KR20220085669A - 무선전력전송을 위한 적응형 임피던스 매칭 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 자기공진방식을 이용한 무선 충전의 경우 TX/RX 코일간의 거리 및 위치에 따른 적절한 임피던스 매칭을 위해, 피드백 루프를 이용하여 위치나 거리 변화에 따라 즉각적인 임피던스 매칭이 가능하여 최대 전송효율을 낼 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 한 실시예에 따르면, 송신기와 수신기 간의 에너지 전송을 위한 임피던스 매칭 장치로서, 전압제어 가변 정전용량 소자가 포함된 임피던스 조절부; 임피던스 매칭이 안 되어 있을 때 상기 송신기 또는 수신기로 들어온 반사신호의 크기를 측정하기 위해 반사신호를 검출하여 DC신호로 변환하는 전력검출기; 상기 DC신호를 주기신호와 곱하는 곱셈기; 상기 DC신호와 주기신호가 곱해진 신호를 누적하여 더하는 적분기; 상기 적분기에서 출력된 신호를 기준전압과 합산하여 상기 전압제어 가변 정전용량 소자에 인가될 정전용량 제어 전압을 산출하는 전압합산기를 포함하며, 상기 임피던스 조절부는 상기 전압합산기에서 산출된 정전용량 제어 전압에 의해 상기 전압제어 가변 정전용량 소자의 정전용량이 변화되어 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 장치가 제공된다.

Description

무선전력전송을 위한 적응형 임피던스 매칭 장치 및 방법 {Adaptive impedance matching apparatus and method for wireless power transfer}

본 발명은 자기공진방식을 이용한 무선전력전송 또는 무선충전 기술, 그리고 TX/RX 코일간의 임피던스 매칭 기술에 관한 것이다.

무선전력전송 또는 무선충전 방식 중 하나인 자기공진 방식은 도 1과 같이 송신기(TX)/수신기(RX) 코일간의 이격된 상황에서 에너지를 송수신하는 기술이다.

무선충전의 핵심요소인 전송 효율의 경우 TX/RX 코일간의 위치나 거리에 따라 천차만별로 다르며, 최대의 전송효율을 내기 위해서는 임피던스 매칭이 필요하다. 다만, 거리나 위치에 따라 적절한 임피던스 매칭을 하는 것은 어려운 일이다.

따라서 TX/RX 코일간의 위치나 거리에 따른 임피던스 매칭을 위한 매칭회로 또는 네트워크(maching network)가 필요하다. 종래의 매칭네트워크에서는 수동 소자를 사용해 위치나 거리에 따라 매칭을 하거나, 바랙터 다이오드(varactor diode) 등의 가변 정전용량 소자를 이용하여 위치나 거리 상황에 따라 전압을 조절하여 매칭을 한다.

그러나 수동 소자를 사용할 경우 소자의 값이 고정되어 있기 때문에 상황에 맞는 매칭을 하는 데 한계가 있다. 또한 바랙터 다이오드를 이용할 경우 전압을 변경하여 각 상황에 맞게 매칭은 가능하나, 최적의 전송 효율 여부가 확실치 않으며 제어 전압을 수동으로 변화시켜야 하는 한계가 있다. 또한 바랙터 다이오드의 최적 전압을 소프트웨어 로직으로 찾는 방식도 존재하나, 각 위치나 거리에 따른 보정(calibration) 작업이 필요하여 최적의 전압을 찾는 데 걸리는 시간 소요가 크다는 한계가 있다.

위에서 서술한 것과 같이, 자기공진방식을 이용한 무선 충전의 경우 TX/RX 코일간의 거리에 따라 적절한 임피던스 매칭이 필요하다. 하지만 종래의 임피던스 매칭 방식의 경우 TX/RX 코일간 거리나 위치 변화에 따른 대응에 한계가 있다. 특히 자기공진방식의 응용분야 중 하나인 전기자동차 무선충전의 경우 수신단 역할인 자동차의 위치를 특정할 수 없으며 빠른 시간 내에 충전을 해야 하기 때문에 즉각적이고 최대전송효율을 내는 임피던스 매칭이 필요하다는 과제를 해결해야 한다.

따라서 본 발명의 목적은 상기 과제위치나 거리 변화에 대응하여 최대 전송효율을 낼 수 있는 임피던스 매칭 방법을 제안하는 것이다.

상기 과제의 해결을 위하여 본 발명은, 피드백 루프를 이용하여 위치나 거리 변화에 따라 즉각적인 임피던스 매칭이 가능하여 최대 전송효율을 낼 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.

구체적으로 본 발명의 한 특징에 따르면, 송신기와 수신기 간의 에너지 전송을 위한 임피던스 매칭 장치로서, 전압제어 가변 정전용량 소자가 포함된 임피던스 조절부; 임피던스 매칭이 안 되어 있을 때 상기 송신기 또는 수신기로 들어온 반사신호의 크기를 측정하기 위해 반사신호를 검출하여 DC신호로 변환하는 전력검출기; 상기 DC신호를 주기신호와 곱하는 곱셈기; 상기 DC신호와 주기신호가 곱해진 신호를 누적하여 더하는 적분기; 상기 적분기에서 출력된 신호를 기준전압과 합산하여 상기 전압제어 가변 정전용량 소자에 인가될 정전용량 제어 전압을 산출하는 전압합산기를 포함하며, 상기 임피던스 조절부는 상기 전압합산기에서 산출된 정전용량 제어 전압에 의해 상기 전압제어 가변 정전용량 소자의 정전용량이 변화되어 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 장치가 제공된다. 여기서 상기 임피던스 조절부의 전압제어 가변 정전용량 소자는 바랙터 다이오드일 수 있다.

또한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 송신기와 수신기 간의 에너지 전송을 위한 임피던스 매칭 방법으로서, 임피던스 매칭이 안 되어 있을 때 상기 송신기 또는 수신기로 들어온 반사신호의 크기를 측정하기 위해 반사신호를 검출하여 DC신호로 변환하는 단계; 상기 DC신호를 주기신호와 곱하는 단계; 상기 주기신호와 곱해진 신호를 누적하여 더하는 단계; 상기 누적하여 더해진 신호를 기준전압과 합산하여 임피던스 조절용 제어 전압을 산출하는 단계; 상기 산출된 임피던스 조절용 제어 전압을 이용하여 임피던스를 조절하되, 상기 반사신호가 생성되지 않을 때까지 상기 과정을 반복하는 단계를 포함하는 임피던스 매칭 방법이 제공된다.

본 발명의 구성 및 작용은 이후에 도면과 함께 설명하는 구체적인 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

-성능 향상 1 : 위치나 거리에 따라 적절한 임피던스 매칭을 통해 최대 전송효율 가능

-성능 향상 2 : 즉각적인 반응을 통한 시간 절감

-편의성 향상 : 최적의 전송 효율 및 시간 절감에 따른 무선충전시간 감소

도 1은 일반적인 자기공진 방식의 TX/RX 코일간의 에너지 전달 개념도
도 2는 본 발명에 따른 TX, RX 적응형 임피던스 매칭 회로도
도 3은 주기신호로 사용된 임펄스 신호의 예시도
도 4는 도 2의 회로 중 TX 코일에 대한 임피던스 매칭 회로도
도 5는 도 4의 회로를 간소화한 임피던스 매칭 회로도
도 6과 도 7은 본 발명에 따른 TX, RX 적응형 임피던스 매칭 장치의 작용 설명도

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 이하 첨부된 도면과 함께 상세하게 기술된 바람직한 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에 기술된 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다. 실시예는 단지 본 발명을 완전하게 개시하며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐, 본 발명은 청구항의 기재 내용에 의해 정의되는 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한 명세서에 사용된 '포함한다(comprise, comprising 등)'라는 용어는 언급된 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 의미로 사용된 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 실시예의 설명에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

거리나 위치에 따라 적절한 임피던스 매칭을 하는 것은 어려운 일이며, 이에 대한 개선을 위해 도 2의 적응형 임피던스 매칭 회로를 제시한다. 도 2의 설명을 간소화하기 위해 TX 코일에 대한 매칭 회로도인 도 4을 참조하여 신호 흐름의 원리를 설명한다. RX 코일에 대한 매칭 회로는 도 4의 회로도와 동일한 구성이므로 설명을 생략한다.

이해를 돕기 위해 도 4에서 사용되는 주기신호(Ps, Periodic signal)는 도 3과 같이 (+), (-)의 임펄스(impulse) 주기신호를 이용하는 것으로 가정한다(주기신호의 주기는 nsec 단위이다). 그리고 Vref1, Vref2는 초기 시작전압을 의미한다.

도 4의 회로에서 점선 블록 '100'은 전압제어 가변 정전용량 소자(voltage-controlled variable capacitance device)와 인덕터를 이용한 임피던스 조절 회로이다. 도 4는, 이 임피던스 조절 회로(100)에 인덕터(Inductor)와 가변 정전용량 소자인 바랙터 다이오드(varactor diode)(Vd)가 사용되었으며 2개의 바랙터 다이오드(Vd)와 1개의 인덕터(Inductor)로 임피던스 조절 회로(100)를 구성한 것을 나타낸다.

이하에서는 이해를 돕기 위해 도 5와 같이 더 간략화한 1개의 바랙터 다이오드와 1개의 인덕터로 구성된 임피던스 조절 회로(100')에 대해서 발명의 실시예를 설명한다.

① 코일을 통해 신호 송수신 시에 임피던스 매칭이 안 되어 있을 경우 커플러(Coupler)를 통해 반사신호(miss-matching signal)가 커플링되어 들어온다. 이 때의 반사신호는 AC 신호이다.

② 반사신호(AC signal)는 전력검출기(Pd, Power detector)를 통해서 검출되어 DC신호로 변환된다(이후에 반사신호의 크기를 측정하기 위함이다).

③ 변환된 DC신호는 증폭기(Amp)를 통해 증폭된다(임피던스가 miss-matching시라도 신호의 크기가 작기 때문에 증폭기를 이용해 신호를 키우는 것임).

④ 증폭된 DC신호를, 곱셈기(Multiplier)를 이용해 주기신호(Ps)와 곱해준다. 앞에서 가정한 것과 같이 본 실시예에서는 설명을 위해 Ps로 임펄스 신호를 사용하였지만, 실제 적용시에는 구형파(square wave)나 사인파(sine wave)라도 상관이 없다. 단, (+), (-) 듀레이션의 진폭(amplitude)이 동일해야 한다.

⑤ 곱해진 신호는 적분기(Integrator)에 의해서 이전 신호들이 계속 더해진다(적분기는 과거 신호의 합산을 수행함).

⑥ 적분기의 출력신호를 증폭기(Amp)로 증폭한다.

⑦ 증폭된 신호는 전압합산기(Voltage Summer)에 의해 기준전압, 즉, 시작전압(Vref)과 합산되어 바랙터 다이오드(Vd)의 정전용량 제어 전압으로서 산출된다.

⑧ 산출된 정전용량 제어 전압이 Vd에 인가되고 이 전압에 상응하여 Vd의 정전용량이 변화되어 임피던스 조절 회로(100')가 임피던스 조절 작용을 하게 된다. 이상의 피드백 루프는 TX(또는 RX)의 포트에서 반사 신호가 생성되지 않을 때까지(즉, 최적의 정전용량 제어 전압을 찾을 때까지) 반복 실행된다.

상기 피드백 루프는 주기신호(Ps)의 주기에 따라 다양한 양태로 실행된다. 이에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 6과 도 7은 도 5의 회로가 주기신호에 따라 어떠한 양태로 임피던스 매칭을 수행하는지를 설명하기 위한 반사계수 그래프(reflection coefficient graph)이다.

도 6에서, 초기 Vref 전압이 바랙터 다이오드에 정전용량 제어 전압으로 인가되고 있고 해당 임피던스 매칭이 완전한 매칭이 아닐 경우에 S11'이라는 반사신호가 생성된다. S11' 반사신호는 전압 V(S11')으로 변환되고 이 전압은 주기신호 Ps의 (+1) 듀레이션의 진폭값과 곱해진 후 전압합산기(Voltage Summer)에 의해 vref와 더해진 Vref+V(S11')이 바랙터 다이오드에 정전용량 제어 전압으로서 인가된다. 그 후 다시 S11" 반사신호가 생성되고, 이는 Ps의 (-1) 듀레이션의 진폭값과 곱해지고 Vref와 더해지게 되어 Vref+V(S11')-V(S11")이 된다. 이때 S11'>S11"이기 때문에 초기 반사신호의 전압보다 후속 반사신호의 양이 적게 변화하여 변화량이 계속 감소하게 되어 최종적으로 반사신호 변화량이 0에 가까워져 임피던스 매칭이 완료된다. 즉, 도 6의 그래프에 표시한 1→2→3→...의 순서로 반사신호의 크기가 감소된다.

도 7에 나타낸 경우는 도 6의 경우와 다른 양태로 임피던스 매칭이 이루어지는 경우이다. 임피던스 미스매칭에 의해 생성된 반사신호 S11'의 전압이 Ps의 (-1) 듀레이션 진폭값과 곱해진 후 Vref와 더해져 Vref-V(S11')이 되어 바랙터 다이오드에 정전용량 제어 전압으로 인가된다. 그 후 다시 S11" 반사신호가 생성되고 이로부터 검출된 전압은 (+1) 듀레이션의 진폭값과 곱해져서 Vref와 합산되어 Vref-V(S11')+V(S11")의 정전용량 제어 전압이 된다. 이때 S11'>S11"이기 때문에 초기 전압 변화량보다 적은 양이 변화하게 되며, 최종적으로는 반사량이 0에 가까워질 때까지 전압이 변화하게 된다. 이 경우에도 S11'>S11"이기 때문에 초기 반사신호의 전압보다 후속 반사신호의 양이 적게 변화하여 변화량이 계속 감소하게 되어 최종적으로 반사신호 변화량이 0에 가까워져 임피던스 매칭이 완료된다. 즉, 도 7의 그래프에 표시한 1→2→3→4→...의 순서로 반사신호의 크기가 감소된다.

이상에서 설명한 주기신호에 의한 임피던스 매칭 수행의 양태들은 임펄스 주기신호를 이용한 경우의 예시이며, 실제 주기신호의 경우는 연속된 신호이기 때문에 도 6, 7의 경우처럼 전압의 변화가 이산적(discrete)이지 않고 연속적이다. 이와 같은 실제 주기신호는 nsec 단위로 +, -로 가변하기 때문에 사실상 실시간 임피던스 매칭이 수행되는 것으로 간주할 수 있다.

다시 2개의 바랙터 다이오드와 1개의 인덕터로 임피던스 조절 회로(100)를 구성한 회로인 도 4를 참조하여 동작을 설명하면 다음과 같다. 이 경우는 2개의 바랙터 다이오드를 사용하여 도 5의 회로에 비해 더 넓은 영역에서의 임피던스 매칭이 가능하다. 전반적인 임피던스 매칭 작용은 도 5의 경우와 동일하므로 여기서는 간략하게 설명한다.

① 코일을 통해 신호 송수신 시에 임피던스 매칭이 안 되어 있을 경우 커플러(Coupler)를 통해 반사신호(miss-matching signal)가 커플링되어 들어온다. 이 때의 반사신호는 AC 신호이다.

② 반사신호(AC signal)는 전력검출기(Pd, Power detector)를 통해서 검출되어 DC신호로 변환된다(이후에 반사신호의 크기를 측정하기 위함이다).

③ 변환된 DC신호는 증폭기(Amp)를 통해 증폭된다(임피던스가 miss-matching시라도 신호의 크기가 작기 때문에 증폭기를 이용해 신호를 키우는 것임).

④ 변환된 DC신호를, 주기신호1과 곱셈기1(Multiplier 1)을 이용해 서로 곱해주고, 주기신호2와 곱셈기2(Multiplier 2)로 곱해준다.

⑤ 각 곱해진 신호를 각각 적분기1, 2(Integrator 1, 2)에 입력하여 이전 신호를 계속 더한다(적분기는 과거 신호의 합산을 수행함).

⑥ 적분기1, 2의 각 출력신호를 증폭기1, 2(Amp 1, 2)로 증폭한다.

⑦ 각 증폭된 신호와 기준전압1, 2(Vref1, Vref2)를 각각 전압합산기1, 2(Voltage Summer 1, 2)로 합산한다.

⑧ 합산된 각 전압을 바랙터 다이오드1, 2(Vd 1, 2)에 정전용량 제어 전압으로서 인가한다. 이상의 피드백 루프는 TX(또는 RX)의 포트에서 반사 신호가 생성되지 않을 때까지(즉, 최적의 정전용량 제어 전압을 찾을 때까지) 반복 실행된다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다. 또한 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술한 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (13)

1. 송신기와 수신기 간의 에너지 전송을 위한 임피던스 매칭 장치로서,
   전압제어 가변 정전용량 소자가 포함된 임피던스 조절부;
   임피던스 매칭이 안 되어 있을 때 상기 송신기 또는 수신기로 들어온 반사신호의 크기를 측정하기 위해 반사신호를 검출하여 DC신호로 변환하는 전력검출기;
   상기 DC신호를 주기신호와 곱하는 곱셈기;
   상기 DC신호와 주기신호가 곱해진 신호를 누적하여 더하는 적분기;
   상기 적분기에서 출력된 신호를 기준전압과 합산하여 상기 전압제어 가변 정전용량 소자에 인가될 정전용량 제어 전압을 산출하는 전압합산기를 포함하며,
   상기 임피던스 조절부는 상기 전압합산기에서 산출된 정전용량 제어 전압에 의해 상기 전압제어 가변 정전용량 소자의 정전용량이 변화되어 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 조절부는 상기 전압제어 가변 정전용량 소자와 함께 임피던스를 조절하는 인덕터를 추가로 포함하는 임피던스 매칭 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 조절부의 전압제어 가변 정전용량 소자는 바랙터 다이오드인 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 임피던스 조절부의 전압제어 가변 정전용량 소자는 2개이고,
   상기 곱셈기, 적분기, 및 전압합산기는 각각 2개이고,
   상기 임피던스 조절부는 상기 2개의 전압합산기에서 산출된 2개의 정전용량 제어 전압에 의해 상기 2개의 전압제어 가변 정전용량 소자의 각 정전용량이 변화되어 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 전력검출기에 의해 변환된 DC신호를 증폭하여 곱셈기로 전달하는 증폭기를 추가로 포함하는 임피던스 매칭 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 주기신호는 (+), (-) 듀레이션의 진폭이 동일한 주기적 신호인 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 적분기에서 출력된 신호를 증폭하여 상기 전압합산기로 전달하는 증폭기를 추가로 포함하는 임피던스 매칭 장치.
8. 송신기와 수신기 간의 에너지 전송을 위한 임피던스 매칭 방법으로서,
   임피던스 매칭이 안 되어 있을 때 상기 송신기 또는 수신기로 들어온 반사신호의 크기를 측정하기 위해 반사신호를 검출하여 DC신호로 변환하는 단계;
   상기 DC신호를 주기신호와 곱하는 단계;
   상기 주기신호와 곱해진 신호를 누적하여 더하는 단계;
   상기 누적하여 더해진 신호를 기준전압과 합산하여 임피던스 조절용 제어 전압을 산출하는 단계; 및
   상기 산출된 임피던스 조절용 제어 전압을 이용하여 임피던스를 조절하되, 상기 반사신호가 생성되지 않을 때까지 상기 과정을 반복하는 단계를 포함하는 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 임피던스 조절 단계는 상기 임피던스 조절용 제어 전압에 의해 정전용량이 변화하는 적어도 하나의 전압제어 가변 정전용량 소자를 이용하여 임피던스를 조절하는 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전압제어 가변 정전용량 소자는 적어도 하나의 바랙터 다이오드인 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
11. 제8항에 있어서, 상기 DC신호 변환단계에서 출력되는 DC신호를 증폭하는 단계를 추가로 포함하는 임피던스 매칭 방법.
12. 제8항에 있어서, 상기 주기신호는 (+), (-) 듀레이션의 진폭이 동일한 주기적 신호인 것을 특징으로 하는 임피던스 매칭 방법.
13. 제8항에 있어서, 상기 주기신호와 곱해진 신호를 누적하여 더하는 단계에서 출력되는 신호를 증폭하는 단계를 추가로 포함하는 임피던스 매칭 방법.

Images