KR20180032927A - 무선 전력 송신 장치 - Google Patents

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KR20180032927A
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Abstract

본 발명의 실시예에 따르면, 무선 전력 송신 장치가 공개된다. 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 전원을 입력하고, 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화하는 송전 전류를 출력하는 전류 조정부, 및 상기 송전 전류를 입력하고, 상기 송전 주파수에 따라 전력을 무선으로 송신하는 송전부를 포함한다.

Description

무선 전력 송신 장치{Wireless Power Transmitter}
본 출원은 무선 전력 수신 장치로 전력을 무선으로 송신하는 무선 전력 송신 장치에 관한 것이다.
코일을 통하여 전력을 무선으로 송신하고, 무선으로 송신된 전력을 수신하는 무선 전력 전송 (Wireless power transfer) 기술은 스마트폰을 비롯한 다양한 통신 기기 및 여러 가지 가전 기기의 충전기 분야에 폭넓게 적용되고 있으며, 향후 전기 자동차 등에도 적용될 수 있는 등, 그 활용분야가 매우 넓은 기술이다. 무선 전력 전송 기술 분야에서는 충전 효율을 높이고, 제조 원가는 감소시키기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다.
대한민국 공개특허공보 제2014-0040570호
본 발명의 실시예에 따르면, 충전 효율은 높이고 제조 원가는 절감할 수 있는 무선 전력 송신 장치가 제공된다.
본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 전류 조정부 및 송전부를 포함한다.
상기 전류 조정부는 전원을 입력하고, 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화하는 송전 전류를 출력할 수 있다.
또는, 상기 전류 조정부는 전원이 입력되는 단자와 상기 송전부 사이에 연결되고, 송전 주파수에 따라 임피던스가 주기적으로 변화할 수 있다.
또는, 상기 전류 조정부는 직류 전원 전압이 인가되는 단자와 연결되며, 임피던스가 가변될 수 있다.
상기 송전부는 송전 전류를 입력할 수 있고, 송전 주파수에 따라 전력을 무선으로 송신할 수 있다.
또는, 상기 송전부는 상기 전류 조정부와 직렬로 연결되어 상기 전류 조정부를 통해 흐르는 송전 전류가 흐르는 송전 코일을 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 충전 효율은 높이면서 제조 원가는 절감시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 무선으로 송신되는 전력의 송전 주파수를 보다 용이하게 가변할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 실시예의 블록도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 전류 조정부의 일실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 도 2에 나타낸 전류 조정부의 제어전압 발생부의 실시예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 도 1에 나타낸 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 전류 조정부의 일실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 도 1에 나타낸 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 전류 조정부의 일실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 도 5에 나타낸 전류 조정부의 임피던스 제어부의 실시예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7는 도 5 및 도 6에 나타낸 전류 조정부의 일실시예의 동작을 설명하기 위한 신호 파형도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 실시예의 블록도를 개략적으로 나타낸 것으로서, 본 발명의 무선 전력 송신 장치는 전류 조정부(100) 및 송전부(200)를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 무선 전력 송신 장치는 전원부(300)를 추가적으로 포함할 수도 있다.
전류 조정부(100)는 시간에 따라 임피던스가 변화함으로써, 송전부(200)로 유입되는 송전 전류(i_c)의 크기를 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 전류 조정부(100)는 임피던스가 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화함으로써, 송전부(200)로 송전 전류(i_c)의 크기를 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화시킬 수 있다. 전류 조정부(100)의 변화하는 임피던스는 저항값, 인덕턴스, 또는 저항값과 인덕턴스의 결합일 수 있다. 전류 조정부(100)로 입력되는 전원 전압(Vs)은 임의의 값을 가질 수 있다. 즉, 전류 조정부(100)는 입력되는 전원 전압(Vs)의 크기에 상관없이 필요한 크기와 주파수를 가지는 송전 전류(i_c)가 송전부(200)로 입력되도록 할 수 있다. 상기 송전 전류(i_c)는 임의의 직류 오프셋(DC offset)을 가질 수 있으며, 정현파 형태, 계단파 형태, 또는 기타 다양한 형태의 파형을 가질 수 있다.
송전부(200)는 송전 전류(i_c)를 입력받고, 전력을 무선으로 송신할 수 있다. 예를 들면, 송신 주파수를 가지는 송전 전류(i_c)가 송전부(200)로 입력되면, 송전부(200)는 송신 주파수에 따라 전력을 무선으로 송신할 수 있다. 즉, 무선으로 송신되는 전력의 주파수가 송신 주파수일 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 송전부(200)는 송전 커패시터를 포함하지 않을 수 있다. 즉, 송전부(200)는 송전 코일(L_TX) 만으로 구현될 수 있다.
전원부(300)는 전원 전압(Vs)을 전류 조정부(100)로 공급한다. 전원 전압(Vs)은 임의의 크기를 가지는 직류 전압일 수 있다. 즉, 전원부(300)는 외부로부터 입력되는 교류 전압을 전원 전압(Vs)으로 변환하여 출력하는 어댑터일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 전류 조정부(100)에 의해 송전 코일(L_TX)을 통해 흐르는 송전 전류(i_c)의 크기가 직접 조정될 수 있다. 따라서, 송전부(200)는 송전 커패시터 또는 공진 커패시터 없이 구현될 수 있다. 또한, 전원부(300)로 공급되는 전원 전압(Vs)의 크기에 상관없이 적절한 송전 전류(i_c)를 송전 코일(L_TX)로 공급할 수 있다. 즉, 전원부(300)는 직류-직류 변환기(DC-DC converter) 없이 구현될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 경우, 전류 조정부(100)의 임피던스 조정 만으로 송전 전류(i_c)의 크기를 제어할 수 있어, 무선 전력 송신 장치의 제어가 단순해질 수 있다. 즉, 무선 전력 송신 장치는 무선으로 송신되는 전력의 송전 주파수를 가변하여야 할 경우가 많이 있으며, 상기 송전 주파수는 송전 코일(L_TX)을 통해 흐르는 송전 전류(i_c)의 주파수에 의해 결정된다. 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 경우, 송전 코일(L_TX)을 통해 흐르는 송전 전류는 전류 조정부(100)를 통해 흐르는 전류와 실질적으로 동일하며, 전류 조정부(100)를 통해 흐르는 전류는 임피던스의 조정 만으로 간단히 조정된다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 경우, 전류 조정부(100)의 임피던스 조정 만으로 송전 주파수가 가변될 수 있어 제어가 단순해질 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치가 전원부 없이 구현될 경우, 무선 전력 송신 장치는 어댑터와 연결되어 전력을 무선으로 송신할 수 있다. 이때, 무선 전력 송신 장치는 연결되는 어댑터의 출력 전압에 상관없이 전력을 무선으로 송신할 수 있다.
도 2는 도 1에 나타낸 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 전류 조정부의 일실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 것으로서, 전류 조정부(101)는 가변 인덕터(111) 및 제어전압 발생부(121)를 포함할 수 있다.
가변 인덕터(111)는 송전 코일(L_TX)과 직렬로 연결될 수 있으며, 제어 전압(V_c)에 따라 인덕턴스가 가변될 수 있다. 제어 전압(V_c)은 인덕터 코어에 커플된 2차 권선에 인가될 수 있다. 즉, 가변 인덕터는 인덕터 코어에 권선된 1차 권선과 인덕터 코어에 커플된 2차 권선을 포함할 수 있다. 이 경우, 2차 권선에는 제어 전압(V_c)이 인가될 수 있다. 또한, 1차 권선은 송전 코일(L_TX)과 직렬로 연결될 수 있고, 1차 권선의 인덕턴스는 2차 권선에 인가되는 제어 전압에 따라 결정될 수 있다.
제어전압 발생부(121)는 시간에 따라 변화하는 제어 전압(V_c)을 출력한다. 제어 전압(V_c)은 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화할 수 있다. 이에 따라, 가변 인덕터(111)의 인덕턴스도 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화할 수 있고, 또한 송전 전류(i_c)의 크기도 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화할 수 있다.
결과적으로, 송전 코일(L_TX)에 의해 송전 주파수를 가지는 무선 전력이 송신될 수 있다.
도시하지는 않았지만, 도 2에 나타낸 전류 조정부(101)는 송전 전류(i_c)의 크기를 제한하기 위해, 가변 인덕터(111)와 직렬로 연결된 저항을 추가적으로 구비할 수도 있다.
도 3은 도 2에 나타낸 전류 조정부의 제어전압 발생부의 실시예를 개략적으로 나타낸 것으로서, 제어전압 발생부(121)는 복수개의 저항들(R1, R2, R3)과 스위치부(131)을 포함할 수 있다.
복수개의 저항들(R1, R2, R3)은 전원 전압(Vs)이 인가되는 단자와 접지 단자 사이에 직렬로 연결될 수 있다.
스위치부(131)는 복수개의 저항들(R1, R2, R3) 사이의 노드들 중 하나를 제어전압 발생부(121)의 출력 단자와 연결함으로써, 복수개의 저항들(R1, R2, R3) 사이의 노드들 중 하나와 접지 단자 사이의 전압을 제어 전압(V_c)으로 출력할 수 있다.
도 3에는 제어전압 발생부(121)가 3개의 저항들(R1, R2, R3)을 포함하는 경우를 도시하였으나, 저항들의 개수는 필요에 따라 정해질 수 있다.
즉, 도 1 내지 도 3에 나타낸 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 인덕턴스를 주기적으로 변화시킴으로써 송전 코일(L_TX)를 통해 흐르는 송전 전류(i_c)의 크기를 주기적으로 변화시킬 수 있다. 이때, 송전 전류(i_c)의 주파수는 인덕턴스가 변화하는 주파수에 의해 결정될 수 있다.
도 4는 도 1에 나타낸 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 전류 조정부의 일실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 것으로서, 전류 조정부(102)는 가변 저항(112) 및 저항 제어부(122)를 포함할 수 있다.
가변 저항(112)은 송전 코일(L_TX)와 직렬로 연결되며, 제어 신호(con)에 따라 저항값이 가변된다.
저항 제어부(122)는 상기 제어 신호를 출력한다. 제어 신호는 임의의 전압 또는 전류를 가지는 아날로그 신호일 수도 있고, 임의의 비트들로 구성된 디지털 신호일 수도 있다.
즉, 도 1 및 도 5에 나타낸 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 저항의 크기를 주기적으로 변화시킴으로써, 송전 코일(L_TX)를 통해 흐르는 송전 전류(i_c)의 크기를 주기적으로 변화시킬 수 있다. 이때, 송전 전류(i_c)의 주파수는 저항의 크기가 변화하는 주파수에 의해 결정될 수 있다.
도 5는 도 1에 나타낸 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치의 전류 조정부의 일실시예의 구성을 개략적으로 나타낸 것으로서, 전류 조정부(103)는 가변 임피던스부(113) 및 임피던스 제어부(123)를 포함할 수 있다.
가변 임피던스부(113)는 송전 코일(L_TX)과 직렬로 연결되며, 제어 신호들(c1, c2, c3)에 응답하여 임피던스가 변화한다. 가변 임피던스부(103)는 복수개의 임피던스 소자들(Z1, Z2, Z3, Z4)과 복수개의 스위칭 소자들(S1, S2, S3)을 포함할 수 있다.
복수개의 임피던스 소자들(Z1, Z2, Z3) 각각과 복수개의 스위칭 소자들(S1, S2, S3) 각각은 전원 전압(Vs)이 인가되는 단자와 송전 코일(L_TX) 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 임피던스 소자(Z4)는 전원 전압(Vs)이 인가되는 단자와 송전 코일(L_TX) 사이에 연결될 수 있다.
복수개의 임피던스 소자들(Z1, Z2, Z3, Z4) 각각은 저항, 인덕터, 또는 저항과 인덕터의 결합으로 구현될 수 있다. 도 2에서 설명한 바와 같이, 복수개의 임피던스 소자들(Z1, Z2, Z3, Z4) 각각이 인덕터 만으로 구현되는 경우, 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송신 장치는 송전 전류(i_c)의 크기를 제한하기 위해 가변 임피던스부(113)와 직렬로 연결되는 저항을 추가적으로 포함할 수 있다.
복수개의 스위칭 소자들(S1, S2, S3) 각각은 제어 신호들(c1, c2, c3) 각각에 응답하여 온 오프될 수 있다.
임피던스 제어부(123)는 제어 신호들(c1, c2, c3)을 출력할 수 있다.
도 6은 도 5에 나타낸 전류 조정부의 임피던스 제어부의 실시예를 개략적으로 나타낸 것으로서, 임피던스 제어부(123)는 복수개의 비교기들(1231, 1232, 1233) 및 기준전압 발생기(1234)를 포함할 수 있다.
기준전압 발생기(1234)는 크기가 주기적으로 변화하는 기준 전압(v_ref)을 출력한다. 기준 전압(v_ref)은 항상 양의 값을 가질 수 있다. 또한, 기준 전압(v_ref)은 정현파 형태이거나 삼각파 형태일 수 있다. 상기 기준 전압(v_ref)의 주파수에 의해 송전 전류(i_c)의 주파수가 결정될 수 있으며, 송전 전류(i_c)의 주파수에 의해 무선으로 송신되는 전력의 주파수가 결정될 수 있다.
제1 비교기(1231)는 기준 전압(v_ref)과 제1 전압(V1)을 비교하여 제1 제어 신호(c1)를 출력한다. 제2 비교기(1232)는 기준 전압(v_ref)과 제2 전압(V2)을 비교하여 제2 제어 신호(c2)를 출력한다. 제3 비교기(1233)는 기준 전압(v_ref)과 제3 전압(V3)을 비교하여 제3 제어 신호(c3)를 출력한다. 제2 전압(V2)은 제1 전압(V1)보다 크고, 제3 전압(V3)은 제2 전압(V2)보다 클 수 있다.
도 7는 도 5 및 도 6에 나타낸 전류 조정부의 일실시예의 동작을 설명하기 위한 신호 파형도이다.
예를 들어, 임피던스 소자들(Z1, Z2, Z3, Z4)의 임피던스가 모두 동일한 값(z)이고, 순수한 저항 또는 인덕터라면, t1 구간에서 가변 임피던스부의 임피던스는 z이고, t2 구간에서 가변 임피던스부의 임피던스는 z/2이고, t3 구간에서 가변 임피던스부의 임피던스는 z/3이고, t4 구간에서 가변 임피던스부의 임피던스는 z/4이고, t5 구간에서 가변 임피던스부의 임피던스는 z/3이고, t6 구간에서 가변 임피던스부의 임피던스는 z/2이고, t7 구간에서 가변 임피던스부의 임피던스는 z이다.
이에 따라, 송전 전류(i_c)의 크기도 주기적으로 변화하게 된다.
도 6 및 도 7에서는 도 5의 무선 전력 송신 장치의 가변 임피던스부(113)의 임피던스 소자들(Z1, Z2, Z3, Z4)의 임피던스가 동일한 경우를 예를 들어 설명하고 있으나, 임피던스 소자들(Z1, Z2, Z3, Z4) 각각의 값은 상이할 수 있다. 또한, 임피던스 소자들(Z1, Z2, Z3, Z4)의 임피던스 값에 따라, 임피던스 제어부(123)도 다양한 구성을 가질 수 있으며, 따라서 제어 신호들(c1, c2, c3)도 도 7과 상이한 신호가 출력될 수 있다. 즉, 송전 전류(i_c)가 적절한 송전 주파수와 크기를 가지도록 하기 위해 임피던스 소자들(Z1, Z2, Z3, Z4)의 임피던스 값은 다양하게 설정될 수 있으며, 제어 신호들(c1, c2, c3) 또한 다양하게 출력될 수 있다. 이때, 상기 제어 신호들(c1, c2, c3) 각각은 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화할 수 있다.
또한, 도 5에는 가변 임피던스부(113)가 4개의 임피던스 소자들을 포함하는 경우를 도시하였으나, 임피던스 소자들의 개수는 필요에 따라 증가하거나 감소할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100, 101, 102, 103 : 전류 조정부
200 : 송전부 300 : 전원부

Claims (14)

  1. 전원을 입력하고, 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화하는 송전 전류를 출력하는 전류 조정부; 및
    상기 송전 전류를 입력하고, 상기 송전 주파수에 따라 전력을 무선으로 송신하는 송전부를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 조정부는
    상기 송전부와 직렬로 연결되며, 임피던스가 상기 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화하는 가변 임피던스부를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전류 조정부는
    상기 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화하는 제어 전압을 출력하는 제어전압 발생부; 및
    상기 송전부와 직렬로 연결되고, 상기 제어 전압에 따라 인턱턴스가 가변되는 가변 인덕터를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전류 조정부는
    상기 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화하는 제어 신호를 출력하는 저항 제어부; 및
    상기 송전부와 직렬로 연결되고, 상기 제어 신호에 따라 저항값이 가변되는 가변 저항을 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전류 조정부는
    일단이 상기 전원이 입력되는 단자와 연결된 복수개의 임피던스 소자들;
    상기 복수개의 임피던스 소자들 각각의 타단과 상기 송전부 사이에 연결된 복수개의 스위칭 소자들; 및
    상기 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화하는 복수개의 제어 신호들 각각을 상기 복수개의 스위칭 소자들 각각으로 출력하는 제어부를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화하는 기준 신호를 출력하는 기준 신호 발생부; 및
    상기 기준 신호의 전압과 비교 전압을 비교하여 상기 복수개의 제어 신호들 중 대응하는 제어 신호를 각각 출력하는 복수개의 제어 신호 발생부들을 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 무선 전력 송신 장치는
    직류 전원 전압을 상기 전원으로 출력하는 전원부를 더 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  8. 송전 주파수에 따라 전력을 무선으로 송신하는 송전부; 및
    전원이 입력되는 단자와 상기 송전부 사이에 연결되고, 상기 송전 주파수에 따라 임피던스가 주기적으로 변화하는 전류 조정부를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전류 조정부는
    상기 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화하는 제어 전압을 출력하는 제어전압 발생부; 및
    상기 송전부와 직렬로 연결되고, 상기 제어 전압에 따라 인턱턴스가 가변되는 가변 인덕터를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 전류 조정부는
    상기 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화하는 제어 신호를 출력하는 저항 제어부; 및
    상기 송전부와 직렬로 연결되고, 상기 제어 신호에 따라 저항값이 가변되는 가변 저항을 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  11. 제8항에 있어서, 상기 전류 조정부는
    일단이 상기 전원이 입력되는 단자와 연결된 복수개의 임피던스 소자들;
    상기 복수개의 임피던스 소자들 각각의 타단과 상기 송전부 사이에 연결된 복수개의 스위칭 소자들; 및
    상기 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화하는 복수개의 제어 신호들 각각을 상기 복수개의 스위칭 소자들 각각으로 출력하는 제어부를 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  12. 직류 전원 전압이 인가되는 단자와 연결되며, 임피던스가 가변되는 전류 조정부;
    상기 전류 조정부와 직렬로 연결되어 상기 전류 조정부를 통해 흐르는 송전 전류가 흐르는 송전 코일을 포함하는 무선 전력 송신 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전류 조정부는
    임피던스가 송전 주파수에 따라 주기적으로 변화하고,
    상기 송전 코일은 상기 송전 주파수에 따라 전력을 무선으로 송신하는 무선 전력 송신 장치.
  14. 제12항에 있어서, 상기 무선 전력 송신 장치는
    교류 전원 전압을 상기 직류 전원 전압으로 변환하여 출력하는 전원부를 더 포함하는 무선 전력 송신 장치.
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