JP6202221B2 - ワイヤレス給電装置 - Google Patents
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Description
前記送電装置の送電コイルおよび前記受電装置の受電コイルを備える(前記送電コイルと前記受電コイルとの間で相互インダクタンスを介した磁界結合または相互キャパシタンスを介した電界結合とが混合した電磁界共鳴回路を構成する)電磁界結合回路と、
スイッチング素子、等価的なダイオード、およびキャパシタの並列接続回路で構成され、前記送電コイルに電気的に接続されたスイッチング回路を備え、該スイッチング回路のスイッチングにより、入力される直流電圧から前記送電コイルに交流電圧を発生する送電側交流電圧発生回路と、
前記送電側交流電圧発生回路の前記スイッチング素子を、デッドタイムを挟んで交互にオン/オフすることにより、前記送電側交流電圧発生回路から方形波状または台形波状の交流電圧を発生させるスイッチング制御回路と、
前記受電コイルに発生する交流電圧を直流電圧に整流する受電側整流回路と、
送電側に構成され、第1共振キャパシタを含む送電側共振機構と、
受電側に構成され、第2共振キャパシタを含む受電側共振機構と、
を備え、
前記電磁界結合回路は、前記送電側共振機構と前記受電側共振機構との間で電界エネルギーまたは磁界エネルギーを相互にやり取りし、
前記電磁界結合回路、前記送電側共振機構、および前記受電側共振機構は、合わせて複共振回路を構成し、
前記スイッチング制御回路は、
前記複共振回路のインピーダンスが誘導性となるスイッチング周波数で、(前記複共振回路に流入する電流が、前記送電側交流電圧発生回路から発生する交流電圧よりも遅れる正弦波状の共振電流波形となって、前記スイッチング素子のオン期間およびオフ期間の両期間に、前記電磁界結合回路を介して送電側から受電側へ電力を送るように、)前記送電側交流電圧発生回路の前記スイッチング素子をスイッチングし、
前記スイッチング素子の電流電圧特性の第3象限での動作において、前記スイッチング素子の制御端子に制御信号を与えて前記スイッチング素子を導通させ、
前記スイッチング回路の両端電圧が変化する転流期間をtc、前記第3象限での動作となる期間をta、前記デッドタイムをtdでそれぞれ表すと、tc≦td<tc+taを満たすように前記デッドタイムを定めて、前記スイッチング素子における導通損失とスイッチング損失をともに低減する、ことを特徴とする。
前記送電装置は、前記出力情報を受信する出力情報受信回路と、前記出力情報に応じて前記送電側交流電圧発生回路を制御して給電電力を制御する給電電力制御回路とを備えることが好ましい。このことにより、給電電力を制御することで負荷に適した電圧、電流を供給することができる。
スイッチング制御回路は、例えば前記ハイサイドスイッチング回路と前記ローサイドスイッチング回路を交互にオン/オフするスイッチング周波数を変化させる周波数変調PFM(Pulse Frequency Modulation)制御を用いる。
スイッチング制御回路は、例えば前記ハイサイドスイッチング回路と前記ローサイドスイッチング回路を一定のスイッチング周波数で交互にオン/オフして、前記ハイサイドスイッチング回路と前記ローサイドスイッチング回路の導通期間の比率を制御するオン期間比変調ORM(On-periods Ratio Modulation)制御を用いる。
前記相互インダクタンスは、前記送電コイルと前記受電コイルとの間に形成される磁界結合により生じる等価的な励磁インダクタンスであることが好ましい。これにより、相互インダクタの部品が不要、または小さくすることができ、電力伝送システム装置の小型軽量化を図ることができる。
図1(A)は第1の実施形態のワイヤレス給電装置101の回路図である。図1(B)は図1(A)の一部の等価回路図である。
送電側では、状態1において、スイッチング素子Q1は見かけ上、導通している。例えば、スイッチング素子Q1がGaN FETの場合は、スイッチング素子Q1の両端に逆方向の電圧-Vds1が与えられてゲート・ドレイン間に電圧(Vgd1)が与えられる。スイッチング素子Q1は、しきい値電圧をオフセット電圧とする逆導通モードとなり、逆並列ダイオードのように動作する。スイッチング素子 Q1の両端の等価的なダイオードDds1は導通し、この期間においてスイッチング素子Q1をターンオンすることでZVS動作が行われる。送電コイルnpには共振電流irが流れ、キャパシタCrは充電される。
送電コイルnpに流れていた共振電流irによりスイッチング素子Q1の両端キャパシタCds1は充電され、スイッチング素子Q2の両端キャパシタCds2は放電される。電圧Vds1が電圧Vi、電圧Vds2が0Vになると状態3となる。
送電側では、状態3において、スイッチング素子Q2は導通している。例えば、スイッチング素子Q2がGaN FETの場合は、スイッチング素子Q2の両端に逆方向の電圧-Vds2が与えられてゲート・ドレイン間に電圧(Vgd2)が与えられる。スイッチング素子Q2は、しきい値電圧をオフセット電圧とする逆導通モードとなり、逆並列ダイオードのように動作する。スイッチング素子Q2の両端の等価的なダイオードDds2は導通し、この期間においてスイッチング素子Q2をターンオンすることでZVS動作が行われる。送電コイルnpには共振電流irが流れ、キャパシタCrは放電される。
送電コイルnpに流れていた共振電流irによりスイッチング素子Q1の両端キャパシタCds1は放電され、スイッチング素子Q2の両端キャパシタCds2は充電される。電圧Vds1が0V、電圧Vds2が電圧Viになると、再び状態1となる。以降、状態1〜4を周期的に繰り返す。
電流 電圧
________________
第1象限 正 正
第2象限 正 負
第3象限 負 負
第4象限 負 正
_______________
図2において、時刻t3でスイッチング素子Q2のゲート・ソース間に制御電圧Vgs2を正電圧にしてスイッチング素子Q2をターンオンさせる。この時刻t3から始まる期間taが、スイッチング素子Q2の第3象限での動作に相当する。また、時刻t1でスイッチング素子Q1のゲート・ソース間に制御電圧Vgs1を正電圧にしてスイッチング素子Q1をターンオンさせる。この時刻t1から始まる期間taが、スイッチング素子Q1の第3象限での動作に相当する。
式1において、期間tc = td とすることで、最適ZVS動作に準ずる低い導通損失動作が実現できる。電圧Vgs=2〜3V以上とすることにより、逆方向の電圧降下-Vdsは、第1象限動作と同様に十分に小さな値にできる。
第2の実施形態では、送電側共振機構と受電側共振機構をそれぞれ構造的に構成した例を示す。
第3の実施形態では、フィルタを備えたワイヤレス給電装置について示す。
図9は第4の実施形態のワイヤレス給電装置104の回路図である。
図10は第5の実施形態のワイヤレス給電装置105の回路図である。このワイヤレス給電装置105において、送電装置PSUには、入力電源Viを電源として動作し、送電コイルnpを通信用のコイル(近傍界アンテナ)として利用する送電側通信回路41を備えている。また、受電装置PRUには、受電装置の出力電圧を電源として動作し、受電コイルnsを通信用のコイル(近傍界アンテナ)として利用する受電側通信回路51を備えている。すなわち、送電コイルnpおよび受電コイルnsは電力伝送と信号通信の役割を兼ねる。これにより、送電装置の小型軽量化を達成できる。
PSU…送電装置
np…送電コイル
ns…受電コイル
(np,ns)…電磁界結合回路
Cr…第1共振キャパシタ
Crs…第2共振キャパシタ
Q1,Q2,Q3,Q4…スイッチング素子
Q1…ローサイドスイッチング回路
Q2…ハイサイドスイッチング回路
Ro…負荷
S1,S2,S3,S4…スイッチング回路
(S1,S2)…送電側交流電圧発生回路
(S3,S4)…受電側整流回路
(Cr,Lp)…送電側共振機構
(Crs,Ls)…受電側共振機構
(np,ns,Cr,Lp,Crs,Ls)…複共振回路
td…デッドタイム
10,20…スイッチング制御回路
9…基板
11…窒化アルミニウム絶縁層
12…GaN層
13…2DEG(二次元電子ガス層)
14…AlGaN電子生成層層
15…誘電体層
16…ゲート電極
17…ソース電極
18…ドレイン電極
20…スイッチング制御回路
30…信号伝達手段
40,41…送電側通信回路
50,51…受電側通信回路
101〜105…ワイヤレス給電装置
Claims (17)
- 送電装置から受電装置へワイヤレスで電力を給電するワイヤレス給電装置であって、
前記送電装置の送電コイルおよび前記受電装置の受電コイルを備える電磁界結合回路と、
スイッチング素子、等価的なダイオード、およびキャパシタの並列接続回路で構成され、前記送電コイルに電気的に接続されたスイッチング回路を備え、該スイッチング回路のスイッチングにより、入力される直流電圧から前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電側交流電圧発生回路と、
前記送電側交流電圧発生回路の前記スイッチング素子を、デッドタイムを挟んで交互にオン/オフすることにより、前記送電側交流電圧発生回路から方形波状または台形波状の交流電圧を発生させるスイッチング制御回路と、
前記受電コイルに発生する交流電圧を直流電圧に整流する受電側整流回路と、
送電側に構成され、第1共振キャパシタを含む送電側共振機構と、
受電側に構成され、第2共振キャパシタを含む受電側共振機構と、
を備え、
前記電磁界結合回路は、前記送電側共振機構と前記受電側共振機構との間で電界エネルギーまたは磁界エネルギーを相互にやり取りし、
前記電磁界結合回路、前記送電側共振機構、および前記受電側共振機構は、合わせて複共振回路を構成し、
前記スイッチング制御回路は、
前記複共振回路のインピーダンスが誘導性となるスイッチング周波数で、前記送電側交流電圧発生回路の前記スイッチング素子をスイッチングし、
前記スイッチング素子の電流電圧特性の第3象限での動作において、前記スイッチング素子の制御端子に制御信号を与えて前記スイッチング素子を導通させ、
前記スイッチング回路の両端電圧が変化する転流期間をtc、前記第3象限での動作となる期間をta、前記デッドタイムをtdでそれぞれ表すと、tc≦td<(tc+ta)を満たすように前記デッドタイムを定めて、前記スイッチング素子における導通損失とスイッチング損失をともに低減する、ワイヤレス給電装置。 - 前記スイッチング素子は、制御端子に制御信号が与えられることにより、前記第3象限での動作で逆方向電圧の大きさが小さくなる電気特性を有する化合物半導体トランジスタである、請求項1に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記送電側共振機構または前記受電側共振機構は構造的に構成されたものである、請求項1または2に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記送電側交流電圧発生回路と前記送電側共振機構との間に、インダクタ要素およびキャパシタ要素を含む第1フィルタ、または前記受電側共振機構と前記受電側整流回路との間に、インダクタ要素およびキャパシタ要素を含む第2フィルタを備える、請求項1から3のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記送電コイルおよび前記受電コイルは空芯のコイルである、請求項1から4のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記電磁界結合回路は、前記第1共振キャパシタと前記第2共振キャパシタとの電界結合により前記送電装置から前記受電装置へ電力を送る、請求項1から5のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記受電装置は、前記受電側整流回路の出力に関する出力情報を検出して前記送電装置に前記出力情報を伝送する出力情報送信回路を備え、
前記送電装置は、前記出力情報を受信する出力情報受信回路と、前記出力情報に応じて前記送電側交流電圧発生回路を制御して給電電力を制御する給電電力制御回路とを備える、請求項1から6のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。 - 前記出力情報送信回路は、無線通信で前記出力情報を送信する回路であり、前記出力情報受信回路は、無線通信で前記出力情報を受信する回路である、請求項7に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記出力情報送信回路は、電気信号を光信号に変換して前記出力情報を送信する回路であり、前記出力情報受信回路は、光信号を電気信号に変換して前記出力情報を受信する回路である、請求項7または8に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記スイッチング回路はハイサイドスイッチング回路とローサイドスイッチング回路とを備え、
前記スイッチング制御回路は、前記ハイサイドスイッチング回路と前記ローサイドスイッチング回路を交互にオン/オフするスイッチング周波数を変化させる周波数変調PFM(Pulse Frequency Modulation)制御を用いる、請求項1から9のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。 - 前記スイッチング回路はハイサイドスイッチング回路とローサイドスイッチング回路を備え、
前記スイッチング制御回路は、前記ハイサイドスイッチング回路と前記ローサイドスイッチング回路を一定のスイッチング周波数で交互にオン/オフして、前記ハイサイドスイッチング回路と前記ローサイドスイッチング回路の導通期間の比率を制御するオン期間比変調ORM(On-periods Ratio Modulation)制御を用いる、請求項1から9のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。 - 前記受電側整流回路はスイッチング素子を備えた同期整流回路である、請求項1から11のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記受電装置は、前記同期整流回路の動作周波数を制御する動作周波数制御回路を備える、請求項12に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記受電装置は、該受電装置の回路を制御する受電装置側制御回路を備え、該受電装置側制御回路は、前記受電装置が受電した電力によって動作する、請求項1から13のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記受電側整流回路は、前記受電側整流回路の出力部から電力を受けて前記送電側交流電圧発生回路として作用し、前記送電側交流電圧発生回路は、出力部から電力を受けて前記受電側整流回路として作用する、請求項1から14のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記電磁界結合回路は、前記送電コイルと前記受電コイルとの間で相互インダクタンスを介した磁界結合と相互キャパシタンスを介した電界結合との混合である電磁界共鳴をし、
前記相互インダクタンスは、前記送電コイルと前記受電コイルとの間に形成される磁界結合により生じる等価的な励磁インダクタンスである、請求項1から15のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。 - 前記送電側共振機構または前記受電側共振機構はインダクタを含み、当該インダクタは、前記送電コイルまたは前記受電コイルのインダクタンス成分のうち、結合に関与しない漏れインダクタンス成分である、請求項1から16のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
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