JP2023540278A - 連続可変能動リアクタンスシステム及び方法 - Google Patents
連続可変能動リアクタンスシステム及び方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023540278A JP2023540278A JP2023514045A JP2023514045A JP2023540278A JP 2023540278 A JP2023540278 A JP 2023540278A JP 2023514045 A JP2023514045 A JP 2023514045A JP 2023514045 A JP2023514045 A JP 2023514045A JP 2023540278 A JP2023540278 A JP 2023540278A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- reactance
- current
- circuit
- voltage
- resonant
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 24
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 22
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims description 5
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 5
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 abstract description 24
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 57
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 12
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 9
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 9
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 6
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 6
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 6
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 6
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 5
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 2
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H11/00—Networks using active elements
- H03H11/02—Multiple-port networks
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
- H02J50/00—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
- H02J50/10—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
- H02J50/12—Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H11/00—Networks using active elements
- H03H11/46—One-port networks
- H03H11/48—One-port networks simulating reactances
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H11/00—Networks using active elements
- H03H11/46—One-port networks
- H03H11/48—One-port networks simulating reactances
- H03H11/481—Simulating capacitances
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H19/00—Networks using time-varying elements, e.g. N-path filters
- H03H19/004—Switched capacitor networks
- H03H19/006—Switched capacitor networks simulating one-port networks
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H19/00—Networks using time-varying elements, e.g. N-path filters
- H03H19/008—Networks using time-varying elements, e.g. N-path filters with variable switch closing time
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Networks Using Active Elements (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
【解決手段】共振器の共振周波数を制御するための様々な実施形態が説明される。システムは、少なくとも1つの共振回路と、少なくとも1つの共振回路の共振周波数を制御する能動的可変リアクタンス回路とを含む。能動可変リアクタンス回路は、電気制御可能スイッチング素子と、第1端子から第2端子へ流れるRF電流が実質的に正弦波となるように、装置を通過又は装置の両端の高周波(RF)電流又は電圧の周波数で電気制御可能スイッチング素子を切り替えるよう構成されたスイッチコントローラサブサーキットと、を含む。【選択図】図2A
Description
本開示は、連続可変能動リアクタンスシステム及び方法に関する。
[関連出願の相互参照]
本出願は、2020年8月27日に出願された「CONTINUOUSLY VARIABLE ACTIVE REACTANCE SYSTEMS AND METHODS」という名称の米国仮特許出願第63/071,048号の利益及び優先権を主張し、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本出願は、2020年8月27日に出願された「CONTINUOUSLY VARIABLE ACTIVE REACTANCE SYSTEMS AND METHODS」という名称の米国仮特許出願第63/071,048号の利益及び優先権を主張し、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
共振無線電力システムは、電力を伝送するためにLC共振器間の磁気結合又は電気結合を利用する。このようなシステムの効率は、共振器の品質係数に依存し、品質係数が高いほど無線電力伝送効率が高くなる。ただし、品質係数が高い共振器ほど共振応答曲線が狭くなり、つまり、品質係数が高いことによって得られる潜在的な効率向上を完全に実現するには、駆動周波数を共振器の共振周波数に近づけなければならない。したがって、駆動周波数が固定されているシステム、及び/又は、2つ以上の共振器が存在するシステムでは、システムの性能を最適化するために、すべての共振器の共振周波数を正確に制御することが不可欠である。
以下の図面を参照すれば、本開示の態様の多くをさらによく理解することができる。図面の構成要素は、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではなく、開示の原理を明確に示すことに重点を置いている。さらに、図面において、同様の参照番号は、複数の図を通して対応する部分を示す。
上述のように、駆動周波数が固定されているシステム及び/又は2つ以上の共振器が存在するシステムでは、システム性能を最適化するためにすべての共振器の共振周波数を正確に制御することが不可欠である。共振器のデチューニングは、コンポーネント値の変動や環境との相互作用など、さまざまな要因によって引き起こされ得る。そのため、チューニング誤差を補正するために共振器の共振周波数を制御する方法を有することが望ましい。
ここで図面を参照して、図1A及び1Bは、LC共振器の共振周波数を制御するための2つの例示的な実施形態を示す。両方の例において、共振LCタンク回路10は、インダクタLT及びコンデンサCTを有する。図1Aを参照して、可変コンデンサCVARはCTと直列であり、これにより、LC共振器の全直列静電容量を変化させることができる。図1Aの共振器の共振周波数は、次の式で与えられる。
ここで、総直列容量Cseriesは次の式で与えられる。
図1Bでは、可変インダクタンスLVARがLTと並列であり、LC共振器の総並列インダクタンスを変化させることができる。図1Bの共振器の共振周波数は、次の式で与えられる。
ここで、合計並列インダクタンスLparallelは次の式で与えられる。
図1A及び図1Bに示すLC共振器が、人間の制御なしに環境の変化に応答できるように、可変リアクタンス素子は電気的に制御可能であってもよい。電気制御可能リアクタンスは、電気機械システム、非線形装置、又は個別に切り替えられるインダクタ又はコンデンサのアレイを使用して作成できる。ただし、これらのアプローチにはすべて、無線給電に用いると不利な点がある。電気機械システム及び個別に切り替えられるリアクタンスアレイはコストが高く複雑であるが、非線形装置は、LCタンク回路10のRF電圧及び電流の振幅よりもはるかに大きいDC制御電圧と電流を必要とし、これは高電圧システムにとっては多くの場合非実用的である。したがって、電気機械装置や非線形リアクタンスを必要とせず、最小限のスイッチング装置を用いて最小限の複雑さで連続的なチューニング範囲を実現することができる電気制御可能なリアクタンス素子を構成する手段を見つけることが望まれる。
電気制御を実現する1つの方法は、電気モータを使用して可変コンデンサ又はインダクタのチューニングを調整することである。ただし、これらの電気機械ソリューションは、多くの場合、かさばり、複雑である。電気的制御を実現し得る別の方法としては、バラクターや可飽和フェライトなどの非線形リアクタンス素子を使用する方法がある。しかし、これらの非線形装置は、可変リアクタンスとして動作するために、装置を通過する、又は装置の両端のRF電流又は電圧の振幅よりもはるかに大きいDC制御電圧又は電流を必要とする。この条件は、ラジオ受信機のタンク回路などの弱い信号でLC共振器を共振させる場合には容易に満たすことができる。しかしながら、LC共振器が、共振器内のRF電圧と電流の振幅がすでにかなり大きい高出力無線電力システムの一部である場合、この条件を満足することは多くの場合、困難又は不可能である。線形性を維持しながら電気機械部品を必要としない別の方法は、LC共振器の内外でリアクタンス素子を切り替えるために、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)、リレーなどの、電気制御スイッチを使用することである。
スイッチの各状態は、単一のチューニング状態を提供する。したがって、取り得る状態の数は、スイッチの数に2を足した数になる。しかしながら、このアプローチにはさまざまな欠点がある。まず、特定の個別のチューニング周波数しか達成できない。連続した範囲でチューニングすることはできない。第2に、システムはより多くのスイッチを必要とするため、チューニング状態が増えると、より複雑になる。第3に、システムにはデジタル制御が必要であり、これもシステムを複雑にする。したがって、電気機械装置又は非線形リアクタンスを必要とせず、最小数のスイッチング装置を使用して、最低限の複雑さで連続チューニング範囲を達成できる電気的制御を提供することが望ましい。
上述の望ましい属性は、能動可変リアクタンスで達成してもよい。そこで、図2A及び2Bは、LCタンク回路10内の正弦波RF電流又は電圧の周波数でオン及びオフに切り替えられる単一の電気制御可能スイッチング装置S1を使用して能動可変リアクタンスを構築することができる例示的な回路を示す。LCタンク回路10は、例えば、駆動周波数fdを有する外部RF源への誘導結合又は容量結合を介して間接的に電力供給されてもよい。
図2A及び3Aに示される共振器のチューニングは、スイッチのデューティサイクルを変更することによって調整してもよい。この電気制御スイッチング装置ひとつを使用すれば、これらの回路は、複雑な電気機械システムやスイッチアレイや、非線形システムに必要な大きなDC電圧や電流を必要とせずに、可変リアクタンスを生成できる。
図2Aに示す能動可変静電容量では、LCタンク回路10は、端子T1から端子T2に流れるRF電流IRFがほぼ正弦波であることを保証する。このRF電流IRFは、図2Bの上部のプロットに示されている。中央のプロットは、スイッチ制御矩形波を示す。矩形波の位相は、RF電流IRFの負勾配のゼロ交差が低期間の中間点で発生するように選択される。下のプロットは、Cs>>CTと仮定したときのコンデンサCsの両端の電圧VCsを示す。スイッチがオフのとき、コンデンサCsは最初に充電され、次に電流IRFによって放電される。IRFとスイッチ制御矩形波の間の位相関係により、ゼロ電圧スイッチングが保証され、スイッチがオンになったときにCsを放電することによってスイッチがエネルギーを消費しないことが保証される。電圧波形VCs(t)には多くの高調波が含まれている。しかしながら、LCタンク回路10は、主に基本波に応答するフィルタとして機能する。したがって、実効リアクタンスχcは、この基本波の振幅をRF電流の振幅で割ることによって定義できる。
ここで、χCs≡1/(ωCs)は、RF電流の角周波数ωにおけるコンデンサCsのリアクタンスである。式5は、実効リアクタンスがスイッチのデューティサイクルδを変更することによって連続的に変更できることを示す。デューティサイクルと実効容量性リアクタンスとの間の関係が図4Aにプロットされている。このリアクタンスは、次の実効可変静電容量に相当する。
図3Aに示す能動可変インダクタンスでは、LCタンク回路10は、端子T1と端子T2との間のRF電圧VRFがほぼ正弦波であることを保証する。このRF電圧を図3Bの上部のプロットに示す。中央のプロットは、スイッチ制御矩形波を示す。矩形波の位相は、RF電圧VRFの負勾配のゼロ交差が高期間の中間点で発生するように選択される。下のプロットは、Ls>>LTと仮定したときの、インダクタLsを流れる電流ILsを示す。スイッチがオンのとき、電圧VRFによってインダクタ電流が最初に上昇し、次に下降する。VRFとスイッチ制御矩形波との間の位相関係により、ゼロ電流スイッチングが保証され、スイッチがエネルギーを消費しないことが保証される。電流波形ILs(t)には多くの高調波が含まれている。しかしながら、LCタンク回路10は、主に基本波に応答するフィルタとして機能する。したがって、実効サセプタンスBlは、この基本波の振幅をRF電圧の振幅で割ることによって定義できる。
ここで、χLs≡wLsはRF電圧の角周波数ωにおけるインダクタLsのリアクタンスである。
式7は、実効サセプタンスが、スイッチのデューティサイクルδを変更することによって連続的に変更できることを示す。デューティサイクルと実効誘導サセプタンスとの間の関係は、図4Bにプロットされている。実効誘導リアクタンスは、実効誘導サセプタンスの逆数に等しい。
このリアクタンスは、次の実効可変インダクタンスに相当する。
式7は、実効サセプタンスが、スイッチのデューティサイクルδを変更することによって連続的に変更できることを示す。デューティサイクルと実効誘導サセプタンスとの間の関係は、図4Bにプロットされている。実効誘導リアクタンスは、実効誘導サセプタンスの逆数に等しい。
図5は、銅テープから作られた誘導ループにはんだ付けされた能動可変静電容量回路を示すが、他の材料を使用してもよい。ループは、外部RFソースによって誘導的に駆動された。スイッチは、MOSFETの並列ペアで実装された。ゲート駆動信号を生成するために、ループと直列に接続されたコンデンサの両端の正弦波電圧が位相シフトネットワークを介してコンパレータに送られ、矩形波が生成され、RCフィルタによって三角波に変換され、第2コンパレータに供給され、制御可能なデューティサイクルを持つ矩形波を生成する。
図6は、ゲート、ドレイン、及びRF電流波形の測定値を示しており、これらは、図2Bに示す理想的な波形の形状とよく一致している。より具体的には、図5に能動可変静電容量回路の測定波形を示す。電流IRFは、直列コンデンサの両端の電圧の時間導関数から決定された。導関数によって増幅された高周波ノイズを除去するために、ソフトウェアで200MHzのローパスフィルタを適用した。
式6の実効性をテストするために、共振器は被駆動ループに誘導結合した。ゲート駆動デューティサイクルを変化させ、デューティサイクルの各値について、共振器内のRF電流が最大になる駆動周波数を見つけることによって、共振周波数を測定した。結果を図7にプロットすると、式6の予測とかなりよく一致している。具体的には、図7は、図5に示す能動可変静電容量回路を含む共振器の測定共振周波数に対するデューティサイクルを示す。
LC共振器のチューニングを電気的に制御する能力には、共振無線電力伝達において多くの用途がある。一例としては、図8に示すシステムである。このシステムでは、能動可変静電容量をフィードバック回路と組み合わせて使用し、無線共振中継器内で一定のRF電流振幅を維持する。一定のRF電流共振中継器20(例えば、図8の概略図及び図9の写真の下側の共振器)は、6.78MHzで駆動し、直接給電共振器25(図8の概略図及び図9の写真の上側の共振器)に誘導結合される。各共振器のサイズは約25cmx50cmである。共振中継器20は、一定のRF電流振幅IRFを維持するためにチューニングを自動的に調整する。直接共振器及び共振中継器はそれぞれ、2つの調整済み無線360mWLED負荷(例えば、図9に示すLEDライト)に電力を供給する。なお、インダクタL1及びL2の電流振幅は等しく、循環方向は反対である。直接給電共振器では、コンデンサC5及びC6は、L3及びL4のRF電流振幅が等しく、循環方向が逆になるように選択される。
コンデンサCs、C1、及びC2は、能動可変静電容量の任意のデューティサイクルに対して、共振中継器の共振周波数がRF発生器によって生成される駆動周波数よりも常に高くなるように選択することができる。これは、RF電流振幅がデューティサイクルの単調関数であることを意味する。自動チューニング回路は、共振中継器20のRF電流振幅IRFに比例するC3の両端の整流DC電圧を測定する。この整流DC電圧を一定に保つために、ゲート駆動矩形波のデューティサイクルを調整するフィードバックループを提供してもよい。その結果、このフィードバックループは、共振中継器のチューニングを自動的に変更し、誘導結合k13及びk24が、直接給電共振器に対して共振中継器を移動することによって変更された場合でも、RF電流振幅IRFが一定に保たれるようにする。図8に示すシステムは、直接共振器と共振中継器との間の分離が2.0cmから5.5cmまで変化したとき、共振中継器内のRF電流振幅を2.83Aの±1%以内に保つことができた。
図2A及び3Aに示される能動可変静電容量及び能動可変インダクタンス回路は、それぞれ、LC共振器の共振周波数が、単一のスイッチング装置を使用して、低コスト及び複雑さで、高RF電力レベルで連続範囲にわたって電気的に制御されることを可能にする。共振の電気的制御は、共振無線電力伝送において多くの用途がある。本明細書に示される一例は、能動可変静電容量を制御するフィードバックループを介した共振中継器内のRF電流振幅の自動制御である。その他の潜在的なアプリケーションとしては、無線送信機又は受信機を構成部品の変動や環境の摂動の影響を受けにくくすることが含まれる。
図10及び11は、装置を通過する、又は装置の両端のRF電流又は電圧の周波数でオン及びオフに切り替えられる電気制御可能スイッチング素子S1を使用して、電気制御可能線形可変リアクタンスをどのように構成できるかについての例示的な実施形態を示す。図10は、スイッチコントローラ300、DC電力入力305、リアクタンス制御入力310、電気制御可能スイッチング素子S1、端子T1、端子T2、コンデンサC1、及び電流ピックアップ装置315を含む。スイッチコントローラ300は、DC電力入力320、RFピックアップ入力325、デューティサイクル制御入力330、及びスイッチ制御出力335を含む。電気制御可能スイッチング素子S1は、MOSFET、BJT、双方向スイッチとして配置された一対のMOSFETなど、任意の種類の電気制御可能スイッチング装置とすることができる。図10は、図1Aに示すようにLC共振器と直列に配置することができる可変静電容量リアクタンスの例示的な実施形態を示し、図11は、図1Bに示すように、LC共振器と並列に配置することができる可変誘導リアクタンスの例示的な実施形態を示す。
なお、場合によっては、複数のセットの並列コンデンサ及びスイッチ又は直列インダクタ及びスイッチを並列に配置することが望ましい。例えば、すべてのセットで同じ2つの端子を共有し、すべてのスイッチで同じスイッチ制御信号を共有する。これは、例えば、能動可変リアクタンスが、インダクタ、コンデンサ、及び/又はスイッチの物理的なサイズと比較して大きい導体で構成される共振器の一部である場合に役立つ。したがって、複数のインダクタ、コンデンサ、及び/又はスイッチを使用して、並列装置のすべてを通る電流の分布が大きな導体内の固有の電流分布と一致するようにすることができる。
図10同様に、図11は、スイッチコントローラ400、DC電力入力405、リアクタンス制御入力410、電気制御可能スイッチング素子S1、端子T1、端子T2、及びインダクタL1を含む。スイッチコントローラ400は、DC電力入力420、デューティサイクル制御入力425、及びスイッチ制御出力430を含む。スイッチコントローラ400は、正のRFピックアップ入力435及び負のRFピックアップ入力440をさらに含んでもよい。
図10に示す装置がLC共振器と直列に配置されている場合、LC共振器は、端子T1から端子T2に流れるRF電流IRFがほぼ正弦波であることを保証する。電流ピックアップ部品は、このRF電流に比例する電圧を生成する。このピックアップは、トランス、直列抵抗又はリアクタンス、又は能動可変リアクタンス回路が取り付けられているLC共振器を流れるRF電流に比例する信号を生成する任意の装置で構成されてもよい。スイッチコントローラ300は、スイッチコントローラサブサーキットを含んでもよい。ある例では、スイッチコントローラ300は、RFピックアップ正弦波を入力として取り、可変デューティサイクルで矩形波出力を生成してもよい。デューティサイクルは、リアクタンス制御入力310によって制御されてもよい。矩形波の位相は、IRFより90度進むように選択される。言い換えると、IRFの負勾配のゼロ交差は、矩形波がその低状態にある期間の中間点で発生する。
矩形波出力は、スイッチング素子S1を駆動する。スイッチは、矩形波が高状態のときにオンになり、矩形波が低状態のときにオフになる。図11に示される装置がLC共振器と並列に配置されている場合、LC共振器は、端子T1と端子T2との間のRF電圧VRFがほぼ正弦波であることを保証する。
スイッチコントローラは、RF電圧VRFを入力として受け取り、可変デューティサイクルを有する矩形波出力を生成する。なお、一般に、RFピックアップは必ずしも2つの端子T1、T2から来る必要はなく、能動可変リアクタンス回路が取り付けられているLC共振器の両端のRF電圧に比例した信号を生成するLC共振器に取り付けられた任意の装置から来ることができる。デューティサイクルは、リアクタンス制御入力信号によって制御される。矩形波の位相は、VRFより90度遅れるように選択される。言い換えると、VRFの負勾配のゼロ交差は、矩形波が高状態にある期間の中間点で発生する。矩形波出力は、スイッチング素子S1を駆動する。スイッチは、矩形波が高状態のときにオンになり、矩形波が低状態のときにオフになる。
図12は、スイッチ制御矩形波のデューティサイクルの変化が、図10に示される回路の端子T1とT2との間の実効容量性リアクタンスをどのように変化させるかを示す。正弦波電流IRFは上のプロットに示されている。中央のプロットは、スイッチ制御矩形波を示す。なお、IRFの負勾配のゼロ交差は、スイッチ制御矩形波の低期間の中間点で発生する。下のプロットは、コンデンサC1の両端の電圧VC1を示す。スイッチS1がオンのとき、VC1はゼロである。スイッチがオフのとき、電流IRFはコンデンサC1を充電し、その電圧を上昇させる。IRFがゼロのとき、電圧はピークに達する。IRFが負になると、VC1が低下し始める。VC1がゼロになると、スイッチは再びオンになる。なお、IRFとスイッチ制御矩形波との間の位相関係により、VC1がゼロのときにスイッチがオンになることが保証されている。このゼロ電圧スイッチング条件は、スイッチS1がターンオン時にC1を放電することによってエネルギーを消費しないようにするために必要である。
スイッチがオフの期間中、VC1(t)は正弦波にDCオフセットを加えたものに等しくなる。正弦波成分の振幅は、IRFの振幅にC1のリアクタンスを掛けた値に等しくなる。全波形VC1(t)は、フーリエ級数に分解することができる。LC共振器はフィルタとして機能し、主にその共振周波数に最も近いフーリエ成分に応答する。したがって、チューニング可能なLC共振器の動作は、このフーリエ級数の基本成分のみを調べることによって分析できる。この基本成分の電圧振幅をIRFの振幅で割ることにより、実効容量性リアクタンスXeffをデューティサイクルδの関数として求める。
ここで、XC1はコンデンサC1のリアクタンスである。
ここで、ωはRF電流IRFの角周波数である。デューティサイクルと実効容量性リアクタンスとの間の関係が図13にプロットされている。なお、デューティサイクルδを変更することにより、実効リアクタンスを0~XC1の範囲で連続的に変更してもよい。
実効静電容量CVARは次のように定義できる。
したがって、実効可変静電容量は次のようになる。
図14は、スイッチ制御矩形波のデューティサイクルの変化が、図11に示される回路の端子T1とT2との間の実効誘導リアクタンスをどのように変化させるかを示す。正弦波電圧VRF=VT1-VT2を上のプロットに示す。中央のプロットは、スイッチ制御矩形波を示す。なお、VRFの負勾配のゼロ交差は、スイッチ制御矩形波の高期間の中間点で発生する。下のプロットは、インダクタL1を流れる電流IL1を示す。スイッチS1がオフのとき、IL1はゼロである。スイッチがオンのとき、電圧VRFはインダクタL1の電流を増加させる。VRFがゼロのとき、電流はピークに達する。VRFが負になると、IL1が低下し始める。IL1がゼロになると、スイッチは再びオフになる。なお、VRFとスイッチ制御矩形波の間の位相関係により、IL1がゼロのときにスイッチがオフになることが保証されている。このゼロ電流スイッチング条件は、IL1がゼロでないときにスイッチS1がターンオフすることによって誘導性キックバックからエネルギーを消費しないようにするために必要である。
スイッチがオンの間、IL1(t)は正弦波にDCオフセットを加えたものに等しい。正弦波成分の振幅は、VRFの振幅をL1のリアクタンスで割った値に等しい。全波形IL1(t)は、フーリエ級数に分解することができる。LC共振器はフィルタとして機能し、主にその共振周波数に最も近いフーリエ成分に応答する。したがって、チューニング可能なLC共振器の動作は、このフーリエ級数の基本成分を調べるだけで分析できる。この基本成分の電流振幅をVRFの振幅で割ることにより、実効誘導サセプタンスBeffをデューティサイクルδの関数として求められる。
ここで、­XL1はインダクタL1のリアクタンスである。
ここで、ωはRF電圧VRFの角周波数である。デューティサイクルと実効誘導サセプタンスとの間の関係は、図15にプロットされている。なお、デューティサイクルδを変更することにより、実効サセプタンスを0~1/XL1の範囲で連続的に変更できる。
実効誘導リアクタンスは、実効誘導サセプタンスの逆数に等しい。
実効インダクタンスLVARは次のように定義できる。
したがって、実効可変インダクタンスは次のようになる。
なお、図10及び図11に示すRFピックアップのソースは、スイッチ制御矩形波の適切な周波数及び位相がどのように生成され得るかの一例にすぎない。通常、RFピックアップは、LC共振器内の任意のRFソースから取得できる。例えば、RFピックアップは、LC共振器と直列のインピーダンスの両端のRF電圧、又はLC共振器と並列のアドミタンスを通るRF電流、又はLC共振器への誘導結合又は容量結合から発生してもよい。スイッチ制御矩形波とLC共振器の電圧・電流の間に適切な位相関係、すなわちスイッチ制御矩形波が可変静電容量リアクタンス回路の端子T1、T2を通る電流を90度リードし、スイッチ制御矩形波が可変誘導リアクタンス回路の端子T1、T2間の電圧を90度遅らせるという関係が保たれていれば、これらの方法はどれを用いてもよい。
可変静電容量リアクタンス及び可変誘導リアクタンス回路におけるスイッチ制御サブサーキットは、機能するためにDC電力を必要としてもよい。可変能動リアクタンス装置が外部電源を有するシステムの一部である場合、スイッチ制御サブサーキットはこの外部電源から電力を受け取ってもよい。しかしながら、場合によっては、外部DC電力に接続せずにLC共振器に電力を供給することが望ましい。例えば、LC共振器は、無線電力源から無線電力を受け取り、それを別個の無線電力受信機に送達する共振中継器の一部であってもよい。このような場合、スイッチ制御サブサーキットがLC共振器内に存在するRF電力からDC電力を生成すると便利である。これは、さまざまな方法で達成してもよい。例えば、LC共振器と直列のリアクタンスの両端でRF電圧を整流する、LC共振器の両端の電圧を整流する、又はLC共振器への誘導結合又は容量結合によって誘導される電圧を整流することによって達成してもよい。
別の例としては、能動可変リアクタンスは、能動的に給電されるLC共振器の一部であってもよいが、その共振器のチューニングを中断せずにDC電力ケーブルを配線することができない共振器上の位置に配置されてもよい。そのような場合、能動可変リアクタンスは、LC共振器内に存在するRFを整流することによって給電されてもよい。あるいは、LC共振器は、RF電流とDC電流との両方を同時にサポートできるように構成してもよい。これは、DC電流を流す必要がある容量性ジャンクションと並列に誘導性チョークを配置するか、DC電位差を必要とするジャンクションのインダクタと直列にバイパスコンデンサを配置することによって実現してもよい。このようにして、追加の配線を必要とせずに、LC共振器自体の構造を介してDC電力を能動可変リアクタンスに送ってもよい。
リアクタンス制御入力は、LC共振器が容量性又は誘導性の能動可変リアクタンスのいずれかを組み込むときに、LC共振器の共振周波数を電気的に制御することを可能にする。これは、LC共振器が外部振動電場又は磁場内に配置されたときに、LC共振器内のRF電流振幅を調整するためのフィードバックループの一部として使用することができる。
いくつかの実施形態では、これは以下のように達成されてもよい。第1に、チューニング範囲は、能動可変リアクタンス装置を備えたLC共振器の共振周波数が、すべてのデューティサイクルの駆動周波数よりも常に大きいか、又は常に小さいように選択する必要がある。つまり、ある駆動周波数に対して、あるデューティサイクルでは、LC共振器の共振周波数が駆動周波数に等しくなる点を通過しない。あるいは、許容されるデューティサイクルの範囲は、共振周波数が常に駆動周波数より上又は常に下である範囲にわたってのみデューティサイクルが変化することを許されるように制限され得る。
固定駆動振幅及び固定駆動周波数に対して、これは、デューティサイクルとLC共振器内のRF電流の振幅との間の単調な関係を保証する。第2に、LC共振器におけるRF電流の振幅を所望の設定値と比較してもよい。この比較は、LC共振器の両端のRF電圧又はLC共振器と直列のインピーダンスの両端のRF電圧を整流し、整流されたDC電圧を基準電圧と比較するなど、さまざまな方法で達成してもよい。第3に、LC共振器における検出されたRF電流振幅とLC共振器における所望のRF電流振幅との間の誤差を低減するために、能動可変リアクタンスのデューティサイクルを増加又は減少、すなわちリアクタンス制御入力を変化させるフィードバック回路を構築してもよい。
そのようなシステムの例として、図16に示すブロック図を考える。このシステムは、自動RF電流レギュレータ回路の2つの端子T1とT2に接続された、LTとCTとによって形成される直列LC回路で構成される。自動RF電流調整器は、第2静電容量C2と直列に能動可変静電容量CVARを含んでもよい。システム全体の総直列容量は、次の式で与えられる。
LC共振器の角共振周波数は次のとおりである。
共振器が角周波数ωで振動する外部磁場によって駆動される場合、インダクタLTは誘導EMF Vindを経験する。システムの総直列リアクタンスXtotは次のとおりである。
ここで、X0は次の式で与えられる定数である。
ここで、Xeffは可変能動静電容量要素の実効直列リアクタンスである。
ここで、XC1は、能動可変静電容量要素内に含まれるスイッチコンデンサC1のリアクタンスであり、δは能動可変静電容量要素のデューティサイクルである。ここで、X0>0と仮定する。これは、δのすべての値に対してXtot>0であることを意味する。LC共振器の損失が小さい場合、RF電流振幅|IRF|は次のように近似できる。
したがって、チューニング条件X0>0により、RF電流振幅|IRF|がXeffの単調関数であり、δの単調関数であることが保証されるのが分かる。
図16で示されているシステムにおいて、整流器は、LC共振器を通って流れるRF電流に比例するDC信号を生成する。この信号は、RF振幅比較及びリアクタンス制御回路500によって設定点と比較される。RF振幅信号と内部設定点との間の誤差は増幅され、能動可変リアクタンス回路505に送られるリアクタンス制御信号を生成するために使用される。RF振幅DC信号はRF電流振幅の単調関数であり、RF電流振幅はリアクタンス制御信号の単調関数であるため、全フィードバックループが負になるように、全フィードバックループに対して全体的なゲイン係数を選択してもよい。通常、このゲイン係数の符号は、単調関数の傾きが正か負かに依存する。
なお、RF振幅出力に加えて、整流器サブサーキット510が第2DC電力出力を提供し、第2DC電力出力が能動可変リアクタンス回路505及びRF振幅比較及びリアクタンス制御回路505にDC電力を提供する。このDC電力は、その電圧がLC共振器のRF電流振幅に依存しないように調整してもよい。なお、直列コンデンサC2は、LC共振器のRF電流振幅に比例する有用なRF電圧源を提供する。したがって、コンデンサC2の両端の電圧は、能動可変リアクタンスサブサーキット505へのRFピックアップ入力として使用される。
自動RF電流調整のための能動可変リアクタンスの例を図17に示す。回路はLC共振器の一部であってもよい。端子T1と端子T2との間に直列のインダクタンスと静電容量とが接続される。このインダクタンス及び直列静電容量は、コンデンサC1及びコンデンサC2とともに、LC共振器を形成する。外部RF電源は、インダクタンスに電圧を誘導する。この回路は、コンデンサC2の両端のRF電圧を整流して、DC-DCコンバータIC1にDC入力を提供する。IC1は回路の残りの部分に5VDCを提供する。
コンデンサC2のRF正弦波はフィルタ処理されて、矩形波出力を生成するコンパレータIC3の入力に供給される。矩形波のデューティサイクルは、IC3の反転入力の電圧によって決まる。
IC3の矩形波出力は、MOSFET Q1のゲートを駆動するゲートドライバIC2に送られる。抵抗器R1、R2、及びR3とコンデンサC6、C7、及びC8とは、IC3の非反転入力での正弦波の位相をシフトして、Q1のゲートでの矩形波がRF電流IRFを端子T1から端子T2へ90度にリードするように選択される。なお、R1、R2、R3、C6、C7、及びC8によって生じる位相シフトは、IC3及びIC2を通る伝搬遅延によって生じる位相シフトを補正できる。
MOSFET Q1は、コンデンサC1と並列に接続してもよい。MOSFET Q1が常にオンの場合、これらのコンデンサは短絡され、LC共振器と直列のコンデンサの実効リアクタンスはゼロになる。MOSFET Q2が常にオフの場合、C1の全リアクタンスがLC共振器と直列に配置される。MOSFET Q1のデューティサイクルが0%と100%との間の中間である場合、C1の実効直列リアクタンスはゼロとその最大値との間になる。なお、ダイオードD2がMOSFET Q1のソースからドレインに接続されている。このダイオードは、Q1の内部ボディダイオードと並列で、同じ極性を持つ。Q1のボディダイオードよりも順方向電圧降下が小さくなるように選択することができるため、Q1のボディダイオードを介した導通を防ぐことができる。これは、Q1のボディダイオードの逆回復時間がRFの周期に比べて長い場合に役立つ。このような場合、ダイオードD2は、その逆回復時間がこの期間よりもはるかに短くなるように選択することができる。
ダイオードD2は、Q1のドレイン-ソース間電圧がD2の順方向電圧降下よりも負にならないことを保証する。これにより、Q1がオフのときにQ1のボディダイオードに電流が流れないことを保証する。ダイオードD2により、DC電荷がコンデンサC1に存在する。なお、Q1の内部ボディダイオードの逆回復時間が十分に速い場合、ダイオードD2は必要ない場合がある。このような場合、Q1の内部ボディダイオードがD2の役割を果たす。Q1のデューティサイクルは、オペアンプIC4を含むフィードバックループによって設定される。抵抗R8とコンデンサC12は、ゲート駆動の矩形波をフィルタリングし、デューティサイクルに比例するDC電圧を生成する。この電圧は、IC4の非反転入力に供給される。IC4の出力は、R12及びC15によって形成されるローパスフィルタを通過して、IC3の反転入力に送られる。
IC3の反転入力の電圧は、その出力矩形波のデューティサイクルを設定する。IC4を含むフィードバックループは、IC4の反転入力の電圧がIC4の非反転入力の電圧と等しくなるまで、その矩形波のデューティサイクルを変更する。したがって、ゲート駆動矩形波のデューティサイクルは、IC4の反転入力のDC電圧を5Vで割った値に等しくなる。
IC4の反転入力の電圧は、オペアンプIC5を含む第2フィードバックループによって設定される。IC5の出力は、抵抗R9を介してIC4の反転入力に接続される。IC4の反転入力は、コンデンサC13を介してそれ自体の出力に接続され、R11を介してグランドに接続され、R10を介して+5Vに接続される。IC5の出力電圧は0V~+5Vに制限されるため、抵抗R9、R10、及びR11は、IC4の反転入力でDC電圧の上限と下限を設定する分圧器として機能する。これらの制限は、ゲート駆動矩形波のデューティサイクルの上限と下限をそれぞれ設定する。コンデンサC13は、R9、R10、及びR11と共に、ローパスフィルタとして機能する。IC5は、C4の整流電圧を所定の電圧設定値と比較し、C4の整流電圧を一定に保つために出力電圧を調整する。これは次のように機能する。
IC5の出力電圧が増加すると、ゲート駆動矩形波のデューティサイクルが増加する。これにより、Q1がサイクルの大部分でオンになり、コンデンサC1の実効リアクタンスが減少する。LC共振器は、その共振周波数が駆動周波数よりも高くなるようにチューニングされる。したがって、直列容量性リアクタンスを減少させると、その共振周波数が減少する。これにより、駆動周波数との共振に近づき、誘導されたRF電流の振幅が増加する。これにより、コンデンサC2の両端のRF電圧が増加し、コンデンサC4の両端の整流電圧が増加する。この電圧は、ローパスフィルタと、R4、R5、C10、及びC11によって形成される分圧器と、を通過する。フィルタリングされた電圧は、抵抗R13を介してIC5の反転入力に送られる。コンデンサC14と抵抗R13とは追加のローパスフィルタを形成する。コンデンサC4の両端のDC電圧が上昇すると、IC5の反転入力の電圧も上昇し、IC5の出力電圧が低下し、負フィードバックループが完成する。したがって、IC5はコンデンサC2の両端で一定のRF電圧振幅を維持し、これは、LC共振器内を循環する一定のRF電流を維持する必要があることを意味する。
なお、能動可変リアクタンスは、複数の方法でLC共振器に結合できる。例えば、LC共振器が複数のコンデンサ又は複数のインダクタを直列に含む場合、能動可変リアクタンスをこれらのコンデンサ又はインダクタの1つと並列に配置してもよい。あるいは、LC共振器が並列の複数のインダクタ又は複数のコンデンサを含む場合、能動可変リアクタンスをこれらのコンデンサ又はインダクタの1つと直列に配置してもよい。さらに、能動可変リアクタンスは、LC共振器に誘導結合又は容量結合してもよい。
なお、図1A及び図1Bに示されているLC共振器は、能動可変リアクタンスを組み込んだ最も単純なリアクタンス回路である。一般に、能動可変リアクタンス素子は、回路が可変静電容量の電圧高調波又は可変インダクタンスの電流高調波をフィルタリングする限り、可変リアクタンスを必要とする任意の回路に配置することができる。LC共振器は当然このフィルタリングを行うが、リアクタンス素子をより複雑に組み合わせた他の組み合わせでも、このフィルタリングを行うことができる。
例えば、能動可変リアクタンスは、Tフィルタ又はπフィルタ、あるいは他のより複雑なフィルタに組み込んでもよい。このようなフィルタは、ローパス、ハイパス、バンドパスフィルタ、又はバンドストップフィルタであってもよい。能動可変リアクタンスにより、フィルタのカットオフ周波数又は周波数を電気的に制御できる。あるいは、能動可変リアクタンスを使用して、フィルタの入力インピーダンス又は出力インピーダンスを電気的に制御し、電気的に制御されたインピーダンス整合を達成してもよい。
別の例として、2つの隣接するLC共振器ループなど、複数のLC回路で構成された共振器であってもよい。そのような共振器は、複数の共振モードを有してもよい。共振無線電力システムでは、結合共振器のシステムは、その共振モードの1つで駆動される。その固有振動数が駆動源の振動数と等しくなるように所望の共振動作モードをチューニングするために、能動可変リアクタンスを1つ又は複数の共振器に結合することができる。あるいは、能動可変リアクタンスを使用して、結合システム全体の固有モード構造を変更するために、1つ又は複数のLC回路のチューニングを連続的に変更してもよい。駆動周波数を一定に保ちながら、特定の固有モードが駆動周波数と共振するようにシステムを再調整してもよい。
このようにして、LC構造全体にわたる電圧及び電流の相対的な位相及び振幅を選択し、1つ又は複数の能動可変リアクタンスによって設定してもよい。また、1つ又は複数の固定誘導性又は容量性リアクタンスが、能動可変リアクタンス回路505内のスイッチリアクタンス素子と直列又は並列に含まれてもよい。これらの追加コンポーネントは、DC電圧のブロック、DC電流のブロック、追加リアクタンス又はサセプタンスの追加又は削除などのために使用してもよい。追加の直列コンポーネントの両端のRF電圧、又は追加の並列コンポーネントを流れる電流は、RFピックアップのソースとして使用してもよいし、DC電力のソースとして整流してもよい。例えば、図17は、スイッチコンデンサC1と直列に配置された追加のコンデンサを使用する能動可変コンデンサの例を示す。コンデンサC2は、RFピックアップに使用されるRF電圧を提供し、整流されてDC電力を提供する。
リアクタンス制御信号。場合によっては、能動可変リアクタンス回路505は、リアクタンス制御入力信号を生成する制御システムとグランドを共有しなくてもよい。また、DC電力とグランドを共有しなくてもよい。そのような場合、RF短絡などを引き起こす可能性がある2つの回路のグランドを直接接続することなく、リアクタンス制御信号及び/又はDC電力を能動可変リアクタンス回路505に送達する方法を提供することが望ましい。
そのような場合、リアクタンス制御入力は、DCリアクタンス制御信号を通過させるがRFをブロックするRFチョークを介して能動可変リアクタンス回路505に提供され得る。これは、アナログ信号又はデジタル信号を転送するように構成できるフォトカプラを介して提供できる。デジタル信号が転送される場合、能動可変リアクタンス回路505は、デジタル信号をリアクタンス制御に使用できるアナログ信号に変換する追加の回路を有することができる。あるいは、リアクタンス制御信号は、光ファイバーを介して通信することもできる。
リアクタンス制御信号をコントローラから能動可変リアクタンス回路505に転送する別の方法は、信号を無線で送信することである。この無線伝送は、LC共振器内に存在するRF電力の周波数とは異なる周波数でアナログ通信又はデジタル通信を使用して達成することができる。
別の方法として、能動可変リアクタンスが取り付けられている回路の構造内でDC信号とRF信号の重ね合わせを使用してもよい。RFチョーク又はバイパスコンデンサを使用して、端子T1とT2間のDC電圧、又は端子T1及びT2を流れるDC電流を、内部インダクタL1を流れるDC電流、又はコンデンサC1の両端のDC電圧から分離する場合、T1とT2間のDC電圧又はT1及びT2を通るDC電流は、外部ソースによって制御でき、能動可変リアクタンスのリアクタンス制御信号として使用できる。
能動可変リアクタンスもDC電力を必要とする場合、LC共振器に存在するRF電源への結合と整流をDC電力源として使用してもよい。あるいは、T1及びT2間のDC電圧又はT1及びT2を通るDC電流をDC電力として使用することができる。特定の範囲のDC電圧及び/又は電流の場合、この外部から印加されるDC電圧及び/又は電流は、DC電力源として、及びリアクタンス制御信号のソースとして同時に使用してもよい。
RF発生器によって駆動されるLC共振器のチューニング。共振無線電力のいくつかの実装では、電力源は、外部DC電力を取り込み、LC共振器でRF電力に変換するEクラスRF発生器によって駆動されるLC共振器になる。このEクラスRF発生器は、ゼロ電圧スイッチング状態でスイッチング素子(通常はMOSFET)を動作させることにより、高いDC-RF効率を維持するように作成してもよい。このゼロ電圧スイッチング状態は、電圧がゼロに達した時点でスイッチング素子が確実にオンになるように、スイッチング素子のデューティサイクルを変化させることによって維持してもよい。RF発生器をこの状態に維持するために、フィードバックシステムをEクラスRF発生器に組み込んでデューティサイクルを調整してもよい。
このようなシステムは、自動ゼロ電圧スイッチング(AZVS)と呼ばれ、LC共振器が特定の事前定義された範囲でデチューニングされた場合でも、クラスE増幅器が高効率を維持できるようにする。
図18は、AZVSを備えたEクラスRF発生器の例を示す。RF駆動周波数fdは、RFのこぎり波入力の周波数によって設定される。コンパレータは、のこぎり波をDC電圧レベルと比較して矩形波に変換する。矩形波はMOSFET Q1のゲートを駆動する。MOSFET Q1のドレインとソースは、コンデンサC1と並列に接続されている。コンデンサC0及びインダクタL0は、EクラスRF発生器のLCタンク回路10を形成する。f0は、LCタンク回路10の共振周波数を示し、次のように定義される。
インダクタL0は、RF電力を共振無線受信機に結合する磁気ループアンテナである。DC電力は、Q1のドレインに接続されたRFチョークを介して回路に供給される。システムは、次のように定義される無次元定数Kによって特徴付けてもよい。
ここで、X0=1/(2πfdC0)及びX1=1/(2πfdC1)は、駆動周波数fdでのC0とC1のリアクタンスである。
第2コンパレータは、Q1のドレイン電圧を0Vに近い基準電圧Vrefと比較する。Dラッチは、ゲート駆動矩形波の立ち上がりエッジでコンパレータの出力をラッチする。したがって、ラッチの出力は、Q1がオンになった瞬間にQ1のドレイン電圧がVrefより高いか低いかを示す。Dラッチの出力はローパスフィルタ処理される。Q1のオンが早すぎると、Dラッチの出力が高くなり、ローパスフィルタのDC出力がゆっくりと上昇し、ゲート駆動矩形波の立ち上がりエッジがサイクルの後半にシフトする。Q1のオンが遅すぎると、Dラッチの出力が低くなり、ローパスフィルタのDC出力がゆっくりと低下し、ゲート駆動矩形波の立ち上がりエッジがサイクルの早い段階にシフトする。したがって、AZVSフィードバック回路は、Q1がオンになった瞬間にQ1のドレイン電圧がVrefと等しくなるように、ゲート駆動矩形波のデューティサイクルを制御する。Vrefが0Vに非常に近く設定されている場合、回路はゼロ電圧スイッチングを実現する。
さまざまな負荷条件とチューニング条件との両方で、LC共振器内のRF電流を一定に維持することが望ましい。この一定性により、ループの負荷に関係なく、受信機を一定の周囲フィールドに保つことができる。また、設計された動作点を超えるRF電流振幅の逸脱により、近くの人体組織の比吸収率が規制限界を超えることを防ぐためにも望ましい。
f0の特定のチューニングでは、DC電流がLC共振器でRF電流の振幅よりもはるかに低いままである限り、AZVS付EクラスRF発生器は、RF負荷とは実質的に無関係であるLC共振器内のRF電流振幅を維持する。これは、図19に見ることができる。
しかしながら、共振器がデチューニングすると、DC電力電圧に対するRF電流の比率が変化する。これは、図20に見ることができる。
LC共振器のチューニング誤差は、AZVS付EクラスRF発生器のデューティサイクルを使用して検出してもよい。AZVS付EクラスRF発生器が軽負荷条件下で動作している限り、デューティサイクルは主にLC共振器のチューニングの関数であり、負荷にはほとんど依存しない。LCタンク回路f010の共振周波数とAZVSデューティサイクルδとの間の関係は、図14にプロットされている。軽負荷条件下では、共振周波数f0とAZVSデューティサイクルδの関係は、おおよそ次のようになる。
式22は、K<<1であり、IDC<<IRFとして定義される軽負荷条件下での実効な近似であり、IDC及びIRFはクラスE増幅器のDC電流及びRF電流である(図18を参照)。
軽負荷状態(すなわちIDC<<IRF)では、RF電流振幅はAZVSのデューティサイクルδの関数である。
ここで、X1はコンデンサC1のリアクタンスである。AZVSのデューティサイクルはf0の関数である。したがって、RF電流の振幅はf0によって変化する。このため、LC共振器のこのデチューニングを検出し、能動可変リアクタンスを用いて補正することが望ましい。
AZVS付EクラスRF発生器の実際のデューティサイクルと特定基準値との差は、LC共振器のチューニングを制御するためのフィードバックループのエラー信号として使用することができる。能動可変リアクタンスを持つLC共振器のチューニング範囲は、AZVS付EクラスRF発生器で駆動されるLC共振器のRF電流振幅がリアクタンス制御入力の単調関数となるように選択する必要がある。
その後、フィードバックループは、実際のデューティサイクルを基準値と等しくするために、LC共振器のチューニングを変更することができる。デューティサイクルが固定されると、DC電力電圧に対するRF電流の比率が固定される。これにより、チューニングと負荷の両方の条件の範囲にわたって、RF電流振幅が実質的に一定に保たれる。
図22は、自動チューニングがどのように機能するかの一例を示す。AZVS付EクラスRF発生器は、コンデンサC0とインダクタL0とを直列に接続したLCタンク回路10に、能動可変静電容量性リアクタンスで接続される。この例では、能動可変静電容量リアクタンスは、AZVS付きEクラスRF発生器と同じソースからDC電力を得る。タンク回路の共振周波数f0は、次式で与えられる。
ここで、全直列容量は、次の関係で与えられる。
ここで、CVARは能動可変静電容量リアクタンス回路の実効容量である。
フィードバックループは次のように動作する。能動可変静電容量リアクタンスの実効容量CVARは、リアクタンス制御入力の増加とともに単調に増加する。直列容量Cseriesは,CVARの増加とともに単調に増加する。共振周波数f0はCseriesの増加とともに単調に減少する。
AZVS付EクラスRF発生器のデューティサイクルは、f0の減少に伴い単調に減少する。AZVSフィードバック電圧は1- に比例する。したがって、AZVSフィードバック電圧はf0が減少するにつれて単調に増加する。自動チューニングフィードバックサブサーキットの出力は、AZVSフィードバック電圧が増加するにつれて単調に減少する。自動チューニングフィードバックサブサーキットの出力は、能動可変静電容量リアクタンスのリアクタンス制御入力に送られ、負フィードバックループを完成させる。
自動チューニングフィードバックサブサーキットは、AZVSフィードバック電圧と固定電圧VSETを比較し、負フィードバックループの高DCゲインは、AZVSフィードバック電圧が平衡状態でVSETと等しくなるように動作する。なお、この回路には2つのフィードバックループがあり、1つはAZVS付EクラスRF発生器の内部、もう1つはLCタンク回路10のチューニングを制御する大きなループである。AZVSフィードバックループのローパスフィルタのカットオフ周波数は、自動チューニングフィードバックサブサーキットのローパスフィルタのカットオフ周波数より高くなるように選択する必要がある。これにより、AZVSは、自動チューニングフィードバックシステムの時間スケールに対して、常にほぼ定常状態にあることが保証される。
図22に示す回路は、AZVS付EクラスRF発生器のデューティサイクルδを一定にするために、LCタンク回路10のチューニングを自動的に調整する。
デューティサイクル設定値は、電圧、VSETによって設定される。図13及び図12に示すように、AZVSデューティサイクルは、主に共振周波数f0の関数であり、実質的に負荷に依存しない。したがって、AZVSのデューティサイクルδを固定することで、タンク回路の共振周波数f0も固定される。
したがって、自動チューニングにより、システムは、L0のインダクタンスに影響を与える部品値の変動や環境の摂動に大きく影響されなくなる。したがって、このシステムは、チューニングと負荷との両方の様々な条件下で、LCタンク回路10のRF電流振幅を一定に保つ。
なお、MOSFET Q1が一定のデューティサイクルで駆動されるように、AZVS付EクラスRF発生器の内部フィードバックループを排除することも可能である。ZVS条件を維持するためにデューティサイクルを変更する代わりに、能動可変静電容量リアクタンスを使用して、ZVS条件が満たされるまでLCタンク回路10のチューニングを変化させてもよい。
図23は,その実現方法の一例を示す。Q1がオンになったとき、Q1のドレイン電圧がVREF以上か以下かをコンパレータとDラッチが検出する。Q1がオンになったとき、Q1のドレイン電圧がVREFを上回っていれば,Dラッチの出力はハイになる。この出力はインバータとローパスフィルタを通過する。Dラッチの出力がハイであれば、インバータの出力はローとなり、ローパスフィルタの出力は徐々に低下し、可変リアクタンスのリアクタンス制御入力は低下する。
リアクタンス制御入力が低下すると、LCタンク回路10の共振周波数が上昇し、Q1がオンになる瞬間のドレイン電圧が低下する。これで、フィードバックループが完成する。
本節の例では、スイッチング装置としてMOSFETを使用した。しかしながら、そのスイッチング速度が駆動周波数に比べて高速である限り、どのような一般的なスイッチング装置でも動作する。また、LCタンク回路10も、能動可変静電容量性リアクタンスを用いてチューニングされた。しかしながら、能動可変インダクタンス、又は能動可変インダクタンスと静電容量の組み合わせなど、どのような一般的な能動可変リアクタンス、又は能動可変リアクタンスの組み合わせを使用してもよい。
なお、一般に、図22に示す能動可変静電容量リアクタンスと図23に示す可変リアクタンスは、電気制御可能などのような種類の可変リアクタンスであってもよい。
分散型AZVS付EクラスRF発生器により駆動されるLC共振器のチューニング。場合によっては、ループの周囲に直列に配置された複数のRF発生器から共振型磁気ループアンテナを駆動することが望ましい。図25は、3つの分散型RF発生器を備えたループの一例を示す。ループ内の直列コンデンサには、並列RFチョークを追加し、DC電流がコンデンサをバイパスするように改造している。これにより、RF電流に加えてDC電流をループに流すことができ、RF発電機がRF電力を出力するのと同じ2つの端子からDC電力を取り込むことが可能になる。
図24は、EクラスRF発生器が、RF電力を出力するために使用するのと同じ2つの端子からDC電力を取り込むように変更する方法の一例を示す。また、すべてのRF発生器が位相ロックされていることが重要であり、図24は、これを実現する方法の一例も示す。RF発生器は、磁気ループアンテナに流れるRF電流に比例した信号を拾う電流検出トランスを内蔵している。ゲートドライブ回路は、この信号に位相ロックされた矩形波を生成する。すべての分散型RF発生器は直列で同じRF電流を共有しているため、この位相ロック機構により、すべてのRF発生器が互いに対して同じ位相になることが保証される。
単一のRF発生器によって駆動される磁気ループアンテナの場合と同様に、複数の分散型RF発生器によって駆動される磁気ループアンテナをチューニングするために能動可変リアクタンスを使用することが場合によっては望ましい。図26は、これがRF発生器の変更によってどのように達成され得るかを示す。具体的には、図26は、自動チューニングを備えた分散型RF発生システムで使用するための単一のRF発生器のブロック図を示す。従来通り、出力端子は、RF出力とDC入力の2つの役割を担っている。DC入力電力は、RF電力サブサーキット及び制御DC電源に送られ、回路その他の部分に安定したDC電圧を供給する。
RF電力サブサーキットは、MOSFETなどのスイッチング素子を内蔵し、デューティサイクルコントローラサブサーキットからゲートドライブ信号を取り込む。電力FETドレイン電圧のRF電力はピックアップトランスを経て、能動可変リアクタンスと直列に接続され、出力端子へ出力される。
電力FETドレイン電圧は、ゲートドライブ信号の立ち上がりエッジでZVS検出器によって感知され、電力FETがスイッチオンされる瞬間に電力FETドレイン電圧が特定基準電圧以上か以下かを検出する。これは、例えば、図18に示すように、Dラッチ及びコンパレータを使用して実現することができる。電力FETのドレイン電圧が基準電圧より高い状態でゲートドライブ信号の立ち上がりエッジが発生した場合、ZVS検出器のデューティサイクル制御出力は時間とともにゆっくりと上昇する。
ZVS検出器のデューティサイクル制御出力は、電力FETのドレイン電圧が基準電圧以下の時にゲートドライブ信号の立ち上がりエッジが発生すると、時間の経過とともにゆっくりと低下する。デューティサイクル制御出力の立ち上がりと下降の特性タイムスケールは,ZVS検出器サブサーキット内のローパスフィルタのカットオフ周波数で決定される。
ZVS検出器のデューティサイクル制御出力は、デューティサイクル制御サブサーキットに送られる。このサブサーキットは、インジェクションロックされた矩形波を入力し、デューティサイクル制御信号が増加するにつれて単調に減少するデューティサイクルを持つゲートドライブ矩形波を出力する。なお、制御信号が接続されるサブサーキットの入力と出力の符号がすべて一貫して反転している限り、回路全体の動作は変化させずにロジックの符号やアナログ制御信号の符号を反転させてもよい。
RF電力サブサーキット、ZVS検出サブサーキット、及びデューティサイクルコントローラサブサーキットは閉鎖フィードバックループを形成し、閉鎖フィードバックループは、RF電力サブサーキットが常にゼロ電圧スイッチング状態で動作するようにゲートドライブ矩形波のデューティサイクルを自動的に調整する。
ピックアップトランスの2次側から正弦波のピックアップを入力するインジェクションロック発振器サブサーキットからインジェクションロック矩形波が出力される。インジェクションロック発振器サブサーキットは、システムの動作周波数に特定の周波数許容値をプラスマイナスした矩形波を発生させる。ピックアップ入力に信号が存在する場合、インジェクションロック発振器は、その周波数をピックアップ入力の周波数にロックする。インジェクションロックされた矩形波の位相とピックアップ入力の位相の間には小さな位相差があり、これはピックアップ入力に存在する信号とインジェクションロック発振器の固有周波数の間の周波数の差に比例する。
ピックアップトランスの一次側は、RF発生器が配置されている磁気ループアンテナと直列になっている。したがって、ピックアップ信号は、直列に接続されたすべてのRF発生器が共有する磁気ループアンテナを循環するRF電流に比例する。インジェクションロック矩形波の周波数を、磁気ループアンテナを循環するRF電流の周波数にロックすることで、すべてのRF発生器は互いに相対的に周波数がロックされる。各RF発生器は、そのインジェクションロック発振器の固有周波数と全インジェクションロック発振器の平均固有周波数との差により、分散した全RF発生器の平均位相に対して小さな位相差を持つ。
RF発生器間の位相差は、インジェクションロック発振器の固有周波数の公差を厳しくすることで低減することができる。AZVSフィードバックシステムが定常状態に達したとき、各RF発生器は、磁気ループアンテナの全体的なチューニングに依存するデューティサイクルを持つ。図21に、EクラスRF発生器1台のこの関係の一例を示す。したがって、各RF発生器回路のデューティサイクル制御信号は、ループ全体のデチューニングのローカル測定として使用することができ、デューティサイクル制御信号と所望の設定値との間の差は、磁気ループアンテナのチューニングを変更する能動可変リアクタンスを制御するエラー信号として使用することができる。
磁気ループアンテナは、ループの大きさに依存しない特定分数のチューニング範囲Δf0/fdでチューニングする必要がある場合が多く、f0はループをチューニングする必要がある共振周波数の範囲、fdはループの駆動周波数である。磁気ループアンテナの共振周波数は次のとおりである。
ここで、L0及びC0はそれぞれ磁気ループアンテナの全直列インダクタンスと静電容量である。Δf0、ΔL0、ΔC0の関係は、次のようになる。
ここで、XL0=2πfdL0、XC0=1/(2πfdC0)とする。磁気ループアンテナの容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスの誤差は、部品の公差によるものと、環境の影響によるものがある。いずれの場合も、分数誤差はループの大きさとは無関係である可能性が高い。したがって、これらのリアクタンスの絶対誤差は、ループの大きさとともに大きくなる。
そのため、これらの誤差を補正するために調整可能な能動可変リアクタンスをループと直列に加えることが望ましい。しかし、この補正係数の大きさは、ループの大きさとともに大きくなっていく。したがって、ループサイズが大きい場合に、単一の能動可変リアクタンスを使用してループを再チューニングすることは非現実的となる場合がある。
この問題に対する自然な解決策は、図26のブロック図に示すように、すべてのRF発生器に能動可変リアクタンスを追加することである。ループのサイズが大きくなると、分散型RF発生器の数が増えるため、ループに直列に接続される能動可変リアクタンスの数も増加する。したがって、すべての能動可変リアクタンスの直列リアクタンスの合計は、ループのサイズとともに大きくなり、さまざまなサイズのループに対してほぼ一定の分数チューニング範囲を達成することが可能になる。
デューティサイクル制御信号は、各RF発生器回路において、ループ全体のデチューニングの局所的な測定値として使用することができるため、各RF発生器内の能動可変リアクタンスサブサーキットを制御するために使用してもよい。自動チューニング制御サブサーキットは、デューティサイクル制御信号とあらかじめ定義されたデューティサイクル設定値との差に比例してリアクタンス制御信号を出力するフィードバックループを形成する。このフィードバックループのゲインは、ネガティブフィードバックを示すように選択することができる。AZVSフィードバックループが自動チューニングフィードバックループのタイムスケールよりもはるかに速いタイムスケールで定常状態に安定する時間を持つように、自動チューニング制御サブサーキット内のこのフィードバックループにローパスフィルタを追加する必要がある。
なお、前述のように、すべてのRF発生器間にばらつきがあり、互いに小さな位相ずれが生じるため、自動チューニング制御サブサーキットはDCで無限ゲインを持つべきではない。したがって、すべてのRF発生器の平均デューティサイクルが所望のデューティサイクル設定値に等しくなるように磁気ループアンテナをチューニングする場合、個々のRF発生器には小さな位相シフトがあり、そのデューティサイクルが設定値と少量だけ異なることになる。この差が自動チューニング制御サブサーキットによって無限のゲインで増幅された場合、能動可変リアクタンスサブサーキットは、その最高又は最低リアクタンスで飽和することになる。したがって、自動チューニング制御サブサーキットのゲインの大きさは、デューティサイクル誤差の規模にゲインファクターを乗じたものが、能動可変リアクタンスサブサーキットが応答する値の範囲内にあるリアクタンス制御出力信号を与えるように選択する必要がある。
RF発生器回路間の位相誤差は、自動チューニングフィードバックループとAZVSフィードバックループの両方よりも遅いタイムスケールで動作するように設計された第3のフィードバックループを使用して補正することができる。自動チューニングフィードバックループが定常状態にあるとき、デューティサイクル制御信号と所望のセットポイントとの間の残りの差は、そのRF発生器の位相誤差に比例したエラー信号を生成し、その固有周波数の誤差に比例する。この誤差は、インジェクションロック発振器サブサーキットに入力される位相制御信号を使用して修正してもよい。この位相制御信号は、インジェクションロック発振器サブサーキットの固有周波数及び/又は位相を調整するために使用され、デューティサイクル制御信号と所望のセットポイントとの間の差がゼロに向かって駆動されるような負フィードバックを生成するように配置することができる。
この第3フィードバックループはオプションであり、インジェクションロック発振器の固有振動数の誤差が十分に小さい場合には、必要ない場合もある。しかし、システムをインジェクションロック発振器の周波数誤差に対してより寛容にするために有用であり、これにより、より大きな公差を有するより安価なコンポーネントを使用してもよい。
本開示は、限られた数の実施形態に関して説明されてきたが、本開示の利益を有する当業者は、本明細書に開示された本開示の範囲から逸脱しない他の実施形態が考案され得ることを理解するであろう。したがって、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきものである。
上述した特徴、構造、又は特性は、任意の好適な方法で1つ又は複数の実施形態において組み合わせることができ、様々な実施形態で議論される特徴は、可能であれば、交換可能である。以下の説明では、本開示の実施形態を完全に理解するために、多数の具体的な詳細が提供される。しかしながら、当業者であれば、本開示の技術的解決策は、特定の詳細のうちの1つ以上がなくても実施され得ること、又は他の方法、構成要素、材料などが採用され得ることを理解するであろう。他の例では、周知の構造、材料、又は操作は、本開示の側面を不明瞭にすることを避けるために、詳細に示されないか、又は説明されない。
本明細書では、「上」、「下」、「上」、「下」などの相対的な用語が、ある構成要素と別の構成要素との相対的な関係を表すために使用されているが、これらの用語は、例えば図面に示す例における方向として、便宜上のみ本明細書で使用されている。装置を逆さまにすると、上述の「上」の構成要素が「下」の構成要素になることを理解されるべきである。ある構造が他の構造上に「ある」場合、その構造が他の構造上に一体的に形成されていること、その構造が他の構造上に「直接」配置されていること、その構造が他の構造を介して他の構造上に「間接的に」配置されていることなどが考えられる。
本明細書では、「a」、「an」、「the」、「said」などの用語は、1つ以上の要素や構成要素が存在することを示すために使用される。用語「comprise」、「include」、「have」、「contain」、及びそれらの変形は、オープンエンドで使用され、添付の請求項に特に指定がない限り、記載された要素、成分などに加えて、追加の要素、成分などを含むことを意味する。
本明細書又は特許請求の範囲における用語「第1」、「第2」、「第3」などは、特に指定がない限り、対象の数に対する限定ではなく、ラベルとしてのみ使用される。複数の構成要素が示されている場合、構成要素は、適用可能な範囲で、特許請求の範囲において「第1の」構成要素、「第2の」構成要素、「第3の」構成要素などと呼ばれ得ることが理解される。
本開示の上述の実施形態は、本開示の原理を明確に理解するために設定された、単に可能な実装例である。本開示の精神及び原理から実質的に逸脱することなく、上述の実施形態(複数可)に対して多くの変形及び修正がなされ得る。全てのそのような修正及び変形は、本開示の範囲内に含まれ、以下の請求項によって保護されることを意図している。
(1)少なくとも1つの共振回路の共振周波数を制御するように構成された能動可変リアクタンス回路を備え、能動可変リアクタンス回路は、電気制御可能スイッチング素子と、電気制御可能スイッチング素子の少なくとも1つの端子に接続された受動反応素子と、電気制御可能スイッチング素子を、装置を通過する又は装置の両端の高周波(RF)電流又は電圧の周波数で切り替えるように構成されたスイッチコントローラサブサーキットと、を含む、システム。
(2)電気制御可能スイッチング素子は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)、及び双方向スイッチとして配置されたMOSFETのペアのうちのいずれか1つである、(1)に記載のシステム。
(3)受動反応素子は、少なくとも1つの共振回路と直列である可変静電容量リアクタンスを提供する、又は受動反応素子は、少なくとも1つの共振回路と並列である可変誘導リアクタンスを提供する、(1)又は(2)に記載のシステム。
(4)RF電流に比例する電圧を生成し、その電圧をスイッチコントローラサブサーキットに提供するように構成された電流ピックアップ装置をさらに含む、(1)~(3)のいずれか1項に記載のシステム。
(5)電流ピックアップ装置は、変圧器、直列抵抗装置、及び直列リアクタンス装置のうちのいずれか1つである、(1)~(4)のいずれか1項に記載のシステム。
(6)スイッチコントローラサブサーキットは、電流ピックアップ装置から正弦波の形のRFピックアップ信号を入力として受け取り、可変デューティサイクルを有する矩形波出力信号を生成し、矩形波出力信号が電気制御可能スイッチング素子を駆動するように構成される、(1)~(5)のいずれか1項に記載のシステム。
(7)可変デューティサイクルは、スイッチコントローラサブサーキットに供給されるリアクタンス制御入力信号によって制御される、(1)~(6)のいずれか1項に記載のシステム。
(8)矩形波出力信号の位相は、RF電流を90度リードする、(1)~(7)のいずれか1項に記載のシステム。
(9)少なくとも1つの共振回路は、無線電力源から無線電力を受信し、別個の無線電力受信機に電力を供給する共振中継器の一部である、(1)~(8)のいずれか1項に記載のシステム。
(10)自動RF電流レギュレータ回路をさらに含み、自動RF電流レギュレータ回路は、少なくとも1つの共振回路を流れるRF電流に比例する、少なくとも1つの共振回路によって生成されたDC信号を特定する、RF振幅比較及びリアクタンス制御回路を使用して、DC信号を内部設定点と比較する、及び、RF振幅信号と内部設定値との誤差を増幅し、増幅された誤差をリアクタンス制御信号として能動可変リアクタンスサブサーキットに送信する、ように構成されている、(1)~(9)のいずれか1項に記載のシステム。
(11)少なくとも1つの共振回路をさらに含む、(1)~(10)のいずれか1項に記載のシステム。
(12)電気制御可能スイッチング素子は、能動可変リアクタンス回路の単一の電気制御可能スイッチング素子である、(1)~(11)のいずれか1項に記載のシステム。
(13)少なくとも1つの共振回路の共振周波数を制御するように構成された能動可変リアクタンス回路を備え、能動可変リアクタンス回路は、少なくとも1つのコンデンサと並列である電気制御可能スイッチング素子と、第1の端子から第2の端子へ流れるRF電流が実質的に正弦波であるように、装置を通過又は装置の両端の高周波(RF)電流又は電圧の周波数で、電気制御可能スイッチング素子を切り替えるように構成されたスイッチコントローラサブサーキットと、を含むシステム。
(14)少なくとも1つの共振回路の共振周波数を制御するように構成された能動可変リアクタンス回路を備え、能動可変リアクタンス回路は、少なくとも1つのインダクタと直列に接続された電気制御可能スイッチング素子と、第1の端子及び第2の端子間のRF電圧が実質的に正弦波となるように、装置を通過する又は装置の両端の高周波(RF)電流又は電圧の周波数で電気制御可能スイッチング素子を切り替えるよう構成されたスイッチコントローラサブサーキットと、を含むシステム。
(15)能動可変リアクタンス回路によって、少なくとも1つの共振回路の共振周波数を制御するステップと、電気制御可能スイッチング素子を提供するステップと、電気制御可能スイッチング素子の少なくとも1つの端子に接続された受動反応素子を提供するステップと、スイッチコントローラサブサーキットによって、装置を通過する又は装置の両端の無線周波数(RF)電流又は電圧の周波数で、電気制御可能スイッチング素子を切り替えるステップと、を備える、方法。
(16)電気制御可能スイッチング素子は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)、及び双方向スイッチとして配置されたMOSFETのペアのうちのいずれか1つである、請求項15に記載のシステム。
(17)スイッチコントローラは、共振回路と直列に配置される可変静電容量リアクタンスを提供する、又はスイッチコントローラは、共振回路と並列に配置される可変誘導リアクタンスを提供する、(15)又は(16)に記載の方法。
(18)電流ピックアップ装置によって、RF電流に比例する電圧を生成するステップと、電圧をスイッチコントローラサブサーキットに提供するステップと、をさらに含む、(15)~(17)のいずれか1項に記載の方法。
(19)電流ピックアップ装置は、変圧器、直列抵抗装置、及び直列リアクタンス装置のうちのいずれか1つである、(15)~(18)のいずれか1項に記載の方法。
(20)スイッチコントローラサブサーキットによって、電流ピックアップ装置からの正弦波の形態のRFピックアップ信号を入力として受信するステップと、スイッチコントローラサブサーキットによって、可変デューティサイクルを有する矩形波出力信号を生成するステップと、をさらに備え、矩形波出力信号は、電気制御可能スイッチング素子を駆動する、(15)~(19)のいずれか1項に記載の方法。
(21)可変デューティサイクルは、スイッチコントローラサブサーキットに供給されるリアクタンス制御入力信号によって制御される、(15)~(20)のいずれか1項に記載の方法。
(22)矩形波出力信号の位相は、RF電流を90度リードする、(15)~(21)のいずれか1項に記載の方法。
(23)少なくとも1つの共振回路は、無線電力源から無線電力を受信し、別個の無線電力受信機に電力を供給する共振中継器の一部である、(15)~(22)のいずれか1項に記載の方法。
(24)自動RF電流調整器回路を使用するステップをさらに備え、自動RF電流調整器回路を使用するステップは、少なくとも1つの共振回路を流れるRF電流に比例する、少なくとも1つの共振回路によって生成されるDC信号を識別するステップと、RF振幅比較及びリアクタンス制御回路を使用して、DC信号を内部設定値と比較するステップと、RF振幅信号と内部設定値との間の誤差を増幅するステップと、増幅された誤差をリアクタンス制御信号として能動可変リアクタンスサブサーキットに送信するステップと、を含む、(15)~(23)のいずれか1項に記載の方法。
Claims (22)
- 少なくとも1つの共振回路の共振周波数を制御するように構成された能動可変リアクタンス回路を備え、
前記能動可変リアクタンス回路は、
電気制御可能スイッチング素子と、
前記電気制御可能スイッチング素子の少なくとも1つの端子に接続された受動反応素子と、
前記電気制御可能スイッチング素子を、装置を通過する又は装置の両端の高周波(RF)電流又は電圧の周波数で切り替えるように構成されたスイッチコントローラサブサーキットと、
を含む、
システム。 - 前記電気制御可能スイッチング素子は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)、及び双方向スイッチとして配置されたMOSFETのペアのうちのいずれか1つである、
請求項1に記載のシステム。 - 前記受動反応素子は、前記少なくとも1つの共振回路と直列である可変静電容量リアクタンスを提供する、又は
前記受動反応素子は、前記少なくとも1つの共振回路と並列である可変誘導リアクタンスを提供する、
請求項1に記載のシステム。 - 前記RF電流に比例する電圧を生成し、前記電圧を前記スイッチコントローラサブサーキットに提供するように構成された電流ピックアップ装置をさらに含む、
請求項1に記載のシステム。 - 前記電流ピックアップ装置は、変圧器、直列抵抗装置、及び直列リアクタンス装置のうちのいずれか1つである、
請求項4に記載のシステム。 - 前記スイッチコントローラサブサーキットは、前記電流ピックアップ装置から正弦波の形のRFピックアップ信号を入力として受け取り、可変デューティサイクルを有する矩形波出力信号を生成し、前記矩形波出力信号が前記電気制御可能スイッチング素子を駆動するように構成される、
請求項4に記載のシステム。 - 前記可変デューティサイクルは、前記スイッチコントローラサブサーキットに供給されるリアクタンス制御入力信号によって制御される、
請求項6に記載のシステム。 - 前記矩形波出力信号の位相は、前記RF電流を90度リードする、
請求項6又は請求項7に記載のシステム。 - 前記少なくとも1つの共振回路は、無線電力源から無線電力を受信し、別個の無線電力受信機に電力を供給する共振中継器の一部である、
請求項1に記載のシステム。 - 自動RF電流レギュレータ回路をさらに含み、
前記自動RF電流レギュレータ回路は、
前記少なくとも1つの共振回路を流れるRF電流に比例する、前記少なくとも1つの共振回路によって生成されたDC信号を特定する、
RF振幅比較及びリアクタンス制御回路を使用して、DC信号を内部設定点と比較する、及び、
RF振幅信号と内部設定値との誤差を増幅し、増幅された前記誤差をリアクタンス制御信号として能動可変リアクタンスサブサーキットに送信する、
ように構成されている、
請求項1に記載のシステム。 - 少なくとも1つの共振回路をさらに含む、
請求項1に記載のシステム。 - 前記電気制御可能スイッチング素子は、前記能動可変リアクタンス回路の単一の電気制御可能スイッチング素子である、
請求項1に記載のシステム。 - 能動可変リアクタンス回路によって、少なくとも1つの共振回路の共振周波数を制御するステップと、
電気制御可能スイッチング素子を提供するステップと、
前記電気制御可能スイッチング素子の少なくとも1つの端子に接続された受動反応素子を提供するステップと、
スイッチコントローラサブサーキットによって、装置を通過する又は装置の両端の無線周波数(RF)電流又は電圧の周波数で、前記電気制御可能スイッチング素子を切り替えるステップと、
を備える、方法。 - 前記電気制御可能スイッチング素子は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)、バイポーラ接合トランジスタ(BJT)、及び双方向スイッチとして配置されたMOSFETのペアのうちのいずれか1つである、
請求項13に記載のシステム。 - 前記スイッチコントローラは、前記共振回路と直列である可変静電容量リアクタンスを提供する、又は
前記スイッチコントローラは、前記共振回路と並列である可変誘導リアクタンスを提供する、
請求項13に記載の方法。 - 電流ピックアップ装置によって、RF電流に比例する電圧を生成するステップと、
前記電圧を前記スイッチコントローラサブサーキットに提供するステップと、
をさらに含む、
請求項13に記載の方法。 - 前記電流ピックアップ装置は、変圧器、直列抵抗装置、及び直列リアクタンス装置のうちのいずれか1つである、
請求項16に記載の方法。 - 前記スイッチコントローラサブサーキットによって、前記電流ピックアップ装置からの正弦波の形態のRFピックアップ信号を入力として受信するステップと、
前記スイッチコントローラサブサーキットによって、可変デューティサイクルを有する矩形波出力信号を生成するステップと、
をさらに備え、
前記矩形波出力信号は、前記電気制御可能スイッチング素子を駆動する、
をさらに備える、
請求項16に記載の方法。 - 前記可変デューティサイクルは、前記スイッチコントローラサブサーキットに供給されるリアクタンス制御入力信号によって制御される、
請求項18に記載の方法。 - 前記矩形波出力信号の位相は、前記RF電流を90度リードする、
請求項18に記載の方法。 - 前記少なくとも1つの共振回路は、無線電力源から無線電力を受信し、別個の無線電力受信機に電力を供給する共振中継器の一部である、
請求項13に記載の方法。 - 自動RF電流調整器回路を使用するステップをさらに備え、
前記自動RF電流調整器回路を使用するステップは、
前記少なくとも1つの共振回路を流れる前記RF電流に比例する、前記少なくとも1つの共振回路によって生成されるDC信号を識別するステップと、
RF振幅比較及びリアクタンス制御回路を使用して、DC信号を内部設定値と比較するステップと、
RF振幅信号と内部設定値との間の誤差を増幅するステップと、
増幅された前記誤差をリアクタンス制御信号として能動可変リアクタンスサブサーキットに送信するステップと、
を含む、
請求項13に記載の方法。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US202063071048P | 2020-08-27 | 2020-08-27 | |
US63/071,048 | 2020-08-27 | ||
PCT/US2021/047734 WO2022047018A1 (en) | 2020-08-27 | 2021-08-26 | Continuously variable active reactance systems and methods |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023540278A true JP2023540278A (ja) | 2023-09-22 |
Family
ID=80355714
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2023514045A Pending JP2023540278A (ja) | 2020-08-27 | 2021-08-26 | 連続可変能動リアクタンスシステム及び方法 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20230327650A1 (ja) |
JP (1) | JP2023540278A (ja) |
TW (1) | TWI824283B (ja) |
WO (1) | WO2022047018A1 (ja) |
Family Cites Families (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7190153B2 (en) * | 2004-12-01 | 2007-03-13 | Alfred E. Mann Foundation For Scientific Research | System, circuit and method for tuning a resonant circuit |
US20120068548A1 (en) * | 2010-09-16 | 2012-03-22 | Advantest Corporation | Wireless power supply apparatus |
EP2847771B1 (en) * | 2012-05-11 | 2017-11-29 | Momentum Dynamics Corporation | Resonant inductive power transmission system with adjustable reactance |
US10270439B2 (en) * | 2013-02-27 | 2019-04-23 | Hengchun Mao | High efficiency resonant power converters and resonant gate drivers |
JP2015146723A (ja) * | 2014-01-06 | 2015-08-13 | 日東電工株式会社 | 無線電力伝送装置 |
KR101631669B1 (ko) * | 2014-08-06 | 2016-06-17 | 주식회사 맵스 | 공진 주파수 조정이 가능한 자기공명 무선 전력 전송장치 |
KR101671818B1 (ko) * | 2015-09-24 | 2016-11-03 | 주식회사 맵스 | 증폭기의 영전압 스위칭 제어장치 및 무선전력 송신장치 |
TW201737609A (zh) * | 2016-04-06 | 2017-10-16 | 田建龍 | 無線電能傳輸及相關領域系統諧振頻率的動態監測及補償技術 |
US20190165614A1 (en) * | 2016-06-15 | 2019-05-30 | The Regents of the Unioversity of Colorado, a body corporate | Active variable reactance rectifier circuit and related techniques |
US10389159B2 (en) * | 2016-10-01 | 2019-08-20 | Intel Corporation | Wireless charging system and method |
US10250078B2 (en) * | 2016-10-18 | 2019-04-02 | Robert A Moffatt | Wireless power transfer to multiple receiver devices across a variable-sized area |
US10742072B2 (en) * | 2017-06-21 | 2020-08-11 | Richtek Technology Corporation | Wireless power transmitter circuit and control circuit and control method thereof |
WO2019023432A1 (en) * | 2017-07-26 | 2019-01-31 | The Regents Of The University Of Colorado, A Body Corporate | INVERTER CIRCUIT WITH VARIABLE COMPENSATION AND ASSOCIATED TECHNIQUES |
US10931149B2 (en) * | 2018-06-29 | 2021-02-23 | Etherdyne Technologies, Inc. | Wireless power receiver circuits that provide constant voltage or current to an electrical load, and methods |
WO2020021424A1 (en) * | 2018-07-22 | 2020-01-30 | Mohammad Mahdi Ahmadi | A class-e power oscillator |
-
2021
- 2021-08-26 US US18/043,111 patent/US20230327650A1/en active Pending
- 2021-08-26 WO PCT/US2021/047734 patent/WO2022047018A1/en active Application Filing
- 2021-08-26 JP JP2023514045A patent/JP2023540278A/ja active Pending
- 2021-08-27 TW TW110131799A patent/TWI824283B/zh active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20230327650A1 (en) | 2023-10-12 |
WO2022047018A1 (en) | 2022-03-03 |
TW202230970A (zh) | 2022-08-01 |
TWI824283B (zh) | 2023-12-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3707801B1 (en) | Capacitive wireless power transfer by means of adaptive matching networks | |
KR101946086B1 (ko) | 유도 결합 전력 전달 수신기 | |
US10651689B2 (en) | Dynamic tuning in wireless energy transfer systems | |
JP6489212B2 (ja) | 固定チューニングおよび電力制限機能を有する可変距離ワイヤレス給電システム | |
CN100472926C (zh) | 共振型开关电源装置 | |
CN109219914B (zh) | 用于通过电压调节来进行阻抗匹配的方法和设备 | |
KR101914820B1 (ko) | 조정가능 리액턴스를 생성하기 위한 방법 및 장치 | |
US10170996B2 (en) | Diode conduction sensor | |
Abramov et al. | Multi-loop control for power transfer regulation in capacitive wireless systems by means of variable matching networks | |
EP2985846A1 (en) | Wireless power transmission | |
WO2012020115A1 (en) | Wireless energy transmission | |
US20160254702A1 (en) | Resonant type high frequency power supply device | |
Chowdhury et al. | Automatic tuning receiver for improved efficiency and EMI suppression in spread-spectrum wireless power transfer | |
JP2023540278A (ja) | 連続可変能動リアクタンスシステム及び方法 | |
Moffatt | Continuously Variable Active Reactance | |
CN113615034B (zh) | 用于无线功率传输的串联分布式射频发生器 | |
Abramov et al. | Regulated power transfer using self-tuned networks for capacitive wireless systems | |
KR20160077196A (ko) | 공진형 고주파 전원 장치 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240722 |