能够具有根据由距离决定的最大电力传递及最大效率的有源整流器的制作方法

本发明是涉及通过使无线电力接收装置包括的有源整流器的阻抗发生变化，从而能够使电力传递的效率最大化、使输出功率最大化的有源整流器的技术。

背景技术：

图1显示了使用以往的普通无源整流器或有源整流器的无线充电系统。

无线充电接收系统200可以包括发射部201、发射侧天线261、接收侧天线262、外部匹配元件203、无源整流器或有源整流器204及稳压器(voltageregulator)205。其中，发射部201及发射侧天线261也可以包括于发射装置240。而且，接收侧天线262、外部匹配元件203、无源整流器或有源整流器204及稳压器(voltageregulator)205可以包括于接收装置250。所述接收装置250与所述发射装置240区分。所述一对天线261、262分别可以包括例如线圈而构成。

所述无线充电接收系统200以天线261、262为基准，可以将所述发射装置侧称为一次侧，将所述接收装置侧称为二次侧。在使用无源整流器或以往有源整流器204的无线充电接收系统中，根据发射装置与接收装置的距离d，发射装置中呈现的阻抗发生变化。因此存在随着发射装置与接收装置间的距离变远，电力传递效率下降的问题。

图2显示了图1的无线充电系统的阻抗等效电路。所述阻抗等效电路可以包括所述发射装置的阻抗210及所述接收装置的阻抗211。在所述无线充电接收系统中，所述发射装置的阻抗210的值会根据所述发射装置与所述接收装置的距离d而异。

图3是为了帮助理解本发明而显示的，显示了相对于阻抗的电力传递效率与输出功率的关系图表。横轴代表阻抗rl/rs，左侧纵轴代表效率(efficiency)，右侧纵轴代表输出功率(outputpower)。

以往的无线电力传输系统设计成接收装置阻抗无法调节的方式，无法补偿因发射装置与接收装置间距离导致的阻抗变化。因此，无法根据所述距离，优化接收装置的输出功率及效率。为了弥补这一部分，提出了根据所述距离，利用外部电容矩阵(capacitancematrix)等补偿接收装置的阻抗的另一技术，但这种技术要求追加的外部元件，因而具有因如此追加外部元件导致的费用及面积增加的问题，具备根据外部电容(capacitance)而补偿的量受到限制的问题。

又一种以往无线电力传输系统中使用的包括阻抗变换的整流器，包括变换负载阻抗的结构。变换负载阻抗对负载电流或电压进行限制，因而存在根据用途(application)而会有运转限制的问题。

技术实现要素：

(要解决的技术问题)

如上所述，在无线电力传输系统中，接收装置的输出功率和电力传递效率主要受到电路的运转或电路消耗的损失、天线消耗的损失及电力传递期间发生的天线耦合系数引起的损失的影响。

为了使电路的电力损失最小化，需要通过发射装置与接收装置间的阻抗匹配，使电抗成分最小化，为了使导通损失最小化，需要将阻抗成分设计得较小。与此相关，发射装置与接收装置的距离对阻抗变化产生影响，对电力传递效率及输出功率造成较大影响。如果能够根据发射装置与接收装置的距离，既定地保持阻抗，则可以获得高电力传递效率及输出功率。

本发明旨在提供一种调节有源整流器使用的开关的开启时间、栅极电平及整流器内部的开关阻抗而使有源整流器的阻抗可变的方式。旨在提供一种使用所述方式，根据距离调节阻抗，调节有源整流器的阻抗，以便能够获得最大电力传递效率或最大输出功率的无线电力接收装置。

(解决问题的手段)

根据本发明，无需追加的外部元件，变更阻抗便可以获得无线充电接收装置的效率或最大输出功率。为了在无需追加的外部元件的情况下变化输入阻抗，可以调节有源整流器的开启时间、栅极电平与整流器内部的开关阻抗。为此，本发明可以包括有源整流器、信号生成部及计算最大效率或最大电力的构成。

本发明一种观点的无线电力接收装置可以包括：栅极驱动器，其生成在开启电压与关闭电压间转换的栅极信号；整流器，其连接于电感器的两端，包括根据各个所述栅极信号而控制开启/关闭状态的fet(fieldeffecttransistor，场效应晶体管)；整流器输出感知部，其感知所述整流器的输出值；及阻抗控制部，其以所述输出值为基础，控制所述栅极信号的占空比及将所述fet变成开启状态的所述开启电压中一者以上，从而控制所述整流器的阻抗。

此时，所述输出值包括所述整流器的输出电压及输出电流，所述阻抗控制部可以以所述输出值为基础，使得所述无线电力接收装置与向所述无线电力接收装置发送电力的无线电力发射装置间的电力传输效率或所述无线电力接收装置的输出功率最大化。

此时，所述栅极信号为直接提供给所述fet的栅极的pwm(pulse-widthmodulation，脉宽调制)信号，所述pwm信号可以具有所述关闭电压及所述开启电压中某一者，所述开启电压的大小可以由所述阻抗控制部控制。

此时，所述阻抗控制部可以包括：栅极电压调节部；电力/效率计算部，其计算所述无线电力接收装置与向所述无线电力接收装置发送电力的无线电力发射装置间的电力传输效率或所述无线电力接收装置的输出功率；参数设置部，其以所述计算的电力传输效率或输出功率为基础，决定所述栅极信号的占空比，将所述决定的占空比提供给所述栅极驱动器，而且，决定开启所述fet的栅极电平，将所述决定的栅极电平提供给所述栅极电压调节部。此时，其特征可以在于，所述栅极电压调节部使得根据所述提供的栅极电平，调节所述栅极信号的所述开启电压；所述栅极驱动器以使所述栅极信号的占空比具有所述决定的占空比的方式，输出所述栅极信号。

此时，所述整流器可以包括借助于所述电感器而以桥连形态连接的4个fet。

此时，所述栅极电压调节部的工作电源可以从所述整流器提供。

此时，可以还包括调整所述整流器的输出的稳压器。

此时，所述整流器输出感知部可以包括感知所述整流器的输出电压的电压感知部及感知所述整流器的输出电流的电流感知部，所述电力/效率计算部可以利用所述电压感知部感知的所述输出电压及所述电流感知部感知的所述输出电流，计算所述电力传输效率或所述输出功率。

根据本发明的又一观点，可以提供一种无线电力传递控制方法，所述无线电力传递控制方法在有源整流器中控制无线电力的传递效率及无线电力的最大电力值，所述源整流器包括：①栅极驱动器，其生成在开启电压与关闭电压间转换的栅极信号；②整流器，其连接于电感器的两端，包括根据各个所述栅极信号而控制开启/关闭状态的fet；③整流器输出感知部，其感知所述整流器的输出值；及④阻抗控制部，其控制所述整流器的阻抗。该方法包括：所述输出感知部感知所述整流器的输出电压及输出电流的步骤；所述阻抗控制部以所述输出电压及所述输出电流为基础，变化所述栅极信号的占空比及将所述fet变成开启状态的所述开启电压中一者以上的步骤；及所述阻抗控制部决定使得所述有源整流器与向所述有源整流器发送电力的无线电力发射装置间的电力传输效率或所述有源整流器的输出功率实现最大化的所述占空比及所述开启电压，并保持所述决定的值的步骤。

此时，所述整流器可以包括借助于所述电感器而以桥连形态连接的4个fet。

(发明的效果)

根据本发明，可以根据无线充电接收装置与发射装置间的距离，变更无线充电接收装置的输入阻抗，使得无需追加外部元件，便可实现最大效率或最大电力传递。另外，根据本发明，由于不使用外部元件，因而有利于减小费用和面积，可以细密地进行阻抗补偿。另外，根据本发明，可以比以往无线充电接收装置延长电力传递距离。

附图说明

图1显示了使用以往普通无源整流器或有源整流器的无线充电系统。

图2显示了图1的无线充电系统的阻抗等效电路。

图3为了帮助本发明的理解而显示，显示了对阻抗的电力传递效率与输出功率的关系图表。

图4显示了本发明一个实施例的在无需追加的外部元件的情况下变更无线充电接收装置的输入阻抗的结构。

图5显示了本发明一个实施例的图4的有源整流器的细部构成图。

图6显示了本发明一个实施例的进行阻抗补偿的有源整流器的一个示例。

图7显示了本发明一个实施例的根据有源元件的切换信号而显现的阻抗的时序概念图。

图8以图表显示了本发明一个实施例的对栅极-源极电压的阻抗变化量和对开启时间/周期的有源整流器输入阻抗变化量。

图9显示了本发明一个实施例的补偿输出功率或效率的示例。

图10显示了本发明另一实施例的基于时间的栅极信号的电压。

图11显示了本发明又一实施例的有源整流器的细部构成图。

具体实施方式

下面参考附图，说明本发明的实施例。但是，本发明不限定于本说明书中说明的实施例，可以以各种其他形态体现。本说明书中使用的术语用于帮助实施例的理解，并非要限定本发明范围之意。另外，只要语句没有明确表示相反的意义，以下使用的单数形态也包括复数形态。

图4显示了本发明一个实施例的无线充电接收系统150。

即，图4包括设计得无需追加的外部元件便可以变更无线电力接收装置输入阻抗的本发明一个实施例的无线充电接收装置50的结构。

无线充电接收系统150可以包括发射装置1、天线2、无线充电接收装置50。

无线电力接收装置50可以包括天线2中的接收装置侧天线、外部匹配元件3、有源整流器4、稳压器5及阻抗接收部6。

发射装置1、天线2及外部匹配元件3可以与以往的构成要素相同。

有源整流器4是根据本发明一个实施例而提供的，使得能够进行阻抗补偿。

阻抗接收部6可以包括最大电力计算部161及最大效率计算部162。

通过天线2接受传递的电力，可以利用进行阻抗补偿的有源整流器4进行整流。即，通过天线2而感应的电压可以利用有源整流器4进行整流。而且，最终可以通过稳压器(voltageregulator)5提供输出电压。阻抗接收部6可以感知稳压器5的输出电压和电流或有源整流器4的输出电压和电流，计算最大输出功率和最大效率。有源整流器4的输入阻抗会根据所述计算的最大输出功率和最大效率值而变更。通过上述方法，可以补偿有源整流器4的输入阻抗，以便能够拥有最大电力或最大效率。

作为获得最大电力的方法，可以使用的方法是比较现在计算的输出功率与以前计算的输出功率，判断现在或以前是否达到最大电力传递。

图5显示了本发明一个实施例的图4的无线电力接收装置的细部构成图。

无线电力接收装置可以包括外部匹配元件3、有源整流器4、栅极驱动器41、电流感知部51、电压感知部52、栅极电压调节部61、电力/效率计算部62及参数设置部63。所述参数设置部63可以执行栅极信号的生成、占空比的调节及栅极电平的设置。

有源整流器4可以包括开关阻抗(m1、m2、m3、m4)。开关阻抗(m1、m2、m3、m4)可以意味着开启阻抗。

在一个实施例中，有源整流器4可以包括4个fet开关。此时，所述4个开关阻抗(m1、m2、m3、m4)可以分别由所述4个fet开关提供。

在另一实施例中，有源整流器4可以包括2个fet开关和2个无源元件。此时，所述4个开关阻抗(m1、m2、m3、m4)中的2个开关阻抗可以由所述2个fet开关提供，另2个开关阻抗可以分别由所述2个无源元件提供。

栅极驱动器41可以根据栅极低压调节部61的输出值，控制整流器4开关阻抗的开启/关闭。栅极电压调节部61的动作可以由参数设置部63控制。

可以利用电流感知部51和电压感知部52，感知借助于有源整流器4而整流的负载电流irect和电压vrect。可以将电流感知部51和电压感知部52感知的电流及电压分别称为感知电流和感知电压。

电力/效率计算部62可以使用所述感知电压和所述感知电流，求出有源整流器4输出的输出功率。

参数设置部63可以调节有源整流器4包括的fet开关各自的开启时间、栅极电压及/或开关阻抗，变化有源整流器4的输入阻抗。此时，根据变化的所述输入阻抗，将有源整流器4输出的“现在的输出功率”，与所述变化发生之前有源整流器4曾输出的“以前的输出功率”进行比较，从而可以获得有源整流器4的最大电力或最大效率。而且，通过栅极电压调节，可以实现如下的精密阻抗调节。作为fet开关开启阻抗的ron如下面数式1所示，与fet开关的栅极-源极电压vgs成反比。

[数式1]

图6显示了本发明另一实施例的进行阻抗补偿的有源整流器。

在一个实施例中，有源整流器4只有开关阻抗m1和开关阻抗m2可以为有源型元件。即，开关阻抗m3和开关阻抗m4也可以使用无源元件。此时，开关阻抗m1和开关阻抗m2可以分别由fet开关提供。

相反，图5是将开关阻抗用作互补金属氧化物半导体(cmos，complementarymetaloxidesemiconductor)的实施例，包括可以用作开关的所有有源元件。

在另一实施例中，可以在有源整流器4中混合有源元件和无源元件使用。

图7显示了本发明一个实施例的根据有源元件的切换信号而显现的阻抗的时序概念图。

图7的(a)显示了基于时间的阻抗值，图7的(b)显示了基于时间的栅极信号的电压。

在图7的(a)中，横轴代表时间，纵轴代表有源整流器4的输入阻抗。在图7的(b)中，横轴代表时间，纵轴代表向有源整流器4包括的fet元件的栅极提供的栅极信号的电压。

如果栅极信号s_g0增大，则阻抗看起来小zlow，如果栅极信号s_g0关闭，则开关关闭，因而阻抗看起来非常大zhigh。

就下面数式2而言，在图5中，开关的开启阻抗为ron，是将关闭阻抗假定为无限大时的有源整流器4的输入阻抗的值。

[数式2]

zhigh＝∞

因此，在有源整流器4的一个周期期间，输入阻抗zin如数式3所示。

[数式3]

zin＝(zlow×d)+(zhigh×(1-d))

不过，d作为输入有源整流器4包含的fet的栅极的栅极信号的占空比，是小于1的值

图8以图表显示了本发明一个实施例的对栅极-源极电压vgs的阻抗变化量zlow和对开启时间/周期t1/t的有源整流器4输入阻抗变化量zin。

图8的(a)显示了对栅极-源极电压vgs的阻抗变化量zlow，图8的(b)显示了对开启时间/周期t1/t的有源整流器的输入阻抗变化量zin。

可随开启时间t1而变更的输入阻抗范围为zhigh至zlow。更详细而言，可以使用驱动器的栅极-源极电压vgs，调节输入阻抗或变更fet开关的开启阻抗。因此，可以不使用外部元件，而是调节有源整流器的输入阻抗。

图9显示了本发明一个实施例的补偿输出功率或效率的结果的示例。

图9的附图标记811，根据发射装置与接收装置间的距离，显示出从发射装置至接收装置的电力传递效率。而且，图9的附图标记812，根据发射装置与接收装置间的距离，显示出从接收装置输出的输出功率。

即，图9显示了借助于本发明一个实施例的构成而可以获得的效果，显示了根据发射接收装置的距离而补偿效率后再补偿输出功率的应用示例。

有源整流器4的输入阻抗根据发射装置与接收装置间的距离d而不同，反复出现效率(efficiency)根据所述距离而急剧减小后上升的现象(参照附图标记811)。但是，可以通过使有源整流器4的输入阻抗变化而找到最佳效率。

相反，当是有源整流器4的输出功率outputpower比效率更重要的情况时，可以使阻抗变化，以便能够获得最大电力，使得在更远距离也能够无线充电(参照附图标记812)。

在图9的(a)区域，输出功率虽然没有相对较大的变化，但效率大幅变化。因此，在图9的(a)区域，与优化输出功率相比，可以优选控制使得优化效率。在图9的(b)区域，效率根据距离而急剧减小。因此，在图9的(b)区域，与优化效率相比，可以优选控制使得优化输出功率。但是，这种控制方式是根据一个优选实施例而采用的，并非本发明仅由这种方式所限定。

图10显示了本发明另一实施例的基于时间(time)的栅极信号s_g1的电压。栅极信号s_g1可以具有脉冲序列形态的波形，特别是可以为pwm波形。栅极信号s_g1可以是向有源型整流器4包括的fet开关的栅极提供的信号。

图11显示了本发明又一实施例的无线电力接收装置100的细部构成图。

下面一同参照图10至图11进行说明。

无线电力接收装置100可以包括栅极驱动器110、有源整流器120、整流器输出感知部130及阻抗控制部140。

栅极驱动器110可以生成在开启电压与关闭电压间转换的栅极信号s_g1。

有源整流器120连接于电感器22的两端，可以包括分别借助于所述栅极信号s_g1而控制开启/关闭状态的fet。即，有源整流器120可以包括借助于所述电感器22而以桥连形态连接的4个fet(m1、m2、m3、m4)。此时，在电感器22的两端可以还连接有外部匹配元件3。

整流器输出感知部130可以感知所述有源整流器120的输出值。所述输出值可以包括所述有源整流器120的输出电压及输出电流。

阻抗控制部140可以包括栅极电压调节部141、电力/效率计算部142及参数设置部143。

阻抗控制部140可以以所述输出值为基础，控制所述栅极信号s_g1的占空比及将所述fet变成开启状态的所述开启电压中一者以上，从而控制所述有源整流器120的阻抗。此时，所述栅极信号s_g1可以是向所述fet的栅极直接提供的pwm信号。而且，所述pwm信号具有所述关闭电压及所述开启电压中某一者，所述开启电压的大小可以由所述阻抗控制部140控制。

阻抗控制部140的电力/效率计算部142可以计算无线电力接收装置100与向所述无线电力接收装置100发送电力的无线电力发射装置间的电力传输效率或所述无线电力接收装置的输出功率。即，阻抗控制部140可以以有源整流器120的所述输出值为基础，使得无线电力接收装置100与向所述无线电力接收装置发送电力的无线电力发射装置间的电力传输效率或所述无线电力接收装置的输出功率实现最大化。

所述无线电力接收装置的输出功率可以为有源整流器120的输出功率。

阻抗控制部140的参数设置部143可以以所述计算的电力传输效率或输出功率为基础，决定所述栅极信号s_g1的占空比，将所述决定的占空比提供给所述栅极驱动器110，而且，可以决定开启所述fet的栅极电平，将所述决定的栅极电平提供给栅极电压调节部141。

栅极电压调节部141可以使得根据所述提供的栅极电平，调节所述栅极信号s_g1的所述开启电压。

栅极驱动器110可以以使所述栅极信号s_g1的占空比具有所述决定的占空比的方式输出所述栅极信号s_g1。

本说明书中记述的“有源整流器”也可以简单地称为“整流器”。

可以利用所述本发明的实施例，由本发明技术领域的技术人员在不超出本发明本质特性的范围内，容易地实施多样变更及修订。权利要求书的各权利要求项的内容可以在通过本说明书而能理解的范围内，结合于没有引用关系的其他权利要求项。