CN207925287U - 一种线圈模组、无线电能发射电路及接收电路 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种线圈模组、无线电能发射电路及接收电路，通过将多个线圈相互重叠放置，并且在相邻的线圈之间和线圈模组的输出端均设置一个相匹配的电容，使得在线圈截面面积不变的同时，增大了耦合电感，并有效地降低了叠层线圈之间由于寄生电容造成的环流，提高了充电效率。

Description

一种线圈模组、无线电能发射电路及接收电路
本实用新型要求了2017年12月25日提交的，申请号为2017114224177、发明名称为“一种线圈模组、无线电能发射电路及接收电路”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本实用新型中。
技术领域
本实用新型涉及电子电力技术，具体涉及无线充电技术，更具体地，涉及一种线圈模组、无线电能发射电路及接收电路。
背景技术
无线充电技术可以以无线方式在电子设备之间传输电能，因而广泛应用于消费电子产品和其它类型的电子产品中。无线充电技术通常通过无线电能发射端线圈和无线电能接收端线圈的相互电磁耦合来实现电能的无线传输。
无线电能发射端将直流电压转换为交变电流，交变电流通过无线电能发射端线圈产生交变磁场。无线电能接收端耦合交变的磁场感应出相应的交变电压，然后通过整流电路将交变电压转换为直流电压给电子设备充电。无线电能接收端耦合交变磁场，感生电压的能力为：
Us＝ωMIp(其中)
其中ω为交变磁场的频率，M为电能发射线圈和接收线圈的耦合电感，Ip为电能发射线圈中的电流，表征磁场强度，Lp为电能发射线圈的电感值，Ls为电能接收线圈的电感值，k为电能发射线圈和电能接收线圈的耦合系数。
由上式可知，通过提高耦合电感M可以提高无线电能接收端的感生电压。耦合电感M可通过提高电能发射线圈的电感值、电能接收线圈的电感值或电能发射线圈和电能接收线圈的耦合系数实现。线圈的电感值和耦合系数可通过增加线圈的匝数实现(线圈的电感值与匝数的平方成正比)，如图1所示，将线圈匝数从同一平面上从4匝增加到8匝，这样匝数增加2倍，电感值将近增加4倍。但是，在同一平面上增加线圈的匝数，线圈的面积会越来越大，若在线圈匝数增加后，电能发射线圈和电能接收线圈的面积不对应，会造成电能发射线圈面积和电能接收线圈面积的相对比例增加，进而造成耦合系数k的减小，使得充电效率较低。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型公开一种线圈模组、无线电能发射电路及接收电路，以在使得线圈截面面积不变的同时，增大耦合电感，降低寄生电容造成的环流，提高充电效率。
第一方面，提供一种线圈模组，包括：
N个线圈，以平面方式绕制且相互重叠放置；
N-1个第一电容，第i个第一电容设置在第i个线圈和第i+1个线圈之间，从而形成N个线圈和N-1个电容的串联电路，i＝1至N-1，N大于等于2；以及
第二电容，串联连接在所述N个线圈和N-1个电容的串联电路的一端。
进一步地，所述N个电容的配置参数使得相邻两层线圈之间的电压差最小化。
进一步地，所述N个线圈的电感值均为L/N，所述N-1个第一电容和所述第二电容的电容值均为N*C；
其中，
进一步地，所述N个线圈大小形状相同。
进一步地，所述N个线圈以同心方式上下放置。
进一步地，所述线圈模组还包括：
第三电容，串联连接在所述N个线圈和N-1个电容的串联电路的另一端。
进一步地，所述N-1个第一电容的电容值均为N*C，所述第二电容和所述第三电容的电容值均为2N*C。
进一步地，所述线圈模组还包括：
磁片，放置在所述N个线圈其中之一的一侧。
第二方面，提供一种无线电能发射电路，适于以无线方式发射电能，其中所述无线电能发射端包括如上任一项所述的线圈模组。
第三方面，提供一种无线电能接收电路，适于以无线方式接收电能，其中所述无线电能接收端包括如上任一项所述的线圈模组。
本实用新型通过将多个线圈相互重叠放置，并且在相邻的线圈之间和线圈模组的输出端均设置一个相匹配的电容，使得在线圈截面面积不变的同时，增大了耦合电感，并有效地降低了叠层线圈之间由于寄生电容造成的环流，提高了充电效率。
附图说明
通过以下参照附图对本实用新型的描述，本实用新型的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是现有技术的线圈模组的结构图；
图2是本实用新型对比例的线圈模组的结构图；
图3是本实用新型第一实施例的线圈模组的结构图；
图4是本实用新型第一实施例的线圈模组的等效电路图；
图5是本实用新型第一实施例的另一种线圈模组的等效电路图；
图6是本实用新型第二实施例的线圈模组的结构图；
图7是本实用新型第二实施例的线圈模组的等效电路图；
图8是本实用新型第二实施例的另一种线圈模组的等效电路图；
图9是本实用新型的无线电能发射电路的电路图；
图10是本实用新型的无线电能接收电路的电路图。
具体实施方式
以下基于实施例对本实用新型进行描述，但是本实用新型并不仅仅限于这些实施例。在下文对本实用新型的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本实用新型。为了避免混淆本实用新型的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
图2是本实用新型对比例的线圈模组的结构图。如图1所示，线圈模组2包括第一线圈21和第二线圈22，第一线圈21与第二线圈22上下重叠放置。其中，第一线圈21与第二线圈22的匝数均为4匝，且串联连接，相比于匝数为4匝的单线圈，增加了近似4倍的电感值。并且在增加线圈电感值的同时，耦合系数k近似不变，使得更加有效地增加耦合电感。
但是采用图2中的线圈模组来增加线圈的电感值，会存在寄生电容Cp1、Cp2和Cp3等，导致上下线圈之间的电压不相等，进而通过寄生电容生成寄生电流Ip1、Ip2和Ip3等：
(du为上下层线圈的电压差)
这些寄生电流会增加线圈模组中的无功耗损，降低充电效率。由此，本实用新型提供了一种线圈模组，多个线圈通过上下层串联绕制来增加线圈模组的电感值，同时通过设置电容有效降低线圈之间由于寄生电容造成的寄生电流，提高了充电效率。
图3是本实用新型第一实施例的线圈模组的结构图。图4是本实用新型第一实施例的线圈模组的等效电路图。如图3所示，线圈模组3包括第一线圈L1、第二线圈L2、第一电容C1和第二电容C2。其中，第一线圈L1和第二线圈L2上下重叠放置，并且串联连接。第一线圈的两端分别为A端和B端，第二线圈的两端分别为A1端和B1端。第一电容C1串联连接在第一线圈L1的B端和第二线圈L2的A1端之间。第二电容C2串联在第二线圈L2的B1端。应理解，第二电容C2也可以串联连接在第一线圈L1的A端。
优选地，第一线圈L1与第二线圈L2的大小形状相同，以使得磁场分布均匀。
优选地，第一线圈L1与第二线圈L2以同心方式上下放置，以使得上下层线圈对应部位的感生电压近似相等，降低损耗。
线圈模组3的等效电路图如图4所示，第一线圈L1和第二线圈L2与第一电容C1和第二电容C2在工作频率ω附近谐振，提高电能的传输效率，也即
第一线圈L1和第二线圈L2的电感值L1＝L2＝L/2。为了消除第一线圈L1与第二线圈L2之间的电压差，配置第一电容C1和第二电容C2的电容值C1＝C2＝2C。根据图4所示的等效电路图，此时：
A端的电压为VA＝0
B端的电压为
A1端的电压为
B1端的电压为
由上式可知第一线圈L1的A端电压始终等于第二线圈L2的A1端电压。第一线圈L1的B端电压始终等于第二线圈L2的B1端电压。由此可知，第一线圈L1和第二线圈L2上下层之间相互对应的每一点的电压都一致。因此，在线圈模组3中，上下层的第一线圈L1与第二线圈L2之间没有电压的跳变，不会造成环流，这降低了无功损耗，提高了电能传输的效率。
优选地，线圈模组3还可以包括磁片，放置在第一线圈L1或第二线圈L2的一侧，以进一步增大线圈模组的电感值。
应理解，当需要更大的耦合电感时，可以增加线圈与电容，以适应电能传输的实际需求。即使用多个(大于两个)线圈与电容以类似图3所示的线圈模组的连接方式进行连接放置。
图5是本实用新型第一实施例的另一种线圈模组的等效电路图。如图5所示，该线圈模组包括N-1个第一电容C1、C1’……、第二电容C2和N个线圈L1-LN，N大于等于2。其中，N个线圈以平面方式绕制且相互重叠放置，第n个线圈的两端分别为An-1端和Bn-1端，n＝1至N。第i个第一电容设置在第i个线圈和第i+1个线圈之间，i＝1至N-1。第二电容C2串联连接在第N个线圈LN的BN-1端。应理解，第二电容C2也可以串联连接在第一线圈L1的A0端。令N个线圈与N个电容在工作频率ω附近谐振，提高电能的传输效率，也即
N个线圈的电感值均为Ln＝L/N，为了消除N个线圈上下层之间的电压差，配置N-1个第一电容的电容值均为Ci＝N*C，配置第二电容的电容值为C2＝N*C。在线圈模组中，此时第一线圈L1的两端A0和B0的电压以及第二线圈L2的两端A1和B1的点下为
第一线圈L1的A0端电压为VA0＝0
第一线圈L1的B0端电压为
第二线圈L2的A1端电压为
第二线圈L2的B1端电压为
由上式可知第一线圈L1与第二线圈L2之间对应各点的电压相等。不存在电压差。并且可推广到线圈模组中第n个线圈的An-1端的电压均为0，Bn-1端的电压均为-Ip/jωNC。因此，在具有N个线圈的线圈模组中，上下相邻的两个线圈之间相对应的各点的电压差均为0，没有电压的跳变，不会造成环流。这使得在增加耦合电感的同时，降低了无功损耗，提高了电能传输的效率。
应理解，在线圈模组中，上下相邻放置的两个线圈在电路连接时可以相邻串联连接(这里的相邻指线圈之间，在电路中相邻线圈之间连接有电容)，也可以不相邻串联连接。例如，当第一线圈、第二线圈和第三线圈顺序上下重叠放置时，其电路连接方式可以是第一线圈与第二线圈相邻串联连接，第二线圈与第三线圈相邻串联连接，也可以是第一线圈与第三线圈相邻串联连接，第三线圈与第二线圈相邻串联连接。
线圈模组中的N个线圈的参数可以是不相同的，但是，通过根据每个线圈的电感值来配置每个电容的电容值，使得线圈上下层之间的电压差近似为零，便可实现降低环流的效果。
图6是本实用新型第二实施例的线圈模组的结构图。图7是本实用新型第二实施例的线圈模组的等效电路图。如图6所示，线圈模组6包括第一线圈L1、第二线圈L2、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3。其中，第一线圈L1和第二线圈L2上下重叠放置，并且串联连接。第一线圈的两端分别为A端和B端，第二线圈的两端分别为A1端和B1端。第一电容C1串联连接在第一线圈L1的B端和第二线圈L2的A1端之间。第二电容C2串联连接在第二线圈L2的B1端。第三电容C3串联连接在第一线圈L1的A端。
优选地，第一线圈L1与第二线圈L2的大小形状相同，以使得磁场分布均匀。
优选地，第一线圈L1与第二线圈L2以同心方式上下放置，以使得上下层线圈对应部位的感生电压近似相等，降低损耗。
线圈模组6的等效电路图如图7所示，线圈L1和L2与电容C1、C2和C3在工作频率ω附近谐振，提高电能的传输效率，也即
第一线圈L1和第二线圈L2的电感值L1＝L2＝L/2。为了消除第一线圈L1与第二线圈L2之间的电压差，配置第一电容的电容值C1＝2C，配置第二电容与第三电容的电容值C2＝C3＝4C。根据图7所示的等效电路图，此时：
A端的电压为
B端的电压为
A1端的电压为
B1端的电压为
由上式可知第一线圈L1的A端电压始终等于第二线圈L2的A1端电压。第一线圈L1的B端电压始终等于第二线圈L2的B1端电压。由此可知，第一线圈L1和第二线圈L2上下层之间相互对应的每一点的电压都一致。因此，在线圈模组6中，上下层的第一线圈L1与第二线圈L2之间没有电压的跳变，不会造成环流，这降低了无功损耗，提高了电能传输的效率。同时，相比于线圈模组3，降低了各个线圈上的最大电压值，减少了电容被高压击穿的风险。
优选地，线圈模组3还可以包括磁片，放置在第一线圈L1或第二线圈L2的一侧，以进一步增大线圈模组的电感值。
应理解，当需要更大的耦合电感时，可以增加线圈与电容，以适应电能传输的实际需求。即使用多个(大于两个)线圈与电容以类似图6所示的线圈模组的连接方式进行连接放置。
图8是本实用新型第二实施例的另一种线圈模组的等效电路图。如图8所示，该线圈模组包括N个线圈、N-1个第一电容C1、C1’……、第二电容C2和第三电容C3，N大于等于2。其中，N个线圈以平面方式绕制且相互重叠放置，第n个线圈的两端分别为An-1端和Bn-1端，n＝1至N。第i个第一电容设置在第i个线圈和第i+1个线圈之间，i＝1至N-1。第二电容C2串联连接在第N个线圈LN的BN-1端。第三电容C3串联连接在第一个线圈L1的A0端。令N个线圈与N+1个电容在工作频率ω附近谐振，提高电能的传输效率，也即
N个线圈的电感值均为Ln＝L/N，为了消除N个线圈上下层之间的电压差，配置N-1个第一电容的电容值均为Ci＝N*C，配置第二电容C2和第三电容C3的电容值为C2＝C3＝2N*C。在线圈模组中，此时第一线圈L1的两端A0和B0的电压以及第二线圈L2的两端A1和B1的点下为
第一线圈L1的A0端电压为
第一线圈L1的B0端电压为
第二线圈L2的A1端电压为
第二线圈L2的B1端电压为
由上式可知第一线圈L1与第二线圈L2之间对应各点的电压相等。不存在电压差。并且可推广到线圈模组中第n个线圈的An-1端的电压均为Ip/jω2NC，Bn-1端的电压均为-Ip/jω2NC。因此，在具有N个线圈的线圈模组中，上下相邻的两个线圈之间相对应的各点的电压差均为0，没有电压的跳变，不会造成环流。这使得在增加耦合电感的同时，降低了无功损耗，提高了电能传输的效率。同时，各个线圈上的最大电压值较小，减少了电容被高压击穿的风险。
应理解，在线圈模组中，上下相邻放置的两个线圈在电路连接时可以相邻串联连接(这里的相邻指线圈之间，在电路中相邻线圈之间连接有电容)，也可以不相邻串联连接。例如，当第一线圈、第二线圈和第三线圈顺序上下重叠放置时，其电路连接方式可以是第一线圈与第二线圈相邻串联连接，第二线圈与第三线圈相邻串联连接，也可以是第一线圈与第三线圈相邻串联连接，第三线圈与第二线圈相邻串联连接。
线圈模组中的N个线圈的参数可以是不相同的，但是，通过根据每个线圈的电感值来配置每个电容的电容值，使得线圈上下层之间的电压差近似为零，便可实现降低环流的效果。
图9是本实用新型的无线电能发射电路的电路图。如图9所示，电能发射电路9包括线圈模组91、DC-AC逆变电路92和控制电路93。DC-AC逆变电路92用于将输入的直流电转换为工作频率为ω的交流电，控制电路93用于控制DC-AC逆变电路92。
具体地，线圈模组91包括第一线圈L1、第二线圈L2、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3。与图6类似，第一线圈L1和第二线圈L2上下重叠放置，并且串联连接。第一电容C1串联连接在第一线圈L1和第二线圈L2之间。第二电容C2和第三电容C3分别连接在DC-AC逆变电路92的两个输出端。线圈L1和L2与电容C1、C2和C3在工作频率ω附近谐振，提高电能的传输效率。第一线圈L1和第二线圈L2的电感值L1＝L2＝L/2。为了消除第一线圈L1与第二线圈L2之间的电压差，配置第一电容的电容值C1＝2C，配置第二电容与第三电容的电容值C2＝C3＝4C。这使得第一线圈L1和第二线圈L2上下层之间相互对应的每一点的电压都一致。因此，上下层的第一线圈L1与第二线圈L2之间没有电压的跳变，不会造成环流，这降低了无功损耗，提高了电能传输的效率。同时，各个线圈上的最大电压值较小，减少了电容被高压击穿的风险。
图10是本实用新型的无线电能接收电路的电路图。如图10所示，无线电能接收电路10包括线圈模组101、整流电路102和控制电路103。整流电路102用于将无线电能接收电路接收的交流电转换为直流电输出。控制电路103用于控制整流电路102。
具体地，线圈模组101包括第一线圈L1、第二线圈L2、第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3。与图6类似，第一线圈L1和第二线圈L2上下重叠放置，并且串联连接。第一电容C1串联连接在第一线圈L1和第二线圈L2之间。第二电容C2和第三电容C3分别连接整流电路102的两个输入端。线圈L1和L2与电容C1、C2和C3在工作频率ω附近谐振，提高电能的传输效率。第一线圈L1和第二线圈L2的电感值L1＝L2＝L/2。为了消除第一线圈L1与第二线圈L2之间的电压差，配置第一电容的电容值C1＝2C，配置第二电容与第三电容的电容值C2＝C3＝4C。这使得第一线圈L1和第二线圈L2上下层之间相互对应的每一点的电压都一致。因此，上下层的第一线圈L1与第二线圈L2之间没有电压的跳变，不会造成环流，这降低了无功损耗，提高了电能传输的效率。同时，各个线圈上的最大电压值较小，减少了电容被高压击穿的风险。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有各种改动和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种线圈模组，包括：
N个线圈，以平面方式绕制且相互重叠放置；
N-1个第一电容，第i个第一电容设置在第i个线圈和第i+1个线圈之间，从而形成N个线圈和N-1个电容的串联电路，i＝1至N-1，N大于等于2；以及
第二电容，串联连接在所述N个线圈和N-1个电容的串联电路的一端。
2.根据权利要求1所述的线圈模组，其特征在于，所述N个电容的配置参数使得相邻两层线圈之间的电压差最小化。
3.根据权利要求2所述的线圈模组，其特征在于，所述N个线圈的电感值均为L/N，所述N-1个第一电容和所述第二电容的电容值均为N*C；
其中，
4.根据权利要求1所述的线圈模组，其特征在于，所述N个线圈大小形状相同。
5.根据权利要求1所述的线圈模组，其特征在于，所述N个线圈以同心方式上下放置。
6.根据权利要求1所述的线圈模组，其特征在于，所述线圈模组还包括：
第三电容，串联连接在所述N个线圈和N-1个电容的串联电路的另一端。
7.根据权利要求6所述的线圈模组，其特征在于，所述N-1个第一电容的电容值均为N*C，所述第二电容和所述第三电容的电容值均为2N*C。
8.根据权利要求1所述的线圈模组，其特征在于，所述线圈模组还包括：
磁片，放置在所述N个线圈其中之一的一侧。
9.一种无线电能发射电路，适于以无线方式发射电能，其中所述无线电能发射电路包括如权利要求1-8中任一项所述的线圈模组。
10.一种无线电能接收电路，适于以无线方式接收电能，其中所述无线电能接收电路包括如权利要求1-8中任一项所述的线圈模组。
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