KR101946086B1

KR101946086B1 - 유도 결합 전력 전달 수신기

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Publication number: KR101946086B1
Application number: KR1020147002880A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 로버트슨; 쿠날 바르가바; 패트릭 아이궈 후
Original assignee: 애플 인크.
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2019-02-08
Anticipated expiration: 2032-07-06
Also published as: EP2730012A4; JP2014521289A; NZ593946A; EP2730012B1; WO2013006068A1; EP2730012A1; KR20140051286A; CN103733488A; JP2018074906A; US20140306545A1

Abstract

동조 가능 회로 및 전력 공급 회로를 포함하는 유도 결합 전력 전달 수신기가 개시된다. 상기 동조 가능 회로는 전력 수신 코일과 병렬로 연결된 제1 가변 임피던스 및 제1 커패시턴스와 직렬인 상기 전력 수신 코일을 포함한다. 상기 가변 임피던스는 적어도 하나의 임피던스 엘리먼트 그리고 상기 제1 가변 임피던스의 유효 임피던스를 제어하기 위한 하나 이상의 반도체 디바이스들을 포함한다. 적어도 하나의 반도체 디바이스가 선형 모드에서 동작할 수 있을 것이다. 상기 제1 가변 임피던스는 상기 제1 반도체 디바이스와 직렬인 제2 커패시턴스; 상기 제1 반도체 디바이스와 병렬인 인덕턴스; 상기 제1 반도체 디바이스와 병렬인 제2 커패시턴스; 또는 상기 제1 반도체 디바이스와 병렬인 커패시턴스 그리고 인덕턴스일 수 있다. 하나 또는 그 이상의 보조 가변 임피던스들이 또한 제공될 수 있을 것이다. 상기 전력 공급 회로는 전압 더블러 회로 그리고 반 브리지 정류기를 포함할 수 있을 것이다. 상기 전력 공급 회로는 전력 제어 회로를 포함하며, 이 전력 제어 회로는 상기 전력 공급 회로에 의해서 생성된 출력 전압을 기반으로 상기 제1 가변 임피던스에 제어 신호를 제공한다. 상기 전력 제어 회로는 피드백 회로를 또한 포함할 수 있으며, 이 피드백 회로는 상기 전력 공급 회로의 출력을 기반으로 하여 상기 제1 가변 임피던스를 제어한다.

Description

유도 결합 전력 전달 수신기{An inductively coupled power transfer receiver}

본 발명은 근접 장 유도 결합 전력 전달 (Inductively Coupled Power Transfer) 시스템들 (ICPT)의 기술 분야에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 비록 독점적이지는 않지만, 본 발명은 가변 동조 임피던스를 포함하는 전력 수신기에 관한 것이다.

비접촉식 전력 시스템은 교번하는 자기장을 생성하는 전력 트랜스미터 (transmitter) 그리고 상기 생성된 자기장에 결합되어 로컬 전력 공급을 제공하는 하나 또는 그 이상의 전력 수신기들로 구성되는 것이 보통이다. 이 비접촉식 전력 수신기들은 근접 (proximity) 이내에 있지만, 상기 전력 전달기로부터는 전기적으로 격리된다. 비접촉식 전력 수신기는 전력 수신 코일을 포함하며, 이 경우에 전압은 상기 전력 트랜스미터에 의해 생성된 교번하는 자기장에 의해서 유도되며, 그리고 전력을 전기적 부하로 공급한다. 상기 전력 수신 코일은 상기 시스템의 전력 전달 용량을 증가시키기 위해서 리액티브 컴포넌트를 조절함으로써 동조될 수 있을 것이다.

비접촉식 전력 수신기들에 관한 이슈들 중의 하나는 그 비접촉식 전력 수신기들에 가볍게 부하가 걸렸을 때에, 예를 들면, 전력 수신기에 의해서 전력을 공급받는 모터가 제어 시스템으로부터 명령을 기다리면서 아이들 (idle) 상태일 때에 그것들의 낮은 효율이다. 이는 상기 전력 수신 코일과 상기 부하 사이에 전력 제어기를 경유하여 전력 흐름 제어를 구현함에 의해서 극복될 수 있다.

전력 제어기의 하나의 구현은 필요할 때에 상기 전력 수신 코일을 부하로부터 연결 해제하기 위해서 상기 전력 수신 회로의 일부로서 쇼팅 (shorting) 회로를 이용한다. 이런 접근 방식은 Auckland UniServices Limited에게 부여된 미국 특허 5,293,308의 명세서에서 설명되며 "쇼팅 제어 (shorting control)"로 언급된다. 비록 이 접근 방식이 상기 전력 수신 코일로부터 부하로의 전력 흐름 제어 문제를 집중해서 해결하기는 하지만, 상기 쇼팅 스위치는 특히 가벼운 부하들에서 큰 전도 손실들을 초래할 수 있으며, 이는 상기 전력 수신 코일이 전혀 부하가 없거나 또는 가벼운 부하 상태들 하에서 항상 거의 단락되기 때문이다. 이런 접근 방식은 부피가 크고 값비싼 DC 인덕터를 또한 필요로 하며 그리고 큰 전자기 간섭을 생성한다.

비접점식 전력 시스템들의 다른 문제점은 부하 상태들 그리고 다른 회로 파라미터들에서의 변화들로 인한 주파수 변이들이다. 이는 유도된 전압 크기 및 단락 회로 전류의 면에서 상기 전력 수신 코일에서의 변화들을 일으킬 수 있으며, 이는 상기 시스템의 전력 전달 능력에 영향을 끼친다. 이는 고정된 또는 수동적인 동조 비접촉식 전력 수신기들에서 특히 문제이다.

미국 특허 명세서 US2007/109708A1 및 US 7,382,636B2에서 설명된 한 가지 접근 방식은 전력 수신기의 유효 커패시턴스 또는 인덕턴스를 변경함으로써 상기 전력 수신 코일을 동적으로 동조하고 또는 동조-해제하는 것이다. 이는 상기 비접촉식 전력 수신기가 파라미터 변화들에 의해 초래된 주파수 드리프트들에 대해서 보상하는 것을 가능하게 한다. 상기 유효 커패시턴스 또는 인덕턴스는 커패시터 또는 인덕터와 직렬인 두 개의 반도체 스위치들을 채택함으로써 변경된다. 가변 커패시터 또는 저항의 소프트 스위칭을 가능하게 하기 위해서 전력 수신 코일 전류 크기 및 위상을 감지하는 수단이 필요하다. 동적인 동조를 구현함에 의해서 주파수 드리프트들에 대해서 보상되는 것만이 아니라 수동으로 동조되는 시스템들 (보통 Q<6)에서보다 아주 더 높은 품질 팩터들 (Q>10)이 실현될 수 있으며, 이는 전력 수신 코일 공진 주파수가 미세하게 동조되기 때문이다. 더 높은 품질 팩터는 상기 시스템드의 전력 전달 용량을 증가시킨다. 그러나, 이런 접근 방식은 전력 수신 코일 센서 그리고 복잡한 제어 회로를 필요로 한다.

비접점식 전력 픽업 회로를 소형화하기 위해서, 높은 주파수들에서 특히 복잡한 전력 수신 코일 센서를 제거하는 것이 이익이다. 인덕터 전류가 스위치 오프될 수 있거나 또는 대전된 커패시터가 스위칭 프로세스 동안에 단락될 수 있기 때문에 이 구현은 극도로 높은 전류들 또는 전압들을 일으킨다. 그 결과인 스위칭 과도 현상들은 EMI, 스위치들의 비신뢰성의 원인이 되고, 그리고 과잉의 전력 손실들로 인해서 시스템 전력 효율을 줄어들게 한다. 최악의 경우들에는 그것은 시스템 고장을 일으킬 수 있다.

본 출원인의 종래 출원 WO/2010/005324에서, 동조를 달성하기 위해서 선형 모드에서 동작하는 반도체 디바이스를 채택하는 메인 전류 경로에서의 가변 리액턴스를 포함하는 전력 수신기가 개시된다. 이 배치는 상대적으로 간단한 제어 회로만을 필요로 하지만, 메인 전류 경로에 있는 반도체 디바이스로 인한 손실들을 초래한다. 그것은 부피가 큰 DC 인덕터를 또한 필요로 할 수 있으며 또는 줄어든 출력 전력 용량을 경험할 수 있다. 또한, 상기 반도체 디바이스를 가로지르는 피크 전압이 상대적으로 높을 수 있다.

미국 특허 5,293,308 미국 특허 US2007/109708A1 및 US 7,382,636B2

본 발명의 목적은 현존하는 시스템들이 겪는 하나 또는 그 이상의 불리함들을 개선할 또는 유용한 대안을 공중에게 적어도 제공할 향상된 전력 수신기 배치들을 제공하는 것이다

예시적인 일 실시예에 따라 유도 결합 전력 전달 수신기가 제공되며, 이 유도 결합 전력 전달 수신기는:

a. 전력 수신 코일과 병렬로 연결된 제1 가변 임피던스 및 제1 커패시턴스와 직렬인 상기 전력 수신 코일을 포함하는 동조 가능 회로를 포함하며, 상기 제1 가변 임피던스는:

i. 적어도 하나의 임피던스 엘리먼트; 및

ii. 상기 적어도 하나의 임피던스 엘리먼트의 유효 임피던스를 제어하여 상기 제1 가변 임피던스의 임피던스를 변경하는 하나 이상의 반도체 디바이스들을 포함하며; 그리고

b. 전력 공급 회로를 포함하며, 상기 전력 공급 회로는 상기 하나 이상의 반도체 디바이스들의 동작을 제어하여 상기 전력 공급 회로의 출력에 공급되는 전력을 조절한다.

다른 예시적인 실시예에 따라, 전자 기기들과 함께 사용하기 위한 시스템이 제공되며, 이 시스템은:

a. 교번하는 자기장을 생성하는 전달 코일 (transmitting coil)에 에너지를 주입하는 구동 회로를 포함하는 전력 트랜스미터; 그리고

b. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 전력 수신기를 포함하며, 상기 전력 수신기는 에너지 저장 기기를 통해서 또는 직접 전자 기기에 연결된다.

본 발명의 효과는 본 명세서의 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.

본 명세서에 통합되고 그리고 일부를 구성하는 첨부된 도면들은 본 발명의 실시예들을 예시하며 그리고 상기에서 주어진 본 발명의 일반적인 설명 그리고 아래에서 실시예들의 상세한 설명과 함께 본 발명의 원칙들을 설명하기 위해서 기여한다.
도 1은 ICPT 전력 수신기의 블록도를 보여준다.
도 2는 반도체 디바이스와 직렬인 커패시터를 경유한 동조를 채택한 ICPT 전력 수신기를 보여준다.
도 3은 반도체 디바이스와 병렬인 커패시터를 경유한 동조를 채택한 ICPT 전력 수신기를 보여준다.
도 4는 반도체 디바이스와 직렬인 커패시터 그리고 그 반도체 디바이스와 병렬인 인덕터를 경유한 동조를 채택한 ICPT 전력 수신기를 보여준다.
도 5는 반도체 디바이스와 병렬로 배치된 인덕터와 직렬인 커패시터를 경유한 동조를 채택한 ICPT 전력 수신기를 보여준다.
도 6은 개별 반도체 디바이스와 각각이 직렬인 복수의 커패시터들을 경유한 동조를 채택한 ICPT 전력 수신기를 보여준다.
도 7은 반도체 디바이스와 직렬로 배치된 인덕터를 경유한 동조를 채택한 ICPT 전력 수신기를 보여준다.
도 8은 커패시턴스와 병렬인 반도체 디바이스와 직렬로 배치된 인덕터를 경유한 동조를 채택한 ICPT 전력 수신기를 보여준다.
도 9는 도 2에서 보여진 배치를 기반으로 하는 ICPT 전력 수신기의 하나의 구현용의 전체 회로 도면을 보여준다.

도 1을 참조하면, 유도 결합 전력 전달 시스템이 도시된다. 전력 트랜스미터 (1)는 교번하는 자기장을 생성하기 위해서 전력 전달 코일 (2)을 구동한다. 전력 수신기는 전력 수신 코일 (3) 및 전력 공급 회로를 포함하는 동조 가능 회로 (4)를 포함하며, 상기 전력 공급 회로는 정류기 (5) 및 전력 제어 회로 (6)를 포함한다. 상기 전력 수신 코일 (3)은 상기 전력 전달 코일 (2)과 유도 결합되며 그리고 상기 전력 공급 회로는 부하 (7)로의 전력 흐름을 조절한다.

도 2는 첫 번째 실시예에 따른 가변 임피던스를 채택한 전력 수신기를 보여준다. 이 실시예에서 상기 동조 가능 회로의 주요 엘리먼트들은 전력 수신 코일 (8) 및 커패시터 (9)로, 직렬 공진 회로를 형성한다. 상기 동조 가능 회로의 출력은 참조번호 10 및 11의 다이오드들에 의해서 형성된 반 브리지 정류기 (half bridge rectifier)를 경유하여 전력 제어 회로 (12)로 공급되며, 이는 전력을 부하 (13)로 공급한다. 이 실시예에서 상기 동조 가능 회로는 MOSFET (15)의 형상인 반도체 디바이스와 직렬인 커패시터 (14)를 경유하여 동조된다. MOSFET (15)는 부하 (13)를 가로지르는 원하는 출력 전압을 제공하기 위해서 전력 제어 회로 (12)에 의해서 구동된다. 이 실시예에서 MOSFET (15)는 상기 동조 가능 회로를 동조시키기 위해서 커패시터 (14)와 함께 계속하여 가변 임피던스를 제공하기 위해 선형 모드로 구동될 수 있을 것이다. 커패시터 (14)는 보통은 커패시터 (9)보다 아주 더 작다. MOSFET (15)의 전력 소실은 주어진 애플리케이션에 대한 제어 범위에 반하여 트레이드 오프 (trade off)될 수 있을 것이다.

도 2에서 배치된 배치는 여러 장점들을 제공한다:

- 커패시터 (14) 및 MOSFET (15)에 의해서 형성된 가변 동조 임피던스는 상기 메인 전류 경로에 있지 않으며 그래서 MOSFET (15) 상의 로딩 그리고 그 결과인 손실들이 줄어든다.

- 커패시터 (9) 그리고 다이오드들 (10 및 11)은 MOSFET (15)가 더 낮은 전압 등급을 가지도록 하기 위한 전압 더블러 (doubler)로서 행동한다.

- MOSFET (15)을 구동하는 것은 간략화되며 이는 MOSFET (15) 그리고 전력 제어 회로가 공통 그라운드를 공유할 수 있기 때문이다.

- 가변 임피던스 (14 및 15)는 상대적으로 낮은 임피던스 분기 (즉, 9, 10, 11, 12 및 13)와 병렬이며, 그래서 상기 가변 임피던스를 가로지르는 전압은 안정된 상태에서의 출력 전압을 초과할 수 없다.

- 상기 부하 (13)는 직렬 동조된 회로를 전압 소스로 보며 그래서 부하 변화들을 고려하기 위해서 최소의 제어 노력이 필요하다 (이는 상기 부하가 전류 소스 (병렬 동조된) 회로를 보는 경우에는 그렇지 않다).

도 3은 반도체 디바이스와 병렬인 커패시터 형상인 가변 임피던스를 채택한 전력 수신기를 보여준다. 도 2마다 상기 전력 수신기는 직렬 공진 회로를 형성하는 전력 수신 코일 (16) 및 커패시터 (17)를 포함한다. 상기 동조 가능 회로의 출력은 다이오드들 (18 및 19)에 의해서 형성된 반 브리지 정류기를 경유하여 전력 제어 회로 (20)로 공급되며, 전력 제어 회로는 부하 (21)에 전력을 공급한다. 이 실시예에서, 상기 동조 가능 회로는 MOSFET (23)의 형상인 반도체 디바이스와 직렬인 커패시터 (22)를 경유하여 동조된다. MOSFET (23)는 전력 제어 회로 (20)에 의해서 구동되어, 부하 (21)를 가로지르는 원하는 출력 전압을 제공하도록 한다. 이 실시예에서, MOSFET (23)는 선형 모드로 구동되어 커패시터 (22)와 병렬인 연속 가변 임피던스를 제공하여, 커패시터 (22)를 가로질러 가변 저항을 유효하게 제공하는 것에 의해서 상기 동조 가능 회로를 동조시킨다. 이 배치는 전체 전압 출력 범위를 가로지르는 제어를 가능하게 하지만, 더욱 높게 등급이 정해진 MOSFET를 필요로 한다. 본질적인 저항성 동조를 제공하기 위해서 커패시터 (22)가 제거될 수 있다.

그래서 도 2의 회로에 대해 MOSFET (15) 상의 동조는 전력 수신 코일 (8)과 병렬인 커패시턴스의 증가된 동조를 제공하며, 반면에 도 3의 회로에서 MOSFET (23) 상의 동조는 저항은 증가시키지만 동조 커패시턴스 (22)의 효과를 감소시킨다. 최선의 배치는 특정 애플리케이션에 좌우될 것이다.

도 4는 상기 MOSFET와 병렬로 부가된 인덕턴스를 구비한 도 2에 도시된 실시예의 변이인 실시예를 보여준다. 도 2마다 상기 전력 수신기는 직렬의 공진 회로를 형성한 전력 수신 코일 (24) 및 커패시터 (25)를 포함한다. 상기 동조 가능 회로의 출력은 다이오드들 (26 및 27)에 의해서 형성된 반 브리지 정류기에 연결되어 전력 제어 회로 (28)로 공급되며, 이 전력 제어 회로는 부하 (29)에 전력을 공급한다. 이 실시예에서, 상기 동조 가능 회로는 인덕턴스 (32)와 병렬인 MOSFET (31)의 형상인 반도체 디바이스를 경유하여 동조되며, MOSFET (31)의 일부는 커패시터 (30)와 직렬이다. MOSFET (31)는 전력 제어 회로 (28)에 의해서 구동되어, 부하 (29)를 가로지르는 원하는 출력 전압을 제공한다. 이 실시예에서, MOSFET (31) 상의 동조는 커패시턴스 (30)의 영향을 유효하게 증가시키고 그리고 인덕턴스 (32)의 효과를 줄어들게 한다.

도 5는 반도체 디바이스와 둘 모두 병렬인 인덕터와 직렬인 커패시터의 모습인 가변 임피던스를 채택한 전력 수신기를 보여준다. 도 2마다 상기 전력 수신기는 직렬 공진 회로를 형성한 전력 수신 코일 (33) 및 커패시터 (34)를 포함한 전력 수신기를 포함한다. 상기 동조 가능 회로의 출력은 다이오드들 (35 및 36)에 의해 형성된 반 브리지 정류기를 경유하여 전력 제어 회로 (37)로 공급되며, 이 전력 제어 회로는 부하 (38)로 전력을 공급한다. 이 실시예에서 상기 동조 가능 회로는 MOSFET (41)의 형상인 반도체 디바이스와 병렬인 인덕턴스 (39)와 직렬인 커패시터 (40)를 경유하여 동조된다. MOSFET (41)는 전력 제어 회로 (20)에 의해서 구동되어 부하 (38)를 가로지르는 원하는 출력 전압을 제공한다. 이 배치는 용량성 그리고 유도성 컴포넌트들의 변이를 경유한 동조를 허용한다. 이 배치는 전체 전압 출력 범위를 가로지르는 제어를 가능하게 하지만 더 높은 등급의 MOSFET를 필요로 한다.

도 6은 복수의 가변 임피던스들을 채택한 전력 수신기를 보여준다. 도 2마다 상기 전력 수신기는 직렬 공진 회로를 형성한 전력 수신 코일 (42) 및 커패시터 (43)를 포함한다. 상기 동조 가능 회로의 출력은 다이오드들 (44 및 45)에 의해서 형성된 반 브리지 정류기를 경유하여 전력 제어 회로 (46)로 공급되며, 이 전력 제어 회로는 부하 (47)로 전력을 공급한다. 이 예에서, 상기 동조 가능 회로는 복수의 가변 임피던스들 (48, 49 및 50)을 경유하여 동조된다. 가변 임피던스 (48)는 커패시터 (51) 및 MOSFET (52)를 포함하는 도 2에서 도시된 가변 임피던스의 형상이다. 마찬가지로 가변 임피던스들 (49 및 50)은 커패시터들 (53 및 55) 그리고 MOSFET들 (54 및 56)로 구성된다.

바람직한 실시예에 따르면, MOSFET (52)는 선형 모드에서 동작하기 위해서 전력 제어 회로 (46)에 의해서 구동될 수 있을 것이며 반면에 MOSFET들 (56 및 54)은 스위치 모드 (switched mode)로 구동될 수 있을 것이다. 단 두 개의 스위치 임피던스들 (49 및 50)이 도시되지만, 어떤 원하는 개수가 채택될 수 있을 것인지를 다음의 설명으로부터 이해할 수 있을 것이다. 바람직한 실시예에서, n개의 스위치 가변 임피던스들이 각각이 1/2ⁿ의 값을 가지면서 채택된다. 이 방식에서 대략적인 (coarse) 동조를 위해서 상기 스위치 가변 임피던스들 (49 내지 50)에 의해서 커패시턴스의 계단식 값들이 스위치 인 될 수 있을 것이며 반면에 MOSFET (50)를 선형 모드로 동작시킴으로써 미세한 동조가 달성될 수 있을 것이다. MOSFET들 (54 및 56)을 스위치 모드에서 동작시키는 것은 상기 반도체 디바이스들로부터의 감소된 손실들이라는 결과가 된다.

도 7은 반도체 디바이스와 직렬인 인덕터의 형상인 가변 임피던스를 채택한 전력 수신기를 보여준다. 도 2마다 상기 전력 수신기는 직렬 공진 회로를 형성한 전력 수신 코일 (79) 및 커패시터 (80)를 포함한 전력 수신기를 포함한다. 상기 동조 가능 회로의 출력은 다이오드들 (81 및 82)에 의해 형성된 반 브리지 정류기를 경유하여 전력 제어 회로 (83)로 공급되며, 이 전력 제어 회로는 부하 (84)로 전력을 공급한다. 이 실시예에서 상기 동조 가능 회로는 MOSFET (85)의 형상인 반도체 디바이스와 직렬인 인덕턴스 (86)를 경유하여 동조된다. MOSFET (85)는 전력 제어 회로 (83)에 의해서 구동되어 원하는 출력 전압을 부하 (84)를 가로질러 제공한다.

도 8은 병렬 커패시턴스를 구비한 반도체 디바이스와 직렬인 인덕터 형상인 가변 임피던스를 채택한 전력 수신기를 보여준다. 도 2마다 상기 전력 수신기는 직렬 공진 회로를 형성한 전력 수신 코일 (87) 및 커패시터 (88)를 포함한 전력 수신기를 포함한다. 상기 동조 가능 회로의 출력은 다이오드들 (89 및 90)에 의해 형성된 반 브리지 정류기를 경유하여 전력 제어 회로 (91)로 공급되며, 이 전력 제어 회로는 부하 (92)로 전력을 공급한다. 이 실시예에서 상기 동조 가능 회로는 커패시턴스 (95)와 병렬인 MOSFET (94)의 형상인 반도체 디바이스와 직렬인 인덕턴스 (93)를 경유하여 동조된다. MOSFET (94)는 전력 제어 회로 (91)에 의해서 구동되어 부하 (92)를 가로질러 원하는 출력 전압을 제공한다.

상기 실시예들에서 원하는 선형성 제어를 위해서 저항성 엘리먼트들이 상기 가변 임피던스들에 추가될 수 있을 것이다. 작은 값의 저항이 상기 반도체 디바이스에 직렬로 추가되어 그 반도체 디바이스가 증가된 Vgs로 덜 날카롭게 스위치 온 되도록 할 수 있다. 상기 가변 임피던스들의 MOSFET들은 스위치 모드에서 또한 동작될 수 있을 것이며 그리고 상기에서 설명된 이점들을 얻을 수 있을 것이지만, 더욱 복잡한 감지 및 구동 회로들을 필요로 한다. 상기 가변 임피던스의 상기 리액티브 컴포넌트는 다이오드로 또한 대체될 수 있을 것이며, 이 다이오드는 비록 간단하지만 제어 범위를 위한 손실들을 희생시킬 것이다.

도 9는 도 2에 도시된 배치의 가능한 회로 실현을 보여주는 상세한 회로 도면이다. 전력 수신 코일 (57) 그리고 커패시터 (58)는 직렬 공진 회로를 형성한다. 상기 동조 가능 회로의 출력은 다이오드들 (59 및 60)에 의해 형성된 반 브리지 정류기를 경유하여 전력 제어 회로 (61)로 공급되며, 이 전력 제어 회로는 부하 (62)로 전력을 공급한다. 상기 공진 가능 회로는 커패시턴스 (74)와 직렬인 MOSFET (75)에 의해서 형성된 가변 임피던스를 경유하여 동조된다. 상기 전력 제어 회로 (61)는 출력 평탄화 커패시터 (63) 및 제너 다이오드 (64) 그리고 피드백 제어 회로를 포함한다. 연산 증폭기 (68)는 저항 (76) 및 커패시터 (77)에 의해서 형성된 저대역 필터를 경유하여 MOSFET (75)로 구동 신호를 공급한다. 저항 (79)은 증가된 Vga를 이용하여 스위칭의 날카로움을 줄어들게 하고 그리고 다이오드 (80)는 보호를 제공한다. 연산 증폭기 (68)의 비-반전 단자는 전압 레귤레이터와 같은 레퍼런스 전압 소스 (66)로부터 저항 (67)을 경유하여 레퍼런스 전압을 수신한다. 가변 저항 (65)은 출력 전압의 원하는 단편을 연산 증폭기 (68)의 반전 단자로 공급하는 전압 디바이더 (voltage divider)로서 행동한다. 부하 (62)를 가로질러 원하는 출력 전압을 생성하기 위해서 가변 저항 (65)이 세팅될 수 있을 것이다. 커패시턴스들 (69, 71 및 72) 그리고 저항들 (70 및 73)은 루프 보상을 제공한다. 그래서 전력 제어 회로 (61)는 MOSFET (75)로 전압 구동 신호를 공급하여, 상기 동조 가능 회로를 동조하기 위해서 그것이 선형 모드에서 동작하도록 한다. 넓은 범위의 전력 제어 회로들이 채택될 수 있을 것이며 그리고 이 실시예가 비-제한적인 예를 경유하여 주어진다는 것이 이해될 것이다.

도 9에서 도시된 회로는, 기동 (start up) 시에 상기 전력 수신 코일 (57)로부터 상기 전력 제어기 회로 (61)의 출력으로 직접 일시적인 전력을 공급하는 다이오드 (78)의 형상인 추가적인 특징을 보여준다. 이는 동조 해제 (detuning) 스위치 상에 존재하는 일시적 전압을 제한시키며 그리고 원하는 출력 전압이 더욱 빠르게 설립되는 것을 가능하게 한다.

채택된 컴포넌트들의 예시적인 값들이 아래에서 주어진다:

컴포넌트 값

전력 수신 코일 (57) 27uH

커패시터 (74) 6.8nF

MOSFET (75) IRF530

저항 (79) 3.3Ω

다이오드 (80) BZX84C12L

커패시터 (58) 56nF

저항 (76) 22kΩ

커패시터 (77) 6.8nF

다이오들 (59, 60 및 78) B540C

커패시터 (71) 1nF

커패시터 (72) 3.3nF

저항 (73) 10kΩ

저항 (70) 100Ω

커패시터 (69) 6.8nF

저항 (67) 10kΩ

전위차계 (65) 44kΩ

TVS 다이오드 (64) SMAJ33A

커패시터 (63) 2.2uF

연산 증폭기 (68) LT1077

레퍼런스 전압 소스 (68) TL431ILPRPG (8V 레퍼런스에 대한 보조 컴포넌트들 포함)

이 전력 수신기는 전력 흐름 제어를 구현하며 그리고 낮은 부하들에서 효과적인 방식으로 동작하며, 이는 상기 시스템의 전력 전달 용량이 상기 기기의 전력 요구 사항들을 기반으로 하여 조절되기 때문이다. 상기 메인 전류 경로 내에 존재하지 않는 동조 임피던스로 인해서, 상기 동조 반도체 디바이스와 연관된 손실들은 종래 기술의 배치들에 비교해서 줄어들 수 있다.

본 발명의 실시예들은 종래 기술의 수신기들의 부피가 크고 그리고 비싼 DC인덕터가 제거되도록 허용하여 그리고 (스위치 모드가 채택된 경우에는) 높은 Q를 달성할 수 있게 하며 반면에 상기 회로들은 그 회로들이 상기 시스템 그리고 연관된 제어 회로를 소프트 스위치하기 위한 추가적인 부피가 큰 픽업 코일 센서를 필요로 하지 않기 때문에 더 낮은 컴포넌트 개수, 폼 팩터 (form factor) 그리고 설계 복잡성을 가진다 (DC 인덕터가 포함된다면, 션트 레귤레이터 스위치를 가로질러 존재하는 피크 전압은 반 브리지 정류기가 사용된 경우에서의 출력 전압보다 π배 더 높을 것이다).

상기 전력 수신기들은 그래서 낮은 손실들 및 EMI들은 물론이며 더 나은 전력 밀도, 효율 그리고 범위 성능 메트릭들을 제공한다. 부하 분기와 병렬인 동조 해제 회로 분기의 배치는 동조 해제 스위치가 노출되는 전압을 최소화하여, 상기 동조 해제 스위치를 위해서 더 낮은 전압, 더 높은 성능 및 더 싼 기기들이 채택되도록 한다.

전체 부하 전류의 일부만을 상기 가변 임피던스의 상기 반도체 디바이스를 통해서 방향을 정함으로써, 낮은 Rd들 (on)에 대한 요구 사항이 경감된다. 상기 제어기가 오프될 때에 완전하게 동조 해제될 회로를 구성함으로써 기동 과전압 문제점들이 중점을 두어 해결될 수 있을 것이다.

본 발명이 본 발명의 실시예들의 설명에 의해서 예시되었으며, 그리고 본 실시예들이 상세하게 설명되었지만, 첨부된 청구항들의 범위를 그런 상세한 내용으로 제한하거나 어떤 방식이건 한정하려는 의도가 아니다. 추가적인 유리함들 그리고 수정들은 본 발명이 속한 기술 분야에서의 통상의 지식을 가진 자들에게는 쉽게 보일 것이다. 그러므로, 본 발명의 더 광범위한 모습들에서 본 발명은 특정 상세한 내용들, 대표적인 장치 및 방법 그리고 도시되고 설명된 예시적인 예들로 한정되지 않는다. 따라서, 일반적인 특허 개념의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않으면서도 그런 상세한 내용들로부터의 이탈들이 만들어질 수 있을 것이다.

Claims

유도 결합 전력 전달 수신기로서:
a. 동조 가능 회로; 그리고
b. 전력 공급 회로를 포함하며,
상기 동조 가능 회로는,
i. 전력 수신 코일 및 제1 가변 임피던스의 병렬 조합을 포함하며, 상기 제1 가변 임피던스는 상기 전력 수신 코일을 동조시키도록 구성되며, 상기 제1 가변 임피던스는:
1. 적어도 하나의 임피던스 엘리먼트; 및
2. 상기 적어도 하나의 임피던스 엘리먼트의 유효 임피던스를 제어하여 상기 제1 가변 임피던스의 임피던스를 변경하는 하나 이상의 반도체 디바이스들을 포함하며; 그리고
상기 동조 가능 회로는,
ii. 상기 병렬 조합과 직렬로 연결된 제1 커패시턴스를 포함하며,
여기에서 상기 동조 가능 회로는 상기 하나 이상의 반도체 디바이스가 오프일 때에 동조 해제되며,
상기 전력 공급 회로는 상기 하나 이상의 반도체 디바이스들의 동작을 제어하여 상기 전력 공급 회로의 출력에 공급되는 전력을 조절하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
제1항에 있어서,
상기 제1 가변 임피던스는 상기 반도체 디바이스와 직렬인 제2 커패시턴스를 포함하고, 상기 제2 커패시턴스는 상기 제1 커패시턴스보다 더 작은, 유도 결합 전력 전달 수신기.
제2항에 있어서,
상기 제1 가변 임피던스는 상기 반도체 디바이스와 병렬인 인덕턴스를 포함하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 보조 (auxiliary) 가변 임피던스들을 포함하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
제4항에 있어서,
상기 보조 가변 임피던스들 중 하나는 상기 전력 공급 회로에 의해 제어되는 반도체 스위치를 포함하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
제5항에 있어서,
상기 반도체 스위치는 스위치 모드 (switched mode)에서 동작하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
제4항에 있어서,
복수의 보조 가변 임피던스들을 포함하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
제7항에 있어서,
각 보조 가변 임피던스는 스위치 모드에서 동작되는 반도체 스위치를 포함하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
제8항에 있어서,
상기 복수의 보조 가변 임피던스들은 상이한 값들의 커패시턴스들을 포함하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
제8항에 있어서,
n이 보조 가변 임피던스들의 개수일 때에,
상기 복수의 보조 가변 임피던스들은 1/2ⁿ의 프로그레시브하게 (progressively) 더 작은 크기들의 커패시턴스를 포함하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 공급 회로는 전압 더블러 (doubler) 회로를 포함하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 공급 회로는 반 브리지 정류기 (half bridge rectifier)를 포함하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전력 공급 회로는 상기 전력 공급 회로에 의해 생성된 출력 전압을 기반으로 하여 상기 제1 가변 임피던스에 제어 신호를 제공하는 전력 제어 회로를 포함하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
제13항에 있어서,
상기 전력 제어 회로는 상기 전력 공급 회로의 출력을 기반으로 하여 상기 제1 가변 임피던스를 제어하는 피드백 회로를 포함하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
제14항에 있어서,
상기 전력 제어 회로는 루프 보상 회로를 포함하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
기동 (start up) 시에 상기 수신 코일로부터 상기 전력 공급 회로의 출력으로 직접 에너지를 공급하는 바이패스 다이오드를 포함하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
전자 기기들과 함께 사용하기 위한 시스템으로서:
a. 교번하는 자기장을 생성하는 전달 코일 (transmitting coil)에 에너지를 주입하는 구동 회로를 포함하는 전력 트랜스미터; 그리고
b. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 전력 수신기를 포함하며,
상기 전력 수신기는 에너지 저장 기기를 통해서 또는 직접 전자 기기에 연결된, 시스템.
유도 결합 전력 전달 수신기로서:
a. 동조 가능 회로; 그리고
b. 전력 공급 회로를 포함하며,
상기 동조 가능 회로는,
i. 전력 수신 코일 및 제1 가변 임피던스의 병렬 조합을 포함하며, 상기 제1 가변 임피던스는 상기 전력 수신 코일을 동조시키도록 구성되며, 상기 제1 가변 임피던스는:
1. 적어도 하나의 임피던스 엘리먼트; 및
2. 상기 적어도 하나의 임피던스 엘리먼트의 유효 임피던스를 제어하여 상기 제1 가변 임피던스의 임피던스를 변경하는 하나 이상의 반도체 디바이스들을 포함하며;
여기에서 상기 하나 이상의 반도체 디바이스들 중 제1 반도체 디바이스는 선형 모드에서 동작하며; 그리고 상기 임피던스 엘리먼트는 제2 커패시턴스를 포함하며, 그 제2 커패시턴스는 상기 제1 반도체 디바이스와 직렬로 연결되며;
상기 동조 가능 회로는,
ii. 상기 병렬 조합과 직렬로 연결된 제1 커패시턴스를 포함하며,
여기에서 상기 병렬 조합과 병렬인 또는 상기 제1 커패시턴스와 병렬인 커패시터는 존재하지 않으며; 그리고
상기 전력 공급 회로는 상기 하나 이상의 반도체 디바이스들의 동작을 제어하여 상기 전력 공급 회로의 출력에 공급되는 전력을 조절하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
유도 결합 전력 전달 수신기로서:
a. 동조 가능 회로; 그리고
b. 전력 공급 회로를 포함하며,
상기 동조 가능 회로는,
i. 전력 수신 코일 및 제1 가변 임피던스의 병렬 조합을 포함하며, 상기 제1 가변 임피던스는 상기 전력 수신 코일을 동조시키도록 구성되며, 상기 제1 가변 임피던스는:
1. 적어도 하나의 임피던스 엘리먼트; 및
2. 상기 적어도 하나의 임피던스 엘리먼트의 유효 임피던스를 제어하여 상기 제1 가변 임피던스의 임피던스를 변경하는 하나 이상의 반도체 디바이스들을 포함하며;
여기에서 상기 하나 이상의 반도체 디바이스들 중 제1 반도체 디바이스는 선형 모드에서 동작하며; 그리고 상기 임피던스 엘리먼트는 제2 커패시턴스를 포함하며, 그 제2 커패시턴스는 상기 제1 반도체 디바이스와 직렬로 연결되며;
상기 동조 가능 회로는,
ii. 상기 병렬 조합과 직렬로 연결된 제1 커패시턴스를 포함하며,
여기에서 상기 하나 이상의 반도체 디바이스들에 병렬인 커패시터는 존재하지 않으며; 그리고
상기 전력 공급 회로는 상기 하나 이상의 반도체 디바이스들의 동작을 제어하여 상기 전력 공급 회로의 출력에 공급되는 전력을 조절하는, 유도 결합 전력 전달 수신기.
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