TWI741958B - 最小功率輸入的控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種最小功率輸入的控制方法，適於一無線電力傳輸系統，包括一功率發送器單元與至少一功率接收器單元，其中功率發送器單元係電性連接一控制電壓訊號與一輸入電壓訊號，以響應產生一最小功率輸入，並通過無線傳輸提供該最小功率輸入予該至少一功率接收器單元接收。本發明係通過調控輸入電壓訊號、控制電壓訊號之佔空比及諧振頻率，可以確保無線電力傳輸系統最佳的功率傳輸效率，除此之外，更可進而結合閘極驅動波形趨勢回饋設計電荷幫浦泵及閘極驅動電路的參數，優化本發明之發明功效。

Description

最小功率輸入的控制方法
本發明係有關於一種無線電力傳輸的調控技術，特別是一種可確保最佳無線功率傳輸效率，並針對其最小功率輸入進行調控的控制方法。
按，無線充電技術基於其較佳的便攜性、高效率、速度快與反應即時，因此可有效地用於減少時間成本與空間成本，並且，無線充電技術可使得各種電子產品因為脫離電線的束縛，也解決了有限儲存電量的問題，儼然已經成功成為新一代消費電子升級的首要選擇之一。
近年來，各個業界或學術單位都逐步增加針對無線充電技術的專利研究，舉例而言，現有技藝包括：美國專利公告號US 8,872,385係揭露一種無線電力傳輸系統，其係將電力線從電力發送器較少地發送到電力接收器。電力接收器包括：接收端諧振電路、整流器電路及電力再現部分，阻抗變換器連接在整流器電路和電力再現部分之間以改變其阻抗。 當阻抗改變時，透過一檢測器檢測到波形變化，並且一訊號擷取器係取得並輸出與由該檢測器檢測到的波形相對應的訊號。
另有一台灣專利公告號I618349，揭露一種用於改良之驅動器電路效能之阻抗變換網路，其中公開有一傳輸器裝置，該傳輸器裝置包括一驅動器電路，該驅動器電路之特徵在於一效率和一功率輸出位準。該驅動器電路進一步包括一濾波器電路，該濾波器電路電耦合到該驅動器電路且經組態以修改傳輸電路之阻抗，以在該阻抗處於複數阻抗範圍內時，將該驅動器電路之效率維持處於該驅動器電路之一最大效率的20%以內。值得注意的是，上揭現有專利文獻都必須通過修改傳輸電路的阻抗，來達到控制功率傳輸效率的目的。
有鑑於此，另有專利文獻提出，可在不修改阻抗的情況下進行改良，遂有一美國專利公告號US9,899,877進一步揭露一種感應功率傳輸系統，其包括發射器電路與接收器電路，其中發射器電路與接收器電路係各自具有發射器線圈與和該發射器線圈間隔開的接收器線圈。通過線圈之間傳輸能量的耦合效應，配合其線圈間的機械設計、間距與參數等調整，可以達到控制感應功率傳輸的目的。其中，接收器電路具有一諧振頻率，並且發送器電路經設計被配置為改變其第一頻率，以便實現其初級儲能電路的期望阻抗。然而，引起關注的是，已知此種通過調控頻率變數的技術手段，常因頻率頻繁的切換與變動，因此多會對測試中的受測開關造成不可逆的損耗及破壞。
因此，綜上所述，基於考量到上述所列之眾多問題點，極需要採納多方面的考量。故，本發明之發明人係有感於上述缺失之可改善，且依據多年來從事此方面之相關經驗，悉心觀察且研究之，並配合學理之運用，而提出一種設計新穎且有效改善上述缺失之本發明，其係揭露一種新穎的控制方法，並通過此種創新的控制方法，可以有效確保最佳的功率傳輸效率，並避免掉諸多先前技術所存在已久的缺失，以達成無線電力傳輸功能實現的最佳化效益，其具體之架構及實施方式將詳述於下。
為解決習知技術存在的問題，本發明之一目的係在於提供一種最小功率輸入的控制方法，通過本發明所揭露之方法，其係可透過使用簡易且快速而有效率的控制方法，兼容電荷幫浦及閘極驅動器的各項參數，以產生快速響應並優化功率放大器的效率。
另一方面而言，本發明之又一目的係在於提供一種創新的控制方法，其係可針對最小功率輸入進行調控，通過針對輸入電壓訊號、佔空比、及諧振頻率之控制策略，可以確保最佳的功率傳輸效率。
同時，經由閘極驅動波形趨勢回饋設計電荷幫浦泵與閘極驅動電路的參數，可進一步達成空乏型氮化鎵電晶體應用於無線電力傳輸的實現。
再一方面而言，本發明之再一目的係在於提供一種可適於E類功率放大器的最小功率輸入之控制方法，其係可避免習知體二極體的應用，而改以空乏型氮化鎵高電子遷移率電晶體（GaN High electron mobility transistor， HEMT）實現於E類功率放大器的應用，使優化其效率。
為了實現上述發明目的，本發明係旨在提供一種最小功率輸入的控制方法，適於一無線電力傳輸（WPT，wireless power transfer）系統，包括一功率發送器單元（PTU，power transmission unit）與至少一功率接收器單元（PRU，power receiving unit），其中該功率發送器單元係電性連接一控制電壓訊號與一輸入電壓訊號以響應產生一最小功率輸入，並通過無線傳輸提供該最小功率輸入予該至少一功率接收器單元接收。本發明所揭露之控制方法包括以下步驟：
(a): 取得該功率發送器單元與功率接收器單元之間的一距離。
(b): 根據該距離與功率接收器單元的數量決定該輸入電壓訊號。
(c): 依據該輸入電壓訊號計算得到一功率輸入曲線，並決定此功 率輸入曲線之一最小值，其中，該最小值係與所述的控制電壓訊號之一諧振頻率與一佔空比相關。
(d): 之後，根據該最小值依序查找出對應的佔空比與諧振頻率。
(e): 以及，將具有該佔空比與該諧振頻率的控制電壓訊號輸入功率發送器單元，使其響應產生所述的最小功率輸入（P in,min），以足夠供功率接收器單元接收。
根據本發明之實施例，其中所述的功率發送器單元係包括一閘極驅動電路、一組調變電阻、一電荷幫浦泵、一開關元件與一放大器電路，閘極驅動電路係接收控制電壓訊號，該組調變電阻係連接於閘極驅動電路與電荷幫浦泵之間，開關元件係連接電荷幫浦泵與放大器電路，當具有該諧振頻率與該佔空比的控制電壓訊號輸入所述的閘極驅動電路，且該放大器電路係接收所述的輸入電壓訊號時，通過開關元件的開啟與關閉，該放大器電路之輸出端係響應產生該最小功率輸入（P in,min）。
在一實施例中，所述的開關元件例如可為一空乏型氮化鎵高電子遷移率電晶體。所述的放大器電路例如可為一E類功率放大器，其係包括一電容器、一第一電感、一第二電感及一負載電阻，一接點係連接於所述的開關元件、第一電感及電容器之間，該第一電感相對於該接點的另一側係連接所述的輸入電壓訊號，該電容器相對於該接點的另一側係連接所述的第二電感，該第二電感更連接至該負載電阻，以在該第二電感與負載電阻間的一輸出端產生該最小功率輸入。
根據本發明之一實施例，其中所述的開關元件係為一金氧半場效電晶體，該金氧半場效電晶體之一汲極係連接該接點，該金氧半場效電晶體之一閘極係連接該電荷幫浦泵，該金氧半場效電晶體之一源極係連接一接地端。
其中，在步驟(c)：決定該最小值的步驟中，本發明之一實施例更可通過逐次提供複數個發射功率予該至少一功率接收器單元接收；以及，確認足夠供該至少一功率接收器單元接收之該些發射功率中的一最小功率值，以該最小功率值作為所述的該最小值。
更進一步而言，功率發送器單元中所包含的該組調變電阻，係可包括相互並聯的一第一電阻及一第二電阻。閘極驅動電路係至少包括相互串接之一P型金氧半場效電晶體與一N型金氧半場效電晶體，該第一電阻及該第二電阻係分別連接於該P型金氧半場效電晶體與該N型金氧半場效電晶體之汲極與電荷幫浦泵之間。為了更優化本發明之發明功效，則根據本發明所揭露之控制方法，其係可更進一步地通過該第一電阻及該第二電阻的參數回饋設計電荷幫浦泵，以響應產生更佳化的最小功率輸入。
根據本發明之其他實施例，則無線電力傳輸系統中亦可視需求設置複數個功率接收器單元，本發明所實現之最小功率輸入亦可以通過無線傳輸且足夠供複數個功率接收器單元接收與使用。
總括來說，熟習本技術領域之具備通常知識的技術人士能夠在不脫離本發明精神之前提下，根據本發明所披露之技術方案進行適當的修飾或變化，惟仍應隸屬本發明之發明範疇。本發明並不以該等實施例中所揭之電路連接方式及其電性特徵為限。
綜上所陳，可以顯見，本發明主要係公開了一種針對無線電力傳輸（WPT）系統之最小功率輸入的控制方法，該控制方法透過調控：輸入電壓訊號、控制電壓訊號之佔空比及諧振頻率之最小功率控制策略，並且，只需通過經驗數據結合簡易的查找，便可以快速響應6.78 MHz諧振無線功率傳輸應用中的操作需求，確保無線電力傳輸系統最佳的功率傳輸效率。
值得說明的是，本發明所揭實施例係以E類功率放大器作為一示性例進行說明，其目的係為了使本領域之人士可充分瞭解本發明之技術思想，而並非用以限制本發明之應用。換言之，本發明所公開針對最小功率輸入的控制方法，其係可應用於不限E類功率放大器，亦可及於各種其他的放大器電路。
底下係進一步藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
以上有關於本發明的內容說明，與以下的實施方式係用以示範與解釋本發明的精神與原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。
其中，參考本發明之優選實施例，其示例係於附圖中示出，並在其附圖與說明書中，本發明係盡可能使用相同的附圖標記指代相同或相似的元件。
基於E類功率放大器的性能多會受到其負載變化及非理想因素而影響，現有技術在考慮非理想因素（例如：電感、電阻、寄生電容電感、導通電阻和漏電流）等的分析方法，雖然理論上可減小計算值與實際值之間的差異，然而其控制與補償方式相對的也複雜許多。除此之外，其閘極驅動器的參數亦難以合適驅動空乏型氮化鎵等功率元件。因此，為了有效提升電路的操作效率並延長無線電力的傳輸距離，以下本發明係公開一種針對無線電力傳輸（WPT）系統之最小功率輸入（P in,min）的控制方法，針對下揭本發明所公開之實施方式，其係為了闡明本發明主要之技術內容及其技術特點，並為了俾使本領域之技術人員能夠理解、製造、與使用本發明。 然而，應注意的是，下揭該些實施方式並非用以限制本發明之發明範疇。 因此，根據本發明精神的任何均等修改或其變化例，亦應也當涵蓋於本發明之發明範圍內，乃合先敘明。
本發明所教示之控制方法，係適於一無線電力傳輸系統，請參照第1圖所示，其係為根據本發明實施例一無線電力傳輸系統之系統架構圖，所述的無線電力傳輸系統（WPT）包括一功率發送器單元11與至少一功率接收器單元21，其中，功率發送器單元11係電性連接一控制電壓訊號V S與一輸入電壓訊號V DD以通過內部的電路響應產生一最小功率輸入P in,min，並且，通過無線傳輸31提供該最小功率輸入P in,min予該至少一功率接收器單元21接收。請一併參照第2圖所示，其係為根據本發明實施例一功率發送器單元之電路示意圖，如圖所示，功率發送器單元11係包括一閘極驅動電路102、一組調變電阻104、一電荷幫浦泵106、一開關元件108與一放大器電路110，其中，閘極驅動電路102中係至少包括有一欠壓閉鎖（UVLO，undervoltage lockout）單元22以及相互串接之一P型金氧半場效電晶體M p與一N型金氧半場效電晶體M n。該組調變電阻104包括相互並聯的一第一電阻R G,p及一第二電阻R G,n，其係連接於閘極驅動電路102與電荷幫浦泵106之間。
P型金氧半場效電晶體M p之汲極連接第一電阻R G,p，P型金氧半場效電晶體M p之源極連接一高電壓位準V GH；N型金氧半場效電晶體M n之汲極連接第二電阻R G,n，N型金氧半場效電晶體M n之源極連接一低電壓位準V GL，閘極驅動電路102係接收所述的控制電壓訊號V S。
電荷幫浦泵106包括一電荷幫浦電容C C與一二極體D C，相互並聯之第一電阻R G,p及第二電阻R G,n係共同連接該電荷幫浦電容C C。開關元件108係連接於電荷幫浦電容C C、二極體D C與放大器電路110之間。根據本發明之一實施例，開關元件108例如可為一金氧半場效電晶體，該金氧半場效電晶體之一汲極係通過接點V X連接放大器電路110，該金氧半場效電晶體之閘極係連接電荷幫浦泵106之電荷幫浦電容C C與二極體D C，該金氧半場效電晶體之源極係連接接地端V SS。在本發明一較佳的實施例中，則所述的開關元件108係可為一空乏型（D-mode）氮化鎵高電子遷移率電晶體（GaN HEMT）。
緣此，當控制電壓訊號V S通過所述的閘極驅動電路102輸入，且放大器電路110接收輸入電壓訊號V DD時，通過開關元件108（較佳地可為一GaN HEMT）的開啟與關閉，放大器電路110係可在其輸出端V O響應產生有對應的功率。本發明係旨在通過一創新的控制方法，針對該響應產生的功率進行最小化的調控，完成本發明所公開最小功率輸入（P in,min）的控制。其中，請參見下表一，其係為本發明實施例中所使用空乏型GaN HEMT之電性特性。
  參數 數值 單位
V GS,ON 開啟電壓 -7 V
C DS 汲-源極寄生電容 100 pF
C GD 閘-汲極寄生電容 80 pF
C GS 閘-源極寄生電容 420 pF
V GS,max 最大閘-源極電壓 8 V
V DS,BD 汲-源極崩潰電壓 1000 V
i d,max 最大汲極電流 35 A
表一
在一實施例中，本發明係以放大器電路110為一E類功率放大器（class E amplifier）作為一示性例之說明。請參見下表二，其係為本發明實施例中所使用E類功率放大器之等效參數。
  單位 數值
R L kΩ 5
C DS pF 100
C 2 pF 75
L 1 µH 47
L 2 µH 8
表二
其中，所述的E類功率放大器係包括一電容器C 2、一第一電感L 1、一第二電感L 2及一負載電阻R L，接點V X係連接於開關元件108、該第一電感L 1及該電容器C 2之間，第一電感L 1相對於該接點V X的另一側係連接並接收所述的輸入電壓訊號V DD，該電容器C 2相對於該接點V X的另一側係連接該第二電感L 2，該第二電感L 2更連接至該負載電阻R L，以在該第二電感L 2與該負載電阻R L間的一輸出端V O產生對應的功率。第3圖係為根據本發明實施例所公開之最小功率輸入的控制方法之步驟流程圖，本發明係通過第3圖所公開之控制方法，包括步驟S302、S304、S306、S308及S310，以對該功率進行最小化的調控，使其響應產生最小功率輸入P in,min並足夠供功率接收器單元接收及使用。
詳細而言，如第3圖所示，本發明所公開之控制方法，首先如步驟S302所示，取得功率發送器單元11與功率接收器單元21之間的一距離D（參第1圖）。之後，如步驟S304所示，根據該距離D與功率接收器單元21的數量決定輸入電壓訊號V DD。根據本發明之實施例，所述功率接收器單元21的數量係不以單一個為限，換言之，無線電力傳輸系統中亦可選擇性地設置有複數個功率接收器單元，如第4圖所示，使響應產生的最小功率輸入P in,min可通過無線傳輸31且足夠供複數個功率接收器單元21a, 21b…21n接收與使用。
一般而言，在無線電力傳輸系統的應用中，隨著更高的電源傳輸距離，也就是功率發送器單元11與功率接收器單元21, 21a, 21b…21n之間的距離D增加，會需要較高的輸入電壓訊號V DD。同時，在多個功率接收器單元21, 21a, 21b…21n的情況下，也必須相應地增加輸入電壓訊號V DD才能為多個功率接收器單元21, 21a, 21b…21n提供足夠的功率。
之後，在輸入電壓訊號V DD確定下來之後，如步驟S306所示，本發明係可依據該輸入電壓訊號V DD的經驗數據計算得到一功率輸入曲線，如第5圖所示，根據不同的輸入電壓訊號V DD，其係可決定與之相應的一功率輸入曲線，第5圖中係分別提供有V DD=36V, 72V, 108V三條不同的功率輸入曲線，分別以三角形、X符號、以及圓形示之。其中，每一條功率輸入曲線皆係為功率輸入P in相對控制電壓訊號V S之佔空比（duty ratio）δ之關係示意圖。在此步驟中，本發明係逐次提供複數個發射功率予該一個或一個以上的功率接收器單元接收，並且確認足夠供該一個或一個以上的功率接收器單元接收之該些發射功率中的一最小功率值，則係為該功率輸入曲線之一最小值。舉例而言，當D=100公分，無線電力傳輸系統中具有1個功率接收器單元，且V DD=108V時，則其功率輸入曲線之最小值係為3.2W。此時，對照第5圖之關係圖，則可以查找出與其對應之控制電壓訊號V S之佔空比δ=30%。
隨後，接著執行步驟S308，並同時參照第6圖所示，其係為控制電壓訊號V S之佔空比δ相對控制電壓訊號V S之諧振頻率f 0之關係示意圖。承前例而言，當δ=30%，對照第6圖所示，則可以對應查找出控制電壓訊號V S之諧振頻率f 0=4.12MHz。緣此，可明顯觀之，通過本發明所揭示之步驟S306～S308可以看出，當確定好功率輸入曲線之最小值後，通過第5圖與第6圖所示之關係圖，基於該最小值係會與控制電壓訊號V S之佔空比δ與諧振頻率f 0相關，本發明係可成功地根據經驗數據依序查找出與其對應之控制電壓訊號V S之佔空比δ與諧振頻率f 0。
最後，如步驟S310所示，本發明係可將具有該諧振頻率f 0與該佔空比δ的控制電壓訊號V S輸入功率發送器單元11，便可有效地通過其內部電路包含閘極驅動電路、調變電阻、電荷幫浦泵、開關元件（GaN HEMT）與放大器電路（E類功率放大器）等的作用，使E類功率放大器響應產生該最小功率輸入P in,min，以足夠供該一個或一個以上的功率接收器單元接收及使用。
詳細而言，本申請之發明人係透過70個實驗數據，並對其實驗結果進行統計及插值。在實驗中，通過V DD=108V，標稱諧振頻率f 0=4.12MHz，佔空比δ= 30%，計算出最小功率點，請參見第7圖所示，其中，第7圖所呈現之數據，係為V DD=108V下，諧振頻率f 0和佔空比δ不同而引起的功率輸入示意圖，該最小功率點在圖中係以點表示之，並對應於開關元件到地面的最低功率損耗。根據本發明之其他實施例，則此實驗數據亦可以擴展到不同的輸入電壓訊號V DD。
另一方面而言，根據本發明所揭露之最小功率輸入（P in,min）的控制方法，其係可更進一步地通過第一電阻R G,p及第二電阻R G,n的參數回饋設計電荷幫浦泵，使響應產生所述的最小功率輸入達到最佳化。請參見下表三，其係為本發明實施例中所設計使用電荷幫浦泵之各項等效參數。
  參數 數值 單位
R G , p 第一電阻 12 Ω
R G,n 第二電阻 30 Ω
C C 電荷幫浦電容 5 nF
C DC 二極體電容 40 pF
I R 二極體反向飽和電流 50 µA
表三
詳細而言，請一併參閱第8圖所示，其係為根據本發明實施例在6.78MHz開關下的閘-源極電壓波形示意圖，其中，虛線及實線所示係分別為該閘-源極電壓之一非理想與理想之波形圖，其中V DS係為第2圖中接點V X之電壓位準，也就是開關元件108之汲-源極電壓位準。由該波形圖可以看出，當V DS上升至高壓且開關元件108之閘極關閉時，由於其閘-汲極寄生電容C GD（又稱米勒電容器）的作用，電荷幫浦泵106將迅速需要一些負電荷。而在開關元件108之閘極打開時，電荷幫浦泵106則需要收回相同數量的負電荷，因此，就其動態行為而言，所產生的效果是：當閘極導通時，米勒平原將呈現低電壓浪湧，而當閘極翻轉時，米勒平原將呈現較長的米勒平穩期。當第一電阻R G , p太高時（如第8圖中之虛線所示），由於通過閘-汲極寄生電容C GD和電荷幫浦電容C C迅速使負電荷退回至第一電阻R G , p，將引起負電壓浪湧，如第8圖中虛線所經歷之二個區域E1, E2，在此狀況下，負電壓可能下降到低於-V GS,max並導致閘-源極擊穿。有鑑於此，根據本發明之實施例，在這種情況下，則需要調整並降低第一電阻R G , p的阻值，以防止閘極導通時V GH上的高電壓降，由此觀之，與其相應的第二電阻R G , n的阻值及其閘極驅動設計參數也亦需參考理想的閘-源極電壓所設計，以實現如第8圖中之實線所示的理想波形。
是以，透過本發明所揭露最小功率輸入的控制方法，其係可更進一步地與開關元件之閘極驅動波形趨勢結合，來回饋設計電荷幫浦泵及其閘極驅動電路的參數，以期有效達成空乏型氮化鎵功率電晶體於無線電力傳輸功能的實現，同時確保其最佳的功率傳輸效率。第9圖係為根據本發明一較佳實施例在V DD=262V時，40W驅動E類功率放大器之結果波形示意圖，其中V GS係以實驗之閘-源極電壓波形示之。可以看出，通過本發明所公開的控制方法，可實現閘-源極電壓V GS：0～-25V；流經E類功率放大器之第二電感L 2之電流I d：±1A；汲-源極電壓V DS：0～660V。
緣此，綜上所述，本發明係提出一種極為新穎的最小功率輸入控制方法，並且實現空乏型氮化鎵高電子遷移率電晶體於E類功率放大器之應用。根據本發明所公開之控制方法，透過調控：輸入電壓訊號V DD、佔空比δ、及諧振頻率f 0之最小功率控制策略，可以確保無線電力傳輸系統最佳的功率傳輸效率。並且，只需通過簡易的查找法，便可以快速響應6.78 MHz諧振無線功率傳輸應用中的操作需求。更進一步而言，本發明亦可由閘極驅動波形趨勢回饋設計電荷幫浦泵及閘極驅動電路的參數，以達成空乏型氮化鎵高電子遷移率電晶體應用於無線電力傳輸的實現。基於空乏型氮化鎵閘極驅動參數的設計，該設計對諧振無線電力傳輸（WPT）系統的可靠度與應用實現皆具有優化的影響力。
值得提醒的是，本發明並不以上揭實施例中所使用之數個內部電路為限。換言之，本領域具通常知識之技術人士，當可在不脫離本發明之精神前提下，基於本發明之發明意旨與其精神思想進行均等之修改和變化，惟在其均等範圍內，仍應隸屬於本發明之發明範疇。
鑒於以上，與現有技術相較之下，可以確信的是通過本發明所公開之實施例及其控制方法，其係可有效地解決現有技術中尚存之缺失。並且，基於本發明係根據GaN HEMT的特性和用於空乏型GaN HEMT兼容電荷幫浦泵及其閘極驅動電路的參數，不僅可產生快速響應並優化E類功率放大器的效率，同時更可廣泛應用於半導體產業、積體電路產業、或電力電子等各類無線充電或電源轉換器裝置中。顯見本申請人在此案所請求之技術方案的確具有極佳之產業利用性及競爭力。同時，本申請人也通過各項實驗數據及經驗數據等等，驗證本發明所揭露之技術特徵、方法手段與達成之功效係顯著地不同於現行方案，實非為熟悉該項技術者能輕易完成者，而應具有專利要件。
以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
11:功率發送器單元 21,21a,21b,21n:功率接收器單元 22:欠壓閉鎖單元 31:無線傳輸 102:閘極驅動電路 104:調變電阻 106:電荷幫浦泵 108:開關元件 110:放大器電路 M p:P型金氧半場效電晶體 M n:N型金氧半場效電晶體 R G,p:第一電阻 R G,n:第二電阻 V GH:高電壓位準 V GL:低電壓位準 V S:控制電壓訊號 V DD:輸入電壓訊號 C C:電荷幫浦電容 D C:二極體 V X:接點 V SS:接地端 V O:輸出端 C 2:電容器 L 1:第一電感 L 2:第二電感 R L:負載電阻 D:距離 E1,E2:區域 S302、S304、S306、S308、S310:步驟
第1圖係為根據本發明實施例一無線電力傳輸系統之系統架構圖。 第2圖係為根據本發明實施例一功率發送器單元之電路示意圖。 第3圖係為根據本發明實施例所公開之最小功率輸入的控制方法之步驟流程圖。 第4圖係為根據本發明又一實施例具有複數個功率接收器單元之無線電力傳輸系統之系統架構圖。 第5圖係為根據本發明實施例之功率輸入相對控制電壓訊號之佔空比之關係示意圖。 第6圖係為根據本發明實施例控制電壓訊號之佔空比相對其諧振頻率之關係示意圖。 第7圖係為根據本發明實施例在V DD=108V下，控制電壓訊號之佔空比及諧振頻率相對功率輸入之關係示意圖。 第8圖係為根據本發明實施例在6.78MHz開關下的閘-源極電壓波形示意圖。 第9圖係為根據本發明一較佳實施例在V DD=262V時，40W驅動E類功率放大器之結果波形示意圖。
S302、S304、S306、S308、S310:步驟

Claims (10)

  1. 一種最小功率輸入（P in,min）的控制方法，適於一無線電力傳輸（WPT）系統，包括一功率發送器單元（PTU）與至少一功率接收器單元（PRU），其中該功率發送器單元係電性連接一控制電壓訊號（V S）與一輸入電壓訊號（V DD）以響應產生一最小功率輸入（P in,min），並通過無線傳輸提供該最小功率輸入予該至少一功率接收器單元接收，該控制方法包括： 取得該功率發送器單元與該至少一功率接收器單元之間的一距離；根據該距離與該至少一功率接收器單元的數量決定該輸入電壓訊號 （V DD）； 依據該輸入電壓訊號（V DD）計算得到一功率輸入曲線，並決定該功 率輸入曲線之一最小值，其中該最小值係與該控制電壓訊號之一諧振頻率（f 0）與一佔空比（δ）相關； 根據該最小值依序查找出對應的該佔空比與該諧振頻率；以及 將具有該諧振頻率與該佔空比的該控制電壓訊號輸入該功率發送器 單元，使其響應產生該最小功率輸入（P in,min），以足夠供該至少一功率接收器單元接收。
  2. 如請求項1所述之最小功率輸入的控制方法，其中，該無線電力傳輸系統係包括複數個該功率接收器單元，該最小功率輸入係通過無線傳輸且足夠供複數個該功率接收器單元接收與使用。
  3. 如請求項1所述之最小功率輸入的控制方法，其中，該功率發送器單元係包括一閘極驅動電路、一組調變電阻、一電荷幫浦泵、一開關元件與一放大器電路，該閘極驅動電路係接收該控制電壓訊號，該組調變電阻係連接於該閘極驅動電路與該電荷幫浦泵之間，該開關元件係連接該電荷幫浦泵與該放大器電路，當具有該諧振頻率與該佔空比的該控制電壓訊號輸入該閘極驅動電路，且該放大器電路接收該輸入電壓訊號時，通過該開關元件的開啟與關閉，該放大器電路之輸出端係響應產生該最小功率輸入（P in,min）。
  4. 如請求項3所述之最小功率輸入的控制方法，其中，該開關元件係為一空乏型氮化鎵高電子遷移率電晶體。
  5. 如請求項3所述之最小功率輸入的控制方法，其中，該放大器電路係為一E類功率放大器。
  6. 如請求項5所述之最小功率輸入的控制方法，其中，該E類功率放大器係包括一電容器、一第一電感、一第二電感及一負載電阻，一接點係連接於該開關元件、該第一電感及該電容器之間，該第一電感相對於該接點的另一側係連接該輸入電壓訊號，該電容器相對於該接點的另一側係連接該第二電感，該第二電感更連接至該負載電阻，以在該第二電感與該負載電阻間的一輸出端產生該最小功率輸入。
  7. 如請求項6所述之最小功率輸入的控制方法，其中，該開關元件係為一金氧半場效電晶體，該金氧半場效電晶體之一汲極係連接該接點，該金氧半場效電晶體之一閘極係連接該電荷幫浦泵，該金氧半場效電晶體之一源極係連接一接地端。
  8. 如請求項1所述之最小功率輸入的控制方法，其中，在決定該最小值的步驟中，更包括： 逐次提供複數個發射功率予該至少一功率接收器單元接收；以及 確認足夠供該至少一功率接收器單元接收之該些發射功率中的一最小功率值，其係為該最小值。
  9. 如請求項3所述之最小功率輸入的控制方法，其中，該組調變電阻係包括相互並聯的一第一電阻及一第二電阻，該控制方法更包括：通過該第一電阻及該第二電阻的參數回饋設計該電荷幫浦泵，以響應產生該最小功率輸入。
  10. 如請求項9所述之最小功率輸入的控制方法，其中該閘極驅動電路係至少包括相互串接之一P型金氧半場效電晶體與一N型金氧半場效電晶體，該第一電阻及該第二電阻係分別連接於該P型金氧半場效電晶體與該N型金氧半場效電晶體之汲極與該電荷幫浦泵之間。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8278784B2 (en) * 2008-07-28 2012-10-02 Qualcomm Incorporated Wireless power transmission for electronic devices
US9225176B2 (en) * 2011-02-15 2015-12-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Apparatus and method for high efficiency variable power transmission
TW201631890A (zh) * 2013-02-25 2016-09-01 高通公司 用於改良之驅動器電路效能之阻抗變換網路
US9496732B2 (en) * 2011-01-18 2016-11-15 Mojo Mobility, Inc. Systems and methods for wireless power transfer
TW201742354A (zh) * 2017-09-14 2017-12-01 富達通科技股份有限公司 偵測受電模組之方法及供電模組
US9857821B2 (en) * 2013-08-14 2018-01-02 Witricity Corporation Wireless power transfer frequency adjustment

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000024456A1 (en) * 1998-10-27 2000-05-04 Phillips Richard P Transcutaneous energy transmission system with full wave class e rectifier
JP5114364B2 (ja) * 2008-11-04 2013-01-09 株式会社豊田自動織機 非接触電力伝送装置及びその設計方法
JP5670869B2 (ja) 2010-12-22 2015-02-18 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 無線電力伝送システム
US9065302B2 (en) * 2010-12-24 2015-06-23 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Wireless power feeding system
KR20120084659A (ko) * 2011-01-20 2012-07-30 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 급전 장치 및 비접촉 급전 시스템
GB201215152D0 (en) 2012-08-24 2012-10-10 Imp Innovations Ltd Maximising DC to load efficiency for inductive power transfer
US9608465B2 (en) * 2014-04-18 2017-03-28 Qualcomm Incorporated Devices, systems, and method for power control of dynamic electric vehicle charging systems
US10868447B2 (en) * 2015-06-01 2020-12-15 The University Of Hong Kong Fast method for identifying coil misalignment/mutualcoupling in wireless charging systems
KR102487756B1 (ko) * 2016-02-25 2023-01-12 주식회사 위츠 무선 전력 송신 장치 및 무선 전력 송신 방법
KR102590943B1 (ko) * 2016-09-01 2023-10-19 삼성전자주식회사 전력 전송 장치 및 전력 전송 방법
US20180083488A1 (en) * 2016-09-22 2018-03-22 Qualcomm Incorporated Methods and apparatus for wireless power and communication transfer
JP6754667B2 (ja) * 2016-10-20 2020-09-16 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置
US10291075B2 (en) * 2017-02-22 2019-05-14 Qualcomm Incorporated Over voltage protection detection
WO2018190578A1 (en) * 2017-04-12 2018-10-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Wireless power transmitter, wireless power receiving electronic device, and method for operating the same
EP3673560B1 (en) * 2017-10-09 2021-12-01 Voice Life Inc. Receiver device for facilitating wireless power reception
US11171521B2 (en) * 2018-04-03 2021-11-09 Voice Life Inc. Receiver device for facilitating wireless energy reception
JP2020065388A (ja) * 2018-10-18 2020-04-23 セイコーエプソン株式会社 制御装置、送電装置、無接点電力伝送システム、受電装置及び電子機器
US11527915B2 (en) * 2018-11-02 2022-12-13 Nichicon Corporation Wireless electrical transfer with zero voltage switching power supply apparatus
WO2020242606A1 (en) * 2019-05-29 2020-12-03 Microchip Technology Incorporated Converters for wireless power transfer and related systems, methods, and devices
US11979032B2 (en) * 2019-07-08 2024-05-07 Lg Electronics Inc. Wireless power transmission device
US11056922B1 (en) * 2020-01-03 2021-07-06 Nucurrent, Inc. Wireless power transfer system for simultaneous transfer to multiple devices

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8278784B2 (en) * 2008-07-28 2012-10-02 Qualcomm Incorporated Wireless power transmission for electronic devices
US9496732B2 (en) * 2011-01-18 2016-11-15 Mojo Mobility, Inc. Systems and methods for wireless power transfer
US9225176B2 (en) * 2011-02-15 2015-12-29 Samsung Electronics Co., Ltd. Apparatus and method for high efficiency variable power transmission
TW201631890A (zh) * 2013-02-25 2016-09-01 高通公司 用於改良之驅動器電路效能之阻抗變換網路
US9857821B2 (en) * 2013-08-14 2018-01-02 Witricity Corporation Wireless power transfer frequency adjustment
TW201742354A (zh) * 2017-09-14 2017-12-01 富達通科技股份有限公司 偵測受電模組之方法及供電模組

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