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KR20230062417A - 무선 전력 전송 시스템 및 그 제어 방법 - Google Patents

무선 전력 전송 시스템 및 그 제어 방법 Download PDF

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KR20230062417A
KR20230062417A KR1020220140338A KR20220140338A KR20230062417A KR 20230062417 A KR20230062417 A KR 20230062417A KR 1020220140338 A KR1020220140338 A KR 1020220140338A KR 20220140338 A KR20220140338 A KR 20220140338A KR 20230062417 A KR20230062417 A KR 20230062417A
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KR
South Korea
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power transmission
wireless power
transmission system
transmitter coil
current
Prior art date
Application number
KR1020220140338A
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English (en)
Inventor
쯔준 루오
Original Assignee
누볼타 테크놀로지스 (헤페이) 씨오 엘티디
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 누볼타 테크놀로지스 (헤페이) 씨오 엘티디 filed Critical 누볼타 테크놀로지스 (헤페이) 씨오 엘티디
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Abstract

본 출원은 무선 전력 전송 시스템 및 그 제어 방법을 개시한다. 상기 무선 전력 전송 시스템은 수신기 코일에 자기 커플링되도록 구성되는 송신기 코일; 송신기 코일에 커플링되는 전력 변환 장치; 및 전류 검출 순간을 설정하도록 구성되는 하프 주기 검출 블록을 포함하며, 전류 검출 순간에 송신기 코일을 흐르는 전류가 검출되고, 미리 정해진 임계값과 비교함으로써 이물질 검출을 진행하여 무선 전력 전송 시스템에 이물질이 커플링되어 있는지 여부를 확인하는 제어기;를 포함한다.

Description

무선 전력 전송 시스템 및 그 제어 방법{Wireless Power Transfer System and Control Method Thereof}
본 발명은 전자회로 기술분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 전력 전송 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
기술이 더욱 발전함에 따라, 무선 전력 전송은 예컨대 휴대폰, 태블릿 PC, 디지털 카메라, MP3 플레이어 등과 같은 배터리 기반 모바일 장치에 전력을 공급하거나 충전하기 위한 효율적이고 편리한 메커니즘으로 등장했다. 무선 전력 전송 시스템은 일반적으로 1차측 송신기와 2차측 수신기를 포함한다. 1차측 송신기는 자기 커플링을 통해 2차측 수신기에 자기 커플링된다. 자기 커플링은 1차측 송신기에 형성된 1차측 코일 및 2차측 수신기에 형성된 2차 측 코일을 갖는 헐거운 커플링 변압기(loose coupling transformer)로 구현될 수 있다.
1차측 송신기는 예컨대 전력 컨버터의 1차측과 같은 전력 변환 유닛을 포함할 수 있다. 전력 변환 유닛은 전원에 커플링되고, 전력을 무선 전력 신호로 변환할 수 있다. 2차측 수신기는 헐거운 커플링 변압기를 통해 무선 전력 신호를 수신하고 수신된 무선 전력 신호를 부하에 적합한 전력으로 변환할 수 있다.
무선 전력 전송 시스템의 소비 전력은 매우 중요한 파라미터로, 예컨대 계산된 소비 전력을 이용하여 이물질 검출(Foreign Object Detection, FOD)을 수행할 수 있다. 기존의 무선 전력 전송 시스템은 전력 소비를 검출하고 나아가 이물질 검출을 구현하기 위해 추가 회로를 이용하여 입력 전류, 코일 전류 등과 같은 파라미터를 검출했다.
전력 손실 감지 비용을 줄일 수 있는 간단하고 신뢰할 수 있는 제어 메커니즘이 있기를 기대한다.
상술한 문제점을 감안하여, 본 발명은 무선 전력 전송 시스템 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 실시예에 따라, 수신기 코일에 자기 커플링되도록 구성되는 송신기 코일; 상기 송신기 코일에 커플링되는 전력 변환 장치; 및 상기 전력 변환 장치의 스위칭 주기의 절반에 대응하는 전류 검출 순간을 설정하도록 구성되는 하프 주기 검출 블록을 포함하며, 상기 전류 검출 순간에 상기 송신기 코일을 흐르는 전류가 검출되고, 미리 정해진 임계값과 비교함으로써 이물질 검출을 진행하여 상기 무선 전력 전송 시스템에 이물질이 커플링되어 있는지 여부를 확인하는 제어기;를 포함하는 무선 전력 전송 시스템을 제공한다.
본 개시의 다른 일 실시예에 따라, 무선 전력 전송 시스템의 전력 컨버터의 스위칭 주기에, 상기 스위칭 주기의 절반에 대응하는 순간을 검색하는 단계; 상기 순간에 송신기 코일을 흐르는 전류와 미리 정해진 임계값을 비교함으로써 이물질 검출을 진행하여 상기 무선 전력 전송 시스템에 이물질이 커플링되어 있는지 여부를 확인하는 단계;를 포함하는 무선 전력 전송 시스템의 제어방법을 제공한다.
본 개시의 또 다른 일 실시예에 따라, 상기 전력 변환 장치의 스위칭 주기의 절반에 대응하는 전류 검출 순간을 설정하도록 구성되는 하프 주기 검출 블록을 포함하며, 상기 전류 검출 순간에 송신기 코일을 통해 흐르는 전류가 검출되고, 미리 정해진 임계값과 비교함으로써 이물질 검출을 진행하여 상기 무선 전력 전송 시스템에 이물질이 커플링되어 있는지 여부를 확인하는 제어기를 제공한다.
후술되는 본 개시의 구체적인 설명을 더 잘 이해하도록 본 개시의 특징 및 기술적 장점을 다소 광범위하게 설명하였다. 이하, 본 개시의 청구범위의 주제를 형성하는 본 발명의 추가적인 특징 및 장점을 설명한다. 개시된 개념 및 구체적인 실시예는 본 개시의 동일한 목적을 수행하기 위한 다른 구조 또는 프로세스를 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 용이하게 이용될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 또한, 당업자는 이와 같은 등가 구성은 첨부된 청구범위에 기재된 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않음도 이해할 것이다.
본 개시 및 그의 장점에 대한 보다 완전한 이해를 위해, 이하 첨부 도면과 결합하여 설명하며, 여기서:
도 1은 본 개시의 각 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 도시하고;
도 2는 본 개시의 각 실시예에 따른 도 1에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 개략도를 도시하며;
도 3은 본 개시의 각 실시예에 따른 도 1에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 다양한 파형을 도시하고;
도 4는 본 개시의 각 실시예에 따른 제어기의 블록도를 도시하며;
도 5는 본 개시의 각 실시예에 따른 비교 및 인터럽트 블록의 개략도이며; 그리고
도 6은 본 개시의 각 실시예에 따른 도 1에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 제어 방법의 흐름도를 도시한다.
달리 언급되지 않는 한, 여러 도면에서 대응하는 숫자와 심볼은 일반적으로 대응되는 부재를 의미한다. 이들 도면은 각 실시예의 관련 측면을 명확히 예시하기 위하여 도시된 것일 뿐 반드시 설정된 비율로 그려진 것은 아니다.
이하, 바람직한 실시예의 제조 및 사용에 대하여 구체적으로 설명한다. 본 개시는 전술한 및 후술될 다양한 구체적인 상황에서 구현될 수 있는 적용 가능한 많은 발명 개념을 제공한다. 구체적인 실시예는 단지 본 개시를 제조하고 사용하는 구체적인 방식을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하지 않는다. 전술한 및 후술될 구체적인 내용(즉, 무선 전력 전송 시스템을 위한 이물질 감지 장치)을 통해 바람직한 실시예에 관하여 본 개시를 설명한다. 그러나, 본 발명은 다양한 전력 시스템에도 적용될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 각 실시예를 설명한다.
도 1은 본 개시의 각 실시예에 따른 무선 전력 전송 시스템의 블록도를 도시한다. 무선 전력 전송 시스템(100)은 전력 스테이지(104) 및 무선 전력 전송 장치(101)를 포함하며, 입력 전원(102)과 부하(114) 사이에 캐스케이드가 연결된다. 무선 전력 송신 장치(101)는 송신기(110) 및 수신기(120)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 송신기(110)는 캐스케이드가 연결되는 송신기 회로(107)와 송신기 코일(L1)을 포함한다. 송신기 회로(107)의 입력은 전력 스테이지(104)의 출력에 커플링된다. 수신기(120)는 캐스케이드가 연결되는 수신기 코일(L2) 및 정류기(112)를 포함한다. 정류기(112)의 출력은 부하(114)에 커플링된다.
수신기(120)가 송신기(110) 근처에 배치될 때, 송신기(110)는 자기장을 통해 수신기(120)에 자기 커플링된다. 헐거운 커플링 변압기(115)는 송신기 코일(L1)(상기 송신기 코일(L1)은 송신기(110)의 구성부분임) 및 수신기 코일(L2)(상기 수신기 코일(L2)은 수신기(120)의 구성부분임)로 형성된다. 따라서, 전력은 송신기(110)로부터 수신기(120)로 전달될 수 있다.
일부 실시예에서, 송신기(110)는 충전 패드 내부에 있을 수 있다. 송신기 코일은 충전 패드의 상면 하부에 배치된다. 수신기(120)는 휴대폰에 포함될 수 있다. 휴대폰을 충전 패드 근처에 놓으면 송신기 코일과 수신기 코일 사이에 자기 커플링이 구축될 수 있다. 다시 말해서, 송신기 코일과 수신기 코일은 헐거운 커플링 변압기를 형성할 수 있으며, 해당 변압기를 통해 송신기(110)와 수신기(120) 사이에 전력 전달이 발생한다. 송신기 코일(L1)과 수신 코일(L2) 사이의 커플링 강도는 커플링 계수 k에 의해 정량화된다. 일부 실시예에서, k는 약 0.05 내지 약 0.9 범위 내에 있다.
일부 실시예에서, 송신기 코일(L1)과 수신기 코일(L2) 사이에 자기 커플링이 구축된 후, 송신기(110) 및 수신기(120)는 전력이 입력 전원(102)에서 부하(114)로 무선으로 전송되는 전력 시스템을 형성할 수 있다.
입력 전원(102)은 그리드 라인 전압을 직류(dc) 전압으로 변환하는 전원 어댑터일 수 있다. 다른 실시예에서, 입력 전원(102)은 태양 에너지 전지판 어레이와 같은 재생 전원일 수 있다. 또한, 입력 전원(102)은 재충전 가능한 배터리, 연료 배터리 등과 같은 에너지 저장 장치일 수 있다.
부하(114)는 수신기(120)에 커플링되는 모바일 디바이스(예를 들어, 휴대폰)에 의해 소비되는 전력을 나타낸다. 다른 일부 실시예에서, 부하(114)는 재충전 가능한 배터리 및/또는 직렬/병렬로 연결되고 수신기(120)의 출력에 커플링되는 배터리를 나타낼 수 있다.
송신기 회로(107)는 일부 실시예에 따라 풀 브리지 전력 컨버터의 1차측 스위치를 포함할 수 있다. 풀 브리지는 H 브리지로도 불린다. 다른 일부 실시예에서, 송신기 회로(107)는 기타 컨버터(예를 들어, 하프 브리지 컨버터, 푸시 풀 컨버터 등)의 1차 측 스위치를 포함할 수 있다. 이하, 도 2와 관련하여 송신기 회로(107)의 구체적인 구성을 설명한다.
전술한 컨버터는 단지 예시일 뿐임에 유의하기 바란다. 당업자는 다른 일부 실시예에서는 E 토폴로지에 기반한 전력 컨버터(예를 들어, 클래스 E 증폭기)와 같은 기타 적절한 컨버터가 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
송신기 회로(107)는 공진 커패시터를 더 포함할 수 있다. 공진 커패시터와 송신기 코일의 자기 인덕턴스는 공진 탱크를 형성할 수 있다. 설계 요구 사항과 다양한 애플리케이션에 따라 공진 탱크는 공진 인덕터를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 공진 인덕터는 외부 인덕터로 구현될 수 있다. 다른 일부 실시예에서, 공진 인덕터는 연결 와이어로 구현될 수 있다.
수신기(120)는 수신기(120)가 송신기(110)의 부근에 배치된 후에 송신기 코일(L1)에 자기 커플링되는 수신기 코일(L2)을 포함한다. 따라서, 전력은 수신기 코일로 전달될 수 있고, 정류기(112)를 통해 부하(114)로 더 전달될 수 있다. 수신기(120)는 2차 공진 커패시터를 포함할 수 있다.
정류기(112)는 수신기 코일(L2)의 출력으로부터 수신되는 교류 극성 파형을 단극 파형으로 변환한다. 일부 실시예에서, 정류기(112)는 4개의 스위치를 포함하는 동기 정류기(synchronous rectifier)로 구현된다. 다른 일부 실시예에서, 정류기(112)는 전파 다이오드 브리지 및 출력 커패시터를 포함한다.
또한, 동기 정류기는 임의의 제어 가능한 장치(예를 들어 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET) 장치, 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT) 장치, 초접합 트랜지스터(SJT) 장치, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 장치, 질화갈륨(GaN)에 기반한 전력 장치 등)에 의해 형성될 수 있다. 이하, 도 2와 관련하여 정류기(112)의 구체적인 구조를 설명한다.
전력 스테이지(104)는 입력 전원(102)과 무선 전력 전송 장치(101)의 입력 사이에 커플링된다. 설계의 필요 및 상이한 애플리케이션에 따라 전력 스테이지(104)는 다양한 상이한 구성을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 스테이지(104)는 벅 컨버터와 같은 비절연 전력 컨버터일 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 스테이지(104)는 선형 레귤레이터로서 구현될 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 스테이지(104)는 포워드 컨버터와 같은 절연 전력 컨버터일 수 있다.
전술한 전력 스테이지(104)의 구현은 예시일 뿐이며 청구범위의 범위를 과도하게 한정하지 않도록 해야 한다. 당업자는 다양한 변경, 대체, 수정에 대해 알고 있을 것이다. 또한, 상이한 애플리케이션 및 설계의 필요에 따라 전력 스테이지(104)는 무선 전력 전송 시스템(100)의 선택 가능한 요소일 수 있다. 다시 말해서, 입력 전원(102)은 송신기 회로(107)에 직접 연결될 수 있다.
도 2는 본 개시의 각 실시예에 따른 도 1에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 개략도를 도시한다. 무선 전력 전송 장치(101)는 캐스케이드가 연결되는 송신기 회로(107), 공진 커패시터(Cp), 헐거운 커플링 변압기(115), 공진 커패시터(Cs) 및 정류기(112)를 포함한다. 헐거운 커플링 변압기(115)는 송신기 코일(L1) 및 수신기 코일(L2)로 형성된다. 송신기 회로(107)는 도 2에 도시된 바와 같이 풀 브리지로 구현된다. 이하의 내용에서 도 2에 도시된 풀 브리지는 전력 컨버터 또는 풀 브리지 전력 컨버터로도 지칭된다.
풀 브리지(107)는 4개의 스위치 소자, 즉 S1, S2, S3 및 S4를 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스위치 소자(S1, S2)는 입력 전압 버스(VIN)와 접지 사이에 직렬로 연결된다. 입력 전압 버스(VIN)는 도 1에 도시된 전력 스테이지(104)의 출력에 연결된다. 마찬가지로, 스위치 소자(S3, S4)는 입력 전압 버스(VIN)와 접지 사이에 직렬로 연결된다. 스위치 소자(S1, S2)의 공통 노드(SW1)는 송신기 코일(L1)의 제1 입력 단자에 커플링된다. 스위치 소자(S3, S4)의 공통 노드(SW2)는 공진 커패시터(Cp)를 통해 송신기 코일(L1)의 제2 입력 단자에 커플링된다. SW1과 SW2 사이의 전압은 VSW로 나타낸다. 이하 도 4에 도시되는 VSW의 파형을 구체적으로 설명한다.
일부 실시예에 따르면, 스위치 소자(S1, S2, S3, S4)는 MOSFET 또는 병렬로 연결되는 MOSFET, 이들의 임의의 조합 등으로 구현된다. 다른 일부 실시예에 따르면, 스위치 소자(예를 들어, 스위치 S1)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT) 장치일 수 있다. 다른 일부 실시예에서, 1차 스위치는 통합 게이트 정류 사이리스터(IGCT) 장치, 게이트 턴오프 사이리스터(GTO) 장치, 실리콘 제어 정류기(SCR) 장치, 접합 게이트 전계 효과 트랜지스터(JFET) 장치, MOS 제어 사이리스터(MCT) 장치, 질화갈륨(GaN) 기반 전력 소자 등과 같은 임의의 제어 가능한 스위치일 수 있다.
본 명세서의 예시는 전체에 걸쳐 풀 브리지 컨버터(예를 들어, 도 2에 도시된 풀 브리지(107))에 기초하지만, 도 2에 도시된 송신기 회로(107)의 구현은 많은 변형, 대체 및 수정을 가질 수 있다는 점에 유의해야 한다. 예를 들어, 다른 일부 실시예에서 하프 브리지 컨버터, 푸시 풀 컨버터, 클래스 E에 기반한 전력 컨버터(예를 들어, 클래스 E 증폭기)가 사용될 수 있다. 또한, 일부 애플리케이션에서 송신기 코일(L1)이 수신기 코일(L2)과 긴밀히 커플링될 때, 인덕터-인덕터-커패시터(LLC) 공진 컨버터가 형성될 수 있다.
종합해보면, 각 실시예의 발명의 형태들을 명확하게 나타내기 위하여 본 명세서에 예시되는 풀 브리지(107)를 한정한다. 본 발명은 그 어떤 특정 전력 토폴로지로 한정되지 않는다.
또한, 도 2는 4개의 스위치(S1-S4)를 도시하지만, 본 개시의 다양한 실시예는 다른 변형, 수정 및 대체를 포함할 수 있음을 유의해야 한다. 예를 들어, 독립 커패시터는 풀 브리지(107)의 각 스위치와 병렬로 연결될 수 있다. 이러한 독립 커패시터는 풀 브리지(107)의 공진 프로세스의 타이밍을 더 잘 제어하는데 도움이 된다.
수신기 코일(L2)의 출력은 공진 커패시터(Cs), 정류기(112) 및 커패시터(Co)를 통해 부하(RL)에 커플링된다. 정류기는 수신기 코일(L2)의 출력으로부터 수신된 교류 극성 파형을 단극 파형으로 변환한다. 커패시터(Co)는 노이즈를 감쇠하고 안정 상태 출력 전압을 제공하는데 사용된다. 공진 커패시터(Cs)는 무선 전력 전송 시스템의 소프트 스위칭 구현에 도움이 된다.
일부 실시예에서, 정류기(112)는 동기 정류기로 구현된다. 정류기(112)는 4개의 스위치 소자, 즉 S5, S6, S7 및 S8을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스위치 소자(S5, S6)는 정류기(112)의 출력 단자와 접지 사이에 직렬로 연결된다. 마찬가지로, 스위치 소자(S7, S8)는 정류기(112)의 출력 단자와 접지 사이에 직렬로 연결된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스위치 소자(S5, S6)의 공통 노드는 수신기 코일(L2)의 제1 단자에 커플링된다. 스위치 소자(S7, S8)의 공통 노드는 공진 커패시터(Cs)를 통해 수신기 코일(L2)의 제2 단자에 커플링된다.
일부 실시예에 따르면, 스위치 소자(S5, S6, S7, S8)는 MOSFET 또는 병렬로 연결되는 MOSFET, 이들의 임의의 조합 등으로 구현된다.
다시 도 1을 참조하면, 종래에는 무선 전력 전송 시 이물질 검출이 필요하였다. 이물질을 검출하는 방법은 예컨대 정전 용량, 저항, 전력 손실 등을 검출하는 것과 같이 다양하다. 전력 손실 검출 방법은 송신기(110)와 수신기(120) 사이의 전력 손실(deltaP)이 임계값보다 작은지 여부를 검출하여 무선 전력 전송 시스템 주변에 이물질이 있는지 여부를 판단하는 것이다. 구체적으로, deltaP=Pt-Pr이고, 여기서 Pt는 송신기(110)의 송신 전력이고, Pr은 수신기(120)의 수신 전력이다. 전력 손실 검출 방법을 이용하여 이물질을 감지하는 경우 Pt와 Pr을 정확히 검출해야만 무선 전력 전송 시스템 주변에 이물질이 있는지 여부를 정확하게 판단할 수 있지만, Pt와 Pr을 정확히 검출하는 것은 난이도가 매우 크다.
따라서, 본 출원은 전력 손실의 계산을 단순화하는 전력 손실 검출 방법을 개선한다. 구체적으로, 전력 손실 공식 deltaP=Pt-Pr=[Pi-Pt(loss)]-[Po-Pr(loss)]를 사용하고, 여기서 Pt는 송신기(110)의 송신 전력이고, Pr은 수신기(120)의 수신 전력이고, Pi는 시스템의 입력 전력, Pt(loss)는 입력단의 전력 손실, Po는 시스템의 출력 전력, Pr(loss)은 출력단의 전력 손실이다. 본 출원은 입력단 전력 손실 계산의 간편성과 정확성을 고려할 수 있는 Pt(loss)를 간편하게 계산하는 방법을 제공하며, Pi, Po 및 Pr(loss)를 이미 알고 있는 상황에서 Pt(loss)를 간편하게 계산하여 전력 손실(deltaP)을 얻어, 전력 손실이 임계값 미만인지 여부와 무선 전력 전송 시스템 주변에 이물질이 있는지 여부를 확인할 수 있다. 이하, 도 3에 대하여 송신기의 전력 손실과 송신기 코일을 흐르는 전류 사이의 관계를 설명한다.
도 3은 본 개시의 각 실시예에 따른 도 1에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 다양한 파형을 도시한다. 도 3의 수평 축은 시간 간격을 나타낸다. 제1 파형(402)은 VSW(도 2에 도시된 2개의 스위치 노드(SW1, SW2) 사이의 전압)를 나타낸다. 제2 파형(404)은 제1 파형(402)의 기본 주파수 파형을 나타낸다. 제3 파형(406)은 송신기 코일을 흐르는 전류를 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이, 송신기 코일에 흐르는 전류는 전압(제1 파형(402)의 기본 주파수 파형)보다 지연되며, 전압과 전류 사이의 위상차를
Figure pat00001
로 나타낸다.
송신기의 전력 손실에는 코일 손실, 전원 튜브 손실 및 공진 커패시터 손실이 포함되며, 이 3가지 손실은 송신기 코일의 교류 등가 저항에 전류를 곱한 것과 같다. 교류 등가 저항이 ACR이라고 가정하면 송신기 전력 손실은 ACR*Icoilrms^2이며, 여기서 Icoilrms는 송신기 코일 전류의 유효값을 나타낸다.
송신기 코일을 흐르는 전류를 식(1)과 같이 정의한다:
Figure pat00002
송신기 코일 전류는 유효 전력(active power) 부분과 무효 전력(reactive power) 부분을 포함하는 두 부분으로 나눌 수 있으며 식 (2)로 나타낼 수 있다:
Figure pat00003
여기서,
Figure pat00004
은 유효 전력 부분을 나타내고,
Figure pat00005
은 무효 전력 부분을 나타낸다.
송신기 코일 전류의 유효 전력 부분은 식 (3)으로 나타낼 수 있다:
Figure pat00006
여기서,
Figure pat00007
은 송신기 코일의 입력 전류를 나타낸다.
송신기 코일 전류의 π순간에서의 전류는 식(4)로 나타낼 수 있다:
Figure pat00008
송신기 코일 전류의 무효 전력 부분은 식 (5)로 나타낼 수 있다:
Figure pat00009
따라서 송신기 코일 전류는 식(6)으로 나타낼 수 있다:
Figure pat00010
종래 기술에서는, 복잡한 공식(예를 들어, 전압을 이용하여 전력 손실을 계산함)을 사용하여 송신기(110)와 수신기(120) 사이의 전력 손실을 계산하여 이물질 검출을 추가로 수행했다.
본 개시는 입력단에서의 전력 손실을 간편하게 얻어 송신기(110)와 수신기(120) 사이의 전력 손실(deltaP)을 계산하여 이물질 검출 목적을 구현하는 개선된 검출 회로를 제공한다.
동작 시, 각 스위칭 주기에서 스위칭 주기의 절반에 대응하는 순간을 검색한다. 해당 순간에 송신기 코일을 흐르는 회로를 검출한다. 검출된 전류에 기초하여 송신기 코일의 전력 손실이 임계값보다 큰지 여부를 상응하게 계산 및 판단할 수 있으며, 판단 결과에 따라 이물질 검출 목적을 달성할 수 있다.
동작 시, 검출되는 전류와 미리 정해진 임계값을 비교한다. 일부 실시예에서, 직전 주기의 임계값에 기초하여 현재 주기의 임계값을 설정한다. 검출 전류가 소정의 임계값보다 크면, 주위에 이물질이 있는 것으로 판단하고, 이물질 검출에 대한 보호 메커니즘을 활성화시킨다. 이하 도 4 내지 도 6과 결합하여 본 개시가 제공하는 회로 검출을 위한 구체적인 구현을 설명한다.
도 4는 본 개시의 각 실시예에 따른 제어기의 블록도를 도시한다. 해당 제어기는 마이크로컨트롤 유닛(MCU)(502), π 검출 블록(504), 비교 및 *?*인터럽트 블록(506) 및 전류 샘플링 유닛(508)을 포함한다. 해당 제어기는 이물질 검출 기능을 구현할 수 있다.
MCU(502)는 전력 컨버터의 스위칭 주기의 절반에 해당하는 정수를 설정한다. MCU(502)는 이 정수를 π 검출 블록(504)에 공급한다. 전류 샘플링 유닛(508)의 입력단은 송신기 코일을 흐르는 전류를 검출하기 위해 송신기 코일에 직간접적으로 연결된다.
전력 컨버터의 각 스위칭 주기에서, π 검출 블록(504)은 풀 브리지에 인가되는 일 PWM 신호의 하강 에지를 검출하고 하강 에지를 비교 및 인터럽트 블록(506)으로 전송한다. 비교 및 인터럽트 블록(506)은 PWM 신호의 하강 에지를 수신하고 스위칭 주기의 절반에 해당하는 순간에 송신기 코일을 통해 흐르는 전류(Icoil)를 검출한다. 검출되는 전류(송신기 코일을 흐르는 전류)는 비교 및 인터럽트 블록(506)으로 공급된다. 검출되는 전류와 미리 정해진 임계값을 비교한다. 주변에 이물질이 있으면 비교 및 인터럽트 블록(506)은 대응되는 인터럽트 신호를 생성하고 해당 인터럽트 신호를 MCU(502)에 공급하며, MCU(502)는 대응되는 제어 메커니즘을 무선 전력 전송 시스템에 적용하여 상기 무선 전력 전송 시스템이 전력 전송 모드에 진입하지 않거나 전력 전송을 중지하도록 제어한다. 예를 들어, MCU(502)는 대응되는 제어 메커니즘을 전력 컨버터에 적용하여 전력 컨버터가 전력 변환을 중지하도록 한다.
도 5는 본 개시의 각 실시예에 따른 비교 및 인터럽트 블록의 개략도이다. 비교 및 인터럽트 블록(506)은 제1 비교기(601) 및 제1 인터럽트 발생기(602)를 포함한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 비교기(601)의 반전 입력은 미리 정해진 임계값에 커플링된다. 현재 주기 각각에서, 미리 정해진 임계값은 예를 들어 직전 주기의 미리 정해진 임계값에 따라 설정된다. 미리 정해진 임계값은 무선 전력 전송 시스템 주변에 이물질이 존재하는지 여부를 판단하기 위해 사용된다. 제1 비교기(601)의 비반전 입력은 송신기 코일을 흐르는 전류(Icoil)에 커플링된다.
본 명세서에의 비교 및 인터럽트 블록(506)은 설명의 편의를 위해 제공될 뿐이며, 비교 및 중단 블록(506)에 포함될 수 있는 기능의 예시로서만 제공됨에 유의해야 한다. 당업자는 비교 및 인터럽트 블록(506)은 다양한 서로 다른 방식에 의해 구현될 수 있고, 기타 기능을 포함할 수 있음을 이해할 것이다.
도 6은 본 개시의 각 실시예에 따른 도 1에 도시된 무선 전력 전송 시스템의 제어 방법의 흐름도를 도시한다. 도 6에 도시된 과정은 예시일 뿐이며 청구범위의 범위를 과도하게 한정하지 않도록 해야 한다. 당업자는 다양한 변경, 대체, 수정에 대해 알고 있을 것이다. 예를 들어, 도 6에 도시된 다양한 단계는 추가, 제거, 대체, 재배열 및 반복될 수 있다.
무선 전력 전송 시스템은 송신기와 수신기를 포함한다. 송신기는 전력 컨버터와 송신기 코일을 포함한다. 수신기는 수신기 코일과 정류기를 포함한다. 송신기 코일은 수신기 코일에 자기 커플링된다.
동작 과정에서, 무선 전력 전송 시스템 주변에 이물질이 있으면 무선 전력 전송 시스템의 전력 소모가 커진다.
제어기는 전력 컨버터의 스위칭 주기의 절반에 대응하는 순간에 송신기 코일을 흐르는 전류를 검출하는데 사용되며, 해당 순간의 검출 전류는 무선 전력 전송 시스템 주변에 이물질이 있는지 여부를 나타낼 수 있다. 검출된 전류가 미리 정해진 임계값보다 클 경우, 무선 전력 전송 시스템 주변에 이물질이 존재하는 것으로 판단한다.
802단계에서, 무선 전력 전송 시스템의 전력 컨버터의 스위칭 주기에서, 스위칭 주기의 절반에 대응하는 순간을 검색한다. 예를 들어, 전력 컨버터의 스위칭 주기에서 전력 컨버터의 게이트 구동 신호의 하강 에지를 스위칭 주기의 절반에 대응하는 순간으로 사용한다.
804단계에서, 스위칭 주기의 절반에 해당하는 순간에 무선 전력 전송 시스템의 송신기 코일을 통해 흐르는 전류를 검출한다.
806단계에서, 송신기 코일을 흐르는 전류와 미리 정해진 임계값을 비교함으로써 이물질 검출을 진행하여 무선 전력 전송 시스템에 이물질이 커플링되어 있는지 여부를 확인한다. 예를 들어, 직전 주기의 미리 정해진 임계값에 따라 현재 주기의 미리 정해진 임계값을 업데이트한다.
808단계에서, 무선 전력 전송 시스템에 이물질이 커플링된 것으로 판단되면, 무선 전력 전송 시스템에 제어 메커니즘을 적용한다. 예를 들어, 무선 전력 전송 시스템에 이물질이 커플링된 것으로 판단되면, 인터럽트 신호를 생성하고 전력 변환 장치에 전송하여, 상기 무선 전력 전송 시스템이 전력 전송 모드로 진입하지 않거나 전력 전송을 중지하도록 제어한다.
다른 일부 실시예에서, 송신기 코일을 흐르는 전류와 미리 정해진 임계값을 비교한 비교 결과에 따라 상기 무선 전력 전송 시스템이 전력 전송 모드로 진입하지 않거나 전력 전송을 중지하도록 제어한다.
본 개시의 실시예 및 그 장점을 상세하게 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 한정되는 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경, 대체 및 수정이 본 명세서에서 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
나아가, 본 출원의 범위는 본 명세서에 설명된 공정, 기계, 제조, 조성물, 부재, 방법, 또는 단계의 특정 실시예에 의해 한정되는 것이 아니다. 당업자는 본 개시에 개시된 내용에 따라, 본 명세서에 설명된 대응하는 실시예와 기본적으로 동일한 기능을 수행하거나 또는 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 현재 존재하거나 또는 이후 개선된 공정, 기계, 제조, 조성물, 부재, 방법, 또는 단계를 본 개시에 따라 사용할 수 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 이의 범위 내에서 이러한 공정, 기계, 제조, 조성물, 부재, 방법, 또는 단계를 포함한다.

Claims (15)

  1. 무선 전력 전송 시스템에 있어서,
    수신기 코일에 자기 커플링되도록 구성되는 송신기 코일;
    상기 송신기 코일에 커플링되는 전력 변환 장치; 및
    상기 전력 변환 장치의 스위칭 주기의 절반에 대응하는 전류 검출 순간을 설정하도록 구성되는 하프 주기 검출 블록을 포함하며, 상기 전류 검출 순간에 상기 송신기 코일을 흐르는 전류가 검출되고, 미리 정해진 임계값과 비교함으로써 이물질 검출을 진행하여 상기 무선 전력 전송 시스템에 이물질이 커플링되어 있는지 여부를 확인하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전력 변환 장치는 풀 브리지 컨버터, 하프 브리지 컨버터 또는 푸시 풀 컨버터인 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 무선 전력 전송 시스템에 이물질이 커플링된 것으로 판단되면, 상기 무선 전력 전송 시스템이 전력 전송 모드로 진입하지 않거나 전력 전송을 중지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 전류 검출 순간에 상기 송신기 코일을 흐르는 전류를 미리 정해진 임계값과 비교함으로써 이물질 검출을 진행하도록 구성되는 비교 및 인터럽트 블록을 더 포함하며,
    상기 비교 및 인터럽트 블록은 상기 무선 전력 전송 시스템에 이물질이 커플링된 것으로 판단되면, 인터럽트 신호를 생성하여, 상기 무선 전력 전송 시스템이 전력 전송 모드로 진입하지 않거나 전력 전송을 중지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 제어기는 직전 주기의 미리 정해진 임계값에 따라 현재 주기의 미리 정해진 임계값을 업데이트하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 비교 및 인터럽트 블록은,
    상기 송신기 코일을 흐르는 전류를 미리 정해진 임계값과 비교하는 비교기;
    상기 비교기의 비교 결과를 래치하며, 상기 전류 검출 순간에 상기 비교 결과를 제공하도록 인에이블 핀이 상기 하프 주기 검출 블록에 연결되는 래치; 및
    상기 비교 결과에 따라 상기 인터럽트 신호를 제공하는 인터럽트 발생기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 상기 제어기는,
    상기 송신기 코일을 흐르는 상기 전류를 검출하도록 구성되는 전류 샘플링 유닛;
    상기 인터럽트 신호에 따라 상기 무선 전력 전송 시스템이 전력 전송을 수행하는지 여부를 제어하도록 구성되는 마이크로 제어 유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 전력 전송 시스템.
  8. 무선 전력 전송 시스템의 제어방법에 있어서,
    무선 전력 전송 시스템의 전력 컨버터의 스위칭 주기에서, 상기 스위칭 주기의 절반에 대응하는 순간을 검색하는 단계;
    상기 순간에, 송신기 코일을 흐르는 전류와 미리 정해진 임계값을 비교함으로써 이물질 검출을 진행하여 상기 무선 전력 전송 시스템에 이물질이 커플링되어 있는지 여부를 확인하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 무선 전력 전송 시스템에 이물질이 커플링된 것으로 판단되면, 상기 무선 전력 전송 시스템이 전력 전송 모드로 진입하지 않거나 전력 전송을 중지하도록 제어하기 위해 인터럽트 신호를 생성하여 상기 무선 전력 전송 시스템에 전송하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  10. 제8항에 있어서, 직전 주기의 미리 정해진 임계값에 따라 현재 주기의 미리 정해진 임계값을 업데이트하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  11. 제8항에 있어서, 상기 전력 컨버터의 상기 스위칭 주기에서 상기 전력 컨버터의 게이트 구동 신호의 하강 에지를 상기 스위칭 주기의 절반에 대응하는 순간으로 사용하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 송신기 코일을 흐르는 상기 전류를 미리 정해진 임계값과 비교하여, 상기 무선 전력 전송 시스템에 이물질이 커플링된 것으로 판단되면, 상기 무선 전력 전송 시스템이 전력 전송 모드로 진입하지 않거나 전력 전송을 중지하도록 제어하기 위해 인터럽트 신호를 생성하여 상기 무선 전력 전송 시스템에 전송하는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  13. 제8항에 있어서, 상기 이물질 검출은 상기 무선 전력 전송 시스템이 전력 전송 모드에 진입하기 이전에 진행되거나, 상기 무선 전력 전송 시스템이 전력 전송을 진행하는 동안에 진행되는 것을 특징으로 하는 제어방법.
  14. 제어기에 있어서, 전력 변환 장치의 스위칭 주기의 절반에 대응하는 전류 검출 순간을 설정하도록 구성되는 하프 주기 검출 블록을 포함하며, 상기 전류 검출 순간에 상기 송신기 코일을 통해 흐르는 전류가 검출되고, 미리 정해진 임계값과 비교함으로써 이물질 검출을 진행하여 무선 전력 전송 시스템에 이물질이 커플링되어 있는지 여부를 확인하는 것을 특징으로 하는 제어기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 송신기 코일에 흐르는 상기 전류를 검출하도록 구성되는 전류 샘플링 유닛;
    상기 전류 검출 순간에 상기 송신기 코일을 흐르는 전류를 미리 정해진 임계값과 비교함으로써 이물질 검출을 진행하도록 구성되는 비교 및 인터럽트 블록;
    상기 인터럽트 신호에 따라 상기 무선 전력 전송 시스템이 전력 전송을 수행하는지 여부를 제어하도록 구성되는 마이크로 제어 유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어기.
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