用于無(wú)線電力接收器的動(dòng)態(tài)諧振匹配電路的制作方法
【專利摘要】一種用于將無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率匹配到電力信號(hào)的頻率的諧振匹配電路（310），包括與該無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振元件（302）并聯(lián)連接的開關(guān)（311）；以及被連接到該開關(guān)（311）的控制器（312），其被配置成檢測(cè)流過(guò)該諧振元件（302）的信號(hào)的零電壓電平交叉，并且被配置成在檢測(cè)到零電壓電平交叉時(shí)將該開關(guān)（311）閉合預(yù)定量的時(shí)間，其中將該開關(guān)（311）閉合預(yù)定量的時(shí)間向無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率添加電感值或電容值中的任何一個(gè)。
【專利說(shuō)明】用于無(wú)線電力接收器的動(dòng)態(tài)諧振匹配電路
[0001]本申請(qǐng)要求2011年8月16日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/523，947和2012年6月29日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/666,040的權(quán)益。
[0002]本發(fā)明總體上涉及無(wú)線電力傳送系統(tǒng)，并且更具體地涉及用于動(dòng)態(tài)調(diào)整這樣的系統(tǒng)的諧振頻率的技術(shù)。
[0003]無(wú)線電力傳送指的是在沒(méi)有任何導(dǎo)線或接觸的情況下供應(yīng)電力。因此，通過(guò)無(wú)線媒介執(zhí)行電子設(shè)備的供電。一種用于無(wú)線電力傳送的流行應(yīng)用是為便攜式電子設(shè)備(例如移動(dòng)電話、膝上型計(jì)算機(jī)等等)充電。
[0004]一種用于無(wú)線電力傳送的技術(shù)是通過(guò)電感性供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。在這樣的系統(tǒng)中，電源(發(fā)送器)和設(shè)備(接收器)之間的電磁感應(yīng)使得能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式電力傳送。發(fā)送器和接收器二者都裝配有電線圈，并且當(dāng)這些線圈達(dá)到物理接近時(shí)，電信號(hào)從發(fā)送器流到接收器。
[0005]在電感性供電系統(tǒng)中，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)集中在線圈內(nèi)。結(jié)果，到接收器拾取場(chǎng)(pick-up field)的電力傳送在空間中非常集中。這種現(xiàn)象在系統(tǒng)中引起熱點(diǎn),其限制了該系統(tǒng)的效率。為了改善電力傳送的效率，對(duì)于每個(gè)線圈，需要高品質(zhì)因數(shù)。為此目的，線圈應(yīng)當(dāng)以最佳的電感電阻比的為特征，由具有低電阻的材料組成，并且使用李茲線(Litz-wire)工藝制造以便降低集膚效應(yīng)。線圈還應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)成滿足復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)以避免渦電流。因此，需要昂貴的線圈用于高效電感性供電系統(tǒng)。針對(duì)用于大區(qū)域上的電感性無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將需要許多昂貴的線圈。
[0006]電容性耦合是另一種用于無(wú)線傳送電力的技術(shù)。這種技術(shù)主要被用在數(shù)據(jù)傳送和感測(cè)應(yīng)用中。膠合在窗戶上具有拾音元件在汽車內(nèi)的汽車收音機(jī)天線是電容性耦合的一個(gè)示例。電容性耦合技術(shù)也被用于電子設(shè)備的非接觸式充電。對(duì)于這樣的應(yīng)用，(實(shí)現(xiàn)電容性耦合的)充電單元在該設(shè)備的固有諧振頻率之外的頻率處操作。
[0007]電容性電力傳送系統(tǒng)還可以被用于在例如窗戶、墻壁等等的具有平坦結(jié)構(gòu)的大區(qū)域上傳送電力。這樣的電容性電力傳送系統(tǒng)的一個(gè)示例是圖1中描繪的系統(tǒng)100。如圖1所示，這樣的系統(tǒng)的典型布置包含連接到負(fù)載120和電感器130的一對(duì)接收器電極111、112。該系統(tǒng)100還包含連接到電力驅(qū)動(dòng)器150和絕緣層160的一對(duì)發(fā)送器電極141、142。
[0008]該發(fā)送器電極對(duì)141、142位于絕緣層160的一側(cè)上，而接收器電極111、112位于絕緣層160的另一側(cè)上。這種布置在發(fā)送器電極對(duì)141、142和接收器電極111、112之間形成電容性阻抗。
[0009]電力驅(qū)動(dòng)器150生成可以從發(fā)送器電極141、142被無(wú)線傳送到接收器電極111、112以對(duì)負(fù)載120供電的電力信號(hào)。當(dāng)該電力信號(hào)的頻率與系統(tǒng)100的串聯(lián)諧振頻率匹配時(shí)，無(wú)線電力傳送的效率得以改善。系統(tǒng)100的串聯(lián)諧振頻率是電感器130和/或電感器131的電感值的函數(shù)，也是發(fā)送器電極對(duì)141、142和接收器電極111、112之間的電容性阻抗(參見圖1中的Cl和C2)的函數(shù)。該電容性阻抗和(多個(gè))電感器在諧振頻率處相互抵消，從而導(dǎo)致低歐姆電路。負(fù)載120例如可以是LED、LED串、燈、計(jì)算機(jī)、揚(yáng)聲器等等。
[0010]在圖2中提供了系統(tǒng)100的電氣圖200。當(dāng)電力信號(hào)Ugen的頻率接近該電路的串聯(lián)諧振時(shí)獲得最大的電力傳送。該電路由負(fù)載&、電阻器民(代表電感器電阻)、電容器C1和C2、以及電感器Ls組成。串聯(lián)諧振由電容器C1和C2以及電感器Ls的值確定。電容器C1和(:2以及電感器Ls的值被選擇成使得它們?cè)谛盘?hào)Ugm的工作頻率處相互抵消。因此，只有電感器Rs的串聯(lián)諧振和電極的連接性限制電力傳送。應(yīng)當(dāng)理解的是這允許傳送以高振幅和低頻率為特征的AC信號(hào)。
[0011]對(duì)于電容性和電感性電力傳送系統(tǒng)二者來(lái)說(shuō)，當(dāng)輸入AC電力的頻率與在接收器處的諧振頻率匹配時(shí)電力被高效地傳送。例如，在諸如圖1和2中示出的系統(tǒng)之類的包含電感元件的電容性系統(tǒng)中，(多個(gè))電感器和電容性阻抗的諧振頻率應(yīng)當(dāng)與AC電力信號(hào)的頻率基本匹配。
[0012]一種匹配接收器的諧振頻率的方法是使用可變諧振元件，例如可變電感器。但是，這樣的方法對(duì)于應(yīng)用而言可能龐大、昂貴或者不可用。另一種方法是改變電力驅(qū)動(dòng)器150的工作頻率。但是，這在包含多個(gè)負(fù)載的系統(tǒng)中可能不是可行的解決方案，因?yàn)樵擃l率不能夠被動(dòng)態(tài)地調(diào)整來(lái)保證該系統(tǒng)中的所有負(fù)載將具有相同的諧振頻率。例如，改變電力信號(hào)頻率來(lái)滿足第一負(fù)載的諧振頻率可能導(dǎo)致將第二設(shè)備帶離它的諧振狀態(tài)。因此，期待這樣一種解決方案，其匹配接收電路的諧振而不改變電力信號(hào)的工作頻率并且不改變諧振設(shè)備的電容或電感值。
[0013]因此，將會(huì)有利的是，提供一種用于無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的解決方案，其通過(guò)動(dòng)態(tài)匹配這樣的系統(tǒng)中的諧振來(lái)保證優(yōu)化的電力傳送。
[0014]本文所公開的特定實(shí)施例包含用于將無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率匹配到電力信號(hào)的頻率的諧振匹配電路。該電路包括被并聯(lián)連接到該無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振元件的開關(guān)；以及被連接到該開關(guān)的控制器，其被配置成檢測(cè)流過(guò)該諧振元件的信號(hào)的零電壓電平交叉并且在檢測(cè)到零電壓電平交叉時(shí)將該開關(guān)閉合預(yù)定義量的時(shí)間，其中將該開關(guān)閉合預(yù)定義量的時(shí)間向無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率添加電感值和電容值中的任何一個(gè)。
[0015]本文所公開的特定實(shí)施例還包含用于將無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率匹配到電力信號(hào)的頻率的諧振匹配電路。該電路包括被串聯(lián)連接到該無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振元件的開關(guān)；被連接到該開關(guān)的控制器，其被配置成檢測(cè)流過(guò)該諧振元件的信號(hào)的零電流電平的交叉并且在檢測(cè)到零電流電平交叉時(shí)將該開關(guān)打開預(yù)定義量的時(shí)間，其中將該開關(guān)打開預(yù)定義量的時(shí)間向無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率添加電感值和電容值中的任何一個(gè)。
[0016]本文所公開的特定實(shí)施例還包含用于將電容性電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率匹配到電力信號(hào)的頻率的諧振匹配電路。該系統(tǒng)包括被串聯(lián)連接到該電容性電力傳送系統(tǒng)的電感元件的開關(guān)；被連接到該開關(guān)的控制器，其被配置成檢測(cè)流過(guò)該電感元件的信號(hào)的零電流電平的交叉并且在檢測(cè)到該零電流電平交叉時(shí)將該開關(guān)打開預(yù)定義量的時(shí)間，其中將該開關(guān)打開預(yù)定義量的時(shí)間向該電容性電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率添加電感值和電容值中的任何一個(gè)，其中該諧振頻率是該電感元件、形成在該電容性電力傳送系統(tǒng)的接收器電極和發(fā)送器電極之間的電容性阻抗、以及所述電感值和電容值中的任何一個(gè)的函數(shù)。
[0017]本文所公開的特定實(shí)施例還包含用于將電容性電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率匹配到電力信號(hào)的頻率的諧振匹配電路。該電路包括被并聯(lián)連接到該電容性電力傳送系統(tǒng)的電感元件的開關(guān)；被連接到該開關(guān)的控制器，其被配置成檢測(cè)流過(guò)該電感元件的信號(hào)的零電壓電平的交叉并且在檢測(cè)到該零電壓電平交叉時(shí)將該開關(guān)閉合預(yù)定義量的時(shí)間，其中將該開關(guān)閉合預(yù)定義量的時(shí)間向無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率添加電感值和電容值中的任何一個(gè)，其中該諧振頻率是該電感元件、形成在該電容性電力傳送系統(tǒng)的接收器電極和發(fā)送器電極之間的電容性阻抗、以及所述電感值和電容值中的任何一個(gè)的函數(shù)。
[0018]在本說(shuō)明書的結(jié)尾處的權(quán)利要求中具體指出并且清楚地要求保護(hù)被看作是本發(fā)明的主題。本發(fā)明前述和其它的特征及優(yōu)點(diǎn)將根據(jù)下文中結(jié)合附圖的詳細(xì)描述而清楚明白。
[0019]圖1是電容性電力傳送系統(tǒng)的圖；
圖2是該電容性電力傳送系統(tǒng)的電氣圖；
圖3是圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的具有諧振匹配電路的電感性電力傳送接收器的示意圖；
圖4是圖示了該諧振匹配電路的工作的曲線圖；
圖5是圖示了根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的具有諧振匹配電路的電感性電力傳送接收器的電氣圖；
圖6A和6B是圖示了在電感性電力傳送接收器中的基于零電壓交叉的諧振匹配電路的示例性連接的電氣圖；
圖7A和7B是圖示了在電感性電力傳送接收器中的基于零電壓交叉的諧振匹配電路的示例性連接的電氣圖；以及
圖8、9和10是圖示了根據(jù)各種實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的具有諧振匹配電路的電容性電力傳送系統(tǒng)的電氣圖；
圖11是圖示了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例被設(shè)計(jì)成執(zhí)行諧振匹配電路的切換操作的有源整流器的圖；以及
圖12和12B圖示了該有源整流器的示例性切換模式。
[0020]應(yīng)當(dāng)著重指出的是所公開的實(shí)施例僅僅是對(duì)本文創(chuàng)新性教導(dǎo)的許多有利使用的示例。一般地，在本申請(qǐng)的說(shuō)明書中做出的陳述不一定限制各種要求保護(hù)的任何發(fā)明。而且，一些陳述可以適用于一些創(chuàng)造性的特征但是并不適用于其它特征。一般地，除非另外地指明，單數(shù)元件可以是復(fù)數(shù)的，并且反之亦然而不失一般性。在附圖中，相似的數(shù)字指示若干視圖中相似的部分。
[0021]本文所公開的各種實(shí)施例包含被設(shè)計(jì)成將無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率動(dòng)態(tài)匹配到AC電力信號(hào)的頻率的匹配諧振電路，而不改變?cè)揂C電力信號(hào)頻率。正如上文所討論的，當(dāng)該系統(tǒng)的諧振頻率與該AC電力信號(hào)的頻率基本匹配時(shí)，電力傳送得以優(yōu)化。
[0022]圖3描繪了接收器300的示例性且非限制性的電子電路圖，該接收器300是電感性電力傳送系統(tǒng)的接收器。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，該接收器300包含諧振頻率匹配電路310。該接收器300還包含被并聯(lián)連接到電感器(L) 301的電容器(Cp) 302。電感器301和電容器302形成該電感性電力傳送系統(tǒng)中的并聯(lián)諧振頻率。接收器300還包含負(fù)載(?) 303。盡管在圖3中未示出，但是負(fù)載303典型地包含有源整流器、平滑電容器、以及電力被傳遞到其中的電學(xué)元件(例如LED、燈`等等)。
[0023]來(lái)自發(fā)送器側(cè)的交變磁場(chǎng)(未示出)在電感器301中感應(yīng)出電壓，其由電壓源Uind304表示。電壓源Uind的頻率等于工作頻率，即來(lái)自發(fā)送器側(cè)的所生成的AC信號(hào)的頻率。但是，電感器301和電容器302的諧振頻率與工作頻率不匹配。在一個(gè)實(shí)施例中，該諧振頻率稍微高于該工作頻率。
[0024]根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，諧振匹配電路310與電容器302和負(fù)載303并聯(lián)連接。諧振匹配電路310包含開關(guān)311和控制開關(guān)311的工作的控制器312。特別地，在一個(gè)實(shí)施例中，控制器312在電容器302處檢測(cè)零電壓交叉，即從正電勢(shì)到負(fù)電勢(shì)的轉(zhuǎn)變，并且反之亦然。當(dāng)檢測(cè)到零電壓交叉時(shí)，控制器312將開關(guān)311閉合預(yù)定義時(shí)間周期。
[0025]控制器312可以使用具有被提供給脈沖發(fā)生器的輸出的一個(gè)或多個(gè)模擬比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)。該脈沖發(fā)生器在零電壓值交叉時(shí)產(chǎn)生短脈沖。因此，該短脈沖在檢測(cè)到零電壓交叉時(shí)閉合和打開開關(guān)311。在該脈沖發(fā)生器處調(diào)整短脈沖的持續(xù)時(shí)間。用于檢測(cè)零電壓交叉的控制器312的其它實(shí)現(xiàn)方式對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見的。
[0026]當(dāng)開關(guān)311被閉合時(shí)提供了橫跨負(fù)載303的短路。正如上文所指出的，當(dāng)檢測(cè)到零電壓交叉時(shí)將開關(guān)311閉合預(yù)定義時(shí)間周期。在一個(gè)實(shí)施例中，該預(yù)定義時(shí)間周期典型地短于工作頻率的周期的一半。如果開關(guān)311在零電壓交叉之后不久被閉合，那么短路電流具有虛擬電容性成分。另一方面，通過(guò)剛好在零電壓交叉前閉合該開關(guān)，該短路電流具有虛擬電感性成分。虛擬假想電感性和電容性成分中的每一個(gè)都具有附加虛擬電容器或虛擬電感器的效果。虛擬假想電感性和電容性成分中的每一個(gè)的值都是其間開關(guān)被閉合的預(yù)定義時(shí)間周期的函數(shù)，其由控制器312控制。因此，通過(guò)調(diào)整開關(guān)311被閉合的持續(xù)時(shí)間，虛擬假想電感性和電容性成分中的每一個(gè)的值都可以被設(shè)置成使得在工作頻率處該電路處于諧振中。
[0027]具體地，當(dāng)開關(guān)311在正零電壓交叉(即從負(fù)電勢(shì)到正電勢(shì)的交叉)之后不久被閉合時(shí)，生成短的正電流脈沖。這個(gè)短的正電流脈沖的頻率成分相對(duì)于電壓源Uind304的相位具有接近-90°的相移。這對(duì)應(yīng)于附加電容性電流，其被添加到由電感器301和電容器302組成的諧振電路。因此，開關(guān)311被看作是降低該電容性系統(tǒng)的總諧振頻率的虛擬電容器(如上文所定義)。該短的正電流脈沖的持續(xù)時(shí)間(即該開關(guān)被閉合的時(shí)間量)確定該電流的振幅，并且因此確定該虛擬電容器的值。如果開關(guān)311在零電壓交叉之前不久被閉合，那么在相反方向上生成電流短脈沖。因此，該電流脈沖的基頻相對(duì)于電壓源Uind304的相位具有+90°的相移。這對(duì)應(yīng)于增加諧振頻率的虛擬電感器。
[0028]因此，通過(guò)調(diào)整短脈沖的持續(xù)時(shí)間(即開關(guān)311保持閉合的時(shí)間)和用于閉合開關(guān)311的定時(shí)(即在零電壓交叉之前或之后)，無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的串聯(lián)諧振頻率可以被匹配到電力信號(hào)的工作頻率。
[0029]將參考圖4進(jìn)一步描述串聯(lián)諧振頻率匹配電路310的工作，圖4圖示了在時(shí)域中諧振電路310的工作。
[0030]如果由電感器301和電容器302組成的諧振電路310可以自由地振蕩，那么諧振周期在特定時(shí)間處完成。最優(yōu)地，激勵(lì)循環(huán)的結(jié)束將會(huì)與每個(gè)諧振循環(huán)的開始對(duì)齊。但是，在圖4中示出的情況中，激勵(lì)循環(huán)410稍微長(zhǎng)于諧振循環(huán)420。根據(jù)本文所公開的實(shí)施例，諧振循環(huán)420被延遲以使得新的諧振循環(huán)與新的激勵(lì)循環(huán)同時(shí)開始。在該延遲時(shí)間期間，必須保存該諧振電路的電流和電壓的狀態(tài)，使得在該延遲時(shí)間之后，該電路表現(xiàn)得正如該延遲開始之前。如上文所討論的，通過(guò)控制開關(guān)311的工作來(lái)在該延遲時(shí)間“凍結(jié)”該諧振電路的狀態(tài)。
[0031]如圖4所描繪的，曲線401代表感應(yīng)源電壓Uind304 (圖3)的激勵(lì)周期。在圖4中一半循環(huán)被指示為激勵(lì)循環(huán)410。曲線402對(duì)應(yīng)于橫跨電容器302 (圖3)的諧振電壓。該電容器諧振電壓的半循環(huán)在激勵(lì)循環(huán)410之前結(jié)束。其特征在于在電容器302處的電壓電勢(shì)達(dá)到零電壓值。在這種狀態(tài)下，如曲線403所示，通過(guò)電感器301的諧振電流達(dá)到它的最大值。
[0032]為了將這個(gè)狀態(tài)“凍結(jié)”直到下一個(gè)激勵(lì)循環(huán)開始，開關(guān)311閉合，如開關(guān)信號(hào)405所指示那樣。只要開關(guān)311被閉合，橫跨電容器302的電壓就保持為零，并且通過(guò)電感器301的電流保持在它的最大值。在激勵(lì)循環(huán)達(dá)到的那一刻，通過(guò)表明開關(guān)信號(hào)405來(lái)再次打開開關(guān)311。然后，由電感器301和電容器302組成的電路的諧振狀態(tài)被再次匹配到激勵(lì)循環(huán)。
[0033]圖5示出了接收器500的示例性非限制性的電子電路圖，其可以在電感性電力傳送系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，接收器500包含諧振匹配電路510、電感器501、電容器502和負(fù)載503。盡管在圖5中未示出，負(fù)載503典型地包含整流器、平滑電容器和電力被傳遞到其中的電學(xué)元件(例如LED、燈等等)。
[0034]諧振匹配電路510執(zhí)行動(dòng)態(tài)的并聯(lián)諧振頻率匹配并且包含開關(guān)511以及控制開關(guān)511的工作的控制器512。來(lái)自發(fā)送器側(cè)的交變磁場(chǎng)(未不出)在電感器501中感應(yīng)出電壓，該電壓由電壓源504表示。Uind504信號(hào)的頻率等于工作頻率。電感器501和電容器502的諧振頻率與Uind504信號(hào)的工作頻率不匹配。
[0035]根據(jù)這個(gè)實(shí)施例，諧振匹配電路510與電容器502和負(fù)載503串聯(lián)連接。控制器512檢測(cè)流過(guò)電容器502的電流何時(shí)交叉零電平電流(即無(wú)電流)。當(dāng)該電流為零時(shí)，控制器512將開關(guān)511打開預(yù)定義量的時(shí)間。當(dāng)開關(guān)511被打開時(shí)，在最大電壓處為電容器502充電。此后，控制器512閉合開關(guān)511,并且作為結(jié)果，電容器502可以被放電,并且下一個(gè)諧振循環(huán)開始。用于保持開關(guān)511打開的時(shí)間量可以被調(diào)整。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，這個(gè)時(shí)間周期是短于工作頻率的周期的一半的時(shí)間。
[0036]在諧振循環(huán)結(jié)束前閉合開關(guān)511迫使接收器500的諧振頻率進(jìn)入不同的狀態(tài)，該狀態(tài)等于該諧振循環(huán)的最終狀態(tài)。因此，通過(guò)閉合開關(guān)511，長(zhǎng)于激勵(lì)循環(huán)的諧振循環(huán)可以被縮短以與激勵(lì)循環(huán)匹配。
[0037]在諧振匹配電路510中，在零電流交叉時(shí)，打開和閉合開關(guān)511的操作生成電壓脈沖。該電壓脈沖被添加到諧振電壓，其可以具有電感性或電容性電壓成分，這取決于電壓脈沖在零電流交叉的檢測(cè)之前還是之后被生成。附加電感性或電容性電壓的生成對(duì)應(yīng)于附加可變虛擬電感器或電容器。該附加可變虛擬電感器或電容器可以被用于將接收器500的諧振頻率匹配到電力信號(hào)的工作頻率。控制器512可以使用一個(gè)或多個(gè)模擬比較器以使得它們的輸出被提供給脈沖發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0038]基于電壓和電流的零交叉的檢測(cè)的諧振匹配電路可以被連接在不同于圖3和5中圖示的那些布置的布置中。例如，如圖6A所描繪的，接收器600包含基于零電壓交叉的諧振匹配電路610，其與電容器601并聯(lián)連接，并且與負(fù)載602串聯(lián)連接。在圖6A的布置中，正如上文詳細(xì)討論的，控制器612在電容器601處檢測(cè)零電壓交叉并且在檢測(cè)到這樣的交叉時(shí)切換開關(guān)611。
[0039]在另一種可能的布置中，如圖6B所示，接收器620包含基于零電壓交叉的諧振匹配電流610，其與電感器621和接收器620的感應(yīng)電壓源622并聯(lián)連接。在圖6B的布置中，正如上文所討論的，控制器612檢測(cè)橫跨電感器621的電壓的零電壓交叉并且一旦零電壓交叉就切換開關(guān)611。在圖6A和6B中圖示的布置中，接收器610和620是串聯(lián)諧振電路。
[0040]圖7A和7B圖示了被包含在諧振接收器電路700 (圖7A)和720 (圖7B)中的基于零電流交叉的諧振匹配電路710的非限制性布置。
[0041]在圖7A中，接收器700包含與電容器701串聯(lián)連接的諧振匹配電路710。正如上文所討論的，控制器712檢測(cè)流過(guò)電容器701的電流的改變并且在零電平電流流動(dòng)周圍切換開關(guān)711。
[0042]在圖7B中示出的布置中，接收器720包含與電感器721串聯(lián)連接的諧振匹配電路710。正如上文所討論的，控制器712檢測(cè)流過(guò)電感器721的電流的改變并且在零電平電流流動(dòng)周圍切換開關(guān)711。
[0043]本文所討論的諧振匹配電路還可以工作在諸如上文參考圖1和2討論的系統(tǒng)之類的電容性電力傳送系統(tǒng)中。在下文中參考圖8、9和10來(lái)描述用于在電容性電力傳送系統(tǒng)中連接諧振匹配電路的各種實(shí)施例。
[0044]正如上文所指出的，電容性電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率是形成在發(fā)送器和接收器電極之間的電容性阻抗和這樣的系統(tǒng)的電感性元件的函數(shù)。在圖8、9和10中將發(fā)送器和接收器電極之間的電容性阻抗圖示為Cl和C2。
[0045]在圖8中示出的示例性且非限制性電氣圖中，在電容性電力傳送系統(tǒng)800的接收器810中，諧振匹配電路820串聯(lián)連接在電感器811和負(fù)載812之間。該諧振匹配電路820包含控制器821和開關(guān)822。類似于匹配電路500的工作，控制器821檢測(cè)流過(guò)電感器811的電流的零電平交叉。當(dāng)該電流為零時(shí)，控制器821打開開關(guān)822。
[0046]在諧振匹配電路820中，當(dāng)檢測(cè)到零電平交叉電流時(shí)打開和閉合開關(guān)822的操作在開關(guān)822處生成電壓脈沖。該電壓脈沖被添加到諧振電壓并且可以具有相對(duì)于該電流的相位的相移，這取決于該脈沖出現(xiàn)在該電流的零電平交叉之前還是之后。這樣，生成了實(shí)際上是附加可變虛擬電感器或電容器的附加電感性或電容性電壓。該附加虛擬電感或電容值可以被實(shí)現(xiàn)成將接收器810的諧振頻率匹配到由電力驅(qū)動(dòng)器831生成的電力信號(hào)的工作頻率。
[0047]在圖9中示出的另一個(gè)實(shí)施例中，在電容性電力傳送系統(tǒng)900的接收器910中，諧振匹配電路920與電感器911和負(fù)載912并聯(lián)連接。諧振匹配電路920包含控制器921和開關(guān)922?？刂破?21檢測(cè)電感器911上的電壓電平以便檢測(cè)零電壓交叉。一旦檢測(cè)到零電壓交叉，控制器921將開關(guān)922閉合預(yù)定量的時(shí)間。該時(shí)間量典型地短于由電力驅(qū)動(dòng)器931生成的AC電力信號(hào)的工作頻率的周期的一半。當(dāng)開關(guān)922被閉合時(shí)，造成橫跨負(fù)載912的短路。如果該開關(guān)的閉合周期緊接著在零轉(zhuǎn)變之后，那么短路電流具有虛擬電容性成分。如果開關(guān)922在零轉(zhuǎn)變之前被閉合，那么短路電流具有虛擬電感性成分。這種虛擬假想成分具有附加虛擬電容器或電感器的效果，因此將接收器910的諧振頻率匹配到AC電力信號(hào)的工作頻率。正如上文所指出的，通過(guò)改變導(dǎo)致短路的脈沖的長(zhǎng)度，虛擬電感/電容值可以被設(shè)置成使得該接收器電路在由電力驅(qū)動(dòng)器931生成的AC電力信號(hào)的工作頻率處處于諧振中。
[0048]圖10示出包含接收器1010和諧振匹配電路1020的電容性電力傳送系統(tǒng)1000。在圖10中圖示的實(shí)施例中，諧振匹配電路1020與電感器1011并聯(lián)連接。該并聯(lián)組合與負(fù)載1012串聯(lián)連接。諧振匹配電路1020包含控制器1021和開關(guān)1022。
[0049]在圖10中圖示的配置中，當(dāng)諧振匹配電路1020的控制器1021檢測(cè)到電力信號(hào)的零電壓電平交叉時(shí)通過(guò)閉合開關(guān)1022生成附加虛擬電感值。該電力信號(hào)是由電力驅(qū)動(dòng)器1031生成的AC信號(hào)。開關(guān)1022被閉合預(yù)定量的時(shí)間，該時(shí)間典型地短于該AC電力信號(hào)的
工作頻率的周期的一半。
[0050]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，包含在上文所討論的任何諧振匹配電路中的開關(guān)的工作可以由有源整流器執(zhí)行。正如上文所指出的，無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的負(fù)載典型地包含有源整流器、平滑電容器、和電力被傳遞到其中的電學(xué)元件(例如LED、燈等等)。典型地，整流器被用于將AC信號(hào)轉(zhuǎn)換為DC信號(hào)并且使用二極管電橋來(lái)實(shí)現(xiàn)。在圖11所示的示例性實(shí)施例中，使用有源開關(guān)(S1、S2、S3和S4)而不是二極管電橋的二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)有源整流器1100。通過(guò)實(shí)現(xiàn)如圖11所示的有源開關(guān)，上文所描述的任何諧振匹配電路的開關(guān)操作都可以通過(guò)同時(shí)閉合兩個(gè)開關(guān)(S1、S2、S3和S4)完成，從而它們導(dǎo)致橫跨電容器C的短路。
[0051]在圖12A中圖示了有源整流器1100的開關(guān)(S1、S2、S3和S4)的用于基于零電壓交叉的操作的切換模式。
[0052]在圖12B中圖示了有源整流器1100的開關(guān)(S1、S2、S3和S4)的用于基于零電流交叉的操作的切換模式。
[0053]在另一個(gè)實(shí)施例中，諧振匹配電路的開關(guān)(例如在上文詳細(xì)公開的任何實(shí)施例中所說(shuō)明的)可以被用于在電力信號(hào)上調(diào)制數(shù)據(jù)信號(hào)。這通過(guò)在零電壓交叉的周圍不對(duì)稱地切換開關(guān)完成，使得電流的附加真實(shí)成分流動(dòng)。這種電流成分可以被用來(lái)生成負(fù)載調(diào)制信號(hào)以將數(shù)據(jù)傳送到無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的發(fā)送器側(cè)。
[0054]應(yīng)當(dāng)指出的是，在上文中詳細(xì)公開的任何實(shí)施例中的諧振匹配電路可以被連接在包含多個(gè)接收器的電容性電力傳送系統(tǒng)或電感性電力傳送系統(tǒng)中。因此，每個(gè)接收器的諧振頻率由它的諧振匹配電路控制。結(jié)果，所述多個(gè)接收器的諧振頻率可以被獨(dú)立地匹配到電力信號(hào)的工作頻率。
[0055]盡管已經(jīng)以一定長(zhǎng)度和一定特殊性描述了各種實(shí)施例，但是不應(yīng)當(dāng)將本發(fā)明限制為任何這樣的細(xì)節(jié)或?qū)嵤├蛉魏尉唧w的實(shí)施例，而是應(yīng)當(dāng)參考隨附的權(quán)利要求來(lái)解釋它以便在考慮現(xiàn)有技術(shù)的情況下提供對(duì)這樣的權(quán)利要求最寬泛的可能解釋，并且因此以便本發(fā)明有效地包含本發(fā)明的預(yù)期范圍。此外，前文根據(jù)發(fā)明人預(yù)見的能夠使描述可用的實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是目前未預(yù)見的對(duì)本發(fā)明的非實(shí)質(zhì)性的修改也仍然可以代表其等同物。
【權(quán)利要求】
1.一種用于將無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率匹配到電力信號(hào)的頻率的諧振匹配電路(310)，其包括: 開關(guān)(311)，其與該無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振元件(302)并聯(lián)連接；以及 控制器(312)，其被連接到該開關(guān)(311)并且被配置成檢測(cè)流過(guò)該諧振元件(302 )的信號(hào)的零電壓電平交叉，并且被配置成在檢測(cè)到零電壓電平交叉時(shí)將該開關(guān)(311)閉合預(yù)定量的時(shí)間，其中將該開關(guān)(311)閉合預(yù)定量的時(shí)間向無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率添加電感值和電容值中的任何一個(gè)。
2.權(quán)利要求1的電路，其中該開關(guān)在該零電壓電平交叉之前沒(méi)有延誤地或在該零電壓電平交叉之后沒(méi)有延誤地被閉合。
3.權(quán)利要求1的電路，其中該預(yù)定量的時(shí)間小于該電力信號(hào)的頻率的周期的一半。
4.權(quán)利要求1的電路，其中該無(wú)線電力傳送系統(tǒng)是電容性電力傳送系統(tǒng)和電感性電力傳送系統(tǒng)中的任何一種。
5.一種用于將無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率匹配到電力信號(hào)的頻率的諧振匹配電路(510)，其包括: 開關(guān)(511)，其與該無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振元件(502)串聯(lián)連接；以及 控制器(512)，其被連接到該開關(guān)(511)并且被配置成檢測(cè)流過(guò)該諧振元件(502 )的信號(hào)的零電流電平的交叉，并且被配置成在檢測(cè)到零電流電平交叉時(shí)將該開關(guān)(511)打開預(yù)定量的時(shí)間，其中將該開關(guān)(511)打開預(yù)定量的時(shí)間向無(wú)線電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率添加電感值和電容值中的任何一個(gè)。
6.權(quán)利要求5的電路，其中該開關(guān)在該零電流電平交叉之前沒(méi)有延誤地或在該零電流電平交叉之后沒(méi)有延誤地被打開。
7.權(quán)利要求5的電路，其中該預(yù)定量的時(shí)間小于該電力信號(hào)的頻率的周期的一半。
8.權(quán)利要求5的電路，其中該無(wú)線電力傳送系統(tǒng)是電容性電力傳送系統(tǒng)和電感性電力傳送系統(tǒng)中的任何一種。
9.一種用于將電容性電力傳送系統(tǒng)(800)的諧振頻率匹配到電力信號(hào)(831)的頻率的諧振匹配電路(820)，其包括: 開關(guān)(822)，其與該電容性電力傳送系統(tǒng)(800)的電感性元件(811)串聯(lián)連接；以及 控制器(811)，其被連接到該開關(guān)(822 )并且被配置成檢測(cè)流過(guò)該電感性元件(811)的信號(hào)的零電流電平的交叉，并且被配置成在檢測(cè)到零電流電平交叉時(shí)將該開關(guān)(822)打開預(yù)定量的時(shí)間，其中將該開關(guān)(822)打開預(yù)定量的時(shí)間向該電容性電力傳送系統(tǒng)的諧振頻率添加電感值和電容值中的任何一個(gè)，其中該諧振頻率是該電感性元件(811)、形成在該電容性電力傳送系統(tǒng)的接收器電極和發(fā)送器電極之間的電容性阻抗、以及該電感值和電容值中的任何一個(gè)的函數(shù)。
10.權(quán)利要求9的電路，其中該預(yù)定量的時(shí)間小于該電力信號(hào)的頻率的周期的一半。
11.一種用于將電容性電力傳送系統(tǒng)(1000)的諧振頻率匹配到電力信號(hào)的頻率的諧振匹配電路(1020)，其包括: 開關(guān)(1022)，其與該電容性電力傳送系統(tǒng)(1000)的電感性元件(1011)并聯(lián)連接；以及 控制器(1021)，其被連接到該開關(guān)(1022)并且被配置成檢測(cè)流過(guò)該電感性元件(1011)的信號(hào)的零電壓電平的交叉，并且被配置成在檢測(cè)到零電壓電平交叉時(shí)將該開關(guān)(1022)閉合預(yù)定量的時(shí)間，其中將該開關(guān)(1022)閉合預(yù)定量的時(shí)間向無(wú)線電力傳送系統(tǒng)(1000)的諧振頻率添加電感值和電容值中的任何一個(gè)，其中該諧振頻率是該電感性元件(1011)、形成在該電容性電力傳送系統(tǒng)(1000)的接收器電極和發(fā)送器電極之間的電容性阻抗、以及該電感值和電容值中的任何一個(gè)的函數(shù)。
12.權(quán)利要求11的電路，其中該預(yù)定量的時(shí)間小于該電力信號(hào)的頻率的周期的一半。
13.權(quán)利要求1、5、9和11中任一項(xiàng)的電路，其中該開關(guān)的切換操作由有源整流器執(zhí)行。
14.權(quán)利要求1、5、9和11中任一項(xiàng)的電路，其中該無(wú)線電力傳送系統(tǒng)包含多個(gè)接收器，其中將諧振匹配電路連接到所述多個(gè)接收器中的每個(gè)接收器以便獨(dú)立地匹配該接收器的諧振頻率。
15.權(quán)利要求1、5、9和11中任一項(xiàng)所述的電路，其中該開關(guān)被進(jìn)一步配置成在該電力信號(hào)上調(diào)制數(shù)據(jù)信號(hào)。`
【文檔編號(hào)】H04B5/00GK103733531SQ201280039773
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2012年8月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月16日
【發(fā)明者】E.瓦夫芬施米特, A.塞姆佩, D.W.范戈?duì)? H.T.范登贊登 申請(qǐng)人:皇家飛利浦有限公司