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KR-102960159-B1 - WIRELESS POWER TRANSMITTER COMPRISING DOWNSIZED INVERTER REDUCING HARMONICS

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Abstract

다양한 실시예들에 따르면, 무선 전력 송신기는, 입력 신호 및 구동 전압에 기반하여, 증폭된 신호를 출력하도록 설정된 트랜지스터, 트랜지스터와 병렬로 연결된 제1 커패시터, 트랜지스터와 병렬로 연결되고, 제1 인덕터 및 제1 인덕터와 직렬로 연결된 제2 커패시터를 포함하는 제1 LC 공진 회로, 일단이 트랜지스터의 출력단 및 제1 LC 공진 회로와 연결된 제3 커패시터, 제3 커패시터의 타단과 직렬로 연결되고, 적어도 일부가 제3 커패시터와 제2 LC 공진 회로를 구성하도록 설정된 피딩 코일 및 송신 코일 및 송신 코일과 직렬로 연결된 제4 커패시터를 포함하는 송신 공진기를 포함하고, 송신 코일의 적어도 일부는, 피딩 코일과 자기적으로 결합되고, 피딩 코일로부터 수신된 전력의 적어도 일부가 송신 공진기를 통해 외부로 출력될 수 있다.

Inventors

  • 구범우
  • 박재석
  • 박재현
  • 유영호
  • 한정규

Assignees

  • 삼성전자주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20210929

Claims (20)

  1. 무선 전력 송신기에 있어서, 입력 신호 및 구동 전압에 기반하여, 증폭된 신호를 출력하도록 설정된 트랜지스터; 상기 트랜지스터와 병렬로 연결된 제1 커패시터; 상기 트랜지스터와 병렬로 연결되고, 제1 인덕터 및 상기 제1 인덕터와 직렬로 연결된 제2 커패시터를 포함하는 제1 LC 공진 회로; 일단이 상기 트랜지스터의 출력단 및 상기 제1 LC 공진 회로와 연결된 제3 커패시터; 송신 코일 및 상기 송신 코일과 직렬로 연결된 제4 커패시터를 포함하는 송신 공진기, 및 상기 제3 커패시터의 타단과 직렬로 연결되고, 적어도 일부가 상기 제3 커패시터와 제2 LC 공진 회로를 구성하도록 설정된 피딩 코일을 포함하고, 상기 피딩 코일은 제1 부분과 제2 부분을 포함하고, 상기 피딩 코일의 상기 제1 부분과 상기 제3 커패시터는 상기 제2 LC 공진 회로를 구성하고, 상기 피딩 코일의 상기 제1 부분은, 상기 제2 LC 공진 회로의 공진 주파수가 상기 입력 신호의 동작 주파수에 대응하도록 하는 제1 인덕턴스 값을 가지도록 설정되고, 상기 피딩 코일의 상기 제2 부분의 제2 인덕턴스 값은, 상기 송신 코일의 인덕턴스 값, 또는 상기 송신 코일과 상기 피딩 코일 간의 자기결합계수 중 적어도 하나에 기반하여 결정되고, 상기 송신 코일의 적어도 일부는, 상기 피딩 코일과 자기적으로 결합되고, 및 상기 피딩 코일로부터 수신된 전력의 적어도 일부가 상기 송신 공진기를 통해 외부로 출력되는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 LC 공진 회로는, 상기 입력 신호의 동작 주파수에서 밴드 패스 필터로 동작하도록 설정된 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 인덕턴스 값은, 상기 제1 인덕턴스 값에 대한 상기 제1 인덕턴스 값과 상기 제2 인덕턴스 값을 합산한 값의 비율, 상기 송신 코일의 인덕턴스 값 및 상기 자기결합계수가, 상기 송신 공진기의 임피던스 값과 지정된 관계를 가지도록 결정되는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 송신 코일의 인덕턴스 값은, 상기 무선 전력 송신기와, 상기 무선 전력 송신기의 외부에 배치된 무선 전력 수신기 간의 거리에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 송신 코일은 제1 코일 및 제2 코일을 포함하고, 상기 제1 코일은 상기 피딩 코일과 자기적으로 결합되는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 제1 코일은, 상기 피딩 코일이 권선된 페라이트 코어(ferrite core)에 권선되는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  9. 제7항에 있어서, 상기 제4 커패시터는, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  10. 제7항에 있어서, 상기 제1 LC 공진 회로, 상기 제3 커패시터 및 상기 제1 코일은, 동일한 PCB(printed-circuit board)에 배치되는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2 코일 및 상기 제4 커패시터는, 상기 PCB의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기
  12. 제1항에 있어서, 상기 송신 공진기의 공진 주파수는, 상기 입력 신호의 동작 주파수에 대응하도록 설정된 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 LC 공진 회로 및 상기 제3 커패시터는, 동일한 PCB(printed-circuit board)에 배치되는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  14. 제13항에 있어서, 상기 피딩 코일, 상기 송신 코일 및 상기 제4 커패시터는, 상기 PCB의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  15. 제1항에 있어서, 상기 구동 전압을 공급하도록 설정된 입력 전원; 및 상기 입력 전원과 상기 트랜지스터의 입력단 사이에 배치된 쵸크(choke) 인덕터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 쵸크 인덕터의 인덕턴스 값과 상기 제1 커패시터의 커패시턴스 값은, 상기 입력 신호의 동작 주파수에 기반한 미리 설정된 비율을 가지도록 설정된 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  17. 무선 전력 송신기에 있어서, 입력 신호 및 구동 전압에 기반하여, 증폭된 신호를 출력하도록 설정된 트랜지스터; 상기 트랜지스터와 병렬로 연결된 제1 커패시터; 상기 트랜지스터와 병렬로 연결되고, 제1 인덕터 및 상기 제1 인덕터와 직렬로 연결된 제2 커패시터를 포함하는 제1 LC 공진 회로; 상기 트랜지스터의 출력단과 연결되고, 상기 제1 LC 공진 회로와 병렬로 연결된 제1 코일 및 상기 제1 코일이 권선된 페라이트 코어에 권선된 제2 코일을 포함하는 트랜스포머(transformer); 상기 제2 코일과 직렬로 연결된 제3 커패시터; 송신 코일 및 상기 송신 코일과 직렬로 연결된 제4 커패시터를 포함하는 송신 공진기, 및 상기 제3 커패시터와 직렬로 연결되고, 상기 제3 커패시터와 제2 LC 공진 회로를 구성하도록 설정된 피딩 코일을 포함하고, 상기 피딩 코일은 제1 부분과 제2 부분을 포함하고, 상기 피딩 코일의 상기 제1 부분과 상기 제3 커패시터는 상기 제2 LC 공진 회로를 구성하고, 상기 피딩 코일의 상기 제1 부분은, 상기 제2 LC 공진 회로의 공진 주파수가 상기 입력 신호의 동작 주파수에 대응하도록 하는 제1 인덕턴스 값을 가지도록 설정되고, 상기 피딩 코일의 상기 제2 부분의 제2 인덕턴스 값은, 상기 송신 코일의 인덕턴스 값, 또는 상기 송신 코일과 상기 피딩 코일 간의 자기결합계수 중 적어도 하나에 기반하여 결정되고, 상기 송신 코일의 적어도 일부는, 상기 피딩 코일과 자기적으로 결합되고, 및 상기 피딩 코일로부터 수신된 전력의 적어도 일부가 상기 송신 공진기를 통해 외부로 출력되는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제2 LC 공진 회로의 공진 주파수는 상기 입력 신호의 동작 주파수에 대응하도록 설정된 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  19. 제17항에 있어서, 상기 제1 코일 및 상기 제2 코일의 자기적 결합에 기반하여, 상기 트랜지스터로부터 출력된 전력의 적어도 일부가 상기 피딩 코일로 전달되는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.
  20. 제17항에 있어서, 상기 제1 LC 공진 회로 및 상기 트랜스포머는 동일한 PCB에 배치되고, 상기 피딩 코일은 상기 PCB의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 무선 전력 송신기.

Description

고조파를 저감하는 소형화 된 인버터를 포함하는 무선 전력 송신기{WIRELESS POWER TRANSMITTER COMPRISING DOWNSIZED INVERTER REDUCING HARMONICS} 본 개시의 다양한 실시예들은, 고조파를 저감하는 소형화 된 인버터를 포함하는 무선 전력 송신기에 관한 것이다. 인버터(inverter)는, 직류(direct current, DC) 전력을 교류(alternating current, AC) 전력으로 변환하는 장치이다. 인버터의 효율을 높이기 위하여, 인버터의 출력단에는 다양한 매칭(matching) 회로가 연결될 수 있다. 인버터의 일 예로, 클래스(class) E 인버터(또는, 클래스 E 전력 증폭기(power amplifier, PA))가 있다. 이러한 클래스 E 인버터는, ZVS(zero-voltage switching) 조건 및 ZDS(zero-derivative voltage switching) 조건에서 동작하기 때문에, 높은(예: 1MHz 이상) 스위칭 주파수에서 효율적으로 동작이 가능하다는 이점이 있다. 도 1a는, 비교 예에 따른, 전력 송신 시스템의 일 예를 도시한다. 도 1b는, 비교 예에 따른, 전력 송신 시스템의 다른 예를 도시한다. 도 2a 내지 도 2c는, 도 1a의 전력 송신 시스템의 특성을 해석하기 위한 예시 도면들이다. 도 3은, 다양한 실시예들에 따른 무선 전력 송신기 및 무선 전력 수신기(350)의 블록도를 도시한다. 도 4는, 다양한 실시예들에 따른, 무선 전력 송신기의 구성 요소들을 설명하기 위한 도면이다. 도 5a 및 도 5b는, 도 4의 무선 전력 송신기의 특성을 해석하기 위한 예시 도면들이다. 도 6은, 다양한 실시예들에 따른, 무선 전력 송신기의 구성 요소들을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은, 무선 전력 송신기의 다른 구현 예를 도시한다. 도 8은, 무선 전력 송신기의 또 다른 구현 예를 도시한다. 도 1a는, 비교 예에 따른, 전력 송신 시스템(10a)의 일 예를 도시한다. 전력 송신 시스템(10a)은, 입력 전원(1), 쵸크(choke) 인덕터(또는, RF(radio frequency) 쵸크 인덕터)(Lck)(3), 드라이버(driver)(또는, 게이트 드라이버(gate driver))(5), 트랜지스터(7), 제1 커패시터(Cp)(9), 제1 LC 공진 회로(11), 제2 LC 공진 회로(13) 및 LCC 네트워크(15) 및 송신 코일(Ltx)(17)을 포함할 수 있다. 트랜지스터(7)는, 입력 전원(1)으로부터 DC 전압(Vin)을 구동 전압으로 인가 받아 동작할 수 있다. 트랜지스터(7)는, 드라이버(5)로부터 입력단(예: 게이트(gate))을 통해, 펄스 형태(예: 구형파(squre wave))의 입력 신호를 수신하여 턴 온 또는 턴 오프될 수 있다. 트랜지스터(7)는, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET)를 포함할 수 있다. 쵸크 인덕터(3)는, DC 전류만 트랜지스터(7)에 전달되도록, 입력 전원(1)으로부터 트랜지스터(7)에 RF 신호가 전달되는 것을 차단할 수 있다. 제1 커패시터(9)는, 트랜지스터(7)와 병렬로 연결되고, 트랜지스터(7)가 턴 온 또는 턴 오프되는 동안, 방전되거나(discharged) 충전될(charged) 수 있다. 제1 커패시터(9)는, 션트(shunt) 커패시터라고 불려질 수 있다. 제1 커패시터(9)는, 트랜지스터(7)와 병렬로 연결된 별도의 커패시터일 수 있으며, 트랜지스터(2)의 내부 커패시턴스(예: 드레인-소스 커패시턴스(Cds))를 포함하는 개념으로 설명될 수도 있다. 트랜지스터(7)는 드라이버(5)로부터 입력 신호를 수신하여 턴 온 또는 턴 오프될 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터(7)는, 드라이버(5)로부터 수신된 입력 신호에 기반하여, 입력 신호의 동작 주파수(예: 후술하는 fs)로 턴 온 또는 턴 오프될 수 있다. 트랜지스터(7)가 턴 온 또는 턴 오프됨에 기반하여, RF 전력이 생성될 수 있다. 생성된 RF 전력은 트랜지스터(7)의 출력단을 통해 제1 LC 공진 회로(11) 및/또는 제2 LC 공진 회로(13)로 전달될 수 있다. 더욱 상세하게는, 트랜지스터(7)가 턴 온 되면(예: 트랜지스터(7)가 포화 상태가 되면), 트랜지스터(7)는 전기적으로 단락되어 소스(source)와 연결된 접지에 대한 단락 회로로 해석될 수 있으며, 출력단의 전압은 0으로 해석될 수 있다. 쵸크 인덕터(3)를 통해 트랜지스터(7)로 흐르는 전류는 점차 증가할 수 있다. 이후, 트랜지스터(7)가 턴 오프 되면, 쵸크 인덕터(3)를 통해 흐르는 전류는 제1 커패시터(9)로 향하게 되며, 제1 커패시터(9)가 점차 충전됨에 따라 트랜지스터(7)의 출력단의 전압(예: 제1 커패시터(9)의 양단 전압)은 최대값에 도달할 때까지 증가할 수 있다. 이후에, 제1 커패시터(9)가 점차 방전됨에 따라 제1 커패시터(9)로부터 트랜지스터(7)의 출력단을 통해 제1 LC 공진 회로(11) 및/또는 제2 LC 공진 회로(13)로 전류가 흐르면서 제1 커패시터(9)의 양단 전압이 점차 감소할 수 있다. 트랜지스터(7)가 턴 오프된 후 다시 턴 온되기 전에(예: 쵸크 인덕터(3)를 통해 트랜지스터(7)로 전류가 다시 흐르기 시작하기 전에), 트랜지스터(7)의 출력단의 전압(예: 제1 커패시터(9)의 양단 전압 및 트랜지스터(7)의 드레인-소스 전압(drain-source voltage))이 점차 감소하여 0이 되고 트랜지스터(7)의 출력단의 전압이 감소하는 변화량이 0이 되도록, 트랜지스터(7), 제1 커패시터(9) 및 입력 신호가 설정될 수 있다. 이후에, 트랜지스터(7)가 다시 턴 온 되면, 쵸크 인덕터(3)를 통해 흐르는 전류는 트랜지스터(7)로 향하게 되며, 트랜지스터(7)가 온 상태인 동안 트랜지스터(7)의 출력단의 전압은 0으로 유지될 수 있다. 상술한 바와 같이, 트랜지스터(7)가 온 상태인 동안에는 트랜지스터(7)의 출력단의 전압이 0이고, 오프 상태인 동안에는 쵸크 인덕터(3)를 통해 흐르는 전류가 제1 커패시터(9)를 향하게 됨에 따라 쵸크 인덕터(3)를 통해 트랜지스터(7)로 흐르는 전류가 0이기 때문에(다시 말해, 트랜지스터(7)의 출력단의 전압이 0이 아닌(non-zero)인 기간과 드레인-소스 전류가 0이 아닌 기간이 중첩되지 않기 때문에), 트랜지스터(7)에서 소모되는 전력은 이상적으로는 0일 수 있다. 하지만, 이상적이지 않은(non-ideal) 경우에 있어서는, 트랜지스터(7)가 턴 온 또는 턴 오프됨에 기반하여 RF 전력을 생성하기 때문에, 생성된 RF 전력은 원하는 주파수 성분(예: 동작 주파수의 기본 성분) 뿐만 아니라, 2차 이상의 고조파 성분을 포함할 수 있다. 트랜지스터(7)의 듀티 사이클(duty cycle)은, 입력 신호에 기반하여, 예를 들어, 50%로 설정될 수 있다. 제1 LC 공진 회로(11)는, 제1 커패시터(9) 및/또는 트랜지스터(7)와 병렬로 연결될 수 있다. 제1 LC 공진 회로(11)는, 서로 직렬로 연결된 제1 인덕터(Lmr)(11a) 및 제2 커패시터(Cmr)(11b)를 포함할 수 있다. 제1 인덕터(11a) 및 제2 커패시터(11b)는, 제1 LC 공진 회로(11)의 공진 주파수가 입력 신호의 동작 주파수(fs)의 2차 고조파 주파수(2fs)에 대응하도록 하는 적절한 소자값들을 가질 수 있다. 제1 LC 공진 회로(11)는, 2차 고조파 주파수(2fs)에서 전기적으로 단락 회로(short circuit)로 해석될 수 있다. 제1 LC 공진 회로(11)는, 2차 고조파 주파수(2fs)에서 전기적으로 단락됨에 기반하여 트랜지스터(7)로부터 생성된 RF 전력의 2차 고조파 성분이 제2 LC 공진 회로(13)로 전달되는 것을 방지하는 2차 하모닉 필터(2nd harmonic filter)(예: 밴드 스탑 필터(band-stop filter))로 동작할 수 있다. 제2 LC 공진 회로(13)는, 트랜지스터(7)의 출력단에 연결될 수 있다. 제2 LC 공진 회로(13)는, 서로 직렬로 연결된 제2 인덕터(Ls)(13a) 및 제3 커패시터(Cs)(13b)를 포함할 수 있다. 제2 인덕터(13a) 및 제3 커패시터(13b)는, 제2 LC 공진 회로(13)의 공진 주파수가 입력 신호의 동작 주파수(fs)에 대응(예: 기본 주파수(또는, 1차 고조파 주파수)(fs)에 대응)하도록 하는 적절한 소자값들을 가질 수 있다. 제2 LC 공진 회로(13)는, 1차 고조파 주파수(fs)에서 전기적으로 단락 회로로 해석될 수 있다. 제2 LC 공진 회로(13)는, 1차 고조파 주파수(fs)에서 전기적으로 단락됨에 기반하여 트랜지스터(7)로부터 생성된 RF 전력의 기본 성분(또는, 1차 고조파 성분)을 통과시키는 밴드 패스 필터(band-pass filter)(또는, 저역 통과 필터(low-pass filter))로 동작할 수 있다. LCC 네트워크(15)는, 제2 LC 공진 회로(13)에 연결될 수 있다. LCC 네트워크(15)는, 1개의 인덕터(예: 제3 인덕터(L1p)(15a)) 및 2개의 커패시터들(예: 제4 커패시터(Cpp)(15b) 및 제5 커패시터(Cps)(15c))을 포함할 수 있다. LCC 네트워크(15)는, 출력 임피던스(예: 제2 LC 공진 회로(13)를 바라본 임피던스)가 송신 코일(Ltx)(17)의 임피던스에 정합되도록 하는 임피던스 매칭을 제공할 수 있다. 송신 코일(Ltx)(17)은, LCC 네트워크(15)의 적어도 일부와 함께 전력 송신 시스템(10a)의 송신 공진기를 구성할 수 있다. 예를 들어, 송신 코일(17), 제4 커패시터(15b) 및 제5 커패시터(15c)는, 송신 공진기를 구성할 수 있다. 송신 공진기의 공진 주파수(fr)는, 입력 신호의 동작 주파수(fs)에 대응하도록 설정될 수 있다. 비교 예에 따르면, 제4 커패시터(15b), 제5 커패시터(15c) 및 송신 코일(17)은, 외부로 자기장을 형성하기 위한 높은 전류가 흐르는 루프(loop)를 형성할 수 있다. 이 경우에, 제3 인덕