CN112542897B - H-桥栅极控制设备 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种H‑桥栅极控制设备，包括：串联连接在第一电压总线和第二电压总线之间的第一开关和第二开关，其中第一开关和第二开关的公共节点连接到磁耦合至第二线圈的第一线圈的第一端子；以及串联连接在第一电压总线和第二电压总线之间的第三开关和第四开关，其中第三开关和第四开关的公共节点耦合到第一线圈的第二端子，并且其中通过从第三开关和第四开关的公共节点上的信号导出的第一信号来控制第一开关的栅极，并通过从第一开关和第二开关的公共节点上的信号导出的第二信号来控制第三开关的栅极。本发明提供的一种H‑桥栅极控制设备，应用于无线电能传输系统中，可靠且高效。

Description

H-桥栅极控制设备
技术领域
本发明涉及栅极驱动控制设备，并且在特定实施例中，涉及无线电能传输系统中的H-桥的栅极驱动控制设备。
背景技术
随着技术进一步发展，无线电能传输作为用于为诸如移动电话、平板PC、数码相机、MP3播放器和/或类似装置的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。无线电能传输系统通常包括初级侧发射器和次级侧接收器。初级侧发射器通过磁耦合而磁耦合到次级侧接收器。磁耦合可作为具有在初级侧发射器中形成的初级侧线圈和在次级侧接收器中形成的次级侧线圈的松散耦合的变压器实现。
初级侧发射器可包括诸如功率转换器的初级侧的功率转换单元。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。次级侧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和高效率无线电能传输系统。基于谐振转换器的无线电能传输系统已经变成是用于实现高性能(例如，更低的功率损耗)的优先选择，因为谐振转换器能够通过零电压开关和/或零电流开关减少功率开关的开关损耗。但是，随着无线电能传输系统的功率变得越来越高，实现可靠且高效率功率无线电能传输系统变成是显著问题，它对无线电能传输系统的系统设计带来挑战。
可取的是具有简单且可靠的栅极驱动控制设备以便在各种工作状况下有效地驱动接收器开关电路以及发射器开关电路。
发明内容
通过在无线电能传输系统中提供用于驱动H-桥开关电路的栅极控制设备的本公开的较佳实施例，一般解决或规避这些和其它问题，并且一般实现技术优点。
根据一个实施例，一种设备包括：串联连接在第一电压总线和第二电压总线之间的第一开关和第二开关，其中第一开关和第二开关的公共节点连接到磁耦合至第二线圈的第一线圈的第一端子；以及串联连接在第一电压总线和第二电压总线之间的第三开关和第四开关，其中第三开关和第四开关的公共节点耦合至第一线圈的第二端子，并且其中通过从第三开关和第四开关的公共节点上的信号导出的第一信号来控制第一开关的栅极，并通过从第一开关和第二开关的公共节点上的信号导出的第二信号来控制第三开关的栅极。
根据另一个实施例，一种方法包括：利用从第一线圈的第一端子处的信号导出的第一信号控制H-桥的第一高压侧开关，其中第一线圈耦合在H-桥的第一中点和第二中点之间；以及利用从第一线圈的第二端子处的信号导出的第二信号控制H-桥的第二高压侧开关。
根据又一个实施例，一种系统包括：连接在电源和发射器线圈之间的发射器开关电路；磁耦合至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，其中整流器包括：串联连接在第一电压总线和第二电压总线之间的第一开关和第二开关，其中第一开关和第二开关的公共节点连接到接收器线圈的第一端子；以及串联连接在第一电压总线和第二电压总线之间的第三开关和第四开关，其中第三开关和第四开关的公共节点通过谐振电容连接到接收器线圈的第二端子，并且其中通过从第三开关和第四开关的公共节点上的信号导出的第一信号来控制第一开关的栅极，并通过从第一开关和第二开关的公共节点上的信号导出的第二信号来控制第三开关的栅极。
本公开的实施例的优点是应用于无线电能传输系统中的H-桥开关电路的简单且可靠的栅极控制设备。
上文相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，以便可以更好地理解以下对本公开的详细描述。下文将描述本公开的额外特征和优点，它们形成本公开的权利要求的主题。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公开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如随附权利要求中所阐述的本公开的精神和范围。
附图说明
为了更全面地了解本公开及其优点，现在结合附图参考以下描述，图中：
图1示出根据本发明的各种实施例的无线电能传输系统的框图；
图2示出根据本发明的各种实施例在图1中示出的无线电能传输系统的示意图；
图3示出根据本发明的各种实施例在图2中示出的整流器的栅极控制机制的第一实现；
图4是根据本发明的各种实施例示出在图3中示出的栅极控制机制的工作原理的栅极控制图；
图5示出根据本发明的各种实施例在图2中示出的整流器的栅极控制机制的第二实现；
图6示出根据本发明的各种实施例在图2中示出的整流器的栅极控制机制的第三实现；
图7是根据本发明的各种实施例示出在图6中示出的栅极控制机制的工作原理的栅极控制图；
图8示出根据本发明的各种实施例在图6中示出的线性调节器的第一实现的示意图；
图9示出根据本发明的各种实施例在图6中示出的线性调节器的第二实现的示意图；
图10示出根据本发明的各种实施例在图2中示出的整流器的栅极控制机制的第四实现；
图11示出根据本发明的各种实施例在图2中示出的发射器的开关电路的栅极控制机制；
图12是根据本发明的各种实施例示出在图11中示出的栅极控制机制的第一实现的工作原理的栅极控制图；以及
图13是根据本发明的各种实施例示出在图11中示出的栅极控制机制的第二实现的工作原理的栅极控制图。
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，本公开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公开的特定方式，而不是限制本公开的范围。
将在特定情境(即，用于驱动无线电能传输系统中的H-桥的栅极驱动控制设备)中关于较佳实施例描述本公开。但是，本发明也可应用于各种功率系统。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能传输系统的框图。无线电能传输系统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和无线电能传输装置101。无线电能传输装置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的输入端耦合至功率转换器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的输出端耦合至负载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，可将功率从功率发射器110传输到功率接收器120。
在一些实施例中，功率发射器110可位于充电板内。发射器线圈L1放置在充电板的上表面下方。功率接收器120可嵌入在移动电话内。当将移动电话放置在充电板附近时，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L1和接收器线圈L2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之间进行功率传输。通过耦合系数k来量化发射器线圈L1和接收器线圈L2之间的耦合的强度。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可形成功率系统，通过该功率系统，将功率从输入电源102无线传输到负载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能源。此外，输入电源102可以是诸如可充电电池、燃料电池和/或类似装置的能量储存装置。
负载114表示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初级侧开关。全桥又称为H-桥。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初级侧开关。发射器电路107的详细配置将在图2中描述。
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，另一些实施例中可使用诸如基于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。谐振电容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，谐振回路还可包括谐振电感。在一些实施例中，谐振电感可作为外部电感实现。在另一些实施例中，谐振电感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放置在功率发射器110附近之后，接收器线圈L2磁耦合到发射器线圈L1。因此，可将功率传输到接收器线圈，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。
整流器112将从接收器线圈L2的输出端接收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作为包括四个开关的同步整流器实现。同步整流器又称为H-桥。在另一些实施例中，整流器112包括全波二极管桥和输出电容。
此外，同步整流器可由任何可控器件形成，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。下文将关于图2论述整流器112的详细结构。
功率转换器104耦合在输入电源102和无线电能传输装置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可包括许多不同配置。在一些实施例中，功率转换器104可以是诸如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可作为线性调节器实现。在一些实施例中，功率转换器104可以是诸如正激式变换器的隔离式功率转换器。
上文描述的功率转换器104的实现只是示例，它不应过度限制权利要求书的范围。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在图1中示出的无线电能传输系统的示意图。无线电能传输装置101包括级联连接的发射器电路107、谐振电容Cp、松散耦合的变压器115、谐振电容Cs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。发射器电路107作为如图2所示的全桥实现。在本描述通篇中，发射器电路107又被称为全桥。
全桥107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S2串联连接在输入电压总线V1和地之间。输入电压总线V1连接到如图1所示的功率转换器104的输出端。同样地，开关元件S3和S4串联连接在输入电压总线V1和地之间。开关元件S1和S2的公共节点耦合至发射器线圈L1的第一输入端子。开关元件S3和S4的公共节点通过谐振电容Cp耦合至发射器线圈L1的第二输入端子。
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/或类似组件实现。根据备选实施例，开关元件(例如，开关S1)可以是绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件。在另一些实施例中，初级开关可以是任何可控开关，诸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，尽管本描述通篇中的示例基于全桥转换器(例如，图2中示出的全桥107)，但是如图2所示的发射器电路107的实现可具有许多改变、备选和修改。例如，在另一些实施例中采用半桥转换器、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，当将发射器线圈L1与接收器线圈L2紧密耦合时，可形成电感-电感-电容(LLC)谐振转换器。
总之，本文中示出的全桥107只限于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改变、修改和备选。例如，独立电容可与全桥107的每个开关并联连接。此类独立电容有助于更好地控制全桥107的谐振过程的计时。
接收器线圈L2的输出端通过谐振电容Cs、整流器112和电容Co耦合至负载RL。整流器将从接收器线圈L2的输出端接收的交变极性波形转换成单极性波形。采用电容Co来衰减噪声并提供稳定的输出电压。谐振电容Cs有助于实现无线电能传输系统的软开关。
在一些实施例中，整流器112作为同步整流器实现。整流器112包括四个开关元件，即S5、S6、S7和S8。如图2所示，开关元件S5和S6串联连接在整流器112的输出端子和地之间。同样地，开关元件S7和S8串联连接在整流器112的输出端子和地之间。如图2所示，开关元件S5和S6的公共节点AC1耦合至接收器线圈L2的第一端子。开关元件S7和S8的公共节点AC2通过谐振电容Cs耦合至接收器线圈L2的第二端子。在本描述通篇中，整流器112又被称为H-桥。节点AC1又被称为H-桥的第一中点。节点AC2又被称为H-桥的第二中点。开关元件S5和S7备选地称为高压侧开关。开关元件S6和S8又被称为低压侧开关。
根据一些实施例，开关元件S5、S6、S7和S8作为MOSFET或并联连接的MOSFET、其任意组合和/或类似组件实现。特别地，S5和S7作为如图2所示的p-型晶体管实现。S6和S8作为如图2所示的n-型晶体管实现。
图3示出根据本发明的各种实施例在图2中示出的整流器的栅极控制机制的第一实现。如图3所示，开关元件S5的栅极(PG1)直接连接到节点AC2。开关元件S7的栅极(PG2)直接连接到节点AC1。通过PWM控制器(图中未示出)借助于合适的栅极驱动电路来控制开关元件S6的栅极(NG1)和开关元件S8的栅极(NG2)。图3中示出的栅极控制机制的详细工作原理将在图4中详细描述。
具有图3中示出的栅极控制机制的一个有利特征是，自驱动电路可简化无线电能传输系统的驱动器电路。更具体来说，通过采用图3中示出的栅极控制机制，可免除高压侧驱动器，从而降低成本并提高无线电能传输系统的可靠性。
图4是根据本发明的各种实施例示出在图3中示出的栅极控制机制的工作原理的栅极控制图。图4的水平轴表示时间间隔。有四个垂直轴。第一个垂直轴Y1表示节点AC1处的电压，节点AC1处的电压直接施加到PG2，如图3所示。第二个垂直轴Y2表示节点AC2处的电压，节点AC2处的电压直接施加到PG1，如图3所示。第三个垂直轴Y3表示栅极驱动信号NG2。第四个垂直轴Y4表示栅极驱动信号NG1。
在时刻t1之前，开关元件S6和S7均接通，并且开关元件S5和S8均关断，分别如栅极驱动信号NG1、PG2、PG1和NG2所指示。在t1，栅极驱动信号NG1从逻辑高状态变为逻辑低状态。响应于该变化，开关元件S6关断。作为关断开关元件S6的结果，节点AC1处的电压相应增大。在从t1到t2的时间周期期间，随着PG2的电压增大，在PG2增大至大于开关元件S7的关断阈值的电压电平之后，开关元件S7关断。同样地，随着PG1的电压减小，在PG1减小至小于开关元件S5的接通阈值的电压电平之后，开关元件S5接通。
在t2，栅极驱动信号NG2从逻辑低状态变为逻辑高状态。响应于该变化，开关元件S8接通。在从t2到t3的时间周期期间，开关元件S6和S7均关断，并且开关元件S5和S8均接通，分别如栅极驱动信号NG1、PG2、PG1和NG2所指示。
在t3，栅极驱动信号NG2从逻辑高状态变为逻辑低状态。响应于该变化，开关元件S8关断。作为关断开关元件S8的结果，节点AC2处的电压相应增大。在从t3到t4的时间周期期间，随着PG1的电压增大，在PG1增大至大于开关S5的关断阈值的电压电平之后，开关元件S5关断。同样地，随着PG2的电压减小，在PG2减小至小于开关元件S7的接通阈值的电压电平之后，开关元件S7接通。
在t4，栅极驱动信号NG1从逻辑低状态变为逻辑高状态。响应于该变化，开关元件S6接通。在从t4到t5的时间周期期间，开关元件S6和S7均接通，并且开关元件S5和S8均关断，分别如栅极驱动信号NG1、PG2、PG1和NG2所指示。
在从t5到t6的时间周期期间，栅极驱动信号的导通/断开状态与在从t1到t2的时间周期期间的栅极驱动信号的导通/断开状态类似，因此不再详细论述以免重复。
图4表明，图3中示出的栅极控制机制能够控制整流器112以便将从接收器线圈L2的输出端接收的交变极性波形转换成单极性波形。此外，整流器112的同步操作有助于提高无线电能传输系统的效率。
图5示出根据本发明的各种实施例在图2中示出的整流器的栅极控制机制的第二实现。如图5所示，开关元件S5的栅极(PG1)通过第一栅极控制电路502连接到节点AC2。开关元件S7的栅极(PG2)通过第二栅极控制电路504连接到节点AC1。通过PWM控制器(图中未示出)借助于合适的栅极驱动电路控制开关元件S6的栅极(NG1)和开关元件S8的栅极(NG2)。
在一些实施例中，第一栅极控制电路502作为第一定时电路实现。例如，第一栅极控制电路502可包括电阻-电容延迟电路。采用电阻-电容延迟电路来对开关元件S5的栅极驱动信号施加第一计时延迟。同样地，第二栅极控制电路504作为第二定时电路实现。例如，第二栅极控制电路504可包括电阻-电容延迟电路。采用电阻-电容延迟电路来对开关元件S7的栅极驱动信号施加第二计时延迟。
在另一些实施例中，第一栅极控制电路502作为第一决策电路实现。例如，第一栅极控制电路502可包括禁用/启用电路。采用禁用/启用电路来控制开关元件S5的操作。具体来说，当启用该禁用/启用电路时，开关元件S5以同步整流器模式运行。当禁用该禁用/启用电路时，开关元件S5以二极管模式运行。同样地，第二栅极控制电路504作为第二决策电路实现。第二决策电路的工作原理与第一决策电路的工作原理类似，因此这里不再论述以免重复。
图6示出根据本发明的各种实施例在图2中示出的整流器的栅极控制机制的第三实现。如图6所示，开关元件S5的栅极(PG1)通过第一电压钳位电路602连接到节点AC2。开关元件S7的栅极(PG2)通过第二电压钳位电路604连接到节点AC1。通过PWM控制器(图中未示出)借助于合适的栅极驱动电路控制开关元件S6的栅极(NG1)和开关元件S8的栅极(NG2)。
在一些实施例中，第一电压钳位电路602作为合适的电压钳位装置防止对开关元件S5的栅极和源极施加高电压应力。例如，第一电压钳位电路602可作为线性调节器实现。可通过改变线性调节器两端的电压降来调整施加到开关S5的栅极和源极的电压应力。同样地，第二电压钳位电路604作为用于防止对开关元件S7的栅极和源极施加高电压应力的合适的电压钳位装置实现。例如，第二电压钳位电路604可作为线性调节器实现。可通过改变线性调节器两端的电压降来调整施加到开关元件S7的栅极和源极的电压应力。
图7是根据本发明的各种实施例示出在图6中示出的栅极控制机制的工作原理的栅极控制图。图7的水平轴表示时间间隔。有四个垂直轴。第一个垂直轴Y1表示节点AC1处的电压，节点AC1处的电压直接施加到PG2。第二个垂直轴Y2表示节点AC2处的电压，节点AC2处的电压直接施加到PG1。第三个垂直轴Y3表示栅极驱动信号NG2。第四个垂直轴Y4表示栅极驱动信号NG1。
图7中示出的栅极驱动信号NG1、NG2、PG1和PG2与图4中示出的栅极驱动信号类似，不同之处在于，将PG1和PG2的最低电压钳位至预设电压电平。如图7所示，在从t2到t3的时间周期期间，节点AC2处的电压等于零。相比之下，将PG1的电压钳位至第一预设电压VG1。同样地，在从t4到t5的时间周期期间，节点AC1处的电压减小为零。相比之下，将PG2的电压钳位至第二预设电压VG2。在一些实施例中，第一预设电压VG1等于第二预设电压VG2。在另一些实施例中，第一预设电压VG1可不同于第二预设电压VG2。
图8示出根据本发明的各种实施例在图6中示出的线性调节器的第一实现的示意图。图6中示出的第一电压钳位电路602作为第一线性调节器实现。如图8所示，第一线性调节器是连接在开关元件S5的栅极(PG1)和节点AC2之间的第一p-型晶体管SB1。同样地，图6中示出的第二电压钳位电路604作为第二线性调节器实现。如图8所示，第二线性调节器是连接在开关元件S7的栅极(PG2)和节点AC1之间的第二p-型晶体管SB2。
如图8所示，第一p-型晶体管SB1的栅极和第二p-型晶体管SB2的栅极连接在一起，并且进一步连接到预设偏置电压源VB。在操作中，通过改变预设偏置电压源VB的输出电压，可相应调整开关元件S5和S7的栅极和源极上的电压应力。
在一些实施例中，预设偏置电压源VB是可调电压源。在操作中，在启动过程期间，可缓慢减小预设偏置电压源VB的电压电平，以便缓慢接通开关元件S5和S7。因此，可平稳地建立输出电压Vo。在另一些实施例中，可动态地调整预设偏置电压源VB的电压电平，以使得开关元件S5和S7两端的电压降可改变。可利用开关元件S5和S7两端的电压降的改变来调节输出电压Vo。
图9示出根据本发明的各种实施例在图6中示出的线性调节器的第二实现的示意图。图9中示出的线性调节器的实现与图8中示出的线性调节器的实现类似，不同之处在于，预设偏置电压源VB通过如图9所示的开关Sc连接到输出电压Vo。在操作中，当开关Sc关闭时，将开关元件S5的栅极和开关元件S7的栅极上拉至高电压。因此，禁用开关元件S5和S7。开关元件S5和S7以二极管模式工作。另一方面，当开关Sc打开时，线性调节器的操作与图8中示出的线性调节器的操作类似。
图10示出根据本发明的各种实施例在图2中示出的整流器的栅极控制机制的第四实现。图10中示出的栅极控制机制与图3中示出的栅极控制机制类似，不同之处在于，采用辅助线圈来进一步改善开关元件S5和S7的驱动电路。
如图10所示，辅助线圈L3磁耦合至发射器线圈L1和接收器线圈L2。每个线圈的圆点表示线圈的极性。基于接收器线圈L2和辅助线圈L3的圆点，节点AC3上的电压具有与节点AC1上的电压相同的相位。同样地，节点AC4上的电压具有与节点AC2上的电压相同的相位。辅助线圈L3可直接用于驱动开关元件S5和S7。如图10所示，开关元件S5的栅极(PG1)直接连接到节点AC4。开关元件S7的栅极(PG2)直接连接到节点AC3。与图3中示出的实施例相比，可选择辅助线圈L3的圈数，以便分别对PG1和PG2施加合适的栅极驱动电压。例如，在高电压接收器中，由接收器线圈L2生成的电压不适合于直接驱动PG1和PG2。辅助线圈L3可设计成生成较低电压以便直接驱动PG1和PG2。
应注意，图5-9中示出的实施例可与图10中示出的辅助线圈组合。例如，可在图10中采用如图5所示的电阻-电容延迟电路。具体来说，第一电阻-电容延迟电路可连接在节点AC4和栅极PG1之间。第二电阻-电容延迟电路可连接在节点AC3和栅极PG2之间。
图11示出根据本发明的各种实施例在图2中示出的发射器的开关电路的栅极控制机制。发射器的开关电路作为H-桥实现。H-桥包括串联连接在电压总线V1和地之间的开关元件S1和S2以及串联连接在电压总线V1和地之间的开关元件S3和S4。如图11所示，开关元件S1和S3作为p-型晶体管实现。开关元件S2和S4作为n-型晶体管实现。
开关元件S1的栅极(PG1)直接连接到节点AC2。同样地，开关元件S3的栅极(PG2)直接连接到节点AC1。采用第一感应装置1102来检测节点AC1的电压电平。第一感应装置1102生成信号AC1_HIGH。当节点AC1的电压电平接近于电压总线V1上的电压时，信号AC1_HIGH为逻辑高信号。第一感应装置1102可作为任何合适的电压感应装置实现。采用第二感应装置1104来检测节点AC2的电压电平。第二感应装置1104生成信号AC2_HIGH。当节点AC2的电压电平接近于电压总线V1上的电压时，信号AC2_HIGH为逻辑高信号。第二感应装置1104可作为任何合适的电压感应装置实现。
采用控制器1100来基于信号PWM1、PWM2、AC1_HIGH和AC2_HIGH来生成栅极驱动信号NG1_DRV和NG2_DRV。下文将关于图12-13描述控制器1100的详细工作原理。如图11所示，将栅极驱动信号NG1_DRV馈送到第一缓冲器1101中。第一缓冲器1101生成施加到开关元件S2的栅极NG1的栅极驱动信号。将栅极驱动信号NG2_DRV馈送到第二缓冲器1103中。第二缓冲器1103生成施加到开关元件S4的栅极NG2的栅极驱动信号。
在操作中，系统控制器(图中未示出)生成分别用于驱动开关元件S2和S4的栅极驱动信号PWM1和PWM2。感应装置1102和1104分别检测节点AC1和AC2处的电压电平。在控制器1100中处理检测的信号AC1_HIGH和AC2_HIGH以及PWM信号PWM1、PWM2。控制器1100生成驱动信号NG1_DRV和NG2_DRV，通过缓冲器1101和1103将这些信号施加到开关元件S2和S4的栅极。
应注意，图5-10中示出的实施例可与图11中示出的栅极控制电路组合。例如，可在图11中采用图10中示出的辅助线圈。具体来说，栅极PG1和PG2可连接到辅助线圈的两个端子。
图12是根据本发明的各种实施例示出在图11中示出的栅极控制机制的第一实现的工作原理的栅极控制图。图12的水平轴表示时间间隔。有六个垂直轴。第一个垂直轴Y1表示由系统控制器生成的栅极驱动信号PWM1。第二个垂直轴Y2表示第二感应装置1104的输出信号AC2_HIGH。第三个垂直轴Y3表示通过第一缓冲器1101施加到开关元件S2的栅极的栅极驱动信号NG1_DRV。第四个垂直轴Y4表示由系统控制器生成的栅极驱动信号PWM2。第五个垂直轴Y5表示第一感应装置1102的输出信号AC1_HIGH。第六个垂直轴Y6表示通过第二缓冲器1103施加到开关元件S4的栅极的栅极驱动信号NG2_DRV。
在时刻t1之前，NG1_DRV具有逻辑低状态，并且NG2_DRV具有逻辑高状态。开关元件S2关断，并且开关元件S4接通。在t1，栅极驱动信号PWM1从逻辑低状态变为逻辑高状态，并且栅极驱动信号PWM2从逻辑高状态变为逻辑低状态。同样在t1，响应于栅极驱动信号PWM2的下降沿，栅极驱动信号NG2_DRV从逻辑高状态变为逻辑低状态。响应于NG2_DRV的逻辑状态变化，在从t1到t2的时间周期期间，开关元件S4关断，并且节点AC2处的电压相应增大。在t2，节点AC2处的电压接近于V1。第二感应装置1104的输出信号AC2_HIGH从逻辑低状态变为逻辑高状态。通过信号PWM1和AC2_HIGH确定栅极驱动信号NG1_DRV。具体来说，通过PWM1和AC2_HIGH的“与”操作的结果来确定栅极驱动信号NG1_DRV。在从t2到t3的时间周期期间，PWM1和AC2_HIGH均具有逻辑高状态。根据“与”操作的工作原理，如图12所示，从t2到t3，栅极驱动信号NG1_DRV具有逻辑高状态。
在t3，栅极驱动信号PWM1从逻辑高状态变为逻辑低状态，并且栅极驱动信号PWM2从逻辑低状态变为逻辑高状态。同样在t3，响应于栅极驱动信号PWM1的下降沿，栅极驱动信号NG1_DRV从逻辑高状态变为逻辑低状态。响应于NG1_DRV的逻辑状态改变，在从t3到t4的时间周期期间，开关S2关断，并且节点AC1处的电压相应增大。在t4，节点AC1处的电压接近于V1。第一感应装置1102的输出信号AC1_HIGH从逻辑低状态变为逻辑高状态。通过PWM2和AC1_HIGH确定栅极驱动信号NG2_DRV。具体来说，通过PWM2和AC1_HIGH的“与”操作的结果来确定栅极驱动信号NG2_DRV。在从t4到t5的时间周期期间，PWM2和AC1_HIGH均具有逻辑高状态。根据“与”操作的工作原理，从t4到t5，栅极驱动信号NG2_DRV具有逻辑高状态。
在从t5到t6的时间周期期间，栅极驱动信号的状态与在从t1到t2的栅极驱动信号的状态类似，因此不再详细论述以免重复。
图13是根据本发明的各种实施例示出在图11中示出的栅极控制机制的第二实现的工作原理的栅极控制图。图13的水平轴表示时间间隔。有八个垂直轴。第一个垂直轴Y1表示由系统控制器生成的栅极驱动信号PWM1。第二个垂直轴Y2表示第二感应装置1104的输出信号AC2_HIGH。第三个垂直轴Y3表示AC2上升/下降延迟信号AC2_HIGH_DELAY。第四个垂直轴Y4表示通过第一缓冲器1101施加到开关元件S2的栅极的栅极驱动信号NG1_DRV。第五个垂直轴Y5表示由系统控制器生成的栅极驱动信号PWM2。第六个垂直轴Y6表示第一感应装置1102的输出信号AC1_HIGH。第七个垂直轴Y7表示AC1上升/下降延迟信号AC1_HIGH_DELAY。第八个垂直轴Y8表示通过第二缓冲器1103施加到开关元件S4的栅极的栅极驱动信号NG2_DRV。
栅极驱动信号NG1_DRV和NG2_DRV的生成与图12中示出的生成类似，不同之处在于，通过PWM1和AC2_HIGH_DELAY的“与”操作来确定栅极驱动信号NG1_DRV，并通过PWM2和AC1_HIGH_DELAY的“与”操作来确定栅极驱动信号NG2_DRV。如图13所示，通过在信号AC2_HIGH中增加延迟来生成信号AC2_HIGH_DELAY。同样地，通过在信号AC1_HIGH中增加延迟来生成信号AC1_HIGH_DELAY。
尽管详细描述了本公开的实施例及其优点，但是应了解，在不偏离由随附权利要求定义的本公开的精神和范围的情况下，可在本文中进行各种改变、替换和更改。
此外，不希望本申请的范围局限于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公开的公开内容容易地明白，根据本公开，可利用与本文中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 (18)

1.一种H-桥栅极控制设备，包括：
串联连接在第一电压总线和第二电压总线之间的第一开关和第二开关，其中所述第一开关和所述第二开关的公共节点连接到磁耦合至第二线圈的第一线圈的第一端子；以及
串联连接在所述第一电压总线和所述第二电压总线之间的第三开关和第四开关，其中所述第三开关和所述第四开关的公共节点耦合到所述第一线圈的第二端子，并且
其中，通过从所述第三开关和所述第四开关的所述公共节点上的信号并经过第一线性调节器导出的第一信号来控制所述第一开关的栅极，并通过从所述第一开关和所述第二开关的所述公共节点上的信号并经过第二线性调节器导出的第二信号来控制所述第三开关的栅极；
所述第一线性调节器包括：第一p-型晶体管，所述第二线性调节器包括：第二p-型晶体管；
其中，所述第一p-型晶体管的栅极连接至所述第二p-型晶体管的栅极。
2.如权利要求1所述的设备，其中：
所述第一开关的所述栅极通过第一定时电路连接到所述第三开关和所述第四开关的所述公共节点；并且
所述第三开关的所述栅极通过第二定时电路连接到所述第一开关和所述第二开关的所述公共节点。
3.如权利要求1所述的设备，其中：
所述第一开关的所述栅极通过第一启用/禁用电路连接到所述第三开关和所述第四开关的所述公共节点；并且
所述第三开关的所述栅极通过第二启用/禁用电路连接到所述第一开关和所述第二开关的所述公共节点。
4.如权利要求1所述的设备，其中：
所述第一线性调节器为第一电压钳位电路；并且
所述第二线性调节器为第二电压钳位电路。
5.如权利要求4所述的设备，其中：
所述第一p-型晶体管连接在所述第一开关的所述栅极与所述第三开关和所述第四开关的所述公共节点之间，并且其中所述第一p-型晶体管的栅极连接到预设电压电位；并且
所述第二p-型晶体管连接在所述第三开关的所述栅极与所述第一开关和所述第二开关的所述公共节点之间，并且其中所述第二p-型晶体管的栅极连接到所述预设电压电位。
6.如权利要求5所述的设备，还包括：
连接在所述预设电压电位和所述第一电压总线之间的开关；以及
连接在所述第一线圈的所述第二端子与所述第三开关和所述第四开关的所述公共节点之间的谐振电容。
7.如权利要求1所述的设备，还包括：
磁耦合至所述第二线圈的辅助线圈，其中：
所述第一开关的所述栅极直接连接到所述辅助线圈的第二端子；并且
所述第二开关的所述栅极直接连接到所述辅助线圈的第一端子；
其中，所述辅助线圈的第一端子和所述第二线圈的第一端子具有电压相同的相位；
所述辅助线圈的第二端子和所述第二线圈的第二端子具有电压相同的相位。
8.如权利要求1所述的设备，其中：
所述第一电压总线是无线电能传输系统的接收器的第一输出端子；并且
所述第二电压总线是所述无线电能传输系统的所述接收器的第二输出端子。
9.如权利要求1所述的设备，其中：
所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关形成无线电能传输系统的发射器的开关电路；
所述第一线圈是所述无线电能传输系统的发射器线圈；并且
所述第二线圈是所述无线电能传输系统的接收器线圈。
10.一种H-桥栅极控制方法，包括：
利用从第一线圈的第一端子处的信号导出的第一信号来控制H-桥的第一高压侧开关，其中所述第一线圈耦合在所述H-桥的第一中点和第二中点之间；所述第一信号由包括第一p-型晶体管的第一线性调节器控制以及
利用从所述第一线圈的第二端子处的信号导出的第二信号来控制所述H-桥的第二高压侧开关，所述第二信号由包括第二p-型晶体管的第二线性调节器控制，
其中，所述第一p-型晶体管的栅极连接至所述第二p-型晶体管的栅极。
11.如权利要求10所述的方法，其中：
所述第一线圈是无线电能传输系统的接收器线圈，所述第一线圈磁耦合到所述无线电能传输系统的发射器线圈；并且
所述H-桥包括串联连接的所述第一高压侧开关和第一低压侧开关以及串联连接的所述第二高压侧开关和第二低压侧开关，并且其中所述第一中点是所述第一高压侧开关和所述第一低压侧开关的公共节点，并且所述第二中点是所述第二高压侧开关和所述第二低压侧开关的公共节点。
12.如权利要求11所述的方法，还包括：
通过第一线性调节器调整所述第一高压侧开关的栅极驱动电压电平；以及
通过第二线性调节器调整所述第二高压侧开关的栅极驱动电压电平。
13.如权利要求12所述的方法，其中：
所述第一p-型晶体管连接到偏置电压源的栅极的；并且
所述第二p-型晶体管连接到所述偏置电压源的栅极的。
14.如权利要求13所述的方法，其中：
通过控制所述偏置电压源的输出电压来将所述第一高压侧开关和所述第二高压侧开关配置成以二极管工作模式工作。
15.如权利要求10所述的方法，其中：
通过谐振电容和第一R-C定时电路从所述第一线圈的所述第一端子处的所述信号生成所述第一信号；并且
通过第二R-C定时电路从所述第一线圈的所述第二端子处的所述信号生成所述第二信号。
16.一种无线电能传输系统，包括：
连接在电源和发射器线圈之间的发射器开关电路；
磁耦合至所述发射器线圈的接收器线圈；以及
连接到所述接收器线圈的整流器，其中所述整流器包括：
串联连接在第一电压总线和第二电压总线之间的第一开关和第二开关，其中所述第一开关和所述第二开关的公共节点连接到所述接收器线圈的第一端子；以及
串联连接在所述第一电压总线和所述第二电压总线之间的第三开关和第四开关，其中所述第三开关和所述第四开关的公共节点通过谐振电容连接到所述接收器线圈的第二端子，并且其中通过从所述第三开关和所述第四开关的所述公共节点上的信号并经过第一线性调节器导出的第一信号来控制所述第一开关的栅极，并通过从所述第一开关和所述第二开关的所述公共节点上的信号并经过第二线性调节器导出的第二信号来控制所述第三开关的栅极；
所述第一线性调节器包括：第一p-型晶体管，所述第二线性调节器包括：第二p-型晶体管；
所述第一p-型晶体管的栅极连接至所述第二p-型晶体管的栅极。
17.如权利要求16所述的系统，其中：
所述第一电压总线是包括所述接收器线圈和所述整流器的接收器的输出端子；并且
所述第二电压总线接地。
18.如权利要求16所述的系统，其中：
所述第一线性调节器为第一电压钳位电路；并且
所述第二线性调节器为第二电压钳位电路。
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