CN105074848A - 用于电压限制的谐振无线电源接收器的开路阻抗控制 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种谐振无线电源接收器，包含：电感元件，耦接于谐振无线电源；以及电容结构，耦接到该电感元件，改变该谐振无线电源接收器的开路阻抗以减少特定情况下的交流电压，该电容结构包含多个被调谐的电容以在该谐振无线电源接收器中控制该交流电压。

Description

用于电压限制的谐振无线电源接收器的开路阻抗控制

优先权信息

本发明主张在2012年9月28日提交的临时专利申请No.61/706,932的优先权，该临时专利申请因此在全文中被引用。

背景技术

本发明关于谐振无线电源(resonantwirelesspower，RWP)领域，尤其关于用于电压限制的谐振无线电源接收器的开路阻抗控制。

谐振无线电源接收器包含被设计为在功率转移(powertransfer)的频率处谐振的匹配网络。此馈入半导体整流器，接着馈入dc/dc转换器，以便将交流电源转换为稳定的(regulated)直流。如果交流电压的幅度超过整流器的工作电压，或者如果已整流的电压超过该dc/dc转换器的工作电压，则这些电路可能被损坏。

发明内容

依据本发明一方面，提供一种谐振无线电源接收器。该谐振无线电源接收器包含：电感元件，耦接于谐振无线电源；以及电容结构，耦接到该电感元件，改变(altering)该谐振无线电源接收器的开路阻抗以减少特定情况下的交流电压，该电容结构包含多个被调谐的电容以在该谐振无线电源接收器中控制交流电压。

依据本发明另一方面，提供一种谐振无线电源系统。该谐振无线电源系统包含：源电路，包含与源线圈串联的反射阻抗；以及接收器电路，使用电感元件耦接于该源电路，并包含与该电感元件耦接的电容结构，该电容结构改变该接收器电路的开路阻抗以减少特定情况下的交流电压，该电容结构包含多个被调谐的电容以在该接收器电路中控制交流电压。

附图说明

图1为依据本发明使用的谐振无线电源(RWP)系统的示意图；

图2为具有Zoc调整电容的串联-并联接收器电路的电路图；

图3为具有Zoc调整电容的并联-串联接收器电路的电路图；

图4为具有二极管整流器的谐振无线电源接收器的电路图；以及

图5为具有被切换至接地的调制电容的串联-并联接收器的电路图。

具体实施方式

本发明提供了新颖的方法，用于自适应地改变谐振接收器的开路阻抗，以减少在某些特定情况下的交流电压。

图1示出谐振无线电源(RWP)系统。有两种复数阻抗可以用来描述RWP系统的大部分重要方面：开路阻抗Zoc和反射阻抗Zref。源线圈L1和接收线圈L2之间的互感或互耦可用若干不同的方式来建模。

在这种情况下，耦合k被建模为与接收线圈L2串联的电流控制电压源Voc。从电压源Voc看到的阻抗为Zoc，Zoc包含线圈L2、匹配网络6和负载Rl(例如，整流器，DC/DC，负载电流)。在源端，当耦合存在时，可以将耦合的效果建模为与源线圈L1串联的阻抗，称为反射阻抗Zref。开路阻抗和反射阻抗两个都是复数数量时，它们具有实部(电阻)和虚部(电抗)分量。对于1：1的RWP系统，反射阻抗与开路阻抗的关系由该式表示：

$Z_{\mathrm{ref}}=\frac{{\left(\mathrm{\ωM}\right)}^2}{Z_{\mathrm{oc}}}$ (等式1)

在图2所示的串联并联谐振电路中，电容器Cd可以切换进电路或切换出电路。以开路阻抗被改变作为结果。如果开关打开，则开路阻抗Zoc由下式给出：

$Z_{\mathrm{oc}1}=\mathrm{j\ωL}+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_{2a}}+{({\mathrm{j\ωC}}_{2b}+\frac{1}{R_L})}^{-1}$ (等式2)

如果开关关闭，Zoc由下式给出：

$Z_{\mathrm{oc}2}=\mathrm{j\ωL}+\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_{2a}}+{({\mathrm{j\ωC}}_{2b}+{\mathrm{j\ωC}}_d+\frac{1}{R_L})}^{-1}$ (等式3)

可被切换进来以调整开路阻抗Zoc的电容被定义为Zoc调整电容，如在这个例子中的Cd。

上述两种开路阻抗在复数阻抗平面10可以表示为符号“X”和“O”，如图2所示。变化的幅度取决于谐振电路8的电感L2和电容C2a、C2b、Cd的相对值。改变开路阻抗也改变了由源端看到的反射阻抗。依赖系统的调谐(tuning)，一方(eitherone)可以在整流器输入端给予较高的交流电压。因此，有可能以两种方式之一设计RWP接收器：

1.开关打开，调谐(tune)接收器为正常运行，并在过量的功率状态下关闭开关，以在整流器输入端减少交流电压。

2.开关关闭，调谐接收器为正常运行，并在过量的功率状态下打开开关，以在整流器输入端减少交流电压。

如果C2a和C2b的电容值相当，则图2的电路具有的特别优点是与线圈电压相比，横跨开关9的电压被降低。这对于可能具有有限耐受电压的半导体工艺中的开关实施是有利的。

图3示出包含Zoc调整电容的接收器电路12的并联-串联拓扑。正如在串联并联接收器中，Zoc调整电容Cd一般也可以在电路内或电路外。图3中的电路12还具有有利的特性是，横跨开关13的电压可以比线圈电压低，其前提是C2b不大于C2a太多。

图4示出接收器电路14的实施方式，其中交流电源是利用二极管整流器16来调整(rectify)以产生直流供电电压VRECT。该电路可以表示为图2的电路的交流分析。整流器的任何设计都可以使用，其中包含同步整流器。请注意，调制电容(modulationcapacitor)Cm类似于如图2A中所示的电容Cd。

图5示出调制电路(modulationcircuit)18的一种可替代的实现方式，其电性等价于图4。调制电容被分割为两个值为2Cm的电容。这两个电容的串联组合具有电容Cm。切换这些电容接地而不是横跨整个交流端子，减少了对开关20，22上的电压压力(voltagestress)，使此实现方式更适合于集成电路的实施。

本文描述的技术自适应地改变任何谐振接收器的开路阻抗以降低交流电压。本发明通过调谐系统允许开路阻抗被改变，这也改变了由源端看到的反射阻抗，以在整流器输入端产生更高的交流电压。此外，本发明展示了RWP接收器的几种设计，可以通过打开开关调谐接收器为正常操作，并在过量的功率状态下关闭开关以减少整流器输入端的交流电压。而且，接收器能够被调谐成闭合开关为正常操作，并在过量的功率状态下打开开关以在整流器输入端减少交流电压。

本发明虽以数个优选实施例揭露如上，然而可以在其中对该形式和细节作出各种变化、删减和添加，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (14)

1.一种谐振无线电源接收器，其特征在于，包含：

电感元件，耦接于谐振无线电源；以及

电容结构，耦接到该电感元件，改变该谐振无线电源接收器的开路阻抗以减少特定情况下的交流电压，该电容结构包含多个被调谐的电容以在该谐振无线电源接收器中控制该交流电压。

2.如权利要求1所述谐振无线电源接收器，其特征在于，该电容结构包含串联-并联电路，该串联-并联电路具有可被切入的电容以调整该开源阻抗Zoc。

3.如权利要求1所述谐振无线电源接收器，其特征在于，该电容结构包含具有Zoc调整电容的并联-串联电路。

4.如权利要求1所述谐振无线电源接收器，其特征在于，还包含整流器。

5.如权利要求4所述谐振无线电源接收器，其特征在于，该电容结构包含一个或多个被切换至接地的Zoc调整电容。

6.如权利要求1所述谐振无线电源接收器，其特征在于，该电容结构使用一个或多个至该交流电压的开关。

7.如权利要求1所述谐振无线电源接收器，其特征在于，该整流器包含同步整流器或二极管整流器。

8.一种谐振无线电源系统，其特征在于，包含：

源电路，包含与源线圈串联的反射阻抗；以及

接收器电路，使用电感元件与该源电路耦接，并包含与该电感元件耦接的电容结构，该电容结构改变该接收器电路的开路阻抗以减少特定情况下的交流电压，该电容结构包含多个被调谐的电容以在该接收器电路中控制该交流电压。

9.如权利要求8所述谐振无线电源系统，其特征在于，该电容结构包含串联-并联电路，该串联-并联电路具有可被切入的电容以调整该开源阻抗Zoc。

10.如权利要求8所述谐振无线电源系统，其特征在于，该电容结构包含具有Zoc调整电容的并联-串联电路。

11.如权利要求8所述谐振无线电源系统，其特征在于，还包含整流器。

12.如权利要求11所述谐振无线电源系统，其特征在于，该电容结构包含一个或多个被切换至接地的Zoc调整电容。

13.如权利要求8所述谐振无线电源系统，其特征在于，该电容结构使用一个或多个至该交流电压的开关。

14.如权利要求8所述谐振无线电源系统，其特征在于，该整流器包含同步整流器或二极管整流器。