JP2016067135A - 非接触給電装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】送電コイルから放射される高調波ノイズを抑制するソフトスイッチングを行う増幅器を送電回路に用いた非接触給電装置を提供する。
【解決手段】送電コイルから受電コイルに対して非接触で給電する非接触給電装置10は、送電コイル12と、基本周波数に共振してスイッチングを行う送電回路11と、送電コイルと並列に設けられ、基本周波数の特定の高調波に共振する直列LC共振回路60とを有している。
【選択図】図2

Description

本発明の実施形態は、送電装置から受電装置に非接触で電力を給電する非接触給電装置に関する。
近年、非接触で電力を給電する非接触給電装置が普及してきている。非接触給電装置は、電磁誘導や磁界共鳴などの電磁結合を利用して、送電装置から携帯端末やタブレット端末などの受電装置に非接触で電力を給電する装置である。非接触給電装置は、電力を送電するための送電回路及び送電コイルを備えている。受電装置は、電力を受電するための受電コイルと、受電した電力を自機の駆動に利用するための受電回路や、自機に搭載した2次電池に充電するための充電回路などを備えている。
非接触給電装置においては1〜2cm以上離れても受電装置に給電できるようにするために、コイルのQ値を高くすることが可能な数MHz以上のスイッチング周波数が使われることがある。例えば、6.78MHzや13.56MHzなどが利用される。コイルのQ値を高くすると、送電コイルと受電コイルの間の距離が離れても、効率よく給電できる特性が得られるためである。
非接触給電装置では、受電装置に対して電力を高い効率で給電することと同時に、放射ノイズを低く抑えることが要求される。放射ノイズを抑制するために、非接触給電装置の送電回路には、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)やゼロ電流スイッチング(ZCS)によってスイッチング損失を小さくした、E級増幅器などの共振を利用した増幅器がしばしば使われる。ZVSとはゼロ電圧状態でMOSFETなどのスイッチング素子のスイッチングを行うものであり、ZCSとはゼロ電流状態でMOSFETなどのスイッチング素子のスイッチングを行うもので、ソフトスイッチングと呼ばれている。ソフトスイッチングは、スイッチング損失を低減でき、高効率の送電回路を実現できる。
送電コイルと受電コイルとが1〜2cm、さらには数cm以上離れても受電装置に電力を給電できるようにした非接触給電装置においては、受電コイルが送電コイルと密に結合しないため、送電コイルから空間に電磁波が放射されやすい。送電コイルから空間に放射される放射ノイズを低減するために、送電コイルの前段にローパスフィルタを挿入して、高調波成分を低減することが必要となる。しかし、非接触給電装置の増幅器は、送電コイルのL分も含めて、LC共振を利用してZVSやZCSなどのソフトスイッチングを行っているため、LCフィルタを単に挿入しただけでは共振条件がずれてソフトスイッチングが正しく動作しなくなる。結果として、回路が正常動作しなくなるという問題点がある。また、LCフィルタを挿入しても共振条件がずれないようにするためには、回路定数の見直しが必要になるが、現実には回路定数の調整が非常に難しいという問題がある。
非接触給電装置に用いられる送電回路を有する装置として、特許文献1のような非接触給電装置付き誘導加熱装置が知られている。誘導加熱装置に適用された非接触給電装置の送電回路は、2相発振器で駆動されるスイッチング素子によって構成された高周波インバータから、送電コイルに電力を供給するように構成されている。送電コイルから放射される高調波成分を低減するため、スイッチング素子と送電コイルとの間にインダクタンスとコンデンサからなるL形共振回路を設けている。L型共振回路はローパスフィルタとして機能している。誘導加熱装置のスイッチング周波数は80KHzになっている。
ローパスフィルタとして機能するL形共振回路の共振周波数は、スイッチング周波数よりも低くする必要があるため、比較的大きな値のインダクタンスを、スイッチング素子と送電コイルの間に直列に接続する必要がある。大きな値のインダクタンスを使うために、送電コイルに十分な電流を供給することができなくなり、結果として給電電力も低下してしまう。
特開2010−113992公報
上記のように、非接触給電装置の増幅器の共振回路内に、共振条件を変えずにLCから成るローパスフィルタを挿入することは難しく、放射ノイズを低減し難いという課題があった。
本発明が解決しようとする課題は、ZVSやZCSなどのソフトスイッチングを行う増幅器を送電回路に用いた非接触給電装置において、送電コイルから放射される高調波ノイズを抑制することである。
実施形態に係る送電コイルから受電コイルに対して非接触で給電する非接触給電装置は、送電コイルと、基本周波数に共振してスイッチングを行う送電回路と、前記送電コイルと並列に設けられ、前記基本周波数の高調波の周波数に共振する直列LC共振回路とを有している。
第1の実施形態に係る非接触給電システムの構成を示すブロック図。 第1の実施形態に係る非接触給電装置の送電回路の概略構成図。 第1の実施形態に係る、非接触給電装置の送電回路のZVS動作波形を示す図。 第1の実施形態に係る非接触給電装置の送電コイルの電圧波形を示す図。 第1の実施形態に係る非接触給電装置の送電コイルの電圧波形をFFTした図。 第2の実施形態に係る非接触給電装置の送電回路の概略構成図。 第2の実施形態に係る非接触給電装置の送電コイルの電圧波形を示す図。 第2の実施形態に係る非接触給電装置の送電コイルの電圧波形をFFTした図。 従来使用される非接触給電装置の送電回路の概略構成図。 従来使用される非接触給電装置の送電コイルの電圧波形を示す図。 従来使用される非接触給電装置の送電コイルの電圧波形をFFTした図。
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。尚、図面で同じ番号は同じ構成または類似した構成を示している。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る非接触給電システムの、給電装置と受電装置を含む構成を示すブロック図である。図1に示すように、非接触給電システムとしては、電力を給電する非接触給電装置10と、給電された電力を受電する受電装置20とを備えている。非接触給電装置10は送電回路11と送電コイル12を備え、受電装置20は受電コイル21を有している。非接触給電装置10から出力された電力は、送電コイル12と受電コイル21との間の電磁誘導または磁界共鳴等の電磁結合を利用して、受電装置20に給電される。
非接触給電装置10には、外部からACアダプタ等の直流電源13を介して直流電力が供給される。非接触給電装置10は、高周波電力を発生する送電回路11、直列LC共振回路60、送電コイル12、電圧変換回路14、発振回路15、制御回路16を備えている。
図2に送電回路11を含む非接触給電装置10の回路構成を示す。送電回路11はスイッチング素子としてMOSFET31を有し、直流電源13からチョークコイル32を介して直流電力が供給される。直流電源13は電圧24Vを出力し、プラス側はチョークコイル32に接続され、マイナス側は接地されている。コンデンサ17と送電コイル12は直列に接続され、直列接続されたコンデンサ17と送電コイル12に並列にコンデンサ18が接続されている。コンデンサ18はMOSFET31に並列に接続されている。
発振回路15の出力でMOSFET31をオン/オフする構成になっている。送電コイル12、コンデンサ17、18は共振回路を形成し、MOSFET31のオンオフに合わせて共振動作するように構成されている。即ち、MOSFET31のドレイン電圧VdsがゼロになったときにMOSFET31がオンするように、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)を行う、E級増幅器の構成となっている。ゼロ電圧スイッチング(ZVS)はソフトスイッチングとして動作している。チョークコイル32は4.7μH、送電コイル12は3.5μH、コンデンサ17は125pF、コンデンサ18は100pFになっている。発振回路15の発振周波数、すなわちMOSFET31のスイッチング周波数は、6.78MHzになっている。
ソフトスイッチングは、共振現象を利用し、電圧または電流がゼロになるタイミングでスイッチング素子(MOSFET31)のオン/オフの切り替えを行うものである。これにより、スイッチング損失を低減することが可能になる。また、電圧波形または電流波形の変化が緩やかであることから、スイッチングノイズや伝導ノイズ、放射ノイズを低減可能である。そのため、スイッチング周波数を高めて、キャパシタ/インダクタンスを小型化することが可能である。
なお、発振回路15の発振周波数は、送電コイル12及びコンデンサ17、18で構成される共振回路の自己共振周波数と同一、或いはほぼ同一の周波数となっている。
インダクタンス61とキャパシタンス62で構成される直列LC共振回路60は特定の高調波を低減するために非接触給電装置10内に設けられている。低減したい高調波に共振する、インダクタンス61とコンデンサ62を直列に接続した直列LC共振回路60が送電コイル12と並列に接続されている。スイッチング周波数6.78MHzの3倍の高調波である20.34MHzの利得を低減させるために、インダクタンス61は1.3uH、コンデンサ62は47pFとし、20.34MHzで共振するようになっている。ここで直列LC共振回路60の共振周波数f60は、次式で算出した値になっている。
f60=1/2π√LC=20.37MHz≒20.34MHz
送電コイル12と受電コイル21との距離を1〜2cm以上確保するという点から、数MHz〜十数MHzのスイッチング周波数を使用することが多い。具体的には6.78MHzや13.56MHzである。送電コイル12と受電コイル21との距離が短ければ、数十kHz〜数百kHz程度の周波数に対しても本実施形態の構成を適用することは可能である。ただし、インダクタンス値やコンデンサ値は周波数に合わせて異なっている。
電圧変換回路14は、直流電源13から入力された電圧を、発振回路15や制御回路16が動作可能な適正な電圧に変換する。直流電源13の出力が24Vであり、電圧変換回路14で5Vもしくは3.3Vなどの電圧に変換する。
制御回路16はマイコンである。制御回路16は送電回路11の動作を必要に応じて動作または停止させるような制御や、受電装置20との間の通信制御などを行う。
受電装置20は、受電コイル21とコンデンサ22によって構成される共振素子と、整流回路23と、電圧変換回路24と、負荷回路25と、制御回路26とを備えている。整流回路23は共振素子によって発生した交流電圧を直流電圧に変換する。電圧変換回路24は整流回路23で出力された直流電圧を所望の直流電圧に変換する。制御回路26は負荷回路25を制御する。
受電装置20の受電コイル21とコンデンサ22によって構成される共振素子の自己共振周波数は、送電装置11のMOSFET31のスイッチング周波数と同一、或いはほぼ同一になっている。すなわち、自己共振周波数とスイッチング周波数は6.78MHzになっている。非接触給電装置10の送電コイル12と受電装置20の受電コイル21とが互いに電磁結合することで、送電側から受電側に効率よく電力を伝送する。
負荷回路25は、携帯端末やタブレット端末等の電子機器の回路である。受電装置20で受電した電力は、電子機器の動作や、電子機器が内蔵するバッテリーの充電等に利用される。制御回路26はマイコンである。制御回路26は受電電力を負荷回路25へ必要に応じて供給または停止させるような制御や、非接触給電装置10との間の通信制御などを行う。
非接触給電装置10の送電動作を説明する。図3は、シミュレーション波形で、MOSFET31をスイッチングするための電圧Vgsと、MOSFET31の出力電圧(ドレイン電圧)Vdsの波形を示す。
送電回路11のスイッチング周波数は6.78MHzになっている。6.78MHzでの動作は波長0.147μsであり、発振回路15の出力Vgsは波長0.147μsの方形波になっている。図3において(a)はMOSFET31をオフするタイミングを示し、(b)はMOSFET31をオンするタイミングを示している。(a)のタイミングではVgsが5Vから0Vに変化する。(b)のタイミングでは、Vdsが0VになったタイミングでMOSFET31をオンし、Vgsが0Vから5Vに変化する。なお、図3の横軸は時間を示し、縦軸は電圧を表し、Vgsは10倍の表示になっている。VgsがオンになるとMOSFET31に電流が流れ始める。このように、Vdsが0VになったタイミングでMOSFET31をオンするので、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)と呼ばれ、スイッチング損失を少なくできるという利点がある。
送電コイル12に印加される電圧のシミュレーション波形を図4に示している。図4の横軸は時間を示し、縦軸は電圧を表している。電圧のシミュレーション波形は6.78MHzのやや丸みを帯びた波形となっている。電圧波形をFFT(高速フーリエ変換)した波形を図5に示す。図5の横軸は周波数を示し、縦軸は利得を表している。
送電コイル12と並列に配置された直列LC共振回路60によって、基本波80(6.78MHz)と3次高調波81(20.34MHz)との差は49dBになっている。すなわち、3次高調波81を基本波に対して49dB低減させことがわかる。
この効果を定性的に説明すると、直列LC共振回路は、共振周波数においては低インピーダンスとなる。低インピーダンスの共振周波数付近において、送電回路11で発生した電圧は送電コイル12にほとんど印加されることなく、グランド(接地される)になる。逆に基本周波数などの共振周波数以外の周波数に対しては、直列LC共振回路はインピーダンスが高くなるため、電圧波形に対し影響を与えにくい。そのため、多少の共振周波数の調整のみで、E級増幅器の動作が可能となる。
本実施形態では基本周波数が6.78MHzで、3次高調波の20.34MHzを送電コイル12から放射させ難くするような構成について述べた。特に周波数を6.78MHzに限定するものではなく、他の周波数に対しても有効であり、送電コイル12と並列に挿入する直列LC共振回路の共振周波数は、3次高調波に限定するものではない。
スイッチング素子としてMOSFETを1個用いた回路について説明した。1個のMOSFETに限定するものではなく、他のスイッチング素子を利用することも可能である。また、スイッチング素子を2個以上使って、例えばハーフブリッジのような送電回路を構成することも可能である。ハーブブリッジ構成の場合には、チョークコイル32の代わりにMOSFETを使い、2つのMOSFETが交互にONするように制御する。
ソフトスイッチングの例としてZVSについて述べた。特にZVSに限定するものではなく、ZCSを行うようにしてもよい。
以上述べた構成により、ソフトスイッチングを行う、直列LC共振回路を持つ増幅器を送電回路に用いた非接触給電装置において、送電コイルから放射される高調波ノイズを簡易な構成で抑制することができる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態では、一つの高調波ノイズを低減するだけでなく、複数の高調波の低減が可能な非接触給電装置について説明する。
図6は第2の実施形態で示す非接触給電装置10の構成図である。MOSFET31をスイッチングする基本周波数は6.78MHzで、第1の実施形態と同様である。送電コイル12から放射される高調波ノイズを低減するために、送電コイル12と並列に、インダクタンスとコンデンサを直列に接続した2つの直列LC共振回路60及び90を設けている。直列LC共振回路60は第1の実施形態に示したものと同様、3次高調波の20.34MHzに共振する。直列LC共振回路60は20.34MHzに共振するように、インダクタンス61は1.3uH、コンデンサ62は47pFになっている。直列LC共振回路90は5次高調波の33.9MHzに共振するように定数を選定している。直列LC共振回路90は1.2uHのインダクタンス91と18pFのコンデンサ92を直列に接続した構成になっている。共振周波数f90は下記式で算出される33.9MHzになる。
f90=1/2π√LC=34.26MHz≒33.9MHz
基本波である6.78MHzに対して、直列LC共振回路60及び90は十分インピーダンスが高くなっている。高インピーダンスになっているので、直列LC共振回路60及び90が送電コイル12と並列に挿入されても、送電回路11の共振動作への影響は少なくなっている。2個の直列LC共振回路を送電コイル12に並列に配置した第2の実施形態では、図2に示すコンデンサ17の定数を125pFから100pFに変更するのみで、E級増幅器として動作させることが可能になる。
図7は送電コイル12に印加される電圧の波形を示したものであり、第1の実施形態で示した図4の電圧波形と比較すると、より正弦波に近い電圧波形になっている。即ち、高調波成分が少なくなっていると考えられる。図8は第2実施形態の電圧波形をFFTしたものを示している。縦軸は利得を示し、横軸は周波数を示している。基本波80(6.78MHz)に対して、3次高調波81の成分と、5次高調波82の成分が大きく低減していることがわかる。基本波80との比較では、3次高調波81で54dB、5次高調波82で58dB程度、基本波80のレベルから低減している。
第2の実施形態では、インダクタンスとコンデンサから成る2つの直列LC共振回路60、90を、送電コイル12と並列に備えた非接触給電装置10になっている。直列LC共振回路60、90により送電コイル12に印加される電圧波形から直列LC共振回路60、90の共振周波数にそれぞれ対応した周波数成分を除去することができる。結果として、非接触給電時に送電コイル12から放射される3次高調波または5次高調波のノイズを低減することが可能になる。直列LC共振回路60、90に加えて、さらに特定の周波数成分を除去するための直列LC共振回路を送電コイル12に並列に設けることも可能である。また、高調波成分に限らず、任意の周波数に共振する直列LC共振回路を挿入するようにしてもよい。
直列LC共振回路は、基本波に対しては高いインピーダンスを示すため、基本波の共振動作に対しては影響を与えにくいという利点がある。それ故、直列LC共振回路は、送電回路11において、ZVSなどのソフトスイッチング動作をさせやすいという点で好適な構成である。
比較のために、図9に直列LC共振回路を有しない非接触給電装置の回路100を示す。図9の回路100は、図2に記載の直列LC共振回路60を除きかつコンデンサ17を125pFから230pFに変更した以外は、図2の回路構成と同じになっている。コンデンサ17を230pFに変更し、基本波6.78MHzで共振するようにしている。図10は回路100による送電コイル12に印加される電圧波形を示す。図11は電圧波形をFFTした図である。
非接触給電装置の回路100はスイッチング周波数の6.78MHzに共振するように構成され、送電コイル12に印加される電圧波形は正弦波状になる。しかし、実際には高調波成分を多く含んでいる。図11に示すように、6.78MHzの基本波50の他、2次や3次の高調波の他に、多くの高調波成分を含んでいることがわかる。3次の高調波51(20.34MHz)は基本波50に対して利得が21dB程度しか低下していない。
非接触給電装置を製品化するに当たっては、各国での放射ノイズ(EMI)に対する規制値を満足する必要がある。伝導ノイズ等で規制される30MHz以下の周波数で考えると、スイッチング周波数である6.78MHzは国際的にISM周波数であるため規制値は緩い。ISM(Industry−Science−Medical)周波数は産業科学医療用周波数を示している。また6.78MHzの2倍の13.56MHzや4倍の27.12MHzもISM周波数であるため規制は緩い。一方、3倍の高調波の20.34MHzはISM周波数ではないため、放射ノイズを低く抑える必要がある。
非接触給電装置100から放射されるノイズは、特に送電コイル12から放射されるため、送電コイル12に加わる電力から高調波歪を除去する必要がある。実施形態に示した方法によれば、3次高調波や5次高調波など、特定の周波数のノイズを大きく減衰させることが可能で、ノイズ低減に非常に効果がある。
第1の実施形態では、直列LC共振回路60を送電コイル12と並列に挿入した構成によって、3次高調波81は基本波80に対して49dB低減できた。これに対して、直列LC共振回路を有しない回路100では、3次高調波51は基本波50(6.78MHz)に対して21dB程度の低下であった。言い換えれば、直列LC共振回路を有する第1の実施形態では直列LC共振回路を有しない回路100に比べ28dBも3次高調波のレベルを低減させることができた。また、第2の実施形態では、直列LC共振回路を有しない回路100に比べ33dBも3次高調波のレベルを低減させることができた。
基本波のスイッチング周波数が6.78MHzの場合、30MHz以下のノイズに対しては3次高調波である20.34MHzを除去できれば、EMI規制を満足できる可能性が高い。言い換えれば、ISM周波数を考慮して特定な周波数の高調波を低減するまたは除去すれば、EMI規制を満たす非接触給電装置を提供できる。本実施形態では、簡単な回路構成でEMI規制を満たす高調波を抑制した非接触給電装置を実現可能である。
尚、本発明のいくつかの実施形態を述べたが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
10…非接触給電装置
11…送電回路
12…送電コイル
13…直流電源
14、24…電圧変換回路
15…発振回路
16…制御回路
20…受電装置
21…受電コイル
17、18、22、62…コンデンサ
23…整流回路
25…負荷回路
26…制御回路
32、61…コイル

Claims (4)

  1. 送電コイルと、
    基本周波数に共振してスイッチングを行う送電回路と、
    前記送電コイルと並列に設けられ、前記基本周波数の高調波の周波数に共振する直列LC共振回路とを備え、
    前記送電コイルから受電コイルに対して非接触で給電する非接触給電装置。
  2. 電源と、
    非接触で電力を給電する送電コイルと、
    前記電源に接続されたチョークコイルと、前記チョークコイルに接続されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子に並列に接続された第1のコンデンサと、前記スイッチング素子と前記チョークコイルとの接続点と、前記送電コイルとの間に接続された第2のコンデンサと、前記第1および第2のコンデンサと前記送電コイルとが基本周波数に共振する共振回路を形成して、ソフトスイッチング動作を行う送電回路と、
    前記送電コイルと並列に設けられ、基本周波数の高調波の周波数に共振する直列LC共振回路とを備え、
    前記送電コイルから受電コイルに対して非接触で給電する非接触給電装置。
  3. 前記直列LC共振素子を複数備える請求項1または請求項2に記載の非接触給電装置。
  4. 基本周波数は6.78MHzであり、前記直列LC共振回路は3次の高調波に共振する請求項1または請求項2に記載の非接触給電装置。


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