CN104718682A - 无线供电装置 - Google Patents

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CN104718682A
CN104718682A CN201380053064.1A CN201380053064A CN104718682A CN 104718682 A CN104718682 A CN 104718682A CN 201380053064 A CN201380053064 A CN 201380053064A CN 104718682 A CN104718682 A CN 104718682A
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Abstract

设于送电装置(PSU)的送电环形线圈(np)从直流电源取出电能，并在空间产生周期性变化的电磁场共振能量。设于受电装置(PRU)的受电环形线圈(ns)从空间取出周期性变化的电磁场共振能量作为电能并向负载供给电力。送电环形线圈(np)和受电环形线圈(ns)发生电磁场共振耦合，以无线的方式从送电装置(PSU)向受电装置(PRU)供给电力。

Description

无线供电装置
技术领域
本发明涉及由电力发送装置和电力接收装置构成的无线供电装置。
背景技术
近年来，伴随着电子设备的小型轻量化以及低耗电化，进而伴随着电池容量的增大化，电池驱动的电子设备不断增加。此外，在近距离时以无线的方式进行设备间的数据通信的利用形态也有所增加。伴随着这些情形，对于电力也要求非接触下的输送技术。
例如，现有的非接触型的充电系统如专利文献1所示，由在充电台等中具备初级侧线圈的送电装置和具备次级线圈以及充电电池的便携式电子设备构成，用户将便携式电子设备载置于送电装置。由此，送电装置的初级侧线圈和便携式电子设备的次级侧线圈发生电磁感应耦合(磁场耦合)来向充电装置侧供给电力，从而二次电池被充电。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2008-206327号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1的非接触型的充电系统中，送电线圈和受电线圈作为利用了电磁感应的绝缘变压器来起作用，只不过作为利用了磁耦合的变压器来加以利用。在利用了电磁感应的变压器中，使由初级绕组中流动的电流所产生的磁通与次级绕组发生交链而流动电流，效率良好地从电变换为磁然后变换为电是较为重要的。
在利用了电磁感应的无线供电装置中，为了提高电力变换效率，如何提高初级绕组和次级绕组的磁耦合度较为重要。然而，为了防止磁饱和，或者受到物理上的制约，难以增大变压器的磁耦合度的情形也较多，其结果无法获得高的电力变换效率。
此外，近年来，使用了共振方式的无线供电技术的研究开发变得活跃。2007年由MIT(麻省理工学院)报告而吸引关注的、频率10MHz、输送距离2m的电力输送实验中，电力效率非常低约15％。其主要理由被推测为使用科尔皮兹振荡电路来产生高频交流电流的缘故。认为在科尔皮兹振荡电路中的功率放大电路之中，在产生交流电流的阶段损失许多电力。可以说无线供电中的最重要的课题就是高效率的高频交流电流的产生。
本发明涉及形成电磁场共振耦合来进行无线供电的装置。在以电磁场共振耦合来进行无线供电的情况下，存在如下这种的课题。
(1)在形成磁场共振耦合来进行无线供电的装置中，使用电力输送器件来进行电力的发送、接收，但在到目前为止的电力输送器件中，使用的是具有复杂构造的螺旋形线圈等。然而，在高频率下发生共振来形成耦合的电磁场共振耦合中，电力输送器件在构造上具有的电容成分即杂散电容会给共振频率带来较大影响。但是，在工业应用上，对在构造上所决定的杂散电容进行管理、调整是非常困难的，故谋求形成使用了由简单构造构成的电力输送器件的电磁场共振耦合来进行无线供电的技术。
(2)关于作为目标的负载所消耗的电力相对于在电力源中产生的电力的比例即电力效率，若将匝数多的线圈设为电力输送器件，则等效串联交流电阻将变大，所以电力效率大幅下降。
(3)若在用于形成电磁场共振耦合的交流电力发生源中使用功率放大电路，则该功率放大电路中的电力损耗大，例如在A级放大电路中，用于产生交流电力的电力效率在理论上最高也只为50％。因而，若使用功率放大电路，则只能构成电力效率非常差的无线供电系统。
本发明的目的在于，提供作为电力输送器件而使用环形线圈、且非常简单的无线供电装置。
用于解决课题的手段
本发明的无线供电装置如下那样构成。
(1)一种无线供电装置，由具备送电线圈的送电装置和具备受电线圈的受电装置构成，所述无线供电装置的特征在于，具备：与所述送电线圈等效地串联连接来构成送电侧谐振电路的至少一个谐振电容器Cr；送电侧开关电路，其具备与所述送电侧谐振电路连接且通过接通断开从而向所述送电侧谐振电路断续地施加直流电源以使送电侧谐振电路产生谐振电流的开关元件、和对该开关元件进行控制的开关控制电路；与所述受电线圈等效地串联连接来构成受电侧谐振电路的至少一个谐振电容器Crs；和受电侧整流电路，其与所述受电侧谐振电路连接，且具备对谐振电流进行整流并向负载供给电流的整流元件，所述送电线圈或者所述受电线圈当中的至少一方为环形线圈(送电环形线圈np或者受电环形线圈ns)，所述送电线圈从所述直流电源取出电能，并在空间产生周期性变化的电磁场共振能量，所述受电线圈从空间取出周期性变化的电磁场共振能量作为电能并向负载供给电力，在所述送电线圈与所述受电线圈之间由于相互感应而等效地形成互电感Lm，所述送电侧谐振电路和所述受电侧谐振电路发生共振，通过所述互电感Lm中流动谐振电流的电磁场共振耦合，从所述送电装置向所述受电装置输送电力。
通过上述构成，不使用复杂的线圈而使用简单的环形线圈便能形成电磁场共振耦合，能够构成简单的开关无线供电装置。此外，环形线圈由于等效串联交流电阻小，因此环形线圈中的电力损耗小，通过磁场谐振耦合能够从送电电路向受电电路效率良好地输送电力，能够谋求无线供电装置的高效率化。
(2)优选所述环形线圈被形成在二维平面。由此，能够构成简单且薄型的无线供电装置。
(3)根据需要，优选所述环形线圈被形成在相互正交的两个二维平面上，构成了三维空间的环形线圈。通过该构造，在xyz轴的三个轴之中两个轴方向上能够容易地收发能量，关于送受电装置的位置关系，自由度大幅提升。
(4)优选所述环形线圈被形成在相互正交的三个二维平面上，构成了三维空间的环形线圈。根据该构造，关于xyz轴的三个法线方向，能够容易地收发能量，关于送受电装置的位置关系，自由度大幅扩大。
(5)根据需要，优选所述环形线圈在相同的二维平面上被回旋多次形成。根据该构成，环形线圈所形成的磁能变大，每单位周期的电磁场共振能量变大，能够增大电力发送量。由此，能够谋求无线供电装置的小型轻量化。
(6)优选在所述受电装置的输出连接了适当的负载的情况下，若用fr来表征从与所述送电侧开关电路连接的送电侧谐振电路的输入观察负载侧整体的输入阻抗为极小的谐振频率，用fs来表征开关频率，则所述开关控制电路被构成为以fs＝fr±20％来动作。根据该构成，开关频率fs在谐振频率fr附近动作，因此共振能量变大，能够增大能量发送量。由此，能够谋求无线供电装置的小型轻量化。
(7)优选在所述受电装置的输出连接了适当的负载的情况下，若用fr来表征从与所述送电侧开关电路连接的送电侧谐振电路的输入来观察负载侧整体而得到的输入阻抗为极小的谐振频率，用fs来表征开关频率，则所述开关控制电路被构成为以fs＞fr来动作。根据该构成，从开关电路观察的多谐振电路的输入阻抗变为感应性，鉴于此，在构成送电电路的开关元件中能够实现零电压开关ZVS动作。此外，可以遍及所有负载范围来进行开关元件的ZVS动作。通过该ZVS动作，来降低开关损耗，从而能够谋求高效率化，能够谋求无线供电装置的小型轻量化。
(8)优选所述开关控制电路被构成为按照在所述开关元件的两端电压下降至零电压附近时开启所述开关元件的方式进行控制，来进行零电压开关动作。根据该构成，在两端电压下降至零电压附近时开启，从而能够将开关损耗降低得更少。此外，通过ZVS动作来降低开关损耗，从而能够谋求高效率化，能够谋求无线供电装置的小型轻量化。
(9)也可以所述受电侧整流电路相对于构成所述受电侧谐振电路的谐振电容器而被例如串联连接，按照取出所述谐振电容器中流动的电流的方式进行整流并向所述负载供给电力。根据该构成，对电容器中流动的电流进行整流，从而能够向负载供给较大的电流。此外，通过降低整流元件的耐压，从而能够谋求整流损耗的降低、无线供电装置的高效率化、小型轻量化。
(10)也可以所述受电侧整流电路相对于构成所述受电侧谐振电路的谐振电容器而被例如并联构成，按照根据施加给所述谐振电容器的电压取出电流的方式进行整流并向所述负载供给电力。通过该构成，根据施加给谐振电容器的电压取出电流来整流，从而能够给负载供给较大的电压。此外，能够降低整流元件的耐电流值，能够谋求整流损耗的降低、无线供电装置的高效率化、小型轻量化。
(11)优选所述受电侧整流电路例如为电桥整流电路。由此，能够对受电环形线圈中所产生的双向的电流进行整流。此外，能够降低整流元件的耐电流值，能够谋求无线供电装置的高效率化、小型化。
(12)优选所述受电侧整流电路例如为半波整流电路。由此，能够由一个整流元件来构成，能够谋求无线供电装置的小型轻量化。
(13)优选所述受电侧整流电路例如为倍压整流电路。由此，能够相对于环形线圈中所产生的电压而将更高的电压供给至负载。
(14)优选所述送电侧谐振电路的谐振频率和所述受电侧谐振电路的谐振频率在±20％的范围内一致。由此，开关频率和谐振频率相调谐从而能够增大电磁场共振能量，能够从送电电路向受电电路发送较大的电力。
(15)优选将所述整流元件的结电容作为所述谐振电容器或者谐振电容器的一部分来利用。由此，能够防止电力输送动作的不良状况。此外，通过削减部件数，从而能够谋求无线供电装置的小型轻量化。
(16)优选将所述环形线圈的杂散电容作为所述谐振电容器的全部或者一部分来使用。由此，能够抑制不必要的电磁波的放射。此外，通过削减部件数，从而能够谋求无线供电装置的小型轻量化。
(17)优选所述开关元件为FET，所述送电侧开关电路包含所述FET的寄生电容以及反并联二极管。由此，能够削减部件数，来谋求无线供电装置的高效率化、小型轻量化。
(18)优选所述送电侧开关电路例如为半桥构成。由此，较之于一个开关元件的构成而施加给开关元件的电压被降低，能够谋求无线供电装置的高效率化、小型轻量化。
(19)优选所述送电侧开关电路例如为全桥构成。由此，较之于半桥的构成而施加给开关元件的电压被进一步降低，能够谋求无线供电装置的高效率化、小型轻量化。
(20)优选所述受电侧整流电路例如为具备开关元件的同步整流电路。由此，能够谋求整流损耗的降低。
发明效果
根据本发明，起到如下效果。
(1)不使用复杂的线圈而使用简单的环形线圈便能形成电磁场共振耦合，能够构成简单的开关无线供电装置。
(2)环形线圈由于等效串联交流电阻小，因此环形线圈中的电力损耗小，通过磁场谐振耦合能够从送电电路向受电电路效率良好地输送电力，能够谋求无线供电装置的高效率化。
(3)能够由控制开关动作的开关控制电路来控制输送电力。
附图说明
图1当中的图1(A)是第1实施方式的无线供电装置101的电路图。
图2是图1(A)的各部的波形图。
图3是表示第2实施方式所涉及的无线供电装置的送电环形线圈以及受电环形线圈的构造的图。
图4是表示第3实施方式所涉及的无线供电装置的送电环形线圈以及受电环形线圈的构造的图。
图5是表示第4实施方式所涉及的无线供电装置所具备的送电环形线圈np以及受电环形线圈ns的构造的图。
图6是表示第4实施方式所涉及的无线供电装置所具备的其他的送电环形线圈np以及受电环形线圈ns的构造的图。
图7是表示第5实施方式所涉及的无线供电装置的、从送电侧谐振电路的输入观察负载侧整体的输入阻抗的频率特性的图。
图8是表示第6实施方式所涉及的无线供电装置的、从送电侧谐振电路的输入观察负载侧整体的输入阻抗的电抗的频率特性的图。
图9是第7实施方式所涉及的无线供电装置的电路图。
图10是第7实施方式所涉及的其他的无线供电装置的电路图。
图11是第7实施方式所涉及的其他的无线供电装置的电路图。
图12是第7实施方式所涉及的其他的无线供电装置的电路图。
图13是第7实施方式所涉及的其他的无线供电装置的电路图。
图14是第7实施方式所涉及的其他的无线供电装置的电路图。
图15是第7实施方式所涉及的进一步的其他的无线供电装置的电路图。
图16是第8实施方式所涉及的无线供电装置的电路图。
图17是第8实施方式所涉及的其他的无线供电装置的电路图。
图18是第8实施方式所涉及的其他的无线供电装置的电路图。
图19是第8实施方式所涉及的其他的无线供电装置的电路图。
图20是第8实施方式所涉及的其他的无线供电装置的电路图。
图21是第8实施方式所涉及的进一步的其他的无线供电装置的电路图。
图22是第9实施方式所涉及的无线供电装置的电路图。
图23是第9实施方式所涉及的其他的无线供电装置的电路图。
图24是第10实施方式所涉及的无线供电装置的电路图。
图25是第11实施方式所涉及的无线供电装置的电路图。
图26是第12实施方式的无线供电装置的电路图。
具体实施方式
《第1实施方式》
图1(A)是第1实施方式的无线供电装置101的电路图。图1(B)是图1(A)的一部分的等效电路图。
无线供电装置101由具备送电环形线圈np的送电装置PSU和具备受电环形线圈ns的受电装置PRU构成。该无线供电装置101是在送电装置PSU的输入部具备输入电源Vi并向受电装置PRU的负载Ro无线供电稳定的直流的能量的系统。
送电装置PSU具备：送电环形线圈np；谐振电容器Cr；开关元件Q1、Q2；和包含对这些开关元件Q1、Q2进行控制的开关控制电路10在内的送电侧开关电路。
由送电环形线圈np和谐振电容器Cr构成了“送电侧谐振电路”。
由开关元件Q1、反并联二极管Dds1以及寄生电容器Cds1的并联连接电路构成了开关电路S1。同样，由开关元件Q2、反并联二极管Dds2以及寄生电容器Cds2的并联连接电路构成了开关电路S2。以下，将反并联二极管(寄生二极管)简单称为“二极管”。
开关控制电路10与送电侧谐振电路连接，通过使开关电路S1、S2以给定的开关频率交替地接通断开，由此向送电侧谐振电路断续地施加直流电源，以使送电侧谐振电路产生谐振电流。
在该示例中，送电侧开关电路构成了具备两个开关电路S1、S2的半桥电路。
受电装置PRU具备：受电环形线圈ns；谐振电容器Crs；开关元件Q3、Q4；包含对开关元件Q3、Q4进行控制的开关控制电路20在内的受电侧开关电路；和平滑电容器Co。
由受电环形线圈ns和与该受电环形线圈ns等效地串联连接的谐振电容器Crs构成了“受电侧谐振电路”。
由开关元件Q3、二极管Dds3以及电容器Cds3的并联连接电路构成了开关电路S3。同样，由开关元件Q4、二极管Dds4以及电容器Cds4的并联连接电路构成了开关电路S4。
开关控制电路20对受电环形线圈ns中流动的电流进行检测，与其极性反转同步地使开关元件Q3、Q4交替接通断开。由此，受电侧谐振电路中流动的谐振电流与电流流动的方向的变化同步地被整流，向负载供给电流。由这些开关电路S3、S4以及开关控制电路20构成了受电侧整流电路。平滑电容器Co对由受电侧整流电路整流后的电压进行平滑。
送电侧的开关控制电路10将输入电源Vi作为电源来动作。受电侧的开关控制电路20将受电侧谐振电路中产生的电压、向负载输出的输出电压、或者另行设置的电力供给源等作为电源来动作。
图1(B)是由送电环形线圈np以及受电环形线圈ns构成的电路的等效电路图。送电环形线圈np以及受电环形线圈ns均利用由理想变压器、互电感以及漏电感所形成的等效电路来表征。即，送电环形线圈np利用互电感Lm以及漏电感Lr来表征。同样，受电环形线圈ns利用互电感Lms以及漏电感Lrs来表征。另外，在图1(B)中虽未明示，但也能够认为在送电环形线圈np与受电环形线圈ns之间也产生等效的互电容。
因在送电环形线圈np与受电环形线圈ns之间等效地形成的互电感(以及互电容)而发生电磁场共振耦合，送电侧谐振电路和受电侧谐振电路共振，从送电装置向受电装置输送电力。另一方面，从送电装置未送出而反射的能量(无效电力)在送电侧谐振电路中作为谐振能量来保存。此外，受电装置接收到的能量之中未供给至输出而反射的能量(无效电力)也在受电侧谐振电路中作为谐振能量来保存。如此，不会将相对于入射电力而没有成为透过电力的反射电力作为能量损耗，能够作为谐振能量来保存。
通过共振现象，向电磁场共振耦合电路输入的输入电流iacin(t)，在将谐振电流的振幅设为Iac的情况下能够近似地用下式来表征。
iacin(t)＝Iac sin(ωr t)
其中，ωr＝2π/Tr(Tr：谐振周期)
在送电装置的直流电源输入端子间被赋予正弦波电流iac in(t)。虽然想要在该输入端子间流入包含各频率分量的电流，但由于电磁场共振耦合电路而阻抗较大的高次的频率分量的电流(波形)被切断，通过进行共振动作，从而主要仅开关频率分量的共振电流波形流过，能够效率良好地输送电力。此外，也几乎不会产生因高次谐波分量所引起的不必要的辐射。
例如，在7～13MHz下以2～50mm的距离对0.1～80W的电力进行无线供电的情况下，送电环形线圈np例如是半径r＝25～75mm、导体线的线径的级别。
所述环形线圈能够将金属线成形为环形状，或者在电路基板形成环形状的导体图案，由此来构成。
图1(A)所示的无线供电装置101的特征性的作用如下所述。
(1)由送电环形线圈np的漏电感Lr、和与该漏电感Lr等效地串联连接的谐振电容器Cr构成了送电侧谐振电路。
由开关控制电路使与送电环形线圈np直接地电连接的开关元件Q1、Q2接通断开，由此在上述送电侧谐振电路产生断续地施加直流电源所引起的谐振电流。由此，送电环形线圈np从直流电源取出电能并在空间产生周期性变化的电磁场共振能量。
由受电环形线圈ns的漏电感Lrs、和与该漏电感Lrs等效地串联连接的谐振电容器Crs构成了受电侧谐振电路。
送电侧谐振电路的谐振频率和受电侧谐振电路的谐振频率在±20％的范围内一致。通过使送电侧谐振电路的谐振频率和受电侧谐振电路的谐振频率精度良好地取得一致，从而易于确定形成电磁场共振的共振频率，能够防止不必要的频率性分量的电磁噪声的产生，此外无线供电装置的设计也变得容易。
受电环形线圈ns从空间中取出周期性变化的电磁场共振能量作为电能并向负载供给电力。在送电环形线圈np与受电环形线圈ns之间形成电磁场共振耦合，在送电环形线圈np与受电环形线圈ns之间由于相互感应而等效地形成互电感，送电侧谐振电路和受电侧谐振电路共振，通过互电感中流动谐振电流的电磁场共振耦合，从送电装置PSU向受电装置PRU输送电力。
通过使开关频率fs与送电侧谐振电路和受电侧谐振电路发生电磁场共振耦合而形成的多谐振电路的谐振频率fr相调谐，由此形成电磁场共振耦合，从送电装置PSU向受电装置PRU以无线的方式输送电力。
(2)由控制开关动作的开关控制电路10来控制输送电力。
(3)开关元件Q1、Q2、Q3、Q4进行在各自的两端电压下降至零电压附近时开启的ZVS动作。
其次，参照图2来说明图1(A)所示的无线供电装置101的详细动作。图2是图1(A)的各部的波形图。
将送电环形线圈np的互电感设为Lm，将送电环形线圈np的漏电感设为Lr，将受电环形线圈ns的互电感设为Lms，将受电环形线圈ns的漏电感设为Lrs。此外，将开关元件Q1、Q2的栅极·源极间电压设为vgs1、vgs2，将漏极·源极间电压设为vds1、vds2。
开关元件Q1、Q2夹着两开关元件成为断开的较短的死区而被交替地接通断开，在死区期间内使Q1、Q2中流动的电流分别换向，来进行ZVS动作。1开关周期内的各状态下的动作如下所述。
(1)状态1时刻t1～t2
首先，二极管Dds1导通。在二极管Dds1的导通期间内使开关元件Q1开启，由此来进行ZVS动作，开关元件Q1导通。在送电环形线圈np与受电环形线圈ns之间由于相互感应而形成等效的互电感Lm、Lms，在由Cr、Lr、Lm、Lms、Crs、Lrs构成的多谐振电路中，送电谐振电路和受电谐振电路共振，互电感Lm、Lms中流动谐振电流，形成电磁场共振耦合，从送电电路向受电电路输送电力。在送电侧，电容器Cr、漏电感Lr中流动谐振电流。在受电侧，电容器Crs以及漏电感Lrs中流动谐振电流，由开关元件Q3、Q4进行整流并向负载供给电力。
若开关元件Q1关断，则成为状态2。
(2)状态2时刻t2～t3
在送电装置PSU侧，由于漏电感Lr中流动的电流ir，寄生电容器Cds1被充电，寄生电容器Cds2被放电。若电压vds1变为电压Vi，电压vds2变为0V，则二极管Dds2导通，成为状态3。
(3)状态3时刻t3～t4
首先，二极管Dds2导通。在二极管Dds2的导通期间内使开关元件Q2开启，由此来进行ZVS动作，开关元件Q2导通。在送电环形线圈np与受电环形线圈ns之间由于相互感应而形成等效的互电感Lm、Lms，在由Cr、Lr、Lm、Lms、Crs、Lrs构成的多谐振电路中，送电谐振电路和受电谐振电路共振，互电感Lm、Lms中流动谐振电流，形成电磁场共振耦合，从送电电路向受电电路输送电力。在送电侧，电容器Cr、漏电感Lr中流动谐振电流。在受电侧，电容器Crs、漏电感Lrs中流动谐振电流，由开关元件Q3、Q4进行整流并向负载供给电力。
若开关元件Q2关断，则成为状态4。
(4)状态4时刻t4～t1
在送电装置PSU侧，由于漏电感Lr中流动的电流ir，寄生电容器Cds1被放电，寄生电容器Cds2被充电。若电压vds1变为0V，电压vds2变为Vi，则二极管Dds1导通，再次成为状态1。
以后，周期性地重复状态1～4。
根据第1实施方式，起到如下那样的效果。
(1)不使用复杂的线圈而使用简单的环形线圈便能形成电磁场共振耦合，能够构成简单的开关无线供电装置。
(2)环形线圈np、ns由于等效串联交流电阻小，因此环形线圈中的电力损耗小，通过磁场谐振耦合能够从送电电路向受电电路效率良好地输送电力，能够谋求无线供电装置的高效率化。
(3)通过使开关频率fs与谐振频率fr调谐，由此来形成电磁场共振耦合，从而能够以无线的方式从送电装置向受电装置效率良好地输送电力。
(4)由控制开关动作的开关控制电路10，通过例如开关频率的调整、开关周期内的时间比率的调整、开关动作的间歇性调整等，能够控制输送电力。
(5)开关元件进行ZVS动作，从而能够大幅降低开关元件的电力损耗。
(6)通过使用了受电装置侧的接通电阻小的开关元件的同步整流电路，较之于使用了正向电压降大的二极管的情况，能够降低整流损耗。
(7)能够由开关控制电路20来控制受电装置侧的同步整流电路的动作，例如控制受电装置侧的同步整流电路的动作频率、调整要整流的期间、间歇性地调整同步整流电路的动作本身等，在受电装置侧而非送电装置侧也可调整输送电力。
(8)受电装置侧能够通过所接收到的电力来使控制电路动作。无需在受电装置侧配备电源，能够谋求装置的小型轻量化。
另外，在图1(A)所示的示例中，开关控制电路20对受电环形线圈ns中流动的电流进行检测，与其极性反转同步地使开关元件Q3、Q4交替接通断开，但也可以构成为，从送电装置PSU向受电装置PRU输送送电装置侧的开关元件Q1、Q2的开关定时信号，在受电装置PRU侧，与开关元件Q1、Q2的开关定时同步地驱动开关元件Q3、Q4。
《第2实施方式》
在第2实施方式所涉及的无线供电装置中，送电环形线圈和受电环形线圈当中的另一方或者双方被形成在相互正交的两个二维平面上，构成三维空间的环形线圈。
图3是表示第2实施方式所涉及的无线供电装置的送电环形线圈以及受电环形线圈的构造的图。送电环形线圈np由形成在以x轴为法线的平面(y-z面)上的环形线圈npx以及形成在以z轴为法线的平面(x-y面)上的环形线圈npz来构成。同样，受电环形线圈ns由形成在以x轴为法线的平面(y-z面)上的环形线圈nsx以及形成在以z轴为法线的平面(x-y面)上的环形线圈nsz来构成。
在第2实施方式中，在相互正交的两个二维平面上所构成的三维空间的环形线圈中流动谐振电流，从而在两个平面上形成相互正交的同时周期性变化的电磁场即正交变动电磁场。因而，关于xyz轴的三个轴之中两个轴，能够容易地收发能量，能够大幅扩大送电装置以及受电装置的、尤其相对于两个轴的位置自由度。
另外，也可以仅送电环形线圈或者受电环形线圈当中的一方形成在相互正交的两个二维平面上，构成三维空间的环形线圈，而另一方是形成在一个二维平面上的环形线圈。
此外，在图3所示的示例中，将环形面相互正交的两个环形线圈串联连接，但也可以根据需要而将其并联连接。
《第3实施方式》
在第3实施方式所涉及的无线供电装置中，送电环形线圈和受电环形线圈当中的另一方或者双方被形成在相互正交的三个二维平面上，构成三维空间的环形线圈。
图4是表示第3实施方式所涉及的无线供电装置的送电环形线圈以及受电环形线圈的构造的图。送电环形线圈np由形成在以x轴为法线的平面(y-z面)上的环形线圈npx、形成在以y轴为法线的平面(x-z面)上的环形线圈npy以及形成在以z轴为法线的平面(x-y面)上的环形线圈npz来构成。同样，受电环形线圈ns由形成在以x轴为法线的平面(y-z面)上的环形线圈nsx、形成在以y轴为法线的平面(x-z面)上的环形线圈nsy以及形成在以z轴为法线的平面(x-y面)上的环形线圈nsz来构成。
在第3实施方式中，在相互正交的三个二维平面上所构成的三维空间的环形线圈中流动谐振电流，从而在三个平面上形成相互正交的同时周期性变化的正交变动电磁场。因而，关于xyz轴的三个轴，能够容易地收发能量，关于送受电装置的位置关系，自由度大幅扩大。
另外，也可以仅送电环形线圈或者受电环形线圈当中的一方形成在相互正交的三个二维平面上，构成三维空间的环形线圈，而另一方是形成在一个二维平面上的环形线圈或者形成在两个平面上的三维空间的环形线圈。
此外，在图4所示的示例中，将环形面相互正交的三个环形线圈进行了串联连接，但也可以根据需要而将它们并联连接。
《第4实施方式》
在第4实施方式所涉及的无线供电装置中，送电环形线圈以及受电环形线圈在相同的二维平面上被回旋形成多个。
图5是表示第4实施方式所涉及的无线供电装置所具备的送电环形线圈np以及受电环形线圈ns的构造的图。送电环形线圈np以及受电环形线圈ns均在相同的平面内被回旋两次而形成。送电环形线圈以及受电环形线圈被回旋多次形成，从而能够根据被回旋的间距宽度而在环形线圈形成杂散电容。通过将该杂散电容作为谐振电容器的全部或者一部分来使用，从而可以使得另行作为部件所需的谐振电容器变得不需要，或者降低电容值。
图6是表示第4实施方式所涉及的无线供电装置所具备的其他的送电环形线圈np以及受电环形线圈ns的构造的图。在该示例中，送电环形线圈和受电环形线圈当中的另一方或者双方被形成在相互正交的两个二维平面上，构成三维空间的环形线圈。
根据该构成，环形线圈所形成的磁能变大，每单位周期的电磁场共振能量变大，能够增大电力发送量。由此，能够谋求无线供电装置的小型轻量化。
《第5实施方式》
第5实施方式所涉及的无线供电装置的开关控制电路，在受电电路的输出连接了适当的负载的情况下，若用fr来表征从与送电侧开关电路连接的送电侧谐振电路的输入观察负载侧整体而得到的输入阻抗为极小的谐振频率(共振频率)，用fs来表征开关频率，则以s＝fr±20％来动作。即，使开关频率fs在谐振频率fr附近动作。在电磁场共振方式下，由于在谐振频率fr附近输入阻抗急剧变小，因此能够增大谐振电流的振幅。因而，能够增大每单位振荡时所处理的电磁场能量，可以输送大电力以及可以电力效率良好地输送电力。若考虑实用性动作，则可以说优选相对于输入阻抗为极小的-谐振频率fr而使开关频率fs以fs＝fr±20％程度来动作。
图7是表示第5实施方式所涉及的无线供电装置的、从送电侧谐振电路的输入观察负载侧整体的输入阻抗的频率特性的图。在此，谐振电容器Cr、Crs是谐振频率成为10MHz附近的值。设负载电阻Ro＝10Ω，使距离dx变化为0.15、0.5、2.0、5.0、7.0cm时，所述输入阻抗以及输入阻抗为极小的谐振频率fr如图中箭头所示那样变迁。
例如在电力输送距离dx＝7cm(70mm)时，因为谐振频率fr≈10MHz，所以开关频率fs例如设为10MHz。
如此，使开关频率fs在谐振频率fr附近动作，由此输入阻抗的大小最小的谐振频率fr和开关频率fs接近地发生谐振，从而送电侧谐振电路以及受电侧谐振电路的共振能量变大，能够增大能量发送量。因而，能够谋求无线供电装置的小型轻量化。
《第6实施方式》
第6实施方式所涉及的无线供电装置的开关控制电路以所述谐振频率fr比开关频率fs低的状态来动作。即，将从开关电路观察的多谐振电路的输入阻抗设为感应性。
图8是表示第6实施方式所涉及的无线供电装置的、从送电侧谐振电路的输入观察负载侧整体的输入阻抗的电抗的频率特性的图。在此，谐振电容器Cr、Crs是谐振频率成为10MHz附近的值。设负载电阻Ro＝10Ω，使距离dx变化为0.15、0.5、2.0、5.0、7.0cm时，所述电抗如图8所示那样变化。
可知：伴随着距离dx的变化，从电抗成为0的频率为两个的双峰特性变为电抗成为0的频率为一个的单峰特性。若关注于输入阻抗的电抗，则可知：以三个频率为界，感应性和电容性进行调换。图8中的三个圆圈记号表示在dx＝0.5cm时感应性和电容性调换的频率。为了实现ZVS动作，需要使输入阻抗变为感应性，生成相对于电压的滞后电流。由该滞后电流，在死区中进行开关元件(FET)的寄生电容器Cds1、Cds2的充放电。为此，在例如磁耦合大的双峰特性中，动作开关频率fs需要在所述输入阻抗变为感应性的频率范围内。
如此，通过规定开关频率，从而可以遍及所有负载范围来进行开关元件的ZVS动作。因此，能够大幅降低开关元件的电力损耗。此外，通过降低开关损耗，从而能够谋求高效率化，能够使无线供电装置小型轻量化。
《第7实施方式》
在第7实施方式中，关于受电侧整流电路相对于构成受电侧谐振电路的谐振电容器Crs而被串联连接，按照取出谐振电容器Crs中流动的电流的方式进行整流并向负载供给电力的构成的无线供电装置，特别是与第1实施方式所示的无线供电装置不同的无线供电装置，参照图9～图15来表示。
图9～图15均是第7实施方式所涉及的无线供电装置的电路图。省略了开关元件的反并联二极管以及寄生电容器的图示。
在图9中，受电侧整流电路为半波整流电路。二极管Ds对谐振电容器Crs中流动的电流进行整流并向负载供给电流。
在图10中，受电侧整流电路为由二极管Ds1、Ds2、Ds3、Ds4所形成的二极管电桥电路。
在图11中，受电侧整流电路为倍压同步整流电路。谐振电容器Cr、Cs在与第1实施方式不同的位置构成。相对于同步整流用的开关元件Qs1、Qs2而并联地连接了谐振电容器Csds1、Csds2。根据该构成，通过倍压整流能够获得高的输出电压，此外能够将开关元件Qs1、Qs2的寄生电容器作为谐振电容器Cs1、Cs2来使用。
在图12中，受电侧整流电路为倍压整流电路。二极管Ds1、Ds2对谐振电容器Crs1、Crs2中流动的电流进行整流并向负载供给倍压。
在图13、图14中，受电侧整流电路为倍压整流电路。二极管Ds1、Ds2对谐振电容器Crs中流动的电流进行倍压整流并向负载供给倍压。在图13的示例中，具备电感器Lf，该电感器Lf具有能够根据被输入的直流电压来生成相对于送电环形线圈np中流动的交流电流而相对地视作直流电流的电流源这样的大小的电感值，在送电侧只设置一个开关元件Q1。电感器Lf的电感值比送电环形线圈np的电感值充分大，在开关频率下成为高阻抗，所流动的电流的变动充分小。
在图15的示例中，在送电侧设置两组图13所示的送电装置的电路，构成了推挽电路。受电侧构成了二极管电桥整流电路。送电环形线圈np1、np2的线圈开口面平行，且相互同相地耦合。送电环形线圈np1、np2和受电环形线圈ns发生电磁场共振耦合。由此，较之于使用一个开关元件而成为推挽构成的情况，可以供给较大的电力。此外，通过两个开关元件Q1、Q2交替地进行开关动作，从而能够等效地形成2倍的频率的电磁场共振耦合电路。
另外，由于送电环形线圈np1、np2未必发生耦合，因此送电环形线圈np1、np2也可以相互正交。由此，送电环形线圈np1、np2和受电环形线圈ns可耦合的方位角范围(指向性)变宽。
根据以上所示的第7实施方式，使受电侧整流电路相对于谐振电容器而串联连接，对谐振电容器中流动的电流进行整流并向负载供给电流，因此通过对谐振电容器中流动的电流进行整流，从而能够向负载供给较大的电流。此外，能够降低整流元件的耐压，能够谋求整流损耗的降低、无线供电装置的高效率化、小型轻量化。
《第8实施方式》
在第8实施方式中，关于受电侧整流电路相对于构成受电侧谐振电路的谐振电容器Crs而被并联连接，按照根据施加给谐振电容器Crs的电压取出电流的方式进行整流并向负载供给电力的构成的无线供电装置，参照图16～图21来表示。
图16～图21均是第8实施方式所涉及的无线供电装置的电路图。省略了开关元件的反并联二极管以及寄生电容器的图示。
在图16中，受电侧整流电路为半波整流电路。二极管Ds对谐振电容器Crs中流动的电流进行整流而向负载供给电流。
在图17中，受电侧整流电路为由二极管Ds1、Ds2、Ds3、Ds4所形成的二极管电桥电路。
在图18中，受电侧整流电路为由二极管Ds1、Ds2、Ds3、Ds4所形成的二极管电桥电路。不同于图17的示例，被构成为在受电侧具备两个谐振电容器Crs1、Crs2，对这两个谐振电容器Crs1、Crs2的分压电压进行整流。
在图19中，受电装置具备具有中心抽头的受电环形线圈ns1、ns2。这两个受电环形线圈ns1、ns2分别连接着整流电路。由此，构成了中心抽头方式的整流电路。受电环形线圈ns1、ns2也可以不通过引出中心抽头来设置，可以将两个环形线圈进行串联连接。此外，这两个环形线圈彼此未必发生耦合，所以受电环形线圈ns1、ns2也可以相互正交。由此，送电环形线圈np和受电环形线圈ns1、ns2可耦合的方位角范围(指向性)变宽。
在图20中，受电装置具备具有中心抽头的受电环形线圈ns1、ns2。不同于图19所示的示例，构成为在受电环形线圈ns1连接着两个谐振电容器Crs1、Crs3，对这两个谐振电容器Crs1、Crs3的分压电压进行整流。同样，构成为在受电环形线圈ns2连接着两个谐振电容器Crs2、Crs4，对这两个谐振电容器Crs2、Crs4的分压电压进行整流。
在图21中，受电侧整流电路为由二极管Ds1、Ds2、Ds3、Ds4所形成的二极管电桥电路。不同于图18所示的示例，送电装置具备电感器Lf，在送电侧只设置一个开关元件Q1。电感器Lf的电感值比送电环形线圈np的电感值充分大，在开关频率下成为高阻抗，所流动的电流的变动充分小。
《第9实施方式》
在第9实施方式中，关于将整流元件的结电容作为谐振电容器或者谐振电容器的一部分来利用的无线供电装置，参照图22、图23来表示。
在图22中，在受电装置中具备由二极管Ds1、Ds2、Ds3、Ds4所形成的二极管电桥电路。二极管Ds1、Ds2、Ds3、Ds4分别具备结电容Cs1、Cs2、Cs3、Cs4，这些结电容被作为谐振电容器来利用。在此，虽然将结电容Cs1、Cs2、Cs3、Cs4明示为电路元件，但实际上为二极管Ds1、Ds2、Ds3、Ds4的寄生电容。在该示例中，不具备特别的谐振电容器(Crs)。
在图23中，受电装置具备具有中心抽头的受电环形线圈ns1、ns2。这两个受电环形线圈ns1、ns2分别连接着整流电路。
与二极管Ds1、Ds2并联连接的电容器Crs3、Crs4为二极管Ds1、Ds2的结电容。与受电环形线圈ns1串联连接的电容器Crs1和结电容Crs5的串联电路作为谐振电容器来发挥作用。同样，与受电环形线圈ns2串联连接的电容器Crs2和结电容Crs6的串联电路作为谐振电容器来发挥作用。
《第10实施方式》
图24是第10实施方式所涉及的无线供电装置的电路图。在图24中，利用由理想变压器、互电感Lm、Lms、漏电感Lr、Lrs以及杂散电容Cp、Cs所形成的等效电路来表征送电环形线圈np以及受电环形线圈ns。
在该示例中，将送电环形线圈np或者受电环形线圈ns的杂散电容Cp、Cs作为谐振电容器或者谐振电容器的一部分来利用。
如此，将环形线圈的杂散电容作为谐振电容器或者谐振电容器的一部分来利用，从而能够增大电磁场共振能量。此外，通过削减部件数，从而能够谋求无线供电装置的小型轻量化。
《第11实施方式》
图25是第11实施方式所涉及的无线供电装置的电路图。在图25中，受电侧整流电路为由二极管Ds1、Ds2、Ds3、Ds4所形成的二极管电桥电路。不同于图18所示的示例，在送电装置中构成了四个开关元件Q1～Q4所形成的电桥电路。开关元件Q1、Q4一起接通断开，开关元件Q2、Q3一起断开接通。并且，开关元件Q1、Q2交替地接通断开。如此，也可以将送电侧开关电路设为全桥构成，将被电桥连接的四个开关元件各两组地交替接通断开，由此来产生谐振电流。
如此，将送电装置侧的开关元件设为电桥构成，从而施加给各开关元件的电压被降低，能够谋求无线供电装置的高效率化、小型轻量化。
《第12实施方式》
图26是第12实施方式的无线供电装置的电路图。该无线供电装置具备送电装置PSU、受电装置PRU、和转发器装置RPU。
转发器装置RPU由环形线圈nr和谐振电容器Cr构成。送电装置PSU的送电环形线圈np和转发器装置RPU的环形线圈nr发生电磁场共振耦合，转发器装置RPU的环形线圈nr和送电装置PSU的送电环形线圈np发生电磁场共振耦合。如此，在送电环形线圈np与受电环形线圈ns之间配置转发器装置RPU的环形线圈nr，从而能够扩大送电装置PSU和受电装置PRU可电力输送的最大距离。如果多级地配置转发器装置RPU，则也能够进一步扩大可电力输送的最大距离。
另外，在以上所示的各实施方式中，虽然示出了送电线圈以及受电线圈两方为环形线圈的示例，但也可以只有送电线圈或者受电线圈当中的一方为环形线圈。例如，另一方也可以为开口径大的正常模式·螺旋形天线状的线圈、带磁芯的线圈。
此外，在以上所示的各实施方式中，虽然示出了由一个送电装置和一个受电装置来构成一组无线供电装置的示例，但也可以具备从公共的送电装置分别受电的多个受电装置。此外，也可以从多个送电装置向公共的受电装置进行供电。
符号说明
Cds1、Cds2、Cds3、Cds4…寄生电容器
Co…平滑电容器
Cp、Cs…杂散电容
Cr、Crs…谐振电容器
Crs1、Crs2、Crs3、Crs4…谐振电容器
Crs5、Crs6…结电容
Cs1…谐振电容器
Cs1、Cs2、Cs3、Cs4…结电容
Csds1、Csds2…谐振电容器
Dds1、Dds2、Dds3、Dds4…反并联二极管
Ds…二极管
Ds1、Ds2、Ds3、Ds4…二极管
Lf…电感器
Lm、Lms…互电感
Lr、Lrs…电感
ns、ns1、ns2…受电环形线圈
np、np1、np2…送电环形线圈
npx、npy、npz…环形线圈
nr…环形线圈
nsx、nsy、nsz…环形线圈
PRU…受电装置
PSU…送电装置
Q1、Q2、Q3、Q4…开关元件
Qs1、Qs2…开关元件
Ro…负载
RPU…转发器装置
Vi…输入电源
10、20…开关控制电路
101…无线供电装置

Claims (20)

1.一种无线供电装置，由具备送电线圈的送电装置和具备受电线圈的受电装置构成，所述无线供电装置的特征在于，具备：
与所述送电线圈等效地串联连接来构成送电侧谐振电路的至少一个谐振电容器；
送电侧开关电路，其具备与所述送电侧谐振电路连接且通过接通断开从而向所述送电侧谐振电路断续地施加直流电源以使送电侧谐振电路产生谐振电流的开关元件、和对该开关元件进行控制的开关控制电路；
与所述受电线圈等效地串联连接来构成受电侧谐振电路的至少一个谐振电容器；和
受电侧整流电路，其与所述受电侧谐振电路连接，且具备对谐振电流进行整流而向负载供给电流的整流元件，
所述送电线圈或者所述受电线圈当中的至少一方为环形线圈，
所述送电线圈从所述直流电源取出电能，在空间产生周期性变化的电磁场共振能量，
所述受电线圈从空间取出周期性变化的电磁场共振能量作为电能而向负载供给电力，
在所述送电线圈与所述受电线圈之间通过相互感应而等效地形成互电感，所述送电侧谐振电路和所述受电侧谐振电路发生共振，通过在所述互电感中流动谐振电流的电磁场共振耦合，从所述送电装置向所述受电装置输送电力。
2.根据权利要求1所述的无线供电装置，其中，
所述环形线圈被形成在二维平面。
3.根据权利要求1所述的无线供电装置，其中，
所述环形线圈被形成在相互正交的两个二维平面上，构成三维空间的环形线圈。
4.根据权利要求1所述的无线供电装置，其中，
所述环形线圈被形成在相互正交的三个二维平面上，构成三维空间的环形线圈。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的无线供电装置，其中，
所述环形线圈在同一二维平面上被回旋多次而形成。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的无线供电装置，其中，
在所述受电装置的输出连接了适当的负载的情况下，若用fr来表征让从与所述送电侧开关电路连接的送电侧谐振电路的输入来观察负载侧整体而得到的输入阻抗成为极小的谐振频率，用fs来表征开关频率，
则所述开关控制电路被构成为以fs＝fr±20％来进行动作。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的无线供电装置，其中，
在所述受电装置的输出连接了适当的负载的情况下，若用fr来表征让从与所述送电侧开关电路连接的送电侧谐振电路的输入来观察负载侧整体而得到的输入阻抗成为极小的谐振频率，用fs来表征开关频率，
则所述开关控制电路被构成为以fs＞fr来进行动作。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的无线供电装置，其中，
所述开关控制电路构成为：按照在所述开关元件的两端电压下降至零电压附近时使所述开关元件开启的方式进行控制，来进行零电压开关动作。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的无线供电装置，其中，
所述受电侧整流电路，相对于构成所述受电侧谐振电路的谐振电容器而串联连接，按照取出所述谐振电容器中流动的电流的方式进行整流而向所述负载供给电力。
10.根据权利要求1～8中任一项所述的无线供电装置，其中，
所述受电侧整流电路，相对于构成所述受电侧谐振电路的谐振电容器而并联地构成，按照根据施加给所述谐振电容器的电压取出电流的方式进行整流而向所述负载供给电力。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的无线供电装置，其中，
所述受电侧整流电路为电桥整流电路。
12.根据权利要求1～10中任一项所述的无线供电装置，其中，
所述受电侧整流电路为半波整流电路。
13.根据权利要求1～10中任一项所述的无线供电装置，其中，
所述受电侧整流电路为倍压整流电路。
14.根据权利要求1～13中任一项所述的无线供电装置，其中，
所述送电侧谐振电路的谐振频率和所述受电侧谐振电路的谐振频率在±20％的范围内一致。
15.根据权利要求1～14中任一项所述的无线供电装置，其中，
将所述整流元件的结电容作为所述谐振电容器或者谐振电容器的一部分来利用。
16.根据权利要求1～15中任一项所述的无线供电装置，其中，
将所述环形线圈的杂散电容作为所述谐振电容器的全部或者一部分来使用。
17.根据权利要求1～16中任一项所述的无线供电装置，其中，
所述开关元件为FET，所述送电侧开关电路包含所述FET的寄生电容以及反并联二极管。
18.根据权利要求1～17中任一项所述的无线供电装置，其中，
所述送电侧开关电路为半桥结构。
19.根据权利要求1～17中任一项所述的无线供电装置，其中，
所述送电侧开关电路为全桥结构。
20.根据权利要求1～19中任一项所述的无线供电装置，其中，
所述受电侧整流电路为具备开关元件的同步整流电路。
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