相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2012年5月11日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No.61/645,850的優(yōu)先權(quán)。本申請(qǐng)的內(nèi)容通過引用被結(jié)合到本文中。
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利申請(qǐng)涉及借助于諧振感應(yīng)進(jìn)行的電能傳輸。更具體地，其描述了一種用于產(chǎn)生高效諧振感應(yīng)功率傳輸所需的可調(diào)整電抗的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
：感應(yīng)功率傳輸跨越許多行業(yè)和市場(chǎng)具有許多重要的應(yīng)用。圖1示出了諧振感應(yīng)功率傳輸系統(tǒng)的概念表示。在圖1中，向空隙變壓器的初級(jí)電感器100施加交流電能源。變壓器初級(jí)電感器100與變壓器次級(jí)電感器102之間的磁耦合將主機(jī)側(cè)能量的一定比例傳輸?shù)阶儔浩鞔渭?jí)電感器102，其與初級(jí)電感器100相距一定距離。初級(jí)電感器磁場(chǎng)、初級(jí)電感器電流以及次級(jí)電感器電流是成比例的。施加于初級(jí)電感器100的諧振增加初級(jí)側(cè)電感器電流，產(chǎn)生磁通量、次級(jí)電感器電流和從初級(jí)傳輸至次級(jí)的功率的相應(yīng)增加。來自初級(jí)電感器100的磁通量向次級(jí)電感器102的繞組中感生電壓。最大次級(jí)電流和因此的最大功率傳輸在次級(jí)電感器繞組也諧振時(shí)發(fā)生。結(jié)果是由兩個(gè)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(lián)地接線的電感器和電容器并聯(lián)諧振，或者它們被串聯(lián)接線且是串聯(lián)諧振的。此外，初級(jí)和次級(jí)側(cè)諧振不需要共享同一形式。高效的諧振感應(yīng)無線功率傳輸依賴于在初級(jí)源電感器和次級(jí)負(fù)載電感器兩者中保持高度的諧振。然而，變壓器初級(jí)和次級(jí)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(jí)-次級(jí)間隔距離、軸向?qū)?zhǔn)、溫度及其他因素。高效的諧振感應(yīng)無線功率傳輸因此需要連續(xù)的自主調(diào)整以便保持所需的高度諧振。例如，當(dāng)向交通工具提供感應(yīng)(或無線)功率源時(shí)，例行地遭遇這些變化，并且對(duì)于電動(dòng)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(guān)鍵的問題。期望的是，開發(fā)一種用于對(duì)交通工具充電的系統(tǒng)，其解決這些問題，使得初級(jí)電感器繞組可位于水平表面上或其中且可將次級(jí)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(fā)明解決了本領(lǐng)域中的這些需要。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：滿足本領(lǐng)域中的上述需要的可調(diào)整電抗發(fā)生器和關(guān)聯(lián)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(hào)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(guān)電路、調(diào)整由功率開關(guān)電路輸出的方波的振幅的可調(diào)整電源以及控制可調(diào)整電源的輸出水平的振幅檢測(cè)器來生成電抗調(diào)整。功率開關(guān)電路的輸出在被轉(zhuǎn)換成正弦波時(shí)提供可調(diào)整電抗的效應(yīng)。在示例性實(shí)施例中，功率開關(guān)電路包括具有兩個(gè)功率開關(guān)器件的半橋電路、全橋配置、回掃配置、具有單端或推挽驅(qū)動(dòng)配置的諧振回路、單端或雙端前向轉(zhuǎn)換器配置或這些一般配置的其他功率開關(guān)或功率轉(zhuǎn)換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？烧{(diào)整電源還包括受控電壓源、受控電流源或開關(guān)模式電源。在示例性實(shí)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(cè)器的振幅調(diào)整輸出轉(zhuǎn)換成正弦信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的可調(diào)整諧振電抗發(fā)生器的實(shí)際實(shí)施例包括具有初級(jí)側(cè)諧振LC電路和次級(jí)側(cè)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(jí)側(cè)諧振LC電路的總和節(jié)點(diǎn)提供第一高功率方波的功率發(fā)生部、通過第二隔直流電容器和第二戴維寧電感器向初級(jí)側(cè)諧振LC電路的總和節(jié)點(diǎn)提供第二高功率方波的電抗發(fā)生部以及被連接到次級(jí)側(cè)諧振LC電路的整流器-濾波器負(fù)載電路。優(yōu)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(jí)側(cè)諧振LC電路的總和節(jié)點(diǎn)中產(chǎn)生電流，該初級(jí)側(cè)諧振LC電路提供通過調(diào)整第一和第二高功率方波的相位和/或量值來調(diào)整的有效阻抗。在示例性實(shí)施例中，電抗發(fā)生部包括電壓比較器、逆變器和功率半導(dǎo)體開關(guān)的半橋?qū)?，所述電壓比較器對(duì)初級(jí)側(cè)諧振LC電路的總和節(jié)點(diǎn)處的電壓波形進(jìn)行采樣并在初級(jí)側(cè)諧振LC電路的總和節(jié)點(diǎn)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(dǎo)體開關(guān)的半橋?qū)Ψ謩e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(guān)電路還可包括全橋配置、回掃配置、具有單端或推挽驅(qū)動(dòng)配置的諧振回路、單端或雙端前向轉(zhuǎn)換器配置或這些一般配置的其他功率開關(guān)或功率轉(zhuǎn)換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。功率半導(dǎo)體開關(guān)可以是場(chǎng)效應(yīng)晶體管、雙極晶體管、絕緣柵雙極晶體管、真空管和/或光導(dǎo)開關(guān)。在示例性實(shí)施例中，第二高功率方波的量值由向功率半導(dǎo)體開關(guān)的第二半橋?qū)μ峁╇娏Φ目煽仉娫丛O(shè)定。可控電源可以是具有與初級(jí)側(cè)諧振LC電路的總和節(jié)點(diǎn)處的電壓波形的振幅成比例的輸出電壓的受控電壓源、具有與初級(jí)側(cè)諧振LC電路的總和節(jié)點(diǎn)處的電壓波形的振幅成比例的輸出電流的受控電流源、具有與初級(jí)側(cè)諧振LC電路的總和節(jié)點(diǎn)處的電流波形的振幅成比例的輸出電壓的受控電壓源或具有與初級(jí)側(cè)諧振LC電路的總和節(jié)點(diǎn)處的電流波形的振幅成比例的輸出電流的受控電流源。在可控電源的每個(gè)實(shí)施例中，電源的輸出與初級(jí)側(cè)諧振LC電路的總和節(jié)點(diǎn)處的波形的振幅的比例優(yōu)選地為1/(1-G)，其中，G是電抗發(fā)生部的增益。替換地，電源可向功率半導(dǎo)體開關(guān)的第二半橋?qū)μ峁┕潭ㄝ敵鲭娏?，但是該電路還包括脈寬調(diào)制器，該脈寬調(diào)制器對(duì)功率半導(dǎo)體開關(guān)的第二半橋?qū)Φ妮敵鲞M(jìn)行調(diào)制以調(diào)整電抗發(fā)生部的增益。根據(jù)以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些及其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言將是顯而易見的。附圖說明圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)諧振感應(yīng)功率傳輸系統(tǒng)的概念表示。圖2A示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的常規(guī)米勒阻抗發(fā)生器且圖2B示出了示例性電子電抗發(fā)生器。圖3示出了可調(diào)整電抗發(fā)生器的示例性實(shí)施例。圖4A-4D描述了根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的用于四個(gè)正規(guī)放大器類型中的每一個(gè)的替換電抗發(fā)生器配置。具體實(shí)施方式將描述供在對(duì)電力交通工具充電時(shí)使用的本發(fā)明的示例性實(shí)施例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的是本文提供的教導(dǎo)可用來對(duì)其他電力系統(tǒng)供電。在示例性實(shí)施例中，初級(jí)繞組可位于水平表面上或其中，并且可將次級(jí)線圈附著于交通工具的底部。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到此類應(yīng)用在實(shí)踐中遇到包括下面所述那些的問題。由于例如人進(jìn)入到交通工具內(nèi)部、乘客進(jìn)入或外出、向交通工具施加或從其去除負(fù)荷、由于大型交通工具的移動(dòng)而引起的人行道(pavement)中的振動(dòng)、狂風(fēng)對(duì)交通工具的影響、積聚在交通工具上的雪和冰、雪和冰在道路表面上的積聚、交通工具懸架隨時(shí)間推移的退化以及促使交通工具移動(dòng)的其他實(shí)例而引起的次級(jí)和/或初級(jí)繞組(z軸平移)改變了初級(jí)和次級(jí)繞組之間的間隔距離。x軸(例如，前后)和y軸(例如，左右)維度中的任一者或兩者中的平移位移或移動(dòng)導(dǎo)致次級(jí)和初級(jí)繞組的非同心對(duì)準(zhǔn)。這可包括由于例如次級(jí)繞組在初級(jí)繞組上面的不適當(dāng)或不精確定位以及交通工具運(yùn)動(dòng)而引起的平移未對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)初級(jí)線圈被安裝到交通工具的底層且交通工具本身未平行于初級(jí)線圈被放置在其上面或其中的人行道表面而完美地平面定位時(shí)，可看到初級(jí)和次級(jí)繞組之間的平面未對(duì)準(zhǔn)。在這種情況下，初級(jí)和次級(jí)線圈將針對(duì)諧振而失調(diào)且必須基于交通工具放置的單個(gè)實(shí)例所特有的遭遇條件而進(jìn)行修正。當(dāng)交通工具移動(dòng)且再次地相對(duì)于同一初級(jí)線圈定位或者另一初級(jí)線圈位于新位置上時(shí)，平面對(duì)準(zhǔn)將幾乎一定是不完美的。在每種情況下，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可相應(yīng)地調(diào)整系統(tǒng)的諧振。類似地，在被就位時(shí)，初級(jí)線圈和次級(jí)線圈可能由于作用于交通工具上的外力而落在精確對(duì)準(zhǔn)之外。這些力可組合地作用而改變次級(jí)線圈相對(duì)于初級(jí)線圈在x、y和/或z軸中的位置，并且可以看到結(jié)果可由于平移位移而采取某種形式的未對(duì)準(zhǔn)。這可在傾斜或平面未對(duì)準(zhǔn)和/或垂直或平移運(yùn)動(dòng)或位移中看到?？蓪⑸鲜鑫灰埔暈殡x散長(zhǎng)期位移或短期移動(dòng)或視為振蕩運(yùn)動(dòng)。機(jī)械位移或運(yùn)動(dòng)干擾諧振感應(yīng)功率傳輸，導(dǎo)致降低的功率傳輸效率并引起系統(tǒng)故障、關(guān)閉或者甚至系統(tǒng)損壞的可能性。為此，自動(dòng)諧振調(diào)整或補(bǔ)償可以是本發(fā)明的示例性實(shí)施例的一部分。此外，由于許多交通工具具有復(fù)雜的懸架系統(tǒng)，并且由于可將感應(yīng)功率部件安裝在交通工具的彈簧底盤上，所以可以預(yù)期不可預(yù)測(cè)、復(fù)雜且高度可變的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)。為此，本發(fā)明的實(shí)施例可對(duì)將干擾已調(diào)諧諧振感應(yīng)變壓器的交通工具運(yùn)動(dòng)的最寬可能范圍進(jìn)行響應(yīng)且能夠快速地進(jìn)行所需調(diào)整以有效地消除振動(dòng)和移動(dòng)的有害效應(yīng)。初級(jí)和次級(jí)電感器連同其關(guān)聯(lián)諧振部件一起形成復(fù)雜且相互作用的二階諧振網(wǎng)絡(luò)。任何網(wǎng)絡(luò)部件或參數(shù)的更改、偏差或變化可導(dǎo)致小于最佳性能?？梢愿叨鹊目芍貜?fù)性制造電氣部件，但是所需的高度制造精度招致不期望的開發(fā)和制造成本。因此，在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中期望吸收或以其他方式補(bǔ)償制造可變性的能力。此外，由于用于交通工具(以及用于非交通工具應(yīng)用)的感應(yīng)電力系統(tǒng)的廣泛市場(chǎng)采用將基于由不同制造商生產(chǎn)的初級(jí)和次級(jí)電感器之間的互操作性，所以本發(fā)明的實(shí)施例可適應(yīng)在由多個(gè)公司和代理設(shè)計(jì)、制造和安裝的系統(tǒng)之間產(chǎn)生的系統(tǒng)變化。在此類實(shí)施例中，可能要求由任何一個(gè)公司設(shè)計(jì)和制造的任何初級(jí)側(cè)電感器和關(guān)聯(lián)部件在任何次級(jí)側(cè)電感器和關(guān)聯(lián)次級(jí)側(cè)部件由任何其他制造商制造的情況下自動(dòng)地和/或無瑕疵地運(yùn)行。即使根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)而統(tǒng)一，此類“失配”感應(yīng)電力系統(tǒng)也將面對(duì)顯著的互操作性調(diào)整?？梢源偈惯@些單元高效地工作的僅僅是通過活動(dòng)且自動(dòng)化再調(diào)諧。固定的出廠預(yù)置調(diào)諧可能不太可能實(shí)現(xiàn)且不太可能在面對(duì)上文所討論的制造和對(duì)準(zhǔn)變化時(shí)保持高效操作所需的調(diào)諧精度。此外，交通工具所承受的正常操作誤用、激烈運(yùn)動(dòng)、震動(dòng)、沖擊以及在操作期間遭遇的外部應(yīng)力甚至意味著最初足夠的固定調(diào)諧系統(tǒng)在交通工具的服務(wù)壽命期間將需要頻繁的維護(hù)、修理和重新對(duì)準(zhǔn)。為此，并且尤其是考慮到可操作性標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合問題，本發(fā)明的示例性實(shí)施例包括在每次再充電事件之前的諧振確認(rèn)和可能的諧振再調(diào)整以及在再充電操作期間的必要時(shí)的連續(xù)諧振監(jiān)視和再調(diào)整。制造年份期間的遞增的改善可導(dǎo)致不能預(yù)測(cè)的線圈設(shè)計(jì)中的可變性。自動(dòng)再調(diào)諧提供了確保傳統(tǒng)電感器用新設(shè)計(jì)和最近制造電感器繼續(xù)進(jìn)行操作的手段。在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，使不同幾何結(jié)構(gòu)的電感器進(jìn)行互操作是有可能的。這在初級(jí)線圈與次級(jí)線圈相比較大或具有不同形態(tài)時(shí)可能需要。例如，卵形初級(jí)線圈將需要用各種尺寸和形狀的次級(jí)線圈進(jìn)行操作。再次地，可能需要自動(dòng)諧振調(diào)整以建立并保持諧振。在本發(fā)明的實(shí)施例中，環(huán)境溫度變化也可影響諧振調(diào)諧并要求調(diào)整。預(yù)期環(huán)境操作溫度可由于地理位置、季節(jié)、日間時(shí)、天氣、風(fēng)、太陽暴露或包括充電交通工具陰影的陰影廣泛地變化。次級(jí)線圈和關(guān)聯(lián)電子裝置進(jìn)一步經(jīng)受交通工具熱發(fā)射，其可能很好地支配其他熱效應(yīng)。此外，不能忽視充電期間的大的環(huán)境溫度變化，并且不能將交通工具側(cè)溫度假設(shè)為與底面安裝初級(jí)側(cè)線圈的溫度相同或遵循該溫度。線圈諧振可由于線圈本身的熱膨脹和熱收縮、關(guān)聯(lián)電子部件、尤其是調(diào)諧電容器的溫度靈敏度、關(guān)聯(lián)鐵氧體材料的磁導(dǎo)率變化以及由于交通工具輪胎和懸架部件的溫度靈敏度所引發(fā)的線圈間隔距離變化而隨溫度而變。在又一實(shí)施例中，本發(fā)明提供了使得電感器的初級(jí)-次級(jí)系統(tǒng)很容易適用于移動(dòng)交通工具的動(dòng)態(tài)充電的電子調(diào)諧手段。在移動(dòng)交通工具的情況下，次級(jí)電感器被固定于交通工具。促使移動(dòng)的交通工具在多個(gè)獨(dú)立初級(jí)電感器的線性陣列上面通過，其中每個(gè)初級(jí)電感器被自動(dòng)排序器排序以便以從而隨著交通工具在頂上通過而將功率耦合到次級(jí)交通工具電感器達(dá)短時(shí)間間隔的方式通電且然后斷電。很明顯，在這種情況下，針對(duì)每個(gè)初級(jí)-次級(jí)線圈組合而僅僅瞬時(shí)地實(shí)現(xiàn)最佳的x、y、z和平行平面對(duì)準(zhǔn)條件。在所有其他時(shí)間，必須以自主方式來實(shí)施動(dòng)態(tài)諧振調(diào)諧以隨著次級(jí)線圈重復(fù)地接近、實(shí)現(xiàn)且然后脫離對(duì)準(zhǔn)而保持系統(tǒng)諧振和無線功率傳輸效率。用重疊或緊密間隔的地面固定線圈，多個(gè)線圈可能用連續(xù)變化有功和無功功率-時(shí)間軌跡同時(shí)地被激勵(lì)，從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)移動(dòng)虛擬初級(jí)線圈的效果，其在存在上述所有未對(duì)準(zhǔn)條件和諧振干擾影響的情況下保持與移動(dòng)交通工具的系統(tǒng)諧振和無線功率傳輸效率。此外，本發(fā)明使得能夠?qū)嵤┕β蕚鬏數(shù)姆浅８咝У碾p向操作，其中，功率可以在交通工具與板外設(shè)備之間的任一方向上流動(dòng)。在電力交通工具的許多可想應(yīng)用中，可能期望使用存儲(chǔ)在交通工具電池、電容器或其他儲(chǔ)能設(shè)備內(nèi)的能量來操作板外設(shè)備或補(bǔ)充配電網(wǎng)。雖然初級(jí)和次級(jí)電感器的布置和設(shè)計(jì)是反向的且該系統(tǒng)在存在板外負(fù)載的情況下必須仍保持諧振，該板外負(fù)載很可能呈現(xiàn)出對(duì)有功和無功功率兩者的未知且變化的要求。在非交通工具無線功率傳輸應(yīng)用中可能存在要求交通工具安裝無線功率系統(tǒng)中的主動(dòng)和自動(dòng)諧振控制的以上因素中的一個(gè)或多個(gè)且其很有可能伴隨著需要自動(dòng)化檢測(cè)和修正的其他應(yīng)用和狀況特定干擾因素。另外，在補(bǔ)償上述因素中的所述一個(gè)或多個(gè)時(shí)，本發(fā)明的示例性實(shí)施例可滿足以下性能準(zhǔn)則中的一個(gè)或多個(gè)：自動(dòng)化再調(diào)諧發(fā)生的手段必須是近實(shí)時(shí)的且在功率傳輸時(shí)段期間是連續(xù)的。用來實(shí)現(xiàn)再調(diào)諧的技術(shù)不能過于巨大或體積很大。用來實(shí)現(xiàn)再調(diào)諧的技術(shù)不應(yīng)需要大型電源以進(jìn)行操作或顯著地降低系統(tǒng)的功率傳輸效率。用來實(shí)現(xiàn)再調(diào)諧的技術(shù)不應(yīng)引起或產(chǎn)生使感應(yīng)無線功率傳輸性能的其他方面退化的副效應(yīng)。用來實(shí)現(xiàn)此再調(diào)諧的技術(shù)應(yīng)被緊密地集成到部件的電子系統(tǒng)中以降低整體系統(tǒng)復(fù)雜性、降低成本并改善維護(hù)人員的能力以對(duì)有故障的感應(yīng)電力系統(tǒng)實(shí)行補(bǔ)救。用來實(shí)現(xiàn)再調(diào)諧的技術(shù)應(yīng)代表制備感應(yīng)電力系統(tǒng)的成本的僅一小部分。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，允許負(fù)載側(cè)(次級(jí))電感器電路諧振根據(jù)上述因素中的一個(gè)或多個(gè)而變化。可通過將負(fù)載電感器諧振電路電壓波形的相位與負(fù)載諧振電路電流波形的相位相比較來確定負(fù)載電感器諧振錯(cuò)誤極性和量值。從次級(jí)側(cè)至初級(jí)側(cè)的無線通信鏈路可指示次級(jí)側(cè)諧振錯(cuò)誤的量值和極性，并且初級(jí)側(cè)微控制器然后可調(diào)整初級(jí)電感器激勵(lì)的頻率直至實(shí)現(xiàn)次級(jí)諧振為止，如同相的次級(jí)側(cè)電壓和電流波形所指示的。這樣，調(diào)整系統(tǒng)操作頻率，使得固定調(diào)諧次級(jí)諧振器始終在其諧振頻率下操作。然后，可通過初級(jí)側(cè)電感器及關(guān)聯(lián)諧振和阻抗匹配部件的調(diào)整或其他操縱而在新調(diào)整的操作頻率下建立初級(jí)側(cè)諧振。然后仍是初級(jí)側(cè)電感器和關(guān)聯(lián)諧振部件的調(diào)整，使得其在次級(jí)側(cè)諧振操作頻率下也是諧振的。此類諧振調(diào)整可通過機(jī)械性或電氣地將各種電抗(諸如，例如電容)切換到或切換出電路直至實(shí)現(xiàn)諧振為止來完成。示例性實(shí)施例依賴于N個(gè)開關(guān)和N個(gè)電容器，后者是根據(jù)二進(jìn)制1—2—4—8序列而選擇的，其允許有來自N個(gè)被切換電抗的2N個(gè)均勻間隔電抗值。替換地，可以根據(jù)需要而將多個(gè)電感器切換到或切換出電路，或者可以根據(jù)需要而對(duì)電感器分接頭進(jìn)行開關(guān)選擇。諧振無線功率傳輸要求在使用實(shí)際數(shù)目的開關(guān)和無功部件的被切換電抗方法的情況下可能不可能的高精確度。用實(shí)際數(shù)目的開關(guān)實(shí)現(xiàn)的調(diào)整粒度可能過大。另一實(shí)現(xiàn)實(shí)施例可使用諸如變?nèi)荻O管(電壓可變電容器)之類的電可變電抗、或者電流可變電感，其中放置在次級(jí)控制線圈中的可變dc偏置電流更改鐵磁芯的磁導(dǎo)率、從而更改電感。然而，變?nèi)荻O管可能不能處理超過幾毫瓦的功率水平且不能容易地提供大的電容值。同樣地，電流可變電感器是大的、繁重的，并且還可能不能處理大的功率水平，因?yàn)閐c偏置電流通過使磁芯材料的操作點(diǎn)朝著飽和移動(dòng)、從而減小電感器電流和功率額定值而起作用。然而，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，利用米勒效應(yīng)的替換諧振調(diào)整方法克服了上文所討論的實(shí)施例的調(diào)整粒度和功率水平限制?？紤]圖2A，其示出了包括具有增益G和反饋?zhàn)杩筞204的常規(guī)理想電壓放大器202的米勒電抗發(fā)生器200。分別地用ET和IT來指示輸入到此網(wǎng)絡(luò)的正弦電壓波形和電流。跨阻抗Z的電壓由放大器電壓增益G設(shè)定，其進(jìn)而影響輸入端子電流IT。然后由下式給出跨放大器輸入端子的有效阻抗：等式1：這是高度期望的布置，因?yàn)槟軌蛲ㄟ^改變G而容易地且有效地改變有效阻抗。此外，G可以是正的或負(fù)的，其允許生成負(fù)(針對(duì)G＞+1)或正(針對(duì)G＜+1)有效阻抗。應(yīng)注意的是負(fù)阻抗是潛在地不穩(wěn)定的。無論如何，使用以充分穩(wěn)定裕度進(jìn)行操作的復(fù)阻抗，可以進(jìn)行有用的電抗調(diào)整。對(duì)于G＝1而言，跨Z的電壓是零，并且有效阻抗是無窮大的，有效地開路電路。如放大器增益G一樣，還可以通過改變放大器相移來改變矢量Zeff。圖2A中的米勒阻抗乘法器中的缺點(diǎn)是線性電壓放大器202的功率要求。作為粗略數(shù)量級(jí)估計(jì)，由電壓放大器202提供的總驅(qū)動(dòng)功率的百分比大約與期望的調(diào)整范圍相同；百分之十調(diào)整范圍意味著電壓放大器202提供總功率的約10％。這可能是個(gè)問題，因?yàn)槟M線性放大器的效率可以為20％或以下。因此，電壓放大器202中的半導(dǎo)體器件必須基本上尺寸過大，增加此類實(shí)現(xiàn)的成本。關(guān)聯(lián)電源和散熱器或熱量管理系統(tǒng)進(jìn)一步抬高實(shí)現(xiàn)的成本?？梢酝ㄟ^使用數(shù)字控制開關(guān)技術(shù)來避免常規(guī)、線性、模擬放大器的功率轉(zhuǎn)換效率缺點(diǎn)。具體地，可以用采用脈寬調(diào)制(“PWM”)和關(guān)聯(lián)模擬PWM轉(zhuǎn)換塊的電路實(shí)施例來替換模擬放大功能。此類放大器能夠?qū)崿F(xiàn)非常好的效率；然而，PWM功率開關(guān)器件可以比要放大的信號(hào)的頻率高得多的頻率進(jìn)行開關(guān)以便滿足尼奎斯特準(zhǔn)則。此外，常規(guī)PWM放大器中的精確振幅或增益調(diào)整要求脈沖寬度的精確的細(xì)粒度調(diào)整，其對(duì)PWM的功率開關(guān)器件的帶寬施加附加要求。因此，常規(guī)PWM放大器實(shí)現(xiàn)的功率轉(zhuǎn)換效率可要求快速WPM功率開關(guān)器件，是承載成本及其他實(shí)踐責(zé)任的要求?？梢愿鶕?jù)以下原理來開發(fā)規(guī)避由被用作電子可調(diào)整電抗發(fā)生器的一部分的常規(guī)PWM放大器施加的過度帶寬要求的方法，(1)具有足夠高品質(zhì)因數(shù)Q的諧振電路中的電壓和電力波是正弦的，以及(2)可以用三個(gè)參數(shù)：頻率、相位和振幅來完整地且絕對(duì)地描述任何正弦曲線。常規(guī)PWM信號(hào)發(fā)生可以生成任何的任意波形，其僅僅受到滿足用于最高頻率分量的尼奎斯特準(zhǔn)則的需要的限制。然而，此類波形靈活性當(dāng)在電子可變電抗發(fā)生器中使用時(shí)被浪費(fèi)。事實(shí)上，根據(jù)示例性實(shí)施例，可以實(shí)現(xiàn)功能電抗發(fā)生器，其在系統(tǒng)操作頻率下僅采用方波發(fā)生，因此可以不要求更快的開關(guān)器件。圖2B示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性電子電抗發(fā)生器210。在圖2B中，電壓比較器212對(duì)施加的正弦電壓波形ET進(jìn)行采樣，在點(diǎn)214處產(chǎn)生方波，其保持所施加的正弦電壓波形ET的頻率和相位。由于點(diǎn)214處的方波具有恒定振幅，所以可不保持所施加的正弦電壓波形ET的振幅信息。結(jié)果得到的在點(diǎn)214處輸出的方波控制電力開關(guān)電路216的開關(guān)頻率和相位。在圖2B中將示例性電力開關(guān)電路216描述為包括兩個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管218、226的半橋電路。也可使用其他電力開關(guān)電路216。例如，電源開關(guān)電路可包括全橋配置、回掃配置、具有單端或推挽驅(qū)動(dòng)配置的諧振回路、單端或雙端前向轉(zhuǎn)換器配置或這些一般配置的其他功率開關(guān)或功率轉(zhuǎn)換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電力開關(guān)電路216的輸出可以是具有由可調(diào)整電源222確定的振幅的方波?？烧{(diào)整電源222可以是受控電壓源，從而創(chuàng)建具有受控振幅的半橋輸出電壓方波，或者可將可調(diào)整電源222實(shí)現(xiàn)為受控電流源，從而導(dǎo)致在半橋輸出處的電流方波。在任一種情況下，方波都保持所施加的正弦電壓波形ET的頻率和相位?？山柚诳刂瓶烧{(diào)整電源222的振幅的振幅檢測(cè)塊220來引入遺漏的正弦電壓波形ET振幅參數(shù)。該控制方法可以是模擬的、數(shù)字的或其某種組合。在示例性實(shí)施例中，可將可調(diào)整電源222實(shí)現(xiàn)為常規(guī)開關(guān)模式電源，其具有由在常規(guī)技術(shù)中眾所周知的任何開關(guān)模式電源控制方法控制的輸出振幅。此外，在示例性實(shí)施例中，可使得振幅檢測(cè)塊220—控制電源222傳遞函數(shù)Out/In等于在圖2A的原始模擬米勒電抗發(fā)生器圖中的G。在示例性實(shí)施例中，圖2B中所示的電路用半橋的輸出端處方波來復(fù)制施加正弦電壓波形ET的頻率、相位和G標(biāo)度振幅。該方波部分地由可調(diào)整電源222生成，其例如由避免常規(guī)模擬放大器的功率轉(zhuǎn)換無效的示例性開關(guān)模式電源控制方法控制。方波到正弦曲線的轉(zhuǎn)換是由戴維寧阻抗Z224與LC諧振空芯傳輸變壓器(未示出)的組合濾波作用實(shí)現(xiàn)的?？蓪⒋骶S寧阻抗Z224實(shí)現(xiàn)為純電抗，因?yàn)榇骶S寧阻抗的電阻分量(如果存在的話)可引入損耗。對(duì)于任何給定應(yīng)用而言，最佳電抗(電感或電容)在很大程度上依賴于半橋電源類型。結(jié)合電壓源饋送電力開關(guān)，感抗可能是優(yōu)選的，但當(dāng)使用電流源電源時(shí)，容抗可能是優(yōu)選的。上述實(shí)施例表示可以多個(gè)配置實(shí)現(xiàn)的一般設(shè)計(jì)方法。因此，下面描述電子電抗發(fā)生器的多個(gè)替換實(shí)施方式。圖3圖示出使用上述原理的電子電抗發(fā)生器的示例性實(shí)施例。此電路包括初級(jí)電感器側(cè)的功率發(fā)生部300和電抗發(fā)生部302及次級(jí)電感器側(cè)的諧振空隙傳輸變壓器304和整流器-濾波器-負(fù)載電路306。功率發(fā)生器部300可包含電力開關(guān)電路308，其將dc電源電壓Vcc1轉(zhuǎn)換成高功率方波310，其通過隔直流電容器Cb和戴維寧電感器Lth而被施加于包括諧振電容器Cr和初級(jí)電感器Lp的初級(jí)側(cè)諧振LC電路。在系統(tǒng)諧振下，功率發(fā)生器300可經(jīng)歷純電阻負(fù)載，并且結(jié)果，功率發(fā)生器300僅提供有功功率。方波諧波可經(jīng)歷由戴維寧電感器建立的高阻抗負(fù)載。為此，可使方波諧波電流最小化。示例性電抗發(fā)生器302可具有與有功功率發(fā)生器300相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電抗發(fā)生器302還可在其半橋輸出節(jié)點(diǎn)314處逐漸產(chǎn)生方波312。然而，此方波312可具有也可不具有與功率發(fā)生器方波310相同的相位或相同的振幅。相位和振幅差可被布置成通過電抗發(fā)生器的戴維寧電感器Lth向電抗總和節(jié)點(diǎn)316中產(chǎn)生電流，該電抗總和節(jié)點(diǎn)316復(fù)制旁路、無源和/或無功部件的效果?？赏ㄟ^調(diào)整電抗發(fā)生器的半橋驅(qū)動(dòng)相位和/或半橋dc電源量值來容易地更改此虛擬部件的有效阻抗。如圖3中所示，可用電壓比較器318、逆變器和功率半導(dǎo)體開關(guān)的半橋?qū)韺?shí)現(xiàn)圖3中所示的米勒電抗發(fā)生器的電壓放大器功能。在圖3中，將這些半導(dǎo)體器件示為場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，但也可以使用其他功率開關(guān)器件，諸如但不限于雙極晶體管、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)或者甚至真空管或光傳導(dǎo)開關(guān)(例如，激光激活光傳導(dǎo)開關(guān))。在本實(shí)施例中，用更簡(jiǎn)單、不那么昂貴、更加高效的開關(guān)實(shí)現(xiàn)來替換模擬功率放大器。繼續(xù)圖3中所描述的示例性實(shí)施例，電壓比較器318對(duì)電抗總和節(jié)點(diǎn)316處的電壓波形進(jìn)行采樣并創(chuàng)建總和節(jié)點(diǎn)電壓的方波通斷表示。在此操作中很明顯丟失了總和節(jié)點(diǎn)正弦波形的振幅信息。其可在稍后返回檢查。方波僅表示跨要調(diào)整的調(diào)諧電路出現(xiàn)的正弦波形的相位。方波和方波的反相型式控制以半橋或圖騰柱配置接線且作為開關(guān)而不是線性器件進(jìn)行操作的兩個(gè)FET器件。一起工作，兩個(gè)FET可在其公共節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生高功率方波312，其振幅可由標(biāo)記為Vcc2的半橋可控電源的量值設(shè)定，其進(jìn)而可被施加于隔直流電容器Cb且然后是戴維寧電感器Lth。在示例性實(shí)施例中，改變Vcc2的量值改變了此非常規(guī)米勒放大器的表觀增益，從而改變由米勒電抗發(fā)生器產(chǎn)生的電抗的量值。Vcc2由開關(guān)模式電源(未示出)的數(shù)字或模擬控制機(jī)構(gòu)供應(yīng)。該控制信號(hào)可由微控制器(未示出)使用電抗總和節(jié)點(diǎn)電壓的數(shù)字表示而導(dǎo)出。微控制器可與存在于電抗總和節(jié)點(diǎn)處的正弦波的振幅成比例地調(diào)整Vcc2的量值。比例常數(shù)可如前所述為1/(1-G)以產(chǎn)生期望電抗。采用由受控電壓源饋送的半橋晶體管對(duì)的本實(shí)施例中的米勒阻抗是電感器，其部分地充當(dāng)?shù)屯V波器，從而避免了與驅(qū)動(dòng)電路的較高傅立葉方波分量的大電流開關(guān)瞬態(tài)。為此，只有米勒驅(qū)動(dòng)波形的基波分量影響初級(jí)諧振頻率，因?yàn)橹C波在很大程度上被拒絕。而且，在電抗總和節(jié)點(diǎn)中注入的電流波形本質(zhì)上是正弦的，正如其在圖3中所示的線性米勒電抗發(fā)生器中一樣。同樣如圖3中所示，諧振傳輸變壓器304還包括次級(jí)電感器Ls和諧振電容器Cr。整流器濾波器電路320在將接收到的正弦信號(hào)施加于負(fù)載322之前對(duì)其進(jìn)行整流和濾波。在附加示例性實(shí)施例中，可將替換放大器配置結(jié)合到圖3中所描述的電抗發(fā)生器中?？筛鶕?jù)所選擇的放大器類型和功率開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來表征替換實(shí)施例。根據(jù)表1，替換放大器實(shí)施例包括電壓放大器、跨導(dǎo)放大器、電流放大器和跨阻放大器。圖4A-4D描述了四個(gè)此類替換放大器配置，而表1列出用于每個(gè)的增益定義。類型增益定義電壓放大器G＝Vout/Vin電流放大器G＝Iout/Iin跨阻放大器G＝Vout/Iin跨導(dǎo)放大器G＝Iout/Vin表1—電抗發(fā)生器放大器配置在圖4A中描述的示例性實(shí)施例中，通過用電壓比較器318對(duì)電抗總和節(jié)點(diǎn)電壓波形進(jìn)行采樣并使用結(jié)果得到的方波來控制半橋的晶體管開關(guān)而實(shí)現(xiàn)復(fù)合電壓放大器，該半橋由量值控制電壓源供電。電壓比較器318生成方波，該方波具有與節(jié)點(diǎn)316處的正弦信號(hào)相同的頻率和相位，其驅(qū)動(dòng)由可調(diào)整電壓源402供電的電力開關(guān)?？烧{(diào)整電壓源402的電壓被設(shè)置成與存在于電抗總和節(jié)點(diǎn)316處的電壓正弦波的振幅成比例。此外，在圖4D中所描述的示例性實(shí)施例中，用如前所述的電壓比較器318對(duì)電抗總和節(jié)點(diǎn)電壓波形進(jìn)行采樣，但使用結(jié)果得到的方波來控制由可調(diào)整電流源404供電的半橋有效地產(chǎn)生復(fù)合跨導(dǎo)放大器實(shí)現(xiàn)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到跨導(dǎo)放大器對(duì)存在于電抗總和節(jié)點(diǎn)316處的電壓波形進(jìn)行采樣，并生成相同頻率和相位的方波，其驅(qū)動(dòng)由可調(diào)整電流源404供電的電力開關(guān)。可調(diào)整電流源的量值被設(shè)置成與流入電抗總和節(jié)點(diǎn)316中的電流正弦波的振幅成比例。此外，在圖4B和4C中所描述的示例性實(shí)施例中，對(duì)存在于要調(diào)整的諧振電路中的正弦電流進(jìn)行采樣并使用該方波表示來驅(qū)動(dòng)分別地電壓源供電和電流源供電半橋產(chǎn)生了復(fù)合跨導(dǎo)和復(fù)合電流放大器實(shí)現(xiàn)。電流放大器(圖4C)對(duì)流入電抗總和節(jié)點(diǎn)316的電流波形進(jìn)行采樣，生成相同頻率和相位的方波，其驅(qū)動(dòng)由可調(diào)整電流源404供電的電力開關(guān)。可調(diào)整電流源404的量值被設(shè)置成與流入電抗總和節(jié)點(diǎn)316中的電流正弦波的振幅成比例。另一方面，復(fù)合跨導(dǎo)放大器(圖4B)對(duì)流入電抗總和節(jié)點(diǎn)316的電流波形進(jìn)行采樣，生成相同頻率和相位的方波，其驅(qū)動(dòng)由可調(diào)整電壓源402供電的電力開關(guān)?？烧{(diào)整電壓源402的電壓被設(shè)置成與流入電抗總和節(jié)點(diǎn)316中的電流正弦波的振幅成比例。用電流源供電電力開關(guān)實(shí)現(xiàn)的放大器由于其對(duì)開關(guān)器件同時(shí)傳導(dǎo)(一般地稱為吹透)和引起瞬時(shí)、短路型故障的其他故障的容忍度而一般是有利的。此外，電感器反饋電抗的使用在使用恒定電壓電力開關(guān)的實(shí)施例中是有利的，而電容性米勒發(fā)生器反饋電抗在使用恒定電流電力開關(guān)的實(shí)施例中是有利的。然而，在實(shí)踐中，最期望的放大器配置可取決于諧振負(fù)載電路的性質(zhì)、是串聯(lián)還是并聯(lián)諧振、米勒阻抗類型、是電感還是電容性的和/或其他設(shè)計(jì)因素。在其他示例性實(shí)施例中，可以用固定量值的電壓或電流源來替換如上文所述及圖3和4A-4B中所表示的半橋可控電源、可控電壓源或可控電流源。然后可用半橋的脈寬調(diào)制來實(shí)現(xiàn)有效放大器增益G和因此的電抗比例因數(shù)1/(1-G)。在又一示例性實(shí)施例中，其他電抗發(fā)生器控制技術(shù)利用放大器矢量增益定義G的相位部分。針對(duì)同相或180度異相的電抗發(fā)生器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，等式1的分母是實(shí)數(shù)。如果將等式1中的Z實(shí)現(xiàn)為理想電抗，具體地電感器或電容器，則Zeff也可以是純電抗且米勒電抗發(fā)生器可僅提供虛數(shù)功率，到電抗總和節(jié)點(diǎn)的VAR。在示例性實(shí)施例中，將等式1中的Z實(shí)現(xiàn)為理想電抗但使驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位移位創(chuàng)建了等式1的分母中的虛部，從而使得Zeff也是復(fù)數(shù)。這意味著除無功功率(VAR)之外，電抗發(fā)生器還可以向電抗總和節(jié)點(diǎn)提供(或吸收)有功功率(瓦特)。本發(fā)明的示例性實(shí)施例布置等式1的分母中的G的量值和相位，使得Zeff由實(shí)數(shù)復(fù)電阻和在符號(hào)方面為正或負(fù)的虛數(shù)電抗的和組成。這樣，米勒電抗發(fā)生器應(yīng)是向負(fù)載提供有功功率的負(fù)擔(dān)的一部分。驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位的控制允許根據(jù)期望將米勒電抗發(fā)生器半橋的功率處理能力指配給純無功功率(VARS)、純有功功率(瓦特)或兩者的某種組合的生成，允許其根據(jù)期望而提供更多無功功率或更多有功功率。如上所示，使用多種方法可容易地實(shí)現(xiàn)確定電抗發(fā)生器輸出的參數(shù)的非常精確的控制，即電源電壓和電流振幅以及驅(qū)動(dòng)信號(hào)功率、占空比和相位，凈效果是高功率可變電抗的合成或混合可變電抗-可變負(fù)電抗、源自負(fù)電阻的有功功率，其在被連接到無線功率傳遞電感器時(shí)，允許傳遞電感器諧振頻率的平滑且?guī)缀踹B續(xù)的調(diào)整。在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，上述電子可變米勒電抗的使用不排除被開關(guān)、分接或另外的可變電抗元件的使用。事實(shí)上，可以將開關(guān)電抗元件結(jié)合到米勒可變電抗中以提供粗步幅電抗變化，其中依賴于米勒可變電抗以進(jìn)行連續(xù)精確調(diào)整。在本發(fā)明的又一示例性實(shí)施例中，從存在于電抗總和節(jié)點(diǎn)316處的正弦電壓或電流的樣本導(dǎo)出驅(qū)動(dòng)米勒電抗發(fā)生器的方波信號(hào)。替換地，可以從同相地或正交地驅(qū)動(dòng)主電源半橋的方波導(dǎo)出此信號(hào)。此外，可在微控制器或其他數(shù)字或軟件控制設(shè)備中生成電抗發(fā)生器時(shí)鐘。圖3描述了具有不對(duì)稱諧振LC電路的示例性實(shí)施例，不對(duì)稱是在LC電路的被連接的一側(cè)被接地且LC諧振電路由相對(duì)于電路地線而言兩個(gè)都具有不平衡輸出的一對(duì)半橋電路來驅(qū)動(dòng)LC諧振電路的意義上講。如上所述，本發(fā)明的附加實(shí)施例可采用平衡LC諧振電路，其沒有一側(cè)被直接地連接至地線，由H橋驅(qū)動(dòng)器而不是半橋驅(qū)動(dòng)器的平衡、對(duì)稱輸出驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明的電力開關(guān)電路可包括全半橋配置、全橋配置、回掃配置、具有單端或推挽驅(qū)動(dòng)配置的諧振回路、單端或雙端前向轉(zhuǎn)換器配置或這些一般配置的其他功率開關(guān)或功率轉(zhuǎn)換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在本文所述的米勒電抗發(fā)生器的開關(guān)放大器部分的功率開關(guān)功能的實(shí)施例中可以使用對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言顯而易見的多個(gè)功率開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些包括單開關(guān)或多開關(guān)電路、相對(duì)于電源公共端子而言對(duì)稱或不對(duì)稱的電路、單端或推挽配置、有或者沒有電容分壓器的半橋、H橋配置、回掃或前向轉(zhuǎn)換器以及本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的其他功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。功率開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇由指導(dǎo)供在諸如dc至ac逆變器、電動(dòng)機(jī)控制器、感應(yīng)加熱裝置以及dc至dc電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備之類的常規(guī)功率轉(zhuǎn)換和控制應(yīng)用中使用的功率開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇的相同設(shè)計(jì)判定選擇來指導(dǎo)。也可使用本領(lǐng)域已知的其他電力開關(guān)配置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到必須通過諧振電容器的連接來使傳輸變壓器的初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)電感進(jìn)行諧振以獲得高效的操作?？梢詫⒅C振電容器串聯(lián)連接，創(chuàng)建串聯(lián)諧振電路，或者可以將其并聯(lián)地連接，創(chuàng)建并聯(lián)諧振電路。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將知道傳輸變壓器初級(jí)側(cè)電感的串聯(lián)諧振連接非常適合于被由電壓源供電的電力開關(guān)電路驅(qū)動(dòng)，而傳輸變壓器初級(jí)側(cè)電感的并聯(lián)諧振連接非常適合于被由電流源供電的電力開關(guān)電路驅(qū)動(dòng)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還將理解的是可通過添加LC阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來更改這些寬泛的設(shè)計(jì)方針。同樣地，在傳輸變壓器的負(fù)載側(cè)，傳輸變壓器次級(jí)側(cè)電感的串聯(lián)諧振連接非常適合于驅(qū)動(dòng)要求恒壓型電源的負(fù)載，并且傳輸變壓器次級(jí)側(cè)電感器的并聯(lián)諧振連接非常適合于驅(qū)動(dòng)要求恒流型電源的負(fù)載。如前所述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員還將理解的是可通過添加LC阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來更改這些寬泛的設(shè)計(jì)方針。雖然本文包含的公開可設(shè)想將本發(fā)明用于要求相對(duì)高功率(超過100瓦特)的應(yīng)用，但應(yīng)理解的是功率應(yīng)用的潛在列表并不受到限制，并且可以將本發(fā)明應(yīng)用于大范圍的功率要求。此外，雖然本文中包含的公開涉及向交通工具提供電功率，但應(yīng)理解的是這僅僅是許多可能應(yīng)用中的一個(gè)，并且包括非交通工具應(yīng)用的其他實(shí)施例是可能的。本發(fā)明的這些及其他實(shí)施例意圖在由以下權(quán)利要求識(shí)別的本發(fā)明的范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3