JP2008099352A - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軽負荷時における電力損失を低減し、安定した２次側出力を得られる、少ない部品で価格上昇を抑えた非接触電力伝送装置を提供するものである。
【解決手段】１次側コイルの両端に接続された１次側共振コンデンサと、この１次側コイルとは異なる筐体の中に実装された２次側コイルとを対向させ、該１次側コイルから該２次側コイルに電力を伝達する非接触電力伝送装置において、該２次側コイルの両端に接続された２次側共振コンデンサとインピーダンス可変回路の直列回路と、該２次側コイルに軽負荷時の電力損失を軽減するためのクランプ回路を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は各種電子機器に使用される電源装置に関するものであり、特に小型携帯機器、例えばコードレス電話、携帯電話、ＰＨＳ、カメラ一体型ビデオ、パーソナルコンピュータ等に使用される非接触電力伝送装置に関するものである。

スイッチングトランスの１次側コイルとその両端に接続されたコンデンサの電圧を共振させて２次側に出力を得る電源装置は一般的に知られている。
この電源装置において、１次側コイルとは異なる筐体の中に実装された２次側コイルとを対向させ、１次側コイルから２次側コイルに電力を伝達する非接触電力伝送装置を図７に示す。

図７は２次側に制御回路を設けた電源装置の一実施例の回路構成図であり、１０は送電側の１次側電源部で、ＤＣ入力電源１を、高周波電流発生回路１１と、１次側コイルＬｐと、１次側共振コンデンサＣ１から構成され、２０は受電側の２次側電源部で、２次側コイルＬｓと、２次側共振コンデンサＣｓと、インピーダンス可変回路２１と出力検出回路２２を備え、２次側整流器となるダイオードＤ１と、出力コンデンサＣｏとで構成されている。上記インピーダンス可変回路２１はスイッチング素子等（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）で構成され出力コンデンサＣｏの出力端子２に接続された出力検出回路２２によって制御される。

このように構成した非接触電力伝送装置は、高周波電流発生回路１１によって発生した高周波電流によって１次側コイルＬｐに高周波電圧を発生させる。この高周波電圧は、１次側共振コンデンサＣ１と１次側コイルＬｐのインダクタンスとの共振現象により正弦波となる。

２次側コイルＬｓには、この正弦波と相似した電圧波形が発生するが、２次側整流器Ｄ１によりその半波長に相当する部分は阻止されてしまう。阻止された半波長分の電力は、２次側共振コンデンサＣｓに一旦蓄積され、次の発振周期の時に出力として伝達される。

そして、２次側共振コンデンサＣｓとインピーダンス可変回路２１の直列回路が２次側コイルＬｓの両端に接続されており、出力端子２に接続された出力検出回路２２で出力電圧または電流を検出し、出力電圧が一定になるようにインピーダンス可変回路２１のインピーダンスを制御し、２次側共振コンデンサＣｓに蓄積される電力が調節され、出力電圧を安定化させる。

上記従来例では、２次側コイルＬｓに２次側共振コンデンサＣｓとインピーダンス可変回路２１と、出力検出回路２２を設けることにより、従来安定化が非常に困難だった出力を安定化して高精度の出力が得られる電源装置を実現できるものとして特許文献１に記載されている。

しかし、図６の出力電圧―電流特性（Ｖｏ−Ｉｏ特性）の（Ｂ）に示すように、軽負荷時において、２次側コイルＬｓの両端に接続された２次側共振コンデンサＣｓをスイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）等によりインピーダンス制御したとしても、低電流から高電流まで幅広い電流値を制御することができない。特に、軽負荷時における電圧上昇を抑制しようとすると高耐圧の２次側共振コンデンサＣｓやインピーダンス可変回路２１に用いる高耐圧のスイッチング素子が必要となり、形状も大きくなり、価格も高価となる。なお、図６の出力電圧―電流特性の（Ｃ）はインピーダンス可変回路２１を付加しない特性を示す。

また、例えば、数百ミリアンペアの出力電流を得る場合、２次側コイルに出力電流の２〜３倍の実行電流が流れるため、２次側コイルには高周波電流に適した編組線またはリッツ線のような高周波インピーダンスの低い線材を選定する必要があった。さらに、携帯用機器等に用いられるものは軽量化、薄型化が強く要求されることから、２次側コイルは編組線またはリッツ線による空芯コイル等が考えられる。しかし、編組線やリッツ線は巻線時のテンションにより形状が変わりやすく、取り扱いが難しいため量産には不向きであり、安価にすることは困難であった。
特開２００５−２７８４００号公報

本発明は、上記問題点に鑑み、軽負荷時における電力損失をさらに低減し、安定した２次側出力を得られる、少ない部品で価格上昇を抑えた非接触電力伝送装置を提供するものである。

上記課題を解決するために本発明の非接触電力伝送装置は、１次側コイルの両端に接続された１次側共振コンデンサと、この１次側コイルとは異なる筐体の中に実装された２次側コイルとを対向させ、該１次側コイルから該２次側コイルに電力を伝達する非接触電力伝送装置において、該２次側コイルの両端に接続された２次側共振コンデンサとインピーダンス可変回路の直列回路と、該２次側コイルに軽負荷時の電力損失を軽減するためのクランプ回路を設けたことを特徴とする。
クランプ回路は、２次側コイルと同じ巻数で極性の異なる３次側コイルを設け、３次側コイルの両端に接続された３次側共振コンデンサと、３次側コイルの一端と出力端との間にダイオードを設けたことを特徴とする。

前記２次側コイルと前記３次側コイルを絶縁被覆導線を用いてバイファイラ巻した空芯コイルであることを特徴とする。

上記構成によって、大型で高価な部品を用いることなく、軽負荷時における電力損失を低減し、安定した２次側出力を得られる、少ない部品で価格上昇を抑えた非接触電力伝送装置を実現できる。

図１は本発明の非接触電力伝送装置の形態を説明する回路図である。同図は、図７の回路図の２次側コイルに軽負荷時の電力損失を軽減するためのクランプ回路を設けたことを特徴とするもので、同一回路には同じ符号を付した。回路図中の点（・）はコイルの極性を示す。また、送電側の１次側電源部１０は図７と同一であるため詳細な説明を省略する。

図１において、１０は送電側の１次側電源部で、ＤＣ入力電源１を、高周波電流発生回路１１と、１次側コイルＬｐと、１次側共振コンデンサＣ１から構成され、２０は受電側の２次側電源部で、２次側コイルＬｓ１と、２次側共振コンデンサＣｓ１と、インピーダンス可変回路２１と、出力電圧・電流を検出してインピーダンス可変回路２１を制御する出力検出回路２２と、２次側整流器となるダイオードＤ１と、出力コンデンサＣｏの構成である。そして、軽負荷時の電力損失を軽減するためのクランプ回路の構成は、２次側コイルＬｓ１と極性を異ならせた３次側コイルＬｓ２と、３次側コイルＬｓ２の両端に接続された３次側共振コンデンサＣｓ２と、その出力を整流するダイオードＤ２が出力コンデンサＣｏの出力端子２に接続された構成である。

本発明の非接触電力伝送装置に至る動作例について、図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および図３を用いて説明する。回路図中の点（・）はコイルの極性を示す。

図２（ａ）は、受電側の２次側コイルＬｓ１として、１次側コイルＬｐと同極性のコイルを用いたものである。これに、２次側共振コンデンサＣｓを並列に接続し、整流ダイオードＤ１と平滑コンデンサＣｏにより出力電圧Ｖｏを得る。この出力電流―電圧特性は図３のＬｓ１曲線に示すように、パワーが取れる反面、軽負荷（低電流）領域における出力電圧が急激に上昇する傾向があり、２次側共振コンデンサＣｓの耐電圧の高いものを必要とするため形状も大きなものとなり高価となる。

図２（ｂ）は、受電側の２次側コイルをＬｓ２（以下、３次側コイルと称する）として、１次側コイルＬｐと逆極性のコイルを用いたものである。これに、２次側共振コンデンサＣｓを並列に接続し、整流ダイオードＤ１と平滑コンデンサＣｏにより出力電圧Ｖｏを得るようにしたものである。この出力電流―電圧特性は図３のＬｓ２曲線に示すように、パワーが取れない反面、軽負荷（低電流）領域における出力電圧の上昇を抑える傾向がある。

一般に１次側共振（ＬｐとＣ１）と２次側共振（Ｌｓ１またはＬｓ２とＣｓ）はほぼ同じ共振周波数になるように選択される。ただし、必要な特性を得るために、２次側共振コンデンサＣｓの容量値を調整することがある。例えば、軽負荷時における出力電圧の上昇を少しでも抑えようとするとき、２次側共振コンデンサの容量値を減らして、２次側共振周波数＞１次側共振周波数とする場合がある。即ち、２次側共振コンデンサＣｓの容量値を減らすことにより、逆極性（Ｌｓ２）の共振電圧―電流特性に近づけるかたちとなり、軽負荷時の出力電圧の上昇を抑制することができる。

つぎに、図２（ｃ）は、受電側の２次側回路を図２（ａ）と（ｂ）を合わせた両波整流方式を用いたものである。受電側のコイルは１次側コイルＬｐと同極性の２次側コイルＬｓ１と１次側コイルＬｐと逆極性の３次側コイルＬｓ２を備え、２次側コイルＬｓ１と共振する２次側共振コンデンサＣｓ１と、３次側コイルＬｓ２と共振する３次側共振コンデンサＣｓ２を備え、それぞれの出力を整流するダイオードＤ１とＤ２を設けて、両波整流出力を得るようにしたものである。２次側コイルＬｓ１と３次側コイルＬｓ２は極性は異なるが同じ巻数である。

上記の図２（ｃ）において、共振コンデンサの容量値をＣｓ１＝Ｃｓ２とした場合、出力電流―電圧特性は図３のＬｓ１曲線とＬｓ２曲線を合成したものとなり、Ｌｓ１+Ｌｓ２曲線に示すように、Ｌｓ１曲線とＬｓ２曲線の間にありパワーおよび、軽負荷（低電流）領域における出力電圧の上昇を分け合う曲線となる。ただし、２次側共振電流はそれぞれの巻線に分流されるので、自己発熱は小さくなる。

そこで、定常状態においては２次側コイルＬｓ１と２次側共振コンデンサＣｓ１とを用いた特性にし、さらにインピーダンス可変回路を用いて出力電圧を制御することにより、定常状態における領域を広くさせることができる。そして、軽負荷時においては２次側コイルＬｓ１と２次側共振コンデンサＣｓ１とをインピーダンス可変回路１１でオフにして、３次側コイルＬｓ２と３次側共振コンデンサＣｓ２のみの出力電圧とすることにより、定常状態（通常負荷）ではパワーがとれて、軽負荷において電圧上昇を抑えることができる。

さらに、２次側共振コンデンサＣｓ１の容量値を選定して、２次側共振コンデンサＣｓ１とインピーダンス可変回路１１により通常負荷の領域の幅を広くする。そして、軽負荷の領域における出力電圧値を想定した３次側共振コンデンサＬｓ２の容量値を選定する必要がある。

このような条件としては、２次側共振コンデンサＣｓ１の容量値＞３次側共振コンデンサＣｓ２の容量値とし、３次側共振コンデンサＣｓ２の容量値を小さい値とする。そして、共振周波数の関係は、１次側コイル共振周波数≒２次側コイル共振周波数（Ｌｓ１とＣｓ１の共振周波数）＜３次側コイル共振周波数（Ｌｓ２とＣｓ２の共振周波数）とすることが望ましい。

このように、本発明の非接触電力伝送装置は、定常状態においては出力検出回路・インピーダンス可変回路により出力電圧を安定化させる。そして、軽負荷時においては出力検出回路の制御信号により２次側共振コンデンサに接続したインピーダンス可変回路をオフにして、クランプ回路である３次側コイルと３次側共振コンデンサからの出力電圧を整流・平滑し出力電圧とする。

図４に本発明の一実施例である非接触電力伝送装置の回路図を示す。
送電側の１次側電源部１０は、商用電源から整流平滑された直流電圧の入力電源１の両端に高周波電流発生回路１１を接続し、トランスの１次側コイルＬｐの両端に１次側共振コンデンサＣ１が接続されている。回路図中の点（・）はコイルの極性を示す。
高周波電流発生回路１１は、自励発振を構成する制御巻線Ｌａからなり、抵抗Ｒ１とＲ２の接続点をＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子Ｑ１のゲートに接続されている。

制御巻線Ｌａの一端から、抵抗Ｒ３、コンデンサＣ２を介して制御トランジスタＱ２のコレクタ側およびスイッチング素子Ｑ１のゲートに接続されている。さらに、制御巻線の一端から抵抗Ｒ４とコンデンサＣ３が制御トランジスタＱ２のベースに接続され放電回路を形成されている。制御巻線Ｌａの他端は制御トランジスタＱ２のエミッタ、スイッチング素子Ｑ１のソース側に接続されている。

受電側の２次側電源部は、１次側電源部と別筐体に設けられており、送電側コイルと受電側コイルが筐体を挟んで対向するように配置されている。
２次側電源部は受電側コイルとして２次側コイルＬｓ１と３次側コイルＬｓ２を備えており、互いに逆極性となる端子からダイオードＤ１、Ｄ２を介して出力コンデンサＣｏの出力端子２に接続される。他端子は互いに接続され共通端子となる。
２次側コイルＬｓ１は１次側コイルＬｐと同極性であり、３次側コイルＬｓ２とは逆極性となる。

２次側コイルＬｓ１の両端には、２次側共振コンデンサＣｓ１とインピーダンス可変回路２１の直列回路が接続されている。インピーダンス可変回路２１はＭＯＳＦＥＴ等からなるスイッチング素子Ｑ５からなり、スイッチング素子Ｑ５の制御は出力検出回路２２により制御される。
出力検出回路２２は制御用トランジスタＱ６のベースに出力コンデンサＣｏの両端に接続された検出抵抗Ｒ８とＲ９の分岐点に接続されている。制御用トランジスタＱ６のコレクタは出力コンデンサの両端に接続された抵抗Ｒ５と基準電圧となるツェナーダイオードＺＤのアノード側の接続点に接続され、制御用トランジスタＱ６のエミッタは抵抗Ｒ６を介してスイッチング素子Ｑ５のゲートに接続されている。また、抵抗Ｒ７はスイッチング素子Ｑ５のゲートに接続されるバイアス抵抗である。

そして、軽負荷時の電力損失を軽減するためのクランプ回路は、３次側コイルＬｓ２とその両端に接続された３次側共振コンデンサＣｓ２と、その出力を整流するダイオードＤ７が出力コンデンサＣｏの出力端子２に接続されている。
ここで、受電側の２次側コイルＬｓ１と３次側コイルＬｓ２は図５の斜視図に示すように、２本の絶縁皮膜導線を螺旋状にバイファイラ巻して絶縁樹脂等で固められた空芯コイルを用いる。空芯コイルを用いることにより受電側の機器を軽量化することができる。また、バイファイラ巻きすることにより一次側コイルＬｐの磁束を２次側コイルＬｓ１および３次側コイルＬｓ２に均等に伝達することができ、結合係数も同等にすることができ伝達効率がよい。
なお、空芯コイルは２本のペアー線を用いたり、熱融着線を用いて熱を加えながら巻線し固めてもよい。また、２本の導線は断面が円形や四角形のものを用いてもよい。

上記回路において、定常状態（通常負荷）では、出力検出回路２２で検出された出力電圧に応じた検出信号を取り出し、インピーダンス可変回路の制御を行い出力電圧を安定化させる。そして、無負荷付近（軽負荷）ではインピーダンス可変回路を遮断し、３次巻線Ｌｓ２と３次側共振コンデンサＣｓ２のみの動作とすることにより出力電圧の急上昇を抑えることができる。特に、３次側共振コンデンサＣｓ２の容量値を充分に小さい値に設定することにより、軽負荷側における電圧上昇を抑制することができる。

この時の出力電圧―電流特性を図６の（Ｃ）に示す。
図６の出力電圧―電流特性は横軸に出力電流を縦軸に出力電圧を示したものである。図６の（Ａ）は従来の回路でインピーダンス可変回路を用いないものの特性を示す。特徴として、出力電流の低域側（軽負荷）で異常に高い電圧となる。図６の（Ｂ）は従来の回路においてインピーダンス可変回路を用いたもので、出力電流の低域側の出力電圧を抑えた特性である。図６の（Ｃ）は本願発明の特性で、クランプ回路により、さらに出力電流の低域側の出力電圧を抑えたものである。

このように、本発明の非接触電力伝送装置は、定常状態（通常負荷）においては、インピーダンス可変回路により出力電圧を安定化し、軽負荷時（低電流）においては、３次側コイルの共振回路を用いて出力を得る構成とした。従来、軽負荷における異常な電圧上昇に対応するために耐電圧の高い電子部品を必要としたが、本発明の非接触電力伝送装置によれば、耐圧の高い（大きい形状）電子部品を用いることなく安価で小型の電子部品を用いることができる。また、バイファイラ巻した空芯コイルを用いることにより受電側の機器の軽量化と小型化が可能となる。

以上、本発明の非接触電力伝送装置の一実施例を述べてきたがこれに限られるものではない。実施例ではＲＣＣ共振コンバータで示したが他の自励発振および他励共振回路を用いてもよい。また、インピーダンス可変回路を制御する出力検出回路においても誤差増幅器等を用いた回路でもよい。また、出力検出回路にツェナーダイオードを用いたがシャントレギュレータを用いてもい。

本発明の非接触電力伝送装置の形態を示す回路図 非接触電力伝送装置にかかる説明のための回路図（ａ）、（ｂ）、（ｃ） 図２に示す回路の出力電圧―電流特性 本発明の非接触電力伝送装置の一実施例における回路図 本発明の非接触電力伝送装置に用いた受電側コイルの斜視図 本発明の非接触電力伝送装置における出力電圧―電流特性 従来の非接触電力伝送装置の回路図

符号の説明

１ 入力端子
２ 出力端子
１０ 送電側の１次側電源部
１１ 高周波電流発生回路
２０ 受電側の２次側電源部
２１ インピーダンス可変回路
２２ 出力検出回路
Ｌｐ １次側コイルＬｐ
Ｌｓ１ ２次側コイル
Ｌｓ２ ３次側コイル
Ｃ１、Ｃｓ１、Ｃｓ２ 共振コンデンサ
Ｃｏ 出力コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２ 整流ダイオード

Claims (3)

1. １次側コイルの両端に接続された１次側共振コンデンサと、この１次側コイルとは異なる筐体の中に実装された２次側コイルとを対向させ、該１次側コイルから該２次側コイルに電力を伝達する非接触電力伝送装置において、
   該２次側コイルの両端に接続された２次側共振コンデンサとインピーダンス可変回路の直列回路と、該２次側コイルに軽負荷時の電力損失を軽減するためのクランプ回路を設けたことを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 前記クランプ回路は、該２次側コイルと同じ巻数で極性の異なる３次側コイルを設け、該３次側コイルの両端に接続された３次側共振コンデンサと、該３次側コイルの一端と出力端との間にダイオードを設けた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２次側コイルと前記３次側コイルを絶縁被覆導線を用いてバイファイラ巻した空芯コイルであることを特徴とする請求項２記載の非接触電力伝送装置。

Images