开关电路以及多控串联谐振电路的制作方法
【专利摘要】本申请实施例提供了一种开关电路以及多控串联谐振电路，该开关电路包括N个并联的开关管，在同一时间，N个所述开关管中只有一个开关管处于导通状态，每一开关管导通和断开一次，LC串联谐振环就产生一次谐振，N个开关管导通频率之和即为LC串联谐振环的谐振频率，即由N个开关管轮流导通和断开，来控制LC串联谐振环高频发射磁场能量。对于每一开关管而言，导通和断开的频率都不是很高，从而不容产生热量，也不会轻易损坏，提高了稳定性，由于N个开关管可以为市场上比较廉价的开关管，因此增加的成本较少，甚至可以忽略。
【专利说明】
开关电路以及多控串联谐振电路
技术领域
[0001]本申请涉及电路技术，更具体的涉及一种开关电路以及多控串联谐振电路。
【背景技术】
[0002]无线供电是通过线圈的电磁效应将电源的电能转换成无线传播的能量，在接收端又将此能量转变回电能，从而对电器进行无线供电。
[0003]无线供电系统包括无线供电发射机以及接收电路，无线供电发射机包括LC串联谐振环，LC串联谐振环包括供电电路、谐振发射线圈和谐振电容，谐振发射线圈将供电电路中的电能转换成磁场能量，接收电路将接收到的磁场能量转换为电能为负载供电。为了能够将磁场能量发射更远的距离，需要提高无线供电系统发射磁场能量的频率，此时就需要采用价格昂贵的高频开关器件来控制谐振发射线圈发射磁场能量的频率。
[0004]由于高频开关器件导通和断开的频率很高，导致高频器件发热严重，容易损坏，从而降低了无线供电系统的稳定性，且高频器件价格昂贵，导致无线供电系统的成本大大增加。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明提供了一种开关电路以及多控串联谐振电路，以克服现有技术中由于高频开关器件导通和断开的频率很高，导致高频器件发热严重，容易损坏，从而降低了无线供电系统的稳定性，且高频器件价格昂贵，导致无线供电系统的成本大大增加的问题。
[0006]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案:
[0007]—种开关电路，应用于LC串联谐振环，所述LC串联谐振环包括谐振发射线圈和谐振电容，所述谐振发射线圈的一端与所述谐振电容的一端相连，所述谐振发射线圈的另一端与电源正极相连，所述谐振电容的另一端接地，所述开关电路包括:
[0008]N个并联的开关管，N个所述开关管的第一端均与所述谐振电容的一端相连，N个所述开关管的第二端均与所述谐振电容的另一端相连，N为大于等于2的正整数；
[0009]其中，在同一时间，N个所述开关管中只有一个开关管处于导通状态，N个所述开关管的导通频率之和为所述LC串联谐振环的谐振频率，所述导通频率为所述开关管处于导通状态的频率。
[0010]其中，所述开关电路还包括:
[0011]信号源，所述信号源包括N个信号输出端，所述信号源生成N路控制信号，每一路所述控制信号对应一信号输出端；
[0012]所述信号源的N个信号输出端分别与N个所述开关管的控制端一一对应相连；
[0013]所述信号源输出N路控制信号中至少N个输出高电平时刻是以所述LC串联谐振环的谐振周期为公差的等差数列，每一所述控制信号中的所述高电平的幅值大于等于被所述控制信号驱动的开关管的导通电压。
[0014]优选的，所述信号源还包括:N个驱动放大器，所述信号源产生的每一路控制信号经由一所述驱动放大器输出，N个所述驱动放大器的输出端为所述信号源的N个信号输出端。
[0015]其中，所述开关管为金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极晶体管IGBT。
[0016]其中，所述谐振电容为等效谐振电容、所述谐振发射线圈为等效谐振发射线圈和/或所述开关管为等效开关管。
[0017]一种多控串联谐振电路，包括上述任一所述开关电路以及LC串联谐振环，所述LC串联谐振环包括谐振发射线圈和谐振电容，所述谐振发射线圈的一端与所述谐振电容的一端相连，所述谐振发射线圈的另一端与电源正极相连，所述谐振电容的另一端接地。
[0018]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明实施例提供了一种开关电路，该开关电路包括N个并联的开关管，在同一时间，N个所述开关管中只有一个开关管处于导通状态，每一开关管导通和断开一次，LC串联谐振环就产生一次谐振，N个开关管导通频率之和即为LC串联谐振环的谐振频率，即由N个开关管轮流导通和断开，来控制LC串联谐振环高频发射磁场能量。对于每一开关管而言，导通和断开的频率都不是很高，从而不容产生热量，也不会轻易损坏，提高了稳定性，由于N个开关管可以为市场上比较廉价的开关管，因此增加的成本较少，甚至可以忽略。
【附图说明】
[0019]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0020]图1为本申请实施例提供的一种包括开关电路的多控串联谐振电路的电路图；
[0021]图2为本申请实施例提供的开关电路中信号源SG输出的N路控制信号的波形图；
[0022]图3为本申请实施例提供的一种信号源SG输出的N路控制信号的波形图；
[0023]图4为本申请实施例提供的另一信号源SG输出的N路控制信号的波形图；
[0024]图5为本申请实施例提供的包括开关电路的多控串联谐振电路又一实现方式的电路图。
【具体实施方式】
[0025]为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词的说明、简写或缩写总结如下:
[0026]IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘棚.双极型晶体管；
[0027]MOSFET:Meta1-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管；
[0028]PffM:Pulse Width Modulat1n，脉冲宽度调制。
[0029]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030]本申请实施例提供了一种开关电路以及多控串联谐振电路，该多控串联谐振电路包括开关电路和LC串联谐振环，所述LC串联谐振环包括谐振发射线圈L和谐振电容C。谐振发射线圈L的一端与所述谐振电容C的一端相连，所述谐振发射线圈L的另一端与电源正极V+相连，所述谐振电容C的另一端接地。
[0031]请参阅图1，为本申请实施例提供的一种包括开关电路的多控串联谐振电路的电路图。开关电路包括:
[0032]N个并联的开关管(图1中用Κ1，Κ2，...，ΚΝ表示N个开关管)，N个开关管的第一端均与所述谐振电容C的一端相连，N个开关管的第二端均与谐振电容C的另一端相连，N为大于等于2的正整数。
[0033]其中，在同一时间，N个开关管中只有一个开关管处于导通状态，N个开关管的导通频率之和为LC串联谐振环的谐振频率，导通频率为开关管处于导通状态的频率。
[0034]N个开关管在连接上都是并联，但它们都是异步开关，其中每一个开关管的导通时间/断开时间都不一样，具体地说，在LC串联谐振环的一个谐振周期内，N个开关管中一个开关管导通/断开一次，即，同一谐振周期内，只有一个开关管A处于导通状态，此时处于导通状态的开关管A为LC串联谐振环充电，即开关管A的导通时间即为LC串联谐振环的充电时间，当这个开关管A导通时间结束后，需要在LC串联谐振环放电结束后，下一个开关管B才会进入导通状态，在开关管A导通时间结束至下一个开关管B导通之前的时间，是LC串联谐振环的放电时间，也就是，LC串联谐振环的谐振周期包括充电时间和放电时间。
[0035]在同一时间，要求一个开关管处于导通状态的作用是，为LC串联谐振环充电，使LC串联谐振环的谐振不断地维持下去，开关管每导通/断开一次，LC串联谐振环充电和放电一次，即产生一次谐振，因此，LC串联谐振环的谐振频率就是N个开关管的导通频率的总和。例如，若LC串联谐振环的谐振频率为70，那么N可以等于70，那么每个开关管只需要IS导通一次即可，或者N可以等于35，每个开关管只需要IS导通两次即可，或者N可以为30，有的开关管IS导通4次，有的开关管IS导通5次，有的IS导通I次等等。本申请实施例中各个开关管的导通频率可以不同，也可以相同，本申请实施例对此不作具体限定。
[0036]反过来说，当LC串联谐振环的谐振频率一定时，每一个开关管的导通频率可以是谐振频率的1/N，或者一部分开关管的导通频率为2/N、3/N或4/N等等，可以依据实际情况中开关管的性能进行设定，性能良好的开关管的导通频率可以设置的大一些，性能较长的开关管的导通频率可以设置的小一些。若各个开关管的导通频率相同，设谐振频率为f0，开关管的开关频率为fk，SP:
[OO37 ] 谐振频率fO = N*开关频率fk，或，开关频率fk =谐振频率??/Ν。
[0038]本申请实施例，可以用较低频率的开关管来控制较高频率的LC串联谐振环高频率发射磁场能量，这就是本申请实施例的实际意义。
[0039 ] 开关管可以IGBT或MOSFET。本发明实施例中开关管可以为匪OSFET，此时第一端可以为漏极，相应的第二端为源极，控制端为栅极;开关管可以为PM0SFET，此时第一端为源极，第二端为漏极，控制端为栅极;开关管可以为IGBT，此时第一端为集电极，相应的第二端为发射极，控制端为栅极。
[0040]用两个以个(含两个)谐振发射线圈串联、并联、混联，组成一个等效线圈，可以替代本发明实施例中的谐振发射线圈L。
[0041]用两个以个(含两个)谐振电容串联、并联、混联，组成一个等效谐振电容，可以替代本发明实施例中的谐振电容C。
[0042]用两个以个(含两个)开关管并联，以加大控制电流，组成一个等效开关管，可以替代本发明实施例中的开关管。
[0043]本发明实施例提供了一种开关电路，该开关电路包括N个并联的开关管，在同一时间，N个所述开关管中只有一个开关管处于导通状态，每一开关管导通和断开一次，LC串联谐振环就产生一次谐振，N个开关管导通频率之和即为LC串联谐振环的谐振频率，即由N个开关管轮流导通和断开，来控制LC串联谐振环高频发射磁场能量。对于每一开关管而言，导通和断开的频率都不是很高，从而不容产生热量，也不会轻易损坏，提高了稳定性，由于N个开关管可以为市场上比较廉价的开关管，因此增加的成本较少，甚至可以忽略。
[0044]可以理解的是，为了实现N个开关管的异步控制，需要一个能够输出N路控制信号的信号源，所以上述开关电路还可以包括:信号源SG。
[0045]如图2所示，为本申请实施例提供的一种包括开关电路的多控串联谐振电路又一实现方式的电路图。
[0046]图2中1(1，1(2，‘"，1^表示~个开关管。31、32……SN表示是信号源SG产生的N路控制信号。信号源SG由低压电源Vd供电，信号源SG、LC串联谐振环都共地。
[0047]“地”是一个相对电平为零的参考点，通常指电源的负极。
[0048]如图3所示信号源SG输出的N路控制信号的波形图。图3中是以控制信号为PWM信号为例，示出的N路控制信号之间的关系。S1、S2……SN表示是信号源SG产生的N路控制信号。图3所示的N个控制信号，使得N个开关管的导通频率相同。
[0049]信号源SG包括N个信号输出端，所述信号源SG生成N路控制信号，每一路控制信号对应一信号输出端，所述N路控制信号的频率相同;所述信号源SG的N个信号输出端分别与N个所述开关管的控制端一一对应相连;所述信号源输出N路控制信号中至少N个输出高电平时刻是以所述LC串联谐振环的谐振周期为公差的等差数列，每一所述控制信号中的所述高电平的幅值大于等于被所述控制信号驱动的开关管的导通电压。
[0050]从图3中可以看出，每一路控制信号的高电平的持续时间相同，其他时间为低电平，在高电平持续时间内开关管处于导通状态，即高电平的持续时间即为开关管的导通时间，本申请实施例中，控制信号可以仅仅包括高电平信号，即开关管的控制端只要输入控制信号，开关管就处于导通状态，否则一直处于断开状态。当然，控制信号可以包括高电平信号和低电平信号。
[0051]由于每一路控制信号驱动一开关管，只要控制信号中的高电平信号的幅值大于等于其驱动的开关管的导通电压即可。控制信号可以为PWM信号、三角波、正弦波等等。
[0052]如图3所示，横坐标表示时间，从时间上看，依次输出控制信号SN，SN-1，…，S2，SI，反复循环输出上述控制信号，就可以轮流控制N个开关管的导通时间。
[0053]当然，各个开关管的导通频率可以不同，此时如图4所示，只要输出N个控制信号对应的至少N个输出高电平时刻，是以所述LC串联谐振环的谐振周期为公差的等差数列，SP可。
[0054]假设LC串联谐振环的谐振频率为50，N=49，那么可以让任一开关管的控制信号如控制信号SN所示。
[0055]LC串联谐振环在一个d时间内产生一次谐振。
[0056]信号源SG输出的N路控制信号的工作频率相同，但在一个LC串联谐振环的谐振周期内的同一时间上，只有一个信号输出端输出控制信号。
[0057]可选的，假设LC串联谐振环的谐振周期为d，信号源SG的每个信号输出端输出的控制信号使得开关管的导通时间不超过d/2，即控制信号的高电平时间不超过d/2。
[0058]可选的，控制信号通过需要经过驱动放大器放大后，才能推动开关管工作。信号源SG可以包括N个驱动放大器，所述信号源产生的每一路控制信号经由一所述驱动放大器输出，N个所述驱动放大器的输出端为所述信号源的N个信号输出端。
[0059]此时，上述“每一所述控制信号中的所述高电平的幅值大于等于被所述控制信号驱动的开关管的导通电压”中控制信号是指经驱动放大器后输出的控制信号。
[0060]信号源SG和N个驱动放大器可以共用一个低压电源。
[0061]如图5所示，为本申请实施例提供的包括开关电路的多控串联谐振电路又一实现方式的电路图。
[0062]SG表示信号源，S1、S2……SN是它产生的N路控制信号;A1、A2……AN分别表示N个驱动放大器;K1、K2……KN为N个开关管。其中，Kl、Κ2……KN可以为MOSFET或IGBT。信号源SG、驱动放大器可以共用一个低压电源Vd。信号源SG、驱动放大器、LC串联谐振环都共地。
[0063]如果信号源SG输出的控制信号的幅值足够大时，可以不用通过驱动放大器驱动开关管，可以直接驱动开关管导通和断开。
[0064]需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
[0065]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1.一种开关电路，其特征在于，应用于LC串联谐振环，所述LC串联谐振环包括谐振发射线圈和谐振电容，所述谐振发射线圈的一端与所述谐振电容的一端相连，所述谐振发射线圈的另一端与电源正极相连，所述谐振电容的另一端接地，所述开关电路包括: N个并联的开关管，N个所述开关管的第一端均与所述谐振电容的一端相连，N个所述开关管的第二端均与所述谐振电容的另一端相连，N为大于等于2的正整数； 其中，在同一时间，N个所述开关管中只有一个开关管处于导通状态，N个所述开关管的导通频率之和为所述LC串联谐振环的谐振频率，所述导通频率为所述开关管处于导通状态的频率。2.根据权利要求1所述开关电路，其特征在于，所述开关电路还包括: 信号源，所述信号源包括N个信号输出端，所述信号源生成N路控制信号，每一路所述控制信号对应一信号输出端； 所述信号源的N个信号输出端分别与N个所述开关管的控制端一一对应相连； 所述信号源输出N路控制信号中至少N个输出高电平时刻是以所述LC串联谐振环的谐振周期为公差的等差数列，每一所述控制信号中的所述高电平的幅值大于等于被所述控制信号驱动的开关管的导通电压。3.根据权利要求2所述开关电路，其特征在于，所述信号源还包括:N个驱动放大器，所述信号源产生的每一路控制信号经由一所述驱动放大器输出，N个所述驱动放大器的输出端为所述信号源的N个信号输出端。4.根据权利要求1所述开关电路，其特征在于，所述开关管为金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极晶体管IGBT。5.根据权利要求1所述开关电路，其特征在于，所述谐振电容为等效谐振电容、所述谐振发射线圈为等效谐振发射线圈和/或所述开关管为等效开关管。6.—种多控串联谐振电路，其特征在于，包括如权利要求1至6任一所述开关电路以及LC串联谐振环，所述LC串联谐振环包括谐振发射线圈和谐振电容，所述谐振发射线圈的一端与所述谐振电容的一端相连，所述谐振发射线圈的另一端与电源正极相连，所述谐振电容的另一端接地。
【文档编号】H02J50/12GK106026422SQ201610626845
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月3日
【发明人】徐宝华, 朱斯忠, 何智, 许向东
【申请人】中惠创智无线供电技术有限公司