CN108736579A - 无线电能发射电路 - Google Patents

Abstract

公开了一种无线电能发射电路，通过在无线电能发射端的发射线圈上大致以并联或串联的方式连接一个或多个谐振支路，谐振支路的谐振频率被设定为可能产生的高频谐波电流的频率，由此，高频谐波电流可以被串联的谐振支路阻隔或被并联的谐振支路分流，不能进入到发射线圈。本公开的无线电能发射电路可以有效地抑制由于高频谐波电流导致的EMC传导干扰和辐射干扰。

Description

无线电能发射电路

技术领域

本公开涉及电力电子技术，具体涉及一种无线电能发射电路，更具体地，涉及一种用于磁共振型无线供电系统的无线电能发射电路。

背景技术

无线供电技术可以以无线方式在电子设备之间传输电能，因而广泛应用于消费电子产品和其它类型的电子产品中。无线供电技术通常通过发射侧线圈和接收侧线圈的相互电磁耦合来实现电能的无线传输。其中，磁共振型无线供电方法可以以无线方式向相距一定距离的接收端高效提供电能。在该方法中，电能发射端和电能接收端都配备有由线圈和电容组成的谐振电路，它允许电场和磁场在两个电路之间谐振，以无线传输电能。

如图1所示，现有的无线供电系统通常包括电能发射端1和电能接收端2。电能发射端包括逆变电路11和发射线圈12。发射线圈12可以等效为串联的补偿电容Cs和线圈电感Ls。补偿电容Cs可以通过线圈自身的寄生电容获得，也可以通过设置专门的补偿元件来获得。补偿电容Cs和线圈电感Ls形成谐振电路，在工作频率f0(例如A4WP标准的6.78MHz)谐振，从而与电能接收端2形成耦合。电能接收端2包括接收线圈21和整流电路22。接收线圈21可以等效为补偿电容Cd和线圈电感Ld。两者同样构成谐振电路在工作频率f0谐振，从而可与发射线圈耦合接收所传输的电能。在理想状态下，逆变电路11供应给发射线圈的电流Is为频率为工作频率f0的交流电。但是，实际中，逆变电路在进行直流-交流变换时，会产生高频谐波电流。这些高频谐波电流会叠加在流向发射线圈的电流Is上，并通过发射线圈12向外辐射，造成EMC辐射干扰，影响电能发射端和电能接收端的运行。

同时，如图2所示，在高频谐波电流流过发射线圈时，会生成对地的高频电压跳变。电压跳变通过发射线圈对地的寄生电容形成对大地的共模电流ICMi，i＝1,2,……,n。这会导致EMC传导干扰。

发明内容

有鉴于此，本公开提供一种无线电能发射电路，以屏蔽特定的一个或多个频率的谐波电流进入发射线圈，抑制EMC辐射干扰和传导干扰。

本公开的无线电能发射电路包括：

发射线圈，被配置为在预定的工作频率谐振以无线方式发射电能；

至少一个谐振支路，与所述发射线圈连接，被配置为在对应的屏蔽频率谐振以防止位于屏蔽频率的谐波信号通过所述发射线圈发射。

优选地，所述谐振支路包括：

至少一个第一谐振支路，每个所述第一谐振支路用于在对应的屏蔽频率短路包括所述发射线圈的后续电路。

优选地，所述谐振支路包括多个第一谐振支路；

其中，不同的第一谐振支路被配置为在不同的屏蔽频率谐振。

优选地，每个所述第一谐振支路与所述发射线圈并联；或者，

至少一个所述第一谐振支路与由所述发射线圈以及至少一个其它谐振支路构成的电路并联。

优选地，所述第一谐振支路包括相互串联的电感和电容。

优选地，所述谐振支路包括：

至少一个第二谐振支路，每个所述第二谐振支路用于阻隔位于对应屏蔽频率的电流流向包括所述发射线圈的后续电路。

优选地，所述谐振支路包括多个第二谐振支路；

其中，不同的第二谐振支路被配置为在不同的屏蔽频率谐振。

优选地，所述多个第二谐振支路相互串联。

优选地，至少一个所述第二谐振支路与由发射线圈以及至少一个其它谐振支路构成的电路串联。

优选地，所述第二谐振支路或由多个第二谐振支路相互串联形成的电路设置在所述发射线圈的电流通路上。

优选地，每个所述第二谐振支路包括相互并联的电感和电容。

优选地，所述无线电能发射电路还包括：

阻抗匹配网络，与所述发射线圈连接，包括电感和电容；

其中，所述第二谐振支路和所述阻抗匹配网络共用所述电感。

通过在无线电能发射端发射线圈上大致以并联或串联的方式连接一个或多个谐振支路，谐振支路的谐振频率被设定为可能产生的高频谐波电流的频率，由此，高频谐波电流可以被串联的谐振支路阻隔或被并联的谐振支路分流，不能进入到发射线圈。本公开的无线电能发射电路可以有效地抑制由于高频谐波电流导致的EMC传导干扰和辐射干扰。

附图说明

图1是现有技术的无线供电系统的电路框图；

图2是发射线圈中产生共模电流的原理图；

图3是本公开第一实施例的无线电能发射电路的电路框图；

图4是本公开第一实施例的无线电能发射电路的一个优选实施方式的电路图；

图5是本公开第一实施例的无线电能发射电路的另一个优选实施方式的电路图；

图6是本公开第二实施例的无线电能发射电路的电路框图；

图7是本公开第二实施例的无线电能发射电路的一个优选实施方式的电路图；

图8是本公开第二实施例的无线电能发射电路的另一个优选实施方式的电路图；

图9是本公开第三实施例的无线电能发射电路的电路框图；

图10是本公开第四实施例的无线电能发射电路的电路框图；

图11是本公开第五实施例的无线电能发射电路的电路框图；

图12是本公开第六实施例的无线电能发射电路的电路框图；

图13是本公开一种优选实施方式的电路图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的几个优选实施例进行详细描述，但本公开并不仅仅限于这些实施例。本公开涵盖任何在本公开的本质和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本公开有彻底的了解，在以下本公开优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本公开。

在权利要求中使用的术语“包括”不应当被解释为对其后所列装置的限制。它不排除其他元件或者步骤。因此，表述“一种器件包括装置A和B”的范围应当不限于只包括部件A和B的器件。它意味着针对本公开，该器件的相关部件是A和B。

此外，在本说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等用于在类似的元件之间进行区分，不一定用于描述顺序或者时序。应当理解，这样使用的术语在适当的情况下是可以互换的，并且在此描述的本公开的实施例能够在不同于在此描述或者说明的顺序下运行。

应当理解，当元件被称为与另一个元件“连接”或“耦接”时，它可以与另一个元件直接连接或耦接，或者可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为与另一个元件上“直接连接”、“直接耦接”时，不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其他词语应当用相同的方式进行理解(即，“...与...之间”与“...与...直接之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。

图3是本公开第一实施例的无线电能发射电路的电路框图。如图3所示，本实施例的无线电能发射电路包括发射线圈3和与发射线圈3并联的至少一个第一谐振支路4。其中，发射线圈3可以为基本位于一个平面内的螺线形导线或金属图案，其可以等效为补偿电容Cs和线圈电感Ls。两者组成谐振电路，在工作频率f0谐振，从而对外以无线方式发射电能。在本实施例中，第一谐振支路4为串联谐振电路，也即，包括相互串联的电感和电容。第一谐振支路4的谐振频率被设置为一个或多个屏蔽频率fx1-fxn。屏蔽频率fx1-fxn分别对应于希望屏蔽的不同频率的高频谐波电流Ix1-Ixn。屏蔽频率fx1-fxn可以在设计电路前通过实验检测获得。

图4是本实施例的无线电能发射电路的一个优选实施方式的电路图。其中，无线电能发射电路仅设置了一个第一谐振支路41，其连接在发射线圈3的两端，相对于逆变电路的输出端口与发射线圈3形成并联的关系。第一谐振支路41为串联谐振电路，包括串联的电感Lx和电容Cx。电感Lx和电容Cx的参数选择使得第一谐振支路41在对应的屏蔽频率fx谐振。对于频率为fx的谐波电流Ix，第一谐振支路41的串联阻抗为零，其将与其并联的发射线圈3短路。由此，电流Ix通过第一谐振支路41回流，而不会流向发射线圈3。流向发射线圈3的电流Is中的位于屏蔽频率fx的谐波电流Ix被滤除，进而不会造成EMC传导干扰和辐射干扰。同时，由于发射线圈3的谐振频率为工作频率f0，其相对于电流Is的阻抗为零或接近零，而谐振频率fx高于工作频率f0的第一谐振支路41对于电流Is呈现为高阻抗。因此，电流Is不会流入第一谐振支路41。第一谐振支路41不会对电流Is构成分流，不会影响发射线圈3正常对外发射电能。

进一步，造成EMC干扰的谐波信号通常会在多个频率上出现，因此，可以设置多个第一谐振支路41-4n，以在多个不同的屏蔽频率fx1-fxn分流谐波电流Ix1-Ixn。图5是本实施例的无线电能发射电路的另一个优选实施方式的电路图。如图5所示，多个第一谐振支路41-4n与发射线圈3并联，也即，多个第一谐振支路41-4n以相互并联方式连接在发射线圈3的两端。每个第一谐振支路4i对应于一个屏蔽频率fxi，在该频率谐振，从而第一谐振支路4i对具有对应的屏蔽频率fxi的谐波电流Ixi的阻抗为零，将与其并联的其它电路短路。由此，每个第一谐振支路41i可以分流对应的屏蔽频率上的谐波电流Ixi，进而使得位于多个屏蔽频率fx1-fxn上的谐波电流分量不会流向发射线圈3，进而抑制由于谐波信号导致的EMC传导干扰和辐射干扰。在图5中，第一谐振支路41-4n也均为串联谐振电路，每个第一谐振支路4i包括串联的电感Lxi和电容Cxi。通过设置电感Lxi和电容Cxi的参数，第一谐振支路4i的谐振频率可以得到设置或调节。

图6是本公开第二实施例的无线电能发射电路的电路框图。在本实施例中，在发射线圈3前设置并联谐振电路来对谐波信号进行阻隔。如图6所示，本实施例的无线电能发射电路包括发射线圈3和与无线发射线圈3串联的至少一个第二谐振支路5。其中，发射线圈3可以为基本位于一个平面内的螺线形导线或金属图案，其可以等效为补偿电容Cs和线圈电感Ls。两者组成谐振电路，在工作频率f0谐振，从而对外以无线方式发射电能。在本实施例中，第二谐振支路5为并联谐振电路，包括相互并联的电容和电感。第二谐振支路5的谐振频率被设置为一个或多个屏蔽频率fx1-fxn。屏蔽频率fx1-fxn分别对应于不同频率的高频谐波电流Ix1-Ixn。屏蔽频率fx1-fxn可以在设计电路前通过实验检测获得。

图7是本实施例的无线电能发射电路的电路图。其中，无线电能发射电路仅设置了一个第二谐振支路51。其连接在发射线圈3的电流通路上与发射线圈3形成串联关系。第二谐振支路51为并联谐振电路，包括并联的电感Lx和电容Cx。通过设置电感Lx和电容Cx的参数可以使得第二谐振支路51在对应的屏蔽频率fx谐振。对于频率为fx的谐波电流Ix，第二谐振支路51的阻抗为无穷大。谐波电流Ix会被第二谐振支路51阻隔而不能进入到后续电路中的发射线圈3。进而不会造成EMC传导干扰和辐射干扰。同时，由于设计者希望流入发射线圈的电流Is的频率为工作频率f0。工作频率f0低于屏蔽频率fx。电流Is经过第二谐振支路51时，电感Lx呈现为低阻抗，第二谐振支路51不会对该频率的电流构成阻隔，因此，不会影响发射线圈3正常向外发射电能。

进一步，造成EMC干扰的谐波信号通常会在多个频率上出现，因此，可以设置多个第二谐振支路51-5n，以在多个不同的屏蔽频率fx1-fxn阻隔谐波电流Ix1-Ixn。图8是本实施例的无线电能发射电路的另一个优选实施方式的电路图。如图8所示，多个第二谐振支路51-5n相互串联。串联后形成的电路连接在发射线圈3的电流通路上。每个第二谐振支路5i对应于一个屏蔽频率fxi，在该频率谐振。第二谐振支路5i对具有对应屏蔽频率fxi的谐波电流Ixi的阻抗为无穷大。谐波电流Ixi被第二谐振支路5i阻隔不能进入发射线圈3。相互并联的第二谐振支路51-5n分别对应多个不同的屏蔽频率fx1-fxn，从而阻隔对应频率的谐波电流Ix1-Ixn进入发射线圈3，抑制谐波信号导致的EMC传导干扰和辐射干扰。在图8中，第二谐振支路51-5n也均为并联谐振电路，每个第二谐振支路5i包括并联的电感Lxi和电容Cxi。通过设置电感Lxi和电容Cxi的参数，第二谐振支路5i的谐振频率可以得到设置或调节。

同时，第一谐振支路和第二谐振支路可以同时应用于本公开的无线电能发射电路，以更好地抑制谐波信号进入发射线圈。

图9是本公开第三实施例的无线电能发射电路的电路框图。如图9所示，在本实施例中，无线电能发射电路包括发射线圈3、与发射线圈3并联的至少一个第一谐振支路4，以及连接在发射线圈3和第一谐振支路4组成的电路的电流通路上的至少一个第二谐振支路5。在存在多个第一谐振支路时，第一谐振支路之间相互并联。在存在多个第二谐振支路时，第二谐振支路之间相互串联。第一谐振支路4的谐振频率被设置为屏蔽频率，第二谐振支路5的谐振频率也被设置为屏蔽频率。由此，每个第一谐振支路4对于具有对应屏蔽频率的电流呈现为零阻抗，每个第二谐振支路5对于具有对应屏蔽频率的电流呈现为高阻抗。由此，第一谐振支路4对具有对应的屏蔽频率的谐波电流Ix进行分流，第二谐振支路5对具有对应的屏蔽频率的谐波电流Ix进行阻隔，从而阻止不期望进入发射线圈的谐波电流进入发射线圈，抑制EMC传导干扰和辐射干扰。在本实施例中，第一谐振支路4可以设置为一个或多个，第二谐振支路5也可以设置一个或多个。两者的数量可以相同，也可以不同。在设置为多个时，多个第一谐振支路4对应的屏蔽频率和多个第二谐振支路5对应的屏蔽频率可以完全相同。例如，设置n个第一谐振支路4和n个第二谐振支路5，n个第一谐振支路4分别对应屏蔽频率fx1-fxn,n个第二谐振支路5也分别对应谐振频率fx1-fxn。由此，可以通过双重阻隔的方式来抑制谐波信号。可选地，多个第一谐振支路4对应的屏蔽频率和多个第二谐振支路5对应的屏蔽频率也可以完全不相同。例如，设置n个第一谐振支路4和m个第二谐振支路5，n个第一谐振支路4对应屏蔽频率fx1-fxn,m个第二谐振支路5对应谐振频率fxn+1-fxn+m。由此，通过两种不同方式的谐振支路覆盖更多的屏蔽频率。可选地，多个第一谐振支路4对应的屏蔽频率和多个第二谐振支路5对应的屏蔽频率也可以部分相同。例如，设置n个第一谐振支路4和m个第二谐振支路5，n个第一谐振支路4对应屏蔽频率fx1-fxn,m个第二谐振支路5对应谐振频率fxn-5-fxn+m-5。也即，有5个第一谐振支路4和5个第二谐振支路5的谐振频率是对应的。

容易理解，在同时应用第一谐振支路4和第二谐振支路5时，其连接关系并不限于第二谐振支路5更靠近发射线圈的输入端口的连接方式。

图10是本公开第四实施例的无线电能发射电路的电路框图。如图10所示，本实施例的无线电能发射电路包括发射线圈3，与发射线圈3串联的第二谐振支路5，以及至少一个第一谐振电路4。第一谐振支路4与由发射线圈3和第二谐振支路5组成电路并联。也即，第一谐振支路4连接在由发射线圈3和第二谐振支路5组成电路输入端口上。由此，流向发射线圈的电流中的谐波电流一部分先由第一谐振支路4分流，另一部分被后续电路中的第二谐振支路5阻隔，从而不能进入发射线圈对外辐射或传导。

图11是本公开第五实施例的无线电能发射电路的电路框图。如图11所示，本实施例的无线电能发射电路包括发射线圈3、至少一个第一谐振支路4和多个第二谐振支路5和5’。一部分第二谐振支路5相互串联后连接在发射线圈3的电流通路上。第一谐振支路4与由一部分第二谐振支路5和发射线圈3组成的电路并联。也即，连接在由一部分第二谐振支路5和发射线圈3组成的电路的输入端口上。另一部分第二谐振支路5’串联在上述部件组成电路的电流通路上。由此，第一谐振支路4和第二谐振支路5、5’在发射线圈3之前形成一个“T”形的谐波抑制网络，从而通过不同的方式抑制不期望的谐波信号进入发射线圈3，进而达到抑制EMC传导干扰和辐射干扰的目的。

图12是本公开第六实施例的无线电能发射电路的电路框图。如图12所示，本实施例的无线电能发射电路包括发射线圈3、至少一个第二谐振支路5和多个第一谐振支路4和4’。一部分第一谐振支路4与发射线圈3并联。第二谐振支路5串联后与由第一谐振支路4和发射线圈3组成的电路串联。也即，连接在由第一谐振支路4和发射线圈3组成的电路的电流通路上。另一部分第一谐振支路4与由上述部件组成的电路并联。也即，连接在由上述各部件组成电路的输入端口上。由此，第一谐振支路4、4’和第二谐振支路5在发射线圈3之前形成一个“π”形的谐波抑制网络，从而通过不同的方式抑制不期望的谐波信号进入发射线圈3，进而达到抑制EMC传导干扰和辐射干扰的作用。

应理解，本领域技术人员可以根据图9-图12所示的实施例对本公开的方案进行进一步修改，通过将第一谐振支路4和第二谐振路5的连接方式进行组合，形成具有更加复杂结构的谐波抑制网络。

图13是本公开一个优选实施方式的电路图。如图13所示，在一部分无线电能发射端中，在逆变电路和发射线圈3之间设置有阻抗匹配网络6。阻抗匹配网络6的作用是对于具有工作频率f0的交流信号提供阻抗匹配，以实现发射线圈恒流。阻抗匹配网络5同时还可以作为逆变器的软开关辅助逆变器工作。如图13所示，阻抗匹配网络包括串联在发射线圈3电流通路上的电感Lc和与发射线圈3并联的电容Cc。对于设置有阻抗匹配网络6的无线电能发射电路，可以使得第二谐振支路与阻抗匹配网络6共用电感Lc。也即，通过在电感Lc两端并联电容Cx，使得电感Lc和电容Cx构成第二谐振支路，对对应屏蔽频率的谐波电流进行阻隔。通过调节电容Cx的参数，可以调节电感Lc和电容Cx构成第二谐振支路的谐振频率，从而调节屏蔽频率。由于电感元件的体积通常较大，本优选实施方式通过共用电感，可以有效减少电路期间数量，减小电路体积，在支持恒流输出的同时抑制谐波信号导致的EMC传导干扰和辐射干扰。

通过在无线电能发射端的发射线圈上大致以并联或串联的方式连接一个或多个谐振支路，谐振支路的谐振频率被设定为可能产生的高频谐波电流的频率，由此，高频谐波电流可以被串联的谐振支路阻隔或被并联的谐振支路分流，不能进入到发射线圈。本公开的无线电能发射电路可以有效地抑制由于高频谐波电流导致的EMC传导干扰和辐射干扰。

以上描述是本公开实施例的描述。在不脱离本公开的范围的情况下，可以实现各种变更和改变。本公开是出于说明性目的提出的，并且不应被解释为本公开的所有实施例的排他性描述，或使本公开的范围局限于结合这些实施例所说明和所描述的特定元件。在没有限制的情况下，可以用提供基本上类似功能或以其他方式提供充分操作的替换元件来代替所描述的发明的任何一个或多个单独元件。这包括目前已知的替换元件，诸如本领域的技术人员当前可能已知的那些，以及可能在未来开发的替换元件，诸如本领域的技术人员在开发时可能承认为替换的那些。

Claims (12)

1.一种无线电能发射电路，包括：

发射线圈，被配置为在预定的工作频率谐振以无线方式发射电能；

至少一个谐振支路，与所述发射线圈连接，被配置为在对应的屏蔽频率谐振以防止位于屏蔽频率的谐波信号通过所述发射线圈发射。

2.根据权利要求1所述的无线电能发射电路，其特征在于，所述谐振支路包括：

至少一个第一谐振支路，每个所述第一谐振支路用于在对应的屏蔽频率短路包括所述发射线圈的后续电路。

3.根据权利要求2所述的无线电能发射电路，其特征在于，所述谐振支路包括多个第一谐振支路；

其中，不同的第一谐振支路被配置为在不同的屏蔽频率谐振。

4.根据权利要求2所述的无线电能发射电路，其特征在于，每个所述第一谐振支路与所述发射线圈并联；或者，

至少一个所述第一谐振支路与由所述发射线圈以及至少一个其它谐振支路构成的电路并联。

5.根据权利要求2所述的无线电能发射电路，其特征在于，所述第一谐振支路包括相互串联的电感和电容。

6.根据权利要求1或2所述的无线电能发射电路，其特征在于，所述谐振支路包括：

至少一个第二谐振支路，每个所述第二谐振支路用于阻隔位于对应屏蔽频率的电流流向包括所述发射线圈的后续电路。

7.根据权利要求6所述的无线电能发射电路，其特征在于，所述谐振支路包括多个第二谐振支路；

其中，不同的第二谐振支路被配置为在不同的屏蔽频率谐振。

8.根据权利要求7所述的无线电能发射电路，其特征在于，所述多个第二谐振支路相互串联。

9.根据权利要求6所述的无线电能发射电路，其特征在于，至少一个所述第二谐振支路与由发射线圈以及至少一个其它谐振支路构成的电路串联。

10.根据权利要求6或7所述的无线电能发射电路，其特征在于，所述第二谐振支路或由多个第二谐振支路相互串联形成的电路设置在所述发射线圈的电流通路上。

11.根据权利要求6所述的无线电能发射电路，其特征在于，每个所述第二谐振支路包括相互并联的电感和电容。

12.根据权利要求6所述的无线电能发射电路，其特征在于，所述无线电能发射电路还包括：

阻抗匹配网络，与所述发射线圈连接，包括电感和电容；

其中，所述第二谐振支路和所述阻抗匹配网络共用所述电感。