CN107394902B - 谐振电源 - Google Patents

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Abstract

一种谐振无线电力系统，包含源电路，具有源线圈、具有第一电阻的交流驱动器以及匹配网络，第一电阻表示交流驱动器的等效输出阻抗。电流探头，测量瞬时源线圈电流的幅度信号。电压探头，测量交流驱动器的瞬时输出电压。相位检测器，比较瞬时源线圈电流和瞬时输出电压的相位，并产生与相位差成比例的第一输出信号。第一放大器，比较幅度信号和目标信号，并产生与差别成比例的错误信号。第一补偿滤波器，产生确定交流驱动器供应电压的控制电压。第二放大器，放大第一输出信号。第二补偿滤波器，产生确定源电路中可变元件阻抗的控制电压。

Description

谐振电源
本发明为申请日2013年08月05日，申请号为“201380041252.2”，发明名称为“控制谐振无线电源的系统和方法”的发明专利申请的分案申请。
【技术领域】
本发明关于无线系统领域，且特别关于允许电力随着变化在匹配网络中有效率地全部传送的谐振无线电力系统。
【背景技术】
在无线电力系统中，形成松耦合的(loosely-coupled)变压器的感应线圈用于以非接触的方式传送电力。在谐振无线电力(Resonant Wireless Power，RWP)系统中，阻抗匹配网络用于消除那些感应线圈的无功阻抗，允许电力更有效地通过系统传送。在具有电阻性负载的理想的RWP系统中，匹配网络可以完美地调谐以删除所有无功阻抗，创建完美的匹配的电路。在实际的RWP系统中，然而，此理想的模型无法拥有。负载电力根据正被服务的装置的需求而变化，导致变化的负载阻抗。源和负载线圈之间的耦合因素随着充电器和充电装置的相对位置而改变。且，在大量生产的装置中，匹配网络遭遇制造变化，所以他们从不能完美调谐。
存在两个复变阻抗，可用于描述RWP系统的最重要的方面：开路阻抗Zoc和反射阻抗Zref。源线圈和接收器线圈的互感或耦合可以用多个不同的方式模拟。在我们的优选方法中，耦合模拟为与接收器(次级)线圈串联的电流控制的电压源。从此电压源看到的(包含线圈、匹配网络以及负载(整流器、DC/DC、负载电流)的阻抗是Zoc。在源(初级)侧，当出现耦合时，可以将耦合的效应模拟为与源线圈串连的阻抗，称为Zref，反射阻抗。开路阻抗和反射阻抗是复数量，包含实数部(阻性的)和虚数部(无功)。对于1：1RWP系统，反射阻抗通过以下公式关于开路阻抗：
Figure GDA0002525696130000011
【发明内容】
根据本发明的一个方面，提供电流模式谐振电源。电流模式谐振电源包含源电路，包含源线圈，具有第一电阻的驱动器，第一电阻表示交流驱动器的等效输出阻抗，以及匹配网络。电流探头测量瞬时源线圈电流的幅度信号。放大器接收并比较幅度信号和目标信号，并产生与差别成比例的错误信号。补偿滤波器接收错误信号并产生确定交流驱动器供应电压的控制电压。
根据本发明的另一方面，提供具有电力因素校正的谐振电源。谐振电源包含源电路，包含源线圈，具有第一电阻的交流驱动器，第一电阻表示交流驱动器的等效输出阻抗，以及匹配网络。电流探头测量瞬时源线圈电流的幅度信号。电压探头测量交流驱动器的瞬时输出电压。相位检测器接收和比较瞬时源线圈电流和瞬时输出电压的相位，并产生与相位差成比例的第一输出信号。放大器接收和放大第一输出信号，并产生放大后的信号。补偿滤波器接收放大后的信号，并产生确定源电路中可变元件阻抗的控制电压。
根据本发明的另一方面，提供谐振无线电力系统。谐振无线系统包含源电路，包含源线圈，具有第一电阻的交流驱动器，第一电阻表示交流驱动器的等效输出阻抗，以及匹配网络。电流探头测量瞬时源线圈电流的幅度信号。电压探头测量交流驱动器的瞬时输出电压。相位检测器接收和比较瞬时源线圈电流和瞬时输出电压的相位，并产生与相位差成比例的第一输出信号。第一放大器接收和比较幅度信号和目标信号，并产生与差别成比例的错误信号。第一补偿滤波器接收错误信号并产生确定交流驱动器供应电压的控制电压。第二放大器接收和放大第一输出信号，并产生放大后的信号。第二补偿滤波器接收放大后的信号，并产生确定源电路中的可变元件的阻抗的控制电压。
【附图说明】
图1是图示根据本发明使用的串联匹配网络的示意图；
图2是串联匹配网络的开路阻抗坐标图；
图3是图示根据本发明使用的电流模式谐振无线电力(RWP)源的示意图；
图4是图示根据本发明使用的源阻抗轨迹、两个接收器情况的坐标图；
图5是图示根据本发明使用的具有电力校正因素的RWP源的示意图；
图6是图示用于具有功率因素的RWP源的复变阻抗坐标的示意图；
图7是图示根据本发明使用的具有电力校正因素的电流模式RWP源的示意图；以及
图8是图示根据本发明使用的用于线圈电流控制的可调整的匹配网络的示意图。
【具体实施方式】
本发明涉及由RWP源使用的电流模式谐振无线电力(Resonant Wireless Power，RWP)源和电力因素校正，用于管理源装置中的操作状况的变化。
在实际的RWP系统中，负载电阻基于负载电路(例如，电池充电器)的瞬时需求不断地改变。在大多数一般情况中，应该认为负载电阻可从无限大(没有负载)变动到一些较小值(最大负载)。考虑图1中的串连调谐网络1的示例。当负载电阻是无限大时，开路阻抗是简单地L2、C2a和C2b的串连组合，此串连组合是纯无功的，其中L2表示耦合到调谐网络1的接收器线圈。当负载电阻接近零时，C2b短路且开路阻抗仅仅是L2和C2a的串连组合，也是纯无功的。对于有限电阻，开路阻抗具有在两个极值之间的正实部(real part)和虚部(imaginary part)。
可表明的是，随着负载电阻从无限大减少到零，开路阻抗在复变阻抗面逆时针追踪半圈，如图2所示。一般而言，仅仅使用小于一个象限的此半圈的部分。右下象限表示高Q操作点，右上象限表示低Q操作点。人们通常调准以使用高Q操作点。半圈中心的位置取决于调谐网络中的阻抗；人们可选择将其位于复变轴的原点或原点上或原点下。
多接收器RWP系统的性质是这样的，反射阻抗总是以与源线圈串连以及彼此串连的方式出现。假设多个接收器不直接影响彼此的耦合(典型的RWP系统中的合理假设)，他们可由彼此影响的主机制是由改变源线圈电流。如果源线圈由电流源而不是电压源来驱动，此相互影响将消除。不幸的是，AC电力驱动器通常已知(例如类D，类E)类似于电压源而不是电流源。此外，如果调谐网络中有并联元件，如典型地，放大器中的AC电流将不匹配线圈电流，且反射阻抗的相互影响可仍然发生。
然而，如果创建了反馈环以保持AC线圈电流幅度不变，则RWP驱动器将像电流源驱动器并共享其有益的性质。这样的电流模式RWP源的概念框图2显示于图3。与源线圈串连的电流探头侦测线圈电流I1的幅度，以生成信号I1_mag。RMS或峰值电流是否使用于控制环不重要，其都给出相同的系统行为。放大器用于将I1_mag与一些目标值I1_target进行比较，并产生与差别成比例的错误信号。错误信号通过滤波器用于环补偿以产生确定AC驱动器供应电压Vs的控制电压。AC驱动器在由时钟信号CLK确定的频率下调制驱动器供应电压Vs，以驱动AC电力进入匹配网络。电阻器Rs表示AC驱动器的等效输出电阻。补偿滤波器还可提供范围限制和/或摆率限制以在瞬态控制源的行为。
由于匹配网络的线性性质，I1_mag的幅度线性成比例于驱动电压Vs。其结果是，反馈环形成，这使在稳态I1_mag等于I1_target。此给出RWP源电流驱动电路的性质。参考图4，源电流I1将不依赖于源阻抗Zs的幅度。为了保持所希望的I1，当Zs增加时源将增加驱动电压Vs。如果新的接收器进入充电场，例如，他们将导致Zs的增加(例如，由于源线圈和新的接收器之间的互感引入反射阻抗Zref2)。此将由电流模式环补偿，导致Vs的增加。除了由于有限控制环带宽的可能的瞬时效应，其它的接收器将不会受到新的接收器的进入的影响。
在电压驱动RWP系统中，可以测量源电流Is以估计驱动到源线圈的电力，因为电压Vs已知。在电流模式系统中，情况相反。电流Is是由控制电路设置的已知值。驱动电压Vs可用于给出传递到源线圈的电力的指示。
在固定调谐RWP系统中，在驱动电压Vd和驱动电流Is之间通常存在非零相位角度(指的是例如图4中阻抗向量Zs的相位角度)。等效的一个可声明功率因数通常小于1。此导致相对于源阻抗调谐到纯实数的理想情况可用的电力的缺乏以及效率的损耗。电力因素校正(PFC)是用于AC电力传送系统以适应性地校正这样的不期望的无功阻抗的技术。人们可将此技术应用到RWP系统，以删除无功阻抗，由此获得最佳电力传输特性。
图5显示具有功率因数校正的RWP源的框图4。电流传感器测量瞬时电流I1，电压探头测量AC驱动电压Vd。I1和Vd的相位由相位检测器比较(在图5中标注为“phase diff”)。输出信号指示相位差被放大并且然后被滤波用于环补偿。所产生的控制电压Vcor用于控制可变阻抗元件Zcor的阻抗。Zcor可以由可变电容或可变电感来实施。控制环以当相位差为正时Zcor变得更电容性的方式配置。PFC控制环由此使Vd和I1之间的相位差为零。此等效于表明其使阻抗Zs为纯实数。
PFC怎样使用复变阻抗坐标工作的图示显示于图6中。此图表描绘了单个接收器场景。在条件1和2之间，接收器的耦合因素和负载电阻均不同。PFC控制环能够通过在每种情况下添加消除正电抗的负电抗，来校正这些差别。结果源阻抗(未示出)是纯阻性的。如果出现多个负载，PFC控制环同样精确地工作。其使反射阻抗的结果向量加上校正阻抗Zcor称为纯实数。如果源调谐网络比纯串联网络更复杂，PFC环仍然同样工作。有利于调谐固定匹配网络以总是提供感应阻抗，以便Zcor可以是可变电容器，或反之亦然。
电压Vs在PFC源中是固定的，于是测量电流I1可用于估计驱动到源线圈的电力。
到现在，所显示的两个技术可校正当反射阻抗改变时发生的幅度和相位变化。结合两个技术产生不用遭受电压驱动、固定调谐源的以前突出的缺点的源设计。这样的源的框图6显示于图7。I1的幅度和相位均反馈回单独的控制环。幅度用于电流模式环且相位用于电力因素校正环。
在具有电力因素校正的电流模式源中，源电流Is的幅度由电流模式环来控制，所以可以监测电压Vs以指示源电力。
在以前的示例中，调整线圈电流I1的幅度的方法是调整电压Vs。此典型地要求可变输出电压调节器提供Vs到电力放大器。此处，提出备选技术用于调整消除需要此可变输出电压调节器的线圈电流I1的幅度。因为此调节器为系统贡献效率损耗，此备选方案可潜在地改进RWP系统的整个效率。
一般方法是调整源匹配网络，以改变从I1到Is的改变，由此改变从Zref到Zs的改变。通过改变Zs，I1电流的幅度可被调整而Vs保持不变。尽管许多不同的匹配电路可使用，人们可使用显示于图8中的简单的并联匹配电路8来说明原理。并联的电容器C1可以由功率控制器调整。可变电容器C1可以使用变容器、具有开关的电容器组或任何备选技术来实施。增加C1的阻抗以接近L1+Zref的阻抗导致并联组合变得更谐振，这导致I1相对于Is增加。因此，传递到线圈的电力可以控制而不调整I1。改变C1也改变Zs的虚部，对于以前说明的原因，这是不合需要的。人们可通过包含电力因素校正环来校正改变C1也改变Zs的虚部，如图8所示。PFC环校正随着C1改变而变化的虚部阻抗，以及校正Zref的虚部。
尽管本发明已经相对于如果优选实施例显示和描述，各种对形式及其细节的改变、省略和增加，可在本文中作出，而不背离本发明的精神和范围。

Claims (18)

1.一种谐振电源，其特征在于，包含：
源电路，所述源电路包含源线圈、具有第一电阻的交流驱动器、可变阻抗元件以及匹配网络，其中，所述第一电阻表示所述交流驱动器的等效输出阻抗；
电流探头，测量瞬时源线圈电流的幅度信号；
放大器，接收和比较所述幅度信号和目标信号，且产生与差别成比例的错误信号；以及
补偿滤波器，接收所述错误信号并产生确定所述交流驱动器的驱动电压的控制电压；
其中，所述电流探头还测量瞬时源线圈电流的相位，以及所述谐振电源还包括：
电压探头，测量所述交流驱动器的输出电压；以及
相位检测器，接收和比较所述瞬时源线圈电流和所述输出电压的相位，并产生与相位差成比例的输出信号；
其中所述源电路中的所述可变阻抗元件的阻抗是根据所述输出信号确定的。
2.如权利要求1所述的谐振电源，其特征在于，所述驱动电压是与所述幅度信号线性成比例的。
3.如权利要求1所述的谐振电源，其特征在于，所述电流探头、所述放大器、所述补偿滤波器和所述源电路形成反馈环，所述反馈环使所述幅度信号在稳态基本等于所述目标信号。
4.如权利要求1所述的谐振电源，其特征在于，当由所述交流驱动器看到的阻抗增加时，所述源电路增加所述驱动电压。
5.如权利要求1所述的谐振电源，其特征在于，所述补偿滤波器提供范围限制或摆率限制性质，以在瞬态中控制所述源电路的行为。
6.如权利要求1所述的谐振电源，其特征在于，所述可变阻抗元件是可变电容或可变电感。
7.如权利要求1所述的谐振电源，其特征在于，所述可变阻抗元件当所述相位差为正时变得更电容性。
8.如权利要求1所述的谐振电源，其特征在于，所述输出电压和所述瞬时源线圈电流之间的所述相位差被迫使为零。
9.如权利要求1所述的谐振电源，其特征在于，由所述交流驱动器看到的阻抗是实数。
10.如权利要求1所述的谐振电源，其特征在于，所述匹配网络中的可变部件用于控制传递到所述源线圈的电力。
11.一种谐振电源，其特征在于，包含：
源电路，所述源电路包含源线圈、具有第一电阻的交流驱动器、可变阻抗元件以及匹配网络，其中，所述第一电阻表示所述交流驱动器的等效输出阻抗，所述交流驱动器为D类放大器或E类放大器，其中，当被所述交流驱动器可见的阻抗增加时所述源电路增加所述交流驱动器的驱动电压；
电流探头，测量瞬时源线圈电流的相位；
电压探头，测量所述交流驱动器的输出电压；
相位检测器，接收和比较所述瞬时源线圈电流的相位和所述输出电压的相位，并产生与相位差成比例的第一输出信号；
放大器，接收和放大所述第一输出信号，并产生放大后的信号；以及
补偿滤波器，接收所述放大后的信号并产生确定所述源电路中所述可变阻抗元件的阻抗的控制电压。
12.如权利要求11所述的谐振电源，其特征在于，所述可变阻抗元件包含可变电容或可变电感。
13.如权利要求11所述的谐振电源，其特征在于，所述相位检测器、所述放大器和所述补偿滤波器形成控制环，所述控制环被配置以便当所述相位差为正时，所述可变阻抗元件变得更电容性。
14.如权利要求13所述的谐振电源，其特征在于，所述控制环由此迫使所述输出电压和所述瞬时源线圈电流之间的所述相位差为零。
15.如权利要求11所述的谐振电源，其特征在于，由所述交流驱动器看到的阻抗是实数。
16.如权利要求11所述的谐振电源，其特征在于，所述匹配网络中的可变阻抗元件用于控制传递到所述源线圈的电力。
17.一种谐振电源，其特征在于，包含：
源电路，所述源电路包含源线圈、交流驱动器、可变阻抗元件以及耦接于所述源线圈和所述交流驱动器的匹配网络，其中，所述交流驱动器包括的驱动电压的幅度恒定；
电流探头，测量源线圈电流的幅度和相位；
控制器，用于调整所述匹配网络的阻抗，以便所述源线圈电流的幅度到达目标值；
电压探头，测量所述交流驱动器的输出电压的相位；
相位检测器，接收和比较所述源线圈电流的相位和所述交流驱动器的所述输出电压的相位，并产生与相位差成比例的输出信号；
其中，根据所述输出信号调整所述源电路中的可变阻抗元件的阻抗来减小所述源线圈电流的相位和所述交流驱动器的所述输出电压的相位之间的差值。
18.如权利要求17所述的谐振电源，其特征在于，
所述匹配网络包括与所述源线圈并联的可变电容；
所述控制器还用于调整所述可变电容的电容值。
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