CN114204693A - 无线电能传输系统、无线电能传输装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种无线电能传输装置，控制器，用于控制接收器中的开关，所述接收器包括用于磁耦合至无线电能传输系统的发射器线圈的第一接收器线圈、耦合至所述第一接收器线圈的两个端子的整流电路、第二接收器线圈和第一辅助开关，其中，所述第二接收器线圈与第一辅助开关串联，所述第二接收器线圈用于磁耦合至发射器线圈；其中，响应于装置的低功率模式，所述控制器用于导通第一辅助开关，使得第一接收器线圈和第二接收器线圈串联连接以提高所述无线电能传输系统的增益。本申请还提供一种无线电能传输方法及控制器。本申请的无线电能传输装置中的接收器可与不同的功率模式兼容。

Description

无线电能传输系统、无线电能传输装置及方法

本发明为2021年3月17日在中国国家知识产权局递交的申请号为202110289122.7，发明名称为“无线电能传输系统、无线电能传输装置及方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及电能传输系统，特别的，涉及一种无线电能传输系统、装置及方法。

背景技术

随着技术的进步，无线电能传输已经成为移动终端，例如移动电话、平板电脑、数码相机、MP3播放器和/或其他类似终端的用于提供电能或对电池充电的有效和方便的机制。一个无线电能传输系统典型地包括一原边侧发射器以及一副边侧接收器。所述原边侧发射器与所述侧级侧接收器通过磁耦合进行磁性耦合连接。所述磁耦合可实现为一具有形成在原边侧发射器的原边侧线圈以及一形成于所述副边侧接收器中的副边侧线圈的松耦合变压器。

所述原边侧发射器可包括一功率转换单元，例如包括一功率转换器的原边侧。所述功率转换单元与一电源耦合且能够将电能转换为无线电能信号。所述副边侧接收器可通过所述松耦合变压器接收所述无线电能信号，并将接收到的无线电能信号转换为适合负载的电能。

随着功耗变得越来越重要，有需要提供高功率密度和高效率的无线电能传输系统。在高功率无线传输系统中，较大的电流输出将导致无线功率传输系统的接收器线圈中的温度升高，这样的温度升高导致系统效率差。为了克服该缺点，可以采用低电感的接收器线圈来减小接收器线圈中的温度升高。然而，具有低电感接收器线圈的接收器可用于多种应用中，例如低功率应用(例如，无线电能传输系统的功率小于10W)。在低功率应用中，具有低电感接收器线圈的接收器与低功率发射器(例如，具有低输入电压的发射器)不兼容。因此，期望能有具有表现出良好行为的高性能接收器。例如，可与多种运行条件兼容的高效接收器。

发明内容

通过本公开的优选实施例提供的与多种运行条件兼容的高效接收器，这些和其他问题通常被解决或避免，并且总体上实现了技术优点。

根据一个实施例，一种无线电能传输装置包括：用于控制接收器中的开关的控制器，所述接收器包括用于磁耦合至无线电能传输系统的发射器线圈的第一接收器线圈、耦合至所述第一接收器线圈的两个端子的整流电路、第二接收器线圈和第一辅助开关，其中，所述第二接收器线圈与第一辅助开关串联，所述第二接收器线圈用于磁耦合至发射器线圈，其中，响应于装置的低功率模式，所述控制器用于导通第一辅助开关，使得第一接收器线圈和第二接收器线圈串联连接以提高所述无线电能传输系统的增益。

根据另一实施例，一种无线电能传输方法，包括：通过控制器确定无线电能传输系统的运行模式，所述无线电能传输系统包括发射器线圈、多个接收器线圈、耦合到多个接收器线圈的整流电路以及与多个接收器线圈中的一个接收器线圈串联连接的辅助开关；响应于无线电能传输系统的低功率模式，通过所述控制器产生的信号导通所述辅助开关，其中，所述辅助开关导通后，使得多个接收器线圈中的至少两个接收器线圈通过导通后的辅助开关而串联连接，以提高无线电能传输系统的增益；以及响应于无线电能传输系统的高功率模式，通过所述控制器产生的信号断开所述辅助开关，其中，所述辅助开关断开后，所述无线电能传输系统的增益被降低。

根据又一个实施例，一种控制器，包括用于控制辅助开关和整流电路中的开关的电路，其中，所述整流电路耦合至第一接收器线圈，所述第一接收器线圈用于磁耦合至无线电能传输系统的发射器线圈，所述辅助开关和第二接收器线圈串联连接，其中，响应于无线电能传输系统的低功率模式，所述控制器用于导通辅助开关，使得第一接收器线圈和第二接收器线圈串联连接以提高无线电能传输系统的增益。

前述内容已经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的本申请随后的详细描述。在下文中将描述形成本申请的权利要求的主题的附加特征和优点。本领域技术人员应该理解，所公开的概念和特定实施例可以容易地用作为通过修改或设计其他结构或过程的基础，来实现本申请的相同目的。本领域技术人员还应该认识到，这样的等同构造不脱离所附权利要求书中阐述的本公开的精神和范围。

附图说明

为了更好地理解本申请的技术方案以及效果，现在结合说明书描述以及以下的附图来作为参考，其中：

图1示出了本申请的各种实施例的无线电能传输系统的框图；

图2示出了本申请的图1所示的各种实施例的无线电能传输系统的接收器的第一实施方式的示意图；

图3示出了本申请的各种实施例的接收器被配置为在低功率模式的第一阶段中运行时的示意图；

图4示出了本申请的各种实施例的接收器被配置为在低功率模式的第二阶段中运行时的示意图；

图5示出了本申请的各种实施例的接收器被配置为在高功率模式的第一阶段中运行时的示意图；

图6示出了本申请的各种实施例的接收器被配置为在高功率模式的第二阶段中运行时的示意图；

图7示出了本申请的各种实施例的第一接收器线圈和第二接收器线圈的实现方式；

图8示出了本申请的各种实施例的图1所示的无线电能传输系统的接收器的第二实施方式的示意图；

图9示出了本申请的各种实施例的图1所示的无线电能传输系统的接收器的第三实施方式的示意图；

图10示出了本申请的各种实施例的图1所示的无线电能传输系统的接收器的启动电路的第一实施方式的示意图；

图11示出了本申请的各种实施例的启动电路被配置为在第一阶段中运行时的示意图；

图12示出了本申请的各种实施例的启动电路被配置为在第二阶段中运行时的示意图；

图13示出了本申请的各种实施例的启动电路被配置为在正常模式的第一阶段中运行时的示意图；

图14示出了本申请的各种实施例的启动电路被配置为在正常模式的第二阶段中运行时的示意图。

图15示出了本申请的各种实施例的图1所示的无线电能传输系统的接收器的启动电路的第二实施方式的示意图；

图16示出了本申请的各种实施例的图15所示的启动电路被配置为在第一阶段中运行时的示意图；

图17示出了本申请的各种实施例的图15所示的启动电路被配置为在第二阶段中运行时的示意图；和

图18示出了本申请的各种实施例的控制图2所示的接收器的流程图。

除非另外指出，不同附图中的相应数字和符号通常指代相应的部分。所述附图的绘制是用于清楚地示出各种实施例的相关方面，并且不一定按比例绘制。

具体实施方式

下面详细讨论本申请优选实施例的制造和使用。然而，应当理解，本公开提供了许多可应用的发明构思，其可以在各种各样的特定上下文中体现。所讨论的特定实施例仅说明制造和使用本申请的特定方式，并且不限制本申请的范围。

本申请将结合在特定的上下文中的优选实施例进行描述，即，与不同运行条件兼容的低增益接收器。然而，本发明还可以应用于无线电能传输系统的各种功率转换设备。在下文中，将参考附图对各种实施例进行详细阐述。

图1示出了本申请的各种实施例中的低增益无线电能传输系统(以下称为：无线电能传输系统)的框图。所述无线电能传输系统100包括级联在输入电源102和负载114之间的功率转换器104以及无线电能传输装置101。所述无线电能传输装置101包括发射器110以及接收器120。如图1所示，所述发射器110包括级联连接的发射器电路107以及发射器线圈L1。所述发射器电路107的输入与所述功率转换器104的输出耦接。所述接收器120包括级联连接的接收器线圈L2以及整流电路112。所述整流电路112的输出与所述负载114耦接。

当所述接收器120靠近所述发射器110放置时，所述发射器110通过磁场与所述接收器120磁性耦合。所述为所述发射器110的一部分的发射器线圈L1与所述为所述接收器120的一部分的接收器线圈，形成一松耦合变压器115。由此，电能能够从所述发射器110传输至所述接收器120。

在一些实施例中，所述发射器110可位于一充电板内。所述发射器线圈放置于所述充电板的上表面的下方。所述接收器120可嵌入一移动电话内。当所述移动电话靠近所述充电板放置时，所述发射器线圈与所述接收器线圈之间的磁耦合将会被建立。换句话说，通过所述发射器110与所述接收器120之间发生的电能传输，所述发射器线圈与所述接收器线圈可形成一松耦合变压器。所述发射器线圈L1和所述接收器线圈L2之间的耦合强度可被量化为耦合系数k。在一些实施例中，k的范围为大约0.05至大约0.9。

在一些实施例中，在所述发射器线圈L1和所述接收器线圈L2建立磁性耦合连接后，所述发射器110与所述接收器120可形成一个电能系统，通过所述电能系统，来自输入电源102的电能可被无线传输至所述负载114。

所述输入电源102可为一用于将市电电压转换为直流(direct-current,dc)电压的电源适配器。在另一些实施例中，所述输入电源102可为可再生电源，例如为太阳能电池板。进一步的，所述输入电源102还可以为能量存储装置，例如，可充电电池，燃料电池和/或其他类似的能量存储装置

所述负载114可表示与所述接收器120耦接的移动装置(例如，一移动电话)所消耗的电能，在另一些实施例中，所述负载114可指的是与所述接收器120的输出耦接的一个可充电电池和/或多个串联或并联的可充电电池。

根据一些实施例，所述发射器电路107可包括一全桥功能转换器的多个原边侧开关。所述全桥也可以称为H-桥。在另一些实施例中，所述发射器电路107可包括其他类型的转换器的多个原边侧开关，例如包括半桥转换器、推挽式转换器等的多个原边侧开关。

应当注意的是，以上描述的转换器仅仅是一些例子。本领域技术人员可以了解的是其他合适的功率转换器，例如基于E类拓扑的功率转换器(例如E类放大器)，也可以选择被使用。

所述发射器电路107可进一步包括谐振电容。所述谐振电容以及发射器线圈的磁感可形成一谐振回路。根据设计需求以及不同的应用，所述谐振回路可进一步包括谐振电感。在一些实施例中，所述谐振电感可使用外部电感来实现。在另一些实施例中，所述谐振电感可使用连接线来实现。

所述接收器120包括所述接收器线圈L2，所述接收器线圈L2在所述接收器120靠近所述发射器110放置后，与所述发射器线圈L2磁性耦合。由此，电能可被传输至所述接收器线圈，并进一步通过所述整流电路112传输至所述负载114。所述接收器120可包括次级谐振电容。

所述整流电路112将从接收器线圈L2接收的交流极性波形转换为单极性波形。在一些实施例中，所述整流电路112可为包括四个开关的同步整流电路。在另一些实施例中，所述整流电路112包括全波二极管桥以及输出电容。

进一步的，所述同步整流电路可有任意的可控器件形成，例如可为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，超结型晶体管(SJT)器件，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件，基于氮化镓(GaN)的功率器件等。所述整流电路112的具体结构将在下面结合图2进行说明。

所述功率转换器104耦接于所述输入电源102与所述无线功率传输装置101的输入之间。根据设计需要以及不同的应用，所述功率转换器104可包括多种不同的配置。在一些实施例中，所述功率转换器104可为非隔离式功率转换器，例如降压转换器。在一些实施例中，所述功率转换器104可为线性稳压器。在一些实施例中，所述功率转换器104可为隔离式功率转换器，例如为正向转换器。

上述的所述功率转换器的实现方式仅仅是举例，其并不应当用来限制权利要求的范围。本领域技术人员能够了解到其他变型、替代和修改方案。

在运行中，无线电能传输系统100可以被配置为以高功率模式运行。在高功率模式下，所述发射器是被配置为接收高输入电压(例如20V)的高功率发射器。无线电能传输系统100被配置为传输大量电能。在一些实施例中，在发射器和接收器之间传输的最大功率在大约40W到大约80W的范围内。另一方面，无线电能传输系统100可以被配置为以低功率模式运行。在低功率模式下，发射器是被配置为接收低输入电压(例如10V)的低功率发射器。无线电能传输系统100被配置为传输少量电能，或者无线电能传输系统的输入电压低。在一些实施例中，在发射器和接收器之间传输的最大功率在从大约5W到大约10W的范围内。应当注意，上述高功率模式和低功率模式的功率电平仅是示例，不应因为所述示例过分限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化，替代和修改。例如，取决于不同的应用和设计需求，在高功率模式下，在发射器和接收器之间传递的功率可以大于120W。此外，在低功率模式下，在发射器和接收器之间传递的功率可以在大约30W至大约40W的范围内。

在一些实施例中，所述接收器120包括多个接收器线圈。具体的，所述接收器120包括至少两个接收器线圈。其中，第一接收器线圈是图1所示的接收器线圈L2，第二接收器线圈与辅助开关串联连接。所述第二接收器线圈和所述辅助开关被配置为使得接收器120与不同的应用兼容。更具体的，当无线电能传输系统100被配置为以高功率模式运行时，所述接收器120和发射器110形成低增益无线电能传输系统。在一些实施例中，所述接收器与发射器之间的增益为大约0.5。例如，当所述发射器的输入电压约为20V时，所述接收器的输出电压约为10V。

在所述高功率模式中，通过断开所述辅助开关将所述第二接收器线圈与所述第一接收器线圈断开连接。电能在所述发射器线圈L1以及所述第一接收器线圈L2之间传输。所述第一接收器线圈L2小于所述发射器线圈L2。这样的小电感线圈有助于减少接收器线圈的阻抗，从而减少所述接收器120的热应力。

另一方面，当无线电能传输系统100被配置为以低功率模式运行时，通过接通辅助开关将所述第一接收器线圈和第二接收器线圈串联连接。所述第一接收器线圈和第二接收器线圈形成具有正常电感的等效线圈。换句话说，所述接收器120和发送器110形成具有正常增益的无线电能传输系统。在一些实施例中，所述接收器与发射器之间的正常增益为约0.9。例如，当所述发射器的输入电压约为20V时，所述接收器的输出电压约为18V。

图2示出了根据本公开的各种实施例的图1中所示的无线电能传输系统的接收器的第一实施方式的示意图。请返回参照图1，无线电能传输系统100的接收器120包括连接在接收器线圈L2和负载114之间的整流电路112。在一些实施例中，整流电路112被实现为如图2所示的全桥整流电路。所述整流电路112耦合至所述无线电能传输系统100的输出(Vo)。所述整流电路112被配置为将接收到的交流极性波形转换成单极性波形。所述单极性波形被馈送到诸如电池的负载中。

为了提高无线电能传输系统的增益，从而使得所述接收器120能够在各种工作条件下工作，一个附加的接收器线圈L3通过如图2所示的辅助开关Q5连接到所述全桥整流电路。所述两个接收器线圈L2和L3磁性耦合至所述发送器线圈，以在无线电能传输系统中传输能量。在整个说明书中，所述接收器线圈L2也可称为第一接收器线圈，所述接收器线圈L3也可称为第二接收器线圈。

所述第二接收器线圈L3的电感大于第一接收器线圈L2的电感。在一些实施例中，所述第二接收器线圈L3的电感大于6uH，所述第一接收器线圈L2的电感小于3uH。

为了提高无线电能传输系统的效率，一第一电容C1与所述第一接收器线圈L2串联连接。一第二电容C2与所述第二接收器线圈L3串联连接。所述第一电容C1和第二电容C2都是谐振电容。

所述全桥整流电路包括四个开关Q1，Q2，Q3和Q4。如图2所示，第一开关Q1和第二开关Q2串联连接在无线电能传输系统100的输出端子Vo与地之间。类似的，第三开关Q3和第四开关Q4也串联连接在无线电能传输系统100的输出端子Vo和地之间。所述第一开关Q1和第二开关Q2的公共节点通过所述第一电容C1耦合到第一接收器线圈L2的第一输入端子。所述第三开关Q3和第四开关Q4的公共节点耦合到所述第一接收器线圈L2的第二输入端子。

所述第二接收器线圈L3、第二电容C2和辅助开关Q5串联连接在所述第三开关Q3和第四开关Q4的公共节点与地之间。在运行中，响应于无线电能传输系统的低功率模式，辅助开关Q5被导通。由于所述辅助开关的导通，所述第一接收器线圈L2和第二接收器线圈L3串联连接，以提高无线电能传输系统的增益。响应于无线电能传输系统的高功率模式，所述辅助开关Q5被断开。由于所述辅助开关Q5的断开，所述第二接收器线圈L3与第一接收器线圈L2断开连接。而由于第二接收器线圈L3与第一接收器线圈L2断开连接，所述无线电能传输系统的增益相应地减小。

在一些实施例中，所述开关Q1，Q2，Q3，Q4和Q5可分别被实现为单个MOSFET，或并联连接的多个MOSFET或它们的任何组合等。在一些实施例中，开关元件(例如，开关S1)可以是IGBT器件。在一些实施例中，该些开关可以是任何可控开关，例如IGCT设备，GTO设备，SCR设备，JFET设备，MCT设备，基于GaN的功率设备等。

应当注意的是，尽管图2示出了四个开关Q1-Q4，但是本公开的各种实施例可以包括其他变型，修改和替代。例如，可以将单独的电容与整流电路的每个开关并联连接。这种独立的电容有助于更好地控制整流电路谐振过程的时序。

在运行中，所述接收器被配置为响应于无线电能传输系统的低功率模式而在两个不同的阶段中运行。在两个不同的阶段中，所述第一接收器线圈L2和第二接收器线圈L3串联连接。所述串联连接的两个接收器线圈和开关Q1-Q4构成一个半桥整流电路。以下将参考图3-4讨论这两个阶段的详细运行原理。

图3示出了本申请的各种实施例的接收器被配置为在低功率模式的第一阶段中运行时的示意图。在一些实施例中，图2所示的所述接收器被配置为以低功率模式运行。在低功率模式下，所述发送器是低功率发送器。例如，在发射器和接收器之间传输的功率在大约5W至大约10W的范围内。发射器的输入电压大约为10V。为了与低功率模式兼容，所述接收器的增益必须相应地增加。如图3所示，辅助开关Q5被导通。由于所述辅助开关Q5的导通，所述第二接收器线圈L3和第一接收器线圈L2串联连接。如此，所述接收器线圈L2和L3的串联连接有助于增加接收器的增益。

在低功率模式的第一阶段，所述第二开关Q2和第四Q4断开，如各个符号上的箭头所示。所述第一开关Q1和第三开关Q3接通。电流流过辅助开关Q5，第二电容C2，第二接收器线圈L3，并分别分成第一导电路径和第二导电路径。所述第一导电路径包括所述第一开关Q1，第一电容C1和所述第一接收器线圈L2。所述第二导电路径包括所述第三开关Q3。

图4示出了本申请的各种实施例的接收器被配置为在低功率模式的第二阶段中运行时的示意图。在低功率模式的第二阶段中，如相应符号上的箭头所示，所述第一开关Q1和第三Q3断开。所述第二开关Q2和第四Q4导通。电流流过所述辅助开关Q5，所述第二电容C2，所述第二接收器线圈L3，并分别分成第三导电路径和第四导电路径。所述第三导电路径包括所述第二开关Q2，所述第一电容C1和所述第一接收器线圈L2。所述第四导电路径包括所述第四开关Q4。

具有以上图3-4描述的低功率模式的一个优点是电流被分成两个不同的路径。由于具有这两个不同的电流路径，相比传统的半桥整流电路，所述接收器的热应力得到了减小。

具有以上关于图3-4描述的低功率模式的另一个优点是可以通过将第二接收器线圈L3与第一接收器线圈L2串联连接来调节无线电能传输系统的增益。例如，可以通过选择第二接收器线圈L3的尺寸来调整无线电能传输系统的增益。在一些实施例中，可以选择第二接收器线圈L3的尺寸，以使得无线电能传输系统的增益大于1。

请返回参考图2，所述接收器可以被配置为响应于高功率模式而在两个不同的阶段中运行。在两个不同的阶段中，第二接收器线圈L3与第一接收器线圈L2断开。第一接收器线圈L2和开关Q1-Q4形成全桥整流电路。下面将参考图5-6讨论这两个阶段的详细运行原理。

图5示出了本申请的各种实施例的接收器被配置为在高功率模式的第一阶段中运行时的示意图。在一些实施例中，图2所示的接收器被配置为在高功率模式下运行。在高功率模式下，所述发射器是高功率发射器。例如，在发射器和接收器之间传输的功率在大约40W至大约80W的范围内。所述发射器的输入电压约为20V。为了与高功率发射器兼容，所述接收器的增益必须相应减少。如图5所示，所述辅助开关Q5断开。由于所述辅助开关Q5断开，所述第二接收器线圈L3与第一接收器线圈L2断开连接。换句话说，电流不能流过所述第二接收器线圈L3。所述第一接收器线圈L2被配置为接收从所述发射器传输过来的功率的唯一线圈。

在高功率模式的第一阶段，如各个符号上的箭头所示的，所述第二开关Q2和第三开关Q3被断开，所述第一开关Q1和第四开关Q4导通。如图5中虚线所示，电流流过第一开关Q1，第一电容C1，第一接收器线圈L2和第四开关Q4。

图6示出了本申请的各种实施例的接收器被配置为在高功率模式的第二阶段中运行时的示意图。在高功率模式的第二阶段中，如各个符号上的箭头所示的，所述第一开关Q1和第四开关Q4断开。所述第二开关Q2和第三开关Q3导通。如图6中虚线所示，电流流过第二开关Q2，第一电容C1，第一接收器线圈L2和第三开关Q3。

具有以上关于图5-6描述的高功率模式的一个优点是图2所示的接收器能够实现高效率。特别地，第一接收器线圈L2的尺寸小，这样的小尺寸的线圈具有低阻抗。低阻抗有助于降低线圈温度，从而提高无线电能传输系统的效率。

图7示出了本申请的各种实施例的第一接收器线圈和第二接收器线圈的实现方式。在一些实施例中，所述第一接收器线圈L2和第二接收器线圈L3来自于一连续线圈。如图7所示，所述连续线圈702具有多匝。所述连续线圈702具有三个端子，即AC1，AC2和AC3。第一端子AC1连接到第一电容C1。第二端子AC2连接到第三开关Q3和第四开关Q4的公共节点。第三端子AC3连接到第二电容C2。

本领域技术人员将认识到，图7所示的连续线圈702仅是一个实施例，本领域技术人员可以采用用于两个接收器线圈的其他配置。例如，两个接收器线圈L2和L3可以被实现为两个单独的线圈。

图8示出了本申请的各种实施例的图1所示的无线电能传输系统的接收器的第二实施方式的示意图。图8所示的接收器与图2所示的接收器相似，除了第二接收器线圈L3，第二电容C2和辅助开关Q5串联连接在第一电容C1和第一接收器线圈L2的公共节点与地之间。

图9示出了本申请的各种实施例的图1所示的无线电能传输系统的接收器的第三实施方式的示意图。图9所示的接收器与图2所示的接收器相似，不同之处在于，采用第二辅助开关Q6进一步改善了接收器的性能。如图9所示，第一开关Q1和第二开关Q2的公共节点通过第一电容C1连接到第一接收器线圈L2的第一端子。所述第三开关Q3和第四开关Q4的公共节点通过第二辅助开关Q6连接到第一接收器线圈L2的第二端子。所述第二辅助开关Q6提供了一个额外的控制变量，以更好地控制接收器。

在运行中，当接收器磁耦合至高功率发送器时，具有低增益的接收器能够成功建立偏置电压。另一方面，当接收器磁耦合至低功率发送器时，具有低增益的接收器不能成功建立偏置电压。因此，需要启动电路来帮助接收器在各种运行条件下建立偏置电压。

图10示出了本申请的各种实施例的图1所示的无线电能传输系统的接收器的启动电路的第一实施方式的示意图。所述启动电路包括耗尽型开关Q5。如图10所示，所述耗尽型开关Q5连接在所述第三开关Q3和第四开关Q4的公共节点与地之间。在启动过程中，所述耗尽型开关Q5在建立偏置电压之前导通。所述导通的耗尽型开关Q5有助于建立接收器的偏置电压。更具体的，所述耗尽型开关Q5，所述第一开关Q1的本体二极管和Q2的本体二极管形成半桥电路。所述半桥电路用作于被配置为在低电压增益下建立偏置电压的倍压器。下面将参考图11-12讨论半桥电路的运行原理。

图11示出了本申请的各种实施例的启动电路被配置为在第一阶段中运行时的示意图。在启动过程中，由于偏置电压尚未完全建立，因此开关Q1-Q4没有导通。由于Q5是耗尽型晶体管，因此Q5导通。在一些实施例中，耗尽型开关Q5，第一开关Q1的本体二极管，第二开关Q2的本体二极管，第一接收器线圈L2形成被配置为建立偏置电压的半桥电路。所述半桥电路被配置为运行在两个不同的阶段。

在第一阶段，如图11中的虚线所示，电流流过第一开关Q1，第一电容C1，第一接收器线圈L2和耗尽型开关Q5的本体二极管。该电流用于为偏置电容(图中未示)充电，以建立偏置电压。

图12示出了本申请的各种实施例的启动电路被配置为在第二阶段中运行时的示意图。在第二阶段，如图12中的虚线所，电流流过第一开关Q2的本体二极管，第一电容C1，第一接收器线圈L2和耗尽型开关Q5示。该电流用于为偏置电容(图中未示)充电，以建立偏置电压。

建立偏置电压后，接收器进入正常模式。在正常模式下，所述耗尽型开关Q5已断开。所述整流电路被配置为以半桥模式运行。所述半桥模式具有两个不同的阶段，下面将分别结合图13和图14进行讨论。

图13示出了本申请的各种实施例的启动电路被配置为在正常模式的第一阶段中运行时的示意图。在建立偏置电压之后，如图13所示，所述耗尽型开关Q5断开。在正常模式的第一阶段，如各个符号上的箭头所示，所述第一开关Q1和第三开关Q3断开。电流流过由第二开关Q2，第一电容C1，第一接收器线圈L2和第四开关Q4形成的导电路径。

图14示出了本申请的各种实施例的启动电路被配置为在正常模式的第二阶段中运行时的示意图。在正常模式的第二阶段，如相应符号上的箭头所示，所述第二开关Q2和第三开关Q3断开。电流流过由第一开关Q1，第一电容C1，第一接收器线圈L2和第四开关Q4形成的导电路径。

图15示出了本申请的各种实施例的图1所示的无线电能传输系统的接收器的启动电路的第二实施方式的示意图。图15所示的启动电路与图2所示的电路相似，不同之处在于Q5被实现为耗尽型晶体管。在启动过程中，所述耗尽型开关Q5在建立偏置电压之前导通。导通的所述耗尽型开关Q5有助于建立接收器的偏置电压。更特别地，所述耗尽型开关Q5、所述第一开关Q1的本体二极管和所述第二开关Q2的本体二极管形成半桥电路。所述半桥电路用作倍压器，所述倍压器被配置为在发射器和接收器之间的低电压增益下建立偏置电压。下面将参考图16-17讨论半桥电路的运行原理。

图16示出了本申请的各种实施例的图15所示的启动电路被配置为在第一阶段中运行时的示意图。在启动过程中，由于偏置电压尚未完全建立，因此开关Q1-Q4没有接通。由于Q5是耗尽型晶体管，因此Q5导通。所述耗尽型开关Q5、第一开关Q1的本体二极管、第二开关Q2的本体二极管、第一接收器线圈L2形成半桥电路。所述半桥电路被配置为运行在两个不同的阶段。

在第一阶段，如图16中的虚线所示，电流流过第一开关Q1、第一电容C1、第一接收器线圈L2、第二接收器线圈L3、第二电容C2和耗尽型开关Q5的本体二极管。所述电流用于为偏置电容(图中未示)充电，以建立偏置电压。

图17示出了本申请的各种实施例的图15所示的启动电路被配置为在第二阶段中运行时的示意图。在第二阶段，如图17中虚线所示，电流流过第二开关Q2的本体二极管、第一电容C1、第一接收器线圈L2、第二接收器线圈L3、第二电容、C2和耗尽型开关Q5。电流用于为偏置电容(图中未示)充电，以建立偏置电压。

除了Q5是耗尽型晶体管之外，图15-17所示的电路与图2所示的电路类似。上面关于图3-6讨论的低功率模式和高功率模式适用于图15-17所示的电路。根据不同的功率模式，对图15-17所示的电路进行相应配置。

图18示出了本申请的各种实施例的控制图2所示的接收器的流程图。图18所示的流程图仅是示例，其不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化，替代和修改。例如，可以添加，移除，替换，重新排布和重复图18所示的各个步骤。

请再次参考图1，无线电能传输系统包括发射器和接收器。根据不同的应用，发射器可以是高功率发射器。当接收器(例如，图2中所示的接收器)磁性地耦合到该高功率发射器时，所述接收器被配置为以高功率模式运行。另一方面，当发射器是低功率发射器时，接收器被配置为以低功率模式运行。

所述接收器包括多个接收器线圈。根据不同的功率模式，多个接收器线圈的配置不同，以使得所述接收器与不同的功率模式兼容。其中，根据以下步骤控制接收器。

在步骤1802中，控制器用于确定无线电能传输系统的运行模式。所述无线电能传输系统包括：发射器线圈，多个接收器线圈，耦合到多个接收器线圈的整流电路以及与多个接收器线圈中的一个接收器线圈串联连接的辅助开关。所述无线功率传输系统可以在低功率模式下运行，这需要在发射器和接收器之间具有正常增益。另一方面，无线电能传输系统可以在高功率模式下运行，这需要在发射器和接收器之间具有减小的增益。

在步骤1804中，响应于无线电能传输系统的低功率模式，配置多个接收器线圈，使得多个接收器线圈中的至少两个接收器线圈通过导通辅助开关而串联连接，以提高无线电能传输系统的增益。

在步骤1806，响应于无线电能传输系统的高功率模式，配置多个接收器线圈，使得通过关闭辅助开关，降低无线电能传输系统的增益。

尽管已经详细描述了本公开的实施例及其优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的精神和范围的情况下，可以在这里进行各种改变，替换和变更。

此外，本申请的范围不旨在限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域的普通技术人员将从本公开的公开内容中容易地理解的是，目前存在或以后将要开发的，执行基本相同功能的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤，可以使用与本申请相关的实施例所描述的实施例或与本文描述的相应实施例基本相同的结果。因此，所附权利要求旨在将这样的过程，机器，制造，物质组成，手段，方法或步骤包括在它们的范围内。

Claims (20)

1.一种无线电能传输装置，包括：

控制器，用于控制接收器中的开关，所述接收器包括用于磁耦合至无线电能传输系统的发射器线圈的第一接收器线圈、耦合至所述第一接收器线圈的两个端子的整流电路、第二接收器线圈和第一辅助开关，其中，所述第二接收器线圈与第一辅助开关串联，所述第二接收器线圈用于磁耦合至发射器线圈；

其中，响应于装置的低功率模式，所述控制器用于导通第一辅助开关，使得第一接收器线圈和第二接收器线圈串联连接以提高所述无线电能传输系统的增益。

2.根据权利要求1所述的装置，所述接收器还包括第一电容和第二电容，其中，所述整流电路包括串联连接的第一开关和第二开关，以及串联连接的第三开关和第四开关，其中：

所述第一开关和第二开关的公共节点通过所述第一电容连接到所述第一接收器线圈的第一端子；

所述第三开关和第四开关的公共节点连接到所述第一接收器线圈的第二端子；

所述第二接收器线圈、所述第二电容以及所述第一辅助开关串联在所述第三开关和第四开关的公共节点与地之间。

3.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述第一接收器线圈和所述第二接收器线圈磁耦合至所述发射器线圈，以在无线电能传输系统中传输能量。

4.根据权利要求1所述的装置，其中：

响应于所述无线电能传输装置的高功率模式，所述控制器控制断开第一辅助开关以将第二接收器线圈与第一接收器线圈断开，其中，在高功率模式下，所述控制器将所述整流电路配置为全桥整流电路。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一接收器线圈和第二接收器线圈来自于具有三个端子的连续线圈。

6.根据权利要求1所述的装置，所述接收器还包括第一电容和第二电容，其中，所述整流电路包括串联连接的第一开关和第二开关，以及串联连接的第三开关和第四开关，其中：

所述第一开关和第二开关的公共节点通过第一电容连接到第一接收器线圈的第一端子；

所述第三开关和第四开关的公共节点连接到第一接收器线圈的第二端子；以及

所述第二接收器线圈、第二电容和第一辅助开关串联连接在所述第一电容和第一接收器线圈的公共节点与地之间。

7.根据权利要求1所述的装置，所述接收器还包括第一电容、第二电容和第二辅助开关，其中：

所述整流电路包括串联连接的第一开关和第二开关，以及串联连接的第三开关和第四开关，其中：

所述第一开关和第二开关的公共节点通过第一电容连接到第一接收器线圈的第一端子；

所述第三开关和第四开关的公共节点通过第二辅助开关连接到第一接收器线圈的第二端子；以及

所述第二接收器线圈、第二电容和第一辅助开关串联在第三开关和第四开关的公共节点与地之间。

8.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述整流电路包括串联连接的第一开关和第二开关，以及串联连接的第三开关和第四开关，其中，在所述无线电能传输装置的低功率模式下，所述控制器用于控制所述整流电路、第一接收器线圈、第二接收器线圈和第一辅助开关被配置为以半桥模式运行。

9.根据权利要求8所述的装置，其中：

在半桥模式的第一阶段，所述控制器控制所述第一开关和第三开关导通，以及控制所述第二开关和第四开关断开；以及

在半桥模式的第二阶段中，所述控制器控制所述第一开关和第三开关断开，以及控制所述第二开关和第四开关导通。

10.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述整流电路具有耦合到负载的输出，其中，所述控制器还用于控制所述整流电路中的开关，以用于将交流极性波形转换为单极性波形。

11.一种无线电能传输方法，包括：

通过控制器确定无线电能传输系统的运行模式，所述无线电能传输系统包括发射器线圈、多个接收器线圈、耦合到多个接收器线圈的整流电路以及与多个接收器线圈中的一个接收器线圈串联连接的辅助开关；

响应于无线电能传输系统的低功率模式，通过所述控制器产生的信号导通所述辅助开关，其中，所述辅助开关导通后，使得多个接收器线圈中的至少两个接收器线圈通过导通辅助开关而串联连接，以提高无线电能传输系统的增益；以及

响应于无线电能传输系统的高功率模式，通过所述控制器产生的信号断开所述辅助开关，其中，所述辅助开关导通后，所述无线电能传输系统的增益被降低。

12.根据权利要求11所述的方法，所述无线电能传输系统还包括第一电容和第二电容，其中，所述整流电路包括串联连接的第一开关和第二开关，以及串联连接的第三开关和第四开关，其中：

所述第一开关和第二开关的公共节点通过第一电容连接到多个接收器线圈中的第一接收器线圈的第一端子；

所述第三开关和第四开关的公共节点连接到多个接收器线圈中的第一接收器线圈的第二端子；以及

多个接收器线圈中的第二接收器线圈、第二电容和辅助开关串联连接在第三开关和第四开关的公共节点与地之间。

13.如权利要求12所述的方法，还包括：

在低功率模式的第一阶段，通过所述控制器配置所述整流电路，以使电流流过所述辅助开关、第二电容，第二接收器线圈，并分别分成第一导电路径和第二导电路径，其中，所述第一导电路径包括所述第一开关、第一电容和第一接收器线圈，所述第二导电路径包括第三开关；以及

在低功率模式的第二阶段，通过所述控制器配置所述整流电路，以使电流流过辅助开关，第二电容，第二接收器线圈，并分别分成第三导电路径和第四导电路径，其中，所述第三导电路径包括所述第二开关、第一电容和第一接收器线圈，所述第四导电路径包括第四开关。

14.如权利要求12所述的方法，还包括：

在高功率模式的第一阶段，通过所述控制器配置所述整流电路，使得电流流过第一开关、第一电容、第一接收器线圈以及第四开关；以及

在高功率模式的第二阶段中，通过所述控制器配置所述整流电路，以使电流流过第二开关、第一电容、第一接收器线圈以及第三开关。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述辅助开关是耗尽型晶体管。

16.如权利要求15所述的方法，还包括：

在启动过程的第一阶段，通过所述控制器配置所述整流电路，使得电流流过第一开关、第一电容、第一接收器线圈、第二接收器线圈、第二电容以及辅助开关的本体二极管；以及

在启动过程的第二阶段中，通过所述控制器配置所述整流电路，以使电流流过第二开关，第一电容、第一接收器线圈、第二接收器线圈、第二电容以及辅助开关的本体二极管。

17.一种控制器，包括：

用于控制辅助开关和整流电路中的开关的电路，其中，所述整流电路耦合至第一接收器线圈，所述第一接收器线圈用于磁耦合至无线电能传输系统的发射器线圈，所述辅助开关和第二接收器线圈串联连接；

其中，响应于无线电能传输系统的低功率模式，所述控制器用于导通辅助开关，使得第一接收器线圈和第二接收器线圈串联连接以提高无线电能传输系统的增益。

18.根据权利要求17所述的控制器，所述无线电能传输系统还包括第一电容和第二电容，其中，所述整流电路包括串联连接的第一开关和第二开关，以及串联连接的第三开关和第四开关，其中：

所述第一开关和第二开关的公共节点通过第一电容连接到第一接收器线圈的第一端子；

所述第三开关和第四开关的公共节点连接到第一接收器线圈的第二端子；

所述第二接收器线圈、第二电容和辅助开关串联在第三开关和第四开关的公共节点与地之间。

19.根据权利要求18所述的控制器，其中：

在低功率模式的第一阶段，所述控制器用于控制所述整流电路和所述辅助开关，以使得电流流过辅助开关、第二电容、第二接收器线圈，并分别分成第一导电路径和第二导电路径，其中所述第一导电路径包括所述第一开关、所述第一电容和所述第一接收器线圈，所述第二导电路径包括所述第三开关；和

在低功率模式的第二阶段，所述控制器用于控制和所述辅助开关，以使得电流流过辅助开关、第二电容、第二接收器线圈，并分别分成第三导电路径和第四导电路径，其中，所述第三导电路径包括第二开关、第一电容和第一接收器线圈，所述第四导电路径包括第四开关。

20.根据权利要求18所述的控制器，其中：

在所述系统的高功率模式的第一阶段，所述控制器用于控制和所述辅助开关，以使得电流流过第一开关、第一电容、第一接收器线圈以及第四开关；以及

在系统的高功率模式的第二阶段，所述控制器用于控制和所述辅助开关，以使得电流流过第二开关、第一电容、第一接收器线圈以及第三开关。

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