CN103155356A - 谐振电能传输系统中的功率转换器和谐振电能传输设备 - Google Patents

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CN103155356A CN2011800491741A CN201180049174A CN103155356A CN 103155356 A CN103155356 A CN 103155356A CN 2011800491741 A CN2011800491741 A CN 2011800491741A CN 201180049174 A CN201180049174 A CN 201180049174A CN 103155356 A CN103155356 A CN 103155356A
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Abstract

本发明提供一种可用在谐振电能传输系统中的功率转换器以及用于传输谐振电能的设备。根据一方面，一种谐振电能传输系统中的功率转换器可包括：输入端，被构造为接收预定电平的直流（DC）电压；第一功率转换器，被构造为使用具有与谐振频率基本相同的频率的第一切换脉冲信号将预定电平的DC电压转换为交流（AC）信号；第二功率转换器，被构造为使用具有与第一切换脉冲信号相反相位的第二切换脉冲信号将预定电平的DC电压转换为AC信号；第一短接电路，被构造为减小或消除从第一功率转换器输出的AC信号的奇次谐波，并将减小或消除了奇次谐波的AC信号提供给源谐振器；第二短接电路，被构造为减小或消除从第二功率转换器输出的AC信号的奇次谐波，并将减小或消除了奇次谐波的AC信号提供给源谐振器。

Description

谐振电能传输系统中的功率转换器和谐振电能传输设备
技术领域
以下描述涉及一种可用于无线电能传输系统中的功率转换器。
背景技术
谐振电能传输系统可对应于无线电能传输系统的类型，并可包括用于无线地发送谐振电能的源装置以及用于接收谐振电能的目标装置。由于无线环境的性质，可使用用于增强电能传输效率并用于降低外围装置的影响的方案。
发明内容
根据一方面，一种谐振电能传输系统中的功率转换器可包括：输入端，被构造为接收预定电平的直流（DC）电压；第一功率转换器，被构造为使用具有与谐振频率基本相同的频率的第一切换脉冲信号将预定电平的DC电压转换为交流（AC）信号；第二功率转换器，被构造为使用具有与第一切换脉冲信号相反相位的第二切换脉冲信号将预定电平的DC电压转换为AC信号；第一短接电路，被构造为减小或消除从第一功率转换器输出的AC信号的奇次谐波，并将减小或消除了奇次谐波的AC信号提供给源谐振器；第二短接电路，被构造为减小或消除从第二功率转换器输出的AC信号的奇次谐波，并将减小或消除了奇次谐波的AC信号提供给源谐振器。
谐振频率可对应于从大约2MHz至20MHz的范围。
从第一短接电路输出的AC信号可与从第二短接电路输出的AC信号具有相反的相位。
第一短接电路可包括电容器和电感器，并且可基于从第一功率转换器输出的AC信号的奇次谐波分量的频率来确定电容器和电感器的值。
第二短接电路可包括电容器和电感器，并且可基于从第二功率转换器输出的AC信号的奇次谐波分量的频率来确定电容器和电感器的值。
根据另一方面，一种用于传输谐振电能的设备可包括：电压控制单元，被构造为接收第一频带的交流（AC）信号的输入，并输出预定电平的直流（DC）电压；第一功率转换器，被构造为使用第二频带的第一切换脉冲信号将预定电平的DC电压转换为AC电能；第二功率转换器，被构造为使用具有与第一切换脉冲信号相反相位的第二切换脉冲信号将预定电平的DC电压转换为AC信号；第一短接电路，被构造为减小或消除从第一功率转换器输出的AC信号的奇次谐波；第二短接电路，被构造为减小或消除从第二功率转换器输出的AC信号的奇次谐波；源谐振器，被构造为将与第一短接电路和第二短接电路的输出信号对应的AC电能传输到目标谐振器。
第一短接电路可包括电容器和电感器，并且可基于从第一功率转换器输出的AC信号的奇次谐波分量的频率来确定电容器和电感器的值。
第二短接电路可包括电容器和电感器，并且可基于从第二功率转换器输出的AC信号的奇次谐波分量的频率来确定电容器和电感器的值。
源谐振器可包括：传输线，包括第一信号传导部分、第二信号传导部分以及与第一信号传导部分和第二信号传导部分对应的接地传导部分；第一导体，被构造为将第一信号传导部分电连接到接地传导部分；第二导体，被构造为将第二信号传导部分电连接到接地传导部分；至少一个电容器，相对于流过第一信号传导部分和第二信号传导部分的电流，串联插入第一信号传导部分与第二信号传导部分之间。
源谐振器还可包括：匹配器，位于由传输线、第一导体和第二导体形成的环路内，并被构造为调整源谐振器的阻抗。
根据又一方面，一种功率转换器可包括：至少一个功率转换器电路，被构造为接收第一信号以输出第二信号；至少一个谐波消除电路，被构造为减小和/或消除第二信号的奇次谐波。
功率转换器电路可包括开关。并且所述开关可被构造为接收切换脉冲信号。
第一信号可以是预定电平的直流（DC）电压。并且第二信号可以是交流（AC）。
所述至少一个谐波消除电路可包括电容器和电感器。
可基于根据以下等式的奇次谐波fodd的频率来确定电容器C和电感器L的值： LC = 1 ( 2 π f odd ) .
所述至少一个功率转换器电路可包括两个功率转换器电路，其中，所述两个功率转换器电路以彼此相反的相位被驱动。
一种谐振电能传输系统可包括功率转换器。所述谐振电能传输系统还可包括谐振装置，其中，至少一个谐波消除电路的阻抗与谐振器装置基本相同。
从下面的详细描述、附图和权利要求中，其它特征和方面将是清楚的。
附图说明
图1是示出无线电能传输系统的示图。
图2是示出用于发送谐振电能的设备的示图。
图3是示出图2的功率转换器的一构造的示图。
图4是示出图3的第一功率转换器和第一短接电路的一等效电路的示图。
图5至图11是示出各种谐振器结构的示图。
图12是示出图5的用于无线电能传输的谐振器的一等效电路的示图。
贯穿附图和详细描述，除非另外描述，否则相同的附图标号将被理解为表示相同的元件、特征和结构。为了清楚、说明和方便，可夸大这些元件的相对尺寸和描绘。
具体实施方式
提供以下的详细描述以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。因此，在此描述的方法、设备和/或系统的各种改变、修改和等同物将被建议给本领域的普通技术人员。描述的处理步骤和/或操作的进行是示例；然而，除了必需按特定顺序发生的步骤和/或操作之外，步骤和/或操作的顺序不限于在此阐述的顺序，并可进行本领域中公知的改变。此外，为了更加清楚和简明，可省略公知功能和构造的描述。
图1示出无线电能传输系统。
在各种实施例中，使用无线电能传输系统传输的无线电能可以是谐振电能。
如图所示，无线电能传输系统可具有包括源和目标的源-目标结构。例如，无线电能传输系统可包括与源对应的谐振电能发送器110和与目标对应的谐振电能接收器120。
谐振电能发送器110可包括源单元111和源谐振器115。源单元111可被构造为从外部电压提供器接收能量，以产生谐振电能。在一些示例中，谐振电能发送器110还可包括匹配控制器113以执行谐振频率和/或阻抗匹配。
源单元111可包括交流（AC）-AC（AC/AC）转换器、AC-直流（DC）（AC/DC）转换器和（DC/AC）逆变器。AC/AC转换器可被构造为将从外部装置输入的AC信号的信号电平调整到期望电平。AC/DC转换器可例如通过对从AC/AC转换器输出的AC信号进行整流来输出处于预定电平的DC电压。DC/AC逆变器可被构造为通过快速地切换从AC/DC转换器输出的DC电压来产生（例如，几兆赫兹（MHz）至几十MHz的频带中的）AC信号。AC的其它频率也是可行的。
匹配控制器113可被构造为设置源谐振器115的谐振带宽、源谐振器115的阻抗匹配频率或者设置以上两者。在一些实施方式中，匹配控制器113可包括源谐振带宽设置单元和/或源匹配频率设置单元。源谐振带宽设置单元可设置源谐振器115的谐振带宽。源匹配频率设置单元可设置源谐振器115的阻抗匹配频率。例如，可基于源谐振器115的谐振带宽的设置和源谐振器115的阻抗匹配频率的设置来确定源谐振器115的Q因子。
源谐振器115可被构造为将电磁能传输到目标谐振器121。例如，源谐振器115可通过与目标谐振器121的磁耦合101将谐振电能传输到谐振电能接收器120。因此，源谐振器115可被构造为在设置的谐振带宽内谐振。
如图所示，谐振电能接收器120可包括目标谐振器121、用于执行谐振频率和/或阻抗匹配的匹配控制器123以及用于将接收的谐振电能传输到装置或负载的目标单元125。
目标谐振器121可被构造为从源谐振器115接收电磁能。目标谐振器121可被构造为在设置的谐振带宽内谐振。
匹配控制器123可设置目标谐振器121的谐振带宽和目标谐振器121的阻抗匹配频率中的至少一个。在一些情况下，匹配控制器123可包括目标谐振带宽设置单元、目标匹配频率设置单元或者包括以上两者。目标谐振带宽设置单元可设置目标谐振器121的谐振带宽。目标匹配频率设置单元可设置目标谐振器121的阻抗匹配频率。例如，可基于目标谐振器121的谐振带宽的设置和目标谐振器121的阻抗匹配频率的设置，来确定目标谐振器121的Q因子。
目标单元125可被构造为将接收的谐振电能传输到装置或负载。目标单元125可包括AC/DC转换器和DC/DC转换器。AC/DC转换器可通过对从源谐振器115发送到目标谐振器121的AC信号进行整流，来产生DC电压。DC/DC转换器可通过调整DC电压的电压电平将额定电压提供给装置或负载。
在一个或多个实施例中，源谐振器115和目标谐振器121可被构造为螺旋线圈结构的谐振器（helix coil structured resonator）、涡旋线圈结构的谐振器（spiral coil structured resonator）、元结构的谐振器（meta-structured resonator）等。
参照图1，控制Q因子的步骤可包括：设置源谐振器115的谐振带宽和目标谐振器121的谐振带宽，并通过源谐振器115和目标谐振器121之间的磁耦合101将电磁能从源谐振器115传输到目标谐振器121。在一些情况下，源谐振器115的谐振带宽可被设置得比目标谐振器121的谐振带宽更宽或更窄。例如，可通过将源谐振器115的谐振带宽设置得比目标谐振器121的谐振带宽更宽或更窄来保持源谐振器115的BW因子与目标谐振器121的BW因子之间的不平衡关系。
对于采用谐振方案的无线电能传输，谐振带宽可能是重要因子。当Q因子（例如，考虑源谐振器115和目标谐振器121之间的距离的改变、谐振阻抗的改变、阻抗不匹配、反射信号等）是Qt时，Qt可具有如等式1所示的与谐振带宽成反比的关系。
[等式1]
Δf f 0 = 1 Qt
= Γ S . D + 1 B W S + 1 B W D
在等式1中，f0表示中心频率，Δf表示带宽的改变，ΓS,D表示源谐振器115和目标谐振器121之间的反射损失，BWS表示源谐振器115的谐振带宽，BWD表示目标谐振器121的谐振带宽。BW因子可指示1/BWS或1/BWD。
由于一个或多个外部影响（例如，源谐振器115和目标谐振器121之间的距离的改变、源谐振器115和目标谐振器121中的至少一个的位置的改变等），因此，可能发生源谐振器115和目标谐振器121之间的阻抗不匹配。阻抗不匹配可能是导致电能传输效率的降低的直接原因。当检测到与部分反射且返回的发送信号相应的反射波时，匹配控制器113可被构造为确定已经发生了阻抗不匹配，并可执行阻抗匹配。匹配控制器113可通过对反射波的波形分析检测谐振点来改变谐振频率。匹配控制器113可将反射波的波形中具有最小幅值的频率确定为谐振频率。
图2示出用于发送谐振电能的设备200。
如图所示，用于发送谐振电能的设备200可包括电压控制单元210、功率转换器220、源谐振器230和源控制单元240。在一些实施例中，用于发送谐振电能的设备200还可包括反射电能检测器250和/或通信单元。
电压控制单元210可接收第一频率的AC信号的输入，并可输出预定电平的DC电压。第一频率可对应于例如几十Hz。第一频率的AC信号可通过使用快速切换装置的快速切换方案来产生，或者可通过使用振荡器的振荡方案来产生。如图所示，电压控制单元210可包括变换器211、整流器213和恒定电压控制单元215。
变换器211可被构造为调整从外部装置输入的AC信号的信号电平。
整流器213可对从变换器211输出的AC信号进行整流，从而输出DC信号。
恒定电压控制单元215可被构造为根据源控制单元240的控制输出预定电平的DC信号。恒定电压控制单元215可包括用于输出预定电平的DC信号的稳压电路。可基于目标装置使用的功率和对谐振电能的功率的控制来确定从恒定电压控制单元215输出的DC电压的电压电平。
功率转换器220可使用第二频带的切换脉冲信号将预定电平的DC电压转换为AC电能。第二频带可对应于谐振频率，并可对应于几MHz至几十MHz的范围。例如，第二频带可对应于2MHz至20MHz的范围。
例如，源谐振器230可通过磁耦合将AC电能传输到用于接收谐振电能的设备。
源控制单元240可基于反射电能和用于接收谐振电能的设备的数量来控制从电压控制单元210输出的DC电压的信号电平。源控制单元240可将具有与谐振频率相同的频率的切换脉冲信号提供给功率转换器220。
反射电能检测器250可检测与发送到用于接收谐振电能的设备的谐振电能对应的反射电能。反射电能检测器250可通过耦合器检测反射信号，并可计算检测到的反射信号的功率。当检测到反射电能时，源控制单元240可确定用于接收谐振电能的设备的数量减少，和/或源控制单元240与用于接收谐振电能的设备之间的距离增加。
通信单元可执行用于通过谐振频率与接收谐振电能的设备交换数据的带内通信以及用于通过为数据通信分配的不同频率与接收谐振电能的设备交换数据的带外通信。
图3示出图2的功率转换器220的一个构造。在一些实施例中，功率转换器220可被构造为执行推挽式方案（push-pull scheme）。在推挽式方案中，可提供以彼此相反的相位驱动的一对功率转换器。该方案可具有低谐波的特征。另外，推挽式方案可减小在功率转换期间发生的偶次谐波的量。
然而，仅使用推挽式方案，可能无法有效地消除在功率转换期间发生的奇次谐波。因此，功率转换器220可包括被构造为减小和/或消除奇次谐波的电路或其它装置。如下面描述的，这可另外减小或消除偶次谐波。
如图所示，功率转换器220可包括变换器310、第一功率转换器320、第二功率转换器330、第一短接电路340、第二短接电路350以及输入端370a和370b。变换器310可被构造为接收输入信号，并可输出差分信号。在一个或多个实施例中，变换器310可以是平衡不平衡变换器（balun）或者其它特定类型的变换器。
变换器310可接收具有与将由源谐振器230提供的谐振频率基本相同的频率的切换脉冲信号fc来作为输入。因此，变换器310被构造为将第一切换脉冲信号301提供给第一功率转换器320并将第二切换脉冲信号303提供给第二功率转换器330。第二切换脉冲信号303与第一切换脉冲信号301具有相反的相位。
在一些实施方式中，变换器310还可将第一切换脉冲信号301提供给第二功率转换器330，并可将具有与第一切换脉冲信号301相反的相位的第二切换脉冲信号303提供给第一功率转换器320。
输入端370a和370b可将DC电压提供给第一功率转换器320和第二功率转换器330。DC电压可具有预定电平。例如，DC电压可以是从图2中示出的电压控制单元210的恒定电压控制单元215输出的电压信号。
第一功率转换器320可包括AC/DC逆变器。AC/DC逆变器可使用第二频带的切换脉冲信号将DC电压转换为AC电压。AC/DC逆变器可包括切换装置。在一个或多个实施例中，切换装置可进行快速切换。例如，切换装置可以是晶体管。
第一功率转换器320可使用具有与谐振频率相同频率的第一切换脉冲信号301将预定电平的DC电压转换为AC信号。例如，切换装置可被构造为当切换脉冲信号fc处于“高状态”（例如，在其最大值或接近最大值）时闭合并且当切换脉冲信号fc处于“低状态”（例如，在其最小值或接近最小值）时断开。还可使用其它切换技术。
类似地，第二功率转换器330也可包括AC/DC逆变器。第二功率转换器330可使用具有与第一切换脉冲信号301相反相位的第二切换脉冲信号303将DC电压转换为AC信号。
第一短接电路340可消除从第一功率转换器320输出的AC信号的奇次谐波，并可将消除了奇次谐波的AC信号305提供给源谐振器230。同样地，第二短接电路350可消除从第二功率转换器330输出的AC信号的奇次谐波，并可将消除了奇次谐波的AC信号307提供给源谐振器230。由于第一切换脉冲信号301和第二切换脉冲信号303的相位彼此相反，因此从第一短接电路340输出的AC信号305将具有与从第二短接电路350输出的AC信号307相反的相位。在所有实施例中，图2的功率转换器200不需要使用用于将差分信号转换为单个信号的变换器。例如，由于源谐振器230可被构造为接收差分信号，因此变换器可在所有实施例中不是必需的。在一些情况下，在功率转换器200中的变换器的省略可减小与变换器有关的电能损失。
在图3中，第一短接电路340的输出信号305可被表示为“fc+fc2+fc3+…”，第二短接电路350的输出信号307可被表示为“-fc+fc2-fc3+…”。第三谐波“fc3”的信号电平在一些情况下可以基本为零（“0”）或者在幅值上非常小。可将AC信号305和307组合并提供给源谐振器230。例如，通过源谐振器230输出的AC信号可被表示为“2fc+2fc3”。已经通过使用第一切换脉冲信号301和第二切换脉冲信号303的相反相位基本消除了基频fc。
由于因为第一短接电路340和/或第二短接电路350而导致第三谐波“fc3”的信号电平可以在幅值上非常小，因此通过源谐振器230输出的AC信号的第三（或其它奇次）谐波可变得极小，由此可忽略。包括在第一短接电路340的输出信号305和第二短接电路350的输出信号307中的偶次谐波也可例如使用如上所述的推挽式方案在源谐振器230中得到衰减。
图4示出包括短接电路410和功率转换器电路420的等效电路。短接电路410还可被称为谐波消除电路。
在一些实施例中，功率转换器电路420和短接电路410可分别与如图3中所示的第一功率转换器320和第二功率转换器330以及第一短接电路340和第二短接电路350对应。
如图所示，功率转换器电路420可包括开关装置S、多个电容器C、CS和CT以及电感器Lchoke、LT和Ladd。例如，开关装置S可以是晶体管（诸如MOSFET）。其它元件可以是开关电源调节器电路的部分，以增强功率效率。
功率转换器电路420接收DC电压Vin并输出AC电压Vout。DC电压Vin可以是预定电平。例如，DC电压Vin可以是从图2中示出的电压控制单元210的恒定电压控制单元215输出的电压信号。
短接电路410可被构造为从输出的AC电压Vout减小和/或消除奇次谐波。此外，如图所示，短接电路410可包括电容器C1和电感器L1。例如，针对从短接电路410输出的AC信号的第三谐波分量f3rd的频率，可基于以下等式2确定电容器C1和电感器L1的值。
[等式2]
L 1 C 1 = 1 ( 2 π f 3 rd ) 2
当电容器C1和电感器L1的值满足用于第三谐波频率f3rd的等式2时，从功率转换器电路420输出的信号的第三谐波将被分流或被短接到地。假设短接电路410和源谐振器230的阻抗Z是50欧姆，则可基于短接电路410和源谐振器230的阻抗Z的匹配来确定电容器C1和电感器L1的值。根据图4的构造，可在从输出信号Vout减小和/或消除奇次谐波分量的同时将短接电路410和源谐振器230的阻抗进行匹配。
可使用等式2针对其它奇次谐波类似地确定电容器C1和电感器L1的值。
图4的电路可与第一功率转换器320和第一短接电路340的等效电路对应。因此，第一短接电路340可包括电容器C1和电感器L1，并且电容器C1和电感器L1的值可基于从第一功率转换器320输出的AC信号的奇次谐波分量的频率均被确定。类似地，图4的电路可分别被相似地应用于第二功率转换器330和/或第二短接电路350。在一个实施例中，第二短接电路350可包括电容器C2和电感器L2，并且电容器C2和电感器L2的值可基于从第二功率转换器330输出的AC信号的奇次谐波分量的频率均被确定。
通过使用高效功率转换器，可防止发生奇次谐波。这对于谐振电能传输会是有效的。因此，可降低在谐振电能传输系统中对其它电子装置的影响。并且通过防止谐波的发生，可实现高效谐振电能传输系统。
再次参照图1，源谐振器115和/或目标谐振器121可被构造为螺旋线圈结构的谐振器（helix coil structured resonator）、涡旋线圈结构的谐振器（spiral coil structured resonator）、元结构的谐振器（meta-structuredresonator）等。
自然界发现的许多材料的电磁特性在于它们具有独特的磁导率或独特的介电常数。大多数材料典型地具有正磁导率或正介电常数。因此，对于这些材料，右手定则可应用于电场、磁场和指向矢量，从而，相应的材料可被称为右手材料（RHM）。
另一方面，具有不是在自然界中通常发现的或是人工设计（或人造）的磁导率或介电常数的材料可在此被称为“超常材料（metamaterial）”。基于相应介电常数或磁导率的符号，超常材料可被分类为ε负（ENG）材料、μ负（MNG）材料、双负（DNG）材料、负折射率（NRI）材料、左手（LH）材料等。
磁导率可指示在相应材料中针对给定磁场发生的磁通密度与在真空状态下针对所述给定磁场发生的磁通密度之间的比。磁导率和介电常数可确定在给定频率或给定波长下的相应材料的传播常数。可基于磁导率和介电常数确定相应材料的电磁特性。根据一方面，超常材料可容易地置于谐振状态，而没有显著的材料尺寸改变。这对于相对大的波长区域或相对低的频率区域会是实用的。
图5示出具有二维（2D）结构的谐振器500。
如图所示，具有2D结构的谐振器500可包括传输线、电容器520、匹配器530以及导体541和542。传输线可包括例如第一信号传导部分511、第二信号传导部分512和接地传导部分513。
电容器520可串联地插入或另外位于第一信号传导部分511和第二信号传导部分512之间，从而电场可被限制在电容器520内。在各种实施方式中，传输线可包括在传输线的上部的至少一个导体，并还可包括在传输线的下部的至少一个导体。电流可流经位于传输线的上部的所述至少一个导体，并且位于传输的下部的所述至少一个导体可电接地。如图5中所示，谐振器500可被构造为具有通常的2D结构。传输线可包括在传输线的上部的第一信号传导部分511和第二信号传导部分512，并可包括在传输线的下部的接地传导部分513。如所示，第一信号传导部分511和第二信号传导部分512可被布置为面向接地传导部分513，电流流经第一信号传导部分511和第二信号传导部分512。
在一些实施方式中，第一信号传导部分511的一端可电连接（即，被短路）到导体542，并且第一信号传导部分511的另一端可连接到电容器520。第二信号传导部分512的一端可与导体541接地，并且第二信号传导部分512的另一端可连接到电容器520。因此，第一信号传导部分511、第二信号传导部分512、接地传导部分513以及导体541和542可互相连接，从而谐振器500可具有电“闭环结构”。如在此使用的术语“闭环结构”可包括电闭合的多边形结构，例如，圆形结构、矩形结构等。电容器520可插入到传输线的中间部分。例如，电容器520可插入第一信号传导部分511和第二信号传导部分512之间的空间中。在一些示例中，电容器520可被构造为集总元件、分布元件等。例如，分布电容器可被构造为分布元件，并可包括Z字形导体线以及在Z字形导体线之间具有相对高的介电常数的介质材料。
当电容器520被插入传输线中时，谐振器500可具有如上论述的超常材料的性质。例如，谐振器500可因电容器520的电容而具有负磁导率。如果这样，则谐振器500还可被称为μ负（MNG）谐振器。可应用各种标准来确定电容器520的电容。例如，用于使谐振器500具有超常材料的特性的各种标准可包括以下标准中的一个或多个：用于使谐振器500在目标频率中具有负磁导率的标准、用于使谐振器500在目标频率中具有零阶谐振特性的标准等。
还可被称为MNG谐振器500的谐振器500还可具有零阶谐振特性（即，当传播常数是“0”时具有作为谐振频率的频率）。如果谐振器500具有零阶谐振特性，则谐振频率可独立于MNG谐振器500的物理尺寸。此外，通过适当地设计（或构造）电容器520，MNG谐振器500可在实质上没有改变MNG谐振器500的物理尺寸的情况下充分地改变谐振频率。
在近场，例如，电场可集中于插入传输线中的电容器520上。因此，由于电容器520，磁场可在近场中变为主导。在一个或多个实施例中，MNG谐振器500可使用集总元件的电容器520而具有相对高的Q因子。从而，可增强电能传输效率。例如，Q因子指示在无线电能传输中欧姆损失的程度或电抗相对于电阻的比。无线电能传输的效率可根据Q因子的增加而增加。
MNG谐振器500可包括用于阻抗匹配的匹配器530。匹配器530可被构造为适当地确定并调节MNG谐振器500的磁场的强度。根据构造，电流可经由连接器流入MNG谐振器500，或可经由连接器从MNG谐振器500流出。连接器可连接到接地传导部分513或匹配器530。在一些情况下，在不使用连接器与接地传导部分513或匹配器530之间的物理连接的情况下，可通过耦合传输电能。
如图5中所示，匹配器530可位于由谐振器500的环路结构形成的环路内。匹配器530可被构造为通过改变匹配器530的物理形状来调节谐振器500的阻抗。例如，匹配器530可包括位于与接地传导部分513分开距离h的位置的用于阻抗匹配的导体531。可通过调节距离h改变谐振器500的阻抗。
在一些情况下，可提供指向匹配器的产生控制信号并将控制信号发送到匹配器530的控制器来控制匹配器530改变它的物理形状，从而可调节谐振器的阻抗。例如，匹配器530的导体531和接地传导部分513之间的距离h可基于控制信号增加或减小。控制器可基于各种因素产生控制信号。
如图5中所示，匹配器530可被构造为例如无源元件（诸如导体531）。当然，在其它实施例中，匹配器530可被构造为有源元件（诸如二极管、晶体管等）。如果有源元件被包括在匹配器530中，则可基于由控制器产生的控制信号驱动有源元件，并且可基于所述控制信号调节谐振器500的阻抗。例如，当有源元件是包括在匹配器530中的二极管时，可根据所述二极管处于导通状态还是处于断开状态来调节谐振器500的阻抗。
在一些情况下，还可提供用于穿过MNG谐振器500的磁芯。磁芯可执行增加电能传输距离的功能。
图6示出具有三维（3D）结构的谐振器600。
参照图6，具有3D结构的谐振器600可包括传输线和电容器620。传输线可包括第一信号传导部分611、第二信号传导部分612和接地传导部分613。作为示例，电容器620可串联插入传输链接的第一信号传导部分611和第二信号传导部分612之间，从而电场可被限制在电容器620内。
如图6中所示，谐振器600可具有通常的3D结构。传输线可包括在谐振器600的上部的第一信号传导部分611和第二信号传导部分612，并可包括在谐振器600的下部的接地传导部分613。第一信号传导部分611和第二信号传导部分612可被布置为面向接地传导部分613。在该布置中，电流可沿x方向流过第一信号传导部分611和第二信号传导部分612。由于该电流，可沿-y方向形成磁场H(W)。然而，将理解，在一些实施方式中，还可沿其它方向（例如，+y方向）形成磁场H(W)。
在一个或多个实施例中，第一信号传导部分611的一端可电连接（即，被短路）到导体642，并且第一信号传导部分611的另一端可连接到电容器620。第二信号传导部分612的一端可与导体641接地，并且第二信号传导部分612的另一端可连接到电容器620。因此，第一信号传导部分611、第二信号传导部分612、接地传导部分613以及导体641和642可互相连接，由此，谐振器600可具有电闭环结构。
如图6中所示，电容器620可插入或另外位于第一信号传导部分611和第二信号传导部分612之间。例如，电容器620可插入第一信号传导部分611和第二信号传导部分612之间的空间中。电容器620可以是例如集总元件、分布元件等。在一实施方式中，被构造为分布元件的分布电容器可包括Z字形导体线以及位于Z字形导体线之间的具有相对高的介电常数的电介质材料。
当电容器620被插入传输线中时，谐振器600可具有超常材料的性质。
例如，当被构造为集总元件的电容器的电容被适当地确定时，谐振器600可具有超常材料的特性。当谐振器600通过适当调节电容器620的电容而具有负磁导率时，谐振器600还可被称为MNG谐振器。可应用各种标准来确定电容器620的电容。例如，所述标准可包括以下标准中的一个或多个：用于使谐振器600具有超常材料的特性的标准、用于使谐振器600在目标频率中具有负磁导率的标准、用于使谐振器600在目标频率中具有零阶谐振特性的标准等。基于上述标准中的至少一个标准，可确定电容器620的电容。
还可被称为MNG谐振器600的谐振器600可具有零阶谐振特性（即，当传播常数是“0”时具有作为谐振频率的频率）。如果谐振器600具有零阶谐振特性，则谐振频率可独立于MNG谐振器600的物理尺寸。因此，通过适当地设计（或构造）电容器620，MNG谐振器600可在没有改变MNG谐振器600的物理尺寸的情况下充分地改变谐振频率。
参照图6的MNG谐振器600，在近场，电场可集中于插入到传输线中的电容器620上。因此，由于电容器620，磁场可在近场中变为主导。并且，由于具有零阶谐振特性的MNG谐振器600可具有与磁偶极子相似的特性，因此磁场可在近场中变为主导。因电容器620的插入而形成的相对小量的电场可集中于电容器620上，由此，磁场可变为进一步主导。
此外，MNG谐振器600可包括用于阻抗匹配的匹配器630。匹配器630可被构造为适当地调节MNG谐振器600的磁场的强度。可通过匹配器630确定MNG谐振器600的阻抗。在一个或多个实施例中，电流可经由连接器640流入MNG谐振器600，或可经由连接器640从MNG谐振器600流出。并且连接器640可连接到接地传导部分613或匹配器630。
如图6中所示，匹配器630可位于由谐振器600的环路结构形成的环路内。匹配器630可被构造为通过改变匹配器630的物理形状来调节谐振器600的阻抗。例如，匹配器630可包括位于与接地传导部分613分开距离h的位置的用于阻抗匹配的导体631。可通过调节距离h改变谐振器600的阻抗。
在一些实施方式中，可提供控制器来控制匹配器630。在这种情况下，匹配器630可基于由控制器产生的控制信号来改变匹配器630的物理形状。例如，匹配器630的导体631和接地传导部分613之间的距离h可基于控制信号增加或减小。因此，可改变匹配器630的物理形状，从而可调节谐振器600的阻抗。可使用各种方案来调节匹配器630的导体631和接地传导部分613之间的距离h。可选地或者另外地，多个导体可被包括在匹配器630中，并且可通过自适应地激活所述多个导体之一来调节距离h。作为另一示例，可通过上下调节导体631的物理位置来调节距离h。例如，可基于控制器的控制信号来控制距离h。控制器可使用各种因素产生控制信号。如图6中所示，匹配器630可被构造为例如无源元件（诸如导体631）。当然，在其它实施例中，匹配器630可被构造为有源元件（诸如二极管、晶体管等）。当有源元件被包括在匹配器630中时，可基于由控制器产生的控制信号驱动有源元件，并且可基于所述控制信号调节谐振器600的阻抗。例如，如果有源元件是包括在匹配器630中的二极管，则可根据所述二极管处于导通状态还是处于断开状态来调节谐振器600的阻抗。
在一些实施方式中，还可提供用于穿过被构造为MNG谐振器的谐振器600的磁芯。磁芯可执行增加电能传输距离的功能。
图7示出被构造为大型（bulky type）的用于无线电能传输的谐振器700。如在此使用的，术语“大型”可表示以集成形式连接至少两个部件的无缝连接。如图所示，第一信号传导部分711和第二信号传导部分712可被集成形成，而不是被单独制造，从而互相连接。类似地，第二信号传导部分712和导体741也可被集成制造。
当第二信号传导部分712和导体741被单独制造且随后互相连接时，可能因缝750而发生传导损失。因此，在一些实施方式中，第二信号传导部分712和导体741可不使用单独的缝而互相连接（即，互相无缝连接）。因此，可减少由缝750导致的传导损失。例如，第二信号传导部分712和接地传导部分713可被无缝且集成地制造。类似地，第一信号传导部分711、导体742和接地传导部分713可被无缝且集成地制造。
可提供如这里在一个或多个实施例中所描述的类似构造的匹配器730。
图8示出被构造为中空型(hollow type)的用于无线电能传输的谐振器800。
参照图8，谐振器800的第一信号传导部分811、第二信号传导部分812、接地传导部分813以及导体841和842中的一个或多个被构造为中空型结构。如在此使用的术语“中空型”表示可包括内部空间为空的构造。
对于给定的谐振频率，有功电流可被建模为：仅流入第一信号传导部分811的一部分（而不是第一信号传导部分811的全部）、第二信号传导部分812的一部分（而不是第二信号传导部分812的全部）、接地传导部分813的一部分（而不是接地传导部分813的全部）以及导体841和842的一部分（而不是导体841和842的全部）。当第一信号传导部分811、第二信号传导部分812、接地传导部分813以及导体841和842中的每一个的深度在给定的谐振频率下显著地比相应的趋肤深度（skin depth）更深时，其可能是无效的。然而，在一些示例中，显著地更深的深度会增加谐振器800的重量或制造成本。
因此，对于给定的谐振频率，可基于第一信号传导部分811、第二信号传导部分812、接地传导部分813以及导体841和842中的每一个的相应趋肤深度来适当地确定第一信号传导部分811、第二信号传导部分812、接地传导部分813以及导体841和842中的每一个的深度。当第一信号传导部分811、第二信号传导部分812、接地传导部分813以及导体841和842均具有比相应趋肤深度更深的适当深度时，谐振器800可变得更轻，并且谐振器800的制造成本还可减少。
例如，如图8中所示，第二信号传导部分812的深度（如由圆指示的放大视图区域860中所进一步示出的）可被确定为“d”mm，并且d可根据来确定。这里，f表示频率，μ表示磁导率，σ表示导体常数。在一个实施例中，当第一信号传导部分811、第二信号传导部分812、接地传导部分813以及导体841和842由铜制成且它们可具有每米5.8×107西门子（S·m-1）的传导率时，针对10kHz的谐振频率，趋肤深度可以是大约0.6mm，针对100MHz的谐振频率，趋肤深度可以是大约0.006mm。
可提供如这里在一个或多个实施例中所描述的类似构造的电容器820和匹配器830。
图9示出使用平行薄片的用于无线电能传输的谐振器900。
参照图9，平行薄片可应用于包括在谐振器900中的第一信号传导部分911和第二信号传导部分912中的每一个。
第一信号传导部分911和第二信号传导部分912中的一个或二者可以不是理想导体，并因此可具有固有电阻。由于此电阻，可能发生欧姆损失。欧姆损失可减小Q因子并且还降低耦合效果。
通过将平行薄片应用于第一信号传导部分911和第二信号传导部分912，可减少欧姆损失，并且可增加Q因子和耦合效果。参照由圆指示的放大视图部分920，当应用了平行薄片时，第一信号传导部分911和第二信号传导部分912中的每一个可包括多个导体线。所述多个导体线可被平行设置，并且可在第一信号传导部分911和第二信号传导部分912中的每一个的端部被电连接（即，被短路）。
当平行薄片被应用于第一信号传导部分911和第二信号传导部分912中的每一个时，所述多个导体线可被平行设置。因此，导体线上的电阻之和可减小。从而，电阻损失可减小，并且Q因子和耦合效果可提高。
可提供如这里在一个或多个实施例中所描述的类似构造的位于接地传导部分913之上的电容器920和匹配器930。
图10示出包括分布电容器的用于无线电能传输的谐振器1000。
参照图10，包括在谐振器1000中的电容器1020被构造为用于无线电能传输。作为集总元件的电容器可具有相对高的等效串联电阻（ESR）。已提出各种方案来减小包含在集总元件的电容器中的ESR。根据实施例，通过使用作为分布元件的电容器1020，可减小ESR。将理解，由ESR导致的损失可减小Q因子和耦合效果。
如图10中所示，电容器1020可被构造为具有Z字形结构的传导线。
通过采用作为分布元件的电容器1020，在一些示例中可减小因ESR发生的损失。另外，通过设置作为集总元件的多个电容器，可减小因ESR发生的损失。由于作为集总元件的所述多个电容器中的每个的电阻通过并联连接而减小，因此作为集总元件的并联连接的电容器的有效电阻也可减小，由此因ESR发生的损失可减小。例如，通过采用均为1pF的10个电容器而不使用10pF的单个电容器，在一些示例中可减小因ESR发生的损失。
图11A示出在以图5的2D结构提供的谐振器500中使用的匹配器530的一实施例，图11B示出在以图6的3D结构提供的谐振器600中使用的匹配器630的一实施例。
图11A示出包括匹配器530的2D谐振器的一部分，图11B示出包括匹配器630的图6的3D谐振器的一部分。
参照图11A，匹配器530可包括导体531、导体532和导体533。导体532和导体533可连接到接地传导部分513和导体531。例如，可基于导体531和接地传导部分513之间的距离h来确定2D谐振器的阻抗。可通过控制器控制导体531和接地传导部分513之间的距离h。可使用各种方案调节导体531和接地传导部分513之间的距离h。例如，所述方案可包括以下方案中的一个或多个：通过自适应地激活导体531、导体532和导体533之一调节距离h的方案，上下调节导体531的物理位置的方案等。
参照图11B，匹配器630可包括导体631、导体632、导体633以及导体641和642。导体632和导体633可连接到接地传导部分613和导体631。导体632和导体633可连接到接地传导部分613和导体631。可基于导体631和接地传导部分613之间的距离h来确定3D谐振器的阻抗。例如，可通过控制器控制导体631和接地传导部分613之间的距离h。与包括在2D结构的谐振器中的匹配器530类似，在包括在3D结构的谐振器中的匹配器630中，可使用各种方案调节导体631和接地传导部分613之间的距离h。例如，所述方案可包括以下方案中的一个或多个：通过自适应地激活导体631、导体632和导体633之一调节距离h的方案，上下调节导体631的物理位置的方案等。
在一些实施方式中，匹配器可包括有源元件。因此，使用有源元件调节谐振器的阻抗的方案可与以上描述的类似。例如，可通过使用有源元件改变流过匹配器的电流的路径来调节谐振器的阻抗。
图12示出图5的用于无线电能传输的谐振器500的一等效电路。
图5的用于无线电能传输的谐振器500可被建模为图12的等效电路。在图12描绘的电路中，LR表示电能传输线的电感，CL表示以集总元件的形式插入电能传输线的中间的电容器520，CR表示图5的电能传输和/或接地之间的电容。
在一些情况下，谐振器500可具有零阶谐振特性。例如，当传播常数是“0”时，谐振器500可被假设为具有谐振频率ωMZR。谐振频率ωMZR可由等式3来表示。
[等式3]
ω MZR = 1 L R C L
在等式2中，MZR表示μ零谐振器。
参照等式3，谐振器500的谐振频率ωMZR可通过LR/CL来确定。谐振器500的物理尺寸和谐振频率ωMZR可彼此独立。由于物理尺寸彼此独立，因此谐振器500的物理尺寸可充分减小。
在各种实施例中，可使用硬件组件和/或软件组件实现在此描述的单元。例如，可使用一个或多个通用或专用计算机（诸如作为示例的处理器、控制器和算术逻辑单元）、数字信号处理器、微计算机、场可编程阵列、可编程逻辑单元、微处理器或能够以限定的方式响应并执行指令的任何其它装置来实现处理装置。处理装置可运行操作系统（OS）以及一个或多个在OS上运行的软件应用。处理装置还可响应于软件的执行来访问、存储、操纵、处理和创建数据。为了简洁的目的，处理装置的描述被用作单数；然而，本领域的技术人员将理解，处理装置可包括多个处理元件和多种类型的处理元件。例如，处理装置可包括多个处理器或者处理器和控制器。另外，不同的处理配置是可行的，诸如并行处理器。
软件可包括用于独立或共同地指导或构造处理装置以进行期望操作的计算机程序、代码段、指令或它们的某个组合。可在任何类型的机器、组件、物理或虚拟等同物、计算机存储介质或装置中永久或暂时地包含软件和数据，或者在能够向处理装置提供指令或数据或被处理装置解释的传播信号波中永久或暂时地包含软件和数据。软件还可分布在联网的计算机系统中，从而以分布方式存储和执行软件。尤其是，软件和数据可被一个或多个计算机可读记录介质存储。计算机可读记录介质可包括能够存储其后可被计算机系统或处理装置读取的数据的任何数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、CD-ROM、磁带、软盘、光学数据存储装置。此外，实施例所属领域的编程技术人员可基于并使用在此提供的附图的流程图和框图以及它们的相应描述来容易地构造用于实现在此公开的示例实施例的功能程序、代码和代码段。
以上已描述了一些示例。然而，应理解，可进行各种修改。例如，如果按不同的顺序执行所描述的技术并且/或者如果在描述的系统、架构、装置或电路中的组件以不同的方式被组合和/或被其他组件或它们的等同物替代或补充，则可实现适合的结果。因此，其它实施方式在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种谐振电能传输系统中的功率转换器，所述功率转换器包括：
输入端，被构造为接收预定电平的直流（DC）电压；
第一功率转换器，被构造为使用具有与谐振频率基本相同的频率的第一切换脉冲信号将预定电平的DC电压转换为交流（AC）信号；
第二功率转换器，被构造为使用具有与第一切换脉冲信号相反相位的第二切换脉冲信号将预定电平的DC电压转换为AC信号；
第一短接电路，被构造为减小或消除从第一功率转换器输出的AC信号的奇次谐波，并将减小或消除了奇次谐波的AC信号提供给源谐振器；
第二短接电路，被构造为减小或消除从第二功率转换器输出的AC信号的奇次谐波，并将减小或消除了奇次谐波的AC信号提供给源谐振器。
2.如权利要求1所述的功率转换器，其中，谐振频率对应于从大约2MHz至20MHz的范围。
3.如权利要求1所述的功率转换器，其中，从第一短接电路输出的AC信号与从第二短接电路输出的AC信号具有相反的相位。
4.如权利要求1所述的功率转换器，其中：
第一短接电路包括电容器和电感器，
基于从第一功率转换器输出的AC信号的奇次谐波分量的频率来确定电容器和电感器的值。
5.如权利要求1所述的功率转换器，其中：
第二短接电路包括电容器和电感器，
基于从第二功率转换器输出的AC信号的奇次谐波分量的频率来确定电容器和电感器的值。
6.一种用于传输谐振电能的设备，所述设备包括：
电压控制单元，被构造为接收第一频带的交流（AC）信号的输入，并输出预定电平的直流（DC）电压；
第一功率转换器，被构造为使用第二频带的第一切换脉冲信号将预定电平的DC电压转换为AC电能；
第二功率转换器，被构造为使用具有与第一切换脉冲信号相反相位的第二切换脉冲信号将预定电平的DC电压转换为AC信号；
第一短接电路，被构造为减小或消除从第一功率转换器输出的AC信号的奇次谐波；
第二短接电路，被构造为减小或消除从第二功率转换器输出的AC信号的奇次谐波；
源谐振器，被构造为将与第一短接电路和第二短接电路的输出信号对应的AC电能传输到目标谐振器。
7.如权利要求6所述的设备，其中：
第一短接电路包括电容器和电感器，
基于从第一功率转换器输出的AC信号的奇次谐波分量的频率来确定电容器和电感器的值。
8.如权利要求6所述的设备，其中：
第二短接电路包括电容器和电感器，
基于从第二功率转换器输出的AC信号的奇次谐波分量的频率来确定电容器和电感器的值。
9.如权利要求6所述的设备，其中，源谐振器包括：
传输线，包括第一信号传导部分、第二信号传导部分以及与第一信号传导部分和第二信号传导部分对应的接地传导部分；
第一导体，被构造为将第一信号传导部分电连接到接地传导部分；
第二导体，被构造为将第二信号传导部分电连接到接地传导部分；
至少一个电容器，相对于流过第一信号传导部分和第二信号传导部分的电流，串联插入第一信号传导部分与第二信号传导部分之间。
10.如权利要求9所述的设备，其中，源谐振器还包括：
匹配器，位于由传输线、第一导体和第二导体形成的环路内，并被构造为调整源谐振器的阻抗。
11.一种功率转换器，包括：
至少一个功率转换器电路，被构造为接收第一信号以输出第二信号；
至少一个谐波消除电路，被构造为减小和/或消除第二信号的奇次谐波。
12.如权利要求11所述的功率转换器，其中，功率转换器电路包括开关。
13.如权利要求12所述的功率转换器，其中，所述开关被构造为接收切换脉冲信号。
14.如权利要求11所述的功率转换器，其中，第一信号是预定电平的直流（DC）电压。
15.如权利要求11所述的功率转换器，其中，第二信号是交流（AC）。
16.如权利要求11所述的功率转换器，其中，所述至少一个谐波消除电路包括电容器和电感器。
17.如权利要求16所述的功率转换器，其中，基于根据以下等式的奇次谐波fodd的频率来确定电容器C和电感器L的值：
LC = 1 ( 2 π f odd ) .
18.如权利要求11所述的功率转换器，其中，所述至少一个功率转换器电路包括两个功率转换器电路，其中，所述两个功率转换器电路以彼此相反的相位被驱动。
19.一种包括权利要求11的功率转换器的谐振电能传输系统。
20.如权利要求19所述的谐振电能传输系统，还包括：
谐振装置，
其中，所述至少一个谐波消除电路的阻抗与谐振器装置基本相同。
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