本發(fā)明總體而言涉及一種轉(zhuǎn)換器,具體地(雖然不是唯一地)涉及一種用于電感式功率接收器的轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

電氣轉(zhuǎn)換器存在于很多不同類型的電氣系統(tǒng)中。一般而言,轉(zhuǎn)換器將第一類型的供給轉(zhuǎn)換成第二類型的輸出。這種轉(zhuǎn)換可以包括dc-dc、ac-ac和dc-ac電氣轉(zhuǎn)換。在一些配置中，轉(zhuǎn)換器可以具有任意數(shù)量的dc和ac部分，例如，dc-dc轉(zhuǎn)換器可以包含變壓器形式的ac-ac轉(zhuǎn)換器。

使用轉(zhuǎn)換器的一個示例存在于電感式功率傳輸(ipt)系統(tǒng)中。ipt系統(tǒng)是已建立技術(shù)(例如，電動牙刷的無線充電)和正開發(fā)技術(shù)(例如，在充電墊上對手持設(shè)備無線充電)的熟知領(lǐng)域。

ipt系統(tǒng)通常包括電感式功率發(fā)射器和電感式功率接收器。電感式功率接收器包括發(fā)射線圈，該發(fā)射線圈由合適的發(fā)射電路來驅(qū)動以產(chǎn)生交變磁場。交變磁場將在電感式功率接收器的接收線圈中誘生電流。然后，接收的功率可以用來對電池充電或者給與電感式功率接收器相關(guān)聯(lián)的設(shè)備或其他某個負(fù)載供能。此外，發(fā)射線圈和/或接收線圈可以連接到諧振電容器以創(chuàng)建諧振電路。諧振電路可以在對應(yīng)諧振頻率下增加功率吞吐量和效率。

然而，現(xiàn)有的電感式功率接收器可能仍然遭受大的組件數(shù)量和/或大的組件覆蓋區(qū)(footprints)。因此，本發(fā)明可以提供改進的電感式功率接收器，或者可以給公眾提供有用的選擇。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)一個示例性實施例，提供了一種電感式功率接收器，包括：

功率拾取級；以及

功率整流及調(diào)節(jié)級，由單個電流控制元件組成，該單個電流控制元件被配置成在第一半周期內(nèi)對來自功率拾取級的電壓進行整流，以及在第二半周期內(nèi)對來自功率拾取級的電壓進行調(diào)節(jié)。

一般認(rèn)為在各種司法管轄下，術(shù)語“包括”和“包含”可以認(rèn)為是排它性或者包含性的意思。對于本說明書的目的，除非另外說明，否則這些術(shù)語意在具有包含性的意思，即，他們被用來表示包含使用直接引用的所列出組件，也可能包含其他未指定的組件或元件。

在此說明書中對任何文件的引用都不構(gòu)成承認(rèn)那些文件是現(xiàn)有技術(shù)或者形成公知常識的一部分。

附圖說明

被合并入說明書并構(gòu)成說明書的一部分的附圖圖示了本發(fā)明的實施例，并與上面給出的對本發(fā)明的一般性描述以及下面給出的對實施例的詳細(xì)描述一起用來解釋本發(fā)明的原理，在附圖中：

圖1是電感式功率傳輸系統(tǒng)的框圖。

圖2是示例性接收器的框圖。

圖3是示例性電感式功率接收器的簡化電路圖。

圖4是示例性電感式功率接收器的電路圖；以及

圖5是來自示例性電感式功率接收器的時序圖的示圖。

具體實施方式

在圖1中一般性地示出了電感式功率傳輸(ipt)系統(tǒng)1。ipt系統(tǒng)包括電感式功率發(fā)射器2和電感式功率接收器3。電感式功率發(fā)射器2連接到合適的電源4(諸如市電電源或電池)。電感式功率發(fā)射器2可以包括發(fā)射器電路，該發(fā)射器電路具有轉(zhuǎn)換器5(例如，ac-dc轉(zhuǎn)換器(取決于所使用的電源的類型))和逆變器6(例如連接到轉(zhuǎn)換器5(如果存在))中的一種或更多種。逆變器6給發(fā)射線圈7供應(yīng)ac信號，使得發(fā)射線圈7產(chǎn)生交變磁場。在一些配置中，發(fā)射線圈7可以與逆變器6分離。發(fā)射線圈7可以并聯(lián)地或串聯(lián)地連接到電容器(未示出)以創(chuàng)建諧振電路。

控制器8被提供用來控制電感式功率發(fā)射器2的操作，且可以直接地或間接地連接到發(fā)射器2的若干部件或全部部件?？刂破?從電感式功率發(fā)射器2的各種操作組件接收輸入，并產(chǎn)生控制該操作的輸出。控制器8可以被實施成單個單元或分立單元，所述單個單元或分立單元被配置用來根據(jù)其能力控制電感式功率發(fā)射器2的各個方面，包括例如：功率流、調(diào)諧、選擇性地給發(fā)射線圈7供能、電感式功率接收器檢測和/或通信。

電感式功率接收器3包括連接到功率調(diào)節(jié)電路10的功率拾取級9，功率調(diào)節(jié)電路10又將功率供應(yīng)給負(fù)載11。該負(fù)載可以為電子設(shè)備或機器的電氣操作部件，或者可以為一個或更多個功率儲存元件。功率拾取級9包括電感式功率接收線圈。當(dāng)電感式功率發(fā)射器2與電感式功率接收器3的線圈適當(dāng)?shù)伛詈蠒r，由發(fā)射線圈7產(chǎn)生的交變磁場在接收線圈中誘生交變電流。接收線圈可以并聯(lián)地、串聯(lián)地或以其他組合(諸如電感器-電容器-電感器)來連接到電容器和額外的電感器(未示出)以創(chuàng)建諧振電路。在一些電感式功率接收器中，接收器可以包括控制器12，該控制器12可以控制接收線圈的調(diào)諧、功率調(diào)節(jié)電路10的操作、負(fù)載11的特性和/或通信。

術(shù)語“線圈”可以包括在其中電流產(chǎn)生磁場的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。例如，電感“線圈”可以為三維形狀或二維平面形狀的導(dǎo)電線、使用印刷電路板(pcb)技術(shù)來制備成三維形狀的多元pcb“層”的導(dǎo)電材料以及其他類似線圈的形狀。根據(jù)應(yīng)用可以使用其他配置。術(shù)語“線圈”的以單數(shù)或復(fù)數(shù)形式的使用并非意味著在這個意義上是限制性的。

由發(fā)射線圈7在功率拾取級9中誘生的電流將通常為發(fā)射線圈7的操作頻率處的高頻ac，這可以為例如20khz，上至數(shù)百兆赫或更高。功率調(diào)節(jié)電路10被配置用來將誘生的電流轉(zhuǎn)換成適合于給負(fù)載11供電或充電的形式，且可以執(zhí)行例如功率整流、功率調(diào)節(jié)或者二者的組合。

圖2示出了根據(jù)一個示例性實施例的電感式功率接收器的框圖。示例性電感式功率接收器201具有示例性功率調(diào)節(jié)電路202，該功率調(diào)節(jié)電路202在功率拾取級203所產(chǎn)生的每個ac周期的時段的不同部分處執(zhí)行功率整流和功率調(diào)節(jié)的組合功能。如所示，功率調(diào)節(jié)電路202具有dc輸出電容器204和電流控制元件(圖示為開關(guān)器件(mosfet)205和相關(guān)聯(lián)的(體)二極管206)，該電流控制元件被操作使得功率拾取級203接收的信號通過使用電流控制元件而被整流/調(diào)節(jié)，并經(jīng)由dc輸出電容器204而被輸出給負(fù)載207。

在第一部分周期(其可以稱作“整流部分周期，且其持續(xù)時間可以大約為一半周期”)期間，由功率拾取級203產(chǎn)生的電壓大于vout，vout是出現(xiàn)在dc輸出電容器204兩端的電壓。這意味著出現(xiàn)在mosfet205和其體二極管206兩端的電壓vs為負(fù)。這樣，電流流經(jīng)mosfet205與體二極管206的并聯(lián)組合以及流向功率拾取級203。為了完成電路，電流也從功率拾取級203流向并聯(lián)連接的負(fù)載207和dc輸出電容器204。

在第二部分周期(其可以稱作“調(diào)節(jié)部分周期”，且其持續(xù)時間可以大約為一半周期)期間，由功率拾取級203產(chǎn)生的電壓小于存在于dc輸出電容器204上的電壓vout。因此，出現(xiàn)在mosfet205和其體二極管206兩端的電壓vs為正。如果通過控制器208、使用mosfet柵極209來將mosfet205配置成在此調(diào)節(jié)部分周期的至少一部分內(nèi)接通，則電流將流經(jīng)mosfet205。為了完成電路，電流然后也將從dc輸出電容器204流向功率拾取級203。通過在第二部分周期期間控制mosfet205，允許從dc輸出電容器204回流至功率拾取級203的功率的量可以被調(diào)節(jié)。

基于對先前段落中給出的整流部分周期和調(diào)節(jié)部分周期的描述，明顯的是從功率拾取級203到dc負(fù)載207的電流的凈流動可以被控制。因此，對于各種負(fù)載條件以及對于一系列由功率拾取級203中的拾取線圈(未示出)接收的電壓，dc輸出電壓都可以被調(diào)節(jié)。以此方式，半波整流以及輸出電壓調(diào)節(jié)可以通過示例性功率調(diào)節(jié)電路202來實現(xiàn)。以此方式來組合調(diào)節(jié)和整流減小了接收器中的組件數(shù)量(這允許更小的覆蓋區(qū))，降低了目標(biāo)器件的總成本、提升了效率和/或因組件上的功率損失的降低而降低了產(chǎn)熱。

通過使用不同的電流控制元件，圖2的示例性功率調(diào)節(jié)電路的各種替代形式是可能的。一般地，電流控制元件應(yīng)當(dāng)能夠選擇性地阻擋或不阻擋dc輸出電容器204與功率拾取級203之間的電流流動。

例如，圖2的示例性電感式功率接收器201的可以產(chǎn)生性能提升的一個簡單變型是給mosfet205的體二極管206并聯(lián)地補充單獨的外部二極管以降低二極管損失。

在圖2的示例性功率調(diào)節(jié)電路202中可以使用若干替代的開關(guān)型電流控制元件。在一些情況下，改變成不同的開關(guān)類型可能需要對所示的電路拓?fù)溥M行修改，例如，為了以簡單的方式來驅(qū)動該開關(guān)?？赡艿拈_關(guān)器件類型包括但不限于：場效應(yīng)晶體管(fet)、雙極結(jié)型晶體管(bjt)和絕緣柵雙極晶體管(igbt)。根據(jù)開關(guān)驅(qū)動要求和在電路內(nèi)的位置，可以使用p型或n型器件，或者二者的組合。

與示例性功率調(diào)節(jié)電路202及其變形一起使用的圖2中的功率拾取級203的電路拓?fù)浔贿x擇用來為穿過其端子的dc提供低阻抗路徑。因為在示例性功率調(diào)節(jié)電路202中使用了半波整流器，所以任何穿過負(fù)載207和dc輸出電容器204的dc電流也必須穿過功率拾取級203。由于dc輸出電容器204在dc頻率處呈現(xiàn)出開路，因此在穩(wěn)態(tài)下，經(jīng)過負(fù)載207的dc電流必須與經(jīng)過功率拾取級203的dc電流相同，且對于大多數(shù)有用的情形而言此值不能為零，因為這將導(dǎo)致負(fù)載207處的零dc輸出電流。

圖3示出了示例性電感式功率接收器301的簡化電路圖。示例性電感式功率接收器301具有并聯(lián)連接的l-c功率拾取級302，該l-c功率拾取級302具有并聯(lián)連接到調(diào)諧電容器304的拾取線圈303。調(diào)諧電容器304的電容值使得其被調(diào)諧成在耦合發(fā)射器的操作頻率處或附近與拾取線圈303諧振?？蛇x地，調(diào)諧電容器304可以被選擇成使得其大于或小于諧振調(diào)諧值，以便增加功率拾取級的功率聚集能力，以使得并聯(lián)連接的l-c功率拾取級302對組件值或操作頻率變化更穩(wěn)健(robust)，或者使得解調(diào)諧更容易、減小系統(tǒng)尺寸和成本等。除圖3中所示的并聯(lián)連接的l-c功率拾取級302之外，這種基本原理還可以應(yīng)用到調(diào)諧其他類型的功率拾取級時所使用的組件值。

示例性電感式功率接收器301還具有示例性功率調(diào)節(jié)電路305，該示例性功率調(diào)節(jié)電路305具有被圖示為開關(guān)306和相關(guān)聯(lián)的二極管307的電流控制元件，該示例性功率調(diào)節(jié)電路305以與前面描述的示例性功率調(diào)節(jié)電路類似的方式發(fā)揮作用。通常在具有并聯(lián)調(diào)諧功率拾取級的電感式功率傳輸系統(tǒng)中，除拾取電感器之外，還將使用第二電感器以維持從并聯(lián)調(diào)諧儲能回路(tank)流出的更恒定的電流，或者在某種程度上避免使得并聯(lián)調(diào)諧儲能回路面臨非線性負(fù)載。這種額外的電感器通常是期望的，因為在沒有他的情況下，諸如橋式整流器的非線性負(fù)載元件可能禁止并聯(lián)調(diào)諧功率拾取級的諧振。通過降低這種非線性，額外的電感能夠幫助增加lc儲能回路的諧振的品質(zhì)因子，因而能夠幫助增加系統(tǒng)的功率輸出和效率。

然而，在圖3中所示的電路的情況下，較大值的dc電感器與并聯(lián)連接的l-c功率拾取級302串聯(lián)是不一定有用的，因為在一些情況下，在操作時段的較大部分或全部內(nèi)，強迫dc電流流經(jīng)示例性功率調(diào)節(jié)電路305從而流經(jīng)開關(guān)306將使得調(diào)節(jié)部分周期更短或者不存在，從而降低電路調(diào)節(jié)輸出電壓的能力。此外，該額外的dc電感器將常常是ipt接收器系統(tǒng)的大且貴的部分。出于這些原因，對于特定類型的功率調(diào)節(jié)電路(諸如圖3的示例性功率調(diào)節(jié)電路305)，避免使用dc電感器可能特別有利。

再次參見圖2，在示例性功率調(diào)節(jié)電路202中，一系列的控制方法是可用于mosfet205的。所使用的開關(guān)控制方法可以取決于各種因素，包括負(fù)載條件、功率拾取級的磁耦合強度、開關(guān)類型和布局以及所使用的功率拾取級的類型。對于任何一種配置，可能存在多于一種可能的開關(guān)控制方法，且在操作期間所選的方法可以改變。

將使用圖3的示例性電感式功率接收器301來圖示第一開關(guān)控制方法。圖3的開關(guān)306以關(guān)斷狀態(tài)開始整流部分周期。此時，vs為負(fù)且電流流經(jīng)二極管307。在整流部分周期的某個點處，開關(guān)306被控制器接通。因為vs仍然為負(fù)，所以電流將繼續(xù)流經(jīng)二極管307和/或流經(jīng)開關(guān)自身，這取決于開關(guān)306和二極管307的相對導(dǎo)通電阻。在此時間期間，并聯(lián)連接的l-c功率拾取級302(包括拾取線圈303和并聯(lián)調(diào)諧電容器304)兩端的電壓將減小，最終達到vs變?yōu)檎狞c。極性的這種改變表示整流部分周期的結(jié)束和調(diào)節(jié)部分周期的開始，且是圖5中的時段t1的開始。因為開關(guān)306從整流部分周期起已經(jīng)接通，所以電流能夠從dc輸出電容器308回流至并聯(lián)連接的l-c功率拾取級302，釋放dc輸出電容器308中所儲存的電荷的一部分以返回至并聯(lián)連接的l-c功率拾取級302。在等待圖5中的一段時間t1(其應(yīng)當(dāng)小于或等于調(diào)節(jié)部分周期的長度)之后，在時段t1的結(jié)束處，開關(guān)306被控制器關(guān)斷。在此點處，圖5的時段t2開始。并聯(lián)連接的l-c功率拾取級302兩端的電壓將繼續(xù)上升，而開關(guān)306兩端的電壓vs將上升然后再次下降而變成負(fù)的，標(biāo)志調(diào)節(jié)部分周期和t2的結(jié)束以及新的整流部分周期和t3的開始。然后，電流將開始流經(jīng)二極管307。

在整流部分周期期間的任何點處，開關(guān)可以被再次接通，從而允許電流流經(jīng)開關(guān)而非僅流過二極管307，且將系統(tǒng)復(fù)位至其初始描述的狀態(tài)，為下一調(diào)節(jié)周期的開始做好準(zhǔn)備。通過使等待時段t1更短，輸出電壓vout將增加，因為允許更少的電流從dc輸出電容器308回流至并聯(lián)連接的l-c功率拾取級302。相反地，通過使t1更長，輸出電壓vout將減小?？梢詰?yīng)用比例積分(pi)或類似的控制器來保證達到期望的輸出電壓設(shè)置點。這種開關(guān)控制方法具有零電壓接通和準(zhǔn)零電壓關(guān)斷的優(yōu)點，這有助于使開關(guān)損失最小。

將使用圖2的示例性電感式功率接收器201來圖示第二開關(guān)控制方法。開關(guān)206以關(guān)斷狀態(tài)開始整流部分周期。然而，與先前方法不同的是，在此方法中，在調(diào)節(jié)時段開始之前，控制器208將開關(guān)205的狀態(tài)設(shè)置為關(guān)斷或接通，并在調(diào)節(jié)時段內(nèi)始終維持此狀態(tài)。然后控制器208決定在接下來的調(diào)節(jié)時段內(nèi)開關(guān)205的狀態(tài)，并根據(jù)需要改變開關(guān)205的狀態(tài)。可以使用滯后控制器、pi控制器或其他控制器類型來決定每個周期的開關(guān)205的狀態(tài)，以便達到期望的輸出電壓vout。相比于第一種方法，這種開關(guān)方法具有這樣的優(yōu)點：其不需要這么快或精確的相位參考，不需要這么快或者精確的開關(guān)，可以降低開關(guān)頻率和伴隨損失(attendantloss)，以及有助于降低高頻發(fā)射。然而，其他條件相同的情況下，輸出電壓紋波(ripple)可能更大。

在第三開關(guān)控制方法中，圖2的mosfet205連續(xù)地接通和關(guān)斷，而不與來自功率拾取級203的ac電流維持固定的相位關(guān)系。mosfet205可以在調(diào)節(jié)時段期間多次改變狀態(tài)(優(yōu)選地以特定的占空比和固定的頻率)，開關(guān)頻率一般不同于無線功率發(fā)射線圈7的操作頻率。通過改變mosfet205的占空比，可以實現(xiàn)對輸出電壓vout的控制，且不需要相位參考信號?？赡苄枰cmosfet205串聯(lián)小量的dc電感以及與mosfet205并聯(lián)制動裝置(snubbingmeans)以限制mosfet205所面臨的峰值電流和峰值電壓。使用這種開關(guān)控制方法可能丟失軟開關(guān)優(yōu)點。

在第四開關(guān)控制方法中，圖2的控制器208以mosfet205處于關(guān)斷狀態(tài)來開始調(diào)節(jié)周期，以及在調(diào)節(jié)部分周期期間轉(zhuǎn)變到接通狀態(tài)。mosfet205停留在接通狀態(tài)直到調(diào)節(jié)周期(在其期間mosfet205可能再次被關(guān)斷)。當(dāng)功率拾取級203對mosfet205表現(xiàn)為電感負(fù)載時(諸如當(dāng)使用了未調(diào)諧功率拾取線圈或l-c-l調(diào)諧拾取線圈時)這種方法尤其有用。這種開關(guān)方法允許mosfet205避免中斷與mosfet205串聯(lián)流動的電感器電流，因而這種方式避免使mosfet205面臨由中斷此電感器電流所引起的額外開關(guān)損失和電壓尖峰(spike)。

可以應(yīng)用于所描述的任意一種開關(guān)控制方法的進一步變形包含在整流部分周期期間的同步整流。通過感測整流部分周期何時開始，mosfet205可以被接通，使得電流能夠流經(jīng)mosfet205本身而不是流經(jīng)體二極管206，從而允許mosfet205兩端的較低壓降和較低的損失。當(dāng)控制器208基于等待流逝的時段、相位感測信號或通過其他手段而確定整流部分周期接近結(jié)束時，mosfet205然后可以被設(shè)置為將要到來的調(diào)節(jié)時段的開始所需的狀態(tài)。這樣，可以使mosfet205和體二極管206上的總功率損失最小。

在使用了不同的功率拾取級或功率調(diào)節(jié)電路的情況下，對本文中描述的開關(guān)方法的改編可能是有益或者需要的。本領(lǐng)域技術(shù)人員明白可以如何使給定的開關(guān)方法適合于與這些不同的硬件變體一起工作。

在一些開關(guān)控制實施例中，有必要測試系統(tǒng)的一些方面的相位以確定何時驅(qū)動開關(guān)接通或關(guān)斷。例如，在第一開關(guān)控制方法的情況下，可以使用電壓相位信息來確定或估計整流部分周期和調(diào)節(jié)部分周期何時開始和結(jié)束。這參照圖4被示出。圖4示出了示例性電感式功率接收器401的電路圖，該電感式功率接收器401具有并聯(lián)連接的l-c功率拾取級402、mosfet403、柵極驅(qū)動電阻器404、dc輸出電容器405、負(fù)載406、相位感測電路407、斜坡發(fā)生器408、pid控制器409和柵極驅(qū)動邏輯410。

在圖4中，相位感測電路407比較并聯(lián)連接的l-c功率拾取級402的端子兩端存在的電壓。當(dāng)此電壓從負(fù)變成正時，斜坡發(fā)生器408被觸發(fā)，且其輸出端上的電壓開始上升。柵極驅(qū)動邏輯410將此上升電壓與pid控制器409所產(chǎn)生的控制努力值(controleffortvalue)相比較。當(dāng)從斜坡發(fā)生器408輸出的電壓上升至等于pid控制器409所產(chǎn)生的控制努力值時，柵極驅(qū)動邏輯410的輸出改變狀態(tài)，且mosfet403經(jīng)由柵極驅(qū)動電阻器404而被關(guān)斷。

雖然這里已經(jīng)描述了一種電壓比較相位感測技術(shù)，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將明顯的是，在無線或電感式功率傳輸領(lǐng)域內(nèi)已知有各種不同的相位感測技術(shù)。這些技術(shù)中的很多可以應(yīng)用于此電路以及應(yīng)用于此申請內(nèi)描述的相關(guān)電路，包括但不限于：零電壓交叉、零電流交叉、電流感測變壓器或電阻器的使用、非耦合相位感測拾取的使用以及無線電通信信道的使用。此外，雖然在此示例中采用了純硬件控制方案，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將明顯的是，也可以使用其他控制器：諸如微控制器、fpga、cpld、asic或其他類型的控制器。此外，可以將整個無線接收器電路的重要部件集成到單個集成電路上，包括相位及電壓感測電路、控制電路、柵極驅(qū)動電路和功率開關(guān)。

雖然已經(jīng)通過描述本發(fā)明的實施例來說明了本發(fā)明，雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了實施例，但是本申請并非意圖將所附權(quán)利要求書的范圍限制于或以任何方式限制于這些細(xì)節(jié)。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言額外的優(yōu)點和修改將容易呈現(xiàn)。因此，本發(fā)明在其更寬泛的方面不局限于這些具體細(xì)節(jié)、說明性的裝置和方法以及所示和所描述的說明性示例。相應(yīng)地，在不背離本申請的一般發(fā)明構(gòu)思的精神或范圍的情況下，可以背離這些細(xì)節(jié)。