(57)【要約】無線電力受信器が、インピーダンス整合ネットワークに結合され、インピーダンス整合ネットワークは、第１の出力ノードと、第２の出力ノードとを有する。第１の正のリアクタンスを伴う構成要素を有する第１の分岐および第１の負のリアクタンスを伴う構成要素を有する第２の分岐が、第１の出力ノードに結合され、第１の正のリアクタンスの絶対値は、第１の負のリアクタンスの絶対値と異なり、第２の正のリアクタンスを伴う構成要素を有する第３の分岐および第２の負のリアクタンスを伴う構成要素を有する第４の分岐が、第２の出力ノードに結合され、第２の正のリアクタンスの絶対値は、第２の負のリアクタンスの絶対値と異なる。
2019530395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線電力受信器であって、
インピーダンス整合ネットワークに結合される受信器共振器であって、前記インピーダンス整合ネットワークは、第１のノードと、第２のノードとを有する、受信器共振器と、
前記第１のノードに結合される、第１の正のリアクタンスを有する第１の分岐および第１の負のリアクタンスを有する第２の分岐であって、前記第１の正のリアクタンスの絶対値は、前記第１の負のリアクタンスの絶対値と異なる、第１の分岐および第２の分岐と、
前記第２のノードに結合される、第２の正のリアクタンスを伴う構成要素を有する第３の分岐および第２の負のリアクタンスを有する第４の分岐であって、前記第２の正のリアクタンスの絶対値は、前記第２の負のリアクタンスの絶対値と異なる、第３の分岐および第４の分岐と、
前記第１の分岐に結合される第１の整流器入力を有する第１の整流器と、
前記第２の分岐に結合される第２の整流器入力を有する第２の整流器と、
前記第３の分岐に結合される第３の整流器入力を有する第３の整流器と、
前記第４の分岐に結合される第４の整流器入力を有する第４の整流器と
を備える、無線電力受信器。
【請求項２】
第１の負のリアクタンスの絶対値は、前記第１の正のリアクタンスの絶対値と少なくとも４％異なり、前記第２の負のリアクタンスの絶対値は、前記第２の正のリアクタンスの絶対値と少なくとも４％異なる、請求項１に記載の無線電力受信器。
【請求項３】
前記第１の負のリアクタンスの絶対値は、前記第１の正のリアクタンスの絶対値と少なくとも１０％異なり、前記第２の負のリアクタンスの絶対値は、前記第２の正のリアクタンスの絶対値と少なくとも１０％異なる、請求項１に記載の無線電力受信器。
【請求項４】
前記無線電力受信器による電磁エネルギーの受信の間に、
第１の電流が、前記第１の分岐内に形成され、第２の電流が、前記第２の分岐内に形成され、前記第１の電流の大きさは、前記第２の電流の大きさの３０％以内であり、
第３の電流が、前記第３の分岐内に形成され、第４の電流が、前記第４の分岐内に形成され、前記第３の電流の大きさは、前記第４の電流の大きさの３０％以内であり、前記電流はそれぞれ、基本周波数ｆ０においておよび前記基本周波数ｆ０の少なくとも１つの高調波周波数ｆｈにおいて発振する、請求項１に記載の無線電力受信器。
【請求項５】
前記受信器は、Ｖｌｏｗ〜Ｖｈｉｇｈの電圧範囲を伴う電力をバッテリに送達するように構成され、前記バッテリは、前記第１および第２の整流器の出力に結合され、
Ｖｌｏｗ〜０．５（Ｖｌｏｗ＋Ｖｈｉｇｈ）の電圧に関して、（ｉ）前記第１の電流の大きさは、前記第２の電流の大きさの３０％以内であり、（ｉｉ）前記第３の電流の大きさは、前記第４の電流の大きさの３０％以内である、請求項１に記載の無線電力受信器。
【請求項６】
電圧Ｖｌｏｗに関して、前記第１の電流の大きさは、前記第２の電流の大きさの１０％以内であり、前記第３の電流の大きさは、前記第４の電流の大きさの１０％以内である、請求項５に記載の無線電力受信器。
【請求項７】
各整流器は、正の出力と、負の出力とを有し、前記整流器の正の出力は、第１の出力ノードを形成するように継合され、前記整流器の負の出力は、第２の出力ノードを形成するように継合される、請求項１に記載の無線電力受信器。
【請求項８】
前記第１の出力ノードおよび第２の出力ノードは、単一の負荷に結合される、請求項７に記載の無線電力受信器。
【請求項９】
前記第１の出力ノードおよび前記第２の出力ノードは、平滑コンデンサに結合され、前記平滑コンデンサは、負荷と並列に結合されるように構成される、請求項７に記載の無線電力受信器。
【請求項１０】
前記インピーダンス整合ネットワークは、前記無線電力受信器が前記基本周波数ｆ０の範囲に適応することができるように、前記第１のノードに結合される第１の同調可能要素と、前記第２のノードに結合される第２の同調可能要素とを備える、請求項１に記載の無線電力受信器。
【請求項１１】
前記第１の同調可能要素および第２の同調可能要素はそれぞれ、同調可能コンデンサを備える、請求項９に記載の無線電力受信器。
【請求項１２】
前記第１、第２、第３、および第４の整流器はそれぞれ、ハーフブリッジ整流器である、請求項１に記載の無線電力受信器。
【請求項１３】
前記第１の整流器および前記第３の整流器は、フルブリッジ整流器を形成するように結合され、前記第２および第４の整流器は、フルブリッジ整流器を形成するように結合される、請求項１に記載の無線電力受信器。
【請求項１４】
前記第１、第２、第３、および第４の整流器は、ダイオード整流器またはスイッチング整流器のいずれか一方である、請求項１に記載の無線電力受信器。
【請求項１５】
前記第１の分岐および前記第３の分岐はそれぞれ、第１のインダクタと、第１のコンデンサとを備え、前記第１のインダクタのリアクタンス値の絶対値は、前記第１のコンデンサのリアクタンス値の絶対値を上回る、請求項１に記載の無線電力受信器。
【請求項１６】
前記第２の分岐および前記第４の分岐はそれぞれ、第２のインダクタと、第２のコンデンサとを備え、前記第２のインダクタのリアクタンス値の絶対値は、前記第２のコンデンサのリアクタンス値の絶対値を下回る、請求項１５に記載の無線電力受信器。
【請求項１７】
前記第１のインダクタのインダクタンス値は、前記第２のインダクタのインダクタンス値に略等しい、請求項１６に記載の無線電力受信器。
【請求項１８】
前記基本周波数ｆ０は、８５ｋＨｚである、請求項１に記載の無線電力受信器。
【請求項１９】
前記基本周波数ｆ０は、６．７８ＭＨｚである、請求項１に記載の無線電力受信器。
【請求項２０】
車両充電システムであって、
無線電力受信器であって、
インピーダンス整合ネットワークに結合される受信器共振器であって、前記インピーダンス整合ネットワークは、第１のノードと、第２のノードとを有する、受信器共振器と、
前記第１のノードに結合される、第１の正のリアクタンスを伴う構成要素を有する第１の分岐および第１の負のリアクタンスを備える第２の分岐であって、前記第１の正のリアクタンスの絶対値は、前記第１の負のリアクタンスの絶対値と異なる、第１の分岐および第２の分岐と、
前記第２のノードに結合される、第２の正のリアクタンスを伴う構成要素を有する第３の分岐および第２の負のリアクタンスを有する第４の分岐であって、前記第２の正のリアクタンスの絶対値は、前記第２の負のリアクタンスの絶対値と異なる、第３の分岐および第４の分岐と、
前記第１の分岐に結合される第１の整流器入力を有する第１の整流器と、
前記第２の分岐に結合される第２の整流器入力を有する第２の整流器と
を備える、無線電力受信器と、
第１の出力ノードおよび第２の出力ノードに結合される車両バッテリであって、前記第１の出力ノードは、前記第１の整流器の出力および前記第３の整流器の出力から形成され、前記第２の出力ノードは、前記第２の整流器の出力および前記第４の整流器の出力から形成される、車両バッテリと
を備える、車両充電システム。
【請求項２１】
前記第１の負のリアクタンスの絶対値は、前記第１の正のリアクタンスの絶対値の少なくとも４％であり、前記第２の負のリアクタンスの絶対値は、前記第２の正のリアクタンスの絶対値の少なくとも４％である、請求項１に記載の車両充電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１６年８月２４日に出願され“Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ｐｏｗｅｒ  ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ  ｈａｖｉｎｇ  ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ  ｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ”と題された米国仮特許出願第６２／３７９，０４２号、および２０１６年１０月２５日に出願され“Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ｐｏｗｅｒ  ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ  ｈａｖｉｎｇ  ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ  ｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ”と題された米国仮特許出願第６２／４１２，５９５号に対する優先権を主張するものであり、これらの開示の全体は、参照により本明細書中に援用される。
【０００２】
本開示は、概して、無線電力システムに関し、より具体的には、本開示は、無線電力システム内の無線電力受信器のための整流器に関する。
【背景技術】
【０００３】
無線電力システムは、大きい電圧範囲を有するバッテリを充電するために使用されることができる。無線電力送信器から受信器への効率的な電力送信における主な難題は、大きい電圧範囲に応答するように整合される必要のあるインピーダンスの範囲である。さらに、実践的な無線電力システムには、無線電力システムの受信器内の振動エネルギーの基本周波数に関連する、著しい量の高調波成分が、存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
１つの実施形態によると、無線電力受信器は、インピーダンス整合ネットワークに結合される受信器共振器であって、インピーダンス整合ネットワークは、第１のノードと、第２のノードとを有する、受信器共振器を含む。第１の正のリアクタンスを有する第１の分岐および第１の負のリアクタンスを有する第２の分岐が、第１のノードに結合され、第１の正のリアクタンスの絶対値は、第１の負のリアクタンスの絶対値と異なり、第２の正のリアクタンスを有する第３の分岐および第２の負のリアクタンスを有する第４の分岐が、第２のノードに結合され、第２の正のリアクタンスの絶対値は、第２の負のリアクタンスの絶対値と異なる。受信器は、第１の分岐に結合される第１の整流器入力を有する、第１の整流器と、第２の分岐に結合される第２の整流器入力を有する、第２の整流器と、第３の分岐に結合される第３の整流器入力を有する、第３の整流器と、第４の分岐に結合される第４の整流器入力を有する、第４の整流器とをさらに含む。
【０００５】
関連実施形態では、第１の負のリアクタンスの絶対値は、第１の正のリアクタンスの絶対値と少なくとも４％異なり、第２の負のリアクタンスの絶対値は、第２の正のリアクタンスの絶対値と少なくとも４％異なる。随意に、第１の負のリアクタンスの絶対値は、第１の正のリアクタンスの絶対値と少なくとも１０％異なり、第２の負のリアクタンスの絶対値は、第２の正のリアクタンスの絶対値と少なくとも１０％異なる。随意に、第１の負のリアクタンスの絶対値は、第１の正のリアクタンスの絶対値と少なくとも２０％異なり、第２の負のリアクタンスの絶対値は、第２の正のリアクタンスの絶対値と少なくとも２０％異なる。
【０００６】
別の関連実施形態では、無線電力受信器による電磁エネルギーの受信の間に、第１の電流が、第１の分岐内に形成され、第２の電流が、第２の分岐内に形成され、第１の電流の大きさは、第２の電流の大きさの３０％以内であり、第３の電流が、第３の分岐内に形成され、第４の電流が、第４の分岐内に形成され、第３の電流の大きさは、第４の電流の大きさの３０％以内であり、電流はそれぞれ、基本周波数ｆ０および基本周波数の少なくとも１つの高調波周波数ｆｈで発振する。
【０００７】
さらに別の関連実施形態では、受信器は、Ｖｌｏｗ〜Ｖｈｉｇｈの電圧範囲を伴う電力をバッテリに送達するように構成され、バッテリは、第１および第２の整流器の出力に結合され、Ｖｌｏｗ〜０．５（Ｖｌｏｗ＋Ｖｈｉｇｈ）の電圧に関して、（ｉ）第１の電流の大きさは、第２の電流の大きさの３０％以内であり、（ｉｉ）第３の電流の大きさは、第４の電流の大きさの３０％以内である。随意に、電圧Ｖｌｏｗに関して、第１の電流の大きさは、第２の電流の大きさの１０％以内であり、第３の電流の大きさは、第４の電流の大きさの１０％以内である、請求項４に記載の無線電力受信器。
【０００８】
関連実施形態では、各整流器は、正の出力と、負の出力とを有し、整流器の正の出力は、第１の出力ノードを形成するように継合され、整流器の負の出力は、第２の出力ノードを形成するように継合される。随意に、第１の出力ノードおよび第２の出力ノードは、単一の負荷に結合される。別の関連実施形態では、第１の出力ノードおよび第２の出力ノードは、平滑コンデンサに結合され、平滑コンデンサは、負荷と並列に結合されるように構成される。
【０００９】
別の関連実施形態では、インピーダンス整合ネットワークは、無線電力受信器が基本周波数ｆ０の範囲に適応することができるように、第１のノードに結合される第１の同調可能要素と、第２のノードに結合される第２の同調可能要素とを含む。随意に、第１の同調可能要素および第２の同調可能要素はそれぞれ、同調可能コンデンサを備える。
【００１０】
関連実施形態では、第１、第２、第３、および第４の整流器はそれぞれ、ハーフブリッジ整流器である。随意に、第１の整流器および第３の整流器は、フルブリッジ整流器を形成するように結合され、第２および第４の整流器は、フルブリッジ整流器を形成するように結合される。随意に、第１、第２、第３、および第４の整流器は、ダイオード整流器またはスイッチング整流器のいずれか一方である。
【００１１】
別の関連実施形態では、第１の分岐および第３の分岐はそれぞれ、第１のインダクタと、第１のコンデンサとを備え、第１のインダクタのリアクタンス値の絶対値は、第１のコンデンサのリアクタンス値の絶対値を上回る。随意に、第２の分岐および第４の分岐はそれぞれ、第２のインダクタと、第２のコンデンサとを備え、第２のインダクタのリアクタンス値の絶対値は、第２のコンデンサのリアクタンス値の絶対値を下回る。
【００１２】
さらに別の関連実施形態では、第１のインダクタのインダクタンス値は、第２のインダクタのインダクタンス値に略等しい。随意に、基本周波数ｆ０は、８５ｋＨｚである。随意に、または代替として、基本周波数ｆ０は、６．７８ＭＨｚである。
【００１３】
別の実施形態によると、車両充電システムは、インピーダンス整合ネットワークに結合される受信器共振器であって、インピーダンス整合ネットワークは、第１のノードと、第２のノードとを有する、受信器共振器を有する、無線電力受信器を含む。第１の正のリアクタンスを有する第１の分岐および第１の負のリアクタンスを備える第２の分岐が、第１のノードに結合され、第１の正のリアクタンスの絶対値は、第１の負のリアクタンスの絶対値と異なり、第２の正のリアクタンスを有する第３の分岐および第２の負のリアクタンスを有する第４の分岐が、第２のノードに結合され、第２の正のリアクタンスの絶対値は、第２の負のリアクタンスの絶対値と異なる。受信器は、第１の分岐に結合される第１の整流器入力を有する、第１の整流器と、第２の分岐に結合される第２の整流器入力を有する、第２の整流器と、第３の分岐に結合される第３の整流器入力を有する、第３の整流器と、第４の分岐に結合される第４の整流器入力を有する、第４の整流器とをさらに含む。車両充電システムは、第１の出力ノードおよび第２の出力ノードに結合される車両バッテリであって、第１の出力ノードは、第１の整流器の出力および第３の整流器の出力から形成され、第２の出力ノードは、第２の整流器の出力および第４の整流器の出力から形成される、車両バッテリをさらに含む。
【００１４】
関連実施形態では、第１の負のリアクタンスの絶対値は、第１の正のリアクタンスの絶対値と少なくとも４％異なり、第２の負のリアクタンスの絶対値は、第２の正のリアクタンスの絶対値と少なくとも４％異なる。随意に、第１の負のリアクタンスの絶対値は、第１の正のリアクタンスの絶対値と少なくとも１０％異なり、第２の負のリアクタンスの絶対値は、第２の正のリアクタンスの絶対値と少なくとも１０％異なる。随意に、第１の負のリアクタンスの絶対値は、第１の正のリアクタンスの絶対値と少なくとも２０％異なり、第２の負のリアクタンスの絶対値は、第２の正のリアクタンスの絶対値と少なくとも２０％異なる。
【００１５】
別の関連実施形態では、無線電力受信器による電磁エネルギーの受信の間に、第１の電流が、第１の分岐内に形成され、第２の電流が、第２の分岐内に形成され、第１の電流の大きさは、第２の電流の大きさの３０％以内であり、第３の電流が、第３の分岐内に形成され、第４の電流が、第４の分岐内に形成され、第３の電流の大きさは、第４の電流の大きさの３０％以内であり、電流はそれぞれ、基本周波数ｆ０および基本周波数の少なくとも１つの高調波周波数ｆｈで発振する。
【００１６】
さらに別の関連実施形態では、受信器は、Ｖｌｏｗ〜Ｖｈｉｇｈの電圧範囲を伴う電力をバッテリに送達するように構成され、バッテリは、第１および第２の整流器の出力に結合され、Ｖｌｏｗ〜０．５（Ｖｌｏｗ＋Ｖｈｉｇｈ）の電圧に関して、（ｉ）第１の電流の大きさは、第２の電流の大きさの３０％以内であり、（ｉｉ）第３の電流の大きさは、第４の電流の大きさの３０％以内である。随意に、電圧Ｖｌｏｗに関して、第１の電流の大きさは、第２の電流の大きさの１０％以内であり、第３の電流の大きさは、第４の電流の大きさの１０％以内である、請求項４に記載の無線電力受信器。
【００１７】
関連実施形態では、各整流器は、正の出力と、負の出力とを有し、整流器の正の出力は、第１の出力ノードを形成するように継合され、整流器の負の出力は、第２の出力ノードを形成するように継合される。随意に、第１の出力ノードおよび第２の出力ノードは、単一の負荷に結合される。別の関連実施形態では、第１の出力ノードおよび第２の出力ノードは、平滑コンデンサに結合され、平滑コンデンサは、負荷と並列に結合されるように構成される。
【００１８】
別の関連実施形態では、インピーダンス整合ネットワークは、無線電力受信器が基本周波数ｆ０の範囲に適応することができるように、第１のノードに結合される第１の同調可能要素と、第２のノードに結合される第２の同調可能要素とを含む。随意に、第１の同調可能要素および第２の同調可能要素はそれぞれ、同調可能コンデンサを備える。
【００１９】
関連実施形態では、第１、第２、第３、および第４の整流器はそれぞれ、ハーフブリッジ整流器である。随意に、第１の整流器および第３の整流器は、フルブリッジ整流器を形成するように結合され、第２および第４の整流器は、フルブリッジ整流器を形成するように結合される。随意に、第１、第２、第３、および第４の整流器は、ダイオード整流器またはスイッチング整流器のいずれか一方である。
【００２０】
別の関連実施形態では、第１の分岐および第３の分岐はそれぞれ、第１のインダクタと、第１のコンデンサとを備え、第１のインダクタのリアクタンス値の絶対値は、第１のコンデンサのリアクタンス値の絶対値を上回る。随意に、第２の分岐および第４の分岐はそれぞれ、第２のインダクタと、第２のコンデンサとを備え、第２のインダクタのリアクタンス値の絶対値は、第２のコンデンサのリアクタンス値の絶対値を下回る。
【００２１】
さらに別の関連実施形態では、第１のインダクタのインダクタンス値は、第２のインダクタのインダクタンス値に略等しい。随意に、基本周波数ｆ０は、８５ｋＨｚである。随意に、または代替として、基本周波数ｆ０は、６．７８ＭＨｚである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
当業者は、すぐ下に要約される図面を参照して議論される、以下の「発明を実施するための形態」から、種々の実施形態の利点をより完全に理解されるはずである。
【００２３】
【図１】図１は、交互配置された整流器を有する無線電力受信器を含む、例示的無線電力システムの図である。
【図２】図２は、交互配置された整流器を有する無線電力受信器の、例示的回路実装の図である。
【図３】図３は、交互配置された整流器を有する無線電力受信器の、例示的回路実装の概略図である。
【図４】図４は、交互配置された整流器を有する、無線電力受信器の一部の例示的実施形態の概略図である。
【図５Ａ】図５Ａは、無線電力受信器の整合ネットワーク内のインダクタＬ４Ａ、Ｌ４Ｂ、Ｌ４Ｃ、およびＬ４Ｄのうちの２つ以上のものに対して使用されることができる、統合インダクタの例示的実施形態の図である。図５Ｂは、無線電力受信器の整合ネットワーク内の４つのインダクタＬ４Ａ、Ｌ４Ｃ、Ｌ４Ｂ、およびＬ４Ｄに対して使用されることができる、統合インダクタの例示的実施形態の図である。
【図５Ｂ】図５Ａは、無線電力受信器の整合ネットワーク内のインダクタＬ４Ａ、Ｌ４Ｂ、Ｌ４Ｃ、およびＬ４Ｄのうちの２つ以上のものに対して使用されることができる、統合インダクタの例示的実施形態の図である。図５Ｂは、無線電力受信器の整合ネットワーク内の４つのインダクタＬ４Ａ、Ｌ４Ｃ、Ｌ４Ｂ、およびＬ４Ｄに対して使用されることができる、統合インダクタの例示的実施形態の図である。
【図６Ａ】図６Ａは、例示的無線電力受信器内に非補償リアクタンスを有するインピーダンス整合ネットワーク内の、電流レベルのプロット図である。図６Ｂは、例示的無線電力受信器内に補償リアクタンスを有するインピーダンス整合ネットワーク内の、電流レベルのプロット図である。
【図６Ｂ】図６Ａは、例示的無線電力受信器内に非補償リアクタンスを有するインピーダンス整合ネットワーク内の、電流レベルのプロット図である。図６Ｂは、例示的無線電力受信器内に補償リアクタンスを有するインピーダンス整合ネットワーク内の、電流レベルのプロット図である。
【図７Ａ】図７Ａは、種々の構成の非補償リアクタンスおよび補償リアクタンスを有する受信器に対するバッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての、入力抵抗Ｒｉｎのプロット図である。図７Ｂは、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての入力リアクタンスＸｉｎのプロット図である。図７Ｃは、種々の構成の非補償リアクタンスおよび補償リアクタンスを有する受信器に対するバッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての、入力抵抗Ｒｉｎのプロット図である。図７Ｄは、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての入力リアクタンスＸｉｎのプロット図である。
【図７Ｂ】図７Ａは、種々の構成の非補償リアクタンスおよび補償リアクタンスを有する受信器に対するバッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての、入力抵抗Ｒｉｎのプロット図である。図７Ｂは、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての入力リアクタンスＸｉｎのプロット図である。図７Ｃは、種々の構成の非補償リアクタンスおよび補償リアクタンスを有する受信器に対するバッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての、入力抵抗Ｒｉｎのプロット図である。図７Ｄは、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての入力リアクタンスＸｉｎのプロット図である。
【図７Ｃ】図７Ａは、種々の構成の非補償リアクタンスおよび補償リアクタンスを有する受信器に対するバッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての、入力抵抗Ｒｉｎのプロット図である。図７Ｂは、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての入力リアクタンスＸｉｎのプロット図である。図７Ｃは、種々の構成の非補償リアクタンスおよび補償リアクタンスを有する受信器に対するバッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての、入力抵抗Ｒｉｎのプロット図である。図７Ｄは、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての入力リアクタンスＸｉｎのプロット図である。
【図７Ｄ】図７Ａは、種々の構成の非補償リアクタンスおよび補償リアクタンスを有する受信器に対するバッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての、入力抵抗Ｒｉｎのプロット図である。図７Ｂは、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての入力リアクタンスＸｉｎのプロット図である。図７Ｃは、種々の構成の非補償リアクタンスおよび補償リアクタンスを有する受信器に対するバッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての、入力抵抗Ｒｉｎのプロット図である。図７Ｄは、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての入力リアクタンスＸｉｎのプロット図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
例証的実施形態では、無線電力システムは、交互配置された整流器を有する受信器を含む。さらに、これらの無線電力受信器は、受信要素からのエネルギーを負荷に効率的に結合させる構成要素を含む。整流器は、典型的には、直流電流または定電圧を要求する負荷のために要求される。交互配置された整流器は、下記に詳述されるように、無線電力システム内に複数の利点を有し得る。これらの利点のいくつかは、（ｉ）無線電力システムが被る負荷インピーダンスの範囲の低減、（ｉｉ）無線電力送信器によって送信される完全および低減電力レベルにおける効率に対する改良、（ｉｉｉ）送信器が離調されるときの容易なシステム制御、（ｉｖ）  それらがない構成要素と比較した無線電力システム内の構成要素の保守またはそれらの占有面積の低減、（ｖ）広範囲のバッテリ電圧にわたる効率に対する改良、および／または（ｖｉ）整流器構成要素上の応力の低減を含む。例示的実施形態の詳細は、以下に議論される。
【００２５】
図１は、下記により完全に説明されるような、交互配置された整流器を有する無線電力受信器を含む、無線電力システム１００の例示的実施形態の高レベル機能ブロック図である。例えば、ＡＣ／ＤＣコンバータブロック１０２内でＤＣに変換される、システムへの入力電力は、壁面コンセント（ＡＣ電源）によって提供されることができる。代替として、ＤＣ電圧が、バッテリまたは他のＤＣ供給源から直接的に提供されることができる。いくつかの実施形態では、ＡＣ／ＤＣコンバータブロック１０２は、力率補正（ＰＦＣ）段であってもよい。ＰＦＣは、（例えば、５０または６０Ｈｚの）ＡＣ入力のＤＣへの変換に加え、電流が電圧に実質的に同調するように電流を調整することができる。高効率スイッチングインバータまたは増幅器１０４は、ＤＣ電圧を、送信共振器１０６を駆動するために使用されるＡＣ電圧波形に変換する。いくつかの実施形態では、ＡＣ電圧波形の周波数は、８０〜９０ｋＨｚの範囲内であってもよい。いくつかの実施形態では、ＡＣ電圧波形の周波数は、１０ｋＨｚ〜１５ＭＨｚの範囲内であってもよい。１つの特定の実施形態では、ＡＣ電圧波形の周波数は、ＦＣＣおよびＣＩＳＰＲ規制に起因する１５ｋＨｚ帯域内で変動し得る、約６．７８ＭＨｚである。これらの例示的周波数は、無線電力システムの「動作周波数」と称されてもよい。
【００２６】
例示的システム１００では、送信器インピーダンス整合ネットワーク（Ｔｘ  ＩＭＮ）１０８が、インバータ１０４出力を送信共振器１０６に効率的に結合させ、効率的なスイッチング増幅器動作を可能にすることができる。クラスＤまたはＥのスイッチング増幅器は、多くの用途において好適であり、かつ最大効率の誘導負荷インピーダンスを要求し得る。Ｔｘ  ＩＭＮ１０８は、送信共振器インピーダンスをインバータ１０４に対するそのようなインピーダンスに変換する。送信共振器インピーダンスは、例えば、受信器共振器１１０および／または出力負荷に結合することによって負荷されることができる。送信共振器１０６によって生成される磁場は、受信器共振器１１０に結合し、それによって、受信器共振器１１０内に電圧を誘発する。このエネルギーは、受信器共振器１１０から外に結合され、例えば、直接的に負荷に電力供給する、またはバッテリを充電することができる。受信器インピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ）１１２は、受信器共振器１１０からのエネルギーを負荷１１４に効率的に結合させ、かつ送信共振器１０６と受信器共振器１１０との間の電力伝達を最適化するために使用されることができる。それは、実際の負荷インピーダンスを、最適な効率で負荷をより緊密に整合させる受信器共振器１１０によって把握される実効負荷インピーダンスに変換し得る。直流電流または（また、ＤＣ電圧としても公知である）定電圧を要求する負荷に対して、整流器１１６は、受信されたＡＣ電力をＤＣに変換する。実施形態では、送信器１１８および受信器１２０はそれぞれ、フィルタ、センサ、および他の構成要素をさらに含む。
【００２７】
インピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ）１０８、１１２は、所望される周波数（例えば、８０〜９０ｋＨｚ、１００〜２００ｋＨｚ、６．７８ＭＨｚ）で負荷１１４に送達される電力を最大にする、または電力伝達効率を最大にするために設計されることができる。ＩＭＮ１０８、１１２内のインピーダンス整合構成要素は、共振器１０６、１１０の高いＱ値（Ｑ）を維持するように選定かつ接続されることができる。
【００２８】
ＩＭＮ（１０８、１１２）の構成要素は、例えば、コンデンサまたはコンデンサのネットワーク、インダクタまたはインダクタのネットワーク、または種々の組み合わせのコンデンサ、インダクタ、ダイオード、スイッチ、およびレジスタを含むことができる。ＩＭＮの構成要素は、調節可能かつ／または可変型であり得、システムの効率および動作点に影響を及ぼすように制御されることができる。インピーダンス整合は、静電容量を変動させる、インダクタンスを変動させる、共振器の接続点を制御する、磁性材料の透磁率を調整する、バイアス場を制御する、励起周波数を調整する、および同等事項を行うことによって修正されることができる。固定周波数、固定入力電圧等を伴う（例えば、固定インダクタンス、固定静電容量等の）固定整合を伴うシステムは、いくつかの動作条件においてインピーダンス整合を達成することができることを理解されたい。周波数、入力電圧、または構成要素の有効値を変動させることは、整合および／または出力を変更し得る。インピーダンス整合は、任意の数または組み合わせのバラクタ、バラクタアレイ、スイッチ要素、コンデンサバンク、スイッチおよび同調可能要素、逆バイアスダイオード、エアギャップコンデンサ、圧縮コンデンサ、ジルコニウム酸チタン酸バリウム（ＢＺＴ）電気的同調コンデンサ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）同調可能コンデンサ、電圧可変誘電体、変圧器結合同調回路、および同等物を使用するまたは含むことができる。可変型の構成要素は、機械的に同調、熱的に同調、電気的に同調、圧電的に同調、かつ同等状態に同調されることができる。インピーダンス整合の要素は、シリコンデバイス、窒化ガリウムデバイス、炭化硅素デバイス、および同等物であり得る。要素は、高電流、高電圧、高電力、または電流、電圧、および電力の任意の組み合わせに耐えるように選定される。要素は、高Ｑ値の要素であるように選定される。
【００２９】
送信器および／または受信器インピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ）は、インピーダンスを有する種々の構成要素を伴う幅広い回路実装を有し、特定用途の必要性を満足することができることを理解されたい。Ｋｅｓｌｅｒ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第８，４６１，７１９号（参照することによって本明細書に組み込まれる）は、例えば、図２８ａ−３７ｂ等の種々の同調可能インピーダンスネットワークを開示する。任意の実践的な数のスイッチコンデンサが、源および／またはデバイス側面上で使用され、所望される動作特性を提供し得ることをさらに理解されたい。
【００３０】
図２は、交互配置された整流器を有する無線電力受信器の、例示的実装のブロック図を示す。受信器は、平衡電子構成要素２０２Ａ、２０２Ｂを有するインピーダンス整合ネットワーク（ＩＭＮ）に結合される、共振器１１０を含む。いくつかの実施形態では、これらの電子構成要素２０２Ａ、２０２Ｂは、同調可能コンデンサおよび／またはインダクタを含み得る。これらの構成要素は、平衡電子構成要素を有する交互配置された整流器の第１の段２０４に接続される。
【００３１】
平衡構成要素は、例えば、駆動回路の摂動に起因して存在し得る、任意のコモンコード信号を拒否するために重要であり得る。上部分岐（２０４Ａおよび２０４Ｃ）がそれぞれ、正のリアクタンス＋ｊＸ１および＋ｊＸ３を有し、底部分岐（２０４Ｂおよび２０４Ｄ）がそれぞれ、負のリアクタンス−ｊＸ２およびｊＸ４を有することに留意されたい。第１の段２０４の正のリアクタンス＋ｊＸ（−ｊＸ１、＋ｊＸ３）分岐２０４Ａ、２０４Ｃが、交互配置された整流器の第２の段２０６の第１の整流器２０６Ａに接続される。第２の段２０４の負のリアクタンス−ｊＸ（−ｊＸ２、−ｊＸ４）分岐２０４Ｂ、２０４Ｄが、交互配置された整流器の第２の段２０６の第２の整流器２０６Ｂに接続される。いくつかの実施形態では、正および負のリアクタンス値の絶対値が、相互に等しくてもよいことに留意されたい。他の実施形態では、正のリアクタンスの絶対値は、負のリアクタンスの絶対値を上回るまたは下回ってもよい。下記により完全に説明されるように、これらの整流器２０６Ａ、２０６Ｂの出力が、ともに追加され、バッテリまたはバッテリ管理装置等の負荷１１４に接続する。「交互配置された整流」の結果が、可能性として相互に位相を異にし得る整流信号の再合成に有利であることに留意されたい。これは、合成信号に対して平滑作用をもたらし得る。
【００３２】
いくつかの例示的無線電力システムでは、スイッチングインバータ１０４は、基本周波数ｆ０自体に加え、基本周波数ｆ０の１つ以上の高調波周波数ｆｈにおいて交流電流または振動電圧を生成することができる。基本周波数ｆ０に加え、１つ以上の高調波周波数ｆｈにおけるエネルギーが、送信器から受信器に伝搬する。例えば、８５  ｋＨｚの周波数に関して、送信器によって受信器内に誘発された電流が、周波数ｆ０＝８５ｋＨｚおよび高調波周波数ｆｈ１＝１７０ｋＨｚ、ｆｈ２＝２５５ｋＨｚ、ｆｈ３＝３４０ｋＨｚ等で発振する。いくつかの例示的システムでは、受信器内の構成要素は、高調波周波数ｆｈで発振するエネルギーを受信器内で伝搬させることができる。いくつかの実施形態では、（基本周波数ｆ０に加えて）これらの高調波周波数ｆｈにおけるエネルギーの伝搬は、基本周波数ｆ０のみでの動作と比較して、受信器の構成要素を予想外に挙動させ得る。例えば、受信器内のインダクタおよびコンデンサ等の構成要素は、基本周波数ｆ０＝８５ｋＨｚでの動作の間にあるインピーダンスを有するように選択され得るが、回路が、基本周波数ｆ０＝８５ｋＨｚに加えてｆｈ１＝１７０ｋＨｚ（および／または他の高調波）の電流を搬送するとき、著しく異なるインピーダンスを呈し得る。したがって、それは、受信器の構成要素が、受信器回路内のインピーダンスが適切に整合され、かつ送信器が予期される反射インピーダンスをもたらされるように同調されるために有利である。
【００３３】
例示的実施形態では、上記の難題に対処するために、リアクティブ成分は、非平衡にされ、高調波成分に起因するインピーダンス誤整合を軽減させることができる。言い換えると、正のリアクタンス分岐＋ｊＸ１のリアクタンスＸ１は、負のリアクタンス分岐−ｊＸ２内のリアクタンスＸ２と異なるように構成されることができる。故に、図２に示される例示的構成では、リアクタンスは、以下のように構成されるであろう。
【化１】
2019530395.tif 000003
【００３４】
いくつかの実施形態では、Ｘ１とＸ２との間の差は、Ｘ１およびＸ２のより高い方の少なくとも４％であり得る。他の実施形態では、Ｘ１とＸ２との間の差は、Ｘ１およびＸ２のより高い方の少なくとも１％であり得る。さらに他の実施形態では、Ｘ１とＸ２との間の差は、Ｘ１およびＸ２のより高い方の少なくとも５％であり得る。これらの範囲が、Ｘ３とＸ４との間の差にも適用され得ることに留意されたい。いくつかの実施形態では、Ｘ１とＸ２との間の差ｄ（Ｘ１，Ｘ２）は、Ｘ３とＸ４との間の差ｄ（Ｘ３，Ｘ４）と略同一である。
【００３５】
【化２】
2019530395.tif 000004
【００３６】
不平衡リアクタンスは、無線電力システムの動作の間に受信器の分岐を通してより良好な平衡電流をもたらす。上記に説明された構成への別の重要な利点は、受信器内のインダクタ、すなわち、交互配置された整流器内のインダクタ内のピーク電流の低減である。ピーク電流の低減はまた、受信器のインダクタおよび／または他の構成要素内の大きい電流から生じ得る、任意の熱的課題を軽減させる。
【００３７】
図３は、交互配置された整流器を有する無線電力受信器の、例示的実装の概略図である。受信器は、コンデンサＣ１ＡおよびコンデンサＣ１Ｂに直列に接続され、かつコンデンサＣ２に並列に接続される、インダクタＬ１を含む。同調可能コンデンサＣ３Ａ’’に直列に接続される固定コンデンサＣ３Ａ’およびコンデンサＣ３Ｂ’’に直列に接続される固定コンデンサＣ３Ｂ’が、ノードＮ１およびＮ２のそれぞれに接続される（同調可能コンデンサに関しては上記の実施例参照）。上部分岐上の１つ以上の構成要素が、底部分岐上の同一または同様の値の１つ以上の構成要素と平衡状態にあることに留意されたい。例えば、コンデンサＣ１Ａは、コンデンサＣ１Ｂと平衡状態である。第１の分岐と、第２の分岐とを含む上部３０４が、ノードＮ３に接続される。第１の分岐が、コンデンサＣ４Ａに接続されるインダクタＬ４Ａを含み、第２の分岐が、コンデンサＣ４Ｂに接続されるインダクタＬ４Ｂを含む。インダクタおよびコンデンサが、相互に直列または並列に接続され得ることに留意されたい。第１の分岐では、正のリアクタンスを達成するために、動作周波数におけるインダクタＬ４Ａのリアクタンスは、コンデンサＣ４Ａのリアクタンスを上回ってもよい。第２の分岐では、負のリアクタンスを達成するために、動作周波数におけるインダクタＬ４Ｂのリアクタンスは、コンデンサＣ４Ｂのリアクタンスを下回ってもよい。
【００３８】
第３の分岐と、第４の分岐とを含む、底部３０６が、ノードＮ４に接続される。第３の分岐が、コンデンサＣ４Ｃに接続されるインダクタＬ４Ｃを含み、第４の分岐が、コンデンサＣ４Ｄに接続されるインダクタＬ４Ｄを含む。インダクタおよびコンデンサが、相互に直列または並列に接続され得ることに留意されたい。例えば、コンデンサＣ４に直列に接続されるインダクタＬ４は、フィルタを作成し、所望される周波数を伴う電流を整流器の入力まで通過させる。第３の分岐では、正のリアクタンスを達成するために、動作周波数におけるインダクタＬ４Ｃのリアクタンスは、コンデンサＣ４Ｃのリアクタンスを上回ってもよい。第４の分岐では、負のリアクタンスを達成するために、動作周波数におけるインダクタＬ４Ｄのリアクタンスは、コンデンサＣ４Ｄのリアクタンスを下回ってもよい。インダクタＬ４および／またはコンデンサＣ４のうちの任意のものが、同調可能構成要素を含み得ることに留意されたい。
【００３９】
第１の分岐の出力が、第１の整流器Ｒｅｃ１の入力Ｉ１に接続され、第２の分岐の出力が、Ｒｅｃ１の入力Ｉ２に接続される。第３の分岐の出力が、第２の整流器Ｒｅｃ２の入力Ｉ３に接続され、第４の分岐の出力が、Ｒｅｃ２の入力Ｉ４に接続される。整流器がそれぞれ、ハーフブリッジ、フルブリッジ、受動的（ダイオード）、または能動的（スイッチング）タイプの整流器であり得ることに留意されたい。実施形態では、１０、１５、２０ｋＷを上回る出力を伴う無線電力システムが、スイッチング整流器を使用し、負荷への高効率の電力供給を維持し得る。言い換えると、ある電力レベルにおいて、ダイオード整流器は、非常に高い電力レベルと同程度に効率的に動作し得ない場合がある。
【００４０】
整流器Ｒｅｃ２の出力Ｏ３は、出力Ｏ１およびＯ３が電気的に追加されるようにノードＮ５に接続される。整流器Ｒｅｃ２の出力Ｏ４は、出力Ｏ２およびＯ４が電気的に追加されるようにノードＮ６に接続される。（ノードＮ５における）合成出力Ｏ１＋Ｏ３および（ノードＮ６における）合計出力Ｏ２＋Ｏ４が、平滑コンデンサＣ５に接続される。バッテリまたはバッテリ管理装置等の負荷１１４が、平滑コンデンサＣ５に並列に接続される。整流器Ｒｅｃ１およびＲｅｃ２の構成が、図３の２つのフルブリッジ整流器としてもたらされることに留意されたい。この２つのフルブリッジ整流器構成は、図４に描写される４つのハーフブリッジ整流器と電気的に同等である。言い換えると、対（２つ）のハーフブリッジ整流器が、ともに結合され、フルブリッジ整流器構成を形成することができる。
【００４１】
図４は、交互配置された整流器を有する、無線電力受信器の一部の例示的実施形態の図である。交互配置された整流器の入力において確認されるインピーダンスＺＩＮ＝ＲＩＮは、負荷インピーダンスＺＤＣ＝ＲＤＣおよび特性インピーダンスＸの関数である。図４に示される実施例では、リアクタンスＸ４Ａ＝Ｘ４Ｃ＝ＸかつＸ４Ｂ＝Ｘ４Ｄ＝−Ｘである。整流器への入力インピーダンスは、負荷インピーダンスの関数として、負荷インピーダンスが
【化３】
2019530395.tif 000005
に等しいとき、最小値を有し、より小さいおよびより大きい負荷インピーダンスに対して増加する。特性インピーダンスＸが、
【化４】
2019530395.tif 000006
が最小負荷インピーダンスと最大負荷インピーダンスとの間にあるように選定される、例えば、中間点の近傍で選定される場合、入力インピーダンスは、出力インピーダンスより小さい範囲にわたって変動し得る。実施例では、最小および最大の負荷インピーダンスは、最小および最大のバッテリ電圧マーカ２８０Ｖおよび４５０Ｖによって示される。これは、交互配置された整流器の重要な利点である、すなわち、交互配置された整流器に結合される回路によって確認される、インピーダンスの範囲を低減させ得る。いくつかの実施形態では、ダイオード構成４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、および４０２ｄがそれぞれ、ハーフブリッジ整流器として動作され得ることに留意されたい。
【００４２】
下記は、理想的な抵抗圧縮装置に対する負荷インピーダンスの関数としての入力インピーダンスの関係である。
【化５】
2019530395.tif 000007
【００４３】
車両、ロボット、医療用デバイス、モバイル電子デバイス等の製品に統合される無線電力受信器に関して、インピーダンス整合ネットワーク内で使用されるインダクタのサイズ、重量、またはコストが最小限にされることが、非常に望ましい。例えば、多くの用途では、インダクタＬ４Ａ、Ｌ４Ｂ、Ｌ４Ｃ、およびＬ４Ｄ（図３参照）は、各インダクタを構成する巻線および磁性材料に起因する大きい量の空間を占め得る。したがって、可能な最小値を伴うインダクタが、インダクタＬ４Ａ、Ｌ４Ｂ、Ｌ４Ｃ、およびＬ４Ｄのそれぞれに対して選択される。
【００４４】
いくつかの実施形態では、インダクタＬ４Ａ、Ｌ４Ｂ、Ｌ４Ｃ、およびＬ４Ｄのうちの２つ以上のものが、単一の構造に統合され、個々のインダクタと比較して、統合インダクタのサイズ、重量、および／またはコストをさらに最小限にさせることができる。図５Ａは、無線電力受信器の整合ネットワーク内のインダクタＬ４Ａ、Ｌ４Ｂ、Ｌ４Ｃ、およびＬ４Ｄのうちの２つ以上のものに対して使用されることができる、統合インダクタの例示的実施形態の図である。インダクタＬ４ＡおよびインダクタＬ４Ｃは、コアＳＣ１を共有し、かつフェライト層ＳＦ１を共有する。例証される実施形態では、流動が反対方向であるため、流束が、インダクタＬ４Ａによって生成され、インダクタＬ４Ｃが、共有フェライト層ＳＦ１内で実質的にキャンセルされる。インダクタＬ４ＡおよびインダクタＬ４Ｃは、加えて、磁気的に結合解除される。コアを共有し得るインダクタＬ４ＢおよびＬ４Ｄは、それらの間の共有フェライト層ＳＦ２内の流束が実質的にキャンセルされる、同様の構成を有する。インダクタＬ４ＢおよびインダクタＬ４Ｄは、加えて、磁気的に結合解除される。種々の巻線構成が、流束キャンセレーションを産出し、特定の用途の必要性を満足させ得ることを理解されたい。図５Ｂは、無線電力受信器の整合ネットワーク内の４つのインダクタＬ４Ａ、Ｌ４Ｃ、Ｌ４Ｂ、およびＬ４Ｄに対して使用されることができる、統合インダクタの例示的実施形態の図である。図５Ｂは、示されるように、１つ以上の共有フェライトピース５０４ａおよび５０４ｂと、対応する流束キャンセレーションとを伴う４つのコア５０２ａ、５０２ｂ、５０２ｃ、５０２ｄを有する、例示的共有フェライトインダクタシステムを示す。種々の巻線構成は、複数の流束キャンセレーションを産出し、特定の用途の必要性を満足することができることを理解されたい。４つのインダクタＬ４Ａ、Ｌ４Ｂ、Ｌ４Ｃ、およびＬ４Ｄは、フェライトの共有部分が、事実上、一方のインダクタによって連結される流束が他方によって連結されることを防止するため、著しくは磁気的に結合されない。統合インダクタの実施例は、「Ｉｎｄｕｃｔｏｒ  ｓｙｓｔｅｍ  ｈａｖｉｎｇ  ｓｈａｒｅｄ  ｍａｔｅｒｉａｌ  ｆｏｒ  ｆｌｕｘ  ｃａｎｃｅｌｌａｔｉｏｎ」と題された２０１７年８月８日に出願された共同所有の米国特許出願第１５／６７１，６８０号内に見出され得る。
【実施例】
【００４５】
以下は、交互配置された整流器内に補償リアクタンスを有する無線電力受信器の利点を例証する実施例である。実施例１Ａ−１Ｃは、以下の仕様を伴う無線電力システムの実施形態を説明する。無線電力システムは、８５ｋＨｚの動作周波数（基本周波数ｆ０）の負荷に略１０ｋＷの電力を送信するように構成される。無線電力送信器のスイッチングインバータによって産出される方形波に起因して、基本周波数ｆ０以外の周波数における電流および／または電圧が、システムにもたらされる。例えば、基本周波数ｆ０の少なくとも１つの高調波周波数を有するエネルギーが、無線電力受信器によって受信される。システム内の基本周波数以外の周波数の存在が、予測される以外のインピーダンス値をもたらす。受信器のリアクタンスＸが、以下の関係によって定義されることに留意されたい。
【化６】
2019530395.tif 000008
【００４６】
実施例１Ａ−１Ｃでは、負荷は、２８０Ｖ〜４２０Ｖの全体的電圧範囲Ｖｂａｔｔを有する、１つ以上のバッテリであり得る。
(実施例１Ａ)
【００４７】
２８０Ｖのバッテリ電圧Ｖｂａｔｔに対して、以下の表が、例示的無線電力受信器３００の構成要素と関連付けられる値を概説する。上部および底部３０４、３０６のそれぞれの予期されるインピーダンスＺは、６．３５＋ｊ９．５３オームである。いくつかの実施形態では、入力電圧Ｖｉｎが、調節され、入力電力Ｐｉｎを一定に保ち得る。
【００４８】
交互配置された整流器の分岐のそれぞれの抵抗が、回路シミュレーションによって決定され得る。この特定の実施例では、予期される抵抗Ｒ４Ａ、Ｒ４Ｂ、Ｒ４Ｃ、およびＲ４Ｄは、それぞれ、６．３５オームである。予期されるリアクタンスＸ４Ａ、Ｘ４Ｂ、Ｘ４Ｃ、およびＸ４Ｄは、以下のように計算される。
【化７】
2019530395.tif 000009
【００４９】
分岐４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、および４Ｄ内の電流Ｉ４Ａ、Ｉ４Ｂ、Ｉ４Ｃ、およびＩ４Ｄは、無線電力システムの動作の間に（例えば、電流センサによって）測定される。電流Ｉ４Ａ、Ｉ４Ｃ（グループ１）が、略等しく（電流のうちのより大きい方の１％以内）、電流Ｉ４Ｂ、Ｉ４Ｄ（グループ２）もまた、略等しい（電流のうちのより大きな方の１％以内）ことに留意されたい。しかしながら、これらの２つのグループの電流の間の差は、各分岐４Ａ−４ＤのインピーダンスＺの差の結果であり得る。例えば、例示的非補償システムでは、リアクタンスＸ４Ａは、リアクタンスＸ４Ｂに等しく、リアクタンスＸ４Ｃは、Ｘ４Ｄに等しい。これはまた、「非補償リアクタンス」とも称される。それは、リアクタンスが、電流（および／または電力）非平衡を考慮するように調節（または非平衡に）されない点で、非補償である。したがって、基本および高調波周波数の両方においてエネルギーを受信する平衡リアクタンスを有する、非補償受信器は、非平衡電流を被る。補償受信器は、平衡電流を被る、補償リアクタンスを有する。補償受信器では、分岐４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、および４Ｄのそれぞれで見る正味インピーダンスは、物理リアクタンスＸ４Ａ、Ｘ４Ｂ、Ｘ４Ｃ、およびＸ４Ｄが、以下であるように調整されているため、同様である。
【化８】
2019530395.tif 000010
【００５０】
いくつかの実施形態では、これらのリアクタンスＸ４Ａ、Ｘ４Ｂ、Ｘ４Ｃ、およびＸ４Ｄは、具体的には、分岐４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、および４Ｄのそれぞれで見る正味インピーダンスを意図的に負または正にするように選定され得る。いくつかの実施形態では、正味インピーダンスは、具体的な値または値の範囲を有するように成され得る。このタイプの調節は、整合ネットワーク内に（図２に２０２Ａまたは２０２Ｂ、または図３にＣ３Ａ’’またはＣ３Ｂ’’として示される）同調可能構成要素を収容する利点を有し得る。例えば、同調可能構成要素が一方向に、すなわち、より負またはより正のリアクタンスに向かって調節され得る場合、交互配置された整流器の正味インピーダンスを反対方向に構成することは、同調可能構成要素に対するより大きな程度の調節を提供することができる。無線電力システム内での同調可能構成要素の実施例は、「Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ｐｏｗｅｒ  ｓｙｓｔｅｍｓ」と題された２０１７年２月２日に出願された米国特許出願第１５／４２２，５５４号および「ＰＷＭ  ｃａｐａｃｉｔｏｒ  ｃｏｎｔｒｏｌ」と題された２０１７年２月８日に出願された米国特許出願第１５／４２７，１８６号内で見出され得る。
【００５１】
抵抗値の割合の差は、以下に示されるように、抵抗値の差の、２つの抵抗値のうちのより高い方に対する比率を決定することによって計算されることができる。リアクタンス値の割合の差は、リアクタンス値の絶対値のそれぞれの差の、２つのリアクタンス値のうちのより高い方の絶対値に対する比率を決定することによって計算されることができる。
【化９】
2019530395.tif 000011
【００５２】
いくつかの実施形態では、リアクタンスの絶対値｜Ｘ４Ｂ｜は、リアクタンスの絶対値｜Ｘ４Ａ｜と少なくとも４％異なり、リアクタンスの絶対値｜Ｘ４Ｄ｜は、リアクタンスの絶対値｜Ｘ４Ｃ｜と少なくとも４％異なる。いくつかの実施形態では、リアクタンスの絶対値｜Ｘ４Ｂ｜は、リアクタンスの絶対値｜Ｘ４Ａ｜と少なくとも１０％異なり、リアクタンスの絶対値｜Ｘ４Ｄ｜は、リアクタンスの絶対値｜Ｘ４Ｃ｜と少なくとも１０％異なる。いくつかの実施形態では、リアクタンスの絶対値｜Ｘ４Ｂ｜は、リアクタンスの絶対値｜Ｘ４Ａ｜と少なくとも２０％異なり、リアクタンスの絶対値｜Ｘ４Ｄ｜は、リアクタンスの絶対値｜Ｘ４Ｃ｜と少なくとも２０％異なる。
下記の表で詳述される例示的非補償受信器では、第１のグループの電流と第２のグループの電流との間の差は、略２０．１％である。
【化１０】
2019530395.tif 000012
上記の公式では、割合の差が、電流のうちのより高い方との差として決定されることに留意されたい。
対照的に、下記の表で詳述される例示的補償受信器では、第１のグループの電流と第２のグループの電流との間の差は、略０．２％である。
【化１１】
2019530395.tif 000013
これまで説明された例示的非補償システム内に存在する非平衡電流課題は、インダクタＬ４Ａ−Ｌ４Ｄに対して低いインダクタンス値を選定する状況におけるものであった。比較すると、例示的非補償受信器では、最小定寸されたインタクダＬ４のサイズの４倍のインダクタもまた、使用され、電流非平衡を軽減させ得る。この大きさのインダクタが、いくつかの用途において実行可能な解決策であり得る一方で、多くの用途では、サイズ、コスト、および重量の制限が、無線電力受信器の商品化における強い影響力をもつ要素であるであろう。いくつかの実施形態では、非補償受信器は、最小定寸されたインダクタＬ４のサイズの４倍から１０倍の間の任意のサイズを要求し、電流非平衡を低減させ得る。使用されるインダクタが大きいほど、それは高調波周波数で発振する電流上により良好なフィルタリング効果をもたらす。しかしながら、インダクタのサイズを低減させながら予期される性能を維持することにおいて、重大な難題が、存在する。
【００５３】
いくつかの実施形態では、インダクタンス値Ｌ４が、Ｌ４Ａ、Ｌ４Ｂ、Ｌ４Ｃ、およびＬ４Ｄの全てにわたって同一であることに留意されたい。言い換えると、Ｌ４＝Ｌ４Ａ＝Ｌ４Ｂ＝Ｌ４Ｃ＝Ｌ４Ｄである。
【表１】
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【００５４】
図６Ａは、例示的無線電力受信器内に非補償リアクタンスを有するインピーダンス整合ネットワーク内の、電流レベルのプロット図である。線６０２ａは、時間の関数としてのＩ４Ｂ、Ｉ４Ｄに関する電流の大きさであり、線６０４ａは、時間の関数としてのＩ４Ａ、Ｉ４Ｃに関する電流の大きさである。図６Ｂは、例示的無線電力受信器内に補償リアクタンスを有するインピーダンス整合ネットワーク内の、電流レベルのプロット図である。線６０２ｂは、時間の関数としてのＩ４Ｂ、Ｉ４Ｄに関する電流の大きさであり、線６０４ｂは、時間の関数としてのＩ４Ａ、Ｉ４Ｃに関する電流の大きさである。図７における線６０２ｂの大きさと線６０４ｂの大きさとの間の差６０６に留意されたい。差６０６は、とりわけ、図６Ｂの電流の大きさ６０２ｂ、６０４ｂには存在せず、リアクタンスが補償されるときに電流が平衡されることを例証する役割を果たす。
（実施例１Ｂ）
【００５５】
３５０Ｖのバッテリ電圧Ｖｂａｔｔに関して、以下の表が、例示的無線電力受信器３００の構成要素と関連付けられる値を概説する。整合ネットワークの予期されるインピーダンスＺは、９．９３＋ｊ９．５３オームである。
【００５６】
ここでは、以前の実施例、すなわち、実施例１と同様の計算が、使用され、電流、抵抗、およびインピーダンス値の割合の差を決定する。補償受信器内の平衡電流（および／または平衡電力）の上記の効果は、このバッテリ電圧レベルではあまり顕著ではない。例えば、電流レベルの割合の差は、非補償受信器の４１％から補償受信器の２５．４％に低下する。大幅に大きなインダクタは、電流非平衡をおおよそ１２．７％に低減させる効果を有するが、大幅に高いコスト（すなわち、最小インダクタンスＬ４のインダクタンス値のおおよそ４倍）においてである。
【表２−１】
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【表２−２】
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（実施例１C)
【００５７】
４２０Ｖのバッテリ電圧Ｖｂａｔｔに関して、以下の表が、例示的無線電力受信器３００の構成要素と関連付けられる値を概説する。整合ネットワークの予期されるインピーダンスＺは、１４．３＋ｊ９．５３オームである。
【００５８】
ここでは、実施例１Ａと同様の計算が、使用され、電流、抵抗、およびインピーダンス値の割合の差を決定する。補償受信器内の平衡電流（および／または平衡電力）の上記の効果は、このバッテリ電圧レベルではあまり顕著ではない。例えば、電流レベルの割合の差は、非補償受信器の６５％から補償受信器の５３．５％に低下する。大幅に大きなインダクタは、電流非平衡をおおよそ２４．５％に低減させる効果を有するが、大幅に高いコスト（すなわち、最小インダクタンスＬ４のインダクタンス値のおおよそ４倍）においてである。
【表３−１】
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【表３−２】
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【００５９】
図７Ａは、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての、入力抵抗Ｒｉｎ（図４参照）のプロット図であり、図７Ｂは、種々の構成の非補償リアクタンスおよび補償リアクタンスを有する受信器に対するバッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての、入力リアクタンスＸｉｎのプロット図である。実線７０２ａおよび７０２ｂは、入力ＡＣ源（この場合、無線電力送信器）が、等価負荷抵抗よりも小さい範囲の等価抵抗を確認する理想的な抵抗圧縮装置の、それぞれ、予期される抵抗およびリアクタンスを表す。最小インダクタンスＬ４＝１８．１２ｕＨを有する非補償（または非補償）受信器７０４の抵抗およびリアクタンスが、それぞれ、図７Ａおよび７Ｂにおいて三角形（▲）データ点で表される。最小インダクタンスＬ４＝１８．１２ｕＨを有する補償受信器７０６の抵抗およびリアクタンスが、それぞれ、図７Ａおよび７Ｂにおいて丸形（●）データ点で表される。上記のデータ内に観察されるように、より低いバッテリ電圧（例えばＶ＝２８０Ｖ）において、補償受信器７０６の抵抗およびリアクタンスは両方とも、理想的な抵抗圧縮装置７０２に最も近い。さらに他のバッテリ電圧レベルに関して、補償受信器７０６は、同様のサイズのインダクタＬ４を有する非補償システム７０４よりも理想的な抵抗圧縮装置７０２に近い。言い換えると、補償受信器７０６の最大の利点の一部は、受信器のより高い電流レベルに存在する。
【００６０】
補償受信器７０６の抵抗およびリアクタンスが理想的な抵抗圧縮装置７０２に最も近いバッテリ電圧を選択することが、可能である。例えば、抵抗およびリアクタンスが、理想的な抵抗圧縮装置に最も近い点において、より低いバッテリ電圧（すなわち、この実施例では２８０Ｖ）の代わりとしてより高いバッテリ電圧（すなわち、この実施例では４２０Ｖ）を選択してもよい。この場合、補償受信器のリアクタンスは、より低いバッテリ電圧レベルにおいて、正であろう。
【００６１】
図７Ｃは、バッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての入力抵抗Ｒｉｎ（図４参照）のプロット図であり、図７Ｄは、基本周波数ｆ０＝８５ｋＨｚを伴うエネルギーを受信するように構成される補償リアクタンスを有する受信器に対するバッテリ電圧Ｖｂａｔｔの関数としての、入力リアクタンスＸｉｎのプロット図である。例示的な補償無線電力受信器は、静電容量Ｃ４Ａ、Ｃ４Ｃ＝４４５ｎＦ、Ｃ４Ｂ、Ｃ４Ｄ＝７５ｎＦ、かつインダクタＬ４Ａ、Ｌ４Ｃ、Ｌ４Ｂ、およびＬ４Ｄ＝１８．１２ｕＨになるように設計されることができる。実線７０２ｃおよび７０２ｄは、入力ＡＣ源（この場合、無線電力送信器）が、等価負荷抵抗よりも小さい範囲の等価抵抗を確認する理想的な抵抗圧縮装置の、それぞれ、予期される抵抗およびリアクタンスを表す。最小インダクタンスＬ４＝１８．１２ｕＨを有する補償受信器の抵抗およびリアクタンスが、それぞれ、図７Ｃおよび７Ｄにおいて丸形（●）データ点で表される。それが、抵抗およびリアクタンスが理想的な抵抗圧縮装置に最も近い点であるため、より低いバッテリ電圧（すなわち、この実施例では２８０Ｖ）の代わりとしてより高いバッテリ電圧（すなわち、この実施例では４２０Ｖ）を選択してもよい。受信器Ｃ３Ａ’’、Ｃ３Ａ’’（図３参照）の要素の調節が、バッテリ電圧のそれぞれにおける受信器の入力リアクタンスを調節するために使用され得ることを理解されたい。
（実施例２）
【００６２】
例示的無線電力システムは、略６．７８ＭＨｚの基本周波数ｆ０で動作し、かつ負荷に略１００Ｗの電力を送信するように構成される。この負荷に対するバッテリ電圧Ｖｂａｔｔの範囲は、２０Ｖ〜３０Ｖである。いくつかの実施形態では、入力電圧Ｖｉｎは、入力電力Ｐｉｎを一定に保つように調整されてもよい。いくつかの例示的実施形態では、負荷は、ラップトップまたはノート型コンピュータであり得る。以下の表は、例示的無線電力受信器３００の構成要素と関連付けられる値を概説する。整合ネットワークの予期されるインピーダンスＺは、３．２４＋ｊ４．８６オームである。
【００６３】
下記のデータは、無線電力受信器のリアクタンスにおける補償の利点を例証する。例えば、電流の非平衡は、非補償受信器の２１．３％から補償受信器の１．６％に低減される。
【表４】
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【００６４】
本明細書に説明されるコンデンサ構成要素の任意のものの言及が、相互に電気的に接続される１つ以上のコンデンサまたはコンデンサ構成要素を参照し得ることに留意されたい。図では、複数のコンデンサ構成要素は、明確化のため、単一のコンデンサ記号によって表され得る。
【００６５】
上記の議論は、本発明の種々の例示的実施形態を開示するが、当業者は、本開示の真の範囲から逸脱することなく、本発明の利点のいくつかを達成するであろう種々の修正を成し得ることが明白であるはずである。本明細書で言及される文書は全て、参照することによって本明細書に組み込まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【国際調査報告】
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