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KR102093469B1 - 무선 전력 전송 장치 - Google Patents

무선 전력 전송 장치 Download PDF

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KR102093469B1
KR102093469B1 KR1020180141826A KR20180141826A KR102093469B1 KR 102093469 B1 KR102093469 B1 KR 102093469B1 KR 1020180141826 A KR1020180141826 A KR 1020180141826A KR 20180141826 A KR20180141826 A KR 20180141826A KR 102093469 B1 KR102093469 B1 KR 102093469B1
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KR
South Korea
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power
wireless power
power transmission
wireless
coil
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KR1020180141826A
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Inventor
권동의
이유영
최주선
Original Assignee
코마테크 주식회사
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

무선 전력 전송 장치가 개시된다. 상기 무선 전력 전송 장치는, 저전력 및 100W 이하의 중전력을 요구하는 수전장치의 요구전력에 대응하여 가변적으로 무선 전력 송신이 가능한 무선 전력 전송 장치(A)에 있어서, 수전장치의 요구전력에 대응하도록 전원의 크기를 조절하여 무선으로 전력을 전송을 위해 시스템 전반을 제어하는 제어부(10); 복수 개의 코일들로 구성되어 상기 제어부에 의해 전력을 전송하는 송전 코일부(20); 및 상기 제어부에 의해 제어되어 상기 송신 코일부에 요구되는 전력을 생성 및 공급하는 전력 변환부(30);를 포함할 수 있다.

Description

무선 전력 전송 장치{Wireless power transfer device}
본 발명은 무선 전력 전송 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면, 최대 100W 이하의 중전력 무선 전력 전송이 가능하고, 100W 이하의 저전력을 요구하는 수전장치에 대하여 호환성 유지가 가능하며, 수전장치의 요구전력에 따른 전력증폭기(Power Amplifier), PWM(Pulse Width Modulation) 주파수 및 PWM Duty 제어를 하여 안정적으로 무선 전력 송신이 가능한 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 무선 전력 전송은 전기 에너지를 자기장 또는 전자기파 등의 무선전송이 가능한 형태로 변환하여 부하(Load)에 전달하는 전송 기술로서, 현재 무선 전력 전송 기술의 가장 큰 응용분야는 전력을 수신하는 부하가 배터리인 무선충전 시스템으로 볼 수 있다.
이러한 무선 전력 전송(Wireless Power Transfer; WPT) 시스템은 공간을 통하여 선 없이 전력을 전달하는 기술로써, 모바일(Mobile) 기기 및 디지털 가전 기기들에 대한 전력 공급의 편의성을 극대화한 기술이다. 무선 전력 전송 시스템은 실시간 전력 사용 제어를 통한 에너지 절약, 전력 공급의 공간 제약 극복 및 배터리 재충전을 이용한 폐 건전지 배출량 절감 등의 강점을 지닌다.
무선전력전송 기술은 에너지를 주고 받는 송신기와 수신기의 거리에 따라 근거리 무선전력전송과 원거리 무선전력전송으로 구분할 수 있다.
근거리 전송시스템은 입력 교류전원을 RF신호로 변환(송신기) > 무선으로 전력을 전달하는 송수신 코일(공진기) > 입력 RF 신호를 직류로 전환하여 부하에 전력 전달(수신기)로 전달되는 구조를 가진다.
무선 전력 전송 시스템의 구현 방법으로써 대표적으로 자기유도방식과 자기공진방식이 있다.
자기유도방식은 두 개의 코일을 근접시켜 한쪽의 코일에 전류를 흘려 그에 따라 발생한 자속을 매개로 하여 다른 쪽의 코일에도 기전력이 발생하는 비접촉 에너지 전송기술로써, 수백 khz의 주파수를 사용할 수 있다.
자기 공진 방식은 전자파나 전류를 이용하지 않고 전장 또는 자장만을 이용하는 자기 공명 기술로써 전력 전송이 가능한 거리가 수 미터 이상으로써, 수십 MHz의 대역을 이용하는 것이 특징이다.
이러한 무선 전력 전송 시스템은 직류 전원을 필요로 한다.
무선 전력 전송 시스템에 적정한 전원을 공급해주는 전원 공급기로는 직류-직류 컨버터, 교류-직류 전원공급기, 직류-교류 인버터 등이 있다.
전원 공급기는 고효율과 저비용을 충족시키는 방향으로 설계되고 있으며, 필요한 전압의 높낮이로 바꾸어 주기 위하여 다양한 방식이 구조가 개발되고 있다.
무선 전력 전송 시스템에서는 전력을 전송하는 송신 장치와 전력을 수신하는 수신 장치 간에 전력 전송 효율이나 임피던스 매칭, 타켓 수신 장치의 결정 등에 있어서 전원 공급기의 전압의 높낮이로 바꾸어 무선 전력 전송 시스템이 필요로 하는 전압을 생성하는 것이 중요하다.
다만 종래에는 송신 장치 및 수신 장치에 포함된 코일의 전압이나 전류를 센싱하는 회로와 송신 장치 및 수신장치 간의 상호 통신에 따라 전압의 높낮이를 제어하는 회로가 별도로 구비되면서 시스템의 부피가 증가하고 회로의 복잡도가 증가하는 문제가 있었다.
특히 일정한 전압을 출력하기 위한 직류-직류 컨버터에 있어서, 전압을 가변 시키기 위하여 컨버터 내의 소자값들을 변경해야 했고, 이러한 이유로 회로의 복잡도가 높아지는 문제가 있었다.
한편, 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력 전송 산업은 높은 자유도와 이동성이 필요한 전자기기 및 전기자동차, IoT 등의 확대에 따른 시장 성장 기대된다.
또한, 무선 전력 전송 산업은 모바일 기기 분야를 중심으로 성장하였으며, 향후 생활가전, 전기자동차 및 산업기기 등의 분야로 확산 예상된다.
이러한 무선 전력 전송 시스템은 휴대용 기기의 경우 저전력(15W 이하) 전송의 기술이 적용되고 있고, 중전력(100W 이하) 요구 전자기기의 경우에도 무선 전력 전송 기술을 적용하려 시도하고 있으나, 기술의 성숙도의 미흡으로 제품의 적용에 어려움이 있는 실정이다.
또한, 중전력 무선 전력 전송 장치에서도 상용화된 저전력 제품에 대한 호환성을 요구하고 있다.
대한민국 등록특허 10-1788792
본 발명의 목적은, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수전장치의 요구전력에 따른 주파수 및 PWM Duty 제어를 하여, 100W 이하의 저전력을 요구하는 수전장치에 대하여 호환성 유지가 가능하고, 최대 100W 이하의 중전력을 안정적으로 무선 전력 송신이 가능한 무선 전력 전송 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(A)는, 저전력 및 100W 이하의 중전력을 요구하는 수전장치의 요구전력에 대응하여 가변적으로 무선 전력 송신이 가능한 무선 전력 전송 장치(A)에 있어서, 수전장치의 요구전력에 대응하도록 전원의 크기를 조절하여 무선으로 전력을 전송을 위해 시스템 전반을 제어하는 제어부(10); 복수 개의 코일들로 구성되어 상기 제어부에 의해 전력을 전송하는 송전 코일부(20); 및 상기 제어부에 의해 제어되어 상기 송신 코일부에 요구되는 전력을 생성 및 공급하는 전력 변환부(30);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부(10)는, 입력 전압, 전류 감시와 전력 변환을 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 발생 기능을 포함할 수 있다.
또한, 상기 송전 코일부(20)는, 송전을 위한 송전 코일; 및 공진회로 구성을 위한 캐패시터;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 송전 코일(20)는은, 저전력 무선 전력 전송을 위한 코일과 100W 이하 중전력 무선 전력 전송을 위한 코일을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전력 변환부(30)는, 상기 제어부로부터 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 수신받아 제어되고, 무선 전력 전송 요구전력을 생성하는 Power Amp(Full bridge)와, PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 입력으로 하는 Power Amp Driver 회로를 포함할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 전송 장치(A)는, 무선 전력 수전장치에서 요구하는 전력을 무선으로 송전하기 위하여 전압 가변, 주파수 가변, PWM duty 제어, phase(위상) 제어 방식을 사용할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 전송 장치(A)는, 저전력 무선 전력 전송을 위하여 Power Amp의 Full bridge를 Half bridge 방식으로 제어하고, 주파수 가변, PWM duty 제어를 통해 무선 전력 수전부에서의 요구되는 전력을 송전할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 전송 장치(A)는, Power Amp의 Half bridge 방식에서 최대 송전가능 범위를 초과할 경우, Power Amp를 Full bridge 구조로 변경을 하여 무선 전력 전송 송전 코일에 전력을 공급하며, 이 경우 수전부에서 요구되는 전력에 따라서 주파수 가변, PWM duty 제어 방식을 사용하여 최대 전력을 송전할 수 있다.
본 발명에 따른 무선 전력 전송 장치는, 수전장치의 요구전력에 따른 주파수 및 PWM Duty 제어를 하여 저전력 및 100W 이하의 중전력 무선 전력 전송 수전 장치에 대하여 전력 전송 효율의 저하 없이 안정적으로 무선 전력 전송이 가능하고, 저전력 및 중전력 무선 충전 수전장치에 대하여 호환성의 유지가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략적인 구성을 도시한 블럭도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 저전력 및 중전력 제어에 따른 동작 그래프.
도 3a, 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 송전 코일부의 다중 구조의 송전 코일을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 송전 코일부를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 송전 코일부의 세부사항을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 전력변환부(Full bridge)의 인버터의 동작 회로도.
도 7a,7b,7c,7d 및 7e는 도 6의 인버터의 인버터의 풀브릿지 구성을 활용한 하프브릿지의 작동과 관련된 신호선이 도시된 그래프.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에 있어 15W 이하에서 저전력 작동 시 정류된 전압과 효율의 듀티 사이클 제어 비교 그래프.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에 있어 15W 이하에서 저전력 작동 시 최대 145kHz 까지 주파수 변경후 정류된 전압과 효율의 듀티 사이클 제어 비교 그래프.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에 있어 15W 이상에서 출력전력 18W,21W 듀티 사이클 50%에서 고전력 작동 시 정류된 전압, 효율, 동작 주파수를 나타내는 비교 그래프.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에 있어 풀브릿지 인버터, 듀티비 50%를 조건으로한 주파수 변화에 따른 특성을 나타내는 그래프.
도 12는 무선전력전송 최대 주파수 145kHz, Full bridge inverter로 가정을 할 경우 최대 PWM Duty 50%에서 무선전력 수신측에서 최대 24V 까지 사용 가능 한 것을 보여주는 그래프.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 개략적인 구성을 도시한 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 저전력 및 중전력 제어에 따른 동작 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 송전 코일부의 다중 구조의 송전 코일을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 송전 코일부를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 무선 전력 전송 장치는, 크게 제어부(10), 송전 코일부(20) 및 전력 변환부(30)를 포함한다.
상기 본 발명의 무선 전력 전송 장치(A)는 무선방식으로 전력을 송수전받는 송수전장치로 전력을 무선으로 전송하기 위한 송전수단으로서, 상기 무선 전력 전송 장치(A)는 저전력 및 100W 이하의 중전력을 요구하는 수전장치의 요구전력에 대응하여 가변적으로 무선 전력 송신이 가능한 무선 전력 전송 장치에 관한 것이다.
먼저, 제어부(10)는 부하에 사용되는 전력을 수신받는 수전장치의 요구전력에 대응하도록 전원의 크기를 조절하여 무선으로 전력을 전송을 위해 시스템 전반을 제어하는 부분이다.
상기 제어부(10)는 입력 전압, 전류 감시와 전력 변환을 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 발생 기능을 포함한다. 이러한 상기 제어부(10)는 수전장치의 요구전력에 따라 교류 전원을 상기 송전 코일부(20)로 출력되도록 제어하는 역할을 수행할 수 있다. 또한 최대 전력 전송 효율과 수전장치의 요구전력량 및 수전장치의 충전량 등을 고려하여 출력되는 직류 전압의 크기를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부(10)는 무선 전력의 양을 결정하고 결정된 무선 전력의 양에 관한 정보를 생성할 수 있다. 이처럼 상기 제어부(10)는 출력 전압을 제어하는 기능과 더불어 무선 전력 전송 장치(A)의 동작 전반을 제어할 수 있다.
도 2를 참조하여 설명하면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에서 저전력 및 중전력 제어에 따른 동작 그래프로서, 무선전력전송시 요구되는 전력을 제어하기위한 PWM 주파수, duty, Full/Half bridge inverter의 작동을 설명하는 것이다.
15W 이하의 임의의 저전력을 요구할 경우 우선 전력변환부(30)내에 설치되는 인버터(inverter, 도 6에 도시)를 half bridge로 변경을 하여 작동되도록 변경하고, 무선전력전송 주파수를 110kHz에서 145kHz 방향으로 주파수를 이동하여( 첫 번째 푸른색 사선부분) 요구되는 전력에 대한 만족을 할수 있도록 주파수를 이동 시킨다.
145kHz 까지 최대한 주파수를 변화시키고도 요구되는 전력을 만족하지 못할 경우 PWM 듀티비(PWM duty ratio)를 제어하여 ( 50% -> 20% ) ( 첫 번째 갈색 사선 부분 )요구되는 전력을 만족하도록 한다.
15W 이상의 임의의 전력을 요구할 경우 우선 half bridge, duty 50%, 주파수 110kHz까지 제어를 하여 요구되는 전력을 만족하지 못할 경우 우선 하프 브릿지 인버터(half bridge inverter)를 풀 브릿지 인버터(Full bridge inverter)로 변경을 하고, PWM 주파수를 145kHz로, Duty를 50%이하 임의의 듀티비(duty ratio) 최소 20% 이상으로 변경을 하여 요구되어지는 전력을 만족을 하도록 한다. 이후 요구 전력이 증가할 경우 우선주파수 145kHz에서 Duty ratio를 최대 50%까지 변경을 하여 만족을 하도록하고, 최대 Duty ratio 50%에서는 요구전력을 만족하지 못할 경우 무선전력전송 주파수 ( PWM 주파수 )를 최소 110kHz까지 변경을 하여 요구전력을 만족 할 수 있도록 제어를 한다.
상기 제어부(10)는 표 1과 같은 전원 전달 제어 방법 및 조건에 따라 동작될 수 있다.
Method of Power Transfer Control Power Transfer Control Paramaeataearas Initiaili iOipieiriaitiiinigi iCioinidiiitiiioini i(iPiiinigi iPioiwieiri)
- Operating Frequency control and Duty cycle control - 110 to 145kHz, 20% to 50% - Ping Frequency : 140 kHz, 50% (TBD)
- Initial Voltage : 24V ± 5%V
- Half bridge Inverter
다음으로, 송전 코일부(20)는 복수 개의 코일들로 구성되어 상기 제어부(10)에 의해 전력을 전송하는 부분이다.
상기 송전 코일부(20)는 송전을 위한 송전 코일 및 공진회로 구성을 위한 캐패시터를 포함할 수 있다.
상기 송전 코일부(20)의 상기 송전 코일은 15W 이하 저전력 무선 전력 전송을 위한 코일과 100W 이하 중전력 무선 전력 전송을 위한 코일로 구성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 도 3a는 상기 송전 코일부(20)는 기본적으로 외측에는 예를 들어, 100W 코일이 권선되고, 100W 코일 내부에는 15W 코일이 권선되어, 저전력에는 내부의 15W의 코일이 가동되고 중전력인 100W이하에는 모든 코일이 가동되어 저전력과 중전력을 모두 호환할 수 있는 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 도 3b는 상기 송전 코일부(20)는 저전력 코일인 15W 코일이 4개가 설치되어 그 중 1개가 가동되거나 2개, 3개 또는 4개가 선택적으로 작동되어 저전력과 중전력을 모두 호환할 수 있는 구조로 구성될 수도 있다.
또한, 상기 송전 코일부(20)는 다양한 직경으로 형성된 복수 개의 코일들이 적층된 구조로 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 내측에는 저전력 무선 전력 전송을 위해 직경이 작은 코일이 설치될 수 있고, 상기 내측에 배치되는 저전력 무선 전력 전송용 코일의 외측에는 상대적으로 직경이 큰 코일이 설치될 수 있다.
이처럼, 상기 송전 코일부(20)는 저전력 및 중전력(또는 고전력)에 각각 대응할 수 있도록 직경을 달리하거나 권선량을 달리하여 다양한 구조로 이루어질 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 송전 코일부(20)는 권선타입으로 구성될 수 있고, 105개의 스트랜드가 있는 17 AWG litz 와이어로 40 AWG(직경 0.058mm) 또는 이와 동등한 것으로 구성될 수 있으며, 아래의 표 2와 같이 정의된 구성으로 형성될 수 있다.
Parameter Symbol Value
Outer height Ho 48±0.5mm
Inner height Hi 19±0.5mm
Outer width Wo 48±0.5mm
Inner width Wi 19±0.5mm
Thickness d c 1.1±0.3mm
Number of turns per layer N 12
Number of layers - 1
도 5를 참조하면, 상기 송전 코일부(20)는 기본 코일에서 생성된 자기장으로부터 상기 송전 코일부(20) 보호하기 위해 하측에 차폐부재가 구비되고, 상기 차폐부재는 최소한 d s = 1.5mm 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 또한 상기 차폐부재는 기본 코일의 바깥 가장자리를 넘어 적어도 2.5mm까지 연장되도록 설치된다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 기본 코일에서 인터페이스 표면까지의 거리는 d z = 3.0±1mm이고, 기본 코일의 윗면을 가로질러 인터페이스 표면은 장치가 배치된 표면으로 주 장치와 가장 가깝게 형성될 수 있다.
상기 차폐부재는 일정면적을 갖는 판상의 부재로 이루어질 수 있고, 무선 전력 전송 시 발생되는 자기장을 차단할 수 있다. 즉, 상기 차폐부재는 상기 송전 코일부(20)을 통해 무선 전력 신호를 송신, 수신할 때 송전 코일부(20)의 코일을 향해 전력신호가 집속될 수 있도록 자기장을 차폐하여 소정의 주파수 대역에서 작동하는 특성을 높여준다.
이와 같은 상기 차폐부재는 송전 코일부(20)에서 송신 또는 수신되는 자기장을 차폐할 수 있도록 자성체가 포함되는 것이면 어느 것이나 사용할 수 있고, 상기 자성체에 대한 비제한적인 예로써, 규소 강판 및 퍼멀로이 등의 순철/합금강재, Fe 및 Co 비정질 등의 비정질/초미세합금, Mn-Zn계 페라이트 등의 연자성 페라이트 등을 단독 또는 2종 이상 병용하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 차폐부재는 단층 또는 복수개의 자기장 차폐시트가 적층되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 자기장 차폐시트는 상술한 자성체가 리본상의 시트형상 또는 리본상의 시트를 파쇄시켜 파쇄된 자성체 파편들이 하나의 층을 형성한 시트형상으로 구현될 수 있다. 또는, 자성입자가 폴리머 매트릭스상에 분산된 자성 폴리머 시트로 구현될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 전력변환부(30)의 동작을 도시하는 회로도이고, 표 3은 본 발명의 무선 전력 전송 장치(A)의 드라이버 사양을 나타낸 것이다.
Parameter Symbol Value
Input Voltage Vin 24.0±0.5%V
Coil' Self Inductance Lp 10.0±10%uH
Coil' Resonant Capacitance Cp 250.0±%5nF
Operating Frequency fop 110~145kHz
Duty Cycle Dop 0.2~0.5
다음으로, 전력 변환부(30)는 상기 제어부(10)에 의해 제어되어 상기 송신 코일부(20)에 요구되는 교류 전력을 생성 및 공급하는 부분이다.
상기 전력 변환부(30)는 상기 제어부(10)로부터 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 수신받아 제어되고, 무선 전력 전송 요구전력을 생성하는 Power Amp(Full bridge)와, PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 입력으로 하는 Power Amp Driver 회로로 구성될 수 있다. 즉 상기 전력 변환부(30)는 풀 브리지(full bridge) 또는 하프 브리지(Half bridge) 인버터로 구성될 수 있다.
또한, 상기 전력 변환부(30)는 직류 또는 교류 전류 입력에서 직류 또는 교류 전류로 출력할 수 있다. 또한 상기 전력 변환부(30)에서 출력하는 전압의 레벨이 조절될 수 있고, 이러한 전압의 레벨은 상기 제어부(10)의 신호에 의해 제어될 수 있다.
한편, PWM(Pulse Width Modulation)는 트랜지스터 등의 교환기를 온(on)이나 오프(off) 함으로써 부하(負布)에 전류를 공급하는 펄스 제어로서, 온 시간과 오프 시간의 비율을 변화시킴으로써 출력 전압을 제어하는 방식이다.
이와 같은 PWM(Pulse Width Modulation) 신호는 아날로그 신호를 디지털 형태로 나타낸 것으로, 디지털 신호에 대해서 주파수를 설정하고 pulse width (duty cycle)는 아날로그 신호의 진폭에 따라 변한다. 예를 들어, 아날로그 입력신호의 범위가 0V 에서 10V 일 경우, 아날로그 신호의 진폭이 1V일 경우 디지털신호의 pulse width (duty cycle)은 10%이고 아날로그신호의 진폭이 9V 인 경우 디지털신호의 pulse width (duty cycle)는 90%이다. 아날로그신호의 진폭과 디지털 신호의 pulse width (duty cycle)의 관계는 어플리케이션에 따라 달라진다. 이러한 PWM 신호는 측정및 제어 어플리케이션등 다방면에 사용되며, 특히 DC 모터제어에 많이 쓰이지만 펌프제어, 역학제어와 다른 기계분야에도 쓰이는 기술이다.
본 발명의 무선 전력 전송 장치(A)는 이러한 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 방식을 적용하여 다양한 전력을 생산 및 공급할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치의 전력변환부(30)의 동작을 설명하면, 도 7에 도시된 바와 같다.
도 7e에 도시된 바와 같이 2주기(2T)가 도시되어 있으며 그 중 1주기( T )에서 4등분 하여 동작을 설명한다.
Full bridge 동작에 대하여는 도 7a,7b,7c,7d 및 7e를 참고로 하여 상세하게 설명한다.
초기 1/4 구간에서는 S1, S4를 On, S2,S3를 Off로 동작하여 코일로 전력을 공급하고(도 7a에 도시됨), 다음 2/4구간에서는 S1, S3를 On, S2,S4를 Off로 하여 코일 전력 공급을 중단한다(도 7b에 도시됨). 다음 3/4구간에서는 S2,S3을 On, S1,S4를 Off로 동작 하여 코일로 전력을 공급한다(도 7c에 도시됨). 다음 4/4구간에서는 S1,S3을 Off, S2,S4를 Off로 하여 코일 전력 공급을 중단한다(도 7d에 도시됨).
이와 같이 전력변환부(30)는 1/T 주파수를 갖는 전력을 송전 코일부(30)에 공급을 하게 된다.
Half bridge의 동작에 대하여는, Full bridge회로에서 S3 Off, S4를 On으로 되어 있는 상태에서, 처음 1/2 구간에서는 S1 On, S2 Off 상태로 동작을 하여 코일에 전력을 공급하고, 다음 2/2 구간에서는 S1 Off, S2 On 상태로 동작을 하여 코일에 전력 공급을 중단한다.
여기서, 도 7e에 도시된 바와 같이, 청색의 신호선으로 전력의 공급 상황이 표시될 수 있다. 즉, 도 7e의 맨위의 그래프는 도 7a의 상태를 도시하고, 두번째 그래프는 도 7b의 상태를 도시하고, 도 7e의 세번째의 그래프는 도 7c의 상태를 도시하고, 네번째 그래프는 도 7d의 상태를 도시하고, 도 7e의 다섯번째의 그래프는 반복되는 산형태의 전류의 파형의 상태를 도시하고, 마지막 그래프는 싸인파형의 전압공급의 상태를 도시하고 있는 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에 있어 15W 이하에서 저전력 작동 시 정류된 전압과 효율을 동작 주파수와 비교 그래프이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에 있어 15W 이하에서 저전력 작동 시 최대 145kHz 까지 주파수 변경후 정류된 전압과 효율의 듀티 사이클 제어 비교 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에 있어 15W 이상에서 출력전력 18W,21W 듀티 사이클 50%에서 고전력 작동 시 정류된 전압, 효율, 동작 주파수를 나타내는 비교 그래프이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치에 있어 풀브릿지 인버터, 듀티비 50%를 조건으로한 주파수 변화에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9내지 도 11을 참조하면, 상기 무선 전력 전송 장치(A)는 무선 전력 수전장치에서 요구하는 전력을 무선으로 송전하기 위하여 전압 가변, 주파수 가변, PWM duty 제어, phase(위상) 제어 방식을 사용할 수 있다.
도 9에 대하여 설명하면, 15W 이하의 무선 전력 전송시, 더욱 구체적으로 설명하면, 3W, 9W 및 15W의 저전력 전송시에 PWM duty 50%에서 PWM 주파수에 의한 무선전력전송 주파수, Full/Half bridge inverter 변경에 따른 효율 및 무선전력전송 수신부측에서의 전압 및 전력의 크기를 측정한 데이터 이다.
수신부에서의 요구전압이 임의의 전압 12V로 가정을 할 경우 Duty 50%에서 Full bridge inverter의 구조에서는 수신부측의 요구전압 12V를 만족하지 못한다.
Half bridge inverter의 구조에서는 요구전압 12V를 만족하므로 사용이 가능하다.
또한 무선전력전송 공진 코일부에 공급하는 무선전력 전송 주파수의 변화에 따라서 전력 수신부측의 전압이 변경되어 지는 것을 확인 할수 있으며, 효율적인 측면에서도 Half bridge, 주파수 110kHz의 부근에서 고효율의 특성을 보이고 있다.
위에서 알 수 있듯이, 적색선은 풀 브릿지 제어시 전압선도이고 흑색선은 하브 브릿지 제어시 전압선도로서, 15W 이하로 전력이 낮을 때에는 하프 브릿지를 사용하고 전력이 20W 이상으로 높을 때에는 풀 브릿지를 사용하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
도 9에 대하여 설명하면, 15W 이하 저전력 무선 전력 전송시 최대 주파수 145kHz까지 주파수 변경 후 PWM 주파수 및 Duty에 변화에 효율 및 전력 수신측의 출력 전압에 대한 측정 결과이다.
수신측의 전력 전압의 목표치를 12V로 가정을 할 경우 50%의 Duty에서 최대 15W까지 만족을 하는 것을 확인 할수 있으며, 수신측 전압이 임의의 전압 10V로 가정을 할 경우 30%의 Duty제어에 의하여 수신측의 목표치 전압을 만족 할 수 있다.
도 10에 대하여 설명하면, 15W 이상의 수신측 전력 요구시 무선전력 전송을 위한 PWM 주파수, Duty, Full/Half bridge에 대한 측정 그래프이다.
수신측의 요구전력전압을 12V로 가정을 할 경우 Half bridge inverter 가 사용되게 되고, 사용가능 최저 주파수부분 115kHz내에서 요구전력 21W를 만족하는 것을 보여주고 있으며, 효율적인 측면에서도 유리한 것을 보여주고 있다.
도 11에 대하여 설명하면, Full bridge inverter, PWM Duty 50%를 조건으로한 주파수 변화에 따른 특성 그래프이다. 사용 주파수를 110kHz에서 145kHz로 가정을 할 경우 무선전력수신측의 전압은 24V에서 36V의 범위로 사용가능하다.
위에서 언급한 무선전력 수신측의 전력전압을 12V로 가정을 할 경우 측정치에서 보는 봐와 같이 사용 불가능한 것을 보여주고 있다.
도 12에 대하여 설명하면, 무선전력전송 최대 주파수 145kHz, Full bridge inverter로 가정을 할 경우 최대 PWM Duty 50%에서 무선전력 수신측에서 최대 24V 까지 사용 가능 한 것을 보여주고 있다.
무선전력 전압의 목표치 12V를 가정할 경우 PWM Duty를 20%이하로 제어를 하여야 요구 전압을 만족할수 있음을 보여주고 있다.
또한, 상기 무선 전력 전송 장치(A)는 저전력 무선 전력 전송을 위하여 Power Amp의 Full bridge를 Half bridge 방식으로 제어하고, 주파수 가변, PWM duty 제어를 통해 무선 전력 수전부에서의 요구되는 전력을 송전할 수 있다.
또한, 상기 무선 전력 전송 장치(A)는 Power Amp의 Half bridge 방식에서 최대 송전가능 범위를 초과할 경우, Power Amp를 Full bridge 구조로 변경을 하여 무선 전력 전송 송전 코일에 전력을 공급하며, 이 경우 수전부에서 요구되는 전력에 따라서 주파수 가변, PWM duty 제어 방식을 사용하여 최대 전력을 송전할 수 있다.
이러한 상기 본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(A)는 수전장치의 요구전력에 따른 주파수 및 PWM Duty 제어를 하여 15W 이하의 저전력 및 100W 이하의 중전력 무선 전력 전송 수전 장치에 대하여 전력 전송 효율의 저하 없이 안정적으로 무선 전력 전송이 가능하고, 저전력 및 중전력 무선 충전 수전장치에 대하여 호환성의 유지가 가능한 효과가 있는 것이다.
이상 설명한 바와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
A: 무선 전력 전송 장치 10: 제어부
20: 송전 코일부 30: 전력 변환부

Claims (5)

  1. 저전력 및 100W 이하의 중전력을 요구하는 수전장치의 요구전력에 대응하여 가변적으로 무선 전력 송신이 가능한 무선 전력 전송 장치(A)에 있어서,
    수전장치의 요구전력에 대응하도록 전원의 크기를 조절하여 무선으로 전력을 전송을 위해 시스템 전반을 제어하는 제어부(10);
    복수 개의 코일들로 구성되어 상기 제어부에 의해 전력을 전송하는 송전 코일부(20); 및
    상기 제어부에 의해 제어되어 상기 송전 코일부에 요구되는 전력을 생성 및 공급하는 전력 변환부(30);를 포함하고,
    상기 제어부(10)는, 입력 전압, 전류 감시와 전력 변환을 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 발생 기능을 포함하며,
    상기 송전 코일부(20)는, 송전을 위한 송전 코일; 및 공진회로 구성을 위한 캐패시터;를 포함하고, 저전력 무선 전력 전송을 위한 코일과 100W 이하 중전력 무선 전력 전송을 위한 코일을 포함하되,
    상기 무선 전력 전송 장치(A)는,
    저전력 무선 전력 전송을 위하여 Power Amp의 Full bridge를 Half bridge 방식으로 제어하고, 주파수 가변, PWM duty 제어를 통해 무선 전력 수전부에서의 요구되는 전력을 송전하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전력 변환부(30)는,
    상기 제어부로부터 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 수신받아 제어되고,
    무선 전력 전송 요구전력을 생성하는 Power Amp(Full bridge)와, PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 입력으로 하는 Power Amp Driver 회로를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 전송 장치(A)는,
    무선 전력 수전장치에서 요구하는 전력을 무선으로 송전하기 위하여 전압 가변, 주파수 가변, PWM duty 제어, phase(위상) 제어 방식을 사용하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 무선 전력 전송 장치(A)는,
    Power Amp의 Half bridge 방식에서 최대 송전가능 범위를 초과할 경우, Power Amp를 Full bridge 구조로 변경을 하여 무선 전력 전송 송전 코일에 전력을 공급하며, 이 경우 수전부에서 요구되는 전력에 따라서 주파수 가변, PWM duty 제어 방식을 사용하여 최대 전력을 송전하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 장치.
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