KR102458770B1 - 전자파 저감 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
무선 전력 전송 시 전송 대상 신호를 제외한 전자파를 저감시키는 무선 전력 전송 장치가 제공된다. 상기 장치는: 송신회로에서 생성된 고주파 전력 신호를 제1 코일에 입력하여 자기장을 발생시키는 송신부, 제2 코일에 상기 발생된 자기장을 통과시켜 유도전류를 발생시키는 수신부, 및 상기 송신부 및 상기 수신부의 경로 상에 삽입되는 제3 코일을 이용하여 상기 고주파 전력 신호 중 고조파 성분을 저감시키는 저감부를 포함할 수 있다.
Description
무선전력전송 기기의 전자파 저감 기술에 연관되며, 보다 상세하게는 무선으로 전력(또는 에너지)를 전송하는 과정에서 전송 전력 외에 외부로 방출되는 전자파 또는 기기 내부에 영향을 미치는 전자파를 저감하는 장치 및 방법에 연관된다.
무선으로 전력을 전송하는 기술은 스마트폰 분야에서 주로 사용되다가, 최근 들어 웨어러블 디바이스(wearable devices), 사물인터넷(Internet of Things, IoT), 전기자동차 충전 관련 분야 등으로 점차 확산되고 있다. 전송하는 전력 또한 수W의 소출력에서 수kW급의 대출력으로 증가하면서 전송 목적 외에 방출되는 전자파에 대한 우려도 커지고 있다.
무선으로 전력을 전송하기 위해서는 고출력 및 고주파 전력을 발생하는 송신회로와 이를 전달하는 코일 및 수신회로가 필요하다. 전력을 발생시키는 송신회로의 경우, 대부분 구형파(square wave)를 이용하기 때문에 전력전송 주파수 외에 고조파(harmonic) 신호들이 도선을 통해 전도되거나 방사될 수 있고, 전력을 전달하는 코일을 통해 직접 외부로 방출되기도 한다. 이러한 고조파 신호들은 회로 내 부품들의 오동작을 유발하거나 또는 무선전력전송 기기 주변의 다른 기기에 간섭을 줄 수 있어, 반드시 저감하여야 한다. 또한, 전자파에 민감한 기기들의 경우, 전력전송 주파수 외의 전력 신호들에 대해 엄격한 전자파 강도 제한치를 두고 있어, 이들 기기들과 함께 무선전력전송기기를 사용하기 위해서는 전자파 강도 제한 조건을 충족시킬 수 있는 제품 개발이 필요하다.
일측에 따르면, 무선 전력 전송 시 전송 대상 신호를 제외한 전자파를 저감시키는 무선 전력 전송 장치가 제공된다. 상기 무선 전력 전송 장치는: 송신회로에서 생성된 고주파 전력 신호를 제1 코일에 입력하여 자기장을 발생시키는 송신부, 제2 코일에 상기 발생된 자기장을 통과시켜 유도전류를 발생시키는 수신부, 및 상기 송신부 및 상기 수신부의 경로 상에 삽입되는 제3 코일을 이용하여 상기 고주파 전력 신호 중 고조파 성분을 저감시키는 저감부를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 고주파 전력 신호는 상기 송신회로의 스위칭 소자를 이용하여 생성된 구형파(square wave) 형태의 신호일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 저감부는 상기 제1 코일 또는 상기 제2 코일의 직경보다 크거나 같은 직경을 가지는 제3 코일을 이용하여, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일 중 적어도 하나를 감싸도록 위치할 수 있다.
예시적으로 그러나 한정되지 않게, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은 루프 형의 솔레노이드형(solenoid type) 및 헬리컬형(helical type) 중 적어도 하나일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 저감부는 상기 제3 코일의 인덕턴스 또는 상기 제3 코일의 턴수를 조절하여 저감 대상인 상기 고조파의 기준 주파수를 조정할 수 있다.
또한, 상기 저감부는 상기 제3 코일에 임피던스 정합회로 및 공진소자 중 적어도 하나를 연결하고, 상기 임피던스 정합회로 및 공진 소자 중 적어도 하나를 이용하여 상기 제3 코일의 공진주파수를 저감 대상인 상기 고조파의 주파수 영역 이하로 조정할 수 있다.
그리고, 상기 저감부는, 상기 제3 코일의 감긴 방향(coiling direction)이 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 감긴 방향과 동일한 경우에는 상기 고조파의 짝수 차(even mode) 신호를 감쇄시키고, 상기 제3 코일의 감긴 방향(coiling direction)이 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 감긴 방향과 반대인 경우에는 상기 고조파의 홀수 차(odd mode) 신호를 감쇄시킬 수 있다.
다른 일측에 따르면, 무선 전력 전송 장치의 전력신호 전송 시 전송 대상 신호를 제외한 전자파를 저감시키는 방법이 제공된다. 상기 전자파 저감 방법은: 송신회로에서 생성된 고주파 전력 신호를 제1 코일에 입력하여 자기장을 발생시키는 단계, 상기 송신부 및 상기 수신부의 경로 상에 삽입되는 제3 코일을 이용하여 상기 고주파 전력 신호 중 고조파 성분을 저감시키는 단계, 및 상기 발생된 자기장에서 상기 저감된 고조파 성분을 제외한 신호를 제2 코일에 통과시켜 유도전류를 발생시키는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고주파 전력 신호는 상기 송신회로의 스위칭 소자를 이용하여 생성된 구형파(square wave) 형태의 신호일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 고조파 성분을 저감시키는 단계는 상기 제1 코일 또는 상기 제2 코일의 직경보다 크거나 같은 직경을 가지는 제3 코일을, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일 중 적어도 하나를 감싸도록 위치시킬 수 있다.
예시적으로 그러나 한정되지 않게, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은 루프 형의 솔레노이드형(solenoid type) 및 헬리컬형(helical type) 중 적어도 하나일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 고조파 성분을 저감시키는 단계는: 상기 제3 코일의 인덕턴스 또는 상기 제3 코일의 턴수를 조절하여 저감 대상인 상기 고조파의 기준 주파수를 조정할 수 있다.
또한, 상기 고조파 성분을 저감시키는 단계는: 상기 제3 코일에 임피던스 정합회로 및 공진소자 중 적어도 하나를 연결하고, 상기 임피던스 정합회로 및 공진 소자 중 적어도 하나를 이용하여 상기 제3 코일의 공진주파수를 저감 대상인 상기 고조파의 주파수 영역 이하로 조정할 수도 있다.
일실시예에 따르면, 상기 고조파 성분을 저감시키는 단계는: 상기 제3 코일의 감긴 방향(coiling direction)이 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 감긴 방향과 동일한 경우에는 상기 고조파의 짝수 차(even mode) 신호를 감쇄시키고, 상기 제3 코일의 감긴 방향(coiling direction)이 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 감긴 방향과 반대인 경우에는 상기 고조파의 홀수 차(odd mode) 신호를 감쇄시킬 수 있다.
또다른 일측에 따르면, 무선 전력 전송 장치의 전력신호 전송 시 전송 대상 신호를 제외한 전자파를 저감시키는 방법이 제공되며, 상기 방법은: 송신회로에서 생성된 고주파 전력 신호를 제1 코일에 입력하여 자기장을 발생시키는 단계, 제2 코일에 상기 발생된 자기장을 통과시켜 유도전류를 발생시키는 단계, 및 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일 중 적어도 하나와 동일한 면 상에 위치하는 제3 코일을 이용하여 상기 고주파 전력 신호 중 고조파 성분을 저감시키는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 고조파 성분을 저감시키는 단계는 상기 제3 코일의 인덕턴스 또는 상기 제3 코일의 턴수를 조절하여 저감 대상인 상기 고조파의 기준 주파수를 조정할 수 있다.
또한, 상기 고조파 성분을 저감시키는 단계는 상기 제3 코일에 임피던스 정합회로 및 공진소자 중 적어도 하나를 연결하고, 상기 임피던스 정합회로 및 공진 소자 중 적어도 하나를 이용하여 상기 제3 코일의 공진주파수를 저감 대상인 상기 고조파의 주파수 영역 이하로 조정할 수 있다.
도 1은 일반적인 무선전력전송 기기의 구성도이다.
도 2는 일반적인 무선전력전송 기기에서 송수신 코일을 이용한 전력전송 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 일실시예에 따라 무선 전력 전송 시 전송 대상 신호를 제외한 전자파를 저감시키는 무선 전력 전송 장치를 도시하는 블록도이다.
도 4는 일실시예에 따른 무선전력 전송 장치가 전자파를 저감시키는 원리를 설명하는 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 무선전력 전송 장치에서 이용되는 전자파 저감을 위한 코일을 나타내는 도면이다.
도 6은 전자파 저감을 위한 코일이 적용된 무선전력 전송 장치의 다양한 실시예를 설명하는 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 전자파 저감을 위한 코일과 정합회로(또는 공진소자)의 결합을 설명하는 도면이다.
도 8은 일실시예에 따라 전자파 저감을 위한 코일과 정합회로(또는 공진소자)의 결합에 의한 전자파 저감 효과를 설명하는 도면이다.
도 9는 일실시예에 따른 전자파 저감 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 일반적인 무선전력전송 기기에서 송수신 코일을 이용한 전력전송 원리를 설명하는 도면이다.
도 3은 일실시예에 따라 무선 전력 전송 시 전송 대상 신호를 제외한 전자파를 저감시키는 무선 전력 전송 장치를 도시하는 블록도이다.
도 4는 일실시예에 따른 무선전력 전송 장치가 전자파를 저감시키는 원리를 설명하는 도면이다.
도 5는 일실시예에 따른 무선전력 전송 장치에서 이용되는 전자파 저감을 위한 코일을 나타내는 도면이다.
도 6은 전자파 저감을 위한 코일이 적용된 무선전력 전송 장치의 다양한 실시예를 설명하는 도면이다.
도 7은 일실시예에 따른 전자파 저감을 위한 코일과 정합회로(또는 공진소자)의 결합을 설명하는 도면이다.
도 8은 일실시예에 따라 전자파 저감을 위한 코일과 정합회로(또는 공진소자)의 결합에 의한 전자파 저감 효과를 설명하는 도면이다.
도 9는 일실시예에 따른 전자파 저감 방법을 도시하는 흐름도이다.
이하에서, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
도 1은 일반적인 무선전력전송 기기의 구성도이다.
도 1의 일반적인 무선전력 전송 기기는 인접한 두 개의 코일에 유도전류를 발생시켜 원하는 부하(load)에 에너지를 공급하거나 충전하는 수단으로, 크게 전력 전송에 필요한 고출력/고주파 신호를 생성하여 전송하는 송신부와, 입력된 고주파 전력을 정류하여 원하는 부하에 에너지를 공급하는 수신부로 구성된다.
도 1에서, 상기 무선전력 전송 기기는 송신부의 송신 코일(110)과 수신부의 수신 코일(120)을 이용하여 전력 전송을 수행한다. 먼저, 상기 무선전력 전송 기기의 송신부에서는 송신회로(111)를 이용하여 전송에 필요한 고출력/고주파 신호를 생성하고, 상기 생성된 고출력/고주파 신호가 송신 코일(110)에 입력되면 자기장이 발생된다. 상기 송신 코일(110)에서 발생된 자기장은 수신부의 수신 코일(120)을 통과하면서 유도전류가 발생하게 되며, 이러한 방식으로 생성된 유도전류는 수신회로(121)를 통해 정류되어 직류(DC) 변환한 후 충전 에너지로 제공된다.
상기 송신 코일(110) 및 상기 수신 코일(120)은 전도도가 좋은 도선으로 구성되는데, 전송 에너지의 형태가 자기장(magnetic field)인 경우에는 솔리노이드 형(solenoid type)이나 헬리컬 형(helical type)의 코일이 주로 사용되고, 전송 에너지의 형태가 전기장(electric field)인 경우에는 평판형 도체 형상의 코일이 주로 사용된다. 또한, 상기 무선전력 전송 기기의 전력 전송 효율을 높이기 위해, 상기 송신 코일(110)의 입력단이나 상기 수신 코일(120)의 출력단에 전송 주파수를 고려하여 임피던스 정합을 위한 부가 회로를 추가 연결하여 사용할 수도 있다.
도 2는 일반적인 무선전력 전송 기기에서 송수신 코일을 이용한 전력전송 원리를 설명하는 도면이다.
보다 구체적으로, 도 2A는 일반적인 무선전력 전송 기기에서 발생하는 신호 및 주파수의 전달 과정을 나타내고, 도 2B는 일반적인 무선전력 전송 기기의 송수신 코일 형상을, 도 2C는 상기 송수신 코일 간의 전력전송 원리를 각각 나타낸다.
일반적인 무선전력 전송 기기가 무선전력 전송을 수행하기 위해서는, 송신부(210)에서 고출력의 고주파수 전력 신호를 생성하여야 한다. 이를 위해, 송신부(210)는 스위칭 소자(이를 테면, FET(Field Effect Transistor) 등)를 이용하여 구형파(square wave) 형태의 고주파 전력신호(211)를 생성한다. 도 2A와 같이, 상기 고주파 전력신호(211)는 전송대상 주파수 신호(f0, 213) 외에 전력 전송에 불필요한 고조파 신호(f1, f2, ..., fn, 212)를 포함한다. 상기 고조파 신호(harmonics, 212)는 그 일부가 무선전력 전송 기기의 수신부(220)로 전달되거나 상기 수신부(220)의 정류 과정에서 사용되는 비선형 소자로 인해 추가적으로 발생되기도 하는데, 이러한 고조파 신호들(212)에 의해 상기 무선전력 전송 기기 내부 부품들의 오작동을 일으키거나 기기 외부로 방출되어 주변 기기에 대한 간섭을 야기할 수 있어, 저감될 필요가 있다. 일반적으로, 무선전력 전송 기기에서 고조파를 저감시키기 위해 미분회로(differential circuit)을 이용하거나 클럭(clock) 상승시간을 조정하여 고조파 에너지 스펙트럼을 분산시키는 방식을 이용하지만, 저감효과의 한계로 인해 보다 효율적으로 고조파를 저감시킬 수 있는 방법이 요구되고 있다.
일반적인 무선전력 전송 기기에서는 인접한 두 개의 코일을 이용하여 유도전류를 발생시키는데, 이 과정에서 이용되는 코일(230)은 도 2B와 같이 나타낼 수 있다. 상기 코일이 송신 코일로 동작하는 경우에는 입력단자(231)를 통해 송신회로와 연결되고, 수신 코일로서 동작하는 경우에는 출력단자(231)를 통해 수신회로(또는 충전회로)와 연결된다. 전송전력 대부분이 자기장이므로, 루프형 코일을 많이 사용하며, 코일의 부피를 줄이기 위해 헬리컬 형 코일보다는 솔리노이드 형 코일을 많이 사용한다. 다만, 전송전력이 전기장일 때에는 루프형 코일 대신에 평판형 도체 형상의 코일을 사용할 수도 있다.
일반적인 무선전력 전송 기기에서는 송신 코일(240) 및 수신 코일(250)에 발생되는 자기 유도 현상을 이용하여 무선 전력 전송을 수행하며, 이러한 원리는 도 2C와 같이 설명될 수 있다. 상기 송신 코일(240)에 입력된 고주파 전류에 의해 자기장이 형성되고, 이러한 자기장이 수신 코일(250)을 통과(쇄교)하면서 상기 수신 코일(250)에 유도전류가 발생하는 자기 유도 현상이 나타나게 된다. 다만, 이 과정에서 상기 송신 코일(240)에 다수의 주파수가 입력됨으로 인해, 전송대상 주파수 신호 외에 전력 전송에 불필요한 고조파 신호까지도 상기 수신 코일(250)에 전송되어, 수신 회로에 잡음 발생이나 주변 기기의 오동작을 유도할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따라 무선 전력 전송 시 전송 대상 신호를 제외한 전자파를 저감시키는 무선 전력 전송 장치(300)를 도시하는 블록도이다.
일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치(300)는 무선으로 전력(또는 에너지)를 전송하는 과정에서 전송대상 주파수 신호 외에 장치 내부에 영향을 미치거나 장치 외부로 방출되는 (전력 전송에는 불필요한)전자파를 저감시키는 구성으로, 송신부(310), 수신부(320) 및 저감부(330)를 포함할 수 있다.
먼저, 송신부(310)는 송신회로에서 생성된 고주파 전력 신호를 제1 코일에 입력하여 자기장을 발생시킨다. 여기서, 상기 고주파 전력 신호는 상기 송신회로에 포함된 스위칭 소자를 이용하여 생성된 구형파(square wave) 형태의 신호일 수 있다.
수신부(320)는 상기 제1 코일에서 발생된 자기장을 제2 코일에 통과시켜 유도전류를 발생시킨다. 이 때, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은 루프 형의 솔레노이드 형(solenoid type) 코일 및 헬리컬 형(helical type) 코일 중 적어도 하나일 수 있다.
저감부(330)는 상기 송신부(310) 및 상기 수신부(320) 사이의 경로 상에 삽입되는 제3 코일을 이용하여 상기 고주파 전력 신호 중 고조파 성분을 저감시킬 수 있다. 상기 제3 코일은 상기 제1 코일 및/또는 상기 제2 코일의 직경보다 크거나 같은 직경을 가지며, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일 중 적어도 하나를 감싸도록 삽입될 수 있다. 다만, 상기 제3 코일의 위치 및 크기는 어느 하나의 실시예에 제한되지 않으며, 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 상기 저감부(330)는 상기 제3 코일의 인덕턴스 또는 상기 제3 코일의 턴수를 조절하여 저감대상 신호인 상기 고조파 성분에 대한 기준 주파수를 조정할 수 있다. 또한, 상기 저감부(330)는 상기 고조파 성분에 대한 저감 효과를 보다 높이기 위해, 상기 제3 코일에 임피던스 정합 회로 및 공진소자 중 적어도 하나를 연결하여 사용할 수 있으며, 상기 임피던스 정합 회로 및 공진소자 중 적어도 하나를 이용하여 상기 제3 코일의 공진 주파수를 저감 대상 신호인 상기 고조파 신호의 주파수 영역 이하로 조절할 수도 있다.
또한, 상기 저감부(330)는 상기 제3 코일의 감긴 방향(coiling direction)에 따라 다른 방식으로 상기 고조파 성분을 저감시킬 수 있다. 이를 테면, 상기 제3 코일의 감긴 방향이 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 감긴 방향과 동일한 경우에는 상기 고조파 신호의 짝수 차(even mode) 신호를 감쇄시키고, 상기 제3 코일의 감긴 방향이 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 감긴 방향과 반대인 경우에는 상기 고조파 신호의 홀수 차(odd mode) 신호를 감쇄시킨다.
상기 무선 전력 전송 장치(300)는 일반적인 무선전력 전송 과정에서 이용되는 송신 코일(제1 코일) 및 수신 코일(제2 코일) 외에, 전자파 저감을 위한 제3 코일을 추가 삽입함으로써, 전력 전송에는 불필요한 전자파를 저감시키고 나아가 무선전력 전송 장치의 전력 전송 효율을 높일 수 있다.
도 4는 일실시예에 따른 무선전력 전송 장치가 전자파를 저감시키는 원리를 설명하는 도면이다.
보다 구체적으로, 도 4A는 일실시예에 따른 무선전력 전송 장치에서 발생하는 신호 및 주파수의 전달 과정을 나타내고, 도 4B는 추가된 전자파 저감 코일의 동작 원리를 나타낸다.
일실시예에 따른 무선전력 전송 장치는 일반적인 무선전력 전송 기기의 송신부 및 수신부 사이의 경로 상에 전자파 저감을 위한 코일을 추가 삽입하는 방식으로, 전력 전송에 불필요한 전자파를 저감시킨다. 상기 무선전력 전송 장치의 송신부(410)에서는 송신회로를 이용하여 구형파(square wave) 형태의 고주파 전력신호(411)를 생성하고, 상기 생성된 고주파 전력신호(411)는 상기 무선전력 전송 장치의 수신부(420)로 전달된다. 이 과정에서, 상기 고주파 전력신호(411)에 포함된 고조파 신호(f1, f2, ..., fn, 412)는 상기 전자파 저감을 위한 코일을 통해 저감되고, 상기 고주파 전력신호(411) 중 전송대상 주파수 신호(f0, 413)가 주로 상기 수신부(420)로 전송된다.
도 4B의 좌측은 기존의 일반적인 무선전력 전송 기기의 전력 전송 과정을, 우측은 일실시예에 따른 무선전력 전송 장치의 전력 전송 과정을 각각 나타내고 있다. 도 4B에서 확인되는 바와 같이, 제1 코일(송신 코일, 440) 및 제2 코일(수신 코일, 450)을 이용하여 무선전력 전송을 수행하는 경우, 제1 코일(440)에 다수의 주파수 신호가 입력되면 제2 코일(450)에도 다수의 주파수 신호가 전송되고 송수신 코일의 임피던스 정합 특성에 따라 일부는 외부로 방출되기도 한다. 이 과정에서, 상기 다수의 주파수 신호 중 전송대상 주파수 신호(f0) 외에 전력 전송에 불필요한 고조파 신호들(f1, f2, ..., fn)이 함께 제2 코일(450)로 전달되거나 외부로 방출되면서, 무선전력 전송 기기 내부 부품들의 오작동을 일으키거나 기기 주변의 다른 장치에 대한 간섭을 야기할 위험이 있다. 그러나, 도 4B 우측과 같이, 제1 코일(440)과 제2 코일(450) 사이의 경로 상에 전자파 저감을 위한 제3 코일(460)을 추가함으로써, 상기 고조파 신호들이 외부로 방사되는 것을 차단할 수 있으며, 이를 통해 무선전력 전송 과정의 전력 전송 효율을 높일 수 있다.
도 5는 일실시예에 따른 무선전력전송 장치에서 이용되는 전자파 저감을 위한 코일을 나타내는 도면으로, 도 5A는 전자파 저감 코일 배치의 3차원 형상을 나타내고, 도 5B 및 도 5C는 전자파 저감 코일 배치의 측면 형상을 각각 보여준다.
무선 전력 전송 과정에서 불필요한 고조파 신호를 저감하기 위해 무선전력전송 장치에 추가되는 '전자파 저감을 위한 코일'(530)이 송신 코일(510)을 감싸도록 삽입되는 경우, 상기 송신 코일(510)에서 발생하는 자기장을 전 방향에서 저감시킬 수 있어, 상기 전자파 저감 코일(530)을 어느 한 측에 국부적으로 삽입하거나 상기 송신코일(510) 및 상기 수신코일(520)에 겹치도록 삽입하는 경우보다 훨씬 효과적으로 상기 고조파 신호를 저감시킬 수 있다. 이를 테면, 도 5A와 같이 상기 전자파 저감 코일(530)이 상기 송신코일(510)과 동일한 면 상에 위치하도록 삽입되는 경우 박막형 무선충전 송신기를 제작하는 데 유리하고, 반대로 상기 전자파 저감 코일(530)이 상기 수신코일(520)과 동일한 면 상에 위치하도록 삽입되는 경우에는 박막형 무선충전 수신기를 제작하는 데 유리하다. 경우에 따라서는, 상기 송신코일(510) 및 상기 수신코일(520) 모두에 상기 전자파 저감 코일(530)을 각각 삽입할 수도 있다.
다만, 상기 전자파 저감 코일(530)이 삽입되는 위치나 그 형상은 어느 하나의 실시예에 제한되지 않으며, 무선전력 전송 장치의 사용 목적에 따라 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 상기 전자파 저감 코일(530)은 사각형, 원형, 타원형, 다각형 등의 다양한 형상일 수 있고, 삽입되는 위치 또한 그 제한이 없다. 이를 테면, 상기 송신코일(510)과 동일한 면(도 5B와 같이 z값이 동일한 x-y평면을 의미)이나 상기 수신코일(520)과 동일한 면, 또는 상기 송신코일(510) 및 상기 수신코일(520) 사이의 면 상에 위치하도록 삽입될 수 있으며, 경우에 따라 상기 송신코일(510)보다 아래 또는 상기 수신코일(520)보다 높은 곳에 위치하도록 삽입될 수도 있다.
또한, 박막형 장치 제작을 위해서는 상기 전자파 저감 코일(530)이 상기 송신코일(510) 및 상기 수신코일(520)과 평행하도록 배치되는 것이 유리하지만, 기기 내부의 공간에 따라 도 5C와 같이 다소 기울어지도록 배치될 수도 있다.
한편, 상기 전자파 저감 코일(530)의 크기는 상기 송신코일(510) 또는 상기 수신코일(520)의 직경과 비슷하거나 크게 설정하여 상기 전자파 저감 코일(530) 내에 상기 송신코일(510) 및 상기 수신코일(520)이 포함되도록 함으로써, 상기 송신코일(510) 및 상기 수신코일(520)에서 발생하는 불요 자기장을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 저감 대상 신호의 주파수 대역에 따라 상기 전자파 저감 코일(530)의 인덕턴스를 조절하거나, 상기 전자파 저감 코일(530)의 턴수를 조절하는 방식으로 설계 파라미터를 변경할 수도 있다.
도 6은 전자파 저감을 위한 코일이 적용된 무선전력 전송 장치의 다양한 실시예를 설명하는 도면이다.
도 6A는 상기 무선전력 전송 장치가 페라이트(ferrite)와 같은 강자성체(ferromagnetic material) 상에 구현된 실시예로서, 송신코일(610), 수신코일(620) 및 전자파 저감 코일(630)이 모두 페라이트 상에 배치될 수 있다. 도 6A와 같이, 페라이트 상에 전자파 저감 코일(630)이 배치되는 경우, 자성체의 높은 비투자율로 인해 인덕턴스와 Q(quality factor) 값의 변화가 발생할 수 있다.
도 6B 및 6C는 전자파 저감 코일이 송신코일(610) 및 수신코일(620) 각각에 부착되는 실시예로서, 도 6B는 3차원 형상의 사시도를 나타내고, 도 6C는 그 측면도를 나타낸다. 도 6B 및 도 6C와 같이 송신코일(610)에 전자파 저감코일a(631)를 부착하고, 수신코일(620)에 전자파 저감코일b(632)를 각각 부착하여, 송신 및 수신에 이용되는 두 코일 모두에 전자파 저감코일이 삽입되면, 전자파 저감 효과가 보다 향상되어 전력 전송 효율을 더욱 높일 수 있다.
또한, 도 6D는 송신코일이 복수 개일 때 전자파 저감 코일(630)이 적용되는 실시예로서, 전자파 저감 코일(630)이 복수 개의 송신코일들(611, 612, 613)을 모두 동일 면 상에서 둘러싸는 형태로 구현될 수 있다. 이러한 경우, 복수 개의 송신코일들(611, 612, 613) 중 적어도 하나가 동작함에 따라 발생되는 불요 전자파를, 이들 송신코일들을 둘러싸고 있는 전자파 저감 코일(630)에서 차단하도록 할 수 있다.
도 7은 일실시예에 따른 전자파 저감을 위한 코일(710)과 정합회로 또는 공진회로(720)의 결합을 설명하는 도면이다.
무선 전력 전송 과정에서 불필요한 고조파 신호에 대한 저감 효과를 보다 높이기 위해, 도 7A 및 도 7B와 같이 전자파 저감을 위한 코일(710)에 임피던스 정합회로 또는 공진회로(캐패시터, 저항, 인덕터 등의 공진소자 포함)를 연결하여 사용할 수 있다. 상기 임피던스 정합회로 및 공진회로(720)는 전자파 저감 대상인 신호의 주파수 영역을 조정하기 위한 수단으로, 상기 전자파 저감을 위한 코일(710)의 임피던스나 공진주파수를 조정하는 데 사용되는 회로 또는 소자가 이용될 수 있다. 이를 테면, 무선전력 전송 과정에서 전송대상 신호의 주파수(f0)가 100kHz인 경우 발생되는 고조파는 200kHz 이상의 대역을 갖게 되므로, 이 때 상기 전자파 저감 코일(710)의 공진 주파수를 저감 대상 신호인 상기 고조파 신호의 주파수 영역인 200kHz로 설정하도록 상기 전자파 저감 코일(710)과 상기 정합회로(720, 또는 공진회로)를 조정할 수 있으며, 이러한 경우 도 8A의 고역통과(high pass) 또는 도 8B의 대역통과(band pass) 특성의 결과를 얻을 수 있다.
도 8은 일실시예에 따라 전자파 저감을 위한 코일과 정합회로(또는 공진소자)의 결합에 의한 전자파 저감 효과를 설명하는 도면이다.
도 7에서와 같이, 전자파 저감 코일(710)에 임피던스 정합회로 또는 공진회로를 연결하는 경우, 상기 전자파 저감 코일(710)의 공진 주파수를 조정함으로써 불필요한 고조파 신호에 대한 저감 효과를 보다 높일 수 있다.
이를 테면, 저감 대상 신호인 고조파 신호의 주파수 영역을 고려하여 상기 전자파 저감 코일(710)의 공진 주파수를 조정하는 경우, 도 8A와 같이 고역통과(high pass)특성을 이용하여 특정 주파수 이상의 영역의 신호를 차단하거나 또는 도 8B와 같이 대역통과(band pass) 특성을 이용하여 특정 주파수 영역 구간의 신호를 차단함으로써, 전자파 저감 코일(710)을 단독으로 사용하는 경우보다 효율적으로 고조파 성분을 저감시킬 수 있다.
도 9는 일실시예에 따른 전자파 저감 방법을 도시하는 흐름도이다.
일실시예에 따른 무선 전력 전송 장치는 무선으로 전력(또는 에너지)를 전송하는 과정에서, 전자파 저감을 위한 제3 코일을 추가 삽입하는 비교적 간단한 방식을 통해 전송대상 주파수 신호 외에 장치 내부에 영향을 미치거나 장치 외부로 방출되는 (전력 전송에는 불필요한)전자파를 저감시키는 방법을 제공한다.
단계 910에서는, 상기 무선 전력 전송 장치의 송신부가는 송신회로에서 생성된 고주파 전력 신호를 제1 코일에 입력하여 자기장을 발생시킨다. 여기서, 상기 고주파 전력 신호는 상기 송신회로에 포함된 스위칭 소자를 이용하여 생성된 구형파(square wave) 형태의 신호일 수 있다.
단계 920에서는, 상기 무선 전력 전송 장치의 저감부가 상기 제1 코일 및 제2 코일의 사이에 삽입되는 제3 코일을 이용하여 상기 고주파 전력 신호 중 고조파 성분을 저감시킬 수 있다. 상기 제3 코일은 상기 제1 코일 및/또는 상기 제2 코일의 직경보다 크거나 같은 직경을 가지며, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일 중 적어도 하나를 감싸도록 삽입될 수 있다. 다만, 상기 제3 코일의 위치 및 크기는 어느 하나의 실시예에 제한되지 않으며, 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 이를 테면, 상기 제3 코일은 상기 제1 코일 및 제2 코일 중 적어도 하나와 동일한 면 상에 위치하도록 삽입될 수도 있다.
단계 920에서, 상기 저감부는 상기 제3 코일의 인덕턴스 또는 상기 제3 코일의 턴수를 조절하여 저감대상 신호인 상기 고조파 성분에 대한 기준 주파수를 조정할 수 있다. 또한, 상기 저감부는 상기 고조파 성분에 대한 저감 효과를 보다 높이기 위해, 상기 제3 코일에 임피던스 정합 회로 및 공진소자 중 적어도 하나를 연결하여 사용할 수 있으며, 상기 임피던스 정합 회로 및 공진소자 중 적어도 하나를 이용하여 상기 제3 코일의 공진 주파수를 저감 대상 신호인 상기 고조파 신호의 주파수 영역 이하로 조절할 수도 있다. 또한, 단계 920에서, 상기 저감부는 상기 제3 코일의 감긴 방향(coiling direction)에 따라 다른 방식으로 상기 고조파 성분을 저감시킬 수 있다. 이를 테면, 상기 제3 코일의 감긴 방향이 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 감긴 방향과 동일한 경우에는 상기 고조파 신호의 짝수 차(even mode) 신호를 감쇄시키고, 상기 제3 코일의 감긴 방향이 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 감긴 방향과 반대인 경우에는 상기 고조파 신호의 홀수 차(odd mode) 신호를 감쇄시킬 수 있다.
단계 930에서는, 상기 무선 전력 전송 장치의 수신부가 상기 제1 코일에 발생된 자기장에서 상기 제3 코일을 통해 저감된 고조파 성분을 제외한 신호를 상기 제2 코일에 통과시켜 유도전류를 발생시킨다. 이 때, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은 루프 형의 솔레노이드 형(solenoid type) 코일 및 헬리컬 형(helical type) 코일 중 적어도 하나일 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 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 실시예를 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. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
Claims (18)
- 무선 전력 전송 시 전송 대상 신호를 제외한 전자파를 저감시키는 무선 전력 전송 장치에 있어서,
송신회로에서 생성된 고주파 전력 신호를 제1 코일에 입력하여 자기장을 발생시키는 송신부;
제2 코일에 상기 발생된 자기장을 통과시켜 유도전류를 발생시키는 수신부; 및
상기 송신부 및 상기 수신부의 경로 상에 삽입되는 제3 코일을 이용하여 상기 고주파 전력 신호 중 고조파 성분을 저감시키는 저감부
를 포함하고,
상기 저감부는,
상기 제3 코일의 감긴 방향(coiling direction)이 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 감긴 방향과 동일한 경우에는 상기 고조파의 짝수 차(even mode) 신호를 감쇄시키고,
상기 제3 코일의 감긴 방향(coiling direction)이 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 감긴 방향과 반대인 경우에는 상기 고조파의 홀수 차(odd mode) 신호를 감쇄시키는, 무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
상기 고주파 전력 신호는,
상기 송신회로의 스위칭 소자를 이용하여 생성된 구형파(square wave) 형태의 신호인 무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
상기 저감부는,
상기 제1 코일 또는 상기 제2 코일의 직경보다 크거나 같은 직경을 가지는 제3 코일을 이용하여, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일 중 적어도 하나를 감싸도록 위치하는 무선 전력 전송 장치. - 제3항에 있어서,
상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은 루프 형의 솔레노이드형(solenoid type) 및 헬리컬형(helical type) 중 적어도 하나인 무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
상기 저감부는,
상기 제3 코일의 인덕턴스 또는 상기 제3 코일의 턴수를 조절하여 저감 대상인 상기 고조파의 기준 주파수를 조정하는 무선 전력 전송 장치. - 제1항에 있어서,
상기 저감부는,
상기 제3 코일에 임피던스 정합회로 및 공진소자 중 적어도 하나를 연결하고, 상기 임피던스 정합회로 및 공진 소자 중 적어도 하나를 이용하여 상기 제3 코일의 공진주파수를 저감 대상인 상기 고조파의 주파수 영역 이하로 조정하는 무선 전력 전송 장치. - 삭제
- 무선 전력 전송 장치의 전력신호 전송 시 전송 대상 신호를 제외한 전자파를 저감시키는 방법에 있어서,
송신회로에서 생성된 고주파 전력 신호를 제1 코일에 입력하여 자기장을 발생시키는 단계;
상기 제1 코일 및 제2 코일 사이에 삽입되는 제3 코일을 이용하여 상기 고주파 전력 신호 중 고조파 성분을 저감시키는 단계; 및
상기 발생된 자기장에서 상기 저감된 고조파 성분을 제외한 신호를 제2 코일에 통과시켜 유도전류를 발생시키는 단계
를 포함하고,
상기 고조파 성분을 저감시키는 단계는,
상기 제3 코일의 감긴 방향(coiling direction)이 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 감긴 방향과 동일한 경우에는 상기 고조파의 짝수 차(even mode) 신호를 감쇄시키고,
상기 제3 코일의 감긴 방향(coiling direction)이 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 감긴 방향과 반대인 경우에는 상기 고조파의 홀수 차(odd mode) 신호를 감쇄시키는, 전자파 저감 방법. - 제8항에 있어서,
상기 고주파 전력 신호는,
상기 송신회로의 스위칭 소자를 이용하여 생성된 구형파(square wave) 형태의 신호인 전자파 저감 방법. - 제8항에 있어서,
상기 고조파 성분을 저감시키는 단계는,
상기 제1 코일 또는 상기 제2 코일의 직경보다 크거나 같은 직경을 가지는 제3 코일을, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일 중 적어도 하나를 감싸도록 위치시키는 전자파 저감 방법. - 제10항에 있어서,
상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은 루프 형의 솔레노이드형(solenoid type) 및 헬리컬형(helical type) 중 적어도 하나인 전자파 저감 방법. - 제8항에 있어서,
상기 고조파 성분을 저감시키는 단계는,
상기 제3 코일의 인덕턴스 또는 상기 제3 코일의 턴수를 조절하여 저감 대상인 상기 고조파의 기준 주파수를 조정하는 전자파 저감 방법. - 제8항에 있어서,
상기 고조파 성분을 저감시키는 단계는,
상기 제3 코일에 임피던스 정합회로 및 공진소자 중 적어도 하나를 연결하고, 상기 임피던스 정합회로 및 공진 소자 중 적어도 하나를 이용하여 상기 제3 코일의 공진주파수를 저감 대상인 상기 고조파의 주파수 영역 이하로 조정하는 전자파 저감 방법. - 삭제
- 무선 전력 전송 장치의 전력신호 전송 시 전송 대상 신호를 제외한 전자파를 저감시키는 방법에 있어서,
송신회로에서 생성된 고주파 전력 신호를 제1 코일에 입력하여 자기장을 발생시키는 단계;
상기 제1 코일 및 제2 코일 중 적어도 하나와 동일한 면 상에 위치하는 제3 코일을 이용하여 상기 고주파 전력 신호 중 고조파 성분을 저감시키는 단계; 및
상기 제2 코일에 상기 발생된 자기장을 통과시켜 유도전류를 발생시키는 단계
를 포함하고,
상기 고조파 성분을 저감시키는 단계는,
상기 제3 코일의 감긴 방향(coiling direction)이 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 감긴 방향과 동일한 경우에는 상기 고조파의 짝수 차(even mode) 신호를 감쇄시키고,
상기 제3 코일의 감긴 방향(coiling direction)이 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 감긴 방향과 반대인 경우에는 상기 고조파의 홀수 차(odd mode) 신호를 감쇄시키는, 전자파 저감 방법. - 제15항에 있어서,
상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은 루프 형의 솔레노이드형(solenoid type) 및 헬리컬형(helical type) 중 적어도 하나인 전자파 저감 방법. - 제15항에 있어서,
상기 고조파 성분을 저감시키는 단계는,
상기 제3 코일의 인덕턴스 또는 상기 제3 코일의 턴수를 조절하여 저감 대상인 상기 고조파의 기준 주파수를 조정하는 전자파 저감 방법. - 제15항에 있어서,
상기 고조파 성분을 저감시키는 단계는,
상기 제3 코일에 임피던스 정합회로 및 공진소자 중 적어도 하나를 연결하고, 상기 임피던스 정합회로 및 공진 소자 중 적어도 하나를 이용하여 상기 제3 코일의 공진주파수를 저감 대상인 상기 고조파의 주파수 영역 이하로 조정하는 전자파 저감 방법.
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