专利名称：一种无线电力传输系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及电力传输技术领域，尤其涉及一种无线电力传输系统及其控制方法。
背景技术：
当前，开发能够充电或供电多种电子装置的无线电力供应系统越来越受到研发人员的关注。就无线电力供应系统来说，其允许电力被传输到电子装置，如便携式装置，而无需使用直接的电线连接。具体地，无线电力传输可使用感应器而取得，其在电流流过时产生磁场。此外，当存在一磁场时，电流可在另一感应器中加以感应生成。如果两个感应器安置在附近并且其中的一感应器由一电流进行驱动，那么，即使两感应器并未直接连接，另一感应器也会产生电流，藉由这种在两感应器之间的交互关系来实现无线电力传输。相对于有线电力连接，无线电力传输可免除多种问题，比如，电线所附带的杂乱，可携式电子装置重复地插拔充电电线的不便。近来年，无线电力传输技术已广泛应用于3C产品中，无线充电技术联盟 (Wireless Power Consortium, WPC)规定120W的非接触电力传输将陆续被定义并应用于家电产品。例如，无线电力传输装置应用于电视显示器时，需要根据不同尺寸的显示面板来采用不同的传输功率并适时提供最大传输功率，使得输出端的电压和电流保持稳定。因而，不论无线电力传输装置操作于固定频率或可变频率时，当等效负载变动而要求不同的最大功率输出时，其无线电力传输端如何达到适时地主动调整为最大功率传输已称为较为关键的控制依据。现有技术中的一种解决方案是在于，如图I所示，将二次侧的绕组110作为反馈依据，由二次侧感应到一次侧后，并经由电容128的一端截取所感应的反馈讯号至控制器120，并将该反馈讯号作为调整输出功率的依据，最后由控制器120驱动反相器126进行传输功率调整。在该方法中，需要由二次侧感应反馈信号，且截取电容128的电压讯号方可实现，故而必须设计复杂的控制方法与硬件反馈电路。此外，该反馈方式并不能主动调整使无线电力传输端即时具备最大功率传输。如前述部分所示，参照图1，便携式电子装置100包括无线电力供应器102和远端装置104。其中，主电源输入经由主电源整流122、直流-直流转换器124、反相器126和电容128转换为变压器130的一次侧电压，而变压器130的二次侧感应该电压，并经由电容106、整流器112、控制器114达到负载116。其中，整流器112和控制器114还电性耦接一RF过滤器108。在该便携式电子装置中，将二次侧的绕组110作为反馈依据，由二次侧感应到一次侧后，并经由电容128的一端截取所感应的反馈讯号至控制器120，并将该反馈讯号作为调整输出功率的依据，最后由控制器120驱动反相器126进行传输功率调整。在该方法中，须设计复杂的控制方法与硬件反馈电路，而且该反馈方式无法主动调整使无线电力传输端即时具备最大功率传输。有鉴于此，如何设计一种新颖的无线电力传输架构，以较简洁的设计方案取代上述现有的电路结构，在消除上述不足的同时，还可将无线电力传输装置持续锁定在最大功率传输点，以对应负载端不同负载所需求的不同输出功率，是业内相关技术人员亟待解决的一项课题。
发明内容
针对现有技术中的无线电力传输系统在设计时所存在的上述缺陷，本发明提供了一种新颖的无线电力传输系统及其控制方法。依据本发明的一个方面，提供了一种可控制传输功率的无线电力传输系统，包括一功率变换器，至少包括一功率开关；一谐振补偿电路，包括位于一次侧的第一绕组和第一补偿电容，以及位于二次侧的第二绕组和第二补偿电容，其中，第一补偿电容电性连接至功率开关的一第一端，第二补 偿电容并联连接一负载；一增益补偿电路，用于接收流经功率开关的一电流信号，并对该电流信号进行增益放大；以及一数字控制器，电性连接至增益补偿电路的输出端，用于根据放大后的信号来调节功率开关的控制信号，以调节系统的传输功率。在其中的一实施例中，功率变换器为一半桥式的D类转换器，所述D类转换器包括串接的一第一开关和一第二开关，所述第一开关与第二开关的连接点电性连接至所述增益补偿电路。在其中的一实施例中，第一绕组与第一补偿电容串联或并联连接，所述第二绕组与所述第二补偿电容串联或并联连接。在其中的一实施例中，增益补偿电路包括一带通滤波器，用以将所述电流信号进行滤波处理，以滤除高次谐波成分；一增益放大器，对滤波处理后的电流信号进行增益放大；以及一比较器，其第一输入端电性连接至一接地电压，其第二输入端电性连接至所述增益放大器的输出端，其输出端输出一驱动电压。进一步，该数字控制器接收所述驱动电压，并输出一第一控制信号至所述第一开关以及一第二控制信号至所述第二开关。在其中的一实施例中，增益补偿电路接收的所述电流信号为所述第二开关导通时，流经所述第二开关的电流信号。依据本发明的另一个方面，提供了一种上述无线电力传输系统的控制方法，该控制方法包括以下步骤设定操作频率的一上限阈值和一下限阈值；将当前操作频率与所述上限阈值、所述下限阈值进行比较；若当前操作频率介于所述上限阈值与所述下限阈值之间时，判断流经所述功率开关的电流与加载于所述功率开关两端的电压间的实际相位差与目标相位差的差值是否小于一时间阈值；以及根据判断结果调节所述无线电力传输系统的当前操作频率。在其中的一实施例中，若当前操作频率大于所述上限阈值，则调整所述当前操作频率等于所述上限阈值；若当前操作频率小于所述下限阈值，则调整所述当前操作频率等于所述下限阈值。在其中的一实施例中，如果实际相位差与目标相位差之间的差值小于所述时间阈值，则保持当前操作频率不变。在其中的一实施例中，如果实际相位差与目标相位差之间的差值大于所述时间阈值，根据所述实际相位差大于或小于目标相位差的情形，对应地增加或减小当前操作频率。采用本发明的无线电力传输系统及其控制方法，藉由增益补偿电路来接收流经功率开关的一电流信号，对该电流信号进行增益放大，并通过数字控制器来调节功率开关的控制信号，然后根据该电流信号及其内部的驱动控制信号进行功率调整角度计算，以便利用数字控制器所输出的控制信号调整操作频率与开关周期，进而控制系统的传输功率。此夕卜，本发明的控制方法可在任意负载条件下，主动改变上述功率调整角度，以便实现系统的最大功率输出。
读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式
以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中，图I示出现有技术中的无线电力传输系统的电路结构框图；图2示出依据本发明的一实施方式的无线电力传输系统的电路结构框图；图3示出图2的无线电力传输系统中的增益补偿电路的一具体实施例；图4示出用于实现图3的增益补偿电路的电路结构框图；图5示出图2的无线电力传输系统中的关键信号的波形图；图6(a) (C)分别示出图2的无线电力传输系统在不同时间期间的电流路径示意图；以及图7示出依据本发明的另一实施方式的无线电力传输系统的控制方法的流程框图。
具体实施例方式为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。图2示出依据本发明的一实施方式的无线电力传输系统的电路结构框图。参照图2，该无线电力传输系统包括一功率变换器201、一谐振补偿电路203、一增益补偿电路205和一数字控制器207。本领域的技术人员应当理解，功率变换器201仅仅以半桥式D类转换器作为示意性举例，然而，本发明并不只局限于此。例如，在其它的实施例中，功率变换器201还可为全桥变换器、E类转换器、推挽式转换器等等。功率变换器201包括一功率开关NI和一功率开关N2。功率开关NI的源极电性连接至一电容的一端，功率开关NI的漏极电性连接至谐振补偿电路203。功率开关N2的源极电性连接至功率开关NI的漏极，功率开关N2的漏极电性连接至该电容的另一端。谐振补偿电路203包括位于一次侧的第一绕组Lp和第一补偿电容Cp，以及位于二次侧的第二绕组Ls和第二补偿电容Cs。其中，第一补偿电容Cp电性连接至功率开关NI的漏极(或功率开关N2的源极)，第二补偿电容Cs并联连接一负载。在一些实施例中，谐振补偿电路203的一次侧的绕组与补偿电容的连接方式与二次侧的绕组与补偿电容的连接方式相同或不同。例如，第一绕组Lp与第一补偿电容Cp采用串联连接，第二绕组Ls与第二补偿电容Cs采用并联连接(即一次侧串联且二次侧并联)。又如，第一绕组Lp与第一补偿电容Cp采用并联连接，第二绕组Ls与第二补偿电容Cs采用串联连接(即一次侧并联且二次侧串联)。再如，在第一绕组Lp与第一补偿电容Cp串联或并联连接，第二绕组Ls与第二补偿电容Cs串联或并联连接(即一次侧与二次侧皆串联或是皆并联)的基础上，加入其它电感或电容元件以共同构成谐振补偿电路，同样可实现上述谐振补偿功能。增益补偿电路205接收流经功率开关N2的一电流信号Ifb，并对该电流信号Ifb进行增益放大，得到一电压信号Vc。需要指出的是，增益补偿电路205所接收的电流信号Ifb为功率开关N2导通时流经该功率开关N2的电流信号，在下文中将结合图6进行详细描述。于一实施例中，当功率开关N2未导通时，增益补偿电路205便不进行讯号回授动作。数字控制器207电性连接至增益补偿电路205的输出端，根据放大后的信号Vc来调节功率开关NI和N2的控制信号，以调节系统的传输功率。 图3示出图2的无线电力传输系统中的增益补偿电路的一具体实施例，以及图4示出用于实现图3的增益补偿电路的电路结构框图。结合图3和图4，该增益补偿电路包括一带通滤波器2051、一增益放大器2052和一比较器2053。其中，带通滤波器2051用以将流经功率开关N2的电流信号进行滤波处理，以滤除高次谐波成分。增益放大器2052电性连接至带通滤波器2051的输出端，对滤波处理后的电流信号进行增益放大。比较器2053包括一第一输入端、一第二输入端和一输出端。比较器2053的第一输入端电性连接至一接地电压，其第二输入端电性连接至增益放大器2052的输出端，比较器2053的输出端根据增益放大器2052放大后的电压信号与接地电压进行比较，从而输出一电压Vc。在一实施例中，数字控制器207接收来自比较器2053的电压Vc，并输出一第一控制信号至功率开关NI以及一第二控制信号至功率开关N2。图5示出图2的无线电力传输系统中的关键信号的波形图。参照图5，VN1与Vn2分别为功率开关NI和N2的驱动信号，Vd和Vd_fund为半桥式D类转换器的输出电压信号和该输出电压信号的基波波形，Ip为半桥式D类转换器的输出电流，从t0时刻到t2时刻的时间期间对应于功率调整角度Ψ，Tl和T2为前后两个驱动周期，时间期间t对应于功率开关NI的导通时刻到输出电流为零的时刻，时间期间t3对应于功率开关N2的截止时刻到功率开关NI的导通时刻间的死区时间。当无线电力接收端的负载R变化时，其映射到无线电力传输端的等效阻抗将随之变化，亦即，功率调整角度Ψ也将随之变化。在本发明中，于功率开关N2导通时所得到的电流信号Ifb,即可知道功率调整角度Ψ的具体数值。由于功率调整角度Ψ对应于时刻to到时刻t2的期间，则从图5可知，将功率开关NI截止时刻作为功率调整角度Ψ的起始计算位置，并于功率开关N2导通时开始计算功率调整角度Ψ，且持续到当功率调整角度￥对应于电压Vc的最低值时，完成功率调整角度Ψ的计算。图6(a) (C)分别示出图2的无线电力传输系统在不同时间期间的电流路径示意图。具体地，图6(a)为功率开关NI截止到功率开关N2导通时的电流路径示意图，此时，电流并不流经功率开关N2的源极和漏极，而是流经它的体二极管D2。图6(b)为功率开关N2导通到计算取得功率调整角度Ψ过程中的电流路径示意图，此时，电流从功率开关的漏极流向源极，亦即，从补偿电容Cp的左侧流向右侧。图6(c)为功率调整角度Ψ完成到功率开关N2截止时的电流路径示意图，图6(c)中的电流流向与图6(b)刚好相反。需要指出的是，增益补偿电路205只需在图6(b)的电路状态下，于T2周期中，接收流经功率开关N2的电流信号Ifb,以便藉由该电流信号达成无线电力传输系统的功率调整与传输控制。此外，该功率调整角度V的计算与控制方法也可在Tl周期中执行。图7示出依据本发明的另一实施方式的无线电力传输系统的控制方法的流程框图。参照图7，在该控制方法中，首先执行步骤S71，设定操作频率的一上限阈值fmax·和一下限阈值fmin。然后，在步骤S73中，将当前操作频率f与上限阈值fmax、下限阈值fmin进行比较,判断当前操作频率f是否介于上限阈值fmax与下限阈值fmin之间。接着若步骤S73判断当前操作频率f介于上限阈值fmax与下限阈值fmin之间，则执行步骤S75，判断流经功率开关N2的电流Ip与加载于功率开关N2两端的电压Vd间的实际相位差与目标相位差(例如，若干个时钟周期)的差值是否小于一时间阈值(例如，若干个时钟周期)。最后，在步骤S77中，根据判断结果调节无线电力传输系统的当前操作频率。另一方面，若步骤S73判断当前操作频率f并非介于上限阈值fmax与下限阈值fmin之间，则选择性地将当前操作频率f设定为上限阈值fmax或下限阈值fmin。在一具体实施例中，若当前操作频率f大于上限阈值fmax，则调整当前操作频率f等于上限阈值fmax ο若当前操作频率f小于下限阈值fmin,则调整当前操作频率f等于下限阈值fmin。在一具体实施例中，如果实际相位差与目标相位差之间的差值小于时间阈值，则保持当前操作频率不变。此外，如果实际相位差与目标相位差之间的差值大于时间阈值，根据实际相位差大于或小于目标相位差的情形，对应地增加或减小当前操作频率f。采用本发明的无线电力传输系统及其控制方法，藉由增益补偿电路来接收流经功率开关的一电流信号，对该电流信号进行增益放大，并通过数字控制器来调节功率开关的控制信号，然后根据该电流信号及其内部的驱动控制信号进行功率调整角度计算，以便利用数字控制器所输出的控制信号调整操作频率与开关周期，进而控制系统的传输功率。此夕卜，本发明的控制方法可在任意负载条件下，主动改变上述功率调整角度，以便实现系统的最大功率输出。上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式
。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式
作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。
权利要求
1.一种可控制传输功率的无线电力传输系统，其特征在于，所述无线电力传输系统包括: 一功率变换器，至少包括一功率开关； 一谐振补偿电路，包括位于一次侧的第一绕组和第一补偿电容，以及位于二次侧的第二绕组和第二补偿电容，其中，所述第一补偿电容电性连接至所述功率开关的一第一端，所述第二补偿电容并联连接一负载； 一增益补偿电路，用于接收流经功率开关的一电流信号，并对所述电流信号进行增益放大·’以及 一数字控制器，电性连接至所述增益补偿电路的输出端，用于根据所述放大后的信号来调节所述功率开关的控制信号，以调节系统的传输功率。
2.根据权利要求I所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述功率变换器为一半桥式的D类转换器，所述D类转换器包括串接的一第一开关和一第二开关，所述第一开关与第二开关的连接点电性连接至所述增益补偿电路。
3.根据权利要求2所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述第一绕组与所述第一补偿电容串联或并联连接，所述第二绕组与所述第二补偿电容串联或并联连接。
4.根据权利要求2所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述增益补偿电路包括 一带通滤波器，用以将所述电流信号进行滤波处理，以滤除高次谐波成分； 一增益放大器，对滤波处理后的电流信号进行增益放大；以及 一比较器，其第一输入端电性连接至一接地电压，其第二输入端电性连接至所述增益放大器的输出端，其输出端输出一驱动电压。
5.根据权利要求4所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述数字控制器接收所述驱动电压，并输出一第一控制信号至所述第一开关以及一第二控制信号至所述第二开关。
6.根据权利要求2所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述增益补偿电路接收的所述电流信号为所述第二开关导通时，流经所述第二开关的电流信号。
7.—种如权利要求I所述的无线电力传输系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤 设定操作频率的一上限阈值和一下限阈值； 将当前操作频率与所述上限阈值、所述下限阈值进行比较； 若当前操作频率介于所述上限阈值与所述下限阈值之间时，判断流经所述功率开关的电流与加载于所述功率开关两端的电压间的实际相位差与目标相位差的差值是否小于一时间阈值；以及 根据判断结果调节所述无线电力传输系统的当前操作频率。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，若当前操作频率大于所述上限阈值，则调整所述当前操作频率等于所述上限阈值；若当前操作频率小于所述下限阈值，则调整所述当前操作频率等于所述下限阈值。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，如果实际相位差与目标相位差之间的差值小于所述时间阈值，则保持当前操作频率不变。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，如果实际相位差与目标相位差之间的差值大于所述时间阈值，根据所述实际相位差大于或小于目标相位差的情形，对应地增加或减小当前操作频率。·
全文摘要
本发明提供了一种无线电力传输系统及其控制方法。该系统包括功率变换器，至少包括一功率开关；谐振补偿电路，包括位于一次侧的第一绕组和第一补偿电容，以及位于二次侧的第二绕组和第二补偿电容；增益补偿电路，用于接收流经功率开关的一电流信号并进行增益放大；以及数字控制器，用于根据放大后的信号来调节功率开关的控制信号。采用本发明，藉由增益补偿电路来接收流经功率开关的一电流信号，对该电流信号进行增益放大，并通过数字控制器来调节功率开关的控制信号，然后根据该电流信号及其内部的驱动控制信号进行功率调整角度计算，以便利用数字控制器所输出的控制信号调整操作频率与开关周期，进而控制系统的传输功率。
文档编号H02J17/00GK102882288SQ20121036762
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月28日 优先权日2012年9月28日
发明者李宗勋, 李岳翰, 林晃蒂, 刘家维 申请人:友达光电股份有限公司