CN106887904A - 一种具有过压保护的无线电能传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有过压保护的无线电能传输装置，利用过压保护电感、过压保护开关和过压控制电路控制整流滤波电路输出的直流电压的大小，以使其不超过预设电压值。本发明的技术方案很好的解决了无线电能传输过程中的电压过压或电流过流的问题，控制方案简单，效果好。

Description

一种具有过压保护的无线电能传输装置

技术领域

本发明涉及无线充电领域，具体涉及一种具有过压保护的无线电能传输装置。

背景技术

无线电能传输技术由于安全方便等优点广泛应用于电子充电领域中，实现无线电能传输的方式主要有磁感应式和磁共振式两种方式，通常常用的为磁共振式，磁共振式无线电能传输装置主要包括电能发射端和电能接收端，两者通过电磁共振原理实现能量传输。

一般来说，发射端包括有逆变器、阻抗匹配电路和发射线圈，接收端包括有接收线圈、阻抗匹配电路、整流电路和直流电压转换电路(DC-DC变换器)，如图1所示的无线电能传输装置的电路框图，图1中发射部分仅示出发射线圈L_S，发射线圈L_S接收交变电流产生交变磁场，接收线圈L_d感应交变磁场产生高频交变电压，之后，交变电压经过整流电路整流和滤波电容滤波后以获得直流电压V_rect，DC-DC变换器接收直流电压转换为合适的电压信号供给电子设备。

但是，在电能传输过程中，由于发射线圈和接收线圈的耦合会发生变化，例如耦合突然增强或者发射线圈中的磁场能量突然增大，这将导致整流电路后的直流电压V_rect超过预设电压值，过大的电压会损坏后级的DC-DC变换器，甚至是负载侧的电子设备。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种具有过压保护的无线电能传输装置，当检测到整流滤波后的直流电压或输出电压超过预设电压值时，利用过压保护电感和过压保护开关电路、部分阻抗匹配电路、接收线圈形成一个回路，使得接收线圈的能量不流向后级的整流滤波电路，直至直流电压恢复至不超过预设电压值。

依据本发明的一种具有过压保护的无线电能传输装置，包括隔离的电能发射端和电能接收端，所述电能发射端接收交变电流信号以产生空间磁场，所述电能接收端包括接收线圈、整流滤波电路、阻抗匹配网络、直流电压转换电路：

所述阻抗匹配网路连接在所述接收线圈和整流滤波电路之间，并且所述接收线圈和所述阻抗匹配网络谐振工作以耦合所述电能发射端传输的磁场能量，产生高频的交流电压信号；

所述整流滤波电路接收所述高频的交流电压信号以产生直流电压信号；

所述直流电压转换电路接收所述直流电压信号以转换为期望的输出电压供给电子设备；

所述电能接收端还包括过压保护感性元件、过压保护开关电路和过压控制电路；

所述过压保护感性元件和过压保护开关电路串联连接在所述阻抗匹配网路和接地端之间；

所述过压控制电路接收所述直流电压信号和表征预设电压值的第一参考电压信号，以产生开关控制信号控制所述过压保护开关电路的开关状态，以使得所述直流电压信号不超过预设电压值。

优选的，所述阻抗匹配网络包括串联连接在接收线圈第一端和整流滤波电路之间的第一阻抗电路和第二阻抗电路；

所述过压保护感性元件包括第一过压保护电感，所述过压保护开关电路包括第一过压保护开关，所述第一过压保护电感和第一过压保护开关串联连接在所述第一阻抗电路和第二阻抗电路的公共连接点和地端之间。

优选的，所述整流滤波电路包括半桥整流电路和滤波电容，

所述半桥整流电路接收所述高频的交流电压信号以输出半波电压信号；

所述滤波电容接收所述正波电压信号，以获得直流电压信号。

优选的，所述整流滤波电路包括半桥整流电路和滤波电容，所述阻抗匹配网络包括第三阻抗电路和第四阻抗电路，所述第三阻抗电路连接在所述接收线圈的第一端和整流滤波电路之间，所述第四阻抗电路连接在所述接收线圈的第二端和整流滤波电路之间；

所述过压保护电感包括第二过压保护电感和第三过压保护电感，所述开关保护开关电路包括第二过压保护开关和第三过压保护开关，

所述第二过压保护电感和第二过压保护开关串联连接在所述第三阻抗电路和地端之间，所述第三过压保护电感和第三过压保护开关串联连接在所述第四阻抗电路和地端之间。

优选的，，所述第三阻抗电路包括串联连接的第一阻抗子电路和第二阻抗子电路，所述第四阻抗电路包括第三阻抗子电路，

所述第二过压保护电感的第一端连接至第一阻抗子电路和第二阻抗子电路的公共连接点，所述第二过压保护开关的第一极性端连接所述第二过压保护电感的第二端，所述第二过压保护开关的第二极性端接地端。

所述第三过压保护电感的第一端连接至所述接收线圈的第二端和所述第三阻抗子电路的公共连接点，所述第三过压保护开关的第一极性端连接所述第三过压保护电感的第二端，所述第三过压保护开关的第二极性端接地端。

优选的，，所述整流滤波电路包括全桥整流电路和滤波电容，

所述全桥整流电路包括串联连接的第一二极管、第二二极管和串联连接的第三二极管、第四二极管，两对串联连接的二级管再并联连接，所述第一二极管和第三二极管的公共连接端输出半波电压信号；所述第二二极管和第四二极管的公共连接端连接地端；

所述第二阻抗子电路连接所述第一二极管和第二二极管的公共连接点；

所述第三阻抗子电路连接至所述第三二极管和第四二极管的公共连接点。

所述滤波电容接收所述正波电压信号，以获得直流电压信号。

优选的，所述过压控制电路包括采样电路和滞环比较器，

所述采样电路采样所述直流电压信号，以获得采样电压信号；

所述滞环比较器接收所述采样电压信号和所述第一参考电压信号，输出所述开关控制信号；

当所述采样电压信号大于所述滞环比较器的上限电压值时，所述开关控制信号为有效状态以控制所述过压保护开关电路导通；当所述采样电压信号小于所述滞环比较器的下限电压值时，所述开关控制信号为无效状态以控制所述过压保护开关电路关断。

通过上述的具有过压保护的无线电能传输装置，利用过压保护电感、过压保护开关和过压控制电路控制直流电压的大小，以使其不超过预设电压值。本发明的技术方案很好的解决了无线电能传输过程中的电压过压(或电流过流)的问题，控制方案简单，效果好。

附图说明

图1所示的无线电能传输装置的基本电路框图；

图2所示为依据本发明的无线电能传输装置的第一实施例的电路框图；

图3所示为图2电路的工作波形图；

图4所示为依据本发明的无线电能传输装置的第二实施例的电路框图；

图5所示为图4电路的工作波形图。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明的一些优选实施例，但本发明不限于此。

参考图2所示为依据本发明的无线电能接收装置的第一实施例的电路框图，如图2所示，所述无线电能传输装置包括隔离的电能发射端(仅示出发射线圈Ls)和电能接收端，所述电能发射端接收交变电流信号以产生空间磁场，所述电能接收端包括有接收能量的接收线圈L_d、依次与所述接收线圈连接的阻抗匹配网络、整流滤波电路201和直流电压转换电路202，所述阻抗匹配网络连接在所述接收线圈Ld和整流滤波电路201之间，所述接收线圈Ld和所述阻抗匹配网络谐振工作以耦合所述电能发射端传输的磁场能量，以产生高频的交流电压信号，整流滤波电路201接收所述高频交流电压信号，以获得直流电压信号V_rect，直流电压转换电路202接收所述直流电压信号V_rect，经电压转换为期望的输出电压V_out供给电子设备。本实施例中，整流滤波电路包括半桥整流电路201和滤波电容C，半桥整流电路201通常包括整流二极管，所述整流二极管连接在所述阻抗匹配网路和直流电压转换电路202之间，且二极管的阳极连接所述阻抗匹配网路，阴极连接所述直流电压转换电路202，所述整流二极管接收所述高频的交流电压信号，以输出半波电压信号，所述滤波电容C的第一端连接至所述整流二极管的阴极，第二端接地端，所述滤波电容接收所述半波电压信号，以获得直流电压信号V_rect。

本实施例中，所述阻抗匹配网络为串联连接在接收线圈和半桥整流电路之间的第一阻抗电路和第二阻抗电路，这里所述第一阻抗电路具体为第一电容C1，第二阻抗电路具体为第二电容C2，在所述电能接收端正常工作过程中，所述第一电容和第二电容串联后的等效电容与所述接收线圈的等效电感谐振，且谐振频率与***工作频率一致。

本实施例中，所述电能接收端还包括过压保护感性元件、过压保护开关电路和过压控制电路203，这里，过压保护感性元件具体为第一过压保护电感La1，过压保护开关电路具体为第一过压保护开关S1，第一过压保护电感La和第一过压保护开关S1串联连接在所述阻抗匹配网路和接地端之间，所述第一过压保护电感La1的第一端连接至所述第一电容C1和第二电容C2的公共连接点，第二端连接所述第一过压保护开关S1的第一极性端，所述第一过压保护开关S1的第二极性端接地端。

过压控制电路203接收所述直流电压信号V_rect和第一参考电压信号V_ref1，以产生开关控制信号Vcon控制过压保护开关S1的开关状态，以使得所述直流电压信号V_rect不超过预设电压值。

具体的，参考图2，所述过压控制电路203具体包括采样电路和滞环比较器，采样电路由分压电阻R1和电阻R2构成，滞环比较器由电阻R3、电阻R4和比较器CMP构成，分压电阻R1和电阻R2采样所述直流电压信号V_rect，以获得采样电压信号V_rect1；所述滞环比较器的正向输入端接收所述采样电压信号V_rect1，反向输入端接收表征所述预设电压值的第一参考电压信号V_ref1，输出所述开关控制信号Vcon，所述开关控制信号Vcon控制第一过压保护开关S1导通或关断。

参考图3所示为图2电路的工作波形图，下面结合图2和图3阐述本发明实施例的过压保护工作原理。

在t1时刻，外界条件发生变化，导致直流电压信号V_rect异常，不断上升，在t2时刻，当检测到所述采样电压信号V_rect1大于所述滞环比较器的上限电压值时，表征直流电压信号超过预设电压值，这时，比较器CMP输出的开关控制信号Vcon为有效状态(例如以高电平示为有效状态，低电平示为无效状态)，第一过压保护开关S1导通，接收线圈L_d、第一电容C1、第一过压保护开关S1、第一过压保护电感La1形成一个电流回路，这时，由于第一电容C1和接收线圈的等效电感由于阻抗不匹配不能发生谐振工作，接收线圈耦合的能量会大大减小，电流回路中的电流不会很大，在本实施例中，由于第一过压保护电感La1使得第一电容C1和接收线圈等效电感不匹配程度加大，电流回路中的电流会变得比较小，开关损耗小。且接收线圈输出的能量不会传输至整流滤波电路，直流电压信号V_rect开始下降，当下降至t3时刻，所述采样电压信号V_rect1小于所述滞环比较器的下限电压值时，所述开关控制信号变为无效状态控制第一过压保护开关S1关断。接收线圈的能量再次传输至整流滤波电路，如果异常情况还存在，则直流电压信号V_rect继续上升，直至到达滞环比较器的上限电压值时，过压保护开关S1被导通，使直流电压信号V_rect下降，如此反复，直至到t4时刻，电路异常情况解除，直流电压信号Vrect下降至不超过预设电压值。

在上述过程中，当设置第一过压保护电感La1和第二电容C2的谐振频率在***工作频率上时，则第一过压保护电感La1和第二电容C2并联谐振，其等效阻抗接近无穷大，第一过压保护开关S1导通时，回路的电流接近于0，***损耗非常小，且同时可以使得直流电压信号V_rect快速下降。

从上述过程可以看出，当所述电能接收端耦合条件发生异常时，会导致输出电压升高，造成对直流电压转换电路或电子设备的损害，因此，本发明为防止对后级电路的损害，通过检测整流滤波电路的直流电压信号对来输出电压进行过压保护控制，通过控制直流电压信号不超过预设电压值，这里，为了保证第一过压保护开关的安全性，第一电容和第二电容的容值要选择合适的比例，一方面使得在所述无线电能传输装置正常工作过程中电能接收端的谐振频率与***工作频率一致，另一方面使得在第一过压保护开关导通时，通过第一过压保护开关的电流不致过大或是在第一过压保护开关断开时，第一过压保护开关的两端电压不致过大，以免造成对开关管的损坏。

参考图4所示为依据本发明的无线电能接收装置的第二实施例的电路框图，本实施例中的所述无线电能传输装置与上一实施例中的电能发射端、接收线圈L_d、直流电压转换电路202以及过压控制电路203均相同，在此不再赘述，所不同的是，本实施例中的阻抗匹配网络、整流电路电路、过压保护感性元件和过压保护开关电路不相同。

具体的，在本实施方式中，所述整流滤波电路包括全桥整流电路201和滤波电容C，所述全桥整流电路接收所述接收线圈的高频交流电压信号，以转换为正波电压信号，所述滤波电容接收所述正波电压信号，以获得直流电压信号V_rect，具体的，如图4中所示，所述全桥整流电路包括串联连接的第一二极管D1、第二二极管D2和串联连接的第三二极管D3、第四二极管D4，两对串联连接的二级管再并联连接；所述第一二极管D1和第三二极管D3的公共连接端输出所述正弦半波电压信号；所述第二二极管D2和第四二极管D4的公共连接端连接地端。

如图4所示，阻抗匹配网络连接在所述接收线圈和整流滤波电路之间，所述阻抗匹配网络包括第一阻抗电路和第二阻抗电路，所述第一阻抗电路连接在所述接收线圈的第一端和全波整流电路201之间，所述第二阻抗电路连接在所述接收线圈的第二端和全波整流电路201之间。本实施方式中，所述第一阻抗电路包括串联连接的第一阻抗子电路Z1和第二阻抗子电路Z2，所述第二阻抗电路包括第三阻抗子电路Z3，具体的，本实施例中所述第一阻抗子电路、第二阻抗子电路和第三阻抗子电路分别具体为第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5。相应的，第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5的容值设置为合适的值，以使得在工作中，无线传输的能效最高，例如为：在所述无线电能传输装置正常工作过程中第三电容C3、第四电容C4和第五电容C5并联后的等效电容与所述接收线圈的等效电感谐振，且谐振频率与***工作频率一致。

容易理解，阻抗电路的实施方式还有其他多种不同组合，例如，第一阻抗电路包括一个阻抗子电路，第二阻抗电路包括两个阻抗子电路；或是两个阻抗电路均包括两个或两个以上的阻抗子电路，只要最终满足阻抗匹配网络的等效电容和所述接收线圈的等效电感谐振，且谐振频率与***工作频率一致即可。

本实施例中，所述过压保护电感包括第二过压保护电感La2和第三过压保护电感La3，所述过压保护开关电路包括第二过压保护开关S2和第三过压保护开关S3，所述第二过压保护电感La2和第二过压保护开S2串联连接在所述第三阻抗电路和地端之间，所述第三过压保护电感和第三过压保护开关串联连接在所述第四阻抗电路和地端之间。具体的，所述第二过压保护电La2的第一端连接至第三电容C3和第四电容C4的公共连接点，所述第二过压保护开关S2的第一极性端连接所述第二过压保护电感的第二端，所述第二过压保护开关S2的第二极性端接地端。所述第三过压保护电感La3的第一端连接至所述接收线圈的第二端和所述第五电容C5的公共连接点，所述第三过压保护开关S3的第一极性端连接所述第三过压保护电感La3的第二端，所述第三过压保护开关S3的第二极性端接地端。

图4中，所述第二过压保护开关S2和第三过压保护开关S3以场效应晶体管为例，由于第二过压保护开关S2和第三过压保护开关S3的第二极性端(即是源极)接地，与后级的电压转换电路和电子设备为共地，源极电压稳定，易于驱动。容易理解，第二过压保护开关S2和第三过压保护开关S3不限于上述的场效应晶体管，还可以为现有技术中合适的开关管，如单刀双掷开关等。

同理，过压控制电路203接收所述直流电压信号V_rect1和参考电压信号V_ref1，产生开关控制信号V_con控制第二过压保护开关S2和第三过压保护开关S3的开关状态，以使得所述直流电压信号不超过预设电压值。

下面参考图5所示的波形图阐述本发明过压保护的工作过程：在t1时刻，外界条件发生变化，导致直流电压信号发生异常，不断上升，在t2时刻，当检测到所述采样电压信号V_rect1大于所述滞环比较器的上限电压值时，表征直流电压信号超过预设值，这时，所述比较器CMP输出的开关控制信号为有效状态(例如以高电平示为有效状态，低电平示为无效状态)，第二过压保护开关S2和第三过压保护开关S3同时导通，接收线圈L_d、第三电容C3、第二过压保护电感La2、第二过压保护开关S2、第三过压保护开关S3和第三过压保护电感La3形成一个电流回路，这时，由于第三电容C3和接收线圈的等效电感由于阻抗不匹配不能发生谐振，接收线圈的传输的能量会大大减小，电流回路中的电流不会很大。在本实施例中，由于第二过压保护电感La2和第三过压保护电感La3使得第三电容C3和接收线圈等效电感不匹配程度加大，电流回路中的电流会变得更小，开关损耗小。且接收线圈输出的能量不会传输至整流滤波电路，直流电压信号V_rect开始下降，当下降至t3时刻，所述采样电压信号V_rect1小于所述滞环比较器的下限电压值时，所述开关控制信号变为无效状态控制所述第二过压保护开关S2和第三过压保护开关S3同时关断。接收线圈的能量再次传输至整流滤波电路，如果异常情况还存在，则直流电压信号V_rect继续上升，直至到达滞环比较器的上限电压值时，第二过压保护开关S2和第三过压保护开关S3被导通，使直流电压信号V_rect下降，如此反复，直至到t4时刻，电路异常情况解除，直流电压信号V_rect下降至不超过预设电压值。

同理，在本实施方式中，当设置第二过压保护电感La2和第四电容C4的谐振频率在***工作频率上以及设置第三过压保护电感La3和第五电容C5的谐振频率在***工作频率上时，或者是设置第二过压保护电感La2与第三过压保护电感La3相加后的等效感值与第四电容C4和第五电容C5相加后的等效容值在谐振频率在***工作频率上，所述则第二过压保护电感La2和第四电容C4并联谐振，第三过压保护电感La3和第五电容C5并联谐振，其等效阻抗接近无穷大，第二过压保护开关S2和第三过压保护开关S3导通时，回路的电流接近于0，***损耗较小，且同时可以使得直流电压信号V_rect快速下降。

从上述过程可以看出，当所述无线电能传输装置发生异常时，会导致输出电压升高，造成对电压转换电路或电子设备的损害，因此，本发明为防止对后级电路的损害，通过检测整流滤波电路的输出电压信号对来输出电压进行过压保护控制。本发明的具有过压保护功能的无线电能传输装置，通过全桥整流电路可以获得更好更稳定的直流电压信号，而将过压保护感性元件和过压保护开关电路连接在阻抗匹配网络和地端之间，一方面可以保证当开关导通时不会对整流桥中的二极管造成损害，另一方面可以使得接收线圈的能量通过开关保护电路组成的回路释放掉。

这里，为了保证第二过压保护开关S2和第三过压保护开关S3例，一方面使得在所述无线电能传输装置正常工作过程中接收部分的谐振频率与***工作频率一致，另一方面使得在第二过压保护开关S2和第三过压保护开关S3导通时，通过第二过压保护开关S2和第三过压保护开关S3的电流不致过大或是在第二过压保护开关S2和第三过压保护开关S3断开时，第二过压保护开关S2和第三过压保护开关S3的两端电压不致过大，以免造成对开关管的损坏。

本发明的具有过压保护的无线电能传输装置，很好的解决了异常情况下电压过压或电流过流的问题，控制方案简单，效果好。

以上对依据本发明的优选实施例的具有过压保护的无线电能传输装置进行了详尽描述，但关于该专利的电路和有益效果不应该被认为仅仅局限于上述所述的，公开的实施例和附图可以更好的理解本发明，因此，上述公开的实施例及说明书附图内容是为了更好的理解本发明，本发明保护并不限于限定本公开的范围，本领域普通技术人员对本发明实施例的替换、修改均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有过压保护的无线电能传输装置，包括隔离的电能发射端和电能接收端，所述电能发射端接收交变电流信号以产生空间磁场，其特征在于，

所述电能接收端包括接收线圈、整流滤波电路、阻抗匹配网络、直流电压转换电路：

所述阻抗匹配网路连接在所述接收线圈和整流滤波电路之间，并且所述接收线圈和所述阻抗匹配网络谐振工作以耦合所述电能发射端传输的磁场能量，产生高频的交流电压信号；

所述整流滤波电路接收所述高频的交流电压信号以产生直流电压信号；

所述直流电压转换电路接收所述直流电压信号以转换为期望的输出电压供给电子设备；

所述电能接收端还包括过压保护感性元件、过压保护开关电路和过压控制电路；

所述过压保护感性元件和过压保护开关电路串联连接在所述阻抗匹配网路和接地端之间；

所述过压控制电路接收所述直流电压信号和表征预设电压值的第一参考电压信号，以产生开关控制信号控制所述过压保护开关电路的开关状态，以使得所述直流电压信号不超过预设电压值。

2.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述阻抗匹配网络包括串联连接在接收线圈第一端和整流滤波电路之间的第一阻抗电路和第二阻抗电路；

所述过压保护感性元件包括第一过压保护电感，所述过压保护开关电路包括第一过压保护开关，所述第一过压保护电感和第一过压保护开关串联连接在所述第一阻抗电路和第二阻抗电路的公共连接点和地端之间。

3.根据权利要求2所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述整流滤波电路包括半桥整流电路和滤波电容，

所述半桥整流电路接收所述高频的交流电压信号以输出半波电压信号；

所述滤波电容接收所述正波电压信号，以获得直流电压信号。

4.根据权利要求1所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述阻抗匹配网络包括第三阻抗电路和第四阻抗电路，所述第三阻抗电路连接在所述接收线圈的第一端和整流滤波电路之间，所述第四阻抗电路连接在所述接收线圈的第二端和整流滤波电路之间；

所述过压保护电感包括第二过压保护电感和第三过压保护电感，所述开关保护开关电路包括第二过压保护开关和第三过压保护开关，

所述第二过压保护电感和第二过压保护开关串联连接在所述第三阻抗电路和地端之间，所述第三过压保护电感和第三过压保护开关串联连接在所述第四阻抗电路和地端之间。

5.根据权利要4所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述第三阻抗电路包括串联连接的第一阻抗子电路和第二阻抗子电路，所述第四阻抗电路包括第三阻抗子电路，

所述第二过压保护电感的第一端连接至第一阻抗子电路和第二阻抗子电路的公共连接点，所述第二过压保护开关的第一极性端连接所述第二过压保护电感的第二端，所述第二过压保护开关的第二极性端接地端。

所述第三过压保护电感的第一端连接至所述接收线圈的第二端和所述第三阻抗子电路的公共连接点，所述第三过压保护开关的第一极性端连接所述第三过压保护电感的第二端，所述第三过压保护开关的第二极性端接地端。

6.根据权利要求5所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述整流滤波电路包括全桥整流电路和滤波电容，

所述全桥整流电路包括串联连接的第一二极管、第二二极管和串联连接的第三二极管、第四二极管，两对串联连接的二级管再并联连接，所述第一二极管和第三二极管的公共连接端输出半波电压信号；所述第二二极管和第四二极管的公共连接端连接地端；

所述第二阻抗子电路连接所述第一二极管和第二二极管的公共连接点；

所述第三阻抗子电路连接至所述第三二极管和第四二极管的公共连接点。

所述滤波电容接收所述正波电压信号，以获得直流电压信号。

7.根据权利要求2或4所述的无线电能传输装置，其特征在于，所述过压控制电路包括采样电路和滞环比较器，

所述采样电路采样所述直流电压信号，以获得采样电压信号；

所述滞环比较器接收所述采样电压信号和所述第一参考电压信号，输出所述开关控制信号；

当所述采样电压信号大于所述滞环比较器的上限电压值时，所述开关控制信号为有效状态以控制所述过压保护开关电路导通；当所述采样电压信号小于所述滞环比较器的下限电压值时，所述开关控制信号为无效状态以控制所述过压保护开关电路关断。