高效率功率转换设备和控制方法转让专利
申请号 : CN201910901563.0
文献号 : CN111010047B
文献日 : 2022-03-18
发明人 : 李锃 , 陈俊晓 , 黄金彪 , 王新涛
申请人 : 伏达半导体(合肥)有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种功率转换设备,包括:整流器,所述整流器配置成将交流电压转换成直流电压,其中所述交流电压由接收器线圈生成,所述接收器线圈配置成磁耦合到无线电力传输系统的发射器线圈;
高效率功率转换器,其连接到所述整流器,所述高效率功率转换器包括级联连接的第一级和第二级;以及
控制器,其配置成检测所述第二级的多个工作参数并生成控制信号;所述工作参数包括:第二级的温度;
所述第一级被配置成以不同模式操作;
其中,所述控制信号与输出电压信号相加并馈送到所述第一级的控制回路的反馈节点中,以使所述第一级可基于所述工作参数动态地调整输出电压;
所述输出电压信号与所述第一级的输出电压成比例。
2.如权利要求1所述的设备,其特征在于,所述第一级是降压型功率转换器;并且所述第二级是电荷泵功率转换器。
3.如权利要求1所述的设备,其特征在于,所述控制器包括控制电路,所述控制电路配置成检测所述多个工作参数并生成施加到所述第一级的所述控制回路的反馈节点的PWM信号。
4.如权利要求3所述的设备,其特征在于,将所述输出电压信号和所述PWM信号相加并馈送到所述第一级的所述控制回路的反馈节点中。
5.如权利要求1所述的设备,其特征在于,所述控制器包括控制电路,所述控制电路配置成检测所述多个工作参数并生成施加到所述第一级的所述控制回路的反馈节点的直流信号。
6.如权利要求5所述的设备,其特征在于,所述直流信号由数字‑模拟转换器生成。
7.如权利要求1所述的设备,其特征在于,所述控制器包括控制电路,所述控制电路配置成检测所述多个工作参数并生成通过功率管理总线接口施加到所述第一级的数字信号。
8.一种功率转换设备的控制方法,其特征在于,包括:检测高效率功率转换器的第二级的多个工作参数,其中所述高效率功率转换器包括级联连接的第一级和所述第二级;所述第一级被配置成以不同模式操作;
基于所述多个工作参数生成控制信号,所述工作参数包括:第二级的温度;以及通过将所述控制信号与输出电压信号相加并施加到所述第一级的控制回路的反馈节点中,来控制所述第一级的输出电压;
其中,所述输出电压信号与所述第一级的输出电压成比例。
9.如权利要求8所述的方法,其特征在于,所述第一级是包括高压侧开关和低压侧开关的降压型功率转换器,其中所述高压侧开关和所述低压侧开关的栅极驱动信号由所述第一级的所述控制回路生成;并且所述第二级是电荷泵转换器。
10.如权利要求8所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:将所述高效率功率转换器配置成对连接到无线电力传输系统的接收器的电池充电,其中所述高效率功率转换器通过整流器连接到所述无线电力传输系统的接收器线圈。
11.如权利要求8所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:通过功率管理总线将所述控制信号施加到所述第一级。
12.如权利要求11所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:在接通过程和关断过程期间通过所述控制信号和所述功率管理总线接口来调整输出电压转换速率。
13.如权利要求8所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:基于所述多个工作参数生成PWM信号;
通过滤波器将所述PWM信号转换成直流信号;以及将所述直流信号施加到所述第一级的所述控制回路。
14.如权利要求8所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:基于所述多个工作参数生成所述控制信号;
通过数字‑模拟转换器将所述控制信号转换成直流信号;以及将所述直流信号施加到所述第一级的所述控制回路。
15.如权利要求8所述的方法,其特征在于,所述方法还包括:在所述第一级的所述控制回路的反馈节点处将所述控制信号和所述第一级的输出电压信号相加。
16.如权利要求8所述的方法,还包括:将所述第一级配置成以电流控制模式操作,其中将流过所述第一级的电流控制在预定电流范围内,并且其中所述预定电流范围具有小于400mA的电流分辨率;以及将所述第一级配置成以电压控制模式操作,其中将所述第一级的输出端的电压控制在预定电压范围内,并且其中所述预定电压范围具有小于40mV的电压分辨率。
17.一种无线电力传输系统,其特征在于,包括:接收器线圈,其配置成磁耦合到发射器线圈;
整流器,其连接到所述接收器线圈;
高效率转换器,其连接在所述整流器和电池之间,其中所述高效率转换器包括级联连接的第一级和第二级;以及
控制器,其配置成检测所述第二级的多个工作参数并生成控制信号;所述工作参数包括:第二级的温度;
所述第一级被配置成以不同模式操作;
其中,所述控制信号与输出电压信号相加并馈送到所述第一级的控制回路的反馈节点中,以使所述第一级可基于所述工作参数动态地调整输出电压;
其中,所述输出电压信号与所述第一级的输出电压成比例。
18.如权利要求17所述的系统,其特征在于,在所述第一级的所述控制回路的反馈节点处将所述控制信号和所述第一级的输出电压信号相加。
19.如权利要求17所述的系统,其特征在于,所述第一级是降压型功率转换器;并且所述第二级是电荷泵功率转换器。
20.如权利要求19所述的系统,其特征在于,所述电荷泵功率转换器配置成分压器。
说明书 :
高效率功率转换设备和控制方法
技术领域
背景技术
现。无线电力传输系统通常包括初级侧发射器和次级侧接收器。初级侧发射器通过磁耦合
而磁耦合到次级侧接收器。磁耦合可松散耦合的变压器实现,该松散耦合的变压器实现具
有在初级侧发射器中形成的初级侧线圈和在次级侧接收器中形成的次级侧线圈。
压器接收无线功率信号,并将接收的无线功率信号转换成适合于负载的电功率。
和/或不同额定输入电压)下实现高效率无线电力传输已经变成是显著问题,它对无线电力
传输系统的系统设计带来挑战。
发明内容
整流器的高效率功率转换器,高效率功率转换器包括级联连接的第一级和第二级;以及配
置成检测多个工作参数并生成施加到第一级的控制回路的控制信号的控制器。
号;以及通过对第一级的反馈回路施加控制信号来控制第一级的输出电压。
包括级联连接的第一级和第二级;以及配置成检测多个工作参数并生成施加到第一级的控
制回路的控制信号的控制器。
出状况下实现高效率。
题。本领域技术人员应明白,可容易地利用公开的概念和特定实施例作为修改或设计用于
实现本发明的相同目的的其它结构或过程的基础。本领域技术人员还应意识到,此类等效
构造没有偏离随附权利要求中所阐述的本发明的精神和范围。
附图说明
具体实施方式
本发明的特定方式,而不是限制本发明的范围。
系统。下文中,将参考附图详细解释各种实施例。
101。在一些实施例中,采用功率转换器104以便进一步提高无线电力传输系统100的性能。
在另一些实施例中,功率转换器104是可选元件。换句话说,无线电力传输装置101可直接连
接到输入电源102。
功率转换器104的输出端。功率接收器120包括级联连接的接收器线圈L2、谐振电容Cs、整流
器112和高效率功率转换器113。如图1所示,谐振电容Cs与接收器线圈L2串联连接,并且进
一步连接到整流器112的输入端。整流器112的输出端连接到高效率功率转换器113的输入
端。高效率功率转换器113的输出端耦合到负载114。
120的一部分的接收器线圈L2形成松散耦合的变压器115。因此,可将电功率从功率发射器
110传输到功率接收器120。
在发射器线圈L1和接收器线圈L2之间建立磁耦合。换句话说,发射器线圈L1和接收器线圈
L2可形成松散耦合的变压器,通过该变压器,在功率发射器110和功率接收器120之间进行
功率传输。通过耦合系数k来量化发射器线圈L1和接收器线圈L2之间的耦合的强度。在一些
实施例中,k在从约0.05到约0.9的范围中。
输到负载114。
源102可以是任何合适的能量储存装置,比如,可充电电池、燃料电池、其任意组合和/或类
似装置。
一个和/或多个可充电电池。此外,负载114可以是诸如电池充电器的下游功率转换器。
任何其它合适的功率转换器的初级侧开关。
器)的其它合适的功率转换器。
中,谐振电感可作为外部电感实现。在另一些实施例中,谐振电感可作为连接导线实现。
整流器112进一步递送到负载114。功率接收器120可包括如图1所示的次级谐振电容Cs。在
本说明书通篇中,次级谐振电容Cs可在另一些实施例中称为接收器谐振电容。
诸如n‑型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管的开关元件形成的全波桥来取代全波二极管桥。
(IGBT)器件、基于氮化镓(GaN)的功率器件和/或类似器件。整流器112的详细操作和结构在
本领域中众所周知,因此这里不再论述。
一功率级配置成以不同模式操作以便对负载114(例如,图3中示出的可充电电池)有效充
电。第二功率级配置成分压器或隔离开关。下文将结合图2对高效率功率转换器113的框图
进行描述。下文将结合图3‑10对应用于高效率功率转换器113的控制机制进行描述。
113的第二级的输出电压等于高效率功率转换器113的第一级的输出电压的一半。
提高功率接收器120的效率。例如,与接收器的常规实现相比,具有高效率功率转换器113的
接收器的效率可提高至少7%。
的输入端连接到整流器112的输出端。第二级204的输入端连接到第一级202的输出端。第二
级204的输出端连接到负载114。
214配置成检测接收器的多个工作参数。如图2所示,传感器214可配置成接收Vss(第二级
204的输出电压)、Iss(流过第二级204的电流)和Tss(第二级204的温度)。基于检测的信号
Vss、Iss和Tss,控制器216确定第一级202的输出电压的期望值并将第一级202的输出电压
调节至该期望值。
施加到第一级202,从而将第一级202的输出电压调整至由控制器216确定的期望值。由于第
一级202的输出电压动态可调,所以第一级202充当可调控功率调节器。下文将结合图3‑5对
PWM控制器200的详细示意图和工作原理进行描述。
结合图3对降压型转换器的详细结构进行描述。
转换器模式操作。基于不同的应用需要,降压‑升压转换器可配置成以三种不同的操作模式
(即,降压模式、升压模式和直通模式)操作。
(即,混合模式、电荷泵模式和降压模式)中操作。当采用混合转换器作为第一级202时,该混
合转换器可只在电荷泵模式或降压模式中操作。
斜升或斜降。在混合模式中,可将混合转换器的电压调节至预定电压。
VRECT和输出电压VOUT的不同组合,流过输出电感LO的电流可斜升或斜降。
例中,第二级204作为隔离开关实现。隔离开关由两个背对背连接的功率开关实现。
如图3所示,接收器谐振电容Cs、整流器112和高效率功率转换器113级联连接在接收器线圈
L2和负载114之间。在一些实施例中,负载114是可充电电池。在本描述通篇中,负载114可在
另一些实施例中称为电池。
之间。同样地,开关元件MR2和MR4串联连接在整流器112的输出端和地之间。如图3所示,开
关元件MR1和MR3的共同节点AC1通过接收器谐振电容Cs耦合到接收器线圈L2的第一输入
端。开关元件MR2和MR4的共同节点AC2耦合到接收器线圈L2的第二输入端。
双极型晶体管(IGBT)器件。在另一些实施例中,初级开关可以是任何可控开关,诸如集成门
极换流晶闸管(IGCT)器件、门极关断晶闸管(GTO)器件、可控硅整流器(SCR)器件、结栅场效
应晶体管(JFET)器件、MOS控制晶闸管(MCT)器件、基于氮化镓(GaN)的功率器件和/或类似
器件。
另一些实施例中采用半波整流器。
开关元件有助于提高整流器112的效率。
电压。
关MB1、第二开关MB2、电感Lo和输出电容C2。如图3所示,第一开关MB1和第二开关MB2串联连
接在整流器112的输出端VRECT和地之间。电感Lo连接在第一开关MB1和第二开关MB2的共同
节点与输出电容C2之间。在本描述通篇中,第一开关MB1在另一些实施例中称为第一级202
的高压侧开关。第二开关MB2在另一些实施例中称为第一级202的低压侧开关。
动信号。
于或小于约400mA。此外,第一级202可配置成以电压控制模式操作,其中电压调节的分辨率
等于或小于约40mV。
VOUT和电池114之间。将第一开关M1和电容CCP的共同节点表示为如图3所示的CP+。同样地,
将第三开关M3和电容CCP的共同节点表示为CP‑。将第二开关M2和输出电容C4的共同节点表
示为VBAT。如图3所示,第二开关M2连接在CP+和VBAT之间。第四开关M4连接在CP‑和地之间。
开关M1和M3接通,所以在VOUT和VBAT之间建立第一传导路径。第一传导路径由开关M1、电荷
泵电容CCP和开关M3形成。电流通过第一传导路径从VOUT流到VBAT。在电荷泵模式的第一阶
段期间,电荷泵电容CCP被充电,并且相应地将能量存储在电荷泵电容CCP中。
成。在电荷泵模式的第二阶段期间,电流对电荷泵电容CCP放电,并且存储在电荷泵电容CCP
中的能量相应地减少。
3.8V。电荷泵转换器充当分压器。更特别地,通过控制开关M1‑M4的导通/断开时间,电荷泵
功率转换器的输出电压VBAT等于电荷泵功率转换器的输入电压的一半。
Vss,并通过第三传感器303接收温度信号Tss。在一些实施例中,第一传感器301可作为用于
检测流过第二级204的电流的合适的电流传感器实现。电流传感器可以是连接在第二级204
和负载104之间的电流感应电阻。在另一些实施例中,电流传感器可以是与连接在第二级
204和负载114之间的负载开关并联连接的感应晶体管。
用于检测第二级204的温度的合适的温度传感器实现。第三传感器303可设置在第二级204
的封装内。
调节输出电压至期望值。在一些实施例中,PWM发生器可作为数字控制器实现。基于合适的
第一级输出电压控制算法或预定查找表,PWM发生器生成具有从约100Hz到约100kHz范围内
的开关频率的PWM信号。PWM信号的占空比从0%到100%。PWM信号的接通时间在从约0毫秒
到约10毫秒的范围中。在另一些实施例中,PWM发生器可由多个模拟电路形成。
PWM信号的频率作为调整第一级202的输出电压的控制变量。具体来说,使PWM信号的占空比
保持相同。可通过调整PWM信号的频率来动态地调整第一级202的输出电压。
用PWM信号的占空比、频率和导通时间的组合作为调整第一级202的输出电压的控制变量。
可通过调整以上三个变量中的至少一个变量来动态地调整第一级202的输出电压。例如,可
相继对PWM信号应用这三个变量的调整,以便提高无线电力传输系统的性能。
坡信号,如图3所示。第一放大器A1的反相输入端连接到第二放大器A2的输出端。第一放大
器A1的输出端生成栅极驱动信号,将该栅极驱动信号馈送到驱动器310中。采用驱动器310
的输出来分别驱动高压侧开关MB1和低压侧开关MB2。
定参考电压等于0.8V。第二放大器A2的同相输入端充当第一级202的反馈控制电路中的反
馈节点。
和第一级202的输出电压相加。应注意,第二放大器A2和电阻R1‑R3形成加法放大器电路。电
阻R1和R2‑R3表示这两个输入信号的加权因子。
取决于不同应用和设计需要,它们可变成不同值。
初始值等于25%时,第一级202的输出电压等于8V。
过加法放大器电路将直流信号加到第一级202的反馈电路中。添加到反馈电路中的直流信
号可用于调整施加到第一级202的栅极驱动信号,从而相应地调整第一级202的输出电压。
压减小有助于减小第二级204中的功率损耗,从而减少第二级204中生成的热量。热量减少
可降低第二级204的工作温度,从而提高无线电力传输系统的可靠性。
一级202的输出电压减小有助于减小流过第二级204的电流。
器生成的PWM信号的占空比。
电压被调节至约8V。在一些实施例中,PWM信号的频率为4kHz。占空比的范围从0%一直到
100%。在一些实施例中,占空比的分辨率为0.4%。在该分辨率(0.4%)下,第一级202的输
出端的电压调节分辨率为20mV。
器生成的PWM信号注入到第一级202的反馈控制电路中。如图5所示,通过由电阻R4、R5和电
容C4形成的滤波器将由PWM发生器生成的PWM信号转换成直流信号。加法器502具有反相输
入端和同相输入端。如图5所示,同相输入端连接到预定参考电压。反相输入端连接到滤波
器的输出端。将加法器502的输出馈送到第二放大器A2的反相输入端。
元300。如图6所示,VOUT控制器600基于检测的工作参数直接生成直流信号。具体来说,VOUT
控制器600可包括数字‑模拟转换器,在数字‑模拟转换器中将PWM信号转换成直流信号。可
通过加法放大器电路将该直流信号加到第一级202的反馈控制电路中。
器700取代图3中的PWM控制器。PMBus控制器700包括PMBus接口单元712、传感器714和控制
器716。传感器714配置成接收电压信号Vss、电流信号Iss和温度信号Tss。采用控制器716来
提供输出电压控制算法以便提高接收器的效率。
PMBus接口单元712可在第一级202的接通过程或关断过程期间调整第一级202的输出电压
的转换速率。此外,在调整第一级202的输出电压的过程期间,PMBus接口单元712能够调整
输出电压的变化速率。
技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如,图8中示出的各个步骤可增加、去除、取代、
重新排列和重复。
转换器包括级联连接的第一级和第二级。检测的工作参数包括第二级的输出电压、第二级
的输出电流和第二级的温度。通过控制器处理检测的信号。
制回路的反馈节点处将直流信号和第一级的输出电压信号相加。
出电压。同样地,当流过第二级的电流大于预定电流阈值时,控制电路可减小第一级的输出
电压。
技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如,图9中示出的各个步骤可增加、去除、取代、
重新排列和重复。
二级的温度。通过控制器处理检测的信号。
号和第一级的输出电压信号相加。
技术人员将意识到许多改变、备选和修改。例如,图10中示出的各个步骤可增加、去除、取
代、重新排列和重复。
转换器包括级联连接的第一级和第二级。检测的工作参数包括第二级的输出电压、第二级
的输出电流和第二级的温度。通过控制器处理检测的信号。
本发明,可利用与本文中描述的对应实施例执行大体上相同的功能或实现大体上相同的结
果的目前现有或以后要开发的过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。因此,希望随
附权利要求在它们的范围内包含此类过程、机器、制造、物质组成、方式、方法或步骤。