JP6183243B2

JP6183243B2 - 電力伝送システム、受電装置及び送電装置

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Publication number: JP6183243B2
Application number: JP2014030561A
Authority: JP
Inventors: 市川　敬一; 敬一市川
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-02-20
Filing date: 2014-02-20
Publication date: 2017-08-23
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Description

本発明は、磁界結合方式により送電装置から受電装置へ電力を伝送する電力伝送システム、並びに、その電力伝送システムが備える受電装置及び送電装置に関する。

特許文献１には、磁界結合を利用して、送電装置から受電装置へワイヤレスで電力伝送する電力伝送システムが開示されている。特許文献１に記載の電力伝送システムは、受電装置側のコイルの受電可能な範囲を広くすることで、電力伝送の効率低下を抑制しながらも、電子機器への電力伝送の確実性を高めることができる。

特開２０１３−２２５９６１号公報

ところで、磁界結合方式の電力伝送システムにおいて大電力を伝送する場合、電流を大きくすると、導体損失が大きくなる。一方で、電圧を高くすると、送電装置には昇圧用巻線トランス、受電装置には降圧用巻線トランスが必要となり、装置が大型化する。

そこで、本発明の目的は、導体損失及び装置の大型化を抑制して、大電力の電力伝送が可能な電力伝送システム、受電装置、及び送電装置を提供することにある。

本発明は、送電装置が備える送電側コイルと、受電装置が備える受電側コイルとが磁界結合することで、送電装置から受電装置へ電力を伝送する電力伝送システムにおいて、前記送電装置は、直流電源から出力された直流電圧を交流電圧へ変換するインバータ回路と、前記インバータ回路で変換された交流電圧を昇圧して前記送電側コイルへ印加する昇圧トランスと、前記送電側コイルを含む送電側第１共振回路と、を備え、前記受電装置は、前記受電側コイルに誘起された電圧を降圧する降圧トランスと、前記降圧トランスにより降圧された電圧を整流平滑し、負荷へ供給する整流平滑回路と、前記受電側コイルを含む受電側第１共振回路と、を備え、前記昇圧トランス又は前記降圧トランスの少なくとも一方は圧電トランスであり、前記昇圧トランスが圧電トランスである場合には、前記送電側第１共振回路は、前記圧電トランスの共振周波数と実質的に同じに設定され、前記降圧トランスが圧電トランスである場合には、前記受電側第１共振回路は、前記圧電トランスの共振周波数と実質的に同じに設定され、前記送電装置は、前記共振周波数で前記インバータ回路を駆動する制御回路を備え、前記昇圧トランスが圧電トランスである場合には、前記送電側第１共振回路は前記圧電トランスの容量成分を含み、前記降圧トランスが圧電トランスである場合には、前記受電側第１共振回路は前記圧電トランスの容量成分を含む、ことを特徴とする。

この構成によると、大電流が流れることによる導体損失を抑制するために、電圧を高くして電力伝送する場合に必要となる昇圧トランス又は降圧トランスに、圧電トランスを用いるため、導体損失及び装置の大型化を抑制して、大電力の電力伝送が可能となる。

前記降圧トランスが圧電トランスであり、前記受電側第１共振回路は、前記圧電トランスの入力容量成分と、前記受電側コイルとで構成され、前記受電装置は、前記圧電トランスと前記整流平滑回路との間に接続された受電側インダクタと、前記受電側インダクタと、前記圧電トランスの出力容量成分とで構成され、前記受電側第１共振回路と共振周波数が実質的に同じ受電側第２共振回路とを備えることが好ましい。

この構成では、圧電トランスの出力容量成分と受電側インダクタとで共振回路を構成し、その共振回路の共振周波数を、送電装置の駆動周波数に合わせることで、圧電トランスの出力容量成分による損失を抑制できる。その結果、高い伝送効率で電力伝送できる。

前記昇圧トランスが圧電トランスであり、前記送電側第１共振回路は、前記圧電トランスの出力容量成分と、前記送電側コイルとで構成され、前記送電装置は、前記インバータ回路と前記圧電トランスとの間に接続された送電側インダクタと、前記送電側インダクタと、前記圧電トランスの入力容量成分とで構成され、前記送電側第１共振回路と共振周波数が実質的に同じ送電側第２共振回路とを備えることが好ましい。

この構成では、圧電トランスの入力容量成分と送電側インダクタとで共振回路を構成し、その共振回路の共振周波数を、送電装置の駆動周波数に合わせることで、圧電トランスの入力容量成分による損失を抑制できる。その結果、高い伝送効率で電力伝送できる。

本発明によれば、大電流が流れることによる導体損失を抑制するために、電圧を高くして電力伝送する場合に必要となる昇圧トランス又は降圧トランスに、圧電トランスを用いるため、導体損失及び装置の大型化を抑制して、大電力の電力伝送が可能となる。

実施形態１に係る電力伝送システムの回路図電力伝送システムが備える送電装置の等価回路図電力伝送システムが備える受電装置の等価回路図圧電トランスの構造を説明するための斜視図実施形態２に係る電力伝送システムの回路図図５に示す受電装置の等価回路図実施形態３に係る電力伝送システムの回路図実施形態４に係る電力伝送システムの回路図

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る電力伝送システム１の回路図である。図２は、電力伝送システム１が備える送電装置１０１の等価回路図である。図３は、電力伝送システム１が備える受電装置２０１の等価回路図である。

電力伝送システム１は送電装置１０１と受電装置２０１とで構成されている。受電装置２０１は負荷回路ＲＬを備えている。この負荷回路ＲＬは充電回路及び二次電池を含む。そして、受電装置２０１は、その二次電池を備えた、例えば携帯電子機器である。携帯電子機器としては携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、携帯音楽プレーヤ、ノート型ＰＣ、デジタルカメラなどが挙げられる。送電装置１０１は、載置された受電装置２０１の二次電池を充電するための充電台である。

送電装置１０１は、直流電圧を出力する直流電源１１を備えている。直流電源１１は商用電源に接続されるＡＣアダプタである。

直流電源１１にはインバータ回路１２が接続されている。インバータ回路１２は、ＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を備えている。インバータ回路１２では、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２が直列接続され、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４が直列接続されている。このインバータ回路１２は、制御回路１３によりスイッチング制御される。

制御回路１３は、所定の駆動周波数でインバータ回路１２を駆動制御する。詳しくは、制御回路１３は、各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のゲートへＰＷＭ信号を出力し、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３とを交互にオンオフする。これにより、インバータ回路１２は直流電圧を交流電圧に変換する。

送電装置１０１は圧電トランス１４を備えている。圧電トランス１４は、第１電極Ｅ１１、第２電極Ｅ１２，第３電極Ｅ１３、及び第４電極Ｅ１４を備えている。第１電極Ｅ１１は、インバータ回路１２のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の接続点に接続されている。第２電極Ｅ１２は、インバータ回路１２のスイッチ素子Ｑ３，Ｑ４の接続点に接続されている。また、第３電極Ｅ１３及び第４電極Ｅ１４は、送電側コイル１５に接続されている。圧電トランス１４は、第１電極Ｅ１１及び第２電極Ｅ１２から入力される電圧を昇圧し、第３電極Ｅ１３及び第４電極Ｅ１４から送電側コイル１５へ出力する。すなわち、圧電トランス１４は、インバータ回路１２から出力された交流電圧を昇圧し、送電側コイル１５へ印加する昇圧トランスである。

昇圧に圧電トランス１４を用いることで、巻線トランスを用いる場合と比べ、送電装置１０１の小型化、薄型化が可能である。また、送電側コイル１５へ印加する電圧を圧電トランス１４により昇圧することで、送電装置１０１から受電装置２０１へ大電力を伝送するために必要な電流量は小さくなる。このため、導体損失を抑制でき、また、送電側コイル１５の線幅又は線径を小さくできる。

圧電トランス１４は、図２に示すように、キャパシタＣ１１，Ｃ１２、キャパシタＣｐ１、インダクタＬｐ１及び抵抗Ｒｐ１等で表される。キャパシタＣ１１は圧電トランス１４の等価入力容量であり、キャパシタＣ１２は圧電トランス１４の等価出力容量である。また、キャパシタＣｐ１及びインダクタＬｐ１は電気機械的なパラメータである。各キャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃｐ１は、各電極Ｅ１１〜Ｅ１４の間に生じる容量などである。

圧電トランス１４の共振周波数は主にキャパシタＣｐ１とインダクタＬｐ１による直列共振回路１４１の共振で定まる。電気エネルギー変換は弾性振動を介するため、圧電体セラミックスの弾性波伝搬速度と寸法で決まる固有共振周波数を有する。

インバータ回路１２のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の接続点と、圧電トランス１４の第１電極Ｅ１１との間には、インダクタＬ１が接続されている。インダクタＬ１は、本発明に係る「送電側インダクタ」の一例である。このインダクタＬ１はフィルタインダクタであり、インバータ回路１２から出力される矩形波の高調波成分を抑制して正弦波とし、圧電トランス１４へ入力する。圧電トランス１４に矩形波が入力されると、高調波成分の影響で、圧電トランス１４が発熱するおそれがあるが、インダクタＬ１を設けたことにより、正弦波が圧電トランス１４へ入力され、圧電トランス１４の発熱は抑制される。

圧電トランス１４の等価入力容量であるキャパシタＣ１１は、このインダクタＬ１と共に直列共振回路１４２を構成する。この直列共振回路１４２は、共振周波数が直列共振回路１４１と実質的に同じとなるよう回路定数が設定されている。直列共振回路１４２は、本発明に係る「送電側第２共振回路」の一例である。

また、圧電トランス１４の等価出力容量であるキャパシタＣ１２は、送電側コイル１５と共に並列共振回路１４３を構成する。並列共振回路１４３も、共振周波数が直列共振回路１４１と実質的に同じとなるよう回路定数が設定されている。すなわち、直列共振回路１４１，１４２と、並列共振回路１４３とは共振周波数が実質的に同じである。並列共振回路１４３は、本発明に係る「送電側第１共振回路」の一例である。

制御回路１３は、直列共振回路１４１，１４２及び並列共振回路１４３の共振周波数と実質的に同じ周波数を駆動周波数として、インバータ回路１２をＰＷＭ制御する。

受電装置２０１は受電側コイル２５を備えている。受電装置２０１を送電装置１０１に載置又は近接させた場合、受電側コイル２５は、送電側コイル１５と近接する。そして、送電装置１０１の送電側コイル１５に電圧が印加されることで、送電側コイル１５と受電側コイル２５とは磁界結合し、この結合を介して送電装置１０１から受電装置２０１へ電力が伝送される。

受電装置２０１は圧電トランス２４を備えている。圧電トランス２４は、第１電極Ｅ２１、第２電極Ｅ２２、第３電極Ｅ２３、及び第４電極Ｅ２４を備えている。第１電極Ｅ２１及び第２電極Ｅ２２は、整流平滑回路２３に接続されている。第３電極Ｅ２３及び第４電極Ｅ２４は、受電側コイル２５に接続されている。磁界結合により受電側コイル２５に誘起された電圧が第３電極Ｅ２３及び第４電極Ｅ２４に入力されると、圧電トランス２４は、その電圧を降圧し、第１電極Ｅ２１及び第２電極Ｅ２２から出力する。

降圧に圧電トランス２４を用いることで、巻線コイルを用いる場合と比べ、受電装置２０１の小型化、薄型化が可能である。また、前記のように、送電装置１０１から受電装置２０１へ大電力を伝送するために、送電装置１０１から大電流が伝送されることがなく、導体損失を抑制でき、また、大電流が流れないことから受電側コイル２５の線幅又は線径を小さくできる。

圧電トランス２４は、図３に示すように、キャパシタＣ２１，Ｃ２２、キャパシタＣｐ２、インダクタＬｐ２及び抵抗Ｒｐ２等で表される。キャパシタＣ２１は圧電トランス２４の等価入力容量であり、キャパシタＣ２２は圧電トランス２４の等価出力容量である。また、キャパシタＣｐ２及びインダクタＬｐ２は電気機械的なパラメータである。各キャパシタＣ２１，Ｃ２２，Ｃｐ２は、各電極Ｅ２１〜Ｅ２４の間に生じる容量などである。

圧電トランス２４の共振周波数は主にキャパシタＣｐ２とインダクタＬｐ２による直列共振回路２４１の共振で定まる。電気エネルギー変換は弾性振動を介するため、圧電体セラミックスの弾性波伝搬速度と寸法で決まる固有共振周波数を有する。この直列共振回路２４１の共振周波数は、送電装置１０１が備える圧電トランス１４の共振周波数、すなわち、直列共振回路１４１の共振周波数と実質的に同じである。

圧電トランス２４の等価入力容量であるキャパシタＣ２１は、受電側コイル２５と共に並列共振回路２４２を構成している。この並列共振回路２４２は、直列共振回路２４１と共振周波数が実質的に同じとなるように回路定数が設定されている。並列共振回路２４２は、本発明に係る「受電側第１共振回路」の一例である。

また、圧電トランス２４の第１電極Ｅ２１と整流平滑回路２３との間には、インダクタＬ２が接続されている。インダクタＬ２は、本発明に係る「受電側インダクタ」の一例である。圧電トランス２４の等価出力容量であるキャパシタＣ２２は、このインダクタＬ２と共に直列共振回路２４３を構成している。直列共振回路２４３も、直列共振回路２４１と共振周波数が実質的に同じとなるよう回路定数が設定されている。したがって、直列共振回路２４１，２４３及び並列共振回路２４２と、送電装置１０１側の直列共振回路１４１，１４２及び並列共振回路１４３とは、共振周波数が実質的に同じである。直列共振回路２４３は、本発明に係る「受電側第２共振回路」の一例である。

整流平滑回路２３は、ダイオードブリッジ、キャパシタ及びインダクタ等を含み、圧電トランス２４で降圧された電圧を整流平滑し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２２へ出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、整流された電圧を所定値の電圧に変換して、負荷回路ＲＬへ出力する。

ここで、圧電トランス１４，２４の構造について説明する。

図４は、圧電トランス１４，２４の構造を説明するための斜視図である。圧電トランス１４，２４の構造は同じであるため、以下では、圧電トランス１４について説明し、圧電トランス２４については対応する符号をカッコ書きで記し、説明は省略する。

圧電トランス１４（２４）は矩形板状の圧電体板３０（４０）を備えている。この圧電体板３０（４０）は、例えばＰＺＴ系セラミックスシートが積層されて形成されている。圧電トランス１４（２４）は、（３λ／２）共振モードで長さ方向に振動する。ここで、λは長さ方向の振動の１波長である。したがって、圧電トランス１４（２４）の長さは（３λ／２）としている。ここで、圧電体板３０（４０）の幅及び厚みは（λ／２）未満とすることが好ましい。幅方向及び厚み方向の振動が長さ方向の振動に結合せず、圧電体板３０（４０）全体の振動が不安定とならないためである。

圧電体板３０（４０）は、長さ方向に沿って、第１領域３１（４１）、第２領域３２（４２）、及び第３領域３３（４３）が形成されている。各領域３１（４１）〜３３（４３）の長さは、何れもλ／２である。第１領域３１（４１）及び第３領域３３（４３）は高電圧領域であり、第２領域３２（４２）は低電圧領域である。

図４の矢印で示すように、第１領域３１（４１）及び第３領域３３（４３）は、長さ方向に分極されている。第２領域３２（４２）は、厚み方向に分極されている。分極処理の方法としては、例えば、圧電体板を１７０℃の絶縁油中で２ｋＶ／ｍｍの電圧を印加する方法等が挙げられる。

第２領域３２（４２）には、厚み方向に対向するよう圧電体板３０（４０）の上下面に、第１電極Ｅ１１（Ｅ２１）と第２電極Ｅ１２（Ｅ２２）とが設けられている。また、圧電体板３０（４０）の長さ方向に対向する二側面には、第３電極Ｅ１３（Ｅ２３）と第４電極Ｅ１４（Ｅ２４）が設けられている。

以上のように構成された、送電装置１０１の圧電トランス１４において、インバータ回路１２から第１電極Ｅ１１と第２電極Ｅ１２とへ交流電圧が印加されると、圧電体板３０の厚み方向に電圧が印加される。このため、第２領域３２には分極方向に電界が加えられる。そして、逆圧電効果により分極方向に直交する方向、すなわち、圧電体板３０の長さ方向に縦振動が励振される。縦振動が励振されると、第１領域３１及び第３領域３３では長さ方向に機械的歪みが生じ、圧電横効果により分極方向に電位差が発生する。この電位差により第１領域３１及び第３領域３３が高電圧部となり、第３電極Ｅ１３及び第４電極Ｅ１４から高電圧が取り出される。この取り出される高電圧は送電側コイル１５へ印加される。

また、受電装置２０１の圧電トランス２４において、第３電極Ｅ２３及び第４電極Ｅ２４が受電側コイル２５に接続されている。送電装置１０１から受電装置２０１へ電力伝送され、受電側コイル２５に電圧が誘起すると、第３電極Ｅ２３及び第４電極Ｅ２４によって、圧電体板４０の長さ方向に電圧が印加される。このため、第１領域４１及び第３領域４３には分極方向に電界が加えられる。そして、逆圧電効果により分極方向に直交する方向、すなわち、圧電体板４０の厚み方向に縦振動が励振される。縦振動が励振されると、第２領域４２では分極方向に機械的歪みが生じ、圧電横効果により分極方向に電位差が発生する。この電位差により第２領域４２が低電圧部となり、第１電極Ｅ２１及び第２電極Ｅ２２から低電圧が取り出される。

以上のように構成された電力伝送システム１では、送電装置１０１のインバータ回路１２の駆動周波数を、各共振回路の共振周波数に設定することで、高効率な電力伝送が可能となる。前記のように、送電装置１０１及び受電装置２０１に構成される共振回路は、共振周波数が実質的に同じである。そして、駆動周波数は、その共振周波数に定められる。共振周波数において、並列共振回路１４３と並列共振回路２４２とはハイインピーダンス（極大）となり、直列共振回路１４１，１４２と直列共振回路２４１，２４３とはローインピーダンス（極小）となる。このため、各共振回路における電圧降下、すなわち、インバータ回路１２と負荷回路ＲＬとの間での電圧降下は小さい。したがって、高い伝送効率で送電装置１０１から受電装置２０１へ電力を伝送できる。

また、送電装置１０１に受電装置２０１を載置（近接）したときのインバータ回路１２から負荷回路ＲＬまでの経路に、Ｑ値の高い共振系を構成できる。このため、高調波成分によるＥＭＩ（Electro Magnetic Interference：電波障害）を抑制できる。そして、この共振系を構成するために、圧電トランス１４，２４の容量成分と、送電側コイル１５及び受電側コイル２５とを用いているため、共振回路を構成するための部品点数の増加を抑制できる。

また、送電装置１０１側では、圧電トランス１４と送電側コイル１５とで共振系が構成され、受電装置２０１側では、圧電トランス２４と受電側コイル２５とで共振系が構成されている。その場合でも、圧電トランス内部の共振は、送電側コイル１５と受電側コイル２５との結合度に依存しないため、送電側コイル１５と受電側コイル２５との結合度に関係なく、高調波成分の少ない電力伝送が可能となる。

さらに、圧電トランス１４の等価入力容量であるキャパシタＣ１１及び等価出力容量であるキャパシタＣ１２それぞれに対して共振回路１４２，１４３を構成している。したがって、圧電トランス１４のキャパシタＣ１１，Ｃ１２それぞれにおいて生じる損失を抑制できるため、圧電トランス１４に大電圧を入出力させる必要がない。

同様に、圧電トランス２４の等価入力容量であるキャパシタＣ２１及び等価出力容量であるキャパシタＣ２２それぞれに対して共振回路２４２，２４３を構成し、それら共振回路２４２，２４３の共振周波数は、電力伝送システム１の駆動周波数と実質的に同じに設定されている。したがって、圧電トランス２４のキャパシタＣ２１，Ｃ２２それぞれにおいて生じる損失を抑制できるため、圧電トランス１４に大電圧を入出力させる必要がない。

なお、本実施形態では、各共振回路は共振周波数が実質的に同じとしているが、送電側コイル１５及び受電側コイル２５の巻線数等、回路設計の都合上、各共振回路の共振周波数が完全に一致していなくてもよい。また、インバータ回路１２の駆動周波数は、各共振回路の共振周波数と完全に一致していなくてもよく、共振周波数に近い周波数、例えば、共振周波数の±１０％程度の誤差の範囲内であればよい。

(実施形態２)
図５は、実施形態２に係る電力伝送システム２の回路図である。図６は、図５に示す受電装置２０２の等価回路図である。この例では、電力伝送システム２が備える受電装置２０２に構成される共振回路が実施形態１と相違する。以下、その相違点について説明する。なお、電力伝送システム２が備える送電装置１０１は実施形態１と同様であり、説明は省略する。

受電装置２０１が備える圧電トランス２４と、整流平滑回路２３との間には、インダクタＬ３が接続されている。インダクタＬ３は、本発明に係る「受電側インダクタ」の一例である。このインダクタＬ３は、圧電トランス２４の等価出力容量であるキャパシタＣ２２に対して並列接続される。そして、インダクタＬ３とキャパシタＣ２２とは、並列共振回路２４４を構成している。この並列共振回路２４４は、直列共振回路２４１及び並列共振回路２４２と共振周波数が実質的に同じとなるよう回路定数が設定されている。並列共振回路２４４は、本発明に係る「受電側第２共振回路」の一例である。

以上の構成において、実施形態１と同様に、電力伝送システム２のインバータ回路１２の駆動周波数は、構成された各共振回路の共振周波数と実質的に同じ周波数に定められる。これにより、送電装置１０１に構成される直列共振回路１４１，１４２（図２参照）はローインピーダンス（極小）となり、並列共振回路１４３（図２参照）はハイインピーダンス（極大）となる。また、受電装置２０２に構成される直列共振回路２４１はローインピーダンス（極小）となり、並列共振回路２４２，２４４はハイインピーダンス（極大）となる。このため、各共振回路における電圧降下、すなわち、インバータ回路１２と負荷回路ＲＬとの間での電圧降下は小さい。したがって、高い伝送効率で送電装置１０１から受電装置２０２へ電力を伝送できる。

また、圧電トランス２４のキャパシタＣ２２に対して並列共振回路２４４を構成している。このため、圧電トランス２４のキャパシタＣ２１，Ｃ２２それぞれにおいて生じる損失を抑制できるため、圧電トランス１４に大電圧を入出力させる必要がない。

また、結合を強めることができ、より低い振動速度で電力伝送させることができる。圧電トランス内部にはできるだけ電流を流さないで駆動するほうが、効率（電気エネルギーと機械エネルギーの変換の効率）はよい。また、圧電体板４０を流れる電流が増えると、圧電体板４０の振動速度が高くなる。内部のキャパシタＣ２１，Ｃ２２も電流が流れる経路になるので、外部にインダクタＬ３を並列することで、圧電体板４０の振動周波数において並列共振させれば、ＬＣ並列共振のインピーダンスは最大になり、キャパシタＣ２１，Ｃ２２を流れる電流は最小になる。すなわち、圧電トランス２４を流れる電流を、できるだけ負荷のインピーダンスにのみ流れるようにすることで、電流を最小化できる。そのため、振動速度をより低くでき、かつ圧電トランス２４の効率も最大にできる。

(実施形態３)
図７は、実施形態３に係る電力伝送システム３の回路図である。この例では、電力伝送システム３が備える送電装置１０２が圧電トランスを備えていない点で実施形態１，２と相違する。

電力伝送システム３は、送電装置１０２と受電装置２０３とを備えている。送電装置１０２は、インバータ回路１２から出力される交流電圧を昇圧し、送電側コイル１５へ印加する昇圧トランスＴ１を備えている。昇圧トランスＴ１は１次コイルと２次コイルを備えている。昇圧トランスＴ１の１次コイルは、インバータ回路１２のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の接続点と、スイッチ素子Ｑ３，Ｑ４の接続点とに接続されている。昇圧トランスＴ１の２次コイルは、キャパシタＣ３を介して送電側コイル１５に接続されている。キャパシタＣ３は送電側コイル１５と共に直列共振回路１６を構成している。

受電装置２０３は、受電側コイル２５に誘起される電圧を降圧し、整流平滑回路２３へ出力する圧電トランス２６を備えている。圧電トランス２６はローゼン型であり、第１電極Ｅ３１、第２電極Ｅ３２及び第３電極Ｅ３３を備えている。第１電極Ｅ３１は受電側コイル２５の一端に接続されている。第３電極Ｅ３３は、受電側コイル２５の他端に接続されている。また、第２電極Ｅ３２と第３電極Ｅ３３とは、整流平滑回路２３に接続されている。圧電トランス２６は、第１電極Ｅ３１と第３電極Ｅ３３との間に印加される電圧を降圧して第２電極Ｅ３２へ出力する。

この圧電トランス２６は、図３に示す等価回路で表すことができる。そして、圧電トランス２６の等価入力容量のキャパシタは、受電側コイル２５と並列共振回路を構成する。この並列共振回路は、圧電トランス２６の共振周波数と実質的に同じ周波数となるよう回路定数が設定されている。圧電トランス２６の共振周波数とは、図３で示す直列共振回路２４１の共振周波数である。そして、送電装置１０２側の直列共振回路１６の共振周波数は、圧電トランス２６の共振周波数と実質的に同じとなるよう回路定数が設定されている。

送電装置１０１の制御回路１３は、インバータ回路１２の駆動周波数を各共振回路の共振周波数に設定し、インバータ回路１２をＰＷＭ制御する。

電力伝送システム３のインバータ回路１２の駆動周波数は、実施形態１，２と同様に、構成された共振回路の共振周波数と実質的に同じ周波数に定められる。これにより、送電装置１０２に構成される直列共振回路１６はローインピーダンス（極小）となる。また、受電装置２０３に構成される直列共振回路はローインピーダンス（極小）となり、並列共振回路はハイインピーダンス（極大）となる。このため、各共振回路における電圧降下、すなわち、インバータ回路１２と負荷回路ＲＬとの間での電圧降下は小さい。したがって、高い伝送効率で送電装置１０２から受電装置２０３へ電力を伝送できる。

また、ローゼン型の圧電トランスを用いることで、変圧比を大きくすることができる。例えば、第２電極Ｅ３２及び第３電極Ｅ３３の面積を小さくして、圧電トランスの等価入力容量より等価出力容量を大きくすることで変圧比を大きくできる。この変圧比は、負荷回路ＲＬへ供給する電圧に応じて適宜設定変更される。

なお、本実施形態に係る圧電トランス２６はローゼン型であるが、その構造は適宜変更可能である。また、圧電トランス２６はローゼン型としたが、実施形態１，２と同じ圧電トランスであってもよいし、他の構造の圧電トランスであってもよい。

（実施形態４）
図８は、実施形態４に係る電力伝送システム４の回路図である。この例では、電力伝送システム４が備える受電装置２０４が圧電トランスを備えていない点で実施形態１，２と相違する。

電力伝送システム４は、送電装置１０３と受電装置２０４とを備えている。送電装置１０３は、インバータ回路１２から出力される交流電圧を昇圧し、送電側コイル１５へ印加する圧電トランス１７を備えている。圧電トランス１７は、実施形態３と同様、ローゼン型であり、第１電極Ｅ４１、第２電極Ｅ４２及び第３電極Ｅ４３を備えている。第１電極Ｅ４１は受電側コイル２５の一端に接続されている。第３電極Ｅ４３は、受電側コイル２５の他端に接続されている。また、第２電極Ｅ４２は、インバータ回路１２のスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の接続点に接続され、第３電極Ｅ４３はスイッチ素子Ｑ３，Ｑ４の接続点に接続されている。圧電トランス１７は、第２電極Ｅ４２と第３電極Ｅ４３との間に印加される電圧を降圧して第１電極Ｅ４１へ出力する。

この圧電トランス１７は、図２に示す等価回路で表すことができる。そして、圧電トランス１７の等価出力容量のキャパシタは、送電側コイル１５と並列共振回路を構成する。この並列共振回路は、圧電トランス１７の共振周波数と実質的に同じ周波数となるよう回路定数が設定されている。圧電トランス１７の共振周波数とは、図２で示す直列共振回路１４１の共振周波数である。

受電装置２０４は、受電側コイル２５に誘起される電圧を降圧し、整流平滑回路２３へ出力する降圧トランスＴ２を備えている。降圧トランスＴ２は１次コイルと２次コイルを備えている。降圧トランスＴ２の１次コイルは、キャパシタＣ４を介して受電側コイル２５に接続されている。降圧トランスＴ２の２次コイルは、整流平滑回路２３に接続されている。キャパシタＣ４と受電側コイル２５とは並列共振回路を構成している。この並列共振回路の共振周波数は、圧電トランス１７の共振周波数と実質的に同じとなるよう回路定数が設定されている。

送電装置１０３の制御回路１３は、インバータ回路１２の駆動周波数を各共振回路の共振周波数に設定し、インバータ回路１２をＰＷＭ制御する。

電力伝送システム４のインバータ回路１２の駆動周波数は、実施形態１，２と同様に、構成された共振回路の共振周波数と実質的に同じ周波数に定められる。これにより、送電装置１０３に構成される直列共振回路はローインピーダンス（極小）となり、並列共振回路はハイインピーダンス（極大）となる。また、受電装置２０４に構成される並列共振回路はハイインピーダンス（極大）となる。このため、各共振回路における電圧降下、すなわち、インバータ回路１２と負荷回路ＲＬとの間での電圧降下は小さい。したがって、高い伝送効率で送電装置１０３から受電装置２０４へ電力を伝送できる。

１，２，３，４…電力伝送システム
１１…直流電源
１２…インバータ回路
１３…制御回路
１４，１７，２４，２６…圧電トランス
１５…送電側コイル
１６…直列共振回路
２２…ＤＣ−ＤＣコンバータ
２３…整流平滑回路
２５…受電側コイル
３０，４０…圧電体板
３１，４１…第１領域
３２，４２…第２領域
３３，４３…第３領域
１０１，１０２，１０３…送電装置
１４１…直列共振回路
１４２…直列共振回路（送電側第２共振回路）
１４３…並列共振回路（送電側第１共振回路）
２０１，２０２，２０３，２０４…受電装置
２４１…直列共振回路
２４２…並列共振回路（受電側第１共振回路）
２４３…直列共振回路（受電側第２共振回路）
２４４…並列共振回路（受電側第２共振回路）
Ｃ１１…キャパシタ（入力容量成分）
Ｃ１２…キャパシタ（出力容量成分）
Ｃ２１…キャパシタ（入力容量成分）
Ｃ２２…キャパシタ（出力容量成分）
Ｃ３，Ｃ４…キャパシタ
Ｃｐ１，Ｃｐ２…キャパシタ
Ｅ１１，Ｅ２１，Ｅ３１，Ｅ４１…第１電極
Ｅ１２，Ｅ２２，Ｅ３２，Ｅ４２…第２電極
Ｅ１３，Ｅ２３，Ｅ３３，Ｅ４３…第３電極
Ｅ１４，Ｅ２４…第４電極
Ｌ１…インダクタ（送電側インダクタ）
Ｌ２，Ｌ３…インダクタ（受電側インダクタ）
Ｌｐ１，Ｌｐ２…インダクタ
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４…スイッチ素子
ＲＬ…負荷回路
Ｒｐ１，Ｒｐ２…抵抗
Ｔ１…昇圧トランス
Ｔ２…降圧トランス

Claims

送電装置が備える送電側コイルと、受電装置が備える受電側コイルとが磁界結合することで、送電装置から受電装置へ電力を伝送する電力伝送システムにおいて、
前記送電装置は、
直流電源から出力された直流電圧を交流電圧へ変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路で変換された交流電圧を昇圧して前記送電側コイルへ印加する昇圧トランスと、
前記送電側コイルを含む送電側第１共振回路と、
を備え、
前記受電装置は、
前記受電側コイルに誘起された電圧を降圧する降圧トランスと、
前記降圧トランスにより降圧された電圧を整流平滑し、負荷へ供給する整流平滑回路と、
前記受電側コイルを含む受電側第１共振回路と、
を備え、
前記昇圧トランス又は前記降圧トランスの少なくとも一方は圧電トランスであり、
前記昇圧トランスが圧電トランスである場合には、前記送電側第１共振回路は、前記圧電トランスの共振周波数と実質的に同じに設定され、前記降圧トランスが圧電トランスである場合には、前記受電側第１共振回路は、前記圧電トランスの共振周波数と実質的に同じに設定され、
前記送電装置は、前記共振周波数で前記インバータ回路を駆動する制御回路を備え、
前記昇圧トランスが圧電トランスである場合には、前記送電側第１共振回路は前記圧電トランスの容量成分を含み、前記降圧トランスが圧電トランスである場合には、前記受電側第１共振回路は前記圧電トランスの容量成分を含む、
電力伝送システム。
前記降圧トランスが圧電トランスであり、
前記受電側第１共振回路は、前記圧電トランスの入力容量成分と、前記受電側コイルとで構成され、
前記受電装置は、
前記圧電トランスと前記整流平滑回路との間に接続された受電側インダクタと、
前記受電側インダクタと、前記圧電トランスの出力容量成分とで構成され、前記受電側第１共振回路と共振周波数が実質的に同じ受電側第２共振回路と、
を備える請求項１に記載の電力伝送システム。
前記昇圧トランスが圧電トランスであり、
前記送電側第１共振回路は、前記圧電トランスの出力容量成分と、前記送電側コイルとで構成され、
前記送電装置は、
前記インバータ回路と前記圧電トランスとの間に接続された送電側インダクタと、
前記送電側インダクタと、前記圧電トランスの入力容量成分とで構成され、前記送電側第１共振回路と共振周波数が実質的に同じ送電側第２共振回路と、
を備える請求項１又は２に記載の電力伝送システム。
磁界結合方式により、送電装置から電力が伝送される受電装置において、
前記送電装置が備える送電側コイルと磁界結合する受電側コイルと、
前記受電側コイルに誘起された電圧を降圧する圧電トランスと、
前記受電側コイルと、前記圧電トランスの入力容量成分により構成され、前記圧電トランスと共振周波数が実質的に同じ受電側第１共振回路と、
前記圧電トランスにより降圧された電圧を整流平滑し、負荷へ供給する整流平滑回路と、
と備える受電装置。
磁界結合方式により、受電装置へ電力を伝送する送電装置において、
前記受電装置が備える受電側コイルと磁界結合する送電側コイルと、
直流電源から出力された直流電圧を交流電圧へ変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路で変換された交流電圧を昇圧して前記送電側コイルへ印加する圧電トランスと、
前記圧電トランスの出力容量成分と、前記送電側コイルとで構成され、前記圧電トランスと共振周波数が実質的に同じ送電側第１共振回路と、
前記送電側第１共振回路の共振周波数で前記インバータ回路を駆動する制御回路と、
を備える送電装置。