TW201921828A - 多線圈大區域無線電力系統 - Google Patents

Abstract

一種大區域無線電力系統具有一同步化發射器及多數同步化接收器其用以接收來自該同步化發射器之多數差動信號並輸出多數第二單端信號。同步化發射器產生一第一單端信號及轉換該第一單端信號為多數差動信號其將經由多數差動線對傳輸至同步化接收器而該等多數差動線對亦提供電力至該等同步化接收器。大區域無線電力系統亦包含多數高電力放大器其用以接收來自個別同步化接收器之多數第二單端信號並產生電力，以及多數無線電力線圈其用以接收多數高電力放大器所產生之電力且無線式提供電力。

Description

多線圈大區域無線電力系統

發明領域 本發明之實施例係有關於一種電力系統其用以經由多數高度式諧振無線電力線圈在一廣大區域上無線充電，以及同步化提供至該電力線圈之信號。

發明背景 近來，已有許多利用高度式諧振電磁感應在無線電力傳輸系統(亦稱為”無線能量傳輸系統”)方面之進展。通常，此類系統包含一電源及發射線圈以及一接收線圈其連接至將被供電之裝置(亦即，負載)。用於無線電力傳輸系統之架構係以線圈之使用為中心以產生一高頻交流磁場其用以將能量由電源傳送至負載。電源將以電壓及電流之形式傳送能量至發射線圈而該發射線圈將環繞該線圈產生一磁場其隨著所施加之電壓及電流改變而變化。電磁波將經由自由空間由該線圈移動到一耦接至該負載之接收線圈。當該電磁波經過該接收線圈時，一電流在該接收線圈中感應生成而該電流係正比於該接收線圈捕捉到之能量。

一種用於一無線電力傳輸系統之習知線圈配置係一基本式螺旋型迴路。圖1顯示一基本式螺旋型迴路線圈。於該基本式螺旋型迴路線圈中，該線圈之電感L係正比於N² ，其中N係該線圈之匝數。此種型式之線圈典型地係使用在較小、低電力系統上，少於20 W。

另一習知線圈配置係基本式交錯螺旋型迴路。圖2顯示一基本式交錯螺旋型迴路線圈其包含二個交錯迴路繞組。一繞組係顯示為一連續線。另一繞組係顯示為虛線。圖2中，二繞組可串聯組配以供高電感之用或並聯組配以供低電感之用。此種形式之迴路線圈典型地係使用在無線電力發射器(亦即，電源側)上。圖2中所顯示之鏡像格式在充電表面(距線圈一特定距離)處提供近乎均勻之磁場。此種型式之迴路線圈係供中型電力應用(高達70 W系統)之用。線圈之實際尺寸係限制在大約一12平方吋內。

其他線圈配置係揭露於2018年3月15日提申之美國專利申請案第15/922,286號中。一實例係圖3中所示之線圈配置。圖3顯示多數迴路形成一線圈群其在一PCB上利用多數迴路之一單一線圈10形成。單一線圈10係在一PCB上繞製以形成多數圓形迴路之一格式。多數圓形迴路係串聯連接。線圈群係提供以保持其多數圓形迴路之格式，其中迴路，在水平與垂直兩個方向上，係與每一相鄰迴路等距。此舉容許當線圈群重疊使得線圈群與其他線圈群分離時保持線圈迴路之格式。此舉亦容許相連線圈群之每一相鄰迴路相互分離。藉著迴路之分離，由串聯、小型迴路之組合所產生之電感相較於一相等尺寸之繞組線圈而言係相對地低。低電感線圈因為在假像阻抗變化上有較低之環境衝擊，所以在無線電力傳輸時係有利的。

此類無線電力系統當用以提供電力至一大區域時可能引發問題。例如，當線圈區域增加時，幅射磁場之容量增加其可能導致遞增之進入活體組織的特定吸收率(SAR)以及遞增之EMI幅射位準使其更難以遵循相關輻射排放極限。

一大線圈區域之另一效應係電感增加且，因此，將線圈調整至用於6.78 MHz高度式諧振無線電力應用之固定產業、科學及醫學(ISM)頻帶需要越來越遞減之電容。較小的電容放大了公差效應，使其在保持諧振的生產方面既困難且不實用。高電感亦導致跨接調整電容器之高電壓應力。此種電壓可能輕易地超過1000 V。

大區域線圈之一次級效應係該等線圈由於使用情況變化，諸如外界金屬物件之存在、來自裝置(負載)之電容性耦合及負載電力需求，變得越來越易於受到假像阻抗偏移之影響。

另一問題係典型地供大區域線圈使用之高頻(6.78 MHz)放大器由於裝置電壓額定值及設計極限而存有在最大輸出電力上之限制，即使當使用較高電壓及/或電流FET時亦然。

據此，將期望提供可解決以上問題之一大區域無線電力系統。

發明概要 於一實施例中，係提供一種大區域無線電力系統其包含多數線圈。因為當經由較長距離提供電力至多數線圈時計時失真及抖動可能成為一項問題，所以提供一同步化電路以減少計時失真及抖動。該同步化電路亦可補償信號中之相位延遲，使得提供至線圈之信號係同相，或至少在任何最大相位延遲臨界值以內。對於可自多個線圈接收電力之大型負載而言確保信號同相係重要的。

於一示範性實施例中，大區域無線電力系統具有一同步化發射器及多數同步化接收器其用以接收來自該同步化發射器之多數差動信號及輸出多數第二單端信號。該同步化發射器產生一第一單端信號及轉換該第一單端信號為多數差動信號。該大區域無線電力系統亦包含多數高電力放大器其用以接收來自該等個別同步化接收器之該等多數第二單端信號及產生電力，以及多數無線電力線圈其接收該等多數高電力放大器所產生之該電力及無線式提供電力。

於另一實施例中，大區域無線電力系統包含一諧振大區域線圈、一較小感應線圈及一高電流放大器其用以供應電力至該感應線圈以藉此導致該感應線圈感應一磁場至該諧振大區域線圈內。該高電流放大器可，例如，利用電流平衡電感器組配成並聯配置之二個差動模式ZVS D級放大器，或可組配成並聯配置之二個差動模式E級放大器。

於另一實施例中，大區域無線電力系統包含一大區域線圈及一高電壓放大器其提供電力至該大區域線圈。高電壓放大器包含多數ZVS D級放大器其以一多層級(multi-level)組態堆疊，以及該每一ZVS D級放大器均同步式切換。

亦說明一種放大器電路，其提供高電力至一無線電力線圈。該放大器電路包含一差動接收器其用以接收來自一差動驅動器之一差動信號，及轉換該信號為一單端信號。該放大器電路進一步包含一隔離驅動器其用以接收該單端信號及隔離該差動接收器以及一高電力放大器其用以接收該單端信號及提供電力至該無線電力線圈。該放大器電路亦包含一延遲補償電路其用以在該信號提供至該高電壓放大器之前補償該單端信號中之任何相位延遲。

亦說明一種同步化電路其用以同步化提供至多數電力線圈之多數電力信號。該同步化電路包含一振盪器其用以產生一單端信號及一同步化發射器其用以轉換該單端信號為多數差動信號。該同步化電路進一步包含多數同步化接收器其用以接收來自該同步化發射器之該等多數差動信號及轉換該等多數差動信號為多數同步化單端信號。該同步化電路亦包含一延遲補償電路其用以補償該等多數同步化單端信號中之相位延遲。

本發明之其他特徵及優點當連同隨附圖式閱讀下列說明時將變得顯而易知。

本發明之詳細說明 圖4顯示依據本發明之一第一實施例之一大區域無線電力系統400。無線電力系統400具有三個線圈40A，40B，40C，然而更多或更少線圈可依據提供電力之區域的大小來採用。雖然圖4及下列圖式均顯示圖3之多迴路組態，然而線圈40A，40B，及40C可為任何線圈型式。每一線圈係耦接至一個別無線電力放大器41A，41B，41C。線圈40A，40B，40C在分離步驟中定標然而在每一無線電力放大器41A，41B，41C之間均需準確同步化以確保任何足夠龐大而耦接至二或多個線圈之負載接收來自該每一線圈之同相電力。此外，無線電力放大器間之實際距離，然而，使其難以分配具有低抖動及計時失真之同步化信號。在此方面，每一無線電力放大器係連接至一同步化電路50其包含一同步化接收器42A，42B，42C及同步化發射器43。此外，於此實施例中，線圈40A，40B，及40C實際上係以此一方式分開以具有-17dB之一最大耦合。

在6.78 MHz，用於高度式諧振無線電力應用之ISM頻率處，線圈群之大區域增加其間之電容性耦合。此電容性耦合提供一用於共用模式電流之路徑。共用模式電流導致EMI問題、無需之加熱及降等之效能。為了克服此類共用模式問題，適當之共用模式扼流圈44A，44B，44C係連接在無線電力放大器41A，41B，41C與線圈40A，40B，及40C之間。共用模式扼流圈44A，44B，44C優選地係二線繞製，且優選地使用厚塑膠絕緣以減少電容及因此直接感應至核心材料內之損耗。

圖5顯示依據優選實施例之圖4之同步化發射器43及同步化接收器42A，42B，42C之一方塊圖，其一起包含同步化電路50。同步化電路50包含同步化發射器43其藉著差動傳輸線對51A，51B，51C連接至多數同步化接收器42A，42B，42C。同步化發射器43包含一振盪器52其提供用於無線電力系統400之單端時脈信號，差動驅動器53A，53B，53C其轉換該單端時脈信號為差動信號、以及一DC電源54其提供電力至每一差動傳輸線對51A，51B，51C。振盪器52所供應之信號的頻率優選地係6.78 MHz，用於高度式諧振無線電力應用之ISM頻帶。每一同步化接收器42A，42B，42C均包含一差動接收器55A，55B，55C其連接至一隔離驅動器56A，56B，56C。

差動傳輸線對51A，51B，51C係用以將來自振盪器52之時脈信號分配至每一差動接收器55A，55B，55C。差動傳輸線對51A，51B，51C係用以提供對於無線電力電磁場之豁免性及具有一固定阻抗，優選地係50Ω 或 100Ω，其防止反射而該等反射可能感應抖動及計時誤差。每一同步化接收器42A，42B，42C均接收來自個別差動傳輸線對51A，51B，51C之一差動信號及轉換該差動信號為一單端信號其傳送越過一隔離障壁，形式為隔離驅動器56A，56B，56C，其係連接至個別無線電力放大器41A，41B，41C。每一差動接收器55A，55B，55C之輸出係饋入一隔離驅動器56A，56B，56C以消除每一無線電力放大器41A，41B，41C間之高頻低阻抗路徑。每一差動接收器55A，55B，55C優選地係經由個別差動傳輸線對51A，51B，51C接收來自DC電源54之DC電力。每一隔離驅動器優選地係藉著個別無線電力放大器41A，41B，41C來供電。

當多數線圈均被同步化時，需要各種長度之纜線。然而，使用不同長度之纜線可能個別地導致相對於每一接收器處之其他信號之相差。如上文所說明者，重要的是各種線圈均同相。解決此問題之一種方法係以相同長度之纜線將同步化發射器連接至同步化接收器。然而，對於發射器與接收器間僅具有一短距離之線圈而言，此舉可能導致纜線束在一起，此需要空間以儲存此成束纜線。因此，此種解決方案並不令人期待。另一解決方案係在每一同步化電路中包含一延遲補償電路57A，57B，57C，如圖5中所示。於纜線最短時，延遲補償電路可組配以增加一較長延遲。於纜線為中等長度時，延遲補償電路可組配以增加一中等延遲。於纜線最長時，無需延遲補償電路並充作供全部延遲電路設定值用之延遲參考。所有增加之延遲係意圖達成關於每一接收器之各種信號間之最小相差之目標，優選地不多於200 ps。

延遲補償電路57A，57B，57C優選地係配置在差動接收器55A，55B，55C與隔離驅動器56A，56B，56C之間，如圖5中所示。延遲補償電路57A，57B，57C可替代地配置在隔離驅動器56A，56B，56C之後及無線電力放大器41A，41B，41C之前，或在同步化發射器43之振盪器52與差動驅動器53A，53B，53C之間。圖6顯示一示範性延遲補償電路57A，57B，57C，並於圖式中說明該示範性延遲補償電路如何操作以補償延遲。圖6中所示之延遲補償電路係示範性者，且任何習知延遲補償電路均可使用。

圖7顯示具有無線電力系統70之本發明之一替代性實施例。無線電力系統70近乎相同於無線電力系統400(圖4)除了線圈40A，40B，40C部分重疊(例如，達一距離a)以外，如美國專利申請案第15/922,286號中所說明者。

圖8顯示依據另一實施例之一大區域無線電力系統80。大區域無線電力系統80使用一諧振大區域線圈81及一較小感應線圈82。較小感應線圈82，藉著一高電流放大器83驅動，感應一磁場至諧振大區域線圈81內，並經由諧振強化磁場。較小感應線圈82係一高電流主線圈，亦即，驅動諧振大區域線圈81中之高電力之電流導致供較小感應線圈用之高電流以及表現出類似一變流器(current transformer)。較小感應線圈82可以或不可調整。諧振大區域線圈81係一較低電流線圈且可調整。

大區域無線電力系統80中之二個線圈81，82之組合係充作一變流器之用以產生正確電流。大區域無線電力系統80之二線圈式方法超越圖4之大區域無線電力系統400之主要優點係諧振大區域線圈81可設計以產生一均勻之場而在電力表面區域上沒有週期性微小間隙。然而，大區域無線電力系統80之二線圈式方法由於感應線圈區域增加以致對於定標一超大區域存有能力上之限制。亦要求感應及諧振線圈兩者均具有適合供一大區域用之特性。

高電流放大器83可為，例如，利用電流平衡電感器L_B1 , L_B2 , L_B2 , L_B4 並聯配置之二個差動模式ZVS D級放大器，如圖9中所示，以防止差動模式ZVS D級放大器間之循環電流，或並聯配置之二個差動模式E級放大器，如圖10中所示。此二種情況下，供應至線圈之電力係藉著增加電流來遞增。此類並聯式放大器係於美國專利第9,331,061號中更詳細加以說明。圖9與10中之每一放大器形態結構中所使用之每一FET之閘極信號計時亦需要準確計時以防止電流失衡或循環其可能導致增加之損耗。此需要低等待時間閘極驅動器與相等信號傳輸路徑長度一起使用使得信號係以一類似於採用延遲補償電路57A，57B，57C之方式於一狹窄視窗內抵達。

圖11顯示依據另一實施例之一大區域無線電力系統110。大區域無線電力系統110僅使用一單一大線圈111其係藉著高電壓放大器112來供電。無線電力系統110藉著足夠高之驅動電壓以在線圈中感應足夠電流來克服有關大線圈之問題。

圖12顯示高電壓放大器112之一示範性實施例。高電壓放大器112包含多數ZVS D級放大器其以一多層級組態堆疊，其中全部放大器均需同步式切換。一多層級轉換器本質所具有者，當增加負載之輸出頻率時，高電壓放大器112容許較低之切換頻率。此舉係為了形態結構中之許多裝置保持低損耗。此形態結構在多層級轉換器上擴充其中ZVS D級形態結構係用以確保供每一個別層級(半橋式(half bridge))用之ZVS。雖然圖12顯示一差動模式組態，然而高電壓放大器112亦可為單端者。

於上文詳細說明中，係參考特定實施例。此類實施例係以充分細節加以說明以使熟悉本技藝人士能夠實施該等實施例。將理解的是其他實施例亦可使用且各種結構性、邏輯性、及電氣性改變均可為之。此外，雖然特定實施例係連同能量傳輸系統來說明，然而應理解的是此處所說明之特徵通常可適用於其他型式之電路。

10‧‧‧單一線圈

80、110、400‧‧‧大區域無線電力系統

40A、40B、40C‧‧‧線圈

41A、41B、41C‧‧‧無線電力放大器

42A、42B、42C‧‧‧同步化接收器

43‧‧‧同步化發射器

44A、44B、44C‧‧‧共用模式扼流圈

50‧‧‧同步化電路

51A、51B、51C‧‧‧差動傳輸線對

52‧‧‧振盪器

53A、53B、53C‧‧‧差動驅動器

54‧‧‧DC電源

55A、55B、55C‧‧‧差動接收器

56A、56B、56C‧‧‧隔離驅動器

57A、57B、57C‧‧‧延遲補償電路

70‧‧‧無線電力系統

81‧‧‧諧振大區域線圈

82‧‧‧感應線圈

83‧‧‧高電流放大器

111‧‧‧大線圈

112‧‧‧高電壓放大器

圖1顯示一基本式螺旋型迴路線圈。

圖2顯示一基本式交錯螺旋型迴路線圈其包含二個交錯迴路繞組。

圖3顯示一習知多迴路線圈群。

圖4顯示依據一實施例之一大區域無線電力系統。

圖5顯示依據一實施例之一同步化電路。

圖6顯示依據一實施例之一延遲補償電路。

圖7顯示一大區域無線電力系統之一實施例。

圖8顯示一大區域無線電力系統之一實施例。

圖9顯示並聯式高電流ZVS D級放大器之一實施例。

圖10顯示並聯式高電流ZVS E級放大器之一實施例。

圖11顯示一大區域無線電力系統之一實施例。

圖12顯示一高電壓多層級ZVS D級放大器之一實施例。

Claims (21)

1. 一種大區域無線電力系統包含： 一同步化發射器，其用以產生一第一單端信號及轉換該第一單端信號為多數差動信號: 多數同步化接收器，其用以接收來自該同步化發射器之該等多數差動信號及輸出多數第二單端信號； 多數高電力放大器，其用以接收來自該等個別同步化接收器之該等多數第二單端信號及產生電力；以及 多數無線電力線圈，其用以接收該等多數高電力放大器所產生之該電力及無線式提供電力。
2. 如請求項1之大區域無線電力系統，其中該同步化發射器包含： 一振盪器，其用以產生該第一單端信號；以及 多數差動驅動器，其用以接收該第一單端信號及產生該等多數差動信號。
3. 如請求項1之大區域無線電力系統，進一步包含多數差動纜線，其用以運送來自該同步化發射器之該等多數差動信號至該等多數同步化接收器。
4. 如請求項3之大區域無線電力系統，其中每一同步化接收器包含： 一差動接收器，其用以轉換該等多數差動信號為該等多數單端信號；以及 一隔離驅動器，其用以接收該單端信號及將該同步化接收器與該個別高電力放大器隔離。
5. 如請求項4之大區域無線電力系統，其中每一差動接收器接收來自該等多數差動纜線中之一個別差動纜線之電力。
6. 如請求項1之大區域無線電力系統，其中每一該等多數同步化接收器進一步包含一延遲補償電路，其用以補償該第二單端信號中之任何相位延遲。
7. 如請求項6之大區域無線電力系統，其中該延遲補償電路接收來自該差動接收器之該單端信號及提供一相位延遲補償信號至該隔離驅動器。
8. 如請求項6之大區域無線電力系統，其中該延遲補償電路接收來自該隔離驅動器之該單端信號及提供一相位延遲補償信號至該高電力放大器。
9. 一種用以提供高電力至一無線電力線圈之放大器電路，該放大器電路包含： 一差動接收器，其用以接收來自一差動驅動器之一差動信號，及轉換該信號為一單端信號； 一隔離驅動器，其用以接收該單端信號及隔離該差動接收器； 一高電力放大器，其用以接收該單端信號及提供電力至該無線電力線圈；以及 一延遲補償電路，其用以在該信號提供至該高電壓放大器之前補償該單端信號中之任何相位延遲。
10. 如請求項9之放大器電路，其中該延遲補償電路接收來自該差動接收器之該單端信號及提供一相位延遲補償信號至該隔離驅動器。
11. 如請求項9之放大器電路，其中該延遲補償電路接收來自該隔離驅動器之該單端信號及提供一相位延遲補償信號至該高電力放大器。
12. 一種用以同步化提供至多數電力線圈之多數電力信號之同步化電路，該同步化電路包含： 一同步化發射器，其用以產生一單端信號及轉換該單端信號為多數差動信號； 多數同步化接收器，其用以接收來自該同步化發射器之該等多數差動信號及轉換該等多數差動信號為多數同步化單端信號；以及 一延遲補償電路，其用以補償該等多數同步化單端信號中之相位延遲。
13. 如請求項12之同步化電路，其中 該同步化發射器包含： 一振盪器，其用以產生該單端信號；以及 多數差動驅動器，其用以接收該單端信號及產生該等多數差動信號；以及 進一步包含多數差動纜線，其用以運送來自該同步化發射器之該等多數差動信號至該等多數同步化接收器。
14. 如請求項12之同步化電路，其中每一同步化接收器包含： 一差動接收器，其用以轉換該等多數差動信號中之該個別差動信號為該等多數同步化單端信號中之該個別同步化單端信號；以及 一隔離驅動器，其用以接收該等多數同步化單端信號中之該個別同步化單端信號及將該同步化接收器與一高電力放大器隔離。
15. 如請求項12之同步化電路，其中該延遲補償電路接收來自該差動接收器之該同步化單端信號及提供一相位延遲補償信號至該隔離驅動器。
16. 如請求項12之同步化電路，其中該延遲補償電路接收來自該隔離驅動器之該同步化單端信號及提供一相位延遲補償信號至一高電力放大器。
17. 如請求項12之同步化電路，其中該延遲補償電路接收來自該振盪器之該單端信號及提供一相位延遲補償信號至該等多數差動驅動器。
18. 一種大區域無線電力系統包含： 一諧振大區域線圈； 一感應線圈；以及 一高電流放大器，其供應電力至該感應線圈以藉此導致該感應線圈感應一磁場至該諧振大區域線圈內。
19. 如請求項18之大區域無線電力系統，其中該高電流放大器係利用電流平衡電感器組配成並聯配置之二個差動模式ZVS D級放大器以防止該等差動模式ZVS D級放大器間之循環電流。
20. 如請求項18之大區域無線電力系統，其中該高電流放大器係組配成並聯配置之二個差動模式E級放大器。
21. 一種大區域無線電力系統包含： 一大區域線圈； 一高電壓放大器，其用以提供電力至該大區域線圈，該高電壓放大器具有多數ZVS D級放大器，其以一多層級組態堆疊，其中每一該等多數ZVS D級放大器均同步式切換。