TW201405995A - 感應輸電設備及非接觸式感應輸電系統 - Google Patents

Abstract

一種感應輸電設備，適用於供電至一負載，且包含一個提供一電磁場的一次側線圈及一非接觸式感應輸電系統。該非接觸式感應輸電系統包括一相位偵測線圈、一諧振電路及一控制電路。該相位偵測線圈感應該電磁場產生一偵測電壓。該諧振電路具有一可調整電抗值並感應該電磁場產生一交流電壓以供電至該負載。該控制電路具有一切換式控制器及一操作區間辨識器。該切換式控制器具有二個控制單元，分別操作於一低調整或一過調整區間，以控制該可調整電抗值。該操作區間辨識器根據該偵測電壓與該交流電壓的相位差決定觸發那一控制單元。

Description

感應輸電設備及非接觸式感應輸電系統

本發明是有關於一種設備及系統，特別是指一種感應輸電設備及非接觸式感應輸電系統。

感應輸電系統(Inductively coupled power transfer system)，因可非接觸式的傳輸電力，而取代了部分傳統接觸導電式輸電系統以避免接線，由於電力需求並非一直維持固定，當負載降低時多餘的電力會造成電壓不穩，因此需要一套控制系統以在不同的負載條件下維持相同的輸出電壓。

如圖1所示，當一共振電路的電容值變化時，輸出電壓的變化趨勢為一鐘形的曲線。圖中亦顯示出不同Q值(Quality factor)之下的曲線。其中，在電壓曲線的最高點，稱為完全調整(fully-tuned)，以完全調整分界，減小電容值的區域表示操作在低調整(under-tuned)，增加電容值的區域表示操作在過調整(over-tuned)。

於美國專利US 20070109708中，提出一種習知的感應輸電系統，該感應輸電系統之電容值可調整，藉由調整該電容值而可控制該輸出電壓的位準。

但是習知的感應輸電系統的缺點為：

1.只使用一個比例積分控制器(PI controller)，只能控制輸出電壓隨電容遞增或輸出電壓隨電容遞減，為了使該電壓維持在一預設值，只能於低調整或過調整兩種狀態中 擇一操作。

2.同時操作點不能接近完全調整，在靠近完全調整時，電壓值隨著電容值劇烈變化，可能發生意外跨越不同的調整區間而造成所調整的電容值單方向發散導致失控。

3.又因為操作點不能接近完全調整，也不適用於操作在需要高輸出電壓的重載。

因此，本發明之目的，即在提供一種可以全範圍調整的電感式輸電系統。

於是，本發明感應輸電設備，適用於供電至一負載，且包含一個一次側線圈及一非接觸式感應輸電系統。

該一次側線圈根據一交流電流產生一電磁場。該非接觸式感應輸電系統包括一相位偵測線圈、一諧振電路及一控制電路。

該相位偵測線圈根據該電磁場的感應產生一偵測電壓。

該諧振電路具有一可調整電抗值而可調整本身的共振頻率，並根據該電磁場的感應與該可調整電抗產生一交流電壓，以供應一相關於該交流電壓的輸出電壓至該負載。該交流電壓相對於該偵測電壓具有一相位差，該相位差隨該可調整電抗值變化。

該控制電路具有一切換式控制器及一操作區間辨識器。

該切換式控制器具有二個控制單元，該二個控制單元 分別電連接於該負載以得知跨於該負載的該輸出電壓，並可分別受觸發以對應操作於一該輸出電壓隨共振頻率單調遞減的低調整區間及該輸出電壓隨共振頻率單調遞增的一過調整區間，來產生一相關於該輸出電壓的調整資訊，以作為改變該可調整電抗值的根據。

該操作區間辨識器電連接於該相位偵測線圈以得知該偵測電壓，電連接於該諧振電路以得知該交流電壓，並根據該偵測電壓與該交流電壓的相位差產生一操作區間指示信號，以決定觸發那一控制單元。

本發明之功效在於利用該操作區間辨識器確認目前的調整區間，並啟動相對應的控制單元，以達成全範圍調整的目的。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之四個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖2，本發明感應輸電設備之第一較佳實施例適用於供電至一負載3，且包含一個一次側線圈1及一非接觸式感應輸電系統2。

該一次側線圈1根據一交流電流I_P產生一電磁場。該非接觸式感應輸電系統2且包含一相位偵測線圈4、一諧振電路5及一控制電路6。

該相位偵測線圈4根據該電磁場的感應產生一偵測電壓V_ph1。

該諧振電路5具有一可調整電抗值，並根據該電磁場的感應與該可調整電抗產生一交流電壓V_AC，以供應一相關於該交流電壓V_AC的輸出電壓至該負載3，該交流電壓V_AC相對於該偵測電壓V_ph1具有一相位差，該相位差隨該可調整電抗值變化。該諧振電路5包括一個二次側線圈51及一可調式電容組52。

該二次側線圈51具有一線圈電感Ls，理論上，若使該二次側線圈51處於開迴路，其二端感應該電磁場時所產生一開迴路電壓V_OC的相位將等同該偵測電壓V_ph1的相位。一般而言，直接對該二次側線圈51偵測其開迴路電壓V_OC的相位有技術上的困難，因此，利用該相位偵測線圈4進行間接的偵測。

該可調電容組52電連接於該二次側線圈51的二端之間，且具有一第一電容C_S1、一第二電容C_S2及一切換開關SW。該第二電容C_S2及該切換開關SW串聯，該第一電容C_S1並聯於該第二電容C_S2及該切換開關SW。該切換開關SW受控調整該第二電容C_S2的充電電流以調整該可調電容組的有效電容值，該切換開關SW具有二電晶體Q₁、Q₂，該二電晶體Q₁、Q₂受控制電路控制而切換於導通或不導通。

該第一電晶體Q₁具有一電連接於該第二電容C_S2的第一端、一第二端、一控制端，及一寄生二極體D₁，且該寄 生二極體D₁具有一電連接於該第一電晶體Q₁之第一端的陰極及一電連接於該第一電晶體Q₁之第二端的陽極。

該第二電晶體Q₂具有一電連接於該第一電容C_S1的第一端、一電連接於該第一電晶體之第二端的第二端、一控制端，及一寄生二極體D₂，且該寄生二極體D₂具有一電連接於該第二電晶體Q₂之第一端的陰極及一電連接於該第二電晶體Q₂之第二端的陽極。

在本實施例中，該等電晶體Q₁、Q₂是P型金氧半場效電晶體且其第一端是汲極、第二端是源極、控制端是閘極。

如前所述，該交流電壓V_AC是相關於該諧振電路5的頻率響應，調整該可調式電容組52將改變交流電壓V_AC。該第二電容C_S2及切換開關SW產生的有效電容值可在零到該第二電容C_S2之間變動，其有效電容值的變化範圍須能夠涵蓋三個控制區間。該第一電容C_S1用於提供一基本的電容值，使得交流電壓V_AC維持在一合理的範圍。

當負載3為交流時，可由該諧振電路5直接輸出交流供電電壓V_AC至該負載3。本較佳實施例以直流負載為例說明，當負載3為直流時，該諧振電路5還包括一輸出整流器53。該輸出整流器53電連接該諧振電路5及該負載3，用於接收該交流電壓V_AC，將其整流並濾波後，輸出一直流電壓V_L至該負載3。

參閱圖1，調整該諧振電路5的可調整電抗值時，等於調整該諧振電路5的共振頻率。該輸出電壓對共振頻率的 變化曲線為一鐘形，在電壓曲線的最高點，稱為完全調整(fully-tuned)，以完全調整分界，減小有效電容值(共振頻率增加)的區域為低調整(under-tuned)，增加有效電容值(共振頻率減小)的區域為過調整(over-tuned)。

為了能操作於低調整、完全調整及過調整的區間，須要辨別目前所操作的調整區間。理論上，該諧振電路5的電抗值使得交流電壓V_AC和開迴路電壓V_OC間存在一相位差。圖3所示為交流電壓V_AC和開迴路電壓V_OC間的相位差對該共振頻率的變化趨勢。其中，當交流電壓V_AC的相位落後開迴路電壓V_OC的相位小於、等於及大於90度時，分別對應操作於低調整、完全調整及過調整。因此，藉由兩者的相位差90度做為分界，即可判斷目前所操作的調整區間。

參閱圖2，該控制電路6包括一切換式控制器61、一操作區間辨識器62及一閘極控制器63。

參閱圖6，該切換式控制器61具有二個控制單元611、612、一選擇開關613及一輸出單元614，該二個控制單元611、612分別電連接於該負載3以得知跨於該負載3的該輸出電壓，並可分別受觸發以對應操作於一低調整區間或一過調整區間，來產生一相關於該輸出電壓的調整資訊，以作為改變該可調整電抗值的根據。

參閱圖4及圖5，該操作區間辨識器62電連接於該相位偵測線圈4以得知該偵測電壓V_ph1，電連接於該諧振電路5以得知該交流電壓V_AC，並根據該偵測電壓V_ph1與該 交流電壓V_AC的相位差產生一操作區間指示信號TRI，以決定觸發那一控制單元611或612，且該操作區間辨識器62包括一運算裝置627及一辨識裝置626。

該運算裝置627電連接該相位偵測線圈及諧振電路以接收該偵測電壓V_ph1及交流電壓V_AC，並據此進行運算產生一邏輯運算信號，該邏輯運算信號的責任導通比相關於該偵測電壓及交流電壓的相位差。該運算裝置627具有一第一比較單元621、一第二比較單元622及一及邏輯閘(AND gate)623。

該第一及第二比較單元621、622分別電連接該相位偵測線圈4及諧振電路5，以分別接收該偵測電壓V_ph1及交流電壓V_AC，並和零電壓比較，分別產生邏輯形式的一第一相位信號及一第二相位信號。

該及邏輯閘623電連接該第一及第二比較單元621、622以接收該第一及第二相位信號並做運算，產生一邏輯運算信號，該邏輯運算信號的責任導通比是相反於該相位差。當該第一及第二相位信號同時為邏輯1，該邏輯運算信號為1，其餘為0。該邏輯運算信號和該等相位信號及該偵測電壓V_ph1的周期是相同的，亦相等於整個電感式輸電系統的交流電頻率。該邏輯運算信號具有一責任導通比為0%~50%之間，代表該第二相位信號落後該第一相位信號180度到0度之間。

該第一及第二比較單元621、622僅做為信號轉換用，亦可省略，將該及邏輯閘623直接電連接該相位偵測線圈4 及諧振電路5，以接收該偵測電壓V_ph1及交流電壓V_AC並做運算產生如上述的邏輯運算信號。

該辨識裝置626電連接該及邏輯閘623以接收該邏輯運算信號，並儲存有一代表90度相位差(開迴路電壓V_OC和交流供電電壓V_AC間)的參考信號，將該邏輯運算信號和參考信號比較以判斷操作區間。

該辨識裝置626可為一數位信號處理器，也可以用電路實現，例如：該辨識裝置626具有一低通濾波單元624及一第三比較單元625。該低通濾波單元624電連接該及邏輯閘623以接收該邏輯運算信號並將其平均後，輸出一直流的指示信號DCTRI。該指示信號DCTRI的值為該邏輯運算信號的平均，例如當該邏輯運算信號的責任導通比為30%，以5V代表邏輯1，則該指示信號DCTRI的值為1.5V。

該第三比較單元625電連接該低通濾波單元624以接收該指示信號DCTRI，並和參考信號比較，產生一操作區間指示信號TRI。該操作區間指示信號TRI為邏輯1時表示操作於低調整，為邏輯0時表示操作於過調整。該參考信號可由外部提供一大小為0.25乘上邏輯1電壓值的電壓輸入該第三比較單元625。

參閱圖6，在此進一步說明，該操作區間辨識器62如何根據操作區間指示信號TRI來控制該二控制單元611、612，該二控制單元611、612因參數的設定，其中之一僅能操作於該輸出電壓隨共振頻率單調遞減的低調整區間而稱 為低調整控制單元612，另一僅能操作於該輸出電壓隨共振頻率單調遞增的過調整區間而稱為過調整控制單元611。該低調整控制單元612及該過調整控制單元611可採用一般的比例積分控制。

該低調整控制單元612及該過調整控制單元611儲存一負載電壓預設值，並分別電連接該負載3及該第三比較單元625以分別接收該直流電壓V_L及該操作區間指示信號TRI。當該操作區間指示信號TRI為邏輯1時，則該低調整控制單元612啟動並以該直流電壓V_L為回授信號和負載電壓預設值比較及運算而輸出一控制信號UU。控制信號UU的大小控制該二電晶體Q1、Q2的導通時間，當控制信號UU越大，導通時間越短，則可調電容組52的有效電容值越小，在低調整區間使得該直流電壓V_L越小。

當該操作區間指示信號TRI為邏輯0時，則該過調整控制單元611啟動並以該直流電壓V_L為回授信號和負載電壓預設值比較及運算而輸出一控制信號UO。控制信號UO的大小控制該二電晶體Q1、Q2的導通時間，當控制信號UO越大，導通時間越短，則可調電容組52的有效電容值越小，在過調整區間使得該直流電壓V_L越大。

該選擇開關613電連接該低調整控制單元612及過調整控制單元611以接收控制信號UU及UO，並電連接該第三比較單元625以接收該操作區間指示信號TRI，受該操作區間指示信號TRI的控制而切換以選擇接收控制信號UU及UO其中之一，當該操作區間指示信號TRI為邏輯1時，選 擇接收控制信號UU，當該操作區間指示信號TRI為邏輯0時，選擇接收控制信號UO，並據此輸出一控制信號U。

於本較佳實施例中控制單元611、612的回授信號為該直流電壓V_L。當負載3為交流電時，則以該負載交流電壓的振幅值做為回授信號。

該輸出單元614電連接該選擇開關613以接收該控制信號U，並乘上一倍數GO後產生大小相等、正負相反的一第一直流控制信號V_DC1及一第二直流控制信號V_DC2，以作為改變該可調整電抗值的根據。其關係式如下：V _DC1=-V _DC2=GO．U

於本較佳實施例中，該二電晶體Q1、Q2為MOS電晶體，當電晶體從不導通切換為導通時的有限電阻，將產生功率損耗，較佳地，可採用零電壓切換(Zero Voltage Switching)技術，意即只有當跨過該可調電容組52的交流電壓V_AC為0時，才將該二電晶體Q1、Q2切換為導通。

參閱圖2及圖7，該閘極控制器63電連接該輸出單元614以接收該第一直流控制信號V_DC1及第二直流控制信號V_DC2，並電連接該諧振電路5以接收該交流電壓V_AC。該閘極控制器63先將該交流電壓V_AC轉換為一方波，該方波在該交流電壓V_AC大於0時為一正值，在該交流電壓V_AC小於0時為一負值，再將該方波轉換為一對零點對稱的三角波。該閘極控制器63根據該方波、三角波、該第一直流控制信號V_DC1及第二直流控制信號V_DC2進行運算產生一第一閘極控制信號V_Q1及一第二閘極控制信號V_Q2。前述二電晶 體Q1、Q2的閘極電連接閘極控制器63以分別接收該第一閘極控制信號V_Q1及第二閘極控制信號V_Q2。該第一閘極控制信號V_Q1在方波為正值且該第一直流控制信號V_DC1大於該三角波的期間控制該電晶體之一Q1不導通，其餘時間導通。該第二閘極控制信號V_Q2在方波為負值且該第二直流控制信號V_DC2小於該三角波的期間控制該另一電晶體Q2不導通，其餘時間導通。

該方波於該交流電壓V_AC為0時切換為正值或負值，因此保證該二電晶體Q1、Q2於電壓零點切換為導通。該三角波用來做為一參考信號，和該第一直流控制信號V_DC1及第二直流控制信號V_DC2做比較。該第一直流控制信號V_DC1及第二直流控制信號V_DC2的絕對值越小，該二電晶體Q1、Q2的導通時間越長，該第二電容C_S2充電時間越長，可調電容組52的有效電容值也越大。

由於採用數位類比轉換，現有的微控制器輸出信號時解析度有限。當Q值越高，電壓值對於有效電容值的變化就越敏感(參閱圖1)，此時該切換式控制器61及閘極控制器63的解析度對於電壓的控制就有很大的影響。

為解決此問題，本較佳實施例還可對有效電容值微調。參閱圖9，微調的做法，是針對原本的第二電容C_S2及切換開關SW增加並聯至少一個以上的微調電容C_f及切換開關SW。該等切換開關SW皆電連接該閘極控制器63以接受控制。而該微調電容C_f的電容值小於該第二電容C_S2，以在同樣的控制器控制切換開關時，能更精細的調整可調電 容組的有效電容值。

該控制電路6還執行一控制方法判斷是否需要微調。如圖8所示，該控制方法包含以下步驟：

步驟71：將該輸出電壓和負載電壓預設值相減以得到一誤差值。

步驟72：判斷該誤差值是否大於一臨界值。

步驟73：如果該誤差值小於臨界值，則進行微調。

步驟74：如果該誤差值大於臨界值，則判斷該輸出電壓是否處於一周期性震盪狀態中。

步驟75：如果該輸出電壓是處於一周期性震盪狀態中，表示該控制信號U已經達到解析度所能控制的極限，無法調整至精確的電壓值而不斷振盪，因此進行微調。

步驟76：如果該輸出電壓不是處於一周期性震盪狀態中，則進行粗調(僅調整原本的第二電容C_S2)。

於微調及粗調後，再重新進行步驟71。

參閱圖10及圖11，本發明感應輸電設備之第二較佳實施例與第一較佳實施例的差別在於：本第二較佳實施例藉由調整電感的方式以調整諧振電路5的可調整電抗值。

此時，該可調電容組52具有一第一電容C_S1、一第一電感L_S1及一切換開關SW。該第一電感L_S1及該切換開關SW串聯，該第一電容C_S1並聯於該第一電感L_S1及該切換開關SW。該切換開關SW受控調整該第一電感L_S1的電感電流以調整該可調電容組52的有效電容值，該切換開關SW具有二電晶體Q₁、Q₂，該二電晶體Q₁、Q₂受控制電路 控制而切換於導通或不導通。該第一電感L_S1和第一電容C_S1的電抗值正負相反，需選擇適當的值使該可調電容組52的有效電容值變化範圍須能夠涵蓋三個控制區間。該輸出電壓對共振頻率的變化曲線如圖3所示。

該切換開關SW採用類似於該第一較佳實施例的控制方式，不同之處在於：該二電晶體Q₁、Q₂從導通切換為不導通時，可採用零電流切換，以避免切換損失(switching loss)。因此本較佳實施例還包含一電流偵測器521，用於偵測流過該第一電感L_S1的電感電流，據此產生一電流偵測信號。該閘極控制器63電連接該電流偵測器521以接收該電流偵測信號並轉換為一方波並進行控制，以保證該二電晶體Q₁、Q₂於電流為零時切換為不導通。

當需要微調時，採用一微調電抗器(可為電感或電容，於本第二較佳實施例中使用一微調電感較佳)搭配切換開關SW以進行如前所述的微調步驟。

參閱圖14，本發明感應輸電設備之第三較佳實施例與第一較佳實施例的差別在於：第一較佳實施例的諧振電路5為二次側線圈51及可調式電容組52並聯共振，第三較佳實施例則為串聯共振。此時，該可調式電容組52與該二次側線圈51串聯，且具有如上述的一第一電容C_S1、一第二電容C_S2及一切換開關SW。

參閱圖12，當調整該諧振電路5的共振頻率時，輸出電壓對共振頻率的變化曲線仍為一鐘形。共振頻率等於供電頻率時的電壓最高，有效電容值小(共振頻率高)的區 域為低調整，有效電容值高(共振頻率低)的區域為過調整。

圖13所示為串聯共振下，交流電壓V_AC和開迴路電壓V_OC間的相位差對該共振頻率的變化趨勢。其中，當交流電壓V_AC的相位領先、等於及落後開迴路電壓V_OC的相位時，分別對應操作於低調整、完全調整及過調整。因此，藉由兩者的相位差0度做為分界，即可判斷目前所操作的調整區間。該辨識裝置626儲存有一代表0度相位差的參考信號，其餘控制方式與第一較佳實施例相同。

參閱圖15，本發明感應輸電設備之第四較佳實施例與第二較佳實施例的差別在於：第二較佳實施例採用並聯共振，第四較佳實施例則為串聯共振，其控制方式與上述類似。

綜上所述，上述實施例具有以下優點：

1.因為可調電容值範圍涵蓋低調整、完全調整及過調整等三個區間，且使用二個分別操作於低調整、過調整兩種狀態下的控制單元，且根據相位差判斷目前非接觸式感應輸電系統是在低調整、過調整哪一狀態，因此，即使跨越不同的調整區間，也不會造成所調整的有效電容值單方向發散。

2.藉由微調，能跨越低調整區與過調整區間調整有效電容值以逼近完全調整，適用於需要高輸出電壓的重載。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

C_S1‧‧‧第一電容

C_S2‧‧‧第二電容

C_f‧‧‧微調電容

D1、D2‧‧‧寄生二極體

DCTRI‧‧‧指示信號

I_P‧‧‧交流電流

Ls‧‧‧線圈電感

Q1、Q2‧‧‧電晶體

SW‧‧‧切換開關

TRI‧‧‧操作區間指示信號

U‧‧‧控制信號

UU‧‧‧控制信號

UO‧‧‧控制信號

V_AC‧‧‧交流電壓

V_OC‧‧‧開迴路電壓

V_ph1‧‧‧偵測電壓

V_DC1‧‧‧第一直流控制信號

V_DC2‧‧‧第二直流控制信號

V_Q1‧‧‧第一閘極控制信號

V_Q2‧‧‧第二閘極控制信號

1‧‧‧一次側線圈

2‧‧‧非接觸式感應輸電系統

3‧‧‧負載

4‧‧‧相位偵測線圈

5‧‧‧諧振電路

51‧‧‧二次側線圈

52‧‧‧可調式電容組

521‧‧‧電流偵測器

53‧‧‧輸出整流器

6‧‧‧控制電路

61‧‧‧切換式控制器

611‧‧‧控制單元

612‧‧‧控制單元

613‧‧‧選擇開關

614‧‧‧輸出單元

62‧‧‧操作區間辨識器

621‧‧‧第一比較單元

622‧‧‧第二比較單元

623‧‧‧及邏輯閘

624‧‧‧低通濾波單元

625‧‧‧第三比較單元

626‧‧‧辨識裝置

627‧‧‧運算裝置

63‧‧‧閘極控制器

71~76‧‧‧微調的步驟

圖1是習知一諧振電路的一輸出電壓隨一有效電容值變化的示意圖；圖2是本發明感應輸電設備之第一較佳實施例的電路圖；圖3是本第一較佳實施例的一交流電壓和一開迴路電壓間的相位差隨該有效電容值變化的示意圖；圖4是該第一較佳實施例的一操作區間辨識器的方塊圖；圖5是該操作區間辨識器處理的信號波形圖；圖6是該第一較佳實施例的一切換式控制器的方塊圖；圖7是該切換式控制器及一閘極控制器處理的信號波形圖；圖8是該第一較佳實施例增設至少一個以上的微調電容及切換開關的架構圖；圖9是該第一較佳實施例判斷是否需要微調的流程圖；圖10是本發明之第二較佳實施例的部分電路圖；圖11是該第二較佳實施例的一切換式控制器及一閘極控制器處理的信號波形圖；圖12是本發明之第三較佳實施例的一諧振電路的一輸 出電壓隨一共振頻率變化的示意圖；圖13是該第三較佳實施例的一交流電壓和一開迴路電壓間的相位差隨該共振頻率變化的示意圖；圖14是該第三較佳實施例的部分電路圖；及圖15是本發明之第四較佳實施例的部分電路圖。

C_S1‧‧‧第一電容

C_S2‧‧‧第二電容

D1、D2‧‧‧寄生二極體

I_P‧‧‧交流電流

Ls‧‧‧線圈電感

Q1、Q2‧‧‧電晶體

SW‧‧‧切換開關

V_AC‧‧‧交流電壓

V_OC‧‧‧開迴路電壓

V_ph1‧‧‧偵測電壓

V_DC1‧‧‧第一直流控制信號

V_DC2‧‧‧第二直流控制信號

V_Q1‧‧‧第一閘極控制信號

V_Q2‧‧‧第二閘極控制信號

1‧‧‧一次側線圈

2‧‧‧非接觸式感應輸電系統

3‧‧‧負載

4‧‧‧相位偵測線圈

5‧‧‧諧振電路

51‧‧‧二次側線圈

52‧‧‧可調式電容組

53‧‧‧輸出整流器

6‧‧‧控制電路

61‧‧‧切換式控制器

62‧‧‧操作區間辨識器

63‧‧‧閘極控制器

Claims (20)

1. 一種感應輸電設備，適用於供電至一負載，且包含：一個一次側線圈，根據一交流電流產生一電磁場；及一非接觸式感應輸電系統，包括：一相位偵測線圈，根據該電磁場的感應產生一偵測電壓；一諧振電路，具有一可調整電抗值而可調整本身的共振頻率，並根據該電磁場的感應與該可調整電抗產生一交流電壓，以供應一相關於該交流電壓的輸出電壓至該負載，該交流電壓相對於該偵測電壓具有一相位差，該相位差隨該可調整電抗值變化；一控制電路，具有：一切換式控制器，具有二個控制單元，該二個控制單元分別電連接於該負載以得知跨於該負載的該輸出電壓，並可分別受觸發以對應操作於該輸出電壓隨共振頻率單調遞減的一低調整區間及該輸出電壓隨共振頻率單調遞增的一過調整區間，來產生一相關於該輸出電壓的調整資訊，以作為改變該可調整電抗值的根據；及一操作區間辨識器，電連接於該相位偵測線圈以得知該偵測電壓，電連接於該諧振電路 以得知該交流電壓，並根據該偵測電壓與該交流電壓的相位差產生一操作區間指示信號，以決定觸發那一控制單元。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之感應輸電設備，該操作區間辨識器具有：一運算裝置，電連接該相位偵測線圈及諧振電路以接收該偵測電壓及交流電壓，並據此進行運算產生一邏輯運算信號，該邏輯運算信號的責任導通比相關於該偵測電壓及交流電壓的相位差；及一辨識裝置，該辨識裝置電連接該及邏輯閘以接收該邏輯運算信號，並儲存有一參考信號，該參考信號代表諧振電路處於共振時，該偵測電壓及交流電壓的相位差，該辨識裝置將該邏輯運算信號和參考信號比較以判斷操作區間。
3. 根據申請專利範圍第2項所述之感應輸電設備，其中，該運算裝置具有：一第一比較單元，電連接該相位偵測線圈以接收該偵測電壓，並將該偵測電壓和一零電壓比較，產生邏輯形式的一第一相位信號；一第二比較單元，電連接該諧振電路以接收該交流電壓，並將該交流電壓和一零電壓比較，產生邏輯形式的一第二相位信號；及一及邏輯閘，電連接該第一及第二比較單元以接收該第一及第二相位信號，並將該第一、二相位信號進行 及運算，產生該邏輯運算信號。
4. 根據申請專利範圍第2項所述之感應輸電設備，其中，該辨識裝置具有：一低通濾波單元，電連接該及閘以接收該邏輯運算信號並將其平均後，輸出一直流的指示信號，該指示信號用於指示偵測電壓和交流電壓間的相位差；及一第三比較單元，電連接該低通濾波單元以接收該指示信號，並和該參考信號比較，產生一指示操作於低調整或過調整的操作區間指示信號。
5. 根據申請專利範圍第1項所述之感應輸電設備，其中，該二個控制單元儲存一負載電壓預設值，並分別電連接該負載及該第三比較單元以分別接收該輸出電壓及該操作區間指示信號，依據該操作區間指示信號指示啟動相對應的控制單元，以該輸出電壓為回授信號和負載電壓預設值比較而輸出一用於改變該可調整電抗值的控制信號，該切換式控制器還具有：一選擇開關，電連接該二個控制單元，並電連接該第三比較單元以接收該操作區間指示信號，受該操作區間指示信號的控制而選擇該二個控制單元其中之一的控制信號。
6. 根據申請專利範圍第5項所述之感應輸電設備，其中，該諧振電路包括：一二次側線圈，該二次側線圈在感應該電磁場時產生一開迴路電壓，且具有一電感；及 一可調電容組，電連接於該二次側線圈及該控制電路，接收該開迴路電壓並輸出該交流電壓，並受該控制電路控制以調整有效電容值。
7. 根據申請專利範圍第6項所述之感應輸電設備，其中，該可調電容組具有一第一電容、一第二電容及一切換開關，該第二電容及該切換開關串聯，該第一電容並聯於該第二電容及該切換開關，該切換開關電連接於該控制電路，且受控調整該第二電容的充電電流以調整該可調電容組的有效電容值。
8. 根據申請專利範圍第6項所述之感應輸電設備，其中，該可調電容組具有一第一電容、一第一電感及一切換開關，該第一電感及該切換開關串聯，該第一電容並聯於該第一電感及該切換開關，該切換開關電連接於該控制電路，且受控調整該第一電感的電感電流以調整該可調電容組的有效電容值。
9. 根據申請專利範圍第7項及第8項中任一項所述之感應輸電設備，其中，該可調電容組還具有至少一個以上且互相串聯的微調電抗器及切換開關，該微調電抗器及該切換開關並聯於該第一電容，該等切換開關皆電連接於該控制電路，且受控調整該微調電抗器的電流以調整該可調電容組的有效電容值。
10. 根據申請專利範圍第9項所述之感應輸電設備，其中，該控制電路將該輸出電壓和負載電壓預設值相減以得到一誤差值，判斷該誤差值是否大於一臨界值，如果該誤 差值小於臨界值，則控制該微調電抗器的電流改變有效電容值，如果該誤差值大於臨界值，則控制電路還判斷該輸出電壓是否處於一周期性震盪狀態中，如果該輸出電壓是處於一周期性震盪狀態中，則控制該微調電抗器的電流改變有效電容值。
11. 一非接觸式感應輸電系統，適用於接收一電磁場並供電至一負載，包括：一相位偵測線圈，根據該電磁場的感應產生一偵測電壓；一諧振電路，具有一可調整電抗值而可調整本身的共振頻率，並根據該電磁場的感應與該可調整電抗產生一交流電壓，以供應一相關於該交流電壓的輸出電壓至該負載，該交流電壓相對於該偵測電壓具有一相位差，該相位差隨該可調整電抗值變化；一控制電路，具有：一切換式控制器，具有二個控制單元，該二個控制單元分別電連接於該負載以得知跨於該負載的該輸出電壓，並可分別受觸發以對應操作於一該輸出電壓隨共振頻率單調遞減的低調整區間及該輸出電壓隨共振頻率單調遞增的一過調整區間，來產生一相關於該輸出電壓的調整資訊，以作為改變該可調整電抗值的根據；及一操作區間辨識器，電連接於該相位偵測線圈以得知該偵測電壓，電連接於該諧振電路以得知該 交流電壓，並根據該偵測電壓與該交流電壓的相位差產生一操作區間指示信號，以決定觸發那一控制單元。
12. 根據申請專利範圍第11項所述之非接觸式感應輸電系統，該操作區間辨識器具有：一運算裝置，電連接該相位偵測線圈及諧振電路以接收該偵測電壓及交流電壓，並據此進行運算產生一邏輯運算信號，該邏輯運算信號的責任導通比相關於該偵測電壓及交流電壓的相位差；及一辨識裝置，該辨識裝置電連接該及邏輯閘以接收該邏輯運算信號，並儲存有一參考信號，該參考信號代表諧振電路處於共振時，該偵測電壓及交流電壓的相位差，該辨識裝置將該邏輯運算信號和參考信號比較以判斷操作區間。
13. 根據申請專利範圍第12項所述之非接觸式感應輸電系統，其中，該運算裝置具有：一第一比較單元，電連接該相位偵測線圈以接收該偵測電壓，並將該偵測電壓和一零電壓比較，產生邏輯形式的一第一相位信號；一第二比較單元，電連接該諧振電路以接收該交流電壓，並將該交流電壓和一零電壓比較，產生邏輯形式的一第二相位信號；及一及邏輯閘，電連接該第一及第二比較單元以接收該第一及第二相位信號，並將該第一、二相位信號進行 及運算，產生該邏輯運算信號。
14. 根據申請專利範圍第12項所述之非接觸式感應輸電系統，其中，該辨識裝置具有：一低通濾波單元，電連接該及閘以接收該邏輯運算信號並將其平均後，輸出一直流的指示信號，該指示信號用於指示偵測電壓和交流電壓間的相位差；及一第三比較單元，電連接該低通濾波單元以接收該指示信號，並和該參考信號比較，產生一指示操作於低調整或過調整的操作區間指示信號。
15. 根據申請專利範圍第11項所述之非接觸式感應輸電系統，其中，該二個控制單元儲存一負載電壓預設值，並分別電連接該負載及該第三比較單元以分別接收該輸出電壓及該操作區間指示信號，依據該操作區間指示信號指示啟動相對應的控制單元，以該輸出電壓為回授信號和負載電壓預設值比較而輸出一用於改變該可調整電抗值的控制信號，該切換式控制器還具有：一選擇開關，電連接該二個控制單元，並電連接該該第三比較單元以接收該操作區間指示信號，受該操作區間指示信號的控制而選擇該二個控制單元其中之一的控制信號。
16. 根據申請專利範圍第15項所述之非接觸式感應輸電系統，其中，該諧振電路包括：一二次側線圈，該二次側線圈在感應該電磁場時產生一開迴路電壓，且具有一電感；及 一可調電容組，電連接於該二次側線圈及該控制電路，接收該開迴路電壓並輸出該交流電壓，並受該控制電路控制以調整有效電容值。
17. 根據申請專利範圍第16項所述之非接觸式感應輸電系統，其中，該可調電容組具有一第一電容、一第二電容及一切換開關，該第二電容及該切換開關串聯，該第一電容並聯於該第二電容及該切換開關，該切換開關電連接於該控制電路，且受控調整該第二電容的充電電流以調整該可調電容組的有效電容值。
18. 根據申請專利範圍第16項所述之非接觸式感應輸電系統，其中，該可調電容組具有一第一電容、一第一電感及一切換開關，該第一電感及該切換開關串聯，該第一電容並聯於該第一電感及該切換開關，該切換開關電連接於該控制電路，且受控調整該第一電感的電感電流以調整該可調電容組的有效電容值。
19. 根據申請專利範圍第17項及第18項中任一項所述之非接觸式感應輸電系統，其中，該可調電容組還具有至少一個以上且互相串聯的微調電抗器及切換開關，該微調電抗器及該切換開關並聯於該第一電容，該等切換開關皆電連接於該控制電路，且受控調整該微調電抗器的電流以調整該可調電容組的有效電容值。
20. 根據申請專利範圍第19項所述之非接觸式感應輸電系統，其中，該控制電路將該輸出電壓和負載電壓預設值相減以得到一誤差值，判斷該誤差值是否大於一臨界值， 如果該誤差值小於臨界值，則控制該微調電抗器的電流改變有效電容值，如果該誤差值大於臨界值，則控制電路還判斷該輸出電壓是否處於一周期性震盪狀態中，如果該輸出電壓是處於一周期性震盪狀態中，則控制該微調電抗器的電流改變有效電容值。