JP6177351B2 - 高周波電源用自動整合回路 - Google Patents

Description

この発明は、高周波電源の出力インピーダンスと電力伝送用送信アンテナの入力インピーダンスとの間のインピーダンス整合を自動で調整する高周波電源用自動整合回路に関するものである。

従来から、入力側の電源と出力側の一次コイル（送信アンテナ）との間のインピーダンス整合を調整するために、整合回路が設けられている（例えば特許文献１参照）。この整合回路では、スイッチを用いた接点切替えによりインダクタンス値を可変とする可変インダクタと、容量値を可変とする可変コンデンサ（バリアブルコンデンサ）を用いることで、インピーダンス整合の調整範囲を広げている。

特開２０１３−５６１４号公報

しかしながら、従来構成の可変コンデンサ及び可変インダクタは、従来から知られている素子を前提としているため、機械的接点を持った素子構造となっている。そのため、機械的接点の磨耗のために素子の寿命が短く、システムの寿命を制限してしまうという課題がある。また、高速での定数切替えができないため、システムの立ち上げ速度が遅いという課題がある。また、通電状態で定数切替えを行った場合、素子内部の機械的接点で放電が発生し、溶断・溶着・炭化・高電圧ノイズ等による部品故障を誘発するという課題がある。
また、従来構成では、送信アンテナの入力インピーダンスが変化する場合を想定していない。そのため、ワイヤレス電力伝送システムにおける送信アンテナと受信アンテナとの距離が変動するような移動体に対しては、有効なインピーダンス整合を図れないという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、機械的接点を持たない素子を用い、高周波電源の出力インピーダンスと電力伝送用送信アンテナの入力インピーダンスとの間のインピーダンス整合を自動調整することができる高周波電源用自動整合回路を提供することを目的としている。

この発明に係る高周波電源用自動整合回路は、高周波電源の出力インピーダンスと電力伝送用送信アンテナの入力インピーダンスとの間の２ＭＨｚ以上の高周波数のインピーダンス整合を行うための、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う第１の電子部品によりインダクタンス値を可変とする可変型インダクタと、インピーダンス整合を行うための、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う第２の電子部品により容量値を可変とする可変型コンデンサと、インピーダンス整合を行うように第１の電子部品及び第２の電子部品を制御する可変制御回路とを備え、第１の電子部品は、可変型インダクタのコイルの磁路長を可変させるモータ制御回路又はボディダイオードがＯＦＦ型に構成された電界効果トランジスタであり、第２の電子部品は、ボディダイオードがＯＦＦ型に構成された電界効果トランジスタである。

この発明によれば、上記のように構成したので、機械的接点を持たない素子を用い、高周波電源の出力インピーダンスと電力伝送用送信アンテナの入力インピーダンスとの間のインピーダンス整合を自動調整することができる。

この発明の実施の形態１に係る高周波電源用自動整合回路の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１における可変型インダクタの構成を示す図である。 この発明の実施の形態１における可変型インダクタの別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１における可変型インダクタの別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１における可変型コンデンサの構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る高周波電源用自動整合回路の別の構成を示す図である（共振条件可変型自動整合回路を設けた場合）。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る高周波電源用自動整合回路の構成を示す図である。
高周波電源用自動整合回路は、高周波電源１０の出力インピーダンスと共振型送信アンテナ（電力伝送用送信アンテナ）１１の入力インピーダンス（負荷インピーダンス）との間の２ＭＨｚ以上の高周波数のインピーダンス整合を自動で調整するものである。この高周波電源用自動整合回路は、図１に示すように、可変型インダクタＬ１、可変型コンデンサＣ１，Ｃ２及び可変制御回路１から構成されている。

なお、高周波電源１０は、２ＭＨｚ以上の高周波における交流電圧の供給を行うものである。また、共振型送信アンテナ１１は、ＬＣ共振特性を持つ電力伝送用の共振型アンテナである（非接触型のみに限定されない）。この共振型送信アンテナ１１は、磁界共鳴型、電界共鳴型、電磁誘導型のいずれであってもよい。

可変型インダクタＬ１は、高周波電源１０の出力インピーダンスと共振型送信アンテナ１１の入力インピーダンスとの間の２ＭＨｚ以上の高周波数のインピーダンス整合を行うための素子である。この可変型インダクタＬ１は、可変制御回路１による制御に従い、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品によりインダクタンス値（Ｌ値）が可変に構成されている。すなわち、可変型インダクタＬ１は、インダクタンス値を可変する構成として機械的接点を持たない素子である。この可変型インダクタＬ１の詳細については後述する。

可変型コンデンサＣ１，Ｃ２は、高周波電源１０の出力インピーダンスと共振型送信アンテナ１１の入力インピーダンスとの間の２ＭＨｚ以上の高周波数のインピーダンス整合を行うための素子である。この可変型コンデンサＣ１，Ｃ２は、可変制御回路１による制御に従い、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品により容量値が可変に構成されている。すなわち、可変型コンデンサＣ１，Ｃ２は、容量値を可変する構成として機械的接点を持たない素子である。この可変型コンデンサＣ１，Ｃ２の詳細については後述する。

可変制御回路１は、高周波電源１０の出力インピーダンスと共振型送信アンテナ１１の入力インピーダンスとの間で２ＭＨｚ以上の高周波数のインピーダンス整合を行うように、可変型インダクタＬ１及び可変型コンデンサＣ１，Ｃ２の継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品を制御するものである。すなわち、この可変制御回路１により、可変型インダクタＬ１のインダクタンス値と可変型コンデンサＣ１，Ｃ２の容量値を可変させ、インピーダンス整合の自動調整を行う。この可変制御回路１は、ソフトウェアに基づくＣＰＵを用いたプログラム処理によって実行される構成のもの、又は、共振型送信アンテナ１１に重畳される電圧と電流による検出信号を用いたフィードバック制御によって実行される。

次に、可変型インダクタＬ１の構成例について、図２〜４を参照しながら説明する。
図２は、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品としてモータ制御回路２２を用い、このモータ制御回路２２によりコイル２１の磁路長を自動で可変させるタイプの可変型インダクタＬ１である。この構成では、可変制御回路１により、モータ制御回路２２を駆動させてコイル２１の磁路長を物理的に可変させることで、インダクタンス値を可変させる。なお図２（ａ），（ｂ）において、コイル２１のターン数は同じである。

また図３は、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品として電界効果トランジスタ（ＦＥＴ；Ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）２３を用い、このＦＥＴ２３によりコイル２１の巻き数を自動で調整するタイプの可変型インダクタＬ１である。この構成では、コイル２１の各巻き数点にＦＥＴ２３を接続し、可変制御回路１により各ＦＥＴ２３のＯＮ／ＯＦＦを切替えて、又はパルス幅変調（ＰＷＭ）等を切替えて、コイル２１の巻き数を可変させることで、インダクタンス値を可変させる。なおＦＥＴ２３は、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮ−ＦＥＴ、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）用ＦＥＴなどの素子、又は、これらの素子を直列接続してボディダイオードをＯＦＦ型に構成したものである。

また図４は、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品としてＦＥＴ２３を用い、このＦＥＴ２３によりコイル２１の並列接続数を自動で可変するタイプの可変型インダクタＬ１である。この構成では、並列接続された各コイル２１にＦＥＴ２３を接続し、可変制御回路１により各ＦＥＴ２３のＯＮ／ＯＦＦを切替えて、又はパルス幅変調（ＰＷＭ）等を切替えて、コイル２１の並列接続数を可変させることで、インダクタンス値を可変させる。なおＦＥＴ２３は、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮ−ＦＥＴ、ＲＦ用ＦＥＴなどの素子、又は、これらの素子を直列接続してボディダイオードをＯＦＦ型に構成したものである。

次に、可変型コンデンサＣ１，Ｃ２の構成例について、図５を参照しながら説明する。
図５は、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品としてＦＥＴ３２を用い、このＦＥＴ３２によりコンデンサ３１の並列接続数を自動で可変するタイプの可変型コンデンサＣ１，Ｃ２である。この構成では、並列接続された各コンデンサ３１にＦＥＴ３２を接続し、可変制御回路１により各ＦＥＴ３２のＯＮ／ＯＦＦを切替えて、又はパルス幅変調（ＰＷＭ）等を切替えて、コンデンサ３１の並列接続数を可変させることで、容量値を可変させる。なおＦＥＴ３２は、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ、ＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮ−ＦＥＴ、ＲＦ用ＦＥＴなどの素子、又は、これらの素子を直列接続してボディダイオードをＯＦＦ型に構成したものである。

以上のように、この実施の形態１によれば、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品によりインダクタンス値を可変とする可変型インダクタＬ１と、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品により容量値を可変とする可変型コンデンサＣ１，Ｃ２と、高周波電源１０の出力インピーダンスと共振型送信アンテナ１１の入力インピーダンスとの間の２ＭＨｚ以上の高周波数のインピーダンス整合を行うように、可変型インダクタＬ１及び可変型コンデンサＣ１，Ｃ２の継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品を制御する可変制御回路１とを備えたので、機械的接点を持たない素子を用いて、上記インピーダンス整合を自動調整することができ、低コストかつ小型で信頼性の高い動作を可能とすることができる。その結果、ワイヤレス電力伝送システムにおける送信側装置の送信コイル（送信アンテナ）と受信側装置の受信コイル（受信アンテナ）との距離が変動するような移動体に対しても、有効なインピーダンス整合を自動的に図ることが可能である。
また、機械的接点を持たない素子による回路構成のため、素子内部の機械的磨耗が発生せず、従来のような運用寿命の制限がなくなる。また、高速での定数切替えができ、システム立ち上げが速くなる。また、通電状態での定数切替えが可能で、その際の素子内部の放電などが発生しないため、部品故障を誘発することがなくなる。

なお、図１に示す構成に対し、図６に示すように、可変型コンデンサＣ３を追加して、可変制御回路１により可変型インダクタＬ１のインダクタンス値及び可変型コンデンサＣ１、Ｃ２，Ｃ３の容量値を可変させて共振型送信アンテナ１１の共振条件を可変する共振条件可変型自動整合回路２を設けるようにしてもよい。なお、可変型コンデンサＣ３の構成は、可変型コンデンサＣ１，Ｃ２と同様である。また、図６の構成に対して素子の追加や省略を行ってもよい。

また、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る高周波電源用自動整合回路は、機械的接点を持たない素子を用い、高周波電源の出力インピーダンスと電力伝送用送信アンテナの入力インピーダンスとの間のインピーダンス整合を自動調整することができ、インピーダンス整合を調整する高周波電源用自動整合回路等に用いるのに適している。

１ 可変制御回路、２ 共振条件可変型自動整合回路、１０ 高周波電源、１１ 共振型送信アンテナ、２１ コイル、２２ モータ制御回路、２３ ＦＥＴ、３１ コンデンサ、３２ ＦＥＴ。

Claims (4)

1. 高周波電源の出力インピーダンスと電力伝送用送信アンテナの入力インピーダンスとの間の２ＭＨｚ以上の高周波数のインピーダンス整合を行うための、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う第１の電子部品によりインダクタンス値を可変とする可変型インダクタと、
   前記インピーダンス整合を行うための、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う第２の電子部品により容量値を可変とする可変型コンデンサと、
   前記インピーダンス整合を行うように前記第１の電子部品及び前記第２の電子部品を制御する可変制御回路とを備え、
   前記第１の電子部品は、前記可変型インダクタのコイルの磁路長を可変させるモータ制御回路又はボディダイオードがＯＦＦ型に構成された電界効果トランジスタであり、
   前記第２の電子部品は、ボディダイオードがＯＦＦ型に構成された電界効果トランジスタである
   ことを特徴とする高周波電源用自動整合回路。
2. 前記可変制御回路は、磁界共鳴による前記電力伝送用送信アンテナの共振条件を可変とする
   ことを特徴とする請求項１記載の高周波電源用自動整合回路。
3. 前記可変制御回路は、電界共鳴による前記電力伝送用送信アンテナの共振条件を可変とする
   ことを特徴とする請求項１記載の高周波電源用自動整合回路。
4. 前記可変制御回路は、電磁誘導による前記電力伝送用送信アンテナの共振条件を可変とする
   ことを特徴とする請求項１記載の高周波電源用自動整合回路。

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