JP2013106490A - Wireless power-feeding device, wireless power-feeding system, and transmission method of power signal - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To control a power signal in wide dynamic range.SOLUTION: A resonant antenna 30 includes a transmission coil Land a resonant capacitor Cfor transmitting a power signal S1 that are provided in series. A DC power supply 32 applies a DC voltage VDC between a first power-supply line LVDD and a second power-supply line LVSS. An H-bridge circuit 34 is provided between the first power-supply line LVDD and the second power-supply line LVSS. A control unit 36 switches a pair of a first switch SW1 and a second switch SW2 by a transmission frequency f, and switches a pair of a third switch SW3 and a fourth switch SW4 by the transmission frequency f. The control unit 36 adjusts a phase difference Δφ according to the strength of the power signal S1 to be transmitted.

Description

本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。   The present invention relates to a wireless power feeding technique.

近年、携帯電話端末やノート型コンピュータなどの電子機器、あるいは電気自動車に対する給電技術として、ワイヤレス(非接触)電力伝送が着目されている。ワイヤレス電力伝送は、主に電磁誘導型、電波受信型、電場・磁場共鳴型、の3つに分類される。   In recent years, wireless (non-contact) power transmission has attracted attention as a power feeding technique for electronic devices such as mobile phone terminals and notebook computers, or electric vehicles. Wireless power transmission is mainly classified into three types: an electromagnetic induction type, a radio wave reception type, and an electric field / magnetic field resonance type.

電磁誘導型は短距離(数cm以内)において利用され、数百kHz以下の帯域で数百Wの電力を伝送することができる。電力の利用効率は60〜98%程度となっている。数m以上の比較的長い距離に給電する場合、電波受信型が利用される。電波受信型では、中波〜マイクロ波の帯域で数W以下の電力を伝送することができるが、電力の利用効率は低い。数m程度の中距離を、比較的高い効率で給電する手法として、電場・磁場共鳴型が着目されている(非特許文献1参照)。   The electromagnetic induction type is used in a short distance (within several centimeters) and can transmit power of several hundred W in a band of several hundred kHz or less. The power use efficiency is about 60 to 98%. When power is supplied to a relatively long distance of several meters or more, a radio wave receiving type is used. In the radio wave reception type, power of several W or less can be transmitted in a medium wave to microwave band, but power use efficiency is low. An electric field / magnetic field resonance type is attracting attention as a method of supplying power at a relatively high efficiency over a medium distance of several meters (see Non-Patent Document 1).

A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M. Soljacic、「Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer」、ANNALS of PHYSICS Vol. 323, pp.34-48, 2008, Jan.A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M. Soljacic, `` Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer '', ANNALS of PHYSICS Vol. 323, pp.34-48, 2008, Jan.

図1は、ワイヤレス給電システムの一例を示す図である。ワイヤレス給電システム100rは、ワイヤレス給電装置200rおよびワイヤレス受電装置300rを備える。ワイヤレス給電装置200rは、送信コイルL、共振用キャパシタCおよび交流電源10を備える。交流電源10は、送信周波数fTXを有する電気信号S2を発生する。共振用キャパシタCおよび送信コイルLは共振回路を構成しており、その共振周波数は、電気信号S2の周波数fTXにチューニングされている。送信コイルLからは、電力信号S1が送出される。 FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a wireless power feeding system. The wireless power feeding system 100r includes a wireless power feeding device 200r and a wireless power receiving device 300r. Wireless power supply apparatus 200r includes a transmission coil L T, a resonance capacitor C T and the AC power source 10. The AC power supply 10 generates an electric signal S2 having a transmission frequency fTX . Resonance capacitor C T and the transmission coil L T constitutes a resonance circuit, the resonance frequency is tuned to the frequency f TX of the electrical signal S2. From the transmitter coil L T, the power signal S1 is sent.

ワイヤレス受電装置300rは、受信コイルL、共振用キャパシタCおよび負荷回路20を備える。共振用キャパシタC、受信コイルLおよび負荷回路20は共振回路を構成しており、その共振周波数は、電力信号S1の周波数fTXにチューニングされる。 Wireless power receiving device 300r comprises a receiver coil L R, resonance capacitor C R and the load circuit 20. The resonance capacitor C R , the reception coil L R and the load circuit 20 constitute a resonance circuit, and the resonance frequency is tuned to the frequency f TX of the power signal S1.

ワイヤレス給電装置200rとワイヤレス受電装置300rの距離や向きなどの位置関係に応じて、送信コイルLと受信コイルLの結合度は時々刻々と変化する。したがって交流電源10は、ワイヤレス給電装置200rとワイヤレス受電装置300rの位置関係に応じて、電力信号S1の信号強度をダイナミックに変化させる必要がある。 Depending on the positional relationship between the distance and orientation of the wireless power supply apparatus 200r and the wireless power receiving device 300 r, the degree of coupling receiving coil L R and the transmission coil L T changes with time. Therefore, AC power supply 10 needs to dynamically change the signal intensity of power signal S1 according to the positional relationship between wireless power supply apparatus 200r and wireless power reception apparatus 300r.

たとえば交流電源10が、電気信号S2として送信周波数fTXの駆動電圧を生成する場合、駆動電圧の振幅を位置関係に応じて10倍以上のダイナミックレンジで変化させる必要がある。一般的なDC/DCコンバータやDC/ACコンバータ(インバータ)の出力電圧の振幅制御のダイナミックレンジはせいぜい数倍であり、ワイヤレス給電装置200rでの利用は困難である。 For example, when the AC power supply 10 generates a drive voltage of the transmission frequency f TX as the electric signal S2, it is necessary to change the amplitude of the drive voltage in a dynamic range of 10 times or more according to the positional relationship. The dynamic range of the amplitude control of the output voltage of a general DC / DC converter or DC / AC converter (inverter) is several times at most, and it is difficult to use the wireless power supply apparatus 200r.

本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、電力信号を広いダイナミックレンジで制御可能なワイヤレス給電装置の提供にある。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to provide a wireless power feeding apparatus capable of controlling a power signal with a wide dynamic range.

本発明のある態様は、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む送信周波数を有する電力信号を送信するワイヤレス給電装置に関する。ワイヤレス給電装置は、直列に設けられた電力信号を送出するための送信コイルおよび共振用キャパシタを含む共振アンテナと、第1電源ラインと第2電源ラインの間に直流電圧を印加する直流電源と、第1電源ラインと共振アンテナの一端の間に設けられた第1スイッチと、第2電源ラインと共振アンテナの一端の間に設けられた第2スイッチと、第1電源ラインと共振アンテナの他端の間に設けられた第3スイッチと、第2電源ラインと共振アンテナの他端の間に設けられた第4スイッチと、を含むHブリッジ回路と、第1スイッチと第2スイッチのペアを、送信周波数にて、第1の位相でスイッチングするとともに、第3スイッチと第4スイッチのペアを、送信周波数にて、第2の位相でスイッチングし、かつ、送信すべき電力信号の強度に応じて、第1の位相と第2の位相の差を調節する制御部と、を備える。   One embodiment of the present invention relates to a wireless power feeding apparatus that transmits a power signal having a transmission frequency including any one of an electric field, a magnetic field, and an electromagnetic field. A wireless power feeding apparatus includes a resonance antenna including a transmission coil and a resonance capacitor for transmitting a power signal provided in series, a DC power source that applies a DC voltage between a first power supply line and a second power supply line, A first switch provided between the first power supply line and one end of the resonant antenna; a second switch provided between the second power supply line and one end of the resonant antenna; and the other end of the first power supply line and the resonant antenna. An H bridge circuit including a third switch provided between the second power supply line and a fourth switch provided between the other end of the resonant antenna, and a pair of the first switch and the second switch, Switching at the transmission frequency in the first phase, switching the pair of the third switch and the fourth switch at the transmission frequency in the second phase, and transmitting the power signal to be transmitted Depending on the time, and a control unit for adjusting a difference between the first and second phases, the.

本発明の別の態様もまた、ワイヤレス給電装置である。このワイヤレス給電装置は、直列に設けられた電力信号を送出するための送信コイルおよび共振用キャパシタを含む共振アンテナと、共振アンテナの一端に、第1の位相でハイレベル電圧とローレベル電圧との間を送信周波数でスイッチングする第1矩形電圧を印加する第1電源と、共振アンテナの他端に、第2の位相でハイレベル電圧とローレベル電圧との間を送信周波数でスイッチングする第2矩形電圧を印加する第2電源と、送信すべき電力信号の強度に応じて、第1の位相と第2の位相の差を調節する制御部と、を備える。   Another aspect of the present invention is also a wireless power feeder. This wireless power feeder includes a resonance antenna including a transmission coil and a resonance capacitor for transmitting a power signal provided in series, and a high-level voltage and a low-level voltage at one end of the resonance antenna at a first phase. A first power source that applies a first rectangular voltage that switches between them at a transmission frequency, and a second rectangle that switches between a high level voltage and a low level voltage at a second phase at the other end of the resonant antenna at a transmission frequency. A second power source for applying a voltage; and a controller for adjusting a difference between the first phase and the second phase in accordance with the strength of the power signal to be transmitted.

これらの態様によると、第1の位相と第2の位相の差を制御することにより、共振アンテナに供給するエネルギーを広いダイナミックレンジで制御することができ、その結果、電力信号を、広いダイナミックレンジで制御できる。   According to these aspects, by controlling the difference between the first phase and the second phase, the energy supplied to the resonant antenna can be controlled with a wide dynamic range, and as a result, the power signal can be controlled with a wide dynamic range. Can be controlled.

本発明の別の態様は、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信する上述のいずれかの態様のワイヤレス給電装置と、電力信号を受信するワイヤレス受電装置と、を備える。   Another aspect of the present invention includes the wireless power feeding apparatus according to any one of the above aspects that transmits a power signal including any one of an electric field, a magnetic field, and an electromagnetic field, and a wireless power receiving apparatus that receives the power signal.

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置などの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。   Note that any combination of the above-described constituent elements and the constituent elements and expressions of the present invention replaced with each other between methods and apparatuses are also effective as an aspect of the present invention.

本発明のある態様によれば、電力信号を広いダイナミックレンジで制御可能できる。   According to an aspect of the present invention, the power signal can be controlled with a wide dynamic range.

ワイヤレス給電システムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a wireless electric power feeding system. 実施の形態に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the wireless electric power feeder which concerns on embodiment. 図2のワイヤレス給電装置の動作を示すシミュレーション波形図である。It is a simulation waveform diagram which shows operation | movement of the wireless power supply apparatus of FIG. 図4(a)、(b)は、コイル電流Iのスペクトルを示す図である。Figure 4 (a), (b) is a diagram showing the spectrum of the coil current I L.

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。   The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in the drawings are denoted by the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted as appropriate. The embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.

本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
In this specification, “the state in which the member A is connected to the member B” means that the member A and the member B are electrically connected to each other in addition to the case where the member A and the member B are physically directly connected. It includes cases where the connection is indirectly made through other members that do not substantially affect the general connection state, or that do not impair the functions and effects achieved by their combination.
Similarly, “the state in which the member C is provided between the member A and the member B” refers to the case where the member A and the member C or the member B and the member C are directly connected, as well as their electric It includes cases where the connection is indirectly made through other members that do not substantially affect the general connection state, or that do not impair the functions and effects achieved by their combination.

図2は、実施の形態に係るワイヤレス給電装置200の構成を示す回路図である。
ワイヤレス給電装置200は、図示しないワイヤレス受電装置とともにワイヤレス給電システムを形成する。ワイヤレス給電装置200は、ワイヤレス受電装置に対して、送信周波数fTXの電力信号S1を送出する。電力信号S1は、電波になっていない電磁波の近傍界(電界、磁界、あるいは電磁界)である。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of wireless power supply apparatus 200 according to the embodiment.
The wireless power feeding apparatus 200 forms a wireless power feeding system together with a wireless power receiving apparatus (not shown). The wireless power supply apparatus 200 transmits a power signal S1 having a transmission frequency f TX to the wireless power receiving apparatus. The power signal S1 is a near field (an electric field, a magnetic field, or an electromagnetic field) of an electromagnetic wave that is not a radio wave.

ワイヤレス給電装置200は、共振アンテナ30、直流電源32、Hブリッジ回路34、制御部36を備える。
共振アンテナ30は、直列に設けられた、電力信号S1を送出するための送信コイルLおよび共振用キャパシタCを含む。抵抗Rは、配線や送信コイルL、共振用キャパシタCの直流抵抗成分を示す。
The wireless power feeder 200 includes a resonant antenna 30, a DC power supply 32, an H bridge circuit 34, and a control unit 36.
Resonant antenna 30, arranged in series, including a transmission coil L T and the resonance capacitor C T for delivering power signal S1. Resistor R denotes wiring and transmission coil L T, the DC resistance component of the resonance capacitor C T.

直流電源32は、第1電源ラインLVDDと第2電源ラインLVSSの間に直流電圧VDCを印加する。以下、第1電源ラインLVDDの電位を第1電源電圧VDD、第2電源ラインLVSSの電位を第2電源電圧VSSと称する。   The DC power supply 32 applies a DC voltage VDC between the first power supply line LVDD and the second power supply line LVSS. Hereinafter, the potential of the first power supply line LVDD is referred to as a first power supply voltage VDD, and the potential of the second power supply line LVSS is referred to as a second power supply voltage VSS.

Hブリッジ回路34は、第1電源ラインLVDDと第2電源ラインLVSSの間に設けられ、その2つの出力端子は、共振アンテナ30と接続される。Hブリッジ回路34は、第1スイッチSW1〜第4スイッチSW4を含む。第1スイッチSW1は、第1電源ラインLVDDと共振アンテナ30の一端P1の間に設けられ、第2スイッチSW2は、第2電源ラインLVSSと共振アンテナ30の一端P1の間に設けられる。第3スイッチSW3は、第1電源ラインLVDDと共振アンテナ30の他端P2の間に設けられ、第4スイッチSW4は、第2電源ラインLVSSと共振アンテナ30の他端P2の間に設けられる。第1スイッチSW1〜第4スイッチSW4は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などのトランジスタを用いて構成することができる。   The H bridge circuit 34 is provided between the first power supply line LVDD and the second power supply line LVSS, and its two output terminals are connected to the resonant antenna 30. The H bridge circuit 34 includes a first switch SW1 to a fourth switch SW4. The first switch SW1 is provided between the first power supply line LVDD and one end P1 of the resonant antenna 30, and the second switch SW2 is provided between the second power supply line LVSS and one end P1 of the resonant antenna 30. The third switch SW3 is provided between the first power supply line LVDD and the other end P2 of the resonance antenna 30, and the fourth switch SW4 is provided between the second power supply line LVSS and the other end P2 of the resonance antenna 30. The first switch SW1 to the fourth switch SW4 can be configured using transistors such as MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

制御部36は、Hブリッジ回路34の第1スイッチSW1〜第4スイッチSW4をスイッチングすることにより、共振アンテナ30の両端間P1−P2に、電気信号(以下、駆動電圧ともいう)S2を供給する。   The control unit 36 switches the first switch SW1 to the fourth switch SW4 of the H-bridge circuit 34 to supply an electric signal (hereinafter also referred to as a drive voltage) S2 to both ends P1-P2 of the resonant antenna 30. .

制御部36は、第1スイッチSW1と第2スイッチSW2のペアを、送信周波数fTXにて、第1の位相φ1でスイッチングする。その結果、共振アンテナ30の一端P1には、第1電源電圧VDDと第2電源電圧VSSが、送信周波数fTXでスイッチングする第1矩形電圧V1が印加される。第1スイッチSW1と第2スイッチSW2のオン時間は等しく、したがって、第1矩形電圧V1は、半周期において、第1電源電圧VDDをとり、残りの半周期において、第2電源電圧VSSをとる。 Control unit 36, the first switch SW1 a pair of the second switch SW2, at the transmission frequency f TX, is switched by the first phase .phi.1. As a result, the one end P1 of the resonance antenna 30, a first power supply voltage VDD and the second power supply voltage VSS is first rectangular voltage V1 for switching is applied at the transmission frequency f TX. The ON times of the first switch SW1 and the second switch SW2 are equal, and therefore the first rectangular voltage V1 takes the first power supply voltage VDD in the half cycle and takes the second power supply voltage VSS in the remaining half cycle.

また制御部36は、第3スイッチSW3と第4スイッチSW4のペアを、送信周波数fTXにて、第2の位相φ2でスイッチングする。共振アンテナ30の他端P2には、第1電源電圧VDDと第2電源電圧VSSが、送信周波数fTXでスイッチングする第2矩形電圧V2が印加される。第3スイッチSW3と第4スイッチSW4のオン時間は等しく、したがって、第2矩形電圧V2は、半周期において、第1電源電圧VDDをとり、残りの半周期において、第2電源電圧VSSをとる。 The control unit 36 includes a third switch SW3 pairs fourth switch SW4, at the transmission frequency f TX, is switched by the second phase .phi.2. The other end P2 of the resonance antenna 30, a first power supply voltage VDD and the second power supply voltage VSS, a second rectangular voltage V2 for switching is applied at the transmission frequency f TX. The on-times of the third switch SW3 and the fourth switch SW4 are equal, and therefore the second rectangular voltage V2 takes the first power supply voltage VDD in the half cycle and takes the second power supply voltage VSS in the remaining half cycle.

制御部36は、送信すべき電力信号S1の強度に応じて、第1の位相φ1と第2の位相φ2の差Δφを調節する。   The controller 36 adjusts the difference Δφ between the first phase φ1 and the second phase φ2 according to the strength of the power signal S1 to be transmitted.

以上がワイヤレス給電装置200の構成である。続いてその動作を説明する。図3は、図2のワイヤレス給電装置200の動作を示すシミュレーション波形図である。   The above is the configuration of the wireless power supply apparatus 200. Next, the operation will be described. FIG. 3 is a simulation waveform diagram showing the operation of the wireless power supply apparatus 200 of FIG.

第1スイッチSW1〜第4スイッチSW4の波形は、ハイレベルがオン、ローレベルがオフに対応する。またVDD=3V、VSS=0Vである。第1矩形電圧V1は、第1の位相φ1でスイッチングし、第2矩形電圧V2は、第2の位相φ2でスイッチングする。   In the waveforms of the first switch SW1 to the fourth switch SW4, the high level corresponds to on and the low level corresponds to off. Further, VDD = 3V and VSS = 0V. The first rectangular voltage V1 is switched at the first phase φ1, and the second rectangular voltage V2 is switched at the second phase φ2.

共振アンテナ30の両端間に印加される駆動電圧S2は、−VDDをとる第1期間T1、0Vをとる第2期間T2、+VDDをとる第3期間T3、0Vをとる第4期間T4を、順に繰り返す。駆動電圧S2の周波数は、送信周波数fTXであり、その周期は1/fTXである。第2期間T2および第4期間T4は、位相差Δφ=φ1−φ2に応じている。 The drive voltage S2 applied between both ends of the resonant antenna 30 includes, in order, a first period T1 that takes −VDD, a second period T2 that takes 0V, a third period T3 that takes + VDD, and a fourth period T4 that takes 0V. repeat. The frequency of the drive voltage S2 is the transmission frequency fTX , and the period is 1 / fTX . The second period T2 and the fourth period T4 correspond to the phase difference Δφ = φ1-φ2.

駆動電圧S2が共振アンテナ30に印加されると、共振アンテナ30には電流Iが流れる。共振アンテナ30の共振周波数fRESが送信周波数fTXにチューニングされているとき、電流Iは送信周波数fTXを有する正弦波となり、送信コイルLからは電流Iに応じた強度の電力信号S1が送信される。 When the drive voltage S <b> 2 is applied to the resonant antenna 30, a current IL flows through the resonant antenna 30. When the resonance frequency f RES of the resonant antenna 30 is tuned to the transmission frequency f TX, the current I L is a sine wave having a transmission frequency f TX, power signal intensity corresponding to the current I L from the transmitting coil L T S1 is transmitted.

ワイヤレス給電装置200によれば、位相差Δφに応じて、電流Iの振幅を制御でき、その結果、電力信号S1の強度を制御できる。この理由を定性的に説明する。 According to the wireless power supply apparatus 200, according to the phase difference [Delta] [phi, can control the amplitude of the current I L, as a result, can control the intensity of the power signal S1. The reason will be explained qualitatively.

矩形電圧V1、V2は、基本波と奇数次の高調波の重ねあわせで表されるが、共振アンテナ30のインピーダンスは、共振周波数すなわち基本波fTX以外の帯域において十分に高いため、高調波は電流Iおよび電気信号S2にほとんど寄与せず、したがって無視することができる。 The rectangular voltages V1 and V2 are expressed by superposition of the fundamental wave and the odd-order harmonics. However, since the impedance of the resonant antenna 30 is sufficiently high in a band other than the resonance frequency, that is, the fundamental wave fTX , It contributes little to the current IL and the electrical signal S2 and can therefore be ignored.

基本波のみに着目するとき、矩形電圧V1、V2は式(1)、(2)で表される。ただし、φ1=0、φ2=Δφとしている。
V1=sin(2πfTX) …(1)
V2=sin(2πfTX+Δφ) …(2)
When focusing only on the fundamental wave, the rectangular voltages V1 and V2 are expressed by the equations (1) and (2). However, φ1 = 0 and φ2 = Δφ.
V1 = sin (2πf TX ) (1)
V2 = sin (2πf TX + Δφ) (2)

したがって駆動電圧S2は、式(3)で近似される。
S2=V1−V2=sin(2πfTX)−sin(2πfTX+Δφ) …(3)
Therefore, the drive voltage S2 is approximated by the equation (3).
S2 = V1-V2 = sin ( 2πf TX) -sin (2πf TX + Δφ) ... (3)

三角関数の和積の公式から、式(4)を得る。
S2=2・cos(2πfTX+Δφ/2)・sin(Δφ/2)
=A・cos(2πfTX+Δφ/2) …(4)
ただし、A=2×sin(Δφ/2)
Equation (4) is obtained from the formula of the product of trigonometric functions.
S2 = 2 · cos (2πf TX + Δφ / 2) · sin (Δφ / 2)
= A · cos (2πf TX + Δφ / 2) (4)
However, A = 2 × sin (Δφ / 2)

すなわち、Δφを変化させることにより、駆動電圧S2の電圧振幅Aを制御することができ、ひいては電力信号S1の強度を制御することができる。sin(Δφ/2)の項は、位相差Δφに応じて、0から1までの値をとることができ、位相差Δφを高精度で制御すれば、理論的には無限大のダイナミックレンジを実現することができる。
スイッチング周期1/fTXは、μsのオーダーであるのに対して、時間差Δφは、数十nsあるいはさらに細かい精度で制御することができる。したがって現実的にも、電気信号S2の強度を、非常に広いダイナミックレンジを実現することができる。
That is, by changing Δφ, the voltage amplitude A of the drive voltage S2 can be controlled, and consequently the strength of the power signal S1 can be controlled. The term sin (Δφ / 2) can take a value from 0 to 1 depending on the phase difference Δφ. If the phase difference Δφ is controlled with high accuracy, a theoretically infinite dynamic range can be obtained. Can be realized.
The switching period 1 / f TX is on the order of μs, whereas the time difference Δφ can be controlled with a few tens of ns or more precisely. Therefore, in practice, it is possible to realize a very wide dynamic range of the intensity of the electric signal S2.

比較のために、実施の形態のように位相差Δφを制御せずに、いわゆるPWM(Pulse Width Modulation)制御によって、各スイッチを送信周波数fTXでスイッチングしつつ、各スイッチのオン時間(デューティ比)を調節する比較技術について考察する。この場合、デューティ比が変化すると、駆動電圧S2の波形は、正負で非対称となる。その結果、PWM制御では、電気信号S2に寄与しない高調波のエネルギーが大きくなる。 For comparison, each switch is switched at the transmission frequency f TX by so-called PWM (Pulse Width Modulation) control without controlling the phase difference Δφ as in the embodiment. ) Will be considered. In this case, when the duty ratio changes, the waveform of the drive voltage S2 becomes asymmetrical between positive and negative. As a result, in PWM control, harmonic energy that does not contribute to the electric signal S2 increases.

かかる比較技術に対して、実施の形態に係るワイヤレス給電装置200では、位相差Δφにかかわらずに、駆動電圧S2の波形が、正負対称であるという特徴を有する。つまりワイヤレス給電装置200によれば、比較技術に比べて高調波成分のエネルギーを低減できる。   In contrast to the comparative technique, the wireless power supply apparatus 200 according to the embodiment has a feature that the waveform of the drive voltage S2 is symmetric regardless of the phase difference Δφ. That is, according to the wireless power supply apparatus 200, the energy of the harmonic component can be reduced as compared with the comparative technique.

図4(a)、(b)は、コイル電流Iのスペクトルを示す図である。図4(b)は、PWM制御を行ったときのスペクトルを示す。駆動電圧S2のデューティ比に応じて、基本波fTXの成分の振幅を変化させることができる。
図4(a)は、位相差Δφの制御を行った場合のスペクトルを示す。位相差Δφを、22.5°、45°、90°、180°のように変化させると、PWM制御と同様に、基本波fTX(1MHz)の振幅を変化させることができる。さらに、偶数次の高調波が抑制されていることがわかる。
Figure 4 (a), (b) is a diagram showing the spectrum of the coil current I L. FIG. 4B shows a spectrum when PWM control is performed. The amplitude of the component of the fundamental wave f TX can be changed according to the duty ratio of the drive voltage S2.
FIG. 4A shows a spectrum when the phase difference Δφ is controlled. When the phase difference Δφ is changed to 22.5 °, 45 °, 90 °, and 180 °, the amplitude of the fundamental wave f TX (1 MHz) can be changed similarly to the PWM control. Further, it can be seen that even-order harmonics are suppressed.

以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセス、それらの組み合わせには、さまざまな変形例が存在しうる。以下、こうした変形例について説明する。   The present invention has been described based on the embodiments. This embodiment is an exemplification, and various modifications may exist in each of those constituent elements, each processing process, and a combination thereof. Hereinafter, such modifications will be described.

図2のワイヤレス給電装置200は、以下のように把握することができる。
第1スイッチSW1および第2スイッチSW2は、共振アンテナ30の一端P1に、第1の位相φ1でハイレベル電圧VDDとローレベル電圧VSSとの間を、送信周波数fTXでスイッチングする第1矩形電圧V1を印加する第1電源(ハーフブリッジ回路)である。
また、第3スイッチSW3および第4スイッチSW4は、共振アンテナ30の他端P2に、第2の位相φ2でハイレベル電圧VDDとローレベル電圧VSSとの間を送信周波数fTXでスイッチングする第2矩形電圧V2を印加する第2電源(ハーフブリッジ回路)である。制御部36は、送信すべき電力信号S1の強度に応じて、第1の位相φ1と第2の位相φ2の差Δφを調節する。
The wireless power supply apparatus 200 in FIG. 2 can be grasped as follows.
The first switch SW1 and the second switch SW2 are provided at one end P1 of the resonance antenna 30 with a first rectangular voltage that switches between the high level voltage VDD and the low level voltage VSS at the first phase φ1 at the transmission frequency f TX. It is the 1st power supply (half bridge circuit) which applies V1.
In addition, the third switch SW3 and the fourth switch SW4 are connected to the other end P2 of the resonant antenna 30 at the second phase φ2 between the high level voltage VDD and the low level voltage VSS at the transmission frequency fTX . A second power supply (half-bridge circuit) that applies a rectangular voltage V2. The controller 36 adjusts the difference Δφ between the first phase φ1 and the second phase φ2 according to the strength of the power signal S1 to be transmitted.

当業者であれば、第1電源および第2電源を、図2とは異なるトポロジーでも構成しうることが理解でき、こうした変形例も本発明の範囲に含まれる。たとえば第1電源および第2電源は、いわゆるインバータ(論理反転回路)を含んでもよい。   Those skilled in the art will understand that the first power supply and the second power supply can be configured in a topology different from that shown in FIG. 2, and such modifications are also included in the scope of the present invention. For example, the first power supply and the second power supply may include so-called inverters (logic inversion circuits).

図2のワイヤレス給電装置200において、直流電源32をDC/DCコンバータで構成し、直流電圧VDCを調節可能とすることにより、電気信号S2の強度のダイナミックレンジをさらに広げることができる。   In the wireless power supply apparatus 200 of FIG. 2, the DC power source 32 is configured by a DC / DC converter so that the DC voltage VDC can be adjusted, so that the dynamic range of the intensity of the electric signal S2 can be further expanded.

実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。   Although the present invention has been described based on the embodiments, the embodiments merely show the principle and application of the present invention, and the embodiments depart from the idea of the present invention defined in the claims. Many modifications and changes in the arrangement are allowed within the range not to be performed.

100…ワイヤレス給電システム、200…ワイヤレス給電装置、300…ワイヤレス受電装置、10…交流電源、LVDD…第1電源ライン、LVSS…第2電源ライン、SW1…第1スイッチ、SW2…第2スイッチ、SW3…第3スイッチ、SW4…第4スイッチ、30…共振アンテナ、32…直流電源、34…Hブリッジ回路、36…制御部、VDD…第1電源電圧、VSS…第2電源電圧、40…第1電源、42…第2電源、L…送信コイル、C…共振用キャパシタ、S1…電力信号、S2…電気信号、V1…第1矩形電圧、V2…第2矩形電圧。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Wireless electric power feeding system, 200 ... Wireless electric power feeder, 300 ... Wireless electric power receiving apparatus, 10 ... AC power supply, LVDD ... 1st power supply line, LVSS ... 2nd power supply line, SW1 ... 1st switch, SW2 ... 2nd switch, SW3 3rd switch, SW4 4th switch, 30 ... Resonant antenna, 32 ... DC power supply, 34 ... H bridge circuit, 36 ... Control unit, VDD ... 1st power supply voltage, VSS ... 2nd power supply voltage, 40 ... 1st Power supply, 42 ... second power supply, L T ... transmitting coil, C T ... resonance capacitor, S1 ... power signal, S2 ... electric signal, V1 ... first rectangular voltage, V2 ... second rectangular voltage.

Claims (6)

電界、磁界、電磁界のいずれかを含む送信周波数を有する電力信号を送信するワイヤレス給電装置であって、
前記電力信号を送出するための送信コイルを含む共振アンテナと、
第1電源ラインと第2電源ラインの間に直流電圧を印加する直流電源と、
前記第1電源ラインと前記共振アンテナの一端の間に設けられた第1スイッチと、前記第2電源ラインと前記共振アンテナの一端の間に設けられた第2スイッチと、前記第1電源ラインと前記共振アンテナの他端の間に設けられた第3スイッチと、前記第2電源ラインと前記共振アンテナの他端の間に設けられた第4スイッチと、を含むHブリッジ回路と、
前記第1スイッチと前記第2スイッチのペアを、前記送信周波数にて、第1の位相でスイッチングするとともに、前記第3スイッチと前記第4スイッチのペアを、前記送信周波数にて、第2の位相でスイッチングし、かつ、送信すべき前記電力信号の強度に応じて、第1の位相と第2の位相の差を調節する制御部と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電装置。
A wireless power feeder that transmits a power signal having a transmission frequency including an electric field, a magnetic field, or an electromagnetic field,
A resonant antenna including a transmission coil for transmitting the power signal;
A DC power supply for applying a DC voltage between the first power supply line and the second power supply line;
A first switch provided between the first power supply line and one end of the resonant antenna; a second switch provided between the second power supply line and one end of the resonant antenna; and the first power supply line; An H-bridge circuit including a third switch provided between the other ends of the resonant antenna, and a fourth switch provided between the second power supply line and the other end of the resonant antenna;
The first switch and the second switch pair are switched at the transmission frequency in the first phase, and the third switch and the fourth switch pair are switched at the transmission frequency at the second phase. A controller that switches in phase and adjusts the difference between the first phase and the second phase according to the strength of the power signal to be transmitted;
A wireless power supply apparatus comprising:
電界、磁界、電磁界のいずれかを含む送信周波数を有する電力信号を送信するワイヤレス給電装置であって、
前記電力信号を送出するための送信コイルを含む共振アンテナと、
前記共振アンテナの一端に、第1の位相でハイレベル電圧とローレベル電圧との間を前記送信周波数でスイッチングする第1矩形電圧を印加する第1電源と、
前記共振アンテナの他端に、第2の位相でハイレベル電圧とローレベル電圧との間を前記送信周波数でスイッチングする第2矩形電圧を印加する第2電源と、
送信すべき前記電力信号の強度に応じて、第1の位相と第2の位相の差を調節する制御部と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電装置。
A wireless power feeder that transmits a power signal having a transmission frequency including any one of an electric field, a magnetic field, and an electromagnetic field,
A resonant antenna including a transmission coil for transmitting the power signal;
A first power source that applies a first rectangular voltage that switches between a high level voltage and a low level voltage at a first phase at the transmission frequency to one end of the resonant antenna;
A second power source that applies a second rectangular voltage that switches between a high level voltage and a low level voltage at a second phase at the transmission frequency to the other end of the resonant antenna;
A control unit that adjusts a difference between the first phase and the second phase according to the intensity of the power signal to be transmitted;
A wireless power supply apparatus comprising:
前記第1電源、前記第2電源はそれぞれ、ハーフブリッジ回路を含むことを特徴とする請求項2に記載のワイヤレス給電装置。   The wireless power feeder according to claim 2, wherein each of the first power source and the second power source includes a half-bridge circuit. 電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信する請求項1から3のいずれかに記載のワイヤレス給電装置と、
前記電力信号を受信するワイヤレス受電装置と、
を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。
The wireless power supply apparatus according to any one of claims 1 to 3, which transmits a power signal including any one of an electric field, a magnetic field, and an electromagnetic field;
A wireless power receiver for receiving the power signal;
A wireless power supply system comprising:
送信コイル含む共振アンテナから、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む送信周波数を有する電力信号を送信する方法であって、
第1電源ラインと第2電源ラインの間に直流電圧を印加するステップと、
前記第1電源ラインと前記共振アンテナの一端の間に設けられた第1スイッチと、前記第2電源ラインと前記共振アンテナの一端の間に設けられた第2スイッチと、前記第1電源ラインと前記共振アンテナの他端の間に設けられた第3スイッチと、前記第2電源ラインと前記共振アンテナの他端の間に設けられた第4スイッチと、を含むHブリッジ回路を制御するステップと、
を備え、
前記制御するステップは、
前記第1スイッチと前記第2スイッチのペアを、前記送信周波数にて、第1の位相でスイッチングするとともに、前記第3スイッチと前記第4スイッチのペアを、前記送信周波数にて、第2の位相でスイッチングし、かつ、送信すべき前記電力信号の強度に応じて、第1の位相と第2の位相の差を調節することを特徴とする方法。
A method of transmitting a power signal having a transmission frequency including any one of an electric field, a magnetic field, and an electromagnetic field from a resonant antenna including a transmission coil,
Applying a DC voltage between the first power line and the second power line;
A first switch provided between the first power supply line and one end of the resonant antenna; a second switch provided between the second power supply line and one end of the resonant antenna; and the first power supply line; Controlling an H-bridge circuit including a third switch provided between the other ends of the resonant antenna and a fourth switch provided between the second power supply line and the other end of the resonant antenna; ,
With
The controlling step includes
The first switch and the second switch pair are switched at the transmission frequency in the first phase, and the third switch and the fourth switch pair are switched at the transmission frequency at the second phase. A method of switching in phase and adjusting a difference between the first phase and the second phase according to the strength of the power signal to be transmitted.
送信コイルを含む共振アンテナから、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む送信周波数を有する電力信号を送信する方法であって、
前記共振アンテナの一端に、第1の位相でハイレベル電圧とローレベル電圧との間を前記送信周波数でスイッチングする第1矩形電圧を印加するステップと、
前記共振アンテナの他端に、第2の位相でハイレベル電圧とローレベル電圧との間を前記送信周波数でスイッチングする第2矩形電圧を印加するステップと、
送信すべき前記電力信号の強度に応じて、第1の位相と第2の位相の差を調節するステップと、
を備える方法。
A method of transmitting a power signal having a transmission frequency including any one of an electric field, a magnetic field, and an electromagnetic field from a resonant antenna including a transmission coil,
Applying to the one end of the resonant antenna a first rectangular voltage that switches between a high level voltage and a low level voltage in a first phase at the transmission frequency;
Applying to the other end of the resonant antenna a second rectangular voltage that switches between a high level voltage and a low level voltage in a second phase at the transmission frequency;
Adjusting the difference between the first phase and the second phase according to the strength of the power signal to be transmitted;
A method comprising:
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