CN104981964B - 无线电力传输设备及其方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种无线电力传输设备，该无线电力传输设备用于使用谐振通过传输谐振线圈将电力无线地传输至无线电力接收设备。AC电力生成单元生成具有准方波电压的准方波AC电力。传输感应线圈通过电磁感应将准方波AC电力传输至传输谐振线圈。

Description

无线电力传输设备及其方法
技术领域
本实施方式涉及无线电力传输设备及其方法。
背景技术
无线电力传输或者无线能量传送是指将电能无线地传送至期望的装置的技术。在19世纪，采用电磁感应原理的电动机或变压器已被广泛使用，然后人们尝试了通过辐射电磁波比如无线电波或激光来传输电能的方法。电磁感应是指当导体周围的磁场变化时感生出电压而使得电流流过的现象。虽然电磁感应技术的商业化已围绕小尺寸的装置迅速发展，但是这些装置的电力传输距离较短。
迄今为止，利用电磁感应、谐振和短波长射频的长距离传输已被用作无线能量传送方案。
最近，无线电力传输方案中的基于磁谐振的能量传送方案已被广泛使用。
由于基于电磁感应方案和谐振方案的无线电力传输***通过线圈无线地传输从发射器侧和接收器侧生成的电信号，因此用户可以容易地使用电力给电子装置比如便携式装置充电。
无线电力传输设备产生具有谐振频率的AC电力，并且将该AC电力传输至无线电力接收设备。在这种情况下，电力传输效率由各种原因来确定。同时，针对提高无线电力传输效率的需求增加。
发明内容
技术问题
本实施方式提供了能够提高无线电力传输效率的无线电力传输设备及其方法。
技术方案
根据第一实施方式，提供有一种无线电力传输设备，该无线电力传输设备用于使用谐振通过传输谐振线圈将电力无线地传输至无线电力接收设备。该无线电力传输设备包括：AC电力生成单元，该AC电力生成单元用于生成具有准方波电压的准方波AC电力；以及传输感应线圈，该传输感应线圈用于通过电磁感应将准方波AC电力传输至传输谐振线圈。
无线电力传输设备的输入阻抗可以在基频分量处具有最大值。
无线电力传输设备的输入阻抗可以在二次谐波频率分量处具有最小值。
无线电力传输设备的输入阻抗可以从二次谐波频率分量起随着谐波频率分量的次数增大而增大。
准方波AC电力的占空比可以具有下述值，所述值使得准方波AC电力在基频分量处的功率比能够大于当方波AC电力的占空比为50％时方波AC电力在基频分量处的功率比。
准方波AC电力的占空比可以在23％至48％的范围内。
准方波AC电力的占空比可以在28％至34％的范围内。
准方波AC电力的占空比可以在29％至31％的范围内。
根据第二实施方式，提供有一种由无线电力传输设备使用谐振通过传输谐振线圈将电力无线地传输至无线电力接收设备的方法。该方法包括：生成具有准方波电压的准方波AC电力；以及通过电磁感应将准方波AC电力传输至传输谐振线圈。
无线电力传输设备的输入阻抗可以在基频分量处具有最大值，并且可以从二次谐波频率分量起随着谐波频率分量的次数增大而增大。
该方法还可以包括：生成DC电力；生成正弦波；以及基于正弦波来生成AC电力控制信号。
生成具有准方波电压的准方波AC电力可以包括基于AC电力控制信号来生成准方波AC电力。
准方波AC电力的占空比可以具有下述值，所述值使得准方波AC电力在基频分量处的功率比能够大于当方波AC电力的占空比为50％时方波AC电力在基频分量处的功率比。
根据第三实施方式，提供有一种无线电力传输设备，该无线电力传输设备用于使用谐振通过传输谐振线圈将电力无线地传输至无线电力接收设备。该无线电力传输设备包括：AC电力控制单元，该AC电力控制单元用于生成AC电力控制信号；全桥结构晶体管电路部分，该全桥结构晶体管电路部分用于基于AC电力控制信号来输出具有准方波电压的准方波AC电力；以及传输感应线圈，该传输感应线圈用于通过电磁感应将准方波AC电力传输至传输谐振线圈。
全桥结构晶体管电路部分可以包括：第一晶体管，该第一晶体管包括漏极电极和源极电极，DC电力被施加至第一晶体管的漏极电极，并且第一晶体管的源极电极连接至传输感应线圈的一端；第二晶体管，该第二晶体管包括漏极电极和源极电极，第二晶体管的漏极电极连接至第一晶体管的源极电极，并且第二晶体管的源极电极接地；第三晶体管，该第三晶体管包括漏极电极和源极电极，DC电力被施加至第三晶体管的漏极电极，并且第三晶体管的源极电极连接至传输感应线圈的另一端；以及第四晶体管，该第四晶体管包括漏极电极和源极电极，第四晶体管的漏极电极连接至第三晶体管的源极电极，并且第四晶体管的源极电极接地。第一晶体管的源极电极和第三晶体管的源极电极可以输出准方波AC电力。
准方波AC电力在基频分量处的占空比可以具有下述值，所述值使得准方波AC电力在基频分量处的功率比能够大于当方波AC电力的占空比为50％时方波AC电力在基频分量处的功率比。
准方波AC电力的占空比可以在23％至48％的范围内。
无线电力传输设备的输入阻抗可以在基频分量处具有最大值，并且可以从二次谐波频率分量起随着谐波频率分量的次数增大而增大。
有益效果
如上所述，根据本实施方式，可以增大无线电力传输设备的效率。
根据本实施方式，可以防止由于高电流而损坏电路。
根据本实施方式，采用谐振方案的无线充电设备使用准方波AC电力来增大无线电力传输设备的效率。
附图说明
图1是用于说明根据本实施方式的无线电力传输***的电路图。
图2是示出了根据本实施方式的传输感应线圈的等效电路的电路图。
图3是示出了根据本实施方式的供电装置和无线电力传输设备的等效电路的电路图。
图4是示出了根据本实施方式的无线电力接收设备的等效电路的电路图。
图5是示出了根据第一实施方式的供电装置的框图。
图6是示出了根据第一实施方式的AC电力生成单元和传输电力控制单元的框图。
图7是示出了根据第一实施方式的DC-DC转换器的电路图。
图8是示出了根据第一实施方式的DC-AC转换器的电路图。
图9是示出了根据第一实施方式的无线电力传输方法的流程图。
图10示出了根据第一实施方式的供电装置中的节点处的波形。
图11是示出了根据第一实施方式由供电装置生成的方波AC电力的取决于频率分量而变化的电压幅度的图表。
图12是示出了根据第二实施方式的供电装置的框图。
图13是示出了根据第二实施方式的AC电力生成单元和传输电力控制单元的框图。
图14是示出了根据第二实施方式的DC-AC转换器的电路图。
图15是示出了根据第二实施方式的无线电力传输方法的流程图。
图16示出了根据第二实施方式的供电装置中的节点处的波形。
图17是示出了根据第二实施方式的谐振型无线电力传输***的输入阻抗的图表。
图18是示出了根据第二实施方式由供电装置生成的方波AC电力的取决于频率分量而变化的电压幅度的图表。
图19是示出了根据第二实施方式由供电装置生成的准方波AC电力的根据基频分量而变化的功率比的图表。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述各实施方式，以使得本领域普通技术人员可以容易地使用本实施方式来执行本发明。然而，本实施方式可以不限于以下描述的内容，而是具有各种修改。此外，为了清楚地说明起见，在附图中只示出了与本实施方式相关的部件。在下文中，为相似的元件分配了相似的附图标记。
在以下描述中，当预定部分“包括”预定部件时，该预定部分不排除其他部件，而是还可以包括其他部件，除非另有说明。
在下文中，将参照图1至图4来描述根据本实施方式的无线电力传输***。
图1是用于说明根据本实施方式的无线电力传输***的电路图。
参照图1，无线电力传输***可以包括供电装置100、无线电力传输设备200、无线电力接收设备300以及负载400。
根据本实施方式的供电装置100可以被包括在无线电力传输设备200中。
无线电力传输设备200可以包括传输感应线圈210和传输谐振线圈220。
无线电力接收设备300可以包括接收谐振线圈310、接收感应线圈320以及整流电路330。
供电装置100的两端连接至传输感应线圈210的两端。
传输谐振线圈220可以以预定距离与传输感应线圈210间隔开。
接收谐振线圈310可以以预定距离与接收感应线圈320间隔开。
接收感应线圈320的两端连接至整流电路330的两端，并且负载400连接至整流电路330的两端。根据实施方式，负载400可以被包括在无线电力接收设备300中。
从供电装置100生成的电力被传输至无线电力传输设备200。无线电力传输设备200中接收的电力被传输至无线电力接收设备300，无线电力接收设备300与无线电力传输设备200由于谐振现象而产生谐振，也就是说，无线电力接收设备300具有与无线电力传输设备200的谐振频率相同的谐振频率。
在下文中将更详细地描述电力传输处理。
供电装置100生成具有预定频率的AC电力，并且将该AC电力传输至无线电力传输设备200。
传输感应线圈210和传输谐振线圈220彼此感应耦合。换言之，如果从供电装置100接收的电力使传输感应线圈210中流过AC电流，则由于电磁感应，在物理上与传输感应线圈210间隔开的传输谐振线圈220上感生出AC电流。
此后，传输谐振线圈220中接收的电力通过使用谐振被传输至无线电力接收设备300，无线电力接收设备300形成与无线电力传输设备200的谐振电路。
电力可以在通过使用谐振而彼此阻抗匹配的两个LC电路之间传输。与通过电磁感应而传输的电力相比，通过谐振而传输的电力可以以更高的效率传输得更远。
接收谐振线圈310通过谐振从传输谐振线圈220接收电力。所接收的电力使接收谐振线圈310中流过AC电流。由于电磁感应，接收谐振线圈310中接收的电力被传输至与接收谐振线圈310感应耦合的接收感应线圈320。接收感应线圈320中接收的电力被整流电路330整流并且被传输至负载400。
根据本实施方式，传输感应线圈210、传输谐振线圈220、接收谐振线圈310以及接收感应线圈320可以呈比如圆形、椭圆形或者方形的形状，但是本实施方式不限于此。
无线电力传输设备200的传输谐振线圈220可以通过磁场将电力传输至无线电力接收设备300的接收谐振线圈310。
详细地说，传输谐振线圈220和接收谐振线圈310通过使用谐振而彼此耦合以在谐振频率上工作。
由于传输谐振线圈220和接收谐振线圈310通过使用谐振而彼此耦合，因此可以显著地提高无线电力传输设备200与无线电力接收设备300之间的电力传输效率。
在无线电力传输中，品质因数和耦合系数是很重要的。也就是说，当品质因数和耦合系数具有较大的值时，可以进一步提高电力传输效率。
品质因数可以指可以存储在无线电力传输设备200或无线电力接收设备300附近的能量的指数。
品质因数可以根据线圈的工作频率ω以及形状、尺寸和材料而变化。品质因数可以被表达为公式Q＝ω*L/R。在上述公式中，L是指线圈的电感，R是指与线圈中造成的功率损耗的量对应的电阻。
品质因数可以具有0到无穷大的值。当品质因数具有较大的值时，可以进一步提高无线电力传输设备200与无线电力接收设备300之间的电力传输效率。
耦合系数表示传输线圈与接收线圈之间的感应磁耦合的程度，并且具有0至1的值。
耦合系数可以根据传输线圈与接收线圈之间的相对位置和距离而变化。
图2是示出了根据本实施方式的传输感应线圈210的等效电路的电路图。
如图2所示，传输感应线圈210可以包括电感器L1和电容器C1，并且通过电感器L1和电容器C1来配置具有适当电感和适当电容的电路。
传输感应线圈210可以具有其中电感器L1的两端与电容器C1的两端连接的等效电路。换言之，传输感应线圈210可以具有其中电感器L1和电容器C1彼此并联连接的等效电路。
电容器C1可以包括可变电容器，并且可以随着电容器C1的电容被调整而进行阻抗匹配。传输谐振线圈220、接收谐振线圈310以及接收感应线圈320的等效电路可以与图2中示出的电路相同。
图3是示出了根据本实施方式的供电装置100和无线电力传输设备200的等效电路的电路图。
如图3所示，传输感应线圈210可以包括具有预定电感的电感器L1和具有预定电容的电容器C1。传输谐振线圈220可以包括具有预定电感的电感器L2和具有预定电容的电容器C2。
图4是示出了根据本实施方式的无线电力接收设备300的等效电路的电路图。
如图4所示，接收谐振线圈310可以包括具有预定电感的电感器L3和具有预定电容的电容器C3。接收感应线圈320可以包括具有预定电感的电感器L4和具有预定电容的电容器C4。
整流电路330可以将从接收感应线圈320传送的AC电力转换成DC电力，并且可以将该DC电力传送至负载400。
详细地说，整流电路330可以包括整流器和平滑电路。根据一个实施方式的整流器可以包括硅整流器，并且如图4所示，可以相当于二极管D1。
整流器可以将从接收感应线圈320传送的AC电力转换成DC电力。
平滑电路可以移除由整流器转换的DC电力中包括的AC分量，以输出平滑的DC电力波形。根据本实施方式，如图4所示，平滑电路可以包括整流电容器C5，但是本实施方式不限于此。
负载400可以包括需要DC电力的预定可再充电电池或者装置。例如，负载400可以指代电池。
可以将无线电力接收设备300安装在需要电力的电子装置比如蜂窝电话、膝上型计算机或鼠标中。因此，接收谐振线圈310和接收感应线圈320可以具有适合于该电子装置的形状。
无线电力传输设备200可以通过带内通信或带外通信与无线电力接收设备300交换信息。
带内通信可以指通过使用具有无线电力传输中使用的频率的信号在无线电力传输设备200与无线电力接收设备300之间交换信息的通信。无线电力接收设备300还可以包括开关。无线电力接收器300可以通过开关的切换操作来接收从无线电力传输设备200传输的电力或者可以不接收从无线电力传输设备200传输的电力。这样，无线电力传输设备200检测无线电力传输设备200中消耗的功率的量，以使得无线电力传输设备200可以识别无线电力接收设备300中包括的开关的导通信号或断开信号。
详细地说，无线电力接收设备300可以通过使用电阻器和开关来改变电阻器中耗散的功率的量，以使得可以改变无线电力传输设备200中消耗的功率。无线电力传输设备200可以感测耗散的功率的变化以获得关于无线电力接收设备300的状态的信息。开关和电阻器可以彼此串联连接。关于无线电力接收设备300的状态的信息可以包括关于无线电力接收设备300的当前充电量和/或充电量的变化的信息。
更详细地说，当开关被断开时，电阻器中耗散的功率为0(零)，并且无线电力传输设备200中耗散的功率也减少了。
如果开关被短路，则电阻器中耗散的功率大于0，并且无线电力传输设备200中消耗的功率增大。当无线电力接收设备重复以上操作时，无线电力传输设备200可以检测无线电力传输设备200中消耗的功率并且可以与无线电力接收设备300进行数字通信。
无线电力传输设备200根据以上操作来接收关于无线电力接收设备300的状态的信息，以使得无线电力传输设备200可以传输适合于无线电力接收设备300的接收状态的电力。
与此相反，无线电力传输设备200可以包括电阻器和开关以将关于无线电力传输设备200的状态的信息传输至无线电力接收设备300。根据一个实施方式，关于无线电力传输设备200的状态的信息可以包括关于下述的信息：要从无线电力传输设备200提供的电力的最大量、从无线电力传输设备200接收电力的无线电力接收设备300的数目以及无线电力传输设备200的可用电力的量。
在下文中将描述带外通信。
带外通信是指为了交换对电力传输而言必要的信息而通过不同于谐振频带的特定频带进行的通信。可以给无线电力传输设备200和无线电力接收设备300配备带外通信模块以交换对电力传输而言必要的信息。可以将带外通信模块安装在供电装置中。在一个实施方式中，带外通信模块可以使用短程通信技术比如蓝牙、紫蜂、WLAN或NFC，但是本实施方式不限于此。
在下文中，将参照图5至图10来描述根据第一实施方式的供电装置100。
图5是示出了根据第一实施方式的供电装置的框图。
如图5所示，根据第一实施方式的供电装置100可以包括供电单元110、振荡器130、AC电力生成单元150以及传输电力控制单元190。供电单元100可以与无线电力传输设备200连接。
供电装置100可以被包括在无线电力传输设备200中，但是本实施方式不限于此。
供电单元110生成待输出至输出端的具有DC电压的DC电力。
振荡器130生成正弦波AC信号。
传输电力控制单元190生成控制信号以控制AC电力生成单元150。
AC电力生成单元150根据传输电力控制单元190的控制信号通过使用供电单元110的DC电力来放大振荡器130的正弦波AC信号以生成具有方波的电压的AC电力。
无线电力传输设备200通过使用谐振将AC电力生成单元150的AC电力传输至无线电力接收设备300。
图6是示出了根据第一实施方式的AC电力生成单元和传输电力控制单元的框图。
如图6所示，根据第一实施方式的AC电力生成单元150包括AC电力控制单元151、DC-AC转换器153以及DC-DC转换器155。传输电力控制单元190包括DC电力控制单元191。
AC电力控制单元151基于振荡器130的正弦波AC信号来生成AC电力控制信号。
DC电力控制单元191生成DC电力控制信号，以使得DC-DC转换器155可以输出具有目标DC电压的电力。
DC-DC转换器155基于DC电力控制信号将供电单元110的DC电力(第一DC电力)转换成具有目标DC电压的DC电力(第二DC电力)。
DC-AC转换器153基于AC电力控制信号将DC-DC转换器155的第二DC电力转换成具有方波AC电压的AC电力，并且将所转换的信号输出至传输感应线圈210。
图7是示出了根据第一实施方式的DC-DC转换器的电路图。
如图7所示，DC-DC转换器155包括电感器L11、电力开关T11、二极管D11以及电容器C11。电力开关T11可以通过使用晶体管来实现。例如，电力开关T11可以包括N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)，但是可以包括进行相同工作的不同装置。
电感器L11的一端连接至供电单元110的输出端即第一节点n1，并且电感器L11的另一端连接至电力开关T112的漏极电极即第二节点n2。
电力开关T11的栅极电极连接至DC电力控制单元191的输出端即第四节点n4，并且电力开关T11的源极电极连接至接地端。
二极管D11的阳极电极连接至电力开关T11的漏极电极即第二电极n2，并且二极管D11的阴极电极连接至第三节点n3。
电容器C11的一端连接至二极管D11的阴极电极即第三节点n3，并且电容器C11的另一端连接至接地端。
图8是示出了根据第一实施方式的DC-AC转换器的电路图。
如图8所示，DC-AC转换器153包括具有半桥结构的晶体管电路部分。具有半桥结构的晶体管电路部分包括上部晶体管T21、下部晶体管T22以及DC截止电容器C21，并且该具有半桥结构的晶体管电路部分连接至AC电力控制单元151和传输感应线圈210。DC-AC转换器153连接至DC-DC转换器155。上部晶体管T21和下部晶体管T22可以是N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(NMOS)。此外，上部晶体管T21和下部晶体管T22可以用进行与NMOS的工作相同的工作的不同装置来替换。
AC电力控制单元151基于振荡器的正弦波AC信号通过上部晶体管控制信号输出端即第一节点m1以及下部晶体管控制信号输出端即第二节点m2生成AC电力控制信号。AC电力控制单元151基于振荡器130的正弦波AC信号生成用作为AC电力控制信号的上部晶体管控制信号，并且通过第一节点m1输出该上部晶体管控制信号。AC电力控制单元151基于振荡器130的正弦波AC信号生成用作为AC电力控制信号的下部晶体管控制信号，并且通过第二节点m2输出该下部晶体管控制信号。
上部晶体管T21的漏极电极连接至DC-DC转换器155的输出端即第三节点m3，并且上部晶体管T21的栅极电极连接至AC电力控制单元151的上部晶体管控制信号输出端即第一节点m1。
下部晶体管T22的漏极电极连接至上部晶体管T21的源极电极即第四节点m4，下部晶体管T22的栅极电极连接至AC电力控制单元151的下部晶体管控制信号输出端即第二节点m2，并且下部晶体管T22的源极电极连接至接地端。
DC截止电容器C21的一端连接至第四节点m4，并且DC截止电容器C21的另一端连接至电感器L1的一端。电感器L1的另一端连接至接地端。
在下文中，将参照图9和图10来描述根据第一实施方式的无线电力传输方法。
图9是示出了根据第一实施方式的无线电力传输方法的流程图，图10示出了根据第一实施方式的供电装置中的节点处的波形。
特别地，图9示出了其中实现了图6至图8的实施方式的无线电力传输方法。
供电单元110生成具有DC电压的DC电力(步骤S101)。特别地，供电单元110可以将具有AC电压的AC电力转换成具有DC电压的DC电力。
振荡器130生成正弦波AC信号(步骤S103)。
DC电力控制单元191生成DC电力控制信号以使得DC-DC转换器155能够输出具有目标DC电压的DC电力(步骤S107)，并且DC电力控制单元191将该DC电力控制信号输出至晶体管T11的栅极电极。如图10所示，DC电力控制信号可以是在整个持续期间提供的脉冲宽度调制(PWM)信号。
DC-DC转换器155基于DC电力控制信号将供电单元110的输出电力转换成具有目标DC电压的DC电力(步骤S109)。DC-DC转换器155的输出电压的幅度可以等于供电单元110的输出电压的幅度，并且可以大于或小于供电单元110的输出电压的幅度。
AC电力控制单元151基于振荡器130的正弦波AC信号生成AC电力控制信号(步骤S111)。AC电力控制单元151可以基于振荡器130的正弦波AC信号生成用作为AC电力控制信号的上部晶体管控制信号，并且通过第一节点m1输出该上部晶体管控制信号。AC电力控制单元151可以基于振荡器130的正弦波AC信号生成用作为AC电力控制信号的下部晶体管控制信号，并且通过第二节点m2输出该下部晶体管控制信号。
在下文中，将参照图10来描述上部晶体管控制信号和下部晶体管控制信号。
如图10所示，上部晶体管控制信号和下部晶体管控制信号具有方波。
上部晶体管控制信号的一个周期依次包括上部晶体管T21的导通时隙和上部晶体管T21的断开时隙。上部晶体管T21的导通时隙与振荡器130的正弦波AC信号的半个周期对应，并且上部晶体管T21的断开时隙可以与该正弦波AC信号的剩下的半个周期对应。
下部晶体管控制信号的一个周期依次包括下部晶体管T22的导通时隙和下部晶体管T22的断开时隙。下部晶体管T22的导通时隙与正弦波AC信号的半个周期对应，并且下部晶体管T22的断开时隙可以与该正弦波AC信号的剩下的半个周期对应。
上部晶体管控制信号在上部晶体管T21的导通时隙期间具有用于导通上部晶体管T21的电平。用于导通上部晶体管T21的电平可以为高电平。
上部晶体管控制信号在上部晶体管T21的断开时隙期间具有用于断开上部晶体管T21的电平。用于断开上部晶体管T21的电平可以为低电平。
下部晶体管控制信号在下部晶体管T22的导通时隙处具有用于导通下部晶体管T22的电平。用于导通下部晶体管T22的电平可以为高电平。
下部晶体管控制信号在下部晶体管T22的断开时隙处具有用于断开下部晶体管T22的电平。用于断开下部晶体管T22的电平可以为低电平。
在上部晶体管T21的导通时隙期间，处于下部晶体管T22的断开时隙期间的下部晶体管控制信号具有用于断开下部晶体管T22的电平。
在下部晶体管T22的导通时隙期间，处于上部晶体管T21的断开时隙期间的下部晶体管控制信号具有用于断开下部晶体管T22的电平。
为了防止当上部晶体管T21和下部晶体管T22被同时导通时上部晶体管T21和下部晶体管T22短路，上部晶体管控制信号和下部晶体管控制信号可以具有空档时隙。在空档时隙期间，上部晶体管控制信号具有用于断开上部晶体管T21的电平，并且下部晶体管控制信号可以具有用于断开下部晶体管T22的电平。
为了输出具有占空比为50％的方波电压的电力，上部晶体管T21的导通时隙具有与一个周期T的(50-a)％对应的时长，并且上部晶体管T21的空档时隙具有与一个周期T的a％对应的时长。上部晶体管T21的断开时隙具有与一个周期T的50％对应的时长，下部晶体管T22的导通时隙具有与一个周期T的(50-a)％对应的时长，并且下部晶体管T22的空档时隙具有与一个周期T的a％对应的时长。下部晶体管T22的断开时隙可以具有与一个周期T的50％对应的时长，其中，a可以指1％。
DC-AC转换器153基于AC电力控制信号将DC-DC转换器155的输出电力转换成具有方波AC电压的AC电力(步骤S113)，并且将DC-DC转换器155的输出电力输出至传输感应线圈210。
在下文中，将参照图10来描述DC-AC转换器153的工作。
上部晶体管T21和下部晶体管T22通过具有如图10所示的空档时隙的上部晶体管控制信号和下部晶体管控制信号输出具有方波电压V3的方波电力。
DC截止电容器C21截止方波电力的DC电压并且将具有方波AC电压V4的方波AC电力输出至传输感应线圈210。
无线电力传输设备200通过谐振将具有方波AC电压V4的方波AC电力传输至无线电力接收设备300(步骤S115)。
在下文中，将参照图11来描述根据第一实施方式由供电装置生成的方波AC电力的取决于频率分量而变化的电压幅度。
图11是示出了根据第一实施方式由供电装置生成的方波AC电力的取决于频率分量而变化的电压幅度的图表。
如图11所示，当具有在1V与-1V之间波动的电压的方波AC电力的占空比为50％时，该方波AC电力在基频分量处具有约为0.64V的电压幅度，在三次谐波频率分量处具有约0.21V的电压幅度，以及在五次谐波频率分量处具有0.13V的电压幅度。该方波AC电力不具有偶数次数的谐波分量。
在这种情况下，可以通过公式1、公式2以及公式3获得基频分量处的功率P基频、二次谐波频率分量处的功率P二次谐波、以及n次谐波频率分量处的功率P二次谐波。
【公式1】
在公式1中，Z基频是指基频分量处的输入阻抗，V基频是指基频分量处的电压幅度。
【公式2】
在公式2中，Z二次谐波是指二次谐波频率分量处的输入阻抗，V二次谐波是指二次谐波频率分量处的电压幅度。
【公式3】
在公式3中，Zn次谐波是指n次谐波频率分量处的输入阻抗，Vn次谐波是指n次谐波频率分量处的电压幅度。
同时，可以通过公式4来计算基频分量处的功率比。
【公式4】
在公式4中，当方波AC电力的占空比为50％时，基频分量处的功率比基本上为65.5％。
由于谐振型无线电力传输设备只将基频分量处获得的电力传输至无线电力接收设备，因此基频分量处的功率比恰好成为电力传输效率。
在下文中，将参照图12至图16来描述根据第二实施方式的能够通过进一步增大基频分量处的功率比来进一步提高电力效率的供电装置。
图12是示出了根据第二实施方式的供电装置100的框图。
如图12所示，根据第二实施方式的供电装置100包括供电单元110、振荡器130、AC电力生成单元160以及传输电力控制单元190。供电100连接至无线电力传输设备200。
供电装置100可以被包括在无线电力传输设备200中，但是本实施方式不限于此。
供电单元100生成具有DC电压的DC电力并将该具有DC电压的DC电力输出至输出端。
振荡器130生成正弦波AC信号。
传输电力控制单元190基于振荡器130的正弦波AC信号来生成控制信号以控制AC电力生成单元160。
AC电力生成单元160根据传输电力控制单元190的控制信号通过使用供电单元110的DC电力来放大振荡器130的正弦波AC信号以生成具有修改后的方波的电压的AC电力。在这种情况下，以上描述的修改后的方波可以具有如图16所示的准方波。无线电力传输设备200通过谐振将从AC电力生成单元160生成的具有准方波的AC电力传输至无线电力接收设备300，从而增大无线电力传输效率。
虽然未示出，但是供电装置100可以另外地包括DC-DC转换器155和DC电力控制单元191。在这种情况下，DC-DC转换器155可以基于从DC电力控制单元191生成的DC电力控制信号将供电单元110的输出电力转换成具有DC电压的DC电力，并且将该DC电力提供给AC电力控制单元160。
无线电力传输设备200通过谐振将AC电力生成单元160的输出电力即具有准方波波形的AC电力传输至无线电力接收设备300。图13是示出了根据第二实施方式的AC电力生成单元和传输电力控制单元的框图。
如图13所示，根据第二实施方式的AC电力生成单元160包括DC-AC转换器163。传输电力控制单元190包括AC电力控制单元193。
AC电力控制单元193基于振荡器130的正弦波AC信号来生成AC电力控制信号。
DC-AC转换器163基于AC电力控制信号将供电单元110的输出电力转换成具有修改后的方波电压的AC电力，并且将该具有修改后的方波电压的AC电力输出至传输感应线圈210。
图14是示出了根据第二实施方式的DC-AC转换器的电路图。
如图14所示，DC-AC转换器163包括全桥结构晶体管电路部分，并且该全桥结构晶体管电路部分包括两个半桥晶体管电路部分。所述两个半桥晶体管电路部分中的一个半桥晶体管电路部分包括上部晶体管T41和下部晶体管T42，并且所述两个半桥晶体管电路部分中的另一半桥晶体管电路部分包括上部晶体管T44和下部晶体管T43。上部晶体管T41和上部晶体管T44以及下部晶体管T42和下部晶体管T43可以包括NMOS，但是上部晶体管T41和上部晶体管T44以及下部晶体管T42和下部晶体管T43可以用进行与NMOS的工作相同的工作的不同装置来替换。
AC电力控制单元193具有设置在AC电力控制单元193的输出端处的第一节点至第四节点(k1至k4)，并且基于振荡器130的正弦波AC信号来生成AC电力控制信号。
上部晶体管T41的漏极电极连接至第五节点k5，第五节点k5连接至供电单元110的输出端，上部晶体管T41的栅极电极通过第一节点k1连接至AC电力控制单元193，以及上部晶体管T41的源极电极连接至第六节点k6，第六节点k6连接至传输感应线圈210的电感器L1的一端。
下部晶体管T42的漏极电极连接至第六节点k6，下部晶体管T42的栅极电极通过第二节点k2连接至AC电力控制单元193，以及下部晶体管T42的源极电极连接至接地端。
上部晶体管T44的漏极电极连接至第五节点k5，第五节点k5连接至供电单元110，上部晶体管T44的栅极电极通过第三节点k3连接至AC电力控制单元193，以及上部晶体管T44的源极电极连接至第七节点k7，第七节点k7连接至传输感应线圈210的电感器L1的另一端。
下部晶体管T43的漏极电极连接至第七节点k7，下部晶体管T43的栅极电极通过第四节点k4连接至AC电力控制单元193，以及下部晶体管T43的源极电极连接至接地端。
在下文中，将参照图15和图16来描述根据第二实施方式的无线电力传输方法。
图15是示出了根据第二实施方式的无线电力传输方法的流程图，以及图16示出了根据第二实施方式的供电装置中的节点处的波形。
特别地，图15示出了其中实现了图12至图14的实施方式的无线电力传输方法。
供电单元110生成具有DC电压V1的DC电力(步骤S301)。特别地，供电单元110可以将具有AC电压的AC电力转换成具有DC电压V1的DC电力。
振荡器130生成正弦波AC信号(步骤S303)。
AC电力控制单元193基于正弦波AC信号生成AC电力控制信号(步骤S311)，并且将该AC电力控制信号输出至DC-AC转换器163。对于具有图14中示出的电路的DC-AC转换器163而言，AC电力控制信号可以包括上部晶体管T41、上部晶体管T44、下部晶体管T42以及下部晶体管T43的控制信号。
特别地，供电装置100的工作的一个周期包括正电压输出时隙TS1、第一零电压输出时隙TS2、负输出时隙TS3以及第二零电压输出时隙TS4。
在下文中，将参照图16详细描述每个控制信号。
在正电压输出时隙TS1期间，上部晶体管T41的控制信号具有用于导通上部晶体管T41的电平，下部晶体管T42的控制信号具有用于断开下部晶体管T42的电平，下部晶体管T43的控制信号具有用于导通下部晶体管T43的电平，以及上部晶体管T44的控制信号具有用于断开上部晶体管T44的电平。因此，AC电力控制单元193的输出电压V3变成正电压。
在第一零电压输出时隙TS2期间，上部晶体管T41、下部晶体管T42、下部晶体管T43以及上部晶体管T44的控制信号分别具有用于断开上部晶体管T41、下部晶体管T42、下部晶体管T43以及上部晶体管T44的电平。因此，AC电力控制单元193的输出电压V3变成零电压。
在负电压输出时隙TS3期间，上部晶体管T41的控制信号具有用于断开上部晶体管T41的电平，下部晶体管T42的控制信号具有用于导通下部晶体管T42的电平，下部晶体管T43的控制信号具有用于断开下部晶体管T43的电平，以及上部晶体管T44的控制信号具有用于导通上部晶体管T44的电平。因此，AC电力控制单元193的输出电压V3变成负电压。
在第二零电压输出时隙TS4期间，上部晶体管T41、下部晶体管T42、下部晶体管T43以及上部晶体管T44的控制信号分别具有用于断开上部晶体管T41、下部晶体管T42、下部晶体管T43以及上部晶体管T44的电平。因此，AC电力控制单元193的输出电压V3变成零电压。
DC-AC转换器163基于AC电力控制信号将供电单元110的输出电力转换成具有修改后的方波电压的AC电力(步骤S313)，并且将具有修改后的方波电压的AC电力输出至传输感应线圈210。
具有方波AC电压V3的准方波AC电力的一个周期包括正电压输出时隙TS1、第一零电压输出时隙TS2、负电压输出时隙TS3以及第二零电压输出时隙TS4。在正电压输出时隙TS1期间，方波AC电压V3变成正电压。在第一零电压输出时隙TS2期间，方波AC电压V3变成零电压。在负电压输出时隙TS3期间，方波AC电压V3变成负电压。在第二零电压输出时隙TS4期间，方波AC电压V3变成零电压。
可以通过以下公式5来计算准方波AC电力的占空比D。
【公式5】
无线电力传输设备200通过使用谐振将具有修改后的方波AC电压V3的修改后的方波AC电力传输至无线电力接收设备300(步骤S315)。
在下文中，将参照图17来描述在无线电力传输设备200的输入级处测量的输入阻抗。
图17是示出了根据第二实施方式的谐振型无线电力传输***的输入阻抗的图表。
如图17所示，无线电力传输设备200的输入阻抗在基频分量处具有最大幅度并且在二次谐波频率分量处具有最小幅度。无线电力传输设备200的输入阻抗从二次谐波频率分量起随着谐波频率分量的次数增大而增大。
在下文中，将参照图18来描述根据第二实施方式由供电装置生成的准方波AC电力的取决于频率分量而变化的电压幅度。
图18是示出了根据第二实施方式由供电装置生成的方波AC电力的取决于频率分量而变化的电压幅度的图表。
如图18所示，当具有在1V、0V和-1V之间波动的电压的方波AC电力的占空比为30％时，该方波AC电力在基频分量处具有约0.52V的电压幅度，在三次谐波频率分量处具有约0.09V的电压幅度，以及在五次谐波频率分量处具有0.07V的电压幅度。
将参照图19来描述根据第二实施方式由供电装置生成的准方波AC电力的根据基频分量而变化的功率比。
图19是示出了根据第二实施方式由供电装置生成的准方波AC电力的根据基频分量而变化的功率比的图表。
可以通过公式4来计算基频分量处的准方波AC电力的功率比。
如图19所示，当准方波AC电力的占空比为约23％或更大时准方波AC电力在基频分量处的功率比大于当方波AC电力的占空比为50％时方波AC电力在基频分量处的功率比。因此，为了获得比在方波AC电力的占空比为50％的情况下的效率更高的效率，可以将准方波AC电力的占空比设置成23％或更大。
同时，如果准方波AC电力的占空比为50％，则晶体管T41和晶体管T42可以被同时导通，使得可能由于短路而产生直通电流。直通电流会降低***效率并且使晶体管T41和晶体管T42损坏。因此，为了防止由于短路而产生直通电流，可以将准方波AC电力的占空比设置成48％或更小。
此外，当准方波AC电力的占空比为约30％时，准方波AC电力在基频分量处的功率比被最大化。因此，为了使谐振型无线电力传输***的效率最大化，可以将准方波AC电力的占空比设置成约30％。例如，可以将准方波AC电力的占空比设置成26％或更大，严格地，可以将准方波AC电力的占空比设置成28％或更大。更严格地，可以将准方波AC电力的占空比设置成29％或更大。此外，可以将准方波AC电力的占空比设置成40％或更小，严格地，可以将准方波AC电力的占空比设置成34％或更小。更严格地，可以将准方波AC电力的占空比设置为31％。
在本说明书中，对“一个实施方式”、“一种实施方式”、“示例实施方式”等的任何指代意味着结合所述实施方式而描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方式中。这类短语在本说明书中各处的出现不一定都指代同一实施方式。此外，当结合任何实施方式来描述特定特征、结构或特性时，认为这些特定特征、结构或特性都在本领域普通技术人员的理解范围内，以结合各实施方式的其他特征、结构或特性来实现这样的特征、结构或特性。
虽然参照本发明的许多示例性实施方式描述了各实施方式，但是应该理解的是可以由本领域普通技术人员设计出将落入本公开内容的原理的精神和范围内的大量其他修改和实施方式。更具体而言，在本公开内容、附图和所附权利要求书的范围内可以对主体组合布置的组成部分和/或布置进行各种变化和修改。除了组成部分和/或布置的变化和修改以外，对本领域普通技术人员而言替代性用途也将是明显的。

Claims (15)

1.一种无线电力传输设备，所述无线电力传输设备用于使用谐振通过传输谐振线圈将电力无线地传输至无线电力接收设备，所述无线电力传输设备包括：
AC电力生成单元，所述AC电力生成单元用于生成具有准方波电压的准方波AC电力；以及
传输感应线圈，所述传输感应线圈用于通过电磁感应将所述准方波AC电力传输至所述传输谐振线圈，
其中，所述无线电力传输设备的输入阻抗在基频分量处具有最大值，并且
其中，所述准方波AC电力的占空比具有下述值，所述值使得所述准方波AC电力在基频分量处的功率比能够大于当方波AC电力的占空比为50％时所述方波AC电力在基频分量处的功率比。
2.根据权利要求1所述的无线电力传输设备，其中，所述无线电力传输设备的输入阻抗在二次谐波频率分量处具有最小值。
3.根据权利要求2所述的无线电力传输设备，其中，所述无线电力传输设备的输入阻抗从所述二次谐波频率分量起随着谐波频率分量的次数增大而增大。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的无线电力传输设备，其中，所述AC电力生成单元包括全桥结构晶体管电路，所述全桥结构晶体管电路具有串联连接的第一晶体管和第二晶体管以及串联连接的第三晶体管和第四晶体管，
其中，所述第一晶体管和所述第二晶体管以相反的操作进行切换，并且
其中，所述第三晶体管和所述第四晶体管以相反的操作进行切换。
5.根据权利要求1所述的无线电力传输设备，其中，所述准方波AC电力的占空比在23％至48％的范围内。
6.根据权利要求5所述的无线电力传输设备，其中，所述准方波AC电力的占空比在28％至34％的范围内。
7.根据权利要求6所述的无线电力传输设备，其中，所述准方波AC电力的占空比在29％至31％的范围内。
8.一种由无线电力传输设备使用谐振通过传输谐振线圈将电力无线地传输至无线电力接收设备的方法，所述方法包括：
生成DC电力；
生成正弦波；
基于所述正弦波来生成AC电力控制信号；
基于所述AC电力控制信号来生成具有准方波电压的准方波AC电力；以及
通过电磁感应将所述准方波AC电力传输至所述传输谐振线圈，
其中，所述无线电力传输设备的输入阻抗在基频分量处具有最大值，并且从二次谐波频率分量起随着谐波频率分量的次数增大而增大。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，正电压输出时隙、第一零电压输出时隙、负输出时隙以及第二零电压输出时隙构成一个周期，所述一个周期与从振荡产生的正弦波周期相同，
其中，生成具有准方波电压的准方波AC电力包括：
在所述正电压输出时隙期间生成正电压；
在所述第一零电压输出时隙期间生成零电压；
在所述负输出时隙期间生成负电压；以及
在所述第二零电压输出时隙期间生成所述零电压。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述准方波AC电力的占空比具有下述值，所述值使得所述准方波AC电力在基频分量处的功率比能够大于当方波AC电力的占空比为50％时所述方波AC电力在基频分量处的功率比。
11.一种无线电力传输设备，所述无线电力传输设备用于使用谐振通过传输谐振线圈将电力无线地传输至无线电力接收设备，所述无线电力传输设备包括：
供电装置，所述供电装置配置成生成DC电力；
振荡器，所述振荡器配置成生成正弦波AC信号；
传输电力控制单元，所述传输电力控制单元配置成基于所述正弦波AC信号生成控制信号；
AC电力生成单元，所述AC电力生成单元配置成根据所述控制信号基于所述DC电力来生成AC电力；
全桥结构晶体管电路部分，所述全桥结构晶体管电路部分配置成基于所述AC电力控制信号来生成具有准方波电压的准方波AC电力；以及
传输感应线圈，所述传输感应线圈配置成通过电磁感应将所述准方波AC电力传输至所述传输谐振线圈。
12.根据权利要求11所述的无线电力传输设备，其中，所述全桥结构晶体管电路部分包括：
第一晶体管，所述第一晶体管包括漏极电极和源极电极，DC电力被施加至所述第一晶体管的漏极电极，并且所述第一晶体管的源极电极连接至所述传输感应线圈的一端；
第二晶体管，所述第二晶体管包括漏极电极和源极电极，所述第二晶体管的漏极电极连接至所述第一晶体管的源极电极，并且所述第二晶体管的源极电极接地；
第三晶体管，所述第三晶体管包括漏极电极和源极电极，所述DC电力被施加至所述第三晶体管的漏极电极，并且所述第三晶体管的源极电极连接至所述传输感应线圈的另一端；以及
第四晶体管，所述第四晶体管包括漏极电极和源极电极，所述第四晶体管的漏极电极连接至所述第三晶体管的源极电极，并且所述第四晶体管的源极电极接地，
其中，所述第一晶体管的源极电极和所述第三晶体管的源极电极输出所述准方波AC电力，并且
其中，所述AC电力控制信号具有针对切换所述第一晶体管和所述第二晶体管的不同的电平，并且具有针对切换所述第三晶体管和所述第四晶体管的不同的电平。
13.根据权利要求11或12所述的无线电力传输设备，其中，所述准方波AC电力在基频分量处的占空比具有下述值，所述值使得所述准方波AC电力在所述基频分量处的功率比能够大于当方波AC电力的占空比为50％时所述方波AC电力在基频分量处的功率比。
14.根据权利要求13所述的无线电力传输设备，其中，所述准方波AC电力的占空比在23％至48％的范围内。
15.根据权利要求11或12所述的无线电力传输设备，其中，所述无线电力传输设备的输入阻抗在基频分量处具有最大值，并且随着谐波频率分量的次数增大而在二次谐波频率分量处或者更高次谐波频率分量处增大。
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