JP2021197893A - 絶縁型共振回路装置及び非接触給電システム - Google Patents
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Abstract
Description
(課題2)充電池の残量によって負荷が変動し、その結果、充電回路の出力電圧、出力電流等の出力特性が変動する。これにより、充電池の充電プロファイルを満たすための回路設計や制御が複雑になる。
互いに電磁的に結合して電気的に絶縁された第1と第2のLC共振回路を含み、入力される交流電圧に基づいて所定の第1の共振周波数で発振し、発振信号電圧を発生して出力する第1の共振回路と、
複数のスイッチング素子を含み、所定の複数のゲート信号に従って、前記発振信号電圧をスイッチングした後、平滑して所定の直流電圧を負荷に出力する整流回路と、
前記第1の共振周波数と実質的に同一の第2の共振周波数を有し、前記発振信号電圧に共振して検出し、検出した発振信号電圧を出力する第2の共振回路と、
前記第2の共振回路からの発振信号電圧を、所定の目標の出力電圧及び/又は所定の目標の出力電流を得るための比較信号電圧と比較することで、前記整流回路を制御するための前記複数のゲート信号を発生して前記整流回路に出力する制御回路と、
を備える。
以下の実施形態では、送電装置と受電装置間の通信が不要であり、受電装置の情報のみによって受電装置の回路を制御することで、送電装置と受電装置間の結合度及び負荷変動に対して所望な出力特性(出力電圧特性及び/又は出力電流特性)とすることが可能な絶縁型共振回路装置とその制御方法、及び非接触給電システムについて以下に説明する。
(1)送電装置の送電コイルと、受電装置の受電コイルとの間の位置関係が変化するとインダクタンスが変化し又は結合度が変動すると、送電装置のインバータ回路のゲート信号と、受電装置の整流回路(インバータ回路)のゲート信号との位相差が変化する。
(2)この位相差を、受電装置の共振回路に接続される第2の共振回路により検出し、負荷の変動及びインダクタンス又は結合度の変動に対して所望の出力特性(出力電圧又は出力電流)となる所定の位相差を算出する。
(制御方法A)インダクタンス、結合度、又は負荷の変動に対して、出力特性が非依存となる、送電装置のインバータ回路のゲート信号と、整流用インバータ回路のゲート信号との間の位相差を算出して、この位相差に基づいて、整流用インバータ回路のゲート信号を制御する。これは、実施形態1において開示する。
(制御方法B)インダクタンス、結合度、又は負荷の変動に対して。出力特性が非依存となる整流用インバータ回路のレグ間の所定の位相差を算出して、この位相差に基づいて、整流用インバータ回路のゲート信号を制御する。これは、実施形態2において開示する。
(4)これにより、送電装置と受電装置間の通信が不要で、インダクタンスと結合度及び負荷変動に対して所望の出力特性(出力電圧又は出力電流)に制御することが可能となる。
図1は実施形態1に係る非接触給電システムの構成例を示すブロック図である。
図4は、実施形態2に係る非接触給電システムにおいて用いる制御回路30Aの構成例を示すブロック図である。実施形態2に係る非接触給電システムは、図1の実施形態1に係る非接触給電システムに比較して、以下の相違点を有する。
(1)制御回路30に代えて、図4の制御回路30Aを備える。
(2)制御回路30Aは、図2Bの制御回路30に比較して、インバータ57をさらに備える。
以下、相違点について説明する。
図6は実施形態3に係る非接触給電システムの構成例を示すブロック図である。実施形態3に係る非接触給電システムは、図1の実施形態1に係る非接触給電システムに比較して、以下の相違点を有する。
(1)受電装置200に代えて、受電装置200Aを備える。
(2)受電装置200Aは、受電装置200に比較して、制御回路30に代えて、制御回路30Bを備えるとともに、LC共振回路14Aと、別の第2の共振回路22Aと、インバータ回路15Aと、電圧検出器31,42と、電流検出器33とをさらに備える。
(1)検出電圧Vr1を、所定の目標の出力電圧及び/又は所定の目標の出力電流を得るための比較信号電圧Vtと比較することで、インバータ回路15のMOSトランジスタQ1〜Q4を駆動する4個のゲート信号S1〜S4を生成してそれぞれ、インバータ回路15を制御し、
(2)検出電圧Vr2を、所定の目標の出力電圧及び/又は所定の目標の出力電流を得るための比較信号電圧Vtと比較することで、インバータ回路15AのMOSトランジスタQ11〜Q14を駆動する4個のゲート信号S11〜S14を生成してそれぞれ、インバータ回路15Aを制御する。
これにより、制御回路30Bは、出力電圧Voが所定の目標の出力電圧となり、及び/又は、出力電流Ioが所定の目標の出力電流となるように制御する。
図7は実施形態4に係る非接触給電システムの構成例を示すブロック図である。実施形態4に係る非接触給電システムは、図1の実施形態1に係る非接触給電システムに比較して以下の相違点を有する。
(1)送電装置100に代えて、送電装置100Aを備える。
(2)送電装置100Aはさらに、第3の共振回路23をさらに備える。
以下、相違点について説明する。
以下において、第1の共振回路21内のLC共振回路13及び14の変形例等について説明する。以下のインダクタは、自己インダクタンス、励磁インダクタンス、又は漏れインダクタンス等を含んでおり、L31、L41、L42はそれらとは異なるインダクタを設けることを意味する。また、下記の構成例はあくまで基本形式の回路であり、インダクタとキャパシタを直列又は並列に接続するそれらの数量は変更してもよい。
12 インバータ回路
12C 制御回路
13,13A〜13E,14,14A〜14G LC共振回路
15 インバータ回路
16 電解キャパシタ
17 負荷
21,21A 第1の共振回路
22 第2の共振回路
23 第3の共振回路
30,30A,30B 制御回路
31,32,34,41,42 電圧検出器
33,35,43 電流検出器
51,53 コンパレータ
52 リセット付き積分器
54 操作部
55 比較信号電圧発生器
56,57 インバータ
100 送電装置
200,200A 受電装置
301,302 絶縁型共振回路装置
C1〜C42 キャパシタ
L1〜L42 インダクタ
Lg1〜Lg12 レグ
R1〜R21 抵抗
Q1〜Q24 MOSトランジスタ
Claims (10)
- 互いに電磁的に結合して電気的に絶縁された第1及び第2のLC共振回路を含み、入力される交流電圧に基づいて所定の第1の共振周波数で発振し、発振信号電圧を発生して出力する第1の共振回路と、
複数のスイッチング素子を含み、所定の複数のゲート信号に従って、前記発振信号電圧をスイッチングした後、平滑して所定の直流電圧を負荷に出力する整流回路と、
前記第1の共振周波数と実質的に同一の第2の共振周波数を有し、前記発振信号電圧に共振して検出し、検出した発振信号電圧を出力する第2の共振回路と、
前記第2の共振回路からの発振信号電圧を、所定の目標の出力電圧及び/又は所定の目標の出力電流を得るための比較信号電圧と比較することで、前記整流回路を制御するための前記複数のゲート信号を発生して前記整流回路に出力する制御回路と、
を備える絶縁型共振回路装置。 - 前記絶縁型共振回路装置はさらに、
前記第1の共振回路の前段に設けられたインバータ回路であって、複数のスイッチング素子を含み、所定の複数のゲート信号に従って、入力電圧をスイッチングした後、前記スイッチング後の交流電圧を前記第1の共振回路に出力するインバータ回路を備え、
前記制御回路は、前記第2の共振回路からの発振信号電圧に基づいて所定の基準信号を生成し、前記基準信号を前記比較信号電圧と比較することで、前記インバータ回路の複数のゲート信号と、前記整流回路の複数のゲート信号との間の位相差を算出し、前記算出した位相差に基づいて前記整流回路の複数のゲート信号を発生し、前記発生した整流回路の複数のゲート信号を用いて、前記位相差で前記整流回路が動作するように制御することで、前記目標の出力電圧及び/又は前記目標の出力電流を得るように制御する、
請求項1に記載の絶縁型共振回路装置。 - 前記整流回路は、
第1のレグに属する1対の第1及び第2のスイッチング素子と、
第2のレグに属する1対の第3及び第4のスイッチング素子とを含み、
前記第1及び第4のスイッチング素子はハイサイドのスイッチング素子であり、前記第2及び第3のスイッチング素子はローサイドのスイッチング素子であり、
前記第1〜第4のスイッチング素子がブリッジ形式で接続されて構成され、
前記制御回路は、
前記第2の共振回路からの発振信号電圧に基づいて、前記発振信号電圧に同期する所定の同期信号電圧を発生する積分手段と、
前記同期信号電圧を前記比較信号電圧と比較することで、前記同期信号電圧が前記比較信号電圧に到達したときに、互いに同一の第1及び第3のゲート信号を発生してそれぞれ前記第1及び第3のスイッチング素子の制御端子に出力する比較手段と、
前記第1のゲート信号を反転して、互いに同一の第2及び第4のゲート信号を発生してそれぞれ前記第2及び第4のスイッチング素子の制御端子に出力する反転手段と、
を備える請求項1又は2に記載の絶縁型共振回路装置。 - 前記整流回路は、
第1のレグに属する1対の第1及び第2のスイッチング素子と、
第2のレグに属する1対の第3及び第4のスイッチング素子とを含み、
前記第1及び第4のスイッチング素子はハイサイドのスイッチング素子であり、前記第2及び第3のスイッチング素子はローサイドのスイッチング素子であり、
前記第1〜第4のスイッチング素子がブリッジ形式で接続されて構成され、
前記制御回路は、前記第2の共振回路からの発振信号電圧に基づいて所定の基準信号を生成し、前記基準信号を前記比較信号電圧と比較することで、前記第1と第2のレグ間の対応するスイッチング素子間の位相差を算出し、前記算出した位相差に基づいて前記複数のゲート信号を発生し、前記目標の出力電圧及び/又は前記目標の出力電流を得るように制御する、
請求項1に記載の絶縁型共振回路装置。 - 前記制御回路は、
前記第2の共振回路からの発振信号電圧に同期する同期信号電圧を発生する積分手段と、
前記第2の共振回路からの発振信号電圧に基づいて、前記発振信号電圧に同期する基準信号電圧を前記第1のゲート信号として前記第1のスイッチング素子の制御端子に出力する第1の比較手段と、
前記第1のゲート信号を反転して、第2のゲート信号を発生して前記第2のスイッチング素子の制御端子に出力する第1の反転手段と、
前記同期信号電圧を前記比較信号電圧と比較することで、前記同期信号電圧が前記比較信号電圧に到達したときに、第3のゲート信号を発生して前記第3のスイッチング素子の制御端子に出力する第2の比較手段と、
前記第3のゲート信号を反転して、第4のゲート信号を発生して前記第4のスイッチング素子の制御端子に出力する第2の反転手段と、
を備える請求項1又は4に記載の絶縁型共振回路装置。 - 前記絶縁型共振回路装置は、
複数のスイッチング素子を含み、所定の複数の別のゲート信号に従って、前記発振信号電圧をスイッチングした後、平滑して所定の直流電圧を負荷に出力する少なくとも1つの別の整流回路と、
前記第1の共振周波数と実質的に同一の第2の共振周波数を有し、前記発振信号電圧に共振して検出し、検出した発振信号電圧を出力する少なくとも1つの別の第2の共振回路とをさらに備え、
前記制御回路はさらに、前記別の第2の共振回路からの発振信号電圧を、前記比較信号電圧と比較することで、前記別の整流回路を制御するための前記複数の別のゲート信号を発生して前記別の整流回路に出力する、
請求項1〜5のうちのいずれか1つに記載の絶縁型共振回路装置。 - 前記絶縁型共振回路装置は、
前記第1のLC共振回路に接続された第3の共振回路であって、前記入力される交流電圧の周波数と実質的に同一の共振周波数を有し、前記交流電圧に対して共振する第3の共振回路をさらに備える、
請求項1〜6のうちのいずれか1つに記載の絶縁型共振回路装置。 - 交流電圧を送電する送電装置と、
前記送電装置と電磁的に結合され、前記交流電圧を受電する受電装置とを備え、請求項1〜5のうちのいずれか1つに記載の絶縁型共振回路装置を備える非接触給電システムであって、
前記送電装置は、前記第1のLC共振回路を含み、
前記受電装置は、前記第2のLC共振回路と、前記第2の共振回路と、前記整流回路と、前記制御回路とを含む、
非接触給電システム。 - 交流電圧を送電する送電装置と、
前記送電装置と電磁的に結合され、前記交流電圧を受電する受電装置とを備え、請求項6に記載の絶縁型共振回路装置を備える非接触給電システムであって、
前記送電装置は、前記第1のLC共振回路を含み、
前記受電装置は、前記第2のLC共振回路と、前記第2の共振回路と、前記整流回路と、前記別の第2の共振回路と、前記別の整流回路と、前記制御回路とを含む、
非接触給電システム。 - 交流電圧を送電する送電装置と、
前記送電装置と電磁的に結合され、前記交流電圧を受電する受電装置とを備え、請求項7に記載の絶縁型共振回路装置を備える非接触給電システムであって、
前記送電装置は、前記第1のLC共振回路と、前記第3の共振回路とを含み、
前記受電装置は、前記第2のLC共振回路と、前記第2の共振回路と、前記整流回路と、前記制御回路とを含む、
非接触給電システム。
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