相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2014年10月20日提交的美國臨時(shí)專利申請62/065,889號的優(yōu)先權(quán)。該申請的內(nèi)容通過引用并入本文中。

本發(fā)明涉及借助于諧振感應(yīng)的電能傳輸。更特別地，本發(fā)明涉及在不采用特定功率因數(shù)校正電路的情況下在線連接點(diǎn)處提供接近一的功率因數(shù)的低諧波失真負(fù)載的無線傳輸方法。作為替代，本文中描述的設(shè)備提供低諧波失真、接近一的功率因數(shù)，而無需特定功率因數(shù)校正級，從而降低了部件成本、設(shè)備尺寸和電力轉(zhuǎn)換損耗。

背景技術(shù)：

感應(yīng)式電力傳輸具有跨許多行業(yè)和市場的許多重要應(yīng)用。雖然文中包含的公開內(nèi)容考慮將本發(fā)明用于需要相對較高功率(超過100瓦)的應(yīng)用，但是電力應(yīng)用的潛在名單不受限制，并且本發(fā)明可以應(yīng)用于廣泛的電力需求。

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)諧振感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)10的概念表示。如所示出的，在ac線12上提供交流源線頻率電能，并且利用線頻率整流器14和并聯(lián)電容器紋波濾波器16將所述交流源線頻率電能轉(zhuǎn)換成直流電。dc-ac轉(zhuǎn)換器18將直流能量轉(zhuǎn)換成高頻交流電，高頻交流電借助于諧振網(wǎng)絡(luò)20被施加至初級側(cè)感應(yīng)線圈22。典型的工作頻率在15-50khz的范圍內(nèi)。

初級側(cè)感應(yīng)線圈22與次級側(cè)感應(yīng)線圈24之間的磁耦合將初級側(cè)能量傳輸至次級側(cè)，在次級側(cè)，能量被高頻整流器26整流、被紋波濾波器28進(jìn)行紋波濾波并被用于對遠(yuǎn)端定位的電池30充電。諧振網(wǎng)絡(luò)32使次級側(cè)感應(yīng)線圈24諧振，從而實(shí)現(xiàn)最大電流流動和最大能量傳輸。

呈現(xiàn)給圖1的電路中的ac線連接的負(fù)載的性質(zhì)由線整流器-并聯(lián)紋波濾波電容器組合來確定。在操作中，除非瞬時(shí)整流線電壓超過并聯(lián)電容器電壓，否則線整流器電流為零。這意味著整流器電流不是正弦的，而作為替代是正好在線電壓正弦曲線達(dá)到其最大值之前發(fā)生的窄脈沖。因?yàn)檎髌麟娏魇钦}沖而不是正弦曲線，因此整流器電流包含相當(dāng)多的諧波含量。關(guān)聯(lián)的線頻率諧波電流對電力配電部件有害并且也對連接至配電系統(tǒng)的其他負(fù)載有害，因此由于實(shí)用性或政府監(jiān)管而被限制在低幅度。

另一難點(diǎn)在于線頻率整流器電流峰值發(fā)生在線頻率電壓最大之前的事實(shí)。這意味著線頻率整流器電流脈沖的基本諧波分量超前于線頻率電壓正弦曲線，從而產(chǎn)生也受到監(jiān)管限制的不期望的超前電流因數(shù)。增加并聯(lián)線頻率紋波濾波電容器16的電容降低了直流線頻率紋波的幅度，但是也不利地增加了整流器電流脈沖的幅度并且減小了整流器電流脈沖的寬度，從而增加了不期望的線頻率諧波失真和不能接受的線功率因數(shù)。

問題則在于如何在將線頻率交流電轉(zhuǎn)換成直流電的同時(shí)從線電壓源汲取同相正弦電流。圖2示出了該問題的常規(guī)解決方案，即添加功率因數(shù)校正級34。注意，該使用中的功率因數(shù)校正意味著整流器產(chǎn)生的線頻率諧波失真的消除以及線頻率電壓和電流正弦曲線的對準(zhǔn)。

圖2所示的功率因數(shù)校正級34包括dc至dc升壓轉(zhuǎn)換器，但是也可以采用降壓轉(zhuǎn)換器和升壓-降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹Ｔ趫D2中被描述為并聯(lián)場效應(yīng)晶體管36的并聯(lián)開關(guān)器件借助于脈沖持續(xù)時(shí)間來控制電感器電流，并因此控制ac線電流。當(dāng)并聯(lián)晶體管36導(dǎo)通時(shí)，電感器電流以與瞬時(shí)整流線電壓成比例的速率斜升。當(dāng)并聯(lián)晶體管36關(guān)斷時(shí)，存儲在電感器38中的能量通過串聯(lián)二極管40被轉(zhuǎn)儲在并聯(lián)濾波電容器16中?？刂齐娐?2監(jiān)測整流的線電流并且不斷地調(diào)節(jié)晶體管導(dǎo)通間隔，使得整流的線電流保持與線電壓成比例。以這種方式，使得線頻率整流器電流為半周期正弦并且與線電壓幅值成比例、促使諧波失真為零、促使功率因數(shù)為一以及保持dc-ac轉(zhuǎn)換器供應(yīng)電壓基本恒定。

然而，圖2描述的功率因數(shù)校正的常規(guī)方法存在至少兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)。即添加的電力轉(zhuǎn)換級增加了設(shè)備的成本和體積，并且還引入了不期望的能量轉(zhuǎn)換損耗。期望在不采用這樣的特定功率因數(shù)校正電路的情況下在諧振感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)中的線連接點(diǎn)處提供接近一的功率因數(shù)的低諧波失真負(fù)載。本發(fā)明解決了本領(lǐng)域的該需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明通過改變諧振感應(yīng)無線電力設(shè)備的操作參數(shù)來解決現(xiàn)有技術(shù)的上述限制，使得所述設(shè)備內(nèi)在地提供低諧波失真的具有接近一的功率因數(shù)的線負(fù)載，而不需要另外的能量轉(zhuǎn)換功率因數(shù)校正。去除了常規(guī)電路的后整流器、線頻率紋波濾波器和并聯(lián)電容器，并且dc至ac轉(zhuǎn)換器不是由平滑的恒定值dc電壓供電，而是由根據(jù)對線正弦曲線的全波整流得到的半正弦電壓來供電。

在示例性實(shí)施方式中，由dc-ac轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的高頻矩形波的包絡(luò)不再是恒定的，而是以半正弦方式連續(xù)變化。常規(guī)傳輸線圈對與具有被特定選擇的值的諧振電容器組合，使得諧振傳輸線圈對變成具有90度傳輸相移的諧振阻抗變換器，所述90度傳輸相移促使系統(tǒng)負(fù)載電流量值以及因而的ac線電流與ac線電壓成比例并且同相，從而確保接近一的ac負(fù)載功率因數(shù)和低ac線諧波電流含量。

在無線電力傳輸線圈對的次級側(cè)，整流器對傳輸頻率正弦曲線進(jìn)行整流。后整流濾波器去除變換器頻率紋波并且將線頻率半正弦電流提供至恒定dc電壓負(fù)載。在三相ac線源實(shí)施方式中，提供至負(fù)載的電流是彼此偏移120度的三個(gè)整流的正弦曲線之和，并且因此具有降低的線頻率紋波。

在示例性實(shí)施方式中，本發(fā)明提供一種保持接近一的ac線功率因數(shù)和低ac線諧波電流含量的設(shè)備。在傳輸側(cè)，系統(tǒng)包括：線頻率整流器，其后不跟有線頻率紋波濾波器；dc至ac轉(zhuǎn)換器，其將整流的ac線頻率轉(zhuǎn)換為幅值以半正弦方式連續(xù)變化的經(jīng)包絡(luò)調(diào)制的高頻矩形波形；傳輸線圈對，其與具有被特定選擇的值的諧振電容器組合，使得諧振傳輸線圈對變成具有90度傳輸相移的諧振阻抗變換器；以及初級側(cè)感應(yīng)線圈。在接收側(cè)，系統(tǒng)包括傳輸頻率整流器和關(guān)聯(lián)的傳輸頻率紋波濾波器，以向接收側(cè)負(fù)載提供半正弦非交變dc電流。

在另一示例性實(shí)施方式中，本發(fā)明用在電力從dc電源流向ac負(fù)載的應(yīng)用中。在這樣的實(shí)施方式中，內(nèi)在功率因數(shù)校正設(shè)備包括：dc電源；并聯(lián)紋波濾波電容器，其提供對dc電源的輸出的線頻率紋波濾波；dc至ac轉(zhuǎn)換器，其將來自并聯(lián)紋波濾波電容器的輸出的經(jīng)線頻率紋波濾波的dc電壓轉(zhuǎn)換成輸出方波電壓；阻抗變換器，其將輸出方波電壓轉(zhuǎn)換成處于dc至ac轉(zhuǎn)換器的頻率的正弦波，該正弦波被線頻率正弦曲線進(jìn)行包絡(luò)調(diào)制以形成雙極性正弦包絡(luò)；次級側(cè)整流器，其將雙極性正弦包絡(luò)轉(zhuǎn)換成單極性半正弦包絡(luò)；去整流網(wǎng)絡(luò)，其將單極性半正弦包絡(luò)的每隔一個(gè)周期的極性反轉(zhuǎn)以產(chǎn)生正弦波形；以及ac負(fù)載，其接收正弦波形。如在ac源和dc負(fù)載的情況下一樣，阻抗變換器在輕負(fù)載條件下提升次級側(cè)電壓以促使來自dc電源的線頻率源電流與ac負(fù)載處的電流成比例，以保持接近一的線負(fù)載功率因數(shù)和低諧波電流失真。在示例性實(shí)施方式中，這通過將terman阻抗變換網(wǎng)絡(luò)用作為阻抗網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，以提供隨terman阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的次級側(cè)處的瞬時(shí)負(fù)載電壓而變化的電壓變換。還可以提供紋波濾波器網(wǎng)絡(luò)以在單極性半正弦包絡(luò)被施加至去整流網(wǎng)絡(luò)之前從單極性半正弦包絡(luò)中去除高頻紋波。去整流網(wǎng)絡(luò)本身可以包括處于半波或全波橋配置的功率半導(dǎo)體開關(guān)。

在又一實(shí)施方式中，使用三個(gè)獨(dú)立的dc至ac轉(zhuǎn)換器串來接納三相ac電網(wǎng)負(fù)載，其中，每個(gè)串驅(qū)動一起構(gòu)成ac三相恒壓負(fù)載的三個(gè)ac恒壓負(fù)載之一。每個(gè)串中可以使用隔離變壓器以提供dc電源與ac負(fù)載之間的電隔離。另外，dc電源可以包括三個(gè)等電壓的獨(dú)立dc電源，或者三個(gè)dc源節(jié)點(diǎn)可以被連在一起并且由單個(gè)dc電源饋電。

附圖說明

根據(jù)以下結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述有益特征和優(yōu)點(diǎn)以及其他有益特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，在附圖中：

圖1是不具有功率因數(shù)校正的現(xiàn)有技術(shù)諧振感應(yīng)無線電力傳輸系統(tǒng)的概念表示。

圖2是添加有功率因數(shù)校正電路的現(xiàn)有技術(shù)諧振感應(yīng)無線電力傳輸系統(tǒng)的概念表示。

圖3是本發(fā)明的實(shí)施方式的概念表示。

圖4是termant形配置阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的表示。

圖5示出了將耦合的電感器t形無線電力線圈對等效電路轉(zhuǎn)換成諧振阻抗變換器的轉(zhuǎn)換。

圖6是用于圖3的實(shí)施方式的計(jì)算機(jī)電路分析的電路的示意圖。

圖7是示出在諧振和偏離諧振下通過對負(fù)載電流與變換器源電壓的計(jì)算機(jī)建模而生成的spice仿真的線性結(jié)果的圖。

圖8是使用三個(gè)隔離的轉(zhuǎn)換器和轉(zhuǎn)換器輸出電壓求和將本發(fā)明應(yīng)用于三相線頻率源的概念表示。

圖9示出了可替選實(shí)施方式，其中由被實(shí)現(xiàn)為共享公共磁芯的三個(gè)獨(dú)立且共位的感應(yīng)線圈來替代圖8的求和變壓器。

圖10示出了dc至ac轉(zhuǎn)換器的概念框圖和關(guān)聯(lián)的電壓波形，該dc至ac轉(zhuǎn)換器用于其中電力以相反方向即從dc源流向ac負(fù)載并且設(shè)備提供接近一的功率因數(shù)的ac源的應(yīng)用。

圖11示出了用于使用如圖9中的三個(gè)獨(dú)立的dc至ac轉(zhuǎn)換器串來接納三相ac電網(wǎng)負(fù)載的實(shí)施方式，其中，每個(gè)串驅(qū)動一起構(gòu)成ac三相恒壓負(fù)載的三個(gè)ac恒壓負(fù)載之一。

具體實(shí)施方式

通過參考結(jié)合形成本公開內(nèi)容的一部分的附圖和示例的以下詳細(xì)描述可以更容易地理解本發(fā)明。要理解，本發(fā)明不限于本文中描述的和/或示出的特定產(chǎn)品、方法、條件或參數(shù)，本文中使用的術(shù)語僅用于通過示例的方式描述特定實(shí)施方式的目的，而不意在限制任何所要求保護(hù)的發(fā)明。類似地，關(guān)于可能的機(jī)制或作用模式或改進(jìn)理由的任何描述僅意味著是說明性的，并且本文的發(fā)明不受任何這樣的建議機(jī)制或作用模式或改進(jìn)理由的正確性或不正確性的限制。

現(xiàn)在將參考圖3至圖11來描述本發(fā)明的說明性實(shí)施方式的詳細(xì)描述。雖然本說明書提供了本發(fā)明的可能實(shí)現(xiàn)方式的詳細(xì)示例，但是應(yīng)當(dāng)注意，這些細(xì)節(jié)意在是示例性的并且不以任何方式界定本發(fā)明的范圍。

如現(xiàn)在將要說明的，在諧振感應(yīng)無線電池充電設(shè)備的背景下說明本文中描述的和在圖3中示出的系統(tǒng)，但是對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言明顯的是本發(fā)明還具有許多其他應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，圖3的實(shí)施方式在多個(gè)方面背離常規(guī)的諧振感應(yīng)無線電池充電實(shí)踐。例如，電池充電電流不是恒定的；電池充電電流以半正弦或整流的正弦方式變化。以這種方式，電池充電電流與單相ac線電壓正弦曲線源成比例并且同相。次級側(cè)整流器負(fù)載阻抗被理解為非線性、表現(xiàn)為具有小的戴維南電阻的恒定電壓負(fù)載。除非施加的交流電壓超過電池端子電壓，否則沒有電流流過次級側(cè)整流器。初級側(cè)、次級側(cè)感應(yīng)線圈對22、24和關(guān)聯(lián)的諧振電容器20、44可以被配置成在輕負(fù)載條件下用作電壓升壓網(wǎng)絡(luò)。這樣的諧振lc網(wǎng)絡(luò)在輕負(fù)載條件下本質(zhì)上是高q，并且在諧振頻率下大電壓升壓比是可能的。

在沒有整流器電流流動的時(shí)段期間，次級側(cè)諧振電路中的電阻損耗為零，瞬時(shí)加載的q非常高，并且發(fā)生顯著的電壓變換。在這樣的瞬時(shí)空載條件下，施加至次級側(cè)整流器26的諧振電路輸出電壓增加，直到其超過電池端子電壓并且電池電流開始流動。在適當(dāng)設(shè)計(jì)的情況下，可以使次級側(cè)電池充電電流在整個(gè)線頻率半周期的持續(xù)時(shí)間內(nèi)流動，并且與ac線電壓的絕對值成比例，從而在不使用特定功率因數(shù)校正級的情況下向ac線頻率源提供低失真的功率因數(shù)為一的負(fù)載。

本文中描述的本發(fā)明使用阻抗變換器(impedanceinverter)，所述阻抗變換器提供根據(jù)需要隨瞬時(shí)電池端子阻抗而不斷地變化以在每個(gè)線半周期內(nèi)保持線電流與線電壓之間的比例性的電壓變換。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，阻抗變換器是雙向雙端口網(wǎng)絡(luò)，其中施加至一個(gè)端口的低阻抗在另一端口處產(chǎn)生高阻抗。

λ/4傳輸線變壓器是阻抗變換器實(shí)現(xiàn)方式的示例。阻抗變換器實(shí)現(xiàn)形式不限于傳輸線實(shí)現(xiàn)方式。例如，存在包括梯形電路網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)集總電路配置。本發(fā)明使用由terman(radioengineershandbook(無線電工程師手冊)，第一版，mcgrawhill，1943)描述的在圖4示出的三元件t形阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。發(fā)現(xiàn)terman阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)電抗如下：

其中，r1是雙端口源阻抗，r2是雙端口負(fù)載阻抗，并且β是以弧度為單位的通過網(wǎng)絡(luò)的相移。t形阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)在被設(shè)計(jì)為具有90度|β|＝π/2的傳輸相移時(shí)用作為阻抗變換網(wǎng)絡(luò)。對于|β|＝π/2，電抗設(shè)計(jì)等式被簡化為：

在示例性實(shí)施方式中，r1和r2的值不是恒定的，而是在每個(gè)整流的半周期期間不斷地變化。幾何乘積是恒定的，并且三個(gè)網(wǎng)絡(luò)電抗具有相等的量值。該觀察結(jié)果用于諧振感應(yīng)線圈匹配網(wǎng)絡(luò)的后續(xù)設(shè)計(jì)。

圖5示出了可以如何將諧振感應(yīng)無線電力線圈對變換成諧振terman阻抗變換器。圖5a示出了在19khz下具有.385的耦合系數(shù)的無線電力傳輸線圈對的無線電力線圈對等效電路。初級側(cè)繞組和次級側(cè)繞組的電感為130μh、互感為50μh，在19khz下電抗分別為+j17.9和+j5.97。

在圖5b中，諧振電容器46、48被添加至圖5a的等效電路的網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)臂中。選擇電抗以完全抵消串聯(lián)電感器z1、z2在19khz處的電抗，并且添加具有與并聯(lián)互感元件z3也在19khz下的電抗相同量值的另外的串聯(lián)容抗。圖5c中得到的網(wǎng)絡(luò)是包含無線電力傳輸耦合電感器對的阻抗變換雙端口等效電路。

圖5c的阻抗變換網(wǎng)絡(luò)如下所述地降低或消除感應(yīng)無線電力傳輸線電流諧波失真。正好在線電壓過零之后，整流的線電壓的量值和變換器電壓輸出的量值比較小。提供至車輛電池30的整流電流為零或非常小。terman阻抗變換器的次級側(cè)的阻抗非常高；因此，阻抗變換器的初級側(cè)的阻抗非常低。阻抗變換器看到低阻抗負(fù)載并且提供大的初級側(cè)電流。次級側(cè)電壓增加直到其超過電池電壓。電池充電電流開始流動，變換器所看到的阻抗增加，系統(tǒng)穩(wěn)定于適中的線電流、適中的變換器電流、適中的電池充電電流。

在線電壓周期的峰值附近，整流的線電壓的量值和阻抗變換器電壓輸出的量值較大。提供至車輛電池的整流電流也較大。terman阻抗變換器的次級側(cè)的阻抗較低；因此，阻抗變換器的初級側(cè)的阻抗相對較高。阻抗變換器的補(bǔ)償作用使得線電流和電池充電電流與線電壓的量值成比例，這恰好是功率因數(shù)為一和零諧波失真所需的條件?？梢允褂贸Ｒ?guī)的線濾波器網(wǎng)絡(luò)來抑制轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率瞬變。

圖6示出了表示圖3所示類型的諧振感應(yīng)無線電力設(shè)備的電子電路的示意圖，對于所述電子電路，傳輸線圈對22、24已經(jīng)被轉(zhuǎn)換成遵循圖5概述的方法的諧振阻抗變換器，以進(jìn)行時(shí)域計(jì)算機(jī)電路分析。由它們的等效t形電路表示的相互耦合的無線電力感應(yīng)線圈被轉(zhuǎn)換成遵循針對圖5描述的方法的諧振阻抗變換網(wǎng)絡(luò)50，其中所述等效t形電路具有電感為130μh并且互感為50μh的初級側(cè)繞組和次級側(cè)繞組。ac電壓源52表示初級側(cè)轉(zhuǎn)換器18的輸出電壓。示出了次級側(cè)高頻整流器26和關(guān)聯(lián)的高頻紋波電流濾波器28。次級側(cè)電池充電負(fù)載30由具有表示電池內(nèi)阻的小的戴維南電阻的直流電壓源表示。

變換器輸出電壓幅值與整流的但未濾波的線頻率電壓成比例地變化。為了確定作為變換器電壓的函數(shù)的負(fù)載電流，進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。針對范圍從零伏到整流的線電壓的峰值的變換器輸出電壓的多個(gè)值進(jìn)行時(shí)域電路模擬。圖7繪制了作為變換器的整流正弦供應(yīng)電壓的函數(shù)的相應(yīng)的負(fù)載電流。

如圖7所示，在ac電壓源頻率被設(shè)置為19khz的情況下，網(wǎng)絡(luò)諧振頻率、電池充電電流是線性的并且與變換器源電壓成比例。重要的是要注意，即使對于線源電壓遠(yuǎn)小于電池開路端子電壓也保持電池充電電流線性度，這是輕負(fù)載時(shí)諧振電路的電壓變換特性的結(jié)果。圖7的線性曲線示出了次級側(cè)負(fù)載電流以及因而的變換器供應(yīng)電流和線電流與線電壓成比例的期望條件，該條件確保低水平的線頻率諧波失真和為一的線頻率功率因數(shù)。如圖7所指示的，當(dāng)在高于和低于阻抗變換器諧振頻率在17khz、18khz和20khz操作時(shí)，線電壓/線電流關(guān)系在低線電壓下不再成比例，從而引起線電流諧波失真和線功率因數(shù)降低。當(dāng)在阻抗變換器諧振頻率下操作時(shí)，電流以半正弦或整流的正弦方式變化。

常規(guī)地，有時(shí)對于作為整體的電池但還對于各個(gè)電池單元，電池充電由監(jiān)測和控制電池充電電流和最大電池電壓以及其他相關(guān)參數(shù)如溫度的電池管理系統(tǒng)來調(diào)節(jié)。在當(dāng)前實(shí)踐中，電池/電池單元管理系統(tǒng)需要使用dc充電電流，并且在存在半正弦充電電流的情況下將可能會發(fā)生故障。通過響應(yīng)于rms充電電流而不是常規(guī)采用的平均或峰值測量方法來修改電池管理系統(tǒng)來消除這個(gè)困難。

如由電池充電算法控制的，有效的電池充電需要根據(jù)電池充電狀態(tài)來改變充電電流量值。在本發(fā)明的示例性實(shí)施方式中，通過阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和向轉(zhuǎn)換器18提供的整流的半正弦線電壓的量值來設(shè)置最大電池充電電流量值。通過轉(zhuǎn)換器18的脈寬調(diào)制、轉(zhuǎn)換器脈沖定相、轉(zhuǎn)換器脈沖下降以及次級側(cè)整流器26的主動控制來獲得對電池充電電流的進(jìn)一步控制(降低)。這些單獨(dú)或組合采用的控制方法使得能夠有效地控制充電電流量值同時(shí)保持低諧波失真、接近一的功率因數(shù)。

雖然低功率至中功率無線電力系統(tǒng)由單相電力連接而操作，但是大功率系統(tǒng)通常需要三相連接。即使整流的單相正弦曲線源具有大的紋波分量，但是三個(gè)整流的正弦源之和要小得多，其中各正弦曲線偏移120度。為了與電池管理系統(tǒng)電路的兼容性和降低峰值與平均充電電流比率，有時(shí)期望降低的充電紋波電流，以在快速充電期間限制電池電阻損耗。

圖8示出了利用三相線電壓源54實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的實(shí)施方式。每個(gè)相具有單獨(dú)的整流器14和轉(zhuǎn)換器18。三個(gè)轉(zhuǎn)換器同步地開關(guān)，并且轉(zhuǎn)換器輸出被求和變壓器56進(jìn)行合并，求和變壓器56可以是三個(gè)物理上獨(dú)立的變壓器或在公共芯上具有六個(gè)繞組且三相的部分通量相消以使得更有效地使用芯材料的單個(gè)變壓器。求和變壓器56還提供與ac線的電隔離。三相線上的濾波器(圖8中未示出)抑制轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率分量，從而引起新的功率因數(shù)為一的、低諧波失真三相負(fù)載。如現(xiàn)有技術(shù)圖1所示，諧振網(wǎng)絡(luò)20將轉(zhuǎn)換器18與初級側(cè)感應(yīng)線圈22連接。初級側(cè)感應(yīng)線圈22與次級側(cè)感應(yīng)線圈24之間的磁耦合將初級側(cè)能量傳輸至次級側(cè)，在次級側(cè)，能量被高頻整流器26整流、被紋波濾波器28進(jìn)行紋波濾波并且被用于對遠(yuǎn)端定位的電池30充電。諧振網(wǎng)絡(luò)44使次級側(cè)感應(yīng)線圈24諧振，從而實(shí)現(xiàn)最大電流流動和最大能量傳輸。

圖9示出了圖8的可替選實(shí)施方式，其中，求和變壓器56被初級側(cè)感應(yīng)線圈22替代，其中初級側(cè)感應(yīng)線圈22被實(shí)現(xiàn)為與連接至次級側(cè)整流器的次級側(cè)感應(yīng)線圈共享公共磁芯的三個(gè)獨(dú)立且共位的感應(yīng)線圈23。單獨(dú)的dc-ac轉(zhuǎn)換器18和關(guān)聯(lián)的線頻率整流器14通過諧振網(wǎng)絡(luò)20來驅(qū)動三個(gè)初級線圈中的每個(gè)線圈。然后，電力求和作為初級線圈通量場之和而發(fā)生，使得不需要專用的組合變壓器56。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，圖9的實(shí)施方式以添加兩個(gè)初級線圈和兩組諧振電容器為代價(jià)降低了組合變壓器的尺寸、重量和成本。

可以有利地在除諧振感應(yīng)無線電力傳輸系統(tǒng)之外的設(shè)備中采用如本文中描述的terman阻抗變換器網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù)校正作用。這樣的應(yīng)用包括：

有線——與無線相對的——電池充電；

金屬電鍍；

電化學(xué)處理如電解；

感應(yīng)加熱；

交流焊接；

包括熒光和弧光照明的氣體放電過程；以及

向可以忍受全波整流的正弦直流電的負(fù)載提供根據(jù)交流源得到的直流電的任何其他應(yīng)用。

在無線感應(yīng)電力傳輸?shù)墓β室驍?shù)控制中，terman阻抗變換網(wǎng)絡(luò)被合并到無線傳輸?shù)南嗷ヱ詈系目招木€圈對的t形等效電路中，其中，t形等效電路的一個(gè)元件是互感。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在非無線電力傳輸應(yīng)用中，阻抗變換網(wǎng)絡(luò)可以在三個(gè)離散的非相互耦接的部件處實(shí)現(xiàn)，從而顯著提高了設(shè)計(jì)靈活性。

在上面所論述的應(yīng)用中，電力從ac源流向dc負(fù)載，并且設(shè)備向ac源提供具有接近一的功率因數(shù)的負(fù)載。本發(fā)明的教導(dǎo)同樣適用于電力沿相反方向即從dc源流向ac負(fù)載并且設(shè)備提供接近一的功率因數(shù)的ac源的應(yīng)用。反向電力流動設(shè)備得到作為將來自替代能源諸如光伏板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的dc電力饋送至50hz或60hz的公用電網(wǎng)中的轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。

圖10示出了dc至ac轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的概念性框圖和關(guān)聯(lián)的電壓波形，該系統(tǒng)用于其中電力沿相反方向即從dc源流向ac負(fù)載并且設(shè)備提供接近一的功率因數(shù)的ac源的應(yīng)用。如所示出的，圖10的電路包括dc電源60，其后是提供線頻率紋波濾波的并聯(lián)紋波濾波電容器62。經(jīng)線頻率紋波濾波的dc電壓被施加至高頻dc至ac轉(zhuǎn)換器64。在此上下文中高頻意味著相對于線頻率是高的。輸出方波電壓66被施加至terman阻抗變換網(wǎng)絡(luò)68的輸入，terman阻抗變換網(wǎng)絡(luò)68提供隨著阻抗變換網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)端處的瞬時(shí)負(fù)載電壓而變化的電壓變換。

在阻抗變換網(wǎng)絡(luò)68的輸出處的波形70是處于dc至ac轉(zhuǎn)換器頻率的被線頻率正弦曲線進(jìn)行包絡(luò)調(diào)制的正弦波。高頻整流器72將雙極性正弦包絡(luò)轉(zhuǎn)換成單極性半正弦包絡(luò)74。高頻紋波濾波器網(wǎng)絡(luò)76去除高頻紋波，從而給出無紋波的線頻率半正弦波形78。包括處于半波或全波橋配置的功率半導(dǎo)體開關(guān)的去整流網(wǎng)絡(luò)80將波形78的每隔一個(gè)周期的極性反轉(zhuǎn)以產(chǎn)生波形82，從而允許電力流入表示無限電網(wǎng)的恒定ac電壓負(fù)載84。

三相ac電網(wǎng)負(fù)載如圖11所示與三個(gè)獨(dú)立的dc至ac轉(zhuǎn)換器串接納，每個(gè)串與添加有隔離變壓器90的單相轉(zhuǎn)換器串相同。每個(gè)串驅(qū)動一起構(gòu)成ac三相恒壓負(fù)載92的三個(gè)ac恒壓負(fù)載之一。隔離變壓器90提供與ac負(fù)載92的電隔離。dc源94可以是三個(gè)等電壓的如圖10所示的獨(dú)立dc電源或者三個(gè)dc源節(jié)點(diǎn)可以連在一起并且由單個(gè)dc電源饋電。濾波電容器96濾除如果不濾除的話將會存在于dc源節(jié)點(diǎn)處的120hz半正弦電流變化。元件和操作另外與圖10的電路配置相同。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，本發(fā)明不限于無線電力裝置應(yīng)用。除了無線感應(yīng)充電應(yīng)用之外，本發(fā)明還可以應(yīng)用于輸電行業(yè)以外的用途，如ac感應(yīng)馬達(dá)、馬達(dá)控制器、諧振電力供應(yīng)、工業(yè)感應(yīng)加熱、熔化、焊接和表面硬化裝備、焊接裝備、電力變壓器、電子物品監(jiān)視裝備、感應(yīng)烹飪用具和爐子、其他工業(yè)裝備、包括通過插入式充電器插入式充電的其他應(yīng)用以及其他非電池充電應(yīng)用如電化學(xué)、電鍍和所有其他可以以來自單相線源的半正弦電流波形或由多相線源之和得到的降低紋波的波形來操作的負(fù)載。這些實(shí)施方式和其他這樣的實(shí)施方式被認(rèn)為包括在由所附權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的范圍內(nèi)。