KR20170089350A - 무선 전력 송수신 장치 - Google Patents

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KR20170089350A
KR20170089350A KR1020160009647A KR20160009647A KR20170089350A KR 20170089350 A KR20170089350 A KR 20170089350A KR 1020160009647 A KR1020160009647 A KR 1020160009647A KR 20160009647 A KR20160009647 A KR 20160009647A KR 20170089350 A KR20170089350 A KR 20170089350A
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성재석
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Abstract

본 발명의 일 기술적 측면에 따른 무선 전력 송수신 장치는, 무선 전력 송신 장치 또는 무선 전력 수신 장치와 자기적으로 결합하는 공진기, 상기 공진기에 연결되고, 전력 수신 모드에서는 정류기로 동작하고 전력 송신 모드에서는 인버터로 동작하는 브리지 회로부 및 상기 브리지 회로부에 연결되고, 상기 전력 수신 모드에서는 감압 동작하고 상기 전력 송신 모드에서는 승압 동작하는 양방향 컨버터를 포함할 수 있다.

Description

무선 전력 송수신 장치 {WIRELESSLY POWER TRANCEIVER}
본 발명은 양방향으로 전력 송신 또는 전력 수신이 가능한 무선 전력 송수신 장치에 관한 것이다.
무선 전력 전송 (Wireless power transfer) 기술은 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 기술은 다양한 방식으로 개발되고 있으며, 각 방식에 따라 서로 다른 주파수가 사용되고 있다. 예를 들면, WPC(Wireless Power Consortium) 표준에 따른 자기 유도 방식에서는 110kHz~205kHz의 주파수가 사용되고 있으며, A4WP(Alliance for Wireless Power) 표준에 다른 자기 공진 방식에서는 6.78MHz의 주파수가 사용되고 있다.
한편, 무선 전력 전송 기술에서는 이와 같이 다른 방식을 이용하는 경우, 상호 간의 호환이 어려워지는 문제가 있다. 또는 호환 가능하도록 하기 위하여 서로 다른 무선 충전 표준에 맞는 각각의 무선 전력 전송 장치나 수신 장치를 개별적으로 구비하는 경우, 그 크기가 커지는 문제점이 있다.
한국 공개특허공보 제2012-0112462호 한국 공개특허공보 제2014-0112357호
본 발명에 따른 일 실시형태의 목적은, 다양한 무선 충전 표준을 지원하면서도 양방향으로 전력 송신 또는 전력 수신이 가능한 무선 전력 송수신 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 기술적 측면은 무선 전력 송수신 장치의 일 실시예를 제안한다. 상기 무선 전력 송수신 장치는, 무선 전력 송신 장치 또는 무선 전력 수신 장치와 자기적으로 결합하는 공진기, 상기 공진기에 연결되고, 전력 수신 모드에서는 정류기로 동작하고 전력 송신 모드에서는 인버터로 동작하는 브리지 회로부 및 상기 브리지 회로부에 연결되고, 상기 전력 수신 모드에서는 감압 동작하고 상기 전력 송신 모드에서는 승압 동작하는 양방향 컨버터를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 기술적 측면은 무선 전력 송수신 장치의 다른 일 실시예를 제안한다. 상기 무선 전력 송수신 장치는, 제1 공진 주파수를 가지는 제1 공진 회로, 상기 제1 공진 주파수보다 낮은 제2 공진 주파수를 가지는 제2 공진 회로, 복수의 브리지 회로를 포함하고, 복수의 브리지 회로 중 적어도 일부는 상기 제1 공진 회로와 연결되고, 복수의 브리지 회로 중 나머지 일부는 상기 제2 공진 회로와 연결되는 브리지 회로부 및 상기 브리지 회로부에 연결되고, 전력 수신 모드에서는 상기 브리지 회로부를 통하여 제공된 제1 전압을 감압하고, 전력 송신 모드에서는 부하에서 제공된 제2 전압을 승압하는 양방향 컨버터를 포함할 수 있다.
상기한 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 과제 해결을 위한 다양한 수단들은 이하의 상세한 설명의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 무선 전력 송수신 장치는 다양한 무선 충전 표준을 지원하면서도 양방향으로 전력 송신 또는 전력 수신이 가능한 효과를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치를 포함하는 기기 및 이를 포함하는 무선 전력 충전 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치를 도시하는 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치의 일 예를 도시하는 회로도이다.
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 제1 공진 회로를 이용한 전력 수신 동작을 설명하는 참고 회로도이다.
도 6은 도 3에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 제1 공진 회로를 이용한 전력 송신 동작을 설명하는 참고 회로도이다.
도 7 및 도 8은 도 3에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 제2 공진 회로를 이용한 전력 수신 동작을 설명하는 참고 회로도이다.
도 9는 도 3에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 제2 공진 회로를 이용한 전력 송신 동작을 설명하는 참고 회로도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치의 다른 일 예를 도시하는 회로도이다.
도 11 및 도 12는 도 10에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 제1 공진 회로를 이용한 전력 수신 동작을 설명하는 참고 회로도이다.
도 13은 도 10에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 제1 공진 회로를 이용한 전력 송신 동작을 설명하는 참고 회로도이다.
도 14 및 도 15은 도 10에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 제2 공진 회로를 이용한 전력 수신 동작을 설명하는 참고 회로도이다.
도 16는 도 10에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 제2 공진 회로를 이용한 전력 송신 동작을 설명하는 참고 회로도이다.
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.
본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치를 포함하는 기기 및 이를 포함하는 무선 전력 충전 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 무선 전력 충전 시스템은 무선 전력 송수신 장치(100) 및 무선 전력 송신 장치(20)를 포함한다.
무선 전력 송수신 장치(100)는 무선 전력 송신 장치(20)로부터 전력을 제공받고, 이를 전자 기기(10)에 제공할 수 있다.
도 1에서는 무선 전력 송수신 장치(100)는 무선 전력 수신 기능을 수행하는 예를 도시하고 있으나, 이와 달리 무선 전력 송수신 장치(100)는 무선 전력을 제공하는 기능을 수행할 수 도 있다.
예컨대, 무선 전력 송수신 장치(100)는 전자 기기(10)의 축전 소자(예를 들어, 배터리)의 전원을 기반으로, 타 무선 전력 수신 장치에 전력을 송신할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치(100)는 무선으로 전력을 수신하여 전자 기기(10)에 제공하거나, 또는 전자 기기(10)에 저장된 전원을 기반으로 타 장치에게 무선으로 전력을 송신할 수 있다.
이러한 무선 전력 송수신 장치에 대해서는 이하 도 2 내지 도 16을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치를 도시하는 블록 구성도이다.
도 2를 참조하면, 무선 전력 송수신 장치(100)는 공진기(110), 브리지 회로부(120) 및 양방향 컨버터(130)를 포함한다.
공진기(110)는 무선 전력 송신 장치 또는 무선 전력 수신 장치와 자기적으로 결합할 수 있다. 즉, 무선 전력 송신 장치의 송신 공진기나 또는 무선 전력 수신 장치의 수신 공진기와 자기적으로 결합하여, 무선으로 전력을 수신하거나 송신할 수 있다.
일 실시예에서 공진기(110)는 복수의 공진 회로를 포함할 수 있다. 복수의 공진 회로는 각각 서로 다른 공진 특성을 가질 수 있다.
브리지 회로부(120)는 공진기(110)에 연결되고, 전력 수신 모드에서는 정류기로 동작하고 전력 송신 모드에서는 인버터로 동작할 수 있다.
양방향 컨버터(130)는 브리지 회로부(120)에 연결되고, 전력 수신 모드에서는 감압 동작하고 전력 송신 모드에서는 승압 동작할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치의 일 예를 도시하는 회로도이고, 도 4 내지 도 9는 도 3에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 동작을 설명하기 위한 참고 회로도이다.
도 3을 참조하면, 무선 전력 송수신 장치(100)는 공진기(110), 브리지 회로부(120) 및 양방향 컨버터(130)를 포함한다.
공진기(110)는 복수의 공진 회로를 포함할 수 있다.
도시된 예에서 공진기(110)는 제1 커패시터(C1)와 제1 인덕터(L1)로 구성되는 제1 공진회로와, 제2 커패시터(C2)와 제2 인덕터(L2)로 구성되는 제2 공진회로를 포함한다.
제1 공진 회로(C1, L1)와 제2 공진 회로(C2, L2)는 서로 다른 공진 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 공진 회로(C1, L1)는 제1 공진 주파수를 가질 수 있고, 제2 공진 회로(C2, L2)는 제1 공진 주파수보다 낮은 제2 공진 주파수를 가질 수 있다.
제1 주파수는 A4WP(Alliance for Wireless Power) 표준 주파수이고, 제2 주파수는 WPC(Wireless Power Consortium) 표준 주파수 또는 PMA(Power Matters Alliance) 표준 주파수일 수 있다. 이 경우, 제1 공진 주파수(
Figure pat00001
)는 A4WP(Alliance for Wireless Power) 표준 주파수이고, 제2 공진 주파수(
Figure pat00002
)는 WPC(Wireless Power Consortium) 표준 주파수 또는 PMA(Power Matters Alliance) 표준 주파수가 되도록 제1 커패시터(C1) 및 제2 커패시터(C2) 각각의 커패시턴스와, 제1 인덕터 (L1) 및 제2 인덕터 (L2) 각각의 인덕턴스가 결정될 수 있다.
제1 공진 회로(C1, L1)와 제2 공진 회로(C2, L2)는 공통 단(common end)을 가질 수 있다. 도시된 예에서, 제1 공진 회로(C1, L1)와 제2 공진 회로(C2, L2)는 스위치 Q3 및 스위치 Q4에 연결되는 공통단을 가지고 있다.
브리지 회로부(120)는 복수의 브리지 회로를 포함할 수 있다.
본 발명에서 브리지 회로는 2개의 스위치로 구성되며, 제1 공진회로 또는 제2 공진호로의 일 단에 연결되는 회로를 지칭한다. 따라서, 도 3에 도시된 예에서, 브리지 회로부(120)는 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)로 구성되는 제1 브리지 회로와, 제3 스위치(Q3)와 제4 스위치(Q4)로 구성되는 제2 브리지 회로, 및 제5 스위치(Q5)와 제6 스위치(Q6)로 구성되는 제3 브리지 회로를 포함한다.
구체적으로, 제1 공진 회로(C1, L1)의 일단은 제1 브리지 회로(Q1, Q2)에 연결되고, 공통 단은 제2 브리지 회로(Q3, Q4)에 연결된다. 제2 공진 회로(C2, L2)의 일단은 제3 브리지 회로(Q5, Q6)에 연결된다.
브리지 회로부(120)는 복수의 브리지 회로의 동작에 따라, 정류기로서 동작하거나 인버터로서 동작할 수 있다.
예를 들어, 제1 공진 회로(C1, L1)가 동작할 때, 제1 브리지 회로(Q1, Q2) 및 제2 브리지 회로(Q3, Q4)는 정류기 또는 인버터로서 동작할 수 있다. 한편, 제2 공진 회로(C2, L2)가 동작할 때, 제2 브리지 회로(Q3, Q4) 및 상기 제3 브리지 회로(Q5, Q6)는 정류기 또는 인버터로서 동작할 수 있다.
양방향 컨버터(130)는 전력 수신 모드에서는 브리지 회로부(120)를 통하여 제공된 제1 전압을 감압하여 부하에 제공할 수 있다. 한편, 전력 송신 모드에서는 양방향 컨버터(130)는 부하에서 제공된 제2 전압을 승압하여 브리지 회로부(120)에 제공할 수 있다.
무선 전력 송수신 장치(100)는 링크 커패시터(Cl)를 포함할 수 있으며, 링크 커패시터(Cl)는 브리지 회로부(120) 및 양방향 컨버터(130)에 연결될 수 있다.
링크 커패시터(Cl)는 전력 수신 모드에서는 축전된 전하를 양방향 컨버터(130), 즉, 부하에 제공하고, 전력 송신 모드에서는 축전된 전하를 브리지 회로부(120)에 제공할 수 있다.
양방향 컨버터(130)는 제1 컨버터 스위치(Qc1), 제2 컨버터 스위치(Qc2) 및 컨버터 인덕터(Lc)를 포함할 수 있다.
제1 컨버터 스위치(Qc1)의 일단은 링크 커패시터(Cl)의 일단에, 제1 컨버터 스위치(Qc1)의 타단은 제2 컨버터 스위치(Qc2)의 일단 및 컨버터 인덕터(Lc)의 일단에 연결될 수 있다.
제2 컨버터 스위치(Qc2)의 일단은 제1 컨버터 스위치(Qc1)의 타단 및 컨버터 인덕터(Lc)의 일단에 연결될 있다. 제2 컨버터 스위치(Qc2)의 타단은 링크 커패시터(Cl)의 타단에 연결될 수 있다.
컨버터 인덕터(Lc)의 일단은 제1 컨버터 스위치(Qc1)의 타단 및 제2 컨버터 스위치(Qc2)의 일단에 연결되고, 컨버터 인덕터(Lc)의 타단은 부하의 일단에 연결될 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 9를 참조하여, 상기 무선 전력 송수신 장치(100)의 각 모드에서의 동작에 대하여 설명한다.
도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 제1 공진 회로(C1, L1)를 이용한 전력 수신 동작을 설명하는 참고 회로도이다.
제1 공진 회로(C1, L1)는 전력 송신 장치의 공진 회로에 자기적으로 결합하여, 교류 입력을 제공받을 수 있다.
교류 입력의 일 극성에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 브리지 회로(Q1, Q2)의 제1 스위치(Q1)와 제2 브리지 회로(Q3, Q4)의 제4 스위치(Q4)를 통하여, 링크 커패시터(Cl)에 전하가 축전될 수 있다.
한편, 교류 입력의 다른 극성에서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 브리지 회로(Q1, Q2)의 제2 스위치(Q2)와 제2 브리지 회로(Q3, Q4)의 제3 스위치(Q3)를 통하여, 링크 커패시터(Cl)에 전하가 축전될 수 있다.
즉, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 브리지 회로(Q1, Q2) 및 제2 브리지 회로(Q3, Q4)는 정류 회로로서 동작할 수 있다.
한편, 양방향 컨버터(130)는 제1 컨버터 스위치(Qc1)에 대한 스위칭 제어에 따라, 링크 커패시터(Cl)의 전압을 가변하여 부하에 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1 컨버터 스위치(Qc1)는 펄스 폭 변압 제어에 따라 스위칭 동작하여, 링크 커패시터(Cl)의 전압을 감압하여 부하에 제공할 수 있다. 이때, 제2 컨버터 스위치(Qc2)는 스위칭 제어되지 않을 수 있으며, 이러한 경우 기생 다이오드를 통한 경로를 통하여 전류가 흐를 수 있다. 한편, 기생 다이오드로 인한 경로가 존재하지 않는 경우라면, 제2 컨버터 스위치(Qc2)는 ON 상태로 설정될 수 있다.
도 6은 도 3에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 제1 공진 회로를 이용한 전력 송신 동작을 설명하는 참고 회로도이다.
제1 공진 회로(C1, L1)는 전력 수신 장치의 공진 회로에 자기적으로 결합하여, 교류 전원을 제공할 수 있다.
이를 위하여, 양방향 컨버터(130)는 부하의 전원을 승압하여 링크 커패시터(Cl)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 양방향 컨버터(130)의 제2 컨버터 스위치(Qc2)에 대한 스위칭 제어-예를 들어, 펄스 폭 변조 제어-에 의하여, 부하의 전원은 컨버터 인덕터(Lc)에 충전 및 방전됨으로써 승압될 수 있다. 한편, 이때 제1 컨버터 스위치(Qc1)는 스위칭 제어되지 않을 수 있으며, 이러한 경우 기생 다이오드를 통한 경로를 통하여 전류가 흐를 수 있다. 한편, 기생 다이오드로 인한 경로가 존재하지 않는 경우라면, 제1 컨버터 스위치(Qc2)는 ON 상태로 설정될 수 있다.
브리지 회로부(120)는 링크 커패시터(Cl)에 저장된 직류 전원을 이용하여 교류 전원을 생성하여 제1 공진 회로(C1, L1)에 제공할 수 있다.
일 예로, 브리지 회로부(120)는 제1 스위치(Q1)와 제4 스위치(Q4)의 교번적인 스위칭 동작에 따라 교류 전원을 생성할 수 있다. 이러한 예에서는 제3 스위치(Q3)는 ON 상태일 수 있다.
이 외에도 브리지 회로부(120)는 다양한 방식으로 동작할 수도 있다.
예를 들어, 제4 스위치(Q4)를 ON 상태로 설정하여 접지화 시키고, 제1 스위치(Q1)와 제2 스위치(Q2)의 교번적인 스위칭 동작에 따라 교류 전원을 생성할 수 있다.
다른 예를 들어, 제2 스위치(Q2)를 ON 상태로 설정하여 접지화 시키고, 제3 스위치(Q3)와 제4 스위치(Q4)의 교번적인 스위칭 동작에 따라 교류 전원을 생성할 수 있다.
이와 같이, 전력 송신 모드에서, 양방향 컨버터(130)는 부스트 컨버터로서 동작하고, 브리지 회로부(120)는 인버터로서 동작함을 알 수 있다.
도 7 및 도 8은 도 3에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 제2 공진 회로를 이용한 전력 수신 동작을 설명하는 참고 회로도이다.
제2 공진 회로(C2, L2)는 전력 송신 장치의 공진 회로에 자기적으로 결합하여, 교류 입력을 제공받을 수 있다.
교류 입력의 일 극성에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 브리지 회로(Q3, Q4)의 제3 스위치(Q3)와 제3 브리지 회로(Q5, Q6)의 제6 스위치(Q6)를 통하여, 링크 커패시터(Cl)에 전하가 축전될 수 있다.
한편, 교류 입력의 다른 극성에서는, 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 브리지 회로(Q3, Q4)의 제4 스위치(Q4)와 제3 브리지 회로(Q5, Q6)의 제5 스위치(Q5)를 통하여, 링크 커패시터(Cl)에 전하가 축전될 수 있다.
즉, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 브리지 회로(Q3, Q4) 및 제3 브리지 회로(Q5, Q6)는 정류 회로로서 동작할 수 있다.
양방향 컨버터(130)는 제1 컨버터 스위치(Qc1)에 대한 스위칭 제어에 따라, 링크 커패시터(Cl)의 전압을 가변하여 부하에 제공할 수 있다. 예를 들어, 제1 컨버터 스위치(Qc1)는 펄스 폭 변압 제어에 따라 스위칭 동작하여, 링크 커패시터(Cl)의 전압을 감압하여 부하에 제공할 수 있다. 이때, 제2 컨버터 스위치(Qc2)는 스위칭 제어되지 않을 수 있으며, 이러한 경우 기생 다이오드를 통한 경로를 통하여 전류가 흐를 수 있다. 한편, 기생 다이오드로 인한 경로가 존재하지 않는 경우라면, 제2 컨버터 스위치(Qc2)는 ON 상태로 설정될 수 있다.
도 9는 도 3에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 제2 공진 회로를 이용한 전력 송신 동작을 설명하는 참고 회로도이다.
제2 공진 회로(C2, L2)는 전력 수신 장치의 공진 회로에 자기적으로 결합하여, 교류 전원을 제공할 수 있다.
이를 위하여, 양방향 컨버터(130)는 부하의 전원을 승압하여 링크 커패시터(Cl)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 양방향 컨버터(130)의 제2 컨버터 스위치(Qc2)에 대한 스위칭 제어-예를 들어, 펄스 폭 변조 제어-에 의하여, 부하의 전원은 컨버터 인덕터(Lc)에 충전 및 방전됨으로써 승압될 수 있다. 한편, 이때 제1 컨버터 스위치(Qc1)는 스위칭 제어되지 않을 수 있으며, 이러한 경우 기생 다이오드를 통한 경로를 통하여 전류가 흐를 수 있다. 한편, 기생 다이오드로 인한 경로가 존재하지 않는 경우라면, 제1 컨버터 스위치(Qc2)는 ON 상태로 설정될 수 있다.
브리지 회로부(120)는 링크 커패시터(Cl)에 저장된 직류 전원을 이용하여 교류 전원을 생성하여 제2 공진 회로(C2, L2)에 제공할 수 있다.
일 예로, 브리지 회로부(120)는 제3 스위치(Q3)와 제6 스위치(Q6)의 교번적인 스위칭 동작에 따라 교류 전원을 생성할 수 있다. 이러한 예에서는 제5 스위치(Q5)는 ON 상태일 수 있다.
이 외에도 브리지 회로부(120)는 다양한 방식으로 동작할 수도 있다.
예를 들어, 제4 스위치(Q4)를 ON 상태로 설정하여 접지화 시키고, 제5 스위치(Q5)와 제6 스위치(Q6)의 교번적인 스위칭 동작에 따라 교류 전원을 생성할 수 있다.
다른 예를 들어, 제6 스위치(Q6)를 ON 상태로 설정하여 접지화 시키고, 제3 스위치(Q3)와 제4 스위치(Q4)의 교번적인 스위칭 동작에 따라 교류 전원을 생성할 수 있다.
도 3 내지 도 9에서는 공통 단자를 포함하여 복수의 공진 회로를 가지는 예에 대하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것이다.
즉, 도 3에서 공진기(110)는 제1 공진 회로(C1, L1)와 제2 공진 회로(C2, L2)로 구성되나, 이는 다양하게 변형실시 될 수 있다. 예를 들어, 제1 커패시터와 제1 인덕터로 구성되는 제1 공진 회로를, 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)와 제1 및 제2 인덕터로 구성되는 제2 공진 회로를 이용할 수 도 있다.
한편, 공진기는 공통 단자 없이도 복수의 공진 회로를 포함할 수 있으며, 이러한 예에 대해서는 도 10 내지 도 16을 참조하여 설명한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 전력 송수신 장치의 다른 일 예를 도시하는 회로도이다.
도 10을 참조하면, 공진기(111)는 제1 공진 회로와 제2 공진 회로를 포함할 수 있다.
제1 공진 회로는 제1 커패시터(C11)와 제1 인덕터(L11)로 구성되고, 제2 공진 회로는 제2 커패시터(C12)와 제2 인덕터(L12)로 구성될 수 있다. 제1 공진 회로는 제1 공진 주파수를 가지고, 제2 공진 회로는 상기 제1 공진 주파수보다 낮은 제2 공진 주파수를 가질 수 있다.
브리지 회로부(120)는 복수의 브리지 회로를 포함하고, 복수의 브리지 회로 중 적어도 일부는 제1 공진 회로와 연결되고, 복수의 브리지 회로 중 나머지 일부는 제2 공진 회로와 연결될 수 있다.
도시된 예에서, 브리지 회로부(121)는 4개의 브리지 회로를 포함하며, 제1 브리지 회로(Q11, Q12) 및 제2 브리지 회로(Q13, Q14)는 제1 공진 회로에 연결되고, 제3 브리지 회로(Q15, Q16) 및 제4 브리지 회로(Q17, Q18)는 제2 공진 회로에 연결된다.
브리지 회로부(121)는 전력 수신 모드에서는 정류기로서 동작하고, 전력 송신 모드에서는 인버터로서 동작함은 이미 설명한 바와 같다.
브리지 회로부(121)의 일단에는 링크 커패시터(Cl1)가 연결되며, 또한 양방향 컨버터(131)가 연결된다.
링크 커패시터(Cl1)는 전력 수신 모드에서는 축전된 전하를 양방향 컨버터(131)측, 즉 부하에 제공하고, 전력 송신 모드에서는 축전된 전하를 브리지 회로부(121)에 제공할 수 있다.
양방향 컨버터(131)는 전력 수신 모드에서는 브리지 회로부(121)를 통하여 제공된 제1 전압을 감압하여 부하로 제공할 수 있다. 한편, 전력 송신 모드에서는 부하에서 제공된 제2 전압을 승압하여 링크 커패시터(Cl1)에 제공할 수 있다.
양방향 컨버터(130)는 제1 컨버터 스위치(Qc11), 제2 컨버터 스위치(Qc12) 및 컨버터 인덕터(Lc1)를 포함할 수 있다.
제1 컨버터 스위치(Qc11)의 일단은 링크 커패시터(Cl1)의 일단에, 제1 컨버터 스위치(Qc11)의 타단은 제2 컨버터 스위치(Qc12)의 일단 및 컨버터 인덕터(Lc1)의 일단에 연결될 수 있다.
제2 컨버터 스위치(Qc12)의 일단은 제1 컨버터 스위치(Qc11)의 타단 및 컨버터 인덕터(Lc1)의 일단에 연결될 있다. 제2 컨버터 스위치(Qc21)의 타단은 링크 커패시터(Cl1)의 타단에 연결될 수 있다.
컨버터 인덕터(Lc1)의 일단은 제1 컨버터 스위치(Qc11)의 타단 및 제2 컨버터 스위치(Qc12)의 일단에 연결되고, 컨버터 인덕터(Lc1)의 타단은 부하의 일단에 연결될 수 있다.
이하, 도 11 내지 도 16를 참조하여, 상기 무선 전력 송수신 장치(101)의 각 모드에서의 동작에 대하여 설명한다.
도 11 및 도 12는 도 10에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 제1 공진 회로(C11, L11)를 이용한 전력 수신 동작을 설명하는 참고 회로도이다.
제1 공진 회로(C11, L11)는 전력 송신 장치의 공진 회로에 자기적으로 결합하여, 교류 입력을 제공받을 수 있다.
교류 입력의 일 극성에서는, 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 브리지 회로(Q11, Q12)의 제1 스위치(Q11)와 제2 브리지 회로(Q13, Q14)의 제4 스위치(Q14)를 통하여, 링크 커패시터(Cl)에 전하가 축전될 수 있다.
한편, 교류 입력의 다른 극성에서는, 도 12에 도시된 바와 같이, 제1 브리지 회로(Q11, Q12)의 제2 스위치(Q12)와 제2 브리지 회로(Q13, Q14)의 제3 스위치(Q13)를 통하여, 링크 커패시터(Cl1)에 전하가 축전될 수 있다.
즉, 제1 브리지 회로(Q1, Q2) 및 제2 브리지 회로(Q3, Q4)는 정류 회로로서 동작할 수 있다.
양방향 컨버터(131)가 제1 컨버터 스위치(Qc11)에 대한 스위칭 제어에 따라, 링크 커패시터(Cl1)의 전압을 감압하여 부하에 제공하는 것은 상술한 내용으로부터 이해할 수 있다.
도 13은 도 10에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 제1 공진 회로를 이용한 전력 송신 동작을 설명하는 참고 회로도이다.
제1 공진 회로(C11, L11)는 전력 수신 장치의 공진 회로에 자기적으로 결합하여, 교류 전원을 제공할 수 있다.
이를 위하여, 양방향 컨버터(131)는 부하의 전원을 승압하여 링크 커패시터(Cl1)에 제공할 수 있다. 예를 들어, 양방향 컨버터(131)의 제2 컨버터 스위치(Qc12)에 대한 스위칭 제어-예를 들어, 펄스 폭 변조 제어-에 의하여, 부하의 전원은 컨버터 인덕터(Lc)에 충전 및 방전됨으로써 승압될 수 있다.
브리지 회로부(121)는 링크 커패시터(Cl1)에 저장된 직류 전원을 이용하여 교류 전원을 생성하여 제1 공진 회로(C11, L11)에 제공할 수 있다.
일 예로, 브리지 회로부(120)는 제1 스위치(Q11)와 제4 스위치(Q14)의 교번적인 스위칭 동작에 따라 교류 전원을 생성할 수 있다. 이러한 예에서는 제3 스위치(Q13)는 ON 상태일 수 있다.
이 외에도 브리지 회로부(120)는 다양한 방식으로 동작할 수도 있다.
예를 들어, 제4 스위치(Q14)를 ON 상태로 설정하여 접지화 시키고, 제1 스위치(Q11)와 제2 스위치(Q12)의 교번적인 스위칭 동작에 따라 교류 전원을 생성할 수 있다.
다른 예를 들어, 제2 스위치(Q12)를 ON 상태로 설정하여 접지화 시키고, 제3 스위치(Q13)와 제4 스위치(Q14)의 교번적인 스위칭 동작에 따라 교류 전원을 생성할 수 있다.
이와 같이, 전력 송신 모드에서, 양방향 컨버터(131)는 부스트 컨버터로서 동작하고, 브리지 회로부(121)는 인버터로서 동작한다.
도 14 및 도 15는 도 10에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 제2 공진 회로를 이용한 전력 수신 동작을 설명하는 참고 회로도이다.
제2 공진 회로(C12, L12)는 전력 송신 장치의 공진 회로에 자기적으로 결합하여, 교류 입력을 제공받을 수 있다.
교류 입력의 일 극성에서는, 도 14에 도시된 바와 같이, 제2 브리지 회로(Q13, Q14)의 제3 스위치(Q13)와 제3 브리지 회로(Q15, Q16)의 제6 스위치(Q16)를 통하여, 링크 커패시터(Cl1)에 전하가 축전될 수 있다.
한편, 교류 입력의 다른 극성에서는, 도 15에 도시된 바와 같이, 제2 브리지 회로(Q13, Q14)의 제4 스위치(Q14)와 제3 브리지 회로(Q15, Q16)의 제5 스위치(Q15)를 통하여, 링크 커패시터(Cl1)에 전하가 축전될 수 있다.
즉, 도 14 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 브리지 회로(Q13, Q14) 및 제3 브리지 회로(Q15, Q61)는 정류 회로로서 동작할 수 있다.
양방향 컨버터(131)는 제1 컨버터 스위치(Qc11)에 대한 스위칭 제어에 따라, 링크 커패시터(Cl1)의 전압을 가변하여 부하에 제공할 수 있음은 상술한 바와 같다.
도 16은 도 10에 도시된 무선 전력 송수신 장치의 제2 공진 회로를 이용한 전력 송신 동작을 설명하는 참고 회로도이다.
제2 공진 회로(C12, L12)는 전력 수신 장치의 공진 회로에 자기적으로 결합하여, 교류 전원을 제공할 수 있다.
양방향 컨버터(131)의 제2 컨버터 스위치(Qc12)에 대한 스위칭 제어-예를 들어, 펄스 폭 변조 제어-에 의하여, 부하의 전원은 컨버터 인덕터(Lc)의 충전 및 방전에 의하여 승압되어 링크 커패시터(Cl1)에 제공될 수 있다.
브리지 회로부(121)는 링크 커패시터(Cl1)에 저장된 직류 전원을 이용하여 교류 전원을 생성하여 제2 공진 회로(C12, L12)에 제공할 수 있다.
일 예로, 브리지 회로부(121)는 제5 스위치(Q5)와 제8 스위치(Q18)의 교번적인 스위칭 동작에 따라 교류 전원을 생성할 수 있다. 이러한 예에서는 제7 스위치(Q17)는 ON 상태일 수 있다.
이 외에도 브리지 회로부(120)는 다양한 방식으로 동작할 수도 있다.
예를 들어, 제6 스위치(Q16)를 ON 상태로 설정하여 접지화 시키고, 제7 스위치(Q17)와 제8 스위치(Q18)의 교번적인 스위칭 동작에 따라 교류 전원을 생성할 수 있다.
다른 예를 들어, 제8 스위치(Q18)를 ON 상태로 설정하여 접지화 시키고, 제5 스위치(Q15)와 제6 스위치(Q16)의 교번적인 스위칭 동작에 따라 교류 전원을 생성할 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 전자 기기
20 : 무선 전력 송신 장치
100 : 무선 전력 송수신 장치
110 : 공진기
120 : 브리지 회로부
130 : 양방향 컨버터

Claims (15)

  1. 무선 전력 송신 장치 또는 무선 전력 수신 장치와 자기적으로 결합하는 공진기;
    상기 공진기에 연결되고, 전력 수신 모드에서는 정류기로 동작하고 전력 송신 모드에서는 인버터로 동작하는 브리지 회로부; 및
    상기 브리지 회로부에 연결되고, 상기 전력 수신 모드에서는 감압 동작하고 상기 전력 송신 모드에서는 승압 동작하는 양방향 컨버터;
    를 포함하는 무선 전력 송수신 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공진기는
    제1 공진 주파수를 가지는 제1 공진 회로; 및
    상기 제1 공진 주파수보다 낮은 제2 공진 주파수를 가지는 제2 공진 회로; 를 포함하고,
    상기 제1 공진 회로 및 상기 제2 공진 회로는 하나의 공통 단(common end)을 가지는 무선 전력 송수신 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 브리지 회로부는
    제1 브리지 회로, 제2 브리지 회로 및 제3 브리지 회로를 포함하고,
    상기 제1 공진 회로가 동작할 때, 상기 제1 브리지 회로 및 상기 제2 브리지 회로는 정류기 또는 인버터로서 동작하고,
    상기 제2 공진 회로가 동작할 때, 상기 제2 브리지 회로 및 상기 제3 브리지 회로는 정류기 또는 인버터로서 동작하는 무선 전력 송수신 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 브리지 회로부는
    제1 브리지 회로, 제2 브리지 회로 및 제3 브리지 회로를 포함하고,
    상기 제1 공진 회로의 일단은 상기 제1 브리지 회로에, 상기 공통 단은 제2 브리지 회로에, 상기 제2 공진 회로의 일단은 상기 제3 브리지 회로에 연결되는 무선 전력 송수신 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 양방향 컨버터는
    상기 전력 수신 모드에서는 상기 브리지 회로부를 통하여 제공된 제1 전압을 감압하여 부하에 제공하고, 상기 전력 송신 모드에서는 상기 부하에서 제공된 제2 전압을 승압하여 상기 브리지 회로부에 제공하는 무선 전력 송수신 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 무선 전력 송수신 장치는
    상기 브리지 회로부 및 상기 양방향 컨버터에 연결되는 링크 커패시터;
    를 더 포함하고,
    상기 링크 커패시터는
    상기 전력 수신 모드에서는 축전된 전하를 상기 양방향 컨버터에 제공하고, 상기 전력 송신 모드에서는 축전된 전하를 상기 브리지 회로부에 제공하는 무선 전력 송수신 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 양방향 컨버터는
    일단이 상기 링크 커패시터의 일단에 연결되는 제1 컨버터 스위치;
    일단이 상기 제1 컨버터 스위치의 타단에 연결되고, 타단이 상기 링크 커패시터의 타단에 연결되는 제2 컨버터 스위치; 및
    일단이 상기 제1 컨버터 스위치의 타단과 상기 제2 컨버터 스위치의 일단에 연결되는 인덕터;
    를 포함하는 무선 전력 송수신 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전력 수신 모드에서,
    상기 제1 컨버터 스위치는 펄스 폭 변압 제어에 따라 스위칭 동작하고,
    상기 제2 컨버터 스위치는 스위칭 제어되지 않는 무선 전력 송수신 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전력 송신 모드에서,
    상기 제1 컨버터 스위치는 스위칭 제어되지 않고,
    상기 제2 컨버터 스위치는 펄스 폭 변압 제어에 따라 스위칭 동작하는 무선 전력 송수신 장치.
  10. 제1 공진 주파수를 가지는 제1 공진 회로;
    상기 제1 공진 주파수보다 낮은 제2 공진 주파수를 가지는 제2 공진 회로;
    복수의 브리지 회로를 포함하고, 복수의 브리지 회로 중 적어도 일부는 상기 제1 공진 회로와 연결되고, 복수의 브리지 회로 중 나머지 일부는 상기 제2 공진 회로와 연결되는 브리지 회로부; 및
    상기 브리지 회로부에 연결되고, 전력 수신 모드에서는 상기 브리지 회로부를 통하여 제공된 제1 전압을 감압하고, 전력 송신 모드에서는 부하에서 제공된 제2 전압을 승압하는 양방향 컨버터;
    를 포함하는 무선 전력 송수신 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 브리지 회로부는
    상기 전력 수신 모드에서는 정류기로서 동작하고, 상기 전력 송신 모드에서는 인버터로서 동작하는 무선 전력 송수신 장치.
  12. 제10항에 있어서, 상기 무선 전력 송수신 장치는
    상기 브리지 회로부 및 상기 양방향 컨버터에 연결되는 링크 커패시터;
    를 더 포함하고,
    상기 링크 커패시터는
    상기 전력 수신 모드에서는 축전된 전하를 상기 양방향 컨버터에 제공하고, 상기 전력 송신 모드에서는 축전된 전하를 상기 브리지 회로부에 제공하는 무선 전력 송수신 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 양방향 컨버터는
    일단이 상기 링크 커패시터의 일단에 연결되는 제1 컨버터 스위치;
    일단이 상기 제1 컨버터 스위치의 타단에 연결되고, 타단이 상기 링크 커패시터의 타단에 연결되는 제2 컨버터 스위치; 및
    일단이 상기 제1 컨버터 스위치의 타단과 상기 제2 컨버터 스위치의 일단에 연결되는 인덕터;
    를 포함하는 무선 전력 송수신 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전력 수신 모드에서,
    상기 제1 컨버터 스위치는 펄스 폭 변압 제어에 따라 스위칭 동작하고,
    상기 제2 컨버터 스위치는 스위칭 제어되지 않는 무선 전력 송수신 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 전력 송신 모드에서,
    상기 제1 컨버터 스위치는 스위칭 제어되지 않고,
    상기 제2 컨버터 스위치는 펄스 폭 변압 제어에 따라 스위칭 동작하는 무선 전력 송수신 장치.
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