JPWO2014061490A1 - Wireless power rectifier and wireless power transmission system - Google Patents
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Abstract
所定の基本周波数を有する無線電力(RF電力)を整流すると高調波を発生するが、電流及び電圧の周波数特性を示す数式の積の時間積分では奇数次高調波成分はゼロになる。また、無線電力の偶数次高調波において少なくとも二次高調波を抑制できれば、整流器で発生する熱損の大幅に低減できる。この観点から、無線電力伝送システムの受電装置に適用される整流器において無線電力の偶数次高調波のうち少なくとも二次高調波に対して短絡状態とする高調波制御部を導入した。無線電力は電磁誘導現象又は磁気共鳴現象を利用して受電した後、整流し、整流後の無線電力について高調波制御を行ない、その後、当該無線電力から直流電力を抽出する。When radio power (RF power) having a predetermined fundamental frequency is rectified, harmonics are generated, but the odd harmonic components are zero in the time integration of the product of the frequency characteristics of current and voltage. Moreover, if at least the second harmonic can be suppressed in the even harmonics of the wireless power, the heat loss generated in the rectifier can be greatly reduced. From this point of view, a harmonic control unit that introduces a short circuit to at least the second harmonic among the even harmonics of the wireless power in the rectifier applied to the power receiving device of the wireless power transmission system is introduced. The wireless power is received using an electromagnetic induction phenomenon or a magnetic resonance phenomenon, then rectified, harmonic control is performed on the rectified wireless power, and then DC power is extracted from the wireless power.
Description
本発明は、受電装置及び送電装置からなる無線周波電力伝送システムに関し、特に、受電装置に適用される無線周波電力整流器に関する。
本願は、2012年10月18日に日本国に出願された特願2012−230604号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。The present invention relates to a radio frequency power transmission system including a power receiving device and a power transmitting device, and particularly to a radio frequency power rectifier applied to the power receiving device.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2012-230604 for which it applied to Japan on October 18, 2012, and uses the content here.
従来、電磁誘導現象を利用して電力を無線で伝送するシステム(即ち、無線周波電力伝送システム)やマイクロ波を利用する無線電力伝送システムが開発されている。近年、磁界エネルギーの共鳴現象(磁界共鳴)を利用する無線電力伝送システムも開発されている。磁界共鳴方式は電磁誘導方式に比べて電力伝送可能距離が大きく、電力伝送効率が高いことが特徴である。 2. Description of the Related Art Conventionally, a system that wirelessly transmits power using an electromagnetic induction phenomenon (that is, a radio frequency power transmission system) and a wireless power transmission system that uses a microwave have been developed. In recent years, a wireless power transmission system using a magnetic field energy resonance phenomenon (magnetic field resonance) has also been developed. The magnetic field resonance method is characterized by a longer power transmission distance and higher power transmission efficiency than the electromagnetic induction method.
無線電力伝送システム及び関連機器に関して種々の文献が存在している。特許文献1は受電装置以外の物体への影響を抑制することができる非接触電力供給装置を開示している。特許文献2は地球を周回する衛星に電力を供給する衛星間電力伝送システムを開示している。特許文献3は無線非放射型の電磁エネルギー転送装置を開示している。ここで、特許文献1及び特許文献2は電磁誘導現象やマイクロ波を利用する技術を開示しており、特許文献3は磁界共鳴を利用する技術を開示している。特許文献4は基本波長の2倍高調波、3倍高調波に対するインピーダンスを独立に設定することができる高出力増幅器を開示している。特許文献5はマイクロ波の電力分配回路及び整流回路に適用される変換効率の最適なレクテナを開示している。特許文献6は高周波電力増幅器を開示している。特許文献7は小型で広帯域のアンテナ回路を開示している。また、非特許文献1は高電力変換器に適用されるPWM(Pulse−Width Modulation)制御について開示している。
There are various documents regarding wireless power transmission systems and related equipment.
無線電力伝送システムは、大電力を必要とする電気自動車(EV)、家電製品(テレビジョン受信機、パーソナルコンピュータ)、モバイル機器(携帯電話、スマートフォン)、RFID(Radio Frequency Identification)機器における充電技術として活用されることが期待されている。一方、民生用品に無線電力伝送システムを適用する場合、高い電力伝送効率だけでなく小型化や低価格化が求められる。 The wireless power transmission system is a charging technology for electric vehicles (EV), home appliances (television receivers, personal computers), mobile devices (cell phones, smartphones), and RFID (Radio Frequency Identification) devices that require high power. It is expected to be utilized. On the other hand, when a wireless power transmission system is applied to consumer products, not only high power transmission efficiency but also miniaturization and cost reduction are required.
無線電力伝送システムにおいて種々のアプリケーションを駆動するために、無線伝送された電力(RF電力)を直流電力に変換する整流器が必要である。無線電力伝送システムの全体の効率を高めるためには、整流器の効率を高めることが重要課題となっている。 In order to drive various applications in a wireless power transmission system, a rectifier that converts wirelessly transmitted power (RF power) into DC power is required. In order to increase the overall efficiency of the wireless power transmission system, it is important to increase the efficiency of the rectifier.
図14は、無線電力伝送システムに適用される整流器11の一般的な構成を示す。整流器11は、RF入力ポート101、入力部102、整流部103、出力部104、DC出力ポート105を具備する。RF入力ポート101は外部からの無線電力(RF電力)を入力する。RF入力ポート101にはアンテナ12が接続され、当該アンテナ12が無線電力(RF電力)を受電してRF入力ポート101へ送出する。入力部102はRF入力ポート101のインピーダンスと整流部103のインピーダンスとのマッチングを行なう整合回路として作動し、RF入力ポート101を介して外部から受電したRF電力を効率よく整流部103へ伝送する。入力部102は整流部103及び出力部104によって得られたDC電力をRF入力ポート101に逆流させないDCブロック回路としての役割を有する。整流部103は入力部102から送出されたRF電力を一方向に整流する。出力部104は整流部103が整流したRF電力からDC電力のみを抽出し、当該DC電力をDC出力ポート105へ送出する。DC出力ポート105は出力部104のDC電力を外部へ出力する。DC出力ポート105にはDC電力を消費する負荷13が接続されている。
FIG. 14 shows a general configuration of the
上述の整流器の高効率化を目的とする種々の技術が開発されている。例えば、非特許文献1にはPWM制御を用いた整流技術が開示されている。PWM制御では、変調に用いる電圧及び電流のパルス幅のデューティ比を変化させるものである。非特許文献1は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)などの三端子素子のゲート端子(又は、ベース端子)にPWM制御を適用して高効率な整流特性を得る技術を公開している。この技術は50Hz又は60Hzの系統電力の整流に適用される。つまり、非特許文献1の技術は比較的低い周波数領域で用いられる。
Various techniques for improving the efficiency of the rectifier described above have been developed. For example, Non-Patent
特許文献4及び特許文献5は整流部103においてジュール熱として消失する「熱損」を低減し、高効率化する技術を開示している。「熱損」は、整流部103の出力端において電流と電圧が同時刻に有限値をとった場合に発生する。主として、熱損は整流部103を流れる電流の高調波成分と電圧の高調波成分とにより発生する。
Patent Documents 4 and 5 disclose techniques for reducing the “heat loss” that disappears as Joule heat in the rectifying
整流部103に用いられる非線形素子(例えば、ダイオード素子)は整流部103の構成によらず高調波成分に起因した熱損を発生させる。従って、熱損は整流部103の構成とは無関係に発生する。整流部103として、理論整流効率が最も高いシャント型整流回路(全波整流回路)、負荷依存性が小さいブリッジ型整流回路(全波整流回路)、簡易な構成の単相整流回路(半波整流回路)、又は大電力化のために複数の整流回路の並列回路を用いることができる。
A non-linear element (for example, a diode element) used in the rectifying
特許文献4は、熱損が生じる主要因である高周波成分の発生を抑制するために、外部より受電したRF電力の波長λの1/4の長さを持つスタブ(λ/4スタブ線路)と対地コンデンサによるバンドパスフィルタ機能を出力部104に持たせた技術を開示している。具体的には、RF入力ポート101にて受電したRF電力の周波数をf0とすると、バンドパスフィルタは奇数次周波数(f0、3f0、5f0、・・・)に対しては開放状態となり、偶数次周波数(2f0、4f0、6f0、・・・)に対しては短絡状態となる周波数特性を有する。Patent Document 4 discloses a stub (λ / 4 stub line) having a length of ¼ of the wavelength λ of RF power received from the outside in order to suppress generation of a high-frequency component which is a main cause of heat loss. A technique is disclosed in which the
特許文献5は、高周波成分の発生を抑制するために、λ/4オープンスタブ線路とλ/8オープンスタブ線路とを用いたバンドパスフィルタ機能を出力部104に持たせる技術を開示している。具体的には、RF入力ポート101にて受電したRF電力の周波数をf0とすると、バンドパスフィルタは偶数次周波数の一部(2f0、6f0、10f0、14f0、・・・)に対して短絡状態となり、その他の周波数に対して開放状態となる周波数特性を有する。Patent Document 5 discloses a technique in which the
特許文献4及び特許文献5では、所望の周波数特性(例えば、偶数次短絡特性)を得るためにスタブ線路の電圧電流特性の周期性を利用している。例えば、λ/4スタブ線路を用いた場合、当該スタブ線路の端部における電圧及び電流の振幅は周波数2f0の周期性を持つため、2f0、4f0、6f0、・・・の周波数において周期的に短絡状態となる特性を実現することができる。特許文献4及び特許文献5は主としてGHz帯のマイクロ波を用いた無線電力伝送システムに適用される。つまり、特許文献4及び特許文献5の技術は比較的高い周波数において用いられる。In Patent Document 4 and Patent Document 5, the periodicity of the voltage-current characteristic of the stub line is used to obtain desired frequency characteristics (for example, even-order short-circuit characteristics). For example, when a λ / 4 stub line is used, the amplitude of the voltage and current at the end of the stub line has a periodicity of frequency 2f 0 , and therefore at frequencies of 2f 0 , 4f 0 , 6f 0 ,. It is possible to realize the characteristic of periodically short-circuiting. Patent Literature 4 and Patent Literature 5 are mainly applied to a wireless power transmission system using a microwave in the GHz band. That is, the techniques of Patent Document 4 and Patent Document 5 are used at a relatively high frequency.
上述の整流器に係る技術には種々の問題がある。非特許文献1に記載されたようなPWM制御を行なうためにはRF電力の周波数に対して100倍〜1000倍程度の周波数で動作する制御回路が必要になる。従って、MHz帯の高周波信号を整流する整流器にPWM制御を適用するためには、GHz帯で動作するPWM制御回路が必要になる。このようなPWM制御回路を実現するのは非常に困難であり、仮に作製できたとしても、製作コストが大幅に増加する。また、PWM制御回路はアクティブ回路であり、PWM制御回路を駆動するための電源を別途準備する必要がある。そのため、PWM制御回路をRFID機器や無線電力伝送システム用ウェイクアップ回路などの電池や電源を持たないシステムへ適用することが困難である。
There are various problems in the technology related to the rectifier described above. In order to perform PWM control as described in
一方、λ/4スタブ線路を低周波信号を整流する整流器に用いた場合、その回路規模が増大するという問題がある。例えば、周波数1GHzの電磁波の波長は真空中で300mmであり、λ/4スタブ線路の長さは75mm程度となる。この長さは、GHz帯で用いられるチップトランジスタやコンデンサなどのコンポーネントサイズ(数mm2程度)に比較して大きく、全体の回路規模やシステムサイズを増加させてしまう。On the other hand, when the λ / 4 stub line is used for a rectifier that rectifies a low-frequency signal, there is a problem that the circuit scale increases. For example, the wavelength of an electromagnetic wave having a frequency of 1 GHz is 300 mm in a vacuum, and the length of the λ / 4 stub line is about 75 mm. This length is larger than the component size (about several mm 2 ) such as a chip transistor and a capacitor used in the GHz band, and increases the entire circuit scale and system size.
回路規模やシステムサイズが増加するという問題はGHz未満の周波数帯において顕著になる。例えば、磁界エネルギーの共鳴現象を利用する無線電力伝送システムにおいて使用されている周波数である約13HMzにおいて、その波長は真空中で20m程度となる。そのため、λ/4スタブ線路の長さは5m程度となり、非現実的な設計値である。 The problem that the circuit scale and the system size increase becomes significant in a frequency band below GHz. For example, at about 13 HMz, which is a frequency used in a wireless power transmission system that uses the resonance phenomenon of magnetic field energy, the wavelength is about 20 m in vacuum. Therefore, the length of the λ / 4 stub line is about 5 m, which is an unrealistic design value.
上述の長さを有するスタブ線路を誘電体基板上に形成すれば、原理的に回路規模を小型化することができる。例えば、約13MHzのλ/4スタブ線路をPCB材料(比誘電率:約4)により形成した基板上に形成した場合、その長さは2.5m程度まで短くできる。この2.5mという長さは非常に大きく依然として非現実的な設計値である。また、スタブ線路を用いた整流器は分布定数型回路なので、当該整流器を設計するために三次元電磁界解析が必要となる。そのため、回路設計が複雑で時間がかかり、その結果、設計コストが増大する。仮に上述の長さの配線を用いた場合、配線間に寄生成分や短絡箇所を生じないための配線マージンが必要となり、回路規模やシステムサイズが増大する。 If a stub line having the above length is formed on a dielectric substrate, the circuit scale can be reduced in principle. For example, when a λ / 4 stub line of about 13 MHz is formed on a substrate formed of a PCB material (relative dielectric constant: about 4), the length can be shortened to about 2.5 m. This length of 2.5 m is a very large and still unrealistic design value. Moreover, since the rectifier using a stub line is a distributed constant circuit, three-dimensional electromagnetic field analysis is required to design the rectifier. As a result, circuit design is complicated and time consuming, resulting in increased design costs. If the above-described length of wiring is used, a wiring margin is required to prevent a parasitic component or a short-circuit portion between the wirings, and the circuit scale and system size increase.
尚、特許文献1、特許文献2、特許文献3には電磁誘導、マイクロ波、磁界共鳴現象を利用した無線電力伝送システムについて開示されているものの、無線電力伝送システムの主要な構成要素である整流器の構造を改良して高効率を達成する手法については記載されていない。
In addition, although
本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、低コストで作製可能な小型で高効率の無線電力整流器、及び無線電力整流器を受電装置に適用した無線電力伝送システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a small and highly efficient wireless power rectifier that can be manufactured at low cost, and a wireless power transmission system in which the wireless power rectifier is applied to a power receiving device. For the purpose.
本発明の第一の形態は、所定の基本周波数を有する無線電力を整流する整流部と、整流後の無線電力に含まれる偶数次高調波のうち、少なくとも二次高調波について短絡状態とする高調波制御部とを具備する無線電力整流器である。 A first aspect of the present invention is a rectifier that rectifies wireless power having a predetermined fundamental frequency, and a harmonic that is in a short-circuit state for at least a second harmonic among even harmonics included in the wireless power after rectification. A wireless power rectifier including a wave control unit.
本発明の第二の形態は、アンテナを介して所定の基本周波数を有する無線電力を受電する入力部と、無線電力を整流する整流部と、整流後の無線電力に含まれる偶数次高調波のうち、少なくとも二次高調波について短絡状態とする高調波制御部と、高調波制御部を経た無線電力から直流電力を抽出する出力部とを具備する無線電力受電装置である。 The second aspect of the present invention is an input unit that receives wireless power having a predetermined fundamental frequency via an antenna, a rectifying unit that rectifies wireless power, and even harmonics included in the rectified wireless power. Among these, a wireless power receiving apparatus including a harmonic control unit that at least short-circuits the second harmonic, and an output unit that extracts DC power from the wireless power that has passed through the harmonic control unit.
本発明の第三の形態は、無線電力を送電する無線電力送電装置と、無線電力を受電する無線電力受電装置と、所定の負荷より構成される無線電力伝送システムである。無線電力受電装置は上記の構成を具備し、負荷は無線電力受電装置から供給される直流電力に基づいて作動する。 A third aspect of the present invention is a wireless power transmission system including a wireless power transmission device that transmits wireless power, a wireless power reception device that receives wireless power, and a predetermined load. The wireless power receiving apparatus has the above-described configuration, and the load operates based on DC power supplied from the wireless power receiving apparatus.
本発明の第四の形態は、所定の基本周波数を有する無線電力を整流し、整流後の無線電力に含まれる偶数次高調波のうち、少なくとも二次高調波について短絡状態とする無線電力整流方法である。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a wireless power rectification method for rectifying wireless power having a predetermined fundamental frequency and short-circuiting at least a second harmonic among even harmonics included in the rectified wireless power. It is.
所定の基本周波数を有する無線電力(RF電力)を整流すると高調波を発生するが、電流及び電圧の周波数特性を示す数式の積の時間積分では奇数次高調波成分はゼロになる。また、無線電力の偶数次高調波において少なくとも二次高調波を抑制できれば、整流器で発生する熱損の大幅に低減できる。この観点から、無線電力伝送システムの受電装置に適用される整流器において無線電力の偶数次高調波のうち少なくとも二次高調波に対して短絡状態とする高調波制御部を導入した。無線電力は電磁誘導現象又は磁気共鳴現象を利用して受電した後、整流し、整流後の無線電力について高調波制御を行ない、その後、当該無線電力から直流電力を抽出する。また、高調波制御部は集中定数を有する受動素子やLC直列共振回路より構成される。これにより、小型化でき、かつ、低コストで作製できる高整流効率の無線整流器を実現することができる。 When radio power (RF power) having a predetermined fundamental frequency is rectified, harmonics are generated, but the odd harmonic components are zero in the time integration of the product of the frequency characteristics of current and voltage. Moreover, if at least the second harmonic can be suppressed in the even harmonics of the wireless power, the heat loss generated in the rectifier can be greatly reduced. From this point of view, a harmonic control unit that introduces a short circuit to at least the second harmonic among the even harmonics of the wireless power in the rectifier applied to the power receiving device of the wireless power transmission system is introduced. The wireless power is received using an electromagnetic induction phenomenon or a magnetic resonance phenomenon, then rectified, harmonic control is performed on the rectified wireless power, and then DC power is extracted from the wireless power. The harmonic control unit is composed of a passive element having a lumped constant and an LC series resonance circuit. Thereby, it is possible to realize a wireless rectifier with high rectification efficiency that can be reduced in size and manufactured at low cost.
本発明に係る無線電力整流器及び無線電力伝送システムについて実施例とともに添付図面を参照して詳細に説明する。無線電力整流器の構成に係る図面において図14と同一の構成要素には同一の符号を付すものとする。 A wireless power rectifier and a wireless power transmission system according to the present invention will be described in detail together with embodiments with reference to the accompanying drawings. In the drawings relating to the configuration of the wireless power rectifier, the same components as those in FIG. 14 are denoted by the same reference numerals.
図1は、本発明に係る無線電力整流器(即ち、整流器1)の最小構成を示すブロック図である。整流器1は、RF電力を受電する整流部103とDC電力を送出する高調波制御部106より構成される。整流部103は周波数f0のRF電力を整流して高調波制御部106へ送出する。高調波制御部106は整流後のRF電力の周波数f0の偶数次高調波のうち、少なくとも二次高調波に対して短絡状態となる。尚、「高調波に対して短絡状態となる」とは高調波成分をインピーダンスが十分に低い素子を介してグランドへ放出すること、或いは、高調波成分を放電するような状態を意味する。FIG. 1 is a block diagram showing a minimum configuration of a wireless power rectifier (ie, rectifier 1) according to the present invention. The
図2は、本発明の実施例1に係る整流器1の詳細構成を示すブロック図である。整流器1は、RF入力ポート101、入力部102、整流部103、出力部104、DC出力ポート105、及び高調波制御部106を具備する。図14に示した整流器11と同様に、RF入力ポート101にはアンテナ12が接続され、DC出力ポート105には負荷13が接続される。整流器1と整流器11において、入力部102、整流部103、及び出力部104は同等の機能を有している。図14の整流器11に比べて、整流器1は高調波制御部106を具備することを特徴としており、高調波制御部106は整流部103に入力されたRF電力の周波数f0の偶数次高調波のうち、少なくとも二次高調波を含む有限個数の偶数次高調波に対して短絡状態となる。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a detailed configuration of the
アンテナ12として、電磁誘導や電波を利用する無線電力伝送の形態に合致する各種のアンテナを採用することができる。例えば、電磁誘導を利用する無線電力伝送の場合、アンテナ12は導線を複数回巻いたコイルで実現することができる。電波を利用する無線電力伝送の場合、アンテナ12は電波周波数に合わせたダイポールアンテナやヘリカルアンテナで実現することができる。
As the
負荷13は、整流器1のDC出力ポート105から送出されるDC電力を利用して作動する装置又は回路である。負荷13は、例えば、電気自動車、電動自転車、飛行装置、ロボット、パーソナルコンピュータや掃除機などの家電製品、モバイル機器、蓄電池、センサ装置、並びにそれらの組合せであってもよい。センサ装置は、監視機能、異物探知機能、異常探知機能、報知機能を有するセンサや、種々のセンサを組み合わせて構成される。
The
図3は、整流器1の構成要素の具体例を示したブロック図である。図3に示す整流器1において、入力部102は負荷13に直接に接続されるキャパシタC1で構成される。整流部103はシャント型全波整流器であり、例えば、最大順方向電流が10AのショットキーダイオードD1構成される。ショットキーダイオードD1は負荷13に並列に接続される。出力部104は、負荷13に直列に接続される集中定数型インダクタL1と、負荷13に並列に接続される集中定数型キャパシタC2とで構成される。高調波制御部106は、インダクタL2、L3とキャパシタC3より構成されるバンドパスフィルタである。RF入力ポート101及びDC出力ポート105として一般的に使用される配線用コネクタである。図3の整流器1ではバターワース型フィルタを採用しているが、同等の特性を有するのであれば他のバンドパスフィルタを採用してもよい。
FIG. 3 is a block diagram illustrating a specific example of components of the
図3の整流器1の動作について説明する。先ず、アンテナ12を介してRF入力ポート101がRF電力を受電する。RF電力は入力部102を介して整流部103へ送出される。入力部102のキャパシタC1の値はRF入力ポート101のインピーダンスと整流部103のインピーダンスとを整合させるように選択されており、入力部102はRF電力の反射を抑制しながら整流部103へ効率よく送出する。整流部103はRF電力を一方向に整流して高調波制御部106へ送出する。整流部103のダイオードD1は非線形素子であるため、RF電力を整流する際にその波形が歪んで高調波が発生する。RF入力ポート101で受電したRF電力の周波数をf0とすると、非線形素子により発生する高調波は2f0、3f0、4f0、・・・となる。The operation of the
高調波制御部106は、整流部103により整流されたRF電力を入力すると、ダイオードD1で発生する高調波のうち2f0の高調波成分に対して短絡状態となる。つまり、高調波制御部106の構成要素L2、L3、C3の値は2f0の高調波成分に対して負荷13に並列接続された抵抗値ゼロの抵抗素子と等価な回路素子として振舞うように選択されている。これにより、整流部103において発生する2f0の高調波成分は整流部103に熱損を生じさせることなく高調波制御部106にて消失する。尚、高調波制御部106において周波数2f0などの偶数次高調波成分に対して短絡状態となることにより整流部103での熱損を抑制するメカニズムについては後述する。高調波制御部106は、整流部103により整流されたRF電力のうち、2f0の高調波成分についてのみフィルタリングするバンドパスフィルタとして機能する。一方、高調波制御部106は整流部103により整流されたRF電力のうち、2f0以外の高調波成分に対しては開放状態となる。即ち、高調波制御部106は整流器103により整流されたRF電力の主要周波数成分についてはそのまま出力部104へ送出する。When the RF power rectified by the rectifying
出力部104は、整流部103で整流されたRF電力を高調波制御部106を介して入力して、そこからDC電力を抽出する。出力部104の構成要素L1、C2の値は整流後のRF電力から効率よくDC電力を抽出するローパスフィルタとして機能するよう選択される。出力部104はDC電力をDC出力ポート105へ送出する。入力部102のキャパシタC1は、出力部104のDC電力が入力ポート101へ逆流させないようなDCブロック回路として機能する。最後に、DC電力はDC出力ポート105を介して負荷13へ伝送される。
The
図4は、整流器1の整流効率のシミュレーション結果を示すグラフである。図4(a)では、整流器1において高調波制御部106を適用した場合の整流効率と、高調波制御部106を適用しない場合の整流効率とを比較している。図4(a)に示すように、整流器1に高調波制御部106を適用した場合の整流効率は、高調波制御部106を適用しない場合の整流効率に比べて最大10%向上する。図4(b)では、高調波制御部106を適用した整流器1の整流効率と、λ/4スタブ線路を適用した整流器(不図示)の整流効率とを比較している。図4(b)に示すように、両者は同等の整流効率を示している。尚、図4のグラフはRF電力(入力電力)の周波数を13.56MHzとしたシミュレーション結果を示している。
FIG. 4 is a graph showing a simulation result of the rectification efficiency of the
本実施例に係る整流器1の高調波制御部106は集中定数素子を用いて構成できるため、動作周波数に拘らず数センチ程度の大きさで実現可能である。つまり、本実施例に係る整流器1はλ/4スタブ線路を用いた整流器に比べて小型化できる。また、本実施例に係る整流器1は高調波制御部106を集中定数素子で構成できるため、λ/4スタブ線路を用いた整流器に比べて設計が容易であり、その結果、設計コストを低減できる。以上のように、本実施例により小型かつ低コストで作成できる高効率の無線電力整流器を実現できる。
Since the
また、整流器1の高調波制御部106が受動素子より構成されるので、電源が不要である。そのため、従来のPWM制御回路を用いた整流器に比べて二つの効果がある。第一の効果は、高周波のアクティブ回路が不要なので、低コストで実現することができる。第二の効果は、電源が不要なので、RFID機器や無線電力伝送システム用のウェイクアップ回路にも適用できる。
In addition, since the
図3に示した整流器1の構成要素101〜106を夫々下記のような形態で実現してもよい。
RF入力ポート101及びDC出力ポート105は、金属半田による接続点、半導体製造プロセスにより形成した金属配線、リード線の一部、またはそれらを組み合わせて構成してもよい。
入力部102は、集中定数型インダクタ、集中定数型キャパシタ、半導体素子、半導体製造プロセスにより形成した金属配線、またはそれらを組み合わせて構成してもよい。但し、入力部102は整流部103とRF入力ポート101間でのRF電力の反射が極力少なくなるように、インピーダンスを整合する整合回路を含めることが好ましい。You may implement | achieve the components 101-106 of the
The
The
整流部103は、シリコン、ガリウム、砒素、インジウム、リンなどの半導体材料、金、アルミニウム、プラチナなどの金属材料、またはそれらを組み合わせて形成した非線形素子より構成される全波整流回路(例えば、ブリッジ整流回路)又は半波整流回路としてもよい。或いは、PN接続ダイオード、量子トンネルダイオード、ツェナーダイオード、またはそれらを組み合わせて整流部103を構成してもよい。更に、整流部103は電界効果トランジスタなどの三端子の非線形素子を用いて構成してもよい。
The
出力部104は、集中定数型インダクタ、集中定数型キャパシタ、半導体素子、半導体製造プロセスにより形成した金属配線、またはそれらを組み合わせて構成してもよい。但し、出力部104は整流後のRF電力からDC電力を抽出できるローパスフィルタを含めることが好ましい。
高調波制御部106は、複数のバンドパスフィルタを用いて構成してもよい。例えば、高調波制御部106はRF電力の二次高調波、四次高調波、六次高調波などの高次の偶数次高調波に対して短絡状態となる複数のバンドパスフィルタを組み合わせて構成してもよい。これにより、RF電力の二次高調波のみについて短絡状態とするよりも更なる高効率化を図ることができる。或いは、高調波制御部106はコイル、キャパシタ、抵抗、リード線、金属半田による接続点、半導体製造プロセスにより形成した金属配線の一部、またはそれらを組み合わせて構成してもよい。The
The
図5は、本発明の実施例2に係る整流器1の詳細構成を示すブロック図である。実施例2の整流器1では、高調波制御部106を集中定数素子L4、C5からなるLC直列共振回路で構成している。ここで、パラメータL4、C5は二次高調波2f0に対して短絡状態となるような共振特性を実現するように決定される。FIG. 5 is a block diagram showing a detailed configuration of the
図6は、LC直列共振回路で構成される高調波制御部106の透過特性を示すグラフである。図6に示すように、パラメータL4、C5を所定の値に設定したLC直列共振回路は二次高調波2f0に対して短絡状態となり、RF電力のうち2f0の二次高調波成分を透過させない周波数特性を有している。一方、基本周波数成分f0についてはそのまま透過する。従って、高調波制御回路106はRF電力のうち二次高調波成分2f0のみに対して短絡状態となり、RF電力の主要周波数成分については損失無く伝送することができる。これにより、実施例2の整流器1(図6)では実施例1の整流器1(図3)と同様の高調波抑制効果を得ることができるとともに、実施例1にくらべて高調波制御部106の設計を容易に行なうことができる。尚、実施例2の整流器1において高調波制御部106以外の構成要素については実施例1の整流器1と同一である。FIG. 6 is a graph showing the transmission characteristics of the
図7は、本発明の実施例3に係る整流器1の具体的構成を示すブロック図である。実施例3の整流器1では、整流部103を複数の回路要素(例えば、ダイオードD1、D2)を並列接続したシャント型整流回路で構成している。ここで、二個の回路要素を並列接続しているが、三個以上の回路要素を並列接続してもよい。尚、実施例3の整流器1において整流部103以外の構成要素は実施例1の整流器1と同一である。
FIG. 7 is a block diagram illustrating a specific configuration of the
図8は、本発明の実施例4に係る整流器1の具体的構成を示すブロック図である。実施例4の整流器1では、整流部103を複数のブリッジ型整流回路103a、103bを並列接続して構成している。尚、実施例4の整流器1において整流部103以外の構成要素は実施例1の整流器1と同一である。
FIG. 8 is a block diagram illustrating a specific configuration of the
図9は、本発明の実施例5に係る整流器1の具体的構成を示すブロック図である。実施例5の整流器1では、整流部103を複数の半波整流回路(例えば、ダイオードD3、D4)を並列接続して構成している。尚、実施例5の整流器1において整流部103以外の構成要素は実施例1の整流器1と同一である。
FIG. 9 is a block diagram illustrating a specific configuration of the
本発明は、図7乃至図9の構成に限定されるものではなく、整流部103を任意構成の整流回路を複数並列接続して構成するようにしてもよい。これにより、実施例1の整流器1と同様の効果が得られるとともに、整流部103において大電流を整流することが可能となる。一方、整流部103を複数の整流回路を並列接続して構成すると、整流器1に含まれる回路素子の数が増大し、その分だけ整流部103で発生する熱損も増大することとなる。しかし、前述の高調波制御部106を用いて効果的に熱損を低減させることができる。
The present invention is not limited to the configurations shown in FIGS. 7 to 9, and the
次に、上述の実施例において整流器1に高調波制御部106を具備することにより整流部103で発生する熱損を低減し、整流器1の整流効率を向上させることができるメカニズムについて説明する。
Next, a mechanism that can reduce the heat loss generated in the
図10は、整流器1を簡略化した回路構成を有する整流回路を示しており、入力部102と整流部103より構成される。整流部103は、ダイオードD1のみより構成される。図11は、整流回路の電流特性及び電圧特性の時間変化を示すグラフである。
前述の整流器1では、整流部103で整流されたRF電力に含まれる偶数次高調波のうち、少なくとも二次高調波を含む有限個の偶数次高調波に対して高調波制御部106が短絡状態となり、整流部103で発生する熱損を低減することができ、高効率の整流特性を実現することができる。以下、ダイオードD1のみからなる整流部103について図10及び図11を参照して整流部103の熱損抑制のメカニズムについて説明する。FIG. 10 shows a rectifier circuit having a simplified circuit configuration of the
In the
図10の整流回路において、RF電力源14から供給されたRF電力が入力部102を介して整流部103へ伝送される。整流部103は、RF電力を整流して負荷13へ送出する。RF電力源14は、周波数f0のRF電力(RFin)を整流回路に供給する。このとき、ダイオードD1のアノードからカソードに流れる電流特性の時間変化を図11(a)に示し、ダイオードD1のカソードに対するアノード側の電圧特性の時間変化を図11(b)に示す。図11において、「t」はRF電力(RFin)の周波数f0に対応する周期を示す。図11に示すように、ダイオードD1に逆バイアスが印加される期間(0〜t/2、t〜3t/2、・・・)では、ダイオードD1は電流を流さないので、ダイオードD1の端子間にはRF電圧(RFin)がそのまま印加される。一方、ダイオードD1に順バイアスが印加される期間(t/2〜t、3t/2〜2t、・・・)では、ダイオードD1は電流を流すので、ダイオードD1の端子間に印加される電圧は低下する。但し、ダイオードD1は印加電圧が固有の閾値に到達するまでは電流を流さないので、順バイアス印加時にもダイオードD1の端子間の電圧が閾値を超えるまでは上昇する(図11(b)参照)。ここで、図11(a)に示す電流特性をフーリエ変換すると数式1に表されるようになる。
In the rectifier circuit of FIG. 10, RF power supplied from the
数式1において、I0は整流部103から出力される電流の最大値である。数式1に示す通り、ダイオードD1で流れる電流は基本波f0及びf0の偶数倍の周波数(2f0、4f0、6f0、・・・)で構成されている。In
図11(b)に示すように、ダイオードD1が閾値を有するため、ダイオードD1の端子間に印加される電圧特性は半波の矩形波及び半波の正弦波からなる波形となる。即ち、ダイオードD1の順バイアス印加時には、整流回路は正弦波のRF電力をダイオードD1の閾値を最大値とする半波の矩形波に変換する。一方、ダイオードD1の逆バイアス印加時には、整流回路はRF電力と同じ波形を出力する。そのため、整流回路より半波の正弦波電圧が出力される。ここで、図11(b)に示されるダイオードD1の端子間の電圧特性は、半波の矩形波及び半波の正弦波のフーリエ変換結果を足し合わせて記述することができる。即ち、図11(b)に示す電圧特性をフーリエ変換すると数式2に表されるようになる。 As shown in FIG. 11B, since the diode D1 has a threshold value, the voltage characteristic applied between the terminals of the diode D1 has a waveform composed of a half-wave rectangular wave and a half-wave sine wave. That is, when a forward bias is applied to the diode D1, the rectifier circuit converts the sinusoidal RF power into a half-wave rectangular wave whose maximum value is the threshold value of the diode D1. On the other hand, when reverse bias is applied to the diode D1, the rectifier circuit outputs the same waveform as the RF power. Therefore, a half-wave sine wave voltage is output from the rectifier circuit. Here, the voltage characteristic between the terminals of the diode D1 shown in FIG. 11B can be described by adding the Fourier transform results of the half-wave rectangular wave and the half-wave sine wave. That is, when the voltage characteristic shown in FIG.
上記のように電圧特性を記述できるのは、半波の矩形波は基本波及び奇数次高調波で記述でき、半波の正弦波は数式1に示すような基本波及び偶数次高調波で記述できるためである。尚、数式2においてc1、c2、・・・は定数を示す。Voltage characteristics can be described as described above. A half-wave rectangular wave can be described by a fundamental wave and odd-order harmonics, and a half-wave sine wave can be described by a fundamental wave and even-order harmonics as shown in
ここで、ダイオードD1の消費電力、即ち「熱損」、はダイオードD1に流れる電流及びダイオードD1に印加される電圧の積、つまり、数式1と数式2の時間積分により求めることができる。しかし、数式1の周波数成分と数式2の周波数成分のうち、熱損に寄与する周波数成分は両者に共通の周波数成分のみである。これは、三角関数の直交性により、異なる周波数の電圧と電流の積を時間積分した結果はゼロとなるためである。従って、数式1及び数式2の積に寄与する周波数成分は基本波成分(f0)と偶数次高調波成分(2f0、4f0、6f0、・・・)のみである。Here, the power consumption of the diode D1, that is, “heat loss”, can be obtained by the product of the current flowing through the diode D1 and the voltage applied to the diode D1, that is, the time integration of
図11(b)の電圧特性の波形において、f0の偶数倍となる周波数(2f0、4f0、6f0、・・・)に対して短絡状態とした場合、数式2は数式3のように変形することができる。尚、数式3においてc´1、c´2、・・・は定数を示す。In the waveform of the voltage characteristic of FIG. 11B, when the short circuit state is established for the frequency (2f 0 , 4f 0 , 6f 0 ,...) That is an even multiple of f 0 ,
整流回路において、RF電力の基本周波数f0の偶数倍となる偶数次高調波(2f0、4f0、6f0、・・・)に対して短絡状態するため、RF電力の偶数次高調波成分は全てゼロになる。このため、数式3に示す電圧交流成分として基本波f0と奇数次高調波(3f0、5f0、7f0、・・・)しか含まれないこととなる。数式1に示す電流交流成分は基本波f0と偶数次高調波しか含まれない。従って、数式1に示す電流の周波数特性と数式3に示す電圧の周波数特性との積を時間積分して電力を求めると、基本波以外の高調波成分の電力はゼロになる。すなわち、整流回路の出力が数式1に示す電流の周波数特性と数式3に示す電圧の周波数特性を有する場合、両者の積である高調波成分に基づく熱損が発生しないこととなる。In the rectifier circuit, an even harmonic component of the RF power is short-circuited with respect to the even harmonics (2f 0 , 4f 0 , 6f 0 ,...) That are an even multiple of the fundamental frequency f 0 of the RF power. All become zero. Therefore, the fundamental wave f 0 and odd harmonic as the voltage AC components shown in Equation 3 (3f 0, 5f 0, 7f 0, ···) and thus not only included. Current AC components shown in
数式1及び数式2に示すように、電流及び電圧の高調波成分は低次のものほど振幅が大きい。例えば、二次高調波と四次高調波とを比較すると、二次高調波の係数が「2/3」であるのに対して四次高調波の係数が「2/15」であるため、二次高調波成分が四次高調波成分の5倍程度大きいこととなる。数式2に示す電圧の偶数次高調波成分は半波の正弦波から構成されることから、二次高調波成分と四次高調波成分との比は「5:1」となる。従って、整流回路において二次高調波成分のみに対して短絡状態となることにより熱損の大部分を低減することができる。即ち、整流部103のダイオードD1において発生する高調波の一部として二次高調波のみに対して高調波制御回路で短絡状態とすることにより大部分の熱損を低減することができる。
As shown in
数式1及び数式2はダイオードD1に負荷(抵抗)13のみを接続した整流回路(図10)における電流及び電圧の周波数特性を示しており、前述の実施例に係る整流器1の周波数特性を示すものではない。図3に示す整流器1では整流部103(例えば、ダイオードD1)と負荷13との間に出力部104が存在する。従って、整流部103の出力電流及び出力電圧の周波数特性は数式1及び数式2のような簡単な数式で表すことはできず、複雑な数式で表されることとなる。このため、整流部103で発生する高調波のうち二次高調波のみに対して短絡状態とすることにより熱損の大部分を低減できるかどうかは未確定である。
しかし、図4のシミュレーション結果により整流部103で発生する高調波のうち二次高調波のみに対して短絡状態とすることで熱損の大部分を低減することができ、かつ、本実施例に係る整流器1はスタブ線路を用いた整流器と同等の整流効果を実現できることが判明した。これにより、高調波制御部106として二次高調波のみに対して短絡状態とするような簡単な構成で十分な効果を得られることが判明した。尚、本実施例に係る整流器1において高調波制御部106により二次高調波のみならず四次高調波や六次高調波などに対して短絡状態とするように設計変更してもよい。これにより、更に熱損を低減し、更に整流効率を向上することが可能である。
However, most of the heat loss can be reduced by short-circuiting only the second harmonic among the harmonics generated in the
図12は、本発明の実施例6に係る無線電力伝送システム2の構成を示すブロック図である。無線電力伝送システム2は、無線電力(RF電力)を送電する送電装置21と、無線電力を受電する受電装置22と、無線電力により駆動される負荷13を具備する。
FIG. 12 is a block diagram illustrating a configuration of the wireless
受電装置22は整流器1及びアンテナ12を具備する。アンテナ12は、磁界の共鳴現象を利用してRF電力を受電する二次コイル121と、電磁誘導現象を利用して二次コイル121から整流器1のRF入力ポート101へRF電力を伝送する一次コイル122により構成される。一次コイル122及び二次コイル121の形状や材料は、所望の電力量や送受電距離に応じて任意に選択することができる。実施例6に係る無線電力伝送システム2は磁界共鳴現象を利用しているが、電磁誘導や電波などを利用した無線電力伝送システムを設計することも可能である。その場合、一次コイル122及び二次コイル121の代わりに、電磁誘導や電波を利用するようなアンテナを用いるようにしてもよい。
The
実施例6に係る無線電力伝送システム2の動作について説明する。先ず、送電装置21が受電装置22に向けて無線電力(RF電力)を伝送する。受電装置22において、二次コイル121がRF電力を受電し、一次コイル122がRF電力を整流器101のRF入力ポート101に伝送する。整流器1はRF入力ポート101を介してRF電力を受電して整流し、整流後のRF電力からDC電力を抽出してDC出力ポート105を介して負荷13へ送出する。実施例6に係る無線電力伝送システム2の受電装置22には前述の実施例に係る整流器1が適用されているため、小型化及び高整流効率を実現するとともに、低コストで作成できる。
The operation of the wireless
図13は、本発明の実施例7に係る無線電力伝送システム2の構成を示すブロック図である。実施例7の無線電力伝送システム2は、無線電力(RF電力)を送電する送電装置21と、無線電力を受電する受電装置22と、ウェイクアップ回路131を具備する。ウェイクアップ回路131は、所定の信号(電力)を受信した場合に休止状態(即ち、電源電圧が供給されていない状態)の負荷装置(不図示)を起動させるものである。ウェイクアップ回路131にRF電力を供給する際には、負荷装置には電源電圧が供給されていないため、電源電圧を必要とするPWM制御技術を用いた整流器を適用することができない。実施例7に係る無線電力伝送システム2では、受電装置22に適用されている整流器1は受動素子で構成されているため、電池や電源を持たないか、または休止状態にある負荷装置にも適用することができる。
FIG. 13 is a block diagram illustrating a configuration of the wireless
次に、上述の整流器1及び整流器1を用いた無線電力伝送システム2の製造方法について説明する。例えば、金属半田や金属配線を用いて所望のダイオードを誘電体基板上に搭載する。集中定数素子を誘電体基板上に搭載することにより、RF入力ポート101、出力部104、高調波制御部106を形成し、それらの素子と整流部103とを金属半田や金属配線を用いて接続する。金属半田や金属配線を用いて所望のコネクタを誘電体基板に取り付けて、RF入力ポート101及びDC出力ポート105を形成する。RF入力ポート101と一次コイル122とを所望のケーブルで接続する。その後、二次コイル121と一次コイル122とを、例えば、セメントや接着剤を用いて固定した支持材に取り付ける。最後に、DC出力ポート105と負荷13とを所望のケーブルで接続する。
Next, the manufacturing method of the wireless
最後に、本発明に係る整流器1及び無線電力伝送システム2は上述の実施例に限定されるものではなく、添付した請求の範囲により定義される発明の範囲内において種々の変形例を具現化することも可能である。
Finally, the
本発明は、無線電力伝送システムの受電装置に適用される整流器を提供するものであり、受動素子を用いた簡単な構成により整流時に発生する高調波に起因する熱損を低減し、低コストで作製可能であり、小型化可能であり、高整流効率を実現するものであるため、無線電力を利用する種々の電子機器に好適に適用できるものである。 The present invention provides a rectifier applied to a power receiving device of a wireless power transmission system, reduces heat loss due to harmonics generated during rectification by a simple configuration using passive elements, and is low in cost. Since it can be manufactured, can be miniaturized, and achieves high rectification efficiency, it can be suitably applied to various electronic devices using wireless power.
1 整流器
2 無線電力伝送システム
11 整流器
12 アンテナ
13 負荷
21 送電装置
22 受電装置
101 RF入力ポート
102 入力部
103 整流部
104 出力部
105 DC出力ポート
121 二次コイル
122 一次コイル
131 ウェイクアップ回路DESCRIPTION OF
Claims (11)
整流後の無線電力に含まれる偶数次高調波のうち、少なくとも二次高調波について短絡状態とする高調波制御部とを具備する無線電力整流器。A rectifier that rectifies wireless power having a predetermined fundamental frequency;
The radio | wireless power rectifier which comprises the harmonic control part which makes a short circuit state at least about the secondary harmonic among the even-order harmonics contained in the radio | wireless electric power after rectification.
無線電力を整流する整流部と、
整流後の無線電力に含まれる偶数次高調波のうち、少なくとも二次高調波について短絡状態とする高調波制御部と、
前記高調波制御部を経た無線電力から直流電力を抽出する出力部とを具備する無線電力受電装置。An input unit for receiving wireless power having a predetermined fundamental frequency via an antenna;
A rectifying unit for rectifying wireless power;
Among even-order harmonics included in the rectified wireless power, a harmonic control unit that is in a short-circuited state for at least the second harmonic, and
A wireless power receiving apparatus comprising: an output unit that extracts DC power from wireless power that has passed through the harmonic control unit.
前記無線電力受電装置は、
前記無線電力送信装置から伝送される所定の基本周波数を有する無線電力をアンテナを介して受電する入力部と、
無線電力を整流する整流部と、
整流後の無線電力に含まれる偶数次高調波のうち、少なくとも二次高調波について短絡状態とする高調波制御部と、
前記高調波制御部を経た無線電力から直流電力を抽出する出力部とを具備し、
前記負荷は前記無線電力受電装置から供給される直流電力に基づいて作動するようにした無線電力伝送システム。A wireless power transmission system configured by a wireless power transmission device that transmits wireless power, a wireless power reception device that receives wireless power, and a predetermined load,
The wireless power receiving device is:
An input unit for receiving wireless power having a predetermined fundamental frequency transmitted from the wireless power transmission device via an antenna;
A rectifying unit for rectifying wireless power;
Among even-order harmonics included in the rectified wireless power, a harmonic control unit that is in a short-circuited state for at least the second harmonic, and
An output unit that extracts DC power from the wireless power that has passed through the harmonic control unit,
The wireless power transmission system in which the load is operated based on DC power supplied from the wireless power receiving apparatus.
整流後の無線電力に含まれる偶数次高調波のうち、少なくとも二次高調波について短絡状態とする無線電力整流方法。Rectifies wireless power having a predetermined fundamental frequency,
A wireless power rectification method in which at least a second harmonic is short-circuited among even harmonics included in the rectified wireless power.
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