用于通过电容耦合传输电力的方法和设备的制作方法

用于通过电容耦合传输电力的方法和设备的制作方法
【专利摘要】一种用于将电力传输到电负载（105)的方法和设备；所述方法包括以下步骤：将直流电转为电压波，将入口的电压波施加到至少一对电容器(125，130);在出口向电负载（105)提供来自电容器（125，130)的电压。
【专利说明】用于通过电容耦合传输电力的方法和设备

【技术领域】
[0001] 本发明大致涉及一种用于传输电力到电负载的方法和设备。例如，该电负载可为 任何电气或电力装置，所述任何电气或电力装置必须由电力驱动才能运行和/或对所述装 置的内部电池充电。这种类型的电气/电子装置的典型例子为移动电话，电脑，电视等。

【背景技术】
[0002] 目前，广泛使用的用于传输电力到充电装置的解决方法为使用交流电/直流电 (AC/DC)转换器，所述AC/DC转换器能将由例如公用电网产生的交流电（AC)转换成适用于 提供到充电装置的直流电（DC )。
[0003] 为了实现AC/DC转化器以高性能，低负担和低成本来将高电力传输到充电装置 中，通常使用具有一些典型特征的电路。
[0004] 该电路首先包括高压整流器，该高压整流器一般为带有合理的电压和/或电流稳 定电路的二极管桥式整流器，其一般通过电插座可与电网连接，以例如将电网提供的交流 电转为直流电。从整流器连续输出的高压因此应用于DC/DC转换器，所述DC/DC转换器适 于修正直流电，使其更适合于供给充电装置。
[0005] DC/DC转换器通常包括HF (高频）源，其根据反激式电路类型等，能产生高压电压 波（以kHz的十分位或百分位的顺序出现)。接着，将电压波传送给HF变压器，该HF变压器 将高压初级电路(整流器和电压波发生器）和低压次级电路电隔离，该低压次级电路包括充 电装置。这种电隔离是必要的，以防止初级电路对次级电路的危害或电压过高的损害，该次 级电路为低压且通常靠近用户（例如，手机或电脑的连接器的暴露接触)。
[0006] 为了调节次级电路的直流电压，通常干涉由有源开关产生的高频波的占空比。
[0007] 次级电路一般包括次级整流器(例如，单桥整流器或与中心轴头变压器结合的二 极管桥式整流器，同步整流器等)，该次级整流器电插入在变压器和充电装置之间，适于将 变压器的次级电路发出的低压波转为直流低压。可在整流器和充电装置之间插入滤波器， 用于稳定充电装置上的电压和/或电流。
[0008] 本领域的完善需求是为了尽可能减少DC/DC转换器的尺寸。为了达到这个目的， 供应相等的电力给充电装置，增加 HF源产生的电压波的频率是非常重要的，以这种方式， 在单位时间里，从初级电路传输到次级电路所传输的电能的周期次数增加，以此还增加了 传输的电力。
[0009] 电压波频率的增加趋于导致增加可实现变压器磁路的铁磁材料的泄漏，以及在有 缘开关的开关过程中所述有源开关的动态泄漏的缺点，这限制了由HF源产生的电压波的 最大频率，并因此使变压器的尺寸最小，以及转换器中散热元件的散失失最小。


【发明内容】

[0010] 鉴于上述，本发明的目的是提供一种用于传输电力到充电装置的可用方法和设 备，同时，能有效地使目前的典型DC/DC转换器的泄漏问题降到最低。 toon] 本发明的进一步目的是同时保证初级电路和次级电路之间的有效的电隔离。
[0012] 这些和除此之外的其他目的通过独立权利要求中记载的本发明的各个实施例的 特点达到。从属权利要求描述本发明的各个实施例的优选的和/或特别有利的方面。
[0013] 本发明的实施例公开了一种用于将电力传输到电负载的方法，所述方法包括以下 步骤： 将直流电流转为电压波， 在入口处将电压波施加到至少两个电容器， 在出口向电负载提供电容器的电压。
[0014] 换句话说，本实施例基本上包括通过使用至少两个电容器代替现有技术中的变压 器，从而解决变压器的泄漏问题。
[0015] 本发明的这对电容器进一步能保证初级电路和次级电路之间的电隔离，也能传输 足够的电力给充电装置。
[0016] 提供有电压波的每个电容器可视为阻抗，如用通过足够高的电压波的频率和/或 足够大的电容器和/或具有足够大振幅的电压波，很可能在这对电容器的出口得到足够大 的电压波，用于供给充电装置。
[0017] 根据本发明的一个方面，其中的方法还包括步骤： 整流所述电容器的出口的电压波。
[0018] 当充电装置必须提供有直流电流时，本发明实施例是有利的。
[0019] 根据本发明另一个方面，将直流电压转为电压波的步骤可包括： 交替切换有源开关，例如，打开和关闭晶体管(金属氧化物半导体场效应晶体管 (M0SFET)，双极结式晶体管（BJT)，绝缘栅双极型晶体管（IGBT)等)。
[0020] 换句话说，本发明的这个方面通过开关动作，引入产生电压波的可能性，这是非常 简单地解决方法，且该方法可靠和容易控制。
[0021] 在这种情况下，值得考虑的是，用开关动作通过电容器传输高功率并不是简单普 通的工作。大幅地增加电压波的振幅，通常意味着在电隔离电容器之前使用变压器或升 压电路，以及在电隔离电容器之后使用变压器或降压电路，伴随着负担，泄漏和成本相对增 加。
[0022] 从安全角度，增加电压波的振幅是有害的。另一方面，增加电容器意味着使用具有 较高介电常数的介电材料和/或减少介质的厚度，相对恶化电隔离，增加漏电和/或增加电 枢的尺寸，随之负担也增加。
[0023] 最后，增加一些已知类型的开关系统来增加电压波的频率一般导致泄漏的增加。
[0024] 为了这个原因，本发明的一个方面包括将直流电压转为电压波的步骤，所述步骤 包括： 在每个有源开关的转换步骤期间，将应用于有源开关的电力（电压和/或电流）降至基 本为零：无论从关(抑制状态）到开(饱和状态)，还是从开到关。
[0025] 在这种方式下，在开关周期期间，电泄漏大大减少，且通过这种方式能增加周期的 频率以及由此产生的电压频率的增加，因此能在相同的施加电压下增加传输的电力，或能 在相同的传输电力下降低施加的电压。
[0026] 另一方面，当采用这种方法时，可能出现典型的问题，该问题为控制传输到充电装 置的电力是困难的，这是由于传输的电力可能依赖于充电装置本身，反过来也可能既不是 恒定的，也不是先验已知的。
[0027] 为此，本发明的其他方面涉及可改变传输到电力充电装置的电力的模式。
[0028] 根据这些方面中的一个，所述方法可包括步骤： 防止或改变有源开关的开关切换的一个或多个周期。
[0029] 当开关的开闭周期受到抑制，即不再进行时，传输到充电装置的总体电力有利地 减少，高效且具有较低的电泄漏。
[0030] 开关的开关周期能例如通过暂时中止有源开关的电导航信号。
[0031] 更详细地，本发明的一个方面包括基于传输到充电装置的电力的预定参考值，调 节受到抑制的周期的次数和/或频率的可能性。
[0032] 在这种方式下，调节传输到充电装置的电力是有利的，例如获得上述参考值，所述 参考值可根据将要提供的具体充电装置，以及更一般地，根据需求进行修改。
[0033] 更详细地，电力传输的调节可用反馈控制来执行，包括以下步骤： 测量传输到充电装置的电力， 计算测量电力和预定参考值的差，以及 调节受到抑制的开关切换周期的次数和/或频率，例如使所述差值最小化。
[0034] 除了传输到充电装置的电力的第一调节模式之外，或选择地，可使用第二调节模 式，所述第二调节模式包括步骤： 暂时地偏离所述电压波到电线集上，所述电线集与所述电负载平行设置。
[0035] 当所述电压波在电线上偏离，不提供给充电装置，从而使得传输的电力总体上减 少。
[0036] 为了实现该偏离步骤，所述电线可包括第二有源开关，例如第二晶体管（M0SFET， BJT，IGBT，等），和与所述第二有源开关串联连的第三电容器，所述第三电容器具有电容 值，所述电容值足够高，相对于充电装置，当第二有源开关切换到开（即饱和状态）时，可视 为相对于充电装置短路。
[0037] 在这种情况下，本发明的一个方面包括在传输到充电装置的电力的预定参考值的 基础上，调节切换步骤的持续时间和/或所述偏离步骤最终重复的频率。
[0038] 在这种方式下，可有利地调节真正传输到充电装置的电力来达到参考值，所述参 考值可根据需提供的具体充电装置进行修改。
[0039] 尤其地，调节传输电力可用反馈控制执行，包括以下步骤： 测量传输到充电装置的电力， 计算测量的电力和预定参考值之间的差，以及 调节偏离步骤的持续时间和/或偏离步骤最后重复的频率，使得所述差值最小化。
[0040] 用于调节传输到充电装置电力的第三策略包括以下步骤： 调节初始直流电压。
[0041] 初始直流电压的调节是能例如通过任何类型的DC/DC转换器得到的，比如，线性 的，切换的以及除此之外的其他转换器。
[0042] 如前面的情况，这种策略也包括在电力的预定参考值的基础上调节电压，所述电 力为需传输给充电装置的电力，例如，通过实际传输的电力的反馈控制。
[0043] 该第三策略能可替代地被实施，或和一个或多个之前的策略结合来实施。
[0044] 本发明的一个不同方面涉及初始直流压力的产生。
[0045] 实际上，该直流电压可通过直流电压发生器产生，例如电池，或可通过整流交变电 压的步骤来产生，所述交变电压可通过例如公用的电气配电网提供。
[0046] 在本发明的一个不同方面中，每个电容器的第一电枢安装在用户装置上，而每个 电容器的第二电枢安装在供电装置上，所述供电装置与用户装置分开的且独立的，所述方 法包括使用户装置和供电装置接近，使得安装在每个所述用户装置和供电装置上的电枢实 现相同的电隔离电容器。
[0047] 本发明的这个方面揭示了一种用于在供电装置和用户装置之间的以电容方式，无 线传输电力的方法，从而能供电以运行或对其内部电池充电。
[0048] 在这种方式下，可提供电气/电子装置，比如手机，简单地将该装置搁在供电装置 上，无需电连接，使得安装在一个和另一个装置上的电枢实现上面描述的电容器。
[0049] 本发明的另一个实施例公开了一种用于传输电力到电负载的设备，该设备包括： 至少一对电容器， 用于将直流电压转为电压波的装置， 用于在入口将电压波运用到所述电容器的装置； 用于在出口将电容器的电压提供给电负载的装置。
[0050] 本发明的这个实施例本质上提供一种设备，所述设备能执行上面描述的电力传输 方法，从而得到相对的优点。
[0051] 尤其地，两个电容器的存在能保证初级电路和次级电路之间的电隔离，也能传输 足够的电力来供给充电装置，同时，解决变压器以及现有技术中使用的有功和无功元件的 电泄漏问题。
[0052] 本发明的一个方面，所述装置也可包括： 用于在出口整流来自电容器的电压波的装置。
[0053] 本发明的这个实施例在充电装置提供有直流电压时是有利的。
[0054] 本发明的另一个方面，用于将直流电压转为电压波的装置可包括切换电路，所述 切换电路至少包括： 有源开关，例如晶体管（MOSFET，BJT，IGBT，等），和 用于产生电导航信号的装置(驱动器)，所述电导航信号适于交替地切换所述有源开关 的开（即饱和状态）和关（即抑制状态)。
[0055] 更详细地，可使用切换电路，所述切换电路只利用一个有源开关，例如一个单独的 晶体管（MOSFET，BJT，IGBT，等），所述有源开关关于最小和低电位(接地)，这是简单的解 决方法，可靠，容易控制且经济。或者，可使用其它类型的切换电路，其包括例如两个或更多 带有相应驱动器的有源开关。
[0056] 更详细地，所述切换电路（即制作所述切换电路的电气部件）可物理地位于电隔离 电容器的上游或下游，即在电隔离电容器和充电装置之间，唯一重要的是将电压波施加到 电容器。
[0057] 在这种情况下，值得一提的是，并不是所有已知的切换电路能产生具有中等程度 泄漏的高功率电压波。
[0058] 例如，一些典型的切换电路使用浮栅晶体管，因此需要提供有本质上慢的自举电 路的驱动器，或具有高水平动态泄漏的硬切换电路，这实际上限制最大切换频率，因此，产 生电压波的频率。
[0059] 为了这个原因，在本发明的优选实施例中，直流电压转为电压波的转换装置也包 括反馈电路，该无功电路例如为几乎谐振或谐振，在有源开关的每个转换阶段：从关到开和 从开到关，所述无功电路经过调节来例如降低电力（电压和/或电流)，所述电力通过切换电 路的有源开关散失至基本上为零。
[0060] 反馈电路为包括一个或多个电容器以及一个或多个特别地相互连接的电感器的 电路。所述反馈电路的建立包括分别依据容量和电感确定电容器和电感器的尺寸。
[0061] 在本发明的这个方面，将直流电压转为电压波的转换装置实际包括电路图，考虑 至|J切换电路和反馈电路，该电路图可同化到e，f类放大器等的电路。
[0062] 在这种方式下，在有源开关的切换周期期间，电泄漏大大消失，使得在这种方式下 这些周期的频率增加，从而产生电压波频率，结果是在同样的施加压力下传输的电力增加， 或在同样的传输电力下，施加的压力降低。
[0063] 增加电压的频率带来的优势是能在传输相同的电力下，减少无功部件的尺寸，尤 其是电隔离电容器的尺寸。
[0064] 本发明的一个方面中，可设置反馈电路使其能过滤电压波，留下至少其中的一个 基础频率，来通向充电装置。
[0065] 考虑用占空比为50%方波电信号导频切换电路的有源开关的情况，可设置能例如 允许产生的电压的第一基础频率通过的反馈电路，在这种情况下，电压波的产生装置同化 到e类放大器。或者，可设置能例如允许第三基础频率和/或电压波的其他较大谐波通过 的反馈电路，在这种情况下，电压波的产生装置可同化到f类放大器。然而。也可设置反馈 电路使得允许更高频率的基础频率通过，或允许几种频率同时通过。
[0066] 本发明的这个方面的优势为提高电力到充电装置的传输，减少能源散失。
[0067] 在这一点上，明确的是，限定反馈电路的电气部件可能在物理上全部位于电隔离 电容器的上游或下游，或位于电隔离电容器和充电装置之间，或在不影响下，部分分布在电 隔尚电容器的上游，部分分布在下游。
[0068] 此外，电隔离电容器甚至可为无功电路的整体部分，或独立于该反馈电路。
[0069] 本发明的另一个方面涉及电力传输到充电装置的方式可以改变。
[0070] 在这些方面中的其中之一，所述设备可包括用于控制电导航信号的装置，所述控 制装置设备为： 暂停或修改电导航信号的产生，例如防止或改变有源开关的一个或多个连续的开关切 换周期。
[0071] 在抑制周期期间，不提供电负载，根据无阻尼振荡模式，系统继续振荡。在受影响 的期间，代替地提供充电装置，根据强迫振荡模式，所述系统振荡。
[0072] 如前面所解释的，本发明的这个方面的优势为在很小电泄漏和高效率下，使得传 输到充电装置的总体电力有变化。
[0073] 更具体地，本发明的一个方面包括在电力参数的预定参考值基础上，所述控制装 置用于调节受到抑制的周期的次数和/或频率的可能性（即导频信号的暂停持续时间和/ 或暂停可能重复的频率)，其中所述电参数表征传输到负载的电力。
[0074] 上述的表征电力的电力参数可以为电力本身，或可以为充电装置的供电电压或可 为传输到充电装置的供电电流。
[0075] 在这种方式下，有利地，用这种方式调节传输到充电装置的表征电力的电参数，以 达到上面提到的参考值，所述参考值可根据供电的具体充电装置进行修改。
[0076] 更优选地，所述控制装置可设置为： 使用合适的传感器，测量上面提到的表征电力的电参数，例如，通过适于在低电压下产 生来自次级的反馈信号的传感器，或使用适于测量一个或多个初级的电压和/或电流值的 传感器，从所述电压和/或电流值可直接计算充电装置上的电力，接着 计算表征电力的电参数的测量值和预定参考值的差值，以及 调节受到抑制的开关切换周期的次数和/或频率，来例如使所述差值最小化。
[0077] 除所述控制装置之外或可选择地，所述设备可包括： 用于暂时地将电压波偏离到电线集上，所述电线集和电负载平行设置。
[0078] 当电压波偏离到所述电线上时，不对所述充电装置供电，使得传输到充电装置的 电力总体性减少。
[0079] 用于偏离所述电压波的装置可包括例如第二有源开关，例如晶体管，第三电容器， 所述第三电容器沿着电线与所述第二有源开关串联，以及用于产生电导航信号的装置(驱 动器)，所述电导航信号用于交替地切换第二有源开关的开（即饱和状态）和关（即抑制状 态)。
[0080] 所述第三电容器必须具有足够高的值，该值可视为在第二有源开关开（即饱和状 态）时，关于充电装置的短路。
[0081] 在这种方式下，当第二有源开关开着时，通过电容器传输的电能偏离到控制容量 上，而当第二有源开关关着时，充电装置吸收所有的电能。
[0082] 值得注意的是，系统的效率能不断高，当如果第二有源开关是开着的，仅无功功率 在电路中交换，而当第二有源开关是关着的，电能转移到充电装置。
[0083] 第二有源开关的电导航信号可以为PWM信号等，使得传输到充电装置的电力与电 导航信号的占空比成比例。
[0084] 注意第二有源开关的导频信号和切换电路的有源开关的导频信号是独立的。
[0085] 本发明的一个方面包括一种设备，所述设备包括用于调节偏离步骤的持续时间和 /或偏离步骤最后重复的频率，其基于表征需转移到充电装置的电力的电参数的预定参考 值。
[0086] 在这种情况下，表征电力的电参数也可以为电力本身，或可以为供电电荷的电压 或甚至为传输到充电装置的供电电流。
[0087] 在这种方式下，有利的是，可以这种方式调节表征传输到充电装置电力的电参数， 以达到参考值，所述参考值可根据需供电的具体充电装置进行修改。
[0088] 所述调节装置可包括例如控制电路，所述控制电路用于调节上面提到的第二有源 开关的电导航信号的占空比。
[0089] 更详细地，所述控制电路用于： 测量上面提到的表征电力的电参数， 计算表征电力的电参数的测量值和预定参考值的差值，以及 调节第二有源开关的电导航信号的占空比，例如使得所述差值最小。
[0090] 请注意，所述调节系统是电抗的，且输出电压上的波纹是非常小的。实际上，考虑 至|J电压波的产生电路(例如e类或f类）的工作频率非常高，控制电路能在任何独立于电压 波产生电路的工作频率的频率下工作，因此，如果必要，也可在高频(甚至MHz或几百kHz) 下工作，从而波纹非常小。
[0091] 该运行图的另一个优势为控制电路是完全独立的，所述控制电路位于相对于初级 电路的次级电路。
[0092] 这能消除从初级到次级的反馈信号的进一步昂贵传输电路(通常为光电隔离器， 或在任何情况下保证电隔离的初级或次级反馈信号的另一个转移装置)，因为整个控制过 程在低压电路侧的一侧发生。
[0093] 再者，为了调节传输到负载的电力，所述设备可包括，除上面描述的装置之外的或 替代上述装置的，用于调节初始直流电压的装置。
[0094] 所述调节装置可包括例如DC/DC转换器，所述DC/DC转换器位于切换电路的上游， 例如，直线的，切换的或其他类型的DC/DC转换器。
[0095] 如前面的情况，本发明的这个方面也包括电压调节装置，所述电压调节装置用于 基于电力参数（电力本身，充电装置的供电电压或充电装置的供电电流）来调节电压，所述 电力参数表征转移到电负载的电力，其例如通过反馈控制图来实现。
[0096] 本发明的一个不同方面涉及初始直流电压的产生。
[0097] 在本发明的一个方面中，所述设备包括直流电压发生器，例如电池，用于为转换装 置供电，所述转换装置产生电压波。
[0098] 在这种情况下，实际上，整个设备属于DC/DC转换器。
[0099] 或者，所述设备可包括整流装置，例如带有用于减少输出波纹的滤波器的二极管 桥式整流器，所述整流装置连接到交流电压源，例如公用的电气配电网，从而将交流电压整 流成直流电压，并将所述直流电压提供给转换器装置，用于产生电压波。
[0100] 在第二种情况下，实际上，整个设备属于AC/DC转换器。
[0101] 在本发明的一个实施例中，每个电隔离电容器可以是预组装部件，即电容器，因 此，所述电容器可安装在相同的装置中。
[0102] 在本实施例中，整个设备实际上构成转换器(指单独部件)，所述整个设备可通过 电缆连接到电负载，例如电气/电子装置，所述电气/电子必须被供电或充电。
[0103] 或者，在本发明的另一个实施例中，所述设备包括用户装置和供电装置，所述供电 装置和用户装置分开且独立，用户装置包括每个电隔离电容器的第一电枢，而供电装置包 括每个电容器的第二电枢。
[0104] 在本发明的这个实施例中，所述设备适于以电容方式在供电装置和用户装置之间 无线地传输电力，该用户装置为电供应，从而能运行或对内部电池充电。
[0105] 尤其地，用户装置可以为任何电气/电力装置，例如手机，计算机等，简单地通过 放在供电装置上供电或充电，使得安装在接收装置和发射装置上的电枢实现上面描述的电 隔离电容器。
[0106] 本发明的进一步特征和优点通过非限制性实施例，以及附图来详细描述。
[0107] 图1为根据本发明实施例，用于转移电力的设备的简化电路图。
[0108] 图2为图1的简化电路图的变形例。
[0109] 图3为图1的设备的更详细的电路图。
[0110] 图4为图3的电路图的变形例。
[0111] 图5为图4的电路图的变形例。
[0112] 图6简要地展示了图1中的设备的应用实现。
[0113] 图7为图1中的设备的第二应用实施例的示意图。
[0114] 图8为以扩大的尺度详细地展示了图7中的VIII部分。

【具体实施方式】
[0115] 如图1所示，本发明的实施例提供用于传输电力到充电装置105的装置100。
[0116] 所述充电装置105可以为例如任何电气或电子装置，所述电气或电子装置必须被 供电，使得能运行和/或对装置本身的内部电池进行充电。这种电气/电子装置的典型例 子为移动电话，电脑，电视以及除这些外的其他装置。
[0117] 从电路的角度来看，图1的实施例中所示的设备100为DC/DC转换器，所述DC/DC 转换器适于将DC电压源110的电力转移到充电装置105,该充电装置这里一般用电阻符号 来表示。
[0118] 所述DC电压源110可以为例如电池。
[0119] 可替代地，源110可包括整流器111，例如，二极管桥式，单一二极管，耦合双二极 管，或另一个同步整流器，所述整流器用于连接交流电压112的源，例如230V，50Hz的公用 电力配电网，从而整流由源112产生的交流电压。滤波器稳定器可能位于整流器111的下 游。在第二种情况下，所述设备100更适合为AC/DC转换器。
[0120] 所述设备100示意性地包括和源110直接连接的初级电路115,以及与充电装置 105直接连接的次级电路120,所述初级电路115和次级电路120通过至少一对隔离电容器 相互电隔离，所述隔离电容器为第一电容器125和第二电容器130。
[0121] 所述初级电路115包括用于将源110产生的直流电压转为电压波的变流器135,即 转为一系列电压脉冲，每个电压脉冲从最小值开始变化到最大值，所述最小值例如但并不 一定基本为零，所述最大值取决于输入端的DC电压的存在。
[0122] 接着，将转换器135的输出端的电压波施加到所述电容器对125和130,所述电容 器125和130传输电压波到次级电路120。
[0123] 所述次级电路包括整流器140,所述整流器140适用于整流电容器对的输出端的 电压波，从而新得到DC电压。所述整流器140可以为桥式二极管整流器，单一二极管，耦合 双二极管，或另一个同步整流器。可能地，所述整流器140可以与电压的随后稳定阶段(例 如LC滤波器等）结合。
[0124] 接着，整流器140输出的直流电压施加到需供电的充电装置105的输入端。
[0125] 在实践中，所述充电装置105串联连接在两个电容器125和130之间，所述两个电 容器可视为一对阻抗，使得传输到次级电路120的电压波足够高，从而能在整流器140中整 流，趋于稳定，并随后用于对充电装置105供电。
[0126] 在这一点上需注意，在其他实施例中，可能不存在整流器140,从而得到能够为充 电装置105提供交变电压的DC/AC (or AC/AC)转换器。
[0127] 更详细地，在本发明的优选方面，所述转换器135包括切换电路142,所述切换电 路142适用于产生施加到电容器125和130的电压波。
[0128] 一般地，所述切换电路142包括至少一个有源开关155,例如晶体管(例如双极结 式晶体管（BJT)，场效应晶体管（FET)，金属氧化物半导体场效应晶体管（M0SFET)，金属-半 导体场效晶体管（MESFET)，结型场效应晶体管（JFET)，绝缘栅双极型晶体管（IGBT)，以及 其他类型)，和用于将电导航信号施加到有源开关155的驱动器，所述电导航信号能打开（即 在饱和状态）和关闭(抑制）所述有源开关。
[0129] 这里需指出的是，虽然在本实施例中，所述切换电路142位于电隔离电容器125和 130的上游，在其他实施例中，相同的切换电路142可以位于电隔离电容器125和130以及 充电装置105之间，由于唯一重要的是将电压波施加到电容器125和130。
[0130] 为了产生具有低电泄漏的高频电压波，转换器135也可包括无功电路145,例如， 谐振或完全谐振电路，所述反馈电路145设置成在有源开关155从关到开的每个转换期间， 能将施加到切换电路142的有源开关155的电力（例如电压和/或电流）降至基本上为零， 反之亦然。除了电力值，所述反馈电路145优选地设置成在有源开关155从开到管的每个 转换期间，施加到有源开关155的电力的时间导数也基本上为零，反之亦然。
[0131] 在这里需指出的是，虽然本实施例的所述反馈电路145位于所述电隔离电容器 125和130的上游，但是也可以放置在所述电隔离电容器125,130以及充电装置105之间， 或在不改变效果下，可将某些部件位于电隔离电容器125,130的上游，而其他部件位于电 隔离电容器125,130的下游。
[0132] 进一步地，所述电隔离电容器125,130可以为反馈电路145的整体部分，或可以独 立于所述反馈电路145。
[0133] 纯粹以举例的方式，所述转换器135能总体呈现电路图，所述电路图在图3中更详 细地示出。
[0134] 图3实施例的转换器135包括第一电感器150,通常称为扼流槽或馈入电感器，与 DC电压源110串联。在正常运行期间，第一电感器150基本上表现为直接电流发生器。
[0135] 与电感器150串联的转换器135包括上面提到的有源开关155,例如晶体管 (MOSFET，IGBT，BJT或其它），所述转换器135具有与电感器150的输出端连接的头部(例 如N型M0SFET的疏水)，与具有源110的电路连接的另一个端(例如用于N型M0SFET的源)， 以及与驱动器160连接的导频头(例如用于M0SFET的栅)，即，所述驱动器160具有用于产 生和施加有源电导航信号到开关155的导频头的电气/电子装置。
[0136] 导频信号可以为例如占空比为50%的方波电信号。
[0137] 当驱动信号为开时(例如，高于N型M0SFEF的栅极电压)，有源开关155切换到开 (即进入饱和状态，允许有源开关中的电流通过）;当驱动信号为关时(如低于M0SFEF源的栅 极电压)，有源开关155切换到关(或受到抑制，来防止有源开关中的电流的通过)。
[0138] 与电感器150串联，但平行于有源开关155的转换器135可包括电容器165,所述 电容器165的输出端通过电支路与电压源110以短路连接，所述有源开关155的头也通过 电支路和第二隔离电容器130相连。
[0139] 与电感器150串联，但和有源开关155以及电容器165平行的转换器135可包括 另一个电感器170,所述电感器170与第一隔离电容器125串联。
[0140] 所述电感器170也可以分成两个或多个电感器，其总值仍然相同，在系统不改变 工作原理下，可设置在电容器125和130的上游或下游。
[0141] 在这种方式下，当有源开关155切换到开，电感器150充电。
[0142] 相反地，当有源开关155切换到关，电流只能流向充电装置，电感器150放电。
[0143] 由于有源开关跟随导频信号交替地切换开和关，将成功的电压脉冲施加到隔离电 容器125和130,其全部形成上述提到的电压波，接着，被转移到第二电路120,接着施加到 充电装置105。
[0144] 从本实施例观察可知，隔离电容器125和130可以形成反馈电路的一部分，所述反 馈电路总体由电抗组成，所述电抗包含在转换器135和充电装置105之间。
[0145] 如上所述，反馈电路的设置使得施加到有源开关155的电力（例如，电压和/或电 流)，优选为其时间倒数，在有源开关155从关到开以及从开到关的每个转换步骤的数值基 本上为零。
[0146] 这个装置主要由合适选择的无功部件组成。
[0147] 在其他实施例中，如图4中所展示的，反馈电路145可包括两个无源网格，其中，第 一无源网格175用于确保有源开关155的适当运行，随后的无源网格180用于确保系统的 正确装配，所述系统具有与传输所需电力的使用中的系统不同的充电。
[0148] 所述反馈回路145通常也作为用于电压波的带通滤波器，所述电压波在初级电路 115和次级电路120之间转移。允许从所述滤波器通过的带频也依赖于反馈电路145的装 配。
[0149] 在这方面，优选地是，将反馈电路145设置成能通过一个或多个所述电压波的基 础频率。
[0150] 考虑具体的实施例，在所述实施例中，所述有源开关155由具有占空比为50%的电 信号方波来导频，所述电压波的基础频率为奇数阶：第一，第三，第五等。从而所述反馈电路 145可设置成允许电压的第一基础频率通过，在这种情况下，所述转换器135实际上同化到 e类放大器。或者，所述反馈电路145能设置成允许电压的第三频率或其他奇数谐波通过， 在这种情况下，所述变流器135实际上同化到f类放大器。还可能将所述反馈电路145设 置成允许更高奇数的基础频率通过，或允许更多基础频率同时通过。
[0151] 如之前所提到的，在有源开关155切换开关周期期间，电感器150经历充电和放电 的周期。
[0152] 在这方面，优选的是，确定电感器150的大小使其在每个周期能完全地放电。换句 话说，相比经典尺寸的扼流电感器中所发生的，在其中通过的电流可视为常数，对于这个特 定的情况，可将扼流电感器150的尺寸设计成在最大值和零(避免转换）之间振荡穿过其的 电流。在这种方式下，电感器的数值大大减小。对于这个特定的情况，具有更低的电感值是 很重要的，这是因为：整体尺寸和电阻损失可以控制在适当的比例，可使用例如通过包裹在 空气或其他材料中的，电感器本身的芯具有低损失的电感器。
[0153] 关于设备100可能出现问题，比如上面描述的传输到充电装置105的电力的调节 的问题。这是限制e或f类放大器在可变电荷和未知情况下的使用的问题。
[0154] 为了调整这种类型，图5展示了设备100的实施例，所述设备100和图4中的设备 的唯一不同在于，转换器135的下游与整流器140平行，优选地，电容器125和130的下游也 和整流器140平行，已插入的电线包括电容器185,所述电容器185和另一个有源开关190 串联，例如晶体管(例如，BJT，FET，MOSFET，MESFET，JFET，IGBT以及其他)。
[0155] 所述有源开关190可与驱动器195连接，所述驱动器195适于产生和施加导频信 号到有源开关190的导频头，优选地，为PWM电信号或其他。
[0156] 当导频信号为开，所述有源开关190打开（即进入饱和状态，允许线上通过）；相反 地，当驱动信号为关，有源开关190关闭（或抑制通过，防止电流在线上流动）。
[0157] 当有源开关190打开时，电容器185具有足够高的值使其相对于充电装置105,可 视为短路。在这种方式下，当有源开关190开着时，从隔离电容器125和130转移的电能主 要转移到电容器185,而当有源开关190关着时，充电装置105吸收所有的电能。
[0158] 因此，传输到充电装置105的电力与有源开关190开着的时间成反比，例如，与PWM 电导航信号的占空比成反比。因此，通过调整有源开关190的点火时间，例如，通过调整PWM 电导航信号的占空比，可调整转移到充电装置105的电力。
[0159] 例如，驱动器195可包括控制电路(未示出），所述控制电路用于调整PWM导频信号 的占空比，从而达到将转移到充电装置105的电力的特征参数的预定值。
[0160] 表征电力的电力参数可以为电力本身，或提供用于充电的电力的电压，或传输到 充电装置的供给电流。
[0161] 更特别的是，所述控制电路也可用于执行反馈控制，包括：测量表征转移到充电装 置的电力的电力参数，例如，通过一个或多个施加到次级电路120的电压和/或的电流传 感器；计算表征电力的电参数的测量值和预定参考值的差值；以及调整PWM电导航信号的 占空比，使所述差值最小。
[0162] 需指出的是，这种用于调节电力的方法可应用于所有附图中图示的电路和同类型 的其他电路。
[0163] 除了这种控制模式，或可选择地，传输到充电装置105的电力也可通过作用于初 级电路115来调整，例如，通过暂停有源开关155的导频信号脉冲的产生，在这种方式下，抑 制一个或多个有源开关155的开关周期。
[0164] 在抑制周期期间，电感器150并不提供有电力，系统以阻尼自由振荡模式继续振 荡。当进行周期时，相反地，电感器150提供有电力，系统以强迫振荡模式振荡。
[0165] 在这种方式下，通过适当地调整次数和/或"暂停"脉冲频率，有效地调节转移到 充电装置105的电力。为了这个目的，驱动器160也包括控制电路(未示出），为了遵循表征 转移到充电装置105的电力的电力参数的预定值，所述控制电路用于调整"暂停"电脉冲导 频方波的次数和/或频率。
[0166] 在这种情况下，表征电力的电力参数也可为电力本身，或提供电压给充电装置的 电力，或传输到充电装置的供给电流。
[0167] 更详细地，所述控制电路可用于执行反馈控制，包括：测量表征转移到充电装置的 电力的电力参数，其例如通过一个或多个施加到次级电路120或初级电路115的电压和/ 或的电流传感器；计算表征电力的电力参数的测量值和预定参考值的差值；以及调节方波 驱动的"暂停"电脉冲的次数和/或频率，从而最小化所述差值。
[0168] 这种调整电力的方法也可应用于附图中图示的所有电路和其他相同类型的电路。
[0169] 除了上面提到的方法或可选择地，传输到充电装置105的电力也可通过调节源 110产生的直流电压来调整。如图2所示，所述设备100实际上可包括DC/DC转换器200， 比如线型转换器，切换转换器，或其他类型，所述DC/DC转换器200设置在源110的下游和 切换电路142的上游，例如，扼流电感器150 (参考图3到图5)的上游。
[0170] 所述DC/DC转换器200可用于提供输出端的电压值，所述输出端的电压值和输入 端的电压值不同，从而修改传输到充电装置105的电力。
[0171] 如之前的情况，所述DC/DC转换器200也可包括控制电路(未示出），所述控制电路 适于根据表征将转移到电负载105的电力的电力参数的期望值，调整电压，例如，通过反馈 控制方法。
[0172] 在这种情况下，表征电力的电力参数可为电力本身，或可为可提供充电装置的电 压，或传输到充电装置的供给电流。
[0173] 虽然这种解决方法已经参考图2的通用电路进行描述，明显的是，同样的解决方 法可应用于附图中图示的所有电路和其他相同类型的电路。
[0174] 如图6所示，本发明的一个实施例中，上面讨论的每个版本的设备100能实现转换 器器件250 (意味着单独的部件)，所述转换器250可通过电缆和电力充电装置105连接。
[0175] 在这种情况下，设备100的所有基本部件特别包括转换器135,隔离电容器125和 130,整流器140,任何滤波器以及电压稳定级，若存在，还包括整流器111，可集成为单一的 "不可分装置"，所述"不可分装置"在一侧与交流电压112的源连接，或与DC电压源110连 接，以及在相反侧与充电装置105连接。
[0176] 尤其地，每个隔离电容器125和130可以通常方式实现作为预组装电容器，其在 "不可分装置"中作为单独单元来安装。
[0177] 即使充电装置105,也为"不可分装置"的一部分。
[0178] 或者，在本发明的一个非常重要的替换实施例中，上面描述的每个版本的所述装 置100可作为用于在两个单独装置间无线传输电力的系统来实现，在两个单独装置之间无 电连接。
[0179] 如图7所示，所述无线传输系统包括供电装置300,用户装置305,所述用户装置 305和所述供电装置300分开独立，即与所述供电装置300没有任何类型的物理/机械连 接。
[0180] 所述用户装置305可为电力/电气装置，如手机，电脑，平板电脑或其他，只要所述 装置有自己的外体或独立于外体的外壳310或供电装置300的外壳315。
[0181] 所述供电装置300可包括设备100的部件，所述部件限定了初级电路115,包括转 换器135和整流器111，若该整流器存在的话，它们可集成为单独的"不可分装置"，所述"不 可分装置"适于通过电缆和交流电压112的源连接，或和DC电压源110连接。
[0182] 所述用户装置305可包括用于限定次级电路120的设备100的部件，包括整流器 140和充电装置105,可由用于充电的内部电池和/或用于供电使所述用户装置305运作的 电力装置表示。
[0183] 所述隔离电容器125和130可由一对电枢320和另一对电枢325限定，所述电枢 320包含在所述供电装置300中，所述电枢325包含在所述用户装置305中。每个电枢320 和325可由涂有一层介电材料345的任何导电材料340层来实现。
[0184] 所述电枢320和325必须放置在各自的装置中，从而通过将用户装置305靠近供 电装置300,例如，通过将前者放置在后者上，利用相应的电枢325的导电层340和仍插入在 它们之间的介电材料345,每个电枢320的导电层340分别实现隔离电容器125或隔离电容 器 130。
[0185] 在这个方面，所述供电装置300的外壳315可包括支撑壁330,用户装置的外壳 310可包括参考壁335,所述参考壁335面向支撑壁330,并支撑在供电300的支撑壁330 上。
[0186] 所述电枢320可应用在支撑壁330的外部或内部表面，而电枢325可应用在壁335 的外部或内部表面。
[0187] 如图8所示，更精确地，每个电枢320和325可包括三个叠加层，其中，导电层340 插在上介电层345和下介电层350之间。下介电层350可支撑在基底355上。每个电枢 320的上介电层345直接和电枢325的上层接触。
[0188] 每个电枢320的基底355可为供电装置的支撑壁330的部分，而每个电枢325的 基底355可为用户装置305的参考壁335的部分。
[0189] 基底355可由任何导电或介电材料组成，只要其离导电层340足够远。然而，如果 非常接近导电层340,更好地，所述基底355为在随时间变化的电场作用下表征为低泄漏和 低介电常数的介电材料。如果基底355为介电材料，可以没有下介电层350。
[0190] 如果存在下介电层350,该下介电层350优选的特点是具有低泄漏和低相对介电 常数，从而电场在基底方向上传播很小。虽然使用低电阻率材料得到最好的结果，但是导电 层340可为任何所谓可能是掺杂的导电或半导电材料。
[0191] 优选地，上介电层345能优选地实现电枢320的导电层320和电枢325之间电耦 合。因此，上介电层345优选地尽可能薄，其特点为低泄漏和高相对介电常数。
[0192] 在这种方式下，不需要电连接，简单地通过将用户装置305的板325放置在供电 装置300的电枢320上，可为用户装置305的电充电装置105供电或放电，从而导电层340 和电枢320和325的上介电层345实现设备100的第一隔离电容器125和第二隔离电容器 130,能够将电力转移到充电装置105。
[0193] 根据所提出的布置，采用高频谐振转换器135 (例如，e，f或e/f类)，或比导频更 高谐波的谐振，使得电枢320和325有高功率频率，电枢320和325也可能具有小尺寸，如 容易地安置在电子装置的内部作共同使用，该电子装置例如为：手机，电脑，摄像机，MP3播 放器以及其他。
[0194] 同时，能保证由电枢320和325得到的电压非常低(例如几十伏)，避免了甚至在没 有控制电路的情况下对用户的任何风险。
[0195] 在这种方式下，可确保非常高的能量效率，整体尺寸急剧减少，低工作电压，高传 输功率，低生产成本。
[0196] 在不偏离本发明的范围下，如下面的权利要求，本【技术领域】的技术人员可对本文 中描述的技术应用作多种修改。
[0197] 附图标记 100设备 105电负载 110直流电压源 111整流器 112交变电流源 115初级电路 120次级电路 125第一电容器 130第二电容器 135转换器 140整流器 142切换电路 145反馈电路 150电感器 155有源开关 160驱动器 165电容器 170电感器 175第一无源栅 180第二无源栅 185电容器 190有源开关 195驱动器 200 DC/DC转换器 250转换器 300供电装置 305用户装置 310外壳 315外壳 320 电枢 325 电枢 330支撑壁 335参考壁 340导电层 345上介电层 350下介电层 355 基底
【权利要求】
1. 用于将电力传输到电负载（105)的方法，其特征在于，所述方法包括： 将直流电流转换为电压波， 在入口将电压波施加到至少一对电容器（125, 130)， 在出口将来自所述电容器（125, 130)的电压提供给所述电力负载（105)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 在出口对来自所述电容器（125, 130)的所述电压波进行整流。
3. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，其中转换步骤包括： 将有源开关（155)在开和关之间进行交替切换。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述转换步骤包括： 在所述有源开关（155)的每个转换步骤期间，使所述有源开关（155)散失的电力降低 至基本为零。
5. 根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：防止或改变 所述有源开关（155)的一个或多个开关切换周期。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括： 暂时地将所述电压波偏离到与所述电负载（105)平行的电线集上。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括调节所述直流 电压的步骤。
8. 根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述直流电压通过整流交变电 流的步骤得到。
9. 根据前述任一项权利要求所述的方法，其特征在于，每个所述电容器（125, 130)的 第一电枢（325)安装在用户装置（305)上，而每个所述电容器（125, 130)的第二电枢（320) 安装在供电装置（300)上，所述供电装置（300)与所述用户装置（305)分离且独立于所 述用户装置，其中，所述方法包括：使所述用户装置（305)靠近所述供电装置（300)，从而 使得分别安装在所述用户装置和所述供电装置上的所述电枢（320, 325)成为所述电容器 (125, 130)。
10. 用于将电力传输到电负载（105)的设备（100)，所述设备包括： 至少一对电容器（125, 130)， 用于将直流电压转为电压波的装置（135 )， 用于在入口将电压波施加到所述电容器（125, 130)的装置， 用于在出口将来自所述电容器电压提供给所述电负载（105)的装置。
11. 根据权利要求10所述的设备，所述设备包括： 用于在出口处对来自所述电容器（125, 130)的电压波进行整流的装置（140)。
12. 根据权利要求10或11所述的设备（100)，其特征在于，所述转换装置（135)包括 切换电路，所述切换电路至少包括： 有源开关（155)， 用于产生电导航信号的装置（160)，所述电导航信号适于使所述有源开关（155)在开 和关之间进行切换。
13. 根据权利要求12所述的设备（100)，其特征在于，所述转换装置（135)包括反馈电 路（145)，所述反馈电路（145)用于在所述有源开关（155)的每个转换步骤期间，将所述有 源开关（155)的散失电力降低至基本为零的值。
14. 根据权利要求11-13中任一项所述的设备（100)，其特征在于，所述设备包括用于 控制所述电导航信号的控制装置（160 )， 所述控制装置用于暂停或修改所述电导航信号的产生，从而防止或改变所述有源开关 (155)的一个或多个连续的开关切换周期。
15. 根据权利要求11-14中任一项所述的设备（100)，其特征在于，所述设备包括： 用于暂时地将所述电压波偏离到电线集上的装置（186,190)，所述电线集与所述电力 充电装置（105)平行。
16. 根据权利要求11-15中任一项所述的设备（100)，其特征在于，包括： 用于调节所述直流电压的装置（200 )。
17. 根据权利要求11-16中任一项所述的设备（100)，其特征在于，包括： 用于整流交变电流从而得到直流电压的装置（111)。
18. 根据权利要求11-17中任一项所述的设备（100)，其特征在于，每个所述电容器 (125, 130)为预组装部件，且所述电容器（125, 130)安装在同一器件（250)中。
19. 根据权利要求11-18中任一项所述的设备（100)，其特征在于，所述设备包括用户 装置（305 )和供电装置（300 )，所述供电装置（300 )与所述用户装置（305 )分离且独立于所 述用户装置（305)，其中，所述用户装置（305)包括每个所述电容器（125, 130)的第一电枢 (320 )，而所述供电装置（300 )包括每个所述电容器（125, 130 )的第二电枢（320 )。
【文档编号】H02M3/00GK104221268SQ201380018914
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年3月19日 优先权日:2012年4月2日
【发明者】伊戈尔·斯皮内拉 申请人:伊戈尔·斯皮内拉