KR20160038410A

KR20160038410A - 무선전력전송 시스템

Info

Publication number: KR20160038410A
Application number: KR1020140131462A
Authority: KR
Inventors: 배수호
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-04-07
Also published as: WO2016052865A1; US10141769B2; US20160094048A1

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부는, 교류 신호를 교류 신호로 변환하는 전력변환부; 상기 전력변환부를 제1 또는 제2 동작 주파수로 제어하는 제어부; 서로 병렬 연결된 유도형 안테나 시스템 및 공진형 안테나 시스템를 포함하고, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 유도형 안테나 시스템 및 상기 공진형 안테나 시스템 중 어느 하나로 전력을 전송하는 무선전력전송을 위한 송신부.

Description

무선전력전송 시스템 {Wireless Power Transfer System}

본 발명은 무선전력전송 시스템에 관한 발명이다.

일반적으로 각종 전자 기기가 배터리를 구비하고, 배터리에 충전된 전력을 이용하여 구동한다. 이 때 전자 기기에서, 배터리는 교체될 수 있으며, 재차 충전될 수도 있다. 이를 위해, 전자 기기는 외부의 충전 장치와 접촉하기 위한 접촉 단자를 구비한다. 즉 전자 기기는 접촉 단자를 통해, 충전 장치와 전기적으로 연결된다. 그런데, 전자 기기에서 접촉 단자가 외부로 노출됨에 따라, 이물질에 의해 오염되거나 습기에 의해 단락(short)될 수 있다. 이러한 경우, 접촉 단자와 충전 장치 사이에 접촉 불량이 발생되어, 전자 기기에서 배터리가 충전되지 않는 문제점이 있다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여, 무선으로 전자 기기를 충전하기 위한 무선전력전송(Wireless Power Transfer; WPT)이 제안되고 있다.

무선전력전송 시스템은 공간을 통하여 선 없이 전력을 전달하는 기술로써, 모바일(Mobile) 기기 및 디지털 가전 기기들에 대한 전력 공급의 편의성을 극대화한 기술이다.

무선전력전송 시스템은 실시간 전력 사용 제어를 통한 에너지 절약, 전력 공급의 공간 제약 극복 및 배터리 재충전을 이용한 폐 건전지 배출량 절감 등의 강점을 지닌다.

무선전력전송 시스템의 구현 방법으로써 대표적으로 자기유도방식과 자기공진방식이 있다. 자기유도방식은 두 개의 코일을 근접시켜 한쪽의 코일에 전류를 흘려 그에 따라 발생한 자속을 매개로 하여 다른 쪽의 코일에도 기전력이 발생하는 비접촉 에너지 전송기술로써, 수백 kHz의 주파수를 사용할 수 있다. 자기 공진 방식은 전자파나 전류를 이용하지 않고 전장 또는 자장만을 이용하는 자기 공명 기술로써 전력 전송이 가능한 거리가 수 미터 이상으로써, 수십 MHz의 대역을 이용하는 것이 특징이다.

한편 무선전력전송 시스템은 무선으로 전력을 전송하는 송신부와 전력을 수신하여 배터리 등 부하는 충전하는 수신부를 포함한다. 이 때 수신부의 충전 방식, 즉 자기 유도 방식과 자기 공진 방식 중 어느 하나의 충전 방식을 택할 수 있고, 수신부의 충전 방식에 대응하여 하나의 송신부로부터 무선으로 전력을 전달 받을 수 있는 송신부의 개발이 요청되었다.

본 발명에 따른 실시예는 자기 유도 방식에 따른 수신부와 자기 공진 방식에 따른 수신부에 대응하여 주파수에 따라 충전 방식을 달리하는 송신부를 포함한 무선전력전송 시스템을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 실시예는 자기 유도 방식에 따른 유도형 코일과 자기 공진 방식에 따른 자기 공진 방식에 따른 공진형 코일을 하나의 전력변환부로 제어할 수 있는 송신부를 포함한 무선전력전송 시스템을 제공할 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 유도형 안테나 시스템은 유도형 코일 및 상기 유도형 코일 의해 형성된 기생 커패시터를 포함하고, 상기 공진형 안테나 시스템을 동작시키는 동작 주파수는 상기 유도형 코일과 상기 기생 커패시터 간의 병렬 공진 주파수인 무선전력전송을 위한 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 제1 동작 주파수에서 상기 공진형 안테나 시스템은 상기 유도형 안테나 시스템보다 높은 임피던스를 가지며, 상기 제2 동작 주파수에서 상기 유도형 안테나 시스템은 상기 공진형 안테나 시스템보다 높은 임피던스를 가지는 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 전력변환부는, 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결된 제1 고주파 필터부; 상기 제1 노드와 제3 노드 사이에 연결된 제2 고주파 필터부; 상기 제2 노드와 제5 노드 그리고 제6 노드 사이에 연결된 제1 전력 변환 스위치부; 상기 제3 노드와 상기 제5 노드 그리고 제7 노드 사이에 연결된 제2 전력 변환 스위치부;를 포함하고, 상기 유도형 안테나 시스템 및 상기 공진형 안테나 시스템은 상기 제6 및 제7 노드 사이에 연결된 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 전력변환부는, 상기 제어부로부터의 제1 스위치 제어 신호에 따라 상기 제2 노드, 제6 노드, 제7 노드 그리고 상기 제5 노드로의 제1 신호 전송 경로를 제공하고, 상기 제어부로부터의 제2 스위치 제어 신호에 따라 상기 제3 노드, 제7 노드, 제6 노드 그리고 상기 제5 노드로의 제2 신호 전송 경로를 제공하는 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부는, 제1 및 제5 노드 상의 직류 신호를 교류 신호로 변환하여 제6 및 제7 노드로 출력하는 전력변환부; 상기 전력변환부를 제어하는 제어부; 및 상기 제6 및 제7 노드 사이에 연결된 전송 안테나 시스템;을 포함하고, 상기 전력변환부는, 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결된 제1 고주파 필터부; 상기 제1 노드와 제3 노드 사이에 연결된 제2 고주파 필터부; 상기 제2 노드와 상기 제6 노드 사이에 연결된 제1 스위치와 상기 제6 노드와 상기 제5 노드 사이에 연결된 제2 스위치를 포함하는 제1 전력 변환 스위치부; 및 상기 제3 노드와 상기 제7 노드 사이에 연결된 제3 스위치와 상기 제7 노드와 상기 제5 노드 사이에 연결된 제4 스위치를 포함하는 제2 전력 변환 스위치부;를 포함하는 무선전력전송을 위한 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 제1 고주파 필터부는 제5 인덕터를 포함하고, 상기 제2 고주파 필터부는 제6 인덕터를 포함하는 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 전송 안테나 시스템은, 유도형 안테나 시스템;과 상기 유도형 안테나 시스템과 병렬 연결된 공진형 안테나 시스템;을 포함하는 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 제어부는 제1 동작 주파수로 상기 제1 및 제4 스위치는 동일 위상, 상기 제2 및 제3 스위치는 동일 위상, 상기 제1 및 제2 스위치는 반대 위상으로 스위칭 시키는 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 제1 동작 주파수는 100~350kHz의 주파수로서, 상기 유도형 안테나 시스템으로부터 자기 유도 방식으로 무선 전력을 전송하는 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 및 제3 스위치의 턴온을 유지하고, 상기 제2 및 제3 스위치를 반대 위상으로 스위칭 시키는 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 제2 동작 주파수는 6.78MHz의 주파수로서, 상기 공진형 안테나 시스템으로부터 자기 공진 방식으로 무선 전력을 전송하는 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 유도형 안테나 시스템은, 유도형 코일과 유도형 매칭부를 포함하고, 상기 유도형 매칭부는,

상기 유도형 코일의 일단과 제8 노드 사이에 연결된 제1 커패시터; 상기 유도형 코일의 타단인 제9 노드와 상기 제8 노드 사이에 연결된 제2 커패시터; 상기 제6 및 제8 노드 사이에 연결된 제2 인덕터; 및 상기 제7 및 제9 노드 사이에 연결된 제3 인덕터;를 포함하는 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 공진형 안테나 시스템은, 공진형 코일과 공진형 매칭부를 포함하고, 상기 공진형 매칭부는, 제10 및 제11 노드 사이에 연결된 상기 공진형 코일과 병렬 연결된 제3 커패시터; 상기 제6 및 제10 노드 사이에 연결된 제4 커패시터; 및 상기 제7 및 제 11 노드 사이에 연결된 제5 커패시터;를 포함하는 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 제2 및 제3 인덕터의 인덕턴스는 동일한 값을 가지는 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 제1 및 제2 커패시터의 커패시턴스는 동일한 용량을 가지는 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 제4 및 제5 커패시터의 커패시턴스는 동일한 용량을 가지는 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 유도형 코일의 인덕턴스는 상기 공진형 코일의 인덕턴스보다 큰 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 제3 커패시터의 커패시턴스는 상기 제4 커패시터의 커패시턴스보다 작고 상기 제4 커패시터의 커패시턴스는 상기 제1 커패시터의 커패시턴스보다 작은 송신부.

본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송을 위한 송신부에 있어서, 상기 제5 및 제6 인덕터의 인덕턴스는 0.1uH 내지 5uH의 범위를 가지는 송신부.

본 발명에 따른 실시예는 자기 유도 방식에 따른 수신부와 자기 공진 방식에 따른 수신부에 대응하여 주파수에 따라 충전 방식을 달리하는 송신부를 제공할 수 있고, 유도형 코일과 자기 공진 방식에 따른 자기 공진 방식에 따른 공진형 코일을 하나의 전력변환부로 제어할 수 있으며, 하나의 전력변환부로 자기 유도 및 자기 공진 방식을 실현함으로써 회로의 복잡도를 낮출 수 있고, 수율 향상 및 가격 경쟁력을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 송신부를 나타낸 블록도이다.
도 2는 도 1에 따른 무선전력전송 시스템의 서브 시스템을 구체화한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 수신부를 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환부와 전력변환부에 연결된 전송 안테나 시스템을 나타낸 도면이다.
도 5 및 도 6은 전력변환부의 동작 관계를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 제1 및 제2 동작 주파수에 따른 전송 안테나 시스템의 동작 관계를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환부와 전력변환부에 연결된 전송 안테나 시스템을 구체화한 도면이다.
도 10은 유도형 안테나 시스템의 정방향 동작 도면을 나타낸 도면이다.
도 11은 유도형 안테나 시스템의 역방향 동작 도면을 나타낸 도면이다.
도 12는 제1 동작 주파수에서의 전력변환부와 전송 안테나 시스템의 등가모델이다.
도 13은 이들의 동작 파형을 도시한 그래프이다.
그리고 도 14는 공진형 안테나 시스템의 정방향 동작 도면을 나타낸 도면이다.
도 15는 공진형 안테나 시스템의 역방향 동작 도면을 나타낸 도면이다.
도 16은 제2 동작 주파수에서의 전력변환부와 전송 안테나 시스템의 등가모델이다.
도 17은 이들의 동작 파형을 도시한 그래프이다.
도 18은 제1 동작 주파수로 동작 시 공진형 안테나 시스템의 공진형 코일양단의 전압을 나타낸 파형도이다.
도 19는 제2 동작 주파수로 동작 시 유도형 안테나 시스템의 유도형 코일 양단의 전압을 나타낸 파형도이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템에서 수신부의 검출에서 송신부로부터 수신부로 전력 전송까지의 단계를 나타낸 도면이다.
도 21은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전송 안테나 시스템의 유도형 및 공진형 코일과 차폐 부재를 나타낸 도면이다.
도 22는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전송 안테나 시스템의 유도형 및 공진형 코일과 차폐 부재를 나타낸 도면이다.
도 23은 도 21에 따른 유도형 코일의 등가 회로 모델이다.
도 24는 도 22에 따른 유도형 코일의 등가 회로 모델이다.
도 25는 제1 및 제2 실시예에 따른 전송 안테나 시스템의 유도형 코일의 주파수에 따른 임피던스 특성을 나타낸 그래프이다.
도 26은 도 23에 따른 직렬 공진 현상을 나타낸 도면이다.
도 27은 도 25에 따른 병렬 공진 현상을 나타낸 도면이다.
도 28은 본 발명의 실시예에 따른 공진형 코일과 유도형 코일의 등가모델을 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 무선전력전송 시스템의 도면을 참고하여 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시 예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 장치의 크기 및 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조 번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

실시예는 무선 전력 전송을 위하여 저주파(50kHz)부터 고주파(15MHz)까지의 다양한 종류의 주파수 대역을 선택적으로 사용하며, 시스템 제어를 위하여 데이터 및 제어신호를 교환할 수 있는 통신시스템의 지원이 필요하다.

실시예는 배터리를 사용하거나 필요로 하는 전자기기를 사용하는 휴대단말 산업, 스마트 시계 산업, 컴퓨터 및 노트북 산업, 가전기기 산업, 전기자동차 산업, 의료기기 산업, 로봇 산업 등 다양한 산업분야에 적용될 수 있다.

실시예는 기기를 제공한 개의 전송 코일을 사용하여 한 개 이상의 다수기기에 전력 전송이 가능한 시스템을 고려할 수 있다.

실시예에서 사용되는 용어와 약어는 다음과 같다.

무선전력전송 시스템 (Wireless Power Transfer System): 자기장 영역 내에서 무선 전력 전송을 제공하는 시스템

송신부(Wireless Power Transfer System-Charger): 자기장 영역 내에서 다수기기의 전력수신기에게 무선전력전송을 제공하며 시스템 전체를 관리하는 장치

수신부(Wireless Power Transfer System-Deivce): 자기장 영역 내에서 전력송신기로부터 무선전력 전송을 제공받는 장치

충전 영역(Charging Area): 자기장 영역 내에서 실제적인 무선 전력 전송이 이루어지는 지역이며, 응용 제품의 크기, 요구 전력, 동작주파수에 따라 변할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 송신부를 나타낸 블록도이고, 도 2는 도 1에 따른 무선전력전송 시스템의 서브 시스템을 구체화한 블록도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템의 수신부를 나타낸 블록도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템(10)은 무선으로 전력을 송신하는 송신부(100) 및 상기 송신부(100)로부터 전력을 제공받는 수신부(200)를 포함할 수 있다.

<실시예에 따른 송신부>

도 1에 도시된 송신부(100)의 서브 시스템의 블록도를 살펴보면, 송신부(100)의 서브시스템은 송신 전력 컨버터 시스템(110)과 전송 안테나 시스템(120) 그리고 통신 및 제어 시스템(130)을 포함할 수 있다.

상기 송신부(100)의 에너지 흐름도를 살펴보면, 교류 입력 신호를 직류 신호로 변환하고, 상기 변환된 직류 신호를 교류 신호로 변환하고, 상기 변환된 교류 신호를 자기 유도 방식 및 에너지 공진 방식 중 어느 하나의 방식으로 상기 전송 안테나 시스템(120)을 이용하여 수신부(200)에 전송할 수 있다. 그리고 교류 입력 신호를 직류 신호로 변환 시 상기 통신 및 제어 시스템(130)의 제어 하에 상기 직류 신호의 레벨을 변경할 수 있고, 상기 변환된 직류 신호를 교류 신호로 변환 시 상기 통신 및 제어 시스템(130)의 제어 하에 상기 교류 신호의 레벨 및 주파수를 변경할 수 있다.

상기 송신 전력 컨버터 시스템(110)의 서브 시스템으로는 컨버터(111)와 전력 변환부(112)를 포함할 수 있다. 상기 컨버터(111)는 교류 입력 신호를 직류 신호로 변환하고, 상기 전력 변환부(112)는 변환된 직류 신호를 교류 신호로 변환하여 상기 전송 안테나 시스템(120)으로 출력할 수 있다.

도 2를 참조하면, 상기 컨버터(111)의 서브 시스템으로부는 정류 및 필터부(111a)와 DC-DC 컨버터(111b)를 포함할 수 있다.

정류 및 필터부(111a)는 상기 DC-DC 컨버터(111b)에서 사용될 직류 신호를 생성하고, 생성된 직류 신호의 잡음을 제거하고, 생성된 직류 신호는 상기 DC-DC 컨버터(111b)에 의해 요구되는 직류 신호 레벨로 변환되어 상기 전송 안테나 시스템(120)에 공급될 전력이 된다.

상기 정류 및 필터부(111a)는 다이오드로 구성된 다이오드 정류기, 스위치 소자로 구성된 스위칭 정류기 그리고 다이오드와 스위칭 소자로 구성된 하이브리드 정류기 중 어느 하나와 필터를 구성하는 인덕터 및 커패시터로 구성될 수 있다.

상기 DC-DC 컨버터(111b)는 임의의 직류 신호를 부하가 요구하는 직류 신호로 변환하는 전력 변환기의 일종이다. 그리고 상기 DC-DC 컨버터(111b)에 포함된 소자로써 전력 변환 제어 기능을 하는 스위치 소자(S)와 전력 변환 매개 역할 또는 출력 전압 평활 기능을 하는 인덕터(L) 및 커패시터(C), 전압 이득을 조절 또는 전기적인 분리 기능(절연 기능)을 하는 트랜스(Trans)이 있으며, DC-DC 컨버터(111b)는 입력되는 직류 신호에 포함된 리플 성분 또는 맥동 성분(직류 신호에 포함된 교류 성분)을 제거하는 기능을 할 수 있다. 그리고 상기 DC-DC 컨버터(111b)는 입력 전압보다 더 낮은 출력 직류 전압을 제공하는 스텝-다운 컨버터가 될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다. 그리고 DC-DC 컨버터(111b)의 출력 직류 전압의 제어는 통신 및 제어 시스템(130)에 의한 상기 DC-DC 컨버터(111b)내의 스위치 소자(S)의 온(ON), 오프(OFF) 기간을 제어함으로써 이루어진다. 그리고 상기 DC-DC 컨버터(111b)의 출력 직류 전압의 지령치와 실체 출력치와의 오차는 피드백 방식을 통해 조절될 수 있고, 이는 상기 통신 및 제어 시스템(130)에 의하여 이루어 질 수 있다.

전력변환부(112)는 수십 KHz ~ 수십 MHz 대역의 스위칭 펄스 신호에 의하여 일정한 레벨의 직류 신호를 교류 신호로 변환함으로써 전력을 생성할 수 있다. 즉, 전력변환부(112)는 직류 전압을 교류 전압으로 변환함으로써, 타켓이 되는, 즉 충전 영역에 들어온 수신부(200)에서 사용되는 "웨이크-업 전력" 또는 "충전 전력"을 생성할 수 있다. 여기서, 웨이크-업 전력은 0.1~1mWatt의 작은 전력을 의미하고, 충전용 전력은 수신부(200)의 배터리를 충전하는데 필요한 전력 또는 수신부(200)의 동작에 소비되는 전력으로써, 타겟 수신부(200)의 부하에서 소비되는 1mWatt~200Watt의 큰 전력을 의미한다.

한편 상기 전력변환부(112)가 생성한 교류 신호는 유도형 안테나 시스템(121) 또는 공진형 안테나 시스템((122) 중 어느 하나로 제공할 수 있다.

한편 전력변환부(112)는 스위칭 펄스 신호에 따라 직류 전압을 증폭하는 전력증폭기를 포함할 수 있다. 상기 전력변환부(112)는 풀 브리지(full bridge) 인버터로 구성될 수 있다.

통신 및 제어 시스템(130)은 서브 시스템으로써 송신측 제어부(131)와 송신측 통신부(132)를 포함할 수 있다.

상기 송신측 제어부(131)는 수신부(200)의 전력 요구량, 현재 충전량 그리고 무선 전력 방식을 고려하여 상기 DC-DC 컨버터(111b)의 출력 전압을 조절하는 역할을 할 수 있다. 그리고 최대 전력 전송 효율를 고려하여 상기 전력변환부(112)를 구동하기 위한 주파수 및 스위칭 파형들을 생성하여 전송될 전력을 제어할 수 있다. 또한 송신부(200)의 저장부(미도시)로부터 독출한 제어에 요구되는 알고리즘, 프로그램 또는 어플리케이션을 이용하여 송신부(200)의 동작 전반을 제어할 수 있다. 한편 상기 제어부(131)는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤유닛(Micro Controller Unit) 또는 마이콤(Micom)이라고 지칭할 수 있다.

상기 송신측 통신부(132)는 수신측 통신부(251)와 통신을 수행할 수 있고, 통신 방식의 일 예로 블루투스 방식을 이용할 수 있다. 상기 송신측 통신부(132)와 수신측 통신부(251)는 서로간에 충전 상황 정보 및 충전 제어 명령 등의 송수신을 진행할 수 있다. 그리고 상기 충전 상황 정보로는 수신부(200)의 개수, 배터리 잔량, 충전 횟수, 사용량, 배터리 용량, 배터리 비율 그리고 송신부(100)의 전송 전력량 등을 포함할 수 있다. 또한 송신측 통신부(132)는 수신부(200)의 충전 기능을 제어하는 충전 기능 제어 신호를 송신할 수 있고, 상기 충전 기능 제어 신호는 수신부(200)를 제어하여 충전 기능을 인에이블(enabled) 또는 디스에이블(disabled)하게 하는 제어 신호일 수 있다.

한편 상기 송신 전력 컨버터 시스템(110)은 송신측 통신부(132)와 상이한 하드웨어로 구성되어 송신부(100)가 아웃-밴드(out-band) 형식으로 통신될 수 도 있다. 그리고, 송신 전력 컨버터 시스템(110)과 송신측 통신부(132)가 하나의 하드웨어로 구현되어, 송신부(100)가 인-밴드(in-band) 형식으로 통신을 수행할 수도 있다. 또한 상기 송신측 통신부(132)는 상기 제어부(131)와 별로로 구성될 수 있고, 상기 수신부(200) 또한 수신측 통신부(251)가 수신 장치의 제어부(250)에 포함되거나 별도로 구성될 수 있다.

전송 안테나 시스템(120)은 유도형 안테나 시스템(121)과 공진형 안테나 시스템(122)를 포함할 수 있다.

상기 유도형 안테나 시스템(121)과 공진형 안테나 시스템(122)은 전력변환부(112)에 서로 병렬 연결될 수 있다.

상기 유도형 안테나 시스템(121)은 유도형 매칭부(121a)와 유도형 코일(121b)을 포함할 수 있고, 상기 공진형 안테나 시스템(122)은 공진형 매칭부(122a)와 공진형 코일(122b)을 포함할 수 있다.

상기 매칭부(121a, 122a)는 송신부(100)와 수신부(200) 사이의 임피던스 매칭을 수행하여 전력 전송 효율을 증가시킨다. 상기 매칭부(121a, 122a)는 서로 다른 임피던스를 가진 지점에서 반사파를 최소화하여 신호의 흐를 좋게 하는 것으로서 주파수 선택적 특성이 포함된 공진 개념을 가진다. 상기 매칭부(121a, 122a)는 전력변환부(112)와 코일(121b, 122b) 사이에 삽입되어 서로 다른 두 연결단 사이의 임피던스 차이를 보정해줄 수 있고, 인덕터, 커패시터 그리고 저항 소자로 구성될 수 있다.

특히 상기 유도형 매칭부(121a)는 직렬 공진 구조 또는 병렬 공진 구조를 가질 수 있고, 송신부(100)와 수신부(200) 사이의 유도 결합 계수를 증가시켜 에너지 손실을 최소화 할 수 있다. 그리고 상기 공진형 매칭부(122a)는 송수신부(100, 200) 간의 이격 거리가 변화되거나 금속성 이물질, 다수의 디바이스에 의한 상호 영향 등에 따라 공진형 코일(122b)의 특성의 변화로 에너지 전송 선로상의 매칭 임피던스 변화에 따른 임피던스 매칭의 실시간 보정이 가능할 수 있고, 그 보정 방식으로써 커패시터를 이용한 멀티 매칭 방식, 멀티 안테나를 이용한 매칭 방식, 멀티 루프를 이용한 방식 등이 될 수 있다.

한편 상기 유도형 안테나 시스템(121)과 공진형 안테나 시스템(122) 중 어느 하나는 통신 및 제어 시스템(130)의 제어 하에 동작할 수 있다.

상기 유도형 안테나 시스템(121)이 동작하는 자기 유도 방식에서 컨버터(111)는 60Hz의 110V~220V(AC)의 교류 신호를 10V~20V의 직류 신호로 변환할 수 있고, 전력변환부(112)는 상기 10V~20V의 직류 신호를 100~350kHz의 교류 신호로 변환하여 상기 유도형 안테나 시스템(121)에 제공할 수 있다.

또한 상기 공진형 안테나 시스템(122)이 동작하는 자기 공진 방식에서 컨버터(111)는 60Hz의 110V~220V(AC)의 교류 신호를 10V~20V의 직류 신호로 변환할 수 있고, 전력변환부(112)는 상기 10V~20V의 직류 신호를 6.78MHz의 교류 신호로 변환하여 상기 공진형 안테나 시스템(122)에 제공할 수 있다.

상기 유도형 코일(121b) 및 공진형 코일(122b) 각각은 복수개의 코일 또는 단수개로 구비될 수 있다.

상기 유도형 코일(121b) 및 공진형 코일(122b) 각각이 복수개로 구비되는 경우, 서로 중첩되어 배치될 수 있고, 이들이 중첩되는 면적은 자속 밀도의 편차를 고려하여 결정할 수 있다. 특히 유도형 코일(121b) 및 공진형 코일(122b)을 제작 시 내부 저항 및 방사 저항을 고려하여 제작될 수 있다. 이는 저항 성분이 작으면 전송 안테나 시스템(120)의 품질 지수(Quality factor)가 높아지고 그에 따라 효율도 최대가 되기 때문이다.

<실시예에 따른 수신부>

도 3에 도시된 수신부(200)는 수신 전력 컨버터 시스템(201)과 수신 안테나 시스템(202)를 포함할 수 있다.

수신부(200)의 수신 안테나 시스템(202)은 전송 안테나 시스템(120)과 동일할 수 있고, 수신 안테나의 치수는 수신부(200)의 전기적 특성에 따라 달라질 수 있다.

또한 수신 안테나 시스템(202)은 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식을 통해 전력을 수신할 수 있다. 이와 같이 전력 수신 방식에 따라서 상기 수신 안테나 시스템(202)은 유도 코일 또는 공진 코일 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 그리고 수신 안테나 시스템(202)는 근거리 통신용 안테나(Near Field Communication)를 함께 구비할 수 있다.

수신 전력 컨버터 시스템(201)은 매칭부(210), 정류부(220), 수신측 컨버터(230), 부하(240) 및 수신측 제어부(250)를 포함할 수 있다.

상기 매칭부(210)는 송신기(100)와 수신기(200) 사이의 임피던스 매칭을 수행한다. 상기 정류부(220)는 수신 안테나 시스템(202)으로부터 출력되는 교류 신호를 정류하여 직류 신호를 생성한다.

수신측 컨버터(230)는 DC/DC 컨버터로 구성되어 상기 정류부(220)에서 출력되는 DC 전압의 레벨을 부하(240)의 용량에 맞게 조정할 수 있다.

상기 부하(240)는 배터리, 디스플레이, 음성 출력 회로, 메인 프로세서 그리고 각종 센서들을 포함할 수 있다.

수신측 제어부(250)는 송신부(100)로부터 웨이크-업 전력에 의해 활성화 될 수 있고, 송신부(100)와 통신을 수행하고, 수신부(200)의 서브 시스템의 동작을 제어할 수 있다.

상기 수신부(200)는 단수 또는 복수개로 구성되어 송신부(100)로부터 동시에 에너지를 무선으로 전달 받을 수 있다. 즉 공진 방식의 무선전력전송 시스템에서는 하나의 송신부(100)로부터 복수의 타켓 수신부(200)가 전력을 공급받을 수 있다. 이때 상기 송신부(100)의 매칭부(121)는 복수개의 수신부(200)들 사이의 임피던스 매칭을 적응적으로 수행할 수 있다.

한편 상기 수신부(200)가 복수개로 구성된 경우 동일 종류의 시스템이거나 서로 다른 종류의 시스템이 될 수 있다.

<실시예에 따른 전력변환부>

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환부와 전력변환부에 연결된 전송 안테나 시스템을 나타낸 도면이고, 도 5 및 도 6은 전력변환부의 동작 관계를 나타낸 도면이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 전력변환부(112)는 서브 시스템으로서 고주파 필터부(300)와 전력 변환 스위치부(400)를 포함할 수 있다.

상기 고주파 필터부(300)는 제1 및 제2 고주파 필터부(310, 320)를 포함하고, 상기 스위치부(400)는 제1 및 제2 전력 변환 스위치부(410, 420)를 포함할 수 있다.

상기 제1 고주파 필터부(310)는 제1 및 제2 노드(N1, N2) 사이에 연결되고, 상기 제2 고주파 필터부(320)는 제1 및 제3 노드(N1, N3) 사이에 연결될 수 있다. 그리고 상기 제1 전력 변환 스위치부(410)는 제2 및 제5 노드(N2, N5) 그리고 제6 노드(N6) 사이에 연결되고, 상기 제2 전력 변환 스위치부(420)는 제3 및 제5 노드(N3, N5) 그리고 제7 노드(N7) 사이에 연결될 수 있다. 또한 상기 전송 안테나 시스템(120)은 제6 및 제7 노드(N6, N7) 사이에 연결됨으로써, 유도형 안테나 시스템(121)과 공진형 안테나 시스템(122)은 서로 병렬 연결될 수 있다.

상기 전력변환부(112)의 제1 및 제5 노드(N1, N5) 양 단자에는 컨버터(111)로부터 제공된 직류 신호가 공급될 수 있다. 그리고 상기 제1 및 제5 노드(N1, N5) 양 단자에 제공된 직류 신호는 상기 전력변환부(112)를 거쳐 교류 신호로 변환되어 제6 및 제7 노드(N6, N7)로 제공될 수 있다. 그리고 상기 제6 및 제7 노드(N6, N7)로 제공된 교류 신호가 전송 안테나 시스템(120)의 유도형 안테나 시스템(121)에 인가되면서 상기 유도형 안테나 시스템(121)의 유도형 코일(121b)에 전류가 흐르고, 흐르는 전류에 의해 발생한 자속을 매개로 수신부(200)의 수신 안테나 시스템(202)에 기전력을 발생시킬 수 있다. 또한 상기 제6 및 제7 노드(N6, N7)로 제공된 교류 신호가 전송 안테나 시스템(120)의 공진형 안테나 시스템(122)에 인가되면서 상기 공진형 안테나 시스템(122)의 공진형 코일(122b)로부터 발생한 전장 또는 자장에 의해 수신부(200)의 수신 안테나 시스템(202)에 기전력을 발생시킬 수 있다.

상기 제1 및 제2 고주파 필터부(310, 320)는 제1 노드(N1)로부터 제공된 직류 신호에 포함된 고주파 신호를 감쇠시킬 수 있고, 상기 제1 및 제2 고주파 필터부(310, 320) 각각은 적어도 하나 이상의 초크 코일(RFC)을 포함할 수 있다.

상기 제1 전력 변환 스위치부(410)는 제어부(131)의 스위치 제어 신호에 따라 제2 노드(N2)에서 제6 노드(N6) 그리고 제7 노드(N7)로의 제1 신호 전송 경로 및 제7 노드(N7)에서 제6 노드(N6) 그리고 제5 노드(N5)로의 제3 신호 전송 경로를 제공한다.

또한 상기 제2 전력 변환 스위치부(420)는 제어부(131)의 스위치 제어 신호에 따라 제6 노드(N6)에서 제7 노드(N7) 그리고 제5 노드(N5)로의 제2 신호 전송 경로 및 제3 노드(N3)에서 제7 노드(N7) 그리고 제6 노드(N6)로의 제4 신호 전송 경로를 제공한다.

상기 제어부(131)가 상기 제1 및 제2 전력 변환 스위치부(410,420)를 제어하는 스위치 제어 신호는 제1 및 제2 스위치 제어 신호를 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제2 전력 변환 스위치부(410,420)는 상기 제어부(131)로부터의 제1 스위치 제어 신호를 기초하여 상기 제1 및 제2 신호 전송 경로를 각각 제공할 수 있고, 상기 제1 및 제2 전력 변환 스위치부(410,420)는 상기 제어부(131)로부터의 제2 스위치 제어 신호를 기초하여 상기 제3 및 제4 신호 전송 경로를 각각 제공할 수 있다.

상기 제어부(131)의 제1 및 제2 스위치 제어 신호에 따라서 전송 안테나 시스템(120)에는 정방향의 출력 전압(Vo) 또는 역방향의 출력 전압(-Vo)이 출력 될 수 있다. 따라서 전력변환부(112)는 직류 신호와 제어부(131)의 제1 및 제2 스위치 제어 신호를 기초하여 상기 전송 안테나 시스템(120)에 극성이 주기적으로 변경되는 신호, 즉 교류 신호를 제공할 수 있다.

한편 상기 전송 안테나 시스템(120)은 상기 제1 및 제2 전력 변환 스위치부(410, 420)의 동작 주파수에 따라서 유도형 안테나 시스템(121) 또는 공진형 안테나 시스템(122) 중 어느 하나로 출력 전압(Vo)을 출력할 수 있다.

상기 동작 주파수는 제1 및 제2 동작 주파수를 포함할 수 있고, 상기 제1 및 제2 동작 주파수 각각은 하나의 주파수가 아닌 특정 범위를 가질 수 있다. 그리고 상기 제1 동작 주파수에서는 제6 및 제7 노드(N6, N7) 사이에 연결된 유도형 안테나 시스템(121)이 동작하고 공진형 안테나 시스템(122)은 고 임피던스를 가질 수 있다. 또한 상기 제2 동작 주파수에서는 제6 및 제7 노드(N6, N7) 사이에 연결된 공진형 안테나 시스템(122)이 동작하고 유도형 안테나 시스템(121)은 고 임피던스를 가질 수 있다. 이 때 고 임피던스는 상대적인 값으로서 제1 동작 주파수에서 상기 공진형 안테나 시스템(122)은 상기 유도형 안테나 시스템(121) 보다 높은 임피던스를 가지고, 제2 동작 주파수에서 상기 유도형 안테나 시스템(121)은 상기 공진형 안테나 시스템(122)보다 높은 임피던스를 가진다.

도 7 및 도 8은 제1 및 제2 동작 주파수에 따른 전송 안테나 시스템의 동작 관계를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 제1 동작 주파수에서 공진형 안테나 시스템(122)은 고 임피던스를 가지고, 개방 회로와 등가 모델로 동작할 수 있다. 즉 상기 공진형 안테나 시스템(122)은 유도형 안테나 시스템(121)의 제6 및 제7 노드(N6, N7) 상의 임피던스 대비 고 임피던스를 가짐으로써, 개방회로처럼 동작할 수 있다.

도 8을 참조하면, 제2 동작 주파수에서 유도형 안테나 시스템(121)은 고 임피던스를 가지고, 개방 회로와 등가 모델로 동작할 수 있다. 즉 상기 유도형 안테나 시스템(121)은 공진형 안테나 시스템(122)의 제6 및 제7 노드(N6, N7) 상의 임피던스 대비 고 임피던스를 가짐으로써, 개방회로처럼 동작할 수 있다.

이와 같이 송신측 제어부(131)가 전력변환부(112)를 동작 시키기 위한 스위치 제어 신호의 동작 주파수에 따라서 유도형 안테나 시스템(121)과 공진형 안테나 시스템(122) 중 하나는 개방회로처럼 동작함으로써 다른 하나가 동작하는데 미치는 영향을 최소화할 수 있다. 그리하여 하나의 전력변환부(112)를 이용하여 유도형 안테나 시스템(121)과 공진형 안테나 시스템(122)에 에너지를 공급할 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전력변환부와 전력변환부에 연결된 전송 안테나 시스템을 구체화한 도면이다.

도 9를 참조하면, 제1 및 제2 고주파 필터부(310, 320) 각각은 제5 및 제6 인덕터(L5, L6)를 포함할 수 있다. 그리고 따라서 유도형 안테나 시스템(121)과 공진형 안테나 시스템(122)은 적어도 하나의 커패시터와 적어도 하나의 인덕터를 포함할 수 있다. 또한 제1 및 제2 전력 변환 스위치부(410, 420) 각각은 적어도 하나의 스위치 소자(S1, S2, S3, S4)를 포함할 수 있고, 상기 스위치 소자(S1, S2, S3, S4)는 제어부(131)로부터의 스위치 제어 신호에 따라서 등가적으로 단락 또는 개방 회로처럼 동작하여 신호의 전송의 경로를 제공하거나 차단하는 역할을 할 수 있다.

실시예에 따른 전력변환부(112)와 전력변환부(112)에 연결된 전송 안테나 시스템(120)를 구성하는 구성 요소의 연결관계를 설명하면, 전송 안테나 시스템(120)의 유도형 안테나 시스템(121)은 제1 내지 제3 인덕터(L1, L2, L3)와 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)를 포함할 수 있고, 상기 제1 인덕터(L1)와 제1 커패시터(C1)는 서로 직렬 연결되어 제8 및 제9 노드(N8, N9) 사이에 연결될 수 있고, 상기 제2 커패시터(C2)는 상기 제8 및 제9 노드(N8, N9) 사이에 연결되어 상기 제1 인덕터(L1) 및 제1 커패시터(C1)와 서로 병렬로 연결될 수 있고, 상기 제2 인덕터(L2)는 제6 및 제8 노드(N6, N8) 사이에 연결될 수 있으며, 상기 제3 인덕터(L3)는 제7 및 제9 노드(N7, N9) 사이에 연결될 수 있다. 그리고 유도형 안테나 시스템(121)에서 상기 제1 인덕터(L1)는 유도형 코일(121b)가 되고, 상기 제2 및 제3 인덕터(L2, L3)와 제1 및 제3 커패시터(C1, C2)는 유도형 매칭부(121a)를 구성할 수 있다.

공진형 안테나 시스템(122)은 제3 내지 제5 커패시터(C3, C4, C5) 그리고 제4 인덕터(L4)를 포함할 수 있고, 상기 제4 인덕터(L4)는 제10 및 제11 노드(N10, N11) 사이에 연결될 수 있고, 상기 제3 커패시터(C3)는 제10 및 제11 노드(N10, N11) 사이에 연결되어 상기 제4 인덕터(L4)와 병렬 연결될 수 있다. 그리고 상기 제4 커패시터(C4)는 제6 및 제 10 노드(N6, N10) 사이에 연결될 수 있으며, 상기 제5 커패시터(C5)는 제7 및 제11 노드(N7, N11) 사이에 연결될 수 있다. 그리고 공진형 안테나 시스템(122)에서 제4 인덕터(L4)는 공진형 코일(122b)이 되고, 제3 내지 제5 커패시터(C3, C4, C5)는 공진형 매칭부(122a)가 될 수 있다.

또한 제1 전력 변환 스위치(410)는 제1 및 제2 스위치(S1, S2)를 포함할 수 있고, 상기 제1 스위치(S1)는 제2 및 제6 노드(N2, N6) 사이에 연결될 수 있고, 상기 제2 스위치(S2)는 제5 및 제6 노드(N5, N6) 사이에 연결될 수 있으며, 제5 노드에는 기준 전원이 제공될 수 있다. 그리고 제2 전력 변환 스위치(420)는 제3 및 제4 스위치(S3, S4)를 포함할 수 있고, 상기 제3 스위치(S3)는 제3 및 제7 노드(N3, N7) 사이에 연결될 수 있고, 상기 제4 스위치(S4)는 제5 및 제7 노드(N5, N7) 사이에 연결될 수 있으며, 제5 노드에는 기준 전원이 제공될 수 있다.

도 10은 유도형 안테나 시스템의 정방향 동작 도면을 나타낸 도면이고, 도 11은 유도형 안테나 시스템의 역방향 동작 도면을 나타낸 도면이다. 그리고 도 14는 공진형 안테나 시스템의 정방향 동작 도면을 나타낸 도면이고, 도 15는 공진형 안테나 시스템의 역방향 동작 도면을 나타낸 도면이다.

한편 상기 소자 값의 관계를 살펴보면, 제2 및 제3 인덕터(L2, L3)의 인덕턴스는 동일한 값을 가질 수 있고, 제1 및 제2 커패시터(C1, C2)의 커패시턴스는 동일한 용량을 가질 수 있고, 상기 제4 및 제5 커패시터(C4, C5)의 커패시턴스는 동일한 용량을 가질 수 있고, 유도형 코일(121b)의 인덕턴스는 상기 공진형 코일(122b)의 인덕턴스보다 크게 설정될 수 있고, 제3 커패시터(C3)의 커패시턴스는 제4 커패시터(C4)의 커패시턴스보다 작게 설정될 수 있고, 제4 커패시터(C4)의 커패시턴스는 제1 커패시터(C1)의 커패시턴스보다 작게 설정될 수 있다. 이하 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 각 소자 값을 일 예로 L1=11.5uH, L2=L3=1uH, C1=200nF, C2=200nF, L5=L6=2.2uH, C4=C5=270pF, L4=2uH, C3=150pF라 하고, 0.1uH <L5 = L6< 5uH의 조건을 만족하는 것을 전제로 설명한다.

<유도형 안테나 시스템의 동작>

도 10 및 도 11을 참조하면, 제어부(131)는 전력변환부(112)를 제1 동작 주파수로 제어할 수 있고, 상기 제1 동작 주파수는 100~350kHz가 될 수 있다. 그리고 제1 및 제4 스위치(S1, S4)는 동일 위상, 제2 및 제3 스위치(S2, S3)는 동일 위상 그리고 제1 및 제2 스위치(S1, S2)는 반대 위상을 가지고 스위칭 할 수 있다. 그리고 전술한 스위칭에서 동작 주파수란 구형파 신호인 PWM(Pulse width Modulation)이 하이 레벨과 로우 레벨을 교번할 때 하이 레벨에서 다음 번 라이 레벨 직전까지 또는 로우 레벨에서 다음 번 로우 레벨 직전까지를 하나의 싸이클(Cycle)로 하여 상기 제1 동작 주파수가 결정되고, 동일 위상이란 제1 및 제4 스위치(S1, S4) 또는 제2 및 제3 스위치(S2, S3)에 동일한 하이 레벨 또는 로우 레벨이 공급되는 것이고, 반대 위상이란 제1 스위치(S1)에 하이 레벨이 인가되면 제2 스위치(S2)에 로우 레벨이 인가되는 것으로 정의된다.

도 10은 제1 및 제4 스위치(S1, S4)가 턴온되어 단락회로처럼 동작하고, 제2 및 제3 스위치(S2, S3)는 턴오프되어 개방회로처럼 동작하여 정방향 동작의 회로도를 나타낸 것이다. 그리고 도 11은 제1 및 제4 스위치(S1, S4)가 턴오프되어 개방회로처럼 동작하고, 제2 및 제3 스위치(S2, S3)는 턴온되어 단락회로처럼 동작하여 역방향 동작의 회로도를 나타낸 것이다. 이 경우, 공진형 안테나 시스템(122)의 제4 및 제5 커패시터(C4, C5)은 270pF이므로 리액턴스는 1/(2πfC)에 따라 2589ohm의 고 임피던스를 가진다. 따라서 유도형 안테나 시스템(121)에 미치는 공진형 안테나 시스템(122)에 의한 영향은 무시할 수 있다. 또한 제1 및 제2 고주파 필터부(310, 320)를 구성하는 제5 및 제6 인덕터(L5, L6)의 리액턴스는 2πfL에 따라서 2.83ohm의 저 임피던스를 가져 등가적으로 단락회로처럼 동작하여 유도형 안테나 시스템(121)에 미치는 제1 및 제2 고주파 필터부(310, 320)의 영향은 무시할 수 있다.

도 10을 참조하면, 제1 동작 주파수의 정방향 동작에서 컨버터(111)로부터 제공되는 직류 신호는 제1 노드(N1), 제2 노드(N2), 제6 노드(N6) 그리고 제7 노드(N7)와 제5 노드(N5)를 경유하여 교류 신호로 변환될 수 있고, 유도형 안테나 시스템(121)의 유도형 코일(L1)의 양단에는 정방향의 출력 전압(Vo)이 출력될 수 있다. 이 경우 공진형 안테나 시스템(122)은 개방회로처럼 동작할 수 있다.

도 11을 참조하면, 제1 동작 주파수의 역방향 동작에서 컨버터(111)로부터 제공되는 직류 신호는 제1 노드(N1), 제3 노드(N3), 제7 노드(N7) 그리고 제6 노드(N6)와 제5 노드(N5)를 경유하여 교류 신호로 변환될 수 있고, 유도형 안테나 시스템(121)의 유도형 코일(L1)의 양단에는 역방향의 출력 전압(-Vo)이 출력될 수 있다. 이 경우 공진형 안테나 시스템(122)은 개방회로처럼 동작할 수 있다.

도 12는 제1 동작 주파수에서의 전력변환부와 전송 안테나 시스템의 등가모델이고, 도 13은 이들의 동작 파형을 도시한 그래프이다.

도 12를 참조하면, 송신측 제어부(131)는 제1 및 제4 스위치(S1, S4)와 제2 및 제3 스위치(S2, S3)가 제1 동작 주파수로 교번 동작하도록 제어함으로써 전력변환부(112)와 전송 안테나 시스템(120)은 등가적으로 도 12와 같게 되어 자기 유도 방식에 의한 무선 전력 전송이 진행될 수 있다.

도 13를 참조하면, 제1 및 제4 스위치(S1, S4)는 동일 위상을 가지고, 상기 제1 스위치(S1)에 인가되는 전압은 11V 내지 22V 전압을 가지고 상기 제4 스위치(S4)에 인가되는 전압은 0V보다 크고 11V 이하의 전압을 가지고, 제2 및 제3 스위치(S2, S3)는 동일 위상을 가지되 상기 제1 및 제4 스위치(S1, S4)의 위상과는 반대되고, 상기 제2 스위치(S2)에 인가되는 전압은 0V보다 크고 11V 이하의 전압을 가지고 상기 제3 스위치(S3)에 인가되는 전압은 11V 내지 22V 이하의 전압을 가진다고 할 때, 유도형 코일(L1) 양단의 전압(Vo)은 진폭이 28V 내지 42V 범위를 가지는 교류 파형이 나타나고, 이러한 교류 신호에 의해 자기 유도 방식에 따른 무선 전력 전송이 일어날 수 있다. 한편 위 제시된 전압의 크기는 일 예시에 해당하고, 무선 전력 전송 상태에 따라서 달라질 수 있다.

<공진형 안테나 시스템의 동작>

도 14 및 도 15를 참조하면, 제어부(131)는 전력변환부(112)를 제2 동작 주파수로 제어할 수 있고, 상기 제2 동작 주파수는 6.78MHz가 될 수 있다. 그리고 제1 및 제3 스위치(S1, S3)는 항상 턴온될 수 있고, 제2 및 제4 스위치(S2, S3)는 서로 반대의 위상을 가져 교번하여 동작할 수 있다. 한편 상기 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 N-channel MOSFET인 경우 상기 제1 및 제3 스위치(S1, S3)에 인가되는 스위치 제어 신호는 항상 하이 레벨(High level)이 되도록 하여 상기 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 항상 턴온되도록 할 수 있다.

도 14는 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 턴온을 유지하여 단락회로처럼 동작하고, 제2 스위치(S2)는 턴오프되어 개방회로처럼 동작하며, 제4 스위치(S4)는 턴온되어 단락회로처럼 동작하는 정방향 동작의 회로도를 나타낸 것이다. 그리고 도 15는 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 턴온을 유지하여 단락회로처럼 동작하고, 제2 스위치(S2)는 턴온되어 단락회로처럼 동작하며, 제4 스위치(S4)는 턴오프되어 개방회로처럼 동작하는 역방향 동작의 회로도를 나타낸 것이다. 이 경우, 유도형 안테나 시스템(121)의 유도형 코일(L1)은 11.5uH이므로 리액턴스는 2πfL에 따라 1021ohm의 고 임피던스를 가진다. 따라서 공진형 안테나 시스템(122)에 미치는 유도형 안테나 시스템(121)에 의한 영향은 무시할 수 있다. 또한 제2 및 제3 인덕터(L2, L3)의 리액턴스는 2πfL에 따라서 43ohm의 저 임피던스를 가져 등가적으로 단락회로처럼 동작하여 유도형 코일(L1)에 인가될 수 있는 전압을 제약할 수 있다.

도 14를 참조하면, 제2 동작 주파수의 정방향 동작에서 컨버터(111)로부터 제공되는 직류 신호는 제1 노드(N1), 제2 노드(N2), 제6 노드(N6) 그리고 제7 노드(N7)와 제5 노드(N5)를 경유하여 교류 신호로 변환될 수 있고, 공진형 안테나 시스템(121)의 공진형 코일(L4)의 양단에는 정방향의 출력 전압(Vo)이 출력될 수 있다. 이 경우 유도형 안테나 시스템(121)은 개방회로처럼 동작할 수 있다.

도 15를 참조하면, 제2 동작 주파수의 역방향 동작에서 컨버터(111)로부터 제공되는 직류 신호는 제1 노드(N1), 제3 노드(N3), 제7 노드(N7) 그리고 제6 노드(N6)와 제5 노드(N5)를 경유하여 교류 신호로 변환될 수 있고, 공진형 안테나 시스템(122)의 공진형 코일(L4)의 양단에는 역방향의 출력 전압(-Vo)이 출력될 수 있다. 이 경우 유도형 안테나 시스템(121)은 개방회로처럼 동작할 수 있다.

도 16은 제2 동작 주파수에서의 전력변환부와 전송 안테나 시스템의 등가모델이고, 도 17은 이들의 동작 파형을 도시한 그래프이다.

도 16을 참조하면, 송신측 제어부(131)는 제1 및 제3 스위치(S1, S3)가 턴온동작을 유지하고 제2 및 제4 스위치(S2, S4)가 제2 동작 주파수로 교번 동작하도록 제어함으로써 전력변환부(112)와 전송 안테나 시스템(120)은 등가적으로 도 16과 같게 되어 자기 공진 방식에 의한 무선 전력 전송이 진행될 수 있다.

도 17을 참조하면, 제1 및 제3 스위치(S1, S3)는 턴온을 유지하고, 제2 스위치(S2)에 인가되는 전압은 0V보다 크고 11V 이하의 전압을 가지고 상기 제4 스위치(S4)에 인가되는 전압은 0V보다 크고 11V 이하의 전압을 가지고, 상기 제2 및 제4 스위치(S2, S4)는 서로 반대의 위상으로 동작할 때, 공진형 코일(L4) 양단의 전압(Vo)은 진폭이 70V 내지 80V 범위를 가지는 교류 파형이 나타나고, 이러한 교류 신호에 의해 자기 공진 방식에 따른 무선 전력 전송이 일어날 수 있다. 한편 위 제시된 전압의 크기는 일 예시에 해당하고, 무선 전력 전송 상태에 따라서 달라질 수 있다.

<전력변환부와 전송 안테나 시스템의 동작>

도 18은 제1 동작 주파수로 동작 시 공진형 안테나 시스템의 공진형 코일양단의 전압을 나타낸 파형도이고, 도 19는 제2 동작 주파수로 동작 시 유도형 안테나 시스템의 유도형 코일 양단의 전압을 나타낸 파형도이다.

도 18을 참조하면, 제1 동작 주파수로 동작 시 유도형 안테나 시스템(121)의 유도 기전력 형성 동작과 공진형 안테나 시스템(122)의 개방동작에 따른 자기 유도 방식으로 무선 전력을 전송 가능하고, 이 경우 공진형 안테나 시스템(122)의 공진형 코일(L4) 양단에는 Zero Voltage의 전압이 형성되는 것을 알 수 있다. 따라서 제1 동작 주파수 하에서는 공진형 안테나 시스템(122)은 자기 유도 방식에 따른 무선 전력 전송에 미치는 영향이 미미함을 알 수 있다.

도 19를 참조하면, 제2 동작 주파수로 동작 시 공진형 안테나 시스템(122)의 전장 또는 자장 형성 동작과 유도형 안테나 시스템(121)의 개방동작에 따른 자기 공진 방식으로 무선 전력을 전송 가능하고, 이 경우 유도형 안테나 시스템(121)의 유도형 코일(L1) 양단에는 Zero Voltage의 전압이 형성되는 것을 알 수 있다. 따라서 제2 동작 주파수 하에서는 유도형 안테나 시스템(121)은 자기 공진 방식에 따른 무선 전력 전송에 미치는 영향이 미미함을 알 수 있다.

<수신 장치 검출 및 전력 전송 단계>

도 20은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력전송 시스템에서 수신부의 검출에서 송신부로부터 수신부로 전력 전송까지의 단계를 나타낸 도면이다.

제어 방식은 크게 4 단계로 구분할 수 있고, 각 단계로 수신부(200) 검출 단계(Selection, S100), 반응 확인 단계(Ping, S200), 인증과 구성 단계(Identification & Configuration, S300) 그리고 전력 전송 단계(Power Transfer, S400)가 있다.

상기 수신부(200) 검출 단계(S100)는 송신부(100)가 수신부(200)의 존재를 검출하기 위한 신호를 발하고, 수신부(200)의 반응을 기다리는 단계이다.

상기 반응 확인 단계(S200)은 수신부(200)가 신호의 강도 정보를 송출하고, 송신부(100)는 그 정보를 통해 수신부(200)의 존재를 확인할 수 있다. 이 때 송신부(100)의 송신측 통신부(132)는 수신측 통신부(251)로부터 수신부(200)의 무선충전방식, 즉 자기 유도 방식 또는 자기 공진 방식에 관한 정보를 획득할 수 있다.

상기 인증과 구성 단계(S300)는 수신부(200)가 인증과 요구 전력 정보를 송출하고, 송신부(100)는 전력 송출을 구성하고 전력을 송출할 준비를 한다. 이 때 상기 송신부(100)의 송신측 통신부(132)로부터 상기 수신부(200)에 관한 정보를 전달받은 송신측 제어부(131)는 상기 수신부(200)가 자기 유도 방식의 코일을 구비한 경우 제1 동작 주파수로 전력변환부(112)를 제어할 준비를 하고, 상기 수신부(200)가 자기 공진 방식의 코일을 구비한 경우, 제2 동작 주파수로 전력변환부(112)를 제어할 준비를 할 수 있다.

상기 전력 전송 단계(S400)는 수신부(200)가 제어 정보를 송출하고, 송신부(100)가 전력 전송을 개시한다.

이 네 단계 사이에 신호가 차단되거나 신호가 불량할 경우에는 타임 아웃이 되어 처음 단계로 돌아갈 수 있고, 또 송전 도중에 이상이 검출될 경우나 수신부(200)가 충전 영역에서 벗어나는 경우나 완충된 경우에는 송전을 종료하고 처음 단계로 돌아갈 수 있다.

또한 충전 중 임피던스 매칭 등 충전 상태에 따라 제어부(131)는 컨버터(111)를 제어하여 직류 신호의 레벨을 조절하여 전력변환부(112)로부터 출력되는 교류 신호의 레벨을 제어할 수 있고, 전력변환부(112)의 스위치 제어 신호의 주파수를 조절하여, 전력변환부(112)로부터 출력되는 교류 신호의 레벨 및 주파수를 조절할 수 있다.

이와 같이 유도형 안테나 시스템(121)과 공진형 안테나 시스템(122)는 어느 하나는 하나의 전력변환부(112)의 제어 하에 특정 주파수 또는 특정 주파수 범위에서 동작할 수 있다. 그리하여 회로 구성의 간소화에 따른 복잡도를 낮추고 수율 상승 및 소자 수의 최소화에 따른 비용 절감을 실현할 수 있다.

<유도형 코일과 공진형 코일의 배치 관계>

도 21은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전송 안테나 시스템의 유도형 및 공진형 코일과 차폐 부재를 나타낸 도면이고, 도 22는 본 발명의 제2 실시예에 따른 전송 안테나 시스템의 유도형 및 공진형 코일과 차폐 부재를 나타낸 도면이다.

도 21 및 도 22를 참조하면, 제1 및 제2 실시예에 따른 전송 안테나 시스템(120)은 유도형 코일(121b), 공진형 코일(122b) 및 차폐 부재(500)를 포함할 수 있다.

도 21 및 도 22에 따르면, 상기 공진형 코일(122b)은 다수개의 유도형 공진형 도선(122c)를 포함할 수 있다. 상기 공진형 코일용 도선(122c)들은 외측에서 내측으로 순차적으로 배열될 수 있고, 원-턴으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 각각의 공진형 코일용 도선(122c)은 원형 또는 사각형의 형태로 연장될 수 있다. 그리고 내측에 배치될수록, 각각의 공진형 코일용 도선(122c)의 반경이 짧을 수 있다. 또한 공진형 코일용 도선(122c)들의 간격은 일정하게 유지될 수 있다. 또한 내측으로 갈수록, 공진형 코일용 도선(122c)들에서 이웃하는 두 개의 간격이 점차로 넓어지거나 좁아질 수 있다.

도 21에 따르면, 상기 유도형 코일(121b)은 자기 유도 방식으로 동작할 수 있고, 다수개의 유도형 코일용 도선(121c)를 포함할 수 있다. 상기 유도형 코일용 도선(121c)들은 외측에서 내측으로 순차적으로 배열될 수 있고, 원-턴으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 각각의 유도형 코일용 도선(121c)은 원형 또는 사각형의 형태로 연장될 수 있다. 그리고 내측에 배치될수록, 각각의 유도형 코일용 도선(121c)의 반경이 짧을 수 있다. 또한 유도형 코일용 도선(121c)들의 간격은 일정하게 유지될 수 있다. 또한 내측으로 갈수록, 유도형 코일용 도선(121c)들에서 이웃하는 두 개의 간격이 점차로 넓어지거나 좁아질 수 있다.

또한 도 22에 따르면, 상기 유도형 코일(121b)는 다수개의 유도형 단위 코일들(121b1, 121b2, 121b3)을 포함할 수 있다. 상기 유도형 단위 코일들(121b1, 121b2, 121b3) 중 어느 하나는 나머지 두 개의 코일 사이에 적층될 수 있다.

<유도형 코일과 공진형 코일의 임피던스 관계>

도 23은 도 21에 따른 유도형 코일의 등가 회로 모델이고, 도 24는 도 22에 따른 유도형 코일의 등가 회로 모델이다. 그리고 도 26은 도 23에 따른 직렬 공진 현상을 나타낸 도면이고, 도 27은 도 25에 따른 병렬 공진 현상을 나타낸 도면이다.

도 23 및 도 26을 참조하면, 제1 실시예에 따른 유도형 코일(121b)의 제1 인덕터(L1)는 유도형 매칭부(121a)의 제1 커패시터(C1)와 연결되고, 추가적으로 제1 인덕터(L1)의 양단에 기생 용량(parasitic capacitance)의 등가 모델로서 기생 커패시터(Cp)가 연결될 수 있다. 상기 기생 용량은 도선들 사이에 발생하는 정전 용량에 해당하는 것으로 특히 유도형 코일용 도선(121c)들 간에 형성될 수 있다.

도 24 및 도 28을 참조하면, 제2 실시예에 따른 유도형 코일(121b)을 구성하는 다수개의 유도형 단위 코일들(121b1, 121b2, 121b3) 각각에 대한 등가 모델은 상기 다수개의 유도형 단위 코일들(121b1, 121b2, 121b3) 각각의 제1 인덕터(L11, L12, L13)에는 기생 커패시터(Cp1, Cp2, Cp3)가 병렬 연결된 모델이 될 수 있다.

상기 기생 용량은 유도형 코일(121b)을 이루는 도선들 사이의 간격 및 면적에 따라서 그 용량을 달리할 수 있고, 구체적으로 하기 수학식 1을 충족할 수 있다.

여기서, D는 유도형 코일용 도선(121c)들의 간격을 나타내고, L은 유도형 코일용 도선(121c)들의 길이를 나타내며, T는 유도형 코일용 도선(121c)들의 두께를 나타낸다.

도 25는 제1 및 제2 실시예에 따른 전송 안테나 시스템의 유도형 코일의 주파수에 따른 임피던스 특성을 나타낸 그래프이다.

도 25를 참조하면, 유도형 코일(121b)은 제1 및 제2 주파수 대역 각각에서 공진 현상이 일어날 수 있다.

먼저 제1 주파수 대역에서의 유도형 코일(121b)의 동작 관계를 살펴보면, 상기 유도형 코일(121b)의 제1 인덕터(L1, L11, L12, L13)는 제1 주파수 대역에서 유도형 매칭부(121a)의 제1 커패시터(C1)와 공진 현상을 일으킬 수 있다. 이 경우 상기 제1 인덕터(L1, L11, L12, L13)와 상기 제1 커패시터(C1, C11, C12, C13)는 서로 에너지 교환을 반복하는 직렬 공진 상태에 들어가고, 이에 따라 상기 제1 인덕터(L1, L11, L12, L13)와 상기 제1 커패시터(C1, C11, C12, C13)는 단락 회로와 등가 모델로 표현 가능하여 임피던스가 최소가 될 수 있다. 이와 같이 제1 주파수 대역에서 직렬 공진 현상이 일어나도록 하기 위하여 상기 제1 인덕터(L1, L11, L12, L13)의 인덕턴스와 제1 인덕터(L1, L11, L12, L13) 커패시턴스를 조절할 수 있다.

또한 제2 주파수 대역에서의 유도형 코일(121b)의 동작 관계를 살펴보면, 상기 유도형 코일(121b)의 제1 인덕터(L1, L11, L12, L13)는 제2 주파수 대역에서 기생 커패시터(Cp, Cp1, Cp2, Cp3)와 공진 현상을 일으킬 수 있다. 이 경우 상기 제1 인덕터(L1, L11, L12, L13)와 상기 기생 커패시터(Cp, Cp1, Cp2, Cp3)는 서로 에너지 교환을 반복하는 병렬 공진 상태에 들어가고, 이에 따라 상기 제1 인덕터(L1, L11, L12, L13)와 상기 기생 커패시터(Cp, Cp1, Cp2, Cp3)는 개방 회로와 등가 모델로 표현 가능하여 임피던스가 최대가 될 수 있다. 이와 같이 제1 주파수 대역에서 직렬 공진 현상이 일어나도록 하기 위하여 상기 제1 인덕터(L1, L11, L12, L13)의 인덕턴스를 조절할 수 있고, 더불어 수학식 1에 따른 변수를 조절하여 기생 커패시터(Cp, Cp1, Cp2, Cp3)를 조절할 수 있다.

한편 상기 제1 주파수 대역은 전력변환부(112)를 제어하여 자기 유도 방식으로 무선 전력을 전송하는데 이용하는 제1 동작 주파수와 대응하는 주파수를 가질 수 있다. 즉 상기 전력변환부(112)를 상기 제1 동작 주파수로 제어하는 경우, 상기 제1 주파수 대역은 상기 제1 동작 주파수로 또는 그 근방의 주파수가 되도록 설정할 수 있다. 이 경우 상기 상기 제1 동작 주파수는 100~350kHz가 될 수 있고 그에 따라 상기 제1 주파수 대역 또한 상기 100~350kHz 주파수 또는 100~350kHz 근방의 주파수가 될 수 있다.

또한 상기 제2 주파수 대역은 전력변환부(112)를 제어하여 자기 공진 방식으로 무선 전력을 전송하는데 이용하는 제2 동작 주파수와 대응하는 주파수를 가질 수 있다. 즉 상기 전력변환부(112)를 상기 제2 동작 주파수로 제어하는 경우, 상기 제2 주파수 대역은 상기 제2 동작 주파수로 또는 그 근방의 주파수가 되도록 설정할 수 있다. 이 경우 상기 상기 제2 동작 주파수는 6.78MHz가 될 수 있고 그에 따라 상기 제2 주파수 대역 또한 상기 6.78MHz 또는 6.78MHz 근방의 주파수가 될 수 있다.

이와 같이 제2 동작 주파수로 전력변환부(112)를 제어하여 자기 공진 방식으로 무선 전력을 전송하는 경우, 유도형 코일(121b)은 기생 커패시터(Cp)와 함께 병렬 공진 상태로 최대 임피던스를 가질 수 있다. 그리하여 유도형 안테나 시스템(121)이 공진형 안테나 시스템(122)에 가하는 영향을 최소화하는 동시에 유도형 안테나 시스템(121)에 의한 전력 손실을 최소화시킬 수 있다.

도 28은 본 발명의 실시예에 따른 공진형 코일과 유도형 코일의 등가모델을 도시한 도면이다.

도 28을 참조하여, 전술항 제2 동작 주파수로 전력변환부(112)를 제어하여 자기 공진 방식으로 무선 전력을 전송하는 경우, 유도형 안테나 시스템(121)에 의한 전력 손실이 최소화되는 원리를 설명한다.

수학식 2는 공진형 코일 측에서 유도형 코일 측을 바라본 임피던스이다.

여기서 Zin은 공진형 코일(122b)에서 유도형 안테나 시스템(121)을 바라본 입력 임피던스이고, Z11은 공진형 코일(122b)의 자기 임피던스이고, Zr은 공진형 코일(122b)와 유도형 코일(121b)의 자기적 결합에 따라 공진형 코일(122b) 측으로 반사된 유도형 안테나 시스템(121)의 반사 임피던스이고, k는 공진형 코일(122b)과 유도형 코일(121b)의 자기적 결합 정도를 의미하는 결합 계수이며, Zout은 유도형 코일(121b)에서 유도형 매칭부(121a)측을 바라본 임피던스이다. 그리고 w는 전력변환부(112)의 스위칭 신호의 주파수이다.

상기 전력변환부(112)를 제2 동작 주파수로 동작시키는 경우, 즉 w=6.78MHz이고, 제2 주파수 대역, 즉 유도형 코일(121b)과 기생 커패시터(Cp)의 병렬 공진 주파수를 상기 제2 동작 주파수에 대응시키는 경우, 하기 수학식 3에 따라 반사 임피던스 Zr은 0으로 수렴하여 입력 임피던스 Zin는 자기 임피던스 Z11이 될 수 있다.

이와 같이 제2 주파수 대역을 제2 동작 주파수로 대응시키는 경우, 자기 공진 방식의 무선 전력 전송 시 입력 임피던스 Zin은 공진형 코일(121b)이 유도형 코일(122b)와 자기적으로 결합되지 않았을 때와 동일한 임피던스가 되어 유도형 코일(122b)에 의한 전력 손실이 최소화되는 것을 알 수 있다. 더불어 상기 자기 공진 방식의 무선 전력 전송 시 유도형 코일(121b)의 영향이 최소화 되어 코일(121b, 122b) 상호간의 간섭 현상을 제거할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술할 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

10 무선전력전송 시스템
100 송신부
110 송신전력 컨버터 시스템
111 컨버터
111a 정류 및 필터부
111b DC-DC 컨버터
112 전력변환부
120 전송 안테나 시스템
121 유도형 안테나 시스템
121a 유도형 매칭부
121b 유도형 코일
121c 유도형 코일용 도선
121b1, 121b2, 121b3 다수개의 유도형 단위 코일들
122 공진형 안테나 시스템
122a 공진형 매칭부
122b 공진형 코일
122c 공진형 코일용 도선
130 통신 및 제어 시스템
131 송신측 제어부
132 송신측 통신부
200 수신부
201 수신전력 컨버터 시스템
202 수신 안테나 시스템
210 매칭부
220 정류부
230 수신측 컨버터
240 부하
250 수신측 제어부
251 수신측 통신부
300 고주파 필터부
310 제1 고주파 필터부
320 제2 고주파 필터부
400 전력 변환 스위치부
410 제1 전력 변환 스위치부
420 제2 전력 변환 스위치부
500 차폐 부재

Claims

직류 신호를 교류 신호로 변환하는 전력변환부;
상기 전력변환부를 제1 또는 제2 동작 주파수로 제어하는 제어부;
서로 병렬 연결된 유도형 안테나 시스템 및 공진형 안테나 시스템를 포함하고,
상기 제어부의 제어에 따라 상기 유도형 안테나 시스템 및 상기 공진형 안테나 시스템 중 어느 하나로 전력을 전송하는 무선전력전송을 위한 송신부.
제1 항에 있어서,
상기 유도형 안테나 시스템은 유도형 코일 및 상기 유도형 코일 의해 형성된 기생 커패시터를 포함하고,
상기 공진형 안테나 시스템을 동작시키는 동작 주파수는 상기 유도형 코일과 상기 기생 커패시터 간의 병렬 공진 주파수인 무선전력전송을 위한 송신부.
제1 항에 있어서,
상기 제1 동작 주파수에서 상기 공진형 안테나 시스템은 상기 유도형 안테나 시스템보다 높은 임피던스를 가지며,
상기 제2 동작 주파수에서 상기 유도형 안테나 시스템은 상기 공진형 안테나 시스템보다 높은 임피던스를 가지는 송신부.
제1 항에 있어서,
상기 전력변환부는,
제1 노드와 제2 노드 사이에 연결된 제1 고주파 필터부;
상기 제1 노드와 제3 노드 사이에 연결된 제2 고주파 필터부;
상기 제2 노드와 제5 노드 그리고 제6 노드 사이에 연결된 제1 전력 변환 스위치부;
상기 제3 노드와 상기 제5 노드 그리고 제7 노드 사이에 연결된 제2 전력 변환 스위치부;를 포함하고,
상기 유도형 안테나 시스템 및 상기 공진형 안테나 시스템은 상기 제6 및 제7 노드 사이에 연결된 송신부.
제4 항에 있어서,
상기 전력변환부는,
상기 제어부로부터의 제1 스위치 제어 신호에 따라 상기 제2 노드, 제6 노드, 제7 노드 그리고 상기 제5 노드로의 제1 신호 전송 경로를 제공하고,
상기 제어부로부터의 제2 스위치 제어 신호에 따라 상기 제3 노드, 제7 노드, 제6 노드 그리고 상기 제5 노드로의 제2 신호 전송 경로를 제공하는 송신부.
제1 및 제5 노드 상의 직류 신호를 교류 신호로 변환하여 제6 및 제7 노드로 출력하는 전력변환부;
상기 전력변환부를 제어하는 제어부; 및
상기 제6 및 제7 노드 사이에 연결된 전송 안테나 시스템;을 포함하고,
상기 전력변환부는,
상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 연결된 제1 고주파 필터부;
상기 제1 노드와 제3 노드 사이에 연결된 제2 고주파 필터부;
상기 제2 노드와 상기 제6 노드 사이에 연결된 제1 스위치와 상기 제6 노드와 상기 제5 노드 사이에 연결된 제2 스위치를 포함하는 제1 전력 변환 스위치부; 및
상기 제3 노드와 상기 제7 노드 사이에 연결된 제3 스위치와 상기 제7 노드와 상기 제5 노드 사이에 연결된 제4 스위치를 포함하는 제2 전력 변환 스위치부;를 포함하는 무선전력전송을 위한 송신부.
제6 항에 있어서,
상기 제1 고주파 필터부는 제5 인덕터를 포함하고, 상기 제2 고주파 필터부는 제6 인덕터를 포함하는 송신부.
제6 항에 있어서,
상기 전송 안테나 시스템은,
유도형 안테나 시스템;과 상기 유도형 안테나 시스템과 병렬 연결된 공진형 안테나 시스템;을 포함하는 송신부.
제8 항에 있어서,
상기 제어부는 제1 동작 주파수로 상기 제1 및 제4 스위치는 동일 위상, 상기 제2 및 제3 스위치는 동일 위상, 상기 제1 및 제2 스위치는 반대 위상으로 스위칭 시키는 송신부.
제9 항에 있어서,
상기 제1 동작 주파수는 100~350kHz의 주파수로서,
상기 유도형 안테나 시스템으로부터 자기 유도 방식으로 무선 전력을 전송하는 송신부.
제8 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 제1 및 제3 스위치의 턴온을 유지하고, 상기 제2 및 제3 스위치를 반대 위상으로 스위칭 시키는 송신부.
제11 항에 있어서,
상기 제2 동작 주파수는 6.78MHz의 주파수로서,
상기 공진형 안테나 시스템으로부터 자기 공진 방식으로 무선 전력을 전송하는 송신부.
제8 항에 있어서,
상기 유도형 안테나 시스템은, 유도형 코일과 유도형 매칭부를 포함하고,
상기 유도형 매칭부는,
상기 유도형 코일의 일단과 제8 노드 사이에 연결된 제1 커패시터;
상기 유도형 코일의 타단인 제9 노드와 상기 제8 노드 사이에 연결된 제2 커패시터;
상기 제6 및 제8 노드 사이에 연결된 제2 인덕터; 및
상기 제7 및 제9 노드 사이에 연결된 제3 인덕터;를 포함하는 송신부.
제13 항에 있어서,
상기 공진형 안테나 시스템은, 공진형 코일과 공진형 매칭부를 포함하고,
상기 공진형 매칭부는,
제10 및 제11 노드 사이에 연결된 상기 공진형 코일과 병렬 연결된 제3 커패시터;
상기 제6 및 제10 노드 사이에 연결된 제4 커패시터; 및
상기 제7 및 제 11 노드 사이에 연결된 제5 커패시터;를 포함하는 송신부.
제14 항에 있어서,
상기 제2 및 제3 인덕터의 인덕턴스는 동일한 값을 가지는 송신부.
제14 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 커패시터의 커패시턴스는 동일한 용량을 가지는 송신부.
제15 항에 있어서,
상기 제4 및 제5 커패시터의 커패시턴스는 동일한 용량을 가지는 송신부.
제14 항에 있어서,
상기 유도형 코일의 인덕턴스는 상기 공진형 코일의 인덕턴스보다 큰 송신부.
제17 항에 있어서,
상기 제3 커패시터의 커패시턴스는 상기 제4 커패시터의 커패시턴스보다 작고 상기 제4 커패시터의 커패시턴스는 상기 제1 커패시터의 커패시턴스보다 작은 송신부.
제7 항에 있어서,
상기 제5 및 제6 인덕터의 인덕턴스는 0.1uH 내지 5uH의 범위를 가지는 송신부.