[發明專利]用于生成可調整阻抗的方法和設備

有效

• 申請號: 201380032535.0
• 申請日: 2013-05-10
• 公開（公告）號: CN104508768B
• 公開（公告）日: 2017-08-08
• 發明（設計）人: 布魯斯·理查德·朗;安德魯·S·達加;丹尼爾·S·哈克曼
• 申請（專利權）人: 動量動力學公司
• 主分類號: H01F38/14
• 分類號: H01F38/14
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司11219
• 代理人: 李寶泉,周亞榮

相關申請的交叉引用

本申請要求2012年5月11日提交的美國臨時專利申請No.61/645,850的優先權。本申請的內容通過引用被結合到本文中。

技術領域

本專利申請涉及借助于諧振感應進行的電能傳輸。更具體地，其描述了一種用于產生高效諧振感應功率傳輸所需的可調整電抗的方法和設備。

背景技術

感應功率傳輸跨越許多行業和市場具有許多重要的應用。圖1示出了諧振感應功率傳輸系統的概念表示。在圖1中，向空隙變壓器的初級電感器100施加交流電能源。變壓器初級電感器100與變壓器次級電感器102之間的磁耦合將主機側能量的一定比例傳輸到變壓器次級電感器102，其與初級電感器100相距一定距離。初級電感器磁場、初級電感器電流以及次級電感器電流是成比例的。施加于初級電感器100的諧振增加初級側電感器電流，產生磁通量、次級電感器電流和從初級傳輸至次級的功率的相應增加。

來自初級電感器100的磁通量向次級電感器102的繞組中感生電壓。最大次級電流和因此的最大功率傳輸在次級電感器繞組也諧振時發生。結果是由兩個磁耦合諧振電路組成的兩極諧振電路。諧振電路可以與如圖1中所示地并聯地接線的電感器和電容器并聯諧振，或者它們被串聯接線且是串聯諧振的。此外，初級和次級側諧振不需要共享同一形式。

高效的諧振感應無線功率傳輸依賴于在初級源電感器和次級負載電感器兩者中保持高度的諧振。然而，變壓器初級和次級諧振頻率受到許多因素的影響，包括制造變差、部件公差、初級-次級間隔距離、軸向對準、溫度及其他因素。高效的諧振感應無線功率傳輸因此需要連續的自主調整以便保持所需的高度諧振。

例如，當向交通工具提供感應(或無線)功率源時，例行地遭遇這些變化，并且對于電動車或要求外部功率源的其他交通工具的制造商而言提出關鍵的問題。期望的是，開發一種用于對交通工具充電的系統，其解決這些問題，使得初級電感器繞組可位于水平表面上或其中且可將次級電感器繞組可附著于交通工具的底部以用于電功率到交通工具的高效無線傳輸。本發明解決了本領域中的這些需要。

發明內容

滿足本領域中的上述需要的可調整電抗發生器和關聯方法包括比較器接收輸入正弦波形并輸出方波，該方波保持所施加的正弦波形的頻率和相位。使用從比較器接收方波作為控制信號并輸出保持所施加的正弦電壓波形的頻率和相位的較高功率方波的功率開關電路、調整由功率開關電路輸出的方波的振幅的可調整電源以及控制可調整電源的輸出水平的振幅檢測器來生成電抗調整。功率開關電路的輸出在被轉換成正弦波時提供可調整電抗的效應。

在示例性實施例中，功率開關電路包括具有兩個功率開關器件的半橋電路、全橋配置、回掃配置、具有單端或推挽驅動配置的諧振回路、單端或雙端前向轉換器配置或這些一般配置的其他功率開關或功率轉換電路拓撲結構。可調整電源還包括受控電壓源、受控電流源或開關模式電源。在示例性實施例中，用戴維寧(Thevenin)阻抗和LC諧振空芯傳輸變壓器將振幅檢測器的振幅調整輸出轉換成正弦信號。

根據本發明的可調整諧振電抗發生器的實際實施例包括具有初級側諧振LC電路和次級側諧振LC電路的諧振空隙傳輸變壓器、通過第一隔直流電容器和第一戴維寧電感器向初級側諧振LC電路的總和節點提供第一高功率方波的功率發生部、通過第二隔直流電容器和第二戴維寧電感器向初級側諧振LC電路的總和節點提供第二高功率方波的電抗發生部以及被連接到次級側諧振LC電路的整流器-濾波器負載電路。優選地，第一高功率方波與第二高功率方波之間的相位和振幅差向初級側諧振LC電路的總和節點中產生電流，該初級側諧振LC電路提供通過調整第一和第二高功率方波的相位和/或量值來調整的有效阻抗。

在示例性實施例中，電抗發生部包括電壓比較器、逆變器和功率半導體開關的半橋對，所述電壓比較器對初級側諧振LC電路的總和節點處的電壓波形進行采樣并在初級側諧振LC電路的總和節點處輸出電壓的方波通斷表示，所述逆變器被連接到電壓比較器的輸出端，所述功率半導體開關的半橋對分別被連接到電壓比較器的輸出端和逆變器的輸出端。如上所述，功率開關電路還可包括全橋配置、回掃配置、具有單端或推挽驅動配置的諧振回路、單端或雙端前向轉換器配置或這些一般配置的其他功率開關或功率轉換電路拓撲結構。功率半導體開關可以是場效應晶體管、雙極晶體管、絕緣柵雙極晶體管、真空管和/或光導開關。