能够通过调制接收端的有效负载电阻提高效率及功率传送的无线功率接收装置

摘要

本发明涉及能够通过调制接收端的有效负载电阻来提高功率传送的无线功率接收装置以及使用所述装置的无线功率传送系统。无线功率接收装置的接收单元从无线功率传送装置接收功率。整流电路单元对从接收单元输出的电流进行整流，并输出所整流的电流。负载电阻调制单元接收具有占空比的控制信号，根据所接收的控制信号控制从整流电路单元提供的电流以改变有效负载电阻的大小，并增大等效电阻的大小以便提高效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线功率传送系统，并尤其涉及一种通过调制接收 端的有效负载电阻来提高功率传送的无线功率接收装置。

背景技术

无线功率传送系统通常包括传送装置DC电源、传送装置谐振逆变 器、传送谐振器、接收谐振器、整流电路单元、以及功率变换器。为了 在低耦合与小谐振器的限制下提供高效率，需要相应地优化接收装置的 负载电阻。

除了效率之外，也需要传送比接收装置所需功率的更高的功率的能 力。尤其是，当传送装置与接收装置之间存在长距离时，难以向接收装 置提供足够的功率。除了距离之外，负载电阻也影响着功率传送。于是， 为了以高效率向接收装置传送期望的功率，需要适当地选择负载电阻。

问题在于难以自由地改变负载电阻。负载电阻是由实际消耗功率的 装置的功率需求决定的，并且不是系统的设计变量。当使用阻抗变换电 路时，能够变换从接收谐振器观测的有效负载电阻，并提高性能。

然而，典型的阻抗变换电路已经具有固定的变换比，不能自由地改 变阻抗变换比。

在这种情况下，存在这样的限制，即，在特定的距离或特定的负载 电流的条件下，能够优化性能，但是当距离改变或负载电流改变时，性 能下降，并且系统变得不稳定。

典型的接收装置后部的功率变换电路仅具有在接收比所需功率更高 的功率时限制功率的功能。因而，当接收的功率小于所需功率时，实际 上难以充分地向负载电阻器提供期望的功率。

在名为“无线功率传送中的自适应阻抗调谐”的美国专利申请 US2010/0277003A1中，通过使用DC-DC逆变器来改变接收装置电阻的 目的在于控制功率，而不是增加效率。该专利申请为了增加或降低输出 功率而主张了不同的控制方法以及输出/输入功率感测方法。然而，其目 的在于功率传递控制而不是增加效率。该专利申请描述了当通过使用这 些方法来增加传送的功率时不必增加效率。

相反，本专利申请的目标在于在功率转换电路的辅助下提高谐振器 的效率，而不是控制功率。即使所提出的接收装置在相同距离处接收相 同的功率，由于接收装置在其反射电阻已被放大的状态下运行，所以接 收装置也具有高效率。与不加入所提出的负载电阻调制单元相比，所提 出的负载电阻调制单元的加入提供了更高的效率。

发明内容

技术问题

本发明的目的在于提供一种通过调制接收端的有效负载电阻来提高 功率传递的无线功率传送系统，该无线功率传送系统可解决如下限制： 在特定的距离或特定的负载电流的情况下，能够优化性能，但当距离改 变或负载电流改变时，由于典型的无线功率传送系统中使用的典型的阻 抗变换电路不能自由地改变阻抗变换比，且已具有固定的变换比，所以 性能下降，并且系统变得不稳定。

技术方案

为了达到上述目的，本发明提供一种无线功率接收装置，该无线功 率接收装置包括：接收单元，其从功率传送装置接收功率；整流电路单 元，其对从所述接收单元输出的电流进行整流，并输出所整流的电流； 以及负载电阻调制单元，其接收具有占空比的控制信号，根据所接收的 控制信号调节从所述整流电路单元提供的所述电流以改变有效负载电阻 的大小，并增加反射电阻的大小以提高效率。

有益效果

根据本发明，存在如下优点：能够通过将有效负载电阻向接收装置 的加载Q值增加的方向改变，并且通过增大反射到传送装置的反射电阻 来增加整个系统的效率以及输出功率。

另外，由于能够在无线功率传送装置与无线功率接收装置之间存在 长距离，并由此输出功率降低到小于或等于负载电阻器所需要的功率时 增加反射电阻，因此存在能够维持较长距离情况下的相同的效率和输出 功率的优点。

附图说明

图1(a)及1(b)示出串联的接收谐振器与反射电阻器之间的相关性。

图2(a)及2(b)示出并联的接收谐振器与反射电阻器之间的相关性。

图3是根据本发明的实施例的无线功率传送系统的框图。

图4是图3中的整流电路图的示例。

图5示出本发明的负载电阻调制单元的第一实施例的第一调制电路 (升压(boost)型调制电路)。

图6示出本发明的负载电阻调制单元的第二实施例的第二调制电路 (升压型调制电路)。

图7示出本发明的负载电阻调制单元的第三实施例的第三调制电路 (SEPIC型调制电路)。

图8示出本发明的负载电阻调制单元的第四实施例的第四调制电路 (降压(buck)型调制电路)。

图9示出本发明的负载电阻调制单元的第五实施例的第五调制电路 (接收脉动DC电压输入的回扫调制电路(flyback modulation circuit))。

图10示出本发明的负载电阻调制单元的第六实施例的第六调制电 路(降压-升压-级联(cascade)型调制电路)。

图11(a)及11(b)是当本发明的接收单元包括串联谐振结构以及并联 谐振结构时为了增加反射电阻而经由调制负载电阻来等同地对接收单元 执行串联或并联的转换的示例。

图12是图3中的无线功率接收装置的操作方法的流程图。

图13是图3中的无线功率传送系统的操作方法的流程图。

图14(a)是本发明及现有技术中传送功率相对于无线功率传送装置 与无线功率接收装置之间的距离的曲线图，并且图14(b)是根据本发明与 现有技术的传送功率相对于传送装置与接收装置之间的距离的曲线图。 (“负载调制”代表本发明并且“仅整流器”代表现有技术。)

图15(a)是根据本发明及现有技术的当输出是21.6W时的效率相对 于距离的曲线图，并且图15(b)是在本发明与现有技术中当输出是10.9W 时的效率相对于距离的曲线图。(“调制的负载”代表本发明并且“仅整 流器”代表现有技术。)

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的示例性实施例。在说明本发明 时，为了不必要地模糊本发明的主题，将省略与已知功能或结构相关的 详细说明。

由于本发明可以做出不同的变形例并具有若干实施例，因此将在图 中示出特定的实施例，并且在本发明或申请中将详细说明特定的实施例。 然而，并不旨在将本发明限制在特定的实施例，并且应理解，本发明覆 盖落入本发明的精神和范围之内的所有的变形例、等同物、和/或替代物。

当提到任何元件与另一元件“连接”或“接入”时，应理解，前者 与后者可直接连接或接入，或者在两者之间可存在另一元件。反过来， 当任何元件被称为与另一元件‘直接连接’或‘直接接入’时，应理解，两者 之间可以没有其他元件。诸如“位于……之间”、“直接位于……之间”或 “与……相邻”、及“与……直接相邻”之类的用于说明元件间的关系的其 他表述也应当以相同的方式解释。

本发明中使用的术语仅用于说明特定的实施例，并不旨在限制本发 明。除非另有说明，否则，单数形式的术语包括复数形式。应理解，本 发明中，术语“包括”或“具有”表明特征、数字、步骤、操作、元件、部 件、或其组合的存在，但是，并不排除一个或更多其他的特征、数字、 步骤、操作、元件、部件、或其组合的存在或添加。

以下，通过参照附图来更详细地说明本发明。

在说明本发明之前，可以通过下面的方程式1来表示无线功率传送 装置中的等效电阻的大小：

[方程式1]

R_reflected＝k²ω₀L₁Q_RX。

在本示例中，k表示传送装置中的传送线圈与接收装置中的接收谐 振器之间的耦合系数，L₁表示传送线圈的电感，Q_RX代表接收谐振器的 加载Q值(loaded-Q)，ω₀是谐振器的谐振频率及逆变器开关频率，传送 线圈与接收装置之间的耦合的影响由单个等效电阻R_reflected表示。

因为接收装置的影响被反射到传送线圈，所以将等效电阻R_reflected称为反射电阻。

如图1(a)至2(b)所示，反射电阻R_reflected与传送线圈L₁的寄生电阻器 R_{TX parasitic}串联连接。由此，高效率与高输出的条件是增大反射电阻 R_reflected。

反射电阻取决于由接收谐振器的负载电阻决定的Q_RX(见方程式1)。

在串联谐振接收装置的情况下，加载Q值及反射电阻随负载电阻R_L降低而增加(见图1)，并且在并联谐振接收装置的情况下，加载Q值以及 反射电阻R_reflected随负载电阻R_L增加而增加(见图2)。

因而，本发明经由负载电阻调制电路来改变有效负载电阻及接收谐 振器的反射电阻的大小，以增加传送功率的效率以及传送功率。

图3是根据本发明的实施例的无线功率传送系统的框图。图4是图 3中的整流器的电路图的示例。

如图3所示，本发明的无线功率传送系统300包括无线功率传送装 置100以及无线功率接收装置200。

无线功率传送装置100传送功率。无线功率传送装置100包括DC 电源以及传送谐振单元，并且起到经由传送谐振单元中的电感器L₁将从 DC电源产生的功率传送到外部的作用。

为了提高无线功率的传送效率，无线功率接收装置200调节反射电 阻的大小。

更具体地，无线功率接收装置200包括接收单元120、整流电路单 元130、以及负载电阻调制单元140。

接收单元120从无线功率传送装置接收功率。

整流电路单元130对从接收单元120输出的电流进行整流，并输出 所整流的电流。

负载电阻调制单元140接收包含占空比的控制信号，根据所接收的 控制信号CNT来调节从整流电路单元130提供的电流以改变有效负载电 阻的大小，并调节功率传送装置中的反射电阻的大小，以便提高效率。

控制信号CNT控制负载电阻调制单元140的操作，具体地，控制信 号CNT是具有固定或可变的占空比的脉冲信号，其有规律地接通/关断 负载电阻调制单元140中的开关器件。

接收单元120可被配置成如下结构：电感器L与电容器C串联、并 联、或串联及并联连接。参照下面的图10来提供更具体的说明。

接下来，参照图4，整流电路单元130包括第一整流单元131、第二 整流单元132、及整流电路单元输出滤波器133。整流电路单元130从接 收单元120接收所整流的电流，并将所接收的电流提供到负载电阻调制 单元140。

第一整流单元131包括经由第一节点N1串联连接的两个二极管D， 第二整流单元132包括经由第二节点N2串联连接的两个二极管D，并且 第一整流单元131与第二整流单元132并联连接。另外，整流电路单元 130与整流电路单元输出滤波器C并联连接。

从接收单元120提供的交流电流经由第一整流单元131的整流器件 (二极管)而在整流电路单元130的输出滤波器C中被输出为直流电流。

负载电阻调制单元140起到调节从整流电路单元130提供的电流以 改变负载电阻R_L的大小的作用。更具体地，其调节从整流电路单元130 提供的电流以便增大或降低有效负载电阻的大小。

图5示出本发明的负载电阻调制单元的第一实施例的第一调制电路 (升压型调制电路)。

更具体地，如图5所示，负载电阻调制单元140根据接收单元120 中的电感器L与电容器C的连接结构而有所不同，在串联连接结构的情 况下，负载电阻调制单元140包括第一调制电路210、第二调制电路220、 或第三调制电路230，并且在并联连接结构的情况下，负载电阻调制单元 140包括第四调制电路240、第五调制电路250、或第六调制电路260。

第一调制电路210可以是包括电感器211、第一开关器件212、第二 开关器件213、以及电容器214的升压型电路。

更具体地，电感器211的一端连接到整流单元，并且其另一端连接 到第三节点N3。第一开关器件212的漏极端子连接到第三节点N3，并 且其源极端子连接到第四节点N4。第二开关器件213的一端连接到第三 节点N3，并且其另一端连接到第五节点N5。

控制信号CNT是脉冲信号，其被提供到第一开关器件212的栅极端 子。控制信号CNT的占空比可具有固定的值或根据负载电阻器的输出电 压而变化。

第一开关器件212与第二开关器件213交替接通。

当第一开关器件212接通时，电感器211中流动的电流逐渐累加。 电感器中流动的电流经由第一开关器件212和整流电路单元130而逐渐 累加。

当第一开关器件212关断时，第三节点N3的电压增加，并且一旦 电压等于或高于第二开关器件213的阈值电压，则第二开关器件213接 通。因而，电感器211中流动的电流被提供到负载电阻器R_L。

随着在整个开关周期期间第一开关器件212被接通的比例(例如占空 比)增大，逐渐累加的电流增大，输入到调制器210的电阻降低，并且因 为输入到第一调制电路210的电阻是有效负载电阻，所以反射电阻增加。

因而，第一调制电路210根据控制信号CNT(脉冲信号)的占空比来 调节电流，使得与典型的负载电阻相比，输入电阻降低，以增加无线功 率传送装置100中的反射电阻。因此，无线功率传送效率以及传送功率 增大。

图6示出本发明的负载电阻调制单元的第二实施例的第二调制电路 (升压型调制电路)。

如图6所示，第二调制单元220是代表接收脉动DC电流的升压型 电路的示例的电路图。

更具体地，第二调制电路220包括第一开关器件221、第二开关器 件222、以及电容器223。

第一开关器件221的漏极端子连接到第三节点N3，其栅极端子连接 到控制单元170，其源极端子连接到第四节点N4。

第二开关器件222的一端连接到第三节点N3，并且其另一端连接到 第五节点N5。电容器223与第二开关器件222并联连接。

第二调制电路222是通过去除功率接收电路的整流电路单元输出滤 波器C以及第一调制电路210中的负载电阻调制单元的电感器而得到的 电路。

因而，当第一开关器件221接通时，接收单元处的谐振电流的振幅 缓慢地增加。在这种情况下，当第一开关器件221的接通部分(例如，接 通时间部分)较长时，在接收单元120中出现电流逐渐累加。因而，接收 单元120处的有效负载电阻降低，并且反射电阻增加。

图7示出本发明的负载电阻调制单元的第三实施例的第三调制电路 (SEPIC型调制电路)。

如图7所示，第三调制电路230是代表接收脉动DC电流的SEPIC 型变换电路的示例的电路，更具体地，第三调制电路230包括第一开关 器件231、第二开关器件234、第一电容器232、第二电容器235、以及 电感器233。

第一开关器件的漏极端子连接到第三节点N3，其栅极端子连接到控 制单元，并且其源极端子连接到第四节点N4。

第一电容器232的一端连接到第三节点N3，其另一端连接到第五节 点N5。电感器233的一端连接到第五节点N5，其另一端连接到第六节 点N6。第二开关器件234是二极管，其一端连接到第六节点N6，并且 其另一端连接到第七节点N7。第二电容器235的一端连接到第七节点 N7，并且其另一端连接到第八节点N8。

在本示例中，当第一开关器件231接收控制信号CNT并被激活时， 提供到第三节点N3和接收单元120的电流增加。在这种情况下，连接到 第六节点N6的电感器具有电流逐渐累加的状态，并由此向第五节点N5 提供电流I_LS。

然后，当第一开关器件231关断时，提供到第五节点N5的与电流 I_CS+I_SL相一致的电压增加为大于第二开关器件234的阈值电压。于是， 第二开关器件234接通，因此，提供到第五节点N5的电流增加。

因而，通过在负载电阻调制单元140处调节有效负载电阻，接收单 元120处的负载电阻R_L的大小可增大或降低。根据这种原理，能够降低 或增大反射电阻。

图8示出本发明的负载电阻调制单元的第四实施例的第四调制电路 (降压型调制电路)。

如图8所示，第四调制单元240是代表用于增加输入电阻的降压型 转换电路的示例的电路图。

更具体地，第四调制单元包括第一开关器件241、第二开关器件242、 电感器243、以及电容器244。

第一开关器件241的漏极端子连接到整流电路单元130，其栅极端 子连接到控制单元170，并且其漏极端子连接到第三节点N3。第二开关 器件242可以是二极管，其一端连接到第三节点N3，并且其另一端连接 到第四节点N4。电感器243的一端连接到第三节点N3，并且其另一端 连接到第五节点N5。电容器244的一端连接到第三节点N3，并且其另 一端连接到第六节点N6，从而电容器与电感器并联连接。

当第一开关器件241接收控制信号(脉冲信号)并接通时，有效负载 电阻被固定。如果第一开关器件241关断，那么电流减小，有效负载电 阻增大，并由此无线功率传送装置中具有较大的反射电阻。

高的反射电阻增大了效率及功率，并由此增大了传送到无线功率接 收装置的功率以及功率传送效率。

图9示出本发明的负载电阻调制单元的第五实施例的第五调制电路 (接收脉动DC电压输入的回扫调制电路)。

如图9所示，第五调制电路250是代表接收脉动DC电压输入的回 扫调制电路的示例的电路图。

更具体地，第五调制电路250包括回扫变压器253、第一开关器件 254、第二开关器件255、及电容器256，其中，在回扫变压器253中， 第一电感器251与第二电感器252中的线圈按照相反的方向缠绕。

供参考地，回扫变压器253以如下方式形成，即，第一电感器251 中的线圈与第二电感器252中的线圈按相反方向缠绕，并且使用相应的 反电动势来提供电流。

第一电感器251的一端连接到第三节点N3，并且其另一端连接到第 一开关器件254的源极端子。第一开关器件254的源极端子连接到第一 电感器251的另一端，控制信号被提供到第一开关器件的栅极端子，并 且第一开关器件的漏极端子连接到第四节点N4。

第二电感器252的一端连接到二极管的一端，并且其另一端连接到 电容器256的一端。电容器256与二极管并联连接。

当第一开关器件254的关断部分随着提供到第五调制电路250的控 制信号(脉冲信号)的关断比例的增大而变长时，从第一电感器251提供到 第二电感器252的电流降低，并且接收单元120的谐振电压增加。由此， 有效负载电阻增大。

由此，接收单元120引起无线功率传送装置中的反射电阻变高。高 的反射电阻增加功率传送效率以及功率，并且由此传送到无线功率接收 装置的功率以及功率传送效率增加。

图10示出本发明的负载电阻调制单元的第六实施例的第六调制电 路(降压-升压-级联型调制电路)。

第六调制电路260是代表接收脉动DC电压输入的降压-升压-级联型 电路的示例的电路图。

更具体地，第六调制电路260包括第一开关器件261、第二开关器 件262、电感器263、第三开关器件264、第四开关器件265、以及电容 器C。

第一开关器件261的源极端子连接到整流电路单元130，控制信号 被提供到第一开关器件的栅极端子，并且第一开关器件的漏极端子连接 到第三节点N3。

电感器263的一端连接到第三节点N3，并且其另一端连接到第五节 点N5。第二开关器件262的一端连接到第三节点N3，并且其另一端连 接到第四节点N4。第三开关器件的源极端子连接到第五节点N5，其栅 极端子连接到控制单元170，并且其漏极端子连接到第六节点N6。电容 器267的一端连接到第七节点N7，并且其另一端连接到第八节点N8。

在本示例中，第一及第三开关器件261及264同时接收控制信号 CNT(相同的脉冲信号)以执行接通/关断操作。

因而，当第一及第三开关器件261及264接通时，电感器上的电流 逐渐累加。当逐渐累加时间(例如，接通时间部分)短时，频繁地出现接收 单元120的谐振电压逐渐累加。

由此，接收单元120处的有效负载电阻增大，并且传送装置中的反 射电阻相应地增大。因此，能够增大从无线功率传送装置100输出的功 率以及功率传送效率。

图11(a)及图11(b)是当本发明的接收单元包括串联谐振结构及并联 谐振结构时等效地对接收装置执行串联或并联变换以便经由调制负载电 阻来增加反射电阻的示例。

参照图11(a)，功率接收装置包括由C_2A与C_2B构成的串联及并联谐 振结构这二者。

如果则C_2B的影响被忽略，并且电路变成串联谐振。 在这种情况下，当负载电阻调制单元控制电流以降低有效负载电阻时， 能够增加加载Q值以及反射电阻。

如果则执行到串联谐振结构的转换，并且负载电阻改 变成倒数，使得执行缩放(例如，)。由此，随着负载电阻R_L增大，所转换的负载电阻降低，并且加载Q值增加。因此，当负载电阻 调制单元控制电流以增加有效负载电阻时，能够增加反射电阻。

参照图11(b)，功率接收装置也包括由C_2A及C_2B所构成的串联及并 联谐振结构这二者。

如果则C_2B的影响被忽略，并且电路变成串联谐振。 在这种情况下，当负载电阻调制单元控制电流以增加有效负载电阻时， 能够增加加载Q值及反射电阻。

如果则接收单元转换成并联谐振结构，并且负载电阻 改变成倒数，从而执行缩放。(例如，)。

因而，随着负载电阻的降低，所转换的负载电阻增大，并且加载Q 值增大。由此，当负载电阻调制单元控制电流以降低有效负载电阻时， 能够增大反射电阻。

图12是图3中的无线功率接收装置的操作方法的流程图。

如图12所示，无线功率接收装置的操作方法S10包括接收步骤S11、 整流步骤S12、及负载电阻改变步骤S13。

接收步骤S11是接收单元从无线功率传送装置100接收功率的步骤。

整流步骤S12是整流电路单元对通过使用所接收的功率产生的电流 进行整流的步骤。

负载电阻改变步骤S13是如下步骤：负载电阻调制单元140接收具 有占空比的控制信号，根据控制信号CNT调节电流以改变有效负载电阻 的大小，并且调节反射电阻的大小，以便提高效率。

占空比可以是固定或可变的占空比，并且整流步骤S12可以包括生 成脉动DC电流的步骤。

图13是图3中的无线功率传送系统的操作方法的流程图。

如图13所示，无线功率传送系统的操作方法S100包括传送步骤 S110、接收步骤S120、整流步骤S130、以及负载电阻改变步骤S140。

传送步骤S11是无线功率传送装置100传送功率的步骤。

接收步骤S120是无线功率接收装置200接收所传送的功率的步骤。

整流步骤S130是无线功率接收装置200对通过使用所接收的功率生 成的电流进行整流的步骤。

负载电阻改变步骤S140是如下步骤：无线功率接收装置200接收具 有占空比的控制信号CNT，根据控制信号CNT调节电流以改变有效负载 电阻的大小，并且相应地调节反射电阻的大小以提高功率传递效率。

图14(a)是本发明与现有技术中的传送功率相对于传送装置与接收 装置之间的距离的曲线图，并且图14(b)是本发明与现有技术中的传送功 率相对于传送装置与接收装置之间的距离的曲线图。

如图14(a)及图14(b)所示，可以看出，在现有技术中，距离越长， 传送功率与系统的效率越低。相反地，可以看出，经由负载电阻调制单 元，本发明具有与距离无关且不变的传送功率以及效率。

图15(a)是本发明与现有技术中的当输出21.6W时的效率相对于距 离的曲线图，并且图15(b)是本发明与现有技术中的当输出10.9W时的效 率相对于距离的曲线图。

这样，本发明可以接收接收装置的作为反馈的输出电压以调节反射 电阻的大小(值)。另外，即使当存在长的距离时，也能够提供不变的功率。 相反地，当存在长距离且功率变换器之前的输出功率降低到小于或等于 负载电阻器实际需要的功率时，现有技术已不能提供功率。

然而，由于本发明能够增加反射电阻，因此即使在较长距离的情况 下，当存在长距离且功率变换器之前的输出功率降低到小于或等于负载 电阻器实际需要的功率时，也可以维持传送装置需要的输出功率。

虽然使用特定实施例及图说明了本发明，但本发明不限于此，并且 在本发明的技术精神以及下面的权利要求书的等同范围内，本发明所属 领域的技术人员可以做出修改及改变。

附图标记说明

100：无线功率传送装置

120：接收单元

130：整流电路单元

140：负载电阻调制单元

200：无线功率接收装置

210：第一调制电路

220：第二调制电路

230：第三调制电路

240：第四调制电路

250：第五调制电路

260：第六调制电路

300：无线功率传送系统