針對(duì)電容性無線供電系統(tǒng)的電擊穿保護(hù)的制作方法
【專利說明】針對(duì)電容性無線供電系統(tǒng)的電擊穿保護(hù)
[0001]本發(fā)明一般地涉及用于無線功率傳輸?shù)碾娙菪怨╇娤到y(tǒng)，并且更特別地涉及在大面積的表面上的無線功率傳輸以及保護(hù)這樣的表面以防電擊穿。
[0002]無線功率傳輸指的是在不具有任何線或接觸的情況下的電功率的供應(yīng)，由此通過無線介質(zhì)執(zhí)行電子設(shè)備的供電。無線(無接觸)供電的一個(gè)受歡迎的應(yīng)用是用于便攜電子設(shè)備(例如移動(dòng)電話、膝上型計(jì)算機(jī)等)的充電。
[0003]無線功率傳輸?shù)囊粋€(gè)實(shí)施方式是通過電感性供電系統(tǒng)。在這樣的系統(tǒng)中，電源(發(fā)射器)和設(shè)備(接收器)之間的電磁感允許無線功率傳輸。發(fā)射器和接收器二者都裝配有電線圈，并且當(dāng)被使得物理接近時(shí)，電信號(hào)從發(fā)射器流到接收器。
[0004]在電感性供電系統(tǒng)中，在線圈內(nèi)聚集生成的磁場(chǎng)。作為結(jié)果，到接收器拾取(pick-up)場(chǎng)的功率傳輸在空間中是非常集中的。該現(xiàn)象建立了在系統(tǒng)中的熱點(diǎn)，這限制了該系統(tǒng)的效率。為了改進(jìn)功率傳輸?shù)男?，需要每個(gè)線圈的高品質(zhì)因數(shù)。為此，線圈應(yīng)當(dāng)具有以下特征:電感與電阻的最優(yōu)比例，由具有低電阻的材料構(gòu)成，以及使用利茲線(Litze-wire)工藝制造以降低集膚效應(yīng)。而且，線圈應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)為滿足復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)以避免渦電流。因此，對(duì)于高效率的電感性供電系統(tǒng)，要求昂貴的線圈。用于大面積的無接觸功率傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將使很多昂貴的線圈成為必需。因而，針對(duì)這樣的應(yīng)用，電感性供電系統(tǒng)可能不是可行的。
[0005]電容性耦合是用于無線地傳輸功率的另一技術(shù)。該技術(shù)被主要地用于數(shù)據(jù)傳輸和感測(cè)應(yīng)用。粘合在窗戶上的具有汽車內(nèi)的拾取元件的汽車收音機(jī)天線是電容性耦合的示例。電容性耦合技術(shù)還用于電子設(shè)備的無接觸充電。針對(duì)這樣的應(yīng)用，充電單元(實(shí)施電容性耦合)在設(shè)備的固有諧振頻率之外的頻率下操作。
[0006]在相關(guān)領(lǐng)域中，還討論了使能LED照明的電容性功率傳輸電路。該電路是基于電源(驅(qū)動(dòng)器)中的電感器。照此，僅單個(gè)的接收器可被使用，并且發(fā)射器應(yīng)當(dāng)被調(diào)諧以傳輸最大的功率。在試圖設(shè)計(jì)具有多個(gè)接收器的系統(tǒng)時(shí)，這樣的系統(tǒng)將要求在接收器和發(fā)射器未被完美地對(duì)準(zhǔn)時(shí)確保來自接收器和發(fā)射器的功率傳輸?shù)南袼鼗碾姌O。然而，增大像素化電極的數(shù)量增大了到電極的連接的數(shù)量，由此增大功率損耗。如果沒有使用像素化電極，則調(diào)諧所有的接收器到同一諧振頻率將不是可行的。因此，當(dāng)僅具有單個(gè)接收器和有限尺寸的電極時(shí)，在相關(guān)領(lǐng)域中討論的電容性功率傳輸電路不能在大的面積(例如窗、墻等)上供應(yīng)功率。
[0007]設(shè)計(jì)用于大面積的低成本且高效率的無線功率傳輸系統(tǒng)中的另一挑戰(zhàn)涉及系統(tǒng)的發(fā)射器側(cè)和接收器側(cè)之間的絕緣體的電擊穿。為了提供低成本系統(tǒng)，利用低成本的非傳導(dǎo)材料作為絕緣層。然而，這樣的材料往往在相對(duì)低的擊穿電壓下電擊穿。通常，電擊穿指的是例如電線或絕緣層的絕緣體的擊穿，引起絕緣體變成導(dǎo)電的。電擊穿在引起絕緣體的至少一部分變成導(dǎo)電的最小電壓的擊穿電壓下發(fā)生。
[0008]為了保護(hù)電容性功率傳輸系統(tǒng)以防電擊穿，可以在絕緣層中利用對(duì)這樣的擊穿魯棒的(robust)非傳導(dǎo)材料。然而，這樣的材料成本顯著多于脆弱的(frail)材料。因此，針對(duì)被設(shè)計(jì)用于大面積表面上的功率傳輸?shù)碾娙菪怨β蕚鬏斚到y(tǒng)，整個(gè)表面(例如墻的表面)需要被覆蓋有魯棒材料以提供被保護(hù)以防電擊穿的絕緣層。然而，這樣的設(shè)計(jì)將顯著增大電容性功率傳輸系統(tǒng)的成本。
[0009]因此，將有利的是，提供低成本且可行的解決方案來保護(hù)被設(shè)計(jì)用于大面積的無線供電系統(tǒng)以防電擊穿。
[0010]本文公開的某些實(shí)施例包括一種用于保護(hù)電容性功率傳輸系統(tǒng)以防電擊穿的制品。該制品包括由第一類型的非傳導(dǎo)材料制成的非傳導(dǎo)層；以及由第二類型的非傳導(dǎo)材料制成的保護(hù)層，其中第二類型的非傳導(dǎo)材料的擊穿電壓高于第一類型的非傳導(dǎo)材料的擊穿電壓，其中保護(hù)層僅覆蓋非傳導(dǎo)層的一部分，其中非傳導(dǎo)層和保護(hù)層形成電容性功率傳輸系統(tǒng)的絕緣層。
[0011]本文公開的某些實(shí)施例還包括一種被設(shè)計(jì)成保護(hù)以防電容性功率傳輸系統(tǒng)中的電擊穿的制品。該制品包括由傳導(dǎo)材料制成的一對(duì)電極；由第一類型的非傳導(dǎo)材料制成的覆蓋該對(duì)電極的一側(cè)的非傳導(dǎo)層；以及由第二類型的非傳導(dǎo)材料制成的覆蓋該對(duì)電極的另一側(cè)的保護(hù)層，其中第二類型的非傳導(dǎo)材料的擊穿電壓高于第一類型的非傳導(dǎo)材料的擊穿電壓，其中非傳導(dǎo)層和保護(hù)層形成電容性功率傳輸系統(tǒng)的絕緣層。
[0012]本文公開的某些實(shí)施例還包括一種電容性供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括通過電感器連接到負(fù)載的一對(duì)接收器電極，其中該電感器耦合到負(fù)載以在串聯(lián)諧振頻率下使系統(tǒng)諧振；連接到驅(qū)動(dòng)器的一對(duì)發(fā)射器電極；以及包括由第一類型的非傳導(dǎo)材料制成的非傳導(dǎo)層和由第二類型的非傳導(dǎo)材料制成的保護(hù)層的絕緣層，其中第二類型的非傳導(dǎo)材料的擊穿電壓高于第一類型的非傳導(dǎo)材料的擊穿電壓，保護(hù)層僅覆蓋非傳導(dǎo)層的一部分，其中該對(duì)發(fā)射器電極和該對(duì)接收器電極被定位在絕緣層的相對(duì)側(cè)上，使得在該對(duì)發(fā)射器電極和該對(duì)接收器電極之間形成電容性阻抗，其中當(dāng)由驅(qū)動(dòng)器生成的功率信號(hào)的頻率與第一電感器和電容性阻抗的串聯(lián)諧振頻率匹配時(shí)，由驅(qū)動(dòng)器生成的功率信號(hào)被無線地從該對(duì)發(fā)射器電極傳輸?shù)皆搶?duì)接收器電極，而不引起系統(tǒng)中的電擊穿。
[0013]在說明書的結(jié)尾處的權(quán)利要求中特別地指出并且清楚地要求保護(hù)被認(rèn)為是本發(fā)明的主題。依據(jù)結(jié)合附圖的以下詳細(xì)描述，本發(fā)明的前述的和其它的特征以及優(yōu)點(diǎn)將是明顯的。
[0014]圖1是被用于描述本文公開的各個(gè)實(shí)施例的電容性功率傳輸系統(tǒng)的圖示。
[0015]圖2是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例構(gòu)造的絕緣層的橫截面圖。
[0016]圖3描繪了針對(duì)絕緣層的不同布置所測(cè)量的電流泄漏和擊穿電壓的示例性圖。
[0017]圖4是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的被設(shè)計(jì)成包括電擊穿保護(hù)層的電容性功率傳輸系統(tǒng)的接收器的圖示。
[0018]圖5是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的被設(shè)計(jì)成包括電擊穿保護(hù)層的電容性功率傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的圖不。
[0019]重要的是，注意實(shí)施例僅僅是本文的創(chuàng)新教導(dǎo)的許多有利的用途的示例。一般地，在本申請(qǐng)的說明書中做出的陳述并不必然限制各種所要求保護(hù)的發(fā)明中的任何發(fā)明。而且，一些陳述可以適用于一些發(fā)明的特征，但是不適用于其他的特征。一般地，除非另有聲明，單數(shù)元件可以是復(fù)數(shù)并且反之亦然，而不損失普遍性。在繪圖中，類似的數(shù)字意在指代若干個(gè)視圖中的類似的部件。
[0020]圖1示出被用于描述本文公開的各種實(shí)施例的電容性功率傳輸系統(tǒng)100的示意圖。系統(tǒng)100使能大面積功率傳輸。系統(tǒng)100可在大面積上傳輸功率，并且因此可被用于對(duì)安裝在墻、窗戶、鏡子、地板、座位、走廊等上的設(shè)備進(jìn)行供電。
[0021]系統(tǒng)100包括連接到一對(duì)發(fā)射器電極121、122的驅(qū)動(dòng)器110，該對(duì)發(fā)射器電極121,122附接到絕緣層130。系統(tǒng)100還包括連接到負(fù)載150和電感器160的一對(duì)接收器電極141和142?？蛇x地，系統(tǒng)100可包括耦合到驅(qū)動(dòng)器110的電感器112。
[0022]在某些配置中，發(fā)射器電極121、122到驅(qū)動(dòng)器110之間的連接是借助電流接觸(galvanic contact)。在另一實(shí)施例中，可以在驅(qū)動(dòng)器110和電極121、122之間應(yīng)用電容性內(nèi)親合(in-coupling)，由此不需要線連接。該實(shí)施例在用于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的容易延拓(extens1n)的模塊化基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中是有利的。
[0023]通過將接收器電極141、142靠近發(fā)射器電極121和122放置而不具有接收器和發(fā)射器電極之間的直接接觸，功率被供應(yīng)到負(fù)載150。因此，為了對(duì)負(fù)載150進(jìn)行供電，不要求機(jī)械連接或電氣接觸。負(fù)載150允許AC雙向電流流動(dòng)。負(fù)載150可以是但不限于照明元件(例如LED、LED串、燈等)、顯示器、計(jì)算機(jī)、充電器、揚(yáng)聲器等。在某些配置中，負(fù)載150可包括二極管或在本地生成DC電壓的AC/DC變換器