负载无关逆变器、发射器和无线功率传输系统的制作方法

本发明总体上涉及无线功率传输，尤其涉及高频无线功率传输系统及其发射器和接收器。

背景技术：

1、无线充电和无线功率传输系统正成为支持下一代设备的日益重要的技术。越来越多的制造商和公司投资于该技术，由此证明该技术所带来的潜在好处和优势。

2、已知多种无线功率传输系统。典型的无线功率传输系统包括电连接到无线功率发射器的电源和电连接到负载的无线功率接收器。

3、在磁感应系统中，发射器有具有一定电感的线圈，该线圈将来自电源的电能传输到具有一定电感的接收线圈。由于发射器和接收器的电感器之间的磁场耦合而发生了功率传输。这些磁感应系统的范围是有限的，并且发射器和接收器的电感器必须最佳对准以进行功率传输。

4、还存在谐振磁系统，在该系统中，由于发射器和接收器的电感器之间的磁场耦合而传输功率。在谐振磁系统中，电感器使用至少一个电容器谐振。在谐振磁系统中，发射器是自谐振的，接收器也是自谐振的。谐振磁系统中的功率传输范围与磁感应系统的功率传输范围相比增加了，并且对准问题被校正。虽然电磁能量是在磁感应和谐振磁系统中产生的，但是大部分功率传输是经由磁场发生的。经由电感应或谐振电感应传输的功率如果有的话是很少的。

5、qi无线充电标准是磁感应系统的示例性实施方式。qi无线充电标准用于诸如智能电话和可穿戴设备之类的低功耗消费电子产品。此外，低成本功率转换器、线圈和集成电路可用于qi无线充电标准。qi无线充电标准在khz频率范围内操作。因此，根据qi无线充电标准操作的设备具有有限的耦合范围，需要精确的线圈对准，并且使用基于铁氧体的线圈，这种线圈可能很重且易碎。因此，qi无线充电标准的应用范围受到限制。

6、在电感应系统中，发射器和接收器具有电容电极。由于发射器和接收器的电容电极之间的电场耦合而发生功率传输。类似于谐振磁系统，存在谐振电系统，在该系统中，使用至少一个电感器使发射器和接收器的电容电极谐振。在谐振电系统中，发射器是自谐振的，接收器也是自谐振的。谐振电系统与电感应系统相比具有增加的功率传输范围，并且对准问题被校正。虽然电磁能量是在电感应和谐振电系统中产生的，但是大部分功率传输是经由电场进行的。经由磁感应或谐振磁感应传输的功率如果有的话是很少的。

7、电磁感应系统的应用，通常称为感应功率传输（inductive power transfer，ipt）系统，可在数十mhz频率范围内操作。在数十mhz的频率范围内，这些系统的发射器中使用的直流（dc）到交流（ac）逆变器的拓扑通常基于e类或ef2类逆变器配置。虽然这些配置是功率高效的且构造简单，但最佳开关操作可能仅对固定负载维持。因此，这种配置高度依赖于固定负载。因此，使用e类或ef2类逆变器的ipt系统通常仅在固定的线圈间距和窄的负载范围内高效操作。

8、如r. e. zulinski和k. j. grady于1990年8月在ieee trans. circuits syst.i, reg. papers，第37卷，第8期，第1010-1018页发表的“load-independent class epower inverters: part i. theoretical development”以及l. roslaniec、a. s.jurkov、a. al bastami和d. j. perreault于2015年6月在ieee trans. powerelectron.，第30卷，第6期，第3200-3214页发表的“design of single-switch invertersfor variable resistance/load modulation operation”中描述的，e类和ef2类逆变器可以被设计为当与有限dc电感器而不是扼流圈（choke）一起使用时，它们实现零电压开关（zvs）并在负载电阻变化时产生恒定的输出电压，这些文章的相关部分通过引用结合于此。

9、这种设计可以将e类或ef2类逆变器高效操作的负载范围从无限负载电阻（开路）扩展至某个最小负载电阻。虽然这些设计可以应用于若干应用，诸如高频dc/dc转换器，但是它们通常不能高效地用于线圈/电极之间的距离发生变化的ipt系统中。在ipt系统中，负载范围从线圈/电极彼此完全分离时的零电阻（短路）到线圈/电极彼此最接近时的某个最大负载电阻。

10、如前所述，ipt系统可以在数十mhz的频率范围内操作。通过利用诸如gan和sic的宽带隙器件（wide-bandgap device），可以实现数十mhz的频率范围内进行开关。如s.aldhaher、d. c. yates和p. d. mitcheson于2018年10月在ieee trans. powerelectron.，第33卷，第10期，第8270-8287页发表的“load-independent class e/efinverters and rectifiers for mhz-switching applications”以及j. choi、d.tsukiyama、y. tsuruda和j. m. r. davila于2018年3月在ieee trans. powerelectron.，第33卷，第3期，第1890-1896页发表的“high-frequency, high-powerresonant inverter with egan fet for wireless power transfer”中描述的，谐振转换器和软开关拓扑（诸如e类和ef类）的最新发展允许真正开发宽带隙器件，并给予设计者用于实现高性能/功率密度转换器的拓扑和电路配置，这些文章的相关部分通过引用结合于此。

11、在数十mhz频率处操作的无线功率传输增加了最大空气间隙距离（air gapdistance），提高了线圈未对准的容限，并且因此，允许接收器放置在充电区域的任何位置，无需精确对准。这种无线功率传输还允许使用高q的单匝空心线圈，这种线圈重量轻、紧凑并且可以在低成本fr4 pcb上实施。s.aldhaher、p. d. mitcheson、j. m. arteaga、g.kkelis和d. c. yates于2017年3月在第11届欧洲会议，天线传播，第336-340页发表的“light-weight wireless power transfer for mid-air charging of drones”中描述了通过无线地给微型无人机供电来演示这些功能，这篇文章的相关部分通过引用结合于此。

12、尽管无线功率传输技术是已知的，但仍需要改进。因此，目的是提供一种新颖的无线功率传输系统及其发射器和接收器以及无线地传输功率的方法。

技术实现思路

1、应当理解的是，提供本 技术实现要素： 是为了以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下文的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。

2、因此，一方面，提供了一种负载无关逆变器，该负载无关逆变器包括开关模式零电压开关（zvs）放大器，该开关模式零电压开关放大器包括：一对电路，其包括：并联布置的至少晶体管和至少电容器；以及与该晶体管和电容器串联布置的至少电感器；仅一个zvs电感器连接到该一对电路；以及连接到zvs电感器并与至少电感器和至少电阻器串联布置的至少一对电容器。

3、在一个或多个实施例中，负载无关逆变器包括连接到zvs电感器的至少两个电容器。在一个或多个实施例中，至少两个电容器与至少一个电感器和电阻器串联布置。

4、在一个或多个实施例中，相对开关模式zvs放大器的特性阻抗进行归一化的负载电阻的最小值在0.585和0.975之间。

5、在一个或多个实施例中，负载无关逆变器的

q值在0.739和1.231之间。

6、在一个或多个实施例中，相对负载无关逆变器的特性阻抗进行归一化的残余电抗（residual reactance）在0.194和0.323之间。

7、在一个或多个实施例中，负载无关逆变器的电压增益值在2.349和3.915之间。

8、在一个或多个实施例中，负载无关逆变器的归一化输出功率在4.700和7.834之间。

9、在一个或多个实施例中，负载无关逆变器具有恒定电压输出。在一个或多个实施例中，负载无关逆变器具有从5.625欧姆到无限或开路负载的负载范围。在一个或多个实施例中，负载无关逆变器还包括阻抗逆变器电路，该阻抗逆变器电路被配置为将负载无关逆变器从恒定电压输出转换为恒定电流输出。

10、在一个或多个实施例中，负载无关逆变器具有恒定电流输出。在一个或多个实施例中，负载无关逆变器具有0欧姆或短路负载到9.375欧姆的负载范围。

11、在一个或多个实施例中，负载无关逆变器被配置为检测金属物体。在一个或多个实施例中，该负载无关逆变器还包括：峰值检测电路，其被配置为测量负载无关逆变器的晶体管两端的电压峰值；以及比较器，其被配置为将电压峰值与阈值电压进行比较，并且如果电压峰值超过阈值电压，则输出检测信号。在一个或多个实施例中，负载无关逆变器还包括：分压器，其被配置为在由峰值检测电路测量之前转换电压峰值。

12、在一个或多个实施例中，开关模式zvs放大器是射频（rf）放大器。

13、在一个或多个实施例中，负载无关逆变器是e类逆变器。

14、在一个或多个实施例中，负载无关逆变器是直流（dc）到交流（ac）逆变器。

15、根据另一方面，提供了一种发射器，该发射器包括：负载无关逆变器，该负载无关逆变器包括开关模式零电压开关（zvs）放大器；以及连接到负载无关逆变器的发射器线圈或电极，发射器线圈或电极被配置为经由磁场或电场耦合向接收器传输功率。

16、在一个或多个实施例中，发射器是非谐振或非自谐振的。

17、在一个或多个实施例中，发射器线圈被配置为经由磁场耦合传输功率。

18、在一个或多个实施例中，发射器电极被配置为经由电场耦合传输功率。

19、在一个或多个实施例中，发射器还包括电源。

20、在一个或多个实施例中，发射器还包括功率转换器，该功率转换器被配置为在逆变器接收之前转换来自电源的功率信号。

21、根据另一方面，提供了一种无线功率传输系统，该无线功率传输系统包括：发射器，该发射器包括：负载无关逆变器，该负载无关逆变器包括开关模式零电压开关（zvs）放大器；以及连接到负载无关逆变器的发射器线圈或电极，发射器线圈或电极被配置为经由磁场或电场耦合向接收器传输功率；并且接收器包括：接收器线圈或电极，该接收器线圈或电极被配置为经由磁场或电场耦合从接收器提取功率。

22、在一个或多个实施例中，发射器是非谐振或非自谐振的，接收器是谐振的。在一个或多个实施例中，接收器在发射器的操作频率处谐振。

23、在一个或多个实施例中，发射器线圈被配置为经由磁场耦合传输功率，接收器线圈被配置为经由磁场耦合提取功率。

24、在一个或多个实施例中，发射器电极被配置为经由电场耦合传输功率，接收器电极被配置为经由电场耦合提取功率。

25、在一个或多个实施例中，接收器还包括连接到接收器线圈或电极的整流器。

26、在一个或多个实施例中，接收器还包括连接到接收器线圈或电极的负载。