无线电力传输系统的制作方法

本发明涉及为负载供电的无线电力传输系统。

背景技术：

无线电力传输系统提供了一种方便、安全和可靠的方式为电子设备充电和供电。传统上，无线电力传输系统的逆变器或放大器是zvsd类逆变器。zvsd类逆变器实现了相对稳定的系统整体电力转换效率。丁戊类逆变器还可以在一定负载阻抗下提高无线电力传输系统的电力转换效率，但整体电力转换效率不能保持一个稳定值。丁戊类逆变器面临的主要挑战是如何在负载阻抗变化时将电力转换效率保持在一个高水平上。

本发明提供的新方法和系统提高了从无线电力传输系统到负载的电力转换效率，将有助于推进技术需求并解决无线电力转换领域中的技术问题。

技术实现要素：

一个示例性实施例是一种具有丁戊类逆变器的无线电力传输系统，将电力传输到具有可变阻抗的负载。所述无线电力传输系统包括半桥电路、零电压开关(zvs)储能电路、并联电容器阵列、评估电路、和控制器。半桥电路有串联连接的两个晶体管，每个晶体管是由一个栅极驱动信号驱动，栅极驱动信号有占空比。zvs储能电路和并联电容器阵列与半桥电路电连接。zvs储能电路包括两个电容器和一个电感器。并联电容器阵列有一个可调谐的电容。评估电路计算系统的电力转换效率。控制器从评估电路接收电力转换效率并生成控制信号，以调整栅极驱动信号的占空比以及调整并联电容器阵列的电容，以最大化系统的电力转换效率。

以下讨论其它示例性实施例。

附图说明

图1是一个示例性实施例的无线电力传输系统的框图。

图2是一个示例性实施例的半桥电路的电路图。

图3是一个示例性实施例的全桥电路的电路图。

图4是另一个示例性实施例的全桥电路的电路图。

图5是一个示例性实施例的并联电容器阵列。

图6是一个示例性实施例的查找表。

图7是一个示例性实施例由无线电力传输系统执行的方法。

图8是一个示例性实施例的具有5欧姆负载的无线电力传输系统的电力转换效率。

图9是一个示例性实施例的具有10欧姆负载的无线电力传输系统的电力转换效率。

图10是一个示例性实施例的具有15欧姆负载的无线电力传输系统的电力转换效率。

图11是一个示例性实施例的具有20欧姆负载的无线电力传输系统的电力转换效率。

图12是一个示例性实施例的三个无线电力传输系统的电力转换效率。

具体实施方式

示例性实施例涉及无线电力传输系统或无线电力发射器及以最大电力转换效率为负载无线供电的方法。

无线电力传输系统将电力从电源无线地传输到电力负载。该系统传输的电力范围从微瓦到兆瓦。无线电力传输系统包括将直流(dc)信号转换成交流(ac)信号的逆变器或放大器、发射(tx)谐振器、接收(rx)谐振器和整流器。整流器将交流信号转换为直流信号，并直接向负载供电。当负载阻抗波动时，期望无线电力传输系统能保持高效的电力转换效率。

示例性实施例连续地、持续地或者周期性地调整放大器的驱动器和放大器的并联电容，以便根据负载阻抗的变化来提高无线电力转换效率。

一个示例性实施例是将电力转换到具有可变阻抗负载的无线电力传输系统。无线电力传输系统包括逆变器或放大器、零电压开关(zvs)储能电路、并联电容器阵列、评估电路和控制器。放大器具有晶体管，其是由具有占空比的栅极驱动信号所驱动。并联电容器阵列与放大器连接，并有一个可调谐的电容。评估电路计算系统的电力转换效率。控制器根据所计算的效率来生成控制信号，以调整栅极驱动信号的占空比以及调整并联电容器阵列的电容，从而最大化系统的电力转换效率。

在一个示例性实施例里，放大器是一个半桥电路。该半桥电路包括由栅极驱动信号驱动的一个高端晶体管和一个低端晶体管，高端晶体管的漏极与电压源连接。高端晶体管的源极在开关节点上与低端晶体管的漏极连接。

在另一个示例性实施例里，放大器是一个全桥短路。该全桥电路包括由栅极驱动电路驱动的两个高端晶体管和两个低端晶体管。高端晶体管的漏极与电压源连接。高端晶体管的源极在开关节点上与低端晶体管的漏极连接。

放大器还包括一个具有可调谐电容的并联电容器阵列，该可调谐电容由系统的控制器根据一个可变负载阻抗来进行控制。并联电容器阵列包括互相并联连接的多个电容器。每个电容器都有一个在断开状态和闭合状态之间可切换的开关。开关根据控制器的控制信号来切换状态，以达到并联电容器阵列的一个电容值。

举例来说，控制器根据负载阻抗来调整栅极驱动信号的占空比以及并联电容器阵列的电容，以便最大化无线电力传输系统的电力转换效率。评估电路识别负载的阻抗变化，并向控制器推荐栅极驱动信号的占空比的调整以及并联电容器阵列的电容的调整。

在一个示例性实施例里，控制器根据一个查找表来生成控制信号，查找表存储了栅极驱动信号的占空比和并联电容器阵列的电容值的集合。控制信号接通或断开并联电容器阵列的一个或多个开关以达到查找表里的一个电容值。

图1是一个示例性实施例的无线电力传输系统100的框图。

无线电力传输系统100包括逆变器110、驱动器120、并联电容器阵列130、零电压开关(zvs)储能电路140、控制器150和评估电路160。负载170通过谐振线圈与逆变器110的输出端口无线耦接。

逆变器110将逆变器的输入端口上的直流(dc)信号转换成逆变器的输出端口上的交流(ac)信号。举例来说，逆变器的输出端口连接到tx谐振器以将电力从发射源传输到负载。谐振耦合从tx谐振器和rx谐振器之间的磁场感应能量。整流器与rx谐振器连接以将来自rx谐振器的ac信号转换为dc信号，从而为负载提供dc电源。

在一个示例性实施例中，逆变器包括半桥电路或全桥电路。半桥电路包括一个高端晶体管和一个低端晶体管，它们由来自驱动器120的栅极驱动信号驱动。全桥电路包括两个高端晶体管和两个低端晶体管，由驱动器120驱动。

举例来说，zvs储能电路140与逆变器110电连接，包括电容器和一个或多个电感器。并联电容器阵列130有一个可调谐电容，该可调谐电容是由控制器150根据可变负载阻抗来控制。举个例子，并联电容器阵列130包括彼此并联连接的多个电容器。每个电容器都有一个在断开状态和闭合状态之间可切换的开关。开关根据控制器150的控制信号来切换状态以达到一个电容值。

举例来说，控制器150根据负载阻抗来调整驱动器120的占空比和并联电容器阵列130的电容，以便最大化无线电力传输系统100的电力转换效率。控制器是一个微控制器单元(mcu)或一个可编程逻辑器件，与评估电路160连接，其计算无线电力传输系统的电力转换效率。控制器从评估电路160接收电力转换效率，并生成第一控制信号(ctrl1)以调整驱动器120的占空比，以及生成第二控制信号(ctrl2)以调整并联电容器阵列130的电容。

在一个示例性实施例里，评估电路160识别负载170的阻抗变化，并根据在负载上测量的电压和电流来实时计算系统的电力转换效率。评估电路进一步向控制器150推荐驱动器120的栅极驱动信号的占空比的调整以及并联电容器阵列的电容的调整。

在一个示例性实施例里，控制器根据一个查找表来生成控制信号，该查找表存储了栅极驱动信号的占空比和并联电容器阵列的电容值的集合。控制信号接通或断开并联电容器阵列的一个或多个开关以达到查找表里的一个电容值。

图2是一个示例性实施例的半桥电路200的电路图。

如图2所示，半桥电路200包括串联连接的一个高端晶体管210和一个低端晶体管220。高端晶体管210的漏极216与电压源vamp连接。高端晶体管210的源极214在开关节点215上与低端晶体管2210的漏极226连接。低端晶体管220的源极224接地。高端晶体管210的栅极212和低端晶体管220的栅极222与驱动器连接，驱动器提供栅极驱动信号到晶体管。

并联电容器阵列240的一端与开关节点215连接，另一端接地。负载250与并联电容器阵列240连接。

举例来说，半桥电路200还包括一个zvs储能电路。zvs储能电路包括第一电容器232、第二电容器234和电感器236。zvs储能电路的第一电容器和第二电容器在公共节点233上串联连接。第一电容器232与高端晶体管210的漏极216连接，第二电容器234与低端晶体管220的源极224连接。电容器236的一端与公共节点233连接，另一端与开关节点215连接。

图3是一个示例性实施例的全桥电路300的电路图。

如图3所示，全桥电路300包括串联连接的一个高端晶体管310和一个低端晶体管320。高端晶体管310的漏极316与电压源vamp连接。高端晶体管310的源极314在开关节点315上与低端晶体管320的漏极326连接。低端晶体管320的源极324接地。高端晶体管310的栅极312和低端晶体管320的栅极322与驱动器连接，驱动器提供栅极驱动信号到晶体管。

全桥电路300还包括串联连接的一个高端晶体管330和一个低端晶体管340。高端晶体管330的漏极336与电压源vamp连接。高端晶体管330的源极334在开关节点335上与低端晶体管340的漏极346连接。低端晶体管340的源极344接地。高端晶体管330的栅极332和低端晶体管340的栅极342与驱动器连接，驱动器提供栅极驱动信号到晶体管。

第一并联电容器阵列370的一端与开关节点315连接，另一端接地。第二并联电容器阵列380的一端与开关节点335连接，另一端接地。负载390与第一并联电容器阵列370和第二并联电容器阵列380连接。

举例来说，全桥电路300还包括第一zvs储能电路和第二zvs组。第一zvs储能电路包括第一电容器352、第二电容器354和电感器356。第一zvs储能电路的第一电容器352和第二电容器354在公共节点353上串联连接。第一电容器352与高端晶体管310的漏极316连接，第二电容器354与低端晶体管320的源极324连接。电感器356的一端与公共节点353连接，另一端与开关节点315连接。第二zvs储能电路包括第一电容器362、第二电容器364和电感器366。第二zvs储能电路的第一电容器362和第二电容器364在公共节点363上串联连接。第一电容器362与高端晶体管330的漏极336连接，第二电容器364与低端晶体管340的源极344连接。电感器366的一端与公共节点363连接，另一端与开关节点335连接。

图4是另一个示例性实施例的全桥电路400的电路图。

如图4所示，全桥电路400包括串联连接的一个高端晶体管410和一个低端晶体管420。高端晶体管410的漏极416与电压源vamp连接。高端晶体管410的源极414在开关节点415上与低端晶体管420的漏极426连接。低端晶体管420的源极424接地。高端晶体管410的栅极412和低端晶体管420的栅极422与驱动器连接，驱动器提供栅极驱动信号到晶体管。

全桥电路400还包括串联连接的一个高端晶体管430和一个低端晶体管440。高端晶体管430的漏极436与电压源vamp连接。高端晶体管430的源极434在开关节点435上与低端晶体管440的漏极446连接。低端晶体管440的源极444接地。高端晶体管430和栅极432和低端晶体管440的栅极442与驱动器连接，驱动器提供栅极驱动信号到晶体管。

第一并联电容器阵列470的一端与开关节点415连接，另一端接地。第二并联电容器阵列480的一端与开关节点435连接，另一端接地。负载490与第一并联电容器阵列470和第二并联电容器阵列480连接。

举例来说，全桥电路400还包括一个zvs储能电路。zvs储能电路包括电感器450，其一端与开关节点415连接，另一端与开关节点435连接。

图5是一个示例性实施例的并联电容器阵列500。

举例来说，并联电容器阵列500包括一个基本电容器510和多个电容器520，它们互相并联连接。每个电容器520都与一个在断开状态和闭合状态之间可切换的开关530连接。开关530与控制器连接，可以根据控制器的控制信号切换状态以达到并联电容器阵列500的一个电容值。

在一个示例性实施例里，控制开关断开和闭合状态的控制器根据存储在控制器里的查找表来确定并联电容器阵列500的电容值。

图6是一个示例性实施例的查找表600。

考虑这样一个示例，其中放大器的控制器控制放大器的栅极驱动信号的占空比，并控制放大器的并联电容器阵列的电容值。并联电容器阵列包括一个基本电容器cb和多个可调谐电容器cs，它们互相并联连接。每个电容器cs与一个在断开状态和闭合状态之间可切换的开关连接，开关由放大器的控制器进行控制。

举例来说，控制器根据查找表600来产生第一控制信号以控制栅极驱动信号的占空比、产生第二控制信号以控制开关的断开状态和闭合状态，查找表600存储栅极驱动信号的占空比和并联电容器阵列的电容值的集合。

在一个示例性实施例里，一个预设的查找表存储在控制器的存储器里。查找表根据一个可变负载阻抗来提供多个电容值和占空比。控制器从评估电路接收一个阻抗变化，并在查找表里搜索以确定并联电容器阵列的电容值和栅极驱动信号的占空比，从而最大化系统的电力转换效率。

存储在控制器里的查找表，充当控制器的索引以找到相应的动作。它加速了调谐过程，根据负载变化实现高效的电力转换效率。

图7是一个示例性实施例由的无线电力转换系统执行的方法。

在步骤710，根据负载阻抗来确定栅极驱动信号的第一占空比和并联电容器阵列的第一电容。

考虑这样一个示例，其中无线电力发射器包括逆变器、驱动逆变器的驱动器、与逆变器连接的并联电容器阵列、评估电路、和根据评估电路的反馈而生成控制信号的控制器。无线电力发射器向负载供电，负载与逆变器的输出端无线连接。控制器根据无线电力发射器的负载阻抗来确定栅极驱动信号的占空比和并联电容器阵列的电容。

在一个示例性实施例里，逆变器包括半桥电路或全桥电路。半桥电路包括一个高端晶体管和一个低端晶体管，它们由驱动器的栅极驱动信号驱动。全桥电路包括两个高端晶体管和两个低端晶体管，它们由驱动器驱动。

在步骤720，测量无线电力发射器的第一电力转换效率。

在一个示例性实施例里，根据在负载上测量到的电压和电流，评估电路测量无线电力发射器的电力转换效率，并实时发送测量结果到无线电力发射器的控制器。

在步骤730，确定栅极驱动信号的第二占空比和并联电容器阵列的第二电容。

在一个示例性实施例里，评估电路识别负载阻抗的变化，并实时推荐调整到无线电力发射器的控制器。根据一个查找表，控制器确定栅极驱动信号的第二占空比和并联电容器阵列的第二电容，该查找表存储栅极驱动信号的占空比和并联电容器阵列的电容值的集合。存储在控制器里的查找表，充当控制器的索引以找到相应的动作。它加速了调谐过程，根据负载变化实现高效的电力转换效率

在步骤740，测量无线电力发射器的第二电力转换效率。

在一个示例性实施例里，控制器根据评估电路的反馈来确定栅极驱动信号的第二占空比和并联电容器阵列的第二电容。评估电路还利用第二占空比和第二电容来测量无线电力发射器的电力转换效率。所测量到的电力转换效率被实时发送到无线电力发射器的控制器。

在步骤750，比较第一电力转换效率和第二电力转换效率。

在步骤760，当第二电力转换效率高于第一电力转换效率时，将栅极驱动信号的占空比的值调整为第二占空比、并将并联电容器阵列的电容值调整为第二电容值。

在一个示例性实施例里，无线电力发射器的控制器从评估电路或电力接收单元接收第一和第二电力转换效率，并比较第一电力转换效率和第二电力转换效率。如果第二电力转换效率更高，则控制器确定栅极驱动信号的占空比的值是第二占空比以及并联电容器阵列的电容值为第二电容值。如果第二电力转换效率更低，则控制器从查找表里选择栅极驱动信号的另一个占空比和并联电容器阵列的另一个电容值。这个步骤重复直到最高电力转换效率得以实现。

在一个示例性实施例里，一个预设的查找表存储在控制器的存储器里。查找表提供多个电容值和占空比以响应可变负载阻抗。控制器从评估电路接收阻抗变化，并在查找表里搜索以确定并联电容器阵列的电容值和栅极驱动信号的占空比，从而最大化系统的电力转换效率。

举例来说，并联电容器在死区期间被充电到vamp。查找表里的电容值cshunt是预定的：

其中vamp是电压源的电压值，电压源与放大器里一个晶体管连接，izvs是zvs储能电路的电感器的电流，表示为：

其中vsw(t)是瞬态响应，表示为：

imax.是：

其中参数ωo、α、和ωd是：

a＝＝r/2lzvs，

在一个示例性实施例里，控制器将栅极驱动信号的占空比保持在第一数值上，并提高并联电容器阵列的电容，直到无线电力发射器的电力转换效率在第一占空比上达到第一最大值。接着，控制器将栅极驱动信号的占空比保持在第二占空比上，并提高并联电容器阵列的电容，直到无线电力发射器的电力转换效率在第二占空比上达到第二最大值。控制器比较第一最大值和第二最大值，并确定一个占空比和一个电容值对应较高电力转换效率值。

图8是一个示例性实施例的具有5欧姆负载的无线电力传输系统的电力转换效率800。x轴表示并联电容器的电容，而y轴表示具有5欧姆负载的系统的电力转换效率。

图9是一个示例性实施例的具有10欧姆负载的无线电力传输系统的电力转换效率900。x轴表示并联电容器的电容，而y轴表示具有10欧姆负载的系统的电力转换效率。

图10是一个示例性实施例具有15欧姆负载的无线电力传输系统的电力转换效率1000。x轴表示并联电容器的电容，而y轴表示具有15欧姆负载的系统的电力转换效率。

图11是一个示例性实施例的具有20欧姆负载的无线电力传输系统的电力转换效率1100。x轴表示并联电容器的电容，而y轴表示具有20欧姆负载的系统的电力转换效率。

图1-7描述了无线电力传输系统。该系统包括逆变器、驱动逆变器的驱动器、与逆变器连接的并联电容器阵列、评估电路、根据评估电路的反馈而生成控制信号的控制器。无线电力发射器向负载供电，负载与逆变器的输出端无线连接。控制器根据无线电力发射器的负载阻抗来确定栅极驱动信号的占空比和并联电容器阵列的电容。

如图8所示，曲线810表示占空比为0.45时的电力转换效率。曲线820表示占空比为0.406时的电力转换效率。曲线830表示占空比为0.365时的电力转换效率。曲线840表示占空比为0.325时的电力转换效率。对于5欧姆负载阻抗，在占空比为0.365和并联电容为400pf时，最高电力转换效率是96.97％。

如图9所示，曲线910表示占空比为0.45时的电力转换效率。曲线920表示占空比为0.406时的电力转换效率。曲线930表示占空比为0.365时的电力转换效率。曲线940表示占空比为0.325时的电力转换效率。曲线950表示占空比为0.25时的电力转换效率。对于10欧姆负载阻抗，在占空比为0.325和并联电容为600pf时，最高电力转换效率是98.28％。

如图10所示，曲线1010表示占空比为0.45时的电力转换效率。曲线1020表示占空比为0.406时的电力转换效率。曲线1030表示占空比为0.365时的电力转换效率。曲线1040表示占空比为0.325时的电力转换效率。曲线1050表示占空比为0.25时的电力转换效率。对于15欧姆负载阻抗，在占空比为0.325和并联电容为700pf时，最高电力转换效率是98.53％。

如图11所示，曲线1110表示占空比为0.45时的电力转换效率。曲线1120表示占空比为0.406时的电力转换效率。曲线1130表示占空比为0.365时的电力转换效率。曲线1140表示占空比为0.325时的电力转换效率。曲线1150表示占空比为0.25时的电力转换效率。对于20欧姆负载阻抗，在占空比为0.25和并联电容为900pf时，最高电力转换效率是98.57％。

图12是一个示例性实施例的三个无线电力传输系统的电力转换效率。x轴表示反射电阻，y轴表示电力转换效率。

举例来说，曲线1210表示具有zvsd类逆变器的系统的电力转换效率。曲线1220表示具有丁戊类逆变器但没有控制器(其根据可变负载阻抗来调整丁戊类逆变器的占空比和电容值)的系统的电力转换效率。曲线1230表示具有丁戊类逆变器和控制器(其调整占空比和电容值)的系统的电力转换效率，如图1-7所述。可以看到，曲线1230对于从5欧姆到20欧姆的负载阻抗实现了高电力转换效率(大于97％)。

本发明示例性实施例的方法和装置都是以示例来提供的，方法或装置的示例不应被解释为限制另一方法或装置的示例。此外，在不同附图中讨论的方法和装置可以被添加到其他附图里的方法和装置，或与之交换。另外，具体的数字数据值(例如特定数量、数目、类别等)或其他特定信息应被解释为说明性的，用于讨论示例实施例。

如本文使用的，“无线电力传输系统”或“无线电力发射器”是指将电能无线传输到负载的系统或发射器。

如本文使用的，“高端晶体管”是指这样一个晶体管，其漏极连接到电压源，其源极连接到另一个晶体管的漏极。

如本文使用的，“低端晶体管”是指这样一个晶体管，其漏极连接到另一个晶体管的源极，其源极接地。