TW201737592A - 無線充電系統 - Google Patents

Abstract

本發明之無線充電系統包括有：一直流電壓、一橋式電路、一閘極驅動電路、一交流/直流整流器、一負載、一一次側接收電路、一二次側迴授電路以及一無線功率轉換器係包括有一一次測電容、一一次側線圈、一二次側線圈、一二次側電容。其中，使用二次側迴授電路以及無線傳輸訊號之處理方式，對一次側的橋式電路做變頻控制。由於寬輸出電壓範圍可以使用變頻控制，改變橋式電路的切換頻率以改變輸出電壓，達到寬輸出電壓範圍的目的，且不需使用降壓型轉換器，使成本降低、效率提昇且簡化電路設計。

Description

無線充電系統

本發明係有關於一種無線充電系統，尤指一種具有寬輸出電壓範圍的無線充電系統，使用變頻控制改變橋式電路的切換頻率以改變輸出電壓。

無線充電技術已經被廣泛地運用於各領域之中，無線充電主要係藉由電磁感應或是磁共振之方式，將能量由一次側線圈傳輸到二次側線圈中。無線充電器的原理是藉由發射、接收線圈間的磁力線耦合，來達到傳遞能量的目的。因為兩線圈間隔著空氣，耦合係數低，漏感大，因此需要使用電容電感串聯諧振的原理，消除漏感的影響，達到傳遞能量的目的。

傳統寬輸出電壓範圍無線充電器的原理是改變輸入的DC電壓，來達到改變輸出電壓的目的，因此需要在輸入端加上降壓型轉換器(Buck)，改變進入橋式電路的直流(DC)電壓，來達到改變輸出電壓的目的，如圖1所示，其中包括有：一輸入電壓Vin、一功因電路1、一降壓型轉換器2(Buck)、一橋式電路3、一一次側電容Cp、一一次側線圈Lp、一二次側電容Cs、一二次側線圈Ls、一交流/直流整流器4以及一負載5。輸入電壓Vin為一交流電壓，耦接於功因電路1，產生一直流輸出並耦接至降壓型轉換器2；降壓型轉換器2之輸出再耦接於橋式電路3。所述之橋式電路3為一定頻的電路，意即為一固定操作頻率之橋式電路3。之後經由一次側電容Cp及一次側線圈Lp將能量耦合至二次側的二次側電容Cs及二次側線圈Ls；並經由交流/直流整流器4產生一直 流輸出，對負載5進行充電。

另一種寬輸出電壓範圍無線充電器的原理是將降壓型轉換器放在輸出端，改變輸出電壓，如圖2所示。圖2中包括有一輸入電壓Vin、一功因電路1、一橋式電路3、一一次側電容Cp、一一次側線圈Lp、一二次側電容Cs、一二次側線圈Ls、一交流/直流整流器4、一降壓型轉換器2以及一負載5。圖2與圖1之差異在於將降壓型轉換器2放在交流/直流整流器4以及負載5之間，其電路基本作用為相同於圖1之電路。

這些方法的缺點是額外的一個降壓型轉換器(Buck)會增加成本、增加體積，而且會造成額外的能量損失，降低整個系統的能源效率，仍然有改善之空間。

本發明係有關於一無線充電系統，係使用迴授控制電路，並以無線傳輸訊號之處理方式將二次側的輸出訊號迴授傳輸至一次側做調變與控制。由於寬輸出電壓範圍無線充電器也可以使用變頻控制，改變橋式電路的切換頻率，利用諧振電路的頻率響應特性，改變輸出電壓。若欲增加輸出電壓，即執行降低頻率；若欲減少輸出電壓，即增加頻率。如此可以改變輸出電壓，達到寬輸出電壓範圍的目的。意即不使用額外的降壓型轉換器(Buck)，達到降低成本、增加效率並且簡化設計之目的。

本發明所述之無線充電系統，係包括有：一直流電壓；一橋式電路，係耦接於該直流電壓，用以將該直流電壓轉換為一高頻交流電壓，為一高頻交流電功率，且為一變頻操作；一閘極驅動電路，係耦接於該橋式電路，用以驅動該橋式電路進行該變頻操作；一無線功率轉換器係包括有：一一次側線圈以及一二次側線圈，係將該高頻交流電功率由該一次側線圈傳輸至該二次側線圈；一一次側電容以及一二次側電容，該一次側電容串接於該一 次側線圈，為一一次側串聯諧振電路；該二次側電容串接於該二次側線圈，為一二次側串聯諧振電路。

所述之無線充電系統中再包括有一交流/直流整流器，係耦接於該二次側串聯諧振電路，將該二次側所感應之該高頻交流電功率加以整流，產生一輸出電壓/電流，並對一負載進行充電；一二次側迴授電路，係耦接於該負載，用以偵測該輸出電壓/電流狀態，產生一數位訊號；一一次側接收電路，係耦接於該閘極驅動電路，用以接收將該二次側迴授電路之該數位訊號，產生一控制訊號，該控制訊號控制該閘極驅動電路進行該變頻操作；以及該二次側迴授電路係以無線傳輸之方式將該數位訊號傳送至該一次側接收電路。

1‧‧‧功因電路

2‧‧‧降壓型轉換器

3‧‧‧橋式電路

4‧‧‧交流/直流整流器

5‧‧‧負載

20‧‧‧橋式電路

22‧‧‧閘極驅動電路

30‧‧‧交流/直流整流器

32‧‧‧交流/直流整流器驅動電路

40‧‧‧負載

50‧‧‧一次側接收電路

52‧‧‧無線接收單元

54‧‧‧訊號轉換單元

60‧‧‧二次側迴授電路

62‧‧‧訊號轉換單元

64‧‧‧無線傳輸單元

Cp‧‧‧一次側電容

Cs‧‧‧二次側電容

Lp‧‧‧一次側線圈

Ls‧‧‧二次側線圈

Vin‧‧‧輸入電壓

V₁‧‧‧直流電壓

Q₁~Q₄‧‧‧第一~第四橋式開關

RS₁~RS₄‧‧‧第一~第四整流切換開關

圖1為習用無線充電電路方塊示意圖；圖2為另一習用無線充電電路方塊示意圖；圖3為本發明第一實施例之電路方塊示意圖；圖4為本發明中之橋式電路、二次側迴授電路及一次側接收電路實施示意圖；圖5為本發明中之交流/直流整流器之電路實施示意圖。

本發明係為一無線充電系統，可運用於電動交通工具、油電混合之交通工具或是其他電子裝置之無線充電系統中，具有寬輸出電壓範圍、成本低、效率高、控制電路簡化並能改善功率傳輸效率及變頻操作之無線充電系統。可依據輸出電壓不同的變化，改變橋式電路的切換頻率，利用諧振電路的頻率響應特性，改變輸出電壓，達到寬輸出電壓範圍的目的。意即不使用額外的降壓型轉換器(Buck)，即可達到降低成本、增加效率並且簡化設計。

參閱圖3，本發明之無線充電系統包括有：一直流電壓V₁、 一橋式電路20、一閘極驅動電路22、一交流/直流整流器30、一負載40、一一次側接收電路50、一二次側迴授電路60以及一無線功率轉換器係包括有一一次測電容Cp、一一次側線圈Lp、一二次側線圈Ls、一二次側電容Cs。其中，直流電壓V₁為提供該無線充電系統一個穩定的直流輸入電壓，該直流電壓V₁是可由一市電經過一轉換器而提供，或是直接由其它的直流電源所提供。

所述之橋式電路20係耦接於該直流電壓V₁，用以將該直流電壓V₁轉換為一高頻交流電壓，且為一高頻交流電功率，同時為一變頻操作。所述的變頻操作，係由於一寬輸出電壓範圍無線充電系統是可以使用變頻控制，藉由改變橋式電路的切換頻率，再利用一諧振電路的頻率響應特性，改變輸出電壓大小。若欲增加輸出電壓，即執行降低頻率；若欲減少輸出電壓，即增加頻率；如此達成改變輸出電壓的範圍。

圖3中之閘極驅動電路22，係耦接於橋式電路20，用以驅動橋式電路20進行該變頻操作。所述之無線功率轉換器之一次側線圈Lp以及二次側線圈Ls，係將該高頻交流電功率由該一次側線圈Lp傳輸至該二次側線圈Ls。所述一次側電容Cp串接於該一次側線圈Lp，為一一次側串聯諧振電路，具頻率響應特性；所述二次側電容Cs串接於該二次側線圈Ls，為一二次側串聯諧振電路，具頻率響應特性。交流/直流整流器30係耦接於該二次側串聯諧振電路，將該二次側所感應之該高頻交流電功率加以整流，產生一輸出電壓/電流，並對負載40進行充電。所述之負載40可為一電動交通工具之電能儲存元件、動力裝置或是用電設備。所述二次側迴授電路60，係耦接於該負載40，用以偵測該輸出電壓/電流狀態，產生一數位訊號。所述一次側接收電路50，係耦接於該閘極驅動電路22，用以接收將該二次側迴授電路之該數位訊號，產生一控制訊號，該控制訊號控制該閘極驅動電路22進行該變頻操作。其中，二次側迴授電路60係以無線傳輸之方式將該數位訊號 傳送至該一次側接收電路50；同樣地，一次側接收電路50係以無線接收之方式接收該數位訊號，並產生該控制訊號。藉由上述之電路說明，本發明之操作頻率可以根據負載之變化而變動，可有效提昇功率傳輸之效率、降低成本且簡化設計。

請參閱圖4，所述之橋式電路20中係包括有第一~第四橋式開關Q₁~Q₄所耦接組成，其耦接為一橋式之耦接方式，且第一~第四全橋開關Q₁~Q₄之閘極端皆為耦接至閘極驅動電路22中，藉由閘極驅動電路22控制該橋式電路20之第一~第四橋式開關Q₁~Q₄之閘極端的脈衝寬度調變，並且控制橋式電路20之操作頻率，係為一變頻操作之橋式電路20。

圖4所示之二次側迴授電路60中係包括有一訊號轉換單元62以及一無線傳輸單元64；其中訊號轉換單元62係耦接於負載40，用以偵測該輸出電壓/電流，並產生該數位訊號。所述無線傳輸單元64係耦接於該訊號轉換單元62，用以將該數位訊號，以無線傳輸方式發送出去。所述一次側接收電路50係包括有一無線接收單元52以及一訊號轉換單元54。無線接收單元52係以無線接收方式接收二次側迴授電路60所發射之該數位訊號；所述訊號轉換單元54，係耦接於無線接收單元52，係將所接收之該數位訊號後，產生一控制訊號，並傳送至該閘極驅動電路22，進行變頻操作。

圖5所示，交流/直流整流器30中包括有第一~第四整流切換開關RS₁~RS₂之元件，主要耦接方式為耦接形成一橋式整流器，藉以輸出一直流電壓/電流。其中第一~第四整流切換開關RS₁~RS₂中個別之閘極端，係皆耦接至一交流/直流整流器驅動電路32，該交流/直流整流器驅動電路32於實際運用時，係可以採用一單晶片驅動電路作為控制電路。

本發明之另一實施例，為實際運用至一電動交通工具中，包括是油電混合之交通工具亦可採用。主要係將一次側線圈Lp以及一次側電容Cp可以設置在一平面上，並且將橋式電路20、一閘 極驅動電路22以及包括一次側接收電路50等電路元件整合為一一次側電路裝置，連同該一次側線圈Lp以及一次側電容Cp一併設置於該平面上。

在該電動交通工具之實施例中，二次側線圈Ls以及二次側電容Cs可以設置於該電動交通工具之底盤上，並且交流/直流整流器30以及二次側迴授電路60係整合為一二次側電路裝置，連同該二次側線圈Ls以及二次側電容Cs一併設置於該電動交通工具之底盤上。以及負載40即為該電動交通工具之電能儲存元件、動力裝置或是用電設備。

綜上所述，本發明提出一種無線充電系統，藉由使用變頻操作之橋式電路20及二次側迴授電路60之偵測，依據不同的二次側電壓變化而調整操作頻率；且為無線傳輸訊號之迴授處理方式，以達到寬輸出電壓範圍、成本低、提昇效率、簡化電路之目的。顯見本發明案具備申請專利之要件。然，本發明說明內容所述，僅為較佳實施例之舉例說明，當不能以之限定本發明所保護之範圍，任何局部變動、修正或增加之技術，仍不脫離本發明所保護之範圍中。

20‧‧‧橋式電路

22‧‧‧閘極驅動電路

30‧‧‧交流/直流整流器

40‧‧‧負載

50‧‧‧一次側接收電路

60‧‧‧二次側迴授電路

Cp‧‧‧一次側電容

Cs‧‧‧二次側電容

Lp‧‧‧一次側線圈

Ls‧‧‧二次側線圈

V₁‧‧‧直流電壓

Claims (9)

1. 一種無線充電系統，係包括：一直流電壓；一橋式電路，係耦接於該直流電壓，用以將該直流電壓轉換為一高頻交流電壓，為一高頻交流電功率，且為一變頻操作；一閘極驅動電路，係耦接於該橋式電路，用以驅動該橋式電路進行該變頻操作；一無線功率轉換器，係包括有：一一次側線圈以及一二次側線圈，係將該高頻交流電功率由該一次側線圈傳輸至該二次側線圈；一一次側電容以及一二次側電容，該一次側電容串接於該一次側線圈，為一一次側串聯諧振電路；該二次側電容串接於該二次側線圈，為一二次側串聯諧振電路；一交流/直流整流器，係耦接於該二次側串聯諧振電路，將該二次側所感應之該高頻交流電功率加以整流，產生一輸出電壓/電流，並對一負載進行充電；一二次側迴授電路，係耦接於該負載，用以偵測該輸出電壓/電流狀態，產生一數位訊號；一一次側接收電路，係耦接於該閘極驅動電路，用以接收將該二次側迴授電路之該數位訊號，產生一控制訊號，該控制訊號控制該閘極驅動電路進行該變頻操作；及其中，該二次側迴授電路係以無線傳輸之方式將該數位訊號傳送至該一次側接收電路。
2. 如請求項第1項所述之無線充電系統，其中該二次側迴授電路係包括有：一訊號轉換單元，係耦接於該負載，用以偵測該輸出電壓/電流，並產生該數位訊號；及一無線傳輸單元，係耦接於該訊號轉換單元，用以將該數位訊 號，以無線傳輸方式發送出去。
3. 如請求項第1項所述之無線充電系統，其中該一次側接收電路係包括有：一無線接收單元，係以無線接收方式接收該二次側迴授電路所發射之該數位訊號；一訊號轉換單元，係耦接於該無線接收單元，係將所接收之該數位訊號後，產生一控制訊號，並傳送至該閘極驅動電路。
4. 如請求項第1項所述之無線充電系統，其中該橋式電路之變頻操作，係依據該交流/直流整流器之輸出電壓/電流的範圍不同而做不同頻率操作，使該輸出電壓/電流之範圍擴大。
5. 一種電動交通工具之無線充電系統，係包括：一直流電壓；一橋式電路，係耦接於該直流電壓，用以將該直流電壓轉換為一高頻交流電壓，為一高頻交流電功率，且為一變頻操作；一閘極驅動電路，係耦接於該橋式電路，用以驅動該橋式電路進行該變頻操作；一無線功率轉換器，係包括有：一一次側線圈以及一二次側線圈，係將該高頻交流電功率由該一次側線圈傳輸至該二次側線圈；一一次側電容以及一二次側電容，該一次側電容串接於該一次側線圈，為一一次側串聯諧振電路；該二次側電容串接於該二次側線圈，為一二次側串聯諧振電路；一交流/直流整流器，係耦接於該二次側串聯諧振電路，將該二次側所感應之該高頻交流電功率加以整流，產生一輸出電壓/電流，並對一負載進充電；一二次側迴授電路，係耦接於該負載，用以偵測該輸出電壓/電流狀態，產生一數位訊號；一一次側接收電路，係耦接於該閘極驅動電路，用以接收將該 二次側迴授電路之該數位訊號，產生一控制訊號，該控制訊號控制該閘極驅動電路進行該變頻操作；以及其中，該二次側迴授電路係以無線傳輸之方式將該數位訊號傳送至該一次側接收電路，該一次側接收電路係以無線接收之方式接收該數位訊號；該一次側線圈及該一次側電容係設置於一地面或一平面上，該二次側線圈及該二次側電容係設置於該電動交通工具之底盤上。
6. 如請求項第5項所述之電動交通工具之無線充電系統，其中該二次側迴授電路係包括有：一訊號轉換單元，係耦接於該負載，用以偵測該輸出電壓/電流，並產生該數位訊號；及一無線傳輸單元，係耦接於該訊號轉換單元，用以將該數位訊號，以無線傳輸方式發送出去。
7. 如請求項第5項所述之電動交通工具之無線充電系統，其中該一次側接收電路係包括有：一無線接收單元，係以無線接收方式接收該二次側迴授電路所發射之該數位訊號；一訊號轉換單元，係耦接於該無線接收單元，係將所接收之該數位訊號後，產生一控制訊號，並傳送至該閘極驅動電路。
8. 如請求項第5項所述之電動交通工具之無線充電系統，其中該橋式電路之變頻操作，係依據該交流/直流整流器之輸出電壓/電流的範圍不同而做不同頻率操作，使該輸出電壓/電流之範圍擴大。
9. 如請求項第5項所述之電動交通工具之無線充電系統，其中該電動交通工具係包括一混合動力之交通工具，係混合有燃油以及電能之混合動力的交通工具。