[发明专利]一种可重构的单级谐振式E类调整整流器

说明书

本发明公开了一种可重构的单级谐振式E类调整整流器，重构式E类整流主功率电路采用E类整流结构，通过主动功率管和无源结构与负载R_L连接，将次级电流源驱动的交流输入能量整流至直流并输出；效率校正负载电压调制器向重构式E类整流主功率电路提供重构电容阵列开关控制信号，实现调制过程中对重构式E类整流主功率电路的无源结构配置，同时提供脉宽调制的主动功率管栅控制信号，实现重构式E类整流主功率电路的功率转换效率的校正提高。本发明实现了功率结构的效率校正和功率整流输出的调整，完成了高效率整流以及输出电压调整在单级结构的功能集成。

技术领域

本发明属于功率集成电路设计技术领域，具体涉及一种可重构的单级谐振式E类调整整流器。

背景技术

无线功率传输系统中的次级能量接收电路设计是更接近于电池端的能量管理电路的重点，次级能量接收电路将次级线圈接收的能量通过主功率拓扑的交流转直流的方式整流至输出端的电池负载。无线功率传输系统中的次级接收电路作为接收端以及离最终电池负载端最近的电路结构，通常要求宽负载变化范围和宽输出电压调整范围和很高的转换效率，其对最终采用该次级接收电路的无线功率传输系统的能耗以及电池端的电压管理性能有着重大影响。

在无线能量传输(Wireless Power Transfer，WPT)系统中，相较于电磁感应耦合式，谐振式功率传输(Resonant Wireless Power Transfer，RWPT)式由于传输距离远、耦合位置依赖性低的特点而更受追捧。而现有的RWPT输出调整整流电路常为多级结构，现有结构中，一种是通过电阻分压检测出的电压大小，通过与低压差线性稳压器的参考电压比较，配置整流器为全桥整流器(输出单倍乘直流输出电压，记作1X)或者倍压器(输出双倍乘直流输出电压，记作2X)，判断依据是那个配置能减小参考电压输入和输出之间的差异，从而进行输出电压的调整。然而这里需要一个LDO稳压器，属于多级结构。另一种是利用电荷泵式的两个飞电容与全桥整流器的结合，通过反馈控制回路周期性配置1X和2X模式，改变电容导通开关频率大小或者开关输入信号的占空比来调整负载输出电压幅值。尽管该结构避免使用了LDO，但采用开关电容电路，依然是多级结构。以上的研究中整流和稳压器或开关电容电路两级相连完成整流和调整功能结合的缺点也是显而易见的，即多级功率结构链接造成多级结构效率叠加相乘的效率衰减，在发热还是能量利用率上都得不偿失。

因此单级集成整流和调整功能是次级谐振无线功率传输的重点设计内容，以实现能量传输效率的最大化。现有提出了基于D类有源整流结构的单级谐振式调整整流器，也通过脉冲宽度式(PWM)控制环路周期性的配置为1X、1/2X和0X(空转)模式，以调节输出电压，实现了在输出调整的情况下高效率的单级次级能量传输，但其中实现输出调整而将主功率拓扑配置为1X、1/2X模式其分别是重构整流结构为D类的全桥和半桥整流结构，其中在整流过程中，全桥四个功率管和半桥两个功率管作为电流流通通路，在同一周期里的各半周期内只导通其中各自一半的功率管，因此在两个半周期内均在负载上流过电流从而完成整流。但这样的模式整流结构在整个周期始终有两个功率管会导通，这会导致次级有两份功率管导通电阻上的损耗，而整体次级功率传输效率主要损耗都来自于功率管导通损耗，因此尽量降低功率管导通损耗是提高单级调整整流器功率传输效率的关键，而在该文献中，只能通过提高片上功率管面积以换取更低的导通电阻的方式来实现更高传输效率。另一方面，多个功率管在控制电路中需要相应个数的栅极驱动器和控制电路，更进一步提高了控制电路的复杂性和总功耗，更不利于次级功率传输效率的提高。

发明内容