本發(fā)明涉及無線充電領域，具體涉及一種具有過壓保護的無線電能傳輸裝置。

背景技術：

無線電能傳輸技術由于安全方便等優(yōu)點廣泛應用于電子充電領域中，實現無線電能傳輸的方式主要有磁感應式和磁共振式兩種方式，通常常用的為磁共振式，磁共振式無線電能傳輸裝置主要包括電能發(fā)射端和電能接收端，兩者通過電磁共振原理實現能量傳輸。

一般來說，發(fā)射端包括有逆變器、阻抗匹配電路和發(fā)射線圈，接收端包括有接收線圈、阻抗匹配電路、整流電路和直流電壓轉換電路(DC-DC變換器)，如圖1所示的無線電能傳輸裝置的電路框圖，圖1中發(fā)射部分僅示出發(fā)射線圈L_S，發(fā)射線圈L_S接收交變電流產生交變磁場，接收線圈L_d感應交變磁場產生高頻交變電壓，之后，交變電壓經過整流電路整流和濾波電容濾波后以獲得直流電壓V_rect，DC-DC變換器接收直流電壓轉換為合適的電壓信號供給電子設備。

但是，在電能傳輸過程中，由于發(fā)射線圈和接收線圈的耦合會發(fā)生變化，例如耦合突然增強或者發(fā)射線圈中的磁場能量突然增大，這將導致整流電路后的直流電壓V_rect超過預設電壓值，過大的電壓會損壞后級的DC-DC變換器，甚至是負載側的電子設備。

技術實現要素：

有鑒于此，本發(fā)明提出了一種具有過壓保護的無線電能傳輸裝置，當檢測到整流濾波后的直流電壓或輸出電壓超過預設電壓值時，利用過壓保護電感和過壓保護開關電路、部分阻抗匹配電路、接收線圈形成一個回路，使得接收線圈的能量不流向后級的整流濾波電路，直至直流電壓恢復至不超過預設電壓值。

依據本發(fā)明的一種具有過壓保護的無線電能傳輸裝置，包括隔離的電能發(fā)射 端和電能接收端，所述電能發(fā)射端接收交變電流信號以產生空間磁場，所述電能接收端包括接收線圈、整流濾波電路、阻抗匹配網絡、直流電壓轉換電路：

所述阻抗匹配網路連接在所述接收線圈和整流濾波電路之間，并且所述接收線圈和所述阻抗匹配網絡諧振工作以耦合所述電能發(fā)射端傳輸的磁場能量，產生高頻的交流電壓信號；

所述整流濾波電路接收所述高頻的交流電壓信號以產生直流電壓信號；

所述直流電壓轉換電路接收所述直流電壓信號以轉換為期望的輸出電壓供給電子設備；

所述電能接收端還包括過壓保護感性元件、過壓保護開關電路和過壓控制電路；

所述過壓保護感性元件和過壓保護開關電路串聯連接在所述阻抗匹配網路和接地端之間；

所述過壓控制電路接收所述直流電壓信號和表征預設電壓值的第一參考電壓信號，以產生開關控制信號控制所述過壓保護開關電路的開關狀態(tài)，以使得所述直流電壓信號不超過預設電壓值。

優(yōu)選的，所述阻抗匹配網絡包括串聯連接在接收線圈第一端和整流濾波電路之間的第一阻抗電路和第二阻抗電路；

所述過壓保護感性元件包括第一過壓保護電感，所述過壓保護開關電路包括第一過壓保護開關，所述第一過壓保護電感和第一過壓保護開關串聯連接在所述第一阻抗電路和第二阻抗電路的公共連接點和地端之間。

優(yōu)選的，所述整流濾波電路包括半橋整流電路和濾波電容，

所述半橋整流電路接收所述高頻的交流電壓信號以輸出半波電壓信號；

所述濾波電容接收所述正波電壓信號，以獲得直流電壓信號。

優(yōu)選的，所述整流濾波電路包括半橋整流電路和濾波電容，所述阻抗匹配網絡包括第三阻抗電路和第四阻抗電路，所述第三阻抗電路連接在所述接收線圈的第一端和整流濾波電路之間，所述第四阻抗電路連接在所述接收線圈的第二端和整流濾波電路之間；

所述過壓保護電感包括第二過壓保護電感和第三過壓保護電感，所述開關保護開關電路包括第二過壓保護開關和第三過壓保護開關，

所述第二過壓保護電感和第二過壓保護開關串聯連接在所述第三阻抗電路和地端之間，所述第三過壓保護電感和第三過壓保護開關串聯連接在所述第四阻抗電路和地端之間。

優(yōu)選的，，所述第三阻抗電路包括串聯連接的第一阻抗子電路和第二阻抗子電路，所述第四阻抗電路包括第三阻抗子電路，

所述第二過壓保護電感的第一端連接至第一阻抗子電路和第二阻抗子電路的公共連接點，所述第二過壓保護開關的第一極性端連接所述第二過壓保護電感的第二端，所述第二過壓保護開關的第二極性端接地端。

所述第三過壓保護電感的第一端連接至所述接收線圈的第二端和所述第三阻抗子電路的公共連接點，所述第三過壓保護開關的第一極性端連接所述第三過壓保護電感的第二端，所述第三過壓保護開關的第二極性端接地端。

優(yōu)選的，，所述整流濾波電路包括全橋整流電路和濾波電容，

所述全橋整流電路包括串聯連接的第一二極管、第二二極管和串聯連接的第三二極管、第四二極管，兩對串聯連接的二級管再并聯連接，所述第一二極管和第三二極管的公共連接端輸出半波電壓信號；所述第二二極管和第四二極管的公共連接端連接地端；

所述第二阻抗子電路連接所述第一二極管和第二二極管的公共連接點；

所述第三阻抗子電路連接至所述第三二極管和第四二極管的公共連接點。

所述濾波電容接收所述正波電壓信號，以獲得直流電壓信號。

優(yōu)選的，所述過壓控制電路包括采樣電路和滯環(huán)比較器，

所述采樣電路采樣所述直流電壓信號，以獲得采樣電壓信號；

所述滯環(huán)比較器接收所述采樣電壓信號和所述第一參考電壓信號，輸出所述開關控制信號；

當所述采樣電壓信號大于所述滯環(huán)比較器的上限電壓值時，所述開關控制信號為有效狀態(tài)以控制所述過壓保護開關電路導通；當所述采樣電壓信號小于所述滯環(huán)比較器的下限電壓值時，所述開關控制信號為無效狀態(tài)以控制所述過壓保護開關電路關斷。

通過上述的具有過壓保護的無線電能傳輸裝置，利用過壓保護電感、過壓保護開關和過壓控制電路控制直流電壓的大小，以使其不超過預設電壓值。本發(fā) 明的技術方案很好的解決了無線電能傳輸過程中的電壓過壓(或電流過流)的問題，控制方案簡單，效果好。

附圖說明

圖1所示的無線電能傳輸裝置的基本電路框圖；

圖2所示為依據本發(fā)明的無線電能傳輸裝置的第一實施例的電路框圖；

圖3所示為圖2電路的工作波形圖；

圖4所示為依據本發(fā)明的無線電能傳輸裝置的第二實施例的電路框圖；

圖5所示為圖4電路的工作波形圖。

具體實施方式

以下將結合附圖詳細說明本發(fā)明的一些優(yōu)選實施例，但本發(fā)明不限于此。

參考圖2所示為依據本發(fā)明的無線電能接收裝置的第一實施例的電路框圖，如圖2所示，所述無線電能傳輸裝置包括隔離的電能發(fā)射端(僅示出發(fā)射線圈Ls)和電能接收端，所述電能發(fā)射端接收交變電流信號以產生空間磁場，所述電能接收端包括有接收能量的接收線圈L_d、依次與所述接收線圈連接的阻抗匹配網絡、整流濾波電路201和直流電壓轉換電路202，所述阻抗匹配網絡連接在所述接收線圈Ld和整流濾波電路201之間，所述接收線圈Ld和所述阻抗匹配網絡諧振工作以耦合所述電能發(fā)射端傳輸的磁場能量，以產生高頻的交流電壓信號，整流濾波電路201接收所述高頻交流電壓信號，以獲得直流電壓信號V_rect，直流電壓轉換電路202接收所述直流電壓信號V_rect，經電壓轉換為期望的輸出電壓V_out供給電子設備。本實施例中，整流濾波電路包括半橋整流電路201和濾波電容C，半橋整流電路201通常包括整流二極管，所述整流二極管連接在所述阻抗匹配網路和直流電壓轉換電路202之間，且二極管的陽極連接所述阻抗匹配網路，陰極連接所述直流電壓轉換電路202，所述整流二極管接收所述高頻的交流電壓信號，以輸出半波電壓信號，所述濾波電容C的第一端連接至所述整流二極管的陰極，第二端接地端，所述濾波電容接收所述半波電壓信號，以獲得直流電壓信號V_rect。

本實施例中，所述阻抗匹配網絡為串聯連接在接收線圈和半橋整流電路之間 的第一阻抗電路和第二阻抗電路，這里所述第一阻抗電路具體為第一電容C1，第二阻抗電路具體為第二電容C2，在所述電能接收端正常工作過程中，所述第一電容和第二電容串聯后的等效電容與所述接收線圈的等效電感諧振，且諧振頻率與系統工作頻率一致。

本實施例中，所述電能接收端還包括過壓保護感性元件、過壓保護開關電路和過壓控制電路203，這里，過壓保護感性元件具體為第一過壓保護電感La1，過壓保護開關電路具體為第一過壓保護開關S1，第一過壓保護電感La和第一過壓保護開關S1串聯連接在所述阻抗匹配網路和接地端之間，所述第一過壓保護電感La1的第一端連接至所述第一電容C1和第二電容C2的公共連接點，第二端連接所述第一過壓保護開關S1的第一極性端，所述第一過壓保護開關S1的第二極性端接地端。

過壓控制電路203接收所述直流電壓信號V_rect和第一參考電壓信號V_ref1，以產生開關控制信號Vcon控制過壓保護開關S1的開關狀態(tài)，以使得所述直流電壓信號V_rect不超過預設電壓值。

具體的，參考圖2，所述過壓控制電路203具體包括采樣電路和滯環(huán)比較器，采樣電路由分壓電阻R1和電阻R2構成，滯環(huán)比較器由電阻R3、電阻R4和比較器CMP構成，分壓電阻R1和電阻R2采樣所述直流電壓信號V_rect，以獲得采樣電壓信號V_rect1；所述滯環(huán)比較器的正向輸入端接收所述采樣電壓信號V_rect1，反向輸入端接收表征所述預設電壓值的第一參考電壓信號V_ref1，輸出所述開關控制信號Vcon，所述開關控制信號Vcon控制第一過壓保護開關S1導通或關斷。

參考圖3所示為圖2電路的工作波形圖，下面結合圖2和圖3闡述本發(fā)明實施例的過壓保護工作原理。

在t1時刻，外界條件發(fā)生變化，導致直流電壓信號V_rect異常，不斷上升，在t2時刻，當檢測到所述采樣電壓信號V_rect1大于所述滯環(huán)比較器的上限電壓值時，表征直流電壓信號超過預設電壓值，這時，比較器CMP輸出的開關控制信號Vcon為有效狀態(tài)(例如以高電平示為有效狀態(tài)，低電平示為無效狀態(tài))，第一過壓保護開關S1導通，接收線圈L_d、第一電容C1、第一過壓保護開關S1、第一過壓保護電感La1形成一個電流回路，這時，由于第一電容C1和接收線 圈的等效電感由于阻抗不匹配不能發(fā)生諧振工作，接收線圈耦合的能量會大大減小，電流回路中的電流不會很大，在本實施例中，由于第一過壓保護電感La1使得第一電容C1和接收線圈等效電感不匹配程度加大，電流回路中的電流會變得比較小，開關損耗小。且接收線圈輸出的能量不會傳輸至整流濾波電路，直流電壓信號V_rect開始下降，當下降至t3時刻，所述采樣電壓信號V_rect1小于所述滯環(huán)比較器的下限電壓值時，所述開關控制信號變?yōu)闊o效狀態(tài)控制第一過壓保護開關S1關斷。接收線圈的能量再次傳輸至整流濾波電路，如果異常情況還存在，則直流電壓信號V_rect繼續(xù)上升，直至到達滯環(huán)比較器的上限電壓值時，過壓保護開關S1被導通，使直流電壓信號V_rect下降，如此反復，直至到t4時刻，電路異常情況解除，直流電壓信號Vrect下降至不超過預設電壓值。

在上述過程中，當設置第一過壓保護電感La1和第二電容C2的諧振頻率在系統工作頻率上時，則第一過壓保護電感La1和第二電容C2并聯諧振，其等效阻抗接近無窮大，第一過壓保護開關S1導通時，回路的電流接近于0，系統損耗非常小，且同時可以使得直流電壓信號V_rect快速下降。

從上述過程可以看出，當所述電能接收端耦合條件發(fā)生異常時，會導致輸出電壓升高，造成對直流電壓轉換電路或電子設備的損害，因此，本發(fā)明為防止對后級電路的損害，通過檢測整流濾波電路的直流電壓信號對來輸出電壓進行過壓保護控制，通過控制直流電壓信號不超過預設電壓值，這里，為了保證第一過壓保護開關的安全性，第一電容和第二電容的容值要選擇合適的比例，一方面使得在所述無線電能傳輸裝置正常工作過程中電能接收端的諧振頻率與系統工作頻率一致，另一方面使得在第一過壓保護開關導通時，通過第一過壓保護開關的電流不致過大或是在第一過壓保護開關斷開時，第一過壓保護開關的兩端電壓不致過大，以免造成對開關管的損壞。

參考圖4所示為依據本發(fā)明的無線電能接收裝置的第二實施例的電路框圖，本實施例中的所述無線電能傳輸裝置與上一實施例中的電能發(fā)射端、接收線圈L_d、直流電壓轉換電路202以及過壓控制電路203均相同，在此不再贅述，所不同的是，本實施例中的阻抗匹配網絡、整流電路電路、過壓保護感性元件和過壓保護開關電路不相同。

具體的，在本實施方式中，所述整流濾波電路包括全橋整流電路201和濾波 電容C，所述全橋整流電路接收所述接收線圈的高頻交流電壓信號，以轉換為正波電壓信號，所述濾波電容接收所述正波電壓信號，以獲得直流電壓信號V_rect，具體的，如圖4中所示，所述全橋整流電路包括串聯連接的第一二極管D1、第二二極管D2和串聯連接的第三二極管D3、第四二極管D4，兩對串聯連接的二級管再并聯連接；所述第一二極管D1和第三二極管D3的公共連接端輸出所述正弦半波電壓信號；所述第二二極管D2和第四二極管D4的公共連接端連接地端。

如圖4所示，阻抗匹配網絡連接在所述接收線圈和整流濾波電路之間，所述阻抗匹配網絡包括第一阻抗電路和第二阻抗電路，所述第一阻抗電路連接在所述接收線圈的第一端和全波整流電路201之間，所述第二阻抗電路連接在所述接收線圈的第二端和全波整流電路201之間。本實施方式中，所述第一阻抗電路包括串聯連接的第一阻抗子電路Z1和第二阻抗子電路Z2，所述第二阻抗電路包括第三阻抗子電路Z3，具體的，本實施例中所述第一阻抗子電路、第二阻抗子電路和第三阻抗子電路分別具體為第三電容C3、第四電容C4和第五電容C5。相應的，第三電容C3、第四電容C4和第五電容C5的容值設置為合適的值，以使得在工作中，無線傳輸的能效最高，例如為：在所述無線電能傳輸裝置正常工作過程中第三電容C3、第四電容C4和第五電容C5并聯后的等效電容與所述接收線圈的等效電感諧振，且諧振頻率與系統工作頻率一致。

容易理解，阻抗電路的實施方式還有其他多種不同組合，例如，第一阻抗電路包括一個阻抗子電路，第二阻抗電路包括兩個阻抗子電路；或是兩個阻抗電路均包括兩個或兩個以上的阻抗子電路，只要最終滿足阻抗匹配網絡的等效電容和所述接收線圈的等效電感諧振，且諧振頻率與系統工作頻率一致即可。

本實施例中，所述過壓保護電感包括第二過壓保護電感La2和第三過壓保護電感La3，所述過壓保護開關電路包括第二過壓保護開關S2和第三過壓保護開關S3，所述第二過壓保護電感La2和第二過壓保護開S2串聯連接在所述第三阻抗電路和地端之間，所述第三過壓保護電感和第三過壓保護開關串聯連接在所述第四阻抗電路和地端之間。具體的，所述第二過壓保護電La2的第一端連接至第三電容C3和第四電容C4的公共連接點，所述第二過壓保護開關S2的第一極性端連接所述第二過壓保護電感的第二端，所述第二過壓保護開關S2 的第二極性端接地端。所述第三過壓保護電感La3的第一端連接至所述接收線圈的第二端和所述第五電容C5的公共連接點，所述第三過壓保護開關S3的第一極性端連接所述第三過壓保護電感La3的第二端，所述第三過壓保護開關S3的第二極性端接地端。

圖4中，所述第二過壓保護開關S2和第三過壓保護開關S3以場效應晶體管為例，由于第二過壓保護開關S2和第三過壓保護開關S3的第二極性端(即是源極)接地，與后級的電壓轉換電路和電子設備為共地，源極電壓穩(wěn)定，易于驅動。容易理解，第二過壓保護開關S2和第三過壓保護開關S3不限于上述的場效應晶體管，還可以為現有技術中合適的開關管，如單刀雙擲開關等。

同理，過壓控制電路203接收所述直流電壓信號V_rect1和參考電壓信號V_ref1，產生開關控制信號V_con控制第二過壓保護開關S2和第三過壓保護開關S3的開關狀態(tài)，以使得所述直流電壓信號不超過預設電壓值。

下面參考圖5所示的波形圖闡述本發(fā)明過壓保護的工作過程：在t1時刻，外界條件發(fā)生變化，導致直流電壓信號發(fā)生異常，不斷上升，在t2時刻，當檢測到所述采樣電壓信號V_rect1大于所述滯環(huán)比較器的上限電壓值時，表征直流電壓信號超過預設值，這時，所述比較器CMP輸出的開關控制信號為有效狀態(tài)(例如以高電平示為有效狀態(tài)，低電平示為無效狀態(tài))，第二過壓保護開關S2和第三過壓保護開關S3同時導通，接收線圈L_d、第三電容C3、第二過壓保護電感La2、第二過壓保護開關S2、第三過壓保護開關S3和第三過壓保護電感La3形成一個電流回路，這時，由于第三電容C3和接收線圈的等效電感由于阻抗不匹配不能發(fā)生諧振，接收線圈的傳輸的能量會大大減小，電流回路中的電流不會很大。在本實施例中，由于第二過壓保護電感La2和第三過壓保護電感La3使得第三電容C3和接收線圈等效電感不匹配程度加大，電流回路中的電流會變得更小，開關損耗小。且接收線圈輸出的能量不會傳輸至整流濾波電路，直流電壓信號V_rect開始下降，當下降至t3時刻，所述采樣電壓信號V_rect1小于所述滯環(huán)比較器的下限電壓值時，所述開關控制信號變?yōu)闊o效狀態(tài)控制所述第二過壓保護開關S2和第三過壓保護開關S3同時關斷。接收線圈的能量再次傳輸至整流濾波電路，如果異常情況還存在，則直流電壓信號V_rect繼續(xù)上升，直至到達滯環(huán)比較器的上限電壓值時，第二過壓保護開關S2和第三過壓保護開關 S3被導通，使直流電壓信號V_rect下降，如此反復，直至到t4時刻，電路異常情況解除，直流電壓信號V_rect下降至不超過預設電壓值。

同理，在本實施方式中，當設置第二過壓保護電感La2和第四電容C4的諧振頻率在系統工作頻率上以及設置第三過壓保護電感La3和第五電容C5的諧振頻率在系統工作頻率上時，或者是設置第二過壓保護電感La2與第三過壓保護電感La3相加后的等效感值與第四電容C4和第五電容C5相加后的等效容值在諧振頻率在系統工作頻率上，所述則第二過壓保護電感La2和第四電容C4并聯諧振，第三過壓保護電感La3和第五電容C5并聯諧振，其等效阻抗接近無窮大，第二過壓保護開關S2和第三過壓保護開關S3導通時，回路的電流接近于0，系統損耗較小，且同時可以使得直流電壓信號V_rect快速下降。

從上述過程可以看出，當所述無線電能傳輸裝置發(fā)生異常時，會導致輸出電壓升高，造成對電壓轉換電路或電子設備的損害，因此，本發(fā)明為防止對后級電路的損害，通過檢測整流濾波電路的輸出電壓信號對來輸出電壓進行過壓保護控制。本發(fā)明的具有過壓保護功能的無線電能傳輸裝置，通過全橋整流電路可以獲得更好更穩(wěn)定的直流電壓信號，而將過壓保護感性元件和過壓保護開關電路連接在阻抗匹配網絡和地端之間，一方面可以保證當開關導通時不會對整流橋中的二極管造成損害，另一方面可以使得接收線圈的能量通過開關保護電路組成的回路釋放掉。

這里，為了保證第二過壓保護開關S2和第三過壓保護開關S3例，一方面使得在所述無線電能傳輸裝置正常工作過程中接收部分的諧振頻率與系統工作頻率一致，另一方面使得在第二過壓保護開關S2和第三過壓保護開關S3導通時，通過第二過壓保護開關S2和第三過壓保護開關S3的電流不致過大或是在第二過壓保護開關S2和第三過壓保護開關S3斷開時，第二過壓保護開關S2和第三過壓保護開關S3的兩端電壓不致過大，以免造成對開關管的損壞。

本發(fā)明的具有過壓保護的無線電能傳輸裝置，很好的解決了異常情況下電壓過壓或電流過流的問題，控制方案簡單，效果好。

以上對依據本發(fā)明的優(yōu)選實施例的具有過壓保護的無線電能傳輸裝置進行了詳盡描述，但關于該專利的電路和有益效果不應該被認為僅僅局限于上述所述的，公開的實施例和附圖可以更好的理解本發(fā)明，因此，上述公開的實施例 及說明書附圖內容是為了更好的理解本發(fā)明，本發(fā)明保護并不限于限定本公開的范圍，本領域普通技術人員對本發(fā)明實施例的替換、修改均在本發(fā)明的保護范圍之內。