CN107431381A - 电感式功率接收器 - Google Patents

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Abstract

一种电感式功率接收器包括：功率拾取级；半自主转换器，连接到功率拾取级；以及控制器，被配置成基于与转换器相关联的至少一个控制器件来调节递送给负载的功率。

Description

电感式功率接收器
技术领域
本发明总体而言涉及一种转换器。更具体地，本发明涉及一种用于电感式功率接收器的转换器。
背景技术
电转换器存在于很多不同类型的电气系统中。一般而言，转换器将第一类型的供应转换成第二类型的输出。这种转换可以包括DC-DC电转换、AC-AC电转换和DC-AC电转换。在一些配置中，转换器可以具有任意数量的DC和AC“部件”，例如，DC-DC转换器可以包含变压器形式的AC-AC转换器级。
使用转换器的一个示例是在电感式功率传输(IPT)系统中。IPT系统通常将包括电感式功率发射器和电感式功率接收器。电感式功率发射器包括发射线圈，该发射线圈由合适的发射电路来驱动以产生交变磁场。交变磁场将在电感式功率接收器的接收线圈中诱生电流。然后，接收的功率可以被用来对电池充电或者给与电感式功率接收器相关联的设备或其他某个负载供能。此外，发射线圈和/或接收线圈可以连接到谐振电容器以创建谐振电路。谐振电路可以增加对应谐振频率处的功率吞吐和效率。然后，谐振电路中的电流可以被转换成用于负载的DC。
接收器转换器可以被配置或被控制来产生期望形式和期望幅度的DC电流。在一些情况下，可能期望转换器的频率匹配谐振发射线圈和/或谐振接收线圈的谐振频率。
IPT系统中使用的一种已知类型的转换器为推挽式(push-pull)转换器。推挽式转换器通常依赖于开关的布置，所述开关通过协调开关而导致电流沿可选方向流经接收线圈。通过控制这些开关，供应给负载的输出DC电流可以得到控制。
与推挽式转换器相关联的问题在于：为了降低开关损失和EMI干扰，开关应当被控制成在开关两端的电压为零时接通和断开，即，零电压开关(ZVS)。实施ZVS经常需要额外的用来检测过零(zero crossing)的检测电路和用来相应地控制开关的控制电路。此额外的电路增加了转换器的复杂度和花费。此外，一些检测和控制电路可能不能满足高频转换器的要求。
相应地，本发明提供了一种改进的电感式功率接收器，或者至少给公众提供了一种有用的选择。
发明内容
根据一个示例性实施例，提供了一种包括半自主或全自主转换器的电感式功率接收器。
根据另一实施例，提供了一种电感式功率接收器，包括：
功率拾取级；
半自主转换器，连接到功率拾取级；以及
控制器，被配置成基于与转换器相关联的至少一个控制器件来调节递送给负载的功率。
根据另一实施例，提供了一种电感式功率接收器，包括：
功率拾取级；
自主转换器，连接到给负载供应功率的功率拾取级。
一般认为在各种司法管辖下，术语“包括”和“包含”可以认为是排它性或者包含性的意思。对于本说明书的目的，除非另外说明，否则这些术语意在具有包含性的意思，即，采用它们意指包含使用直接引用的所列组件，也可能包含其他未指定的组件或元件。
在此说明书中对任何文件的引用都不构成承认：该文件是现有技术，与任何其它文件可有效地组合，或者形成公知常识的一部分。
附图说明
被合并入说明书并构成说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例，并与上面给出的对本发明的一般性描述和下面给出的对实施例的详细描述一起用来解释本发明的原理。
图1是电感式功率传输系统的框图；
图2是接收器的框图；
图3是转换器的示例性电路；
图4是栅极控制器的框图；
图5是用于电路的开关时序的图；
图6是另一示例性转换器的电路；
图7是栅极控制器的框图；
图8是反馈控制器的电路；以及
图9是反馈控制器的电路。
具体实施方式
在图1中一般性地示出了电感式功率传输(IPT)系统1。IPT系统包括电感式功率发射器2和电感式功率接收器3。电感式功率发射器2连接到合适的电源4(诸如市电电源或电池)。电感式功率发射器2可以包括发射器电路，该发射器电路具有转换器5(例如，AC-DC转换器(取决于所使用的电源的类型))和例如连接到转换器5(如果转换器5存在的话)的逆变器6中的一种或更多种。逆变器6给发射线圈7供应AC信号，使得发射线圈7产生交变磁场。在一些配置中，发射线圈7也可以被考虑为与逆变器6分离。发射线圈7可以并联地或串联地连接到合适的电容器(未示出)以创建谐振电路。
控制器8可以连接到电感式功率发射器2的每个部分。控制器8可以从电感式功率发射器2的每个部分接收输入，并产生控制每个部分的操作的输出。控制器8可以被实施成单个单元或分立单元，所述单个单元或分立单元被配置用来根据其能力控制电感式功率发射器2的各个方面，包括例如：功率流、调谐、选择性地给发射线圈7供能、电感式功率接收器检测和/或通信。
电感式功率接收器3包括连接到功率调节电路10的功率拾取级9，功率调节电路10又将功率供应给负载11。功率拾取级9包括电感式功率接收线圈。当电感式功率发射器2与电感式功率接收器3的线圈适当地耦合时，由发射线圈7产生的交变磁场在接收线圈中诱生交变电流。接收线圈可以并联地、串联地或以其他组合(诸如电感器-电容器-电感器)来连接到电容器和额外的电感器(未示出)以创建谐振电路。在一些电感式功率接收器中，接收器可以包括控制器12，该控制器12可以控制接收线圈的调谐、功率调节电路10的操作、负载11的特性和/或通信。控制器12可以具有一个或更多个单元/组件，且可以为诸如微控制器、PID、FPGA、CPLD、ASIC等的控制器。此外，可以将整个无线接收器电路的重要部分集成到单个集成电路上。
术语“线圈”可以包括在其中电流产生磁场的导电结构。例如，电感式“线圈”可以为三维形状或二维平面形状的导电线、使用印刷电路板(PCB)技术而在多元PCB“层”之上制备成三维形状的导电材料以及其他类似线圈的形状。根据应用可以使用其他配置。术语“线圈”的使用(单数或复数)并非意味着在这个意义上是限制性的。
由发射线圈7在功率拾取级9中诱生的电流将通常为发射线圈7的操作频率处的高频AC，这可以为例如20kHz，上至数百MHz或更高。功率调节电路10被配置用来将诱生的电流转换成适合于负载11的形式，且可以执行例如功率整流、功率调节或者二者的组合。
图2示出了根据一个示例性实施例的电感式功率接收器的框图。示例性电感式功率接收器201包括示例性功率调节电路202，该功率调节电路202可以执行功率整流和功率调节的组合功能。由功率拾取级203产生的AC电压被整流级205整流至Vout，Vout为出现在DC输出电容器204两端的电压。功率拾取级203根据应用可以为并联调谐的谐振电路、LCL电路或其他拾取。
整流级205可以为半自主的，尽管可以根据应用而使用自主或非自主的。在本说明书中，术语“自主”用来描述这样的控制的过程或配置：在其中不使用主动控制或者与被控制的电路或功能分离和/或独立的控制；相反地，术语“非自主”用来描述这样的控制的过程或配置：在其中仅使用主动控制或者与被控制的电路或功能分离和/或独立的控制；这样，术语“半自主”用来描述这样的控制的过程或配置：在其中对被控制的电路或功能使用自主控制和非自主控制的组合。半自主转换器可以包括各种拓扑结构，例如推挽式、反激式(flyback)、全桥等。半自主开关通常由闭环反馈控制来提供，使得开关频率跟随谐振频率的漂移来维持ZVS。然而根据应用，也可以使用被控制用于部分ZVS或硬开关(hardswitching)的转换器。整流器开关中的一个或更多个可以被独立地控制以提供负载电压的调节功能。
在半自主配置中，控制器208给整流控制器件的一部分提供主动控制。
图3示出了示例性半自主转换器300。在这种情况下，开关S2、S3和S4的栅极连接到谐振储能回路(tank)以自主地操作，从而在S2、S3和S4的操作跟随由电感器L2和电容器C2形成的谐振储能回路的频率时确保ZVS。另一方面，开关S1被控制器208使用负反馈来主动地控制以调节负载电压。控制器208所采用的控制方法是基于相移控制的，在相移控制中每两个开关对角地(diagonally)一起操作。例如，一起操作(例如，接通和断开)S1和S4，类似地，一起操作S3和S2。为此，S2的栅极连接到谐振储能回路的与S3相同的一侧，而连接到谐振储能回路的与S4相对的一侧。
图4示出了用于驱动S1的栅极的控制器208的示例。比较器402将输出电压Vout与期望电压Vref进行比较。PID控制器从错误信号Verr产生DC信号。同时，比较器404将谐振储能回路一侧上的电压Va与另一侧的电压Vb进行比较。这提供Va的原始相位，该原始相位用来将斜坡发生器同步成同相(in phase)。最终比较器406将同相斜坡信号与DC信号进行比较以为S1提供栅极驱动信号。
控制器208的操作在图5中示出。相位电压错误电压与同相斜坡信号进行比较。此比较产生用于S1的栅极信号。
如上所述，可应用其他拓扑结构。例如，在图6中示出了转换器600，其中，S3和S4被连接以自主地开关，而S1和S2被控制器208主动地控制来提供调节。
图7给出了用于图6的转换器的控制器208的示例。类似于图4，两个比较器702、704提供Verr和Va的原始相位。第三比较器706相反地连接，并提供Vb的原始相位。两个单独的同相斜坡分别与DC信号一起输入给比较器708、710以产生用于S1和S2的栅极驱动信号。
在图8中示出了用于图7中的控制器208的示例性电路设计800。电压过零检测器802为同相电压斜坡804提供相位信息。此相位信息与电压错误信号806进行比较以分别为S1和S2提供栅极驱动信号drv1和drv2。
这种形式的半自主转换器可以降低组件数量、减小尺寸、增加效率、简化栅极控制和/或简化控制算法。
在又一示例中，整流级205可以为全自主的。图9示出了全自主全桥转换器900的示例。开关S1-S4的栅极使用电路的不同部分来接通和断开。为了接通，S1-S4经由电阻(R1-R4)而连接到DC源VDC来对输入电容充电。断开是通过经由钳位二极管(D1C1-D4C4)将栅极连接到谐振储能回路的相应的侧边来实现的。
开关对角地发生，例如：：S1和S4同时接通(D1C1和D4C4连接到V1)，类似地，S2和S3同时接通(D2C2和D3C3连接到V2)。
当谐振储能回路一侧上的电压V1为高时，D1和D4被反向偏置。因此S1和S4的栅极处的电压为高，通过VDC保持开关接通。当V1变低时，D1和D4被前向偏置，这使S1和S4断开。对于具有180度相移的S2和S3，发生类似的场景。
虽然已经通过描述本发明的实施例来说明了本发明，虽然已经详细描述了实施例，但是申请人的意图并不是将所附权利要求书的范围限制或以任何方式局限于这些细节。对于本领域技术人员而言额外的优点和修改将容易呈现。因此，本发明在其更宽泛的方面不局限于这些具体细节、说明性的装置和方法以及所示和所描述的说明性示例。相应地，在不背离申请人的一般发明构思的精神或范围的情况下，可以背离这些细节。

Claims (15)

1.一种电感式功率接收器，包括：
功率拾取级；
半自主转换器，连接到功率拾取级；以及
控制器，被配置成基于与转换器相关联的至少一个控制器件来调节递送给负载的功率。
2.如权利要求1所述的电感式功率发射器，其中，功率拾取级是谐振的。
3.如权利要求1所述的电感式功率发射器，其中，功率拾取级是并联调谐的接收线圈。
4.如权利要求1所述的电感式功率发射器，其中，与转换器相关联的控制器件中的三个控制器件被配置成自主地操作。
5.如权利要求1所述的电感式功率接收器，其中，与转换器相关联的控制器件中的两个控制器件被配置成自主地操作。
6.如权利要求1所述的电感式功率接收器，其中，所述至少一个控制器件基于反馈环路来控制以调节输出电压。
7.如权利要求4所述的电感式功率接收器，其中，反馈环路包括与输出电压错误进行比较的同相斜坡。
8.如权利要求5所述的电感式功率接收器，其中，斜坡使用过零检测器来相位同步。
9.一种电感式功率接收器，包括：
功率拾取级；以及
自主转换器，连接到给负载供应功率的功率拾取级。
10.如权利要求9所述的电感式功率发射器，其中，功率拾取级是谐振的。
11.如权利要求9所述的电感式功率发射器，其中，功率拾取级是并联调谐的接收线圈。
12.如权利要求9所述的电感式功率接收器，其中，转换器包括包含四个开关的全桥全自主转换器。
13.如权利要求12所述的电感式功率接收器，还包括用于每个开关的接通电路和断开电路。
14.如权利要求13所述的电感式功率接收器，其中，断开电路包括连接到功率拾取级的相对侧的钳位二极管。
15.如权利要求13所述的电感式功率接收器，其中，接通电路包括被配置成经由相应的电阻器来连接到每个开关栅极的DC电源。
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