JP2013252045A - 並列共振型電力供給システム用フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】電力伝送効率が高い、並列共振型電力供給システム用フィルタを提供することを課題とする。
【解決手段】２つの入力端子と２つの出力端子に並列共振回路を有し、その入出力間を二つの結合容量を接続して構成された並列共振型電力供給用システム用フィルタにおいて、抵抗を含む駆動源インピーダンスで駆動し、その駆動電力を負荷抵抗へ高効率で送電する事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタであって、負荷抵抗が駆動源インピーダンスより低いか、高いかを特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種の負荷に対して電力供給を行うための並列共振型電力供給システム用フィルタに関するものである。

並列共振型電力供給システム用フィルタは、特許文献１及び非特許文献１において、その回路構成が開示され、一部試作結果も報告されている。
（例えば特許文献１、非特許文献１参照。）

「電界結合・共振型ワイアレス電力伝送技術」、電子情報通信学会技報、ＷＰＯ２０１１−２４（２０１１−１２）、（ＰＰ１−ＰＰ６）

特開２０１０−１９３６９２号公報（段落００１４〜００２９、第２図） 特許文献１の第２図は、回路構成の入出力端に、二つのＬＣ並列共振回路を設け、その並列共振回路間の結合容量により、非接触給電を行う。このフィルタは、電力供給システムにおいて、電極の配置状態の変化に関わらず安定した電力供給を行うことが可能となる電力供給システムを提供することを目的とした回路構成である。

特開２０１０−１９３６９２号公報

「電界結合・共振型ワイアレス電力伝送技術」、電子情報通信学会技報、ＷＰＯ２０１１−２４（２０１１−１２）（ｐｐ１−ｐｐ６） 「５０Ω系と０Ω系で設計は異なる」、ＮＩＫＫＥＩ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、２０１２、１、２３、（ｐｐ８６−ｐｐ９５）

しかしながら、特許文献１は電極の配置状態の変化に関わらず安定した電力供給を行うことを目的とした回路実装構造に関するものあるため、並列共振型電力供給用フィルタとして、製品規格からそのフィルタに要求されるフィルタ特性、そのフィルタ特性からそのフィルタの構成をＬＣ素子値に関する課題がある。また、回路構成は、並列共振型電力供給用フィルタの基本回路構成に、入出力端にトランスを介したインピーダンス調整用並列共振回路が設けられている。本来はこの二つの入出力端の並列共振回路は必要ない図１の回路構成で、特性を満足するフィルタを得るのが本発明の課題である。

また、本発明の並列共振型電力供給用フィルタは、図２（ａ）の並列共振回路（Ｌ１、Ｃ１）とその入力端に直列に容量Ｃ３１の３素子帯域通過型フィルタ（図ａ）を用いた構成を基本として、図２（ｂ）の３素子帯域通過型フィルタ（図ｂ）を、直列に２個用いた事が図１の回路の特徴である。この回路構成は、その設計段階において、その構成素子値を計算可能で、その素子値を用いて、その駆動抵抗、負荷抵抗を変化させ、充電器として要求されるフィルタ特性が得られ、電力伝送効率が高く、更に小型化された、数（４）で定義される（Ｃ１／Ｃ３１）容量比で、容量比の大きくした、調整用意な並列共振型電力供給システム用フィルタを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１に記載の並列共振型電力供給用システムにおいて、広帯域効率特性を持ち、二つの入力端及び二つの出力端を有し、駆動抵抗で駆動された電力を負荷抵抗に供給する並列共振型電力供給システム用フィルタにおいて、前記駆動抵抗が前記負荷抵抗より小さい値を有する事を特徴とする。

また、請求項２に記載の並列共振型電力供給用システムは、請求項１に記載の前記駆動抵抗及び前記負荷抵抗は、前記負荷抵抗を１Ωとした場合の前記駆動抵抗を０．３Ωから０．０１Ωの間に設定した事を特徴とする。

請求項３に記載の並列共振型電力供給用システムにおいて、安定な高効率特性を持ち、二つの入力端及び二つの出力端を有し、駆動抵抗で駆動された電力を負荷抵抗に電力を供給する並列共振型電力供給システム用フィルタにおいて、前記付加抵抗が前記駆動抵抗より大きい値を有する事を特徴とする。

また、請求項３記載の並列共振型電力供給用システムは、請求項４に記載の前記駆動抵抗及び前記負荷抵抗において、前記駆動抵抗を１．０Ωとした場合の前記負荷抵抗を８．０から１０．０Ωの間に設定した事を特徴とする

請求項５記載の並列共振型電力供給用システムにおいて、広帯域効率特性を持ち、二つの入力端及び二つの出力端を有し、駆動インピーダンスで駆動された電力を、負荷抵抗に電力を供給する並列共振型電力供給システム用フィルタにおいて、前記駆動インピーダンスの絶対値が前記負荷抵抗より小さい値を持つ事を特徴とする。

また、請求項６記載の並列共振型電力供給用システムは、請求項６に記載の前記駆動インピーダンス及び前記負荷抵抗において、前記負荷抵抗を１とした場合、前記駆動インピーダンスの絶対値が、正の場合０．５から１．０Ωの間、負の場合０．１以下の値を有する事を特徴とする。

本発明によれば、駆動抵抗が負荷抵抗より小さい値に設定された並列共振型電力供給用システム用フィルタにより、広帯域効率特性を有するフィルタが得られ、また、駆動抵抗が負荷抵抗より大きい値に設定された並列共振型電力供給用システム用フィルタは、容量比の大きい、安定な効率特性で、容量調整を容易にした事を可能とする。
また、並列共振型電力供給用システムにおいて、広帯域効率特性を持ち、駆動インピーダンスで駆動された電力を、負荷抵抗に供給する並列共振型電力供給用フィルタにおいて、駆動インピーダンスの絶対値が負荷抵抗より小さい値を持つ事により、広帯域効率特性を有するフィルタ特性が得られ、また容量比の大きいフィルタ特性を持つのが特徴である。

本発明における電界結合型電力供給システム用フィルタの回路構成図 本発明の分解構成図 実施例５の効率特性図

そこで、本発明の並列共振型電力供給用フィルタは、図２（ａ）の並列共振回路とその入力端に直列に容量を用いた３素子帯域通過型フィルタを用いた構成を基本として、図２（ｂ）の３素子帯域通過型フィルタを、直列に２個用いた図１の回路を特徴とする。この回路は、その設計段階において、その構成素子値を計算可能で、その素子値を用いて、その駆動抵抗、負荷抵抗を変化させ、充電器として要求されるフィルタ特性が得られ、電力伝送効率が高く、小型化された、容量比の大きい電力供給システム用フィルタを電力供給システムに提供す事が出来る事を示す。

（１）本発明のシミュレーション
まず、本発明の基礎となるシミュレーションは図２（ａ）及び図２（ｂ）の３素子帯域通過型フィルタの２端子対回路の３個のインピーダンスからなる回路の周波数特性を示す（５）のＳ、効率特性を示す（７）のη２１を用いて、電界結合型電力供給システム用フィルタ特性を評価する。

通常電力供給システム用フィルタは、非特許文献２に示されている如く、（１）フィルタ条件、（２）力率条件、（３）整合条件の検討が必要である。ここでは、このフィルタ条件及び力率条件について評価検討した。評価の基準はＦ行列を用いた。このＦ行列は数（１）で与えられ、そのＡ・Ｂ・Ｃ・Ｄの四端子定数は下記数（２）に示される。

また、図１の電力供給システム用フィルタ電力供給システム用フィルタのＦ行列の各要素を数（３）で与えられる。

ここで、Ｙ＝ＬＣ並列共振回路のアドミタンス、Ｚは結合容量のインピーダンスである。
具体的、図１の回路構成の数（４）の各要素を計算すると数（４）で与えられる。

ここで、図１の回路構成の場合、Ｌ１＝Ｌ２、Ｃ１＝Ｃ２、結合容量Ｃ３１＝Ｃ３２、及びＡ＝Ｄの条件がある。
この図１の回路構成の数（４）から、結合容量Ｃ３１が、Ａ要素、Ｃ要素及びＤ要素に、Ｃ１に関連する項にはＣ３１が加算されてきている。
この事は、結合容量調整において、結合容量を変化させると必ず関連する共振回路の共振周波数は変化する。したがって、Ｃ１とＣ３１の比Ｃ１／Ｃ３１を大きくなるように素子値を決める必要がある。このＣ１／Ｃ３１を容量比として、電界結合型電力供給システム用フィルタの特性を決める重要な因子である。したがって、駆動抵抗を駆動抵抗（Ω）及び終端抵抗を負荷抵杭（Ω）の場合、本発明の電界結合型電力供給システム用フィルタの伝送特性Ｓは、数（３）（４）の要素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄから（５）のように評価される。本来は電力伝送特性について、評価する必要があるがここでは、まず伝送特性Ｓについて評価する。

次に、効率特性に関係するＳ行列のＳ２１要素は、数（５）の逆（６）で与えられる。

また、電力伝送効率特性η２１は数（７）で得られる。

（２）シミュレーション結果
本シミュレーションは１３，５６ＭＨｚ及び２ＭＨｚ帯の並列共振型電力伝送システム用フィルタについておこなった。１３，５６ＭＨｚについては通過帯域を±０．７５ＭＨｚ、２０ＭＨｚについては通過帯域を±０．２ＭＨｚとして構成素子値を求めた。構成素子値は全て、同じ無負荷Ｑを持つとしておこなった。
実施例１から４及び実施例５、６までは同じ素子値を用いて、結合容量のみ変化させて、８０％効率幅の結合容量値及び容量比を求めた。

請求項１及び請求項２の場合について、１３，５６ＭＨｚについては通過帯域を、±０．７５ＭＨｚ素子値をＱ＝５０として、負荷抵抗＝１．０Ω、一定として、駆動抵抗を変化させ、周波数特性は数（５）、及び電力伝送効率特性は数（７）からのシミュレーション特性効率特性の８０％効率幅を最大にする結合容量を求め、その容量値と共振回路容量値の比である前記容量比の値を表１に示した。
表１からは、ＮＯ−４の８０％効率幅が駆動抵抗＝０．１Ωの場合で、１．２５ＭＨｚである。また、調整時、問題になる容量比もこの場合８．０３となり、このシミュレーション特性である。通常規格、８０％効率幅において、１．０ＭＨｚ以上、容量比は５以上である。この容量比５以上の規格は、効率幅特性規格を満足するために、結合容量調整の必要ある場合に必要な規格である。実施例１の表１では、８０％効率幅規格は全ての場合満足するが、容量比５以上の規格は、表１では、ＮＯ−１及びＮＯ−２は満足しない。実施例１の場合は、表１ ＮＯ−４が８０％効率幅、容量比とも最も大きく、規格を満足する。試作においては、駆動抵抗＝０．１Ω、負荷抵抗＝１．０Ωを用いての試作が適当と判断される。
即ち、表１は、請求項１及び２の駆動抵抗＝０．１Ωと、負荷抵抗＝１．０Ωより小さい値を持つ場合が、通常の駆動抵抗＝負荷抵抗＝１．０の場合より、８０％効率幅、容量とも改善した電界結合型電力供給システム用フィルタを得られることを示している。
以下示す、表２から表６は、表１備考項と同じ項である。

請求項１及び請求項２の場合について、この実施例は、実施例１の場合における、構成各ＬＣ素子のＱをＱ＝２０とした場合で、周波数特性は数（５）、及び効率特性は数（７）からシミュレーション特性を求め、８０％効率幅、容量比及びその積を表２に示した。この表２においては、８０％効率幅は全ての場合で満足するが容量比が全ての場合で満足しない。ここで注目するのは表２のＮＯ６である。ＮＯ−６の場合は、８０％効率幅＝６．１５ＭＨｚと、駆動抵抗＝０．０５Ωの場合が、望ましい値であるが、容量比は１．９１で規格を満足しない。並列共振型電力供給システム用フィルタとしては、最終的には、８０％効率幅の規格を満足するように結合容量を調整して、その場合、前記容量比満足しない場合があると想定されるが並列共振型電力供給システムは所要の性能を得られる場合もある。この実施例２は、その場合で、実施例１表１のＱ＝５０の場合は、容量比＝８．１７である。この実施例２は、Ｑの影響は受けた事が原因であるが、Ｑ＝２０でも、実施例２においては、所要の特性が得られる事を示している。

請求上３及び請求項４の場合について、実施例１の場合と同じ構成ＬＣ素子値を用い、Ｇ＝５０として、駆動抵抗＝１．０Ω、一定として、負荷抵抗を変化させた場合の周波数特性を数（５）、及び効率特性を数（７）からシミュレーション特性から求め、その場合の８０％効率幅、その容量比及びその積を表３に示した。表３において、並列共振電力供給システムに適用可能と思われる８０％効率幅、容量比はＮＯ−５の８０％効率幅＝４００ＫＨｚ、容量比＝２２の場合です。負荷抵抗＝駆動抵抗＝１の場合に比較して、８０％効率幅＝４００ＫＨｚと、負荷抵抗＝１の８０％効率幅＝１．４ＭＨｚの２８％の効率幅ですがこの効率幅が安定に取れる事が可能とした場合の実施例で、容量比は負荷抵抗＝１の容量比＝３．９８より大幅に大きく、容量比＝２２０で、結合調整においても８０％効率幅の変動が少ない事を示しているので、８０％効率幅の中心周波数調整する事を前提とした実施例である。

請求項５の場合について、実施例１の場合と異なるのは、Ｑ＝５０とし、負荷抵抗＝１．０Ω、一定とし、駆動源をリアクタンスとして、周波数特性は数（５）、及び効率特性は数（７）からのシミュレーション特性を求めた。表４に示す、駆動源インピーダンスは駆動抵抗（ＸＤ）の示し、ＸＤにおいて、１の値は計算では、ＸＤ＝ｊ＊１、−１の値は計算では、ＸＤ＝−ｊ＊１を表現している。
駆動源インピーダンスを変化させた場合の特性を表４に示す。実施例４は、駆動源のみ、表４に示す駆動源のインピーダンスの場合の８０％効率幅、容量比とその積を示している。８０％効率幅において、１．０ＭＨｚ以上、容量比は５以上の規格に対して、表４においては、８０％効率幅の場合ＮＯ−４のＸＤ＝−０．０３において、８０％効率幅＝１．１５ＭＨｚ、容量比＝８．３６と規格を満足する駆動源インピーダンス、負荷抵抗が判明した。駆動源インピーダンスをリアクタンスにする事に、そのリアクタンスが正の場合、容量比は大きい値になり、リアクタンスが負の場合も、正の場合に比較して小さい容量比になるが、駆動抵抗の場合より大きくなる傾向が表４から分かる。ＸＤの値はどちらの符号でも１より小さい値が適当である。また、表４ ＮＯ−４の負荷抵抗、ＸＤの値では、駆動抵抗の場合と同じ位の８０％効率幅が得られることが分かる。駆動源をインピーダンスにする事により、駆動抵抗の場合に比べて、駆動源インピーダンスに変える事により、異なる特性が得られる事がわかつた。特に、容量比が大きくなる事が顕著である。また、この場合この効率特性を図３に示す。この図から、駆動源インピーダンスにより多くの種類の特性が得られる事がわかる。即ち、駆動源インピーダンスが駆動源インピーダンス＝−０．１の近傍では駆動抵抗の場合、駆動源インピーダンスが−の場合低域側に、駆動源インピーダンスが＋の場合高域側の効率特性になる事がわかる。この実施例の特性は並列共振型電力伝送システム用フィルタとして有用な特性である。

請求項１及び請求項２の場合について、実施例１と異なるのは、通過帯域を２０ＭＨｚ±０．２ＭＨｚとした３素子通過帯域型フィルタのＬＣ素子値を基本とした図１の回路において、表１と同じシミュレーション特性を求めた結果を表５に示す。この場合も、８０％効率幅と容量比の積はＮＯ−６が最大である。この８０％効率幅は２６０ＫＨｚ、容量比は４．８３で、従来の駆動抵抗＝１．０、負荷抵抗＝１．０と比較して、８０％効率幅及び容量比とも大きく改善される事が判る。このことは、実施例１と同じ傾向の特性が実施例５の場合にも得られ、この傾向は全ての周波数帯で得られると判断しても良い。

請求項５の場合について、実施例６は実施例４の場合と異なるのは、フィルタの通過帯域を２．０ＭＨｚ±０．２ＭＨｚとした場合である。この周波数特性は数（５）、及び効率特性は数（７）からのシミュレーション特性を求め、表６に示した。実施例６は、駆動源のみ、表６に示す駆動源のインピーダンスの場合の８０パーセント効率幅、容量比とその積を示している。８０％効率幅において、５００ＫＨｚ以上、容量比は５以上の規格に対して、表６においては、８０％効率幅の場合ＮＯ−４のＸＤ＝−０．０３において、８０％効率幅＝１．１５ＭＨｚ、容量比＝５．１９と規格を満足する駆動源インピーダンス、負荷抵抗が判明した。駆動源インピーダンスをリアクタンスにする事に、そのリアクタンスが正の場合、容量比は大きい値になり、リアクタンスが負の場合も正の場合に比較して小さい容量比になるが、駆動抵抗の場合より大きくなる傾向が表６から分かる。ＸＤの値はどちらの符号でも１より小さい値が適当である。また、表６ ＮＯ−４の負荷抵抗、ＸＤの値では、駆動抵抗の場合と同じ位の８０％効率幅が得られることが分かる。駆動源をインピーダンスにする事により、駆動抵抗の場合に比べて、駆動源インピーダンスに変える事により、異なる特性が得られる事がわかった。特に、容量比が大きくなる事が顕著である。

従来、並列共振型電力供給用フィルタの構成素子値の事前決定は不可能とされていた。本発明示すように図２（ａ）の並列共振回路とその入力端に直列に容量を用いた３素子帯域通過型フィルタを用いた構成を基本として、図２（ｂ）の３素子帯域通過型フィルタを、直列に２個用いた図１の回路と考えるとその設計段階において、その構成素子値を計算可能で、その素子値を用いて、その駆動抵抗、駆動インピーダンス、負荷抵抗を変化させ、充電器として要求されるフィルタ特性が得られ、電力伝送効率が高く、小型化された、容量比の大きい並列共振型電力供給システム用フィルタで、更に発生する雑音の少ない電力供給システムを提供することができる。ここでは、本発明の図１の回路構成について、１３．５６ＭＨｚ及び２ＭＨｚの実施例について示したが、この回路は、前記二つの周波数のみ成らずすべての周波数において適用可能と判断できる。また、ここで示した実施例は負荷抵抗＝１Ω、駆動抵抗＝１Ωまたは駆動インピーダンス＝１Ωを基準としてのシミュレーション特性で、実際製作の場合はこの負荷抵抗、駆動抵抗、それと対向する駆動抵抗、負荷抵抗の値を用いて、構成素子値もその比率だけインピーダンス変換する必要がある。

以上要するに、本発明によれば、並列共振型電力供給システムの事前検討時において、フィルタの回路構成、その素子値及び効率特性が杷握可能で、減衰帯域において、高減衰特性が得られ、しかも高調波において、高減衰となり、高効率特性の並列共振型電力供給システム用フィルタを提供できる。

Ｌ１…入力側インダクタ
Ｃ１…入力側キャパシタ
Ｌ２…出力側インダクタ
Ｃ２…出力側キャパシタ
Ｃ３１…結合用キャパシタ
Ｃ３２…結合用キャパシタ

Claims (6)

1. 並列共振型電力システムにおいて、広帯域効率特性を持ち、二つの入力端及び二つの出力端を有し、駆動抵抗で駆動された電力を、電力を負荷抵抗に供給する並列共振型電力供給システム用フィルタにおいて、前記駆動抵抗が前記負荷抵抗より小さい値を持つ事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。
2. 請求項１記載の前記駆動抵抗及び前記負荷抵抗において、前記負荷抵抗を１Ωとした場合の前記駆動抵抗を０．３Ωから０．０１Ωの間に設定した事を特徴とする並列共振型電力供給システム。
3. 安定な高効率特性を持つ、二つの入力端及び二つの出力端を有し、駆動抵抗で駆動された電力を負荷抵抗に電力を供給する並列共振型電力供給システム用フィルタにおいて、負荷抵抗が駆動抵抗より大きい値を持つ事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。
4. 請求項３記載の前記駆動抵抗及び前記負荷抵抗において、前記駆動抵抗を１．０Ωとした場合の前記負荷抵抗を８．０から１０．０Ωの間に設定し、安定な効率特性を持つ事を特徴とする並列共振型電力供給システム。
5. 並列共振型電力システムにおいて、高効率特性で、広帯域効率特性を持つ、二つの入力端及び二つの出力端を有し、駆動インピーダンスで駆動された電力を、負荷抵抗に電力を供給する並列共振型電力供給システム用フィルタにおいて、駆動インピーダンスの絶対値が負荷抵抗より小さい値を持つ事を特徴とする並列共振型電力供給システム用フィルタ。
6. 請求項５記載の前記負荷抵抗を１Ωとした場合、前記駆動インピーダンスを０．５から０．８Ωの間に設定し、または前記駆動インピーダンスを−０．０３から−０．０５Ωの間に設定した事を特徴とする並列共振型電力供給システム。