CN110176812A - 混合控制设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混合控制技术领域，具体公开了一种混合控制设备和方法，该设备包括连接在输入电源和无线电力传输系统之间的功率转换器，其中当无线电力传输系统的负载电流小于第一阈值时，功率转换器被配置成调节施加到无线电力传输系统的电压，并且当无线电力传输系统的负载电流大于第一阈值时，功率转换器被配置成以始终打开模式工作。通过上述技术方案，本发明实施例能够在轻负载工作条件期间通过调整功率转换器的输出电压来减小无线电力传输系统的电压应力，在重负载工作条件期间减少无线电力传输系统的传输损耗，从而实现高效率。

Description

混合控制设备和方法
技术领域
本发明涉及混合控制方法，并且在特定实施例中，涉及运用于无线电力传输系统的混合控制方法。
背景技术
随着技术进一步发展，无线电力传输作为一种用于为诸如移动电话、平板PC、数码相机、MP3播放器等基于电池的移动装置供电或充电的高效且便利的机制出现。无线电力传输系统通常包括原边发射器和副边接收器。原边发射器通过磁耦合而磁耦合到副边接收器。该磁耦合可由松散耦合的变压器实现，该松散耦合的变压器具有在原边发射器中形成的原边线圈和在副边接收器中形成的副边线圈。
原边发射器可包括诸如功率转换器的原边功率转换单元。功率转换单元耦合到电源，并且能够将电功率转换成无线功率信号。副边接收器能够通过松散耦合的变压器接收无线功率信号，并将接收到的无线功率信号转换成适合于负载的电功率。
随着功耗变得越来越重要，可能需要高功率密度且高效率的无线电力传输系统。基于谐振转换器的无线电力传输系统变成是实现高性能(例如，更低功率损耗)的优先选择，因为谐振转换器能够通过零电压开关和/或零电流开关减少电源开关的开关损耗。然而，随着无线电力传输系统的频率变得越来越高，在不同负载条件下实现高效率无线电力传输系统变成是显著问题，这对无线电力传输系统的系统设计带来挑战。
亟需一种在各种负载条件下都能展现出诸如高效率和低电磁干扰(EMI)的良好行为的无线电力传输控制方法。
发明内容
通过本发明的较佳实施例提供的响应于不同负载电流或不同负载条件以不同控制模式工作的无线电力传输系统，上述问题和其它问题通常可得到解决或规避，并且通常实现了技术优势。
根据一个实施例，一种设备包括连接在输入电源和无线功率传输系统之间的功率转换器，其中当无线电力传输系统的负载电流小于第一阈值时，所述功率转换器被配置成调节施加到无线电力传输系统的电压，并且当无线电力传输系统的负载电流大于第一阈值时，所述功率转换器被配置成以始终打开模式工作。
根据另一个实施例，一种方法包括：检测无线电力传输系统的负载电流，无线电力传输系统包括级联连接在输入电源和负载之间的功率转换器和无线电力传输装置；当负载电流小于第一电流阈值时，将功率转换器配置成调节施加到无线电力传输装置的电压；并且当负载电流大于第一电流阈值时，将功率转换器配置成以始终打开模式工作。
根据又一个实施例，一种系统包括转换器，该转换器包括：串联连接在输入电源和地之间的高压侧开关和低压侧开关；连接到高压侧开关和低压侧开关的共同节点的电感器；以及连接到电感器的输出电容器。
该系统还包括无线电力传输装置，该无线电力传输装置包括：连接在该转换器的输出端和地之间的全桥；耦合到全桥的发射器线圈；连接在全桥和发射器线圈之间的谐振电容器；磁耦合到发射器线圈的接收器线圈；以及连接到接收器线圈的整流器，其中转换器被配置成响应于无线电力传输装置的不同负载电流以两种不同的工作模式工作。
本发明的实施例的有益效果是：通过对无线电力传输系统运用混合控制方法，能够在轻负载工作条件期间通过调整功率转换器的输出电压来减小无线电力传输系统的电压应力，在重负载工作条件期间减少无线电力传输系统的传输损耗，从而实现高效率。
上文相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解以下对本发明的详细描述。下文将描述本发明的额外特征和优点，它们形成本发明的权利要求的主题。本领域技术人员应明白，可容易地利用公开的概念和特定实施例作为修改或设计用于实现本发明的相同目的的其它结构或过程的基础。本领域技术人员还应意识到，此类等效构造没有偏离随附权利要求中所阐述的本发明的精神和范围。
附图说明
为了更全面地了解本发明及其优点，现将下述说明与附图一并提出，其中：
图1示出根据本发明的各种实施例的无线电力传输系统的框图；
图2示出根据本发明的各种实施例的如图1所示的无线电力传输系统的示意图；
图3是根据本发明的各种实施例的用于说明如图1所示的无线电力传输系统的工作原理的工作模式控制图表；
图4示出根据本发明的各种实施例的与最小占空比控制模式的第一种实现方式相关联的栅极驱动信号；
图5示出根据本发明的各种实施例的与最小占空比控制模式的第二种实现方式相关联的栅极驱动信号；
图6示出根据本发明的各种实施例的与最小相移控制模式相关联的栅极驱动信号；
图7示出根据本发明的各种实施例的与占空比控制模式的第一种实现方式相关联的栅极驱动信号；
图8示出根据本发明的各种实施例的与占空比控制模式的第二种实现方式相关联的栅极驱动信号；
图9示出根据本发明的各种实施例的与相移控制模式相关联的栅极驱动信号；
图10示出根据本发明的各种实施例的在最小占空比控制模式的第一种实现方式下具有前沿对准的栅极驱动信号；
图11示出根据本发明的各种实施例的在最小占空比控制模式的第二种实现方式下具有第一前沿对准的栅极驱动信号；
图12示出根据本发明的各种实施例的在最小占空比控制模式的第二种实现方式下具有第二前沿对准的栅极驱动信号；
图13示出根据本发明的各种实施例的在最小相移控制模式下具有第一前沿对准的栅极驱动信号；
图14示出根据本发明的各种实施例的在最小相移控制模式下具有第二前沿对准的栅极驱动信号；以及
图15示出根据本发明的各种实施例的用于控制如图2中示出的开关的流程图。
除非另外指示，否则不同图中的对应数字和符号一般指对应部分。绘制附图是为了清楚地说明各种实施例的相关方面，它们不一定按比例绘制。
具体实施方式
下面详细论述目前较佳的实施例的制作和使用。但是，应明白，本发明提供可在各种各样的特定情境中实施的许多适用的发明概念。论述的特定实施例只是说明制作和使用本发明的特定方式，而不是限制本发明的范围。
将在特定情境(即，为了增加传输效率以及减少系统成本而以不同控制模式工作的无线电力传输系统)中关于较佳实施例描述本发明。但是，本发明也可适用于各种电力系统。下文中，将参考附图详细解释各种实施例。
图1示出根据本发明的各种实施例的无线电力传输系统的框图。该无线电力传输系统100包括级联连接在输入电源102和负载114之间的功率转换器104和无线电力传输装置101。无线电力传输装置101包括功率发射器110和功率接收器120。如图1所示，功率发射器110包括级联连接的发射器电路107和发射器线圈L1。发射器电路107的输入端耦合到功率转换器104的输出端。功率接收器120包括级联连接的接收器线圈L2和整流器112。整流器112的输出端耦合到负载114。
当将功率接收器120放置在功率发射器110附近时，功率发射器110通过磁场磁耦合到功率接收器120。通过作为功率发射器110的一部分的发射器线圈L1和作为功率接收器120的一部分的接收器线圈L2形成松散耦合的变压器115。因此，可将电力从功率发射器110传输到功率接收器120。
在一些实施例中，功率发射器110可在充电板内。发射器线圈放置在充电板的上表面的下方。功率接收器120可嵌入在移动电话内。当将移动电话放在充电板附近时，可在发射器线圈和接收器线圈之间建立磁耦合。换句话说，发射器线圈和接收器线圈可形成松散耦合的变压器，通过该变压器，在功率发射器110和功率接收器120之间进行电力传输。发射器线圈L1和接收器线圈L2之间的耦合的强度可通过耦合系数k来量化。在一些实施例中，k在从约0.05到约0.9的范围中。
在一些实施例中，在发射器线圈L1和接收器线圈L2之间建立磁耦合之后，功率发射器110和功率接收器120可形成电力系统，通过该电力系统，将电力从输入电源102无线地传输到负载114。
输入电源102可以是用于将公用线路电压转换成直流(dc)电压的电源适配器。在另一些实施例中，输入电源102可以是诸如太阳能电池板阵列的可再生电源。此外，输入电源102可以是诸如可充电电池、燃料电池等能量储存装置。
负载114代表由耦合到功率接收器120的移动装置(例如，移动电话)消耗的功率。在另一些实施例中，负载114可以指串联/并联连接并且耦合到功率接收器120的输出端的一个和/或多个可充电电池。
根据一些实施例，发射器电路107可包括全桥转换器的原边开关。在另一些实施例中，发射器电路107可包括诸如半桥转换器、推挽式转换器等的其它转换器的原边开关。下文将结合图2描述发射器电路107的详细配置。
应注意，上文描述的转换器只是示例。本领域技术人员将意识到，也可以使用诸如基于E类拓扑的功率转换器(例如，E类放大器)的其它合适的功率转换器。
发射器电路107还可包括谐振电容器。谐振电容器和发射器线圈的磁电感可形成谐振回路。取决于设计需要和不同应用，该谐振回路还可包括谐振电感器。在一些实施例中，谐振电感器可作为外部电感器实现。在另一些实施例中，谐振电感器可作为连接导线实现。
功率接收器120包括接收器线圈L2，在将功率接收器120放到功率发射器110附近之后，该接收器线圈L2磁耦合到发射器线圈L1。因此，可将电力传输到接收器线圈，并通过整流器112进一步递送到负载114。功率接收器120可包括次级谐振电容器。
整流器112将从接收器线圈L2的输出端接收到的交变极性波形转换成单极性波形。在一些实施例中，整流器112包括全波二极管桥和输出电容器。在另一些实施例中，可以用由诸如n-型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管的开关元件形成的全波桥取代全波二极管桥。
此外，整流器112可由其它类型的可控器件形成，诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件、双极结型晶体管(BJT)器件、超结晶体管(SJT)器件、绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件、基于氮化镓(GaN)的功率器件和/或类似器件。整流器112的详细运作和结构在本领域中众所周知，因此这里不再论述。
功率转换器104耦合在输入电压102和无线电力传输装置101的输入端之间。取决于设计需要和不同应用，功率转换器104可包括不同配置。在一些实施例中，功率转换器104可以是诸如基于buck电路的降压转换器的非隔离式功率转换器。在一些实施例中，功率转换器104具体可以为线性调节器。在一些实施例中，功率转换器104可以诸是如正向转换器的隔离式功率转换器。下文将结合图2描述功率转换器104的详细配置。
上文描述的功率转换器104的实现方式只是示例，它不应过度限制权利要求的范围，本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。
图2示出根据本发明的各种实施例的如图1所示的无线电力传输系统的示意图。该无线电力传输系统100包括级联连接在输入电源VIN和负载RL之间的功率转换器104和无线电力传输装置101。
功率转换器104是降压功率转换器(又称为基于buck电路的降压转换器)。功率转换器104包括第一开关Q1、第二开关Q2、电感器Lo和输出电容器Co。如图2所示，第一开关Q1和第二开关Q2串联连接在输入电源VIN和地之间。电感器Lo连接在第一开关Q1和第二开关Q2的共同节点与输出电容器Co之间。在本文中，第一开关Q1也可称为功率转换器104的高压侧开关。第二开关Q2也可称为功率转换器104的低压侧开关。
在一些实施例中，如图2所示，第一开关Q1和第二开关Q2均作为n-型晶体管实现。第一开关Q1的栅极和第二开关Q2的栅极被配置成接收由控制器(未示出)生成的栅极驱动信号。
应注意，图2中示出的功率转换器104只是示例，它不应过度限制权利要求的范围。本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如，第一开关Q1可作为p-型晶体管实现。
无线电力传输装置101包括级联连接在功率转换器104的输出端和负载RL之间的全桥106、谐振电容器Cp、松散耦合的变压器115和整流器112。松散耦合的变压器115由发射器线圈L1和接收器线圈L2形成。
全桥106包括四个开关元件，即S1、S2、S3和S4。如图2所示，开关元件S1和S3串联连接在功率转换器104的输出端和地之间。同样地，开关元件S2和S4串联连接在功率转换器104的输出端和地之间。开关元件S1和S3的共同节点耦合到发射器线圈L1的第一输入端。开关元件S2和S4的共同节点通过谐振电容器Cp耦合到发射器线圈L1的第二输入端。
根据一些实施例，开关元件S1、S2、S3和S4作为MOSFET或并联连接的MOSFET、其任意组合和/或类似元件实现。根据另一些实施例，开关元件(例如，开关S1)可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件。在另一些实施例中，原边开关可以是任何可控开关，比如，集成门极换流晶闸管(IGCT)器件、门极关断晶闸管(GTO)器件、可控硅整流器(SCR)器件、结栅场效应晶体管(JFET)器件、MOS控制晶闸管(MCT)器件、基于氮化镓(GaN)的功率器件和/或类似器件。
应注意，尽管本文中的示例基于全桥转换器(例如，图2中示出的全桥转换器106)，但是图1中示出的发射器电路107的实现可具有许多改变、备选和修改。例如，也可以采用半桥转换器、推挽式转换器、基于E类的功率转换器(例如，E类放大器)。此外，在一些应用中，当发射器线圈L1与接收器线圈L2紧密耦合时，可形成电感器-电感器-电容器(LLC)谐振转换器。
总之，本文中示出的全桥106仅仅是为了清楚地说明各种实施例的发明方面的目的。本发明不限于任何特定功率拓扑。
还应注意，尽管图2示出四个开关S1-S4，但是本发明的各种实施例可包括其它变化、修改和备选。例如，独立电容器可与全桥106的每个开关并联连接。此类独立电容器有助于更好地控制全桥106的谐振过程的计时。
接收器线圈L2的输出端通过谐振电容器Cs和整流器112耦合到负载RL，该整流器112由二极管D1、D2、D3和D4形成。如图2所示，二极管D1、D2、D3和D4形成耦合在接收器线圈L2和负载RL之间的全波二极管整流器。电容器Co用于降低噪声并提供稳定的输出电压。
应注意，图2中示出的整流器结构只是示例。本领域技术人员将意识到许多备选、改变和修改。例如，可以用四个开关来取代二极管D1、D2、D3和D4。
无线电力传输系统100包括级联连接的功率转换器104和无线电力传输装置101。当无线电力传输系统100在轻负载条件下工作时，采用功率转换器104来调节施加到无线电力传输装置101的电压。更特别地，当无线电力传输系统100的负载电流小于预定阈值时，功率转换器104被配置成调节施加到无线电力传输装置101的电压。在无线电力传输系统100的负载电流大于预定阈值之后，功率转换器104被配置成以始终打开模式工作。在始终打开模式期间，高压侧开关Q1始终打开，并且低压侧开关Q2始终关闭。在本文中，始终打开模式也可称为旁路模式。在一些实施例中，预定阈值在从无线电力传输系统100的全负载的约5％到全负载的约10％范围中。
在轻负载工作过程中，在一些实施例中，当无线电力传输系统100的负载电流小于预定阈值时，全桥106被配置成以最小占空比控制模式工作。在另一些实施例中，当无线电力传输系统的负载电流小于预定阈值时，全桥106被配置成以最小相移控制模式工作。
在无线电力传输系统100的负载电流大于预定阈值之后，全桥106被配置成以占空比控制模式工作。在另一些实施例中，全桥106被配置成以相移控制模式工作。下文将结合图3-14描述功率转换器104和全桥106的详细工作原理。
图2中示出的功率转换器104的一个有利特征是，功率转换器104能够在轻负载工作条件期间通过调整功率转换器104的输出电压来减小全桥106上的电压应力。从而，无需专用的EMI滤波器来满足EMC调节的要求。此外，在无线电力传输系统100进入到重负载工作模式之后，功率转换器104的高压侧开关Q1始终打开。此类始终打开模式有助于减少无线电力传输系统100的传输损耗，从而实现高效率。
图3是根据本发明的各种实施例的用于说明如图1所示的无线电力传输系统的工作原理的工作模式控制图表。图3的水平轴表示无线电力传输系统的负载电流。可以有两个垂直轴。第一个垂直轴Y1表示功率转换器104的输出电压。第二个垂直轴Y2表示无线电力传输系统100的全桥106的占空比/相位。
如图3所示，工作模式控制图表包括三个部分，即，第一部分302、第二部分304和第三部分306。在第一部分302中，无线电力传输系统100的负载电流小于第一预定阈值。如图3所示，功率转换器104被配置成以线性方式调节施加到全桥106的电压。同时，全桥106配置成以最小占空比控制模式或最小相移控制模式工作。
在第二部分304中，无线电力传输系统100的负载电流小于第二预定阈值且大于第一预定阈值。功率转换器104被配置成以始终打开模式工作。全桥106被配置成以占空比控制模式或相移控制模式工作。
在第三部分306中，无线电力传输系统100的负载电流大于第二预定阈值。功率转换器104被配置成以始终打开模式工作。全桥106被配置成以最大占空比控制模式或最大相移控制模式(例如，图3中示出的I2处的占空比/相位)工作。
应注意，图3中示出了至少三种工作模式。取决于无线电力传输系统的负载，无线电力传输系统100能够在不同模式之间具有平稳转变。例如，无线电力传输系统100从轻负载条件(例如，图3中示出的第一部分302)开始。在轻负载条件期间，功率转换器104调节施加到全桥106的电压。随着无线电力传输系统100的负载的增加，功率转换器104的输出达到它的最大电压(例如，图3中示出的I1处的电压)。功率转换器104停止切换并进入到始终打开模式。无线电力传输系统100的全桥106自动进入到占空比控制模式或相移控制模式(例如，图3中示出的第二部分304)。此外，随着无线电力传输系统100的负载减小并达到最小占空比或最小相移，如图3所示，功率转换器104自动从始终打开模式切换到电压调节模式。最小占空比也可称为箝位占空比。同样地，最小相位也可称为箝位相位。
如图3所示，取决于不同负载电流，全桥106可在最小占空比/最小相移控制模式或占空比/相移控制模式工作。将在图4-5中示出以最小占空比控制模式工作的全桥106的栅极驱动信号。将在图6中示出以最小相移控制模式工作的全桥106的栅极驱动信号。将在图7-8中示出以占空比控制模式工作的全桥106的栅极驱动信号。将在图9中示出以相移控制模式工作的全桥106的栅极驱动信号。
图4示出根据本发明的各种实施例的与最小占空比控制模式的第一种实现方式相关联的栅极驱动信号。图4的水平轴表示时间间隔。可以有四个垂直轴。第一个垂直轴Y1表示开关元件S1的栅极驱动信号。第二个垂直轴Y2表示开关元件S2的栅极驱动信号。第三个垂直轴Y3表示开关元件S3的栅极驱动信号。第四个垂直轴Y4表示开关元件S4的栅极驱动信号。
返回参考图2，全桥包括四个开关元件S1-S4。当无线电力传输系统100的负载电流小于预定阈值时，功率转换器被配置成调节施加到全桥106的输入端的电压。全桥106被配置成以最小占空比控制模式工作。
在最小占空比控制模式期间，开关元件S3的栅极驱动信号与开关元件S4的栅极驱动信号互补。开关元件S1的栅极驱动信号与开关元件S3的栅极驱动信号反相。在一些实施例中，可通过在开关元件S1的栅极和开关元件S3的栅极之间耦合反相器来生成开关元件S1的栅极驱动信号。同样地，开关元件S2的栅极驱动信号与开关元件S4的栅极驱动信号反相。在一些实施例中，可通过在开关元件S2的栅极和开关元件S4的栅极之间耦合反相器来生成开关元件S2的栅极驱动信号。
在一些实施例中，开关元件S3的栅极驱动信号的占空比代表全桥106的最小占空比。根据一些实施例，最小占空比约为30％。应注意，图4中示出的最小占空比只是示例。取决于不同应用和设计需要，最小占空比可相应改变。
还应注意，图4中示出的栅极驱动信号只是示例，它不应过度限制权利要求的范围。本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如，可在上文描述的两个互补栅极驱动信号之间存在死区时间。
图5示出根据本发明的各种实施例的与最小占空比控制模式的第二种实现方式相关联的栅极驱动信号。图5中示出的最小占空比控制模式与图4中示出的最小占空比控制模式类似，不同之处在于，开关元件S3的栅极驱动信号不与开关元件S4的栅极驱动信号互补。如图5所示，在开关元件S3的栅极驱动信号和开关元件S4的栅极驱动信号之间存在相位偏移。
在一些实施例中，开关元件S1的栅极驱动信号与开关元件S3的栅极驱动信号反相。开关元件S2的栅极驱动信号与开关元件S4的栅极驱动信号反相。在一些实施例中，开关元件S3的栅极驱动信号的占空比代表全桥的最小占空比。根据一些实施例，最小占空比约为30％。
图6示出根据本发明的各种实施例的与最小相移控制模式相关联的栅极驱动信号。在最小相移控制模式中，在开关元件S3的栅极驱动信号和开关元件S4的栅极驱动信号之间存在相位偏移。开关元件S1的栅极驱动信号与开关元件S3的栅极驱动信号反相。开关元件S2的栅极驱动信号与开关元件S4的栅极驱动信号反相。
在一些实施例中，在从时刻t1到时刻t2的第一时间周期和从时刻t3到时刻t4的第二时间周期期间，将无线电力传输系统100的电力从发射器线圈L1递送到接收器线圈L2。
图7示出根据本发明的各种实施例的与占空比控制模式的第一种实现方式相关联的栅极驱动信号。图7中示出的栅极驱动信号与图4中示出的栅极驱动信号类似，不同之处在于，占空比可调，以便控制从发射器线圈L1递送到接收器线圈L2的电力。在一些实施例中，占空比在从约30％到约50％的范围中。
图8示出根据本发明的各种实施例的与占空比控制模式的第二种实现方式相关联的栅极驱动信号。图8中示出的栅极驱动信号与图5中示出的栅极驱动信号类似，不同之处在于，占空比可调，以便控制从发射器线圈L1递送到接收器线圈L2的电力。在一些实施例中，占空比在从约30％到约50％的范围中。
图9示出根据本发明的各种实施例的与相移控制模式相关联的栅极驱动信号。图9中示出的栅极驱动信号与图6中示出的栅极驱动信号类似，不同之处在于，开关元件S3的栅极驱动信号和开关元件S4的栅极驱动信号之间的相位偏移可调，以便控制从发射器线圈L1递送到接收器线圈L2的电力。
图10示出根据本发明的各种实施例的在最小占空比控制模式的第一种实现方式下具有前沿对准的栅极驱动信号。图10的水平轴表示时间间隔。可以有五个垂直轴。第一个垂直轴Y1表示开关元件S1的栅极驱动信号。第二个垂直轴Y2表示开关元件S2的栅极驱动信号。第三个垂直轴Y3表示开关元件S3的栅极驱动信号。第四个垂直轴Y4表示开关元件S4的栅极驱动信号。第五个垂直轴Y5表示功率转换器104的高压侧开关Q1的栅极驱动信号。
为了改善无线电力传输系统100的EMI性能，如图10所示，将高压侧开关Q1的栅极驱动信号的前沿与开关元件S3的栅极驱动信号的前沿对准。此外，还将高压侧开关Q1的前沿与开关元件S4的栅极驱动信号的前沿对准。功率转换器104的栅极驱动信号和全桥106的栅极驱动信号之间的此类对准有助于减少诸如拍频问题的各种EMI问题。
在一些实施例中，功率转换器104的开关频率是全桥106的开关频率的N倍大。N是整数。在一些实施例中，全桥106的开关频率约为120KHz。功率转换器104的开关频率约为1.2MHz。
图11示出根据本发明的各种实施例的在最小占空比控制模式的第二种实现方式下具有第一前沿对准的栅极驱动信号。图11中示出的栅极驱动信号对准与图10中示出的栅极驱动信号对准类似，不同之处在于，如图11所示，分别将高压侧开关Q1的栅极驱动信号的前沿与开关元件S1-S4的栅极驱动信号的前沿对准。
图12示出根据本发明的各种实施例的在最小占空比控制模式的第二种实现方式下具有第二前沿对准的栅极驱动信号。图12中示出的栅极驱动信号对准与图11中示出的栅极驱动信号对准类似，不同之处在于，如图12所示，分别将高压侧开关Q1的栅极驱动信号的前沿与开关元件S3和S4的栅极驱动信号的前沿对准。
图13示出根据本发明的各种实施例的在最小相移控制模式下具有第一前沿对准的栅极驱动信号。图13中示出的栅极驱动信号对准与图10中示出的栅极驱动信号对准类似，不同之处在于，如图13所示，分别将高压侧开关Q1的栅极驱动信号的前沿与开关元件S1-S4的栅极驱动信号的前沿对准。
图14示出根据本发明的各种实施例的在最小相移控制模式下具有第二前沿对准的栅极驱动信号。图14中示出的栅极驱动信号对准与图13中示出的栅极驱动信号对准类似，不同之处在于，如图14所示，分别将高压侧开关Q1的栅极驱动信号的前沿与开关元件S1和S3的栅极驱动信号的前沿对准。
图15示出根据本发明的各种实施例的用于控制图2中示出的开关的流程图。图15中示出的该流程图只是示例，它不应过度限制权利要求的范围。本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如，图15中示出的各种步骤可增加、去除、取代、重新排列和重复。
返回参考图2，无线电力传输系统100包括级联连接在输入电源VIN和负载RL之间的功率转换器104和无线电力传输装置101。功率转换器104是降压功率转换器。无线电力传输装置101包括连接在功率转换器104的输出端和发射器线圈L1之间的全桥106。
取决于不同负载状况，无线电力传输系统100可在不同工作模式中工作以便改善无线电力传输系统的性能。更特别地，在轻负载条件下，功率转换器104被配置成调节施加到全桥106的电压。同时，全桥106被配置成以最小占空比控制模式或最小相移控制模式工作。在无线电力传输系统100的负载达到预定阈值之后，功率转换器104进入到始终打开模式，并且可对全桥106运行占空比控制模式或相移控制模式以便控制递送给无线电力传输系统100的负载的电力。
在步骤1502，通过合适的感测设备检测无线电力传输系统100的负载电流。通过控制器处理检测到的负载电流。特别地，将检测到的负载电流与预定电流阈值进行比较。在一些实施例中，控制器可以是数字控制器。
在步骤1504，当负载电流小于第一电流阈值时，将功率转换器104配置成调节施加到无线电力传输装置的全桥106的电压。在一些实施例中，当负载电流小于第一电流阈值时，将全桥106配置成以最小相移控制模式工作。在另一些实施例中，将全桥106配置成以最小占空比控制模式工作。
应注意，以上阈值只是示例，它不应过度限制权利要求的范围。本领域技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如，第一电流阈值可基于不同应用和设计需要进行改变。
在步骤1506，当负载电流大于第一电流阈值时，将功率转换器104配置成以始终打开模式工作。在一些实施例中，当负载电流大于第一电流阈值时，将全桥106配置成以相移控制模式工作。在另一些实施例中，将全桥106配置成以占空比控制模式工作。
在步骤1508，当负载电流大于第二电流阈值时，将功率转换器104配置成以始终打开模式工作。在一些实施例中，当负载电流大于第二电流阈值时，将全桥106配置成以最大相移控制模式工作。在另一些实施例中，将全桥106配置成以最大占空比控制模式工作。第二电流阈值大于第一电流阈值。
尽管详细描述了本发明的实施例及其优点，但是应了解，在不偏离由随附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可在本文中进行各种改变、替换和备选。
而且，不希望本发明的范围局限于在本说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法和步骤的特定实施例。本领域技术人员将从本发明的公开内容容易地明白，根据本发明，可利用与本文中所描述的对应实施例执行大体上相同的功能或实现大体上相同的结果的目前现有或以后要开发的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。因此，希望随附权利要求在它们的范围内包含此类过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。

Claims (20)

1.一种设备，其特征在于，包括：
功率转换器，其连接在输入电源和无线电力传输系统之间，
其中：
当所述无线电力传输系统的负载电流小于第一阈值时，所述功率转换器被配置成调节施加到所述无线电力传输系统的电压；并且
当所述无线电力传输系统的所述负载电流大于所述第一阈值时，所述功率转换器被配置成以始终打开模式工作。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，
所述功率转换器是降压转换器。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述无线电力传输系统包括：
全桥，其连接在所述功率转换器的输出端和地之间；
发射器线圈，其耦合到所述全桥；
接收器线圈，其磁耦合到所述发射器线圈；以及
整流器，其连接到所述接收器线圈。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，
当所述无线电力传输系统的所述负载电流小于所述第一阈值时，所述全桥被配置成以最小占空比控制模式工作；并且
当所述无线电力传输系统的所述负载电流大于所述第一阈值时，所述全桥被配置成以占空比控制模式工作。
5.如权利要求3所述的设备，其特征在于，
当所述无线电力传输系统的所述负载电流小于所述第一阈值时，所述全桥被配置成以最小相移控制模式工作；并且
当所述无线电力传输系统的所述负载电流大于所述第一阈值时，所述全桥被配置成以相移控制模式工作。
6.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述整流器包括：
级联连接的全波整流器和电容器，并且其中所述全波整流器包括四个二极管。
7.如权利要求3所述的设备，其特征在于，还包括：
谐振电容器，其连接在所述全桥和所述发射器线圈之间。
8.如权利要求3所述的设备，其特征在于，
当所述无线电力传输系统的所述负载电流大于第二阈值时，所述全桥被配置成以最大占空比控制模式工作。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，
所述第二阈值大于所述第一阈值。
10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，
所述功率转换器被配置成调节施加给所述无线电力传输系统的所述电压，以使得施加给所述无线电力传输系统的所述电压以线性方式上升。
11.一种方法，其特征在于，包括：
检测无线电力传输系统的负载电流，所述无线电力传输系统包括功率转换器和无线电力传输装置，所述功率转换器和所述无线电力传输装置级联连接在输入电源和负载之间；
当所述负载电流小于第一电流阈值时，将所述功率转换器配置成调节施加到所述无线电力传输装置的电压；并且
当所述负载电流大于所述第一电流阈值时，将所述功率转换器配置成以始终打开模式工作。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，
所述功率转换器包括：
高压侧开关和低压侧开关，所述高压侧开关和所述低压侧开关串联连接在所述输入电源和地之间；以及
电感器，其连接到所述高压侧开关和所述低压侧开关的共同节点；并且
所述无线电力传输装置包括：
全桥，其连接在所述功率转换器的输出端和地之间；
发射器线圈，其耦合到所述全桥；
谐振电容器，其连接在所述全桥和所述发射器线圈之间；
接收器线圈，其磁耦合到所述发射器线圈；以及
整流器，其连接到所述接收器线圈。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述负载电流小于所述第一电流阈值时，将所述全桥配置成以最小相移控制模式工作；以及
当所述负载电流大于所述第一电流阈值时，将所述全桥配置成以相移控制模式工作。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
当所述负载电流小于所述第一电流阈值时，将所述全桥配置成以最小占空比控制模式工作；以及
当所述负载电流大于所述第一电流阈值时，将所述全桥配置成以占空比控制模式工作。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，
在所述功率转换器的输出电压达到所述功率转换器的最大输出电压之后，所述功率转换器自动从电压调节模式切换到所述始终打开模式；并且
在所述全桥达到所述全桥的箝位占空比之后，所述功率转换器自动从所述始终打开模式切换到所述电压调节模式。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述功率转换器的开关频率是所述全桥的开关频率的N倍大，并且其中N是整数。
17.一种系统，其特征在于，包括：
转换器，其包括：
高压侧开关和低压侧开关，所述高压侧开关和所述低压侧开关串联连接在输入电源和地之间；
电感器，其连接到所述高压侧开关和所述低压侧开关的共同节点；以及
输出电容器，其连接到所述电感器；以及
无线电力传输装置，其包括：
全桥，其连接在所述功率转换器的输出端和地之间；
发射器线圈，其耦合到所述全桥；
谐振电容器，其连接在所述全桥和所述发射器线圈之间；
接收器线圈，其磁耦合到所述发射器线圈；以及
整流器，其连接到所述接收器线圈，其中所述转换器被配置成响应于所述无线电力传输装置的不同负载电流以两种不同的工作模式工作。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，
当所述无线电力传输装置的负载电流小于第一阈值时，所述转换器被配置成调节施加到所述全桥的电压；并且
当所述无线电力传输装置的所述负载电流大于所述第一阈值时，所述转换器被配置成以旁路模式工作，并且其中在所述旁路模式期间，施加到所述全桥的所述电压等于所述输入电源的输出电压。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，
当所述无线电力传输装置的所述负载电流小于所述第一阈值时，所述全桥被配置成以最小占空比控制模式工作；并且
当所述无线电力传输装置的所述负载电流大于所述第一阈值时，所述全桥被配置成以占空比控制模式工作。
20.如权利要求18所述的系统，其特征在于，
当所述无线电力传输装置的所述负载电流小于所述第一阈值时，所述全桥被配置成以最小相移控制模式工作；以及
当所述无线电力传输装置的所述负载电流大于所述第一阈值时，所述全桥被配置成以相移控制模式工作。
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