CN106575888A - 能够调整谐振频率的磁共振无线功率传输装置 - Google Patents

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Abstract

公开了一种能够调谐谐振频率的磁共振无线功率传输装置。根据本发明的实施方式的无线功率传输装置包括：功率放大器，其用于使用驱动频率信号放大无线功率信号；谐振器，其用于构成谐振回路，并且使用谐振回路的谐振频率通过磁共振以无线方式发送从功率放大器输出的无线功率信号；以及谐振控制单部，其用于使用施加到谐振器的频率或由谐振器生成的频率信号来控制占空比以调整谐振器的谐振频率。

Description

能够调整谐振频率的磁共振无线功率传输装置
技术领域
本发明涉及磁共振无线功率传输技术，更具体地涉及一种使用磁共振的无线功率传输技术。
背景技术
图1是一般磁共振无线功率传输系统的结构图。
参考图1，磁共振无线功率传输系统1包括通过磁共振以无线方式提供功率信号的功率供给装置(Power Transmitting Unit，以下称为PTU)10和从PTU 10接收功率信号的功率接收装置(Power Receiving Unit，以下称为PRU)12。
PTU 10包括功率放大器100和谐振器110。功率放大器100包括N-沟道金属氧化物半导体(NMOS)M1 101和M2 102，并且谐振器110包括晶体管Cs 111和电感器L 112。在图1中，功率放大器100限于D类，但可以由AB类或B类功率放大器代替。利用驱动频率fdrv 103驱动功率放大器。因此，由M1 101和M2 102组成的功率放大器100的输出是在驱动频率fdrv103下在电源电压VSUP 104和接地电压105之间变化的方波形式。根据作为谐振无线功率传送标准的无线功率联盟(Alliance for Wireless Power，A4WP)，驱动频率fdrv被设定为6.78MHz。功率放大器100的输出被施加到由电容器Cs 111和电感器L 112构成的谐振器110。这里，L 112表示传输天线(TX antenna)的等效电感，而Resr 113是天线的寄生电阻分量。PTU谐振器110的谐振频率fR,PTU如表达式1所示。
[表达式1]
通常，谐振频率fR,PTU被控制为与驱动频率fdrv相同，并且在一些情况下，谐振频率fR,PTU稍微低于驱动频率fdrv，以提高功率放大器100的效率。由于晶体管M1 101和M2 102能够在满足该条件时执行零电压开关(ZVS)，所以能够显著降低开关损耗。
此外，接收无线功率信号的PRU 12包括由电容器Cs1 122和用作天线的电感器L1124组成的谐振器120、由二极管D1至D4构成的整流器130、以及直流(DC)-DC转换器140。由于整流器130的输出是整流电压，所以电容器CRECT用于将整流电压转换为DC电压。在使用DC-DC转换器140将由电容器CRECT产生的DC电压VRECT转换为用于负载150的合适电压之后，负载150运行。DC-DC转换器140可以采用线性低压差(LDO)调整器、开关转换器、电荷泵等，但不限于此。如图1所示，整流器130可以是全波整流器，但是也可以使用半波整流器来实现。如图1所示，整流器130可以使用无源器件二极管D1至D4来实现，但是也可以实现为使用有源器件的有源整流器。
PRU谐振器120的谐振频率如表达式2所示来确定。
[表达式2]
当PTU 10的谐振器110和PRU 12的谐振器120具有相同的谐振频率并且两个天线112、124彼此靠近时，发生磁共振。此时，能量从PTU的天线112传送到PRU的天线124。
由于当谐振器110和谐振器120的谐振频率彼此不同时能量不会被有效地传送，因此使谐振器110和谐振器120的谐振频率匹配相同非常重要。通常，使用调谐无源器件L、C的方法，以用于匹配PTU 10和PRU 12的谐振特性。然而，由于调谐无源器件的方法涉及物理地调谐L和C，因此生产率低，并且不容易应对L值和C值由于外部因素而改变的情况。
在效率方面，PTU 10传输与PRU 12所需的功率同样多的功率是最有效的。然而，当传输太多能量时，PRU 12的电压VRECT过度增加并损坏整流器130和DC-DC转换器140，而当传输太少能量时，不能供给负载150所期望的功率。因此，PTU 10接收PRU 12的需求反馈以控制输出功率。根据A4WP，PTU 10和PRU 12使用蓝牙通信彼此通信。通常存在PTU 10借以控制功率的三种方法。
(1)驱动频率控制
(2)功率放大器突发切换控制
(3)功率放大器电源电压控制
驱动频率控制涉及改变功率放大器100的驱动频率。由于供给PTU谐振器110的能量能够改变，所以可以进行功率控制。谐振逆变器、作为感应无线功率传输方法的Qi或功率事项联盟(Power Matters Alliance，PMA)使用该方法。然而，根据例如A4WP的标准，由于驱动频率是固定的，因此这种控制是困难的。
功率放大器突发切换控制涉及通过操作或不操作功率放大器100来控制施加到谐振器110的平均功率。这可以被称为突发切换操作。近距离无线通信(NFC)等使用该方法来传输功率。由于这种方法以功率放大器100的驱动频率和突发频率被调制的形式生成频谱，因此可以认为以预定宽度产生辐射频率。由于在A4WP中允许的频率大约为6.78±15kHz，因此可以进行这种控制，但是必须防止频率超过带宽。
图2是使用功率放大器电源电压控制的磁共振无线功率传输系统的结构图。
参考图2，通过利用位于电源200和功率放大器220之间的DC-DC转换器240控制功率放大器220的电源电压VSUP 250，可以调整供给谐振器260的能量。由于即使当功率放大器220的结构不是D类时也能够使用上述方法，因此上述方法是最灵活的方法。然而，需要额外的成本来配置DC-DC转换器240，并且存在DC-DC转换器240的损耗将降低无线功率传输系统的总效率的风险。
图3是通过控制开关器件来控制供给功率的无线功率传送装置的电路图。
参考图3，在将能量传送给使用电感器300和电容器310的谐振回路并且通过二极管320和330将其转换为DC之后，使用控制电路340将能量供给负载360。在这种情况下，控制电路340控制开关器件350，从而控制供给负载360的功率。
图4是使用采用时钟信号的谐振频率控制方法的无线功率传送装置的结构图。
参考图4，N1 410作为电阻操作，使得Vout 400成为期望的电压，或者N1410被控制为使用时钟信号420控制Vout 400的开关。根据该方法，谐振器的谐振频率被改变以调整由谐振回路接收的能量。
发明内容
技术问题
本发明旨在提供一种在无线功率传输系统中主动控制谐振频率的方法。
技术方案
本发明的一个方面提供了一种无线功率传输装置，包括：功率放大器，所述功率放大器被配置成使用驱动频率信号来放大无线功率信号；谐振器，所述谐振器被配置成构成谐振回路并且使用所述谐振回路的谐振频率通过磁共振以无线方式发送从所述功率放大器输出的无线功率信号；和谐振控制部，所述谐振控制部被配置成通过用施加到所述谐振器的频率或由所述谐振器生成的频率信号控制占空比来调谐所述谐振器的谐振频率。
谐振器可以包括：第一电容器；与所述第一电容器串联连接的电感器；与所述电感器并联连接并与所述第一电容器串联连接的第二电容器；和与所述第二电容器串联连接的开关，其中，根据通过所述谐振控制部对所述开关的占空比进行控制而对所述第二电容器充电的时段来调谐所述谐振频率。
所述谐振控制部可以使用施加到所述谐振器的所述频率或由所述谐振器产生的频率来生成开关驱动信号，使用所述开关驱动信号驱动所述谐振器的开关，并且在每个周期通过控制所述开关的占空比来有源地控制电容量。此时，所述谐振控制部可以通过改变施加到所述开关的栅极的调谐电压来控制所述开关的占空比。所述谐振控制部可以通过放大所述调谐电压来控制所述开关的占空比。
所述谐振控制部可以从施加到所述谐振器的信号或由所述谐振器生成的信号中提取频率分量，并直接改变所提取的频率信号的占空比。
当所述谐振控制部调谐所述谐振频率时，可以调整通过所述驱动频率从所述功率放大器的输出端供给的电流的大小，以调整所述功率放大器的供给功率。
有益效果
根据示例性实施方式，能够电调谐谐振频率。换句话说，并非通过调整无源器件来使谐振频率相同，而是能够仅使用电信号而不改变无源器件来调谐谐振频率。由于谐振频率调谐和功率控制可以在不改变驱动频率fdrv的情况下进行，因此本发明适合于例如A4WP的标准，并且可以在没有直流(DC)-DC转换器的情况下进行控制。由于即使当谐振回路的谐振频率与期望频率不同时也可以进行功率控制，所以能够执行控制以应对天线的电感的扩散或谐振器电容器的扩散。因此，可以实现高度可再现的无线功率传输系统。此外，通过调谐谐振频率来改变供给至谐振器的能量，使得能够控制供给至PRU的功率。
附图说明
图1是一般磁共振无线功率传输系统的结构图，
图2是使用功率放大器电源电压控制的磁共振无线功率传输系统的结构图，
图3是通过控制开关器件来控制供给功率的无线功率传送装置的电路图，
图4是使用采用时钟信号的谐振频率控制方法的无线功率传送装置的结构图，
图5是具有串联谐振回路的D类功率放大器的电路图，
图6是通过改变谐振器的电容器Cs的值来调谐谐振频率的无线功率传输装置的电路图，
图7是具有电容器-电容器-电感器(CCL)谐振回路的无线功率传输装置的电路图，
图8是用于说明在图7的具有CCL谐振回路的无线功率传输装置中采用并联电容器Cs2的谐振频率调谐方法的电路图，
图9是用于说明采用电容器组和开关阵列的谐振频率调谐方法的无线功率传输装置的电路图，
图10是用于说明使用切换的谐振频率调谐的电路图，
图11是根据本发明的示例性实施方式的用于谐振频率调谐的无线功率传输装置的电路图，
图12是示出根据本发明的示例性实施方式的基于占空比控制的谐振频率调谐和供给功率控制的示例的无线功率传输装置的电路图，
图13是根据本发明的第一示例性实施方式的通过逐周期平均电容控制来调谐谐振频率的类型I的无线功率传输装置的电路图，
图14是示出在图13的类型I的无线功率传输装置中根据调谐电压Vtune(Vtune1<Vtune2)的调谐的电容器Cs2的充电时段的变化的波形图，
图15是根据本发明的示例性实施方式的用于以低电压形成高可变电压范围的无线功率传输装置的电路图，
图16描绘了根据本发明的第二示例性实施方式的通过使用直接占空比变化的逐周期平均电容控制来调谐谐振频率的类型II的无线功率传输装置的电路图(a)和Vtune的波形图(b)，
图17是根据本发明的第一示例性实施方式的包括全桥PTU和PRU的类型I的无线功率传输系统的结构图，
图18描绘了根据本发明的示例性实施方式在图17的具有全桥电路的无线功率传输系统中根据调谐电压Vtune的调谐的功率放大器的输出电流(D类输出电流)和输出电压(D类输出电压)的波形图，
图19是根据调谐电压Vtune的调谐的PRU的VRECT电压的波形图，
图20是根据本发明的第二示例性实施方式的使用平均电容控制的类型II的无线功率传输系统的电路图，
图21描绘了示出图20的类型II的无线功率传输系统的模拟实验结果的波形图，
图22是示出在根据本发明的第二示例性实施方式的类型II的无线功率传输系统中供给至PRU的功率和占空比D之间的关系的波形图，
图23是根据本发明的示例性实施方式的使用多个调谐电路和多个电容器能够得以扩大调谐范围的无线功率传输装置的电路图，
图24是根据本发明的示例性实施方式的PRU的电路图，
图25是示出根据本发明的示例性实施方式的提供给负载RL的功率的波形图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施方式。在本发明的以下描述中，当确定对与本发明相关的已知功能或结构的详细描述不必要地使本发明的主题模糊时，将省略该详细描述。此外，在以下描述中使用的术语是考虑到在本发明的示例性实施方式中的功能而定义的术语，并且可以根据使用者或操作者的意图、实践等而变化。因此，本文中使用的术语的定义应当基于整个说明书中的内容而作出。
本发明的无线功率传输系统使用有源谐振频率调谐方法来调谐谐振频率。为了调谐谐振频率，使用施加到谐振器的频率分量或由谐振器产生的频率分量而不是时钟信号来控制占空比。例如，功率放大器或功率接收装置的谐振回路的谐振频率并非使用时钟信号来控制，而是从施加到谐振器的信号或由谐振器生成的信号提取相同的频率信号并且通过用所提取的频率信号控制表示脉冲宽度的占空比来有源地调谐谐振频率。
使用上述基于占空比控制的谐振频率调谐方法，即使当功率供给装置和功率接收装置的谐振特性彼此不相同时，也可以进行调谐。此外，可以控制从PTU供给至PRU的功率。此外，由于可以在不改变驱动频率fdrv的情况下进行谐振频率调谐和功率控制，所以上述基于占空比控制的谐振频率调谐方法适合于例如无线功率联盟(A4WP)的标准，并且不用直流(DC)-DC转换器也可以进行控制。由于即使当谐振回路的谐振频率与期望频率不同时也可以进行功率控制，所以能够执行控制以应对天线的电感的扩散或谐振器电容器的扩散。因此，可以实现高度可再现的无线功率传输系统。
下面将参考图5至图10描述本发明的基本原理，然后将参考图11至图25详细描述根据本发明的使用占空比控制和来调谐谐振频率的无线功率传输系统和谐振频率调谐方法。
图5是具有串联谐振回路的D类功率放大器的电路图。
参考图5，D类功率放大器500的晶体管M1 502、M2 504通过由驱动频率fdrv 506交替地接通和断开而向由电容器Cs 522和电感器L 524构成的串联谐振回路520供给能量。谐振频率在表达式3中示出，并且通常被调谐为等于或略微低于驱动频率fdrv。
[表达式3]
天线可以用电感器L 524建模，Resr 526等效于天线的寄生电阻分量。PTU的谐振频率需要与驱动频率fdrv和PRU的谐振频率同步，以高效地向PRU传输能量。然而，由于电容器Cs 522和电感器L 524具有扩散特性，所以不容易保持恒定的谐振频率，而在一些情况下，需要物理调谐来改变电容器Cs 522和电感器L 524的值。
图6是通过改变谐振器的电容器Cs的值来调谐谐振频率的无线功率传输装置的电路图。
参考图6，由于电感器L 600具有固定的物理形式，所以不容易改变电感器L 600以调谐谐振频率。此外，电感器L 600具有较大的尺寸。因此，调谐电容器Cs 610比调谐电感器L 600更方便。当改变电容器Cs 610时，可以改变谐振频率。通过用多个开关将多个电容器连接或断开，改变了总电容量，并产生了与改变电容器Cs 610相同的效果。电容器Cs调谐方法是一种在概念方面非常简单和可靠的控制方法。然而，由于电容器Cs 610的两端电压不固定并且频繁变化，因此不容易使用半导体开关实现该方法。此外，由于需要许多无源器件和开关，所以存在单位生产成本增加的问题。
图7是具有电容器-电容器-电感器(CCL)谐振回路的无线功率传输装置的电路图。
参考图7，电容器Cs1 710与天线730串联连接，电容器Cs2 720与天线730并联连接，从而形成CCL型谐振回路700。
这里，谐振频率fR如下面的表达式4所示而改变。
[表达式4]
谐振频率fP由电容器Cs1 710、Cs2 720确定。
图8是用于说明在图7的具有CCL谐振回路的无线功率传输装置中采用并联电容器Cs2的谐振频率调谐方法的电路图。
参考图8，能够在具有CCL谐振回路800的无线功率传输装置中通过改变并联电容器Cs2 810来改变谐振频率。这里，由于电容器Cs2 810的一个节点被确定为接地820，容易实现控制电路。
图9是用于说明采用电容器组和开关阵列的谐振频率调谐方法的无线功率传输装置的电路图。
参考图9，可以使用多个电容器Cs2 900、Cs3 910、Cs4 920以及多个开关S1 930、S2 940、S3 950来调谐谐振频率。这里，可以在以下表达式5所示的范围内调谐谐振频率。
[表达式5]
参考表达式5，当断开所有开关S1 930、S2 940、S3 950时，谐振频率最高，而当接通所有开关S1 930、S2 940、S3 950时，谐振频率最低。上述方法简化了频率调谐，但需要许多器件。特别地，由于电感器960的电压在谐振频率附近能够非常高，所以开关S1 930、S2940、S3 950应该能够在断开时耐受高电压应力并且应当是具有高击穿电压的器件。
图10是用于说明使用切换的谐振频率调谐的电路图。
当将例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的器件用作开关时，开关可以根据施加到其栅极的电压而作为可变电阻操作。换句话说，当MOSFET的电阻是无穷大时，没有电流流向电容器Cs2，而该电路如同电容器Cs2不存在那样运行。在这种情况下，谐振频率由电容器Cs1和电感器L确定。相反，当MOSFET的电阻为0时，电容器Cs2被施加到谐振，并且如表达式6所示确定谐振频率fR。
[表达式6]
通过改变MOSFET的电阻，可以在表达式7所示的范围内调谐谐振频率fR。
[表达式7]
尽管显然能够使用上述方法来调谐谐振频率，但是存在由于MOSFET的电阻分量而使谐振回路的品质因数(Q)降低的问题。换句话说，施加到谐振器的一些能量被MOSFET电阻消耗。为了解决这个问题，可以应用使用切换的方法。
参考图10，设置用作开关的Mtune 1070，并且由晶体管M1 1010、M2 1020组成的功率放大器1000向由电容器Cs1 1040、Cs2 1050和电感器L 1060组成的谐振器1030供给能量。当驱动频率fdrv和谐振器1030的谐振频率相同时，能量传输最有效。为此，可以使用施加到开关Mtune 1070的时钟信号Vclk 1080来调谐谐振器1030的谐振频率。
当使用上述方法调谐谐振频率并且驱动频率和时钟信号Vclk 1080彼此不同步时，在电容器Cs2 1050充电或放电时可能出现过大的峰值电流或噪声可能增加。此外，根据供给至谐振器1030的能量，功率放大器1000运行或不运行，因此上述方法和能量控制方法之间差别很小。此外，当能量通过谐振器1030传输到PRU时，由于时钟信号Vclk 1080的频率与驱动频率fdrv一起被调制，所以在大的光谱范围内存在辐射能量。由于无线电波管理标准，这种辐射能量可能是有问题的。
图11是根据本发明的示例性实施方式的用于谐振频率调谐的无线功率传输装置的电路图。
参考图11，无线功率传输装置包括功率放大器1100、谐振器1110和谐振控制部1120。
功率放大器1100包括NMOS晶体管M1 1101、M2 1102。尽管图1示出了限于D类的功率放大器1100，但是功率放大器1100可以由AB类或B类功率放大器代替。利用驱动频率fdrv1103驱动功率放大器1100。因此，由M1 1101和M2 1102组成的功率放大器1100的输出是在驱动频率fdrv 103下在电源电压VSUP 1104和接地电压1105之间变化的方波形式。
谐振器1110构成谐振回路，并且使用谐振回路的谐振频率通过磁共振将从功率放大器1100输出的无线功率信号以无线方式发送给PRU。谐振器1110包括电容器Cs1 1111、与电容器Cs1 1111串联连接的电感器1113、与电感器1113并联连接并与电容器Cs1 1111串联连接的电容器Cs2 1112、以及与电容器Cs2 1112串联连接的开关1114。
谐振控制部1120使用施加到谐振器1110的频率或由谐振器1110生成的频率信号来控制占空比，从而调谐谐振器1110的谐振频率。具体地，谐振控制部1120通过控制与电容器Cs2 1112串联连接的开关1114来调谐谐振器1110的谐振频率。此时，开关1114不用作电阻。因此，不存在当开关1114用作电阻时引起的功耗所导致的Q降低问题。此外，谐振控制部1120不使用附加频率作为用于驱动开关1114的频率，并且从施加到谐振器1110的频率或由谐振器1110产生的频率生成开关驱动信号。此外，谐振频率的调谐采用了控制开关的占空比的方法，而不是图10所示的改变开关的切换频率的方法。占空比是脉冲占空因数U，并且是周期性脉冲串中的任意脉冲的脉冲宽度TD与脉冲重复周期Tp的比，即TD/Tp。
根据占空比控制方法，谐振器的电流按照周期控制，因此具有规则形式。因此，因为谐振器的驱动频率和开关的驱动频率通过图10所示的使用切换的谐振频率调谐来调制，可以解决在大的光谱范围内辐射能量的问题。
图12是示出根据本发明的示例性实施方式的基于占空比控制的谐振频率调谐和供给功率控制的示例的无线功率传输装置的电路图。
参考图12，当开关SW处于接通状态(a)时，通过电容器Cs1和Cs2而发生谐振。相反，当开关SW处于断开状态(b)时，谐振频率由Cs1确定。当使开关SW的驱动频率fdrv与谐振频率相同并且将占空比调整为例如100％时，无线功率传输装置就如同开关已经被接通(a)一样运行，而当占空比被调整为0％时，无线功率传输装置就如同开关已被断开(b)一样运行。此时，当占空比在0％和100％之间(c)时，电容器Cs1和Cs2对谐振回路的贡献度在一个周期内变化，并且如图12的(d)所示观察到与谐振频率的位移相同的效果。此外，当谐振频率如图12的(d)所示改变时，由功率放大器的输出端子供给的电流Iout的大小由驱动频率fdrv改变。因此，能够通过调整占空比来调谐谐振频率，此外，能够给改变功率放大器的供给功率。
图13是根据本发明的第一示例性实施方式的通过逐周期平均电容控制来调谐谐振频率的类型I的无线功率传输装置的电路图，图14是示出在图13的类型I的无线功率传输装置中根据调谐电压Vtune(Vtune1<Vtune2)的调谐的电容器Cs2的充电时段的变化的波形图。
参考图13，根据本发明，在施加到谐振器的频率或由谐振器产生的频率信号的每个周期有源地改变电容的量。因此，这可以被称为基于逐周期电容控制的谐振频率调谐。
参考图13和图14，在每个周期，电感器电压VL 1300以类似于驱动频率fdrv 1320的正弦波的形式变化(图14的1400)。当施加到开关Mtune 1330的栅极的调谐电压为Vtune1310且调谐电压Vtune 1310等于或大于阈值电压VT时，电容器Cs2 1340根据电感器电压VL1300从0开始的增加通过开关Mtune 1330充电(图14的1420和1440)。电容器Cs2 1340的电压VCs2 1370以与电感器电压VL 1300相同的方式增加。由于当电感器电压VL 1300增加到高于Vtune-VT时，开关Mtune 1330断开，所以电容器CS2 1340不再充电(图14的1410和1430)。相反，当电感器电压VL 1300高于0且低于Vtune-VT时，电容器Cs2 1340参与谐振，而当电感器电压VL 1300等于或高于Vtune-VT时仅电容器CS1 1350参与谐振。因此，根据调谐电压Vtune 1310来控制电容器Cs2 1340在一个周期内参与谐振的时间。由于当调谐电压Vtune 1310变高时，电容器CS2 1340参与谐振的时间增加(图14的1440)，所以谐振频率变低。相反，由于当调谐电压Vtune 1310变低时，电容器Cs2 1340参与谐振的时间减少(图14的1420)，所以谐振频率变高。因此，可以用调谐电压Vtune 1310来控制开关Mtune 1330的占空比。
上述方法使得能够非常简单和有效地改变频率，并且当开关Mtune接通或断开时不会导致驱动损耗。因此，该方法使得能够低功率驱动，并且不影响谐振器的Q。然而，当电感器电压VL 1300的峰值电压非常高时，调谐电压Vtune 1310应该足够高以确保频率变化范围。换句话说，调谐电压Vtune 1310的范围可能受到电感器电压VL 1300的峰值的影响。因此，由于当Q非常高且功率放大器的供给电压VSUP 1360高时需要高的调谐电压Vtune1310，所以根据整个系统，可能需要高的调谐电压Vtune 1310的可变范围。
图15是根据本发明的示例性实施方式的用于以低电压形成高可变电压范围的无线功率传输装置的电路图。
参考图15，除了开关Mtune 1500，通过增加电阻Rc 1510、二极管D1 1520、电容器CL 1530、电阻R1 1540和R2 1550、运算放大器1560和MOSFET Ms 1570能够以低调谐电压Vtune 1580形成高可变电压范围。当Q高时，天线电压VL 1590可以远高于电源电压VSUP1592。天线电压VL 1590用电阻Rc 1510和二极管D1 1520对电容器CL 1530充电。电容器CL1530可以充电达天线电压VL的最大值。电阻R1 1540和R2 1550、运算放大器1560和MOSFETMs 1570用作分路调整器。当施加到开关Mtune 1500的栅极的栅极电压Vgate 1594满足下面的表达式8时，MOSFET Ms 1570吸收并消耗电容器CL 1530的能量。
[表达式8]
因此，可以放大栅极电压Vgate 1594。可以根据天线电压VL 1590的峰值电压来确定最大放大量。当使用该电路时，即使用低调谐电压Vtune 1580，也可以相对自由地改变开关Mtune 1500工作的占空比。由于开关Mtune 1500在被驱动时几乎不消耗电容器CL 1530的能量，所以电阻Rc 1510可以被设定为非常高的值。因此，可以忽略谐振回路的Q降低。
图16描绘了根据本发明的第二示例性实施方式的通过使用直接占空比变化的逐周期平均电容控制来调谐谐振频率的类型II的无线功率传输装置的电路图(a)和Vtune的波形图(b)。
参考图16，类型II的无线功率传输装置还包括能够使用诸如逆变器的器件从施加到谐振器的信号中提取频率分量并改变所提取的频率信号的占空比D的占空比控制电路，以控制开关Mtune。即使在这种情况下，也能够以类似于类型I方案的方式改变谐振频率。由于该方案不需要高电压，因此不需要图13所示的高电压发生器结构，但是，当驱动开关Mtune时可能发生驱动损耗。然而，驱动损耗不会降低谐振器的Q。
如上所述，能够通过类型I的无线功率传输装置和类型II的无线功率传输装置的占空比控制来调谐谐振频率。此外，当调谐谐振频率时，由功率放大器在驱动频率fdrv下供给的Iout被改变。换句话说，能够使用所提出的方法来调谐谐振器的谐振频率，并且可以以这种方式改变供给至谐振器的能量。因此，能够使用上述两种方法来控制供给至PRU的功率。在这些情况下，由于可以不用DC-DC转换器进行功率控制，所以能够方便地实现系统。此外，即使当谐振频率由于谐振回路中的电感器或电容器的扩散而与驱动频率fdrv显著不同时，也能够调谐谐振频率。因此，无论谐振器元件的扩散如何，都可以实现高度可再现的系统。
图17是根据本发明的第一示例性实施方式的包括全桥PTU和PRU的类型I的无线功率传输系统的结构图。
参考图17，通过将开关M3 1730、M4 1740添加到PTU的功率放大器来实现基于开关M1 1710、M2 1720、M3 1730、M4 1740的全桥功率放大器，以提供低电源电压VSUP 1700的至多四倍的功率。如图17所示，谐振回路包括彼此并联连接的两个电容器Cs2 1750、1760以及彼此并联连接的两个开关Mtune 1770、1780。
图18描绘了根据本发明的示例性实施方式的在图17的具有全桥电路的无线功率传输系统中根据调谐电压Vtune的调谐的功率放大器的输出电流(D类输出电流)和输出电压(D类输出电压)的波形图，图19是根据调谐电压Vtune的调节的PRU的VRECT电压的波形图。
为了模拟全桥电路，假设谐振器器件和功率参数如下。
-VUSP＝5V
-PRU输出功率＝1W
-PTU谐振回路：L＝400nH,Cs1＝2.8nF,Cs2＝2nF,fdrv＝6.78MHz
-PRU谐振回路：L1＝100nH,Cs＝5.5nF
-L和L1之间的耦合系数：0.7
使用上述参数在调谐电压Vtune在1和5之间改变时获得的模拟结果示于图18中。参考图18，当调谐电压Vtune减小时，占空比变小。因此，谐振频率增加，并且D类功率放大器的输出电流增加。当调谐电压Vtune增加时，输出电流减小。换句话说，调谐电压Vtune越低，供给至PRU的能量就越多。如图19所示，可以看出，当调谐电压Vtune变低时，PRU侧的整流器电压VRECT增加，而当调谐电压Vtune变高时，整流器电压VRECT减小。同时，上述模拟仅仅是用于证明本发明的效果的示例性实施方式，而本发明不限于此。
图20是根据本发明的第二示例性实施方式的使用平均电容控制的类型II的无线功率传输系统的电路图，图21描绘了示出图20的类型II的无线功率传输系统的模拟结果的波形图。
参考图20，MT1 2000和MT2 2010作为开关操作，并且由于从谐振器的输入来提取开关驱动频率，所以开关驱动频率与驱动频率fdrv相同。
根据示例性实施方式，在类型II的方案中，电容器Cs1 2020、2030被设定为稍小的值，使得当MT1 2000和MT2 2010断开时，谐振器的谐振频率变得高于驱动频率fdrv。根据在将占空比从0调整到0.8时执行的模拟，由于当D低时谐振器的谐振频率高于驱动频率fdrv，所以功率放大器的输出电流相位超前于输出电压。因此，如图21所示，在功率放大器的输出变低之前，输出由于谐振器电流而变得高于功率放大器的电源电压VSUP。此时，功率放大器执行硬切换，效率降低，且功率放大器被致热。由于当D增加时谐振器的谐振频率变低，所以输出电流的相位延迟增加。由于当延迟为特定水平时，输出电流的相位变得慢于输出电压的相位，所以功率放大器由于谐振器的电流而执行零电压切换(ZVS)操作。当执行ZVS操作时，减少了致热。因此，效率增加，且电磁干扰(EMI)噪声降低。同时，上述模拟仅仅是用于证明本发明的效果的示例性实施方式，而本发明不限于此。
图22是示出在根据本发明第二示例性实施方式的类型II的无线功率传输系统中供给至PRU的功率和占空比D之间的关系的波形图。
在图22中，横轴表示占空比D，纵轴表示PRU功率。当D从0增加时，谐振频率降低，并且在D为约0.3处的情况下出现最大功率点。换句话说，当D<0.3时，谐振频率高于驱动电压fdrv。在这种情况下，功率放大器执行硬切换。完全匹配状态是当D＝0.3时，并且当D>0.3时功率放大器进入可以执行ZVS操作以及控制功率的状态。同时，上述模拟仅仅是用于证明本发明的效果的示例性实施方式，而本发明不限于此。
通过上述模拟已证明了本发明的效果。简言之，本发明提供以下效果。首先，能够电调谐谐振频率。换句话说，在无线功率传输系统中在PTU和PRU之间匹配谐振器是非常重要的，并且并非通过调谐无源器件来使谐振频率相同，而是可以仅使用电信号而不改变无源器件来进行谐振频率调谐。此外，能够调整功率。换句话说，由于能够电谐振谐振频率，并且能够使用谐振频率来控制供给至PTU的谐振器的电流量，所以可以进行功率控制。
图23是根据本发明的示例性实施方式的使用多个调谐电路和多个电容器能够得以扩大调谐范围的无线功率传输装置的电路图。
参考图23，能够使用多个调谐电路2300-1、……、2300-n和多个电容器2310-1、……、2310-n来扩大调谐范围。尽管图23示出了考虑到功率放大器的效率驱动D类功率放大器的示例，但D类功率放大器被现有的具有线性放大器结构的A类功率放大器、AB类功率放大器或B类功率放大器代替的发明，可以在效率不那么重要时以相同的原理操作。
图24是根据本发明的示例性实施方式的PRU的电路图。
参考图24，谐振回路的配置可以应用于PRU以及PTU。PRU 24包括谐振器2400、整流器2410和负载2450。
谐振器2400包括两个电容器Cs1 2402、电感器L 2404、两个电容器Cs2 2406和两个开关Mtune 2408。整流器2410由二极管D1至D4组成。由于整流器2410的输出是全波整流电压，所以使用电容器CRECT 2420将输出转换成DC电压。由电容器CRECT 2420产生的DC电压VRECT 2430使用DC-DC转换器被转换为适合于负载2450的电压，然后负载2450运行。
当参考图13描述的第一示例性实施方式的类型I结构被配置在PRU的谐振回路中以控制功率时，调谐电压Vtune被施加到开关Mtune 2408的栅极。此时，参考图24，调谐电压Vtune能够被放大8倍并被施加到开关Mtune 2408的栅极。由于调谐电压Vtune被控制为0至1V，所以施加到开关Mtune 2408的电压是0至8V。
图25是示出根据本发明的示例性实施方式的供给至负载RL的功率的波形图。
在图25中，横轴表示调谐电压Vtune，纵轴表示供给至负载RL的功率[W]。如图25所示，能够通过如图23所示调整调谐电压Vtune来控制提供给至负载的输出功率。同时，上述模拟仅仅是用于证明本发明的效果的示例性实施方式，而本发明不限于此。
以上已经描述了本发明的示例性实施方式。本发明所属领域的普通技术人员应当理解，在不背离本发明的精神的情况下可以作出各种改变。因此，所公开的实施方式应当被认为是描述性意义而不是限制性意义。本发明的范围由权利要求限定，并且与权利要求等同范围内的所有差别应被解释为包括在本发明中。

Claims (8)

1.一种无线功率传输装置，其特征在于，包括：
功率放大器，所述功率放大器被配置成使用驱动频率信号来放大无线功率信号；
谐振器，所述谐振器被配置用于构成谐振回路并且使用所述谐振回路的谐振频率通过磁共振以无线方式发送从所述功率放大器输出的无线功率信号；以及
谐振控制部，所述谐振控制部被配置成通过用施加到所述谐振器的频率或由所述谐振器生成的频率信号控制占空比来调谐所述谐振器的谐振频率。
2.根据权利要求1所述的无线功率传输装置，其特征在于，所述谐振器包括：
第一电容器；
与所述第一电容器串联连接的电感器；
与所述电感器并联连接并与所述第一电容器串联连接的第二电容器；以及
与所述第二电容器串联连接的开关，
其中，根据通过所述谐振控制部对所述开关进行占空比控制而对所述第二电容器充电的时段，调谐所述谐振频率。
3.根据权利要求1所述的无线功率传输装置，其特征在于，所述谐振控制部使用施加到所述谐振器的所述频率或由所述谐振器产生的频率来生成开关驱动信号，使用所述开关驱动信号驱动所述谐振器的开关，并且在各周期通过控制所述开关的占空比来有源地控制电容量。
4.根据权利要求3所述的无线功率传输装置，其特征在于，所述谐振控制部通过改变施加到所述开关的栅极的调谐电压来控制所述开关的占空比。
5.根据权利要求4所述的无线功率传输装置，其特征在于，所述谐振控制部通过放大所述调谐电压来控制所述开关的占空比。
6.根据权利要求3所述的无线功率传输装置，其特征在于，所述谐振控制部从施加到所述谐振器的信号或由所述谐振器生成的信号中提取频率分量，并直接改变所提取的频率信号的占空比。
7.根据权利要求1所述的无线功率传输装置，其特征在于，当所述谐振控制部调谐所述谐振频率时，调整通过驱动频率从所述功率放大器的输出端供给的电流的大小，以调整所述功率放大器的供给功率。
8.根据权利要求1所述的无线功率传输装置，其特征在于，所述功率放大器具有全桥结构。
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