用于感測所需發射電力以達到最優效率的無線電力發射器的自動諧振驅動器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及例如用于給便攜式裝置或遠程供電裝置中的電池再充電的電力到裝 置的無線發射，且特定來說涉及使用自動諧振電力發射器的此系統。
【背景技術】
[0002] 最近，對開發用W給從消費型電子器件（例如手機）到重型工業設備（例如在起 重機的端處的電動機）的各種裝置供電的無線電力傳送系統越來越感興趣。此興趣背后的 主要驅動力是此些無線電力傳送系統能夠移除在傳統線連接的系統中將電力從源遞送到 負載所必需的直接電接觸。此電接觸的移除許諾許多優點，包含便利性、經減少維護成本及 可靠性。
[0003] 在圖1中所展示的典型無線電力傳送系統中，由電壓源13供電的發射器電路12 使發射電感器L1通電W發射隨時間變化的磁場。接著將接收電感器L2放置于所產生的磁 場中，從而誘發在接收電感器L2中流動的類似地隨時間變化的電流。此所誘發電流可用于 在接收器電路14中產生AC電壓，所述AC電壓又可接著在接收器輸出處經整流W產生能夠 遞送DC電流W給接收器側上的負載咕供電的DC電壓。所述負載可為待再充電的電池或 電路。接收器電路14可位于也容納負載的外殼（例如手機或其它手持式裝置）內側。發 射器電路12可位于支撐平臺中，手機（例如）通宵放置于所述支撐平臺上W用于給其電池 再充電。
[0004]在最實際無線電力傳送系統中，到達接收器電感器L2的磁場量與傳統基于變壓 器的孤立系統相比是相對小的。對由發射器電感器L1產生的磁場有多少到達接收器電感 器L2的常用測量叫做由在0與1之間的禪合系數k表示的禪合。具有小于0. 8的禪合系 數的系統通常在發射器電路中采用諧振電路W在發射電感器L1中產生足夠電流。需要此 相對大的發射電感器L1電流產生在接收電感器中誘發充足電流W給負載供電所需的強磁 場。
[0005]注意，通常還在接收側上采用諧振電路。通過將接收側上的諧振電路調諧到與磁 場發生改變的頻率相同的頻率，諧振電路為磁場提供閉合其回路的優選路徑（注意，磁場 線總是必須自身閉合回路，因為不存在磁單極子）。因此，接收器處的諧振電路幫助重塑圍 繞接收電感器L2的局部磁場且增加場強度，使得可在電感器中誘發相對較大電流量。
[0006]在諧振接收器中，此AC電流在接收電感器L2與接收器電路14中的電容器之間來 回流動，從而產生電壓。較大所誘發電流產生較大峰值電壓，所述較大峰值電壓可接著更容 易地經整流且可能經調節，從而產生所要電壓W用于接收器負載。
[0007] 在發射側上，圖2中展示用于在發射電感器中產生AC電流的常見諧振電路。圖2 圖解說明驅動LC槽電路的半橋驅動器。W特定頻率且W特定工作循環驅動開關SW-A及 SW-B。通常通過掃掠特定頻率范圍且監視跨越發射電感器L(圖1中的發射電感器L1)產 生的電壓Vl來確定此頻率。當電壓VJ勺振幅處于最大值時，接著將驅動頻率確定為等于 LC槽的自然頻率。接著還可控制開關SW-A相對于開關SW-B的工作循環W調節在此LC槽 自然頻率下對應于的電流勺峰值振幅的Vj勺峰值振幅。注意，在正常操作中，開關SW-A 及SW-B決不同時接通。然而，二極管D1及D2的存在允許所述兩個開關同時關斷，與此同 時將SW節點電壓維持在供應電壓Vs或接地的二極體壓降內。
[0008] 注意，LC槽電路的自然頻率在電路操作的過程期間通常不保持固定在一個值。舉 例來說，通常使用的電容器及發射電感器具有溫度系數，此意味槽的自然頻率將隨溫度變 化而變動。且由于正在此電感器及電容器中發展相對大量的AC電流，因此此電容器及電感 器中的20到30度的溫度增加是相對常見的。另一常見效應是當W不同或改變的禪合系數 禪合接收器電感器時發生的自然頻率的變動。
[0009] 所有該些變化的效應需要必須W定期間隔重復用W找到自然頻率的頻率掃掠W 確保WLC槽的自然頻率驅動開關SW-A及SW-B。對不斷地搜索此自然頻率及工作循環調制 控制的需要通常意味涉及復雜數字電路。常常，此需要微處理器的使用W實施自定義算法。
[0010] 需要一種用于W無線方式將電力發射到負載的發射技術，所述發射技術W更具成 本效益方式設置槽電路的自然頻率。
[0011] 關于用于W無線方式將電力發射到負載的現有技術發射系統的另一問題是：通常 針對更糟糕情形負載情況設置發射電力。因此，如果接收器側上的負載不需要太多電力，那 么發射電力是過多的且浪費的。因此，還需要一種將發射電力量高效地控制到僅實際需要 用于負載的量的技術。
【發明內容】
[0012] 本發明掲示一種用于W無線方式將電力供應到負載的高效發射及接收系統。發射 電路包含W其自然頻率操作W達到最大所發射電力及效率的LC槽電路。
[0013] 本發明自動檢測LC槽電路的自然頻率且在逐循環基礎上調整其開關的驅動頻 率，使得其總是追蹤所述槽電路的所述自然頻率。本發明還提供展示此方法與工作循環調 制兼容的實例性電路。
[0014] 換句話說，諧振電力發射器將其驅動頻率鎖定到諧振槽的所述自然頻率上W形成 自動諧振電路。所述方法及電路還允許驅動波形的脈沖寬度的調制W控制諧振槽中的循環 電流量。
[0015] 除此方法及電路之外，本發明還掲示一種允許對所發射電力的控制W減少常備電 力且優化總體系統效率的新檢測方法。因此，發射器電路在負載不需要其時不必W全功率 操作。所述方法調制自動諧振電路的驅動波形的脈沖寬度或振幅且在監視發射器諧振槽中 產生的峰值電壓的遞增改變。接著將峰值電壓調節到遞增改變剛剛開始增加之處。此峰值 電壓反映諧振電力傳送系統的總體質量怕）因數。一旦接收電路中的電壓調節器（將DC 電力提供給負載）實現調節，Q因數便改變，因為從接收器電路到發射器電路的經反射阻抗 在存在調節時改變。發射器電力不必為大于接收器電路中的電壓調節器實現調節所需要的 最小值的任何電力。此質量因數檢測方法可經延伸W包含具有次級側調節的任何電力傳送 系統且其中從次級側到初級側的直接電連接并非合意的。
【附圖說明】
[0016] 圖1圖解說明用于W無線方式將電力提供到負載的現有技術系統。
[0017] 圖2圖解說明用于驅動發射器電感器的現有技術半橋電路。
[001引圖3將圖2中的開關圖解說明為產生脈沖序列的電壓源。
[0019] 圖4圖解說明在諧振穩定狀態下穿過圖3的電感器的電流。
[0020] 圖5圖解說明驅動槽電路的經簡化發射器電路。
[0021] 圖6圖解說明在包含諧振頻率的頻率范圍內的槽電路的阻抗。
[0022] 圖7圖解說明在圖3的槽電路中響應于單個電壓脈沖而產生的電流。
[0023] 圖8圖解說明根據本發明的一個實施例的W其諧振頻率驅動槽電路的控制電路。
[0024] 圖9圖解說明在添加用于起始切換的振蕩器的情況下圖8的控制電路。
[00巧]圖10圖解說明發射器電感器與接收器電感器的禪合。
[0026] 圖11圖解說明在一頻率范圍內的圖10的槽電路的阻抗。
[0027] 圖12類似于圖3,但根據本發明經控制。
[002引圖13圖解說明在諧振穩定狀態下穿過圖12的電感器的電流波形。
[0029] 圖14AU4B及14C圖解說明在開關的操作期間的H個相位。
[0030] 圖15將脈沖寬度控制添加到圖9的電路W控制峰值電感器電流。
[0031] 圖16圖解說明在穩定狀態下的圖15的受控脈沖寬度及所得電感器電流。
[0032] 圖17圖解說明控制穿過電感器的電流的全橋。
[0033] 圖18圖解說明控制圖17的全橋的圖9的控制電路。
[0034] 圖19將脈沖寬度控制添加到圖18的電路W控制峰值電感器電流。
[0035] 圖20圖解說明在穩定狀態下的圖19的電路中的受控脈沖寬度及所得電感器電 流。
[0036] 圖21A、21B、21C及21D圖解說明在圖19中的開關的操作期間的四個相位。
[0037] 圖22及23圖解說明當接收器中的電壓調節器在使用于驅動發射器電感器的驅動 脈沖寬度（或供應電壓）線性斜升時實現調節（工作循環小于100% )時峰值電感器電壓 的迅速增加。
[0038] 圖24圖解說明電力發射系統的實施例，其中展示基于在使用于驅動發射器電感 器的驅動脈沖寬度（或供應電壓）斜升時在發射器電感器上檢測到的峰值電壓而W最優方 式驅動發射器電感器W實現最大效率的重要元件。
[0039] 圖25是圖24的發射器電路的可能實施例。
[0040] W相同編號標示相同或等效的元件。
【具體實施方式】
[0041] 簡單諧振電路
[004引圖3展示電壓源16產生WLC自然頻率也=1/2nVLC)驅動簡單LC諧振電路 18的方波。電壓源16并有圖2中的開關SW-A及SW-B的理想版本。在穩定狀態下且在每 一開關的50%工作循環（W用于最大電流）下，圖4中展示SW節點處的電壓及穿過電感器 L的電流。從波形清楚的一個特性是：在穩定狀態下，SW節點處的切換波形及穿過電感器L 的正弦電流的基本原則為同相。
[0043] 圖5展示呈半橋配置的圖3的等效物，其中開關SW-A及SW-B的接通電阻各自等 于尺3。如果在50%工作循環下^^：自然頻率驅動5￥-4及5￥-日，那么在穩定狀態下5胖節 點處的電壓及穿過電感器L的電流與圖4中所展示的情形完全相同。解釋此情形的另一種 方式是使用圖6的串聯LC阻抗曲線，圖6展示LC網絡跨越寬頻率范圍的阻抗變化。注意， 通過WLC諧振頻率驅動開關SW-A及SW-B，迫使電路W其在點20處的最小實際阻抗（此時 其相位等于零（即，僅存在電阻且不存在電抗））操作。
[0044]考慮到SW-A及SW-B決不會同時接通，圖7展示在短暫地接通開關SW-A達單個脈 沖且接著接通開關SW-B時形成的波形。注意，脈沖持續時間并不重要（其可大于或小于LC 槽的自然頻率的半周期）；僅SW節點處的