JP2016158471A - 非接触給電装置及び非接触給電システム - Google Patents
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Abstract
【課題】入力電圧、負荷電流、素子定数の変動に対して出力電圧を制御し、これを低損失且つ小型な構成で実現できる非接触給電装置及を提供する。
【解決手段】非接触給電装置15の制御回路12は、負荷11に並列に接続される平滑コンデンサ10の端子電圧に応じて、当該平滑コンデンサ10に対する電流I1の供給と供給停止とを切換えると同時に、前記電流I1の供給を停止している期間に、電力の送信源となる交流電源1から見た入力インピーダンスZinを増大させる。これにより、平滑コンデンサ10に電流を供給しない期間に1次側の交流電源1が消費する電力を抑制し、低損失に出力電圧を制御できる。
【選択図】図1
【解決手段】非接触給電装置15の制御回路12は、負荷11に並列に接続される平滑コンデンサ10の端子電圧に応じて、当該平滑コンデンサ10に対する電流I1の供給と供給停止とを切換えると同時に、前記電流I1の供給を停止している期間に、電力の送信源となる交流電源1から見た入力インピーダンスZinを増大させる。これにより、平滑コンデンサ10に電流を供給しない期間に1次側の交流電源1が消費する電力を抑制し、低損失に出力電圧を制御できる。
【選択図】図1
Description
本発明は、無線により送信された電力を受電して整流し、負荷に供給する非接触給電装置,及びその非接触給電装置を備えてなる非接触給電システムに関する。
非接触給電装置では、入力電圧や負荷電流、素子定数の変動により出力電圧が変化し、出力電圧が規定値から外れるおそれがある。例えば負荷が軽くなった場合、出力電圧が必要以上に上昇してしまうため、例えば特許文献1には、共振コンデンサの両端にスイッチを配置して、負荷が軽くなった場合にスイッチをオンして共振コンデンサの両端を短絡することで、電圧の上昇を抑制する技術が開示されている。
しかしながら、特許文献1の技術では、共振コンデンサの両端を短絡することで平滑コンデンサに電流を供給しない期間が発生するため、この期間に1次側の電源が消費している電力は全て無駄になってしまう。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、入力電圧や負荷電流、素子定数の変動に対する出力電圧制御を、低損失且つ小型な構成で実現可能な非接触給電装置及び非接触給電システムを提供することにある。
請求項1記載の非接触給電装置によれば、出力電圧制御手段は、負荷に並列に接続される平滑コンデンサの端子電圧に応じて、当該平滑コンデンサに対する電流の供給と供給停止とを切換えると同時に、前記電流の供給を停止している期間に、無線による電力の送信源となる交流電源から見た入力インピーダンスを増大させる。したがって、平滑コンデンサに電流を供給しない期間において、電力の送信源となる交流電源が消費する電力を低減でき、損失を抑制することが可能となる。
請求項2記載の非接触給電装置によれば、出力電圧制御手段を、整流回路の交流入力端子間に接続されるスイッチ手段と、平滑コンデンサの端子電圧に応じて、スイッチ手段のオンオフを切り替えるスイッチ制御手段とで構成する。このように構成すれば、請求項10のように、受電コイル部及び送電コイル部を含む電力の伝送路中に存在するコイルの総数が偶数である非接触給電システムにおいて、整流回路の交流入力端子間に接続されるスイッチ手段をオンすることで、送信側から見た入力インピーダンスを増大させることができる。
請求項3記載の非接触給電装置によれば、整流回路が全波整流回路である場合に、スイッチ手段をソースが共通となるように直列接続される2つのMOSFETで構成し、各MOSFETのソースをグランドに接続する。このように構成すれば、MOSFETの寄生ダイオードを介して電流が流れる経路を形成することなく、2つのMOSFETをオンすれば電流を双方向に流すことができる。また、双方のソースがグランドに接続されるのでオン抵抗が小さくなり、入力インピーダンスをより増大させることができる。
請求項4記載の非接触給電装置によれば、スイッチ手段を2つのMOSFETで構成し、全波整流回路を構成する整流素子の2つを、前記各MOSFETの寄生ダイオードで構成する。このように構成すれば、非接触給電装置をより少ない回路素子で構成できる。
(第1実施形態)
先ず、本実施形態の構成と共にその動作原理について説明する。図1に示すように、1次側には、交流電源1と、この交流電源1の両端に接続されるコンデンサ2,抵抗3及びコイル4の直列回路とが配置されている。尚、抵抗3は抵抗素子によるものと、配線に含まれる抵抗分との和を示している。交流電源1は、例えば周波数が数MHz程度の信号を発振出力する。すると、コイル4より無線信号が外部(2次側)に出力される。
先ず、本実施形態の構成と共にその動作原理について説明する。図1に示すように、1次側には、交流電源1と、この交流電源1の両端に接続されるコンデンサ2,抵抗3及びコイル4の直列回路とが配置されている。尚、抵抗3は抵抗素子によるものと、配線に含まれる抵抗分との和を示している。交流電源1は、例えば周波数が数MHz程度の信号を発振出力する。すると、コイル4より無線信号が外部(2次側)に出力される。
2次側には、整流器5の入力端子側に、コイル6,抵抗7及びコンデンサ8の直列回路が接続されている。抵抗7は、抵抗3と同じく抵抗素子と配線の抵抗分の和である。尚、抵抗素子を加えるか否かは任意で、加えないこともある。また、整流器5の入力端子間には、スイッチ回路9(出力電圧制御手段,スイッチ手段)が接続されている。整流器5の出力端子間には、平滑コンデンサ10及び電流源のシンボルで示す負荷11が並列に接続されている。制御回路12(出力電圧制御手段,スイッチ制御手段)は、整流器5の出力電圧を参照してスイッチ回路9のオンオフを制御する。
すなわち、1次側から2次側への電力送信は磁界共鳴方式で行われ、1次側,2次側の何れにおいてもコンデンサ2,8が共振回路に直列に接続されているので、所謂S/S(シリアル/シリアル)方式となっている。以上において、1次側の構成が電力伝送装置13であり、コンデンサ2,抵抗3及びコイル4は送電コイル部14を構成している。また、2次側の負荷11を除いたものが非接触給電装置15であり、コイル6,抵抗7及びコンデンサ8は受電コイル部16を構成している。
図2(a)に示すように、非接触給電装置15においてスイッチ回路9がオフしている場合はスイッチ回路9が存在しない状態と等価であり、図2(b)に示すようにスイッチ回路9がオンしている場合は、整流器5の入力端子間がスイッチ回路9のオン抵抗Rswで接続されている状態と等価である。図2(b)に示すスイッチ回路9がオンしている場合に、無線による電力の送信源となる交流電源1から見た入力インピーダンスZinは、次式で示される。
Zin=R{1+(kQ)2/(1+r)} …(1)
但し、Rは抵抗7の抵抗値,r=Rsw/R,Q=ω0L/R,kは結合係数である。
(1)式において、r=0になると(2)式となる。
Zin=R{1+(kQ)2} …(2)
したがって、オン抵抗Rswを低減させれば、平滑コンデンサ10への電流供給を停止している期間の入力インピーダンスZinが大幅に上昇する(図3参照)。
Zin=R{1+(kQ)2/(1+r)} …(1)
但し、Rは抵抗7の抵抗値,r=Rsw/R,Q=ω0L/R,kは結合係数である。
(1)式において、r=0になると(2)式となる。
Zin=R{1+(kQ)2} …(2)
したがって、オン抵抗Rswを低減させれば、平滑コンデンサ10への電流供給を停止している期間の入力インピーダンスZinが大幅に上昇する(図3参照)。
尚、特許文献1では、図4に示すように、スイッチング回路を整流器の出力側に設けているが、2次側共振回路の出力に抵抗と共に整流器も接続されることになり、抵抗値がより大きくなる。したがって、その分だけ入力インピーダンスZinが低下するため、電力供給を停止している期間の損失が増加することになり、本実施形態の構成としては不適切である。
本実施形態では、図5(a)に示すように、全波整流器を用い、スイッチ回路9を2つのNチャネルMOSFET9a,9bの直列回路で構成し、制御回路12を(ヒステリシス付き)コンパレータ12Cで構成する。また、全波整流器5は、4つのダイオード5a〜5dをブリッジ接続した構成で示している。NチャネルMOSFET9a,9bは、互いのソースが共通にグランドに接続されており、それぞれのドレインが全波整流器5の入力端子に接続されている。コンパレータ12Cの反転入力端子には、基準電圧VREFが与えられており、非反転入力端子は全波整流器5の正側出力端子に接続されている。
このように、スイッチ回路9を2つのNチャネルMOSFET9a,9bの直列回路で構成する理由は、1つのMOSFETで構成すると(1)オフ時においても寄生ダイオードを介した電流経路が存在するし、(2)ソースがグランドに接続されないのでオン抵抗を低く維持できないからである。また、問題(1)を回避するため例えばドレイン側に逆方向のダイオードを挿入すると、MOSFETをオンした際の通電方向が一方向に制限されて出力電圧制御ができない。
ここで図5(b)(c)に示すように、全波整流器5を介して平滑コンデンサ10に流れ込む電流I1と、負荷11が消費する電流ILとが等しければ、出力電圧(平滑コンデンサ10の端子電圧)Voutは一定値を維持するが、電流I1,IL間に差が生じるとそれに伴い出力電圧Voutは変動する。したがって、電流I1を制御することで出力電圧Voutが一定となるように制御できる。但し、平滑コンデンサ10に対する電流I1の供給を停止している期間は、1次側の交流電源1が消費する電力が全て無駄になってしまう。そこで、電流I1の供給を停止している期間に入力インピーダンスZinを上昇させることで、1次側の消費電力を低減させる。
次に、本実施形態の作用ついて説明する。図6に示すように、時点(1)において入力電圧が上昇すると(a)それに伴い出力電圧も上昇し(c)、出力電圧が上限電圧(基準電圧VREF+(ヒス分))を超えると(時点(2)参照)、コンパレータ12Cの出力電圧がハイレベルとなってスイッチ回路9(SW)をオンさせる(d,e)。そして、スイッチ回路9がオンしている期間は入力インピーダンスZinが上昇し(f)、平滑コンデンサ10に電流が供給されず、負荷電流に応じた傾きで出力電圧は低下する(c)。尚、負荷電流は一定とする(b)。
出力電圧が低下して、上限電圧よりもヒステリシスレベルだけ低下した下限電圧(基準電圧VREF−(ヒス分))に達すると、スイッチ回路9はターンオフする(時点(3)参照)。これにより、入力インピーダンスZinが低下して(f)、出力電圧は再度上昇を開始する(c)。以降、入力電圧が上昇している期間は、上記のようにスイッチ回路9のオンオフ動作が繰り返され、出力電圧は平均的に基準電圧VREFに維持される。また、図7に示すように、(a)入力電圧は一定であるが(b)負荷電流が低下した場合も(c)出力電圧が上昇するので、図6と同じ動作となる。
ここで、回路シミュレーションの結果について示す。図8に示すように、入力電圧Vinの周波数を2.2MHzとして、電圧を10〜20Vの範囲で変動させる。コンデンサ2及び8の容量は1.87nF,抵抗3及び7の抵抗値は0.78Ω,コイル4及び6のインダクタンスは2.80μH,結合係数は0.8,平滑コンデンサ10の容量は2.2μFである。VREF=25Vとし、10〜20Vの入力電圧変動と、0〜100mAの負荷電流変動に対して出力電圧を25Vに制御する。また、コンパレータ12Cのヒステリシス幅は0.5Vであり、出力電圧はハイレベルが5V,ローレベルが0Vである。
図9に示すように、入力電圧Vinを10V,15V,20Vで変化させた場合に、0〜100mAの負荷電流変動に対して、出力電圧25Vを略維持できている。また、図10に示す効率(出力電力/入力電力)は、特に60mA〜100mAの負荷電流変動に対して、全ての入力電圧範囲で効率80%以上となっており、低損失に出力電圧を制御できていることがわかる。
また、図11(a)〜(c)に示すように、入力電圧Vinの各値(10V,15V,20V)について、特許文献1のようにスイッチ回路を全波整流器の出力側に設けた従来構成との効率を比較した結果は、全ての入力電圧変動と負荷電流変動の範囲について、本実施形態の構成がより高い効率を示している。
以上のように本実施形態によれば、非接触給電装置15の制御回路12は、負荷11に並列に接続される平滑コンデンサ10の端子電圧に応じて、当該平滑コンデンサ10に対する電流I1の供給と供給停止とを切換えると同時に、前記電流I1の供給を停止している期間に、電力の送信源となる交流電源1から見た入力インピーダンスZinを増大させるようにした。したがって、平滑コンデンサ10に電流を供給しない期間に、1次側の交流電源1が不要に電力を消費することが抑制され、低損失な出力電圧制御が可能となる。
具体的には、全波整流器5の交流入力端子間に接続されるスイッチ回路9と、平滑コンデンサ10の端子電圧に応じて、スイッチ回路9のオンオフを切り替えるコンパレータ12Cとを備えて構成する。すなわち、電力伝送装置13と非接触給電装置15とで構成される非接触給電システムは、送電コイル部14及び受電コイル部16を含む電力伝送路中のコイルの総数が偶数「2」であるから、上記構成においてスイッチ回路9をオンすることで入力インピーダンスZinを増大させることができる。
そして、スイッチ回路9を、ソースが共通となるように直列接続される2つのMOSFET9a,9bで構成し、各MOSFET9a,9bのソースをグランドに接続した。このように構成すれば、MOSFET9a,9bの寄生ダイオードを介して電流が流れる経路を形成することなく、MOSFET9a,9bをオンすれば電流を双方向に流すことができる。また、双方のソースがグランドに接続されるのでオン抵抗が小さくなり、入力インピーダンスZinをより増大させることができる。
(第2実施形態)
以下、第1実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図12に示すように、第2実施形態の非接触給電装置21は、スイッチ回路9を削除し、全波整流器5を構成していたダイオード5c,5dに替えて、スイッチ回路9を構成していたNチャネルMOSFET9a,9bを配置している。MOSFET9a,9bのソースは、2次側のグランドに共通に接続されており、MOSFET9a,9bのドレインは、それぞれダイオード5a,5bのアノードに接続されている。すなわち、ダイオード5a,5bと、MOSFET9a,9bの寄生ダイオード(整流素子)とにより全波整流回路22が構成されている。
以下、第1実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図12に示すように、第2実施形態の非接触給電装置21は、スイッチ回路9を削除し、全波整流器5を構成していたダイオード5c,5dに替えて、スイッチ回路9を構成していたNチャネルMOSFET9a,9bを配置している。MOSFET9a,9bのソースは、2次側のグランドに共通に接続されており、MOSFET9a,9bのドレインは、それぞれダイオード5a,5bのアノードに接続されている。すなわち、ダイオード5a,5bと、MOSFET9a,9bの寄生ダイオード(整流素子)とにより全波整流回路22が構成されている。
次に、第2実施形態の作用について説明する。図13に示すように、入力電圧Vinの変動幅は10V〜20Vである。コンデンサ2及び8の容量は1.74nF,抵抗3及び7の抵抗値は0.83Ω,コイル4及び6のインダクタンスは3.01μH,結合係数は0.8,平滑コンデンサ10の容量は2.2μFである。出力条件及びコンパレータ12Cに関する設定も、第1実施形態と同様である。図14,図15に示すシミュレーション結果は、第1実施形態の図9,図10と近似したものとなっている。
以上のように第2実施形態によれば、全波整流回路22を構成するダイオードの2つを、MOSFET9a,9bの寄生ダイオードで構成したので、非接触給電装置21をより少ない回路素子で構成できる。
以上のように第2実施形態によれば、全波整流回路22を構成するダイオードの2つを、MOSFET9a,9bの寄生ダイオードで構成したので、非接触給電装置21をより少ない回路素子で構成できる。
(第3実施形態)
図16に示すように、第3実施形態の非接触給電装置23は、第1実施形態の非接触給電装置15において、平滑コンデンサ10と負荷11との間にシリーズレギュレータ(SR)24を挿入した構成である。第1実施形態の非接触給電装置15では、出力電圧の精度はコンパレータ12Cのヒステリシス特性によって規定されるため、精度の向上に限界がある。しかしながら、出力電圧を一定範囲内に収束させる作用を成すので、後段にシリーズレギュレータ24を接続しても、そこで発生する損失を低く維持したまま出力電圧の精度を向上させることができる。また、出力電圧制御の応答速度が低下することもない。
図16に示すように、第3実施形態の非接触給電装置23は、第1実施形態の非接触給電装置15において、平滑コンデンサ10と負荷11との間にシリーズレギュレータ(SR)24を挿入した構成である。第1実施形態の非接触給電装置15では、出力電圧の精度はコンパレータ12Cのヒステリシス特性によって規定されるため、精度の向上に限界がある。しかしながら、出力電圧を一定範囲内に収束させる作用を成すので、後段にシリーズレギュレータ24を接続しても、そこで発生する損失を低く維持したまま出力電圧の精度を向上させることができる。また、出力電圧制御の応答速度が低下することもない。
(第4実施形態)
図17に示すように、第4実施形態の非接触給電システムでは、2次側には第1実施形態の非接触給電装置15と同じものを用いる。そして、1次側の電力伝送装置31の構成が上記各実施形態と異なっている。すなわち、交流電源1に替えて制御信号により入力電圧のDutyを変更可能な可変交流電源32が配置されている。
図17に示すように、第4実施形態の非接触給電システムでは、2次側には第1実施形態の非接触給電装置15と同じものを用いる。そして、1次側の電力伝送装置31の構成が上記各実施形態と異なっている。すなわち、交流電源1に替えて制御信号により入力電圧のDutyを変更可能な可変交流電源32が配置されている。
抵抗3の両端は、ピーク検出回路33の入力端子にそれぞれ接続されており、ピーク検出回路33の出力端子は、比較回路34の一方の入力端子に直接接続されていると共に、保持回路35を介して比較回路34の他方の入力端子に接続されている。比較回路34の出力端子は、Duty選択回路36の入力端子に接続されており、Duty選択回路36の出力端子は可変交流電源32に接続され、Duty選択回路36の出力信号により、可変交流電源32のDutyが決定される。
ピーク検出回路33は、抵抗3の両端電圧のピーク値を検出して比較回路34及び保持回路35に出力し、保持回路35は、前回出力されたピーク値を記憶保持している。ここで、抵抗3は、必要に応じて電流検出用の抵抗素子を用いれば良い。比較回路34は、ピーク検出回路33より入力される今回のピーク値を、保持回路35を介して入力される前回のピーク値と比較し、その比較結果に応じてDuty選択回路36が可変交流電源32のDutyを決定し、可変交流電源32への制御信号を出力する。尚、上記の「前回,今回」は、ピーク検出回路33が出力するピーク値が保持回路35を介して比較回路34に入力されるまでの遅延時間差に応じて隔てられるものである。
比較回路34は、入力される2つのピーク値から入力インピーダンスZinの変化を検出し、2つのピーク値が同じ場合は入力インピーダンスZin変化なし,ピーク値が増加した場合は入力インピーダンスZin低下,ピーク値が減少した場合は入力インピーダンスZin増加と判断する。Duty選択回路36は、比較回路34が検出した入力インピーダンスZinの変化に基づいて、入力インピーダンスZin変化なしの場合はDutyを一定に保ち、入力インピーダンスZin低下の場合はDutyを50%に設定し、入力インピーダンスZin増加の場合はDutyを50%未満の低い値に設定する。以上の構成において、抵抗3,ピーク検出回路33,比較回路34及び保持回路35は電流供給状態判断手段に対応し、Duty選択回路36は消費電力制御手段に対応する。
次に、第4実施形態の作用について説明する。図18に示すように、(a)出力電圧が上昇したことで、非接触給電装置15側の作用によりスイッチ回路9がオンになると(b)入力インピーダンスZinが増大する((1)参照)。またこの時、非接触給電装置15側では、平滑コンデンサ10に対す出力I1の供給が停止され、出力電圧は上昇から低下に転じる。その結果、電力伝送装置31側では可変交流電源32の出力電流(1次側電流)が減少する。すると、(c)ピーク検出回路33により検出されるピーク値が低下するので、(d)比較回路34は入力インピーダンスZinの増加を検出し、その結果に基づいてDuty選択回路36が可変交流電源32のDutyを現状の値から低下させるように指示する((2)参照)。すなわち、上記ピーク値の変化を監視することで、電力伝送装置31側で入力インピーダンスZinの変化を検知することができる。
ここで、比較回路34がDuty選択回路36に出力する指令は例えば2ビットデータであり、(d)に示すように「00:低下」,「01:変化なし」,「10:増加」のように割り当てる。(e)Duty選択回路36は、比較回路34からの出力をもとに可変交流電源32のDutyを低下させる((3)参照)。これにより、1次側電流は更に減少することになって電力伝送装置31の消費電力が低減される((4)参照)。
その後、(a)出力電圧が低下して(b)入力インピーダンスZinが減少すると((5)参照)、電力伝送装置31側では1次側電流が増加する。すると、ピーク検出回路33により検出されるピーク値が上昇するので、(c)比較回路34はDuty選択回路36に対して、入力インピーダンスZinの低下を信号として出力する((6)参照)。すると、(e)Duty選択回路36は、比較回路34からの出力信号を受けて可変交流電源32のDutyを50%にする((7)参照)。これにより、1次側電流は更に増加する((8)参照)。
以上のように第4実施形態によれば、電力伝送装置31は、抵抗3,ピーク検出回路33,比較回路34及び保持回路35により、非接触給電装置15の入力インピーダンスZinの変化を検出し、平滑コンデンサ10に電流が供給されているか否かを判断すると、その判断結果に基づきDuty選択回路36が可変交流電源32のDutyを制御し、可変交流電源32が消費する電力を低下させるようにした。したがって、電力伝送装置31側においても制御することで、消費電力を更に低下させることができる。
尚、ここでは、PWMデューティを制御したが、可変交流電源の構成に応じて、交流電源の電圧振幅を制御したり、交流周波数を制御したりそれらを組み合わせて制御しても良い。また、ピーク検出回路33が検出する対象は、抵抗3の両端電圧に限らず、コンデンサ2やコイル4の両端電圧等の入力インピーダンスに対応するものであれば何でも良い。
(第5実施形態)
以下、第4実施形態と異なる部分について説明する。図19に示すように、第5実施形態の電力伝送装置41は、電力伝送装置31の可変交流電源32を交流電源1に置き換え、交流電源1とコンデンサ2との間に抵抗42及びスイッチ回路43の並列回路が挿入されている。また、Duty選択回路36に替えてスイッチ制御回路44が配置されており、スイッチ制御回路44は、比較回路34からの制御指令を受けてスイッチ回路43のオンオフを制御する。制御指令は、例えば第4実施形態と同様に2ビットデータを用いて、「00:低下」,「01:変化なし」,「10:増加」のように割り当てる。以上の構成において、抵抗42,スイッチ回路43及びスイッチ制御回路44が消費電力制御手段に対応する。
以下、第4実施形態と異なる部分について説明する。図19に示すように、第5実施形態の電力伝送装置41は、電力伝送装置31の可変交流電源32を交流電源1に置き換え、交流電源1とコンデンサ2との間に抵抗42及びスイッチ回路43の並列回路が挿入されている。また、Duty選択回路36に替えてスイッチ制御回路44が配置されており、スイッチ制御回路44は、比較回路34からの制御指令を受けてスイッチ回路43のオンオフを制御する。制御指令は、例えば第4実施形態と同様に2ビットデータを用いて、「00:低下」,「01:変化なし」,「10:増加」のように割り当てる。以上の構成において、抵抗42,スイッチ回路43及びスイッチ制御回路44が消費電力制御手段に対応する。
次に、第5実施形態の作用について説明する。尚、初期状態として、スイッチ回路43はオンしている。図20に示すように、(a)出力電圧が上昇したことでスイッチ回路9がオンになると(b)入力インピーダンスZinが増大する((1)参照)。すると、1次電流が減少して(c)ピーク検出回路33により検出されるピーク値が低下し、(d)比較回路34が入力インピーダンスZinの増加を検出する((2)参照)。(e)スイッチ制御回路44は、比較回路34の出力信号を受けてスイッチ回路43(経路切替SW)をオフする((3)参照)。これにより、(b)入力インピーダンスZinが更に増大し((4)参照)、1次電流が更に減少する((5)参照)。
その後、(a)出力電圧が低下して(b)入力インピーダンスZinが減少すると((6)参照)、電力伝送装置41側では1次側電流が増加する。すると、ピーク検出回路33により検出されるピーク値が上昇するので、(c)比較回路34は入力インピーダンスZinの減少を検出する((7)参照)。すると、(e)スイッチ制御回路44は、比較回路34の出力信号に基づいてスイッチ回路43をオンする((8)参照)。これにより、(b)入力インピーダンスZinがさらに減少して((9)参照)、(c)1次側電流は更に増加する((10)参照)。
以上のように第5実施形態によれば、電力伝送装置41は、スイッチ回路43のオンオフを制御することで、交流電源1の供給線の抵抗値を増加させて、交流電源1が消費する電力を低下させるようにした。したがって、第4実施形態と同様の効果が得られる。
以上のように第5実施形態によれば、電力伝送装置41は、スイッチ回路43のオンオフを制御することで、交流電源1の供給線の抵抗値を増加させて、交流電源1が消費する電力を低下させるようにした。したがって、第4実施形態と同様の効果が得られる。
(第6実施形態)
以上の各実施形態では、非接触給電システムが電力伝送装置13等と非接触給電装置15等とで構成されており、送電コイル部14及び受電コイル部16を含む電力の伝送路中に存在するコイルの総数は「2」であった。しかし、実際の非接触給電システムは、このような形態だけでなく、電力伝送装置,非接触給電装置の間に中継装置が介在していたり、送電コイル部や受電コイル部のコイル数が複数であることも考えられるため、コイルの総数が「3」以上となる場合も想定される。
以上の各実施形態では、非接触給電システムが電力伝送装置13等と非接触給電装置15等とで構成されており、送電コイル部14及び受電コイル部16を含む電力の伝送路中に存在するコイルの総数は「2」であった。しかし、実際の非接触給電システムは、このような形態だけでなく、電力伝送装置,非接触給電装置の間に中継装置が介在していたり、送電コイル部や受電コイル部のコイル数が複数であることも考えられるため、コイルの総数が「3」以上となる場合も想定される。
例えば図21に示すように、送受電コイル部は、(a)コイルのみ,(b)コンデンサ及びコイルの直列回路,及び(c)同並列回路で構成されたり、これら(a)〜(c)に、信号を増幅するため、コイル及びコンデンサの閉ループ回路(共振回路)を加えたバリエーション(d)〜(f)も考えられる。また、(g)は中継装置の構成例である。その結果、コイルの総数が「3」以上となり、奇数と偶数との場合がある。
ここで、1次側から2次側に無線により電力を伝送するための伝送路で、送電コイル部,中継装置(存在しない場合もある),受電コイル部を含むものを空間伝送部と称する。図22(a)に示すように、空間伝送部に含まれるコイルの総数が偶数の場合は、上記各実施形態と同様に、スイッチ回路SW_INを全波整流回路の交流入力端子間に接続すれば良い。
しかしながら、図22(b)に示すようにコイルの総数が奇数の場合は、常閉スイッチ回路SW_OUTを全波整流回路の直流出力端子側の一方に接続して、入力インピーダンスZinを増加させる際には、スイッチ回路SW_OUTをオフするように構成する必要がある。以下、これについて説明する。
図23(a),(b),(c)は、空間伝送部に含まれるコイルの数がそれぞれ2,3,4個の場合のシステム構成と、それぞれに対応する入力インピーダンスZinの式を示している。図23(a)は、基本的に第1実施形態において図3で示した式と同じであるが、r=RL/Rである。図23(b)に示す3個の場合は、右辺大括弧内の第2項の符号が図23(a)とは異なり「−」になる。これにより、r=RL/Rが無限大になると、入力インピーダンスZinが最大を示すことになる。図23(c)に示す4個の場合は、上記符号は図23(a)と同じく「+」になる。以上から、コイルの総数が奇数の場合は、図22(b)に示す構成を採用する必要がある。
図24(a)に示すように、中継装置が介在することでコイルの総数が「3」である場合に、第1実施形態の構成からスイッチ回路の位置を全波整流回路の出力端子側に変更したものについて、シミュレーションを行った。パラメータとして、中継装置のコイルと受電コイル部のコイルとの結合係数を0.4〜0.6の範囲で変化させて、(b)出力電圧を5Vに制御した結果と(c)電力伝送効率とを示している。効率については、結合係数0.4〜0.6の素子定数変動に対して、概ね60%以上となっている。
以上のように第6実施形態によれば、空間伝送部に含まれるコイルの総数が奇数である場合でも、非接触給電装置において、スイッチ回路SW_OUTを全波整流器5の直流出力端子の一方側に挿入し、スイッチ回路SW_OUTをオフすることで入力インピーダンスZinを増大させることができる。
(第7実施形態)
上述した各実施形態で説明した非接触給電システムでは、スイッチ回路9をオンした状態での入力インピーダンスは、高周波領域において1次側と2次側との間の結合係数kに依存した極小値を持つ。また、1次側の電力送信装置が無線信号を矩形波で送信する場合、当該信号には奇数次の高調波成分が含まれている。このため、入力インピーダンスが極小値になる周波数が上記高調波の周波数に重なると、損失が大きくなるため伝送効率が低下するという問題がある。
上述した各実施形態で説明した非接触給電システムでは、スイッチ回路9をオンした状態での入力インピーダンスは、高周波領域において1次側と2次側との間の結合係数kに依存した極小値を持つ。また、1次側の電力送信装置が無線信号を矩形波で送信する場合、当該信号には奇数次の高調波成分が含まれている。このため、入力インピーダンスが極小値になる周波数が上記高調波の周波数に重なると、損失が大きくなるため伝送効率が低下するという問題がある。
第7実施形態では、スイッチ回路9のオン抵抗Rswを最適値に設定することで、上記の問題に対処する。以下、その原理について説明する。図25に示すように、無線信号の周波数を動作周波数f0とすると、k=0.89,k=0,96の場合には、それぞれ3次高調波3f0,5次高調波5f0で入力インピーダンスが極小値となる(Rsw=0Ωの場合)。入力インピーダンスが極小値となる共振周波数f’とkとは、
f’=f0/√(1−k) …(3)
という関係にある(後述の(A)式参照)ためである。それに伴い、図26に示すように、k=0.89の場合には3次高調波3f0,k=0.96の場合には5次高調波5f0での損失が増大する。一般に、結合係数kについては「1」に近い高い値にすることが望まれるため、このような条件は比較的発生し易いと言える。
f’=f0/√(1−k) …(3)
という関係にある(後述の(A)式参照)ためである。それに伴い、図26に示すように、k=0.89の場合には3次高調波3f0,k=0.96の場合には5次高調波5f0での損失が増大する。一般に、結合係数kについては「1」に近い高い値にすることが望まれるため、このような条件は比較的発生し易いと言える。
そして、図27に示すように、第1実施形態のシステム構成においてオン抵抗Rswを増加させると、3次高調波3f0での極小値は上昇するが、動作周波数f0での入力インピーダンスは低下する。この場合、k=0.89,L=3.01μH,R=0.83Ω,C=1.74nF,f0=2.2MHz(矩形波)である。オン抵抗Rswの変化に応じた損失の変化は、図28に示すように各周波数で異なるため、各損失の合計が最小となるようにオン抵抗Rswを設定すれば良い。
先ず、入力インピーダンスが極小値となる周波数と、n次高調波とが同じ周波数である条件で(k=0.89,k=0,96,矩形波信号)、損失が最小となるオン抵抗Rswを求める。この場合、主たる損失は、動作周波数f0における損失とn次高調波における損失との和になるから、全損失Pinは(4)式となる。
尚、Vinは矩形波のハイレベル振幅である。また、Z1,Znについては図29を参照。
そして、全損失Pinが最小となるオン抵抗Rswは、(4)式をオン抵抗Rswで微分した結果が「0」になる値であるから、
Rsw≒R(kQ/n−2) …(5)
となる。
Rsw≒R(kQ/n−2) …(5)
となる。
次に、より一般的な条件について全損失Pinが最小となるオン抵抗Rswを求める。図30に示すように、オン抵抗Rswが存在する場合の入力インピーダンスZinは、(A)式で表される。
尚、前述の(3)式は、(A)式における虚部が「0」となる共振周波数f’として導出されている。
また、n次高調波での損失Pin_nは、n次高調波成分Vnと入力インピーダンスZinとを用いて(B)式で表される。
ここで、Wn=nであるから、損失Pin_nは、オン抵抗Rswのみを変数とする関数となっている。
そして、全損失Pinは、動作周波数f0における損失とn次高調波における損失との和であるから、(C)式で表される。
この(C)式で表される全損失Pinが最小となるように、オン抵抗Rswの値を設定すれば良い。例えば図31に示すように、5次高調波までの損失の合計では、Rsw=6Ω程度で全損失Pinが最小となっている。
図32は、第1実施形態の構成に第7実施形態を適用した場合である。NチャネルMOSFET9a,9bのドレインにそれぞれ抵抗素子51a,51bを挿入し、各抵抗値をそれぞれ、上述の手法で求めたオン抵抗Rswの値に設定すれば良い。また、図33は、第2実施形態の構成に第7実施形態を適用した場合であり、図32と同様にNチャネルMOSFET9a,9bのドレインにそれぞれ抵抗素子51a,51bを挿入するが、この場合、抵抗素子51a,51bの抵抗値の合計が、上述の手法で求めたオン抵抗Rswの値となるように設定する。
その他、抵抗素子51a,51bを挿入せずとも、NチャネルMOSFET9a,9bのオン抵抗値がオン抵抗Rswの値となるように設定したり、NチャネルMOSFET9a,9bのゲート・ソース間電圧を調整することで、オン抵抗値がオン抵抗Rswの値となるように調整することも考えられる。
図32に示す構成において、図34に示すように各素子定数等の条件を設定してシミュレーションを行った。(5)式より算出したオン抵抗の最適値は10.7Ωとなるが、図35に示すように、損失についてのシミュレーション結果は理論式とほぼ一致している。また、図36に示すように、効率についてのシミュレーション結果も、オン抵抗の最適値は10.7Ω付近で最大となることを示している。
以上のように第7実施形態によれば、NチャネルMOSFET9a,9bのドレインにそれぞれ抵抗素子51a,51bを挿入し、これらのMOSFET9a,9bをオンにした状態での入力インピーダンスが極小値となる周波数とn次高調波とが同じ周波数である条件では、MOSFET9a,9bのオン抵抗Rswを(5)式に基づいて設定する。また、より一般的な条件については、(C)式で表される全損失Pinが最小となるように、オン抵抗Rswの値を設定するようにした。これにより、動作周波数及びn次高調波成分による損失の合計を最小にして、低損失で電力伝送を行うことができる。
本発明は上記した、又は図面に記載した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
送電コイル部及び受電コイル部を、図21(c)に示すように、コイル及びコンデンサの並列回路で構成しても良い。
第3実施形態の構成を、第2,第4〜第6実施形態の構成に適用しても良い。
第5,第6実施形態を組み合わせて実施しても良い。
スイッチ回路9は、1つのMOSFETやバイポーラトランジスタ等のスイッチング素子で構成しても良い。
また、スイッチ回路9を備える構成は、半波整流回路に適用しても良い。
送電コイル部及び受電コイル部を、図21(c)に示すように、コイル及びコンデンサの並列回路で構成しても良い。
第3実施形態の構成を、第2,第4〜第6実施形態の構成に適用しても良い。
第5,第6実施形態を組み合わせて実施しても良い。
スイッチ回路9は、1つのMOSFETやバイポーラトランジスタ等のスイッチング素子で構成しても良い。
また、スイッチ回路9を備える構成は、半波整流回路に適用しても良い。
図面中、1は交流電源、5は全波整流回路、9はスイッチ回路(出力電圧制御手段,スイッチ手段)、10は平滑コンデンサ、11は負荷、12は制御回路(出力電圧制御手段,スイッチ制御手段)、12Cはコンパレータ、13は電力伝送装置、14は送電コイル部、15は非接触給電装置、16は受電コイル部を示す。
Claims (19)
- 無線により送信された電力を受電する受電コイル部(16)と、
この受電コイル部が受電した交流電力を整流する整流回路(5,22)と、
この整流回路より出力される電流により充電され、負荷(11)に並列に接続される平滑コンデンサ(10)と、
この平滑コンデンサの端子電圧に応じて、前記平滑コンデンサに対する電流の供給と供給停止とを切換えると同時に、前記電流の供給を停止している期間に、前記無線による電力の送信源となる交流電源(1)から見た入力インピーダンスを増大させる出力電圧制御手段(9,12)とを備えることを特徴とする非接触給電装置(15,21,23)。 - 前記出力電圧制御手段は、前記整流回路の交流入力端子間に接続されるスイッチ手段(9)と、
前記平滑コンデンサの端子電圧に応じて、前記スイッチ手段のオンオフを切り替えるスイッチ制御手段とで構成されることを特徴とする請求項1記載の非接触給電装置。 - 前記整流回路(5)は、全波整流回路であり、
前記スイッチ手段は、ソースが共通となるように直列接続される2つのMOSFET(9a,9b)で構成され、
前記各MOSFETのソースは、グランドに接続されていることを特徴とする請求項2記載の非接触給電装置。 - 前記整流回路(22)は、全波整流回路であり、
前記全波整流回路を構成する整流素子の2つは、2つのMOSFET(9a,9b)の寄生ダイオードで構成されており、
前記2つのMOSFETは、前記スイッチ手段を構成していることを特徴とする請求項2記載の非接触給電装置。 - 前記スイッチ手段に直列接続される抵抗素子を備えることを特徴とする請求項2から4の何れか一項に記載の非接触給電装置。
- 前記抵抗素子は、前記2つのMOSFETのドレイン側にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項3又は4を引用する請求項5記載の非接触給電装置。
- 前記スイッチ手段をオンした状態での入力インピーダンスZinが極小値を示す周波数と、前記無線信号のn次高調波の周波数とが等しい条件で、前記受電コイル部の抵抗成分をR,同インダクタンス成分をL,同共振周波数をf0,前記無線により電力を送信する送信側と前記受電コイル部との結合係数をk,Q=(2πf0・L/R)とすると、前記抵抗素子の抵抗値Rswを、
Rsw=R(kQ/n−2)
に設定したことを特徴とする請求項5又は6記載の非接触給電装置。 - 前記スイッチ制御手段は、前記平滑コンデンサの端子電圧と、基準電圧とを比較するヒステリシスコンパレータ(12C)を備え、
前記ヒステリシスコンパレータの出力信号により、前記スイッチ手段のオンオフを制御することを特徴とする請求項2から8の何れか一項に記載の非接触給電装置。 - 前記平滑コンデンサと前記負荷との間に配置されるシリーズレギュレータ(24)を備えたことを特徴とする請求項1から9の何れか一項に記載の非接触給電装置。
- 前記出力電圧制御手段は、前記整流回路の直流出力端子の一方と、前記平滑コンデンサとの間に接続されるスイッチ手段(SW_OUT)と、
前記平滑コンデンサの端子電圧に応じて、前記スイッチ手段のオンオフを切り替えるスイッチ制御手段とで構成されることを特徴とする請求項1記載の非接触給電装置。 - 前記スイッチ制御手段は、前記平滑コンデンサの端子電圧と、基準電圧とを比較するヒステリシスコンパレータを備え、
前記ヒステリシスコンパレータの出力信号により、前記スイッチ手段のオンオフを制御することを特徴とする請求項11記載の非接触給電装置。 - 前記平滑コンデンサと前記負荷との間に配置されるシリーズレギュレータ(24)を備えたことを特徴とする請求項11又は12記載の非接触給電装置。
- 請求項2から10の何れか一項に記載の非接触給電装置と、
交流電源(1,32)と、この交流電源の両端に接続される送電コイル部(14)とを備え、前記送電コイル部を介して前記非接触給電装置に無線により電力を伝送する電力伝送装置(12,31,41)とを有し、
前記受電コイル部及び前記送電コイル部を含む電力の伝送路中に存在するコイルの総数が偶数であることを特徴とする非接触給電システム。 - 請求項11から13の何れか一項に記載の非接触給電装置と、
交流電源と、この交流電源の両端に接続される送電コイル部とを備え、前記送電コイル部を介して前記非接触給電装置に無線により電力を伝送する電力伝送装置(12)と、
前記受電コイル部及び前記送電コイル部を含む電力の伝送路中に存在するコイルの総数が奇数であることを特徴とする非接触給電システム。 - 前記送電コイル部は、送電コイル(4)と、この送電コイルに対し直列又は並列に接続されるコンデンサ(2)とで構成され、
前記受電コイル部は、受電コイル(6)と、この受電コイルに対し直列又は並列に接続されるコンデンサ(8)とで構成されることを特徴とする請求項14又は15記載の非接触給電システム。 - 前記交流電源から見た前記非接触給電システムの入力インピーダンスの変化を検出し、前記平滑コンデンサに電流が供給されているか否かを判断する電流供給状態判断手段(33〜35)と、
前記平滑コンデンサに対する電流の供給が停止している期間に、前記交流電源が消費する電力を低下させるように制御する消費電力制御手段(36,42〜44)とを備えることを特徴とする請求項14から16の何れか一項に記載の非接触給電システム。 - 前記消費電力制御手段(36)は、前記交流電源(32)の電圧振幅,デューティ比又は周波数の何れか1つ以上を制御することで、前記交流電源が消費する電力を低下させることを特徴とする請求項17記載の非接触給電システム。
- 前記消費電力制御手段(42〜44)は、前記交流電源(1)の供給線の抵抗値を増加させて、前記交流電源が消費する電力を低下させることを特徴とする請求項17又は18記載の非接触給電システム。
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WO2019225104A1 (ja) * | 2018-05-24 | 2019-11-28 | ミネベアミツミ株式会社 | 受電装置及び無線電力伝送システム |
-
2015
- 2015-03-17 JP JP2015053433A patent/JP2016158471A/ja active Pending
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WO2019225104A1 (ja) * | 2018-05-24 | 2019-11-28 | ミネベアミツミ株式会社 | 受電装置及び無線電力伝送システム |
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