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KR102179796B1 - 정전류(cc)/정전압(cv) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기 및 이의 제어방법 - Google Patents

정전류(cc)/정전압(cv) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기 및 이의 제어방법 Download PDF

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KR102179796B1
KR102179796B1 KR1020190097980A KR20190097980A KR102179796B1 KR 102179796 B1 KR102179796 B1 KR 102179796B1 KR 1020190097980 A KR1020190097980 A KR 1020190097980A KR 20190097980 A KR20190097980 A KR 20190097980A KR 102179796 B1 KR102179796 B1 KR 102179796B1
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charging
switch
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constant current
topology
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KR1020190097980A
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최우진
만 투안 트란
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숭실대학교산학협력단
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Abstract

정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기 및 이의 제어방법이 개시된다.
정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기는 입력 전원과 연결되는 송신단 및 수신 코일과 연결되는 S-LCC 토폴로지 및 상기 S-LCC 토폴로지의 후단에 연결되는 T-LCL 토폴로지를 포함하여 상기 S-LCC 토폴로지로 공진 탱크를 구성하거나, 상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 T-LCL 토폴로지로 공진 탱크를 구성하여 정전압 또는 정전류를 출력하는 수신단을 포함한다.

Description

정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기 및 이의 제어방법{HIGH FREQUENCY WIRELESS CHARGER FOR CONSTANT CURRENT/CONSTANT VOLTAGE CHARGE AND CONTROL METHOD THEREOF}
본 발명은 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 송신단 및 수신단 간의 유도 전력 전달(IPT: Inductive Power Transfer)을 통해 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 프로세스에 따라 배터리를 완충시키는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
최근 각광받고 있는 무선 전력 전송(WPT: Wireless Power Transfer) 시스템은 충전기 및 전자기기 간의 연결이 불필요하므로 종래의 플러그 인 충전기의 불편함을 해소할 수 있다.
이러한 무선 전력 전송(WPT) 시스템의 유도 전력 전달(IPT: Inductive Power Transfer)의 스위칭 주파수는 MHz 대역(일반적으로, 6.78Hz 또는 13.56Hz)으로, 코일의 높은 큐 인자(quality factor)를 달성할 수 있으며, 장거리 또는 불균형에 의해 야기되는 낮은 결합 계수(coupling coefficient)의 영향을 경감시켜, 결과적으로는 더 나은 효율을 가질 수 있다.
한편, 리튬 배터리는 랩탑, 휴대전화 등과 같은 이동성 전자 기기에 널리 사용된다. 이러한 리튬 배터리의 충전 프로세스는 리튬 배터리의 완충을 위해 일반적으로 정전류(CC: Constant Current) 충전 및 정전압(CV: Constant Voltage) 충전을 포함할 수 있다.
구체적으로는, 리튬 배터리는 먼저 정전류(CC)로 충전되고, 이때 전압은 점진적으로 증가할 수 있다. 리튬 배터리의 전압이 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 리튬 배터리는 정전압(CV)으로 충전될 수 있다. 그리고 배터리 전류가 특정 값(일예로, 0.1C)의 속도로 감소하는 경우, 리튬 배터리의 충전 프로세스는 종료될 수 있다.
이러한 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 프로세스에 있어서, 배터리의 수명을 보장하기 위해서는 충전기가 안정적으로 정확한 전류 및 전압을 제공하여야 한다.
예를 들면, 고주파수의 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 프로세스를 구현하기 위해서는 수신단에 단상 컨버터 또는 추가적인 백엔드 DC-DC 컨버터를 채택하여 주파수 변조를 위한 폐쇄 루프 제어가 실행되어야 하는데, 이는 전체 시스템의 비용, 복잡 및 전력 손실을 증가시킨다는 문제점이 있다.
위와 같은 문제점을 해소하기 위해 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 개방 루프 제어를 실행하여 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 프로세스를 구현한 방법이 제안된 바 있다. 이는 공진 보상 네트워크의 고유한 특성을 이용한 두 개의 다른 주파수가 사용되어 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 프로세스를 구현할 수 있다. 즉, 무선 전력 전송(WPT) 시스템은 두 개의 공진 주파수 중 하나의 주파수로 동작하여 정전류(CC) 충전 또는 정전압(CV) 충전을 달성할 수 있다.
그러나, 무선 전력 전송(WPT) 시스템은 MHz 대역에서 동작하므로, 회로의 복잡성 및 디지털 구현의 어려움으로 인해 여러 주파수 사용이 제한된다. 또한, 무선 전력 전송(WPT) 시스템에 있어서, 주파수 변조는 무선 통신에 대한 전자기 간섭을 피하기 위해 권장되지 않는다.
이에 따라 MHz 대역에서 동작하는 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 구현하기 위해서는 공진 네트워크를 변환하는 것이 바람직하다.
무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 구현하기 위해 제안된 공진 보상 회로의 기본 토폴로지는 직렬-직렬(SS), 직렬-병렬(SP), 병렬-직렬(PS) 및 병렬-병렬(PP)과 같다. 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 이러한 공진 보상 회로를 사용하는 경우, 부하 독립적인 정전압(CV) 및 정전류(CC) 출력 특성을 통해 자동으로 영 위상 각(ZPA: Zero Phase Angle) 조건을 달성할 수 있다. 그러나 위와 같은 공진 보상 회로의 기본 토폴로지들은 출력 값이 코일 파라미터에 크게 의존하기 때문에 공진 보상 네트워크 및 코일 설계가 제한된다는 문제점이 있다.
한편, 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 구현하기 위한 공진 네트워크로 고차 공진 네트워크가 제안된 바 있다.
예를 들면, 고차 공진 보상 회로의 토폴로지로, S-LCC(Series-Inductor-Capacitor-Capacitor) 및 LCC-S(Inductor-Capacitor-Capacitor-Series)는 정전압(CV) 출력 및 영 위상 각(ZPA) 특성으로 인해 각광받고 있다. 또한 양면 LCC는 정전류(CC) 출력 및 영 위상각(ZPA) 조건을 달성할 수 있다는 장점을 갖는다. 아울러, 이미턴스 변환기(immittance converter)의 T-LCL, Π-CLC, T-CLC 및 Π-LCL 타입은 정전압(CV)을 정전류(CC)로, 또는 그 반대로 변환할 수 있다.
그러나 상술한 고차 공진 네트워크를 채택하는 무선 전력 전송(WPT) 시스템은 kHz 대역에서 동작하도록 설계되므로, 시스템의 전력 밀도가 휴대용 장치에 충분하지 않다는 문제점이 있다.
본 발명의 일측면은 정전류(CC) 충전 모드 및 정전압(CV) 충전 모드 간에 공진 네트워크를 변화시켜 하나의 동작 주파수 하에서 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 구현하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기 및 이의 제어방법을 제공한다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기는 송신 코일 및 수신 코일 간의 유도 전력 전달(IPT: Inductive Power Transfer)을 통해 상기 수신 코일과 연결되는 배터리를 충전시키는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기에 있어서, 입력 전원과 연결되는 복수의 스위치의 스위칭 동작에 의해 상기 입력 전원으로부터 공급되는 입력 전압을 상기 송신 코일로 전달하는 송신단 및 상기 수신 코일과 연결되는 S-LCC 토폴로지 및 상기 S-LCC 토폴로지의 후단에 연결되는 T-LCL 토폴로지를 포함하며, 상기 S-LCC 토폴로지로 구성되는 공진 탱크에 의한 송신 코일 및 상기 수신 코일 간의 유도 전력 전달을 통해 정전압을 출력하거나, 상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 T-LCL 토폴로지로 구성되는 공진 탱크에 의한 송신 코일 및 상기 수신 코일 간의 유도 전력 전달을 통해 정전류를 출력하여 상기 배터리를 충전시키는 수신단을 포함한다.
한편, 상기 수신단은, 상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 배터리와 연결되는 정류 회로를 연결하는 제1 공진 스위치, 양단이 각각 상기 T-LCL 토폴로지 및 상기 수신 코일과 연결되는 출력 전압선에 접속되는 제2 공진 스위치 및 상기 배터리의 양단 전압을 센싱하고, 상기 배터리의 양단 전압에 따라 정전류(CC) 충전 모드 및 정전압(CV) 충전 모드 간의 전환을 위해 상기 제1 공진 스위치 및 상기 제2 공진 스위치의 스위칭 동작을 제어하여 공진 탱크의 구조를 변경하는 공진 스위치 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수신단은, 상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 배터리와 연결되는 정류 회로 사이에 마련되며, 직렬 연결된 제2 공진 인덕터 및 제3 공진 인덕터와, 상기 제2 공진 인덕터 및 상기 제3 공진 인덕터 사이의 접점에 접속되는 제3 공진 커패시터를 포함하는 상기 T-LCL 토폴로지를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수신단은, 직렬 연결된 상기 제2 공진 인덕터 및 상기 제3 공진 인덕터의 양 끝단에 연결되는 제1 공진 스위치 및 양단이 각각 상기 제3 공진 커패시터 및 상기 수신 코일과 연결되는 출력 전압선에 접속되는 제2 공진 스위치를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수신단은, 상기 수신 코일과 연결되는 제1 공진 커패시터와 병렬 연결된 상태로 상기 제1 공진 커패시터에 연결되는 제2 공진 커패시터 및 제1 공진 인덕터를 포함하는 상기 S-LCC 토폴로지를 포함할 수 있다.
또한, 상기 송신단은, 상기 입력 전원의 양단에 연결되는 브릿지에 마련되며, GaN MOSFET 스위치로 구현되는 제1 스위치 및 제2 스위치, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 턴온 또는 턴오프 동작을 제어하는 Class D 앰프, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이의 접점에 연결되며, ZVS 인덕터 및 ZVS 커패시터를 포함하여 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치에 부가된 기생 커패시터를 방전시키기 위한 음의 전류를 발생시키는 ZVS 탱크 및 상기 ZVS 탱크 및 상기 송신 코일 사이에 마련되며, 상기 S-LCC 토폴로지 또는 상기 T-LCL 토폴로지와 공진 탱크를 구성하는 송신 커패시터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는, 상기 ZVS 탱크에 의해 영전압 스위칭 조건 하에서 스위칭 제어될 수 있다.
한편, 본 발명의 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기의 제어방법은, 송신단 및 수신단 간의 유도 전력 전달(IPT: Inductive Power Transfer)을 통해 상기 수신단에 마련되는 배터리를 충전시키는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기의 제어 방법에 있어서, 상기 수신단에 형성되는 공진 탱크를 직렬 연결된 S-LCC 토폴로지 및 T-LCL 토폴로지로 구성하여 정전류(CC) 충전 모드로 제어하는 단계, 상기 배터리의 양단 전압을 센싱하는 단계 및 상기 배터리의 양단 전압이 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 상기 수신단에 형성되는 공진 탱크를 S-LCC 토폴로지로 구성하여 정전압(CV) 충전 모드로 제어하는 단계를 포함한다.
한편, 상기 수신단에 형성되는 공진 탱크를 직렬 연결된 S-LCC 토폴로지 및 T-LCL 토폴로지로 구성하여 정전류(CC) 충전 모드로 제어하는 단계는, 상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 배터리와 연결되는 정류 회로를 연결하는 제1 공진 스위치를 턴오프 제어하는 단계 및 양단이 각각 상기 T-LCL 토폴로지 및 상기 송신단으로부터 유도 전력을 전달 받는 수신 코일과 연결되는 출력 전압선에 접속되는 제2 공진 스위치를 턴온 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 배터리의 양단 전압이 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 상기 수신단에 형성되는 공진 탱크를 S-LCC 토폴로지로 구성하여 정전압(CV) 충전 모드로 제어하는 단계는, 상기 제1 공진 스위치를 턴온 제어하는 단계 및 상기 제2 공진 스위치를 턴오프 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 충전 모드에 따라 공진 네트워크를 변경할 수 있도록 구성되어, 하나의 동작 주파수(예컨대, 6.78MHz)에서 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 구현할 수 있다.
또한, 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 모드 구현을 위한 백-엔드 DC-DC 컨버터를 필요로 하지 않으므로 전체 시스템의 손실과 비용을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 송신단에 ZVS 탱크를 포함하여 전 부하 범위 내에서 송신단 전력 스위치의 영전압 스위칭 조건을 달성할 수 있으므로, 시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 정전류(CC) 충전 모드로부터 정전압(CV) 충전 모드로의 전환에 있어서 송신단 및 수신단 간의 피드백 회로를 필요로 하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기의 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 충전기의 정전압(CV) 충전 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 8은 도 1에 도시된 충전기의 정전류(CC) 충전 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기에 의한 충전 모드 동안 배터리의 전압 및 등가 임피던스의 일 예를 보여주는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예와 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기의 개략적으로 나타낸 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 무선 전력 전송(WPT: Wireless Power Transfer) 충전기로, 송신단(10)으로부터 수신단(20)으로의 유도 전력 전달(IPT: Inductive Power Transfer)을 통해 수신단(20)의 배터리(battery)를 충전시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 배터리(battery)의 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 달성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 초고주파(예컨대, 6.78MHz)의 스위칭 주파수 조건 하에서 배터리(Battery)의 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 달성하기 위해 공진 네트워크를 변화시킬 수 있도록 구현될 수 있다.
구체적으로는, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 정전압(CV) 충전을 달성하기 위한 공진 네트워크로 S-LCC 토폴로지(21)를 채택하고, 정전류(CC) 충전을 달성하기 위한 공진 네트워크로 S-LCC 토폴로지(21) 및 S-LCC 토폴로지(21)와 연결되는 T-LCL 토폴로지(23)를 채택할 수 있다.
이를 위해 수신단(20)은 수신 코일(Lrx), S-LCC 토폴로지(21), T-LCL 토폴로지(23), 제1 공진 스위치(Sa), 제2 공진 스위치(Sb) 및 정류 회로(Rectifier)를 포함할 수 있다.
수신 코일(Lrx)는 송신단(10)에 마련되는 송신 코일(Ltx)에서 발생하는 유도 전력을 전달 받을 수 있다.
S-LCC 토폴로지(21)는 제1 공진 커패시터(S1s), 제2 공진 커패시터(S2s) 및 제1 공진 인덕터(L1s)를 포함할 수 있다. 제1 공진 커패시터(S1s)는 일단이 수신 코일(Lrx)과 연결되고, 타단이 병렬 연결된 제2 공진 커패시터(S2s) 및 제1 공진 인덕터(L1s)와 연결될 수 있다.
T-LCL 토폴로지(23)는 S-LCC 토폴로지(21)의 후단에 연결되며, 제2 공진 인덕터(Lsc1), 제3 공진 커패시터(Csc) 및 제3 공진 인덕터(Lsc2)를 포함할 수 있다. 제2 공진 인덕터(Lsc1) 및 제3 공진 인덕터(Lsc2)는 직렬 연결되고, 그 사이의 접점에는 제3 공진 커패시터(Csc)가 접속될 수 있다.
제1 공진 스위치(Sa)는 직렬 연결된 제2 공진 인덕터(Lsc1) 및 제3 공진 인덕터(Lsc2)의 양 끝단에 연결될 수 있다.
제2 공진 스위치(Sb)는 제3 공진 커패시터(Csc)에 연결될 수 있다. 구체적으로는, 제2 공진 스위치(Sb)의 양단은 제3 공진 커패시터(Csc) 및 수신 코일(Lrx)과 연결되는 출력 전압선 상에 각각 접속될 수 있다.
정류 회로(Rectifier)는 4 개의 다이오드(D1, D2, D3, D4)가 마련된 풀 브릿지 회로로, T-LCL 토폴로지(23)의 후단에 연결될 수 있다. 구체적으로는, 정류 회로(Rectifier)의 제1 레그에 마련되는 제1 다이오드(D1) 및 제3 다이오드(D3) 사이의 접점에는 T-LCL 토폴로지(23)가 연결되고, 정류 회로(Rectifier)의 제2 레그에 마련되는 제2 다이오드(D2) 및 제4 다이오드(D4) 사이의 접점에는 수신 코일(Lrx)과 연결되는 출력 전압선이 연결될 수 있다. 이러한 정류 회로(Rectifier)의 후단에는 병렬 연결된 출력 커패시터(Co) 및 배터리(Battery)가 연결될 수 있다.
이와 같은 수신단(20)에서 S-LCC 토폴로지(21) 및 T-LCL 토폴로지(23)는 송신단(10)으로부터의 유도 전력 전달(IPT)을 위한 공진 탱크로서 동작할 수 있다. 여기서, 수신단(20)은 제1 공진 스위치(Sa) 및 제2 공진 스위치(Sb)의 동작에 따라 공진 탱크의 구조를 변경할 수 있다. 이를 위해 수신단(20)은 공진 스위치 제어부(Driver IC)를 더 포함할 수 있다.
공진 스위치 제어부(Driver IC)에 의한 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 충전 모드 제어방법은 수신단(20)에 형성되는 공진 탱크를 직렬 연결된 S-LCC 토폴로지(21) 및 T-LCL 토폴로지(23)로 구성하여 정전류(CC) 충전 모드로 제어하는 단계, 배터리의 양단 전압을 센싱하는 단계 및 배터리의 양단 전압이 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 수신단(20)에 형성되는 공진 탱크를 S-LCC 토폴로지(21)로 구성하여 정전압(CV) 충전 모드로 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로는, 공진 스위치 제어부(Driver IC)는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 프로세스에 따라 먼저 정전류(CC) 충전 모드 제어를 실행할 수 있다. 이를 위해 공진 스위치 제어부(Driver IC)는 제1 공진 스위치(Sa)를 턴오프 제어 하고, 제2 공진 스위치(Sb)를 턴온 제어할 수 있다. 이에 따라, S-LCC 토폴로지(21) 및 T-LCL 토폴로지(23)를 구성하는 모든 소자들이 공진 탱크로서 공진 동작에 참여할 수 있다. 이와 같은 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 정전류(CC) 충전을 달성할 수 있을 것이다. 이와 관련하여 구체적인 설명은 후술한다.
그리고, 공진 스위치 제어부(Driver IC)는 배터리(Battery)의 양단 전압을 센싱할 수 있다. 공진 스위치 제어부(Driver IC)는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 프로세스에 따라 배터리(Battery)의 전압이 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 정전압(CV) 충전 모드 제어를 실행할 수 있다. 이를 위해, 공진 스위치 제어부(Driver IC)는 제1 공진 스위치(Sa)를 턴온 제어 하고, 제2 공진 스위치(Sb)를 턴오프 제어할 수 있다. 이에 따라, T-LCL 토폴로지(23)를 구성하는 제2 공진 인덕터(Lsc1), 제3 공진 커패시터(Csc) 및 제3 공진 인덕터(Lsc2)는 공진 탱크로서 공진 동작에 참여할 수 없으며, S-LCC 토폴로지(21)를 구성하는 소자들만이 공진 동작에 참여할 수 있다. 이와 같은 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 정전압(CV) 충전을 달성할 수 있을 것이다. 이와 관련하여 구체적인 설명은 후술한다.
한편, 송신단(10)은 입력 전원(VIN)과 연결될 수 있으며, 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2), ZVS 탱크(ZVS tank), 송신 커패시터(Cp) 및 송신 코일(Ltx)을 포함할 수 있다.
제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)는 GaN MOSFET 스위치로 구현될 수 있다.
제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)는 동일 브릿지에 마련될 수 있으며, 브릿지의 상단 및 하단에 입력 전원(VIN)의 양단이 연결되어, 스위칭 동작에 의해 입력 전원(VIN)을 송신 코일(Ltx)로 전달할 수 있다.
이러한 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 턴온 또는 턴오프 동작은 전력 앰프(power amp), 예컨대, Class D 앰프에 의해 제어될 수 있는데, 이와 관련하여 구체적인 설명은 후술한다.
ZVS 탱크(ZVS tank)는 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2) 사이의 접점에 연결되어 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 영전압 스위칭 조건을 달성할 수 있다. ZVS 탱크(ZVS TANK)는 ZVS 인덕터(LZVS) 및 ZVS 커패시터(CZVS)를 포함하여 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 턴온 동작 전에 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)에 부가된 기생 커패시터를 방전시키기 위한 음의 전류를 발생시킬 수 있다.
송신 커패시터(Cp)는 ZVS 탱크(ZVS TANK) 및 송신 코일(Ltx) 사이에 마련될 수 있다.
송신 커패시터(Cp)는 S-LCC 토폴로지(21)와 공진 탱크를 구성하여 송신 코일(Ltx)로부터 수신 코일(Lrx)로의 유도 전력 전달을 가능하게 한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 정전압(CV)/정전류(CC) 충전 동작 특성에 대해 설명한다.
상술한 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 정전압(CV) 충전 동작을 구현하기 위해 S-LCC 토폴로지(21)를 공진 탱크로 채택하고, 정전류(CC) 충전 동작을 구현하기 위해 S-LCC 토폴로지(21) 및 T-LCL 토폴로지(23)를 모두 공진 탱크로 채택할 수 있다.
먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 정전압(CV) 충전 동작 특성에 대해 설명한다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 충전기의 정전압(CV) 충전 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 도 1에 도시된 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)가 공진 탱크로 S-LCC 토폴로지(21)를 채택한 경우의 등가 회로를 확인할 수 있다.
도 2에서 Ltx 및 Lrx는 각각 송신 코일 및 수신 코일의 자기 인덕턴스를 나타내고, M은 송신 코일 및 수신 코일 간의 상호 인덕턴스를 나타낸다. Cp, C1s, C2s, 및 L1s는 각각 공진 커패시턴스들 및 공진 인덕턴스를 나타낸다. 또한, Vin_AC는 전압원 및 RAC는 부하의 등가 저항을 나타내며, 이는 아래 수학식들의 각 변수로 적용될 수 있다.
도 2에서 제1 공진 인덕터(L1s), 제2 공진 커패시터(C2s) 및 부하(RAC)는 아래 수학식 1과 같이 등가 임피던스(ZS_cv)로 병합하여 나타낼 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00001
수학식 1은 아래 수학식 2를 만족하는 공진 주파수(ω0)에서 아래 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00002
Figure 112019082244475-pat00003
수학식 3을 참조하면, 등가 임피던스(Zs_cv)는 저항 및 커패시턴스로 구성될 수 있다. 따라서, 도 2와 같은 등가 회로는 도 3과 같이 변환할 수 있다.
도 3에서 송신단(10)으로부터 수신단(20)으로의 반사 임피던스(Zref)는 아래 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00004
수학식 4에서 허수 부분을 없애기 위해서는, 아래 수학식 5와 같은 조건을 만족하여야 한다. 그 결과 공진 주파수(ω0)에서의 반사 임피던스(Zref)는 순수 저항 성분으로 아래 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00005
Figure 112019082244475-pat00006
도 3과 같은 등가 회로는 반사 임피던스(Zref)(Zref(ω0))를 적용하여 도 4와 같이 변환할 수 있다.
도 4에서 등가 입력 임피던스(Zin) 및 전송 전류(I1)은 아래 수학식 7 및 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00007
Figure 112019082244475-pat00008
등가 입력 임피던스(Zin)의 위상(phase)은 arg[im{Zin}/Re{Zin}]와 같이 결정될 수 있는데, 공진 주파수(ω0)에서 등가 입력 임피던스(Zin)의 영 위상 각(ZPA: Zero Phase Angle)을 달성하기 위해서는 등가 입력 임피던스(Zin)의 허수 성분이 아래 수학식 9와 같은 조건을 만족함으로써 제거될 필요가 있다.
Figure 112019082244475-pat00009
등가 입력 임피던스(Zin)의 허수 성분이 공진 주파수(ω0)에서 수학식 9와 같은 조건을 만족하는 경우, 공진 주파수(ω0)에서의 등가 입력 임피던스(Zin)(ω0)는 아래 수학식 10과 같이 실수 성분으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00010
또한, 공진 주파수(ω0)에서의 전송 전류(I1)(ω0)는 아래 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00011
수학식 11에 따르면 공진 주파수(ω0)에서의 전송 전류(I1)(ω0)는 입력 전압과 위상이 같으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 송신 루프의 순환 전류를 크게 억제할 수 있다는 장점을 갖는다.
한편, 키르히호프의 전압 법칙(Kirchhoff's voltage law)을 도 3에 적용하는 경우, 수신 코일에서의 수신 전류(I2) 및 공진 주파수(ω0)에서의 수신 전류(I2)(ω0)는 각각 아래 수학식 12 및 13과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00012
Figure 112019082244475-pat00013
수학식 13으로부터 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 정전압(CV) 충전 동작 시의 전압 이득은 아래 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00014
수학식 14에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 공진 주파수(ω0)에서의 충전 동작 시, 출력 전압이 부하 조건과 무관하게 일정함을 확인할 수 있다.
수학식 14에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 공진 주파수(ω0)에서의 충전 동작 시, 출력 전압이 입력 전압(Vin_AC), 공진 인덕턴스(L1s) 및 송신 코일 및 수신 코일 간의 상호 인덕턴스(M)에 따라 변동됨을 확인할 수 있다. 여기서 상호 인덕턴스(M)가 고정되는 경우, 출력 전압은 공진 인덕턴스(L1s)에 의해 조절될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 공진 소자들의 각 파라미터가 수학식 2, 5 및 9를 만족하도록 설계되는 경우, 정전압(CV) 충전을 구현할 수 있을 것이다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 정전류(CC) 충전 동작 특성에 대해 설명한다.
도 5 내지 도 8은 도 1에 도시된 충전기의 정전류(CC) 충전 동작 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 1에 도시된 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)가 공진 탱크로 직렬 연결된 S-LCC 토폴로지(21) 및 T-LCL 토폴로지(23)를 채택한 경우의 등가 회로를 확인할 수 있다. T-LCL 토폴로지(23)는 S-LCC 토폴로지(21)로부터 일정한 전압(Vin_T)을 공급 받을 수 있을 것이다.
도 5에서 각 파라미터는 도 2를 참조하여 설명한 것으로 대체하며, 다만 Lsc1, Lsc2 및 Csc는 각각 T-LCL 토폴로지(23)에 포함되는 공진 인덕턴스들 및 공진 커패시턴스를 의미한다.
도 6을 참조하면, T-LCL 토폴로지(23)는 두 개의 인덕터(Lsc1 및 Lsc2) 및 하나의 커패시터(Csc)를 포함하여 구성될 수 있으며, RAC는 부하의 등가 저항을 나타낸다.
도 6에서 제3 공진 인덕터(Lsc2), 제3 공진 커패시터(Csc) 및 부하(RAC)는 아래 수학식 15와 같이 등가 임피던스(Zeq)로 병합하여 나타낼 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00015
수학식 15는 아래 수학식 16을 만족하는 공진 주파수(ω0)에서 아래 수학식 17과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00016
Figure 112019082244475-pat00017
수학식 17을 참조하면, 수학식 16과 같은 조건을 만족하는 공진 주파수(ω0)에서 등가 임피던스(Zeq)는 저항 및 커패시턴스로 구성될 수 있다. 따라서 도 6과 같은 등가 회로는 도 7과 같이 변환할 수 있다.
도 7에서 등가 입력 임피던스(Zin_T)는 아래 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00018
제2 공진 인덕터(Lsc1)가 아래 수학식 19를 만족하도록 설계되는 경우, 도 7에서 리액티브 성분(reactive components)은 서로 상쇄될 수 있으며, 도 7과 같은 등가 회로는 도 8과 같이 변환할 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00019
제2 공진 인덕터(Lsc1)가 수학식 19를 만족하는 경우, 등가 입력 인덕턴스(Zin_T)는 아래 수학식 20과 같이 순수 저항 성분을 가질 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00020
따라서, 도 8에서 입력 전류(Iin_T) 및 출력 전류(Io_T)는 각각 아래 수학식 21 및 22와 같이 산출될 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00021
Figure 112019082244475-pat00022
수학식 22에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 공진 탱크로 직렬 연결된 S-LCC 토폴로지(21) 및 T-LCL 토폴로지(23)를 채택하고, 공진 주파수(ω0)에서의 충전 동작 시, 출력 전류(Io_T(ω0))가 부하 조건과 무관하게 일정함을 확인할 수 있다.
수학식 22에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 공진 탱크로 직렬 연결된 S-LCC 토폴로지(21) 및 T-LCL 토폴로지(23)를 채택하고, 공진 주파수(ω0)에서의 충전 동작 시, 출력 전류(Io_T(ω0))는 입력 전압(Vin_T), 동작 주파수(ω0) 및 T-LCL 토폴로지(23)에 포함되는 공진 성분들(Lsc2 및 Csc)에 따라서만 변동됨을 확인할 수 있다.
여기서 입력 전압(Vin_T)은 S-LCC 토폴로지(21)의 출력 전압으로, 상술한 바와 같이 S-LCC 토폴로지(21)는 공진 파라미터들이 소정의 조건을 만족하도록 설계되는 경우, 일정한 출력 전압을 생성할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 부하 독립적인 전류원으로 동작하여 정전류(CC) 충전을 구현할 수 있을 것이다.
이하에서는 아래 표 1과 같은 배터리의 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 파라미터들과 공진 주파수(스위칭 주파수)의 조건 하에서 배터리의 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 설계 방법에 대해 설명한다.
Figure 112019082244475-pat00023
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기에 의한 충전 모드 동안 배터리의 전압 및 등가 임피던스의 일 예를 보여주는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)가 표 1과 같은 조건으로 설계되는 경우, 배터리는 도 9와 같이 정전류(CC)/정전압(CV) 모드로 충전되어 완충될 것이다.
먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 송신단(10) 설계에 대해 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 송신단(10)을 제1 스위치(S1), 제2 스위치(S2) 및 ZVS 탱크로 구성할 수 있는데, 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2) 제어를 위한 Class D 앰프를 포함할 수 있다(도 1 참조).
예를 들면, Class D 앰프의 출력은 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 게이트 전압이 될 수 있다.
일반적으로 초고주파 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 Class D 앰프 또는 Class E 앰프가 널리 사용된다. Class E 앰프의 경우 Class D 앰프와 비교하였을 때 기생 성분의 수가 적으므로 높은 변환 효율을 갖는다. 그러나, Class E 앰프는 Class D 앰프와 비교하였을 때, 부하 변화에 민감하여 전체 부하 범위에 대하여 영전압 스위칭(ZVS: Zero Voltage Switching) 조건을 달성하기 어렵다. 이에 따라 최근에는 Class D 앰프가 영전압 스위칭 동작을 구현할 수 있으며, 초크 인덕터를 필요로 하지 않는다는 점에서 Class E 앰프에 비해 높은 효율을 달성할 수 있는 것으로 평가 받고 있다.
아울러, GaN MOSFETs 스위치의 경우, 실리콘 스위치에 비해 낮은 게이트 전하 및 출력 커패시턴스를 가져 무선 전력 전송(WPT) 시스템에서 우수한 성능을 보인다. 저전력 컨버터에 있어서 스위치 동작에 요구되는 전하는 상대적으로 크므로 낮은 게이트 전하 및 출력 커패시턴스는 중요한 요소라 할 수 있다.
따라서 GaN MOSFETs 스위치 및 영전압 스위칭 특성을 갖는 Class D 앰프는 무선 전력 전송(WPT) 충전기의 전력 앰프로 적용되기에 적합하다.
이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 송신단(10)에 마련되는 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)를 GaN MOSFET 스위치로 구현할 수 있으며, 이를 제어하는 Class D 앰프 및 이의 영전압 스위칭 조건을 달성하기 위한 ZVS 탱크를 포함하여 송신단(10)을 구성할 수 있다.
송신단(10)의 최대 효율을 달성하기 위해서는 ZVS 탱크가 공진 조건에서 정확하게 공진 동작을 실행할 수 있도록 설계되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 Class D 앰프에 의해 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 영전압 스위칭 조건을 달성할 수 있다. 그러나, Class D 앰프는 특정 부하 범위 내에서는 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 기생 커패시턴스에 의해 높은 스위칭 손실을 발생시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 ZVS 탱크를 포함할 수 있다. ZVS 탱크는 직렬 연결된 ZVS 인덕터(LZVS) 및 ZVS 커패시터(CZVS)를 포함할 수 있다(도 1 참조). ZVS 탱크는 제1 스위치(S1) 및 제2 스위치(S2)의 턴온 동작 전에 기생 커패시터를 방전시키기 위한 충분한 음의 전류를 발생시킬 수 있다. 이를 위한 ZVS 탱크의 ZVS 탱크 인덕터(LZVS)의 값은 아래 수학식 23과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00024
수학식 23에서 △tvt는 제1 스위치(S1) 또는 제2 스위치(S2)의 전압 전이 시간을 의미하고, Coss는 제1 스위치(S1) 또는 제2 스위치(S2)의 기생 커패시턴스를 의미한다.
이하 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 수신단(20)에 포함되는 공진 탱크의 설계에 대해 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 DC 입력 및 AC 출력 간의 관계는 FHA(Fundamental Harmonic Analysis)에 기반하여 아래 수학식 24와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00025
Figure 112019082244475-pat00026
수학식 24의 Vin_AC 및 Vo_AC를 수학식 14에 대입하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 DC 전압 이득(Gv(ω0))은 아래 수학식 25와 같이 산출할 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00027
수학식 22를 이용하면, T-LCL 토폴로지(23)의 상호인덕턴스 이득(Gi_T(ω0))은 아래 수학식 26과 같이 산출할 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00028
한편 T-LCL 토폴로지(23)는 S-LCC 토폴로지(21)와 캐스케이드 구조로 연결되어 있으므로, 수신단(20)의 상호인덕턴스 이득(Gi(ω0))은 수학식 24, 25 및 26에 따라 아래 수학식 27과 같이 산출할 수 있다.
Figure 112019082244475-pat00029
본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)의 공진 탱크는 다음과 같은 순서에 따라 설계할 수 있다.
표 1과 같이 입력 DC 전압(Vi), 정격 전력(Po), 요구되는 정전류(CC)/정전압(CV) 값(IO, VO) 및 코일 거리 및 치수 등이 정해지는 경우, 송신단(10) 및 수신단(20) 각각의 송신 코일(Ltx) 및 수신 코일(Lrx)의 인덕턴스와 상호 인덕턴스(M)를 산출할 수 있다.
그리고 수학식 9를 이용하여 송신단(10)의 공진 커패시터(Cp)의 커패시턴스를 설정하고, 수학식 25를 이용하여 S-LCC 토폴로지(21)의 제1 공진 인덕터(L1s)의 인덕턴스를 설정하고, 수학식 2를 이용하여 S-LCC 토폴로지(21)의 제2 공진 커패시터(C2s)의 커패시턴스를 설정하며, 수학식 5를 이용하여 S-LCC 토폴로지(21)의 제1 공진 커패시터(C1s)의 커패시턴스를 설정할 수 있다.
또한, 수학식 27을 이용하여 T-LCL 토폴로지(23)의 제2 및 제3 공진 인덕터(Lsc1, Lsc2)의 인덕턴스를 설정하고, 수학식 16을 이용하여 T-LCL 토폴로지(23)의 제3 공진 커패시터(Csc)의 커패시턴스를 설정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 위와 같이 설정되는 파라미터들로 공진 탱크를 설계할 수 있으며, 아래 표 2는 위와 같은 순서에 따라 설정된 공진 탱크의 파라미터의 일 예를 보여준다.
Figure 112019082244475-pat00030
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 충전 모드에 따라 공진 네트워크를 변경할 수 있도록 구성되어, 하나의 동작 주파수(예컨대, 6.78MHz)에서 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 구현할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전 모드 구현을 위한 백-엔드 DC-DC 컨버터를 필요로 하지 않으므로 전체 시스템의 손실과 비용을 줄일 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 송신단(10)에 ZVS 탱크를 포함하여 전 부하 범위 내에서 송신단(10) 전력 스위치(S1, S2)의 영전압 스위칭 조건을 달성할 수 있으므로, 시스템의 전체 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기(1)는 정전류(CC) 충전 모드로부터 정전압(CV) 충전 모드로의 전환에 있어서 송신단(10) 및 수신단(20) 간의 피드백 회로를 필요로 하지 않으므로, 무선 전력 전송(WPT) 시스템에 적용될 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기
10: 송신단
20: 수신단
21: S-LCC 토폴로지
23: T-LCL 토폴로지

Claims (10)

  1. 송신 코일 및 수신 코일 간의 유도 전력 전달(IPT: Inductive Power Transfer)을 통해 상기 수신 코일과 연결되는 배터리를 충전시키는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기에 있어서,
    입력 전원과 연결되는 복수의 스위치의 스위칭 동작에 의해 상기 입력 전원으로부터 공급되는 입력 전압을 상기 송신 코일로 전달하는 송신단; 및
    상기 수신 코일과 연결되는 S-LCC 토폴로지 및 상기 S-LCC 토폴로지의 후단에 연결되는 T-LCL 토폴로지를 포함하며, 상기 S-LCC 토폴로지로 구성되는 공진 탱크에 의한 송신 코일 및 상기 수신 코일 간의 유도 전력 전달을 통해 정전압을 출력하거나, 상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 T-LCL 토폴로지로 구성되는 공진 탱크에 의한 송신 코일 및 상기 수신 코일 간의 유도 전력 전달을 통해 정전류를 출력하여 상기 배터리를 충전시키는 수신단을 포함하고,
    상기 수신단은,
    상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 배터리와 연결되는 정류 회로를 연결하는 제1 공진 스위치;
    양단이 각각 상기 T-LCL 토폴로지 및 상기 수신 코일과 연결되는 출력 전압선에 접속되는 제2 공진 스위치; 및
    상기 배터리의 양단 전압을 센싱하고, 상기 배터리의 양단 전압에 따라 정전류(CC) 충전 모드 및 정전압(CV) 충전 모드 간의 전환을 위해 상기 제1 공진 스위치 및 상기 제2 공진 스위치의 스위칭 동작을 제어하여 공진 탱크의 구조를 변경하는 공진 스위치 제어부를 포함하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수신단은,
    상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 배터리와 연결되는 정류 회로 사이에 마련되며, 직렬 연결된 제2 공진 인덕터 및 제3 공진 인덕터와, 상기 제2 공진 인덕터 및 상기 제3 공진 인덕터 사이의 접점에 접속되는 제3 공진 커패시터를 포함하는 상기 T-LCL 토폴로지를 포함하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수신단은,
    직렬 연결된 상기 제2 공진 인덕터 및 상기 제3 공진 인덕터의 양 끝단에 연결되는 제1 공진 스위치; 및
    양단이 각각 상기 제3 공진 커패시터 및 상기 수신 코일과 연결되는 출력 전압선에 접속되는 제2 공진 스위치를 포함하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수신단은,
    상기 수신 코일과 연결되는 제1 공진 커패시터와 병렬 연결된 상태로 상기 제1 공진 커패시터에 연결되는 제2 공진 커패시터 및 제1 공진 인덕터를 포함하는 상기 S-LCC 토폴로지를 포함하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 송신단은,
    상기 입력 전원의 양단에 연결되는 브릿지에 마련되며, GaN MOSFET 스위치로 구현되는 제1 스위치 및 제2 스위치;
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 턴온 또는 턴오프 동작을 제어하는 Class D 앰프;
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이의 접점에 연결되며, ZVS 인덕터 및 ZVS 커패시터를 포함하여 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치에 부가된 기생 커패시터를 방전시키기 위한 음의 전류를 발생시키는 ZVS 탱크; 및
    상기 ZVS 탱크 및 상기 송신 코일 사이에 마련되며, 상기 S-LCC 토폴로지 또는 상기 T-LCL 토폴로지와 공진 탱크를 구성하는 송신 커패시터를 포함하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치는,
    상기 ZVS 탱크에 의해 영전압 스위칭 조건 하에서 스위칭 제어되는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기.
  8. 송신단 및 수신단 간의 유도 전력 전달(IPT: Inductive Power Transfer)을 통해 상기 수신단에 마련되는 배터리를 충전시키는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기의 제어 방법에 있어서,
    상기 수신단에 형성되는 공진 탱크를 직렬 연결된 S-LCC 토폴로지 및 T-LCL 토폴로지로 구성하여 정전류(CC) 충전 모드로 제어하는 단계;
    상기 배터리의 양단 전압을 센싱하는 단계; 및
    상기 배터리의 양단 전압이 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 상기 수신단에 형성되는 공진 탱크를 S-LCC 토폴로지로 구성하여 정전압(CV) 충전 모드로 제어하는 단계를 포함하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기의 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수신단에 형성되는 공진 탱크를 직렬 연결된 S-LCC 토폴로지 및 T-LCL 토폴로지로 구성하여 정전류(CC) 충전 모드로 제어하는 단계는,
    상기 S-LCC 토폴로지 및 상기 배터리와 연결되는 정류 회로를 연결하는 제1 공진 스위치를 턴오프 제어하는 단계; 및
    양단이 각각 상기 T-LCL 토폴로지 및 상기 송신단으로부터 유도 전력을 전달 받는 수신 코일과 연결되는 출력 전압선에 접속되는 제2 공진 스위치를 턴온 제어하는 단계를 포함하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기의 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배터리의 양단 전압이 최대 충전 전압에 도달하는 경우, 상기 수신단에 형성되는 공진 탱크를 S-LCC 토폴로지로 구성하여 정전압(CV) 충전 모드로 제어하는 단계는,
    상기 제1 공진 스위치를 턴온 제어하는 단계; 및
    상기 제2 공진 스위치를 턴오프 제어하는 단계를 포함하는 정전류(CC)/정전압(CV) 충전을 위한 초고주파 무선 충전기의 제어방법.
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