[发明专利]用于无线功率传输系统的多频率功率驱动器

说明书

本发明一般地涉及用于无线功率传输的电容式供电系统，并且更特别地涉及用于动态地调整此类系统的谐振频率的技术。

无线功率传输指的是没有任何导线或接触的电功率供应，由此，通过无线介质来执行电子设备的供电。用于无线（无接触）供电的一个普遍应用是用于对便携式电子设备、例如移动电话、膝上型计算机等的充电。

用于无线功率传输的一个实施方式是通过电感式供电系统。在此类系统中，电源（发射机）与设备（接收机）之间的电磁感应允许无线功率传输。发射机和接收机两者都装配有电线圈，并且当使其在物理上接近时，电信号从发射机流向接收机。

在电感式供电系统中，生成的磁场集中在线圈内。结果，到接收机拾取场的功率传输在空间上非常集中。这种现象在系统中产生限制系统效率的热点。为了改善功率传输的效率，需要用于每个线圈的高品质因数。为此，线圈应该用电感与电阻的最佳比来表征、由具有低电阻的材料构成，并且使用利兹线（Litze-wire）过程来制造以减少集肤效应。此外，应将线圈设计成满足复杂的几何结构以避免涡流。因此，高效的电感式供电系统需要昂贵的线圈。用于针对大面积的无接触功率传输系统的设计将使得许多昂贵的线圈成为必要。因此，对于此类应用而言，电感式供电系统可能是不可行的。

电容式耦合是用于无线地传输功率的另一技术。这种技术主要在数据传输和传感应用中使用。在汽车内部具有拾取元件的情况下粘在窗户上的汽车无线电天线是电容式耦合的示例。电容式耦合技术还被用于电子设备的无接触充电。对于此类应用而言，实现电容式耦合的充电单元在设备的固有谐振频率之外的频率下操作。

在相关技术中，还讨论了使得能够实现LED照明的电容式功率传输电路。此电路是基于电源（驱动器）中的电感器。同样地，可以仅使用单个接收机，并且应调谐发射机从而传输最大功率。另外，此类电路需要像素化电极，该像素化电极在接收机和发射机并未完美地对准时确保从接收机到发射机的功率传输。然而，增加像素化电极的数目增加到电极的连接数目，从而增加潜在功率损耗。因此，当仅具有单个接收机和有限尺寸的电极时，在相关技术中讨论的电容式功率传输电路不能在大面积（例如，窗户、墙壁等）上供应功率。

在图1中描绘了可以用来在具有扁平结构的大面积（例如，窗户、墙壁等）上传输功率的电容式功率传输系统100。系统100的典型布置包括连接到负载120和电感器130的一对接收机电极111、112。系统100还包括连接到功率驱动器150的一对发射机电极141、142，以及绝缘层160。

该对发射机电极141、142位于绝缘层160的一侧，并且接收机电极111、112位于绝缘层160的另一侧。此布置在该对发射机电极141、142与接收机电极111、112之间形成容抗。

功率驱动器150生成可以从发射机电极141、142无线地传输到接收机电极111、112以对负载120供电的功率信号。当功率信号的频率与系统100的串联谐振频率匹配时，无线功率传输的效率得以改善。系统100的串联谐振频率是电感器130和/或电感器131的电感值以及该对发射机电极141、142与接收机电极111、112（参见图1中的C1和C2）之间的容抗的函数。容抗和（多个）电感器在谐振频率下相互抵消，导致低欧姆电路。负载120可以是例如LED、LED串、灯、计算机、扩音器等。

在电容式功率传输系统中，当输入AC功率信号的频率与接收机处的谐振频率匹配时，功率信号被高效地传输。例如，在包括电感元件的电容式系统（诸如图1中所示的系统）中，（多个）电感器和容抗的谐振频率应当基本上与AC功率信号的频率匹配。

在某些配置中，电容式供电系统包括多个负载，其中的每一个被连接在不同的接收机中。在此类配置中，由不同负载消耗的功率及其相应接收机的谐振频率可彼此不同。结果，每个接收机的谐振频率可与相应功率信号的频率并不相同。