CN107147199A - 无线电能接收端和无线充电系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种无线电能接收端和无线充电系统，通过设置用于切换整流电路工作模式的开关，将开关设置于全桥整流电路的任一个输入端和任一个输出端之间，在开关关断时，全桥整流电路正常工作，在开关导通时，全桥整流电路中的部分整流元件以半桥倍压的方式工作，另一部分被短路不工作，因此，使得整流电路的整流模式可调，进而使得整流电路的输出电压可调，扩大无线电能接收端的工作电压范围，在磁场强度较强或较弱的位置均能正常工作。同时，还可以配置工作电压范围相对较小的后级电路(例如DC‑DC变换器)降低成本。

Description

无线电能接收端和无线充电系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术，具体涉及无线充电技术，更具体地，涉及一种可以调节整流模式的无线电能接收端和无线充电系统。
背景技术
无线充电系统可以以非接触的方式在无线电能发射端和无线电能接收端之间传递电能。一个典型的无线充电系统如图1所示，无线电能发射端1包括输入电容Vin、逆变电路11和发射侧谐振电路12。无线电能接收端2包括接收侧谐振电路21和整流电路22。发射侧谐振电路12和接收侧谐振电路21通过共振频率的交变磁场以非接触的方式相互耦合，从而实现无线电能传递。整流电路22用于将接收侧谐振电路21响应于交变磁场产生的交流电转换为直流电输出。通常，整流电路22可以采用全桥整流电路(如图2所示)或半桥整流电路(如图3所示)。但是，无论采用哪一种均只能在一个模式下工作，这使得电路的工作电压范围较窄。
发明内容
有鉴于此，本公开提供一种无线电能接收端和无线充电系统，以使得无线电能接收端具有更大的工作电压范围，在磁场强度较强或较弱时均能正常工作。
根据本公开的第一方面，提供一种无线电能接收端，包括：
接收侧谐振电路，被配置为以无线方式接收电能；
全桥整流电路，输入端口与所述接收侧谐振电路的输出端口连接；以及
开关，连接在所述全桥整流电路的输入端口的任一端和输出端口的任一端之间，受控导通或关断以调节所述全桥整流电路的工作模式。
优选地，所述开关受控在所述接收侧谐振电路的输出电压幅值高于第一阈值时关断，低于所述第一阈值时导通。
优选地，所述开关受控在所述全桥整流电路的输出电压高于第二阈值时关断，低于所述第二阈值时导通。
优选地，所述开关为可控电开关或可控机械开关。
优选地，所述开关为金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)、双极性晶体管(BJT)或绝缘栅型晶体管(IGBT)。
优选地，所述接收侧谐振电路包括接收线圈。
优选地，所述接收侧协整电路还包括：
接收电容，与所述接收线圈串联。
优选地，所述全桥整流电路包括：
第一二极管，连接在输入端口的第一端和输出端口的第一端之间；
第二二极管，连接在输入端口的第二端和输出端口的第一端之间；
第三二极管，连接在输入端口的第一端和输出端口的第二端之间；以及
第四二极管，连接在输入端口的第二端和输出端口的第二端之间。
根据本公开的第二方面，提供一种无线充电系统，包括：
无线电能发射端，被配置为以无线方式发射电能；以及
至少一个如上所述的无线电能接收端
本公开的技术方案通过设置用于切换整流电路工作模式的开关，将开关设置于全桥整流电路的任一个输入端和任一个输出端之间，在开关关断时，全桥整流电路正常工作，在开关导通时，全桥整流电路中的部分整流元件以半桥倍压的方式工作，另一部分被短路不工作，因此，使得整流电路的整流模式可调，进而使得整流电路的输出电压可调，扩大无线电能接收端的工作电压范围，在磁场强度较强或较弱时均能正常工作。同时，还可以配置工作电压范围相对较小的后级电路(例如DC-DC变换器)降低成本。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是现有技术的无线充电系统的电路图；
图2是采用全桥整流电路的无线电能接收端的电路图；
图3是采用半桥整理电路的无线电能接收端的电路图；
图4是本公开第一实施例的无线电能接收端的电路图；
图5是本公开第一实施例的无线电能接收端在第一模式的第一状态下的等效电路图；
图6是本公开第一实施例的无线电能接收端在第一模式的第二状态下的等效电路图；
图7是本公开第一实施例的无线电能接收端在第二模式的第一状态下的等效电路图；
图8是本公开第一实施例的无线电能接收端在第二模式的第二状态下的等效电路图；
图9是本公开第二实施例的无线电能接收端的电路图；
图10是本公开第三实施例的无线电能接收端的电路图；
图11是本公开第四实施例的无线电能接收端的电路图；
图12是本公开第五实施例的无线电能接收端的电路图；
图13是本公开第六实施例的无线电能接收端的电路图。
具体实施方式
以下结合附图对本公开的几个优选实施例进行详细描述，但本公开并不仅仅限于这些实施例。本公开涵盖任何在本公开的本质和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本公开有彻底的了解，在以下本公开优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本公开。
在权利要求中使用的术语“包括”不应当被解释为对其后所列装置的限制。它不排除其他元件或者步骤。因此，表述“一种器件包括装置A和B”的范围应当不限于只包括部件A和B的器件。它意味着针对本公开，该器件的相关部件是A和B。
此外，在本说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于在类似的元件之间进行区分，不一定用于描述顺序或者时序。应当理解，这样使用的术语在适当的情况下是可以互换的，并且在此描述的本公开的实施例能够在不同于在此描述或者说明的顺序下运行。
应当理解，当元件被称为与另一个元件“连接”或“耦接”时，它可以与另一个元件直接连接或耦接，或者可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为与另一个元件上“直接连接”、“直接耦接”时，不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其他词语应当用相同的方式进行理解(即，“...与...之间”与“...与...直接之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。
图4是本公开第一实施例的无线电能接收端的电路图。如图4所示，本实施例的无线电能接收端3a包括接收侧谐振电路31、全桥整流电路32和开关Q。其中，接收侧谐振电路31被配置为以非接触方式与对应的无线电能发射端(图中未示出)的发射侧谐振电路耦合，从而以无线方式接收电能。接收侧谐振电路31可以包括接收线圈Ld。在一个实施方式中，接收侧谐振电路31还包括与接收线圈Ld串联接收电容Cd，两者形成串联谐振电路，从而可以响应于频率为预定工作频率f0的交变磁场谐振，输出交流电。在另一个实施方式中，可以通过接收线圈导线之间形成寄生电容形成接收电容Cd，从而不必专门设置独立的电容元件。
桥式整流电路(Bridge Rectifier)分为全桥整流电路和半桥整流电路。全桥整流电路通过四个二极管构成两个桥臂，从而在交流电的正半周期和负半周期都保持输出。而将半桥整流电路应用于无线电能接收端时，接收电容Cd会与半桥整流电路的二极管D1-D2以及输出电容Vdc构成一个半桥型的倍压整流电路(如图3所示)。在交流电的负半周，二极管D1导通，且二极管D2关断，交流电流经由二极管D1向电容Cd充电至一定的电压值。在交流电正半周时，二极管D1关断，且二极管D2导通，交流电流经由二极管D2向整流电路的输出端口供电。此时，之前在电容Cd上的电压会与交流电正半周的电压叠加输出到输出端口，从而使得输出端口电压数倍于交流电的电压。由此，在将半桥整流电路应用于无线电能接收端时，其输出电压高于全桥整流电路。因此，在无线电能接收端位于交变磁场强度较弱的位置时，如果无线电能接收端使用的整流电路为全桥整流电路，则其输出的直流电压可能过低，比如小于5V。这会使得输出电压无法带动后续电路(例如DC-DC变换器)工作，无线电能接收端实质上不工作。无线充电的范围较小。而如果使用能够倍压整流的半桥整流电路，由于输出电压是交流电电压的2倍，则可以在磁场强度较弱的位置使得整流电路输出高于5V，无线电能接收端仍然能够工作。但是，如果半桥整流电路在磁场强度较强的位置输出的电压过高，例如高于40V，则会损坏后级的电路。如果通过调整参数降低整流后的电压，则充电范围不能获得有效扩展。而如果通过提高后级电路的耐压性能来扩大工作范围，则会导致设备成本的大幅度提高。
有鉴于此，在本实施例中，设置全桥整流电路32和开关Q。全桥整流电路包括二极管D1-D4。二极管D1连接在输入端口的端i1和输出端口的端o1之间。二极管D2连接在输入端口的端i2和输出端口的端o1之间。二极管D3连接在输入端口的端i1和输出端口的端o2之间。二极管D4连接在输入端口的端i2和输出端口的端o2之间。
在本实施例中，开关Q设置在全桥整流电路32的输入端口的端i2和输出端口的端o2之间。通过开关Q的导通和关断切换整流电路的工作模式。在开关Q关断时，无线电能接收端3a位于第一模式。如图5所示，在交流电的正半周期，端i1的电压高于端i2的电压。此时，无线电能接收端3a处于第一模式的第一状态，也即，二极管D1和D4导通，二极管D2和D3关断，形成经由线圈Ld、电容Cd、二极管D1、输出电容Vdc和二极管D4的电流回路。如图6所示，在交流电的负半周期，端i1的电压低于端i2的电压。无线电能接收端3a处于第一模式的第二状态，也即，二极管D2和D3导通，二极管D1和D4关断，形成经由电容Cd、线圈Ld、二极管D2、输出电容Vdc和二极管D3的电流回路。在第一状态和第二状态下，输出电容Vdc两端电压(也即端o1和端o2之间的电压)的方向保持不变，实现全桥整流。
在开关Q导通时，二极管D4被短路，无线电能接收端3a切换到第二模式。如图7所示，在交流电的正半周期，端i1的电压高于端i2的电压。无线电能接收端3a处于第二模式的第一状态，也即，二极管D1导通，二极管D2、D3和D4均保持关断，形成经由线圈Ld、电容Cd、二极管D1、输出电容Vdc和开关Q的电流回路。接收侧谐振电路31对整流电路供电。如图8所示，在交流电的负半周期，端i1的电压低于端i2的电压。无线电能接收端3a处于第二模式的第二状态，也即，二极管D2导通，二极管D1、D3和D4均保持关断，形成经由线圈Ld、开关Q、二极管D3和电容Cd的电流回路。由此可见，在第二模式下，由于开关Q导通，使得全桥整流电路中的二极管D2和D4不起作用。全桥整流电路与开关Q配合实际上以半桥倍压整流电路的形式工作。也即，在交流电负半周期，对电容Cd充电，在交流电正半周期，电容Cd的电压叠加谐振产生的交流电对整流电路的输出端口供电。由此，可以使得输出端口的电压较高。
由此，在第一模式下，开关Q关断使得全桥整流电路正常工作，输出电压较低，而在第二模式下，开关Q导通使得全桥整流电路部分被短路，以半桥倍压整流电路的形式工作，输出电压较高。利用不同模式的特性，在磁场强度较强时，控制开关Q关断，以防止输出过压，在磁场强度较弱时，控制开关Q导通，提高输出电压。由此，可以有效地扩展无线电能接收端的工作范围，使得无线电能接收端在各个位置均能正常工作，同时，不需要大幅增加设备成本。
具体地，可以通过检测谐振产生的交流电压的幅值或整流电路的输出电压来判断磁场的强度。例如，在接收侧谐振电路的输出电压幅值高于第一阈值时控制开关Q关断，使得无线电能接收端3a处于第一模式，防止输出过压，在接收侧谐振电路的输出电压幅值低于第一阈值时控制开关Q导通，使得无线电能接收端处于第二模式，提高输出电压，使得磁场较弱时仍然能够正常工作。又例如，在整流电路的输出电压高于第二阈值时控制开关Q关断，使得无线电能接收端3a处于第一模式，防止输出过压，在接收侧谐振电路的输出电压幅值低于第一阈值时控制开关Q导通，使得无线电能接收端处于第二模式，提高输出电压，使得磁场较弱时仍然能够正常工作。
图9是本公开第二实施例的无线电能接收端的电路图。如图9所示，本实施例的无线电能接收端3b中，开关Q连接在全桥整流电路32的输入端口的端i1和输出端口的端o2之间。由于全桥整流电路32是完全对称的结构，因此，在开关Q导通，可以实现与第一实施例基本相同的效果。在开关Q关断时，全桥整流电路32正常工作。在开关Q导通时，在第一状态下形成经由线圈Ld、电容Cd、开关Q和二极管D4的电流回路，在交流电正半周期对电容Cd充电。在第二状态下形成经由电容Cd、线圈Ld、二极管D2、输出电容Vdc和开关Q的电流回路。在交流电的负半周期，谐振产生的交流电和电容Cd上的电压同时对输出端口供电。由此，同样可以实现在第二模式下提高输出电压，使得磁场强度较小时无线电能接收端仍能正常工作。有效地扩展无线电能接收端的工作范围，使得无线电能接收端在各个位置均能正常工作，同时，不需要大幅增加设备成本。
图10是本公开第三实施例的无线电能接收端的电路图。如图10所示，本实施例的无线电能接收端3c中，开关Q连接在全桥整流电路32的输入端口的端i1和输出端口的端o1之间。在开关Q关断时，全桥整流电路32正常工作。在开关Q导通时，在交流电正半周期，形成经由线圈Ld、电容Cd、开关Q、输出电容Vdc和二极管D4的电流回路。在交流电负半周期，形成经由线圈Ld、二极管D2、开关Q、电容Cd的电流回路。在交流电负半周期，谐振产生的交流电对电容Cd充电。在交流电正半周期，电容Cd上的电压和谐振产生的电压同时对输出端口供电。由此，同样可以实现在第二模式下提高输出电压，使得磁场强度较小时无线电能接收端仍能正常工作。有效地扩展无线电能接收端的工作范围，使得无线电能接收端在各个位置均能正常工作，同时，不需要大幅增加设备成本。
图11是本公开第四实施例的无线电能接收端的电路图。如图11所示，本实施例的无线电能接收端3d中，开关Q连接在全桥整流电路32的输入端口的端i2和输出端口的端o1之间。在开关Q关断时，全桥整流电路32正常工作。在开关Q导通时，在交流电正半周期，形成经由线圈Ld、电容Cd、二极管D1和开关Q的电流回路，谐振产生的电压对电容Cd充电；在交流电负半周期，形成经由电容Cd、线圈Ld、开关Q、输出电容Vdc和二极管D3的电流回路，电容Cd上的电压和谐振产生的电压同时对输出端口供电。由此，同样可以实现在第二模式下提高输出电压，使得磁场强度较小时无线电能接收端仍能正常工作。有效地扩展无线电能接收端的工作范围，使得无线电能接收端在各个位置均能正常工作，同时，不需要增加设备成本。
综上所述，开关Q可以连接在全桥整流电路32的输入端口的任意一端和输出端口的任意一端之间。在开关Q关断时使得全桥整流电路正常工作，在开关Q导通时，使得全桥整流电路中D1和D3或D2和D4以半桥方式工作。
应理解，在上述实施例中，开关Q可以采用可控电开关，例如金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)、双极性晶体管(BJT)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，也可以采用可控机械开关，例如继电器等。
图12和图13分别是本公开第五实施例和第六实施例的无线电能接收端的电路图。如图12和图13所示，在这两个实施例中，开关Q采用由一对金属氧化物半导体晶体管构成的双向开关电路。开关Q连接在输入端口的端i1或i2与输出端口的端o2(也即输出端口的接地端)之间。由于采用金属氧化物半导体晶体管，在开关Q与输出端口共地时，开关更容易被驱动，使得电路能够更为顺畅的工作。
本公开各实施例的无线电能接收端均可以与各种现有的谐振型无线电能发射端配合使用构成无线充电系统。
以上描述是本公开实施例的描述。在不脱离本公开的范围的情况下，可以实现各种变更和改变。本公开是出于说明性目的提出的，并且不应被解释为本公开的所有实施例的排他性描述，或使本公开的范围局限于结合这些实施例所说明和所描述的特定元件。在没有限制的情况下，可以用提供基本上类似功能或以其他方式提供充分操作的替换元件来代替所描述的发明的任何一个或多个单独元件。这包括目前已知的替换元件，诸如本领域的技术人员当前可能已知的那些，以及可能在未来开发的替换元件，诸如本领域的技术人员在开发时可能承认为替换的那些。

Claims (9)

1.一种无线电能接收端，包括：
接收侧谐振电路，被配置为以无线方式接收电能；
全桥整流电路，输入端口与所述接收侧谐振电路的输出端口连接；以及
开关，连接在所述全桥整流电路的输入端口的任一端和输出端口的任一端之间，受控导通或关断以调节所述全桥整流电路的工作模式。
2.根据权利要求1所述的无线电能接收端，其中，所述开关受控在所述接收侧谐振电路的输出电压幅值高于第一阈值时关断，低于所述第一阈值时导通。
3.根据权利要求1所述的无线电能接收端，其中，所述开关受控在所述全桥整流电路的输出电压高于第二阈值时关断，低于所述第二阈值时导通。
4.根据权利要求1所述的无线电能接收端，其中，所述开关为可控电开关或可控机械开关。
5.根据权利要求4所述的无线电能接收端，其中，所述开关为金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)、双极性晶体管(BJT)或绝缘栅型晶体管(IGBT)。
6.根据权利要求1所述的无线电能接收端，其中，所述接收侧谐振电路包括接收线圈。
7.根据权利要求6所述的无线电能接收端，其中，所述接收侧协整电路还包括：
接收电容，与所述接收线圈串联。
8.根据权利要求1所述的无线电能接收端，其中，所述全桥整流电路包括：
第一二极管，连接在输入端口的第一端和输出端口的第一端之间；
第二二极管，连接在输入端口的第二端和输出端口的第一端之间；
第三二极管，连接在输入端口的第一端和输出端口的第二端之间；以及
第四二极管，连接在输入端口的第二端和输出端口的第二端之间。
9.一种无线充电系统，包括：
无线电能发射端，被配置为以无线方式发射电能；以及
至少一个如权利要求1-8中任一项所述的无线电能接收端。
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