(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受信部に送信するための無線電力を生成する送信部であって、
第１交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
前記変換された直流電圧から第２交流電圧を有する無線電力を生成するためにフルブリッジ(full bridge)インバータを含む電力変換部と、
前記無線電力を送信するためのコイル部と、
前記コンバータ及び前記電力変換部を制御する制御部とを含み、
前記制御部は、
前記コンバータを制御して、前記受信部が要求する電力量に応じて前記変換された直流電圧のレベルを調節し、
第１デューティ比を有する第１PWM制御信号を用いて前記電力変換部を制御して前記調節されたレベルの直流電圧から前記第２交流電圧を有する無線電力を生成し、
前記電力変換部からのフィードバックされた前記第２交流電圧を受信し、
前記フィードバックされた第２交流電圧から得られた周波数成分と、前記調節された直流電圧の大きさに基づいて、前記フィードバックされた第２交流電圧の周波数成分のうち基本周波数の大きさに対する高調波の大きさの比が最小となる第２デューティ比を有する第２PWM制御信号を生成し、
前記生成された第２デューティ比を有する第２PWM制御信号を用いて前記電力変換部を制御して前記調節された直流電圧から前記第２交流電圧を有する無線電力を生成し、
前記第１PWM制御信号の前記第１デューティ比は26％から44％のいずれかの値に決定される送信部。
【請求項２】
前記高調波は、前記第２交流電圧の互いに異なる周波数を有する複数の高調波成分のうち最大サイズを有する高調波である、請求項１に記載の送信部。
【請求項３】
前記第２PWM制御信号の前記第２デューティ比は２６％〜４４％である、請求項２に記載の送信部。
【請求項４】
前記第２PWM制御信号の前記第２デューティ比は４１％または３２％に該当する、請求項２に記載の送信部。
【請求項５】
前記送信部は、
前記電力変換部と、前記コイル部の間に接続されて送信部と前記受信部との間のインピーダンスマッチングを行うマッチング部をさらに含む、請求項１に記載の送信部。
【請求項６】
第１交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記変換された直流電圧から第２交流電圧を有する無線電力を生成する電力変換部と、前記無線電力を送信するためのコイル部とを含む送信部と、前記送信部から電力が提供される受信部とを備えた無線電力伝送システムの駆動方法であって、
前記送信部の充電領域に前記受信部が接近したとき、前記送信部および受信部のいずれか１つが残りの１つを感知するステップと、
前記コンバータを制御して前記受信部から電力伝送の要求を受信するステップと、
前記受信部が要請する電力量に応じて、前記コンバータの前記変換された直流電圧のレベルを調節するステップと、
第１デューティ比を有する第１PWM制御信号を用いて前記電力変換部を制御して前記調節されたレベルの直流電圧から前記第２交流電圧を有する無線電力を生成するステップと、
前記電力変換部からのフィードバックされた前記第２交流電圧を受信するステップと、
前記フィードバックされた第２交流電圧から得られた周波数成分と、前記調節された直流電圧の大きさに基づいて、前記フィードバックされた第２交流電圧の周波数成分のうち、基本周波数の大きさに比べ高調波の大きさの比が最小となる第２デューティ比を有する第２PWM制御信号を生成するステップと、
前記生成された第２デューティ比を有する第２PWM制御信号を用いて前記電力変換部を制御して前記調節された直流電圧から前記第２交流電圧を有する無線電力を生成するステップと、を含み、
前記第１PWM制御信号の前記第１デューティ比は26％から44％のいずれかの値に決定される無線電力伝送システムの駆動方法。
【請求項７】
前記高調波は、前記第２交流電圧の互いに異なる周波数を有する複数の高調波成分のうち最大サイズを有する高調波である、請求項６に記載の無線電力伝送システムの駆動方法。
【請求項８】
前記電力変換部は、直流/直流コンバータから印加された直流電圧を受けて交流信号を出力するフルブリッジ(full bridge)インバータを含む、請求項７に記載の無線電力伝送システムの駆動方法。
【請求項９】
前記第２PWM制御信号の前記第２デューティ比は２６％〜４４％である、請求項７に記載の無線電力伝送システムの駆動方法。
【請求項１０】
前記第２PWM制御信号の前記第２デューティ比は４１％または３２％に該当する、請求項７に記載の無線電力伝送システムの駆動方法。
【請求項１１】
受信部に送信するための無線電力を生成する送信部であって、
第1交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
前記変換された直流電圧から第2交流電圧を有する無線電力を生成するためにフルブリッジ（full bridge）インバータを含む電力変換部と、
前記無線電力を送信するためのコイル部と、
前記コンバータおよび前記電力変換部を制御する制御部とを含み、
前記制御部は、前記電力変換部を制御するための第1デューティ比を有する第１乃至第４交流電力制御信号を生成し、
前記第1乃至第4交流電力制御信号の前記第1デューティ比は26％から44％のいずれかの値に決定され、
前記電力変換部は、
第1および第2のノードの間に直列に接続される第1及び第2スイッチング素子と、
前記第1及び第2のノードの間に直列に接続され、前記第1及び第2スイッチング素子と並列に接続される第3及び第4スイッチング素子とを含み、
前記第2交流電圧は、前記第1および第4交流電力制御信号に応答して、前記第1及び第4スイッチング素子がスイッチングされて生成された正極性電圧と、前記第2及び第3交流電力制御信号に応答して、前記第2及び第3スイッチング素子がスイッチングされて生成された負極性電圧を含み、
前記制御部は、
前記電力変換部からのフィードバックされた前記第2交流電圧を受信し、
前記フィードバックされた第２交流電圧から得られた周波数成分と、前記コンバータの前記変換された直流電圧の大きさに基づいて、前記フィードバックされた第２交流電圧の周波数成分のうち、基本周波数の大きさに比べ高調波の大きさの比が最小となる第2デューティ比を有する第1乃至第4交流電力制御信号を生成し、
前記生成された第2デューティ比を有する第1乃至第4交流電力制御信号を用いて前記第1乃至第4スイッチング素子を制御して前記電力変換部の直流電圧から前記第２交流電圧を有する無線電力を生成する送信部。
【請求項１２】
前記正極性電圧の前記第１デューティ比は、前記第４交流電力制御信号のポーリング時間によって決定され、
前記負極性電圧の前記第１デューティ比は、前記第３交流電力制御信号のポーリング時間によって決定される、請求項１１に記載の送信部。
【請求項１３】
前記第１デューティ比は、前記受信部の電力受信状態に応じて調節される、請求項１２に記載の送信部。
【請求項１４】
前記第４交流電力制御信号のポーリング時間は、前記第１交流電力制御信号のポーリング時間より先行する、請求項１３に記載の送信部。
【請求項１５】
前記第３交流電力制御信号のポーリング時間は、前記第２交流電力制御信号のポーリング時間より先行する、請求項１１に記載の送信部。
【請求項１６】
前記第１および第２デューティ比は５０％である時最大交流電力が生成され、
前記第１および第２デューティ比が減少する時前記交流電力の大きさは小さくなる、請求項１２に記載の送信部。
【請求項１７】
前記第１および第４スイッチング素子がターンオンされた時区間に、前記第２および第３スイッチング素子はターンオフされ、
前記第２および第３スイッチング素子がターンオンされた時区間に、前記第１および第４スイッチング素子はターンオフされた、請求項１１に記載の送信部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線電力伝送技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
無線電力伝送(Wireless Power Transfer、WPT)システムは、空間を介して線なしに電力を伝達する技術として、モバイル機器およびデジタル家電機器に対する電力供給の便宜性を最大化した技術である。
【０００３】
無線電力伝送システムは、リアルタイム電力使用制御による省エネルギー、電力供給のスペース制約の克服およびバッテリ再充電を利用した廃乾電池の排出量の削減などの長所がある。
【０００４】
無線電力伝送システムの実現方法として、代表的に磁気誘導方式と磁気共振方式がある。
【０００５】
磁気誘導方式は、２つのコイルを近接させて一方のコイルに電流を流し、それによって発生した磁束を媒介として他方のコイルにも起電力が発生する非接触エネルギー伝送技術として、数百khzの周波数を使用することができる。
【０００６】
磁気共振方式は、電磁波や電流を利用せずに電場または磁場のみを利用する磁気共鳴技術として、電力伝送が可能な距離が数メートル以上であり、数十MHzの帯域を利用することが特徴である。
【０００７】
ただし、受信側で失われる電流により電力損失が発生する問題がある。
【０００８】
さらに、無線電力伝送システムでの電力送信機から発生する不要波、すなわち高調波が発生し、このような高調波成分は、電磁気干渉効果および人体に悪影響を起こすことがある。
【０００９】
高調波は、電力関係で商用周波数より高い周波数、例えば数百Hz以上の周波数を言い、高調波は基本波に対してその整数倍の周波数をいう。
【００１０】
無線電力伝送システムでは、受信周波数の逓倍周波数の近くで発生する高調波成分の発生原因は、基本的に送信部負荷の非線形特性から起因する。すなわち、送信部に供給される交流信号は、非線形負荷によって波形が維持されず、歪みながら高調波が形成される。
【００１１】
このような高調波成分は、周辺機器の正常な動作を妨害したり、不要な電力受信、ノイズおよび様々な障害現象を起こすことになる。
【００１２】
具体的に、電力送信機から放出される磁場(magnetic field)の変化は、停止した周辺機器の導体に電磁気誘導現象による電流を発生させて異常動作を起こすことがある。また、電力送信機で発生した磁場は、携帯機器などが磁場の周辺を移動する場合にも、携帯機器に電流を発生させて障害現象が発生する可能性がある。また、電力送信機と電力受信を不必要とする周辺機器が、共振条件が等しくなると磁気共振カップリング(magnetic resonance coupling)が発生することもあり、周辺機器に誤動作を起こすことがある。
【００１３】
上述したように、高調波成分は、電子機器と人体に悪い影響を及ぼしかねないので、電磁波適合性[electromagnetic compatibility、EMC]、電磁波障害[electromagnetic interference、EMI]、電磁波耐性[electromagnetic susceptibility、EMS]に対する規制を満足させることが重要である。
【００１４】
図１は、従来の無線電力伝送システムにおいて、電力を受信機に送信する送信機のブロック図である。
【００１５】
図１に示すように、送信機１は、ゲートドライバ２とハーフブリッジ(Half Bridge)タイプの電力変換器３とマッチング回路４および送信コイル５を含むことができる。
【００１６】
従来の電力変換器３のハーフブリッジ回路は、２つのスイッチがそれぞれゲート駆動入力に適切な電圧波形を適用することで、互いに補完的にターンオン(turn-on)およびターンオフ(turn-off)する。
【００１７】
このとき、２つのスイッチの共通ノードと接地との間にスイッチングする矩形波電圧が発生する。
【００１８】
このような正弦波ではない矩形波の出力は、基本波の整数倍周波数である高調波成分を多く含む問題があるので、従来の電力変換器３では高調波を減少させることに限界がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明は、浪費または消費される電流を最小化でき、無線電力伝送効率を向上させることができる無線電力送信装置を提供する。
【００２０】
また、本発明は、前記無線電力送信装置を含む無線電力伝送システムを提供する。
【００２１】
また、本発明は、電力を送信する送信部の電力変換部の出力信号に含まれた高調波成分による電力受信およびノイズなどの障害現象を解決できる無線電力伝送装置と、これを含む無線電力伝送システムを提供する。
【００２２】
また、本発明は、フルブリッジインバータを含む電力変換部を利用して、前記電力変換部の出力波形を正弦波に近接させて高調波歪み率を改善できる無線電力伝送装置と、これを含む無線電力伝送システムを提供する。
【００２３】
また、本発明は、電力変換部から出力される出力信号をフィードバックして前記出力信号の高調波成分の分布を測定し、高調波成分を最小化できるデューティ比を提供する無線電力伝送装置と、これを含む無線電力伝送システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の実施例に係る送信部は、受信部に送信するための無線電力を生成する送信部であって、前記送信部は、フルブリッジ(full bridge)インバータを含む電力変換部と、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御信号を利用して前記電力変換部を制御する制御部とを含み、ＰＷＭ制御信号のデューティ比(Duty ratio)は、前記電力変換部の出力信号の周波数成分のうち基本周波数の大きさに対する高調波の大きさの比が最小となるデューティ比で決定される送信部。
【００２５】
本発明の他の実施例に係る送信部において、前記高調波は、前記出力信号の互いに異なる周波数を有する複数の高調波成分のうち最大サイズを有する高調波である送信部。
【００２６】
本発明の他の実施例に係る送信部において、前記デューティ比は２６％〜４４％である送信部。
【００２７】
本発明の他の実施例に係る送信部において、前記デューティ比は４１％または３２％に該当する送信部。
【００２８】
本発明の他の実施例に係る送信部は、印加された入力交流電源から直流(DC)電圧を生成する整流およびフィルタ部と、前記整流およびフィルタ部から出力された直流電圧のレベルを調節して前記電力変換部に出力する直流/直流(DC/DC)コンバータと、前記送信部と前記受信部との間のインピーダンスマッチングを行うマッチング部とをさらに含み、前記制御部は前記直流/直流コンバータの直流電圧レベルを制御する送信部。
【００２９】
本発明の実施例に係る無線電力伝送システムの駆動方法は、外部電源から印加された電力を変換するための電力変換部を備えた送信部と、前記送信部から電力が提供される受信部とを備えた無線電力伝送システムの駆動方法であって、前記送信部の充電領域に前記受信部が接近したとき、前記送信部および受信部のいずれか１つが残りの１つを感知するステップと、前記受信部が前記送信部に電力伝送を要請するステップと、前記受信部が要請する電力量に応じて、前記送信部の制御部は前記直流/直流コンバータの直流電圧レベルを調節するステップと、前記制御部は、既設定されたＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御信号のデューティ比(Duty ratio)に応じて、前記電力変換部を制御するステップとを含み、前記ＰＷＭ制御信号のデューティ比は、前記電力変換部の出力信号の周波数成分のうち基本周波数の大きさに対する高調波の大きさの比が最小となるデューティ比で決定される無線電力伝送システムの駆動方法。
【００３０】
本発明の他の実施例に係る無線電力伝送システムの駆動方法において、前記高調波は、前記出力信号の互いに異なる周波数を有する複数の高調波成分のうち最大サイズを有する高調波である無線電力伝送システムの駆動方法。
【００３１】
本発明の他の実施例に係る無線電力伝送システムの駆動方法において、前記電力変換部は、直流/直流コンバータから印加された直流電圧を受けて交流信号を出力するフルブリッジ(full bridge)インバータを含む無線電力伝送システムの駆動方法。
【００３２】
本発明の他の実施例に係る無線電力伝送システムの駆動方法において、前記デューティ比は２６％〜４４％である無線電力伝送システムの駆動方法。
【００３３】
本発明の他の実施例に係る無線電力伝送システムの駆動方法において、前記デューティ比は４１％または３２％に該当する無線電力伝送システムの駆動方法。
【００３４】
本発明の他の実施例に係る無線電力伝送システムの駆動方法において、前記制御部は、前記電力変換部から出力される出力信号のフィードバックを受け、前記出力信号の基本周波数の大きさに対する高調波の大きさの比が最小となるデューティ比を有するＰＷＭ制御信号を前記電力変換部に提供する無線電力伝送システムの駆動方法。
【００３５】
本発明の実施例に係る送信部は、受信部に送信するための無線電力を生成する送信部であって、第１〜第４交流電力制御信号を生成する制御部と、前記第１〜第４交流電力制御信号に応答して、正極性電圧および負極性電圧を含む交流電力を生成する電力変換部とを含み、前記電力変換部は、前記第１交流電力制御信号と前記第４交流電力制御信号に応答して、前記正極性電圧を生成し、前記第２交流電力制御信号と前記第３交流電力制御信号に応答して、前記負極性電圧を生成する送信部。
【００３６】
本発明の他の実施例に係る送信部において、前記正極性電圧のデューティ比は、前記第４交流電力制御信号のポーリング時間によって決定され、前記負極性電圧のデューティ比は、前記第３交流電力制御信号のポーリング時間によって決定される送信部。
【００３７】
本発明の他の実施例に係る送信部において、前記デューティ比は、前記受信部の電力受信状態に応じて調節される送信部。
【００３８】
本発明の他の実施例に係る送信部において、前記第４交流電力制御信号のポーリング時間は、前記第１交流電力制御信号のポーリング時間より先行する送信部。
【００３９】
本発明の他の実施例に係る送信部において、前記第３交流電力制御信号のポーリング時間は、前記第２交流電力制御信号のポーリング時間より先行する送信部。
【００４０】
本発明の他の実施例に係る送信部において、前記デューティ比は５０％である時最大交流電力が生成され、前記デューティ比が減少する時前記交流電力の大きさは小さくなる送信部。
【００４１】
本発明の他の実施例に係る送信部において、前記電力変換部は、第１〜第４スイッチング素子を含み、前記第１および第４スイッチング素子がターンオンされた時区間に、前記第２および第３スイッチング素子はターンオフされ、前記第２および第３スイッチング素子がターンオンされた時区間に、前記第１および第４スイッチング素子はターンオフされた送信部。
【発明の効果】
【００４２】
本発明の実施例は、受信部の受信状態に応じて交流電力生成部を制御する交流電力制御信号を可変させ、このような交流電力制御信号の可変に応答して、交流電力生成部から出力される交流電力の交流電圧のデューティ比を調節して交流電力の大きさを調節することで、電流損失の発生を遮断し、電力消耗を防止することができる。
【００４３】
本発明の実施例は、電力を送信する送信部の電力変換部の出力信号に含まれた高調波成分による電力受信およびノイズなどの障害現象を解決でき、その実施例として、フルブリッジインバータを含む電力変換部を利用して、前記電力変換部の出力波形を正弦波に近接させて高調波歪み率を改善でき、電力変換部から出力される出力信号をフィードバックして前記出力信号の高調波成分の分布を測定し、高調波成分を最小化できるデューティ比を提供することができる。
【００４４】
なお、その他の多様な効果は、後述される実施例に係る詳細な説明で直接的または暗示的に開示される。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来の無線電力伝送システムにおいて、電力を受信機に送信する送信機のブロック図である。
【００４６】
【図２】実施例に係る無線電力伝送システムの説明図である。
【００４７】
【図３】実施例に係る送信誘導コイルの等価回路図である。
【００４８】
【図４】実施例に係る電力ソースと無線電力送信装置の等価回路図である。
【００４９】
【図５】実施例に係る受信部の等価回路図である。
【００５０】
【図６】本発明の実施例に係る無線電力伝送システムの送信部を示すブロック図である。
【図７】本発明の実施例に係る無線電力伝送システムの受信部を示すブロック図である。
【００５１】
【図８】本発明の実施例に係る送信部の電力変換部を示す図である。
【００５２】
【図９】電力変換部の動作を示す動作図である。
【図１０】電力変換部の動作を示す動作図である。
【図１１】交流電力制御信号に応じた電力変換部の出力信号の波形図である。
【００５３】
【図１２】ブランク区間を調節して交流電圧のデューティ比を調節する波形図を示す図である。
【図１３】ブランク区間を調節して交流電圧のデューティ比を調節する波形図を示す図である。
【００５４】
【図１４ａ】電力変換器のフルブリッジのデューティ比を異なるようにした時出力波形をシミュレーションした結果として出力された信号の基本波と基本波の逓倍成分である高調波の大きさを示したものである。
【図１４ｂ】電力変換器のフルブリッジのデューティ比を異なるようにした時出力波形をシミュレーションした結果として出力された信号の基本波と基本波の逓倍成分である高調波の大きさを示したものである。
【図１５ａ】電力変換器のフルブリッジのデューティ比を異なるようにした時出力波形をシミュレーションした結果として出力された信号の基本波と基本波の逓倍成分である高調波の大きさを示したものである。
【図１５ｃ】電力変換器のフルブリッジのデューティ比を異なるようにした時出力波形をシミュレーションした結果として出力された信号の基本波と基本波の逓倍成分である高調波の大きさを示したものである。
【図１６ａ】電力変換器のフルブリッジのデューティ比を異なるようにした時出力波形をシミュレーションした結果として出力された信号の基本波と基本波の逓倍成分である高調波の大きさを示したものである。
【図１６ｂ】電力変換器のフルブリッジのデューティ比を異なるようにした時出力波形をシミュレーションした結果として出力された信号の基本波と基本波の逓倍成分である高調波の大きさを示したものである。
【００５５】
【図１７】デューティ比を異なるようにした時の最大高調波歪み率を示したシミュレーション結果である。
【００５６】
【図１８】本発明の実施例に係る無線電力伝送システムの動作を示した信号流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
以下、本発明の実施例に係る無線電力送信装置および無線電力伝送システムを図面を参照して詳しく説明する。なお、以下の実施例は、当業者に本発明の思想が十分に伝達されるようにするための例であり、本発明は、以下に説明される実施例に限定されるものではなく、他の形態で具体化することもできる。そして、図面において、装置の大きさおよび厚さなどは、便宜上、誇張されて表現されることもある。明細書全体に渡り、同じ参照番号は同じ構成要素を示す。
【００５８】
実施例は、無線電力を伝送するために、低周波(５０kHz)から高周波(１５MHz)までの多様な種類の周波数帯域を選択的に使用し、システムを制御するためにデータおよび制御信号を交換できる通信システムの支援が必要である。
【００５９】
実施例は、バッテリを使用または必要とする電子機器を用いる携帯端末産業、家電機器産業、電気自動車産業、医療機器産業、ロボット産業など多様な産業分野に適用することができる。
【００６０】
実施例は、機器を提供したつの送信コイルを用いて、１つ以上の多数の機器に電力伝送が可能なシステムを考慮することができる。
【００６１】
実施例で用いられる用語と略語は次のようである。
【００６２】
無線電力伝送システム(Wireless Power Transfer System)：磁場領域内で無線電力伝送を提供するシステム。
【００６３】
送信部(Wireless Power Transfer System-Charger)：磁場領域内で多数の機器の電力受信機に無線電力伝送を提供し、システム全体を管理する装置。
【００６４】
受信部(Wireless Power Transfer System-Deivce)：磁場領域内で電力送信機からの無線電力伝送を受ける装置。
【００６５】
充電領域(Charging Area)：磁場領域内で実際的な無線電力伝送が行われる地域であり、応用製品の大きさ、要求電力、動作周波数に応じて可変できる。
【００６６】
図２は、実施例に係る無線電力伝送システムの説明図である。
【００６７】
図１に示すように、実施例に係る無線電力伝送システム１０は、電力ソース３００、無線電力送信装置である送信部１００、無線電力受信装置である受信部２００および負荷２４０を含むことができる。
【００６８】
実施例で、電力ソース３００は送信部１００に含まれてもよいが、これに対しては限定しない。送信部１００は、送信誘導コイル１０２ａおよび送信共振コイル１０２ｂを含むことができる。
【００６９】
受信部２００は、受信共振コイル２０２ｂ、受信誘導コイル２０２ａおよび整流部２２０を含むことができる。電力ソース３００の両端は、送信誘導コイル１０２ａの両端と連結される。送信共振コイル１０２ｂは、送信誘導コイル１０２ａと一定距離おいて配置される。受信共振コイル２０２ｂは、受信誘導コイル２０２ａと一定距離おいて配置される。受信誘導コイル２０２ａの両端は整流部２２０の両端と連結され、負荷２４０は整流部２２０の両端と連結される。実施例で、負荷２４０は受信部２００に含まれてもよい。
【００７０】
電力ソース３００で生成された電力は送信部１００に伝達され、送信部１００に伝達された電力は、共振現象によって送信部１００と共振する、すなわち、共振周波数値が同一な受信部２００に伝達される。
【００７１】
以下、より具体的に電力伝送過程を説明する。
【００７２】
電力ソース３００は、所定周波数を有する交流電力を生成して送信部１００に伝達することができる。送信誘導コイル１０２ａと送信共振コイル１０２ｂは、誘導結合されていてもよい。すなわち、送信誘導コイル１０２ａは、電力ソース３００から供給された交流電力によって交流電流が発生され、このような交流電流による電磁気誘導によって、物理的に離隔されている送信共振コイル１０２ｂにも交流電流が誘導される。その後、送信共振コイル１０２ｂに伝達された電力は、共振によって送信部１００と周波数共振方式を利用して、同じ共振周波数を有する受信部２００に伝達される。
【００７３】
インピーダンスがマッチングされた２つのＬＣ回路の間は、共振によって電力が伝送される。このような共振による電力伝送は、電磁気誘導方式による電力伝送に比べて、より遠い距離までより高い伝送効率で電力伝達を可能とする。
【００７４】
受信共振コイル２０２ｂは、送信共振コイル１０２ｂから周波数共振方式を利用して伝達された電力を受信することができる。受信された電力により受信共振コイル２０２ｂには交流電流が流れることになり、受信共振コイル２０２ｂに伝達された電力は、電磁気誘導によって受信共振コイル２０２ｂと誘導結合された受信誘導コイル２０２ａに伝達される。受信誘導コイル２０２ａに伝達された電力は、整流部２２０を介して整流されて負荷２４０に伝達される。
【００７５】
実施例で、送信誘導コイル１０２ａ、送信共振コイル１０２ｂ、受信共振コイル２０２ｂ、受信誘導コイル２０２ａは、スパイラル(spiral)またはヘリカル(helical)構造のいずれか１つの構造を有することができるが、これに限定されるものではない。
【００７６】
送信共振コイル１０２ｂと受信共振コイル２０２ｂは、共振周波数で電力伝達が可能なように共振結合できる。送信共振コイル１０２ｂと受信共振コイル２０２ｂの共振結合により、送信部１００と受信部２００の間の電力伝送効率は大幅に向上する。
【００７７】
以上の無線電力伝送システムは、共振周波数方式による電力伝達を説明した。
【００７８】
実施例は、このような共振周波数方式以外にも、電磁気誘導方式による電力伝達にも適用することができる。すなわち、実施例で無線電力伝送システムが電磁気誘導に基づいて電力伝送を行う場合、送信部１００に含まれた送信共振コイル１０２ｂと、受信部２００に含まれた受信共振コイル２０２ｂは、省略することができる。
【００７９】
無線電力伝送において、品質指数(Quality Factor)と結合係数(Coupling Coefficient)は重要な意味を持つ。すなわち、電力伝送効率は、品質指数および結合係数のそれぞれと比例関係を有することができる。従って、品質指数および結合係数のうち少なくともいずれか１つの値が大きくなるほど電力伝送効率が向上する。品質指数(Quality Factor)は、送信部１００または受信部２００付近に蓄積できるエネルギーの指標を意味することができる。品質指数(Quality Factor)は、動作周波数(w)、コイルの形状、サイズ、素材などによって可変する。品質指数は、次の式１で表すことができる。
【００８０】
[式１］
【００８１】
Ｑ＝ｗ＊Ｌ／Ｒ
【００８２】
Ｌはコイルのインダクタンスであり、Ｒはコイル自体から発生する電力損失量に該当する抵抗を意味する。品質指数(Quality Factor)は、０から無限大の値を有することができ、品質指数が大きいほど送信部１００と受信部２００の間の電力伝送効率が向上する。結合係数(Coupling Coefficient)は、送信側コイルと受信側コイルの間の磁気的結合の程度を意味し、０から１の範囲を有する。結合係数(Coupling Coefficient)は、送信側コイルと受信側コイルの相対的位置や距離などによって可変する。
【００８３】
図３は、実施例に係る送信誘導コイルの等価回路図である。
【００８４】
図３に示すように、送信誘導コイル１０２ａは、インダクタＬ１とキャパシタＣ１からなることができ、これらによって適切なインダクタンスとキャパシタンス値を有する回路に構成される。送信誘導コイル１０２ａは、インダクタＬ１の両端がキャパシタＣ１の両端に連結された等価回路からなることができる。すなわち、送信誘導コイル１０２ａは、インダクタＬ１とキャパシタＣ１が並列に連結された等価回路からなることができる。キャパシタＣ１は可変キャパシタであってもよく、キャパシタＣ１のキャパシタンスが調節されることでインピーダンスマッチングが実行される。送信共振コイル１０２ｂ、受信共振コイル２０２ｂ、受信誘導コイル２０２ａの等価回路図も、図２に示されたものと同一または類似してもよいが、これに対しては限定しない。
【００８５】
図４は、実施例に係る電力ソースと無線電力送信装置の等価回路図である。
【００８６】
図４に示すように、送信誘導コイル１０２ａと送信共振コイル１０２ｂは、それぞれインダクタンス値とキャパシタンス値を有するインダクタＬ１、Ｌ２とキャパシタＣ１、Ｃ２からなることができる。
【００８７】
図５は、実施例に係る受信部の等価回路図である。
【００８８】
図５に示すように、受信共振コイル２０２ｂと受信誘導コイル２０２ａは、それぞれインダクタンス値とキャパシタンス値を有するインダクタＬ３、Ｌ４とキャパシタＣ３、Ｃ４からなることができる。整流部２２０は、受信誘導コイル２０２ａから伝達された交流電力を直流電力に変換し、変換された直流電力を負荷２４０に伝達することができる。具体的に、整流部２２０は、図示されない整流器と平滑回路を含むことができる。実施例で、整流器はシリコン整流器を用いることができ、図５に示すように、ダイオードＤ１で等価化されるが、これに対しては限定しない。整流器は、受信誘導コイル２０２ａから伝達された交流電力を直流電力に変換することができる。
【００８９】
平滑回路は、整流器にて変換された直流電力に含まれた交流成分を除去してなめらかな直流電力を出力することができる。実施例で、平滑回路は、図５に示すように、整流キャパシタＣ５を用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００９０】
整流部２２０から伝達された直流電力は、直流電圧または直流電流であるが、これに対しては限定しない。
【００９１】
負荷２４０は、直流電力を必要とする任意の充電池または装置であり、例えば、負荷２４０はバッテリを意味することができる。
【００９２】
受信部２００は、携帯電話、ノートパソコン、マウスなど電力が必要な電子機器に装着される。よって、受信共振コイル２０２ｂおよび受信誘導コイル２０２ａは、電子機器の形態に合う形状を有することができる。
【００９３】
送信部１００は、受信部２００とインバンド(In band)またはアウトオブバンド(out of band)通信を利用して情報を交換することができる。
【００９４】
インバンド(In band)通信は、無線電力伝送に用いられる周波数を有する信号を利用して、送信部１００と受信部２００の間の情報を交換する通信を意味することができる。このため、受信部２００はスイッチをさらに含むことができ、スイッチのスイッチング動作によって、無線電力送信装置２００から送信される電力を受信または受信しないようにすることがある。よって、送信部１００は、送信部１００で消耗される電力量を検出して、受信部２００に含まれたスイッチのオンまたはオフ信号を認識することができる。
【００９５】
具体的に、受信部２００は、抵抗素子とスイッチを利用して抵抗で吸収する電力量を変化させて、受信部２００で消耗される電力量を変更することができる。送信部１００は、消耗される電力の変化を感知して負荷２４０の状態情報を獲得することができる。スイッチと抵抗素子は直列に連結される。実施例で、負荷２４０の状態情報は、負荷２４０の現在の充電量、充電量推移に対する情報を含むことができる。負荷２４０は、受信部２００に含まれてもよい。
【００９６】
より具体的に、スイッチが開放されると、抵抗素子が吸収する電力は０となり、受信部２００で消耗される電力も減少する。
【００９７】
スイッチが短絡すると、抵抗素子が吸収する電力は０より大きくなり、送信部１００で消耗される電力は増加する。受信部２００でこのような動作を繰り返すと、送信部１００は送信部１００で消耗される電力を検出して受信部２００とデジタル通信を行うことができる。
【００９８】
送信部１００は、上記のような動作に応じて負荷２４０の状態情報を受信し、それに適合した電力を送信することができる。
【００９９】
これとは逆に、送信部１００側に抵抗素子とスイッチを設けて送信部１００の状態情報を受信部２００に伝送することも可能である。実施例で、送信部１００の状態情報は、送信部１００が伝送できる最大供給電力量、送信部１００が電力を提供している受信部２００の個数および送信部１００の使用可能電力量に対する情報を含むことができる。
【０１００】
次に、アウトオブバンド通信に対して説明する。
【０１０１】
アウトオブバンド通信は、共振周波数帯域ではなく、別途の周波数帯域を利用して電力伝送に必要な情報を交換する通信をいう。送信部１００および受信部２００のそれぞれにアウトオブバンド通信モジュールが装着され、両者間に電力伝送に必要な情報が交換される。アウトオブバンド通信モジュールは、電力ソース３００に装着されるが、これに対しては限定しない。実施例で、アウトオブバンド通信モジュールは、BlueTooth（登録商標）、Zigbee（登録商標）、無線LAN、NFC(Near Field Communication)のような近距離通信方式を利用することができるが、これに限定されるものではない。
【０１０２】
以下、無線電力伝送システム１０の送信部１００と受信部２００のサブシステムを具体的に説明する。
【０１０３】
図６は、本発明の実施例に係る無線電力伝送システムの送信部を示すブロック図であり、図７は、本発明の実施例に係る無線電力伝送システムの受信部を示すブロック図である。
【０１０４】
図６および図７に示すように、本発明の実施例に係る無線電力伝送システム１０は、無線で電力を送信する送信部１００と、前記送信部１００から電力が提供される受信部２００を含むことができる。
【０１０５】
図６の送信部１００のサブシステムのブロック図のように、送信部１００のサブシステムは、送信電力コンバータシステム１０１と伝送アンテナシステム１０２を含むことができる。
【０１０６】
送信電力コンバータシステム１０１は、多数のサブシステムを含むことができ、前記サブシステムには、整流およびフィルタ部１１０とコンバータ１２０、電力変換部１３０、制御部１４０およびマッチング部１５０がある。
【０１０７】
整流およびフィルタ部１１０は、次のステージで用いられる直流(DC)電圧を生成し、生成されたＤＣ電圧はコンバータ１２０に提供され、以後伝送アンテナシステム１２０に供給される電力となる。
【０１０８】
コンバータ１２０は、前記整流器およびフィルタ部１１０を含む交流/直流(AC/DC)コンバータで構成され、数十Hz帯域のＡＣ電圧を整流してＤＣ電圧を生成することができる。
【０１０９】
また、前記コンバータ１２０が、前記整流器およびフィルタ部１１０とは独立的に構成されて電力伝送に適合したＤＣ電圧を生成する直流/直流(DC/DC)コンバータとなることができ、入力電圧より低い出力ＤＣ電圧を提供するステップ-ダウンコンバータとなることができるが、これに限定されるものではない。
【０１１０】
前記コンバータ１２０は、出力するＤＣ電圧のレベルが調節され、このようなＤＣ電圧のレベルは制御部１４０によって制御される。
【０１１１】
電力変換部１３０は、数十KHz〜数十MHz帯域のスイッチングパルス信号によって一定レベルのＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換することで、電力を生成することができる。すなわち、電力変換部１３０は、直流電圧を交流電圧に変換することで、ターゲットとなる、すなわち充電領域に入ってきた受信部２００で用いられる「ウェイクアップ電力」または「充電電力」を生成することができる。
【０１１２】
ここで、ウェイクアップ電力は０.１〜１mWattの小さい電力を意味し、充電用電力は受信部２００のバッテリの充電に必要な電力または受信部２００の動作に消費される電力であり、ターゲット受信部２００の負荷で消費される１mWatt〜２００Wattの大きい電力を意味する。
【０１１３】
一方、電力変換部１３０は、スイッチングパルス信号に応じてＤＣ電圧を増幅する電力増幅器を含むことができる。
【０１１４】
前記電力変換部１３０は、フルブリッジ(full bridge)インバータからなることができる。
【０１１５】
制御部１４０は、最大電力伝送効率を考慮して前記電力変換部１３０を駆動するための周波数およびスイッチング波形を生成して伝送される電力を制御することができる。
【０１１６】
マッチング部１５０は、送信機１００と受信機２００の間のインピーダンスマッチングを行う。
【０１１７】
前記伝送アンテナシステム１０２は、誘導コイル１０２ａおよび共振コイル１０２ｂの少なくとも１つ以上を含むことができる。
【０１１８】
無線電力送信システム１０が磁気誘導方式のみで電力を伝送する場合、前記伝送アンテナシステム１０２は誘導コイル１０２ａのみを有してもよく、磁気共振方式のみで電力を伝送する場合、共振コイル１０２ｂのみを有してもよく、磁気誘導方式と磁気共振方式を混用して電力を伝送する場合には、誘導コイル１０２ａと共振コイル１０２ｂを両方とも有してもよい。
【０１１９】
また、誘導コイル１０２ａまたは共振コイル１０２ｂは、単数個備えられてもよく、複数個備えられてもよい。誘導コイル１０２ａまたは共振コイル１０２ｂが複数個備えられる場合、互いに重なって配置され、重なる面積は磁束密度の偏差を考慮して決定する。
【０１２０】
図７に示された受信部２００は、受信電力コンバータシステム２０１と受信アンテナシステム２０２を含むことができる。
【０１２１】
受信部２００の受信アンテナシステム２０２は、送信アンテナシステム１０２と同一であってもよく、受信アンテナのサイズは受信部２００の電気的特性によって可変する。
【０１２２】
また、受信アンテナシステム２０２は、磁気誘導方式または磁気共振方式を介して電力を受信することができる。このように電力受信方式によって、前記受信アンテナシステム２０２は、誘導コイル２０２ａまたは共振コイル２０２ｂの少なくとも１つ以上を含むことができる。そして、受信アンテナシステム２０２は、近距離通信用アンテナ(Near Field Communication)を一緒に備えることができる。
【０１２３】
受信電力コンバータシステム２０１は、マッチング部２１０、整流部２２０、受信側コンバータ２３０、負荷２４０および受信側制御部２５０を含むことができる。
【０１２４】
前記マッチング部２１０は、送信機１００と受信機２００の間のインピーダンスマッチングを行う。
【０１２５】
前記整流部２２０は、受信アンテナシステム２０２から出力されるＡＣ電圧を整流してＤＣ電圧を生成する。
【０１２６】
受信側コンバータ２３０は、ＤＣ/ＤＣコンバータから構成され、前記整流部２２０から出力されるＤＣ電圧のレベルを負荷２４０の容量に合うように調整することができる。
【０１２７】
前記負荷２４０は、バッテリ、ディスプレイ、音声出力回路、メインプロセッサ、そして各種センサーを含むことができる。
【０１２８】
受信側制御部２５０は、送信部１００からウェイクアップ電力によって活性化され、送信部１００と通信を行い、受信部２００のサブシステムの動作を制御することができる。
【０１２９】
前記受信部２００は、単数または複数個からない、送信部１００から同時にエネルギーが無線で伝達される。すなわち、共振方式の無線電力伝送システムでは、１つの送信部１００から複数のターゲット受信部２００に電力が供給される。
【０１３０】
このとき、前記送信部１００のマッチング部１５０は、複数個の受信部２００の間のインピーダンスマッチングを適応的に行うことができる。
【０１３１】
一方、前記受信部２００が複数個から構成されている場合、同一または互いに異なる種類のシステムとなることができる。
【０１３２】
一方、送信部１００の制御部１４０は送信部１００を全般的に制御することができる。制御部１４０は電力変換部１３０を制御することができる。
【０１３３】
制御部１４０は、受信部２００の状態、すなわち充電状態または受信状態に応じて電力変換部１３０を制御することができる。例えば、受信部２００により高い無線電力が要求される場合、制御部１４０は、より高い無線電力を生成して受信部２００に送信されるように電力変換部１３０を制御することができる。例えば、受信部２００により低い無線電力が要求される場合、制御部１４０は、より低い無線電力を生成して受信部２００に送信されるように電力変換部１３０を制御することができる。
【０１３４】
受信部２００の状態は、送信部１００の要請に応答して受信部２００から提供可能である。または、任意にまたは一定時間間隔で受信部２００から受信部２００の状態情報が送信部１００に提供可能である。
【０１３５】
制御部１４０は、受信部２００から提供された状態情報を基に、受信部２００の状態に応じてデューティ比(Duty ratio)が調節されたＰＷＭ制御信号を電力変換部１３０に供給することができる。従って、実施例は、受信部２００に送信するための交流電力を調節するために、電力ソース３００の電力の大きさまたはコンバータ１２０の出力大きさを調節する代わりに、交流電力の生成に用いられる制御信号を調節して交流電力の大きさを可変させることで、電流損失が発生することなく、電力消耗も遮断して電力伝送効率を向上させることができる。
【０１３６】
<本発明の実施例に係る無線電力伝送システムの電力変換部>
【０１３７】
図８は、本発明の実施例に係る送信部の電力変換部を示す図である。
【０１３８】
図８を参照して電力変換部１３０の連結関係と動作方式を説明する。
【０１３９】
前記電力変換部１３０は、制御部１４０から提供される交流電力制御信号に基づいて、コンバータ１２０から提供される電力を交流電力に変換して増幅させることができ、フルブリッジインバータを含むことができる。
【０１４０】
前記電力変換部１３０は、第１〜第４スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を含むことができる。
【０１４１】
前記第１〜第４スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のそれぞれは、制御部１４０から提供される第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２がハイレバルである時導通され、ローレベルである時開放される。
【０１４２】
第１スイッチング素子Ｓ１は、第１ノードＮ１とコンバータ１２０の間に連結され、制御部１４０の第１交流電力制御信号Ｃ１１によって制御され、第２スイッチング素子Ｓ２は、第１ノードＮ１と接地の間に連結され、制御部１４０の第２交流電力制御信号Ｃ１２によって制御される。
【０１４３】
第３スイッチング素子Ｓ３は、第２ノードＮ２とコンバータ１２０の間に連結され、制御部１４０の第３交流電力制御信号Ｃ２１によって制御され、第４スイッチング素子Ｓ４は、第２ノードＮ２と接地の間に連結され、制御部１４０の第４交流電力制御信号Ｃ２２によって制御される。
【０１４４】
前記第１〜第４スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は、Ｎ型MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor)からなることができるが、これに限定されるものではなく、制御部１４０の交流電力制御信号によってスイッチング動作を行える素子であればよい。
【０１４５】
一方、前記第１〜第４スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が３端子素子トランジスタである場合、前記第１〜第４スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４それぞれのゲート端子に交流電力制御信号が印加され、前記第１〜第４スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の残りの２つの端子はソースおよびドレーン端子となり、前記第１〜第４スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４それぞれに、電流はドレーン端子からソース端子に流れる。
【０１４６】
<本発明の実施例に係る電力変換部の動作方式>
【０１４７】
図９および図１０は電力変換部の動作を示す動作図であり、図１１は交流電力制御信号に応じた電力変換部の出力信号の波形図である。
【０１４８】
図９〜図１１を参照して、電力変換部１３０の動作方式を説明する。
【０１４９】
図９に示すように、制御部１４０から提供されるＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御信号である第１および第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ２２によって第１および第４スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４がターンオンされ、第２および第３交流電力制御信号Ｃ１２、Ｃ２１によって第２および第３スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３がターンオフされる場合、マッチング部１５０には正極性の出力電圧(Vo)が印加され、図１０に示すように、制御部１４０から提供される第１および第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ２２によって第１および第４スイッチング素子Ｓ１、Ｓ４がターンオフされ、第２および第３交流電力制御信号Ｃ１２、Ｃ２１によって第２および第３スイッチング素子Ｓ２、Ｓ３がターンオンされる場合、マッチング部１５０には負極性の出力電圧(Vo)が印加される。
【０１５０】
図１１は、一例として、デューティ比(Duty ratio)が５０％である場合、第１〜第４スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４に印加される第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２と、それにともなう出力電圧(Vo)を示したものとして、第１および第２スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２を制御するための第１および第２交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、そして第３および第４スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４を制御するための第３および第４交流電力制御信号Ｃ２１、Ｃ２２は、互いに重ならないブランク(blank interval)区間が存在することがある。これは、第１および第２スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２が同時にターンオンまたは第３および第４スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４が同時にターンオンされて導通されると、コンバータ１２０の出力電圧が接地されるので、出力電圧(Vo)があらわれないことを防止するためである。
【０１５１】
<ブランク区間の調節を利用したデューティ比の調節>
【０１５２】
図１２および図１３は、ブランク区間を調節して交流電圧のデューティ比を調節する波形図を示す図である。
【０１５３】
図１２および図１３に示すように、制御部１４０から提供されたＰＷＭ信号である第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２のデューティ比は可変する。例えば、第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２のハイレバルのライジング時間Ｔｒ１１、Ｔｒ１２、Ｔｒ２１、Ｔｒ２２とポーリング時間Ｔｆ１１、Ｔｆ１２、Ｔｆ２１、Ｔｆ２２が異なることができる。このように異なるようになった第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２の応答で、第１〜第４スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の導通時間が異なるようになり、結局伝送アンテナシステム１０２に供給される交流電力の交流電圧(Vo)のデューティ比(Ton)が異なるようになる。
【０１５４】
実施例は、受信部２００の状態、例えば、充電状態および/または受信状態に応じて交流電力の交流電圧(Vo)のデューティ比(Ton)を異なるようにして、受信部２００で一定の電力が受信されるようにすることができる。
【０１５５】
また、実施例は、送信部１００で交流電力を生成する際に失われる電流を遮断し、電力消耗を最小化することができる。
【０１５６】
図１２は、５０％のデューティ比の交流電圧を有する交流電力を生成するためのＰＷＭ信号である第１〜第４交流電力制御信号の波形図を示す。
【０１５７】
図１２に示すように、第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２は、クロック信号(Clock)を基準として生成される。
【０１５８】
クロック信号(Clock)は、発振器(図示されない)の交流信号を基準として生成または別途の手段によって生成できるが、これに対しては限定しない。
【０１５９】
クロック信号(Clock)は、ハイレバルのパルスとローレベルのパルスを１周期として繰り返し生成される。
【０１６０】
例えば、第１交流電力制御信号Ｃ１１は、クロック信号(Clock)から第１ハイレバルのパルスのライジング時間(rising time)から一定時間遅延された時間からハイレバルのためのライジング時間Ｔｒ１１が定義され、次の第２ハイレバルのパルスのライジング時間からローレベルのためのポーリング時間(falling time)Ｔｆ１１が定義される。
【０１６１】
例えば、第２交流電力制御信号Ｃ１２のハイレバル区間は、第１交流電力制御信号Ｃ１１のハイレバル区間とオーバーラップしない。仮に、第１交流電力制御信号Ｃ１１のハイレバル区間と第２交流電力制御信号Ｃ１２のハイレバル区間がオーバーラップする場合、第１スイッチング素子Ｓ１と第２スイッチング素子Ｓ２が同時に導通されてコンバータ１２０の出力電圧が接地により放電されることで、第１ノードＮ１にコンバータ１２０の出力電圧がかからなくなり、結局伝送アンテナシステム１０２に電力が伝達されなくなる。従って、第１交流電力制御信号Ｃ１１のポーリング時間Ｔｆ１１と第２交流電力制御信号Ｃ１２のライジング時間Ｔｒ１２の間または第１交流電力制御信号Ｃ１１のライジング時間Ｔｒ１１と第２交流電力制御信号Ｃ１２のポーリング時間Ｔｆ１２の間に、第１および第２交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ１２のハイレバル区間が存在しないブランク区間(blank interval)ＴＰＡが定義される。
【０１６２】
第２交流電力制御信号Ｃ１２は、クロック信号(Clock)から第２ハイレバルのライジング時間から一定時間遅延された時間からハイレバルのためのライジング時間Ｔｒ１２が定義され、次の第３ハイレバルのパルスのライジング時間からローレベルのためのポーリング時間Ｔｆ１２が定義される。
【０１６３】
例えば、第３交流電力制御信号Ｃ２１のハイレバル区間は、第１交流電力制御信号Ｃ１１のハイレバル区間と一部オーバーラップし、第２交流電力制御信号Ｃ１２のハイレバル区間と一部オーバーラップする。すなわち、第３交流電力制御信号Ｃ２１のライジング時間Ｔｒ２１は、第１交流電力制御信号Ｃ１１のポーリング時間Ｔｆ１１より早く、第３交流電力制御信号Ｃ２１のポーリング時間Ｔｆ２１は、第２交流電力制御信号Ｃ１２のライジング時間Ｔｒ１２より遅れる。
【０１６４】
例えば、第４交流電力制御信号Ｃ２２のハイレバル区間は、第３交流電力制御信号Ｃ２１のハイレバル区間とオーバーラップしない。同様に、仮に、第３交流電力制御信号Ｃ２１のハイレバル区間と第４交流電力制御信号Ｃ２２のハイレバル区間がオーバーラップする場合、第３スイッチング素子Ｓ３と第４スイッチング素子Ｓ４が同時に導通されてコンバータ１２０の出力電圧が接地により放電されることで、第２ノードＮ２にコンバータ１０２の出力電圧がかからなくなり、結局伝送アンテナシステム１０２に電力が伝達されなくなる。従って、第３交流電力制御信号Ｃ２１のポーリング時間Ｔｆ２１と第４交流電力制御信号Ｃ２２のライジング時間Ｔｒ２２の間または第３交流電力制御信号Ｃ２１のライジング時間Ｔｒ２１と第４交流電力制御信号Ｃ２２のポーリング時間Ｔｆ２２の間に、第３および第４交流電力制御信号Ｃ２１、Ｃ２２のハイレバル区間が存在しないブランク区間(blank interval)ＴＡＰが定義される。
【０１６５】
また、第４交流電力制御信号Ｃ２２のハイレバル区間は、第１交流電力制御信号Ｃ１１のハイレバル区間と一部オーバーラップし、第２交流電力制御信号Ｃ１２のハイレバル区間と一部オーバーラップする。すなわち、第４交流電力制御信号Ｃ２２のライジング時間Ｔｒ２２は、第２交流電力制御信号Ｃ１２のポーリング時間Ｔｆ１２より早く、第１交流電力制御信号Ｃ１１のライジング時間Ｔｒ１１より遅れる。
【０１６６】
第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２それぞれのハイレバル区間は、クロック信号(Clock)の１周期内に定義される。
【０１６７】
一方、第１および第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ２２のハイレバルのオーバーラップ区間は電力伝達区間として、デューティ比(Ton)で定義される。デューティ比(Ton)は、１周期の間の電力伝達可能区間として、最大５０％に設定できるが、これに対しては限定しない。例えば、５０％のデューティ比(Ton)の場合、１周期の半分は電力伝達が可能であり、１周期の残りの半分は電力伝達が不可能である。そして、第２および第３交流電力制御信号Ｃ１２、Ｃ２１のハイレバルのオーバーラップ区間は電力伝達区間として、デューティ比(Ton)で定義される。
【０１６８】
図１２から、デューティ比(Ton)は、第３交流電力制御信号Ｃ２１のポーリング時間Ｔｆ２１や第４交流電力制御信号Ｃ２２のポーリング時間Ｔｆ２２によって決定されることがわかる。このようなポーリング時間Ｔｆ２２が遅延されるとデューティ比(Ton)は増加し、このようなポーリング時間Ｔｆ２２がはやくなるとデューティ比(Ton)は減少することになる。
【０１６９】
デューティ比(Ton)が増加すると、伝送アンテナシステム１０２に伝達される交流電力が大きくなるので、受信部２００によって受信される無線電力も増加することになる。デューティ比(Ton)が減少すると、伝送アンテナシステム１０２に伝達される交流電力が小さくなるので、受信部２００によって受信される無線電力も減少することになる。
【０１７０】
実施例は、受信部２００に送信する交流電力の増加または減少を反映して、制御部１４０は第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２を生成し、このような第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２によって、電力変換部１３０から出力される交流電圧(Vo)のデューティ比(Ton)が調節され、このように調節されたデューティ比(Ton)の交流電圧(Vo)を有する無線電力が、伝送アンテナシステム１０２によって受信部２００に送信される。
【０１７１】
図１３は、３０％のデューティ比の交流電圧を有する交流電力を生成するための第１〜第４交流電力制御信号の波形図を示す。
【０１７２】
図１３で、第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２の生成方法は、図８に係る上記説明と同一である。
【０１７３】
図１３に示された交流電圧(Vo)は、３０％のデューティ比(Ton)を有するものとして、図１２に示された交流電圧(Vo)の５０％のデューティ比(Ton)より小さい。すなわち、３０％のデューティ比(Ton)を有する正極性電圧または負極性電圧の幅は、５０％のデューティ比(Ton)を有する正極性電圧または負極性電圧の幅より小さい。
【０１７４】
このように、交流電圧(Vo)のデュービティーが３０％に減少するように、第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２が可変する。すなわち、図１３に示された第２交流電力制御信号Ｃ１２のポーリング時間Ｔｆ１２と第３交流電力制御信号Ｃ２１のポーリング時間Ｔｆ２１が、図１２に示された第２交流電力制御信号Ｃ１２のポーリング時間Ｔｆ１２と第３交流電力制御信号Ｃ２１のポーリング時間Ｔｆ２１より前倒しされる。従って、交流電圧(Vo)のデューティ比(Ton)が減少するほど、第２交流電力制御信号Ｃ１２のポーリング時間Ｔｆ１２と第３交流電力制御信号Ｃ２１のポーリング時間Ｔｆ２１が前倒しされる。例えば、３０％のデューティ比(Ton)よりは２０％のデューティ比(Ton)において、第２交流電力制御信号Ｃ１２のポーリング時間Ｔｆ１２と第３交流電力制御信号Ｃ２１のポーリング時間Ｔｆ２１がより前倒しされる。
【０１７５】
一方、前記制御部１４０は、前記第１〜第４スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４にＰＷＭ信号である第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１〜Ｃ２２を生成して提供するための第１サブ制御部と、前記第１サブ制御部に前記第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ２２のデューティ比を調節するためのデューティ比調節信号を提供する第２サブ制御部を含むことができる。
【０１７６】
第２サブ制御部は、受信部２００から提供された状態情報を基に、受信部２００の状態に応じて調節されたデューティ比調節信号を前記第１サブ制御部に供給することができる。
【０１７７】
例えば、デューティ比調節信号は、６ビットのバイナリデータであってもよい。例えば、デューティ比調節信号が０００００１である場合、このようなデューティ比調節信号に応答して、前記第１サブ制御部は、５０％のデューティ比の交流電圧を有する交流電力を生成するための第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１〜Ｃ２２を生成することができる。５０％のデューティ比の交流電圧を有する交流電力は、受信部２００に送信できる最大交流電力であるが、これに対しては限定しない。
【０１７８】
例えば、デューティ比調節信号が００００１０である場合、このような制御信号に応答して、第１サブ制御部は、４０％のデューティ比の交流電圧を有する交流電力を生成するための第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１〜Ｃ２２を生成することができる。
【０１７９】
例えば、デューティ比調節信号が００００１１である場合、このような制御信号に応答して、第１サブ制御部は、３０％のデューティ比の交流電圧を有する交流電力を生成するための第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１〜Ｃ２２を生成することができる。
【０１８０】
例えば、デューティ比調節信号が０００１００である場合、このような制御信号に応答して、第１サブ制御部は、２０％のデューティ比の交流電圧を有する交流電力を生成するための第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１〜Ｃ２２を生成することができる。
【０１８１】
例えば、デューティ比調節信号が０００１０１である場合、このような制御信号に応答して、第１サブ制御部は、１０％のデューティ比の交流電圧を有する交流電力を生成するための第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１〜Ｃ２２を生成することができる。
【０１８２】
さらに、デューティ比調節信号の６ビットバイナリデータを設定することで、５％デューティ比単位、３％デューティ比単位または２％デューティ比単位で交流電圧を有する交流電力を生成するための第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１〜Ｃ２２を生成できるが、これに対しては限定しない。
【０１８３】
図１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｃ、１６ａおよび図１６ｂは、電力変換器のフルブリッジのデューティ比を異なるようにした時出力波形をシミュレーションした結果として出力された信号の基本波と基本波の逓倍成分である高調波の大きさを示したものである。
【０１８４】
シミュレーションは、基本的に出力信号のフーリエ解釈を利用する。
【０１８５】
指数型フーリエ級数は、
【数１】
0006353545.tif 000002
で表すことができ、複素係数Ｃｎの大きさを用いて高調波成分を調査することができる。
【０１８６】
また、デューティ比に応じて高調波成分の含有程度を比較するために、全高調波歪み率(THD：Total Harmonics Distortion)を利用する。
【０１８７】
全高調波歪み率は、高調波成分の実効値と基本波成分の実効値の比として定義され、高調波発生の程度を示す。
【０１８８】
本実験では、全高調波歪み率は、高調波成分のうちの最大サイズを有する最大サイズ高調波成分の実効値と基本波成分の実効値の比である最大高調波歪み率として定義した。すなわち、基本波成分の実効値に対する最大サイズ高調波成分の実効値の比を最大高調波歪み率として定義される。
【０１８９】
図面を参照して、デューティ比に応じた高調波成分の分布と大きさを確認してみる。
【０１９０】
シミュレーション結果は、出力波形の振幅が１Vであり、周期が１４３HZを基準にデューティ比を５０％、４０％および３０％のように異なるようにした結果である。
【０１９１】
図１４ａおよび１４ｂは、デューティ比が５０％である場合、基本波が０.６Vと０.７V間の大きさを有し、偶数番目の高調波は表れないが、奇数番目の高調波が表れている。
【０１９２】
デューティ比が５０％である場合、最大高調波歪み率の近似値は０.２２/０.６５=３４％である。
【０１９３】
図１５ａおよび１５ｂは、デューティ比が４０％である場合、基本波が約０.６Vの値を有し、偶数番目および奇数番目の高調波成分が表れており、高調波成分のうち基本周波数の二倍である一番目の高調波成分の大きさが０.１Vと０.２Vの間の大きさを有することがわかる。このように、デューティ比を５０％から減らして４０％になる場合、最大高調波歪み率は０.１５/０.６=２５％となり、偶数番目および奇数番目の高調波成分が表れるが、最大高調波歪み率が改善されることを確認することができる。
【０１９４】
図１６ａおよび１６ｂは、デューティ比が３０％である場合として、基本波が０.５Vと０.６Vの間の大きさを有し、高調波成分のうち基本周波数の五倍である高調波成分の大きさが０.１Vから０.２Vの間の大きさを有し、近似値で最大高調波歪み率を計算すると１.２５/５.１=２４％となり、最大高調波歪み率が低くなることがわかる。
【０１９５】
図１７は、デューティ比を異なるようにした時の最大高調波歪み率を示す。
【０１９６】
デューティ比区間が０.２６〜０.４４(２６％〜４４％)において、最大高調波歪み率の値が比較的小さいことを確認することができる。すなわち、高調波成分が少なく分布するデューティ比区間となる。
【０１９７】
また、最大高調波歪み率が最も低い地点は、デューティ比が０.４１(４１％)である場合と０.３２(３２％)である場合として、最大高調波歪み率の値が２３.６％となる。
【０１９８】
このように、電力変換器１３０としてフルブリッジインバータを利用してデューティ比調節をする場合、出力波形を正弦波形に近接するように制御することができる。
【０１９９】
上述したように、完ぺきな形の正弦波形には高調波成分が含まれないが、負荷の非線形特性に起因して正弦波が歪んだ波形を有する場合、高調波成分を含む。従って、出力電圧(Vo)を正弦波形に近接するように制御することで、高調波成分を減らすことができ、電磁波適合性(EMC)が最良となる。
【０２００】
上述したシミュレーションは、基本波の大きさに対する最大高調波成分の大きさの比として、電磁波適合性の特性を確認してみたが、これに限定されるものではなく、基本波大きさに対する高調波成分全体の大きさの比として、電磁波適合性の特性を考慮することができる。
【０２０１】
このとき、基本波の大きさに対する高調波成分全体の大きさの比で計算された全高調波歪み率が最小値となるデューティ比で電力変換器を制御することが好ましい。
【０２０２】
<本発明の実施例に係る無線電力伝送システムの駆動方法>
【０２０３】
図１８は、本発明の実施例に係る無線電力伝送システムの動作を示した信号流れ図である。
【０２０４】
第１ステップは、感知ステップ(Ｓ１００)である。
【０２０５】
送信部１００の充電領域に受信部２００が接近した場合、前記送信部１００は前記受信部２００を感知し、逆に前記受信部２００が送信部１００を感知して無線電力伝送を始めることができる。
【０２０６】
感知ステップ(Ｓ１００)は、細部ステップとして、受信部２００を感知するセレクション(selection)ステップ、パケットを受信するｐｉｎｇステップ、受信部２００に対する固有ＩＤ(Id)および拡張ＩＤそして制御パラメーターに対する情報を受取るための識別と構成(identification & configuration)ステップからなることができる。
【０２０７】
第２ステップは、電力要請ステップ(Ｓ２００)である。
【０２０８】
受信部２００が送信部１００に電力伝送を要請する場合を例にすると、前記受信部２００の状態、すなわち受信部２００のバッテリの充電状態、受信部２００自体およびバッテリの温度状態、バッテリの電力消費量と電力消耗程度、そしてバッテリの充電速度、製品によって送信部１００に特定電力量を要求することができる。
【０２０９】
第３ステップは、制御部１４０のコンバータ１２０の制御ステップ(Ｓ３００)である。
【０２１０】
受信部２００の状態によって要求される電力伝送量が可変し、それによって送信部１００の制御部１４０は、コンバータ１２０が直流電圧のレベルを調節できるように制御することができる。
【０２１１】
第４および第５ステップは、制御部１４０の電力変換部１３０の制御ステップ(Ｓ４００)と電力を伝送するステップ(Ｓ５００)である。
【０２１２】
コンバータ１２０は、ＰＷＭ制御信号を利用して電力変換部１３０内のフルブリッジインバータの第１〜第４スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４を制御することができる。
【０２１３】
デューティ比に応じて、前記第１〜第４スイッチング素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のターンオンまたはターンオフの比が可変し、デューティ比に応じて、前記電力変換部１３０の出力信号が含む高調波成分の程度が可変する。従って、前記制御部は、コンバータ１２０から電力変換部１３０に伝達される直流電圧の大きさと前記電力変換部１３０から出力される出力信号の周波数成分を分析して、前記ＰＷＭ制御信号のデューティ比を制御することができる。
【０２１４】
このように、制御部１４０は、既設定された、例えばデューティ比が２６％〜４４％のいずれか１つの値に決定し、該デューティ比を有するＰＷＭ制御信号を電力変換部１３０に提供できることはもちろん、電力変換部１３０から出力される信号のフィードバックを受け出力信号の高調波成分を分析して、基本波の大きさに対する最大高調波の大きさの比が最小となるデューティ比を有するＰＷＭ制御信号を電力変換部１３０に提供し、電磁波適合特性を改善しながら、受信部２００が要請する電力を送信部１００が提供するようにすることができる。
【０２１５】
電力変換部１３０から出力される信号のフィードバックを受け、出力信号の高調波成分を分析する場合には、一定周期ごとに電力変換部１３０の出力信号のフィードバックを受けて分析することができる。そうすることで、無線電力伝送システム１０の電力伝送条件の変化やシステムの特性の変化にともなう電力変換部１３０の歪み程度を判断し、最適な電磁波特性を有する出力信号が出力されるようにリアルタイム制御をすることができる。
【０２１６】
本発明の実施例に係る無線電力伝送システム１０の送信部１００は、電力変換器１３０としてフルブリッジインバータを利用する。
【０２１７】
前記フルブリッジインバータは、従来のハーフブリッジインバータに比べて、送信アンテナシステム１０２に提供する最大電力を上昇させる効果だけでなく、出力信号を正弦波に近接させて高調波成分を最小化する効果を有する。
【０２１８】
また、制御部１４０は、コンバータ１２０から出力される直流電圧レベルと、電力変換部１３０に提供するＰＷＭ制御信号である第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２のデューティ比を調節して、電力変換部１３０から出力される出力信号の高調波成分を減少させることができ、受信部２００で要請する電力量と現在の送信部および受信部１００、２００の状態に応じて電力変換部１３０の出力信号の変形状態をフィードバックして、第１〜第４交流電力制御信号Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１、Ｃ２２のデューティ比を再調節することで、電磁波特性を改善することができる。
【０２１９】
上述した実施例に係る方法は、コンピュータにて実行できるプログラムとして製作され、コンピュータが読み取り可能な記録媒体に格納でき、コンピュータが読み取り可能な記録媒体としては、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＤ-ＲＯＭ、磁気テープ、フロッピー（登録商標）ディスク、光データ保存装置などがあり、また、キャリアウェーブ(例えば、インターネットを介した伝送)の形態で具現されるものも含むことができる。
【０２２０】
コンピュータが読み取り可能な記録媒体は、ネットワークに連結されたコンピュータシステムに分散され、分散方式でコンピュータが読み取り可能なコードが格納されて実行される。そして、上述した方法を具現するための機能的な(function)プログラム、コードおよびコードセグメントは、実施例が属する技術分野のプログラマーによって容易に推論することができる。
【０２２１】
実施例に係る受信部２００は、携帯電話、スマートフォン(smart phone)、ラップトップコンピュータ(laptop computer)、デジタル放送用端末、ＰＤＡ(Personal Digital Assistants)、ＰＭＰ(Portable Multimedia Player)、ナビゲーションなどのような移動端末に装着することができる。
【０２２２】
なお、実施例に係る構成は、移動端末にのみ適用可能な場合を除けば、デジタルＴＶ、デスクトップコンピュータなどのような固定端末にも適用できることは、本技術分野の当業者であれば容易に分かるだろう。
【０２２３】
実施例で、電磁気誘導によって電力を伝送する方式は、Ｑ値が相対的に低く、密着したカップリング(tightly coupling)を意味し、共振によって電力を伝送する方式は、Ｑ値が相対的に高く、緩やかなカップリング(loosely coupling)を意味することができる。
【０２２４】
以上で説明した本発明の詳細な説明では、本発明の好ましい実施例を参照して説明したが、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、後述する特許請求の範囲に記載された本発明の思想および技術領域を逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させることができることを理解できるだろう。従って、本発明の技術的範囲は、明細書の詳細な説明に記載された内容に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって決定されるべきである。
【産業上の利用可能性】
【０２２５】
本発明による無線電力送信装置は、無線充電システム分野に利用することができる。
【図１】
0006353545.tif 000003
【図２】
0006353545.tif 000004
【図３】
0006353545.tif 000005
【図４】
0006353545.tif 000006
【図５】
0006353545.tif 000007
【図６】
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【図７】
0006353545.tif 000009
【図８】
0006353545.tif 000010
【図９】
0006353545.tif 000011
【図１０】
0006353545.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
0006353545.tif 000014
【図１３】
0006353545.tif 000015
【図１４ａ】
0006353545.tif 000016
【図１４ｂ】
0006353545.tif 000017
【図１５ａ】
0006353545.tif 000018
【図１５ｂ】
0006353545.tif 000019
【図１６ａ】
0006353545.tif 000020
【図１６ｂ】
0006353545.tif 000021
【図１７】
0006353545.tif 000022
【図１８】
0006353545.tif 000023