用于无线功率传输系统的谐波消减设备的制造方法
【专利摘要】一种装置包括耦合至电源的开关网络，其中开关网络包括多个功率开关。该装置还包括耦合至多个功率开关的发送器谐振回路，其中发送器谐振回路包括第一谐振电容。该装置还包括耦合至发送器谐振回路的发送器线圈以及耦合在开关网络和发送器线圈之间的谐波消减设备，其中谐波消减设备被配置为对至少一个频率分量进行衰减。
【专利说明】用于无线功率传输系统的谐波消减设备
[0001 ]本申请要求2014年I月7日递交的发明名称为“具有EMC措施的高效功率转换技术”、申请号为61/964,526的美国临时申请的优先权，上述申请以引入的方式并入本文中。
技术领域
[0002]本发明涉及谐波消减设备，以及在具体实施例中，涉及应用于无线功率传输系统的谐波陷波及/或谐波抑制电路。
【背景技术】
[0003]随着科技的进一步发展，无线功率传输作为一种有效的和便利的机制已经出现，可为移动设备的电池充电，例如移动电话、笔记本电脑、数码相机、MP3播放器及/或其他。无线功率传输系统通常包括原边发送器及副边接收器。原边发送器通过磁耦合耦合至副边接收器。磁耦合可通过松耦合的变压器实现，松耦合变压器包括原边发送器中的原边线圈和副边接收器中的副边线圈。
[0004]原边发送器可包括功率转换单元，例如功率转换器的原边。功率转换单元耦合至电源以及可以将电功率转换为无线功率信号。副边接收器可以通过松耦合变压器接收无线功率信号以及将接收到的无线功率信号转换为适合负载的电功率。
[0005]在电池系统中，例如移动电话，发送器的顶部表面可以成为一个充电板。发送器线圈放置在充电板的下面。将移动电话放置在靠近充电板或放置在充电板之上时，移动电话可以从充电板接收功率。特别地，移动电话的接收器线圈通过两个线圈之间的磁耦合接收发送器线圈传送的功率。发送器线圈和接收器线圈的距离在Imm至大约10mm之间。为了有效地进行长距离功率传输，发送器中需要有高频电流。然而，无线功率传输系统中可达到的频率通常受限于无线功率传输系统的功率开关的开关损耗。
[0006]由于功率损耗变得越来越重要，因此可能有必要提供高功率密度和高效率的无线功率传输系统。基于谐振转换器的无线功率传输系统已经成为实现高性能(例如，低功耗)的较佳选择，因为谐振转换器可以通过零电压开关及/或零电流开关降低功率开关的开关损耗。然而，因为无线功率传输系统的频率变得较高，电磁干扰(EMI)规范已经成为一个显著问题，对无线功率传输系统的系统设计提出了挑战。
【发明内容】
[0007]总的来说，通过本发明中可以降低无线功率传输系统的噪音的较佳实施例，可以解决或规避这些和其他问题，以及可以实现技术优点。
[0008]根据一个实施例，系统包括耦合至电源的开关网络，其中所述开关网络包括多个功率开关。所述系统还包括耦合至多个所述功率开关的第一谐振回路，其中所述第一谐振回路包括至少一个谐振电容。所述系统还包括耦合至所述第一谐振回路的发送器线圈，其中所述发送器线圈被配置为磁耦合至接收器线圈，以及所述发送器线圈和所述接收器线圈的配置使得无线功率可从所述发送器线圈传输至所述接收器线圈。所述系统还包括耦合在开关网络和发送器线圈之间的谐波消减设备，其中所述谐波消减设备被配置为对所述发送器线圈中的电流的至少一个频率分量进行衰减。
[0009]根据另一实施例，装置包括耦合至电源的开关网络，其中所述开关网络包括多个功率开关。所述装置还包括耦合至多个所述功率开关的发送器谐振回路，其中所述发送器谐振回路包括第一谐振电容。所述装置还包括耦合至所述发送器谐振回路的发送器线圈及耦合在所述开关网络和所述发送器线圈之间的谐波消减设备，其中所述谐波消减设备被配置为对所述发送器线圈中的电流的至少一个频率分量进行衰减。
[0010]根据另一实施例，装置包括通过输入电容耦合至电源的开关网络，其中所述开关网络包括多个功率开关。所述装置还包括耦合至多个所述功率开关的发送器谐振回路，其中所述发送器谐振回路包括第一谐振电容。所述装置还包括耦合至所述发送器谐振回路用于将功率传输至接收器线圈的发送器线圈、包括多个谐波陷波电路及多个谐波抑制电路的谐波消减设备以及耦合在所述电源和所述输入电容之间的软启动开关。
[0011]本发明较佳实施例的一个优点在于通过利用谐波陷波电路及/或谐波抑制电路阻止谐波电流(例如三阶谐波)流入所述无线功率传输系统的发送器线圈来改善所述无线功率传输系统的性能。
[0012]以上广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便于可以更好地理解下面对本发明的详细描述。下面对构成本发明的保护主题的其他的特征和优点进行描述。本领域的技术人员应当意识到可以容易地以本发明揭露的概念和具体实施例为基础，对其他结构或流程进行修改或设计以执行与本发明的目的相同的目的。本领域的技术人员应当意识到这些等效构建没有背离附属的权利要求中阐述的本发明的精神和范围。
【附图说明】
[0013]为了更全面地理解本发明及其优点，参考以下结合附图的描述，其中:
[0014]图1阐述了本发明各种实施例中的无线功率传输系统的功率转换部分的模块图；
[0015]图2阐述了本发明各种实施例中图1所示的无线功率传输系统的谐波消减设备的第一示意性实现的示意图；
[0016]图3阐述了本发明各种实施例中图2所示的无线功率传输系统的波形；
[0017]图4阐述了本发明各种实施例中图1所示的谐波消减设备的第二示意性实现的示意图；
[0018]图5阐述了本发明各种实施例中图1所示的谐波消减设备的第三示意性实现的示意图；
[0019]图6阐述了本发明各种实施例中图1所示的谐波消减设备的第四示意性实现的示意图；
[0020]图7阐述了本发明各种实施例中图1所示的谐波消减设备的第五示意性实现的示意图；
[0021]图8阐述了本发明各种实施例中图1所示的谐波消减设备的第六示意性实现的示意图；
[0022]图9阐述了本发明各种实施例中图8所示的无线功率传输系统的波形；
[0023]图10阐述了本发明各种实施例中图1所示的谐波消减设备的第七示意性实现的示意图；
[0024]图11阐述了本发明各种实施例中图1所示的谐波消减设备的第八示意性实现的示意图；
[0025]图12阐述了本发明各种实施例中图1所示的谐波消减设备的第九示意性实现的示意图；
[0026]图13阐述了本发明各种实施例中包括软启动电路的无线功率传输系统的示意图；
[0027]图14阐述了本发明各种实施例中包括软启动电路的另一无线功率传输系统的示意图；
[0028]图15阐述了本发明各种实施例中图13所示的软启动电路的具体实现的示意图；以及
[0029]图16阐述了本发明各种实施例中无线功率传输系统的模块图。
[0030]不同图示中相应的数字和符号通常指示相应的元件除非特别指出。图示的绘制是为了清楚地说明不同实施例的相关方面，不需要按照尺寸绘制。
【具体实施方式】
[0031]以下对本发明较佳实施例的实现和使用进行详细讨论。然而，应当注意的是本发明提供了许多适用性发明概念，在多种不同的具体情景中都可以具体化。这里讨论的具体实施例仅用于阐述实现和使用本发明的具体方式，而不限制本发明的范围。
[0032]参照具体环境中的较佳实施例，即参照无线功率传输系统中针对半桥谐振转换器的谐波消减设备对本发明进行描述。然而，本发明也可以应用于多种谐振转换器。以下根据附图对各种实施例进行详细描述。
[0033]图1阐述了本发明各种实施例中无线功率传输系统的功率转换部分的模块图。无线功率传输系统100包括功率发送器110及功率接收器120。如图1所示，功率发送器110的输入耦合至输入电源102。功率接收器120的输出耦合至负载122。当功率接收器120放置在功率发送器110附近时，功率发送器110通过磁场磁耦合至功率接收器120。功率发送器110中的发送器线圈和功率接收器120中的接收器线圈构成松耦合变压器112。因此，可以将功率从功率发送器110传输至功率接收器120。在某些实施例中，功率发送器110可以是充电板。发送器线圈放置在充电板顶部表面的下方。具体地，功率接收器120可以是移动电话。当将移动电话放置在充电板附近时，可在发送器线圈和接收器线圈之间建立磁力耦合器。换句话说，发送器线圈和接收器线圈可形成松耦合变压器，通过松耦合变压器可在功率发送器110和功率接收器120之间进行功率传输。发送器线圈和接收器线圈之间的耦合强度由耦合系数k进行量化。在某些实施例中，k的范围为0.05至约0.9。
[0034]在某些实施例中，在发送器线圈和接收器线圈之间建立磁耦合后，功率发送器110和功率接收器120可构成一个转换器，通过该转换器可以将功率从输入电源102无线传输至负载122。
[0035]输入电源102可以为电源适配器，可以将公用事业线路电压转换为直流电压。可选地，输入电源102可以是可再生电源例如太阳电池板。再者，输入电源102可以是储能设备例如可充电电池、燃料电池及/或其他。
[0036]负载122表示耦合至功率接收器120的移动装置(例如移动电话)消耗的功率。可选地，负载122可指的是串联/并联连接的并耦合至功率接收器120的输出的可充电电池。
[0037]功率发送器10可包括开关网络104、谐波消减设备106、第一谐振回路108以及发送器线圈LI。如图1所示，开关网络104耦合至输入电源102。谐波消减设备106及第一谐振回路108可构成辅助网络107。根据设计需求和不同的应用，辅助网络107可包括多种不同的配置。在某些实施例中，发送器线圈LI可以是第一谐振回路108的一部分。在某些实施例，谐波消减设备106和第一谐振回路108串联连接。在某些实施例中，谐波消减设备106连接在开关网络104和第一谐振回路108之间。在可选实施例中，谐波消减设备106和第一谐振回路108并联连接。进一步，谐波消减设备106放置在第一谐振回路108的谐振电感和谐振电容之间。以下参照图2至图12对辅助网络107的具体结构进行描述。
[0038]某些实施例中开关网络104可包括半桥转换器的原边开关。可选地，开关网络104可包括其他转换器的原边开关，例如全桥转换器、推挽转换器及其他。以下参考图2对开关网络104的具体结构进行描述。
[0039]应当注意的是上面描述的转换器仅仅是些例子。本领域的技术人员可意识到可选地可使用其他合适的功率转换器例如E类谐振功率转换器(例如E类放大器)。
[0040]谐波消减设备106可包括至少一个电感和一个电容。在某些实施例中，谐波消减设备106的电感和电容可串联连接以形成串联谐振电路。可选地该串联谐振电路可称为谐波陷波电路，因为它构成了针对具有串联谐振电路的谐振频率的谐波分量的低阻抗通道。可选地，谐波消减设备106的电感和电容可并联连接以形成并联谐振电路。可选地该并联谐振电路可称为谐波抑制电路，因为它构成了针对具有并联谐振电路的谐振频率的谐波分量的高阻抗通道。进一步，谐波消减设备106可包括电阻。该电阻可由谐波消减设备106的等效电阻构成。可选地，该电阻可以通过分立电阻实现。进一步，该电阻可以由等效电阻和分立电阻的组合构成。以下参照图2至图12对谐波消减设备106的具体结构进行描述。
[0041]第一谐振回路108可包括串联谐振电路、并联谐振电路及/或串联-并联谐振电路。在某些实施例中，第一谐振回路108可包括第一串联谐振电感、发送器线圈LI及第一串联谐振电容(未示意但在图2中有说明)。第一谐振回路108是可选地。例如，第一串联谐振电感可以通过外部电感实现。可选地，第一串联谐振电感可以通过一条连接线实现。
[0042]功率接收器120包括接收器线圈，将功率接收器120放置在功率发送器110附近时，接收器线圈磁耦合至发送器线圈。因此，功率可以传输至接收器线圈，并通过第二谐振回路114、整流器117及输出滤波器118传输至负载122。如图1所示，在接收器线圈和负载122之间第二谐振回路114、整流器116和输出滤波器118级联连接。
[0043]第二谐振回路114的结构可以类似于第一谐振回路108。为了简化，这里不再对第二谐振回路114的结构进行详细描述。
[0044]整流器116将从接收器线圈的输出接收到的交变极性波形转换为单极性波形。在某些实施例中，整流器116包括一对二极管。在可选实施例中，整流器包括一对开关元件例如N类型金属氧化半导体(NMOS)晶体管。
[0045]进一步，整流器116可由其他类型的可控元件构成，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)元件、双极结晶体管(BJT)元件、超结晶体管(SJT)元件、绝缘栅门极晶体管(IGBT)元件、氮化镓(GaN)功率元件及/或其他。整流器116的具体运作及结构在本领域是公知的，因此这里不再进行讨论。
[0046]输出滤波器118用于对无线功率传输系统100的开关纹波进行衰减。根据隔离式直流/直流(dc/dc)转换器的工作原理，输出滤波器118可以为由电感和多个电容构成的L-C滤波器。本领域的技术人员应当意识到某些隔离式dc/dc转换器拓扑结构例如正向转换器可能需要L-C滤波器。另一方面，某些隔离式dc/dc转换器拓扑结构例如谐振转换器可包括由电容构成的输出滤波器。本领域的技术人员应当进一步意识到可视情况将不同的输出滤波器结构应用于不同的功率转换器拓扑结构。输出滤波器118的各种结构变化都落于本发明的各种实施例中。
[0047]图2阐述了本发明各种实施例中图1所示的无线功率传输系统的谐波消减设备的第一示意性实现的示意图。开关网络104包括两个开关元件，S卩SI和S2。如图2所示，开关元件SI和S2在输入直流电源VIN的两端之间串联连接。开关元件SI和S2的公共节点耦合至辅助网络107的第一输入端。开关元件S2的源极接地并连接至辅助网络107的第二输入端。如图2所示，辅助网络107的两个输出端分别连接至发送器线圈LI的两端。
[0048]开关元件SI和S2构成半桥谐振转换器的原边开关网络。在某些实施例中，开关元件SI和S2可通过MOSFET或并联连接的多个MOSFET、M0SFET的任意组合及/或其他实现。
[0049]在可选实施例中，开关元件(例如开关SI)可以为IGBT元件。可选地，第一开关可以为任何可控开关，例如集成门极换向晶闸管(IGCT)元件、门极可关断晶闸管(GTO)元件、半导体控制整流器(SCR)、结晶型场效应晶体管(JFET)元件、MOS控制晶闸管(MCT)元件、GaN功率元件及/或其他。
[0050]应当注意的是整个描述中的例子是基于半桥谐振转换器(例如图2所示的半桥谐振转换器)，图2所示的谐振转换器200可具有多种变换、替换及修改。例如，可选地可采用全桥转换器、推挽转换器、E类功率转换器(例如，E类放大器)。进一步，在某些应用中当发送器线圈LI紧密耦合于接收器线圈L2时形成LLC谐振转换器。
[0051]总之，这里所阐述的半桥谐振转换器200仅用于清楚地解释各种实施例的有创造性的各方面。本发明不受限于任何特定的功率拓扑结构。
[0052]进一步应当注意的是尽管图2阐述了两个开关SI和S2，本发明的各种实施例可包括其他变换、修改和替换。例如，开关网络104中的每个开关可与一个独立电容并联连接。该独立电容有助于更好地控制半桥谐振转换器200的谐振过程的时间。
[0053]半桥谐振变换器200的第一谐振回路由第一串联谐振电感Lxl、第一串联谐振电容Crl及发送器线圈LI组成。如图2所示，第一谐振电感Lxl、第一谐振电容Crl及发送器线圈LI串联连接。应当注意的是图2所示的第一谐振回路仅仅为一个例子。可以有多种变换、替换和修改。例如，可在第一谐振回路中采用其他谐振电容及/或谐振电感。再者，尽管图2所示的第一谐振回路中的谐振元件是串联连接的，其他连接结构例如并联连接、串联-并联连接也在本发明的范围内。
[0054]谐波消减设备106的第一实现(图1所示)为由串联连接的电感Lhl及电容Chl构成的谐波陷波电路。贯穿整个描述，可选地图2所示的谐波陷波电路可以为谐波陷波电路106N。
[0055 ]如图2所示，谐波陷波电路106N具有连接至开关元件SI和S2的公共节点的第一端。谐波陷波电路106N的第二端连接至第一谐振电容Crl和发送器线圈LI的公共节点。
[0056]应当注意的是，根据设计需求和不同的应用，谐波陷波电路106N可包括与电感Lhl和电容Chl串联连接的电阻(未示意)。电阻可由电感Lhl和电容Chl的等效电阻组成。在可选实施例中，电阻可以通过分离电阻实现。
[0057]工作时，对电感Lh I和电容Ch I的值进行选择使得电感Lh I和电容Ch I形成针对某个频率分量的低阻抗通道。在某些实施例中，开关网络104在6.78MHz的开关频率下工作。谐波陷波电路106可设计为对频率大约为20.34MHz的三阶谐波进行衰减。也就是说，电感Lhl和电容Chl构成针对三阶谐波的低阻抗通道，因此三阶谐波电流被转移至低阻抗通道。
[0058]在某些实施例中，Lhl的电感为大约InH至大约10nH13Chl的电容为大约1pF至大约100nF。应当注意的是上述给定的值仅仅用于阐述目的而不是将本发明的各种实施例限定为任何特定的值。本领域的技术人员应当意识到，根据不同的应用和设计需求，可将以上描述的电感和电容修改为其他不同的值。
[0059]图2所示的谐波陷波电路106N的其他优点在于谐波陷波电路106N可以对干扰谐波(例如三阶谐波)进行衰减。因此，流经发送器线圈的电流为正弦波。该正弦波有助于无线功率传输系统满足EMC规定。
[0060]第二谐振回路114包括第二串联谐波电感Lx2、接收器线圈L2及第二串联谐振电容Cr2。如图2所示，第二谐振电感Lx2、接收器线圈L2及第二谐振电容Cr2串联连接。应当注意的是图2所示的第二谐振回路114仅仅为一个例子。可以有多种变换、替换和修改。例如，可在第二谐振回路114中应用其他谐振电容及/或谐振电感。再者，尽管图2中第二谐振回路114中的谐振元件为串联连接，其他连接结构例如并联连接、并联-串联连接也在本发明的范围内。
[0061]第二谐振回路114的输出通过整流器116耦合至负载RL，整流器116由二极管Dl和D2构成。如图2所示，二极管Dl和D2串联连接并耦合至负载RL的两端。
[0062]应当注意的是图2所示的整流器结构仅仅为一个例子。本领域的技术人员应当意识到可有多种替换、变换和修改。例如，可用两个开关取代二极管Dl和D2。
[0063]图3阐述了本发明各种实施例中图2所示的无线功率传输系统的各种波形。图3所示的横轴表示时间间隔。横轴的单位为微秒。可以有五个纵轴。第一纵轴Yl表示开关S2的漏极-源极两端的电压。第二纵轴Y2表示流经第一串联谐振电容Crl的电流。第三纵轴表示流经电容Chl的电流。第四纵轴Y4表示流经发送器线圈LI的电流。第五纵轴Y5表示无线功率传输系统200的输出电压。
[0064]如图3所示，波形310表示输出电压Vo维持在理想值。波形308表示流经发送器线圈LI的电流为正弦波。也就是说，波形308的三阶谐波量相对较低，因为三阶谐波已经被转移至包括Chl和Lhl的谐波陷波电路(图2所示)。
[0065]波形302表示无线功率传输系统200的开关频率。进一步，波形302表示开关SI和S2都具有零电压导通过渡。波形306表示流经谐波陷波电路的电流主要为三阶谐波电路。波形304表示流经第一串联谐振电容Crl的电流为三阶谐波和基频波的组合。
[0066]图4阐述了本发明各种实施例中图1所示的谐波消减设备的第二示意性实现的示意图。开关网络104、第一谐振回路、松耦合变压器112、第二谐振回路114、整流器116及输出滤波器118的结构和工作原理与图2类似，因此为了避免重复，这里不再进行讨论。图4所示的无线功率传输系统400的谐波消减设备由多个并联连接的谐波陷波电路106N组成。在某些实施例中，图4所示的每一谐波陷波电路106N可以设计为对奇数阶谐波进行衰减。因此，大量奇数阶谐波被转移至谐波消减设备。
[0067]图5阐述了本发明各种实施例中图1所示的谐波消减设备的第三示意性实现的示意图。无线功率传输系统500的结构与图2所示的结构类似，除了谐波陷波电路106N的位置不同以外。更具体地，谐波陷波电路106N的第一端连接至第一谐波电感Lxl及发送器线圈LI的公共节点。谐波陷波电路106N的第二端接地。图5所示的结构的一个优点为第一谐振电感Lxl可有助于降低谐波分量。换句话说，第一谐振电感Lxl可用作滤波元件，可进一步降低无线功率传输系统500的谐波量。
[0068]图6阐述了本发明各种实施例中图1所示的谐波消减设备的第四示意性实现的示意图。无线功率传输系统600的结构与图2所示的结构类似，除了谐波陷波电路106N的位置不同以外。更具体地，如图6所示，谐波陷波电路106N连接在阻抗电路和第一谐振回路之间。应当注意的是谐波陷波电路106N被设计为对具有Lhl和Chl的谐振频率的谐波进行衰减。阻抗电路的阻抗在Lhl和Chl的谐振频率处不为零。在某些实施例中，阻抗电路可以为谐波抑制电路的一部分，以下将会参考图8对此进行详细描述。
[0069]图7阐述了本发明各种实施例中图1所示的谐波消减设备的第五示意性实现的示意图。无线功率传输系统700的结构与图2所示的结构类似，除了谐波陷波电路106N的位置不同以外。更具体地，如图7所示，谐波陷波电路106N连接在第一谐振回路和发送器线圈LI之间。
[0070]图8阐述了本发明各种实施例中图1所示的谐波消减设备的第六示意性实现的示意图。图8所示的谐波消减设备通过包括电感Lhl和电容Chl的谐波抑制电路实现。贯穿整个描述，可选地，图8所示的谐波抑制电路可以为谐波抑制电路106T。
[0071]如图8所示，谐波抑制电路106T具有连接至开关元件SI和S2的公共节点的第一端。谐波抑制电路106T的第二端连接至第一串联谐振电感Lxl。应当注意的是，根据设计需求和不同的应用，谐波抑制电路106T可包括与电感Lh I和电容Ch I并联连接的电阻(未示意)。电阻可由电感Lhl和电容Chl的平均电阻组成。在可选实施例中，电阻可通过分离电阻实现。[0072 ] 工作时，对电感Lh I和电容Ch I的值进行选择使得电感Lh I和电容Ch I形成针对某个频率分量的低阻抗通道。在某些实施例中，开关网络104在6.78MHz的开关频率下工作。谐波陷波电路106可设计为对频率大约为20.34MHz的三阶谐波进行衰减。也就是说，电感Lhl和电容Chl构成针对三阶谐波的低阻抗通道，因此可阻挡三阶谐波进入发送器线圈LI。
[0073]在某些实施例中，Lhl的电感为大约1pH至大约1nH13Chl的电容为大约10pF至大约10nF。应当注意的是上述给定的值仅仅用于阐述目的而不是将本发明的各种实施例限定为任何特定的值。本领域的技术人员应当意识到，根据不同的应用和设计需求，可将以上描述的电感和电容修改为其他不同的值。
[0074]图8所示的谐波抑制电路106T的优点在于谐波抑制电路106T能够阻止干扰谐波(例如，三阶谐波)进入发送器线圈。因此，无线功率传输系统能够满足EMC规则。
[0075]图9阐述了本发明各种实施例中图8所示的无线功率传输系统的各种波形。图9所示的横轴表示时间间隔。横轴的单位为微秒。可以有4个纵轴。第一纵轴Yl表示开关S2的漏极-源极两端的电压。第二纵轴Y2表示流经电容Chl的电流。第三纵轴Y3表示流经发送器线圈LI的电流。第四纵轴Y4表示无线功率传输系统800的输出电压。
[0076]如图9所示，波形908表示输出电压Vo维持在理想值。波形906表示发送器线圈LI的电流接近正弦波。因为阻止三阶谐波进入发送器线圈LI，波形906的三阶谐波量相对较低。波形902表示无线功率传输系统800的开关频率。进一步，波形902表示开关SI和S2都具有零电压导通过渡。波形904表示流经谐波抑制电路的电流主要为三阶谐波电流。
[0077]图10阐述了本发明各种实施例中图1所示的谐波消减设备的第七示意性实现的示意图。图10所示的无线功率传输系统1000的谐波消减设备由多个串联连接的谐波抑制电路106T构成。在某些实施例中，图10所示的每一谐波抑制电路可以被设计为可阻止奇阶谐波进入发送器线圈LI。因此，大量奇阶谐波被衰减，流经发送器线圈LI的电流为正弦波。
[0078]图11阐述了本发明各种实施例中图1所示的谐波消减设备的第八示意性实现的示意图。图11所示的无线功率传输系统1100的功率转换拓扑结构与图2所示的类似，除了谐波消减设备不同以外。更具体地，图11所示的谐波消减设备包括图2所示的谐波陷波电路106N和图8所示的谐波抑制电路106T。在某些实施例中，谐波陷波电路106N提供了针对某个或某些频率分量的低阻抗通道。另一方面，谐波抑制电路106T阻止干扰频率分量进入发送器线圈LI。谐波陷波电路106N和谐波抑制电路106T的这种结合有助于进一步降低干扰谐波，因此无线功率传输系统1100满足EMC规则。应当注意的是尽管图11所示的谐波陷波电路106N是放置在谐波抑制电路106T的前面，其他变化也在本发明的范围内。例如，谐波陷波电路106N可放置在谐波抑制电路106T的后面。
[0079]图12阐述了本发明各种实施例中图1所示的谐波消减设备的第九示意性实现的示意图。图12所示的无线功率传输系统1200的谐波消减设备与图11所示的类似，除了图11所示的单一谐波抑制电路106T被多个串联连接的谐波抑制电路106T取代，以及图11所示的单一谐波陷波电路106N被多个串联连接的谐波陷波电路106N取代以外。
[0080]应当注意的是尽管图12示意出谐波陷波电路106N放置在谐波抑制电路106T的前面，其他变化也在本发明的范围之内。例如，谐波陷波电路106N也可放置在谐波抑制电路106T的后面。进一步，谐波陷波电路106N及谐波抑制电路106T可按照交替的方式连接。
[0081]总的来说，谐波陷波电路(器件)可以连接至发送器线圈或第一谐振回路。进一步，谐波陷波电路可耦合在开关网络和第一谐振电路的内部节点之间。按照上述排列，可创建针对谐波频率的低阻抗通道以降低陷波频率处谐波陷波电路的电压。因此，发送器线圈在谐波频率处的谐波电流降低。类似地，谐波抑制电路(器件)可以与发送器线圈和第一谐振回路串联连接或者放置在任何一个位置处，在该位置处谐波抑制电路与发送器线圈有串联耦合关系。因为谐波抑制电路为选择的谐波频率提供了高阻抗通道，发送器线圈在谐波频率处的谐波电流降低。谐波陷波电路和谐波抑制电路也可便利地结合以进一步降低特定谐波频率的谐波量。例如，一个谐波陷波电路的一个谐振频率可以和一个谐波抑制电路的一个谐振频率大致相等。
[0082]以上描述的谐波抑制电路和谐波陷波电路为谐振电路。该谐振电路可增加系统运作的复杂度。再者，该谐振电路可以给无线功率传输系统的元件带来过度振荡以及高电压和电流应力。更具体地，当大的信号瞬变出现时例如无线功率系统的启动过程中，需要合适的软启动操作以解决谐振回路带来的问题。
[0083]图13阐述了本发明各种实施例中包括软启动电路的无线功率传输系统的示意图。如图13所示，无线功率传输系统1300的输入直流电源未与开关网络直接连接。在输入直流电源的负极端和输入电容Cdc的负极端之间具有直流连接开关Sdc。在软启动过程中，控制直流连接开关Sdc的门控制信号使得直流连接开关Sdc缓慢开启。直流连接开关的缓慢开启有助于限制流经直流连接开关Sdc的电流。因此，图13所示的电压Vdc以可控的方式缓慢上升。
[0084]偏置功率耦合至输入直流电源Vin。因此，可在Vdc达到有效值之前创建偏置功率。偏置功率可用于控制直流连接开关Sdc的工作。
[0085]图13所示的具有软启动电路的优点在于Vdc的逐渐和缓慢增加有助于建立第一谐振回路的平稳工作。因此，可降低无线功率传输系统1300的分量应力。
[0086]图14阐述了本发明各种实施例中包括软启动电路的另一无线功率传输系统的示意图。图14所示的无线功率传输系统1400的软启动电路与图13所示的类似，除了直流连接开关Sdc是耦合在输入直流电源Vin的正极端和输入电容Cdc的正极端之间以外。
[0087]图15为本发明各种实施例中图13所示的软启动电路的具体实现的示意图。SI是主要直流连接开关(软启动开关)，在启动阶段SI具有可靠的线性工作模式。启动阶段完成后，在SI完全打开后直流连接开关SI具有低阻抗。应当注意的是，考虑到SI的漏极和栅极之间的高度非线性米勒电容，SI的转换特性可能不是完全线性的。
[0088]软启动开关还包括由Cf和Rf构成的反馈电路。如图15所示，Cf和Rf串联连接并耦合在SI的漏极和栅极之间。Cr和Rf可对米勒电容的变化进行补偿，以使得SI的转换特性线性化。
[0089]图15还示意出电容Cg耦合在SI的栅极及源极之间。Cg可以为SI的栅极至源极的电容、分离电容及/或为它们中的任何组合。
[0090]可以通过调节栅极充电电流源Ich来控制SI的栅极的充电电流。通过控制栅极充电电流的形状，可相应地控制栅极电压。因此，可缓慢开启开关SI以及可控制电压Vs以可接受的方式缓慢降低。
[0091]通过耦合至输入电压源及/或任何其他适合的电压源例如控制运算放大器的电阻产生栅极电流源Ich。可选地，栅极电流源Ich可以为耦合至输入电压源及/或任何其他合适的电源例如可控电流源的电流源。
[0092]如图15所示，稳压二极管Dg用于限制SI的栅极的最大电压。Sdn为晶体管及/或MOSFET开关。Sdn在需要时关闭SI。当Sdn开启时SI的关闭流程启动。
[0093]在某些实施例中，SI的关闭速度可以比SI的开启速度快很多。如果由于耦合至SI的主要电源路径的电感造成的电压尖峰，电压Vs达到预设值(预设值低于SI的雪崩电压)，稳压二极管Ddn开始导通，以及通过电阻Rdn2，信号耦合至关闭控制块。关闭控制块对该信号进行处理以及产生信号以关闭Sdn Adn关闭后或者至少暂时以线性模式工作后，通过另一电阻Rdnl，S1的栅极电压充满使得SI开始再次传导电流。因此，耦合至SI的电感的能量在SI中消耗。
[0094]总而言之，这是限制SI的应力的钳位操作。因此，施加于SI(漏极至源极)的最大电压降低。该降低的电压有助于SI不进入雪崩工作模式或至少有助于降低雪崩能量。
[0095]应当选择Rdnl和Rdn2使得SI的漏极电压和漏极电流都在SI的安全区域内。如果需要，Rdnl和Rdn2也可耦合至其他稳压二极管以提供更大的灵活性。类似地，稳压二极管的组合也可耦合至Ich以引入另一充电路径，该充电路径可与Rdnl并行工作或完全取代Rdnl。
[0096]在Vs降至低于稳压二极管Ddn的钳位电压之后，关闭控制块产生的信号打开Sdn以完成关闭流程。这种软启动电路和关闭控制机制可以应用至任何合适的功率转换器及/或功率系统。
[0097]在无线功率传输系统中，故障可以触发关机。关机控制块启动关机流程。在关机流程完成后，故障可能被清除。无线功率传输系统可以重新启动。该启动流程可以遵循以上参照图13描述的软启动机制。
[0098]图13所示的软启动控制机制可以用于其他合适的应用例如热插拔。在热插拔过程中，当电路插入或连接至电源时，图13所示的软启动电路可用于降低冲击电流。在开关两端的电压相对较高时的启动过程的第一阶段，可控制软启动电路以将流经软启动开关(图15所示的直流连接开关SI)的电流限制至相对较低的值。在第二阶段，在开关电压降低至某一值以及耦合至软启动电路的系统具有足够高的电压后，软启动电路开始工作，电源可能需要提供更多电流。可以控制开关SI使得流经开关的电流增加至满足增长需求。通过调整开关电压和电流控制，开关SI的应力降低。降低的应力有助于改善可靠性和降低成本。
[0099]软启动电路的全部或部分可作为半导体器件集成在一起。再者，软启动电路可与功率转换电路例如图13所示的发送器电路集成。将高电容值的电容例如图13所示的Cdc放置在半导体晶粒中可能是不实际的。高电容值的电容可通过分离电容实现，分离电容与半导体电容并联连接，半导体电容具有更小的值以及集成于半导体晶粒的内部。如果这两个电容(分离电容和半导体电容)之间的互连电感造成显著的电压振荡，阻容吸收或类似方法可用于降低或抑制振荡。
[0100]图16阐述了本发明各种实施例中无线功率传输系统的模块图。无线功率传输系统1600包括发送器1602和接收器1612。发送器1602包括发送器功率级集成电路1606、发送器线圈和谐振电容块1608以及发送器控制器1604。接收器1612包括接收器线圈和谐振帽块1614以及接收器功率级集成电路1616。
[0101]发送器功率级集成电路1606可包括功率开关、驱动电路以及基本功率转换控制电路。如果需要，发送器功率级集成电路1606也可为发送器控制器1604提供偏置功率。可选地，发送器功率级集成电路1606可包括谐振电容、控制电路及驱动电路的全部或一部分。例如，可通过控制谐振电容实现输出电压控制。
[0102]发送器控制器1604提供多种控制功能例如系统控制功能、通信功能及/或其他。可通过依附于主要功率传输过程的调制过程实现通信功能。可选地，可通过通信通道例如蓝牙、WIF1、Zigbee、集成电路(I2C)等等实现通信功能。外部通信不是非常可靠。假如有效通信信号已经发送并且较长时间都没有得到确认，可以关闭功率转换以节省能量和阻止干扰情况。
[0103]可通过电压位移机制控制发送器1602中的谐振电容，电压位移机制允许部分电容仅暴露于正电压。因此，通过控制电压及/或通过改变单向开关可实现可变电容。
[0104]在接收器电路中，可通过调制依附于主要功率传输过程的信号，或通过功率管理总线、电池管理/控制总线或其他合适方式例如I2C、蓝牙、W1-Fi等传输信号创建通信。
[0105]接收器功率级集成电路1616可具有偏置功率电路，以及可选地可提供偏置功率至其他功能单元。再者，接收器功率级集成电路1616可从系统例如电池或无线功率传输系统的转换器接收偏置功率。接收器电路中的全部或部分谐振电容可与接收器功率级集成电路1616集成。可将以上描述的电压位移机制应用于接收器的谐振电容中。因此，可通过控制电压或通过切换单向开关实现可变电容。
[0106]应当注意的是尽管在图16中阐述的是直流输入，也可使用交流输入或其他电源。例如，通过在交流输入源和功率级集成电路之间连接合适的功率转换电路，来利用来自交流输入的功率。
[0107]尽管对本发明实施例及其优点进行了详细描述，应当理解的是在不违背本发明精神和附属的权利要求限定的范围的情况下可以做出各种改变、替代及变化。
[0108]再者，本发明的范围没有被限制为说明书中描述的流程、机器、制造、组合物、方式、方法和步骤。本领域的技术人员容易意识到根据本发明的揭露，现有的或以后出现的，实现的功能或效果与这里所描述的相应实施例实现的功能或效果基本相同的流程、机器、制造、组合物、方式、方法或步骤可以根据本发明进行应用。相应地，该些流程、机器、制造、组合物、方式、方法或步骤包括在附属的权利要求的范围之内。
【主权项】
1.一种系统包括: 耦合至电源的开关网络，其中所述开关网络包括多个功率开关； 耦合至多个所述功率开关的第一谐振回路，其中所述第一谐振回路包括至少一个谐振电容； 耦合至所述第一谐振回路的发送器线圈，其中: 所述发送器线圈被配置为磁耦合至接收器线圈；以及 所述发送器线圈和所述接收器线圈的配置使得无线功率从所述发送器线圈传输至所述接收器线圈；以及 耦合在所述开关网络和所述发送器线圈之间的谐波消减设备，其中所述谐波消减设备被配置为: 对所述发送器线圈中的电流的至少一个频率分量进行衰减。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述谐波消减设备包括: 第一谐波陷波电路，所述第一谐波陷波电路包括串联连接的第一电感和第一电容。3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述谐波陷波电路耦合至所述发送器线圈。4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述谐波陷波电路连接到所述第一谐振回路。5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述谐波陷波电路耦合在所述开关网络和所述第一谐振回路的一个节点之间。6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括: 第二谐波陷波电路，所述第二谐波陷波电路包括串联连接的第二电感和第二电容，其中所述第一谐波陷波电路和所述第二谐波陷波电路并联连接，以及其中: 所述第一电感和所述第一电容被配置为对第一频率分量进行衰减；以及 所述第二电感和所述第二电容被配置为对第二频率分量进行衰减。7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述谐波消减设备包括: 第一谐波抑制电路，所述第一谐波抑制电路包括并联连接的第三电感和第三电容。8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一谐波抑制电路与所述发送器线圈串联连接。9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一谐波抑制电路与所述第一谐振回路串联连接。10.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一谐波抑制电路耦合在所述开关网络和所述第一谐振回路的一个节点之间。11.如权利要求7所述的系统，其特征在于，还包括: 第二谐振陷阱电路，所述第二谐波抑制电路包括并联连接的第四电感和第四电容，其中所述第一谐振陷阱电路和所述第二谐振陷阱电路串联连接，以及其中: 所述第三电感和所述第三电容被配置为对第三频率分量进行衰减；以及 所述第四电感和所述第四电容被配置为对第四频率分量进行衰减。12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述谐波消减设备包括: 第一串联谐波消减器件和第一并联谐波消减器件，以及其中: 所述第一串联谐波消减器件耦合在所述开关网络和所述第一谐振回路之间；以及 所述第一并联谐波消减器件耦合在所述第一串联谐波消减器件和所述开关网络的公共节点及所述第一谐振回路和所述开关网络的公共节点之间。13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述谐波消减设备包括: 第一串联谐波消减器件和第一并联谐波消减器件，以及其中: 所述第一串联谐波消减器件耦合在所述开关网络和所述第一谐振回路之间；以及所述第一并联谐波消减器件耦合在所述第一串联谐波消减器件和所述开关网络的公共节点及所述第一谐振回路的一个节点之间。14.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述谐波消减设备包括: 第一串联谐波消减器件和第一并联谐波消减器件，以及其中: 所述第一串联谐波消减器件耦合在所述开关网络和所述第一谐振回路之间；以及 所述第一并联谐波消减器件与所述发送器线圈并联连接。15.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述谐波消减设备包括: 第一串联谐波消减器件和第一并联谐波消减器件，以及其中: 所述第一串联谐波消减器件耦合在所述第一并联谐波消减器件和所述第一谐振回路之间；以及 所述第一并联谐波消减器件耦合至阻抗电路和所述开关网络的一个公共节点。16.—种装置包括: 耦合至电源的开关网络，其中所述开关网络包括多个功率开关； 耦合至多个所述功率开关的发送器谐振回路，其中所述发送器谐振回路包括第一谐振电容； 耦合至所述发送器谐振回路的发送器线圈；以及 耦合在所述开关网络和所述发送器线圈之间的谐波消减设备，其中所述谐波消减设备被配置为对所述发送器线圈中的电流的至少一个频率分量进行衰减。17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述谐波消减设备包括多个谐波抑制电路。18.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述谐波消减设备包括多个谐波陷波电路。19.一种装置包括: 通过输入电容耦合至电源的开关网络，其中所述开关网络包括多个功率开关； 耦合至多个所述功率开关的发送器谐振回路，其中所述发送器谐振回路包括第一谐振电容； 耦合至所述发送器谐振回路的发送器线圈，用于将功率传输至所述接收器线圈； 包括多个谐波陷波电路及多个谐波抑制电路的谐波消减设备；以及 耦合在所述电源和所述输入电容之间的软启动开关。20.如权利要求19所述的装置，其特征在于: 所述软启动开关被配置为在启动过程中抑制所述发送器谐振回路和所述谐波消减设备的谐振；以及 所述软启动开关受控于基于所述软启动开关的漏极电压产生的反馈信号。
【文档编号】H02M5/00GK105874700SQ201580003457
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年1月6日
【发明人】毛衡春
【申请人】伏达科技