KR20170125101A - 유도식 전력 수신기 - Google Patents

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KR20170125101A
KR20170125101A KR1020177029348A KR20177029348A KR20170125101A KR 20170125101 A KR20170125101 A KR 20170125101A KR 1020177029348 A KR1020177029348 A KR 1020177029348A KR 20177029348 A KR20177029348 A KR 20177029348A KR 20170125101 A KR20170125101 A KR 20170125101A
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알리 압돌카니
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Abstract

유도식 전력 수신기가 제공되며, 상기 유도 전력 수신기는, 전력 픽업 스테이지; 상기 전력 픽업 스테이지에 연결된 반-자율형 변환기; 및 상기 변환기에 연관된 적어도 하나의 제어 기기를 기반으로 하여 부하에 전달되는 전력을 조정하도록 구성된 제어기;를 포함한다.

Description

유도식 전력 수신기
본 발명은 일반적으로 기술하면 변환기에 관한 것이다. 더 구체적으로 기술하면, 본 발명은 유도식 전력 수신기용 변환기에 관한 것이다.
전기 변환기들은 다른 여러 타입의 전기 시스템들에서 찾아 볼 수 있다. 일반적으로 말하면, 변환기는 제1 타입의 공급원을 제2 타입의 출력원으로 변환한다. 상기 변환에는 DC-DC, AC-AC 및 DC-AC 전기 변환이 포함될 수 있다. 일부 구성들에서는 변환기에는 여러 개의 DC 및 AC '부품'이 구비될 수 있으며, 예를 들면 DC-DC 변환기는 AC-AC 변환기 스테이지를 변압기의 형태로 통합할 수 있다.
변환기들을 사용하는 예들 중 하나는 유도식 전력 전송(inductive power transfer; IPT) 시스템들에서 찾아 볼 수 있다. IPT 시스템들은 유도식 전력 송신기 및 유도식 전력 수신기를 포함하는 것이 전형적이다. 상기 유도식 전력 송신기는 송신측 코일 또는 송신측 코일들을 포함하며, 이러한 송신측 코일 또는 송신측 코일들은 교번하는 자기장을 생성하기 위해 적절한 송신 회로에 의해 구동된다. 상기 교번하는 자기장은 상기 유도식 전력 수신기의 수신측 코일 또는 수신측 코일들에 전류를 유도하게 된다. 이리하여, 상기 수신된 전력은 배터리를 충전하거나, 상기 유도성 전력 수신기에 연관된 기기 또는 다른 어떤 부하에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 또한, 상기 송신측 코일 및/또는 수신측 코일은 공진 회로를 생성하도록 공진 커패시터에 연결되어 있을 수 있다. 공진 회로는 상응하는 공진 주파수에서 전력 처리량(power throughput) 및 효율을 증가시킬 수 있다. 이리하여, 상기 공진 회로의 전류는 상기 부하용 DC로 변환 될 수 있다.
상기 유도식 전력 수신기용 변환기는 원하는 형태 및 진폭의 DC 전류를 생성하도록 구성되거나 제어 될 수 있다. 어떤 경우에는, 상기 변환기의 주파수가 송신측 공진 코일 및/또는 수신측 공진 공진 코일의 공진 주파수와 매칭(matching)하는 것이 바람직할 수 있다.
IPT 시스템들에서 사용되는 공지된 타입의 변환기들 중 하나는 푸시-풀(push-pull) 변환기이다. 푸시-풀 변환기들은 연계된 스위칭에 의해 전류가 수신측 코일 또는 코일들을 통해 교번하는 방향들로 흐르게 하는 스위치들의 배열에 의존하는 것이 전형적이다. 상기 스위치들을 제어함으로써 상기 부하에 공급되는 출력 DC 전류가 제어될 수 있다.
푸시-풀 변환기들에 연관된 문제는 스위칭 손실들 및 EMI 간섭을 줄이기 위해, 스위치 양단 간의 전압이 제로, 다시 말하면 제로-전압 스위칭(zero-voltage switching; ZVS) 일 때 스위치들이 스위치 온 및 오프되도록 제어되어야한다는 것이다. ZVS를 구현하려면 종종 제로 크로싱(zero crossing)을 검출하는 검출 회로 및 그에 따라 상기 스위치들을 제어하는 제어 회로가 추가로 필요하다. 이러한 추가 회로들은 상기 변환기에 복잡성과 비용을 추가시킨다. 더욱이, 일부 검출 및 제어 회로들은 고주파수 변환기들의 요구들을 충족시키지 못할 수도 있다.
따라서, 본 발명은 개선된 유도식 전력 수신기를 제공하거나 적어도 대중에게 유용한 선택권을 제공한다.
한 대표적인 실시 예에 의하면, 반-자율형 또는 완전 자율형 변환기를 포함하는 유도식 전력 수신기가 제공된다.
다른 한 다른 실시 예에 의하면, 유도식 전력 수신기가 제공되며, 상기 유도식 전력 수신기는,
전력 픽업 스테이지;
상기 전력 픽업 스테이지에 연결된 반-자율형 변환기; 및
상기 변환기에 연관된 적어도 하나의 제어 기기를 기반으로 하여 부하에 전달되는 전력을 조정하도록 구성된 제어기를 포함한다.
또 다른 한 실시 예에 의하면, 유도식 전력 수신기가 제공되며, 상기 유도식 전력 수신기는,
전력 픽업 스테이지;
부하에 전력을 공급하도록 상기 전력 픽업 스테이지에 연결된 자율형 변환기를 포함한다.
여기서 인정할 점은 다양한 권한의 범위에 따라 배타적 또는 포괄적 의미로 "(복수의 주체가) 포함한다", "(단수의 주체가) 포함한다", 및 "(구성요소들을) 포함하는"이라는 용어들이 한정될 수 있다는 점이다. 본원 명세서의 목적을 위해, 그리고 달리 언급되지 않는 한, 이러한 용어들은 포괄적인 의미가 있는 것으로 의도된다. 다시 말하면, 상기 용어들은 쓰임이 직접 인용되는 리스트 구성요소들의 포함과, 또 아마도 다른 지정되지 않은 구성요소들 또는 요소들의 포함을 의미하는 것으로 간주한다.
본원 명세서에서의 어떠한 문헌에 대한 인용도 그 문헌이 선행기술이거나 통상의 일반적 지식의 일부를 구성함을 인정하는 것이 아니다.
본원 명세서에 통합되어 본원 명세서의 일부를 구성하는 첨부도면들은 위에 제공한 발명의 전반적인 내용, 및 이하의 구체적인 내용과 함께 본 발명의 원리들을 설명하는데 도움이 된다.
도 1은 유도식 전련 전송 시스템의 블록도이다.
도 2는 수신기의 블록도이다.
도 3은 변환기의 한 대표적인 회로이다.
도 4는 게이트 제어기의 블록도이다.
도 5는 회로에 대한 스위칭 타이밍들의 그래프이다.
도 6은 다른 한 대표적인 변환기의 회로이다.
도 7은 게이트 제어기의 블록도이다.
도 8은 피드백 제어기의 회로이다.
도 9는 피드백 제어기의 회로이다.
도 1에는 전반적으로 유도식 전력 전송(inductive power transfer; IPT) 시스템이 도시되어 있다. 상기 IPT 시스템은 유도식 전력 송신기(2) 및 유도식 전력 수신기(3)를 포함한다. 상기 유도식 전력 송신기(2)는 (메인 전원 또는 배터리와 같은) 적절한 전력 공급원(4)에 연결되어 있다. 상기 유도식 전력 송신기(2)는 (사용된 타입의 전력 공급원에 의존하여) 변환기(5), 예컨대 AC-DC 변환기 및 (존재한다면) 상기 변환기(5)에 연결된 인버터(6)를 지니는 송신기 회로를 포함할 수 있다. 상기 인버터(6)는 송신측 코일 또는 코일들(7)에 AC 신호를 공급하여 상기 송신측 코일 또는 코일들(7)이 교류 자기장 필드를 생성하게 한다. 일부 구성들에서, 상기 송신측 코일 또는 코일들(7)은 또한 상기 인버터(6)로부터 분리되어 있는 것으로 간주할 수 있다. 상기 송신측 코일 또는 코일들(7)은 공진 회로를 생성하도록 적합한 커패시터들(도시되지 않음)을 병렬로나 직렬로 연결될 수 있다.
제어기(8)는 상기 유도식 전력 송신기(2)의 각각의 부품에 연결될 수 있다. 상기 제어기(8)는 상기 유도식 전력 송신기(2)의 각각의 부품으로부터의 입력들을 수신하고 각각의 부품의 동작을 제어하는 출력들을 생성할 수 있다. 상기 제어기(8)는 단일 유닛 또는 개별 유닛들로서 구현될 수 있으며, 예를 들면 전력류(power flow), 튜닝, 송신측 코일 또는 코일들(7)에의 선택 가능한 에너지 공급, 유도식 전력 수신기 검출 및/또는 통신을 포함하는 자신의 기능들에 따라 상기 유도식 전력 송신기(2)의 다양한 실시형태들을 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 유도식 전력 수신기(3)는 전력 픽업(pick-up) 스테이지(9)를 포함하며, 상기 전력 픽업 스테이지(9)는 전력 조절 회로(10)에 연결되어 있고 상기 전력 조절 회로(10)는 부하(11)에 차례로 전력을 공급한다. 상기 전력 픽업 스테이지(9)는 전력 수신측 코일 또는 코일들을 포함한다. 상기 유도식 전력 송신기(2) 및 상기 유도식 전력 송신기(3)의 상기 코일들이 적합하게 커플링될 경우, 상기 송신측 코일 또는 코일들(7)에 의해 생성된 교류 자기장 필드는 상기 수신측 코일 또는 코일들에 교류 전류를 유도한다. 상기 수신측 코일 또는 코일들은 공진 회로를 생성하도록 인덕터-커패시터-인덕터와 같은 병렬, 직렬 또는 다른 어떤 조합으로 커패시터들 및 추가 인덕터들(도시되지 않음)에 연결되어 있을 수 있다. 일부 유도식 전력 수신기들에서, 상기 수신기는, 상기 수신측 코일 또는 코일들의 튜닝, 상기 전력 조절 회로(10)의 동작, 상기 부하(11)의 특성들 및/또는 통신들을 제어할 수 있는 제어기(12)를 포함할 수 있다. 상기 제어기(12)는 하나 이상의 유닛들/구성요소들을 지닐 수 있고, 마이크로제어기, PID, FPGA, CPLD, ASIC 등등과 같은 제어기일 수 있다. 더욱이, 전체 무선 수신기 회로의 중요 부분들을 통합하여 단일의 집적회로로 이루는 것이 가능할 수 있다.
용어 "코일"은 전류가 자기장 필드를 발생시키는 전기 도전성 구조를 포함할 수 있다. 예를 들면, 유도성 "코일들"은 3차원 형상들 또는 2차원 평면 형상들의 전기 도전성 와이어, 인쇄 회로 기판(printed circuit board; PCB) 기법들을 사용하여 복수 개의 PCB '층들' 위의 3차원 형상들, 및 다른 코일류 형상들로 제조된 전기 도전성 재료일 수 있다. 애플리케이션에 따라 다른 구성들이 사용될 수 있다. 단수 또는 복수로 용어 "코일"을 사용하는 것은 이러한 의미에서 제한적임을 의미하는 것이 아니다.
송신측 코일 또는 코일들(7)에 의해 상기 전력 픽업 스테이지(9)에서 유도 된 전류는, 송신측 코일 또는 코일들(7)의 동작 주파수, 예를 들면 20 kHz, 수백 메가 헤르츠 이상일 수 있는, 송신측 코일 또는 코일들(7)의 동작 주파수에서 고주파 AC인 것이 전형적이다. 상기 전력 조절 회로(10)는 상기 유도된 전류를 부하(11)에 적합한 형태로 변환하도록 구성되고, 예를 들면 전력 정류, 전력 조정 또는 양자 모두의 조합을 수행 할 수 있다.
도 2는 한 대표적인 실시 예에 따른 유도식 전력 수신기의 블록도이다. 대표적인 유도식 전력 수신기(201)는 전력 정류 및 전력 조정의 조합 기능을 수행할 수있는 대표적인 전력 조절 회로(202)를 포함한다. 전력 픽업 스테이지(203)에 의해 생성된 AC 전압은 정류 스테이지(205)에 의해 DC 출력 커패시터(204) 양단에 걸리는 전압인 Vout으로 정류된다. 전력 픽업 스테이지(203)는 애플리케이션에 따라 병렬 튜닝된 공진 회로, LCL 회로 또는 다른 픽업일 수 있다.
상기 정류 스테이지(205)는 반-자율형일 수 있지만, 자율형 또는 비-자율형은 애플리케이션에 따라 사용될 수 있다. 본 설명에서, 용어 "자율형(autonomous)"은 능동 제어 또는 제어되는 회로 또는 기능과는 분리 및/또는 독립된 제어가 사용되지 않는 제어의 프로세스 또는 구성을 설명하는 데 사용되며; 이와는 반대로 용어 "비-자율형(non-autonomous)"은 단지 능동 제어 또는 제어되는 회로 또는 기능과는 분리 및/또는 독립된 제어만이 사용되는 제어의 프로세스 또는 구성을 설명하는 데 사용되고; 그럼으로써 용어 "반-자율형((semi-autonomous)"은 제어되는 회로 또는 기능에 자율형 제어 및 비-자율형 제어의 조합이 사용되는 제어의 프로세스 또는 구성을 설명하는 데 사용된다. 반-자율형 변환기는 푸시-풀, 플라이백, 풀 브리지 등등과 같은 다양한 토폴로지들을 포함할 수 있다. 반-자율 스위칭은 일반적으로 폐루프 피드백 제어에 의해 제공되고, 그럼으로써 스위칭 주파수는 ZVS를 유지하도록 공진 주파수의 드리프트들을 따르게 된다. 그러나 애플리케이션에 따라 부분적인 ZVS 또는 하드 스위칭을 위해 제어되는 변환기가 또한 사용될 수 있다. 하나 이상의 정류기 스위치들은 부하 전압의 조정 기능을 제공하도록 독립적으로 제어될 수 있다.
반-자율형 구성에서, 제어기(208)는 정류 제어 기기들의 일부에 능동 제어를 제공한다.
도 3은 한 대표적인 반-자율형 변환기(300)를 보여준다. 이 경우에, 스위치들(S2, S3, S4)의 게이트들은 자율적으로 동작되도록 공진 탱크에 연결되어 있고, 그럼으로써 S2, S3 및 S4의 동작이 인덕터(L2)와 커패시터(C2)에 의해 형성된 공진 탱크의 주파수를 따라 감에 따라 ZVS를 보장하게 된다. 그 반면에, 스위치(S1)는 네거티브 피드백을 사용하여 부하 전압을 조정하도록 제어기(208)에 의해 능동적으로 제어된다. 제어기(208)에 의해 채용되는 제어 방법은 각각의 2개의 스위치가 함께 대각선으로 동작하는 위상 시프트 제어를 기반으로 하여 이루어진다. 예를 들면, S1 및 S4는 함께 대각선으로 동작(예컨대, 턴온 및 턴오프)되고 마찬가지로 S3 및 S2는 함께 동작된다. 이를 위해 S2의 게이트는 S3와 비교하여 공진 탱크의 동일한 측에 연결되지만 S4와 비교하여 공진 탱크의 반대 측에 연결된다.
도 4는 S1의 게이트를 구동하기 위한 제어기(208)의 일 예를 보여준다. 비교기(402)는 출력 전압(Vout)을 원하는 전압(Vref)과 비교한다. PID 제어기는 오차 신호(Verr)로부터 DC 신호를 생성한다. 동시에, 비교기(404)는 공진 탱크의 일 측상의 전압(Va)을 타 측상의 전압(Vb)과 비교한다. 이는 동상을 이루도록 램프(ramp) 생성기를 동기화하는 데 사용되는 Va의 원래 위상을 제공한다. 최종 비교기(406)는 동상을 이루는 램프 신호를 DC 신호와 비교하여 S1에 대한 게이트 구동 신호를 제공한다.
제어기(208)의 동작은 도 5에 도시되어 있다. 위상 전압 오차 전압은 동상을 이루는 램프 신호와 비교된다. 이러한 비교는 S1에 대한 게이트 신호를 생성한다.
위에서 언급한 바와 같이, 다른 토폴로지가 적용 가능하다. 예를 들면, 도 6에는 변환기(600)가 도시되어 있으며, 상기 변환기(600)에서는 S3 및 S4가 자율적으로 스위칭하도록 연결되어 있는 반면에, S1 및 S2는 제어기(208)에 의해 능동적으로 제어되어 조정을 제공하게 된다.
도 7은 도 6의 변환기에 대한 제어기(208)의 일 예를 보여준다. 도 4와 마찬가지로, 2개의 비교기(702, 704)은 Verr 및 Va의 원래 위상을 제공한다. 제3 비교기(706)는 반대로 연결되어 있고 Vb의 원래 위상을 제공한다. 2개의 동상을 이루는 개별 램프는 S1 및 S2에 대한 게이트 구동 신호를 생성하기 위해 DC 신호로 각각 비교기들(708, 710)에 입력된다.
도 7의 제어기(208)에 대한 한 대표적인 회로 설계(800)가 도 8에 도시되어있다. 제로 전압 크로싱(zero voltage crossing) 검출기(802)는 동상을 이루는 전압 램프들(804)에 대한 위상 정보를 제공한다. 이러한 위상 정보는 게이트 구동 신호들(drv1, drv2)을 각각 S1 및 S2에 제공하도록 전압 오차 신호(806)와 비교된다.
이러한 형태의 반-자율형 변환기는 구성요소의 수를 줄이고, 크기를 줄이며, 효율을 높이고, 게이트 제어를 단순화하며, 그리고/또는 제어 알고리즘을 단순화한다.
다른 한 대표적인 예에서, 정류 스테이지(205)는 완전 자율형(fully autonomous)일 수 있다. 도 9는 완전 자율형 풀 브리지 변환기(900)의 일 예를 보여준다. 스위치들(S1-S4)의 게이트들은 회로의 다른 부품들을 사용하여 턴온 및 턴 오프된다. 턴온을 위해 S1-S4는 입력 커패시턴스를 충전하도록 저항(R1-R4)을 통해 DC 소스(VDC)에 연결된다. 턴오프는 클램핑 다이오드들(D1C1-D4C4)를 통해 게이트를 공진 탱크의 대응하는 측에 연결시킴으로써 이루어진다.
스위칭은 대각선으로 이루어지는데, 예컨대 S1 및 S4가 동시에 온되고(D1C1 및 D4C4가 V1에 연결되고) S2 및 S3도 동시에 온된다(D2C2 및 D3C3은 V2에 연결된다).
공진 탱크의 한 측상에 걸린 전압(V1)이 고레벨일 때, D1 및 D4는 역방향으로 바이어스된다. 따라서 S1 및 S4의 게이트들에 걸린 전압은 VDC를 통해 스위치온을 유지하도록 고레벨이다. V1이 저레벨로 되면 D1 과 D4가 순방향으로 바이어스되고 이는 S1 및 S4를 턴오프시킨다. 마찬가지지의 시나리오가 S2 및 S3에 대해 180도 위상 시프트로 이루어진다.
지금까지 본 발명이 본 발명의 실시 예들의 설명으로 예시되었고, 그리고 상기 실시 예들이 구체적으로 설명되었지만, 그러한 세부로 첨부된 청구항들의 범위를 제한하거나 어떤 방법으로든 한정하는 것은 본원 출원인의 의도가 아니다. 추가적인 이점들 및 변형들이 통상의 기술자에게 용이하게 나타나게 될 것이다. 그러므로 더 넓은 관점에서의 본 발명은 특정한 세부들, 대표적인 장치 및 방법, 그리고 도시되고 기재된 전형적인 예들에 한정되지 않는다. 따라서, 본원 출원인의 총괄적인 발명 개념의 정신 또는 범위를 벗어나지 않고 그러한 세부들로부터의 일탈(逸脫)들이 이루어질 수 있다.

Claims (15)

  1. 유도식 전력 수신기에 있어서,
    상기 유도 전력 수신기는,
    전력 픽업 스테이지;
    상기 전력 픽업 스테이지에 연결된 반-자율형 변환기; 및
    상기 변환기에 연관된 적어도 하나의 제어 기기를 기반으로 하여 부하에 전달되는 전력을 조정하도록 구성된 제어기;
    를 포함하는, 유도식 전력 수신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 픽업 스테이지는 공진형인, 유도식 전력 수신기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전력 픽업 스테이지는 병렬 튜닝된 수신측 코일인, 유도식 전력 수신기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 변환기에 연관된 상기 제어 기기들 중 3개의 제어 기기는 자율적으로 동작하도록 구성되는, 유도식 전력 수신기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 변환기에 연관된 상기 제어 기기들 중 2개의 제어 기기는 자율형으로 동작하도록 구성되는, 유도식 전력 수신기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 제어 기기는 상기 출력 전압을 조정하도록 피드백 루프를 기반으로 하여 제어되는, 유도식 전력 수신기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 피드백 루프는 출력 전압 오차에 대해 비교되는, 유도식 전력 수신기.
  8. 제5항에 있어서,
    제로 클로싱 검출기를 사용하여 램프(ramp)가 위상 동기되는, 유도식 전력 수신기.
  9. 유도식 전력 수신기에 있어서,
    상기 유도식 전력 수신기는,
    전력 픽업 스테이지; 및
    부하에 전력을 공급하도록 상기 전력 픽업 스테이지에 연결된 자율형 변환기;
    를 포함하는, 유도식 전력 수신기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전력 픽업 스테이지는 공진형인, 유도식 전력 수신기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전력 픽업 스테이지는 병렬 튜닝된 수신측 코일인, 유도식 전력 수신기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 변환기는 4개의 스위치를 포함하는 완전 자율형 풀 브리지 변환기를 포함하는, 유도식 전력 수신기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 유도식 전력 수신기는,
    각각의 스위치를 위해 턴온 회로 및 턴오프 회로를 더 포함하는, 유도식 전력 수신기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 턴오프 회로는 상기 전력 픽업 스테이지의 반대 측에 연결된 클램핑 다이오드를 포함하는, 유도식 전력 수신기.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 턴온 회로는 대응하는 저항기를 통해 각각의 스위치 게이트에 연결되도록 구성된 DC 공급원을 포함하는, 유도식 전력 수신기.
KR1020177029348A 2015-03-13 2016-03-09 유도식 전력 수신기 KR20170125101A (ko)

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