CN106464031A - 使用负载反馈的无线功率传输*** - Google Patents

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Abstract

一种***，包括：AC输入端口，其被配置为耦合到AC电源；第一AC/DC转换器电路，其具有耦合到所述AC输入端口的第一端口；以及第一谐振电路，其耦合到所述第一AC/DC转换器电路的所述第一端口。所述***进一步包括：第二谐振电路，其电感耦合到所述第一谐振电路；第二AC/DC转换器电路，其耦合到所述第二谐振电路；以及控制电路，其被配置为响应于所述第二AC/DC转换器电路的输出控制所述第一AC/DC转换器电路。

Description

使用负载反馈的无线功率传输***
技术领域
本发明主题涉及电功率传输装置和方法，并且更具体地，涉及无线功率传输装置和方法。
背景技术
无线功率传输***已经被发展以用于各种不同应用，应用包括用于车辆的电池充电应用、移动电子设备、工具、车辆等。这样的***通常使用磁耦合谐振电路来传输能量。在美国专利号8,531,059和美国专利申请公开号2013/0249479中描述了这样的无线功率传输***的示例。
2013年12月30日提交的的题为“用于配置直流(DC)输出滤波电路的方法、电路和制品”(METHODS，CIRCUITS AND ARTICLES OF MANUFACTURE FOR CONFIGURING DC OUTPUTFILTER CIRCUITS)的美国专利申请序列号14/143,505(代理人案卷号9060-334)描述了具有发送器的无线功率传输***，所述发送器包括从交流(AC)电源接收功率的整流器、从由整流器产生的DC输出产生更高频率AC输出电压的逆变器电路、以及耦合到逆变器电路的输出的第一谐振电路。接收器包括第二谐振电路，所述第二谐振电路包括被配置为紧邻第一谐振电路的线圈放置的线圈和从由第二谐振电路产生的AC输出产生DC输出的整流器电路。
发明内容
本发明主题的一些实施例提供***，所述***包括：AC输入端口，其被配置为耦合到AC电源；第一AC/DC转换器电路，其具有耦合到AC输入端口的第一端口；以及第一谐振电路，其耦合到所述第一AC/DC转换器电路的所述第一端口。所述***还包括第二谐振电路，其电感耦合(inductively coupled)到所述第一谐振电路；第二AC/DC转换器电路，其耦合到所述第二谐振电路；以及控制电路，其被配置为响应于所述第二AC/DC转换器电路的输出控制所述第一AC/DC转换器电路。
在一些实施例中，所述第一AC/DC转换器电路可以包括H桥电路。所述H桥电路可以包括第一和第二半桥电路，每个半桥电路包括串联耦合在第一和第二总线之间的第一和第二开关，并且所述第一谐振电路可以耦合到所述第一和第二半桥电路中的相应一个的所述第一和第二开关之间的相应第一和第二节点。所述***还可以包括耦合在所述AC输入端口与所述第一和第二节点中的至少一个之间的至少一个电感器。所述第二AC/DC转换器电路可以包括二极管桥电路。
在一些实施例中，所述控制电路可被配置成响应于由所述第二AC/DC转换器电路产生的输出(例如，电压、电流、功率、能量等)来控制所述AC输入端口处的电流。所述控制电路可以进一步被配置为响应于所述AC输入端口处的电压来控制所述AC输入端口处的电流，以支持例如功率因子校正或谐波补偿。储能电路(例如，至少一个电容器)可以耦合到所述第一AC/DC转换器电路的第二端口。
在进一步的实施例中，所述***可以包括通信电路，其被配置为传输表示所述第二AC/DC转换器电路的所述输出的信号。所述控制电路可以被配置为接收所述传输的信号并响应于所述接收的信号控制所述第一AC/DC转换器电路。
本发明主题的进一步的实施例提供了一种无线功率传输装置，包括：AC输入端口，其被配置为耦合到AC电源；转换器电路，其具有耦合到所述AC输入端口的第一端口；储能电路，其耦合到所述转换器电路的第二端口；以及谐振电路，其耦合到所述转换器电路的所述第一端口并且被配置为将功率电感地传输到外部设备。所述装置还包括控制电路，其被配置为响应于指示所述外部设备的状态的信号来控制所述转换器电路。
在一些实施例中，所述转换器电路可以包括AC/DC转换器电路。例如，所述转换器电路可以包括有源整流器电路。所述有源整流器电路可以包括H桥整流器电路，所述H桥整流器电路包括第一和第二半桥电路，每个半桥电路包括串联耦合在第一和第二总线之间的第一和第二开关。所述转换器电路的所述第一端口可以包括在所述第一和第二半桥电路的相应一个的所述第一和第二开关之间的相应第一和第二节点。所述装置还可以包括耦合在所述AC输入端口与所述第一和第二节点中的至少一个之间的至少一个电感器。
在一些实施例中，所述控制电路可以被配置为响应于指示由所述外部设备产生的电压的信号来控制所述AC输入端口处的电流。所述控制电路可以被配置为接收表示由所述外部设备产生的所述电压的通信信号，并响应于所述接收的通信信号来控制所述转换器电路。所述控制电路还可以被配置为响应于所述AC输入端口处的电压来控制所述AC输入端口处的所述电流。
所述谐振电路可以包括第一谐振电路，并且所述装置可以进一步包括接收器单元；所述接收器单元具有被配置为耦合到负载的输出，并且包括第二谐振电路，其被配置为电感耦合到所述第一谐振电路。所述转换器电路可以包括第一转换器电路，所述接收器单元可以包括耦合到所述第二谐振电路的第二转换器电路，并且所述控制电路可以被配置为响应于所述第二转换器电路的输出来控制所述第一转换器电路。例如，所述控制电路可以被配置为响应于所述负载处的输出电压来控制所述AC输入端口处的电流。
附图说明
图1是示出根据本发明主题的一些实施例的***的示意图。
图2是示出根据本发明主题的进一步的实施例的***的示意图。
图3是示出根据本发明主题的一些实施例的包括有源桥输入转换器和二极管桥输出转换器的***的示意图。
图4是示出根据本发明主题的进一步的实施例的用于图3的***的控制架构的示例的框图。
图5是示出根据本发明主题的一些实施例的无线功率传输***的示意图。
图6-9是示出根据一些实施例的无线功率传输***的操作的波形图。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明主题的具体示例性实施例。然而，本发明主题可以以许多不同形式来实施，并且不应被解释为限于本文所阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并且将向本领域技术人员充分地传达本发明主题的范围。附图中，相似的附图标记表示相似的元件。应当理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，它可以被直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关的列举的项目的任何和所有组合。
本文所使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意在限制本发明主题。如本文所使用的，除非另有明确说明，单数形式“一”、“一个”(a、an)和“所述”(the)也旨在包括复数形式。还将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”、“包含”("includes"、"comprises"、"including"和/或"comprising")指定存在所列特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合。
除非另有定义，本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明主题所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。将进一步理解，诸如在通常使用的字典中定义的那些术语，应当被解释为具有与它们在说明书和相关技术的上下文中的含义一致的含义，并且不会在理想化或过度形式化的意义中解释，除非本文中明确地这样定义。
图1是示出根据本发明主题的一些实施例的***100的示意图。该***包括被配置为耦合到AC电源10的输入端口101。转换器电路110具有经由阻抗网络120耦合到输入端口101的第一端口，阻抗网络120这里示出为至少一个电感器L。
***100还包括谐振电路140，谐振电路140耦合到转换器电路110的第一端口并且电感耦合到电感耦合设备160。***100还包括控制电路150，其被配置为响应于电感耦合设备160的状态来控制转换器电路110。例如，在下面描述的一些实施例中，电感耦合设备160可以包括用于向负载提供功率的谐振电路和转换器，并且电感耦合设备160的状态可以是例如提供给负载的输出电压。然而，应当理解，其他实施例可以使用从与其电感耦合的设备传输的其他参数来控制转换器电路110。
应当理解，通常，***100可以包括多种不同类型的电路中的任何一种。例如，转换器电路110可以包括功率半导体设备，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)和/或功率MOSFET设备，以及用于偏置和/或驱动这样的设备的其它组件。控制电路150可以包括诸如微控制器或其他计算设备的模拟和/或数字电路，以及用于将这样的设备连接到转换器电路110和电感耦合设备160的各种模拟和/或数字电路。谐振电路140可以包括多种不同类型的电路组件中的任何一种，包括但不限于电感器、电容器和电阻器。电感耦合设备160可以包括被配置为电感耦合到谐振电路140以用于其间的功率传输的各种设备中的任何设备。这样的设备可以包括例如电池充电器、移动计算和通信设备、车辆电池充电***等。
图2示出根据进一步的实施例的***200。***200包括被配置为耦合到AC电源10的输入端口201。第一AC/DC转换器电路210具有经由阻抗网络220耦合到输入端口201的第一端口，阻抗网络220这里示出为包括至少一个电感器L。第一AC/DC转换器电路210具有耦合到储能设备的第二端口，储能设备这里示出为至少一个电容器230。
***200还包括第一谐振电路240，其耦合到第一AC/DC转换器电路210的第一端口并且电感耦合到第二谐振电路262。第二AC/DC转换器电路264具有耦合到第二谐振电路262的第一端口以及被配置为耦合到负载20的第二端口。控制电路250响应于第二AC/DC转换器电路264的状态(例如，输出)控制第一AC/DC转换器电路210。例如，控制电路250可以响应于提供给负载20的输出来控制第一AC/DC转换器电路210，以将到负载20的输出保持在期望的状态。输出可以包括例如电压、电流、功率、能量和/或其他量。
在一些实施例中，第一AC/DC转换器电路210可以包括有源整流器电路，并且第二AC/DC转换器电路可以包括无源整流器。控制电路250可以控制有源整流器以从无源整流器向负载20提供期望的输出电压。关于在负载20处产生的输出电压的信息可以以多种不同方式的任何一种传输到控制电路250，所述方式包括例如通过模拟和/或数字信号。在一些实施例中，控制电路250可进一步控制有源整流器以控制输入端口201处的电流，例如，以控制功率因子、谐波或其它特性。
图3示出根据进一步的实施例的具有这样的布置的***300。***300包括被配置为耦合到AC电源10的输入端口301。有源桥电路310经由至少一个电感器L1耦合到输入端口301。有源桥电路310包括耦合在第一和第二DC总线305a、305b之间的H桥，其包括具有两个串联连接的晶体管Q1、Q2的第一半桥支路和具有两个串联连接的晶体管Q3、Q4的第二半桥支路。第一和第二DC总线305a、305b耦合到至少一个储能电容器C1，跨越储能电容器C1产生电压vout。晶体管Q1、Q2之间的第一节点和晶体管Q3、Q4之间的第二节点耦合到输入端口301。
***300还包括第一谐振电路340，其耦合到有源桥电路310的输入端口并且包括电容器C2和电感器L2。第一谐振电路340由有源桥电路310的晶体管Q1-Q4的操作激励，该操作在有源桥电路310的输入处产生激励电压vexc。第二谐振电路362包括电感器L3和电容器C3，并且当第二谐振电路362的电感器L3近场邻近第一谐振电路340的电感器L2时，第二谐振电路362可以经由谐振电感传输从第一谐振电路340接收能量。第一和第二谐振电路340、362的电感器L2、L3的磁耦合可以经由空气接口(空气芯)发生，或者可以利用磁通导向组件，例如放置以增强第一和第二谐振电路340、362之间的电感传输的一个或多个磁性材料块。
第二谐振电路362耦合到包括二极管D1-D4的二极管桥电路364。二极管桥电路364响应于第二谐振电路362的AC激励产生跨越负载20的DC输出电压vload。可以在二极管桥电路364的输出处设置电容器C4用于储能。
闭环控制电路352和脉冲宽度调制(PWM)驱动器电路354控制有源桥电路310。尤其是，闭环控制电路352可以响应于表示负载20处的输出电压vload的信号vload'、表示输入端口301处的电流iin的信号iin'和表示输入端口301处的电压vin的信号vin'产生用于PWM驱动器电路354的PWM控制信号。在一些实施例中，例如，闭环控制电路352和PWM驱动器电路352可以在与来自AC源10的AC输入电压的频率相比相对高的频率(例如100-200kHz)处，以被调制以控制通过其中的电流的脉冲宽度来操作开关晶体管Q1-Q4。这在所述开关频率处向第一谐振电路340提供激励，同时控制到第二谐振电路362的功率传输。
闭环控制电路352可以使用多种不同类型的电路中的任何一种来实现。例如，闭环控制电路352可以使用微控制器或类似的计算设备以及用于将这样的设备连接到诸如PWM驱动器电路354和/或传感器和其他设备的***电路的辅助电路来实现。应当理解，一些实施例可以使用模拟控制电路来实现类似的效果。PWM驱动器电路354可以包括例如模拟和数字电路，其被配置为基于由闭环控制电路352提供的控制输入来生成适当的信号以驱动有源桥电路310的晶体管Q1-Q4。
与常规无线功率传输***相比，图3所示的布置可以提供几个优点。尤其是，将第一谐振电路340耦合到有源桥电路310的输入端，不需要额外的逆变器来驱动传输谐振电路。与一些常规***相比，这可以减少部件数量和成本。
图4示出可以由闭环控制电路352实现的控制架构。在外部电压控制环的求和点410处，可以将负载电压信号vload'与表示要提供给负载20的期望电压的参考电压信号vref进行比较，产生提供给包括比例积分器420、增益430和限制器440的第一补偿器的误差信号。第一补偿器的输出被提供给乘法器450，乘法器450将第一补偿器的输出乘以输入电压信号vin'以产生用于内部电流控制环的命令信号。在内部电流控制环中，在求和点460处将该命令信号与输入电流信号iin'进行比较，产生提供给包括增益470和限制器480的第二补偿器的误差信号。第二补偿器的输出被提供给另一求和点490，其将补偿器输出加到输入电压信号vin'以产生用于PWM驱动器的命令信号。
根据一些实施例的电感功率传输***可以用在多种不同应用中。例如，图5示出了用于诸如移动设备充电或车辆充电的应用的示例性配置。发送器单元510可以具有被配置为耦合到AC电源10的输入端口501。发送器单元510包括第一AC/DC转换器电路511，其具有通过电感器L1耦合到输入端口501的第一端口和耦合到储能电容器C1的第二端口。第一谐振电路513耦合到第一AC/DC转换器电路511的输入端口，并且包括电感器L2和电容器C2。电感器L1可以包括例如导体环或类似结构，其被配置为促进到外部设备的电感(近场)传输。
接收器单元520可以被配置为从发送器单元510接收功率。接收器单元520包括第二谐振电路522，其包括电感器L3和电容器C3。电感器L3可以包括例如导体环或其他结构，其被配置为被提供在发送器单元510的电感器L2的附近以促进其间的电感传输。接收器单元520还包括第二AC/DC转换器电路521，其被配置为响应第二谐振电路522中感应的AC电压在耦合到负载20的输出端口502处产生DC输出。
如进一步所示，接收器单元520还包括通信电路523，其被配置为将表示该输出电压和/或接收器单元520的其他状态的信息传递到发送器单元510中的通信电路515。将理解，接收器单元520和发送器单元510之间的通信可以采取多种不同形式中的任一种。例如，通信电路523可以传输表示在负载20处产生的输出电压的模拟信号，并且接收器通信电路523和发送器通信电路515可以分别包括模拟驱动器和模拟缓冲器。在一些实施例中，接收器单元通信电路523可以发送并且发送器单元通信电路515可以接收表示接收器单元520的输出的数字通信信号。这样的数字信号可以符合例如以太网或其他数字通信协议。发送器单元510和接收器单元520之间的通信可以例如经由线、光链路或无线地使用无线电频率、光学的、红外的或其他类型的无线信号发生。例如，发送器单元510和接收器单元520之间的通信可以使用在功率传输电路(例如，经由谐振电路513、522)或其他电路上传导的负载变化键控或近场通信(NFC)。
应当理解，在一些应用中，发送器单元510可以结合在诸如用于对电池组、便携式电子设备、车辆、照明设备等进行充电的充电站的设备中。接收器单元520可以结合在相应的需要充电的设备中，例如，在电池组、便携式电子装置、照明设备等中。
图6-9示出了根据一些实施例的沿着图3所示的线的无线功率传输***的示例波形。参考图6并结合图3，在有源桥电路310的输入处的激励电压vexc具有相对高的脉冲宽度调制频率。可以看出，由于控制电路的功率因子控制操作，低得多的频率的调制被重叠在该电压上，产生图7所示的输入电压vin和输入电流iin的近似同相(in-phase)关系。图8和9分别示出在负载20处产生的电压vload和在有源桥电路310的输出处产生的电压vout。
在附图和说明书中，已经公开了本发明主题的示例性实施例。虽然采用了具体术语，但是它们仅在一般的和描述性的意义上使用，而不是为了限制的目的，本发明主题的范围由所附权利要求限定。

Claims (21)

1.一种***，所述***包括：
AC输入端口，其被配置为耦合到AC电源；
第一AC/DC转换器电路，其具有耦合到所述AC输入端口的第一端口；
第一谐振电路，其耦合到所述第一AC/DC转换器电路的所述第一端口；
第二谐振电路，其电感耦合到所述第一谐振电路；
第二AC/DC转换器电路，其耦合到所述第二谐振电路；以及
控制电路，其被配置为响应于所述第二AC/DC转换器电路的输出控制所述第一AC/DC转换器电路。
2.根据权利要求1所述的***，其中，所述第一AC/DC转换器电路包括H桥电路。
3.根据权利要求2所述的***:
其中，所述H桥电路包括第一和第二半桥电路，每个半桥电路包括串联耦合在第一和第二总线之间的第一和第二开关；
其中，所述第一谐振电路耦合到所述第一和第二半桥电路中的相应一个的所述第一和第二开关之间的相应第一和第二节点。
4.根据权利要求3所述的***，其进一步包括耦合在所述AC输入端口与所述第一和第二节点中的至少一个之间的至少一个电感器。
5.根据权利要求2所述的***，其中，所述第二AC/DC转换器电路包括二极管桥电路。
6.根据权利要求1所述的***，其中，所述控制电路被配置成响应于由所述第二AC/DC转换器电路产生的输出来控制所述AC输入端口处的电流。
7.根据权利要求6所述的***，其中，所述控制电路进一步被配置为响应于所述AC输入端口处的电压来控制所述AC输入端口处的所述电流。
8.根据权利要求1所述的***，其进一步包括储能电路，所述储能电路被耦合到所述第一AC/DC转换器电路的第二端口。
9.根据权利要求1所述的***，其进一步包括通信电路，其被配置为传输表示所述第二AC/DC转换器电路的所述输出的信号，并且其中，所述控制电路被配置为接收所述传输的信号并响应于所述接收的信号控制所述第一AC/DC转换器电路。
10.一种无线功率传输装置，包括：
AC输入端口，其被配置为耦合到AC电源；
转换器电路，其具有耦合到所述AC输入端口的第一端口；
储能电路，其耦合到所述转换器电路的第二端口；
谐振电路，其耦合到所述转换器电路的所述第一端口并且被配置为将功率电感地传输到外部设备；以及
控制电路，其被配置为响应于指示所述外部设备的状态的信号来控制所述转换器电路。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述转换器电路包括AC/DC转换器电路。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述转换器电路包括H桥有源整流器电路。
13.根据权利要求12所述的装置:
其中，所述H桥整流器电路包括第一和第二半桥电路，每个半桥电路包括串联耦合在第一和第二总线之间的第一和第二开关；以及
其中，所述转换器电路的所述第一端口包括在所述第一和第二半桥电路的相应一个的所述第一和第二开关之间的相应第一和第二节点。
14.根据权利要求13所述的装置，其进一步包括耦合在所述AC输入端口与所述第一和第二节点中的至少一个之间的至少一个电感器。
15.根据权利要求10所述的装置，其中，所述控制电路被配置为响应于指示由所述外部设备产生的电压的信号来控制所述AC输入端口处的电流。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述控制电路被配置为接收表示由所述外部设备产生的所述电压的通信信号，并响应于所述接收的通信信号来控制所述转换器电路。
17.根据权利要求15所述的装置，其中，所述控制电路被进一步配置为响应于所述AC输入端口处的电压来控制所述AC输入端口处的电流。
18.根据权利要求10所述的装置，其中，所述谐振电路包括第一谐振电路，以及其中，所述装置进一步包括接收器单元，所述接收器单元具有被配置为耦合到负载的输出并且包括被配置为电感耦合到所述第一谐振电路的第二谐振电路。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述转换器电路包括第一转换器电路，以及其中，所述接收器单元进一步包括耦合到所述第二谐振电路的第二转换器电路，以及其中，所述控制电路被配置为响应于所述第二转换器电路的输出来控制所述第一转换器电路。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述控制电路被配置为响应于所述负载处的输出电压来控制所述AC输入端口处的电流。
21.一种操作无线功率传输装置的方法，所述无线功率传输装置包括：AC输入端口，其被配置为耦合到AC电源；转换器电路，其具有耦合到所述AC输入端口的端口；以及谐振电路，其耦合到所述转换器电路的所述端口，所述方法包括：
将功率从所述谐振电路电感地传输到外部设备；以及
响应于指示所述外部设备的状态的信号来控制所述转换器电路。
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