TW201427225A - 無線受電裝置以及其可利用的阻抗控制電路、阻抗控制方法 - Google Patents

無線受電裝置以及其可利用的阻抗控制電路、阻抗控制方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種可控制受電裝置的阻抗的阻抗控制電路。第1開關SW1設置於接收天線20的一端22與負載30的一端32之間。第2開關SW2設置於接收天線20的一端22與另一端24之間。控制器42控制第1開關SW1、第2開關SW2的切換動作。控制器42構成為可變更相對於電力信號S1的週期之第1開關SW1的接通時間的比率。

Description

無線受電裝置以及其可利用的阻抗控制電路、阻抗控制方法
本發明是有關於一種無線(wireless)供電技術。
近年來，無線(非接觸)電力傳輸作為對於行動電話終端或筆記型電腦(note computer)等電子機器、或電動汽車的供電技術而受到注目。無線電力傳輸主要分為電磁感應型、電波接收型、電場．磁場共振型此三類。
電磁感應型利用於短距離(數厘米以內)，能夠以數百千赫以下的頻帶傳輸數百瓦的電力。電力的利用效率為60%~98%左右。
於在數米以上的相對較長的距離進行供電的情況下，利用電波接收型。電波接收型能夠以中波~微波(microwave)的頻帶傳輸數瓦以下的電力，但電力的利用效率低。電場．磁場共振型作為以相對較高的效率於數米左右的中等距離進行供電的方法而受到注目(參照非專利文獻1)。
[先前技術文獻]
[非專利文獻]
[非專利文獻1]A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M. Soljacic,「Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer」,ANNALS of PHYSICS Vol. 323, pp.34-48, 2008, Jan.
於利用磁場耦合的電力傳輸中，電磁感應的線圈(coil)間耦合係數k以距離的三次方進行減少。因此，隨著發送線圈與接收線圈的相對位置的變動，耦合係數k亦不斷發生變化。
本發明者們認識到於此種共振型的電力傳輸系統(system)中，供電效率及可供給的電能以耦合係數k及受電裝置側的阻抗(impedance)為參數(parameter)進行變化。換言之，若可隨著耦合係數k的變動，而使受電裝置側的阻抗動態地變化，則可控制供電效率或電能。
此外，以上的研究不可視為本發明的領域中的共同的一般知識的範圍。進一步而言，上述研究本身是本申請人首先想到的。
本發明是鑒於上述課題而完成的，其一實施方式的例示性的目的之一在於提供一種可控制受電裝置的阻抗的阻抗控制電路。
本發明的一實施方式是關於一種於接收自無線供電裝置送出的包括電場、磁場、電磁場的任一種的電力信號的無線受電裝置使用的阻抗控制電路。阻抗控制電路設置於用以接收電力 信號的接收天線(antenna)與負載之間。阻抗控制電路包括：第1開關(switch)，設置於接收天線的一端與負載的一端之間；第2開關，設置於接收線圈的一端與另一端之間；及控制器(controller)，控制第1開關、第2開關的切換(switching)動作。控制器構成為可變更相對於電力信號的週期之第1開關的接通(on)時間的比率。
根據該實施方式，可使自接收天線看向負載側時的阻抗根據第1開關的接通時間的比率(工作週期比(duty ratio))而變化。
控制器亦可在接收線圈所感應的電流欲向第1方向流動的第1半週期中的可變的接通時間的期間，將第1開關接通，將第2開關斷開(off)，且於第1半週期的剩餘時間的期間，將第1開關斷開，將第2開關接通。
於該情況下，藉由在第1半週期的剩餘期間將第2開關接通，而使該期間的自接收天線看向負載側時的阻抗下降。因此，可使自接收天線看向負載側時的阻抗的時間平均值比進行同步整流的情況下降。
控制器亦可在接收線圈所感應的電流欲向第1方向流動的第1半週期中的可變的接通時間的期間，將第1開關接通，將第2開關斷開，且於第1半週期的剩餘時間的期間，將第1開關及第2開關斷開。
於該情況下，藉由在第1半週期的剩餘期間將第2開關斷開，而可使該期間的自接收天線看向負載側時的阻抗增大。因此，可使自接收天線看向負載側時的阻抗的時間平均值比進行同 步整流的情況增大。
控制器亦可在接收線圈所感應的電流欲向第2方向流動的第2半週期的期間，將第1開關斷開，將第2開關接通。
本發明的另一實施方式亦為一種阻抗控制電路。該阻抗控制電路包括：第3開關，設置於接收天線的一端與負載的一端之間；阻抗元件，設置於接收線圈的一端與另一端之間；及控制器，控制第3開關的切換動作。控制器構成為可變更相對於電力信號的週期之第3開關的接通時間的比率。
根據該實施方式，可使自接收天線看向負載側時的阻抗根據第3開關的接通時間的比率(工作週期比)而變化。
控制器亦可於在接收天線中感應的電流欲向第1方向流動的第1半週期中的可變的接通時間的期間，將第3開關接通，且於第1半週期的剩餘期間，將第3開關斷開。
控制器亦可於在接收天線中感應的電流欲向第2方向流動的第2半週期的期間，將第3開關斷開。
阻抗元件亦可包括電容器(capacitor)。藉此，可抑制第1半週期中的第3開關斷開的期間，接收天線的兩端間的電壓超過電路的耐壓而增大。
阻抗元件亦可包括二極體(diode)。於該情況下，二極體作為箝位(clamp)元件而發揮功能，因此可抑制第1半週期中的第3開關斷開的期間，接收天線的兩端間的電壓超過電路的耐壓而增大。
本發明的又一實施方式亦為一種阻抗控制電路。該阻抗控制電路包括：第1輸入線，與接收天線的一端連接；第2輸入 線，與接收天線的另一端連接；第1輸出線，與負載的一端連接；第2輸出線，與負載的另一端連接；H橋接電路(H-bridge circuit)，包括設置於第1輸入線與第1輸出線之間的第1開關、設置於第2輸入線與第1輸出線之間的第2開關、設置於第1輸入線與第2輸出線之間的第3開關、及設置於第2輸入線與第2輸出線之間的第4開關；以及控制器，控制H橋接電路的第1開關至第4開關的切換動作。控制器構成為可變更第1開關至第4開關的每一個的切換動作的相位。
根據該實施方式，可使自接收天線看向負載側時的阻抗根據第1開關至第4開關的相位而變化。
控制器亦能夠以如下方式構成，即，以與電力信號相同的頻率互補地切換第1開關及第3開關對(pair)，並且以與電力信號相同的頻率互補地切換第2開關及第4開關對，且控制器亦可構成為可獨立地變更第1開關及第3開關對的切換動作的相位，以及第2開關及第4開關對的切換動作的相位。
控制器亦能夠以與電力信號同步地依序於第1狀態、第2狀態、第3狀態及第4狀態之間進行轉變，且可變更第1狀態至第4狀態的長度的方式而構成，並且可變更從第1狀態轉變至第4狀態的相位，上述第1狀態是將第1開關及第4開關接通，且將第2開關及第3開關斷開；上述第2狀態是將第1開關及第2開關接通且將第3開關及第4開關斷開，或者將第1開關及第2開關斷開且將第3開關及第4開關接通；上述第3狀態是將第2開關及第3開關接通，且將第1開關及第4開關斷開；上述第4狀態是將第1開關及第2開關接通且將第3開關及第4開關斷開， 或者將第1開關及第2開關斷開且將第3開關及第4開關接通。
本發明的另一實施方式是一種無線受電裝置。該無線受電裝置包括：接收天線，接收自無線供電裝置送出的包括電場、磁場、電磁場的任一種的電力信號；及如上述任一項所述的阻抗控制電路，與接收天線連接。
本發明的另一實施方式是一種無線供電系統。該無線供電系統包括：無線供電裝置，送出包括電場、磁場、電磁場的任一種的電力信號；及上述無線受電裝置。
此外，將以上的構成要素的任意組合或本發明的構成要素或者表現於方法、裝置等之間相互替換而成者亦作為本發明的實施方式而有效。
根據本發明的一實施方式，可控制受電裝置的阻抗。
1‧‧‧無線供電系統
2‧‧‧無線供電裝置
4‧‧‧交流電源
10、10a、10b‧‧‧無線受電裝置
20‧‧‧接收天線
22‧‧‧接收天線的一端
24‧‧‧接收天線的另一端
30‧‧‧負載
32‧‧‧負載的一端
34‧‧‧負載的另一端
40、40a、40b‧‧‧阻抗控制部
42、42a、42b‧‧‧控制器
44‧‧‧阻抗元件
45‧‧‧第1輸入線
46‧‧‧第2輸入線
47‧‧‧第1輸出線
48‧‧‧第2輸出線
49‧‧‧H橋接電路
C1‧‧‧電容器
CTX、CRX‧‧‧共振用電容器
d‧‧‧工作週期比
Hi-Z‧‧‧高阻抗
LRX‧‧‧接收線圈
LTX‧‧‧發送線圈
ILOAD‧‧‧流入負載的電流
IRX、ITX‧‧‧線圈電流
k‧‧‧耦合度
R1‧‧‧電阻成分
Rc‧‧‧阻抗元件的阻抗
Rb‧‧‧負載與阻抗元件的合成阻抗
Ro‧‧‧電容器C1與電阻成分R1的合成阻抗
S1‧‧‧電力信號
ST1‧‧‧第1狀態
ST2‧‧‧第2狀態
ST3‧‧‧第3狀態
ST4‧‧‧第4狀態
SW1、SWb1‧‧‧第1開關
SW2、SWb2‧‧‧第2開關
SW3、SWb3‧‧‧第3開關
SWb4‧‧‧第4開關
TON‧‧‧接通時間
Tp‧‧‧線圈電流的週期
Ta‧‧‧第1半週期
Tb‧‧‧第2半週期
VIN‧‧‧輸入電壓
VLOAD‧‧‧負載電壓
Z‧‧‧接收端阻抗
Z(t)‧‧‧阻抗的瞬時值
1、2‧‧‧相位
圖1是表示實施方式的無線供電系統的構成的電路示意圖。
圖2是表示包括第1實施方式的阻抗控制部的無線受電裝置的構成的電路示意圖。
圖3(a)、圖3(b)是第2模式、第3模式下的阻抗控制部的動作波形圖。
圖4是表示於第2模式下進行切換控制時的工作週期比d與接收端阻抗Z的關係的示意圖。
圖5是表示包括第2實施方式的阻抗控制部的無線受電裝置 的構成的電路示意圖。
圖6是圖5的阻抗控制部的動作波形圖。
圖7是表示包括第3實施方式的阻抗控制部的無線受電裝置的構成的電路示意圖。
圖8是表示圖7的阻抗控制部的基本動作的波形示意圖。
圖9是1=0°、2=180°時的無線受電裝置的動作波形圖。
圖10(a)、圖10(b)是表示1=0°、2=180°時的無線受電裝置10b的電流路徑的示意圖。
圖11是1=60°、2=120°時的無線受電裝置的動作波形圖。
圖12(a)~圖12(d)是表示1=60°、2=120°時的無線受電裝置的電流路徑的示意圖。
圖13是1=30°、2=150°時的無線受電裝置的動作波形圖。
圖14是以接收端阻抗Z為參數而表示收發線圈間的耦合度k與供電效率的關係的示意圖。
以下，基於較佳的實施方式，一面參照圖式一面對本發明進行說明。對於各圖式中所示的相同或同等的構成要素、構件、處理標註相同符號，且適當省略重複的說明。另外，實施方式為例示而並不限定發明，實施方式中記載的所有特徵或其組合不一定為發明的本質性的特徵。
於本說明書中，所謂「構件A與構件B連接的狀態」，除包括構件A與構件B物理地直接連接的情況以外，亦包括構件A與構件B介隔不影響電性連接狀態的其他構件而間接地連接的 情況。
同樣地，所謂「構件C設置於構件A與構件B之間的狀態」，除包括構件A與構件C、或構件B與構件C直接地連接的情況以外，亦包括介隔不影響電性連接狀態的其他構件而間接地連接的情況。
圖1是表示實施方式的無線供電系統1的構成的電路示意圖。無線供電系統1包括無線供電裝置2及無線受電裝置10。首先，對無線供電裝置2的構成進行說明。
無線供電裝置2對無線受電裝置10送出電力信號。於無線供電系統1，利用未成為電波的電磁波的近場(電場、磁場、或電磁場)作為電力信號S1。
無線供電裝置2包括交流電源4、發送線圈LTX、及共振用電容器CTX。交流電源4產生具有規定的頻率或經頻率調變、或者經實施相位調變、振幅調變等的驅動信號，藉此於發送天線LTX產生線圈電流ITX。於本實施方式中，為了使說明簡潔化且易於理解，而對驅動信號為具有固定的頻率的交流信號的情況進行說明。例如驅動信號的頻率於數百千赫~數兆赫之間適當地選擇。
發送線圈LTX是響應交流電源4所產生的驅動信號S2，而作為包括電場、磁場、電磁場的任一種的近場(電力信號)S1向空間進行發射的天線。共振用電容器CTX與發送線圈LTX串聯地設置，形成共振電路。共振用電容器CTX將共振電路的共振頻率調諧(tuning)為驅動信號S2的頻率。
以上為無線供電裝置2的構成。繼而，對無線受電裝置10的構成進行說明。
無線受電裝置10接收自無線供電裝置2送出的電力信號S1。無線受電裝置10包括接收天線20、負載30及阻抗控制部40。
接收天線20接收來自發送線圈LTX的電力信號S1。接收天線20包含串聯連接的接收線圈LRX及共振用電容器CRX。接收天線20的共振頻率被調諧為電力信號S1的頻率。
於接收線圈LRX，流通根據電力信號S1而感應的線圈電流(共振電流)IRX，無線受電裝置10自該線圈電流IRX提取電力。
阻抗控制部40設置於接收天線20與負載30之間。阻抗控制部40對在接收天線20流動的線圈電流IRX進行整流並供給至負載30，並且控制自接收天線20看向負載30側時的阻抗(稱為接收端阻抗Z)。負載30的種類並無特別限定，通常其等效電路包含並聯連接的電荷保持用電容器(condenser)C1與電阻成分R1。將電容器C1與電阻成分R1的合成阻抗設為Ro。
以上為無線供電系統1的整體構成的說明。繼而，對阻抗控制部40進行說明。
(第1實施方式)
圖2是表示包括第1實施方式的阻抗控制部40的無線受電裝置10的構成的電路示意圖。
阻抗控制部40包括第1開關SW1、第2開關SW2及控制器42。
第1開關SW1設置於接收天線20的一端22與負載30的一端32之間。第2開關SW2設置於接收天線20的一端22與另一端24之間。第1開關SW1及第2開關SW2可利用金屬氧化 物半導體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)、雙極電晶體(bipolar transistor)、絕緣閘雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等而構成。第1開關SW1、第2開關SW2既可為單向開關，亦可為雙向開關。控制器42控制第1開關SW1、第2開關SW2的切換動作。
控制器42構成為可變更相對於電力信號S1的週期，換言之為線圈電流IRX的週期Tp之第1開關SW1的接通時間TON的比率d=TON/Tp。
於本實施方式中，將線圈電流IRX向圖2的箭頭方向流動的方向設為正，將相反地流動的方向設為負。如上所述，阻抗控制部40對線圈電流IRX進行整流並供給至負載30。以下，對阻抗控制部40進行說明。阻抗控制部40構成為至少可在第1模式(mode)與第2模式之間進行切換。
(1)第1模式
於第1模式下，控制器42對線圈電流IRX進行同步整流。具體而言，遍及在接收天線20所感應的線圈電流IRX欲向第1方向(正方向)流動的第1半週期的整個期間(TON=Tp/2)，將第1開關SW1接通，且將第2開關SW2接通。於在接收天線20所感應的線圈電流IRX欲向第2方向(負方向)流動的第2半週期(Tp/2)中，將第1開關SW1斷開，且將第2開關SW2接通。於第1模式下，對線圈電流IRX進行半波整流並供給至負載30。
阻抗控制部40是以第1模式的同步整流動作為基本，於以下說明的第2模式、第3模式下，使第1半週期中的第1開關SW1及第2開關SW2的切換動作發生變化，藉此使自接收天 線20看向負載側時的接收端阻抗Z變化。
(2)第2模式
圖3(a)是第2模式下的阻抗控制部40的動作波形圖。此外，應留意雖於若干圖式中將線圈電流IRX表示為正弦波，但其表示於接收天線20連接假想的電阻負載時可能產生的假想的波形，而與實際的線圈電流IRX的波形不同。
控制器42在接收天線20所感應的線圈電流IRX欲向正方向流動的第1半週期Ta中的可變的接通時間TON(=Tp×d)的期間，將第1開關SW1接通，將第2開關SW2斷開，且於第1半週期Ta的剩餘期間(Tp/2-TON)，將第1開關SW1斷開，將第2開關SW2接通。如上所述，於第2半週期Tb中，將第1開關SW1斷開，且將第2開關SW2接通。
阻抗控制部40構成為除第1模式、第2模式以外，亦能夠以第3模式進行動作。
(3)第3模式
圖3(b)是第3模式下的阻抗控制部40的動作波形圖。
控制器42在接收天線20所感應的線圈電流IRX欲向正方向流動的第1半週期Ta中的可變的接通時間TON(=Tp×d)的期間，將第1開關SW1接通，將第2開關SW2斷開，且於第1半週期Ta的剩餘期間(Tp/2-TON)，將第1開關SW1斷開，將第2開關SW2斷開。於第2半週期Tb中與第1模式、第2模式同樣地，控制器42將第1開關SW1斷開，且將第2開關SW2接通。
以上為無線供電裝置2的構成及動作。根據無線供電裝置2，可獲得以下效果。
圖4是表示於第2模式下進行切換控制時的工作週期比d與接收端阻抗Z的關係的示意圖。於d=0.5時，成為(1)中所說明的第1模式，阻抗Z成為最大值。
若使工作週期比d小於0.5，則於第1半週期Ta內的第1開關SW1斷開的期間，接收天線20藉由第2開關SW2而短路，接收端阻抗的瞬時值Z(t)下降。使工作週期比d變小意味著接收天線20的兩端間短路(short)的期間變長。受電端阻抗Z為自接收天線20看向負載30時的阻抗的瞬時值Z(t)的時間平均值，因此藉由選擇第2模式使工作週期比d減少，而可使受電端阻抗Z下降。
對在第3模式下使工作週期比d減少的情況進行考慮。若使工作週期比d小於0.5，則於第1半週期Ta內的第1開關SW1斷開的期間，接收天線20的兩端間開路，接收端阻抗的瞬時值Z(t)增大。使工作週期比d變小意味著接收天線20的兩端間開路的期間變長。受電端阻抗Z為自接收天線20看向負載30時的阻抗的瞬時值Z(t)的時間平均值，因此藉由選擇第3模式使工作週期比d減少，而可使受電端阻抗Z增大。
於無線受電裝置中，在其各節點(node)產生的電壓的振幅變得非常大。因此，於現有的高頻電路中有如下問題：在阻抗控制時必須使用利用機械性機構的可變電容器(variable condenser)(變容二極體(varicap))等，從而成本變高。另外，由於機械性阻抗可變元件的響應性慢，故而有無法追隨耦合係數k 的變動的問題。
與此相對，根據實施方式的阻抗控制部40，可藉由使用電性開關SW1、SW2而實現低成本化，且由於可進行高速控制，故而可追隨耦合係數k的高速的變動。
(第2實施方式)
圖5是表示包括第2實施方式的阻抗控制部40a的無線受電裝置10a的構成的電路示意圖。
阻抗控制部40a包括第3開關SW3、阻抗元件44及控制器42a。
第3開關SW3設置於接收天線20的一端22與負載30的一端32之間。第3開關SW3為單向開關或雙向開關，且是由MOSFET、雙極電晶體、IGBT等而構成。阻抗元件44設置於接收天線20的一端22與另一端24之間。
控制器42a控制第3開關的切換動作。控制器42a構成為可變更相對於電力信號S1的週期、即線圈電流IRX的週期Tp之第3開關SW3的接通時間TON的比率d。
控制器42a在接收天線20所感應的線圈電流IRX欲向正方向流動的第1半週期Ta中的可變的接通時間TON(=Tp×d)的期間，將第3開關SW3接通，且於第1半週期Ta的剩餘期間，將第3開關SW3斷開。而且，控制器42a在接收天線20所感應的線圈電流IRX欲向負方向流動的第2半週期Tb的期間，將第3開關SW3斷開。
設置阻抗元件44是為了抑制於第1半週期Ta中第3開關SW3斷開時，接收天線20的兩端間的阻抗瞬時地暴增。如圖5 所示，阻抗元件44可較佳地利用電容器。亦可使用箝位電路或曾納二極體(Zener diode)等來代替電容器。
繼而，對阻抗控制部40a的動作進行說明。
圖6是圖5的阻抗控制部40a的動作波形圖。
控制器42a於線圈電流IRX欲向正方向流動的第1半週期Ta中的可變的接通時間TON(=Tp×d)的期間，將第3開關SW3接通。於該期間，接收端阻抗的瞬時值Z(t)與負載30和阻抗元件44的合成阻抗Rb相等。
而且，控制器42a於第1半週期Ta的剩餘期間(Tp/2-TON)，將第3開關SW3斷開。於該期間，接收端阻抗的瞬時值Z(t)與阻抗元件44的阻抗Rc相等，且該值高於負載30的阻抗。
於圖5的阻抗控制部40a中，在d=0.5時，與第1實施方式的(1)中所說明的第1模式等效，接收端阻抗Z成為最小值Ro。
圖5的阻抗控制部40a可理解為與使圖2的阻抗控制部40以第3模式進行動作時等效。具體而言，圖2的第1開關SW1對應於圖5的第3開關SW3，圖2的第2開關SW2對應於圖5的阻抗元件44。於以MOSFET構成圖2的第2開關SW2的情況下，其本體二極體(body diode)作為箝位電路而進行動作。
於圖5的阻抗控制部40a中，若使工作週期比d小於0.5，則於第1半週期Ta內的第3開關SW3斷開的期間，接收天線20實質上為開路，接收端阻抗的瞬時值Z(t)增大。使工作週期比d變小意味著接收天線20的兩端間開路的期間變長。受電端阻抗Z為自接收天線20看向負載30時的阻抗的瞬時值Z(t)的 時間平均值，因此藉由選擇第3模式使工作週期比d減少，而可使受電端阻抗Z與最小值Ro相比增大。
除此以外，可獲得與圖2的阻抗控制部40相同的效果。
(第3實施方式)
圖7是表示包括第3實施方式的阻抗控制部40b的無線受電裝置10b的構成的電路示意圖。
無線受電裝置10b包括第1輸入線45、第2輸入線46、第1輸出線47、第2輸出線48、H橋接電路49、控制器42b。
第1輸入線45與接收天線20的一端22連接，第2輸入線46與接收天線20的另一端24連接。第1輸出線47與負載30的一端32連接，第2輸出線48與負載30的另一端34連接。
H橋接電路49與第1輸入線45、第2輸入線46、第1輸出線47、第2輸出線48連接，對輸入至輸入線45、46的線圈電流IRX進行整流，且經由輸出線47、48而供給至負載30，並且控制自接收天線20看向負載30側時的接收端阻抗Z。
H橋接電路49包括第1開關SWb1、第2開關SWb2、第3開關SWb3、第4開關SWb4。第1開關SWb1設置於第1輸入線45與第1輸出線47之間，第2開關SWb2設置於第2輸入線46與第1輸出線47之間。第3開關SWb3設置於第1輸入線45與第2輸出線48之間，第4開關SWb4設置於第2輸入線46與第2輸出線48之間。
控制器42b控制第1開關SWb1至第4開關SWb4。更具體而言，控制器42b構成為可變更第1開關SWb1至第4開關SWb4的每一個的切換動作的相位。
對利用控制器42b而進行的切換動作的控制進行說明。
圖8是表示圖7的阻抗控制部40b的基本動作的波形示意圖。
控制器42b以與電力信號S1、即線圈電流IRX相同的頻率互補地切換第1開關SWb1及第3開關SWb3對。同樣地，控制器42b以與線圈電流IRX相同的頻率互補地切換第2開關SWb2及第4開關SWb4對。而且，控制器42b構成為可獨立地變更第1開關SWb1及第3開關SWb3對的切換動作的相位1、與第2開關SWb2及第4開關SWb4對的切換動作的相位2。於本實施方式中，相位1、2以線圈電流IRX的方向自第2方向(負方向)向第1方向(正方向)反轉的時刻為基準。
以上為阻抗控制部40b的構成。繼而，對其動作進行說明。
阻抗控制部40b藉由使相位1、2變化而使接收端阻抗Z變化。
(1)同步整流動作
圖9是1=0°、2=180°時的無線受電裝置10b的動作波形圖。圖10(a)、圖10(b)是表示1=0°、2=180°時的無線受電裝置10b的電流路徑的示意圖。於第1半週期Ta中，如圖10(a)所示，第1開關SWb1、第4開關SWb4接通(第1狀態ST1)。於第2半週期Tb中，如圖10(b)所示，第2開關SWb2、第3開關SWb3接通(第3狀態ST3)。阻抗控制部40b是與電力信號S1同步地交替重複第1狀態ST1與第3狀態ST3。
阻抗控制部40b是以該同步整流動作為基本，使相位 1、2變化，藉此使自接收天線20看向負載30側時的接收端阻抗Z變化。
(2)使接收端阻抗下降的動作
圖11是1=60°、2=120°時的無線受電裝置10b的動作波形圖。圖12(a)~圖12(d)是表示1=60°、2=120°時的無線受電裝置10b的電流路徑的示意圖。
如圖11所示，無線受電裝置10b依序重複第1狀態ST1~第4狀態ST4。於第1狀態ST1下，如圖12(a)所示，第1開關SWb1、第4開關SWb4接通，線圈電流IRX被供給至負載30。
於之後的第2狀態ST2下，如圖12(b)所示，第1開關SWb1、第2開關SWb2接通，線圈電流IRX沿迴路路徑(loop path)流動。
於第3狀態ST3下，如圖12(c)所示，第2開關SWb2、第3開關SWb3接通，線圈電流IRX被供給至負載30。
於之後的第4狀態ST4下，如圖12(d)所示，第3開關SWb3、第4開關SWb4接通，線圈電流IRX沿迴路路徑流動。
於第2狀態ST2、第4狀態ST4下，接收天線20短路，因此接收端阻抗的瞬時值Z(t)變低。結果為，藉由重複第1狀態ST1~第4狀態ST4，而與同步整流時相比可使接收端阻抗Z下降。而且，使第2狀態ST2、第4狀態ST4越長，則可使接收端阻抗Z變得越低。
(3)使接收端阻抗增大的動作
圖13是1=30°、2=150°時的無線受電裝置10b的動作波形圖。於該情況下，阻抗控制部40b亦依序重複第1狀態ST1 至第4狀態ST4。與(2)的動作的不同點在於各期間的長度與轉變的時序(timing)。
於以圖13的相位進行控制時，流入負載30的電流ILOAD變得非常小。即，以Z=VIN/ILOAD所獲得的接收端阻抗Z增大。
如上所述，根據第3實施方式的阻抗控制部40b，藉由使構成H橋接電路的4個開關的切換動作的相位變化，而可使接收端阻抗Z與同步整流動作的情況相比變高或變低。
如第1實施方式至第3實施方式所說明般，藉由設置阻抗控制部40，而可使接收端阻抗Z變化。繼而，對接收端阻抗Z的控制的一例進行說明。
圖14是以接收端阻抗Z作為參數而表示收發線圈間的耦合度k與供電效率的關係的示意圖。於將接收端阻抗Z設為1Ω的情況下，在耦合度k小的區域中獲得相對較高的效率，而於耦合度k大的區域中效率相對變低。相反地，於將接收端阻抗Z設為1000Ω的情況下，在耦合度k大的區域中獲得相對較高的效率，而於耦合度k小的區域中效率相對變低。
若使用第1實施方式至第3實施方式的阻抗控制部，則可實現於每時每刻的耦合度k下均獲得最高效率的接收端阻抗Z。
或者，若使用第1實施方式至第3實施方式的阻抗控制部，則可實現於每時每刻的耦合度k下均獲得最大供電量的接收端阻抗Z。
另外，於實際的無線供電系統中，難以直接監視其每時每刻的耦合度k。因此，阻抗控制部40亦可監視與耦合度k具有關聯的資訊，例如線圈電流或供給至負載的電壓等，並基於檢測 值而控制各開關的切換動作。
以上，已基於實施方式對本發明進行了說明。本領域技術人員應理解該實施方式為例示，該些實施方式的各構成要素或各處理步驟的組合可實現各種變形例，且此種變形例亦屬於本發明的範圍。以下，對此種變形例進行說明。
於第3實施方式中，於第2狀態ST2下是以第1開關SWb1、第2開關SWb2形成迴路，但亦可代替此而以第3開關SWb3、第4開關SWb4形成迴路。同樣地，於第3實施方式中，於第4狀態ST4下是以第3開關SWb3、第4開關SWb4形成迴路，但亦可代替此而以第1開關SWb1、第2開關SWb2形成迴路。
另外，於第3實施方式中說明了如下的控制，即，將第1開關SWb1與第3開關SWb3設為一對，且將第2開關SWb2與第4開關SWb4設為一對，而使相位1、2變化，藉此實現第1狀態ST1至第4狀態ST4，但本發明並不限定於此。即，亦可藉由獨立地控制第1開關SWb1至第4開關SWb4，而實現第1狀態ST1至第4狀態ST4。
已基於實施方式對本發明進行了說明，但實施方式僅表示本發明的原理、應用，對於實施方式，在不脫離申請專利範圍所規定的本發明的思想的範圍內，認可多種變形例或配置的變更。
10‧‧‧無線受電裝置
20‧‧‧接收天線
22‧‧‧接收天線的一端
24‧‧‧接收天線的另一端
30‧‧‧負載
32‧‧‧負載的一端
34‧‧‧負載的另一端
40‧‧‧阻抗控制部
42‧‧‧控制器
C1‧‧‧電容器
CRX‧‧‧共振用電容器
IRX‧‧‧線圈電流
LRX‧‧‧接收線圈
R1‧‧‧電阻成分
S1‧‧‧電力信號
SW1‧‧‧第1開關
SW2‧‧‧第2開關

Claims (15)

  1. 一種阻抗控制電路，使用於接收自無線供電裝置送出的包括電場、磁場、電磁場的任一種的電力信號的無線受電裝置，且設置於用以接收上述電力信號的接收天線與負載之間，其特徵在於包括：第1開關，設置於上述接收天線的一端與上述負載的一端之間；第2開關，設置於上述接收天線的上述一端與另一端之間；及控制器，控制上述第1開關、第2開關的切換動作，其中上述控制器構成為可變更相對於上述電力信號的週期之上述第1開關的接通時間的比率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的阻抗控制電路，其中上述控制器是在上述接收天線所感應的電流欲向第1方向流動的第1半週期中的可變的接通時間的期間，將上述第1開關接通，將上述第2開關斷開，且於上述第1半週期的剩餘期間，將上述第1開關斷開，將上述第2開關接通。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的阻抗控制電路，其中上述控制器是在上述接收天線所感應的電流欲向第1方向流動的第1半週期中的可變的接通時間的期間，將上述第1開關接通，將上述第2開關斷開，且於上述第1半週期的剩餘期間，將上述第1開關及上述第2開關斷開。
  4. 如申請專利範圍第2項或第3項所述的阻抗控制電路，其中上述控制器是在上述接收天線所感應的電流欲向第2方向流動 的第2半週期的期間，將上述第1開關斷開，將上述第2開關接通。
  5. 一種阻抗控制電路，使用於接收自無線供電裝置送出的包括電場、磁場、電磁場的任一種的電力信號的無線受電裝置，且設置於用以接收上述電力信號的接收天線與負載之間，其特徵在於包括：第3開關，設置於上述接收天線的一端與上述負載的一端之間；阻抗元件，設置於上述接收天線的上述一端與另一端之間；及控制器，控制上述第3開關之切換動作，其中上述控制器構成為可變更相對於上述電力信號的週期之上述第3開關的接通時間的比率。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的阻抗控制電路，其中上述控制器是在上述接收天線所感應的電流欲向第1方向流動的第1半週期中的可變的接通時間的期間，將上述第3開關接通，且於上述第1半週期的剩餘期間，將上述第3開關斷開。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的阻抗控制電路，其中上述控制器是在上述接收天線所感應的電流欲向第2方向流動的第2半週期的期間，將上述第3開關斷開。
  8. 如申請專利範圍第5項至第7項中任一項所述的阻抗控制電路，其中上述阻抗元件包括電容器。
  9. 如申請專利範圍第5項至第7項中任一項所述的阻抗控制電路，其中上述阻抗元件包括箝位電路。
  10. 如申請專利範圍第5項至第7項中任一項所述的阻抗控制電路，其中上述阻抗元件包括二極體。
  11. 一種阻抗控制電路，使用於接收自無線供電裝置送出的包括電場、磁場、電磁場的任一種的電力信號的無線受電裝置，且設置於用以接收上述電力信號的接收天線與負載之間，其特徵在於包括：第1輸入線，與上述接收天線的一端連接；第2輸入線，與上述接收天線的另一端連接；第1輸出線，與上述負載的一端連接；第2輸出線，與上述負載的另一端連接；H橋接電路，包括設置於上述第1輸入線與上述第1輸出線之間的第1開關、設置於上述第2輸入線與上述第1輸出線之間的第2開關、設置於上述第1輸入線與上述第2輸出線之間的第3開關、及設置於上述第2輸入線與上述第2輸出線之間的第4開關；及控制器，控制上述H橋接電路的上述第1開關至上述第4開關的切換動作，其中上述控制器構成為可變更上述第1開關至上述第4開關的每一個的切換動作的相位。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的阻抗控制電路，其中上述控制器是以如下方式構成，即，以與上述電力信號相同的頻率互補地切換上述第1開關及上述第3開關對，並且以與上述電力信號相同的頻率互補地切換上述第2開關及上述第4開關對，且上述控制器構成為可獨立地變更上述第1開關及上述第3開 關對的切換動作的相位，以及上述第2開關及上述第4開關對的切換動作的相位。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的阻抗控制電路，其中上述控制器是以與上述電力信號同步地依序於第1狀態、第2狀態、第3狀態及第4狀態之間進行轉變，且可變更上述第1狀態至上述第4狀態的長度的方式而構成，並且可變更從上述第1狀態轉變至上述第4狀態的相位，上述第1狀態是將上述第1開關及上述第4開關接通，且將上述第2開關及上述第3開關斷開；上述第2狀態是(i)將上述第1開關及上述第2開關接通，且將上述第3開關及上述第4開關斷開，或者(ii)將上述第1開關及上述第2開關斷開，且將上述第3開關及上述第4開關接通；上述第3狀態是將上述第2開關及上述第3開關接通，且將上述第1開關及上述第4開關斷開；上述第4狀態是(i)將上述第1開關及上述第2開關接通，且將上述第3開關及上述第4開關斷開，或者(ii)將上述第1開關及上述第2開關斷開，且將上述第3開關及上述第4開關接通。
  14. 一種無線受電裝置，其特徵在於包括：接收天線，接收自無線供電裝置送出的包括電場、磁場、電磁場的任一種的電力信號；及如申請專利範圍第1項至第3項、第5項至第7項、第11項至第13項中任一項所述的阻抗控制電路，與上述接收天線連接。
  15. 一種控制阻抗的方法，於接收自無線供電裝置送出的包括電場、磁場、電磁場的任一種的電力信號的無線受電裝置，控 制自用以接收上述電力信號的接收天線看向負載時的阻抗，其特徵在於：上述控制阻抗的方法包括：於上述接收天線與上述負載之間，插入包括至少一個開關的切換電路；藉由對上述至少一個開關的每一個進行切換，而對在上述接收天線感應的電流進行整流，並供給至上述負載；及使上述至少一個開關的每一個的相對於上述電力信號的週期之接通時間的比率變化。
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