JP2014096984A - 非接触受電装置およびその動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】既存のシステムの抱える一又は複数の問題点を改善する非接触受電装置の制御方法または装置を提供する。
【解決手段】非接触受電装置は動的に同調が行われるピックアップコイルを備える。この受電装置の電力伝送能力は、その動作範囲の一部に亘って線形モードで動作する半導体スイッチを使用して動的に同調がなされる。半導体スイッチは、システムの要求仕様に応じて様々な制御手法を実行するように構成されている制御装置により駆動される。ピックアップコイルの動的な同調を行うために半導体スイッチを単独またはリアクタンス素子と共に使用してもよい。非接触受電装置は消費者向け電子デバイスまたは無線センサデバイスと共に使用してもよい。非接触受電装置を前記デバイスのエネルギー蓄積部品に組み込み、既存製品の改良に用いてもよい。前記デバイスを充電パッドにより形成された平面磁界の近くに配置してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導結合電力伝送システム（ＩＣＰＴ）の技術分野に関するものである。具体的には本発明は線形モードで動作する半導体素子を備えた非接触受電装置に関する。

非接触電力システムは、電源から交流電流の供給を受ける導電経路を有する非接触送電装置と、一又は複数の非接触受電装置とを備えている。これらの非接触受電装置は導電経路の近傍に配置されるが、電気的には導電経路から絶縁されている。非接触受電装置は導電経路により形成される磁界によって電圧が誘起されるピックアップコイルを備え、電気負荷を提供するものである。通常、ピックアップコイルは、システムの電力伝送能力を高めるために同調コンデンサを用いて同調がなされる。

非接触受電装置における問題点の一つは、軽負荷時例えば受電装置から給電を受けるモータが制御システムからの指令待機中であり、停止している時に、効率が低下することである。これはピックアップコイルと負荷の間で、電力制御装置を介して電力の流れを制御することで解決可能である。

電力制御装置として、ピックアップ回路の一部に短絡スイッチを用いること事により、適宜、ピックアップコイルを負荷から切り離すものがある。このような手法は、Auckland UniServices Limitedへ譲渡された米国特許５、２９３、３０８の明細書に「短絡制御」として記載されている。

上記に記載された技術は、ピックアップ側から負荷側への電力の流れ制御の問題については解決するものの、特に軽負荷時においては、ピックアップ回路がほぼ常に、無負荷または軽負荷の状態で短絡されるため、短絡スイッチにより大きな導電損失が発生する可能性がある。

また、非接触電力システムにおける別の問題点として、負荷状態およびその他の回路パラメータの変化に起因する周波数変動がある。これによりピックアップコイルにおける誘起電圧の大きさおよび短絡回路の電流が変化し、システムの電力伝送能力に影響する可能性がある。これは固定的または受動的に同調がなされる非接触受電装置において特に問題となる。

米国特許明細書ＵＳ２００７／１０９７０８Ａ１およびＵＳ７、３８２、６３６Ｂ２に記載の手法では、受電装置の実効キャパシタンスまたは実効インダクタンスを変化させることによって電力ピックアップを動的に同調させまたは非同調としている。これにより非接触受電装置において、パラメータの変化に起因する周波数ドリフトの補償が可能になる。実効キャパシタンスまたは実効インダクタンスの変更は、コンデンサまたはコイルに直列接続された２つの半導体スイッチを用いて行う。更には可変コンデンサまたは可変抵抗のソフトスイッチングを実現するためにピックアップコイル電流の大きさおよび位相の検知手段が必要である。動的な同調を行うことにより、周波数ドリフトの補償のみならず、ピックアップコイルの共振周波数の微調整が可能になるため、受動的な同調システム（通常Ｑ＜６）と比較して、品質係数（Ｑ＞１０）を大幅に増加させることができる。品質係数が高いとシステムの電力伝送能力を向上させる。

非接触電力ピックアップ回路の小型化を図る上では、高い周波数で特に複雑化するピックアップコイルセンサを省くとよい。ただし、これを省くことにより可変コンデンサまたは可変コイルをソフトスイッチすることができなくなる、即ち、システムがハードスイッチされるようになる。この手法は、スイッチング途中においてコイル電流が遮断され或いはコンデンサが短絡されるので、過大な電流または電圧を発生させる。その結果生じるスイッチング過度現象は、ＥＭＩ、同調を行う半導体スイッチのストレスを引き起こすと共に過度の電力損失によりシステムの電力効率を低下させる。そして最悪の場合、システム障害が起きることもある。

本発明の目的は、既存のシステムの抱える一又は複数の問題点を改善する非接触受電装置の制御方法、または装置を提供する、若しくは少なくとも公共に有益な代替手段を提供することにある。

本発明の一実施形態において提供する、以下を備える近接場誘導結合電力伝送システムにおける使用に適した非接触受電装置。
ａ．ピックアップコイル、
ｂ．ピックアップコイルを通して流れる電流を制御する一又は複数の半導体素子、および
ｃ．前記非接触受電装置の出力に基づいて前記受電装置の同調を行うために、少なくとも一つの半導体素子を、少なくともその動作範囲の一部に亘って線形モードで駆動する制御回路。

更なる実施形態において提供する、電子デバイスと共に使用するシステムは以下を備える。
ａ．磁界を形成するコイルに通電させる駆動回路を有する送電装置
ｂ．上記記載の受電装置であって、電子デバイスに、エネルギー蓄積デバイスを介して、または直接接続された前記受電装置。

更なる実施形態において提供する、送電装置によって磁界を介して受電装置のピックアップコイルに電力を送る非接触電力システムにおいて用いる方法であって、前記受電装置の少なくとも一部の動作範囲に亘って、前記受電装置のピックアップコイルに付与される抵抗を変化させることによって前記受電装置を同調する方法。

更なる実施形態において提供する、以下を備える近接場誘導結合電力送信システムにおける使用に適した非接触受電装置。
ａ．ピックアップコイルの入力部、
ｂ．前記ピックアップコイルの入力部に接続された一又は複数の半導体素子、および
ｃ．前記ピックアップコイルの前記入力部に接続されて使用される制御回路であって、
前記非接触受電装置の出力に基づいて前記受電装置の同調を行うために、少なくとも一つの半導体素子を、少なくともその動作範囲の一部に亘って線形モードで駆動する制御回路。

付属の図面は明細書の一部を構成し、本発明の実施形態を図示するものであり、上記の発明の概要の説明および下記の実施形態の詳細な説明と共に発明の原理を説明する。
非接触受電装置のブロック図。 制御回路により駆動され、ピックアップコイルに接続される一の半導体素子を備えた、抵抗性の同調が行われる非接触受電装置の一態様を示す図。 制御回路により駆動され、ピックアップコイルに接続される一の半導体素子を備えた、容量性の同調が行われる非接触受電装置の一態様を示す図。 制御回路により駆動され、ピックアップコイルに接続される一の半導体素子を備えた、誘導性の同調が行われる非接触受電装置の一態様を示す図。 制御回路により駆動され、コンデンサに接続された半導体素子とコイルに接続された別の半導体素子とがピックアップコイルに並列に接続せれる構成を備えたハイブリッド同調が行われる非接触受電装置の一態様を示す図。 ピックアップコイルに接続され、オペアンプを備えた制御回路により駆動される一の半導体素子の一態様の詳細図。 同調を行うために用いられる半導体素子を制御する手法の簡単なアルゴリズムを示す図。

図１に一又は複数の半導体素子２、３に接続されたピックアップコイル１を備えた非接触受電装置を示す。これらの半導体素子２、３は、これら半導体素子２、３を変調する制御回路５によって駆動される。図示の構成ではフルまたはハーフブリッジ整流回路４を備えることにより、直流を制御回路５および電子デバイスまたはエネルギー蓄積デバイス６へ供給している。

磁界に近づくとピックアップコイル１に起電力が発生する。従来のトランスと比較して磁界とピックアップコイル１の磁気結合は非常に弱いため、通常、誘起電圧はそのまま使用するのには適さない。

電子デバイスまたはエネルギー蓄積デバイス６の所要電力に応じて電力を制御する電力制御装置が必要になる。また、システムの電力伝送能力を高めるためにはピックアップコイル１を同調させる必要がある。その際、動的な同調方法を用いて電力の制御、ピックアップコイル１の同調、ひいてはシステムの電力伝送能力を増減させてもよい。この補償法を用いることにより、更に非接触受電装置によるシステム周波数の変動に追従できるようになる。

発明者らはオーミックな線形モードで動作する半導体素子２、３を変調する非接触受電装置を動的に同調させる方が、スイッチモードによる切換えよりも性能が優位であることを見出した。

アクティブスイッチモードに基づいて同調させる場合、システムをソフトスイッチにより切り替えなければならず、そのためにはピックアップコイル１の位相と大きさを検知する電流センサが必要になる。センサは概して大型なデバイスであり、専用の信号処理回路を必要とすることが多い。

センサを用いずにアクティブスイッチモードに基づいた同調を行う場合、デバイスをいわゆるハードスイッチするということになり、対応する半導体素子のＯＮ時に容量性または誘導性の同調素子が実効的に短絡される。これによりＥＭＩの原因となり、容量性または誘導性の同調素子および半導体素子自身にストレスを与えるスイッチング過度現象を引き起こし、システム全体の効率と信頼性を悪化させる。

半導体素子はＯＮ時にオーミック（線形）またはアクティブ（飽和／フル導電）領域で動作する。半導体素子がＯＦＦとＯＮ−オーミック領域の間を繰り返す場合、線形モードで動作しているとされる。ＯＦＦとＯＮ−アクティブ領域の間を繰り返す場合、スイッチモードで動作しているとされる。

半導体素子を線形モードで動作させることで素子が容量性または誘導性の同調素子と共に抵抗素子として機能するため、これらの問題を解決することができる。例えばＭＯＳＦＥＴの半導体素子の場合、ゲート駆動電圧をＭＯＳＦＥＴのオーミック領域内で制御することによりこれを実現する。

図２〜図５は主要素子のみを示す図１の簡略図である。
図２は半導体素子７のみが線形モードで駆動されている抵抗性の同調手法を示す図である。この手法は、システムのフォームファクタを増加させるリアクタンス素子を必要とせずに微調整が可能になるという点で有利である。

図３は半導体素子８がコンデンサ９と直列である構成を含む容量性の同調手法を示すものである。この手法は、電力伝送能力の同調範囲が広い点で有利である。
図４は半導体素子１０がコイル１１と直列である構成を含む誘導性の同調手法を示すものである。この手法は、システムに対する同調分解能を向上させることにより電力伝送能力の制御精度を向上させる点で有利である。

図５は半導体素子１２、１４が一又は複数のコイル１３および一又は複数のコンデンサ１５と直列である構成を含むハイブリッドの同調手法を示すものである。この手法は容量性および誘導性の長所を併せもつ。非接触受電装置の要求仕様に応じて上記装置を複数並列に用いてもよい。

半導体素子は、非接触受電装置の出力に基いて、制御回路５によってスイッチングされる。制御回路は、コンパレータまたはオペアンプ等の単純なアナログデバイス、または参照テーブルを備えたマイクロコントローラ等の高度なデジタルデバイス、またはゲートアレイロジックデバイスを用いることよって制御を実行するようにしてもよい。

ピックアップコイル１の実効抵抗を変化させるために線形モードで半導体素子２、３を動作させる方法は、線形モードのみで半導体素子２、３を変調させる方法と、適宜、線形モードおよびスイッチモードによって変調させる方法とを含む。複数の半導体素子２、３を備えた非接触受電装置においては、線形モードで動作することにより微同調をおこなうものもあれば、スイッチモードで動作することにより粗同調をおこなうものもある。要求される同調の態様に応じて、一の半導体素子をフル導電に切換え、他の半導体素子を線形モードで動作させて微同調を行ってもよい。

線形モードによる同調を実行する制御手法にはシュミットトリガ、比例、積分、微分制御等がある。
図６に容量性の同調を使用するシステムの構成例を示す。この実施形態ではコンデンサ２３を半導体素子２５を用いてスイッチングすることによりピックアップコイル１の同調を行っている。この半導体素子はボディダイオードに加えて外部ダイオード２４を備えることにより半導体素子２４を通じた導電損失を減少させている。コンデンサ２１をピックアップコイルと並列に配置することにより非接触受電装置の同調範囲を調節している。本構成では、ハーフブリッジ整流回路をダイオード２２を用いて実装している。

半導体素子２５を制御するのに用いられる制御回路装置は、端子３４からのフィードバックを用いるオペアンプ２８から成る。オペアンプは端子３４の電圧を、ツェナーダイオード３１を用いて生成する基準電圧と比較する。抵抗２９、３０を用いて分圧回路を実装することにより、オアンプ２８への入力電圧がその最大レベル未満であり、且つ、ツェナー３１により設定された基準電圧に対応することを保証している。

この制御回路は、図７に示すように効果的にシュミットトリガ制御法を実行する。オペアンプには抵抗器２７、２６が設定されており、半導体素子２５を線形モードで変調するようにそのゲート駆動電圧を制御する。

以下に図６中の参照符号に対応する構成値を示す。

この非接触受電装置は、エネルギー蓄積デバイス（例えば電池またはコンデンサ）または電子デバイス（例えば再充電可能な消費者向けデバイス）に組み込まれることにより、システムが無線で給電を受けられるようにしてもよい。半導体素子２、３および制御回路５をＩＣ（Integrated Circuit）に搭載し、ピックアップコイル１および他の構成部品をこのＩＣの端子に周辺部品として接続してもよい。

この非接触受電装置を平面磁界の近くに配置してもよい。これにより、ピックアップコイル１に起電力を発生させ、非接触受電装置からデバイスに給電ができるようになる。平面磁界は無線充電パッドにより形成してもよい。

この装置および方法は、システムの電力伝送能力がデバイスの所要電力に応じて調整されるため、非接触受電装置に電力フロー制御を実行させ、軽負荷でも効率的に動作させることができる。また、非接触受電装置は、自身を動的に同調させることができるため、システムの周波数変動を制御することができる。

このシステムは、かさばるピックアップコイルセンサを必要とせずにシステムおよび関連制御回路をソフトスイッチできるため、より少ない構成部品数、フォームファクタ、およびより簡単な回路設計でより高いＱを達成することができる。

この非接触受電装置は、出力−体積比、出力−効率比、および出力−範囲比いずれの評価指標も改善できる。
本発明は実施形態の説明を通して例示した。実施形態は詳細に説明したものの、ここに付記する請求の範囲を制限、もしくはいかなる限定も加えるものではない。本発明への更なる優位点の追加および改良は当業者には容易に想到できるものである。従って，本発明を拡張した態様は、あくまでも一例として図示、説明した特定の内容や例示した装置、方法に限定されない。従って、本発明の精神、範囲から逸脱しない程度に上記実施形態を変更してもよい。

Claims (20)

1. 以下を備える近接場誘導結合電力伝送システムにおける使用に適した非接触受電装置。
   ａ．ピックアップコイル、
   ｂ．ピックアップコイルを通して流れる電流を制御する一又は複数の半導体素子、および
   ｃ．前記非接触受電装置の出力に基づいて前記受電装置の同調を行うために、少なくとも一つの半導体素子を、少なくともその動作範囲の一部に亘って線形モードで駆動する制御回路。
2. 前記制御回路が前記一又は複数の半導体素子を駆動することにより前記受電装置に対して実質的に純抵抗性の同調を行う請求項１記載の受電装置。
3. 前記制御回路が前記一又は複数の半導体素子をコンデンサと関連させて駆動することにより前記受電装置に対して容量性の同調を行う請求項１記載の受電装置。
4. 前記制御回路が前記一又は複数の半導体素子をコイルと関連させて駆動することにより前記受電装置に対して誘導性の同調を行う請求項１記載の受電装置。
5. 前記制御回路が前記一又は複数の半導体素子をコンデンサおよびコイルと関連させて駆動することにより前記受電装置に対してハイブリッド同調を行う請求項１記載の受電装置。
6. 複数の前記半導体素子を並列に使用することにより前記受電装置の同調を行う上記いずれかの請求項に記載の受電装置。
7. 前記制御回路がコンパレータ、オペアンプ、マイクロコントローラ、参照テーブルを備えたマイクロコントローラ、およびゲートアレイロジックデバイスのうち少なくとも１つを備えた請求項１記載の受電装置。
8. 前記受電装置がエネルギー蓄積デバイスに一体化された請求項１から７のいずれか１つに記載の受電装置。
9. 前記受電装置が電子デバイスに組み込まれている請求項１から８のいずれか１つに記載の受電装置。
10. 前記一又は複数の半導体素子および制御回路が集積回路に組み込まれている請求項１記載の受電装置。
11. 近接場誘導結合電力伝送システムにおける使用に適し、送電装置によって磁界を介して受電装置のピックアップコイルに電力を伝送する非接触電力システムにおいて用いる方法であって、前記受電装置の半導体素子を線形モードで動作させて前記ピックアップコイルに付与される抵抗を変化させることにより、少なくともその動作範囲の一部に亘って前記受電装置の同調を行う方法。
12. 複数の半導体素子を線形モードで動作させることにより前記ピックアップコイルに付与される抵抗を変化させる請求項１１記載の方法。
13. 複数の半導体素子を前記ピックアップコイルと並列に配置し、一又は複数の半導体素子を線形モードで変調させることにより微同調を行う請求項１１または１２記載の方法。
14. 一又は複数の半導体素子をスイッチモードで動作させる請求項１３記載の方法。
15. 一又は複数の半導体素子をフル導電モードで動作させる請求項１３記載の方法。
16. 前記受電装置の同調を行う制御手法は、シュミットトリガ、比例制御、積分制御、および微分制御の内の１つを含む請求項１１から１５記載の方法。
17. 以下を備える電子デバイスと共に使用するシステム。
    ａ．磁界を形成するコイルに通電させる駆動回路を有する送電装置、
    ｂ．請求項１から１０のいずれか１つに記載の受電装置であって、電子デバイスに、エネルギー蓄積デバイスを介してまたは直接接続された受電装置。
18. 前記電子デバイスが消費者向け電子デバイスである請求項１７記載のシステム。
19. 前記非接触受電装置が充電パッドにより形成された平面磁界に配置される請求項１７記載のシステム。
20. 以下を備える近接場誘導結合電力伝送システムにおける使用に適した非接触受電装置。
    ａ．ピックアップコイルの入力部、
    ｂ．前記ピックアップコイルの入力部に接続された一又は複数の半導体素子、および
    ｃ．前記ピックアップコイルの前記入力部に接続されたピックアップコイルとともに使用されるときに、前記非接触受電装置の出力に基づいて前記受電装置の同調を行うために、少なくとも一つの半導体素子を、少なくともその動作範囲の一部に亘って線形モードで駆動する制御回路。

Images