KR20200093257A - 무선 전력 제어 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20200093257A
KR20200093257A KR1020190010495A KR20190010495A KR20200093257A KR 20200093257 A KR20200093257 A KR 20200093257A KR 1020190010495 A KR1020190010495 A KR 1020190010495A KR 20190010495 A KR20190010495 A KR 20190010495A KR 20200093257 A KR20200093257 A KR 20200093257A
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Abstract

본 발명은 무선 전력 송신 장치 및 그것의 무선 전력 제어 방법에 관한 것으로서, 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 무선 전력을 송신하는 송신부와 복수 개의 스위치를 포함하는 인버터와 상기 복수 개의 스위치에 스위치 구동 신호를 인가하도록 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기의 전체 전력 제어 구간은 상기 인버터의 출력 신호를 제1 주파수에서 제2 주파수까지 가변하는 제1 전력 제어 구간과 상기 인버터의 출력 신호를 제1 듀티비에서 제2 듀티비까지 가변하는 제2 전력 제어 구간과 상기 인버터의 출력 신호를 상기 제2 듀티비에서 제3 듀티비까지 가변하는 제3 전력 제어 구간을 포함할 수 있다. 따라서, 본 발명은 효율이 최적화된 무선 충전을 제공할 수 있는 장점이 있다.

Description

무선 전력 제어 방법 및 장치{Wireless Power Control Method and Apparatus}
본 발명은 무선 전력 전송 기술에 관한 것으로서, 상세하게, 최적의 효율로 전력 제어를 수행하는 것이 가능한 무선 전력 송신 장치의 무선 전력 제어 방법에 관한 것이다.
최근 정보 통신 기술이 급속도로 발전함에 따라, 정보 통신 기술을 기반으로 하는 유비쿼터스 사회가 이루어지고 있다.
언제 어디서나 정보통신 기기들이 접속되기 위해서는 사회 모든 시설에 통신 기능을 가진 컴퓨터 칩을 내장시킨 센서들이 설치되어야 한다.
따라서 이들 기기나 센서의 전원 공급 문제는 새로운 과제가 되고 있다. 또한 휴대폰뿐만 아니라 블루투스 핸드셋과 아이팟 같은 뮤직 플레이어 등의 휴대기기 종류가 급격히 늘어나면서 배터리를 충전하는 작업이 사용자에게 시간과 수고를 요구하고 됐다.
이러한 문제를 해결하는 방법으로 무선 전력 전송 기술이 최근 들어 관심을 받고 있다.
무선 전력 전송 기술(wireless power transmission 또는 wireless energy transfer)은 자기장의 유도 원리를 이용하여 무선으로 송신기에서 수신기로 전기 에너지를 전송하는 기술로서, 이미 1800년대에 전자기유도 원리를 이용한 전기 모터나 변압기가 사용되기 시작했고, 그 후로는 고주파, Microwave, 레이저 등과 같은 전자파를 방사해서 전기에너지를 전송하는 방법도 시도되었다. 우리가 흔히 사용하는 전동칫솔이나 일부 무선면도기도 실상은 전자기유도 원리로 충전된다.
무선 전력 송신기는 무선 전력 수신기로부 수신되는 피드백 신호에 기반하여 동적으로 전력 제어를 수행한다.
무선 전력 송신기는 주파수(frequecy)/위상(phase)/듀티비(duty rate) 등을 제어하여 공진 회로를 통해 출력되는 교류 전력 신호의 세기를 조절할 수 있다.
하지만, 종래의 무선 전력 송신기는 충전 중 공진 회로를 통해 전송되는 교류 전력 신호의 효율이 낮은 문제점이 있었으며, 그에 따른 전력 낭비가 발생되었다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 본 발명의 목적은 무선 전력 송신 장치 및 그것의 무선 전력 제어 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 전력 제어 시 하모닉 노이즈가 최소화되도록 듀티비를 제어함으로써, 최적의 전력 전송 효율을 제공하는 무선 전력 송신 장치 및 그것의 무선 전력 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 무선 전력 송신 장치 및 그것의 무선 전력 제어 방법을 제공할 수 있다.
실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 무선 전력을 송신하는 송신부와 복수 개의 스위치를 포함하는 인버터와 상기 복수 개의 스위치에 스위치 구동 신호를 인가하도록 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기의 전체 전력 제어 구간은 상기 인버터의 출력 신호를 제1 주파수에서 제2 주파수까지 가변하는 제1 전력 제어 구간과 상기 인버터의 출력 신호를 제1 듀티비에서 제2 듀티비까지 가변하는 제2 전력 제어 구간과 상기 인버터의 출력 신호를 상기 제2 듀티비에서 제3 듀티비까지 가변하는 제3 전력 제어 구간을 포함할 수 있다.
실시 예로, 상기 제2 듀티비는 기본 전력비가 89% 이상인 값일 수 있다.
다른 실시 예로, 상기 제2 듀티비는 31% 내지 43%의 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제3 듀티비는 상기 제2 듀티비보다 큰 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제3 듀티비는 50% 이하의 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제2 듀티비는 상기 제1 듀티비보다 큰 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 듀티비는 0% 이상의 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 전력 제어 구간은 상기 제2 듀티비로 고정될 수 있다.
실시 예로, 상기 제3 전력 제어 구간은 상기 제1 주파수로 고정될 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 전력 제어 구간은 상기 제2 주파수로 고정될 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수보다 작은 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 동작 주파수 범위 내에서, 상기 제1 주파수는 최소 주파수이고 상기 제2 주파수는 최대 주파수일 수 있다.
실시 예로, 상기 인버터는 하프 브릿지 또는 풀 브릿지일 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 전력 제어 구간의 전력은 상기 제2 전력 제어 구간의 전력 이상이고, 상기 제3 전력 제어 구간의 전력은 상기 제1 전력 제어 구간의 전력 이상일 수 있다.
다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 무선 전력을 송신하는 송신부와 복수 개의 스위치를 포함하는 인버터와 상기 복수 개의 스위치에 스위치 구동 신호를 인가하도록 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기의 전체 전력 제어 구간은 상기 인버터의 출력 신호의 주파수를 가변하고, 듀티비를 고정하는 제1 전력 제어 구간과 상기 인버터의 출력 신호의 상기 주파수를 고정하고, 상기 듀티비를 가변하는 제2 전력 제어 구간과 상기 인버터의 출력 신호의 상기 주파수를 고정하고, 상기 듀티비를 가변하는 제3 전력 제어 구간을 포함하고, 상기 제3 전력 제어 구간의 최대 듀티비는 상기 제2 전력 제어 구간의 최대 듀티비보다 클 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 전력 제어 구간에서 고정되는 상기 듀티비는 기본 전력비가 89% 이상인 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 전력 제어 구간에서 고정되는 상기 듀티비는 31% 내지 43%의 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제3 전력 제어 구간의 최대 듀티비는 상기 제2 전력 제어 구간의 최대 듀티비보다 큰 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제3 전력 제어 구간의 최대 듀티비는 50% 이하의 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제2 전력 제어 구간의 최대 듀티비는 상기 제1 전력 제어 구간에서 고정되는 듀티비 이하인 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제2 전력 제어 구간의 최소 듀티비는 0% 이상의 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제3 전력 제어 구간은 제1 주파수로 고정될 수 있다.
실시 예로, 상기 제2 전력 제어 구간은 제2 주파수로 고정될 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수보다 작은 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 동작 주파수 범위 내에서, 상기 제1 주파수는 최소 주파수이고 상기 제2 주파수는 최대 주파수일 수 있다.
실시 예로, 상기 인버터는 하프 브릿지 또는 풀 브릿지일 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 전력 제어 구간의 전력은 상기 제2 전력 제어 구간의 전력 이상이고, 상기 제3 전력 제어 구간의 전력은 상기 제1 전력 제어 구간의 전력 이상일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 무선 전력을 송신하는 송신부와 복수 개의 스위치를 포함하는 인버터와 상기 복수 개의 스위치에 스위치 구동 신호를 인가하도록 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기의 전체 전력 제어 구간은 상기 인버터의 출력 신호의 주파수를 가변하고, 듀티비를 고정하는 제1 전력 제어 구간과 상기 인버터의 출력 신호의 상기 주파수를 고정하고, 상기 듀티비를 가변하는 제2 전력 제어 구간을 포함하고, 상기 제1 전력 제어 구간에서 상기 고정되는 듀티비는 상기 제2 전력 제어 구간에서 가변되는 최대 듀티비이고, 상기 최대 듀티비는 기본 전력비가 89% 이상인 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제2 전력 제어 구간에서 상기 고정되는 주파수는 상기 제1 전력 제어 구간에서 가변되는 최대 주파수일 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 전력 제어 구간의 전력은 상기 제2 전력 제어 구간의 전력 이상일 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 방법, 장치 및 시스템에 대한 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 최적화된 전력 제어를 수행하는 무선 전력 송신 장치 및 그것의 무선 전력 제어 방법을 제공하는 장점이 있다.
또한, 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 폐루프 전력 제어 시 하모닉 노이즈가 최소화되도록 듀티비(Duty Rate)를 제어함으로써, 최적의 전력 전송 효율을 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 최적화된 효율로 전력 제어를 수행하므로, 전력 낭비를 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 교류 전력 신호의 하모닉 신호 성분비를 최소화하여 전자파 방해를 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 실시 예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 다른 실시 예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 실시 예에 따른 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 6은 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 실시 예에 따른 인버터 타입 별 스위치 제어에 따른 출력 전압의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 폐루프 전력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 실시 예에 따른 하프 브릿지 인버터가 구비된 무선 전력 송신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 실시 예에 따른 풀 브릿지 인버터가 구비된 무선 전력 송신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 실시 예에 따른 듀티비 별 교류 전력 신호의 파형을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치에서 듀티비에 따른 기본 전력비 변화를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 " 상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
실시예의 설명에 있어서, 무선 충전 시스템에서 무선 전력을 송신하는 기능이 탑재된 장치는 설명의 편의를 위해 무선 파워 송신기, 무선 파워 송신 장치, 무선 전력 송신 장치, 무선 전력 송신기, 송신단, 송신기, 송신 장치, 송신측, 무선 파워 전송 장치, 무선 파워 전송기 등을 혼용하여 사용하기로 한다.
또한, 설명의 편의를 위해, 무선 전력 송신 장치로부터 무선 전력을 수신하는 기능이 탑재된 장치는 무선 전력 수신 장치, 무선 전력 수신기, 무선 파워 수신 장치, 무선 파워 수신기, 수신 단말기, 수신측, 수신 장치, 수신기 등을 혼용하여 사용하기로 한다.
실시 예에 따른 송신기는 패드 형태, 거치대 형태, AP(Access Point) 형태, 소형 기지국 형태, 스텐드 형태, 천장 매립 형태, 벽걸이 형태 등으로 구성될 수 있으며, 하나의 송신기는 적어도 하나 이상의 무선 전력 수신 장치에 전력을 전송할 수 있다.
이를 위해, 송신기는 적어도 하나의 무선 전력 전송 수단을 구비할 수도 있다. 여기서, 무선 전력 전송 수단은 송신단의 송신 코일에서 자기장을 발생시키면, 그 자기장의 영향으로 수신단의 수신 코일에 전기가 유도되어 부하를 충전하는 전자기 유도 방식에 기반한 다양한 무전 전력 전송 표준이 사용될 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 수신기는 적어도 하나의 무선 전력 수신 수단이 구비될 수도 있으며, 2개 이상의 송신기로부터 동시에 또는 순차적으로 무선 전력을 수신할 수도 있다.
실시 예에 따른 수신기는 휴대폰(mobile phone), 스마트폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션, MP3 player, 전동 칫솔, 전자 태그, 조명 장치, 리모콘, 낚시찌, 스마트 워치와 같은 웨어러블 디바이스 등의 소형 전자 기기 등에 사용될 수 있으나, 이에 국한되지는 아니하며 무선 전력 수신 수단이 구비되어 배터리 충전이 가능한 기기라면 족하다.
도 1은 실시 예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 무선 충전 시스템은 크게 구비된 송신 안테나를 통해 무선 전력을 출력하는 무선 전력 송신단(10), 상기 출력된 전력을 구비된 수신 안테나를 통해 수신하는 무선 전력 수신단(20) 및 수신된 전력을 공급 받는 전자기기(30)(또는 부하(충전용 배터리))를 포함하여 구성될 수 있다.
일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 동일한 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 인밴드(In-band) 통신을 수행할 수 있다.
다른 일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20)은 무선 전력 전송에 사용되는 동작 주파수와 상이한 주파수 대역을 이용하여 정보를 교환하는 대역외(Out-of-band) 통신을 수행할 수도 있다.
일 예로, 무선 전력 송신단(10)과 무선 전력 수신단(20) 사이에 교환되는 정보는 서로의 상태 정보뿐만 아니라 제어 정보도 포함될 수 있다.
여기서, 송수신단 사이에 교환되는 상태 정보 및 제어 정보는 후술할 실시 예의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.
인밴드 통신 및 대역외 통신은 양방향 통신을 제공할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 다른 실시 예는 단방향 통신 또는 반이중 방식의 통신일 수 있다.
일 예로, 단방향 통신은 무선 전력 수신단(20)이 무선 전력 송신단(10)으로만 정보를 전송하는 것일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 무선 전력 송신단(10)이 무선 전력 수신단(20)으로 정보를 전송하는 것일 수도 있다.
반이중 통신 방식은 무선 전력 수신단(20)과 무선 전력 송신단(10) 사이의 양방향 통신은 가능하나, 어느 한 시점에 어느 하나의 장치에 의해서만 정보 전송이 가능하다.
실시 예에 따른 무선 전력 수신단(20)은 전자 기기(30)의 각종 상태 정보를 획득할 수도 있다.
일 예로, 전자 기기(30)의 상태 정보는 현재 전력 사용량 정보, 실행중인 응용을 식별하기 위한 정보, CPU 사용량 정보, 배터리 충전 상태 정보, 배터리 출력 전압/전류 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 전자 기기(30)로부터 획득 가능하고, 무선 전력 제어에 활용 가능한 정보이면 족하다.
실시 예에 따른 무선 전력 송신단(10)은 해당 무선 전력 수신단(20)이 고속 충전을 지원하는지 여부를 확인하기 위한 소정 제어 신호를 무선 전력 수신단(20)에 전송할 수 있다.
실시 예에 따른 무선 전력 송신단(10)은 무선 전력 수신단(20)의 요구 전력에 따라 적응적으로 전력 제어를 수행할 수 있다.
무선 전력 송신단(10)은 충전 중 무선 전력 수신단(20)으로부터 수신 전력 상태 정보가 포함된 피드백 신호를 수신할 수 있다. 무선 전력 송신단(10)은 피드백 신호에 기초하여 동적으로 폐루프 전력 제어를 수행할 수 있다.
무선 전력 송신단(10)은 피드백 신호에 기초하여 전송할 전력의 세기에 따라 전력 제어 모드를 제어할 수 있다. 여기서, 전력 제어 모드에 대한 설명은 후술할 도면의 설명으로 대체하기로 한다.
도 2는 다른 실시 예에 따른 무선 충전 시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
일 예로, 도면 부호 200a에 도시된 바와 같이, 무선 전력 수신단(20)은 복수의 무선 전력 수신 장치로 구성될 수 있으며, 하나의 무선 전력 송신단(10)에 복수의 무선 전력 수신 장치가 연결되어 무선 충전을 수행할 수 있다.
실시 예로, 무선 전력 송신단(10)은 시분할 방식으로 복수의 무선 전력 수신 장치에 전력을 분배하여 전송할 수 있다.
하나의 무선 전력 송신 장치에 연결 가능한 무선 전력 수신 장치의 개수는 무선 전력 수신 장치 별 요구 전력, 배터리 충전 상태, 전자 기기(30)의 전력 소비량 및 무선 전력 송신 장치의 가용 전력 중 적어도 하나에 기반하여 적응적으로 결정될 수 있다.
다른 일 예로, 도면 부호 200b에 도시된 바와 같이, 무선 전력 송신단(10)은 복수의 무선 전력 송신 장치로 구성될 수도 있다.
이 경우, 무선 전력 수신단(20)은 복수의 무선 전력 송신 장치와 동시에 연결될 수 있으며, 연결된 복수의 무선 전력 송신 장치들로부터 동시에 전력을 수신할 수 있다.
무선 전력 수신단(20)과 연결되는 무선 전력 송신 장치의 개수는 무선 전력 수신단(20)의 요구 전력, 전자 기기(30)에 구비된 배터리의 충전 상태, 전자 기기(30)의 전력 소비량, 무선 전력 송신 장치의 현재 가용 전력 등에 기반하여 적응적으로 결정될 수 있다.
도 3은 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3을 참조하면, 무선 전력 송신 장치(300)는 제어기(310), 교류 전력 생성기(320), 전송 안테나(330) 및 복조기(340)을 포함하여 구성될 수 있다.
교류 전력 생성기(320)는 제어기(310)의 제어 신호에 따라 직류 전력을 교류 전력으로 변환시킬 수 있다.
교류 전력 생성기(320)의 제어기(310)의 제어 신호에 따라 인버터 동작 모드를 동적으로 변경할 수 있다.
여기서, 인버터 동작 모드는 하프 브릿지 모드와 풀 브릿지 모드를 포함할 수 있다. 일 예로, 인버터의 디폴트 동작 모드는 풀 브릿지 모드로 설정될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
교류 전력 생성기(320)의 세부 구성과 인버터 동작 모드에 대한 설명은 후술할 도면의 설명들을 통해 보다 명확해질 것이다.
전송 안테나(330)은 교류 전력 생성기(320)의 출력단에 연결되어 교류 전력신호를 무선으로 출력할 수 있다.
복조기(340)는 전송 안테나(330)의 일측에 연결될 수 있으며, 아날로그 디지털 변환기(Analog Digital Converter)를 포함할 수 있다.
복조기(340)는 진폭 변조된 신호를 복조할 수 있다.
복조기(340)는 복조된 패킷을 제어기(310)로 전달할 수 있다.
제어기(310)는 복조기(340)로부터 수신되는 패킷에 기반하여 수신기 타입을 식별하기 위한 정보-이하, 설명의 편의를 위해, 수신기 식별 정보라 명함-를 획득할 수 있다.
일 예로, 수신기 식별 정보는 제조사 정보, 제품 코드(또는 시리얼 넘버) 정보 및 소프트웨어 버전 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며 수신기의 타입을 고유하게 식별할 수 있는 정보이면 족하다.
제어기(310)는 수신기 식별 정보에 기반하여 수신기 타입을 식별할 수 있다.
실시 예에 따른 제어기(310)는 타입 식별된 수신기가 가변 주파수로 동작하는 수신기-이하, 설명의 편의를 위해, 가변 주파수 수신기라 명함-인지, 고정 주파수로 동작하는 수신기-이하 설명의 편의를 위해, 고정 주파수 수신기라 명함-인지 식별할 수 있다.
실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치(300)에는 수신기 타입 별 동작 주파수 제어 방식이 정의된 소정 테이블-이하, 설명의 편의를 위해, 동작 주파수 제어 테이블이라 명함-이 내부 메모리(미도시)에 유지할 수 있다.
여기서, 동작 주파수 제어 방식은 고정 주파수 방식과 가변 주파수 방식을 포함할 수 있다.
일 예로, 고정 주파수 방식은 충전 중 고정된 하나의 주파수만을 이용하여 교류 전력 신호를 생성하는 방식이고, 가변 주파수 방식은 충전 중 해당 무선 충전 시스템의 가용 동작 주파수 범위 내에서 동적으로 주파수를 변경하여 교류 전력 신호을 생성하는 방식일 수 있다.
제어기(310)는 타입 식별된 수신기가 고정 주파수 방식으로 동작하는 수신기인 경우, 타입 식별된 수신기에 대응하여 미리 정의된 제1 주파수로 동작 주파수를 설정할 수 있다.
또한, 제어기(310)는 타입 식별된 수신기가 고정 주파수 방식으로 동작하는 수신기인 경우, 교류 전력 생성기(320)의 인버터 동작 모드를 하프 브릿지 모드로 설정할 수 있다.
제어기(310)는 하프 브릿지 모드로의 충전 중 복조기(340)로부터 수신되는 제어 오류 패킷에 기반하여 인버터 동작 모드 변경이 필요한지 판단할 수도 있다.
여기서, 제어 오류 패킷은 전송 안테나(330)을 통해 전송되는 전력의 세기를 조정하기 위한 제어 오류 값을 포함할 수 있다.
수신기는 구비된 정류기의 출력 전압에 기반하여 동적으로 제어 오류 값을 결정할 수 있다.
수신기는 결정된 제어 오류 값이 포함된 제어 오류 패킷을 인밴드 통신을 통해 송신기로 전송할 수 있다.
실시 예에 따른 제어기(310)는 제어 오류 패킷에 포함된 제어 오류 값의 수신 패턴-이하, 설명의 편의를 위해 제어 오류 패턴이라 명함-에 기반하여 인버터 동작 모드의 변경이 필요한지 판단할 수도 있다.
판단 결과, 인버터 동작 모드 변경이 필요하면, 제어기(310)는 인버터 동작 모드를 하프 브릿지 모드에서 풀 브릿지 모드로 변경할 수 있다.
실시 예에 따른 제어기(310)는 제어 오류 패킷에 기반하여 결정된 동작 포인트에 기초하여 전력 제어 모드를 결정할 수 있다. 여기서, 전력 제어 모드 별 전력 제어 알고리즘은 상이할 수 있다. 전력 제어 모드 별 구체적인 전력 제어 알고리즘은 후술할 도면의 설명을 통해 보다 명확해질 것이다.
제어기(310)는 전력 제어 모드에 따라 펄스 폭 변조 신호의 주파수-즉, 동작 주파수-를 동적으로 제어할 수 있다.
또한, 제어기(310)는 전력 제어 모드에 따라 펄스 폭 변조 신호의 듀티비(Duty Ratio)를 동적으로 제어할 수도 있다.
또한, 제어기(310)는 전력 제어 모드에 따라 펄스 폭 변조(PWM: PulseWidth Modulation) 신호의 위상을 제어할 수도 있다.
또한, 제어기(310)는 전력 제어 모드에 따라 교류 전력 생성기(320)로 인가되는 직류 전압의 세기를 동적으로 제어할 수도 있다.
또한, 제어기(310)는 전력 제어 모드에 따라 인버터 동작 모드를 동적으로 변경할 수도 있다.
또한, 제어기(310)는 인버터 동작 모드 변경 시 교류 전력 생성기(320)의 출력 변화가 최소화되도록 PWM 신호의 위상을 제어할 수도 있다.
실시 예에 따른 제어기(310)는 인밴드 통신을 통해 해당 수신기로부터 동작 주파수에 관한 정보를 직접 수신할 수도 있다. 여기서, 동작 주파수는 해당 수신기의 충전 효율이 최대인 주파수일 수 있다.
제어기(310)는 별도의 수신기 타입 식별 없이, 수신된 동작 주파수로 교류 전력 생성기(320)를 구동시킬 수 있다.
또한, 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치(300)는 전력 제어 모드에 따라 펄스 폭 변조 신호의 듀티비를 제어함으로써, 충전 효율을 극대화시킬 수 있을 뿐만 아니라 완전 충전까지 소요되는 시간을 효과적으로 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치(300)는 결정된 동작 포인트에 따라 적응적으로 듀티비를 제어함으로써 교류 전력 신호에 포함된 하모닉 성분을 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.
도 4는 실시 예에 따른 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 4를 참조하면, 무선 전력 전송 절차는 크게 선택 단계(Selection Phase, 410), 핑 단계(Ping Phase, 420), 식별 및 구성 단계(Identification and Configuration Phase, 430), 전력 전송 단계(Power Transfer Phase, 440) 단계로 구분될 수 있다.
선택 단계(410)는 부팅 후 전력 전송을 시작하거나 충전 중 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계일 수 있다.
여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다.
또한, 선택 단계(410)에서 송신기는 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다.
만약, 송신기가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(420)로 천이할 수 있다(S401).
선택 단계(410)에서 송신기는 매우 짧은 펄스의 아날로그 핑(Analog Ping) 신호를 전송하며, 송신 코일의 전류 변화에 기반하여 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
핑 단계(420)에서 송신기는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화시키고, 수신기가 해당 표준에 호환되는 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다.
핑 단계(420)에서 송신기는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 신호 세기 지시자-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(410)로 천이할 수 있다(S402).
또한, 핑 단계(420)에서 송신기는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 신호-를 수신하면, 선택 단계(410)로 천이할 수도 있다(S403).
핑 단계(420)가 완료되면, 송신기는 수신기 식별 및 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(430)로 천이할 수 있다(S404).
식별 및 구성 단계(430)에서 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpectedpacket), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out), 패킷 전송 오류가 있거나(transmission error), 파워 전송 계약이 설정되지 않으면(no power transfer contract) 선택 단계(410)로 천이할 수 있다(S405).
수신기에 대한 식별 및 구성이 완료되면, 송신기는 무선 전력을 전송하는 전력 전송 단계(240)로 천이할 수 있다(S406).
전력 전송 단계(440)에서, 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpectedpacket), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out),기 설정된 파워 전송 계약에 대한 위반이 발생되거나(power transfer contract violation), 충전이 완료된 경우, 선택 단계(410)로 천이할 수 있다(S407).
또한, 전력 전송 단계(440)에서, 송신기는 송신기 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 식별 및 구성 단계(430)로 천이할 수 있다(S408).
상기한 파워 전송 계약은 송신기와 수신기의 상태 및 특성 정보에 기반하여 설정될 수 있다. 일 예로, 송신기 상태 정보는 최대 전송 가능한 파워에 대한 정보, 최대 수용 가능한 수신기 개수에 대한 정보 등을 포함할 수 있으며, 수신기 상태 정보는 요구 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 무선 전력 전송 절차를 설명하기 위한 상태 천이도이다.
도 5를 참조하면, 송신기로부터 수신기로의 파워 전송은 크게 선택 단계(Selection Phase, 510), 핑 단계(Ping Phase, 520), 식별 및 구성 단계(Identification and Configuration Phase, 530), 협상 단계(Negotiation Phase, 540), 보정 단계(Calibration Phase, 550), 전력 전송 단계(Power Transfer Phase, 560) 단계 및 재협상 단계(Renegotiation Phase, 570)로 구분될 수 있다.
선택 단계(510)는 파워 전송을 시작하거나 파워 전송을 유지하는 동안 특정 오류 또는 특정 이벤트가 감지되면, 천이되는 단계일 수 있다.
여기서, 특정 오류 및 특정 이벤트는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다. 또한, 선택 단계(510)에서 송신기는 인터페이스 표면에 물체가 존재하는지를 모니터링할 수 있다.
만약, 송신기가 인터페이스 표면에 물체가 놓여진 것이 감지되면, 핑 단계(520)로 천이할 수 있다. 선택 단계(510)에서 송신기는 매우 짧은 펄스의 아날로그 핑(Analog Ping) 신호를 전송하며, 송신 코일 또는 1차 코일(Primary Coil)의 전류 변화에 기반하여 인터페이스 표면의 활성 영역(Active Area)에 물체가 존재하는지를 감지할 수 있다.
핑 단계(520)에서 송신기는 물체가 감지되면, 수신기를 활성화시키고, 수신기가 WPC 표준이 호환되는 수신기인지를 식별하기 위한 디지털 핑(Digital Ping)을 전송한다. 핑 단계(520)에서 송신기는 디지털 핑에 대한 응답 시그널-예를 들면, 신호 세기 패킷-을 수신기로부터 수신하지 못하면, 다시 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
또한, 핑 단계(520)에서 송신기는 수신기로부터 파워 전송이 완료되었음을 지시하는 신호-즉, 충전 완료 패킷-을 수신하면, 선택 단계(510)로 천이할 수도 있다.
핑 단계(520)가 완료되면, 송신기는 수신기를 식별하고 수신기 구성 및 상태 정보를 수집하기 위한 식별 및 구성 단계(530)로 천이할 수 있다.
식별 및 구성 단계(530)에서 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpectedpacket), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out),패킷 전송 오류가 있거나(transmission error), 파워 전송 계약이 설정되지 않으면(no power transfer contract) 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
송신기는 식별 및 구성 단계(530)에서 수시된 구성 패킷(Configuration packet)의 협상 필드(Negotiation Field) 값에 기반하여 협상 단계(540)로의 진입이 필요한지 여부를 확인할 수 있다.
확인 결과, 협상이 필요하면, 송신기는 협상 단계(540)로 진입하여 소정 FOD 검출 절차를 수행할 수 있다.
반면, 확인 결과, 협상이 필요하지 않은 경우, 송신기는 곧바로 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다.
협상 단계(540)에서, 송신기는 기준 품질 인자 값이 포함된 FOD(Foreign Object Detection) 상태 패킷을 수신할 수 있다. 이때, 송신기는 기준 품질 인자 값에 기반하여 FO 검출을 위한 임계치를 결정할 수 있다.
송신기는 결정된 FO 검출을 위한 임계치 및 현재 측정된 품질 인자 값을 이용하여 충전 영역에 FO가 존재하는지를 검출할 수 있으며, FO 검출 결과에 따라 전력 전송을 제어할 수 있다. 일 예로, FO가 검출된 경우, 전력 전송이 중단될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
FO가 검출된 경우, 송신기는 선택 단계(510)로 회귀할 수 있다. 반면, FO가 검출되지 않은 경우, 송신기는 보정 단계(550)를 거쳐 전력 전송 단계(560)로 진입할 수도 있다.
상세하게, 송신기는 FO가 검출되지 않은 경우, 송신기는 보정 단계(550)에서 수신단에 수신된 전력의 세기를 결정하고, 송신단에서 전송한 전력의 세기를 결정하기 위해 수신단과 송신단에서의 전력 손실을 측정할 수 있다.
즉, 송신기는 보정 단계(550)에서 송신단의 송신 파워와 수신단의 수신 파워 사이의 차이에 기반하여 전력 손실을 예측할 수 있다.
일 실시예에 따른 송신기는 예측된 전력 손실을 반영하여 FOD 검출을 위한 임계치를 보정할 수도 있다.
전력 전송 단계(540)에서, 송신기는 원하지 않은 패킷이 수신되거나(unexpected packet), 미리 정의된 시간 동안 원하는 패킷이 수신되지 않거나(time out),기 설정된 파워 전송 계약에 대한 위반이 발생되거나(power transfer contract violation), 충전이 완료된 경우, 선택 단계(510)로 천이할 수 있다.
또한, 전력 전송 단계(440)에서, 송신기는 송신기 상태 변화 등에 따라 파워 전송 계약을 재구성할 필요가 있는 경우, 재협상 단계(570)로 천이할 수 있다.
이때, 재협상이 정상적으로 완료되면, 송신기는 전력 전송 단계(560)로 회귀할 수 있다.
상기한 파워 전송 계약은 송신기와 수신기의 상태 및 특성 정보에 기반하여 설정될 수 있다. 일 예로, 송신기 상태 정보는 최대 전송 가능한 파워에 대한 정보, 최대 수용 가능한 수신기 개수에 대한 정보 등을 포함할 수 있으며, 수신기 상태 정보는 요구 전력에 대한 정보 등을 포함할 수 있다.
도 6은 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6을 참조하면, 무선 전력 송신 장치(600)는 제어기(610), 게이트 드라이버(Gate Driver, 620), 인버터(Invertor, 630), 공진 회로(640), 전원(650), 전력공급기(Power Supply,660) 및 복조기(670) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
전력공급기(660)는 전원(650)로부터 인가되는 제1 직류 전력 또는 제1 교류 전력을 제2 직류 전력으로 변환하여 인버터(630)에 제공할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해, 전력 공급기(660)로부터 인버터(630)에 공급되는 전압을 인버터 입력 전압 또는 브이 레일(V_rail) 또는 구동 전압이라 명하기로 한다.
전력공급기(660)는 전원(650)으로부터 인가되는 전력의 타입에 따라, 교류/직류 변환기(AC/DC Converter) 및 직류/직류 변환기(DC/DC Converter) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
일 예로, 전력 공급기(660)는 스위칭 모드 전력 공급기(Switching Mode Power Supply,SMPS)일 수 있으며, 스위칭 트랜지스터, 필터 및 정류기 등을 이용하여 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 스위치 제어 방식을 사용할 수 있다. 여기서, 정류기 및 필터가 독립적으로 구성되어 AC 전원과 SMPS 사이에 배치될 수도 있다.
SMPS는 반도체 스위치 소자의 온/오프(on/off) 시간 비율을 제어하여 출력이 안정화된 직류 전원을 해당 디바이스, 또는 회로 소자에 공급하는 전원 장치로서, 고효율, 소형 및 경량화가 가능하여　대부분의 전자기기 및 장비 등에 널리 사용되고 있다.
전원의 품질에 따라 전자 회로 동작의 안정성이나 정밀도가 좌우되는 경우가 많다. 일반적으로 배터리 및 상용 AC 전원으로부터 안정적 전원을 변환하여 공급하는 방식에는 크게 선형 제어(series regulator) 방식과 스위치 모드(switched mode) 방식이 있다. TV 수상기나 CRT 모니터 등에 사용되는 선형 제어 방식은 주위 회로가 간단하고 가격이 저렴하지만, 열 발생이 많고 전원 효율이 낮으며 부피가 크다는 단점이 있다.
반면, 스위칭 모드 방식은 열 발생이 거의 없고 전력 효율이 높으며 부피가 작다는 장점이 있는 반면, 가격이 비싸고 회로가 복잡하며 고주파 스위칭에 의한 출력 노이즈와 전자파 간섭이 발생될 수 있는 단점이 있다.
다른 일 예로, 전력공급기(660)는 가변 SMPS(Variable Switching Mode Power Supply)가 사용될 수 있다.
가변 SMPS는 교류 전원(AC Power Supply)으로부터 출력되는 수십 Hz 대역의 AC 전압을 스위칭 및 정류하여 DC 전압을 생성한다.
가변 SMPS(Variable SMPS)는 일정한 레벨의 DC 전압을 출력하거나 송신 제어기(Tx Controller)의 소정 제어에 따라 DC 전압의 출력 레벨을 조정할 수도 있다. 가변 SMPS는 무선 전력 송신기의 전력 증폭기가 항상 효율이 높은 포화 영역에서 동작할 수 있도록, 전력 증폭기-즉, 인버터(530)-의 출력 전력 레벨에 따라 공급 전압을 제어하여, 모든 출력 레벨에서 최대 효율을 유지하게 할 수 있다.
가변 SMPS 대신에 일반적으로 사용되는 상용 SMPS를 사용하는 경우에는, 추가적으로 가변 DC/DC 변환기(Variable DC/DC)를 사용할 수 있다. 상용 SMPS와 가변 DC/DC 변환기는 전력 증폭기가 효율이 높은 포화 영역에서 동작할 수 있도록, 전력 증폭기의 출력 전력 레벨에 따라 공급 전압을 제어하여, 모든 출력 레벨에서 최대효율을 유지하게 할 수 있다. 일 실시 예에서, 전력 증폭기는 Class E 타입이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
인버터(630)는 게이트 드라이버(620)를 통해 수신되는 특정 주파수의 스위칭 펄스 신호-즉, 펄스 폭 변조(PWM: PulseWidth Modulated) 신호-에 의하여 일정한 레벨의 직류 전압(V_rail)을 교류 전압으로 변환함으로써 교류 전력을 생성할 수 있다.
인버터(630)는 구현 형태에 따라 하프 브릿지 인버터와 풀 브릿지 인버터로 구분될 수 있다.
실시 예에 따른 인버터(630)는 하프 브릿지 모드뿐만 아니라 풀 브릿지 모드로도 동작할 수 있다.
게이트 드라이버(620)는 제어기(610)로부터 공급되는 레퍼런스 클락(Ref_CLK) 신호-이하, 설명의 편의를 위해 간단히, "레퍼런스 신호"라 명함-를 이용하여 인버터(630)에 포함된 복수의 스위치를 제어하기 위한 PWM 신호(SC_0 ~ SC_N)들을 생성할 수 있다.
여기서, 인버터(630)가 하프 브릿지 모드로 구동되는 경우, N은 1이고, 인버터(630)가 풀 브릿지 모드로 구동되는 경우, N은 3일 수 있다.
예를 들면, 도 6의 실시 예에서 인버터(630)가 4개의 스위치를 포함하는 풀 브릿지 회로인 경우, 각각의 스위치를 제어하기 위한 4개의 PWM 신호(SC_0, SC_1, SC_2, SC_3)가 게이트 드라이버(620)로부터 수신될 수 있다.
반면, 도 6의 실시 예에서 인버터(630)가 2개의 스위치를 포함하는 하프 브릿지 회로인 경우, 인버터(630)는 각각의 스위치를 제어하기 위한 2개의 PWM 신호(SC_0, SC_1)를 게이트 드라이버(620)로부터 수신할 수 있다.
실시 예에 따른 제어기(610)는 인버터 동작 모드가 하프 브릿지 모드에서 풀 브릿지 동작 모드로 변경되는 경우, 전력 변화가 최소가 되도록 PWM 신호의 위상을 제어할 수도 있다.
일 예로, 제어기(610)는 인버터 동작 모드가 하프 브릿지 모드에서 풀 브릿지 동작 모드로 변경되는 경우, 해당 PWM 신호의 위상 차이가 144도 이상이 되도록 제어할 수 있다.
공진 회로(640)은 인버터(630)로부터 수신되는 교류 전력 신호를 무선으로 전송할 수 있다.
무선 전력 송신기(600)가 무선 전력 수신기와 인밴드 통신을 수행하는 경우, 무선 전력 송신기(600)는 공진 회로(640)과 연결된 복조기(680)를 포함할 수 있다.
복조기(680)는 인밴드 신호를 복조하여 제어기(610)에 전달할 수 있다.
제어기(610)는 복조기(640)로부터 수신되는 패킷에 기반하여 전력 제어를 수행할 수 있다.
제어기(610)는 하프 브릿지 모드 또는 풀 브릿지 모드로의 충전 중 복조기(640)로부터 수신되는 제어 오류 패킷에 기반하여 인버터 동작 모드 변경이 필요한지 판단할 수 있다. 여기서, 제어 오류 패킷은 공진 회로(640)에 흐르는 전류의 세기를 조정하기 위한 제어 오류 값을 포함할 수 있다.
수신기는 구비된 정류기 출력 전압에 기반하여 동적으로 제어 오류 값을 결정할 수 있다.
수신기는 결정된 제어 오류 값이 포함된 제어 오류 패킷을 인밴드 통신을 통해 송신단으로 전송할 수 있다.
실시 예에 따른 제어기(610)는 제어 오류 패킷에 포함된 제어 오류 값의 수신 패턴-이하, 설명의 편의를 위해 제어 오류 패턴이라 명함-에 기반하여 인버터 동작 모드의 변경이 필요한지 판단할 수도 있다.
제어기(610)는 분석된 제어 오류 패턴과 미리 저장된 제어 오류 패턴의 일치 여부에 기반하여 충전 모드 변경 여부를 판단할 수 있다.
제어기(610)는 충전 중 제어 오류 패킷에 기반하여 펄스 폭 변조(PWM: PulseWidth Modulation) 신호의 위상을 조절할 수도 있다.
제어기(610)는 충전 중 제어 오류 패킷에 기반하여 펄스 폭 변조(PWM: PulseWidth Modulation) 신호의 주파수를 조절할 수도 있다.
제어기(610)는 충전 중 제어 오류 패킷에 기반하여 펄스 폭 변조(PWM: PulseWidth Modulation) 신호의 듀티비를 조절할 수도 있다.
제어기(610)는 제1 전력 제어 구간 동안 펄스 폭 변조 신호의 듀티비를 최대 효율을 가지는 듀티비로 고정시킬 수 있다. 여기서, 최대 효율을 가지는 듀티비는 기본 전력비(Fundamental Power Ratio)가 최대인 듀티비일 수 있다. 여기서, 기본 전력비는 하기의 수학식 1과 같이, 펀더멘털 신호를 펀더멘털 신호와 하모닉 성분 신호들의 합으로 나누어 산출될 수 있다.
Figure pat00001
(수학식 1)
여기서,
Figure pat00002
은 기본 신호(Fundamental signal)의 세기이고,
Figure pat00003
는 2차 하모닉 신호(Second harmonic signal)의 세기이고,
Figure pat00004
는 3차 하모닉 신호(Third harmonic signal)의 세기이고,
Figure pat00005
는 n차 하모닉 신호(N-th harmonic signal)의 세기를 의미한다.
제1 전력 제어 구간 동안 제어기(610)는 동작 주파수를 제1 주파수에서 제2 주파수 사이에서 조절할 수 있다. 여기서, 제2 주파수는 제1 주파수보다 크다.
제1 전력 제어 구간은 송수신기 사이의 정렬 상태가 정상인 상태에서 전력 전송 단계로 진입하여 충전이 이루어지는 동작 구간일 수 있다.
제어기(610)는 제2 전력 제어 구간에서 펄스 폭 변조 신호의 듀티비를 최소 값인 0에서 최대 효율을 가지는 듀티비까지 동적으로 제어할 수 있다. 이때, 제어기(610)는 동작 주파수를 제2 주파수로 고정시킬 수 있다.
제2 전력 제어 구간은 선택 단계에서 물체를 감지한 후 전력 전송 단계로의 진입 이전의 전력 전송 구간을 의미할 수 있다. 일 예로, 무선 전력 송신 장치(600)는 제2 전력 제어 구간 동안 디지털 핑을 전송할 수 있다.
제어기(610)는 제3 전력 제어 구간에서 펄스 폭 변 신호의 듀티비를 최대 효율 가지는 듀티비에서 최대 듀티비-즉, 0.5-까지 동적으로 조절할 수 있다. 이때, 제어기(610)는 동작 주파수를 제1 주파수로 고정시킬 수 있다.
일 예로, 제3 전력 제어 구간은 송수신기 사이의 정렬 상태가 정상이 아닌 상태에서 전력 전송 단계로 진입하여 충전이 이루어지는 동작 구간일 수 있다.
제1 전력 제어 구간에 상응하는 전력은 제2 전력 제어 구간에 상응하는 전력보다 크고, 제3 전력 제어 구간에 상응하는 전력보다 작을 수 있다.
이하 설명의 편의를 위해, 최대 효율을 가지는 듀티비를 최대 효율 듀티비 또는 제1 값이라 명하기로 한다.
실시 예에 따른 제1 값은 3.7일 수 있다. 이때, 제1 값의 오차의 한도는 +/- 10%일 수 있다.
다른 실시 예에 따른 제1 값은 4.3일 수 있다. 이때, 제1 값의 오차의 한도는 +/- 10%일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 제1 값은 0.32보다 크고 0.48보다 작은 값 중 어느 하나일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 제1 값은 0.43보다 크고 0.48보다 작은 값 중 어느 하나일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 제1 값은 기본 전력비(Fundamental Power Ratio)가 0.9이상인 듀티비 중 어느 하나의 값으로 결정될 수 있다.
실시 예에 따른 상기 제1 주파수는 110kHz이고 제2 주파수는 145kHz일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 상기 도 6의 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치(600)는 피드백 신호에 기초하여 결정된 전력 세기 구간에 따라 펄스 폭 변조 신호의 듀티비를 적응적으로 조절함으로써, 충전 효율을 극대화시키 수 있는 장점이 있다.
도 7은 실시 예에 인버터의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
상기 도 3의 교류 전력 변환기(320) 및 상기 도 6의 인버터(630)는 하프 브릿지 타입의 인버터 및(또는) 풀 브릿지 타입의 인버터를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 도 3 및 도 6의 제어기(310, 610)는 동적으로 인버터 동작 모드를 제어할 수도 있다.
도면 번호 7a를 참조하면, 하프 브릿지 인버터는 두 개의 스위치(S1 및 S2)를 포함하고, 게이트 드라이버의 PWM 신호에 따라 해당 스위치가 ON/OFF 제어되어 출력 전압(Vo)이 변경시킴으로써 교류 전력 신호를 생성할 수 있다.
일 예로, 도면 번호 710에 도시된 바와 같이, S1 스위치가 단락되고, S2 스위치가 개방되면, 출력 전압(Vo)는 입력 전압인 +Vdc 값을 갖는다. 반면, S1 스위치가 개방되고, S2 스위치가 단락되면, 출력 전압(Vo)는 0 값을 갖는다.
하프 브릿지 인버터는 게이트 드라이버로부터 위상이 상이한 제1 내지 제2 PWM 신호를 수신하고, 제1 내지 제2 PWM 신호를 이용하여 S1 스위치와 S2 스위치를 제어할 수 있다.
제1 내지 제2 PWM 신호에 따라 S1 스위치와 S2 스위치가 교차 단락되면, 하프 브릿지 인버터는 특정 주기를 가지는 교류 전력 신호를 출력할 수 있다.
상기 도 7의 도면 부호 7b를 참조하면, 풀 브릿지 인버터는 네 개의 스위치(S1, S2, S3 및 S4)를 포함하여 구성될 수 있으며, 게이트 드라이버로부터 수신되는 PWM 신호에 따라 해당 스위치가 ON/OFF 제어될 수 있다.
풀 브릿지 인버터의 출력 전압(Vo) 레벨은 도면 번호 720에 도시된 바와 같이, +Vdc 또는 -Vdc 또는 0의 값을 가질 수 있다.
일 예로, S1 스위치와 S2 스위치가 단락되고, 나머지 스위치가 개방되면, 출력 전압(Vo) 레벨은 +Vdc 값을 가진다. 반면, S3 스위치와 S4 스위치가 단락되고, 나머지 스위치가 개방되면, 출력 전압(Vo) 레벨은 -Vdc 값을 가진다.
도 8은 실시 예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 폐루프 전력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 무선 전력 수신기(810)는 무선 전력 송신기(820)로부터 교류 전력을 수신할 수 있다(S811).
무선 전력 수신기(810)는 수신된 전력의 세기에 기초하여 실제 제어 포인트(Actual Control Point)를 결정할 수 있다(S812).
또한, 무선 전력 수신기(810)는 요구 제어 포인트(Desired Control Point)를 선택할 수 있다(S813).
여기서, 요구 제어 포인트는 해당 무선 전력 수신기(810)의 타입 및 전력 수신 등급 등에 기초하여 선택될 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 요구 제어 포인트는 무선 전력 송신기(820)와의 소정 협상 절차를 통해 동적으로 선택될 수도 있다.
하지만, 이 또한, 실시 예에 불과하며, 요구 제어 포인트의 선택 방법은 당업자의 설계에 따라 상이할 수 있음을 주의해야 한다.
무선 전력 수신기(810)는 결정된 실제 제어 포인트와 선택된 요구 제어 포인트에 기반하여 제어 오류 값을 산출할 수 있다(S814).
무선 전력 수신기(810)는 제어 오류 값이 포함된 제어 오류 패킷을 생성하여 무선 전력 송신기(820)로 전송할 수 있다(S830).
일 예로, 무선 전력 송신기(820)는 인밴드 통신 신호를 복조하여 제어 오류 패킷에 포함된 제어 오류 값을 식별할 수 있다.
무선 전력 송신기(820)는 송신 코일에 흐르는 전류의 세기를 측정하여 실제 송신 코일 전류를 결정할 수 있다(S821).
무선 전력 송신기(820)는 제어 오류 패킷에 포함된 제어 오류 값과 결정된 실제 송신 코일 전류에 기반하여 새로운 송신 코일 전류를 결정할 수 있다(S822).
무선 전력 송신기(820)는 실제 송신 코일 전류가 결정된 새로운 송신 코일 전류에 수렴하도록 제어할 수 있다(S823).
이때, 무선 전력 송신기(820)는 현재 송신 코일에 흐르는 전류를 결정된 새로운 송신 코일 전류로 조절하기 위한 제어 방법을 결정할 수 있다. 여기서, 결정된 제어 방법에 따라 무선 전력 송신기(820)는 새로운 동작 포인트를 산출할 수 있다.
무선 전력 송신기(820)는 산출된 새로운 동작 포인트를 설정할 수 있다(S824).
무선 전력 송신기(820)는 설정된 새로운 동작 포인트에 따라 전력을 변환하여 무선 전력 수신기(810)로 전송할 수 있다(S825).
상기한 도 8의 실시 예에 있어서, 현재 송신 코일에 흐르는 전류를 결정된 새로운 송신 코일 전류로 조절하기 위한 제어 방법은 다음의 네 가지 제어 방법 중 적어도 하나로 결정될 수 있다.
1) 전력 변환기에 입력되는 DC 전압-즉, 인버터 동작 전압-을 제어하는 전압 제어 방법
2) 인버터에 인가되는 펄스 폭 변조 신호의 위상을 제어하는 위상 제어 방법
3) 인버터에 인가되는 펄스 폭 변조 신호의 듀티비를 제어하는 듀티 제어 방법
4) 전력 변환기에 입력되는 레퍼런스 신호의 주파수-즉, 동작 주파수-를 제어하는 주파수 제어 방법
실시 예에 따른 무선 전력 송신기(820)는 상기한 4가지 방법들 중 듀티 제어 방법 및 주파수 제어 방법만이 적용 가능하도록 설계될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
실시 예에 따른 무선 전력 송신기(820)는 피드백 신호에 기초하여 산출된 동작 포인트에 따라 전력 제어 타입을 식별하고, 식별된 전력 제어 타입에 상응하여 듀티 및 주파수를 제어할 수 있다. 여기서, 전력 제어 타입의 구체적인 실시 예는 후술할 도면을 통해 보다 명확해질 것이다.
도 9는 실시 예에 따른 하프 브릿지 인버터가 구비된 무선 전력 송신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 무선 전력 송신 장치(900)는 제어기(910), 게이트드라이버(920), 하프 브릿지 인버터(930), 공진 회로 또는 송신부(940), 전류 센서(950) 및 복조기(960)를 포함하여 구성될 수 있다.
공진 회로(940)는 직렬 연결된 캐패시터 C 및 인덕터 L를 포함하여 구성될 수 있다.
실시 예로, 제어기(910)는 실시간 결정된 전송 전력의 세기에 따라 상이한 타입의 전력 제어를 수행할 수 있다.
일 예로, 제어기(910)의 전체 전력 제어 구간은 하프 브릿지 인버터(930)의 출력 신호를 제1 주파수에서 제2 주파수까지 가변하는 제1 전력 제어 구간과 상기 하프 브릿지 인버터(930)의 출력 신호를 제1 듀티비에서 제2 듀티비까지 가변하는 제2 전력 제어 구간과 상기 하프 브릿지 인버터(930)의 출력 신호를 상기 제2 듀티비에서 제3 듀티비까지 가변하는 제3 전력 제어 구간을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 전력 제어 구간의 전력은 상기 제2 전력 제어 구간의 전력 이상이고, 상기 제3 전력 제어 구간의 전력은 상기 제1 전력 제어 구간의 전력 이상일 수 있다.
실시 예로, 상기 제2 듀티비는 기본 전력비가 89% 이상인 값일 수 있다.
다른 실시 예로, 상기 제2 듀티비는 31% 내지 43%의 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제3 듀티비는 상기 제2 듀티비보다 큰 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제3 듀티비는 50% 이하의 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제2 듀티비는 상기 제1 듀티비보다 큰 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 듀티비는 0% 이상의 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 전력 제어 구간은 상기 제2 듀티비로 고정될 수 있다.
실시 예로, 상기 제3 전력 제어 구간은 상기 제1 주파수로 고정될 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 전력 제어 구간은 상기 제2 주파수로 고정될 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수보다 작은 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 동작 주파수 범위 내에서, 상기 제1 주파수는 최소 주파수이고 상기 제2 주파수는 최대 주파수일 수 있다.
제어기(910)는 무선 전력 송신 장치(900)의 전체적인 동작을 제어하고, 게이트드라이버(920)에 레퍼런스 클락 신호를 제공할 수 있다.
게이트드라이버(920)는 레퍼런스 클락 신호를 이용하여 하프 브릿지 인버터(930)의 스위치 구동을 위한 스위치 구동 신호를 생성할 수 있다.
스위치 구동 신호는 제1 스위치(931)에 인가되는 제1 스위치 구동 신호 SWD1과 제2 스위치(932)에 인가되는 제2 스위치 구동 신호 SWD2를 포함할 수 있다.
하프 브릿지 인버터(930)는 제1 내지 제2 스위치 구동 신호 및 직류 구동 전압인 V_rail을 인가 받아 교류 전력 신호 V1을 생성할 수 있다.
생성된 교류 전력 신호 V1은 공진 회로(940)를 통해 무선으로 출력될 수 있다.
전류 센서(950)는 공진 회로(940)에 인가되는 전류의 세기를 측정하고, 측정 결과를 제어기(910)에 제공할 수 있다.
복조기(960)는 공진 회로(940)와 연결되어 진폭 변조된 인밴드 신호를 복조하고, 복조된 신호를 제어기(910)에 제공할 수 있다.
제어기(950)는 전류 센서(950)로부터 수신된 전류의 세기에 관한 정보와 복조기(960)로부터 수신된 피드백 정보에 기초하여 동작 포인트를 산출할 수 있다. 일 예로, 피드백 정보는 폐루프 전력 제어를 위한 제어 오류 패킷에 포함된 제어 오류 값을 포함할 수 있다.
제어기(950)는 산출된 동작 포인트에 상응하는 전력 제어 타입을 식별하고, 식별된 전력 제어 타입에 따라 동작 주파수 및(또는) 듀티비를 제어할 수 있다. 여기서, 전력 제어 타입은 상기한 제1 내지 제3 전력 제어 구간을 의미할 수 있다.
일 예로, 제어기(950)는 레퍼런스 클락 신호의 주파수를 조절하여 동작 주파수를 제어할 수 있다.
일 예로, 제어기(950)는 제1 스위치 구동 신호와 제2 스위치 구동 신호의 위상 차이를 제어하여 교류 전력 신호 V1의 듀티비를 제어할 수 있다.
제어기(910)는 제1 전력 제어 구간 동안 펄스 폭 변조 신호의 듀티비를 최대 효율을 가지는 듀티비로 고정시킬 수 있다. 여기서, 최대 효율을 가지는 듀티비는 기본 전력비(Fundamental Power Ratio)가 최대인 듀티비일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 제1 전력 제어 구간 동안 고정되는 듀티비는 기본 전력비가 89% 이상인 값을 가지는 듀티비 중 어느 하나로 결정될 수 있다.
제1 전력 제어 구간 동안 제어기(910)는 동작 주파수를 제1 주파수에서 제2 주파수 사이에서 조절할 수 있다. 여기서, 제2 주파수는 제1 주파수보다 클 수 있다.
제1 전력 제어 구간은 송수신 사이의 정렬 상태가 정상인 상태에서 전력 전송 단계로 진입하여 충전이 이루어지는 동작 구간일 수 있다.
제어기(910)는 제2 전력 제어 구간 동안 펄스 폭 변조 신호의 듀티비를 최소 값인 0에서 최대 효율을 가지는 듀티비까지 동적으로 제어할 수 있다. 이때, 제어기(910)는 동작 주파수를 제2 주파수로 고정시킬 수 있다.
제2 전력 제어 구간은 전력 전송 단계로의 진입 이전의 전력 전송 구간을 의미할 수 있다. 일 예로, 무선 전력 송신 장치(900)는 제2 전력 제어 구간 동안 디지털 핑을 전송할 수 있다.
제어기(910)는 제3 전력 제어 구간 동안 펄스 폭 변 신호의 듀티비를 최대 효율을 가지는 듀티비에서 최대 듀티비-예를 들면, 0.5(50%)-까지 동적으로 조절할 수 있다. 이때, 제어기(910)는 동작 주파수를 제1 주파수로 고정시킬 수 있다.
일 예로, 제3 전력 제어 구간은 송수신기 사이의 정렬 상태가 정상이 아닌 상태에서 전력 전송 단계로 진입하여 충전이 이루어지는 동작 구간일 수 있다.
제1 전력 제어 구간에 상응하는 전력은 제2 전력 제어 구간에 상응하는 전력이상이고, 제3 전력 제어 구간에 상응하는 전력 이하일 수 있다.
여기서, 최대 효율 듀티비인 제1 값은 하기의하나로 결정될 수 있다.
실시 예에 따른 제1 값은 3.7일 수 있다. 이때, 제1 값의 오차의 한도는 +/- 10%일 수 있다.
다른 실시 예에 따른 제1 값은 0.43(43%)일 수 있다. 이때, 제1 값의 오차의 한도는 +/- 10%일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 제1 값은 0.32(32%)보다 크고 0.48(48%)보다 작은 값 중 어느 하나일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 제1 값은 0.43(43%)보다 크고 0.48(48%)보다 작은 값 중 어느 하나일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 제1 값은 기본 전력비(Fundamental Power Ratio)가 0.89(89%)이상인 듀티비 중 어느 하나의 값으로 결정될 수 있다.
실시 예에 따른 상기 제1 주파수는 110kHz이고 제2 주파수는 145kHz일 수 있다.
상기 도 9의 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치(900)는 정상적인 충전 구간에서 듀티비를 최대 효율을 가지도록 고정한 후 동작 주파수 조절을 통해 폐루프 전력 제어를 수행하므로, 전송 효율을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 하모닉 성분에 의한 전자파 간섭(EMI)을 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.
도 10은 실시 예에 따른 풀 브릿지 인버터가 구비된 무선 전력 송신 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 무선 전력 송신 장치(1000)는 제어기(1010), 게이트드라이버(1020), 풀 브릿지 인버터(1030), 공진 회로(1040), 전류 센서(1050) 및 복조기(1060)을 포함하여 구성될 수 있다.
일 예로, 제어기(1010)의 전체 전력 제어 구간은 풀 브릿지 인버터(1030)의 출력 신호를 제1 주파수에서 제2 주파수까지 가변하는 제1 전력 제어 구간과 풀 브릿지 인버터(1030)의 출력 신호를 제1 듀티비에서 제2 듀티비까지 가변하는 제2 전력 제어 구간과 풀 브릿지 인버터(1030)의 출력 신호를 상기 제2 듀티비에서 제3 듀티비까지 가변하는 제3 전력 제어 구간을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 전력 제어 구간의 전력은 상기 제2 전력 제어 구간의 전력 이상이고, 상기 제3 전력 제어 구간의 전력은 상기 제1 전력 제어 구간의 전력 이상일 수 있다.
실시 예로, 상기 제2 듀티비는 기본 전력비가 89% 이상인 값일 수 있다.
다른 실시 예로, 상기 제2 듀티비는 31% 내지 43%의 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제3 듀티비는 상기 제2 듀티비보다 큰 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제3 듀티비는 50% 이하의 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제2 듀티비는 상기 제1 듀티비보다 큰 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 듀티비는 0% 이상의 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 전력 제어 구간은 상기 제2 듀티비로 고정될 수 있다.
실시 예로, 상기 제3 전력 제어 구간은 상기 제1 주파수로 고정될 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 전력 제어 구간은 상기 제2 주파수로 고정될 수 있다.
실시 예로, 상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수보다 작은 값을 가질 수 있다.
실시 예로, 동작 주파수 범위 내에서, 상기 제1 주파수는 최소 주파수이고 상기 제2 주파수는 최대 주파수일 수 있다.
공진 회로(1040)는 직렬 연결된 캐패시터 C 및 인덕터 L를 포함하여 구성될 수 있다.
제어기(1010)는 무선 전력 송신 장치(1000)의 전체적인 동작을 제어하고, 게이트드라이버(1020)에 레퍼런스 클락 신호를 제공할 수 있다.
게이트드라이버(1020)는 레퍼런스 클락 신호를 이용하여 풀 브릿지 인버터(1030)에 구비된 제1 내지 제4 스위치(SW1 내지 SW4, 1031 내지 1034)를 구동시키기 위한 복수의 스위치 구동 신호를 생성할 수 있다.
여기서, 스위치 구동 신호는 제1 스위치(1031)에 인가되는 제1 스위치 구동 신호 SWD1, 제2 스위치(1032)에 인가되는 제2 스위치 구동 신호 SWD2, 제3 스위치(1033)에 인가되는 제3 스위치 구동 신호 SWD3 및 제4 스위치(1034)에 인가되는 제4 스위치 구동 신호 SWD4를 포함할 수 있다.
풀 브릿지 인버터(1030)는 제1 내지 제4 스위치 구동 신호 및 직류 구동 전압인 V_rail를 인가 받아 교류 전력 신호 V1을 생성할 수 있다.
생성된 교류 전력 신호 V1은 공진 회로(1040)를 통해 무선으로 출력될 수 있다.
전류 센서(1050)는 전력 전송 중 공진 회로(1040)에 인가되는 전류의 세기를 측정하고, 측정 결과를 제어기(1010)에 제공할 수 있다.
복조기(1060)는 공진 회로(1040)와 연결되어 수신기에 의해 진폭 변조된 인밴드 신호를 복조하고, 복조된 신호를 제어기(1010)에 제공할 수 있다.
제어기(1010)는 전류 센서(1050)로부터 수신된 전류의 세기에 관한 정보와 복조기(1060)로부터 수신된 피드백 정보에 기초하여 동작 포인트를 산출할 수 있다. 일 예로, 피드백 정보는 제어 오류 패킷에 포함된 제어 오류 값일 수 있다.
제어기(1010)는 산출된 동작 포인트에 상응하는 전력 제어 타입을 식별하고, 식별된 전력 제어 타입에 따라 동작 주파수 및(또는) 듀티비를 제어할 수 있다.
일 예로, 제어기(1010)는 레퍼런스 클락 신호의 주파수를 조절하여 동작 주파수를 제어할 수 있다.
일 예로, 제어기(1010)는 제1 스위치 구동 신호와 제4 스위치 구동 신호의 위상 차이를 제어하여 교류 전력 신호 V2-V1의 듀티비를 제어할 수 있다.
제어기(1010)는 제1 전력 제어 구간 동안 펄스 폭 변조 신호의 듀티비를 최대 효율을 가지는 듀티비로 고정시킬 수 있다. 여기서, 최대 효율을 가지는 듀티비는 기본 전력비(Fundamental Power Ratio)가 최대인 듀티비일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
제1 전력 제어 구간 동안 제어기(1010)는 동작 주파수를 제1 주파수에서 제2 주파수 사이에서 조절할 수 있다. 여기서, 제2 주파수는 제1 주파수보다 클 수 있다.
제1 전력 제어 구간은 송수신가 잘 정렬된 상태에서 전력 전송 단계로 진입하여 충전이 이루어지는 동작 구간일 수 있다.
제어기(1010)는 제2 전력 제어 구간 동안 펄스 폭 변조 신호의 듀티비를 최소 값인 0에서 최대 효율을 가지는 듀티비까지 동적으로 제어할 수 있다. 이때, 제어기(1010)는 동작 주파수를 제2 주파수로 고정시킬 수 있다.
제2 전력 제어 구간은 전력 전송 단계로의 진입 이전의 전력 전송 구간을 의미할 수 있다. 일 예로, 무선 전력 송신 장치(1000)는 제2 전력 제어 구간 동안 디지털 핑을 전송할 수 있다.
제어기(1010)는 제3 전력 제어 구간 동안 펄스 폭 변 신호의 듀티비를 최대 효율을 가지는 듀티비에서 최대 듀티비-예를 들면, 0.5(50%)-까지 동적으로 조절할 수 있다. 이때, 제어기(1010)는 동작 주파수를 제1 주파수로 고정시킬 수 있다.
일 예로, 제3 전력 제어 구간은 송수신기 사이의 정렬 상태가 정상이 아닌 상태에서 전력 전송 단계로 진입하여 충전이 이루어지는 동작 구간일 수 있다.
여기서, 상기 제1 값은 하기와 같이 결정될 수 있다.
실시 예에 따른 제1 값은 0.37(37%)일 수 있다. 이때, 제1 값의 오차의 한도는 +/- 10%일 수 있다.
다른 실시 예에 따른 제1 값은 0.43(43%)일 수 있다. 이때, 제1 값의 오차의 한도는 +/- 10%일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 제1 값은 0.32(32%)보다 크고 0.48(48%)보다 작은 값 중 어느 하나일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 제1 값은 0.43(43%)보다 크고 0.48(48%)보다 작은 값 중 어느 하나일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 제1 값은 기본 전력비(Fundamental Power Ratio)가 0.89(89%)이상인 듀티비 중 어느 하나의 값으로 결정될 수 있다.
실시 예에 따른 상기 제1 주파수는 110kHz이고, 상기 제2 주파수는 145kHz일 수 있다.
상기 도 10의 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치(1000)는 정상적인 충전 구간에서 듀티비를 최대 효율을 가지도록 고정한 후 동작 주파수 조절을 통해 폐루프 전력 제어를 수행하므로, 전송 효율을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 하모닉 성분에 의한 전자파 간섭(EMI)을 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.
도 11은 실시 예에 따른 듀티비 별 교류 전력 신호의 파형을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 도면 번호 1110은 듀티비가 0.5일 때의 신호 파형이고, 도면 번호 1120은 듀티비가 0.4일 때의 신호 파형이고, 도면 번호 1130은 듀티비가 0.3일 때의 신호 파형이고, 도면 번호 1140은 듀티비가 0.2일 때의 신호 파형이다.
도 12는 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 전체 전력 제어 구간은 크게 제1 전력 제어 구간(1210)과 제2 전력 제어 구간(1220)을 포함하여 구성될 수 있다.
제1 전력 제어 구간(1210)에서 조절되는 전력은 제2 전력 제어 구간(1220)에서 조절되는 전력 이상일 수 있다.
무선 전력 송신 장치는 제1 전력 제어 구간(1210) 동안 인버터 출력 신호의 주파수를 특정 주파수 대역 내에서 가변하고, 듀티비를 특정 값으로 고정하여 전력 제어를 수행할 수 있다.
무선 전력 송신 장치는 제2 전력 제어 구간(1220) 동안 인버터 출력 신호의 주파수를 특정 값으로 고정하고, 듀티비를 특정 범위 내에서 가변하여 전력 제어를 수행할 수 있다.
실시 예로, 제1 전력 제어 구간(1210)에서 고정되는 듀티비는 제2 전력 제어 구간(1220)에서 가변되는 최대 듀티비일 수 있다. 여기서, 최대 듀티비는 기본 전력비가 89% 이상인 값으로 설정될 수 있다.
제1 전력 제어 구간(1210) 동안 무선 전력 송신 장치는 듀티비를 최대 효율 듀티비로 고정시키고, 동작 주파수를 조절하여 전력 제어를 수행할 수 있다.
여기서, 동작 주파수의 조절(가변) 범위는 제1 주파수와 제2 주파수 사이일 수 있다. 이때, 제2 주파수는 제1 주파수보다 클 수 있다. 일 예로, 제1 주파수는 110kHz이고 제2 주파수는 145kHz일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 해당 무선 전력 송신 장치에 적용된 표준에 따라 상이한 주파수가 사용될 수 있다.
일 예로, 제1 전력 제어 구간(1210)은 전력 전송 단계로 진입하여 충전이 이루어지는 구간을 의미할 수 있다.
일 예로, 제1 전력 제어 구간(1210)에서 조절되는 전력 범위는 최소 충전 전력(Minimum Charing Power)에서 최대 전력(Maximum Power) 사이일 수 있다. 여기서, 최소 충전 전력은 충전이 이루어지기 위한 최소 전송 전력을 의미할 수 있다.
제2 전력 제어 구간(1210) 동안 무선 전력 송신 장치는 주파수를 제2 주파수로 고정하고, 듀티비를 최저 값인 0에서 제1 값 사이에서 동적으로 조절할 수 있다. 여기서, 제1 값은 최대 효율을 가지는 듀티비일 수 있다. 특히, 제1 값은 최대 듀티비인 0.5(50%)가 아닌 다른 값으로 설정될 수 있다.
실시 예로, 무선 전력 송신 장치는 제1 전력 제어 구간(1210) 동안 듀티비를 제1 값으로 고정할 수 있다.
일 예로, 제2 전력 제어 구간(1220)은 실제 충전을 위해 전력 전송 단계로 진입하기 이전 전력을 전송하는 구간을 의미할 수 있다.
일 예로, 제2 전력 제어 구간(1220)에서 조절되는 전력 범위는 최소 전력(Mimimum Power)와 최소 충전 전력(Minimum Charing Power) 사이일 수 있다.
실시 예에 따른 제1 값은 0.37(37%)일 수 있다. 이때, 제1 값에 대한 오차의 한도는 +/- 10%일 수 있다.
다른 실시 예에 따른 제1 값은 0.43(43%)일 수 있다. 이때, 제1 값에 대한 오차의 한도는 +/- 10%일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 제1 값은 0.32(32%)보다 크고 0.48(48%)보다 작은 값 중 어느 하나일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 제1 값은 0.43(43%)보다 크고 0.48(48%)보다 작은 값 중 어느 하나일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 제1 값은 기본 전력비(Fundamental Power Ratio)가 0.89(89%)이상인 듀티비 중 어느 하나의 값으로 결정될 수 있다.
도 13은 다른 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 무선 전력 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13을 참조하면, 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치의 전체 전력 제어 구간은 크게 제1 전력 제어 구간(1310), 제2 전력 제어 구간(1320) 및 제3 전력 제어 구간(1330)을 포함하여 구성될 수 있다.
제1 전력 제어 구간(1310)에서 조절되는 전력은 제2 전력 제어 구간(1320)에서 조절되는 전력 이상이고, 제3 전력 제어 구간(1330)에서 조절되는 전력은 제1 전력 제어 구간(1310)에서 조절되는 전력 이상일 수 있다.
제1 전력 제어 구간(1310) 동안 무선 전력 송신 장치는 듀티비를 최대 효율 듀티비로 고정시키고, 동작 주파수를 조절(가변)하여 전력 제어를 수행할 수 있다.
여기서, 동작 주파수의 조절 범위는 제1 주파수와 제2 주파수 사이일 수 있다. 이때, 제2 주파수는 제1 주파수보다 클 수 있다.
실시 예로, 해당 무선 전력 송신 장치의 동작 주파수 범위 내에서 제1 주파수는 최소 주파수이고 제2 주파수는 최대 주파수일 수 있다. 일 예로, 제1 주파수는 110kHz이고 제2 주파수는 145kHz일 수 있으나, 이에 한정되지는 않으며, 해당 무선 전력 송신 장치에 적용된 표준에 따라 상이한 주파수가 사용될 수 있다.
무선 전력 송신 장치는 제2 전력 제어 구간(1320) 동안 인버터의 출력 신호를 제1 듀티비에서 제2 듀티비까지 가변할 수 있다. 여기서, 제2 듀티비는 제1 듀티비보다 크고, 제1 듀티비는 0(0%)이상의 값을 가질 수 있다.
무선 전력 송신 장치는 제3 전력 제어 구간(1330) 동안 인버터의 출력 신호를 제2 듀티비에서 제3 듀티비까지 가변할 수 있다. 여기서, 제3 듀티비는 제2 듀티비보다 크고, 0.5(50%)이하의 값을 가질 수 있다.
무선 전력 송신 장치는 제3 전력 제어 구간(1330) 동안 동작 주파수를 제1 주파수로 고정할 수 있다.
무선 전력 송신 장치는 제2 전력 제어 구간(1320) 동안 동작 주파수를 제2 주파수로 고정할 수 있다.
실시 예로, 제1 전력 제어 구간(1310) 동안 고정되는 듀티비는 제2 듀티비일 수 있다.
실시 예로, 제1 전력 제어 구간(1310) 동안 고정되는 듀티비는 기본 전력비가 89% 이상인 값으로 결정될 수 있다.
실시 예로, 제1 전력 제어 구간(1310) 동안 고정되는 듀티비는 0.31(31%) 내지 0.43(43%) 중 어느 하나의 값으로 결정될 수 있다.
제1 전력 제어 구간(1310)은 송수신기의 안테나 정렬 상태가 양호한 상태에서 전력 전송 단계로 진입하여 충전이 이루어지는 구간을 의미할 수 있다.
일 예로, 제1 전력 제어 구간(1310)에서 조절되는 전력 범위는 최소 충전 전력(Minimum Charing Power)보다 크고 최대 충전 전력(Maximum Charging Power)보다 작을 수 있다. 여기서, 최소 충전 전력은 송수신기가 정렬된 상태에서 충전이 이루어지기 위한 최소 전송 전력을 의미하고, 최대 충전 전력은 송수신기가 정렬된 상태에서 충전이 이루어지기 위한 최대 전송 전력을 의미할 수 있다.
제2 전력 제어 구간(1310) 동안 무선 전력 송신 장치는 동작 주파수를 제2 주파수로 고정하고, 듀티비를 최저 값인 0에서 제1 값 사이에서 동적으로 조절할 수 있다. 여기서, 제1 값은 최대 효율을 가지는 듀티비일 수 있다. 특히, 제1 값은 최대 듀티비인 0.5가 아닌 다른 값으로 설정됨을 주의해야 한다.
일 예로, 제2 전력 제어 구간(1320)은 실제 충전을 위해 전력 전송 단계로 진입하기 이전 전력을 전송하는 구간을 의미할 수 있다.
일 예로, 제2 전력 제어 구간(1320)에서 조절되는 전력 범위는 최소 전력(Mimimum Power)와 최소 충전 전력(Minimum Charing Power) 사이일 수 있다.
제3 전력 제어 구간(1330) 동안 무선 전력 송신 장치는 동작 주파수를 제1 주파수로 고정하고, 듀티비를 제1 값에서 최대 값인 0.5(50%)사이에서 동적으로 조절할 수 있다.
실시 예로, 제1 값은 제1 전력 제어 구간(1310) 동안 고정되는 듀티비와 동일할 수 있다.
일 예로, 제3 전력 제어 구간(1330)은 송수신기의 안테나 정렬 상태가 양호하지 않은 상태에서 전력 전송 단계로 진입하여 충전이 이루어지는 구간을 의미할 수 있다.
일 예로, 제3 전력 제어 구간(1330)에서 조절되는 전력 범위는 최대 충전 전력보다 크고 최대 전력(Maximum Power)보다 작을 수 있다. 여기서, 최대 전력은 해당 무선 전력 송신 장치에 의해 전송 가능한 최대 전력을 의미할 수 있다.
실시 예에 따른 제1 값은 0.37(37%)일 수 있다. 이때, 제1 값에 대한 오차의 한도는 +/- 10%일 수 있다.
다른 실시 예에 따른 제1 값은 0.43(43%)일 수 있다. 이때, 제1 값에 대한 오차의 한도는 +/- 10%일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 제1 값은 0.43(43%)보다 크고 0.48(48%)보다 작은 값 중 어느 하나일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 제1 값은 0.31(31%)보다 크고 0.43(43%)보다 작은 값 중 어느 하나의 값일 수 있다.
또 다른 실시 예에 따른 제1 값은 기본 전력비(Fundamental Power Ratio)가 0.89(89%)이상인 듀티비 중 어느 하나의 값으로 결정될 수 있다.
도 14는 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치에서 듀티비에 따른 기본 전력비 변화를 보여주는 그래프이다.
상기 도 14의 그래프는 무선 전력 신호에 대한 퓨리에 시리즈(Fourier Series) 분석을 통해 획득한 결과에 기초한다.
무선 전력 신호는 모든 듀티비에 대해 기본 신호(Fundamental signal) 성분의 세기가 가장 크고, 하모닉 신호(Harmonic Signal) 성분의 세기는 하모닉 차수가 증가함에 따라 감소한다.
실제 공진 회로를 통해 출력되는 교류 전력 신호의 파형에서 기본 신호 성분만이 전력 전달에 기여하고, 나머지 하모닉 신호 성분은 전력 전달에 실질적으로 기여하지 못한다. 즉, 하모닉 신호 성분들은 무선 구간에서 거의 소멸된다.
따라서, 교류 전력 신호 파형에서 전체 신호 성분 대비 기본 신호 성분의 비율이 높을수록 전력 전송 효율은 높아지게 된다. 여기서, 전체 신호 성분은 기본 신호 성분과 하모닉 신호 성분의 합을 의미한다.
도 14의 도면 번호 1410을 참조하면, 기본 전력비는 듀티비 0.375(37.5%)에서 최대값인 0.923을 가진다. 이때, 최대 듀티비인 0.5(50%)에서 기본 전력비가 최대가 아님을 주의해야 한다.
즉, 듀티비가 0.375(37.5%)일때, 기본 전력비가 최대으므로, 전송 효율도 최대가 된다.
실시 예로, 무선 전력 송신 장치는 상기한 도 12 및 도 13의 제1 전력 제어 구간에서 기본 전력비가 89% 이상인 듀티비 중 어느 하나의 값으로 듀티비를 고정한 후 주파수 조절만으로 전송 전력을 제어할 수 있다.
실시 예로, 무선 전력 송신 장치는 상기한 도 12 및 도 13의 제1 전력 제어 구간에서 고정되는 듀티비를 0.31(31%) 내지 0.43(43%) 중 어느 하나의 값으로 설정할 수 있다.
따라서, 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 충전이 개시되면, 교류 전력 신호-즉, 인버터 출력 신호-의 듀티비를 최대 효율을 가지는 듀티비로 고정한 후 동작 주파수 조절만으로 전송 전력을 제어함으로써, 무선 충전 효율을 극대화시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 실시 예에 따른 무선 전력 송신 장치는 기본 전력비가 최대인 듀티비를 이용하여 교류 전력 신호를 생성하므로, 하모닉 신호 성분을 크게 감소시키며, 이를 통해 하모닉 신호 성분에 의한 전파 방해를 최소화시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (30)

  1. 무선 전력을 송신하는 송신부;
    복수 개의 스위치를 포함하는 인버터; 및
    상기 복수 개의 스위치에 스위치 구동 신호를 인가하도록 제어하는 제어기
    를 포함하고,
    상기 제어기의 전체 전력 제어 구간은
    상기 인버터의 출력 신호를 제1 주파수에서 제2 주파수까지 가변하는 제1 전력 제어 구간;
    상기 인버터의 출력 신호를 제1 듀티비에서 제2 듀티비까지 가변하는 제2 전력 제어 구간; 및
    상기 인버터의 출력 신호를 상기 제2 듀티비에서 제3 듀티비까지 가변하는 제3 전력 제어 구간을 포함하는
    무선 전력 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 듀티비는 기본 전력비가 89% 이상인 값을 가지는 무선 전력 송신 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 듀티비는 31% 내지 43%의 값을 가지는 무선 전력 송신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 듀티비는 상기 제2 듀티비보다 큰 값을 가지는 무선 전력 송신 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 듀티비는 50% 이하의 값을 가지는 무선 전력 송신 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 듀티비는 상기 제1 듀티비보다 큰 값을 가지는 무선 전력 송신 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 듀티비는 0% 이상의 값을 가지는 무선 전력 송신 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전력 제어 구간은 상기 제2 듀티비로 고정되는 무선 전력 송신 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제3 전력 제어 구간은 상기 제1 주파수로 고정되는 무선 전력 송신 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전력 제어 구간은 상기 제2 주파수로 고정되는 무선 전력 송신 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수보다 작은 값을 가지는 무선 전력 송신 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    동작 주파수 범위 내에서, 상기 제1 주파수는 최소 주파수이고 상기 제2 주파수는 최대 주파수인 무선 전력 송신 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 인버터는 하프 브릿지 또는 풀 브릿지인 무선 전력 송신 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전력 제어 구간의 전력은 상기 제2 전력 제어 구간의 전력 이상이고, 상기 제3 전력 제어 구간의 전력은 상기 제1 전력 제어 구간의 전력 이상인 무선 전력 송신 장치.
  15. 무선 전력을 송신하는 송신부;
    복수 개의 스위치를 포함하는 인버터; 및
    상기 복수 개의 스위치에 스위치 구동 신호를 인가하도록 제어하는 제어기
    를 포함하고,
    상기 제어기의 전체 전력 제어 구간은
    상기 인버터의 출력 신호의 주파수를 가변하고, 듀티비를 고정하는 제1 전력 제어 구간; 및
    상기 인버터의 출력 신호의 상기 주파수를 고정하고, 상기 듀티비를 가변하는 제2 전력 제어 구간;
    상기 인버터의 출력 신호의 상기 주파수를 고정하고, 상기 듀티비를 가변하는 제3 전력 제어 구간을 포함하고,
    상기 제3 전력 제어 구간의 최대 듀티비는 상기 제2 전력 제어 구간의 최대 듀티비보다 큰 무선 전력 송신 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 전력 제어 구간에서 고정되는 상기 듀티비는 기본 전력비가 89% 이상인 값을 가지는 무선 전력 송신 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1 전력 제어 구간에서 고정되는 상기 듀티비는 31% 내지 43%의 값을 가지는 무선 전력 송신 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제3 전력 제어 구간의 최대 듀티비는 상기 제2 전력 제어 구간의 최대 듀티비보다 큰 값을 가지는 무선 전력 송신 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제3 전력 제어 구간의 최대 듀티비는 50% 이하의 값을 가지는 무선 전력 송신 장치.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 제2 전력 제어 구간의 최대 듀티비는 상기 제1 전력 제어 구간에서 고정되는 듀티비 이하인 값을 가지는 무선 전력 송신 장치.
  21. 제15항에 있어서,
    상기 제2 전력 제어 구간의 최소 듀티비는 0% 이상의 값을 가지는 무선 전력 송신 장치.
  22. 제15항에 있어서,
    상기 제3 전력 제어 구간은 제1 주파수로 고정되는 무선 전력 송신 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제2 전력 제어 구간은 제2 주파수로 고정되는 무선 전력 송신 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제1 주파수는 상기 제2 주파수보다 작은 값을 가지는 무선 전력 송신 장치.
  25. 제15항에 있어서,
    동작 주파수 범위 내에서, 상기 제1 주파수는 최소 주파수이고 상기 제2 주파수는 최대 주파수인 무선 전력 송신 장치.
  26. 제15항에 있어서,
    상기 인버터는 하프 브릿지 또는 풀 브릿지인 무선 전력 송신 장치.
  27. 제15항에 있어서,
    상기 제1 전력 제어 구간의 전력은 상기 제2 전력 제어 구간의 전력 이상이고, 상기 제3 전력 제어 구간의 전력은 상기 제1 전력 제어 구간의 전력 이상인 무선 전력 송신 장치.
  28. 무선 전력을 송신하는 송신부;
    복수 개의 스위치를 포함하는 인버터; 및
    상기 복수 개의 스위치에 스위치 구동 신호를 인가하도록 제어하는 제어기
    를 포함하고,
    상기 제어기의 전체 전력 제어 구간은
    상기 인버터의 출력 신호의 주파수를 가변하고, 듀티비를 고정하는 제1 전력 제어 구간; 및
    상기 인버터의 출력 신호의 상기 주파수를 고정하고, 상기 듀티비를 가변하는 제2 전력 제어 구간
    을 포함하고,
    상기 제1 전력 제어 구간에서 상기 고정되는 듀티비는 상기 제2 전력 제어 구간에서 가변되는 최대 듀티비이고, 상기 최대 듀티비는 기본 전력비가 89% 이상인 값을 가지는 무선 전력 송신 장치.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 제2 전력 제어 구간에서 상기 고정되는 주파수는 상기 제1 전력 제어 구간에서 가변되는 최대 주파수인 무선 전력 송신 장치.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 제1 전력 제어 구간의 전력은 상기 제2 전력 제어 구간의 전력 이상인 무선 전력 송신 장치.
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