JP2016226088A - 給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】給電システムにおける受電回路において、負荷に過電圧がかかることを防止する。
【解決手段】給電コイルを備えた給電装置と受電コイルを備えた受電装置とを備え、共振回路が共振状態のとき、受電コイルに発生する電圧のピークの電圧値が所定の電圧値より高く設定され、共振回路が非共振状態のとき、受電コイルに発生する電圧のピークの電圧値が所定の電圧値より低く設定される。
【選択図】図８

Description

本発明は、給電システムに関する。

近年、給電コイルと受電コイルとの電磁誘導、或いは電磁結合により、電力をワイヤレスに供給する給電システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。このような給電システムは、例えば、携帯電話やＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）などの電子機器が備える電池を充電するために利用されている。

給電システムでは、給電装置が備える給電コイルと受電装置が備える受電コイルとが対向して配置され、給電コイルに電流を流すことにより、受電コイルに誘導電流を発生させ、これにより受電装置に電力を供給することができる。

特開２０１４−１３１４４０号公報

しかしながら、特許文献１に見られるような電磁誘導により給電コイルから受電コイルに電力を給電する給電システムにより、例えば充電池への充電を行う場合、充電が完了するころ、すなわち負荷が軽くなった状態において、充電池に過電圧がかかるという問題が生じる場合がある。

上記課題を解決するために、本発明による給電システムは、給電装置と受電装置とを備え、前記給電装置から前記受電装置に電力を給電する給電システムであって、前記給電装置は給電コイルを備え、前記受電装置は、前記給電コイルから給電される前記受電コイルと、前記受電コイルと共振する共振コンデンサと、前記共振コンデンサの電気的な接続状態を変更して、共振状態を制御するスイッチング素子とを有する共振回路と、前記共振回路に発生する交流出力電圧を整流し、平滑し、直流電力を得る整流回路と、前記整流回路により得られた直流電力が供給される負荷とを備え、前記受電コイルに発生する電圧の前記ピーク値は、前記共振回路が共振状態のとき、前記受電コイルに発生する電圧のピークの電圧値が所定の電圧値より高く設定され、前記共振回路が非共振状態のとき、前記受電コイルに発生する電圧のピークの電圧値が前記所定の電圧値より低く設定されることを特徴とする。

本発明によれば、非共振状態のとき、受電コイルに発生する電圧のピーク値が所定の電圧値より低く設定されることから、負荷に過電圧がかかることを防止することが可能となる。

給電コイルに電圧を印加したときに受電コイルに発生する電圧の極性を説明する図である。 参考例による給電システムを示すブロック図である。 第１の実施形態における給電装置の給電コイルに発生する電圧波形を説明する図である。 図２における給電装置の給電コイルと整流ダイオードを外した時の受電コイルに発生する電圧波形を説明する図である。 図２における給電装置の受電コイルに発生する電圧波形を説明する図である。 本発明の実施形態による給電システムの一例を示すブロック図である。 図６における給電装置の給電コイルと整流ダイオードを外した時の受電コイルに発生する電圧波形を説明する図である。 図６における給電装置の受電コイルに発生する電圧波形を説明する図である。

本発明の実施形態を説明する前に、まず、本発明者が本発明を想到するに至った経緯につき説明する。
図１は、同じ向きに巻かれた給電コイル１１と受電コイル２１の中心軸を重ね合わせて、給電コイル１１に直流をかけた場合の受電コイル２１に現れる誘導電流の向きを示している。

給電コイル１１には、直流電源３とスイッチ４が直列に接続されている。受電コイル２１には、負荷５が接続されている。
スイッチ４を接続すると、給電コイル１１のａ１，ｂ１端に直流がかかり、給電コイル１１の端子ａ１からｂ１に、すなわちｉ１の方向に電流が流れる。その時、発生した磁界を受電コイル２１が受けて、受電コイル２１には、ｉ２の方向に電流が流れる。ａ２、ｂ２には負荷抵抗を接続しているが、この場合は、ａ２に正極、ｂ２に負極の電圧が発生する。

図２は、参考例による給電システム２００を示すブロック図であり、本発明者が考案した給電システム２００の回路構成を示している。
給電システム２００は、給電装置１と、受電装置２とを備えている。
給電システム２００は、給電装置１から受電装置２にワイヤレス（非接触）で電力を供給するシステムであり、給電装置１から受電装置２に供給された電力を受電装置２が備える負荷２６に供給する。受電装置２は、例えば、携帯電話端末やＰＤＡなどの電子機器であり、給電装置１は、例えば、受電装置２に対応する充電器である。

給電装置１は、給電コイル１１と、共振コンデンサ１２と、駆動トランジスタ１３と、発振回路１４とを備えている。
給電コイル１１は、端子ａ１が電源ＶＣＣに接続され、端子ｂ１がノードＮ１に接続されている。給電コイル１１は、例えば、電磁誘導、又は電磁結合により、受電装置が備える受電コイル２１に電力を供給するコイルである。

共振コンデンサ１２は、給電コイル１１と並列に接続されており、給電コイル１１と共振するコンデンサである。ここで、給電コイル１１と共振コンデンサ１２とは、共振回路１０を構成している。共振回路１０は、給電コイル１１のインダクタンス値と共振コンデンサ１２の容量値とにより定まる所定の共振周波数（例えば、１００ｋＨｚ）により共振する。

駆動トランジスタ１３は、共振回路１０に直列に接続されている。本実施形態では、一例として、駆動トランジスタ１３がＮＭＯＳトランジスタである場合について説明する。
駆動トランジスタ１３は、ソース端子が電源ＧＮＤに接地され、ゲート端子が発振回路１４の出力信号線（ノードＮ２）に接続され、ドレイン端子がノードＮ１に接続されている。発振回路１４は、所定の周期により、Ｈ状態とＬ状態を繰り返す制御信号を出力する。駆動トランジスタ１３は、発振回路１４の出力によりオン状態（導通状態）とオフ状態（非導通状態）とを周期的に繰り返す。これにより、給電コイル２１に周期的な信号が発生し、給電コイル１１から電磁誘導により受電コイル２１に給電する。

受電装置２は、受電コイル２１、共振コンデンサ２２、共振制御トランジスタ２３、整流ダイオード（整流回路）２４、平滑コンデンサ２５、負荷２６、および共振制御部６０を備えている。

受電コイル２１は、端子ａ２がノードＮ５に接続され、端子ｂ２が電源ＧＮＤ１に接続されている。受電コイル２１は、例えば、電磁誘導、又は電磁結合により、給電装置１が備える給電コイル１１から電力を供給されるコイルである。受電コイル２１は、受電装置の負荷２６に電力を供給する際に、図１に示す給電コイル１１と受電コイル２１と同様、巻き方向が給電コイル１１と同じになるように対向して配置される。

共振コンデンサ２２は、受電コイル２１と並列に接続されており、受電コイル２１と共振するコンデンサである。共振コンデンサ２２は、ノードＮ５とノードＮ６との間に接続されている。ここで、受電コイル２１と共振コンデンサ２２とは、共振回路２０を構成している。共振回路２０は、受電コイル２１のインダクタンス値と共振コンデンサ２２の容量値とにより定まる所定の共振周波数（例えば、１００ｋＨｚ）により共振する。なお、本実施形態では、受電装置２の共振周波数と給電装置１の共振周波数とは等しく、例えば、１００ｋＨｚである。

共振回路２０は、共振コンデンサ２２とともに受電コイル２１と並列に接続され、且つ、共振コンデンサ２２と直列に接続される共振制御トランジスタ２３（スイッチング素子）をさらに備える。共振制御トランジスタ２３は、例えば、ＮＭＯＳトランジスタであり、ソース端子が電源ＧＮＤ１に接続され、ドレイン端子がノードＮ６に接続されている。また、共振制御トランジスタ２３は、ゲート端子が後述する共振制御部６０からの出力信号線に接続されている。共振制御トランジスタ２３は、共振制御部６０によって、オン状態にされることにより共振コンデンサ２２が機能し、共振回路２０に共振を発生させる。また、共振制御トランジスタ２３は、共振制御部６０によって、オフ状態にされることにより共振コンデンサ２２が電気的に切り離され、共振回路２０の共振を停止させる。

整流ダイオード２４（整流部）は、アノード端子が受電コイル２１の一端であるノードＮ５に接続され、カソード端子が平滑コンデンサ２５の一端であるノードＮ７に接続されている。整流ダイオード２４は、受電コイル２１が受電した電力を整流して、直流電力に変換する。すなわち、整流ダイオード２４は、受電コイル２１に発生する交流電力（交流電圧）を直流電力（直流電圧）に変換する。

平滑コンデンサ２５は、整流ダイオード２４が変換した直流電力を平滑化する。
また、平滑コンデンサ２５と並列に負荷２６が接続されている。

共振制御部６０は、共振制御トランジスタ２３を制御することにより、共振回路２０の共振状態を制御する共振制御部６０であって、受電コイル２１が受電した電力を整流した直流電圧に応じて、共振制御トランジスタ２３を制御する。共振制御部６０は、オペアンプ６１、抵抗２７，２８、コンパレータ６４および基準電源６５を備えている。コンパレータ６４は、＋入力端子が基準電源６５に接続され、−入力端子がノードＮ８に接続されている。

抵抗２７の一端はノードＮ７に接続され、コンパレータ６４は、抵抗２７および抵抗２８によってノードＮ７の電圧をノードＮ８に分圧された電圧と、基準電源２９の出力電圧とを比較し、変換された電圧が、基準電源６５の出力電圧以上である場合に、共振制御トランジスタ２３をオフ状態にする。

具体的には、コンパレータ６４は、抵抗２７および抵抗２８によって分圧されたノードＮ８の電圧が所定の閾値電圧より低い場合に、Ｈ状態を出力端子に出力する。また、コンパレータ６４は、抵抗２７および抵抗２８によって分圧されたノードＮ８の電圧が所定の閾値電圧以上である場合に、Ｌ状態を出力端子に出力する。

このように、共振制御部６０は、整流後の電圧ノードＮ７に応じて、共振制御トランジスタ２３を制御し、共振回路２０の共振状態を変化させる。
このようにして、ノードＮ７に、定電圧化された出力が得られる受電回路を構成する。
基準電源６５は、所定の閾値電圧に対応する所定の閾値電圧を出力する定電圧源であり、基準電圧６５および抵抗２７，２８の構成によって、ノードＮ７の定電圧値が決定される。

図３は、図２の給電装置１における給電コイル１１の端子ｂ１の電圧の挙動を示している。
先に説明したように発振回路１４は、所定の周期により、駆動トランジスタ１３をオン状態（導通状態）とオフ状態（非導通状態）とにする制御信号を出力するので、給電コイル１１と共振コンデンサ１２で構成される共振回路１０において、駆動トランジスタ１３がオン状態のとき、給電コイル１１には電源電流が流れ、共振コンデンサ１２には電源電圧がかかる。このとき給電コイル１１の端子ｂ１は、ほぼＧＮＤ電位となる。

駆動トランジスタ１３がオフ状態のとき、給電コイル１１と共振コンデンサ１２で構成される共振回路１０は、発振状態となり、給電コイル１１の端子ｂ１には、弧を描くように正極に電圧が発生する。

発振回路１４は、所定の周期によって、出力を繰り返すので、給電コイル１１と共振コンデンサ１２で構成される共振回路１０は、電源からの電力の供給と、発振状態の繰り返しを行うので、給電コイル１１の端子ｂ１には図３に示すような繰り返し波形が観測される。

発振回路１４のオンとオフの周期は、あらかじめ設定された時間によるものであってもよいし、給電コイル１１の端子ｂ１の電圧が正極に弧を描き再び０Ｖに戻るタイミングでオンとなるようなタイマー動作や０Ｖスイッチングなどによるものであってもよい。

図４は、図２の給電システム２００において、給電コイル１１と受電コイル２１に現れる電圧を示している。ただし、図４は、説明をわかりやすくするために、図２の受電装置２の整流ダイオード２４を外して、受電コイル２１の端子ａ２の電圧（ノードＮ５の電圧）を受電コイル２１の電圧として観測した結果を示している。
給電コイル１１には、図３と同様な周期波形が発生しているものとする。このとき受電コイル２１には、正負の電圧が現れる。

図２の受電装置２１の共振回路２０において、共振制御トランジスタ２３がオフとなって受電コイルから共振コンデンサ２２が外れている「非共振状態」では、受電コイル２１の電圧波形は、給電コイル１１の電圧波形と相似な形を持った、正負のピーク電圧が８１ａ−８２ａの小さな振幅となる。正側には弧を描くような波形が現れ、負側にはピーク部分に平坦な部分を持った波形が現れる。

受電装置２１の共振回路２０において、共振制御トランジスタ２３がオンとなり、共振コンデンサ２２が受電コイル２１に接続されている「共振状態」では、受電コイル２１の電圧波形は、受電コイルの端子ａ２の正負のピーク電圧が８３ａ−８４ａの大きな振幅となる。共振状態では、受電コイル２１の電圧波形は正負に弧を描くようになる。

なお、「共振状態」では、給電コイル１１の電圧と受電コイル２１の電圧の位相がずれている。これは、受電コイル２１に共振コンデンサ２２が接続されたことによる位相回転が起きているためである。

図５は、受電装置２の整流ダイオード２４を図２のように接続した状態で、給電システム２００を動作させたときに、受電コイル２１の端子ａ２に現れる電圧を測定した結果を示すものであり、受電回路２の共振回路２０が「共振状態」から「非共振状態」に移行している様子を捕えたものである。

図５のＡおよびＢの部分は、受電装置２の負荷２６の電圧が降下して、共振制御部６０がノードＮ７の電圧が＋５Ｖより低下していることを感知して、共振制御トランジスタ２３をオンとしている期間の受電コイル２１のピーク電圧部分であり、共振回路２０は「共振状態」にある。

「共振状態」にあって、弧を描くはずの受電コイル２１のピーク部分がつぶれているのは、平滑コンデンサ２５は、ほぼ＋５Ｖに電圧が維持されているので、整流ダイオード２５の順方向電圧分を超えようとした電流は、平滑コンデンサ２５に流れ込むことから、受電コイル２１のピーク電圧が出力電圧（＋５Ｖ）と整流ダイオードの順方向電圧の和に制限されているためである。

図５のＣ、ＤおよびＥの部分は、受電装置２の負荷２６の電圧が上昇して、共振制御部６０がノードＮ７の電圧が＋５Ｖより高くなっていることを感知して、共振制御トランジスタ２３をオフとしている期間の受電コイル２１のピーク電圧部分であり、共振回路２０は「非共振状態」にある。

「非共振状態」においては、受電コイル２１のピーク電圧は、図５のＤに示すように＋５Ｖよりも低くなるべきであるが、図５のＣおよびＥに示されるように、＋５Ｖよりも高くなってしまう場合が生じることが判明した。

このようになると、非共振状態であっても、負荷２６に電力が供給され続けてしまうこととなるため、負荷が軽くなった状態において、負荷の両端電圧が目標値より高くなってしまうという問題が生じる。

なお、「非共振状態」においても、「共振状態」と同様に受電コイル２１のピーク電圧は平滑コンデンサ２５と整流ダイオード２４の電圧の和に制限されるため、図５のＣおよび図５のＥは、ピーク電圧部分がつぶれたようになる。しかしながら、つぶれたピーク部分は＋５Ｖを超えており、実質的に共振状態における図５のＡおよびＢに示される波形とほぼ同様な波形となり、共振状態と非共振状態との判別がつかなくなってしまう。

したがって、例えば、負荷２６に充電池を用いて、これを給電システムによって充電するような用途では、充電池の充電が終わるころの負荷が軽くなった状態において、充電池に過電圧がかかるという問題を引き起こすこととなる。

また、このような状態は、特に、コイル間の距離が小さい時、あるいは受電側に大きな電力から小さな電力まで取ろうとしたときに負荷電流が少なくなる時に起きやすい。
したがって、本発明は、かかる問題を解決することが可能な給電システムを提供する。

図６は、本発明の実施形態による給電システムの一例を示すブロック図である。
図６において、図２に示す参考例による同様の構成については、同一の参照符号を付すことにより説明を省略する。

本実施形態による給電システム１００では、図６に示すように、給電コイル１１の接続は図２に示す給電システム２００と同様とし、受電装置２の受電コイル２１の極性を給電システム２００と逆向きにしている。
すなわち、受電コイル２１の端子ａ２をＧＮＤに接続し、端子ｂ２をノードＮ５に接続している。
給電装置１の動作は、図２の給電システム２００と同様であり、給電コイル１１に発生する電圧の波形は図３に示すものと同様であるため、これらの説明は省略する。

図７は、図６の給電システム１００において、給電コイル１１と受電コイル２１に現れる電圧を示している。ただし、説明をわかりやすくするために、図６の受電装置２の整流ダイオード２４を外して、受電コイル２１の端子ｂ２の電圧、すなわちノードＮ５の電圧を受電コイル２１の端子電圧として観測した結果を示している。
受電コイル２１の端子ｂ２の電圧の正負の振幅が図４と逆向きになっていることが確認できる。

図６の受電装置２の共振制御トランジスタ２３がオフとなって受電コイル２１から共振コンデンサ２２が外れている「非共振状態」では、受電コイル２１の電圧波形は、受電コイル２１の正負のピーク電圧が９１ａ−９２ａの小さな振幅となる。図７において、図４と異なる点は、正側にはピーク部分に平坦な部分を持った波形、負側には弧を描くような波形が現れることにある。
すなわち、正側ではピーク値が平坦となり、負側では弧を描くような振幅波形が現れる。

共振制御トランジスタ２３がオンとなり、受電コイル２１に共振コンデンサ２２が接続されている「共振状態」では、受電コイル２１の電圧波形は、受電コイル２１の正負のピーク電圧が９３ａ−９４ａの大きな振幅となる。「共振状態」では、受電コイル２１は正負に弧を描くようになる。

図８は、受電装置２の整流ダイオード２４を図６のように接続した状態で、給電システム１００を動作させたときに、受電コイル２１の端子ｂ２に現れる電圧を測定した結果を示すものであり、受電回路２の共振回路２０が「共振状態」から「非共振状態」に移行している様子を捕えたものである。

図８のＡおよびＢの部分は、受電装置２の負荷２６の電圧が降下して、共振制御部６０がノードＮ７の電圧が＋５Ｖより低下していることを感知して、共振制御トランジスタ２３をオンとしている期間の受電コイル２１のピーク電圧部分である。これらピーク電圧は＋５Ｖ（所定の電圧値）を超えており、共振回路２０は「共振状態」にある。

「共振状態」にあって、弧を描くはずの受電コイル２１の電圧波形のピーク部分がつぶれて平坦部を有しているのは、図２に示す給電システムと同様、受電コイル２１のピーク電圧が出力電圧（＋５Ｖ）と整流ダイオード２４の順方向電圧の和に上限値が制限されているためである。

図８のＣ、ＤおよびＥの部分は、受電装置２の負荷２６の電圧が上昇して、共振制御部６０がノードＮ７の電圧が＋５Ｖより高くなっていることを感知して、共振制御トランジスタ２３をオフとしている期間の受電コイル２１のピーク電圧部分であり、共振回路２０は「非共振状態」にある。

図８のＣ、ＤおよびＥに示されるように、「非共振状態」の受電コイル２１のピーク電圧は＋５Ｖ未満となっている。これは、受電コイル２１の方向を図２とは逆方向にしたことにより、受電コイル２１に発生する電圧波形は、ピーク値に平坦部を有することとなり、そのピークの電圧値を確実に＋５Ｖ（所定の電圧値）より低くすることができるためである。

図５の状態では、「非共振状態」においても負荷２６に電力が供給され続けていたが、図８の状態では受電コイル２１のピーク電圧は＋５Ｖ未満となるので、負荷２６へ供給される電力はゼロとなり、負荷２６に過電圧がかかることを防止することが可能となる。
したがって、負荷２６が軽い状態から重い状態の広い範囲にわたって、負荷２６にかかる電圧が正確に制御され得る。

以上説明したように、本実施形態の給電システムによれば、電池の充電のような負荷電流のレンジを広く要求されるようなときでも、充電電流が０に至るまでの制御が可能になるので、充電電流が多く必要とされる充電開始時から、充電電流が非常に少なくなる充電完了間近に至るまで、正常な充電動作が可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、上記実施形態においては、給電コイル１１と受電コイル２１の向きを逆方向にするという方法により非共振時に受電コイル２１のピーク電圧が所定電位を超えないようにしているが、これに限らず、コイル間の距離を限定したり、負荷電流に制限をかけるなどの方法を用いることも可能である。

また、上記実施形態における負荷２６は、抵抗負荷でもインピーダンス変動を持つ負荷でも構わない。また、負荷２６は、マイコンを使用したシステムの電源やオーディオアンプ、無線回路、センサ回路、照明駆動回路、表示回路などでもよく、あるいは電池を充電する回路であってもよい。

さらに、上記実施形態においては、整流回路としてダイオードを使用しているが、ＦＥＴを使用した同期整流回路を用いてもよい。同期整流回路を使用すれば、熱損失の少ない受電回路を構成することができる。

１ 給電装置
２ 受電装置
３ 直流電源
４ スイッチ
５、２６ 負荷
１０、２０ 共振回路
１１ 給電コイル
１２、２２ 共振コンデンサ
１３ 駆動トランジスタ
１４ 発振回路
２１ 受電コイル
２３ 共振制御トランジスタ
２４ 整流ダイオード
２５ 平滑コンデンサ
２７、２８ 抵抗
６０ 共振制御部
６４ コンパレータ
６５ 基準電源
１００，２００ 給電システム

Claims (2)

1. 給電装置と受電装置とを備え、前記給電装置から前記受電装置に電力を給電する給電システムであって、
   前記給電装置は給電コイルを備え、
   前記受電装置は、前記給電コイルから給電される受電コイルと、前記受電コイルと共振する共振コンデンサと、前記共振コンデンサの電気的な接続状態を変更して共振状態を制御するスイッチング素子とを有する共振回路と、前記共振回路に発生する交流出力電圧を整流し、平滑し、直流電力を得る整流回路と、前記整流回路により得られた直流電力が供給される負荷とを備え、
   前記共振回路が共振状態のとき、前記受電コイルに発生する電圧のピークの電圧値が所定の電圧値より高く設定され、
   前記共振回路が非共振状態のとき、前記受電コイルに発生する電圧のピークの電圧値が前記所定の電圧値より低く設定される
   ことを特徴とする給電システム。
2. 前記共振回路が非共振状態のときに前記受電コイルに発生する前記電圧のピークの部分が平坦部を有する電圧波形に駆動される
   ことを特徴とする請求項１に記載の給電システム。

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