KR20170025517A - 압전 변압기를 이용한 무선전력전송 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

압전 변압기를 이용한 무선전력전송 방법 및 장치에 관한 기술이 개시된다. 개시된 무선전력전송 장치는 압전 변압기; 및 상기 압전 변압기에 연결되어 전력을 전송하는 전송 코일을 포함한다.

Description

압전 변압기를 이용한 무선전력전송 방법 및 장치{Device and Method of using Piezoelectric Transformer for Wireless Power Transmission}

본 발명은 압전 변압기를 이용한 무선전력전송 방법 및 장치에 관한 것이다.

최근 무선전력전송 기술이 각광받고 있다. 도 1은 종래 무선전력전송장치를 나타내는 도면이다.

본 발명은 압전 변압기를 이용한 무선전력전송 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따르면, 압전 변압기; 및 상기 압전 변압기에 연결되어 전력을 전송하는 전송 코일을 포함하는 무선전력전송장치를 제공한다.

본 발명에 따르면,기존 방법과 비교했을 때, 무선 전력전송 회로 시스템의 전송부의 크기를 줄이고, 전자방해잡음을 줄이고, 전력손실을 줄일 수 있다.

또한 기존 무선 전력전송 시스템에서 AC to DC 전력 변환기에 필요한 부품의 개수를 줄여 전반적으로 필요한 부품의 개수를 줄일 수 있다. 사용되는 압전 변압기는 모양이나 종류(contour, radial, shear 등), 공진 주파수 등에 상관없이 사용이 가능하다.

도 1은 종래 무선전력전송장치를 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 17은 본 발명에 따른 무선전력전송장치 및 방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 기존 무선전력전송 시스템과 압전 특성을 이용한 압전 변압기를 결합하여 압전 변압기를 이용하는 무선전력전송 시스템 및 이를 디자인하는 방법의 발명이다.

본 발명에서 제안하는 방식은 기존 무선전력전송 시스템과는 다른, 압전 변압기를 이용하는 방식이다. 본 발명에 따른 압전 변압기는 외력에 의해 전기를 생성하고 전기 인가에 따라서 진동하는 압전 소자를 이용하여 전압을 변압한다.

압전 변압기는 출력단에 커패시턴스를 가지고 있기 때문에 공진을 일으켜 명확한 사인파형을 구현할 수 있어 추가적인 커패시터 없이 코일과 직접 연결이 가능하다. 또한 매칭 회로를 연결하여 추가적인 조정이 가능하다. 압전 변압기는 최고효율의 전력전송을 위하여 공진주파수 또는 그 영역 주변에서 구동을 하는 것이 일반적이다. 압전 변압기는 무선전력전송 시스템에 적합한 주파수에서 작동하도록 제작이 가능하며, 유도 코일과 혹은 그 외에 다른 로드를 추가적으로 연결을 하여 매칭 회로(matching circuit)를 구성할 수 있다. 무선전력전송에 낮은 전압이 필요하다면 강압형 압전 변압기(step-down piezoelectric transformer)를 이용하고, 높은 전압이 필요하다면 승압형 압전 변압기(step-up piezoelectric transformer)를 이용할 수 있다. 압전 변압기의 이득(gain)과 전자기 유도 코일(magnetic induction coil)의 이득(gain)은 독립적으로 요구되는 성능 및 표준에 맞게 바꿀 수 있다. 이러한 압전 변압기를 이용한 “전력 전송 장치”는 무선전력전송 시스템의 전송부에 해당하나, 무선전력전송 시스템의 수신부인 장치들에게도 이러한 방법을 적용하여 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 압전 변압기는 도 2에 도시된 바와 같이, 전력전송 코일에 직접 연결이 가능하다. 본 방법을 통하면 전력변환 단계를 줄일 수 있고, 전체 필요 부품의 개수를 줄일 수 있다. 압전 변압기의 특성을 이용하여 전력 변환 단계(power conversion stages)를 한 단계로 줄여 입력 전압(mains voltage)을, 전력 전송 코일이 자기장을 생성함에 필요한 고주파 신호로 변환 가능하다.

또한 본 발명에 따른 압전 변압기는 송전 코일을 다른 방식의 기술을 사용하여 연결할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 압전 변압기 출력단과 송전 코일 사이에 커패시터(C_res)를 추가적으로 연결하는 방법이 사용되거나 또는 도 4에 도시된 바와 같이, 전 변압기 출력단과 송전 코일 사이에 임피던스 매칭 등을 위한 임피던스 매칭 회로(impedance matching circuit)를 추가적으로 연결하는 방법이 이용될 수 있다.

압전 변압기는 압전 변압기의 모든 공진 모드(resonance mode)를 이용하여 송전 코일에 전압과 전류를 공급하여 무선전력전송을 할 수 있다. 일례로 레이디얼 모드 압전 변압기에서는 일반적으로 큰 대역폭과 고효율을 위하여 첫 번째 공진 주파수(fundamental resonance frequency)의 공진 모드를 이용한다.

도 5는 압전 변압기의 공진 모드(resonance mode)들을 도식한 그래프이다. 첫 번째 공진 모드(fundamental resonance mode)는 73 kHz에 있다. 두 번째 공진 모드는(2^nd resonance mode)는 102 kHz에 있다. 세 번째 공진 모드는(3^rd resonance mode)는 147 kHz에 있다. 네 번째 공진 모드는(4^th resonance mode)는 237kHz에 있다.

압전 변압기는 압전 변압기의 모든 공진 모드(resonance mode)를 이용하여 수신자 확인(receiver identification) 신호 또는 Ping 신호 등을 송수신할 수 있다. 이 때에 전력전송(power transmission)을 함에 있어서와 같은 공진 모드를 사용할 수 있으며, 이때에 같은 주파수가 사용될 수 있고, 다른 주파수를 이용할 수 있다. 일례로 첫 번째 공진 모드(fundamental resonance mode)가 전력전송을 위하여 사용되고, 그리고 더 높은 공진 주파수를 가지는 세 번째 공진 모드가 Ping 신호 발생에 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 영전압 스위칭(zero voltage switching, ZVS)으로 작동하는 압전 변압기를 가진, 하나의 전력변환 회로를 사용하는 것으로 인덕터를 사용하지 않을 수도 있다. 이를 통해 전자방패잡음(EMI)을 줄일 수 있다. 압전 변압기를 위한 드라이빙 회로에서 영전압 스위칭 기술을 사용하여 인덕터를 없앨 수 있다. 또한 압전 변압기를 가진, 여럿의 전력변환 회로를 이용하여도 인덕터를 사용하지 않을 수 있다.

본 발명에 따르면, 송전 코일은 특정 재료를 이용하여 제조하거나, 모양(길이, 권선 수 등)이나 크기, 치수 등을 다르게 하여, 압전 변압기의 출력단과 송전 코일의, 혹은 그 사이에 추가할 수 있는 임피던스 매칭 회로간의 임피던스 매칭(impedance matching)을 하여 최적의 효율을 이끌어 내고 성능 및 안정성(발열 및 진동, 소음 등)의 향상에 사용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 압전 변압기는 특정 재료를 이용하여 제조하거나, 모양(길이, 두께 등)이나 크기, 치수 등을 다르게 하여, 압전 변압기의 출력단과 송전 코일의, 혹은 그 사이에 추가할 수 있는 임피던스 매칭 회로간의 임피던스 매칭(impedance matching)을 하여 최적의 효율을 이끌어 내고 성능 및 안정성(발열 및 진동, 소음 등)의 향상에 사용할 수 있다. 그리고 압전 변압기와 송전 코일의 출력 커패시턴스(output capacitance) 매칭을 할 수 있다. 양질의 압전 변압기 디자인은 더 높은 효율과 동시에 운용 시 운용온도가 한계 이상으로 올라가는 것을 제한한다.

본 발명에 따른 무선전력충전시스템은 다수의 송전 코일을 이용할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 무선전력충전시스템은 무선 전력 전송 수신부에서도 역으로 적용하여, 전력을 수신한 후 정류하여 부하에 송전하는 등의 방식으로 사용이 가능하다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선전력충전시스템은 기존의 데이터 전송 기술을 쉽게 변형하여 운용 할 수 있다. 주파수와 듀티사이클(duty cycle) 조정함으로서 회로의 출력 전력을 조절할 수 있다. 회로의 전류와 전압을 측정하는 것으로 수신기가 송신하는 신호를 해석 및 분석하여 압전 변압기 또는 드라이빙 회로의 주파수를 변경할 수 있다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 무선전력충전장치의 송신기 블록도를 도시하고 있으며, 도 9는 본 발명의 구체적 실시예에 따른 무선전력충전시스템을 도시하고 있다.

도 10은 압전 변압기의 입력단을 합선시켰을 때의 출력 임피던스(output impedance)와 페이즈 곡선(phase curve)을 도시하고 있다.

도 11은 측정된 압전 변압기의 입력의 페이즈와 크기를 나타내는 도면이다.. Point -1 은 공진주파수, point-2 는 반공진주파수, point-3 는 최대 페이즈 지점을 나타내며. 도 11은 압전 변압기의 출력단(output)이 오픈상태일 때, 합선 상태일 때, 그리고 송전 코일이 부착되었을 때의 도표이다.

도 12는 측정된 송전 코일의 임피던스, 인덕턴스, 직렬저항의 곡선(1 kHz 에서 200 kHz까지)을 나타내며, 각 지점은 1 kHz, 73 kHz, 110 kHz 그리고 175 kHz에 표시되어 있다.

도 13은 220 Vrms가 압전 변압기 드라이빙 회로에 인가되었을 때의 압전 변압기의 동작 데이터를 나타내는 도면이다.

4채널은 압전 변압기에 입력되는 전압이다. 2채널은 압전 변압기에 입력되는 전류이다. 1채널은 로우 스위치(Vgs), 2채널은 하이-스위치(Vgs)이다.

인가된 입력 사각파는 주파수 71.730 kHz , 50% 듀티 사이클을 가지고 있다. 이 점은 영전압 스위칭(ZVS)이 이루어지는 임계점이다. 이 주파수 미만의 주파수는 영전압 스위칭(ZVS)에 도달하지 못한다.

Vgs란 게이트(gate)와 소스(source) 사이의 전압을 말한다.

도 14는 220 Vrms가 압전 변압기 드라이빙 회로에 인가되었을 때의 압전 변압기의 동작 데이터를 나타낸다.

4채널은 압전 변압기에 입력되는 전압이다. 2채널은 압전 변압기에 입력되는 전류이다. 1채널은 로우 스위치(Vgs), 2채널은 하이-스위치(Vgs)이다.

인가된 입력 사각파는 주파수 71.940 kHz , 50% 듀티 사이클을 가지고 있다. 이 주파수 이상의 주파수에서는 영전압 스위칭(ZVS)이 이루어지지 않는다.

도 15는 송전 코일 전압 (1채널) 그리고 전류 (2채널)을 도시하고 있다.

인가된 입력 사각파는 주파수 71.940 kHz , 50% 듀티 사이클을 가지고 있다.

이 주파수 이상의 주파수에서는 영전압 스위칭(ZVS)이 이루어지지 않는다.

도 16은 송전 코일 전압 (1채널) 그리고 전류 (2채널)을 도시하고 있다.

인가된 입력 사각파는 주파수 71.730 kHz , 50% 듀티 사이클을 가지고 있다.

영전압 스위칭(ZVS)의 임계점이다.

도 17은 수신 코일 전압 (1채널) 그리고 전류 (2채널)를 도시하고 있다.

송전 코일에 인가된 입력 사각파는 주파수 71.730 kHz , 50% 듀티 사이클을 가지고 있다.

영전압 스위칭(ZVS)의 임계점이다.

수신 코일은 40 Ω이 부착되어 있다. 수신 정류 회로의 DC 출력 전압은 4.23 V이다.

앞서 설명한 기술적 내용들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예들을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 하드웨어 장치는 실시예들의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (1)

1. 압전 변압기; 및
   상기 압전 변압기에 연결되어 전력을 전송하는 전송 코일
   을 포함하는 무선전력전송장치.

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