JP2007312585A - 非接触電力電装装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触電力伝送装置において、交流を直接スイッチングすることによって効率を改善する。
【解決手段】第１と第２の双方向スイッチ回路からなる直列回路と第３と第４の双方向スイッチ回路からなる直列回路を交流電源に並列に接続し、第１と第４の双方向スイッチ回路の組と第２と第３の双方向スイッチ回路の組を交互にオン・オフさせる２つの出力端子を持つデュアル発振制御回路を付加し、第１と第２の双方向スイッチ回路の中点と第３と第４の双方向スイッチ回路の中点の間に送電コイルを接続した。
【選択図】図１

Description

本発明はスイッチング電源に関し、特に非接触電力伝送装置に関する。

従来の非接触電力伝送装置の１例として、特許公開２００４−９６８５４が提供した方式がある。その実施例として示されている回路図を簡略化して図９と図１０に示す。
図９において、送電ユニットに供給される交流電圧は整流平滑された後にスイッチング回路によって高周波に変換され、受電ユニットによって再び直流に変換されている。
図１０は送電ユニットを省略して受電ユニットだけを拙出した回路図であるが、図において、送電ユニットに供給される交流電圧は整流平滑された後にスイッチング回路によって高周波に変換され、受電ユニットによって再び直流に変換され、さらに、発振回路によって交流電圧に変換されている。
図９及び図１０において、交流電圧を直流電圧にいったん変換しているが、ブリッジ整流器による電圧ドロップが約２Ｖになり、これが非接触電力電送装置の効率を下げている。
また、図１０においては、交流電圧を直流に変換し、変換された直流電圧をスイッチング回路によって高周波に変換して送電し、受電した高周波を整流して直流に変換した後交流に変換しているので変換の回数が多く、その分損失も大きい。

本発明は、交流をいったん直流にすることなく、直接スイッチングすることによって交流によって変調された高周波電流を作り、従来効率を下げていた原因の１つであるブリッジ整流器による損失をなくすことを目的としている。

本発明は、交流によって変調された高周波電流を整流ではなく、復調という技術によって交流成分だけを取り出し、これによって従来の方式で生じていた高周波電流を整流する際の損失と整流して得られる直流をインバータで再び交流にする際の損失を省くことを目的としている。

非接触電力伝送装置は位置が離れている２つのコイルの間で一方のコイルに高周波電流を流してそのコイル周辺に電磁エネルギを発生させ、他方のコイルに電磁エネルギを吸収させて高周波電流として取り出す装置である。

請求項１記載の発明は高周波電流を発生する装置を交流電源と第１と第２の双方向スイッチからなる直列回路と第３と第４の双方向スイッチ回路からなる直列回路と、第１と第４の双方向スイッチ回路の組と第２と第３の双方向スイッチ回路の組を交互にオン・オフする２つの出力端子を持つデュアル発振制御回路と、第１と第２の双方向スイッチ回路の中点と第３と第４の双方向スイッチ回路の中点の間に接続された送電コイルから構成し、交流電源の交流電圧の位相が正であっても負であっても送電コイルに高周波電流が流れるようにした。

請求項２記載の発明は４つの双方向スイッチ回路をいすれも互いに反対向きの直列に接続された２つのＭＯＳＦＥＴによって構成し、更に交流電源の電圧の正の位相と負の位相に相当する信号を２つの出力端子から別々に出力する交流位相識別回路を付加し、それらの２つの出力端子の信号をデュアル発振制御回路の２つの出力端子の信号とＯＲ接続によって合成してできる４つの信号を８つのＭＯＳＦＥＴの所定のゲートに加えた。

請求項３記載の発明は４つの双方向スイッチ回路のうち２つをコンデンサに置き換えて、ハーフブリッジを構成した。

請求項４記載の発明は受電コイルと負荷の間に整流平滑回路と直流定電圧回路を挿入した。

請求項５記載の発明は受電コイルの２つの端子と負荷の２つの端子の間に４つの双方向スイッチ回路をブリッジ接続し、受電コイルに生じる交流で変調された高周波電圧から交流成分を検出して交流の正と負の位相に同期した信号を別々に出力する２つの出力端子を持つ交流位相検出回路を付加し、受電コイルに生じる高周波電圧の正と負のパルスの各々に同期して信号を出力する２つの出力端子を持つデュアル同期信号発生回路を付加し、それらの信号からＡＮＤ接続によって作り出される４種類の信号を第５から第８の双方向スイッチ回路の所定の制御電極に各々加えた。

請求項６記載の発明は請求項１ないし請求項５の発明においてＭＯＳＦＥＴをＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）とダイオードの並列回路に置き換えた。

本発明の非接触電力伝送装置はブリッジ整流器の電力損失を省くことができるので効率が改善される。また、送電側の交流電源の電圧の位相に一致する交流電圧を受電側で容易に作ることができるので交流電力の伝送にも応用できる。

発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１は請求項１記載の発明の実施例を示す回路図である。
図において、１は交流電源、２、３、４、５は双方向スイッチ回路、６はデュアル発振制御回路、７は送電コイル、８は受電コイル、９は負荷である。１０１、１０２、１０３、１０４は電位が互いに異なるゲートに信号を加えるために挿入された絶縁バッファであり、フォトカプラやパルストランスが用いられる。
デュアル発振制御回路６はＭとＮの２つの出力端子から信号を出力し、ＭがＨｉの信号を出力するときはＮはＬｏの信号を、また、ＮがＨｉの信号を出力するときはＭはＬｏの信号を出力する。ＭとＮが同時にＨｉの信号を出力することはない。
図では、双方向スイッチの構成が２つのＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴからなり、互いのゲートとソースどうしが接続されてドレインが別々になっているので、ゲートにＨｉの信号が加わると両方のＭＯＳＦＥＴがオン状態になり、どちらの方向の電流に対しても導通する。
交流電源１の交流電圧が正の半波のときに、デュアル発振制御回路６のＭからＨｉの信号が出力されれば、双方向スイッチ素子の２と５がオン状態になって送電コイル７には符号Ｌを付した左から符号Ｒを付した右に向かって電流が流れる。また、ＮからＨｉの信号が出力されれば双方向スイッチ素子の３と４がオン状態になって送電コイル７にはＲからＬに向かって電流が流れる。
交流電源１の交流電圧が負の半波のときは、ＭがＨｉのときは送電コイルにはＲからＬへ、ＮがＨｉのときはＬからＲへ電流が流れる。
送電コイル７に流れる電流は図８に示したように、高周波電流を交流で振幅変調した形になる。
送電コイル７に流れる電流によって生じる電磁エネルギは受電コイル８によって吸収され、電流になって負荷９に供給される。

図２は請求項２記載の発明の実施例を示す回路図である。図１と異なるのは１０の交流位相識別回路と１１〜１４のＯＲ回路が加わった点てある。
図において、交流位相識別回路１０はＰとＳの２つの出力端子を持ち交流電源１の交流電圧が正の半波にあるときはＰからＨｉ、ＳからＬｏの信号が出力し、負の半波にあるときはＳからＨｉ、ＰからＬｏの信号を出力する。ＰとＳの両方が同時にＨｉの信号を出力することはない。

交流位相識別回路１０の信号とデュアル発振制御回路６の信号はＯＲ回路１１〜１４によって合成され２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂの８つのＭＯＳＦＥＴのゲートに加えられる。
ＰとＳが同時にＨｉの信号を出すことはないが、同時にＬｏの信号を出すことはあり得る。そのときは交流電源１の電圧がゼロまたはゼロに近いときであるため、送電コイル７に電圧電流は発生しないか発生しても無視できる程小さい。
一方、デュアル発生制御回路６は直列接続されたＭＯＳＦＥＴが同時にオン状態になることを防ぐために、ＭがＨｉからＬｏに切り換わってから、時間をおいてＮがＨｉの信号を出す。すなわち、ＭがＨｉの期間とその前後はＮはＬｏになり、ＮがＨｉの期間とその前後はＭがＬｏになる。すなわち、ＭとＮも同時にＨｉの信号を出すことはないが、同時にＬｏの信号を出すことがある。そのときは、直前に送電コイル７を流れていた電流によって送電コイル７に逆起電力による電圧電流が発生する。

上のＰとＳ、ＭとＮの信号の関係と８つのＭＯＳＦＥＴのオン・オフの関係を表１に示す。表において、１は信号の場合はＨｉを、ＭＯＳＦＥＴの場合はオン状態を表し、０はＬｏとオフ状態を表す。

表において、状態Ａを見ると、電流は交流電源１からＭＯＳＦＥＴ４ａ、４ｂと送電コイル７とＭＯＳＦＥＴ３ａ、３ｂを通って流れる。送電コイルには符号Ｒを付した右から符号Ｌを付した左へ電流が流れる。状態Ｂでは、４ａがオフになるので交流電源１から流れる電流は止まるが、送電コイル７によって生じた電磁エネルギのうち受電コイル８に吸収しきれないで残ったエネルギかＬ側を正、Ｒ側を負とする逆起電力になって送電コイル７からＭＯＳＦＥＴ２ｂとＭＯＳＦＥＴ２ａのボディダイオードと交流電源１とＭＯＳＦＥＴ５ｂとＭＯＳＦＥＴ５ａのボディダイオードを通って流れ、エネルギは交流電源１に回生される。
非接触電力伝送装置の送電コイルと受電コイルは位置的に離れているため、結合度が悪く、送電コイルによって作られる電磁エネルギは受電コイルに吸収されにくい短所があるが、この実施例のように吸収されなかったエネルギを回生すれば効率を上げることができる。
状態ＣではＭＯＳＦＥＴ２ａ、２ｂ、５ａ、５ｂを通って送電コイル７にＬ側からＲ側に向かって電流が流れ、状態Ｄでは回生電流がＭＯＳＦＥＴ３ｂ、４ｂとＭＯＳＦＥＴ３ａ、４ａの各ボディダイオードを通って流れる。状態Ｅ以降は交流の位相が反転するが同様な動作を繰り返す。

図３は請求項３記載の発明の実施例を示す回路図である。図２のＭＯＳＦＥＴ２ａと２ｂ、３ａと３ｂをコンデンサ１５、１６に各々置き換えたものである。
図において、ＭＯＳＦＥＴ４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂの状態は表１を利用して説明できる。状態Ａでは、電流はＭＯＳＦＥＴ４ａ、４ｂと送電コイル７とコンデンサ１６を通って流れる。コンデンサ１６には交流電圧の半分に相当する電圧が充電されているので送電コイル７に加わる電圧は交流電圧の半分になる。
状態Ｂでは、送電コイル７に残ったエネルギがオン状態のＭＯＳＦＥＴ５ｂとＭＯＳＦＥＴ５ａのボディダイオードを通り、交流電源１に回生される。状態Ｃ以降についても表２を利用して説明できるが上の図２の説明とほぼ同じである。

図４は請求項４記載の発明の実施例を示す回路図である。
図において、送電側の回路図を省略しているが、１７は整流平滑回路であり、受電コイル８に生じる高周波電流を整流平滑して直流を作っている。１８は直流定電圧電源であり、安定した直流電圧を負茴９に供給する。直流定電圧電源１８はリニア方式でもスイッチング方式でも良い。また、スイッチング方式の場合は降圧チョッパでも昇圧チョッパでも昇降圧チョッパまたは反転チョッパでも良い。

図５は請求項５記載の発明の実施例を示す回路図である。
図において、送電側の回路図を省略しているが、１９、２０、２１、２２は双方向スイッチ回路、２３は交流位相検出回路、２４はデュアル同期信号発生回路、２５、２６、２７、２８はＡＮＤ回路である。
交流位相検出回路２３はフリッジ整流器２３ａと、ローパスフィルタ２３ｂ、２３ｃと、所定電圧より低い電圧になると信号のＨｉとＬｏを反転して互いに異なる信号を出力するフリップフロップ回路から構成され、受電コイル８に生じる電圧の交流成分からゼロボルトを検出して２つの出力端子ＱとＮＱから互い違いの信号を出力する。
デュアル同期信号発生回路は高周波の正と負のパルスをダイオード２４ａ、２４ｂで別々に取り出して出力する。

送電側の信号と受電側の信号と双方向スイッチ回路１９、２０、２１、２２のオン・オフの状態及び負荷に加わる電圧の向きを表２にまとめた。信号はＨｉが１でＬｏが０、双方向スイッチ回路はオン状態が１、オフ状態が０である。また、負荷については図５の負荷の両端に付けた符号の高い方を１低い方を０とし、差がない場合は両方共に０にした。
表において、交流位相検出回路２３は交流位相識別回路１０と同じ論理になり、またデュアル同期信号発生回路２４もデュアル発振制御回路６と同じ論理になる。

状態Ａにおいて、双方向スイッチ回路１９と２０がオン状態になるので、受電コイル８に生じる高周波電流は双方向スイッチ回路１９と双方向スイッチ回路２０と負荷を通って流れ、負荷にはＣからＤに向かって電流が流れる。
状態Ｂでは負荷に電流は流れない。
状態Ｃでは、双方向スイッチ回路２１と２２がオン状態になるので、受電コイル８に生じる高周波電流は双方向スイッチ回路２１と双方向スイッチ回路２２と負荷を通って流れ、負荷にはＣからＤに向かって電流が流れる。
すなわち、交流の位相が正の半波の間は負荷には同じ方向の電流だけが流れる。
状態Ｄでは負荷に電流は流れない。
状態Ｅ以降は交流の位相が負の半波になって、負荷にはＤからＣに向かう電流だけが流れる。
負荷に直列にローパスフィルタを挿入すればパルス電流は高周波成分が除去されて交流電流が流れる。

図６は請求項６記載の発明の実施例を示す回路図である。
図は図３におけるＭＯＳＦＥＴをＩＧＢＴとダイオードの回路に置き換えたものである。

図７は請求項４記載の発明を交流電源が３相交流電源の場合に実施したときの１例を示す回路図である。
図において、Ｕ、Ｖ、Ｗは３相交流電源である。Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、ＳＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２４、Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ３４はいずれも双方向スイッチ回路で交流位相識別回路とデュアル発振制御回路は省略されているが、それらのＯＲ合成信号によって駆動されている。送電コイルは独立したＮ１、Ｎ２、Ｎ３からなり、それぞれの受電コイルはＮ４、Ｎ５、Ｎ６である。受電コイルに生じる電圧は１７ａ、１７ｂ、１７ｃの整流平滑回路によって直流になり、更に直流定電圧回路１８によって安定化された電圧が負荷９に供給されている。
請求項１ないし請求項６記載のいずれの発明も３相交流電源に応用することができる。

非接触電力伝送装置において、双方向スイッチ回路を応用することによって交流電流を直接スイッチングすることができ、従来の方式に比べてブリッジ整流器を省くことができるので効率が改善される。また、双方向スイッチ回路をブリッジまたはハーフブリッジの構成にするので送電コイルと受電コイルの結合度が悪くてもエネルギを回生することが容易で効率が改善される。
送電側の交流電源の位相に一致した交流を受電側で容易に作ることができるので交流電力を非接触で伝送する応用に適している。

請求項１記載の発明の実施例を示す回路図である。 請求項２記載の発明の実施例を示す回路図である。 請求項３記載の発明の実施例を示す回路図である。 請求項４記載の発明の実施例を示す回路図である。 請求項５記載の発明の実施例を示す回路図である。 請求項６記載の発明の実施例を示す回路図である。 請求項４記載の発明の別の実施例を示す波形図である。 図１の送電コイルに流れる電流波形を示す。 従来方式の１例を示す回路図である。 従来方式の別の１例を示す回路図である。

符号の説明

１ 交流電源
２〜５ 双方向スイッチ回路
２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ ＭＯＳＦＥＴ
６ デュアル発振制御回路
７、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３ 送電コイル
８、Ｎ４、Ｎ５、Ｎ６ 受電コイル
９ 負荷
１０ 交流位相識別回路
１１〜１４ ＯＲ回路
１５、１６ コンデンサ
１７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ 整流平滑回路
１８ 直流定電圧電源
１９〜２２ 双方向スイッチ回路
２３ 交流位相検出回路
２３ａ ブリッジ整流器
２３ｂ 抵抗
２３ｃ コンデンサ
２４ デュアル同期信号発生回路
２４ａ、２４ｂ ダイオード
２４ｃ、２４ｄ 抵抗
２５〜２８ ＡＮＤ回路
２９〜３２ ＩＧＢＴ
３３〜３６ ダイオード
１０１〜１１２ 絶縁バッファ
Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ３１、Ｓ３２、Ｓ３３、Ｓ３４ 双方向スイッチ回路
Ｕ、Ｖ、Ｗ ３相交流電源

Claims (6)

1. 高周波電流発生装置と高周波電流を電磁エネルギに変換する送電コイルと電磁エネルギを高周波電流に変換する受電コイルと前記受電コイルの電流が供給される負荷からなる非接触電力伝送装置において、前記高周波電流発生装置は交流電源と前記交流電源に並列に接続された第１と第２の双方向スイッチ回路からなる直列回路と前記交流電源に並列に接続された第３と第４の双方向スイッチ回路からなる直列回路と前記第１と前記第４の双方向スイッチ回路の組と前記第２と前記第３の双方向スイッチ回路の組を交互にオン・オフさせる２つの出力端子を持つデュアル発振制御回路からなり、前記送電コイルは前記第１と前記第２の双方向スイッチ回路の中点と前記第３と前記第４の双方向スイッチ回路の中点の間に接続されており、これによって前記送電コイルに交流電流を直接スイッチングしてできる高周波電流を流すことを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 前記第１の双方向スイッチ回路は互いに反対向きに直列接続された第１と第２のＭＯＳＦＥＴからなり、前記第２の双方向スイッチ回路は互いに反対向きに直列接続された第３と第４のＭＯＳＦＥＴからなり、前記第３の双方向スイッチ回路は互いに反対向きに直列接続された第５と第６のＭＯＳＦＥＴからなり、前記第４の双方向スイッチ回路は互いに反対向きに直列接続された第７と第８のＭＯＳＦＥＴからなり、前記交流電源の電圧の正の半波と負の半波の位相に同期した信号を別々に出力する２つの出力端子を持つ交流位相識別回路を付加して、前記交流位相識別回路の２つの出力端子の信号と前記デュアル発振制御回路の２つの出力端子の信号からＯＲ接続によって作り出される４種類の信号を前記第１から第８のＭＯＳＦＥＴの８つの所定のゲートに加えることを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送装置。
3. 前記第１の双方向スイッチ回路と前記第２の双方向スイッチ回路をそれぞれコンデンサに置き換えたことを特徴とする請求項１及び請求項２記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記受電コイルと前記負荷の間に整流平滑回路と直流定電圧回路を挿入し、前記負荷に安定した直流電圧を供給することを特徴とする請求項１ないし請求項３記載の非接触電力伝送装置。
5. 前記受電コイルの一方の端子と前記負荷の一方の端子の間に第５の双方向スイッチ回路を直列に挿入し、前記受電コイルの別の一方の端子と前記負荷の別の一方の端子の間に第６の双方向スイッチ回路を直列に挿入し、前記受電コイルの別の一方の端子と前記負荷の一方の端子の間に第７の双方向スイッチ回路を接続し、前記受電コイルの一方の端子と前記負荷の別の一方の端子の間に第８の双方向スイッチ回路を接続し、前記受電コイルに生じる交流によって変調された高周波電圧の交流成分から前記交流電源の交流電圧の正と負の位相に同期した信号を別々に出力する２つの出力端子を持つ交流位相検出回路を付加し、前記高周波電圧の正と負のパルスの各々に同期した信号を出力する２つの出力端子を持つデュアル同期信号発生回路を付加し、前記交流位相検出回路の２つの出力端子の信号と前記デュアル同期信号発生回路の２つの出力端子の信号からＡＮＤ接続によって作り出される４種類の信号を前記第５から第８の双方向スイッチ回路の所定の制御電極に加えることを特徴とする請求項１ないし請求項３記載の非接触電力伝送装置。
6. 前記第１から第８のＭＯＳＦＥＴの一部、または全部をＩＧＢＴに置き換え、かつ、前記ＩＧＢＴに並列にダイオードを接続したことを特徴とする請求項１ないし請求項５記載の非接触電力伝送装置。

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