율이 낮더라도 고효율 전력 전송을 제공한다.

또한, 상기 제어부는 상기 제 1 스위치 및 상기 제 4 스위치가 온(on) 되고 상기 제 2 스위치 및 상기 제 3 스위치가 오프(off) 되는 제 1 상태와 상기 제 1 스위치 및 상기 제 4 스위치가 오프 되고 상기 제 2 스위치 및 상기 제 3 스위치가 온 되는 제 2 상태 사이에서 스위칭할 수 있도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치는 상기 수신 코일 대신, 상기 수신 코일과 조밀하게 결합된 보조 코일과 함께 폐 루프를 형성하도록 배치될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는 무선 급전 시스템에 관한 것이다. 상기 무선 급전 시스템은 전기장, 자기장 및 전자기장 중 어느 하나를 포함하는 전력 신호를 송출하도록 구성된 무선 급전 장치; 및 상술한 무선 수전 장치를 포함한다.

상술한 구성 요소들의 임의 조합 및 재배치 등은 본 발명의 실시예로서 유효하며 본 발명의 범위에 속한다.

또한, 본 발명에 따른 과제의 해결수단의 기재가 반드시 모든 필수 특징들을 기재하는 것은 아니므로, 본 발명이 이들 기재된 특징들의 하위 조합(sub-combination)이 될 수도 있다.

다음에, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하며, 여기서 설명하는 실시예는 예시를 위한 것으로서 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 그리고, 실시예 설명을 위한 참조가 되는 다음의 첨부도면에서는 동일 또는 유사 구성요소에 대하여는 동일한 참조부호를 병기한다:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 급전 시스템의 구성을 도시한 회로도이다;
도 2a 및 2b는 각각 도 1에 도시된 무선 수전 장치 동작을 도시한 회로도이다;
도 3은 도 1에 도시된 무선 수전 장치의 동작을 도시한 파형도이다;
도 4는 비교 기술로서의 동기 정류회로의 동작을 도시한 파형도이다;
도 5는 제 1 변형예에 따른 무선 수전 장치의 구성을 도시한 회로도이다;
도 6은 제 2 변형예에 따른 무선 수전 장치의 구성을 도시한 회로도이다;
도 7은 도 1의 무선 급전 시스템의 등가회로도이다;
도 8은 제 3 변형예에 따른 무선 급전 시스템의 동작을 도시한 타임차트이다;
도 9는 제 4 변형예에 따른 무선 수전 장치의 구성을 도시한 회로도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 각 도면에 도시한 동일 또는 동등 구성요소, 부재, 처리에는 동일부호를 병기하고, 필요에 따라서 적절하게 중복 설명을 피한다. 또한, 본 발명의 실시예는 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 예시를 위한 것으로서, 실시예의 형태에 기술된 전체의 특징이나 그 조합은 필수적인 것을 나타내거나 발명의 본질적인 것을 나타내는 것으로 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에서, "부재 A가 부재 B에 접속된 상태"라는 것은 부재 A와 부재 B가 물리적, 직접적으로 연결되는 상태뿐만 아니라 부재 A와 부재 B가 전기적 접속 상태에 영향을 주지 않는 다른 부재를 통해 간접적으로 접속된 상태도 함께 포함한다. 이와 유사하게, "부재 C가 부재 A와 부재 B 사이에 설치된 상태"는 부재 A가 부재 C에 직접적으로 연결되거나 부재 B가 부재 C에 직접적으로 연결되는 상태뿐만 아니라, 전기적 접속에 영향을 주지 않는 다른 부재를 통해서, 간접적으로 접속된 상태도 함께 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 급전 시스템(100)의 구성을 도시한 회로도이다. 본 회로도에는 회로 상수가 예시 목적으로 도시된다. 그러나 이러한 회로 상수는 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 무선 급전 시스템(100)은 무선 급전 장치(200)와 무선 수전 장치(300)를 포함한다. 먼저, 무선 급전 장치(200)의 구성에 대해서 설명된다.

무선 급전 장치(200)는 무선 수전 장치(300)에 전력 신호를 송출한다. 무선 급전 시스템(100)은 전력 신호(S1)로서 전파가 되지 않는 전자기파의 근거리장(near-field) 성분(전기장, 자기장 또는 전자기장)을 사용한다.

무선 급전 장치(200)는 교류 전원(10), 송신 코일(L1) 및 커패시터(C2)를 포함한다. 교류 전원(10)은 소정의 주파수를 갖거나 주파수 변조되었거나, 위상 변조, 진폭 변조 등이 시행된 전기 신호(S2)를 생성한다. 설명을 간략화하고 이해를 용이하게 하기 위해서, 본 실시예에서는 전기 신호(S2)가 일정한 주파수를 갖는 교류 신호인 경우에 대해서 설명한다. 예를 들어, 전기 신호(S2)의 주파수는 수백 kHz 내지 수 MHz 사이의 범위에서 선택된다.

송신 코일(L1)은 교류 전원(10)에 의해 생성된 전기 신호(S2)를 전기장, 자기장 또는 전자기장 중 어느 하나를 포함하는 근거리장 신호(전력 신호)(S1)로서 방사하는 안테나이다. 송신 커패시터(C2)는 송신 코일(L1)과 직렬로 배치된다. 저항(R1)은 송신 코일(L1)과 직렬인 저항 성분을 나타낸다.

이상은 무선 급전 장치(200)의 구성이다. 다음으로, 무선 수전 장치(300)의 구성에 대해 설명된다.

무선 수전 장치(300)는 무선 급전 장치(200)로부터 송출된 전력 신호(S1)를 수신한다.

수신 코일(20)은 송신 코일(L1)로부터 전력 신호(S1)를 수신한다. 전력 신호(S1)에 따른 유도 전류(공진 전류)(I_COIL)가 수신 코일(L2)을 통해 흐른다. 전력 수전 장치(300)는 상기 유도 전류를 통해 전력을 추출한다.

무선 수전 장치(300)는 수신 코일(L2), 공진 커패시터(C1), H-브릿지(bridge) 회로(12), 제어부(14) 및 전력 보존용 커패시터(C3)를 포함한다. 공진 커패시터(C1)는 수신 코일(L2)과 함께 공진 회로를 형성한다.

전력 보존용 커패시터(C3)의 제 1 단자는 접지되어 그 전위가 고정된다. H-브릿지 회로(12)는 제 1 스위치(SW1) 내지 제 4 스위치(SW4)를 포함한다. 제 1 스위치(SW1) 및 제 2 스위치(SW2)는 순서대로 직렬 연결되어 수신 코일(L2)과 공진 커패시터(C1)와 함께 폐 루프(loop)를 형성한다. 제 1 스위치(SW1)와 제 2 스위치(SW2)를 연결하는 접속점(N1)은 전력 보존용 커패시터(C3)의 제 2 단자에 연결된다. 손실 저항(R2)은 무선 수전 장치(300) 내에서 발생하는 전력 손실을 나타낸다. 부하 저항(R3)은 전력 보존용 커패시터(C3) 내에 저장된 전력에 의해 구동되는 부하를 나타내나, 회로 소자로서의 저항을 의미하는 것은 아니다. 이 부하 저항(R3)에는 전력 보존용 커패시터(C3)에서 생성되는 전압(V_PWR)이 공급된다.

제 3 스위치(SW3)와 제 4 스위치(SW4)는 순서대로 직렬 배치되고, 제 1 스위치(SW1)와 제 2 스위치(SW2)와는 병렬인 경로를 형성한다. 제 3 스위치(SW3)와 제 4 스위치(SW4)를 연결하는 접속점(N2)은 접지되어, 고정된 전위를 갖는다. 전력 보존용 커패시터(C3)에 생성되는 전압(V_PWR)이 Q 값을 상승시키기 위한 최적의 값이 되도록 부하 저항(R3)을 제어할 수도 있다.

제 1 스위치(SW1) 내지 제 4 스위치(SW4) 각각은 MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), 바이폴라 트랜지스터 또는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 반도체 소자를 이용하여 구성될 수 있다.

제어부(14)는 제 1 스위치(SW1) 내지 제 4 스위치(SW4)를 제어한다.

구체적으로, 제어부(14)는 제 1 상태(φ1)와 제 2 상태(φ2) 사이에서 상태를 스위칭할 수 있도록 구성된다. 제 1 상태(φ1)에서, 제 1 스위치(SW1)와 제 4 스위치(SW4)는 온(ON)이 되고, 제 2 스위치(SW2)와 제 스위치(SW3)는 오프(OFF)되다. 제 2 상태(φ2)에서, 제 1 스위치(SW1)와 제 4 스위치(SW4)는 오프 상태가 되고, 제 2 스위치(SW2)와 제 스위치(SW3)는 온 상태가 된다.

수신 코일(L2)에 생성되는 유도 전류(I_COIL)는 교류 파형을 갖는다. 제어부(14)는 유도 전류(I_COIL)의 진폭이 최대치에 근접하도록 제 1 상태(φ1)와 제 2 상태(φ2) 사이에서 상태를 스위칭하는 스위칭 타이밍(위상)을 조절한다.

이상은 무선 급전 시스템(100)의 구성이다. 다음으로, 그 동작에 관해 설명한다. 도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 무선 수전 장치(300)의 동작을 각각 도시한 회로도이다. 도 2a는 제 1 상태(φ1)인 경우에 각 스위치의 상태 및 전류의 양상을 도시하고, 도 2b는 제 2 상태(φ2)인 경우에 각 스위치의 상태 및 전류의 양상을 도시한다. 도 3은 도 1의 무선 수전 장치(300)의 동작을 도시한 파형도이다. 도 3은 위에서부터 순서대로 전력 보존용 커패시터(C3)에 생성되는 전압(V_PWR), 전력 보존용 커패시터(C3)로 흐르는 전류(I_C3), 제 2 스위치(SW2) 및 제 3 스위치(SW3)의 상태, 제 1 스위치(SW1) 및 제 4 스위치(SW4)의 상태, 및 수신 코일(L2)에 생성되는 유도 전류(I_COIL)를 도시한다.

도 3에서, 제 2 스위치(SW2) 및 제 3 스위치(SW3)의 상태는 각각 전압이 +1V일 때 완전히 온(on)된 상태에 대응되고, 전압이 0V일 때 오프(off) 상태에 대응된다. 반면, 제 1스위치(SW1) 및 제 4 스위치(SW4)의 상태는 각각 전압이 -1V일 때 완전히 온(on)된 상태에 대응되고, 전압이 0V일 때 오프(off) 상태에 대응된다. 각 스위치의 상태를 나타내는 전압 레벨은 편의에 따라서 결정된다. 전류 파형은 도 1에 도시된 화살표 방향을 정방향으로 한다.

먼저, 교류 전력 신호(S1)가 도 1에 도시된 무선 급전 장치(200)로부터 전송된다. 이 전력 신호(S1)에 따라서 수신 코일(L2)에는 유도 전류(I_COIL)로서 교류전류가 흐른다.

제어부(14)는 전력 신호(S1)와 동기화하여 제 1 스위치(SW1) 내지 제 4 스위치(SW4) 각각의 온/오프 상태를 제어한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 제 1 상태(φ1)에서, 전류(I_C3)는 접지 단자로부터 제 4 스위치(SW4), 수신 코일(L2), 공진 커패시터(C1) 및 제 1 스위치(SW1)를 통해 흐른다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 제 2 상태(φ2)에서, 전류(I_C3)는 접지 단자로부터 제 3 스위치(SW3), 수신 코일(L2), 공진 커패시터(C1) 및 제 2 스위치(SW2)를 통해 흐른다. 제어부(14)는 유도 전류(I_COIL) 또는 부하 저항(R3)에 공급된 전력을 모니터할 수 있고, H-브릿지 회로(12)의 진폭이 최대치에 근접하도록 H-브릿지 회로(12)가 스위칭 되는 스위칭 타이밍(위상)을 최적화할 수 있다.

전력 보존용 커패시터(C3)는 전압원으로 기능 할 수 있을 정도로 충분한 커패시턴스를 갖는 경우에, 공진 회로를 위한 구동 전압원으로 사용될 수 있다. 따라서, 유도 전류(공진 전류)(I_COIL)의 제로 크로스 포인트에 대해 90도 쉬프트된 위상에서 전력 보존용 커패시터(C3)를 수신 코일(L2)과 결합시킴으로써, 수신 코일(L2) 등의 저항 성분으로 인한 손실을 전원으로 기능하는 전력 보존용 커패시터(C3)를 이용하여 보상할 수 있다.

공진 회로의 Q 값은 저항(R)과 반비례한다. 그러나, 만약 전력 보존용 커패시터(C3)가 저항(R)으로 인한 손실을 완벽하게 보상할 수 있다면, 저항(R)은 영(zero)으로 간주될 수 있으므로, 무한대의 Q 값을 갖는 공진 회로의 등가 회로를 제공할 수 있게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 수전 장치(300)에 따르면, H-브릿지 회로(12)에 있어서 그 제 1 상태(φ1)와 제 2 상태(φ2) 사이에서 스위칭 되는 스위칭 타이밍(위상)을 최적화함으로써, 전력 보존용 커패시터(C3)에서 생성되는 전압을 적절한 타이밍으로 수신 코일(L2)에 인가할 수 있기 때문에, 유효 Q 값을 대단히 향상시킬 수 있다.

도 7은 도 1의 무선 급전 시스템(100)의 등가 회로도를 나타낸다. 도 1의 무선 급전 시스템(100)에서, 결합 계수 k로 결합된 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2)은 인덕터(L5 내지 L7)를 포함하는 T 형태 회로와 등가로 간주될 수 있다. L1=L2=L일 때, 인덕터(L5 및 L6) 각각의 인덕턴스는 L×(1-k)가 되며, 인덕터(L7)의 인덕턴스는 L×k로 나타낼 수 있다.

H-브릿지 회로(12)에 있어서 그 제 1 상태(φ1)와 제 2 상태(φ2) 사이에서 스위칭 되는 스위칭 타이밍의 최적화는 교류 전원(10)과 부하 저항(R3) 간의 임피던스 정합의 최적화로 이루어진다. 즉, H-브릿지 회로(12)는 스위치-모드의 임피던스 정합 회로로 간주될 수 있다. 만약 교류 전원(10)의 출력 임피던스 또는 결합 계수(k)가 변하게 되면, 임피던스 정합의 조건 또한 변화한다. H-브릿지 회로(12)의 스위칭 동작의 위상은 최적의 임피던스 정합을 얻을 수 있도록 제어된다.

종래의 방식에 따르면, 공진 커패시터(C1 또는 C2)는 가변 커패시터로 구성되고, 이러한 가변 커패시터를 모터로 기계적으로 제어하여 임피던스 정합을 수행한다. 이에 대하여, 본 발명의 실시예에 따르면, H-브릿지 회로(12)의 스위칭 상태를 제어함으로써, 기계적이 아닌 전기적으로 임피던스 정합을 실현할 수 있다.

기계적 수단을 통한 임피던스 정합에 따르면, 고속 제어는 불가능하다. 이 때문에 무선 수전 장치(300)가 이동하는 경우에, 임피던스 정합을 유지할 수 없게 되어 전력 공급 효율의 저하로 이어질 수 있는 문제를 야기한다. 반면, 본 실시예는 이와 같은 종래의 방식과 비교해볼 때, 고속 임피던스 정합을 제공할 수 있다. 본발명의 방식은 무선 수전 장치(300)가 이동하거나 무선 급전 장치(200)의 전력 공급 상태가 고속으로 스위칭 되더라도, 매우 효율적인 전력 공급이 가능하다.

높은 Q 값을 갖는 무선 수전 장치(300)는, 송신 코일(L1)과 수신 코일(L2) 간의 결합 계수(k)가 낮더라도, 즉 무선 수전 장치(300)와 무선 급전 장치(200) 간의 거리가 멀더라도, 고-효율의 전력 전송을 제공한다.

제 1 스위치(SW1) 내지 제 4 스위치(SW4) 각각의 온, 오프 스위칭 타이밍은 도 3을 참조로 설명된 것에만 한정되지 않는다. 온/오프 스위칭 타이밍을 제어함으로써, 공진 회로의 Q 값을 제어할 수 있게 된다. 따라서, 의도적으로 낮은 Q 값을 제공하고자 할 경우에는 온/오프 스위칭 타이밍을 도 3에 도시된 것과는 다르게 의도적으로 쉬프트할 수도 있다.

또한, 도 1에 도시된 구성에 따르면, Q 값을 상승시키도록 구성된 H-브릿지 회로(12)는 정류 회로로도 기능 한다. 따라서, 이후에 설명될 변형예와는 달리, 다이오드 등을 포함하는 정류 회로를 부가 회로로서 마련할 필요가 없다는 이점이 있다.

상술한 H-브릿지 회로(12)는 전형적인 동기 정류 회로로 혼동되어서는 안 된다. 도 4는 비교 기술로서의 동기 정류 회로의 동작을 도시한 파형도이다. 이 같은 동기 정류 회로에 따르면, 공진 전류(I_COIL)의 제로 크로스 포인트가 발생한 시점에서, 제 1 상태(φ1)와 제 2 상태(φ2)가 스위칭 된다. 이 경우에, 전력 보존용 커패시터(C3)로 흐르는 전류(I_C3)는 전파 정류(full-wave rectification)된 파형을 갖는다. 이러한 정류의 경우에는 다이오드를 이용한 정류와는 달리 전압 손실이 발생하지 않음을 주목해야 한다. 이러한 동기 정류 회로는 공진 회로 내에서 발생하는 손실을 보상할 수 없다. 따라서, Q 값을 높이는 것이 불가능하다.

이상, 실시예를 참조로 본 발명에 관해 설명하였다. 상술한 각 실시예는 예시적 목적으로 기재되었으며, 각 구성 요소나 각 처리 프로세스의 조합을 통해 여러 가지 변형예를 형성할 수 있으며, 이러한 변형예도 모두 본 발명의 범위에 속하는 것임을 당업자라면 자명하게 이해할 수 있다. 이하에서는 이러한 변형예에 관해 설명한다.

도 5는 제 1 변형예에 따른 무선 수전 장치(300a)의 구성을 도시한 회로도이다. 도 1에 도시한 것과 겹치는 회로 요소의 부분은 도시를 생략한다. 도 5의 무선 수전 장치(300a)와 도 1의 무선 수전 장치(300) 간의 차이점은 부하의 위치에 있다. 구체적으로, 도 5에서, 저항(R6)은 저항(R3) 대신에 부하로 기능 한다. 전력 보존용 커패시터(C3)와 병렬로 배치된 저항(R3)은 무시해도 될 정도의 효과를 갖는다.

도 5에 도시된 무선 수전 장치(300a)는 도 1에 도시된 무선 수전 장치(300)에 대해 부가적으로, 보조 코일(L3), 정류 회로(16) 및 인덕터(L4)가 추가로 포함되어 구성된 것이다.

보조 코일(L3)은 수신 코일(L2)과 조밀하게 결합된다. 정류 회로(16)는 보조 코일(L3)을 통해 흐르는 전류(I_L3)를 전파 정류한다. 인덕터(L4)는 정류 회로(16)의 출력 측에 부하 저항(R6)와 직렬로 접속된다.

도 5에 도시된 구성에 따르면, H-브릿지 회로(12)와 전력 보존용 커패시터(C3)를 포함하는 Q값 증폭기 회로에 의해 수신 코일(L2)과 공진 커패시터(C1)를 포함하는 공진 회로의 Q값이 상승한다. 그 결과, 수신 코일(L2)과 조밀하게 결합된 보조 코일(L3)에도 대량의 전류(I_L3)가 유도되어, 부하 저항(R6)으로 대량의 전력을 공급할 수 있다.

도 6은 제 2 변형예에 따른 무선 수전 장치(300b)의 구성을 도시한 회로도이다. 무선 수전 장치(300b)는 수신 코일(L2)과 조밀하게 결합된 보조 코일(L3)을 포함한다. 이러한 방식에 따르면, H-브릿지 회로(12b)가 수신 코일(L2) 대신에 보조 코일(L3)에 접속된다. 병렬로 연결된 인덕터(L4)와 저항(R5)은 H-브릿지 회로(12b)와 전력 보존용 커패시터(C3) 사이에 배치된다.

정류 회로(16b)는 수신 코일(L2)과 공진 커패시터(C1)를 포함하는 공진 회로를 통해 흐르는 전류를 전파 정류한다. 전력 보존용 커패시터(C4)는 정류 회로(16b)의 출력 측에 배치되고, 정류 회로(16b)에 의한 전파 정류된 전류를 평활화한다. 전력 보존용 커패시터(C4)에 생성되는 전압은 부하 저항(R6)에 공급된다.

도 6에 도시된 구성에 따르면, H-브릿지 회로(12b)와 전력 보존용 커패시터(C3)를 포함하는 Q값 증폭기 회로가 보조 코일(L3)을 통해, 수신 코일(L2)과 공진 커패시터(C1)를 포함하는 공진 회로의 Q값을 상승시킬 수 있다. 그 결과, 고 효율로 전력을 수신할 수 있다.

이상 H-브릿지 회로(12)가 제 1 상태(φ1)와 제 2 상태(φ2) 사이에서 스위칭 될 수 있고 이들 상태 간의 스위칭의 위상이 제어되는 경우에 관해 설명하였다. 제 3 변형예에서는, 위상 제어 대신 또는 이와 더불어 다음의 제어 동작이 수행된다.

제 3 변형예에 있어서, 제어부(14)는 제 1 상태(φ1)와 제 2 상태(φ2) 뿐만 아니라, 제 1 스위치(SW1) 내지 제 4 스위치(SW4) 모두가 꺼지는 제 3 상태(φ3)로 스위칭할 수 있다. 제어부(14)는 제 1 상태(φ1)에서 제 2 상태(φ2)로의 천이와 제 2 상태(φ2)에서 제 1 상태(φ1)로의 천이 중에서, 적어도 하나의 천이 도중에제 3 상태(φ3)를 삽입하고, 수신 코일(L2)을 통해 흐르는 유도 전류(I_COIL)의 진폭이 최대치에 근접하도록 제 3 상태(φ3)의 기간["데드 타임(Td)"이라고도 함]의 길이를 조절한다. 도 8은 제 3 변형예에 따른 무선 급전 시스템(100)의 동작을 도시한 타임 차트이다.

수신 코일(L2), 공진 커패시터(C1) 및 H-브릿지 회로(12)를 포함하는 공진 회로의 공진 주파수는 무선 급전 장치(200)에 의해 생성된 전력 신호(S1)의 주파수와 반드시 일치하는 것은 아니다. 이 경우에, 데드 타임(Td)의 길이를 조절함으로써, 제 1 상태(φ1) 및 제 2 상태(φ2)에서 흐르는 유도 전류(I_COIL)를 무선 수전 장치(300)에 포함된 공진 회로에서 부분 공진시키는 것이 가능하다. 즉, 무선 급전 장치(200)의 공진 주파수를 전력 신호(S1)의 주파수에 튜닝할 수 있어, 전력 공급 효율을 향상시킬 수 있다.

이상, 스위치-모드 임피던스 정합 회로로서 H-브릿지 회로(12)가 사용되는 경유에 대하여 설명하였지만, 그 대신에 하프-브릿지 회로를 스위치-모드 임피던스 정합회로로서 사용할 수도 있다.

도 9는 제 4 변형예에 따른 무선 수전 장치(300c)의 구성을 도시한 회로도이다. 도 9의 무선 수전 장치(300c)는 도 6의 무선 수전 장치(300b)에 포함된 H-브릿지 회로(12b)를 하프-브릿지 회로(12c)로 교체한 구성으로 되어 있다. 하프-브릿지 회로(12c)는 제 5 스위치(SW5)와 제 6 스위치(SW6)를 포함한다. 제 5 스위치(SW5)는 전력 보존용 커패시터(C3) 및 보조 코일(L3)과 함께 폐 루프를 형성하도록 접속된다. 제 6 스위치(SW6)는 보조 코일(L3)의 양 단자 사이에 배치된다.

제 4 변형예에 따르면, 제 5 스위치(SW5) 및 제 6 스위치(SW6)의 온, 오프를 스위칭하는 위상을 제어함으로써, 임피던스 정합을 제공할 수 있다. 또한, 제 5 스위치(SW5) 및 제 6 스위치(SW6)가 동시에 오프되는 데드 타임의 길이를 조절함으로써, 부분 공진을 이용할 수 있어 전송 효율을 향상시킬 수 있다.

이상, 상기 실시예에서는 스위치-모드 임피던스 정합 회로(12)가 무선 수전 장치(300) 측에만 제공되는 경우에 관해 설명하였지만, 무선 급전 장치(200) 측에도 구체적으로는 교류전원(10)의 출력단에도, 하프-브릿지 회로 또는 H-브릿지 회로와 같은 스위치-모드 임피던스 정합 회로가 제공되는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 구체적인 용어를 사용하여 설명되었으나, 이 기재는 예시 목적일 뿐, 첨부된 청구항의 기술적 사상 또는 범위를 벗어나지 않는 선에서 여러 가지 변경 및 변형이 가능함은 자명한 것이다.

Claims

무선 급전 장치로부터 송출된, 전기장, 자기장 및 전자기장 중 어느 하나를 포함하는 전력 신호를 수신하도록 구성된 무선 수전 장치에 있어서, 상기 무선 수전 장치는:
상기 전력 신호를 수신하는 수신 코일과;
제 1 단자 및 제 2 단자를 포함하는 한편, 상기 제1단자의 전위가 고정된 커패시터와;
상기 수신 코일과 함께 폐루프를 형성하도록 상호 순서대로 직렬로 접속된 제 1 스위치 및 제 2 스위치와;
상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치와는 병렬로 접속된 경로를 이루고, 상호 간에는 순대서로 직렬로 접속된 경로를 이루는 제 3 스위치 및 제 4 스위치와;
상기 제 1 스위치 내지 상기 제 4 스위치를 제어하는 제어부를;
포함하며,
상기 제 1 스위치와 상기 제 2 스위치 간의 접속점이 상기 커패시터의 상기 제 2 단자와 접속되고,
상기 제 3 스위치와 상기 제 4 스위치 간의 접속점의 전위가 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 무선 수전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제 1 스위치 및 상기 제 4 스위치가 온(on) 되고 상기 제 2 스위치 및 상기 제 3 스위치가 오프(off) 되는 제 1 상태와, 상기 제 1 스위치 및 상기 제 4 스위치가 오프 되고 상기 제 2 스위치 및 상기 제 3 스위치가 온 되는 제 2 상태 사이에서 스위칭할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 수전 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 수신 코일을 통해 흐르는 전류의 진폭이 최대치에 근접하도록 상기 제 1 상태와 상기 제 2 상태 사이에서 스위칭 되는 스위칭 타이밍을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 수전 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제 1 상태 및 상기 제 2 상태뿐만 아니라, 상기 제 1 스위치 내지 상기 제 4 스위치 모두가 오프 되는 스위칭가능한 제 3 상태를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 수전 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 제 3 상태의 길이는 상기 수신 코일을 통해 흐르는 전류의 진폭이 최대치에 근접하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 무선 수전 장치.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 스위치 및 상기 제 2 스위치는 상기 수신 코일 대신, 상기 수신 코일과 조밀하게 결합된 보조 코일과 함께 폐 루프를 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 수전 장치.
전력 수신 장치로부터 송출된, 전기장, 자기장 및 전자기장 중 어느 하나를 수신하도록 구성된 무선 수전 장치에 있어서, 상기 무선 수선 장치는:
상기 전력 신호를 수신하는 수신 코일과;
제 1 단자를 포함하는 한편, 상기 제1단자의 전위가 고정된 커패시터와;
적어도 하나의 스위치를 포함하고, 상기 적어도 하나의 스위치의 온/오프 타이밍을 변경할 수 있도록 구성되며, 상기 커패시터와 상기 수신 코일 사이에 배치된 임피던스 정합 회로를;
포함하는 것을 특징으로 하는 무선 수전 장치.
제 7 항에 있어서,
상기 수신 코일과 조밀하게 결합된 보조 코일을 더 포함하며,
상기 임피던스 정합 회로는 상기 수신 코일을 대신하는 보조 코일과, 상기 커패시터 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 무선 수전 장치.
전기장, 자기장 및 전자기장 중 어느 하나를 포함하는 전력 신호를 송출하도록 구성된 무선 급전 장치; 및
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나에 따른 무선 수전 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 급전 시스템.