感应功率发射器

本申请是国际申请日为2016年2月3日、国际申请号为PCT/NZ2016/050008、国家申请号为201680008619.4、发明名称为“感应功率发射器”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及感应功率发射器。

背景技术

在许多不同类型的电气系统中发现有电转换器。一般而言，转换器将第一类型的供应转换成第二类型的输出。这种转换可以包括DC-DC、AC-AC和DC-AC电转换。在一些配置中，转换器可以具有任何数量的DC和AC“部件”，例如DC-DC转换器可以以变压器的形式包含AC-AC转换器级。

使用转换器的一个示例是感应功率传输(IPT)系统。IPT系统是已知技术(例如，电动牙刷的无线充电)和正开发技术(例如，“充电垫”上的手持设备的无线充电)的众所周知的领域。

发明内容

本发明可以提供一种改进的感应功率发射器，或者可以至少为公众提供有用的选择。

根据一个示例性实施例，提供一种感应功率发射器，包括：

多个平面发射线圈；以及

逆变器，被配置为提供AC电源信号；以及

多个控制设备，每个控制设备被配置为调节提供给相应的发射线圈的AC电源信号；

其中，所述多个发射线圈中由调节的AC电源信号产生的磁场的方向被配置为基本上耦合到无约束的感应功率传输接收器。

根据另一个实施例，提供根据权利要求1、17、35、47、52或54中任一项所述的发射器。根据权利要求1至64中任一项所述的特征的任何组合，可以实现任何实施例。

公认的是，在不同的管辖范围下，术语“包括”可以被赋予排他性含义或包含性含义。为了本说明书的目的，除非另外指明，否则这些术语意在具有包含性含义，即，它们意味着包括使用直接引用的所列组件，并且可能还包括其他未指定的组件或元件。

在本说明书中对任何文件的引用并不构成对那些文件为现有技术或其形成公知常识的一部分的承认。

附图说明

包括在说明书中并构成说明书的一部分的附图与上面给出的概述以及下面的详细描述一起示出了示例性实施例。

图1是感应功率传输系统的框图；

图2是示例性发射器的框图；

图3(a)至图3(b)是用于图2中的发射器的发射线圈的示例性布局；

图4(a)至图4(d)是图2中的发射器的操作的场图；

图5是第一示例性电路的电路图；

图6(a)至图6(c)是第一示例性电路的波形的示图；

图7是第二示例性电路的电路图；

图8是第二示例性电路的波形的示图；

图9是第三示例性电路的电路图；

图10是第四示例性电路的电路图；

图11是用于第四示例性电路的发射线圈的示例性布局；

图12(a)至图12(b)是第四示例性电路的波形的示图；

图13是用于实现更大Z高度的发射器的操作的场图；

图14是示例性源线圈和谐振器线圈实施方式的示意图；

图15是原型源线圈和谐振器线圈实施方式的透视图；

图16是根据接收器的位置/取向来激励哪些线圈的示意图；以及

图17是根据另一实施例的发射器的电路图。

具体实施方式

IPT系统通常包括感应功率发射器和感应功率接收器。感应功率发射器包括由合适的发射电路驱动以产生交变磁场的发射线圈。交变磁场将在感应功率接收器的接收线圈中感应出电流。然后，接收的功率可以用于对电池充电，或为与感应功率接收器相关联的设备或一些其它负载供电。

为了大量采用用于手机充电的充电垫，各个制造商试图达成共同的标准。这为感应功率传输规定了对便携式消费设备充电的若干最低要求。例如，为了遵守无线充电联盟(WPC)Qi 1.1规范，设备必须靠近垫表面来放置。

一个选项可以是限制用户以设备上的预定取向(例如：平坦地)来安装要充电的设备。另一个选项是如果设备取向不受限制。然而，可能需要以不同的取向提供多个接收线圈，或者以不同的取向提供多个发射线圈，以确保发射场被充分耦合。两者之中任一选项都可能会显著限制设备设计，并且对一些市场来说可能是不可行的。

一种解决方案是使用多个重叠的平面发射线圈，其中线圈电压被控制以操纵整个场方向。这允许发射器垫是平面的，并且用于具有单个接收线圈以及在任何3D方向上被取向的设备。然后，修改场方向来适应。一个实施方式是用于发射器电路从AC电源转换为DC总线，并且单独的全桥逆变器将DC总线电压转换成每个发射线圈期望的AC电压幅度和相位。

图1示出了根据替代实施方式的感应功率传输(IPT)系统1的代表。IPT系统包括感应功率发射器设备2和感应功率接收器设备3。感应功率发射器2连接到发射器电路，该发射器电路可以包括合适的电源4(例如，市电电源)和连接到逆变器6的AC-DC转换器5中的一个或更多个。发射器电路的逆变器6为一系列发射线圈7提供AC信号，使得发射线圈7产生交变磁场。在一些配置中，发射线圈7也可以被认为与逆变器6分离。

感应功率发射器2内的控制器8可以连接到感应功率发射器2的每个部分。控制器8可以适用于从感应功率发射器2的每个部分接收输入并且产生控制每个部分的操作的输出。控制器8可以被实现为单个单元或单独的单元。控制器8可以适用于根据其性能来控制感应功率发射器2的各个方面，包括例如：功率流、调谐、选择性地激励发射(发射器)线圈、感应功率接收器检测和/或通信。

感应功率接收器3包括连接到接收器电路的接收线圈9，该接收器电路可以包括功率调节电路10，功率调节电路10转而向负载11供电。当感应功率发射器2的线圈7和电感功率接收器3的线圈9适当地耦合时，由发射线圈7产生的交变磁场在接收线圈中感应出交流电流。功率调节电路10将感应电流转换成适合于负载11的形式。接收线圈9可以并联或串联连接到(谐振)电容器(未示出)，以创建谐振电路。在一些感应功率接收器中，接收器电路还可以包括控制器12，该控制器12可以例如控制接收线圈9的调谐、由接收电路和/或通信供应给负载11的功率。

术语“线圈”可以包括导电结构，在其中电流产生磁场。例如，感应“线圈”可以是三维形状或二维平面形状的导电线、使用印刷电路板(PCB)技术制造成在多个PCB“层”之上的三维形状的导电材料和其它线圈状形状。使用术语“线圈”(单数或复数)并非意味着在这个意义上是限制性的。可以根据应用使用其他配置。

在图2中示出了示例性发射器2。在该实施例中，若干发射线圈7被示出为202、204、206、208，以及示出了逆变器6。对于每个线圈202、204、206、208，提供与其串联的相应控制设备210、212、214、216。以这种方式，对于每个线圈，来自218逆变器6的电压和/或电流的幅度和/或相位可以被独立地调节220。这允许所产生的整个磁场在幅度和/或方向上被控制。线圈202、204、206、208可以以平面、重叠和/或相互去耦布置的方式来制造。因此，可以在三维中操纵磁场，而不需要在第三维中使用线圈，并且不需要针对每个线圈的单独的逆变器。这可以具有更简单的电路、更低的组件成本、更低的损耗和/或更小的覆盖区的优点。

图3(a)和图3(b)示出了示例性发射器线圈布局300。在图3(a)中，以平面布置示出三个重叠线圈配置和四个重叠线圈配置。以这种方式，可以调节线圈电流以在发射器2的表面上(和Z方向的表面之上)的给定位置中实现不同的磁场矢量。通过改变每个线圈中的电流，可以如所示地模拟不同的磁场方向。具有16个线圈的图3(b)中的布局允许更复杂的磁场操纵。

可以如图4(a)至图4(d)所示地操作线圈。可以扫描线圈电流的幅度和/或相位，以找到对接收器的优化的感应传输。例如，在图4(a)中，示出了两个相邻的重叠线圈以及驱动每个线圈的电流的相位和所得到的磁场。每个线圈中心附近的垂直箭头表示用于激发每个线圈的电流。根据两个电流之间的相对相位和幅度关系，可以操纵所得到的磁场的方向。图4(b)示出了当用不同相位和幅度驱动时使用磁场模拟软件JMAG模拟的磁场。图4(c)示出了对于每个可能的接收器线圈取向和位置，可以通过控制电流的相位和幅度来操纵所产生的磁场的方向，以使功率传输最大化。在图4(d)中示出了这些电流。

在图5中示出了第一示例性电路图500。逆变器6是使用两个MOSFET开关的半桥。逆变器6向AC滤波器L

在图6中示出了电路500的模拟。图6(a)示出了当L

在图7中示出了第二示例性电路图700。逆变器6是使用两个MOSFET开关的半桥。逆变器6向AC滤波器L0 C0供应AC电压。每个发射线圈L

在图8中示出了电路700的模拟，图8示出了L

在图9中示出了第三示例性电路图900。逆变器6是使用两个MOSFET开关的半桥。逆变器6供应AC电压。每个发射线圈L

在图10中示出了第四示例性电路图1000。逆变器6是使用两个MOSFET开关的半桥。逆变器6供应AC电压。每个发射线圈M

谐振线圈和补偿电容器电路可以被调谐到与发射器的操作频率不同的频率。这可能比操作频率低1-20％。例如，如果发射器以110kHz来操作，则谐振器可以被调谐到100kHz。在110kHz处，谐振器可以被模拟为具有非常小的电感的电感器。如果需要是电容性的，则谐振频率应该比操作频率高1-20％。因此，在小电流在发射线圈中流动的情况下，大得多的电流在谐振器线圈中流动。这意味着谐振器线圈提供传输功率所需的大部分电容补偿电流(VA)。由于只有小的VA在发射线圈中流动，因此它可以具有低的自然Q而不会太大地影响耦合效率。

这可以允许逆变器开关的额定电流低得多，因为它们只需要开关小得多的电流。开关损耗和传导损耗可能较低。发射线圈上的反射实际负载可以被更容易地检测到，因为它的电流要小得多。此外，因为谐振电路仅由无源组件组成，因此更容易增加谐振器线圈的自然Q。

当发射器靠近接收器(耦合条件良好)时，铁氧体的可能存在会增加线圈的电感，并且自动减小产生的总VA。这避免了由于产生的VA太多而可能发生的过电压状况的可能性。

为了将补偿电容器耦合到发射线圈，图11中示出了各种不同的耦合布置。谐振线圈和发射线圈可以是同轴的，其中一个比另一个大。可替代地，单个谐振线圈可以与多个发射线圈重叠。在另一个可替代方案中，单个谐振线圈可以在多个更大的发射线圈内同轴。

图12(a)示出了谐振线圈电压远高于发射器线圈，以及谐振线圈电流远高于发射线圈。图12(b)示出了因为发射器线圈电流低得多，因此可以更容易地检测到由于不同的负载条件而导致的相移。

图13示出了对线圈电流的控制也允许线圈相互加强其磁场，以产生与充电垫表面正交的整体更高的磁场高度(z)。这允许设备从更远的距离被充电。

在图14中示出了另一个实施例。总之，谐振器线圈的阵列向接收器提供磁场。谐振器线圈可以耦合到激励谐振器线圈的源线圈。减小线圈的高度，并且可以增加封装密度，以便最大化磁场和与接收器的耦合。类似地，谐振器线圈可以保持较小且数量高，以产生针对所产生的磁场的高特异度或高分辨率。这进而可以允许以不确定的取向或在甚至更高的z高度应用中实际耦合到商业上可行的接收器。通过限制开关模式切换到较低的电流源线圈，可以最小化切换损耗。因此，谐振线圈的损耗被限制为开关的R

谐振器线圈1402的阵列以交错阵列示出。6个谐振器线圈的子组被分配给每个源线圈1404或与每个源线圈1404相关联。子组通常是三角形阵列。每个谐振器线圈近似为圆形。每个源线圈近似为三角形。

为了确保来自源线圈的磁场平等地耦合每个谐振器线圈，并且使得由每个谐振器线圈依次产生的磁场相等，无论其位置如何，源线圈形状应该根据期望的磁场分布进行设计。例如，对于更接近源线圈中心的谐振器线圈，在场密度较高的情况下，源线圈应该较少地重叠，而在场密度较低的情况下，进而源线圈应该更多地重叠。对于三角形子阵列，源线圈可以是如图14所示的近似回旋镖形状。

源线圈的形状可以根据应用需求进行设计。例如，初始设计考虑是谐振线圈的布置。对于谐振线圈的交错阵列，通常三角形形状是相对有效的。然而，如果谐振线圈以正方形样式布置，则正方形源线圈可能是合适的。

在制造期间，谐振线圈可以被首先形成和布置，例如在其之间没有间隙地紧密封装。考虑到预期的制造容差，可以使用磁学模拟软件优化源线圈几何形状。基于优化的几何形状，可以制造(例如：CNC加工或3D印刷)定制的线轴，然后可以在线轴上缠绕源线圈。然后缠绕的源线圈可以被安装在谐振线圈的顶部上。

源线圈的设计可以是确保每个谐振器线圈内的磁场基本相似。在该上下文中，基本相似将取决于应用的需求。例如，在通常的消费者充电垫应用中，小于10％的耦合系数差异可以被认为是基本相似的。

谐振器线圈末端是串联的电容器，并且谐振频率被选择为接近IPT操作频率。调谐频率与操作频率有多接近决定了有多少VAR在谐振器线圈中流动。两个频率越接近意味着谐振器电路阻抗越低，因此VAR可以增加或“谐振”—因此称为谐振器线圈。使用两种类型的线圈允许较低的VAR在源线圈中流动，因此每个源线圈的开关损耗较低。另一方面，高得多的VAR在谐振器线圈中流动，而没有相关联的高开关损耗。

一些实施例提供近端定位和布置的谐振器线圈的单层阵列以及源线圈的单层阵列，使得源线圈磁耦合到一个或更多个谐振器线圈。在另一个实施例中，可以添加谐振器(或源)线圈的另外的层或阵列。一个或更多个逆变器单独地、以子组的方式或与为所有源线圈供电的一个逆变器一起电耦合到源线圈。可以通过开关源线圈和/或选择性开关谐振器线圈来实现对一个或更多个谐振器线圈的激励。

为了将发送到接收器的功率和传输的效率最大化，因此可以根据应用考虑许多对立的设计因素。

可能的考虑是使源线圈和谐振器线圈两者的质量因子或Q最大化，因为这相当于降低损耗，因此取得更好的耦合效率。高Q对于谐振器线圈而言更为重要，因为它可以引起大部分无功功率VAR。谐振器线圈Q可以为至少100，任何低于100的Q可能意味着在极低耦合条件下耦合效率可以低于50％。

关于本文所述的一个或更多个实施例，Q大于400是不可能的。为了获得高Q，需要使用较低电阻的导线。如果线圈高度太大，则耦合系数下降，因为线圈的下部离接收器线圈更远，并且贡献较少。在一个实施例中，对于直径为20mm的谐振器线圈尺寸，最大高度约为5mm。使线圈变薄(通过较细的导线或较少的匝数)的缺点是线圈Q可能减小，因此最小高度可以为约1mm。

为了获得针对磁场的预期分辨率，在一些应用中可能希望使线圈数量最大化，但是仍然确保铁氧体磁芯的足够部分在谐振器线圈和源线圈两者的中心内。此外，谐振器线圈的数量越多，组件计数越多，线圈的优化问题以及如何激励线圈的复杂度越高。

谐振器线圈尺寸可以基于接收器尺寸来选择。激励的谐振器线圈(一个或多个)的组合区域应该与接收器线圈具有大致相同尺寸，以便使耦合系数最大化。例如，对于32mm x48mm的接收器线圈，原型谐振器线圈直径被选择为20mm；一次导通2个，形成的面积约20mmx 40mm。对于较大的线圈，较少的线圈需要被一起导通(例如，如果直径为40mm，则仅需要导通1个谐振器线圈)，但是灵活性和空间分辨率降低。另一方面，线圈不能太小，因为当更多的线圈可以总是被一起导通以产生所期望的任何等效线圈尺寸时，更多更小的线圈意味着总电流路径更长，因此损耗更高。因此，在大多数应用中，4个或更少的线圈应具有与接收器线圈相似的总面积。

在图15中示出了示例性配置。在该示例中，源线圈具有1-10匝的1mm直径的导线，而谐振器线圈为5-25匝的100股0.063mm的绞合线。

尽管根据应用可以使用如上所述的其它线圈类型，但是源线圈和谐振器线圈最可能是缠绕的导线线圈。也可以使用具有突出的芯1504的铁氧体背板1502，以改善耦合和效率。根据特定配置的需求，源线圈可以在谐振器线圈下方或顶部(如图15所示)。

因为单个源线圈和多个谐振器线圈的组合，因此系统可能对组件容差相对灵敏。因为谐振器线圈基本上被调谐到操作频率，因此容差的变化被反映在阻抗和VA等的大变化中。为此，谐振器的VAR不应超过源线圈的VAR太多(例如大于10)，因为这使电路过于灵敏。如果谐振器的VAR高于源的VAR仅约5倍，则高达约10％的组件容差的设计仍然是可行的。

图16示出了发射器线圈的阵列的示例性控制策略。它可以用于图14中的谐振器线圈阵列，或调节线圈阵列的直接开关模式。在图4c中，例如，接收器的任一侧的线圈被控制以使与接收器正交的磁场最大化。给定的接收器可能具有对电子器件和/或铁氧体磁芯的屏蔽，替代方案是仅在接收器的一侧上激励线圈。

对于不确定的接收器取向的最坏情况是接收器功率接收线圈与功率发射线圈正交。由于来自功率发射线圈的主要磁场通常主要是正交的，因此这意味着在这种最坏情况的取向下，很少的发射线圈耦合到功率接收线圈。在这种替代方案中，因为仅接收器一侧的线圈被激励，因此这允许该磁场在其返回路径上改变方向的机会为足以与功率接收线圈正交的点以进行有效耦合。即使在垂直取向上，磁通的实质部分也可以被称为耦合到接收器。在该上下文中，实质上将根据应用而变化。例如，在消费者充电垫中，其可能是指耦合系数为水平取向的预期最佳情况耦合系数的至少30％。

图16示出为了产生进入接收器的水平磁通分量，在接收器1604的一侧激励两个谐振器线圈1602，以便耦合垂直取向的线圈。在这种布置中，激励在一侧与接收器正下方的线圈相邻的线圈。可以激励第一相邻行，或者可以激励多个相邻行。从一侧(例如，智能手机的线圈侧)进入接收器的磁通使得能够耦合，同时避免另一侧的电子组件暴露于过度的磁通。这可以通过在线圈和电子器件之间的接收器中使用屏蔽来增强。这个优点可以通过不激励在接收器1606下方的重叠线圈，和/或不激励在接收器1608的背侧的线圈来进一步增强；因为这还可以避免与产生非有效地耦合到垂直取向的接收器线圈的磁通相关联的功率损耗。

可选地，可以激励在接收器的任一侧上的谐振器线圈，以便加强通过接收器的垂直取向的线圈的水平磁通。再次，可以切断接收器正下方的线圈。这种布置可以适用于电子器件被充分屏蔽和/或线圈不被电子器件支持的接收器。

这些布置允许简单的逆变器和开关电路，因为仅线圈需要被选择性地开关，而不是布置针对每个激励线圈的相位控制。

应当理解，虽然已经关于垂直取向的接收器线圈描述了示例，但是本领域技术人员将理解，这种布置也将适用于部分垂直取向的接收器线圈。此外，尽管使用源线圈和谐振器线圈两者提供了更简单的逆变器设计和/或降低的开关损耗，但是在没有谐振器线圈的情况下，可以仅使用源线圈来实现激励接收器的一侧或任一侧的线圈的实施例。

可以以多种方式确定接收器位置和取向，例如使用外物检测阵列并将接收的信号与诸如可能包含智能手机和线圈的金属及其耦合的相对强度相关联。可选地，在激励合适的源线圈和/或谐振器线圈以实现通过接收器的磁通(该磁通基本上与接收器线圈取向对准正交以使磁耦合最大化)之前，“允许”的接收器可以从不同的发射器发射诸如RFID的信号，该发射器允许充电垫确定它是允许的设备及其位置和取向。接收器线圈取向可以从接收器取向来确定，其可以经由接收器的类型或型号来通信，和/或可以通过与发射器线圈的耦合来确定。

在一些实际的情况下，可能的情况是，对于简单激励接收器一侧的线圈以及不激励接收器下方的线圈，接收器不是最佳地取向。例如，在图16的中间图中，接收器可以跨越三个最右侧的线圈，而且也可以成更大角度以部分地跨越顶部激励线圈。在这种情况下，即使这将引起通过接收器的一些垂直磁通，也可以激励相同的线圈。可选地，可以激励底部最左侧的线圈，以避免垂直取向的磁通的增加。可以根据应用需求实现这种情况的优化。

可以通过接收器线圈的方向角度来判断是否激励水平(接收器侧)的线圈或垂直(接收器下方)的线圈或其组合。例如，基本上45度的角度(例如35-55度)可能导致接收器下方的线圈以及一侧的第一相邻行的线圈被激励。

为了确定在给定情况下哪些线圈导通，可能需要确定接收器位置和/或取向，或者将线圈组合迭代到优化的解决方案。可选地，可以使用查找表。

例如，发射器可以包括用于检测Tx表面附近的物体的物体检测系统(例如专用于物体检测的另一个线圈)。一旦检测到物体并且已知其粗略位置，则可以导通附近的源线圈。如果物体远离Tx表面，则可以测试不同的源线圈以及谐振器线圈的不同组合，直到确定最大功率传输。如果物体靠近Tx表面，并且在检测阶段期间由谐振器产生太多的VA，则替代检测顺序可能涉及源线圈的逐渐斜升，或者最初不导通谐振器线圈，直到确定没有太近的物体。

在图17中示出了用于控制一系列源线圈和谐振器线圈的示例性电路。示出了两组源线圈，尽管这可以扩展到任何配置。每个源线圈(L1、L5)耦合到三个谐振器线圈(L2、L3、L4，L6、L7、L8)。为了导通源线圈L1，M3被导通，然后电流流过L1。取决于谐振器线圈的哪个组合要导通，其相应串联的MOSFET被导通。例如，为了导通L2，M4被导通。可以通过IPT频率处的开关M3的占空比来调节源线圈和谐振器线圈两者中的电流幅度。

虽然已经通过对本发明的实施例的描述来说明了本发明，并且虽然已经详细描述了实施例，但是申请人的意图并非是将所附权利要求的范围限制或以任何方式限制于这样的细节。本领域技术人员将容易看出额外的优点和修改。因此，本发明在其更广泛的方面不限于示出和描述的具体细节、代表性的装置和方法以及示例性示例。因此，在不偏离申请人的总体发明构思的精神或范围的情况下，可以从这些细节进行偏离。