无线电能传输电路、无线电能发射端和无线电能接收端

摘要

公开了一种无线电能传输电路、无线电能发射端和无线电能接收端，通过将谐振电路中的电容分为两个，并分别以串联方式设置于线圈的两端，使得一部分对地共模电流由线圈流向地，同时，另一部分对地共模电流由地流向线圈，从而相互抵消，抑制总的对地共模电流。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术，具体涉及无线充电技术，更具体地，涉及一种无线电能传输电路、无线电能发射端和无线电能接收端。

背景技术

无线供电技术可以以无线方式在电子设备之间传输电能，因而广泛应用于消费电子产品和其它类型的电子产品中。无线供电技术通常通过发射侧线圈和接收侧线圈的相互电磁耦合来实现电能的无线传输。其中，磁共振型无线供电方法可以以无线方式向相距一定距离的接收端高效提供电能。在该方法中，电能发射端和电能接收端都配备有由线圈和电容组成的谐振电路，它允许电场和磁场在两个电路之间谐振，以无线传输电能。

如图1所示，现有的无线电能发射电路通常采用线圈Ls和电容Cs串联来形成LC谐振电路，LC谐振电路在预定的工作角频率ω0谐振，使得无线电能发射电路的阻抗为零(也即，)，从而能以较高的传输效率进行电能发射。

但是，为了在供电时基于无线电能接收端更大的位置自由度或同时耦合多个无线电能接收端进行供电，通常会增加发射线圈Ls或接收线圈Ld的尺寸和感值，以提高发射和接收线圈的耦合。这会导致线圈匝数和面积的增加，进而增加线圈的对大地寄生电容Cp＝εS/D，其中，ε为介电常数，S为线圈的面积，D为线圈与地之间的距离。同时，如图2所示，由于寄生电容C1-Cn的存在，线圈上的跳变电压容易通过寄生电容形成对地共模电流Icm，I_CM＝Cp>

发明内容

有鉴于此，本公开提供一种无线电能传输电路、无线电能发射端和无线电能接收端，以在增大线圈尺寸或匝数的同时有效抑制对地共模电流。

第一方面，提供一种无线电能传输电路，包括：

线圈；

第一电容，串联连接在所述线圈的第一端；以及

第二电容，串联连接在所述线圈的第二端；

其中，所述第一电容、第二电容与所述线圈在预定的工作频率谐振。

进一步地，所述第一电容与所述第二电容的电容值比例被设置为使得线圈的对地共模电流最小化。

进一步地，所述第一电容与所述第二电容的电容值相等。

进一步地，所述第一电容和第二电容的电容值比例与所述线圈的绕制形状匹配。

进一步地，所述第一电容和所述第二电容的电容值被配置为使得串联后的等效电容值与所述线圈的电感值在所述工作频率谐振。

进一步地，所述无线电能传输电路为无线电能发射电路或无线电能接收电路。

第二方面，提供一种无线电能发射端，适于以无线方式发射电能，其中，所述无线电能发射端包括如上所述的无线电能传输电路。

第三方面，提供一种无线电能接收端，适于以无线方式接收电能，其中，所述无线电能接收端包括如上所述的无线电能传输电路。

通过将谐振电路中的电容分为两个，并分别以串联方式设置于线圈的两端，使得线圈上的电压基本对称分布，一部分对地共模电流由线圈流向地，同时，另一部分对地共模电流由地流向线圈，从而相互抵消，抑制总的对地共模电流。

附图说明

图1是现有技术的无线电能发射电路的电路图；

图2是现有技术的无线电能发射电路的等效电路图；

图3是现有技术的无线电能发射电路的等效电路图；

图4是本公开实施例的无线电能发射电路的电路图；

图5是本公开实施例的无线电能发射电路的等效电路图；

图6是本公开实施例的无线电能发射电路的示意图；

图7是本公开实施例涉及的无线电能传输系统的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的几个优选实施例进行详细描述，但本公开并不仅仅限于这些实施例。本公开涵盖任何在本公开的本质和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本公开有彻底的了解，在以下本公开优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本公开。

在权利要求中使用的术语“包括”不应当被解释为对其后所列装置的限制。它不排除其他元件或者步骤。因此，表述“一种器件包括装置A和B”的范围应当不限于只包括部件A和B的器件。它意味着针对本公开，该器件的相关部件是A和B。

此外，在本说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于在类似的元件之间进行区分，不一定用于描述顺序或者时序。应当理解，这样使用的术语在适当的情况下是可以互换的，并且在此描述的本公开的实施例能够在不同于在此描述或者说明的顺序下运行。

应当理解，当元件被称为与另一个元件“连接”或“耦接”时，它可以与另一个元件直接连接或耦接，或者可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为与另一个元件上“直接连接”、“直接耦接”时，不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其他词语应当用相同的方式进行理解(即，“...与...之间”与“...与...直接之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。

图3是现有技术的无线电能发射电路的等效电路图。如图3所示，在现有技术的无线电能发射电路中，由于电容Cs和发射线圈Ls在频率f0谐振，这使得线圈中流过的电流Is＝I1·Sin(ω0)时，电容Cs上的电压Vc满足：

同时，线圈Ls上的电压Vl满足：

也即，Vc和Vl幅值相同相位相反，这使得无线电能发射电路两端的总电压为零。线圈Ls上的高频交变电压通过每一匝线圈或每一段线圈可以经由等效的对地寄生电容C0，C1，…，Cn-1，Cn产生n个对地共模电流Icm0至Icmn。由于在同一时刻，线圈Ls上的电压分布并不是对称的。因此，总的共模电流Icm满足：

Icm＝Icm0+Icm1+…+Icmn

不为零的共模电流Icm会导致传导电磁干扰。

图4是本公开实施例的无线电能发射电路的电路图。如图4所示，本实施例的无线电能发射电路1包括线圈Ls、第一电容Cs1和第二电容Cs2。其中，第一电容Cs1串联连接在线圈Ls的第一端，第二电容Cs串联连接在线圈Ls的第二端。第一电容Cs1、第二电容Cs2和线圈Ls共同构成一个CLC谐振电路，在预定的工作频率f0谐振。也即，第一电容Cs1、第二电容Cs2和线圈Ls满足：

其中，ω0为工作频率f0对应的角频率。由此，无线电能发射电路1在工作频率f0阻抗为零，从而能以较高的效率发射电能。

图5是本公开实施例的无线电能发射电路的等效电路图。如图5所示，在本实施例中，以第一电容Cs1和第二电容Cs2的电容值相等为例进行说明。在图5中，线圈Ls的等效电路关于其中心对称。由于无线电能发射电路1的阻抗为零，则电路两端的电压为零。因此，在线圈Ls上的电压分布也完全对称。也即，在0点处的电压与在n点处的电压对称，Vn＝-V0，Vn-1＝-V1，……，以此类推。由此，在0点处的对地共模电流满足：

同时，在对应的n点处的对地共模电流满足：

在C0与Cn相等时，Icm0＝-Icmn。

由此，可以使得电流Icm0和Icmn形成一个闭合回路，不会形成共模电流流入大地。同理，电流Icm1和Icmn-1幅值相同，方向相反，自己形成一个闭合回路，不会形成共模电流流入大地。由此，使得一部分对地共模电流由线圈流向地，同时，另一部分对地共模电流由地流向线圈，整体的共模电流满足：

Icm＝Icm0+Icm1+…+Icmn＝0

由此，形成多个闭合回路，使得减少流入地的共模电流，从而达到抑制对地共模电流的目的。

图6是本公开实施例的无线电能发射电路的示意图。如图6所示，在实际应用场景下，通常会采用平面螺旋线方式来形成所述线圈以使得线圈尽可能扁平化。第一电容Cs1和第二电容Cs2分别串联设置在线圈的两个引出端形成谐振电路。线圈Ls的扁平化可以使得无线电能传输电路可以适用于各种便携式电子设备。如图6所示，由于线圈从外向内绕制，使得线圈的各段并不是中心对称的。因此，线圈的整体分布并不对称，进而使得不同位置的寄生电容分布也并不是完全对称的。此时，可以配置第一电容Cs1和第二电容Cs2的电容值，通过调整两者的比例，使得线圈Ls上的电压分布尽可能地与寄生电容的分布相匹配(也即，与线圈的形状相匹配)，调节不同段的对地共模电流以最小化对地共模电流。

当然，如果线圈是对称形式的，那么通过设置使得第一电容Cs1和第二电容Cs2的电容值相等，理论上可以使得对地共模电流为零。

由此，本实施例通过将谐振电路中的电容分为两个，并分别以串联方式设置于线圈的两端，使得一部分对地共模电流由线圈流向地，同时，另一部分对地共模电流由地流向线圈，从而相互抵消，抑制总的对地共模电流。

进一步地，图4所示的无线电能发射电路1的电路结构也可以适用于无线电能接收电路2，基于相同的原理在增大无线电能接收电路的接收面积的同时抑制无线电能接收电路中的对地共模电流。

图7是本公开实施例涉及的无线电能传输系统的示意图。如图7所示，所述系统包括无线电能发射端A和无线电能接收端B。其中，无线电能发射端A包括无线电能发射电路1。无线电能接收端B包括无线电能接收电路2。具体地，无线电能接收电路2包括第一电容Cd1、第二电容Cd2和线圈Ld。与图4类似，第一电容Cd1和第二电容Cd2分别串联连接在线圈Ld的两端以形成基本对称的电路结构，从而使得无线电能接收电路2在频率f0谐振时，线圈Ld上的电压基本对称分布，不同位置的寄生电容形成电流回路，流过寄生电容的共模电流相互抵消，使得总的对地共模电流最小化。在图7中，无线电能传输系统的无线电能发射电路1和无线电能接收电路2均采用本公开实施例的电路结构。应理解，在其它的应用场景下，也可以仅仅无线电能发射电路1采用本公开实施例的电路结构或仅仅无线电能接收电路2采用本公开实施例的电路结构。无线电能发射端A还可以包括逆变电路3和控制电路4。逆变电路3用于将输入的直流电转换为工作频率的高频交流电，控制电路4用于控制所述逆变电路3。无线电能接收端B还可以包括整流电路5和控制电路6。整流电路5用于将无线电能接收电路接收的高频交流电转换为直流电输出。控制电路6用于控制所述整流电路。

以上描述是本公开实施例的描述。在不脱离本公开的范围的情况下，可以实现各种变更和改变。本公开是出于说明性目的提出的，并且不应被解释为本公开的所有实施例的排他性描述，或使本公开的范围局限于结合这些实施例所说明和所描述的特定元件。在没有限制的情况下，可以用提供基本上类似功能或以其他方式提供充分操作的替换元件来代替所描述的发明的任何一个或多个单独元件。这包括目前已知的替换元件，诸如本领域的技术人员当前可能已知的那些，以及可能在未来开发的替换元件，诸如本领域的技术人员在开发时可能承认为替换的那些。