感應(yīng)功率傳輸系統(tǒng)的耦合線圈功率控制的制作方法
【專利摘要】一種感應(yīng)功率傳輸裝置包括：諧振電路，具有功率傳輸線圈和功率傳輸電容器；耦合線圈，磁耦合至功率傳輸線圈；可變阻抗；以及控制器，被配置成基于預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定可變阻抗的阻抗值，包括：實(shí)質(zhì)上調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率；將諧振電路諧振頻率實(shí)質(zhì)上調(diào)諧至預(yù)定頻率；調(diào)節(jié)與功率傳輸線圈相關(guān)聯(lián)的磁場(chǎng)的頻率；和/或調(diào)節(jié)由功率傳輸線圈反射至對(duì)應(yīng)的耦合功率傳輸線圈的阻抗。
【專利說(shuō)明】
感應(yīng)功率傳輸系統(tǒng)的輔合線圈功率控制
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明總體而言設(shè)及調(diào)節(jié)提供給感應(yīng)功率傳輸系統(tǒng)中的負(fù)載的功率。更具體地， 本發(fā)明設(shè)及使用禪接至發(fā)送線圈或接收線圈的線圈來(lái)調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率。
【背景技術(shù)】
[0002] IPT技術(shù)是不斷發(fā)展的領(lǐng)域，且IPT系統(tǒng)現(xiàn)在用于一系列的應(yīng)用中且具有各種配 置。通常，主側(cè)（即，感應(yīng)功率發(fā)送器)將包括發(fā)送線圈或被配置成產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的線圈。該 磁場(chǎng)在接收線圈或次側(cè)（即，感應(yīng)功率接收器)的線圈中誘生交變電流。然后接收器中的此 誘生電流可W被提供給某些負(fù)載，例如，用于對(duì)電池充電或給便攜式設(shè)備供電。在一些情況 下，發(fā)送線圈或接收線圈可W與電容器適當(dāng)?shù)剡B接W形成諧振電路。運(yùn)可W增加對(duì)應(yīng)的諧 振頻率處的功率吞吐量和效率。
[0003] 與IPT系統(tǒng)相關(guān)的一個(gè)問(wèn)題是調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率量。重要的是調(diào)節(jié)提供給負(fù) 載的功率W保證功率足滿足負(fù)載的功率需求。類似地，重要的是提供給負(fù)載的功率不過(guò)度， 過(guò)度的功率可W導(dǎo)致低效率。一般而言，在IPT系統(tǒng)中存在兩種功率控制的方法:發(fā)送器側(cè) 功率控制和接收器側(cè)功率控制。
[0004] 在發(fā)送器側(cè)功率控制中，通?？刂瓢l(fā)送器來(lái)調(diào)節(jié)產(chǎn)生的磁場(chǎng)的功率(例如，通過(guò)調(diào) 節(jié)供應(yīng)給發(fā)送線圈的功率或通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)送器的調(diào)諧）。
[0005] 在接收器側(cè)功率控制中，控制接收器來(lái)調(diào)節(jié)從接收線圈提供給負(fù)載的功率(例如， 通過(guò)包含調(diào)節(jié)級(jí)或通過(guò)調(diào)節(jié)接收器的調(diào)諧）。
[0006] 與一些依賴調(diào)節(jié)級(jí)的接收器側(cè)功率控制系統(tǒng)相關(guān)的一個(gè)問(wèn)題在于運(yùn)些調(diào)節(jié)級(jí)可 能需要包括DC電感器。運(yùn)樣的DC電感器在體積方面可能較大。可能存在運(yùn)樣的需求:使接收 器小型化，使得它們可W安裝在便攜式電子設(shè)備之內(nèi)，因此，可W期望從接收器電路去除DC 電感器。
[0007] 調(diào)節(jié)線圈的調(diào)諧的功率控制系統(tǒng)(無(wú)論它們?yōu)榘l(fā)送器側(cè)或接收器側(cè))通常包括作 為諧振電路一部分的開(kāi)關(guān)的布置。可W選擇性地激活運(yùn)些開(kāi)關(guān)來(lái)使諧振電路的一部分短路 或開(kāi)路，從而影響諧振電路的調(diào)諧W及發(fā)送或接收的功率。然而，由于運(yùn)些開(kāi)關(guān)是諧振電路 的一部分，因此可能因與開(kāi)關(guān)相關(guān)聯(lián)的峰值電流或電壓而導(dǎo)致高損失。此外，運(yùn)些開(kāi)關(guān)的阻 擋電壓必須額定為負(fù)載所需的電壓。大電壓開(kāi)關(guān)可能昂貴且難W小型化。
[000引 US專利No.6705441公開(kāi)了一種具有一系列控制開(kāi)關(guān)的諧振接收線圈。選擇性地接 通和關(guān)斷該控制開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率量。與此方法相關(guān)聯(lián)及如上所述)的一個(gè) 問(wèn)題在于控制開(kāi)關(guān)必須額定為大電壓。此外，即使實(shí)施了電流過(guò)零（zero-current crossing)來(lái)使開(kāi)關(guān)接通和關(guān)斷時(shí)流經(jīng)開(kāi)關(guān)的瞬態(tài)電流最小，也可能在開(kāi)關(guān)兩端觀察到不 期望的大電壓尖峰。
[0009] US專利NO.6705441還公開(kāi)了一種通過(guò)調(diào)節(jié)禪合的諧振拾取線圈來(lái)控制由非諧振 接收線圈接收的功率量的系統(tǒng)。雖然此系統(tǒng)消除了對(duì)DC電感器的需求，但其依賴于非諧振 接收線圈，該非諧振接收線圈可能不符合當(dāng)前和未來(lái)的無(wú)線功率傳輸?shù)南M(fèi)電子行業(yè)標(biāo) 準(zhǔn)，諸如無(wú)線電源協(xié)會(huì)Qi標(biāo)準(zhǔn)。與此系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的一個(gè)問(wèn)題在于諧振拾取線圈將從發(fā)送器 吸收功率，且將影響發(fā)送線圈的諧振。此外，由于諧振拾取線圈接收發(fā)送功率，因此與諧振 拾取線圈的控制相關(guān)聯(lián)的開(kāi)關(guān)可能導(dǎo)致高損失。
[0010] 相應(yīng)地，實(shí)施例可W提供改進(jìn)的對(duì)感應(yīng)功率傳輸系統(tǒng)的禪合線圈功率控制，或者 至少可W給公眾提供有用的選擇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，提供一種感應(yīng)功率傳輸裝置，包括:諧振電路，具有功率 傳輸線圈和功率傳輸電容器;禪合線圈，磁禪合至功率傳輸線圈；可變阻抗；W及控制器，被 配置成基于預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定可變阻抗的阻抗值，所述基于預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定可變阻抗的阻抗 值包括:實(shí)質(zhì)上調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率;將諧振電路諧振頻率實(shí)質(zhì)上調(diào)諧至預(yù)定頻率;調(diào)節(jié) 與功率傳輸線圈相關(guān)聯(lián)的磁場(chǎng)的頻率;和/或調(diào)節(jié)由功率傳輸線圈反射至對(duì)應(yīng)的禪合功率 傳輸線圈的阻抗。
[0012] 根據(jù)又一示例性實(shí)施例，提供一種控制感應(yīng)功率接收器的方法，其中，感應(yīng)功率接 收器包括:接收線圈，接收器電路用于將功率從接收線圈提供給負(fù)載;禪合線圈，磁禪合至 接收線圈；第一開(kāi)關(guān)，被配置成改變沿第一方向流經(jīng)禪合線圈的電流；W及第二開(kāi)關(guān)，被配 置成改變沿第二方向流經(jīng)禪合線圈的電流，其中，所述方法包括下面的步驟:在流經(jīng)禪合線 圈的電流從沿第二方向或第一方向流動(dòng)變成零之后第一時(shí)間段，接通第一開(kāi)關(guān);在流經(jīng)禪 合線圈的電流從沿第一方向或第二方向流動(dòng)變成零之后第二時(shí)間段，接通第二開(kāi)關(guān);在第 二開(kāi)關(guān)接通時(shí)或者在第二開(kāi)關(guān)接通與流經(jīng)禪合線圈的電流從沿第二方向流動(dòng)變成零之間 的某個(gè)點(diǎn)處，關(guān)斷第一開(kāi)關(guān);在第一開(kāi)關(guān)接通時(shí)或者在第一開(kāi)關(guān)接通與流經(jīng)禪合線圈的電 流從沿第一方向流動(dòng)變成零之間的某個(gè)點(diǎn)處，關(guān)斷第二開(kāi)關(guān)；W及控制第一時(shí)間段和第二 時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率。
[001引要認(rèn)識(shí)到，在各種權(quán)限下，術(shù)語(yǔ)"包括"和"包括嘗'可W具有排他性或包含性意義。 對(duì)于此說(shuō)明書(shū)的目的，除非另外說(shuō)明，否則運(yùn)些術(shù)語(yǔ)意在具有包含性意義，即，它們將被當(dāng) 作意思是包含所列出的用途直接引用的組件，還可能包含其他非特定組件或元件。
[0014] 在本說(shuō)明書(shū)中對(duì)任何現(xiàn)有技術(shù)的引用都不構(gòu)成承認(rèn)運(yùn)些現(xiàn)有技術(shù)形成公共常識(shí) 的部分。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 被并入說(shuō)明書(shū)中且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)的一部分的附圖圖示了本發(fā)明的實(shí)施例，且與W上 給出的本發(fā)明的一般性描述W及W下給出的對(duì)實(shí)施例的具體描述一起用于說(shuō)明本發(fā)明的 原理。
[0016] 圖1是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的感應(yīng)功率傳輸系統(tǒng)的框圖；
[0017] 圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的感應(yīng)功率接收器的電路圖；
[0018] 圖3a是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的禪合電路的電路圖；
[0019] 圖3b是根據(jù)另一實(shí)施例的禪合電路的電路圖；
[0020] 圖4a是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的與圖2或圖3a的可變阻抗的控制相關(guān)聯(lián)的波形圖；
[0021] 圖4b是根據(jù)另一實(shí)施例的與圖2或圖3a的可變阻抗的控制相關(guān)聯(lián)的波形圖；
[0022] 圖4c是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的與圖3b的可變阻抗的控制相關(guān)聯(lián)的波形圖；
[0023] 圖5是根據(jù)另一實(shí)施例的感應(yīng)功率傳輸系統(tǒng)的框圖；
[0024] 圖6是根據(jù)另一實(shí)施例的感應(yīng)功率接收器的電路圖；
[0025] 圖7a是禪合單元的側(cè)視圖；
[0026] 圖7b是圖7a的禪合單元的俯視圖；
[0027] 圖7c是圖7a的禪合單元的仰視圖；
[0028] 圖8是提供2:1應(yīng)數(shù)比的Ξ繞組的示意圖；
[0029] 圖9a至圖9p是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的線圈繞組方法的示意圖；
[0030] 圖10是根據(jù)又一實(shí)施例的感應(yīng)功率傳輸系統(tǒng)的框圖；
[0031] 圖11是圖10中的系統(tǒng)的電路圖；
[0032] 圖12是控制方案基本構(gòu)造的電路圖；
[0033] 圖13是開(kāi)關(guān)波形的圖；
[0034] 圖14是示出電容器電壓的基本組分的等效電路和圖表；W及
[0035] 圖15是各個(gè)工作模式的等效圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 圖1示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的感應(yīng)功率傳輸（IPT)系統(tǒng)1的代表?？蒞適當(dāng)?shù)匦薷?或補(bǔ)充此IPT系統(tǒng)W用于特定應(yīng)用。該IPT系統(tǒng)包括感應(yīng)功率發(fā)送器2和感應(yīng)功率接收器3。
[0037] 感應(yīng)功率發(fā)送器2連接至合適的電源4(諸如主電源）。感應(yīng)功率發(fā)送器可W包括發(fā) 送器電路5。運(yùn)種發(fā)送器電路包括感應(yīng)發(fā)送器的操作可能必須的任何電路。發(fā)送器電路可W 包括轉(zhuǎn)換器、逆變器、啟動(dòng)電路、檢測(cè)電路和控制電路。
[0038] 發(fā)送器電路5連接至發(fā)送器諧振電路6。發(fā)送器諧振電路包括發(fā)送線圈7和一個(gè)或 多個(gè)調(diào)諧元件8,諸如發(fā)送器電容器。發(fā)送線圈和發(fā)送器電容器可W并聯(lián)或串聯(lián)連接W形成 諧振電路?？蒞期望在發(fā)送器諧振電路中包括額外的電感器和/或電容器(未示出）。發(fā)送器 諧振電路具有對(duì)應(yīng)的諧振頻率。
[0039] 為了簡(jiǎn)單，圖1的感應(yīng)功率發(fā)送器2被示出為具有一個(gè)發(fā)送器諧振電路6。然而，可 W存在多個(gè)發(fā)送器諧振電路。例如，在充電板中可W存在發(fā)送線圈的陣列，該發(fā)送線圈陣列 中的每個(gè)線圈可W連接至相關(guān)聯(lián)的諧振電容器。運(yùn)些發(fā)送器諧振電路可W全部連接至同一 發(fā)送器電路5,或者它們可W每個(gè)與相關(guān)聯(lián)的發(fā)送器電路連接?？蒞選擇性地給發(fā)送器諧振 電路和/或發(fā)送線圈中的每個(gè)或一些供電。
[0040] 如W下將討論的，在IPT系統(tǒng)的一些實(shí)施例中，可能期望感應(yīng)功率發(fā)送器2的發(fā)送 線圈7為非諧振的。也就是說(shuō)，不存在發(fā)送器諧振電路6或發(fā)送器電容器8。在此實(shí)施例中，發(fā) 送器電路5連接至發(fā)送線圈自身。然而，也可W使用非諧振發(fā)送線圈。
[0041] 發(fā)送器電路5被配置成供應(yīng)AC電流給發(fā)送器諧振電路6,使得發(fā)送線圈7產(chǎn)生適用 于感應(yīng)功率傳輸?shù)慕蛔兇艌?chǎng)。在具體實(shí)施例中，AC電流將具有實(shí)質(zhì)上對(duì)應(yīng)于發(fā)送器諧振電 路或接收器諧振電路15的諧振頻率的頻率。
[0042] 圖1還示出了在感應(yīng)功率發(fā)送器2之內(nèi)的發(fā)送器控制器9。發(fā)送器控制器可W連接 至感應(yīng)功率發(fā)送器的每部分。發(fā)送器控制器可W被配置成從感應(yīng)功率發(fā)送器的部分接收輸 入，并產(chǎn)生控制每部分的操作的輸出。發(fā)送器控制器可W被實(shí)施為單個(gè)單元或分離單元。優(yōu) 選地，發(fā)送器控制器為被編程w根據(jù)感應(yīng)功率發(fā)送器的需求來(lái)執(zhí)行不同計(jì)算任務(wù)的可編程 邏輯控制器或類似控制器。發(fā)送器控制器可W被配置成根據(jù)感應(yīng)功率發(fā)送器的性能(包括 例如：功率流(下面將更詳細(xì)地描述）、調(diào)諧、選擇性地給發(fā)送線圈供電、感應(yīng)功率接收器檢 測(cè)和/或通信(下面將更詳細(xì)地描述)）來(lái)控制感應(yīng)功率發(fā)送器的各個(gè)方面。
[0043] 圖1還示出了感應(yīng)功率發(fā)送器2之內(nèi)的發(fā)送器禪合電路10。發(fā)送器禪合電路可W與 發(fā)送器諧振電路6電位隔離(galvanically isolated)。發(fā)送器禪合電路包括禪合線圈或功 率流控制線圈11和可變阻抗12。該禪合線圈被配置成使得其磁禪合至發(fā)送線圈7。如下面將 更詳細(xì)描述的，發(fā)送器控制器9控制發(fā)送器禪合電路來(lái)影響發(fā)送器諧振電路，運(yùn)進(jìn)而會(huì)影響 從感應(yīng)功率發(fā)送器供應(yīng)給感應(yīng)功率接收器3的功率(從而調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率）。在另一 實(shí)施例中，發(fā)送器禪合電路可W用來(lái)調(diào)節(jié)頻率，該頻率可W用于例如通信目的。在存在多于 一個(gè)發(fā)送器諧振電路和/或多于一個(gè)發(fā)送線圈的實(shí)施例中，可W包括與每個(gè)發(fā)送器諧振電 路和/或發(fā)送線圈相關(guān)聯(lián)的發(fā)送器禪合電路。
[0044] 如下面將要討論的，在IPT系統(tǒng)的一些實(shí)施例中，感應(yīng)功率發(fā)送器2可W不包括發(fā) 送器禪合電路10。然而，其也可W在無(wú)發(fā)送器禪合電路的情況下實(shí)施。
[0045] 此外，感應(yīng)功率發(fā)送器2可W包括導(dǎo)磁元件或?qū)Т湃?3。導(dǎo)磁忍與發(fā)送線圈7相關(guān) 聯(lián)。通過(guò)使用導(dǎo)磁忍，可W改善發(fā)送線圈與功率接收器的接收線圈之間的禪合，運(yùn)進(jìn)而可W 改善功率傳輸。導(dǎo)磁忍可W由鐵氧體材料制成。導(dǎo)磁忍的尺寸和形狀將取決于發(fā)送線圈和 感應(yīng)功率發(fā)送器的具體幾何結(jié)構(gòu)和要求。例如，在發(fā)送線圈為平面的一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)磁忍 可W被放置為使得其在發(fā)送線圈之下。在另一實(shí)施例中，發(fā)送線圈可W圍繞導(dǎo)磁忍自身繞 纏。在又一實(shí)施例中，導(dǎo)磁忍可W被配置成改善發(fā)送線圈與發(fā)送器禪合電路10的禪合線圈 11之間的磁禪合。
[0046] 再次參見(jiàn)圖1，還示出了感應(yīng)功率接收器3。感應(yīng)功率接收器連接至負(fù)載14。將認(rèn)識(shí) 到的是，感應(yīng)功率接收器從感應(yīng)功率發(fā)送器2接收感應(yīng)功率，并將該功率提供給負(fù)載。負(fù)載 可W根據(jù)感應(yīng)功率接收器的應(yīng)用而為任何合適的負(fù)載。例如，負(fù)載可W為給便攜式電子設(shè) 備供電或給電池充電。負(fù)載的功率需求可能變化，從而重要的是提供給負(fù)載的功率要匹配 負(fù)載的功率需求。具體地，該功率必須足W滿足功率需求，同時(shí)不太過(guò)度(太過(guò)度可能導(dǎo)致 低效率)。
[0047] 感應(yīng)功率接收器3包括接收器諧振電路15。接收器諧振電路包括接收線圈16W及 一個(gè)或多個(gè)調(diào)諧元件17(諸如接收器電容）。接收線圈與接收器電容可W并聯(lián)或串聯(lián)連接W 形成諧振電路。可W期望在接收器諧振電路中包括額外的電感器和/或電容器(未示出）。接 收器諧振電路將具有對(duì)應(yīng)的諧振頻率。在具體實(shí)施例中，接收器諧振電路將被配置成使得 其諧振頻率實(shí)質(zhì)上匹配發(fā)送器諧振電路6的諧振頻率或發(fā)送線圈7的頻率。
[0048] 為了簡(jiǎn)單，感應(yīng)功率接收器3被示出為具有一個(gè)接收器諧振電路15。然而，可W存 在多個(gè)接收器諧振電路。例如，在一些便攜式設(shè)備中可W存在位于便攜式設(shè)備的不同部件 上的接收線圈。運(yùn)樣的接收器諧振電路可W全部連接至同一接收器電路18,或者它們可W 各自與相關(guān)聯(lián)的接收器電路連接?？蒞選擇性地使能接收器諧振電路和/或接收線圈中的 每個(gè)或一些。
[0049] 如上所述，接收器諧振電路15連接至接收器電路18。運(yùn)樣的接收器電路包括感應(yīng) 功率接收器3的操作可能必須的任何電路。例如，接收電路可W被配置成將誘生電流轉(zhuǎn)變成 適合負(fù)載14的形式。在不限制接收器電路的范圍的情況下，接收器電路可W包括整流器、調(diào) 節(jié)器、平流電路(smoothing Circuit)和控制電路。
[0050] 圖1還示出了感應(yīng)功率接收器3之內(nèi)的接收器控制器19。接收器控制器可W連接至 感應(yīng)功率接收器的各個(gè)部件。接收器控制器可W被配置成從感應(yīng)功率接收器的部件接收輸 入并產(chǎn)生控制各個(gè)部件的操作的輸出。接收器控制器可W被實(shí)施為單個(gè)單元或者分離單 元。接收器控制器可W為被編程來(lái)根據(jù)感應(yīng)功率接收器的需求而執(zhí)行不同的計(jì)算任務(wù)的可 編程邏輯控制器或類似控制器。接收器控制器可W被配置成根據(jù)感應(yīng)功率接收器的性能 (包括例如:功率流(如下面將更詳細(xì)地描述的）、調(diào)諧、選擇性使能接收線圈和/或通信(如 下面將更詳細(xì)地描述的））來(lái)控制感應(yīng)功率接收器的各個(gè)方面。
[0051] 圖1還示出了感應(yīng)功率接收器3之內(nèi)的接收器禪合電路20。接收器禪合電路可W與 接收器諧振電路15電位隔離。接收器禪合電路包括禪合線圈或功率流控制線圈21W及可變 阻抗22。接收器禪合線圈被配置成使得其磁禪合至接收線圈16。如下面將更詳細(xì)地描述的， 接收器控制器19控制接收器禪合電路來(lái)影響由接收器諧振電路接收的功率(從而調(diào)節(jié)提供 給負(fù)載14的功率和/或調(diào)節(jié)由發(fā)送器看到的例如，用于發(fā)送器與接收器之間的IPT通信的反 射阻抗）。在另一實(shí)施例中，接收器禪合電路可W用來(lái)調(diào)節(jié)可W用于通信目的的反射阻抗。 在存在多于一個(gè)接收器諧振電路和/或多于一個(gè)接收線圈的實(shí)施例中，可W包括與每個(gè)接 收器諧振電路和/或接收線圈相關(guān)聯(lián)的接收器禪合電路。
[0052] 此外，感應(yīng)功率接收器3可W包括導(dǎo)磁元件或?qū)Т湃?3。導(dǎo)磁忍與接收線圈16相關(guān) 聯(lián)。通過(guò)引入導(dǎo)磁忍，可W改善接收線圈16與發(fā)送線圈7之間的禪合，運(yùn)進(jìn)而可W改善功率 傳輸。導(dǎo)磁忍可W由鐵氧體材料制成。導(dǎo)磁忍的尺寸和形狀將取決于接收線圈和感應(yīng)功率 接收器的具體幾何結(jié)構(gòu)和要求。例如，在接收線圈為平面的一個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)磁忍可W被放 置為使得其在接收線圈之下。在另一實(shí)施例中，接收線圈可W圍繞導(dǎo)磁忍自身繞纏。在又一 實(shí)施例中，導(dǎo)磁忍可W被配置成改善接收線圈與接收器禪合電路20的禪合線圈21之間的磁 禪合。
[0053] 在大概地討論圖1的IPT系統(tǒng)1之后，現(xiàn)在分別來(lái)看感應(yīng)功率發(fā)送器2和感應(yīng)功率接 收器3的禪合電路10和20是有幫助的。如上所指出的，禪合電路被配置成影響由發(fā)送器諧振 電路6發(fā)送的功率或由接收器諧振電路15接收的功率。下面將更詳細(xì)地描述各種情況。
[0054] 發(fā)送器禪合電路10包括可變阻抗12和禪合線圈11。禪合線圈磁禪合至發(fā)送線圈7。 運(yùn)樣的磁禪合可W通過(guò)將禪合線圈和發(fā)送線圈配置成極為貼近或共享導(dǎo)磁忍13來(lái)實(shí)現(xiàn)。也 就是說(shuō)，發(fā)送線圈與禪合線圈緊緊地禪合。禪合電路可W包括與禪合線圈串聯(lián)和/或并聯(lián)連 接的額外電感器。在優(yōu)選實(shí)施例中，禪合線圈可W形成非諧振電路。在另一實(shí)施例中，禪合 電路可W為諧振電路，且可W包括與禪合線圈串聯(lián)和/或并聯(lián)連接的額外電容器?？勺冏杩?被控制W改變禪合線圈兩端的阻抗，從而改變流經(jīng)禪合線圈的電流。從下面的描述將理解 的是，可變阻抗被配置成通過(guò)允許電流流動(dòng)或限制電流流動(dòng)來(lái)改變電流。也就是說(shuō)，由可變 阻抗提供的阻抗的量可W從零阻抗向無(wú)限阻抗變化(例如，可變阻抗可W為按照開(kāi)關(guān)模式 操作的開(kāi)關(guān)）。然而，可能的是：由可變阻抗提供的阻抗的量可W在一系列阻抗上變化W在 一個(gè)范圍上改變流動(dòng)的電流的量(例如，可變阻抗可W為按照線性模式操作的開(kāi)關(guān)）。本領(lǐng) 域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，對(duì)于具有一系列阻抗的可變阻抗可W如何配置發(fā)送器2,且本發(fā)明不 受限于此方面。
[0055] 例如，可變阻抗可W為AC開(kāi)關(guān)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可W使用很多類型的AC 開(kāi)關(guān)，且本發(fā)明不受限于此方面?？勺冏杩惯m當(dāng)?shù)剡B接至發(fā)送器控制器9,使得發(fā)送器控制 器能夠控制可變阻抗。
[0056] 例如，當(dāng)可變阻抗12關(guān)斷時(shí)，可變阻抗將在禪合線圈11兩端呈現(xiàn)無(wú)限阻抗。因此， 將無(wú)電流在禪合線圈中流動(dòng)（即，電流流動(dòng)將被限制），且禪合線圈將對(duì)發(fā)送線圈7無(wú)影響。 因此，發(fā)送器諧振電路6將在其諧振頻率處正常工作。
[0057] 此外，當(dāng)可變阻抗12接通時(shí)，可變阻抗將在禪合線圈11兩端呈現(xiàn)零阻抗。因此，電 流將能夠在禪合線圈中流動(dòng)，且禪合線圈將對(duì)發(fā)送線圈7呈現(xiàn)低阻抗路徑。本質(zhì)上，運(yùn)將改 變發(fā)送線圈的有效電感，進(jìn)而運(yùn)使發(fā)送器諧振電路6從其諧振頻率處工作解諧(de-化ne)。 因此，更少的功率從發(fā)送器諧振電路感應(yīng)地傳輸給接收器諧振電路15W遞送給負(fù)載14。將 認(rèn)識(shí)到的是，功率下降的量（即，當(dāng)可變阻抗接通時(shí)）取決于發(fā)送器諧振電路和發(fā)送器禪合 電路中的組件的相對(duì)容量/尺寸W及發(fā)送線圈與禪合線圈之間的禪合度。
[0058] 因此，如果負(fù)載14需要更多的功率，則可W關(guān)斷可變阻抗12,而如果負(fù)載需要更少 的功率，則可W接通可變阻抗。為了判斷什么時(shí)候應(yīng)當(dāng)關(guān)斷和接通可變阻抗，發(fā)送器控制器 9判斷負(fù)載的功率需求，并相應(yīng)地控制可變阻抗。在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)送器控制器與感應(yīng)功 率接收器3通信，感應(yīng)功率接收器3可W將負(fù)載信息傳送給感應(yīng)功率發(fā)送器2。在另一實(shí)施例 中，發(fā)送器控制器可W能夠間接地基于由發(fā)送器諧振電路6吸收的功率來(lái)估算負(fù)載的功率 需求。
[0059] 如果保持可變阻抗關(guān)斷，則提供給負(fù)載14的功率將是某個(gè)最大值。如果保持可變 阻抗接通，則提供給負(fù)載的功率將為第二值。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)可變阻抗接通和可變阻抗關(guān)斷 的時(shí)間比例，可W在第一值與第二值之間的范圍中調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率。
[0060] 在一個(gè)實(shí)施例中，發(fā)送器控制器9可W使用脈沖寬度調(diào)制（PWM)來(lái)控制可變阻抗 12。提供給可變阻抗的PWM控制信號(hào)的占空比可W根據(jù)負(fù)載的功率需求來(lái)調(diào)節(jié)。在另一實(shí)施 例中，發(fā)送器控制器可W使用動(dòng)態(tài)周期控制來(lái)控制可變阻抗接通的周期數(shù)W及控制可變阻 抗關(guān)斷的周期數(shù)。在又一實(shí)施例中，發(fā)送器控制器可W使用起停式(bang-bang)控制而響應(yīng) 于負(fù)載的功率需求來(lái)直接控制可變阻抗?？刂瓢l(fā)送器禪合電路10的運(yùn)些方法將在下面關(guān)于 圖2的感應(yīng)功率接收器3來(lái)更詳細(xì)地討論，且本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到可W如何來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)些 W在感應(yīng)功率發(fā)送器2的環(huán)境中工作。
[0061] 在另一實(shí)施例中，發(fā)送器禪合電路10可W用來(lái)將發(fā)送器諧振電路6調(diào)諧至諧振頻 率或某個(gè)其他目標(biāo)頻率。在此實(shí)施例中，發(fā)送器禪合電路不用來(lái)調(diào)節(jié)給負(fù)載14的功率，而是 用來(lái)保證從感應(yīng)功率發(fā)送器2至感應(yīng)功率接收器3的最優(yōu)功率傳輸。因此，感應(yīng)功率發(fā)送器 和/或感應(yīng)功率接收器可W包括用于調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率的一些其他方式。
[0062] 在又一實(shí)施例中，發(fā)送器禪合電路10可W用來(lái)對(duì)由發(fā)送線圈7產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)的 頻率（即，發(fā)送功率的頻率)進(jìn)行調(diào)制。將要認(rèn)識(shí)到的是，在發(fā)送器諧振電路6的一些實(shí)施例 中（例如，在發(fā)送器電路5中的逆變器使用零電壓切換來(lái)產(chǎn)生AC電流的情況下），工作頻率將 取決于發(fā)送線圈的電感。發(fā)送器禪合電路的可變阻抗12可W被控制來(lái)在第一頻率與第二頻 率之間調(diào)節(jié)頻率。
[0063] 例如，當(dāng)可變阻抗12關(guān)斷時(shí)，可變阻抗將在禪合線圈11兩端呈現(xiàn)無(wú)限阻抗。因此， 在禪合線圈中將無(wú)電流流動(dòng)（即，電流流動(dòng)將受限），且禪合線圈將對(duì)發(fā)送線圈7無(wú)影響。因 此，發(fā)送器諧振電路6將產(chǎn)生具有依賴于發(fā)送線圈的電感的第一頻率的交變磁場(chǎng)。
[0064] 當(dāng)可變阻抗12接通時(shí)，可變阻抗將在禪合線圈11兩端呈現(xiàn)零阻抗。因此，電流將能 夠在禪合線圈中流動(dòng)，且禪合線圈將對(duì)發(fā)送線圈7呈現(xiàn)低阻抗路徑。本質(zhì)上，運(yùn)將改變發(fā)送 線圈的有效電感。因此，發(fā)送器諧振電路將產(chǎn)生具有依賴于發(fā)送線圈和禪合線圈的電感的 第二頻率的交變磁場(chǎng)。
[0065] W此方式，發(fā)送器禪合電路10可W用來(lái)對(duì)發(fā)送功率的頻率進(jìn)行調(diào)制。由于此調(diào)制 是在兩個(gè)狀態(tài)（即，第一頻率和第二頻率)之間，因此運(yùn)可W用來(lái)將二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)編碼成 發(fā)送的功率信號(hào)。將認(rèn)識(shí)到，然后運(yùn)可W用來(lái)將數(shù)據(jù)從感應(yīng)功率發(fā)送器2傳送給感應(yīng)功率接 收器3。發(fā)送器控制器9可W適當(dāng)?shù)嘏渲贸筛鶕?jù)需要傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)控制可變阻抗12。此 夕h感應(yīng)功率接收器可W包括用來(lái)從發(fā)送功率解碼出數(shù)據(jù)信號(hào)的適當(dāng)?shù)慕庹{(diào)電路。
[0066] 將認(rèn)識(shí)到，第一頻率和第二頻率的幅度將依賴于發(fā)送線圈7和禪合線圈11的電感。 在優(yōu)選實(shí)施例中，感應(yīng)功率發(fā)送器2可W被配置成使得一個(gè)頻率(即，第一頻率或第二頻率） 對(duì)應(yīng)于IPT系統(tǒng)1的諧振頻率，而另一頻率（即，第二頻率或第一頻率)比諧振頻率稍大或稍 小。W此方式，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，凈功率傳輸將僅受到最低限度的影響。
[0067] 參見(jiàn)圖2,示出了根據(jù)關(guān)于圖1而討論的感應(yīng)功率接收器3的具體實(shí)施例的感應(yīng)功 率接收器3。感應(yīng)功率接收器從感應(yīng)功率發(fā)送器(未示出)感應(yīng)地接收功率。
[0068] 如關(guān)于圖1而更詳細(xì)地討論的，感應(yīng)功率接收器3包括接收器諧振電路15。在此實(shí) 施例中，接收器諧振電路是具有與接收器電容器17串聯(lián)連接的接收線圈16的串聯(lián)諧振。感 應(yīng)功率接收器還包括接收器電路18。在此實(shí)施例中，接收器電路包括用來(lái)將來(lái)自串聯(lián)諧振 電路的AC電流轉(zhuǎn)變成提供給負(fù)載14的DC電流的整流器24。接收器電路還可W包括DC平流電 容器25。
[0069] 圖2的感應(yīng)功率接收器3還包括接收器禪合電路20。接收器禪合電路包括連接至可 變阻抗22的禪合線圈21。此外，禪合電路可W包括D邱且擋電容器(未示出）。禪合線圈磁禪合 至接收線圈16。運(yùn)樣的磁禪合可W通過(guò)將禪合線圈和接收線圈配置成極為貼近或共享導(dǎo)磁 忍23來(lái)實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)，接收線圈與禪合線圈"緊緊"禪合。在一個(gè)實(shí)施例中，相比于接收線 圈與發(fā)送線圈的禪合，禪合線圈與接收線圈可W具有更好的禪合。例如，禪合線圈與接收線 圈之間的禪合系數(shù)可W為k =大約0.8,而接收線圈與發(fā)送線圈之間的禪合系數(shù)可W為k = 大約0.4或更低。在另一實(shí)施例中，禪合線圈可W禪合至與接收線圈串聯(lián)的又一線圈。將認(rèn) 識(shí)到，運(yùn)將在功率流控制方面給出類似的結(jié)果。
[0070] 可變阻抗22被控制W改變禪合線圈21兩端的阻抗，從而改變流經(jīng)禪合線圈的電 流。從下面的描述將理解的是，可變阻抗22可W被配置成通過(guò)允許電流流動(dòng)或限制電流流 動(dòng)來(lái)改變流向禪合線圈21的電流。也就是說(shuō)，由可變阻抗提供的阻抗的量可W從零阻抗變 化至無(wú)限阻抗(例如，可變阻抗可W為按照開(kāi)關(guān)模式工作的開(kāi)關(guān)）。然而，可能的是，由可變 阻抗提供的阻抗的量可W在一系列阻抗上變化W在一個(gè)范圍之內(nèi)改變流動(dòng)的電流的量(例 如，可變阻抗可W為按照線性模式工作的開(kāi)關(guān)或者在單個(gè)周期中始終接通和/或關(guān)斷的開(kāi) 關(guān)，而呈現(xiàn)零與無(wú)限之間的阻抗）。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，對(duì)于具有一系列阻抗的可變 阻抗可W如何配置接收器3,且本發(fā)明不受限于此方面。W此方式，禪合電路用來(lái)調(diào)節(jié)遞送 給接收器側(cè)上的負(fù)載的功率流。
[0071] 可變阻抗22在圖2中示出為η溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(M0SFET)的雙 向的對(duì)。MOSFET的柵極都連接至接收器控制器19的同一輸出（VmE)，使得可W同時(shí)地接通 或關(guān)斷M0SFET。如下面將更詳細(xì)地描述的，接收器控制器被配置成控制可變阻抗（即， M0SFET的柵極)來(lái)改變流經(jīng)禪合線圈21的電流的流動(dòng)。
[0072] 本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，可W調(diào)整本發(fā)明來(lái)利用可變阻抗的其他配置來(lái)工作， 且在采用開(kāi)關(guān)的配置的情況下，可W使用除本文中描述的示例性實(shí)施例中圖示的半導(dǎo)體開(kāi) 關(guān)之外的開(kāi)關(guān)類型。圖3a示出了根據(jù)另一實(shí)施例的禪合電路35。在此實(shí)施例中，禪合線圈21 的輸出可W連接至整流器36。然后整流器的DC輸出可W通過(guò)DC開(kāi)關(guān)37(例如，單個(gè)M0SFET) 來(lái)切換。該開(kāi)關(guān)通過(guò)來(lái)自控制器的控制信號(hào)（即，Vgate)來(lái)驅(qū)動(dòng)，從而改變禪合線圈兩端的阻 抗。圖3a的禪合電路還示出了與D邱且擋電容器38串聯(lián)連接的禪合線圈。
[0073] 圖3b示出了根據(jù)另一實(shí)施例的禪合電路39。在此實(shí)施例中，可變阻抗22是η溝道 M0SFET開(kāi)關(guān)的雙向的對(duì)，為了清楚將其稱作第一開(kāi)關(guān)40和第二開(kāi)關(guān)41。每個(gè)開(kāi)關(guān)通過(guò)來(lái)自 控制器(未示出）的獨(dú)立控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)，即，第一開(kāi)關(guān)通過(guò)Vgi來(lái)驅(qū)動(dòng)，而第二開(kāi)關(guān)通過(guò)VC2 來(lái)驅(qū)動(dòng)。圖還示出了分別與第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)相關(guān)聯(lián)的體二極管42和43。將認(rèn)識(shí)到的是， 由于運(yùn)些體二極管，使得每個(gè)開(kāi)關(guān)僅能夠改變沿一個(gè)方向流經(jīng)禪合線圈的電流。例如，假定 第二開(kāi)關(guān)41完全接通，當(dāng)電流i為正時(shí)，通過(guò)控制第一開(kāi)關(guān)的狀態(tài)可W改變流經(jīng)禪合線圈的 電流。然而，當(dāng)電流為負(fù)時(shí)，無(wú)論第一開(kāi)關(guān)的狀態(tài)如何，電流都將流經(jīng)禪合線圈（即，電流將 流經(jīng)體二極管42,或者如果第一開(kāi)關(guān)40接通則流經(jīng)第一開(kāi)關(guān)40)。類似地，假定第一開(kāi)關(guān)40 完全接通，當(dāng)電流i為負(fù)時(shí)，通過(guò)控制第二開(kāi)關(guān)的狀態(tài)可W改變流經(jīng)禪合線圈的電流。然而， 當(dāng)電流為正時(shí)，無(wú)論第二開(kāi)關(guān)的狀態(tài)如何，電流都將流經(jīng)禪合線圈（即，電流將流經(jīng)體二極 管43,或者如果第二開(kāi)關(guān)41接通則流經(jīng)第二開(kāi)關(guān)41)。
[0074] 如將關(guān)于圖4c而討論的，獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)每個(gè)開(kāi)關(guān)使經(jīng)由第一開(kāi)關(guān)和第二開(kāi)關(guān)W及他 們相關(guān)聯(lián)的體二極管的損失最小。圖3b的禪合電路還示出了與D邱且擋電容器38串聯(lián)連接的 禪合線圈。
[0075] 回到圖2的禪合電路20,當(dāng)可變阻抗22關(guān)斷（即，"低"信號(hào)從接收器控制器19供應(yīng) 給M0SFET的柵極)時(shí)，可變阻抗將在禪合線圈21兩端呈現(xiàn)無(wú)限阻抗。因此，將無(wú)電流在禪合 線圈中流動(dòng)（即，電流流動(dòng)將受限），且禪合線圈將對(duì)接收線圈16無(wú)影響。因此，接收諧振電 路15將在其諧振頻率處正常工作。接收器3將從感應(yīng)功率發(fā)送器接收最大功率(具體地，如 果接收器的諧振頻率匹配發(fā)送器的諧振頻率）。因此，可W將最大功率提供給負(fù)載14。
[0076] 當(dāng)可變阻抗22接通（即，"高"信號(hào)被供應(yīng)給M0SFET的柵極）時(shí)，可變阻抗將在禪合 線圈21兩端呈現(xiàn)零阻抗。因此，電流將能夠在禪合線圈中流動(dòng)。由于電流能夠在禪合線圈中 流動(dòng)，W及由于禪合線圈緊緊禪合至接收線圈，因此在接收線圈中將不會(huì)誘生電壓。因?yàn)樵?接收線圈中誘生的任何電壓都將在禪合線圈中產(chǎn)生電流W及抵消電壓，所W在接收線圈中 將不會(huì)誘生電壓。此效應(yīng)的凈結(jié)果為將無(wú)通量進(jìn)入接收線圈。因此，功率將不會(huì)被接收器諧 振電路接收，且功率將不會(huì)被提供給負(fù)載14。
[0077] 因此，如果負(fù)載14需要更多功率，則可W關(guān)斷可變阻抗22,而如果負(fù)載需要更少功 率，則可W接通可變阻抗。為了判斷何時(shí)應(yīng)當(dāng)關(guān)斷和接通可變阻抗，接收器控制器19可W判 斷負(fù)載的功率需求并相應(yīng)地控制可變阻抗。在一個(gè)實(shí)施例中，接收器控制器可W感測(cè)供應(yīng) 給負(fù)載的電壓(Vload)，然后可W將該電壓與參考電壓(Vref)進(jìn)行比較來(lái)判定需要提給更多 還是更少的功率。
[0078] 如果保持可變阻抗22關(guān)斷，則提供給負(fù)載14的功率將為第一值。如果保持可變阻 抗接通，則提供給負(fù)載的功率將為第二值。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)可變阻抗接通和可變阻抗關(guān)斷的 時(shí)間比例，可W在第一值與第二值之間的范圍中調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率。
[0079] 圖4a和圖4b示出了根據(jù)本發(fā)明的不同實(shí)施例的與控制接收器禪合電路20(如圖2 和圖3a中所示）的M0SFET開(kāi)關(guān)相關(guān)聯(lián)的波形。
[0080] 圖4a示出了與零電流切換相關(guān)聯(lián)的波形。如果需要提供更少的功率給負(fù)載，則接 通開(kāi)關(guān)。如果需要提供更多的功率給負(fù)載，則關(guān)斷開(kāi)關(guān)。然而，為了使開(kāi)關(guān)中的損失最小，控 制器可W被配置成檢測(cè)經(jīng)由開(kāi)關(guān)的電流的電流過(guò)零，并控制柵極電壓，使得開(kāi)關(guān)僅當(dāng)經(jīng)由 開(kāi)關(guān)的電流為零時(shí)關(guān)斷。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，運(yùn)將需要合適的零電流檢測(cè)電路。因 此，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)關(guān)斷和接通的時(shí)間比例，可W調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率。
[0081] 圖4b示出了與起停式控制相關(guān)聯(lián)的波形。除了控制器不檢測(cè)電流過(guò)零W及直接響 應(yīng)于負(fù)載的變化而關(guān)斷開(kāi)關(guān)之外，起停式控制與W上類似。雖然運(yùn)簡(jiǎn)化了控制電路，運(yùn)可能 導(dǎo)致開(kāi)關(guān)中的不期望的損失。
[0082] 圖4c示出與控制圖3b中所示的接收器禪合電路的M0SFET開(kāi)關(guān)相關(guān)聯(lián)的波形。在此 實(shí)施例中，獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)各個(gè)開(kāi)關(guān)。例如，當(dāng)接通第一開(kāi)關(guān)40時(shí)44(例如，Vgi成為"高"），正電流 將在禪合線圈中流動(dòng)（由通過(guò)接收線圈在禪合線圈中誘生的電壓導(dǎo)致）。此電流將回到零 45。控制器適當(dāng)?shù)嘏渲贸蓹z測(cè)此過(guò)零。此過(guò)零用來(lái)判斷流經(jīng)禪合線圈的電流的相位。然后在 第一延時(shí)ti之后接通第二開(kāi)關(guān)41(例如，VG2成為"高"）46。運(yùn)將導(dǎo)致負(fù)電流流經(jīng)禪合線圈。當(dāng) 電流再次回到零時(shí)，過(guò)零47被檢測(cè)到，且在再次接通第一開(kāi)關(guān)之前施加第二延時(shí)t2。如果使 延時(shí)變得更長(zhǎng)(例如，圖4c的波形的區(qū)域49中所示的ti'和t2'），則更少的電流將在禪合線圈 中流動(dòng)，且流動(dòng)更短的時(shí)間。因此，將認(rèn)識(shí)到的是，通過(guò)控制延時(shí)的長(zhǎng)度，控制器可W改變流 經(jīng)禪合線圈的電流的量，從而可W調(diào)節(jié)給負(fù)載的功率?？蒞立即施加此延遲（即，分別在圖 4c的區(qū)域44和45中所示的ti/t2或然而，由于一些控制器可能不能快速檢測(cè)過(guò)零 然后在此時(shí)間之內(nèi)產(chǎn)生合適的輸出，因此將認(rèn)識(shí)到的是，可W在檢測(cè)到過(guò)零(從其開(kāi)始對(duì)延 遲計(jì)數(shù)）之后對(duì)若干半周期時(shí)施加延時(shí)。開(kāi)關(guān)可W被控制使得第一延時(shí)與第二延時(shí)相等 (即，如圖4c中所示，其中，tl = t2,且扣'=*2'）。在可選實(shí)施例中，第一延時(shí)與第二延時(shí)可^ 不同。
[0083] 圖4c還示出了關(guān)斷開(kāi)關(guān)的兩種方法。在區(qū)域44中所示的第一方法中，在接通第二 開(kāi)關(guān)41之后一些時(shí)間時(shí)關(guān)斷第一開(kāi)關(guān)(例如，Vgi成為"低"）。運(yùn)樣的好處在于其使第一開(kāi)關(guān) 關(guān)斷且電流必須流經(jīng)體二極管42運(yùn)期間的時(shí)間αι最小。類似地，在接通第一開(kāi)關(guān)40之后一 些時(shí)間時(shí)關(guān)斷第二開(kāi)關(guān)41(例如，VG2成為"低"）。運(yùn)樣的好處在于其使第二開(kāi)關(guān)關(guān)斷且電流 必須流經(jīng)體二極管43運(yùn)期間的時(shí)間02最小。
[0084] 在區(qū)域45中所示的另一方法中，在接通另一開(kāi)關(guān)的同時(shí)關(guān)斷開(kāi)關(guān)。也就是說(shuō)，在接 通第二開(kāi)關(guān)42時(shí)關(guān)斷第一開(kāi)關(guān)40, W及在接通第一開(kāi)關(guān)40時(shí)關(guān)斷第二開(kāi)關(guān)41。運(yùn)導(dǎo)致W 50%的占空比、180度異相來(lái)操作開(kāi)關(guān)。
[0085] 在另一實(shí)施例中，接收器禪合電路可W用來(lái)將接收器諧振電路調(diào)諧至諧振頻率或 某一其他目標(biāo)頻率。在此實(shí)施例中，接收器禪合電路不用來(lái)調(diào)節(jié)給負(fù)載的功率，而是保證從 感應(yīng)功率發(fā)送器至感應(yīng)功率接收器的最優(yōu)功率傳輸。因此，感應(yīng)功率發(fā)送器和/或感應(yīng)功率 接收器可W包括用于調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率的一些其他方式。
[0086] 在又一實(shí)施例中，接收器禪合電路可W用來(lái)對(duì)從接收線圈反射至發(fā)送線圈的阻抗 進(jìn)行調(diào)制?？蒞控制接收器禪合電路的可變阻抗來(lái)調(diào)節(jié)在第一阻抗與第二阻抗之間的反射 阻抗。
[0087] 例如，當(dāng)可變阻抗關(guān)斷時(shí)，可變阻抗將在禪合線圈兩端呈現(xiàn)無(wú)限阻抗。因此，在禪 合線圈中將無(wú)電流流動(dòng)（即，電流流動(dòng)將受限），且禪合線圈將對(duì)反射阻抗無(wú)影響。因此，接 收線圈將反射第一阻抗。
[0088] 當(dāng)接通可變阻抗時(shí)，可變阻抗將在非諧振線圈兩端呈現(xiàn)零阻抗。因此，電流將能夠 在禪合線圈中流動(dòng)，且禪合線圈將防止通量進(jìn)入接收線圈。因此，接收線圈將反射第二阻 抗。
[0089] W此方式，接收器禪合電路可W用來(lái)對(duì)反射阻抗進(jìn)行調(diào)制。由于此調(diào)制是在兩個(gè) 狀態(tài)（即，第一阻抗和第二阻抗)之間，因此運(yùn)可W用來(lái)將二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)編碼成反射阻抗。 將認(rèn)識(shí)到的是，運(yùn)然后可W用來(lái)將數(shù)據(jù)從感應(yīng)功率接收器傳送給感應(yīng)功率發(fā)送器。接收器 控制器可W適當(dāng)?shù)嘏渲贸筛鶕?jù)需要傳送的數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)控制可變阻抗。此外，感應(yīng)功率發(fā)送 器可W包括用來(lái)檢測(cè)和解碼反射阻抗中的數(shù)據(jù)信號(hào)的合適的檢測(cè)電路。
[0090] 從W上圖1至圖4c的討論，禪合電路可W用來(lái)調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率。禪合電路也 可W用來(lái)控制由發(fā)送器諧振電路發(fā)送的功率或由接收器諧振電路接收的功率。禪合電路還 可W用來(lái)從感應(yīng)功率發(fā)送器或感應(yīng)功率接收器傳送數(shù)據(jù)。
[0091] 雖然圖1示出了感應(yīng)功率發(fā)送器和感應(yīng)功率接收器二者中的禪合電路，但是可W 期望使禪合電路僅包括在感應(yīng)功率發(fā)送器或感應(yīng)功率接收器中。運(yùn)將取決于IPT系統(tǒng)的具 體實(shí)施方式是適于發(fā)送器側(cè)功率控制還是接收器側(cè)控制。
[0092] 在IPT系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，僅感應(yīng)功率接收器包括禪合電路（即，接收器側(cè)控 制）。對(duì)于此實(shí)施例，感應(yīng)功率發(fā)送器可W配置有合適的發(fā)送線圈，該發(fā)送線圈可W為諧振 的或者可W不是諧振的。
[0093] 在另一實(shí)施例中，還可W實(shí)施功率控制的方法的組合。例如，可W在感應(yīng)功率發(fā)送 器(如上所述）中包括禪合電路W控制從發(fā)送器至接收器的功率W及在感應(yīng)功率接收器中 包括調(diào)節(jié)器W調(diào)節(jié)從接收器提供給負(fù)載的功率。
[0094] 圖5示出了 IPT系統(tǒng)26的又一實(shí)施例的代表。該IPT系統(tǒng)包括W上關(guān)于圖1所討論的 感應(yīng)功率發(fā)送器2和感應(yīng)功率接收器3。然而，在此實(shí)施例中，感應(yīng)功率發(fā)送器還包括發(fā)送器 飽和線圈27和發(fā)送器DC源28,而感應(yīng)功率接收器還包括接收器飽和線圈29和接收器DC源 30 〇
[00M] 發(fā)送器DC源28產(chǎn)生DC電流。發(fā)送器DC源連接至發(fā)送器飽和線圈27。發(fā)送器飽和線 圈與導(dǎo)磁忍13相關(guān)聯(lián)。運(yùn)將取決于導(dǎo)磁忍的具體幾何結(jié)構(gòu)。例如，發(fā)送器飽和線圈可W圍繞 導(dǎo)磁忍繞纏。
[0096]發(fā)送器飽和線圈27被配置成當(dāng)DC電流從發(fā)送器DC源28供應(yīng)給發(fā)送器飽和線圈時(shí) 影響導(dǎo)磁忍13的飽和。發(fā)送器控制器9可W控制發(fā)送器DC源來(lái)控制供應(yīng)給發(fā)送器飽和線圈 的DC電流。通過(guò)控制此DC電流，可W控制導(dǎo)磁忍的飽和。將認(rèn)識(shí)到的是，隨著飽和改變，導(dǎo)磁 忍的磁導(dǎo)率也改變。由于發(fā)送線圈7與接收線圈16之間的禪合依賴于導(dǎo)磁忍的磁導(dǎo)率，因此 通過(guò)控制導(dǎo)磁忍的磁導(dǎo)率，可W控制發(fā)送線圈與接收線圈之間的禪合，從而可W控制從發(fā) 送器2傳輸給接收器3的功率。例如，當(dāng)供應(yīng)給發(fā)送器飽和線圈的DC電流增加時(shí)，導(dǎo)磁忍的飽 和也將增加，而磁導(dǎo)率將相應(yīng)地減小。由于磁導(dǎo)率減小，因此發(fā)送線圈與接收線圈之間的禪 合減小。因此，更少的功率將從發(fā)送線圈傳輸給接收線圈，最終更少的功率被提供給負(fù)載 14。因此將認(rèn)識(shí)到，通過(guò)控制供應(yīng)給發(fā)送器飽和線圈的DC電流，可W調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功 率。
[0097] 在具體實(shí)施例中，發(fā)送器控制器9可W控制發(fā)送器禪合電路12(如上所述)和發(fā)送 器DC源28(如上所述)二者來(lái)調(diào)節(jié)提供給負(fù)載14的功率。每種功率控制方法可W被配置成給 出不同量的控制精度。例如，發(fā)送器控制器可W實(shí)現(xiàn)：
[0098] *通過(guò)控制發(fā)送器禪合電路來(lái)粗略調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率;W及
[0099] *通過(guò)控制發(fā)送器DC源來(lái)精細(xì)調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率。
[0100] 再次參見(jiàn)圖5,接收器DC源30產(chǎn)生DC電流。接收器DC源連接至接收器飽和線圈29。 接收器飽和線圈與導(dǎo)磁忍23相關(guān)聯(lián)。運(yùn)將取決于導(dǎo)磁忍的具體幾何結(jié)構(gòu)。例如，接收器飽和 線圈可W圍繞導(dǎo)磁忍繞纏。
[0101] 接收器飽和線圈29被配置成當(dāng)DC電流從接收器DC源30供應(yīng)給接收器飽和線圈時(shí) 影響導(dǎo)磁忍23的飽和。接收器控制器可W控制接收器DC源來(lái)控制供應(yīng)給接收器飽和線圈的 DC電流。通過(guò)控制此DC電流，可W控制導(dǎo)磁忍的飽和。將認(rèn)識(shí)到的是，當(dāng)飽和改變時(shí)，導(dǎo)磁忍 的磁導(dǎo)率也改變。由于接收線圈16與發(fā)送線圈17之間的禪合依賴于導(dǎo)磁忍的磁導(dǎo)率，因此 通過(guò)控制導(dǎo)磁忍的磁導(dǎo)率，可W控制接收線圈與發(fā)送線圈之間的禪合，從而可W控制由接 收器3從發(fā)送器2接收的功率。例如，當(dāng)供應(yīng)給接收器飽和線圈的DC電流增加時(shí)，導(dǎo)磁忍的飽 和也將增加，而磁導(dǎo)率將相應(yīng)地減小。由于磁導(dǎo)率減小，因此接收線圈與發(fā)送線圈之間的禪 合減小。因此，接收線圈將從發(fā)送線圈接收更少的功率，最終更少的功率被提供給負(fù)載14。 因此，將認(rèn)識(shí)到，通過(guò)控制供應(yīng)給接收器飽和線圈的DC電流，可W調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率。
[0102] 在具體實(shí)施例中，接收器控制器19可W控制接收器禪合電路20(如上所述)和接收 器DC源30(如上所述)二者來(lái)調(diào)節(jié)提供給負(fù)載14的功率。每種功率控制方法可W被配置成給 出不同量的控制精度。例如，接收器控制器可W實(shí)現(xiàn)：
[0103] *通過(guò)控制接收器禪合電路來(lái)粗略調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率;W及
[0104] *通過(guò)控制接收器DC源來(lái)精細(xì)調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率。
[0105] 圖6示出了圖2的感應(yīng)功率接收器3的又一實(shí)施例，該實(shí)施例還包括接收器飽和線 圈29和接收器DC源30。接收線圈16、禪合線圈17和接收器飽和線圈29全部都與導(dǎo)磁忍23相 關(guān)聯(lián)。
[0106] 接收器飽和線圈29連接至接收器DC源30。接收器飽和線圈可W連接至限流電阻器 31。接收器飽和線圈也可W連接至濾波電容器32來(lái)濾除可能無(wú)意間被接收器飽和線圈拾取 的AC電流。
[0107] 在此具體實(shí)施例中，接收器DC源30包括緩沖存儲(chǔ)器33和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)34。接收 器DC源連接至接收器控制器19。該控制器被配置成感測(cè)提供給負(fù)載的電壓(Vload)，該電壓 然后與參考電壓(Vref)進(jìn)行比較。此信息用來(lái)產(chǎn)生用于控制接收器DC源的控制信號(hào)。具體 地，DAC用來(lái)為緩沖器設(shè)置電壓電平W提供所需的流經(jīng)接收器飽和線圈29的DC電流。
[0108] 如果需要提供更多的功率給負(fù)載14,則減小供應(yīng)給接收器飽和線圈29的DC電流。 運(yùn)將增加導(dǎo)磁忍23的磁導(dǎo)率，并增加由接收器諧振電路13接收的功率。與此相反，如果需要 提供更少的功率給負(fù)載，則增加供應(yīng)給接收器飽和線圈的DC電流。運(yùn)將減小導(dǎo)磁忍的磁導(dǎo) 率，并減小由接收器諧振電路接收的功率。
[0109] 接收器控制器19可W能夠控制接收器禪合電路20和接收器DC源30二者。在具體實(shí) 施例中，接收器控制器可W被配置成同時(shí)地控制接收器禪合電路和接收器DC源二者。
[0110] 將認(rèn)識(shí)到，雖然圖5示出了發(fā)送器2和接收器3二者都包括飽和線圈27和29,但是可 W期望僅在感應(yīng)功率發(fā)送器或感應(yīng)功率接收器中包括飽和線圈。運(yùn)將取決于IPT系統(tǒng)的具 體實(shí)施方式是適于發(fā)送器側(cè)功率控制還是接收器側(cè)功率控制。
[0111] 如早先所討論的，發(fā)送器禪合電路10和接收器禪合電路20的禪合線圈11和21被配 置成與相應(yīng)的發(fā)送線圈7和接收線圈16極為貼近W提供緊密禪合。運(yùn)樣的自身的緊密禪合 提供較高的禪合系數(shù)k，例如，大于大約0.6。增加禪合系數(shù)增加了功率流控制的水平，并提 供了對(duì)發(fā)送器2和/或接收器3的更有效的操作。通過(guò)確保發(fā)送線圈和接收線圈W及相關(guān)聯(lián) 的禪合線圈之間的禪合沿線圈較完整且均勻，可W提供增加。圖7a至圖7c示出了本發(fā)明的 增加功率流控制禪合的水平的示例性實(shí)施例。
[0112] 在圖7a至圖7c中，禪合單元35被示出為對(duì)應(yīng)于位于按照常規(guī)矩形配置的導(dǎo)磁元件 23上的接收線圈16和禪合線圈21的對(duì)。要理解的是，雖然在圖7a至圖7c中圖示了接收器3的 組件，但當(dāng)在IPT系統(tǒng)中提供了發(fā)送器2的類似組件時(shí)，該圖示和下面的描述也可應(yīng)用于發(fā) 送器2的類似組件。此外，雖然在附圖中示出了元件23的常規(guī)矩形配置W及線圈16和21的常 規(guī)楠圓配置，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員理解也可應(yīng)用其他配置和形狀。
[0113] 在禪合單元中，線圈16和21被配置為從線股繞纏成線圈形狀W各自具有特定應(yīng) 數(shù)。具體地，沿箭頭A的方向一起繞纏線圈16和21，使得禪合線圈21的線股與接收線圈16互 相繞纏。W此方式，線圈16與線圈21之間的禪合基本上均勻且完整地沿接收線圈設(shè)置，從而 增加了禪合系數(shù)。
【申請(qǐng)人】已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大于0.8的禪合系數(shù)很可能取決于線圈16與線圈21的互 相繞纏方式。例如，可W互相繞纏接收線圈和禪合線圈W在其間提供大于大約0.8的禪合系 數(shù)k，W及在之后描述的具體實(shí)施例中，互相繞纏接收線圈和禪合線圈W在其間提供大于大 約0.9的禪合系數(shù)k。
[0114] 對(duì)于互相繞纏的方式，通過(guò)同時(shí)地繞纏線圈16和21W及在同一位置處開(kāi)始繞纏線 圈16和21二者（16S和21S)且在同一位置處結(jié)束繞纏線圈16和21二者（16F和21F)，使得禪合 系數(shù)最大成為可能。此過(guò)程通過(guò)在導(dǎo)磁元件23中提供槽36(如圖7b和圖7c中所示）來(lái)輔助， 使得線圈的繞纏在線圈的中屯、或內(nèi)部處開(kāi)始，并向外周放射或者向線圈的外部放射，而不 增加互相繞纏線圈的總厚度，由此使互相繞纏線圈的形狀因子最小，該形狀因子對(duì)于需要 IPT電路最小化或需要IPT電路為有限尺寸的IPT系統(tǒng)的應(yīng)用是重要的。
[0115] 繞纏多股線來(lái)提供多應(yīng)線圈是眾所周知的。例如，可W繞纏雙線線圈（即，具有兩 股線)來(lái)提供禪合單元35。然而，運(yùn)樣的雙線繞纏僅可應(yīng)用于接收線圈與禪合線圈具有相同 應(yīng)數(shù)的禪合單元。
【申請(qǐng)人】已經(jīng)發(fā)現(xiàn)線圈16與21的不同應(yīng)數(shù)可能更優(yōu)W均衡與禪合電路20相 關(guān)聯(lián)電路的電壓和電流要求。即，特定應(yīng)數(shù)比允許對(duì)電路組件值的特定選擇W提供預(yù)定特 性，諸如功率發(fā)送器和/或功率接收器的功率輸出、功率損失、效率等。
[0116] 不同的應(yīng)數(shù)比可W通過(guò)繞纏不同股線數(shù)的多線來(lái)提供。例如，接收線圈對(duì)禪合線 圈的2:1的應(yīng)數(shù)比可W通過(guò)如圖8中所示繞纏的Ξ線線圈（即，Ξ股線i、ii和iii)來(lái)提供。然 而，在運(yùn)W及任何其他的多線示例中，必須對(duì)特定股線進(jìn)行互連37W提供要求的應(yīng)數(shù)比，運(yùn) 使得繞纏過(guò)程復(fù)雜，且僅整數(shù)倍的應(yīng)數(shù)比是可能的。
[0117] 圖9a至圖化圖示了本發(fā)明的示例性實(shí)施例的繞纏過(guò)程的連續(xù)步驟，其中，提供了 大約2:1的應(yīng)數(shù)比同時(shí)確保接收線圈與禪合線圈基本上均勻和完整的禪合。在此實(shí)施例中， 通過(guò)使用在高性能鐵氧體材料23(例如，MN95)上繞纏150股的0.05mm直徑的絞合線股線而 成的線圈來(lái)獲得大于0.9至大約0.96的禪合系數(shù)k，其中，接收器3的功率輸出在1.5A的電流 和110K化的工作頻率處大約為7.抓?，F(xiàn)在將描述示例性繞纏過(guò)程。
[0118] 圖9a圖示了禪合單元的內(nèi)部形式38。該內(nèi)部形式可W被設(shè)置為不形成最終禪合單 元的一部分的"夾具"元件?？蛇x地，內(nèi)部形式38可W為鐵氧體元件的突出，從而形成最終禪 合單元的一部分。此外，內(nèi)部形式38被圖示為矩形，然而，如早先所述，其他形狀也是可能 的。
[0119] 在圖9b中，圍繞內(nèi)部形式38從16S開(kāi)始形成接收線圈股線的"全應(yīng)"，即，360度。然 后，在禪合線圈從21S開(kāi)始的情況下形成接收線圈股線和禪合線圈股線二者的"四分之一 應(yīng)"，即90度（圖9c)。要理解的是，16S與21S的相對(duì)位置被設(shè)置W用于說(shuō)明的目的，而非代表 例如圖化和圖7c中所示的實(shí)際位置。
[0120] 接下來(lái)，如圖9d中所示，在接收線圈股線16交疊禪合線圈股線21或反之的情況下 形成兩線圈股線的"四分之一應(yīng)"。交疊的點(diǎn)39a被設(shè)置在股線的有限區(qū)域中或貫穿股線的 相關(guān)聯(lián)的"應(yīng)"。此交疊導(dǎo)致禪合線圈股線21與接收線圈股線16相對(duì)于內(nèi)部形式38交換或?qū)?調(diào)位置。從進(jìn)一步示出的繞纏方法步驟將變得明顯的是，此相對(duì)位置的交換提供基本上均 勻的W所需2:1應(yīng)數(shù)比的兩股線的繞纏。此時(shí)，相對(duì)于起始，接收線圈16具有1.5應(yīng)，而禪合 線圈21具有0.5應(yīng)，交疊39a為"半應(yīng)"，即，180度?？蒞任意選擇交疊的"應(yīng)"位置，然而，申請(qǐng) 人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使相對(duì)股線位置的對(duì)調(diào)偏離繞纏起始位置和結(jié)束位置(例如，在從起始位置開(kāi) 始"半應(yīng)"期間進(jìn)行交疊似及將股線恰當(dāng)?shù)?封裝"或匯聚在一起提供相當(dāng)緊湊且均勻的線 圈股線纏繞。
[0121] 接下來(lái)，形成兩線圈股線的"四分之一應(yīng)"（圖9e)，然后形成接收線圈股線16的"全 應(yīng)"（圖9f)。要注意的是，運(yùn)些步驟為了說(shuō)明方便而分開(kāi)說(shuō)明，且在可能的時(shí)候可W根據(jù)采 用的封裝方式而與圖9a至圖9p的其他連續(xù)步驟中的任意步驟組合，使得繞纏過(guò)程可W部分 地或完全地連續(xù)執(zhí)行。從圖9f可W看出的是，接收線圈股線16現(xiàn)在再次與禪合線圈股線21 交換相對(duì)位置。
[0122] 接下來(lái)，如圖9g中所示，在接收線圈股線16交疊禪合線圈股線21或反之的情況下， 形成兩線圈股線的"四分之一應(yīng)"。此第二交疊的點(diǎn)39b被設(shè)置在股線的有限區(qū)域中或貫穿 股線的相關(guān)聯(lián)的"應(yīng)"。此第二交疊導(dǎo)致禪合線圈股線21再次與接收線圈股線16相對(duì)于內(nèi)部 形式38交換或?qū)φ{(diào)位置。此時(shí)，相對(duì)于起始，接收線圈16具有3.0應(yīng)而禪合線圈21具有1.0 應(yīng)，交疊39b位于"全應(yīng)"處。可W任意選擇第二交疊的"應(yīng)"位置，然而
【申請(qǐng)人】已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在開(kāi) 始之后的"全應(yīng)"期間進(jìn)行交疊 W及因而在第一交疊之后的"半應(yīng)"期間進(jìn)行交疊 W及將股 線封裝在一起提供相當(dāng)緊湊的線圈股線繞纏。
[0123] 接下來(lái)，形成兩線圈股線的"四分之Ξ應(yīng)"，即，270度（圖化）。然后，形成接收線圈 股線16的"全應(yīng)"（圖9i )，由此再次對(duì)調(diào)相對(duì)股線位置。然后形成兩線圈股線的"半應(yīng)"（圖 9j)。
[0124] 接下來(lái)，如圖9k中所示，在接收線圈股線16交疊禪合線圈股線21或反之的情況下， 形成兩線圈股線的"四分之一應(yīng)"，由此在"半應(yīng)"期間再次對(duì)調(diào)相對(duì)股線位置。此第Ξ交疊 的點(diǎn)39c被設(shè)置在股線的有限區(qū)域中或貫穿股線的相關(guān)聯(lián)的"應(yīng)"。此時(shí)，接收線圈16具有 5.5應(yīng)，而禪合線圈21具有2.5應(yīng)。
[0125] 接下來(lái)，形成兩線圈股線的"四分之一應(yīng)"（圖91)，然后形成接收線圈股線16的"全 應(yīng)"（圖9m)。
[0126] 接下來(lái)，如圖化中所示，在接收線圈股線16交疊禪合線圈股線21或反之的情況下， 形成兩線圈股線的"四分之一應(yīng)"，由此在"全應(yīng)"期間再次對(duì)調(diào)相對(duì)股線位置。此第四交疊 的點(diǎn)39d被設(shè)置在股線的有限區(qū)域中或貫穿股線的相關(guān)聯(lián)的"應(yīng)"。此時(shí)，接收線圈16具有 7.0應(yīng)，而禪合線圈21具有3.0應(yīng)。
[0127] 接下來(lái)，形成兩線圈股線的"四分之Ξ應(yīng)"（圖9〇)。然后，形成兩線圈股線的"四分 之一應(yīng)"（圖9p)至結(jié)束位置16F和21F。此時(shí)，接收線圈16具有8.0應(yīng)，而禪合線圈21具有4.0 應(yīng)，由此提供最終應(yīng)數(shù)比2:1。
[0128] 上述的繞纏方法是提供2:1的應(yīng)數(shù)比的示例性實(shí)施例?？蒞看出的是，通常遵從步 驟模式，由此可W重復(fù)步驟組或塊來(lái)提供具有具體應(yīng)用所需的尺寸和配置的線圈的禪合單 元。此外，包括各個(gè)股線的應(yīng)數(shù)、交疊/對(duì)調(diào)的相對(duì)位置、相對(duì)開(kāi)始和結(jié)束位置、每組步驟重 復(fù)的次數(shù)等的具體步驟通?？筛鶕?jù)期望的配置來(lái)選擇。例如，下面的表1圖示了步驟的重復(fù) 模式W提供具有12.0應(yīng)接收線圈和6.0應(yīng)禪合線圈、具有90度的股線對(duì)調(diào)偏離的2:1應(yīng)數(shù)比 的禪合單元：
[0129] 表1
[0130]
[0131]
[0132] 圖10示出了ΙΡΤ系統(tǒng)100的又一實(shí)施例的代表。ΙΡΤ系統(tǒng)100包括具有與W上關(guān)于圖 1所討論的發(fā)送器和接收器具有類似功能和操作的組件的感應(yīng)功率發(fā)送器102和感應(yīng)功率 接收器103。
[0133] 目P，連接至合適的電源104(諸如主電源）的發(fā)送器2包括:發(fā)送器電路105,具有發(fā) 送器的操作可能必須的電路;一個(gè)或多個(gè)發(fā)送器諧振電路106,每個(gè)發(fā)送器諧振電路連接至 發(fā)送器電路105,且包括并聯(lián)或串聯(lián)連接至一個(gè)或多個(gè)調(diào)諧元件108(諸如發(fā)送器電容器）的 發(fā)送線圈107W形成諧振電路(然而，非諧振實(shí)施例也可W應(yīng)用），在該諧振電路中，發(fā)送器 線圈107因來(lái)自發(fā)送器電路105的AC電流供應(yīng)而產(chǎn)生交變磁場(chǎng);發(fā)送器控制器109,連接至發(fā) 送器的各個(gè)部件并控制發(fā)送器的各個(gè)部件；W及與發(fā)送線圈107相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)磁元件或?qū)Т?忍 113。
[0134] 此外，感應(yīng)功率接收器103包括:接收器諧振電路115,包括與一個(gè)或多個(gè)調(diào)諧元件 117(諸如接收器電容器)并聯(lián)或串聯(lián)連接的接收線圈116W形成具有與發(fā)送器諧振電路106 的諧振頻率或發(fā)送線圈107的頻率基本上匹配的諧振頻率的諧振電路;接收器電路118,連 接在接收器諧振電路115與負(fù)載114之間，且具有接收器的操作可能必須的電路；W及接收 器控制器119,連接至接收器的各個(gè)部件且控制接收器的各個(gè)部件。然而，在此實(shí)施例中，感 應(yīng)功率接收器103包括與早先描述的實(shí)施例的禪合電路不同地配置的接收器禪合電路120。
[0135] 類似于早先的禪合電路，接收器禪合電路120包括禪合線圈或功率流控制線圈121 和可變阻抗122,而不同于早先的禪合電路的是，接收器禪合電路120可W通過(guò)包括與禪合 線圈并聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)調(diào)諧元件124(諸如禪合電容器)而成為諧振電路。
[0136] 接收器禪合線圈121磁禪合至接收線圈116。運(yùn)種磁禪合可W通過(guò)將接收器禪合線 圈121與接收線圈116配置成極為貼近和/或共享導(dǎo)磁忍123來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此實(shí)施例中，接收線 圈與禪合線圈之間的與早先描述的實(shí)施例中的緊密禪合相反的有點(diǎn)"松散"的禪合提供有 效的功率流控制/調(diào)節(jié)。例如，如果k康示發(fā)送線圈107與接收線圈116之間的禪合，k康示發(fā) 送器102的發(fā)送線圈107與接收器禪合線圈121之間的禪合，W及k3表示接收線圈116與接收 器禪合線圈121之間的禪合。由于兩個(gè)接收器線圈繞纏早同一忍上且關(guān)于發(fā)送線圈107具有 相同的物理?xiàng)l件kl = k2。為了維持穩(wěn)定的控制，k3可W從最大禪合(1.0)至任何大于ki或k2的 值變化，假定如果ki = k2 = 0.5，那么大約0.5 < k3 <大約1.0，其中，ki和k2取決于接收器線圈 相對(duì)于發(fā)送器線圈的布置，且可W從大約0.1至大約0.8變化。
[0137] 如下面將更詳細(xì)地描述的，接收器控制器119控制接收器禪合電路來(lái)影響由接收 器諧振電路接收的功率(從而調(diào)節(jié)提供給負(fù)載114的功率），或者來(lái)調(diào)節(jié)反射阻抗(例如，用 于發(fā)送器與接收器之間的IPT通信）。具體地，并聯(lián)調(diào)諧的禪合線圈形成電流源，W及輸出電 壓通過(guò)偏移相對(duì)于主接收器線圈的相位來(lái)調(diào)節(jié)。因?yàn)槎U合線圈用作電流源，所W此實(shí)施例 可W通過(guò)使可變阻抗的開(kāi)關(guān)Si和S2的柵極信號(hào)交疊來(lái)調(diào)節(jié)該電壓。運(yùn)可W降低另外需要的 用作安全裕度W避免開(kāi)關(guān)同時(shí)地工作的"空檔時(shí)間"（dead time)。開(kāi)關(guān)Si和S2是單向的，諸 如具有體二極管的FET、M0SFET等。
[0138] 圖11示出了接收器禪合線圈電路和接收線圈電路。接收器禪合線圈化S2)與電容器 (CS2)并聯(lián)調(diào)諧W形成受控電流源，W及可W對(duì)接收線圈化S1)串聯(lián)或并聯(lián)調(diào)諧而形成給負(fù) 載供電的電源。
[0139] 在圖12中，比例-積分-微分(PID)控制器判斷輸出電壓誤差來(lái)產(chǎn)生DC信號(hào)。磁禪合 系數(shù)kl和k2基本上相等，因此發(fā)送(主）線圈和接收(次）線圈W及禪合線圈之間的互感(M) 相等。同時(shí)，禪合線圈兩端的電壓的相位通過(guò)合適的比較器來(lái)檢測(cè)，相應(yīng)地產(chǎn)生與初始相位 具有相同頻率的兩個(gè)斜坡波形，然后運(yùn)兩個(gè)斜坡與從PID控制器產(chǎn)生的DC信號(hào)進(jìn)行比較，然 后W圖13中所示的方式產(chǎn)生柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。例如，當(dāng)DC信號(hào)(PID控制器的輸出）高于斜坡信 號(hào)時(shí)，柵極信號(hào)為高，W及當(dāng)斜坡信號(hào)高于DC信號(hào)時(shí)，柵極信號(hào)為低。對(duì)于其他柵極驅(qū)動(dòng)信 號(hào)運(yùn)類似地發(fā)生。
[0140] 產(chǎn)生的柵極信號(hào)不是彼此反相的，且他們?cè)谔囟〞r(shí)間期間交疊。產(chǎn)生的柵極信號(hào) 與電壓的初始相位在相位上有偏移。圖13示出Vab作為從Cs巧端測(cè)量的Ls2的諧振電路(儲(chǔ)能 回路(tank))電壓波形的差。當(dāng)兩個(gè)開(kāi)關(guān)Si和S2都接通時(shí)，諧振電壓Vab短路了時(shí)間Tsh，W及 當(dāng)開(kāi)關(guān)中的一個(gè)關(guān)斷時(shí)，諧振電壓Vab在正常諧振模式中工作(例如，無(wú)功率流調(diào)節(jié)）了時(shí)間 Tr。當(dāng)在Tsh期間兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)地都接通時(shí)，開(kāi)關(guān)的體二極管將不會(huì)導(dǎo)通，運(yùn)有助于降低電路 損失。對(duì)于高功率要求(即，更高的化Ut)，因?yàn)镻ID控制器允許更多的功率被提供給負(fù)載，因 此短路時(shí)間減小，W及當(dāng)負(fù)載所需的功率減小時(shí)，短路時(shí)間增加 W使并聯(lián)諧振儲(chǔ)能回路短 路，使得供應(yīng)給負(fù)載的能量減少。
[0141]圖14示出了開(kāi)關(guān)的錯(cuò)位作用如何在等效開(kāi)路電壓與電容器電壓波形之間產(chǎn)生相 位偏移。傳輸?shù)墓β士蒞通過(guò)等式(1)來(lái)估算，等式(1)示出了 ：
[01創(chuàng)
…
[0143] 其中，θν是禪合線圈的開(kāi)路電壓(V0C2)與Cs巧端電壓的基波(Vci)之間的角度。運(yùn)描 述了在具有給定的幅度和已知相位差的兩個(gè)有源電壓源之間傳輸?shù)墓β实牧?。傳輸?shù)墓β?依賴于電壓幅度和兩個(gè)電壓源之間的相位。對(duì)于零相位延遲，電壓Vco與Vci之間的相位為 〇°，且最大的功率被傳輸給負(fù)載。而當(dāng)電壓V0C2與Vci之間的相位大于0°時(shí)，如等式(1)所給出 的，更少的功率被傳輸。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)此相位延遲，可W控制遞送給負(fù)載的功率。
[0144] 圖15示出了禪合電路的四個(gè)不同工作模式(模式1至4)的等效電路?，F(xiàn)在來(lái)討論運(yùn) 些。
[0145] 模式正諧振模式(0<t<ti)，在t = 0處，Si關(guān)斷而S2接通。在此模式期間，Si 的體二極管化在其端子K處的電壓為正(Va>0)時(shí)反向偏置，運(yùn)導(dǎo)致Si兩端的電壓沿正方向 緩慢增加，而流經(jīng)其的電流減小至零。實(shí)際上，電容器電壓VS2與Ls2將像并聯(lián)諧振儲(chǔ)能回路 一樣諧振到正的峰值電壓W及返回至零。在此工作模式期間，在等式(2)中示出了二階控制 方程：
[0146]
。）
[0147] 模式2(M2):短路模式(ti<t<t2)，在t = ti處，電容器電壓自然地過(guò)零。此時(shí)，當(dāng)Si 按照從PID控制器輸出與斜坡信號(hào)之間的比較而產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)接通。由于S2仍然接通，因此 諧振循環(huán)終止，且防止電容器電壓沿負(fù)方向建立，由此將CS2兩端的電壓錯(cuò)位為零。運(yùn)導(dǎo)致Si 和S2在VS2從正電壓向負(fù)電壓改變的點(diǎn)處將VS2錯(cuò)位了時(shí)間Tsh。在此模式中，諧振儲(chǔ)能回路短 路，且短路電流流經(jīng)Si和S2。在此模式期間兩個(gè)體二極管化和化都短路。
[0148] 在此工作模式期間，在等式(3)中示出了一階控制方程：
[01 例
(3)
[0150] 如果流經(jīng)禪合線圈的短路電流為isc2 (t) = ISC2S inwt，則用等式(4)來(lái)替代：
[0151] 化s2(t) =v〇c2(t) = ω Ls2lsc2 COS ω t (4)
[0152] 流經(jīng)該電路的最大電流為由等式(5)給出的短路電流：
[0153] ,、 (5)
[0154] 模式3(M3):負(fù)諧振模式(t2<t<t3)，在t = t2處，Si接通而S2關(guān)斷。類似于M1，該電 路像并聯(lián)諧振儲(chǔ)能回路那樣工作至負(fù)峰值電壓并返回至零。在此模式期間，在其端子K處 的電壓為正(Vb>0)時(shí)反向偏置，運(yùn)導(dǎo)致S2兩端的電壓沿負(fù)方向緩慢增加，而流經(jīng)其的電流 減小至零。
[0155] 模式4(M4):短路模式(t3<t<t4)，在t = t3處，類似于M2,電容器電壓自然地過(guò)零。 此時(shí)，當(dāng)S2按照從PID控制器輸出與斜坡信號(hào)之間的比較而產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)接通。由于Si仍然 接通，因此諧振循環(huán)終止，且防止電容器電壓沿正方向建立，由此將CS2兩端的電壓錯(cuò)位為 零。運(yùn)導(dǎo)致Si和S2在VS2從負(fù)電壓向正電壓改變的點(diǎn)處將VS2錯(cuò)位了時(shí)間Tsh。諧振儲(chǔ)能回路短 路，且短路電流流經(jīng)Si和S2。在此模式期間兩個(gè)體二極管都短路。在此模式之后，該電路返回 至Ml，并重復(fù)切換過(guò)程。
[0156] 此實(shí)施例可W實(shí)現(xiàn)軟切換，軟切換允許低切換損失、低切換應(yīng)力和減小的EMI (電 磁干擾)水平。低切換損失可W提供高工作效率。此外，低EMI可W對(duì)附近的拾取系統(tǒng)和外部 系統(tǒng)的控制電路提供很少的干擾。
[0157] 本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，本文中描述的W及在所附權(quán)利要求中要求保護(hù)的各種實(shí)施 例提供有用的發(fā)明，至少給公眾提供了有用的選擇。
[0158] 雖然本發(fā)明已經(jīng)由其實(shí)施例的描述示出，W及雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了實(shí)施例，但是
【申請(qǐng)人】的意圖不在于限制或W任何方式將所附權(quán)利要求的范圍限制為運(yùn)些細(xì)節(jié)。對(duì)于本領(lǐng) 域技術(shù)人員，額外的優(yōu)點(diǎn)和修改將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明在其寬泛方面不局限于具體 細(xì)節(jié)、代表性裝置和方法W及示出和描述的說(shuō)明性示例。相應(yīng)地，在不脫離
【申請(qǐng)人】的總體發(fā) 明構(gòu)思的精神或范圍的情況下，可W偏離運(yùn)些細(xì)節(jié)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種感應(yīng)功率傳輸裝置，包括： 諧振電路，具有功率傳輸線圈和功率傳輸電容器； 耦合線圈，磁耦合至功率傳輸線圈； 可變阻抗；以及 控制器，被配置成基于預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定可變阻抗的阻抗值，包括： 實(shí)質(zhì)上調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率； 將諧振電路諧振頻率實(shí)質(zhì)上調(diào)諧至預(yù)定頻率； 調(diào)節(jié)與功率傳輸線圈相關(guān)聯(lián)的磁場(chǎng)的頻率;和/或 調(diào)節(jié)由功率傳輸線圈反射至對(duì)應(yīng)的耦合功率傳輸線圈的阻抗。2. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述裝置為用于感應(yīng)功率傳輸系統(tǒng)的感應(yīng)功率接收 器，所述諧振電路是接收器諧振電路，所述功率傳輸線圈是接收器線圈，所述功率傳輸電容 器是接收器電容器；以及，所述裝置還包括： 用于將功率從接收器諧振電路提供給負(fù)載的接收器電路。3. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述裝置是用于感應(yīng)功率傳輸系統(tǒng)的感應(yīng)功率發(fā)送 器，所述諧振電路是發(fā)送器諧振電路，所述功率傳輸線圈是發(fā)送器線圈，所述功率傳輸電容 器是發(fā)送器電容器；以及，所述裝置還包括： 用于將功率從電源提供給發(fā)送器諧振電路的發(fā)送器電路。4. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，耦合線圈和可變阻抗形成非諧振電路。5. 如權(quán)利要求4所述的裝置，其中，功率傳輸線圈與功率傳輸電容器串聯(lián)連接。6. 如權(quán)利要求2所述的裝置，其中，接收器電路包括用于將DC功率提供給負(fù)載的整流 器。7. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，控制器被配置成基于負(fù)載的功率需求來(lái)確定阻抗 值。8. 如權(quán)利要求7所述的裝置，其中，控制器被配置成確定可變阻抗改變著流經(jīng)耦合線圈 的電流的時(shí)間比例以調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率。9. 如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，控制器被配置成使用脈沖寬度調(diào)制來(lái)控制可變阻抗 改變著流經(jīng)耦合線圈的電流的時(shí)間比例。10. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，可變阻抗包括AC開(kāi)關(guān)。11. 如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括與功率傳輸線圈相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)磁芯。12. 如權(quán)利要求11所述的裝置，其中，功率傳輸線圈和耦合線圈在導(dǎo)磁芯上互相繞纏。13. 如權(quán)利要求12所述的裝置，其中，耦合線圈與功率傳輸線圈互相繞纏，使得貫穿功 率傳輸線圈的磁耦合實(shí)質(zhì)上均勻。14. 如權(quán)利要求13所述的裝置，其中，互相繞纏的功率傳輸線圈和耦合線圈的耦合系數(shù) k大于大約0.8。15. 如權(quán)利要求11所述的裝置，還包括連接至飽和線圈的DC源，所述飽和線圈被配置成 影響導(dǎo)磁芯的飽和。16. 如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，控制DC源來(lái)調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率。17. 如權(quán)利要求14所述的裝置，其中，控制可變阻抗來(lái)粗略地調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率， 以及控制DC源來(lái)精細(xì)地調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率。18. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，由功率傳輸線圈反射的阻抗上的改變被用于將數(shù) 據(jù)從功率傳輸線圈傳送給對(duì)應(yīng)的耦合功率傳輸線圈。19. 如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，磁場(chǎng)頻率上的改變被用于將數(shù)據(jù)從功率傳輸線圈 傳送給對(duì)應(yīng)的耦合功率傳輸線圈。20. 如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括與耦合線圈并聯(lián)的調(diào)諧電容器。21. 如權(quán)利要求20所述的裝置，其中，控制器被配置成基于調(diào)諧電容器兩端的電壓與等 效開(kāi)路電壓之間的相位差來(lái)調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率。22. 如權(quán)利要求21所述的裝置，其中，控制器被配置成在切換循環(huán)的一部分中對(duì)調(diào)諧電 容器鉗位，所述一部分確定供應(yīng)給負(fù)載的功率。23. -種用于控制感應(yīng)功率接收器的方法，包括： 在流經(jīng)耦合線圈的電流從沿第二方向或第一方向流動(dòng)變成零之后第一時(shí)間段，接通第 一開(kāi)關(guān)； 在流經(jīng)耦合線圈的電流從沿第一方向或第二方向流動(dòng)變成零之后第二時(shí)間段，接通第 一開(kāi)關(guān)； 在第二開(kāi)關(guān)接通時(shí)或者在第二開(kāi)關(guān)接通與流經(jīng)耦合線圈的電流從沿第二方向流動(dòng)變 成零之間的某個(gè)點(diǎn)處，關(guān)斷第一開(kāi)關(guān)； 在第一開(kāi)關(guān)接通時(shí)或者在第一開(kāi)關(guān)接通與流經(jīng)耦合線圈的電流從沿第一方向流動(dòng)變 成零之間的某個(gè)點(diǎn)處，關(guān)斷第二開(kāi)關(guān)；以及 控制第一時(shí)間段和第二時(shí)間段的持續(xù)時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)提供給負(fù)載的功率。
【文檔編號(hào)】H02J50/10GK106062906SQ201580005560
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2015年1月22日
【發(fā)明人】歐亨尼奧·小西亞·萊西亞斯, 曾俊博, 任賽寧, 丹尼爾·詹姆斯·羅伯森, 邁克爾·娜莎, 羅恩·拉弗·弗洛雷斯卡, 阿如尼姆·庫(kù)瑪, 阿里·阿卜杜勒哈尼
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