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1、(10)申请公布号 CN 102882288 A (43)申请公布日 2013.01.16 C N 1 0 2 8 8 2 2 8 8 A *CN102882288A* (21)申请号 201210367626.7 (22)申请日 2012.09.28 H02J 17/00(2006.01) (71)申请人友达光电股份有限公司 地址中国台湾新竹科学工业园区新竹市力 行二路1号 (72)发明人李宗勋 李岳翰 林晃蒂 刘家维 (74)专利代理机构北京律诚同业知识产权代理 有限公司 11006 代理人徐金国 (54) 发明名称 一种无线电力传输系统及其控制方法 (57) 摘要 本发明提供了一种无线电。
2、力传输系统及其控 制方法。该系统包括：功率变换器，至少包括一功 率开关；谐振补偿电路，包括位于一次侧的第一 绕组和第一补偿电容，以及位于二次侧的第二绕 组和第二补偿电容；增益补偿电路，用于接收流 经功率开关的一电流信号并进行增益放大；以及 数字控制器，用于根据放大后的信号来调节功率 开关的控制信号。采用本发明，藉由增益补偿电路 来接收流经功率开关的一电流信号，对该电流信 号进行增益放大，并通过数字控制器来调节功率 开关的控制信号，然后根据该电流信号及其内部 的驱动控制信号进行功率调整角度计算，以便利 用数字控制器所输出的控制信号调整操作频率与 开关周期，进而控制系统的传输功率。 (51)Int。
3、.Cl. 权利要求书2页 说明书5页 附图6页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 6 页 1/2页 2 1.一种可控制传输功率的无线电力传输系统，其特征在于，所述无线电力传输系统包 括： 一功率变换器，至少包括一功率开关； 一谐振补偿电路，包括位于一次侧的第一绕组和第一补偿电容，以及位于二次侧的第 二绕组和第二补偿电容，其中，所述第一补偿电容电性连接至所述功率开关的一第一端，所 述第二补偿电容并联连接一负载； 一增益补偿电路，用于接收流经功率开关的一电流信号，并对所述电流信号进行增益 放大；以及 一数字控制器，电性连接至所述增。
4、益补偿电路的输出端，用于根据所述放大后的信号 来调节所述功率开关的控制信号，以调节系统的传输功率。 2.根据权利要求1所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述功率变换器为一半桥 式的D类转换器，所述D类转换器包括串接的一第一开关和一第二开关，所述第一开关与第 二开关的连接点电性连接至所述增益补偿电路。 3.根据权利要求2所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述第一绕组与所述第一 补偿电容串联或并联连接，所述第二绕组与所述第二补偿电容串联或并联连接。 4.根据权利要求2所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述增益补偿电路包括： 一带通滤波器，用以将所述电流信号进行滤波处理，以滤除高次谐波成分； 。
5、一增益放大器，对滤波处理后的电流信号进行增益放大；以及 一比较器，其第一输入端电性连接至一接地电压，其第二输入端电性连接至所述增益 放大器的输出端，其输出端输出一驱动电压。 5.根据权利要求4所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述数字控制器接收所述 驱动电压，并输出一第一控制信号至所述第一开关以及一第二控制信号至所述第二开关。 6.根据权利要求2所述的无线电力传输系统，其特征在于，所述增益补偿电路接收的 所述电流信号为所述第二开关导通时，流经所述第二开关的电流信号。 7.一种如权利要求1所述的无线电力传输系统的控制方法，其特征在于，所述控制方 法包括以下步骤： 设定操作频率的一上限阈值和一下。
6、限阈值； 将当前操作频率与所述上限阈值、所述下限阈值进行比较； 若当前操作频率介于所述上限阈值与所述下限阈值之间时，判断流经所述功率开关的 电流与加载于所述功率开关两端的电压间的实际相位差与目标相位差的差值是否小于一 时间阈值；以及 根据判断结果调节所述无线电力传输系统的当前操作频率。 8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，若当前操作频率大于所述上限阈值， 则调整所述当前操作频率等于所述上限阈值；若当前操作频率小于所述下限阈值，则调整 所述当前操作频率等于所述下限阈值。 9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，如果实际相位差与目标相位差之间 的差值小于所述时间阈值，则保持当前操作。
7、频率不变。 10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，如果实际相位差与目标相位差之间 的差值大于所述时间阈值，根据所述实际相位差大于或小于目标相位差的情形，对应地增 权 利 要 求 书CN 102882288 A 2/2页 3 加或减小当前操作频率。 权 利 要 求 书CN 102882288 A 1/5页 4 一种无线电力传输系统及其控制方法 技术领域 0001 本发明涉及电力传输技术领域，尤其涉及一种无线电力传输系统及其控制方法。 背景技术 0002 当前，开发能够充电或供电多种电子装置的无线电力供应系统越来越受到研发人 员的关注。就无线电力供应系统来说，其允许电力被传输到电子装置，。
8、如便携式装置，而无 需使用直接的电线连接。具体地，无线电力传输可使用感应器而取得，其在电流流过时产生 磁场。此外，当存在一磁场时，电流可在另一感应器中加以感应生成。如果两个感应器安置 在附近并且其中的一感应器由一电流进行驱动，那么，即使两感应器并未直接连接，另一感 应器也会产生电流，藉由这种在两感应器之间的交互关系来实现无线电力传输。相对于有 线电力连接，无线电力传输可免除多种问题，比如，电线所附带的杂乱，可携式电子装置重 复地插拔充电电线的不便。 0003 近来年，无线电力传输技术已广泛应用于3C产品中，无线充电技术联盟 (Wireless Power Consortium，WPC)规定12。
9、0W的非接触电力传输将陆续被定义并应用于 家电产品。例如，无线电力传输装置应用于电视显示器时，需要根据不同尺寸的显示面板来 采用不同的传输功率并适时提供最大传输功率，使得输出端的电压和电流保持稳定。因而， 不论无线电力传输装置操作于固定频率或可变频率时，当等效负载变动而要求不同的最大 功率输出时，其无线电力传输端如何达到适时地主动调整为最大功率传输已称为较为关键 的控制依据。 0004 现有技术中的一种解决方案是在于，如图1所示，将二次侧的绕组110作为反馈 依据，由二次侧感应到一次侧后，并经由电容128的一端截取所感应的反馈讯号至控制器 120，并将该反馈讯号作为调整输出功率的依据，最后由控。
10、制器120驱动反相器126进行传 输功率调整。在该方法中，需要由二次侧感应反馈信号，且截取电容128的电压讯号方可实 现，故而必须设计复杂的控制方法与硬件反馈电路。此外，该反馈方式并不能主动调整使无 线电力传输端即时具备最大功率传输。 0005 如前述部分所示，参照图1，便携式电子装置100包括无线电力供应器102和远端 装置104。其中，主电源输入经由主电源整流122、直流-直流转换器124、反相器126和电 容128转换为变压器130的一次侧电压，而变压器130的二次侧感应该电压，并经由电容 106、整流器112、控制器114达到负载116。其中，整流器112和控制器114还电性耦接一 R。
11、F过滤器108。 0006 在该便携式电子装置中，将二次侧的绕组110作为反馈依据，由二次侧感应到一 次侧后，并经由电容128的一端截取所感应的反馈讯号至控制器120，并将该反馈讯号作为 调整输出功率的依据，最后由控制器120驱动反相器126进行传输功率调整。在该方法中， 须设计复杂的控制方法与硬件反馈电路，而且该反馈方式无法主动调整使无线电力传输端 即时具备最大功率传输。 0007 有鉴于此，如何设计一种新颖的无线电力传输架构，以较简洁的设计方案取代上 说 明 书CN 102882288 A 2/5页 5 述现有的电路结构，在消除上述不足的同时，还可将无线电力传输装置持续锁定在最大功 率传输。
12、点，以对应负载端不同负载所需求的不同输出功率，是业内相关技术人员亟待解决 的一项课题。 发明内容 0008 针对现有技术中的无线电力传输系统在设计时所存在的上述缺陷，本发明提供了 一种新颖的无线电力传输系统及其控制方法。 0009 依据本发明的一个方面，提供了一种可控制传输功率的无线电力传输系统，包 括： 0010 一功率变换器，至少包括一功率开关； 0011 一谐振补偿电路，包括位于一次侧的第一绕组和第一补偿电容，以及位于二次侧 的第二绕组和第二补偿电容，其中，第一补偿电容电性连接至功率开关的一第一端，第二补 偿电容并联连接一负载； 0012 一增益补偿电路，用于接收流经功率开关的一电流信号。
13、，并对该电流信号进行增 益放大；以及 0013 一数字控制器，电性连接至增益补偿电路的输出端，用于根据放大后的信号来调 节功率开关的控制信号，以调节系统的传输功率。 0014 在其中的一实施例中，功率变换器为一半桥式的D类转换器，所述D类转换器包括 串接的一第一开关和一第二开关，所述第一开关与第二开关的连接点电性连接至所述增益 补偿电路。 0015 在其中的一实施例中，第一绕组与第一补偿电容串联或并联连接，所述第二绕组 与所述第二补偿电容串联或并联连接。 0016 在其中的一实施例中，增益补偿电路包括：一带通滤波器，用以将所述电流信号进 行滤波处理，以滤除高次谐波成分；一增益放大器，对滤波处理。
14、后的电流信号进行增益放 大；以及一比较器，其第一输入端电性连接至一接地电压，其第二输入端电性连接至所述增 益放大器的输出端，其输出端输出一驱动电压。进一步，该数字控制器接收所述驱动电压， 并输出一第一控制信号至所述第一开关以及一第二控制信号至所述第二开关。 0017 在其中的一实施例中，增益补偿电路接收的所述电流信号为所述第二开关导通 时，流经所述第二开关的电流信号。 0018 依据本发明的另一个方面，提供了一种上述无线电力传输系统的控制方法，该控 制方法包括以下步骤： 0019 设定操作频率的一上限阈值和一下限阈值； 0020 将当前操作频率与所述上限阈值、所述下限阈值进行比较； 0021 。
15、若当前操作频率介于所述上限阈值与所述下限阈值之间时，判断流经所述功率开 关的电流与加载于所述功率开关两端的电压间的实际相位差与目标相位差的差值是否小 于一时间阈值；以及 0022 根据判断结果调节所述无线电力传输系统的当前操作频率。 0023 在其中的一实施例中，若当前操作频率大于所述上限阈值，则调整所述当前操作 频率等于所述上限阈值；若当前操作频率小于所述下限阈值，则调整所述当前操作频率等 说 明 书CN 102882288 A 3/5页 6 于所述下限阈值。 0024 在其中的一实施例中，如果实际相位差与目标相位差之间的差值小于所述时间阈 值，则保持当前操作频率不变。 0025 在其中的一。
16、实施例中，如果实际相位差与目标相位差之间的差值大于所述时间阈 值，根据所述实际相位差大于或小于目标相位差的情形，对应地增加或减小当前操作频率。 0026 采用本发明的无线电力传输系统及其控制方法，藉由增益补偿电路来接收流经功 率开关的一电流信号，对该电流信号进行增益放大，并通过数字控制器来调节功率开关的 控制信号，然后根据该电流信号及其内部的驱动控制信号进行功率调整角度计算，以便利 用数字控制器所输出的控制信号调整操作频率与开关周期，进而控制系统的传输功率。此 外，本发明的控制方法可在任意负载条件下，主动改变上述功率调整角度，以便实现系统的 最大功率输出。 附图说明 0027 读者在参照附图阅。
17、读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的 各个方面。其中， 0028 图1示出现有技术中的无线电力传输系统的电路结构框图； 0029 图2示出依据本发明的一实施方式的无线电力传输系统的电路结构框图； 0030 图3示出图2的无线电力传输系统中的增益补偿电路的一具体实施例； 0031 图4示出用于实现图3的增益补偿电路的电路结构框图； 0032 图5示出图2的无线电力传输系统中的关键信号的波形图； 0033 图6(a)(c)分别示出图2的无线电力传输系统在不同时间期间的电流路径示 意图；以及 0034 图7示出依据本发明的另一实施方式的无线电力传输系统的控制方法的流程框 图。 具体。
18、实施方式 0035 为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述 各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员 应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于 示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。 0036 图2示出依据本发明的一实施方式的无线电力传输系统的电路结构框图。参照图 2，该无线电力传输系统包括一功率变换器201、一谐振补偿电路203、一增益补偿电路205 和一数字控制器207。本领域的技术人员应当理解，功率变换器201仅仅以半桥式D类转 换器作为示意性举例，然而，本发明并不只局限。
19、于此。例如，在其它的实施例中，功率变换器 201还可为全桥变换器、E类转换器、推挽式转换器等等。 0037 功率变换器201包括一功率开关N1和一功率开关N2。功率开关N1的源极电性连 接至一电容的一端，功率开关N1的漏极电性连接至谐振补偿电路203。功率开关N2的源极 电性连接至功率开关N1的漏极，功率开关N2的漏极电性连接至该电容的另一端。谐振补 偿电路203包括位于一次侧的第一绕组Lp和第一补偿电容Cp，以及位于二次侧的第二绕组 说 明 书CN 102882288 A 4/5页 7 Ls和第二补偿电容Cs。其中，第一补偿电容Cp电性连接至功率开关N1的漏极(或功率开 关N2的源极)，第二。
20、补偿电容Cs并联连接一负载。在一些实施例中，谐振补偿电路203的 一次侧的绕组与补偿电容的连接方式与二次侧的绕组与补偿电容的连接方式相同或不同。 例如，第一绕组Lp与第一补偿电容Cp采用串联连接，第二绕组Ls与第二补偿电容Cs采用 并联连接(即一次侧串联且二次侧并联)。又如，第一绕组Lp与第一补偿电容Cp采用并联 连接，第二绕组Ls与第二补偿电容Cs采用串联连接(即一次侧并联且二次侧串联)。再 如，在第一绕组Lp与第一补偿电容Cp串联或并联连接，第二绕组Ls与第二补偿电容Cs串 联或并联连接(即一次侧与二次侧皆串联或是皆并联)的基础上，加入其它电感或电容元 件以共同构成谐振补偿电路，同样可实现。
21、上述谐振补偿功能。 0038 增益补偿电路205接收流经功率开关N2的一电流信号I fb ，并对该电流信号I fb 进 行增益放大，得到一电压信号Vc。需要指出的是，增益补偿电路205所接收的电流信号I fb 为功率开关N2导通时流经该功率开关N2的电流信号，在下文中将结合图6进行详细描述。 于一实施例中，当功率开关N2未导通时，增益补偿电路205便不进行讯号回授动作。数字 控制器207电性连接至增益补偿电路205的输出端，根据放大后的信号Vc来调节功率开关 N1和N2的控制信号，以调节系统的传输功率。 0039 图3示出图2的无线电力传输系统中的增益补偿电路的一具体实施例，以及图4 示出用于。
22、实现图3的增益补偿电路的电路结构框图。 0040 结合图3和图4，该增益补偿电路包括一带通滤波器2051、一增益放大器2052和 一比较器2053。其中，带通滤波器2051用以将流经功率开关N2的电流信号进行滤波处理， 以滤除高次谐波成分。增益放大器2052电性连接至带通滤波器2051的输出端，对滤波处 理后的电流信号进行增益放大。比较器2053包括一第一输入端、一第二输入端和一输出 端。比较器2053的第一输入端电性连接至一接地电压，其第二输入端电性连接至增益放大 器2052的输出端，比较器2053的输出端根据增益放大器2052放大后的电压信号与接地电 压进行比较，从而输出一电压Vc。 00。
23、41 在一实施例中，数字控制器207接收来自比较器2053的电压Vc，并输出一第一控 制信号至功率开关N1以及一第二控制信号至功率开关N2。 0042 图5示出图2的无线电力传输系统中的关键信号的波形图。参照图5，V N1 与V N2 分 别为功率开关N1和N2的驱动信号，V d 和V d-fund 为半桥式D类转换器的输出电压信号和该 输出电压信号的基波波形，Ip为半桥式D类转换器的输出电流，从t0时刻到t2时刻的时 间期间对应于功率调整角度，T1和T2为前后两个驱动周期，时间期间t对应于功率开关 N1的导通时刻到输出电流为零的时刻，时间期间t3对应于功率开关N2的截止时刻到功率 开关N1的。
24、导通时刻间的死区时间。 0043 当无线电力接收端的负载R变化时，其映射到无线电力传输端的等效阻抗将随之 变化，亦即，功率调整角度也将随之变化。在本发明中，于功率开关N2导通时所得到的 电流信号I fb ，即可知道功率调整角度的具体数值。由于功率调整角度对应于时刻t0 到时刻t2的期间，则从图5可知，将功率开关N1截止时刻作为功率调整角度的起始计 算位置，并于功率开关N2导通时开始计算功率调整角度，且持续到当功率调整角度对 应于电压Vc的最低值时，完成功率调整角度的计算。 0044 图6(a)(c)分别示出图2的无线电力传输系统在不同时间期间的电流路径示 说 明 书CN 102882288 A。
25、 5/5页 8 意图。 0045 具体地，图6(a)为功率开关N1截止到功率开关N2导通时的电流路径示意图，此 时，电流并不流经功率开关N2的源极和漏极，而是流经它的体二极管D2。图6(b)为功率开 关N2导通到计算取得功率调整角度过程中的电流路径示意图，此时，电流从功率开关的 漏极流向源极，亦即，从补偿电容Cp的左侧流向右侧。图6(c)为功率调整角度完成到 功率开关N2截止时的电流路径示意图，图6(c)中的电流流向与图6(b)刚好相反。 0046 需要指出的是，增益补偿电路205只需在图6(b)的电路状态下，于T2周期中，接 收流经功率开关N2的电流信号I fb ，以便藉由该电流信号达成无线。
26、电力传输系统的功率调 整与传输控制。此外，该功率调整角度的计算与控制方法也可在T1周期中执行。 0047 图7示出依据本发明的另一实施方式的无线电力传输系统的控制方法的流程框 图。 0048 参照图7，在该控制方法中，首先执行步骤S71，设定操作频率的一上限阈值fmax 和一下限阈值fmin。然后，在步骤S73中，将当前操作频率f与上限阈值fmax、下限阈值 fmin进行比较，判断当前操作频率f是否介于上限阈值fmax与下限阈值fmin之间。接着若 步骤S73判断当前操作频率f介于上限阈值fmax与下限阈值fmin之间，则执行步骤S75， 判断流经功率开关N2的电流Ip与加载于功率开关N2两端。
27、的电压Vd间的实际相位差与目 标相位差(例如，若干个时钟周期)的差值是否小于一时间阈值(例如，若干个时钟周期)。 最后，在步骤S77中，根据判断结果调节无线电力传输系统的当前操作频率。 0049 另一方面，若步骤S73判断当前操作频率f并非介于上限阈值fmax与下限阈值 fmin之间，则选择性地将当前操作频率f设定为上限阈值fmax或下限阈值fmin。在一具 体实施例中，若当前操作频率f大于上限阈值fmax，则调整当前操作频率f等于上限阈值 fmax。若当前操作频率f小于下限阈值fmin，则调整当前操作频率f等于下限阈值fmin。 0050 在一具体实施例中，如果实际相位差与目标相位差之间的差。
28、值小于时间阈值，则 保持当前操作频率不变。此外，如果实际相位差与目标相位差之间的差值大于时间阈值，根 据实际相位差大于或小于目标相位差的情形，对应地增加或减小当前操作频率f。 0051 采用本发明的无线电力传输系统及其控制方法，藉由增益补偿电路来接收流经功 率开关的一电流信号，对该电流信号进行增益放大，并通过数字控制器来调节功率开关的 控制信号，然后根据该电流信号及其内部的驱动控制信号进行功率调整角度计算，以便利 用数字控制器所输出的控制信号调整操作频率与开关周期，进而控制系统的传输功率。此 外，本发明的控制方法可在任意负载条件下，主动改变上述功率调整角度，以便实现系统的 最大功率输出。 00。
29、52 上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员 能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各 种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。 说 明 书CN 102882288 A 1/6页 9 图1 说 明 书 附 图CN 102882288 A 2/6页 10 图2 图3 说 明 书 附 图CN 102882288 A 10 3/6页 11 图4 说 明 书 附 图CN 102882288 A 11 4/6页 12 图5 说 明 书 附 图CN 102882288 A 12 5/6页 13 图6 说 明 书 附 图CN 102882288 A 13 6/6页 14 图7 说 明 书 附 图CN 102882288 A 14 。