JP2016007116A - 送電装置及び無線電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】過電圧または過電流の発生を抑制した送電装置を提供する。【解決手段】ある実施形態における送電装置は、送電アンテナと、発振回路と、制御回路と、通信回路とを備える。前記制御回路は、位相シフト量の初期値を設定して、前記初期値に対応する電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、前記位相シフト量を前記初期値から所定時間毎に段階的に減少させ、前記段階的に減少された各位相シフト量に対応する各電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、前記通信回路を介して受電装置から、前記受電装置の制御回路が起動したことを示す第１応答信号を受信した場合、前記受電装置の制御回路が起動したときの位相シフト量を固定し、前記固定された位相シフト量に対応する電圧を維持して前記交流電力を送電させる。【選択図】図２

Description

本開示は、送電コイル及び受電コイルの電磁的結合によって非接触で電力を送る送電装置及び無線電力伝送システムに関する。

近年、バッテリ内蔵の機器（携帯電話機など）を充電するために、無線電力伝送技術の活用が検討されている。無線電力伝送技術では、無線送電装置（以下、単に「送電装置」と呼ぶ。）及び無線受電装置（以下、単に「受電装置」と呼ぶ。）にそれぞれ設けられた共振コイルを対向させて電力を無線で伝送することができる。特許文献１及び２は、このような無線電力伝送技術を用いた無線電力伝送システムの例を開示している。

特開２０１２−１９６０２６号公報 特開２０１４−０２３３２８号公報

しかし、かかる従来技術では、送電開始前の過渡状態において、過電圧または過電流が発生することを防止する送電装置が求められていた。

本開示の一態様に係る送電装置は、
受電アンテナを備えた受電装置に対して非接触方式で交流電力を送電する送電装置であって、
前記交流電力を前記受電アンテナに送電する送電アンテナと、
直流電源から供給される直流電力の高電位側に接続された第１のスイッチング素子群と前記直流電力の低電位側に接続された第２のスイッチング素子群とを用いて前記直流電力を前記交流電力に変換し、前記第１のスイッチング素子群に接続された第１出力端と前記第２のスイッチング素子群に接続された第２出力端とを介して前記交流電力を前記送電アンテナに出力する発振回路と、
前記第１及び第２のスイッチング素子群を制御するパルス信号を前記発振回路に供給し、前記第１及び第２のスイッチング素子群の一方に供給されるパルス信号に対する、前記第１及び第２のスイッチング素子群の他方に供給されるパルス信号の位相シフト量を変更し、前記発振回路から出力される前記交流電力の電圧を変更する制御回路と、
前記受電装置からの信号を受信する通信回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記送電アンテナからの前記交流電力を前記受電アンテナが受電することにより前記送電アンテナに流れる電流が所定値を超えると、前記位相シフト量の初期値を設定して、前記初期値に対応する電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、
前記位相シフト量を前記初期値から段階的に減少させ、前記段階的に減少された各位相シフト量に対応する各電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、
前記通信回路を介して前記受電装置から、前記受電装置の制御回路が起動したことを示す第１応答信号を受信した場合、前記受電装置において設定された最大電力を示す第２応答信号を前記受電装置から受信することを待機するため、前記受電装置の制御回路が起動したときの位相シフト量を固定し、前記固定された位相シフト量に対応する電圧を維持して前記交流電力を前記発振回路に出力させる、

本開示の一態様によると、送電開始前の過渡状態において、過電圧または過電流が発生することを抑制する送電装置を提供できる。

送電コイルに印加される交流電圧の時間変化の一例を示すグラフである。 第１の実施形態に係る無線電力伝送システム１００の構成を示すブロック図である。 図２の発振回路２１の構成を示す回路図である。 図３のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４に印加されるパルス信号の例を示すタイミング図である。 位相シフト量φが０度であるときのパルス信号、出力電圧Ｖａ及びＶｏｕｔの波形の例を示すタイミング図である。 位相シフト量φが９０度であるときのパルス信号、出力電圧Ｖａ及びＶｏｕｔの波形の例を示すタイミング図である。 送電装置２及び受電装置３の動作、並びに両者の間の通信の流れを示すシーケンス図である。 受電装置３から送電装置２に送られるパケットの構成例を示す図である。 位置合わせが完了してから定常状態に至るまでの制御回路２３の動作を示すフローチャートである。 送電開始処理の他の例を示すフローチャートである。 実施例（位相制御）における予備送電期間中のキャパシタＣ１の電圧（ＶＣ１）の変動を示す図である。 比較例（デューティ制御）における予備送電期間中のキャパシタＣ１の電圧（ＶＣ１）の変動を示す図である。 実施例（位相制御）における定常状態でのキャパシタＣ１の電圧（ＶＣ１）の変動を示す図である。 比較例（デューティ制御）における定常状態でのキャパシタＣ１の電圧（ＶＣ１）の変動を示す図である。 比較例において、デューティ比が２０％であるときの送電コイルＬ１にわたる電圧ＶＬ１の波形を示すグラフである。 実施例において、位相シフト量φが１０８度であるときの送電コイルＬ１にわたる電圧ＶＬ１の波形を示すグラフである。 比較例において、デューティ比が２０％であるときの送電コイルＬ１における電流ＩＬ１の波形を示すグラフである。 実施例において、位相シフト量φが１０８度であるときの送電コイルＬ１における電流ＩＬ１の波形を示すグラフである。 比較例において、デューティ比が２０％であるときの送電コイルＬ１にわたる電圧ＶＬ１の波形を高速フーリエ変換したグラフである。 実施例において、位相シフト量φが１０８度であるときの送電コイルＬ１にわたる電圧ＶＬ１の波形を高速フーリエ変換したグラフである。 比較例において、デューティ比が２０％であるときの送電コイルＬ１における電流ＩＬ１の波形を高速フーリエ変換したグラフである。 実施例において、位相シフト量φが１０８度であるときの送電コイルＬ１における電流ＩＬ１の波形を高速フーリエ変換したグラフである。

（本開示の基礎となった知見）
本発明者らは、「背景技術」の欄において記載した無線電力伝送システムにおける送電装置に関し、以下の課題が生じることを見出した。

まず、無線電力伝送システムにおける送電開始動作を説明する。送電装置は、送電装置の電源スイッチがＯＮにされると、送電装置と受電装置との位置合せを行う。「位置合わせ」とは、送電装置における送電アンテナ（送電コイルを含む）と受電装置における受電アンテナ（受電コイルを含む）とが、電力伝送に適した配置関係にあることを検出する動作を意味する。送電装置と受電装置との位置合せが完了すると、送電装置と受電装置との間に異物が存在するか否かを判断する異物検知を行う。

無線で充電を行う機器の多くは、ワイヤレスパワーコンソーシアム（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ：ＷＰＣ）が策定するＱｉ規格に準拠した電力伝送を行う。Ｑｉ規格では、送電装置は、送電装置と受電装置との間に異物が存在しないと判断すると、受電装置に非接触で交流電力の伝送を開始する。以下、図１を参照しながら、Ｑｉ規格に基づく電力伝送の流れを説明する。

図１は、送電コイルに印加される交流電圧（以下、「送電電圧」と呼ぶことがある。）の時間変化の一例を示すグラフである。電源が投入されると、送電装置は、まず、送電電圧を初期電圧から段階的に上昇させる。送電電圧がある一定の値を超えると、受電装置における制御回路（例えば、マイクロコンピュータ（マイコン））が起動する。すると、受電装置は、制御回路の起動を示す第１応答信号（信号強度（シグナルストレングス）パケット）を送電装置に送信する。送電装置は、信号強度パケットを受信すると、一旦、送電電圧を一定の電圧に保持する。この初期電圧から一定の電圧になるまでの送電を、以後、「予備送電」と呼ぶ。この予備送電は、送電電圧の変化が大きい過渡状態である。

その後、送電装置は、受電装置から、各種の信号を受信する。これらの信号は、受電装置において設定された最大電力を示す第２応答信号（コンフィギュレーションパケット）、受電装置のメーカＩＤまたはメーカ型番などの機器を特定する情報を示す第３応答信号（アイデンティフィケーションパケット）、制御誤差値（即ち、受電装置の負荷が要求する要求電圧値と、現在の負荷の電圧値との差分値）を示す第４応答信号（コントロールエラーパケット）などのパケット信号を含む。送電装置は、コントロールエラーパケットを受信したとき、負荷に与えられる電圧が要求電圧値に達していない（即ち、制御誤差値が０よりも大きい）と判断すると、要求電圧値に達するまで、送電電圧を上昇させる。

送電電圧が要求電圧値に達すると、送電装置は、送電電圧がそのときの値で一定になるように発振回路を制御する。このように、要求電圧値が維持されるように送電電圧が制御される状態を「定常状態」と呼ぶ。

予備送電が行われる時間は、例えば数ｍｓから数十ｍｓ程度である。予備送電後、送電電圧が一定値に保たれる時間は、例えば数十ｍｓから数百ｍｓ程度である。コントロールエラーパケットを受信してから定常状態に移行するまでの時間は、例えば数百ｍｓから数ｓ程度である。図１に示すように、予備送電においては、僅かな時間で電圧が急激に上昇する。

定常状態における制御について、発振回路の各スイッチング素子に供給するパルス信号のデューティ比を変化させることによって送電電圧を調整するデューティ制御が知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２）。また、発振回路の各スイッチング素子に供給するパルス信号の位相を変化させることによって送電電圧を調整する位相制御が知られている。

定常状態においては、後に図１３及び図１４を参照して説明するように、送電装置の送電コイルから発生する過電圧または過電流の大きさについて、デューティ制御も位相制御もほとんど差がないことが分かっている。しかし、一般的には、制御がより容易なデューティ制御が採用される。

これに対し、予備送電における制御方法については、どのような制御方法を使用するとよいかを推奨している文献は知られていない。

そこで、本発明者らは、上記予備送電において、どのような制御方法が最適かを検討した。

周囲の電子機器に影響を与えるのは、測定時の送電側電圧に対するノイズの振幅の割合（変動率）であるから、その変動率を算出した。

その結果、予備送電においては、ディーティ制御を行った場合、過電圧及び過電流が大きくなることが分かった。これに対し、本開示における位相制御を行った場合、過電圧及び過電流を抑制できることが分かった。後に図１１及び図１２を参照して説明するように、位相制御を行った場合のノイズの振幅の割合は、デュ−ティ制御を行った場合のノイズの振幅の割合の約１／３になることが分かった。

さらに、デューティ制御においては、デューティ比が小さいとき（即ち、送電電圧が低いとき）、交流電力の波形（即ち、送電コイルにおける電圧及び電流の波形）が歪み、送電装置の周辺に高周波ノイズを放射するということが分かった。これに対し、本開示におけるデューティ制御を行った場合、交流電力の波形の歪み及びこれに伴う高周波ノイズが軽減されることが分かった。この効果については、後に図１５から図２２を参照しながら説明する。

デューティ比が小さいときに交流電力の波形が歪む理由は、以下のとおりであると考えられる。デュ−ティ制御においては、デューティ比が小さいほど、発振回路と送電コイルとを接続する２つの出力導体線が、発振回路に接続された直流電源の正極及び負極のいずれにも接続されていない時間が長くなる。つまり、デューティ比が小さいほど、２つの出力導体線のフローティング状態の時間が長くなる。フローティング状態の時間が長いと、周囲から電磁波の影響を受け、２つの出力導体線にノイズが発生し、過電圧あるいは過電流が発生し易くなると考えられる。

一方、位相制御では、２つの出力導体線が、発振回路に接続された直流電源の正極及び負極のいずれにも接続されていない時間をなくすことができる。よって、過電圧あるいは過電流の発生を少なくすることができると考えられる。

以上のように、本発明者らは、予備送電において、デューティ制御を行うと過電圧あるいは過電流が大きくなり、送電装置内の回路素子を破壊する可能性があるという課題を見出した。また、デューティ制御においてデューティ比が小さいとき（即ち、送電電圧が低いとき）は、特に、交流電力の波形（即ち、送電コイルにおける電圧及び電流の波形）が歪み、送電装置の周辺に高周波ノイズを放射するという課題があることを見出した。

従って、予備送電において、過電圧または過電流の発生を抑制することが望まれている。また、送電装置の周辺に高周波ノイズを放射することを抑制することが望まれている。

以上の考察により、本発明者らは、以下に開示する各態様を想到するに至った。

本開示の一態様に係る送電装置は、
受電アンテナを備えた受電装置に対して非接触方式で交流電力を送電する送電装置であって、
前記交流電力を前記受電アンテナに送電する送電アンテナと、
直流電源から供給される直流電力の高電位側に接続された第１のスイッチング素子群と前記直流電力の低電位側に接続された第２のスイッチング素子群とを用いて前記直流電力を前記交流電力に変換し、前記第１のスイッチング素子群に接続された第１出力端と前記第２のスイッチング素子群に接続された第２出力端とを介して前記交流電力を前記送電アンテナに出力する発振回路と、
前記第１及び第２のスイッチング素子群を制御するパルス信号を前記発振回路に供給し、前記第１及び第２のスイッチング素子群の一方に供給されるパルス信号に対する、前記第１及び第２のスイッチング素子群の他方に供給されるパルス信号の位相シフト量を変更し、前記発振回路から出力される前記交流電力の電圧を変更する制御回路と、
前記受電装置からの信号を受信する通信回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記送電アンテナからの前記交流電力を前記受電アンテナが受電することにより前記送電アンテナに流れる電流が所定値を超えると、前記位相シフト量の初期値を設定して、前記初期値に対応する電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、
前記位相シフト量を前記初期値から段階的に減少させ、前記段階的に減少された各位相シフト量に対応する各電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、
前記通信回路を介して前記受電装置から、前記受電装置の制御回路が起動したことを示す第１応答信号を受信した場合、前記受電装置において設定された最大電力を示す第２応答信号を前記受電装置から受信することを待機するため、前記受電装置の制御回路が起動したときの位相シフト量を固定し、前記固定された位相シフト量に対応する電圧を維持して前記交流電力を前記発振回路に出力させる。

上記態様によると、
前記制御回路は、
前記送電アンテナからの前記交流電力を前記受電アンテナが受電することにより前記送電アンテナに流れる電流が所定値を超えると、前記位相シフト量の初期値を設定して、前記初期値に対応する電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、
前記位相シフト量を前記初期値から段階的に減少させ、前記段階的に減少された各位相シフト量に対応する各電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、
前記通信回路を介して前記受電装置から、前記受電装置の制御回路が起動したことを示す第１応答信号を受信した場合、前記受電装置において設定された最大電力を示す第２応答信号を前記受電装置から受信することを待機するため、前記受電装置の制御回路が起動したときの位相シフト量を固定し、前記固定された位相シフト量に対応する電圧を維持して前記交流電力を前記発振回路に出力させる。

このことにより、前記位相シフト量を減少させる位相制御を用いることで、前記発振回路に接続された前記直流電源の正極と導体線との接続及び負極と導体線との接続の両方ともが接続していない時間をなくすことができる。

よって、送電電圧が大きく変化する予備送電において、位相制御の過電圧あるいは過電流の大きさを、デュ−ティ制御の過電圧あるいは過電流の大きさより小さくできる。そして、予備送電において、デューティ制御を行うよりも、位相制御を行うことにより、ノイズの振幅の割合を約３分の１にすることができる。また、送電装置の周辺に高周波ノイズを放射することを抑制することができる。

以下、本開示に係る実施形態について図面を参照しながらさらに詳細に説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。さらに、本開示は、以下の実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図２は、第１の実施形態に係る無線電力伝送システム１００の構成を示すブロック図である。無線電力伝送システム１００は、送電装置２及び受電装置３を備える。送電装置２から受電装置３へ電磁誘導によって非接触で電力が伝送される。送電装置２は、電源装置１から直流の入力電圧の供給を受ける。電源装置１は、例えばＡＣ／ＤＣコンバータであり得る。電源装置１は、例えば１００Ｖなどの交流電圧を任意の電圧の直流の入力電圧に変換する。受電装置３は、送電装置２から受けた電力を負荷４に供給する。

送電装置２は、発振回路２１、パルス発生回路２２、制御回路２３、通信回路２４、送電コイルＬ１、及びキャパシタＣ１を備える。送電コイルＬ１及びキャパシタＣ１は送電アンテナを構成する。

パルス発生回路２２は、制御回路２３からの制御信号に応じて複数のパルス信号を発生する。複数のパルス信号は、予め決められたデューティ比を有する。後述するように、これらのパルス信号の位相は制御回路２３によって可変制御される。パルス発生回路２２は、例えばゲートドライバを含む。発振回路２１には、電源装置１から入力電圧が供給される。

発振回路２１は、図３を参照して後述するように、複数のパルス信号に応じてそれぞれ開閉する複数のスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を備える。発振回路２１は、直流の入力電力を交流の出力電力（例えば高周波電力）に変換して送電アンテナに供給する。発振回路２１に含まれるスイッチング素子は、例えばＩＧＢＴ（Insulated-gate Bipolar Transistor）又はＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などのトランジスタであり得る。

制御回路２３は、パルス発生回路２２にパルスの発生を指示する制御信号を出力する。この際、出力すべき電圧に応じてパルス発生回路２２によって発生される各パルス信号の位相を制御する。制御回路２３は、例えばマイクロコンピュータ（マイコン）、ＡＳＩＣ（Application Specific IC）、又はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの集積回路によって実現され得る。

通信回路２４は、受電装置３と通信し、電力伝送のために必要な信号を送受信する。そのような信号は、例えば、電力供給の要否を示す信号、受電装置３が正常に起動したことを示す信号、電力伝送に係るさまざまなパラメータを含む。これらの信号には、前述の第１から第４の応答信号が含まれる。

送電コイルＬ１及びキャパシタＣ１は、共振回路を構成し、受電装置３の受電アンテナ（後述）と電磁的に結合する送電アンテナとして動作する。図２に示す構成では、送電アンテナは直列共振回路であるが、並列共振回路であってもよい。あるいは、送電コイルのみを送電アンテナとして扱ってもよい。受電アンテナについても同様である。

受電装置３は、受電コイルＬ２、キャパシタＣ２、整流回路３１、制御回路３２、及び通信回路３３を含む。負荷４は、整流回路３１の後段に接続される。受電コイルＬ２及びキャパシタＣ２は、共振回路を構成し、送電装置２の送電アンテナと電磁的に結合する受電アンテナとして動作する。整流回路３１は、送電装置２から受けた電力を整流及び平滑化し、負荷４に供給する。負荷４は、電力供給の要否を制御回路３２に通知する。制御回路３２は、通信回路３３を用いて、電力供給の要否を送電装置２に通知する。制御回路３２は、送電装置２から受電装置３に送られる電力が十分な大きさに達して負荷４への給電が開始したとき（すなわち、受電装置３における制御回路３２が正常に起動したとき）、このことを、通信回路３３を用いて送電装置２に通知する。ここで送信される信号は、前述の第１応答信号（Ｑｉ規格では、シグナルストレングスパケット）である。通信回路３３は、前述の第２から第４の応答信号も同様に送信する。

受電装置３は、例えば、スマートフォン、タブレット端末装置、携帯端末装置などの電子機器、又は、電気自動車などの電動機械であり得る。送電装置２は、受電装置３に非接触で電力を供給する充電器であり得る。負荷４は、例えば二次電池を含み、受電装置３から出力された直流電力によって充電され得る。

送電装置２から受電装置３への電力伝送時において、送電装置２の通信回路２４及び受電装置３の通信回路３３は、互いに通信を確立し、電力伝送のために必要な信号を送受信する。送電装置２又は受電装置３の近傍において異物が検出されたときなど、電力伝送が一旦中断されるときには、送電装置２の通信回路２４及び受電装置３の通信回路３３もまた、通信を一旦中断する。

通信の方法として、例えば、整流回路３１の出力端に負荷インピーダンスを変動させるスイッチを設け、発振回路２１の周波数とは十分に異なる周波数でそのスイッチのオン及びオフを切り替える方法がある。すなわち、負荷４に対して並列に抵抗または容量などの受動素子を設けて、その結線の導通を切り替えることによって負荷インピーダンスを変化させる方法がある。負荷インピーダンスの変化により、送電装置２内の電圧または電流も変動するため、スイッチの開閉状態を切り替えることにより、送電装置２に情報を伝達することができる。送電装置２における通信回路２４は、上記スイッチのオン及びオフの切替によって生じる送電装置２内の電圧又は電流などの物理量の変動を検出し、復調することにより、伝達された情報を読み取ることができる。ここで検出される物理量は、例えば、送電アンテナの両端電圧、又は発振回路２１の入力端に発生する電流量であり得る。情報の伝達方法は上記の方法に限らず、ＮＦＣ（Ｎｅａｒ Ｆｉｅｌｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）またはＷｉｒｅｌｅｓｓ ＬＡＮなどのまったく別の通信方法を用いてもよい。

電力伝送を最初に開始するとき、又は、一旦電力伝送を中断してから再開するとき、送電装置２は、出力電力を電力伝送の停止時の値から電力伝送時の値まで増大させる必要がある。送電装置２は、以下のように動作することにより、出力電力を電力伝送の停止時の値から電力伝送時の値まで増大させる。後述する制御により、過電圧及び過電流を発生させにくくすることができる。さらに、出力電圧及び出力電流の波形の歪みを発生させにくくすることができる。

発振回路２１は、直流電源である電源装置１から供給される直流電力の高電位側に接続された第１のスイッチング素子群（スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ３）と、直流電力の低電位側に接続された第２のスイッチング素子群（スイッチング素子ＳＷ２及びＳＷ４）とを用いて直流電力を交流電力に変換する。そして、第１のスイッチング素子群に接続された第１出力端と第２のスイッチング素子群に接続された第２出力端とを介して交流電力を送電アンテナに出力する。本実施形態では、発振回路２１は、４つのスイッチング素子を含んでいるが、第１及び第２のスイッチング素子群の各々が、少なくとも２つのスイッチング素子を含んでいればよい。

制御回路２３は、パルス発生回路２２を介して、第１及び第２のスイッチング素子群を制御するパルス信号を発振回路２１に供給する。送電を開始する際、制御回路２３は、第１及び第２のスイッチング素子群の一方に供給されるパルス信号に対する、第１及び第２のスイッチング素子群の他方に供給されるパルス信号の位相シフト量を変更する。これにより、発振回路２１から出力される交流電力の電圧を変更する。このような制御を位相制御と称する。

制御回路２３は、送電アンテナからの交流電力を受電アンテナが受電することにより送電アンテナに流れる電流が所定値を超えると、位相シフト量の初期値を設定して、その初期値に対応する電圧の予備交流電力を発振回路２１に出力させる。そして、位相シフト量を初期値から段階的に減少させ、段階的に減少された各位相シフト量に対応する各電圧の予備交流電力を発振回路２１に出力させる。さらに、通信回路２４を介して受電装置３から、受電装置３の制御回路３２が起動したことを示す第１応答信号を受信した場合、受電装置３の制御回路３２が起動したときの位相シフト量を固定し、受電装置３において設定された最大電力を示す第２応答信号の受信を待機する。このとき、固定された位相シフト量に対応する電圧を維持して交流電力を発振回路２１に出力させる。

位相制御により、制御回路２３は、送電装置２の「出力時間比」を制御する。ここで、「出力時間比」とは、送電アンテナ（送電コイルＬ１及びキャパシタＣ１）における交流電圧の１周期のうち、所定値（例えば、振幅の絶対値の数％〜２０％程度）よりも大きい絶対値を有する電圧が生じている時間の割合を意味する。出力時間比が大きいほど、送電コイルＬ１に与えられる電圧ＶＬ１の振幅は大きくなり、結果として、送電装置２から受電装置３に送られる電力も大きくなる。出力時間比は、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４に印加されるパルス信号の位相を調整することによって制御され得る。本実施形態では、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４に印加されるパルス信号間の位相シフト量φを制御することにより、送電装置２の出力時間比が制御される。

制御回路２３は、発振回路２１の出力電圧の出力時間比に加えて、出力電圧の周波数を制御してもよい。

図３は、図２に示す発振回路２１の構成の例を示す回路図である。図３の例では、発振回路２１は、４つのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を有している。スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２が互いに直列に接続され、スイッチング素子ＳＷ３及びＳＷ４が互いに直列に接続されている。パルス発生回路２２が各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のゲートにパルス信号を印加することにより、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を導通状態にすることができる。本明細書では、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４に電流が流れる状態（例えば、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のゲートに電圧が印加された状態）を「オン」と呼び、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４に電流が流れない状態（例えば、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のゲートに電圧が印加されていない状態）を「オフ」と呼ぶ。スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ４を同時にオンにしたとき、送電アンテナに正の出力電圧（入力電圧と同じ極性の電圧）が供給される。スイッチング素子ＳＷ２及びＳＷ３を同時にオンにしたとき、送電アンテナに負の出力電圧（入力電圧と逆の極性の電圧）が供給される。スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ４をオンにしてスイッチング素子ＳＷ２及びＳＷ３をオフにしている状態と、スイッチング素子ＳＷ２及びＳＷ３をオンにしてスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ４をオフにしている状態とを、所定の周波数で交互に繰り返すことにより、直流の入力電圧を交流の出力電圧に変換することができる。

なお、図３には示していないが、発振回路２１は、発振回路２１の出力電流を平滑化して正弦波電流を送電コイルＬ１に供給するために、フィルタ回路などの他の要素を備えてもよい。

図４は、図３に示すスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４に印加されるパルス信号の例を示すタイミング図である。制御回路２３は、スイッチング素子ＳＷ４に印加されるパルス信号が、スイッチング素子ＳＷ１に印加されるパルス信号に対して位相シフト量φを有するように、かつ、スイッチング素子ＳＷ３に印加されるパルス信号が、スイッチング素子ＳＷ２に印加されるパルス信号に対して位相シフト量φを有するように、各パルス信号の位相を制御する。特に、制御回路２３は、スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２を同時にオフにするときにスイッチング素子ＳＷ３又はＳＷ４をオンにするように、かつ、スイッチング素子ＳＷ３及びＳＷ４を同時にオフにするときにスイッチング素子ＳＷ１又はＳＷ２をオンにするように、各パルス信号の位相を制御する。言い換えると、スイッチング素子ＳＷ４に印加されるパルス信号の立ち上がりは、スイッチング素子ＳＷ１に印加されるパルス信号がハイレベルである時間期間内に存在し、スイッチング素子ＳＷ４に印加されるパルス信号の立ち下がりは、スイッチング素子ＳＷ２に印加されるパルス信号がハイレベルである時間期間内に存在する。さらに、スイッチング素子ＳＷ３に印加されるパルス信号の立ち上がりは、スイッチング素子ＳＷ２に印加されるパルス信号がハイレベルである時間期間内に存在し、スイッチング素子ＳＷ３に印加されるパルス信号の立ち下がりは、スイッチング素子ＳＷ２に印加されるパルス信号がハイレベルである時間期間内に存在する。制御回路２３は、上述の条件を満たすように位相シフト量φを変動させることにより、発振回路２１の出力電力を変化させることができる。

図４に示すパルス信号によれば、スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２は、同時にオフになるデッドタイムＴｄを有する。スイッチング素子ＳＷ３及びＳＷ４もまた、同時にオフになるデッドタイムＴｄを有する。これらのデッドタイムを設ける理由は、パルス信号の立ち上がり及び立ち下がりの瞬間に、スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２が同時にオンになったり、スイッチング素子ＳＷ３及びＳＷ４が同時にオンになったりすることにより、入力電圧の電位と接地電位との間に短絡が生じてスイッチング素子を破壊してしまう可能性を低減させるためである。このため、図３に示す例では、各パルス信号のデューティ比は５０％よりも小さい値に設定されている。ただし、デッドタイムを設けることは必須ではなく、各パルス信号のデューティ比は５０％であってもよい。

図４に示すパルス信号によれば、すべてのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４が同時にオフになることなく、常に少なくとも１つのスイッチング素子がオンになる。このため、前述のフローティングが発生せず、送電装置２において過電圧、過電流、及びノイズが発生しにくくなる。

図５は、位相シフト量φが０度であるときのパルス信号、発振回路２１の出力電圧Ｖａ、及びＶａを平滑化した後の電圧Ｖｏｕｔの波形の例を示すタイミング図である。図６は、位相シフト量φが９０度であるときのパルス信号、発振回路２１の出力電圧Ｖａ、及びＶａを平滑化した後の電圧Ｖｏｕｔの波形の例を示すタイミング図である。図５及び図６では、図示の簡単化のために、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のデッドタイムは設けられていない。図５は、スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４にそれぞれ印加される位相シフト量φ＝０度のパルス信号の波形、発振回路２１の出力電圧Ｖａの波形、及び、発振回路２１の出力電圧Ｖａを送電アンテナ（送電コイルＬ１及びキャパシタＣ１）の共振回路により平滑化した正弦波の出力電圧Ｖｏｕｔの波形の一例を示している。図６は、位相シフト量φ＝９０度におけるこれらの波形の一例を示している。図５及び図６に示すように、位相シフト量φを０度よりも大きくすることにより、発振回路２１の出力電圧Ｖａの出力時間比を減少させ、さらに、正弦波の出力電圧Ｖｏｕｔの振幅を小さくすることができる。

制御回路２３は、スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２のパルス信号の立ち上がり及び立ち下がりに対して、スイッチング素子ＳＷ３及びＳＷ４の立ち下がり及び立ち上がりを時間的にシフトさせることにより、位相シフト量φを制御する。これにより、発振回路２１の出力電圧Ｖａの出力時間比を変化させ、結果として、送電装置２から受電装置３に送られる電力を変化させる。

次に、本実施形態の無線電力伝送システム１００の動作を説明する。本実施形態の送電装置２は、Ｑｉ規格に準拠した電力伝送を行う。ただし、これは一例であって、Ｑｉ規格に準拠した電力伝送を行うことは必須ではない。

図７は、送電装置２及び受電装置３の動作、並びに両者の間の通信の流れを示すシーケンス図である。送電装置２は、受電装置３との間の位置合わせが完了すると、予備送電を開始する。位置合わせは、例えば、送電アンテナからの交流電力を受電アンテナが受電することによって送電アンテナに流れる電流が所定値を超えたことを検出することによって行われる。電流に代えて電圧または電力の変化を検出してもよい。

予備送電において、送電装置２における制御回路２３は、まず、所定の位相シフト量（例えば、１６２度）を初期値φ₁に設定して送電を開始する。このときの送電コイルの電圧をＶ₁とする。その後、制御回路２３は、位相シフト量を段階的に小さくする。例えば、一定時間ごとに一定量ずつ位相シフト量を減少させる。図７に示す例では、位相シフト量をφ₁、φ₂、・・・、φ_N（電圧をＶ₁、Ｖ₂、・・・、Ｖ_N）のように段階的に変化させている。ここでは、位相シフト量がφ_Nになったとき、受電装置２における制御回路３２及び通信回路３３が起動するものとする。制御回路３２及び通信回路３３が起動すると、通信回路３３は、そのときの位相シフト量に対応する電圧を示す受電強度値を含む第１応答信号（シグナルストレングスパケット）を送電装置２に送信する。送電装置２は、第１応答信号を受信することにより、受電装置の起動を確認する。これにより、予備送電は終了する。

続いて、送電装置２は、位相シフト量をφ_Nに維持した状態で、受電装置３から各種の信号（パケット）を受信する。これらの信号は、受電装置において設定された最大電力を示す第２応答信号（コンフィギュレーションパケット）、受電装置のメーカＩＤ、メーカ型番、商品ＩＤなどの機器を特定する情報を示す第３応答信号（アイデンティフィケーションパケット）、及び受電装置の負荷が要求する要求電圧値と現在の負荷の電圧値との差分値（制御誤差値）を示す第４応答信号（コントロールエラーパケット）などのパケットを含む。これらのパケットは、送電装置２における送電条件の決定及び受電装置の認証に用いられ得る。

ここで、図８を参照しながら、これらのパケットの構成を説明する。

図８は、パケットの構成例を示す図である。受電装置３から送られる各パケットは、ヘッダとメッセージとチェックサムとを含む。ヘッダは、パケット種別の情報を含む。パケット種別は、前述のシグナルストレングスパケット、コンフィギュレーションパケット、コントロールエラーパケットといった種別を識別する情報である。Ｑｉ規格では、図示されている種別以外の種別も定義されているが、本実施形態の本質とは関係がないため、その説明は省略する。メッセージには、パケット種別ごとに個別の情報が記述される。例えば、シグナルストレングスパケットであれば、受電強度値を示す情報が記述される。チェックサムは、誤り検出符号を含む。

送電装置２における制御回路２３は、第４応答信号（コントロールエラーパケット）を受信すると、再び位相シフト量を減少させることによって送電電圧を上昇させる。以降の動作を「本送電」と称する。制御回路２３は、第４応答信号が示す制御誤差値が０になるまで（厳密には、０との差分が所定値未満になるまで）、位相シフト量を段階的に減少させる。制御回路２３は、制御誤差値が０に実質的に等しくなったことを検出すると、位相シフト量をそのときの値（図７の例ではφ_N+M）に固定し、送電を継続する。以後、送電電圧に大きな変化のない定常状態となる。ただし、受電装置３が送電装置２に対して移動したり、送電装置２と受電装置３との間に異物が接近したりすると、制御誤差値が０からずれる。このため、制御回路２３は、第４応答信号（コントロールエラーパケット）を定期的に監視し、送電電圧を適正な範囲内に維持する。このため、制御回路２３は、定常状態においても位相シフト量の調整による出力電圧の制御を行う。

予備送電が行われる時間は、例えば数ｍｓから数十ｍｓ程度であり、ある例では１０ｍｓ程度である。予備送電が終了してから本送電を開始するまでの時間は、例えば数十ｍｓから数百ｍｓ程度であり、ある例では１００ｍｓ程度である。コントロールエラーパケットを最初に受信してから定常状態に移行するまでの時間は、例えば数百ｍｓから数ｓ程度であり、ある例では１ｓ程度である。図１を参照して既に説明したように、予備送電においては、僅かな時間で電圧が急激に上昇する。

次に、図９を参照しながら、送電装置２における制御回路２３の動作をより詳細に説明する。

図９は、位置合わせが完了してから定常状態に至るまでの制御回路２３の動作を示すフローチャートである。

位置合わせが完了すると、制御回路２３は、予備送電を開始するための処理を行う。制御回路２３は、まず、所定の位相シフト量φを初期値φ₁に設定する（ステップＳ１０２）。次に、発振回路２１に、一定時間にわたって交流電力を発生させる（ステップＳ１０３）。続いて、受電装置３からシグナルストレングスパケットを受信したか否かを判断する（ステップＳ１０４）。シグナルストレングスパケットをまだ受信していない場合、位相シフト量φが下限値（例えばゼロに近い規定値）に達したかを判断する（ステップＳ１０５）。位相シフト量φが下限値に達していない場合、制御回路２３は、位相シフト量をΔφだけ減少させ（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０３に戻る。ステップＳ１０５において位相シフト量φが下限に達したと判断した場合、制御回路２３は、交流電力の周波数を所定量だけ変更し（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０２に戻る。ステップＳ１０７では、制御回路２３は、例えば周波数を１ｋＨｚずつ減少させることにより、電圧を増加させる。

ステップＳ１０４において、受電装置３からシグナルストレングスパケットを受信したと判断した場合、制御回路２３は、予備送電を終了し、受電装置３の起動を確認する（ステップＳ１０８）。次に、送電装置２は、コンフィギュレーションパケット及びアイデンティフィケーションパケットを受信する（ステップＳ１０９）。さらに、コントロールエラーパケットを受信する（ステップＳ１１０）。制御回路２３は、コントロールエラーパケットが示す制御誤差値が０に実質的に等しいか否かを判断する（ステップＳ１１１）。この判断は、例えば、制御誤差値と０との差分が所定の閾値よりも小さいか否かに基づいて行われる。制御誤差値がまだ０ではないと判断すると、制御回路２３は、位相シフト量φをΔφだけ減少させ（ステップＳ１１２）、ステップＳ１１０に戻る。制御回路２３は、制御誤差値がほぼ０になるまで、ステップＳ１１０〜Ｓ１１２を繰り返し実行する。制御誤差値がほぼ０になると、制御回路２３は、位相シフト量をそのときの値に固定して送電を開始する。これにより、定常状態に移行する。

なお、上記の第１から第４応答信号は、必ずしもＱｉ規格で規定されたパケットである必要はない。例えば、予備交流電力に対する最初の応答信号を第１応答信号として扱ってもよい。交流電力の送電に用いる制御情報を含む任意の信号を第２応答信号として扱ってもよい。

以上のように、本実施形態における制御回路２３は、通信回路２４を介して受電装置３から予備交流電力に対する第１応答信号を受信した場合、交流電力の送電に用いる制御情報を含む第２応答信号を受電装置３から受信することを待機するため、受電装置３の制御回路３２が起動したときの位相シフト量を固定する。そして、固定された位相シフト量に対応する電圧を維持して交流電力を発振回路２１に出力させる。このような動作により、後に図１１及び図１２を参照して説明するように、特に初期送電における過電圧及び過電流を抑制できる。

次に、図１０を参照して、無線電力伝送システム１００の動作の他の例を説明する。

図１０は、制御回路２３によって実行される送電開始処理の他の例を示すフローチャートである。この例では、制御回路２３は、受電装置３から送られてくるパケット信号とは無関係に、発振回路２１の出力電力を電力伝送の停止時の値から電力伝送時（定常動作時）の値まで段階的に増大させる。

図１０のステップＳ１において、制御回路２３は、送電を開始するか否かを判断する。この判断がＹＥＳのときはステップＳ２に進み、ＮＯのときはステップＳ１を繰り返す。送電装置２は、例えば、受電装置３の存在を検出したとき、又は、受電装置３から送電を開始するように要求されたときに、送電を開始すると判断する。

ステップＳ２において、制御回路２３は、位相シフト量φを所定の初期値φ１に設定する。スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のデッドタイムが設けられているとき、位相シフト量φの初期値φ１は、スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２を同時にオフにするときにスイッチング素子ＳＷ３又はＳＷ４をオンにし、かつ、スイッチング素子ＳＷ３及びＳＷ４を同時にオフにするときにスイッチング素子ＳＷ１又はＳＷ２をオンにするように決定される。デッドタイムＴｄが例えば５〜１０度の位相シフト量に相当する長さである場合、位相シフト量φの初期値φ０は、１７０〜１７５度以下に設定される。デッドタイムが設けられていないとき、位相シフト量φの初期値φ０は、１８０度以下の任意の値に設定される。

次いでステップＳ３において、制御回路２３は、パルス発生回路２２及び発振回路２１により、一定時間（例えば１ミリ秒）にわたって交流の出力電力（例えば高周波電力）を発生させる。

ステップＳ４において、制御回路２３は、送電装置２から受電装置３に送られる電力が十分な大きさに達して負荷４への給電が開始したか否かを判断する。この判断がＹＥＳのときはステップＳ７に進み、ＮＯのときはステップＳ５に進む。制御回路２３は、例えば、通信回路２４を介して受電装置３から受信した信号に基づいて、負荷４への給電が開始したか否かを判断する。

ステップＳ５において、制御回路２３は、位相シフト量φが下限（０度）に達したか否かを判断する。この判断がＹＥＳのときはステップＳ７に進み、ＮＯのときはステップＳ６に進む。

ステップＳ６において、制御回路２３は、位相シフト量φを予め決められたステップ幅Δφ（例えば５度）だけ減少させる。ステップ幅Δφは、実際の無線電力伝送システム１００の設計に応じて任意の値に設定することができる。

ステップＳ６の後、再びステップＳ３に進み、制御回路２３は、パルス発生回路２２及び発振回路２１により、一定時間にわたって交流電力を発生させる。ステップＳ６で位相シフト量φが減少されたので、発生される交流電力の電圧は増大する。

制御回路２３は、ステップＳ３〜Ｓ６を繰り返すことにより、予め決められた時間期間が経過するごとに、各パルス信号の位相シフト量を変化させる。位相シフト量が変化するごとに、発生される高周波電力の電圧も増大する。

ステップＳ７において、制御回路２３は、高周波電力の発生を継続する。送電装置２から受電装置３に送られる電力が十分な大きさに達したとき、受電装置３は負荷４への電力供給を開始する。

図１０におけるステップＳ６では、位相シフト量φを減少させているが、それに代わって、位相シフト量φを増加させてもよい。これは、出力電力を電力伝送時の値から電力伝送の停止時の値まで減少させる場合に効果的である。また、位相シフト量φを減少させることは、送電装置２の出力電圧及び出力電流の歪みを小さくする場合にも効果的である。

続いて、図１１から図１４を参照して、本開示の実施例の無線電力伝送システムと比較例の無線電力伝送システムとを比較する。いずれのシステムも、図２及び図３に示す構成を有する。実施例の無線電力伝送システムは、図７及び図９に示す動作によって位相シフト量φを段階的に減少させることにより、送電装置２の出力電力を段階的に増加させる。一方、比較例の無線電力伝送システムでは、位相シフト量に代えて各パルスのデューティ比を段階的に減少させることにより、送電装置２の出力電力を段階的に増加させる。

図１１は、実施例（位相制御）における予備送電期間中のキャパシタＣ１の電圧（ＶＣ１）（以下、「送電側電圧」と呼ぶことがある。）の変動を示す図である。図１２は、比較例（デューティ制御）における予備送電期間中のキャパシタＣ１の電圧（ＶＣ１）の変動を示す図である。

この実施例及び比較例では、送電側電圧が０Ｖから６０Ｖ（要求電圧に対応する送電側電圧）になるまでに要する時間（１５ｍｓ）を１０分割し、位相またはデューティ比を１．５ｍｓ間隔で切り換えた。実施例（位相制御）では、位相シフト量を１６２度→１４４度→１２６度→１０８度→９０度→７２度→５４度度→３６度→１８度→０度のように切り替えた。比較例（デューティ制御）では、パルスのデューティ比を５％→１０％→１５％→２０％→２５％→３０％→３５％→４０％→４５％→５０％のように切り替えた。

受電装置３における制御回路３２（マイコン）が起動したことを示す第１応答信号は、送電側電圧（ＶＣ１）が４０Ｖのときに受信されると設定した。即ち、送電側電圧が０Ｖから４０Ｖの期間が予備送電期間である。

予備送電期間において、電圧のノイズの振幅の最大値を検出した。その結果、図１１及び図１２において丸で示した時点においてノイズの振幅が最大値になった。そのときの変更条件は、実施例では、位相シフト量を１０８度から９０度に変更したときであり、比較例では、デューティ比を２５％から３０％に変更したときであった。ノイズの振幅の最大値は、実施例では５．３Ｖであり、比較例では１１．２Ｖであった。

また、周囲の電子機器に影響を与えるのは、測定時の送電側電圧に対するノイズの振幅の割合（変動率）であるから、その変動率を算出した。

ノイズの振幅の割合は、実施例（位相制御）では１３％（５．３Ｖ／４０Ｖ）であり、比較例（デューティ制御）では３７％（１１．２Ｖ／３０Ｖ）であった。即ち、実施例におけるノイズの振幅の割合は、比較例におけるノイズの振幅の割合の約１／３に減少した。

このように、本実施例の位相制御によれば、予備送電において、デューティ制御を行うよりも、ノイズの振幅の割合を約１／３に抑えることができることが分かった。その結果、本実施例では、比較例よりも、予備送電期間中の過電圧及び過電流を抑制できる。

尚、予備送電期間中の位相制御およびデューティ制御は、後述するフィードバック制御ではなく、オープン制御（送電装置の制御回路による一方向の制御）である。

次に、定常状態におけるシミュレーション結果を説明する。

定常状態において、デューティ制御に対する位相制御の優位性を調査するために以下のシミュレ−ションを実施した。

定常状態では、コントロールエラーパケットが示す制御誤差値を用いるフィ−ドバック制御が行われる。送電電圧が一旦６０Ｖに落ち着くと、送電電圧の変動は予備送電時における変動に比べて小さい。そして長い期間において、所定の間隔で位相シフト量またはデューティ比の変更が行われる。その変更が行われる度にノイズが発生する。

そこで、送電側電圧が要求電圧に対応する電圧である６０Ｖに到達し、６０Ｖに落ち着いた後（定常状態）、以下の条件でノイズの振幅を測定した。実施例では、３ｍｓ間隔で、位相シフト量を、１０８度→９０度→１０８度→９０度→・・・のように変更し、変更の都度、ノイズの振幅を測定した。比較例では、３ｍｓ間隔で、デューティ比を２０％→２５％→２０％→２５％のように変更し、変更の都度、ノイズの振幅を測定した。

表１は、実施例（位相制御）及び比較例（デューティ制御）のそれぞれにおいて、ノイズの振幅及びその平均値の測定結果を示している。

図１３は、実施例（位相制御）における定常状態でのキャパシタＣ１の電圧（ＶＣ１）の変動を示す図である。図１４は、比較例（デューティ制御）における定常状態でのキャパシタＣ１の電圧（ＶＣ１）の変動を示す図である。なお、図１３、１４に示すシミュレーション結果では、図１１、１２に示す結果と異なり、４ｍｓの時点で既に定常状態になっている。これは、定常状態についてのシミュレーションでは、即座に６０Ｖに到達させ、６０Ｖに落ち着いた所定の時点から４ｍｓ経過した時点を起点としているためである。その他の条件は、図１１、１２に示すシミュレーションにおける条件と同じである。

周囲の電子機器に影響を与えるのは、測定時の送電側電圧に対するノイズの振幅の割合（変動率）であるから、この変動率を算出した。また、定常状態における変動率の平均値を算出した。

表１の結果から、デューティ制御における上記変動率の平均値は、約９．３％（５．６Ｖ／６０Ｖ）であった。位相制御における上記変動率の平均値は、約５．１％（３．１Ｖ／６０Ｖ）であった。

以上のように、デューティ制御及び位相制御のいずれも、ノイズの振幅の割合は、予備送電におけるノイズの振幅の割合の最大値（デューティ制御における３７％）よりも小さい。したがって、定常状態においては、デューティ制御に対する位相制御の優位性はあるものの、予備送電時に比べると、その優位性は比較的小さい。

次に、実施例及び比較例の無線電力伝送システムについて、予備送電期間における送電コイルＬ１における電圧ＶＬ１及び電流ＩＬ１の波形の歪み及び強度を比較する。

図１５は、比較例において、デューティ比が２０％であるときの送電コイルＬ１における電圧ＶＬ１の波形を示すグラフである。図１６は、実施例において、位相シフト量φが１０８度であるときの送電コイルＬ１における電圧ＶＬ１の波形を示すグラフである。図１７は、比較例において、デューティ比が２０％であるときの送電コイルＬ１における電流ＩＬ１の波形を示すグラフである。図１８は、実施例において、位相シフト量φが１０８度であるときの送電コイルＬ１における電流ＩＬ１の波形を示すグラフである。図１９は、比較例において、デューティ比が２０％であるときの送電コイルＬ１における電圧ＶＬ１の波形を高速フーリエ変換したグラフである。図２０は、実施例において、位相シフト量φが１０８度であるときの送電コイルＬ１における電圧ＶＬ１の波形を高速フーリエ変換したグラフである。図２１は、比較例において、デューティ比が２０％であるときの送電コイルＬ１における電流ＩＬ１の波形を高速フーリエ変換したグラフである。図２２は、実施例において、位相シフト量φが１０８度であるときの送電コイルＬ１における電流ＩＬ１の波形を高速フーリエ変換したグラフである。図１５〜１８は、予備送電期間の一部の波形のみを示しているが、予備送電期間の全体にわたって、図示されている波形と同様の傾向を示す。なお、図１５〜１８は、電圧が３０Ｖとなる、デューティ比が２０％または位相シフト量φが１０８度の条件に設定したときの状態を初期状態とし、初期状態から１．４８ｍｓ〜１．５０ｍｓの期間における電圧ＶＬ１または電流ＩＬ１を示している。

デューティ比が２０％であるときの波形（図１５及び図１７）を参照すると、波形が歪み、高調波成分を含んでいる事がわかる。位相シフト量φが１０８度であるときの波形（図１６及び図１８）を参照すると、デューティ比が２０％であるときのような高調波成分は含まれていない。図１９〜図２２を参照すると、１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚの周波数範囲にわたって、位相シフト量φが変化したときの強度はデューティ比が変化したときの強度の約１０倍である。高周波領域では、周辺装置へ高周波ノイズを放射するリスクはデューティ比が変化したときのほうが大きいことがわかる。

以上のように、図２に示す無線電力伝送システム１００は、無線電力伝送の出力電力を大幅に変化させる過渡状態（予備送電期間など）において、パルス信号の位相シフト量φを変化させる。これにより、発振回路２１の出力特性を変化させ、送電装置２において過電圧及び過電流の発生を防ぐことができる。

また、図１の無線電力伝送システム１００は、過渡状態において、パルス信号の位相シフト量φを変化させることで発振回路２１の出力特性を変化させる。これにより、送電装置２の出力電圧及び出力電流（送電コイルＬ１における電圧ＶＬ１及び電流ＩＬ１）の波形に歪みが生じることを抑制し、送電装置２の周辺に高周波ノイズが放射されることを抑制することができる。

本開示は、以下の項目に記載の送電装置及び無線電力伝送システムを含む。

［項目１］
受電アンテナを備えた受電装置に対して非接触方式で交流電力を送電する送電装置であって、
前記交流電力を前記受電アンテナに送電する送電アンテナと、
直流電源から供給される直流電力の高電位側に接続された第１のスイッチング素子群と前記直流電力の低電位側に接続された第２のスイッチング素子群とを用いて前記直流電力を前記交流電力に変換し、前記第１のスイッチング素子群に接続された第１出力端と前記第２のスイッチング素子群に接続された第２出力端とを介して前記交流電力を前記送電アンテナに出力する発振回路と、
前記第１及び第２のスイッチング素子群を制御するパルス信号を前記発振回路に供給し、前記第１及び第２のスイッチング素子群の一方に供給されるパルス信号に対する、前記第１及び第２のスイッチング素子群の他方に供給されるパルス信号の位相シフト量を変更し、前記発振回路から出力される前記交流電力の電圧を変更する制御回路と、
前記受電装置からの信号を受信する通信回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記送電アンテナからの前記交流電力を前記受電アンテナが受電することにより前記送電アンテナに流れる電流が所定値を超えると、前記位相シフト量の初期値を設定して、前記初期値に対応する電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、
前記位相シフト量を前記初期値から段階的に減少させ、前記段階的に減少された各位相シフト量に対応する各電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、
前記通信回路を介して前記受電装置から、前記受電装置の制御回路が起動したことを示す第１応答信号を受信した場合、前記受電装置において設定された最大電力を示す第２応答信号を前記受電装置から受信することを待機するため、前記受電装置の制御回路が起動したときの位相シフト量を固定し、前記固定された位相シフト量に対応する電圧を維持して前記交流電力を前記発振回路に出力させる、
送電装置。

上記態様によると、
前記送電アンテナからの前記交流電力を前記受電アンテナが受電することにより前記送電アンテナに流れる電流が所定値を超えると、前記位相シフト量として初期値に設定して、前記初期値に対応する電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、
前記位相シフト量を前記初期値から所定時間毎に段階的に減少させ、前記段階的に減少された各位相シフト量に対応する各電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、前記受信回路を介して前記受電装置から、前記受電装置の制御回路が起動したことを示す第１応答信号を受信した場合、前記受信装置の前記制御回路に供給可能な最大電力を示す第２応答信号が前記受電装置から送信されることを待機するために、前記受電装置の制御回路が起動したときの位相シフト量を固定し、前記固定された位相シフト量に対応する電圧を維持して前記交流電力を送電させる。

このことにより、前記位相シフト量を減少させる位相制御を用いることで、
前記発振回路に接続された前記直流電源の正極と導体線との接続及び負極と導体線との接続の両方ともが接続していない時間をなくすことができる。

よって、送電電圧が大きく変化する予備送電において、位相制御の過電圧あるいは過電流の大きさを、デュ−ティ制御の過電圧あるいは過電流の大きさより小さくできる。そして、予備送電において、デューティ制御を行うよりも、位相制御を行うことにより、ノイズの振幅の割合を約３分の１にすることができる。また、送電装置の周辺に高周波ノイズを放射することを抑制することができる。また、送電装置の周辺に高周波ノイズを放射することを防止することができる。

ここで、送電アンテナと受電アンテナの位置合わせの完了の判断を、送電アンテナからの前記交流電力を前記受電アンテナが受電することにより前記送電アンテナに流れる電流が所定値を超えることにより行った。上記方法に限らず、前記送電アンテナの物理量を測定し、測定して得られた物理量に基づいて算出し、前記位置合わせが完了したか否かを判断してもよい。ここで、物理量とは、送電コイルに印加される電圧、送電コイルに流れる電流、送電コイルに印加される周波数、送電コイルの入力インピ−ダンス値、又は、送電コイルの入力インダクタンス値などのコイルに関する電気的な単位を有するもののことである。測定して得られた物理量に基づいて算出の意味は、物理量そのものを用いて位置合わせの判断を行う場合と、測定した物理量から算出される比の値、結合係数あるいはＱ値などに基づいて判断を行う場合がある。

［項目２］
前記第１応答信号は、ＷＰＣ（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ）のＱｉ規格で規定された信号強度パケットを含む、
項目１に記載の送電装置。

上記態様によると、Ｑｉ規格で定められた前記前手順に従って、情報を交換し動作させることができる。

［項目３］
前記信号強度パケットは、前記受電装置の制御回路が起動したときの位相シフト量に対応する電圧を示す受電強度値を含む、
項目２に記載の送電装置。

上記態様によると、Ｑｉ規格で定められた前記前手順に従って、送電を行うことができる。

［項目４］
前記第２応答信号は、ＷＰＣ（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ）のＱｉ規格で規定されたコンフィギュレーションパケットを含む、
項目１から３のいずれか１項に記載の送電装置。

上記態様によると、Ｑｉ規格で定められた前記前手順に従って、送電を行うことができる。

［項目５］
前記制御回路は、
前記第２応答信号に続いて、前記受電装置のメーカＩＤを示す第３応答信号が前記受電装置から送信されることを待機する、
項目１から４のいずれか１項に記載の送電装置。

上記態様によると、Ｑｉ規格で定められた前記前手順に従って、送電を行うことができる。

［項目６］
前記第３応答信号は、ＷＰＣ（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ）のＱｉ規格で規定されたアイデンティフィケーションパケットを含む、
項目５に記載の送電装置。

上記態様によると、Ｑｉ規格で定められた前記前手順に従って、送電を行うことができる。

［項目７］
前記制御回路は、
前記受電装置の要求電圧値と、前記送電アンテナからの前記交流電力の電圧値との差分値を示す制御誤差値を含む第４応答信号が、前記第３応答信号に続いて前記受電装置から送信されることを待機する、
項目５または６に記載の送電装置。

上記態様によると、Ｑｉ規格で定められた前記前手順に従って、送電を行うことができる。

［項目８］
前記第４応答信号は、ＷＰＣ（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ）のＱｉ規格で規定されたコントロールエラーパケットを含む、
項目７に記載の送電装置。

上記態様によると、Ｑｉ規格で定められた前記前手順に従って、送電を行うことができる。

［項目９］
前記制御回路は、
前記第４応答信号を受信すると、前記位相シフト量の変更により前記交流電力の電圧を変更し、前記第４応答信号に含まれる前記制御誤差信号が示す差分値をゼロに近づける制御を行う、
項目７または８に記載の送電装置。

上記態様によると、前記制御誤差信号が示す差分値をゼロにする制御を行い、要求電圧に送電電圧を一致させることができる。

［項目１０］
前記第１のスイッチング素子群は、少なくとも２つのスイッチング素子を含み、
前記第２のスイッチング素子群は、少なくとも２つのスイッチング素子を含む、
項目１から９のいずれか１項に記載の送電装置。

［項目１１］
前記制御回路は、
前記パルス信号を前記発振回路に供給する毎に、前記位相シフト量を前記初期値から段階的に減少させる、
項目１から１０のいずれか１項に記載の送電装置。

［項目１２］
項目１から１１のいずれか１項に記載の送電装置と、
前記受電装置と、を備えた無線電力伝送システム。

［項目１３］
受電アンテナを備えた受電装置に対して非接触方式で交流電力を送電する送電装置であって、
前記交流電力を前記受電アンテナに送電する送電アンテナと、
直流電源から供給される直流電力の高電位側に接続された第１のスイッチング素子群と前記直流電力の低電位側に接続された第２のスイッチング素子群とを用いて前記直流電力を前記交流電力に変換し、前記第１のスイッチング素子群に接続された第１出力端と前記第２のスイッチング素子群に接続された第２出力端とを介して前記交流電力を前記送電アンテナに出力する発振回路と、
前記第１及び第２のスイッチング素子群を制御するパルス信号を前記発振回路に供給し、前記第１及び第２のスイッチング素子群の一方に供給されるパルス信号に対する、前記第１及び第２のスイッチング素子群の他方に供給されるパルス信号の位相シフト量を変更し、前記発振回路から出力される前記交流電力の電圧を変更する制御回路と、
前記受電装置からの信号を受信する通信回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記送電アンテナからの前記交流電力を前記受電アンテナが受電することにより前記送電アンテナに流れる電流が所定値を超えると、前記位相シフト量の初期値を設定して、前記初期値に対応する電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、
前記位相シフト量を前記初期値から段階的に減少させ、前記段階的に減少された各位相シフト量に対応する各電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、
前記通信回路を介して前記受電装置から前記予備交流電力に対する最初の第１応答信号を受信した場合、前記交流電力の送電に用いる制御情報を含む第２応答信号を前記受電装置から受信することを待機するため、前記受電装置の制御回路が起動したときの位相シフト量を固定し、前記固定された位相シフト量に対応する電圧を維持して前記交流電力を前記発振回路に出力させる、
送電装置。

［項目１４］
前記第１のスイッチング素子群は、少なくとも２つのスイッチング素子を含み、
前記第２のスイッチング素子群は、少なくとも２つのスイッチング素子を含む、
項目１３に記載の送電装置。

［項目１５］
無線送電装置から無線受電装置への電力伝送を行う無線電力伝送システムの無線送電装置において、
上記無線受電装置は、受電コイルを含む共振回路を含む受電アンテナを備え、
上記無線送電装置は、
送電コイルを含む共振回路を含み、上記無線受電装置の受電アンテナと電磁的に結合する送電アンテナと、
予め決められたデューティ比を有し、可変であって互いに異なる位相をそれぞれ有する複数のパルス信号を発生するパルス発生回路と、
上記複数のパルス信号に応じてそれぞれ開閉する複数のスイッチング素子を備え、直流の入力電力を交流の出力電力に変換して上記送電アンテナに供給する発振回路と、
上記各パルス信号の位相を制御する制御回路とを備え、
上記複数のスイッチング素子は、同時にオンされたとき上記送電アンテナに正又は負の出力電圧を供給する少なくとも一対のスイッチング素子を含み、
上記制御回路は、上記発振回路の出力電力を電力伝送の停止時の値から電力伝送時の値まで増大させるとき、上記一対のスイッチング素子の一方に印加されるパルス信号に対する、上記一対のスイッチング素子の他方に印加されるパルス信号の位相シフト量を次第に変化させる無線送電装置。

［項目１６］
上記制御回路は、上記一対のスイッチング素子の一方に印加されるパルス信号に対する、上記一対のスイッチング素子の他方に印加されるパルス信号の位相シフト量を予め決められた初期値から次第に減少させることにより、上記発振回路の出力電力を次第に増大させる、項目１５に記載の無線送電装置。

［項目１７］
上記制御回路は、予め決められた時間期間が経過するごとに、上記各パルス信号の位相シフト量を変化させる、項目１５又は１６に記載の無線送電装置。

［項目１８］
上記無線送電装置は、上記発振回路における電圧及び電流の少なくとも一方を検出するモニタ回路をさらに備え、
上記制御回路は、上記各パルス信号の位相シフト量を変化させたとき、上記発振回路における電圧又は電流のピークの変動が予め決められた範囲内になるまで待機した後で、上記各パルス信号の位相シフト量をさらに変化させる、項目１５又は１６に記載の無線送電装置。

［項目１９］
上記制御回路は、上記発振回路における電圧又は電流の大きさに基づいて、上記位相シフト量を変化させるステップ幅を決定する、項目１８に記載の無線送電装置。

［項目２０］
上記複数のスイッチング素子は、互いに直列接続された第１及び第２のスイッチング素子と、互いに直列接続された第３及び第４のスイッチング素子とを含み、上記第１及び第４のスイッチング素子を同時にオンしたとき上記送電アンテナに正の出力電圧が供給され、上記第２及び第３のスイッチング素子を同時にオンしたとき上記送電アンテナに負の出力電圧が供給され、
上記制御回路は、上記第１及び第２のスイッチング素子を同時にオフするとき上記第３又は第４のスイッチング素子をオンするように、かつ、上記第３及び第４のスイッチング素子を同時にオフするとき上記第１又は第２のスイッチング素子をオンするように、上記各パルス信号の位相を制御する、項目１５〜１９のうちの１つに記載の無線送電装置。

［項目２１］
項目１５〜２０のうちの１つに記載の無線送電装置と、
受電コイルを含む共振回路を含む受電アンテナを備えた無線受電装置とを備えた無線電力伝送装置。

本開示に係る無線送電装置及び無線電力伝送システムは、スマ−トフォン、タブレット端末装置、携帯端末装置などの電子機器、電気自動車などの電動機械に有用である。

１…電源装置、
２、２Ａ…送電装置、
３、３Ａ…受電装置、
４…負荷、
２１、２１Ａ…発振回路、
２２…パルス発生回路、
２３、２３Ａ…制御回路、
２４…通信回路、
２５…モニタ回路、
３１、３１Ａ…整流回路、
３２、３２Ａ…制御回路、
３３…通信回路、
３４…モニタ回路、
１００…無線電力伝送システム、
Ｃ１、Ｃ２…キャパシタ、
Ｌ１…送電コイル、
Ｌ２…受電コイル。

Claims (14)

1. 受電アンテナを備えた受電装置に対して非接触方式で交流電力を送電する送電装置であって、
   前記交流電力を前記受電アンテナに送電する送電アンテナと、
   直流電源から供給される直流電力の高電位側に接続された第１のスイッチング素子群と前記直流電力の低電位側に接続された第２のスイッチング素子群とを用いて前記直流電力を前記交流電力に変換し、前記第１のスイッチング素子群に接続された第１出力端と前記第２のスイッチング素子群に接続された第２出力端とを介して前記交流電力を前記送電アンテナに出力する発振回路と、
   前記第１及び第２のスイッチング素子群を制御するパルス信号を前記発振回路に供給し、前記第１及び第２のスイッチング素子群の一方に供給されるパルス信号に対する、前記第１及び第２のスイッチング素子群の他方に供給されるパルス信号の位相シフト量を変更し、前記発振回路から出力される前記交流電力の電圧を変更する制御回路と、
   前記受電装置からの信号を受信する通信回路と、を備え、
   前記制御回路は、
   前記送電アンテナからの前記交流電力を前記受電アンテナが受電することにより前記送電アンテナに流れる電流が所定値を超えると、前記位相シフト量の初期値を設定して、前記初期値に対応する電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、
   前記位相シフト量を前記初期値から段階的に減少させ、前記段階的に減少された各位相シフト量に対応する各電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、
   前記通信回路を介して前記受電装置から、前記受電装置の制御回路が起動したことを示す第１応答信号を受信した場合、前記受電装置において設定された最大電力を示す第２応答信号を前記受電装置から受信することを待機するため、前記受電装置の制御回路が起動したときの位相シフト量を固定し、前記固定された位相シフト量に対応する電圧を維持して前記交流電力を前記発振回路に出力させる、
   送電装置。
2. 前記第１応答信号は、ＷＰＣ（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ）のＱｉ規格で規定された信号強度パケットを含む、
   請求項１に記載の送電装置。
3. 前記信号強度パケットは、前記受電装置の制御回路が起動したときの位相シフト量に対応する電圧を示す受電強度値を含む、
   請求項２に記載の送電装置。
4. 前記第２応答信号は、ＷＰＣ（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ）のＱｉ規格で規定されたコンフィギュレーションパケットを含む、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の送電装置。
5. 前記制御回路は、
   前記第２応答信号に続いて、前記受電装置のメーカＩＤを示す第３応答信号が前記受電装置から送信されることを待機する、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の送電装置。
6. 前記第３応答信号は、ＷＰＣ（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ）のＱｉ規格で規定されたアイデンティフィケーションパケットを含む、
   請求項５に記載の送電装置。
7. 前記制御回路は、
   前記受電装置の要求電圧値と、前記送電アンテナからの前記交流電力の電圧値との差分値を示す制御誤差値を含む第４応答信号が、前記第３応答信号に続いて前記受電装置から送信されることを待機する、
   請求項５または６に記載の送電装置。
8. 前記第４応答信号は、ＷＰＣ（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｏｒｔｉｕｍ）のＱｉ規格で規定されたコントロールエラーパケットを含む、
   請求項７に記載の送電装置。
9. 前記制御回路は、
   前記第４応答信号を受信すると、前記位相シフト量の変更により前記交流電力の電圧を変更し、前記第４応答信号に含まれる前記制御誤差信号が示す差分値をゼロに近づける制御を行う、
   請求項７または８に記載の送電装置。
10. 前記第１のスイッチング素子群は、少なくとも２つのスイッチング素子を含み、
    前記第２のスイッチング素子群は、少なくとも２つのスイッチング素子を含む、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の送電装置。
11. 前記制御回路は、
    前記パルス信号を前記発振回路に供給する毎に、前記位相シフト量を前記初期値から段階的に減少させる、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載の送電装置。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の送電装置と、
    前記受電装置と、を備えた無線電力伝送システム。
13. 受電アンテナを備えた受電装置に対して非接触方式で交流電力を送電する送電装置であって、
    前記交流電力を前記受電アンテナに送電する送電アンテナと、
    直流電源から供給される直流電力の高電位側に接続された第１のスイッチング素子群と前記直流電力の低電位側に接続された第２のスイッチング素子群とを用いて前記直流電力を前記交流電力に変換し、前記第１のスイッチング素子群に接続された第１出力端と前記第２のスイッチング素子群に接続された第２出力端とを介して前記交流電力を前記送電アンテナに出力する発振回路と、
    前記第１及び第２のスイッチング素子群を制御するパルス信号を前記発振回路に供給し、前記第１及び第２のスイッチング素子群の一方に供給されるパルス信号に対する、前記第１及び第２のスイッチング素子群の他方に供給されるパルス信号の位相シフト量を変更し、前記発振回路から出力される前記交流電力の電圧を変更する制御回路と、
    前記受電装置からの信号を受信する通信回路と、を備え、
    前記制御回路は、
    前記送電アンテナからの前記交流電力を前記受電アンテナが受電することにより前記送電アンテナに流れる電流が所定値を超えると、前記位相シフト量の初期値を設定して、前記初期値に対応する電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、
    前記位相シフト量を前記初期値から段階的に減少させ、前記段階的に減少された各位相シフト量に対応する各電圧の予備交流電力を前記発振回路に出力させ、
    前記通信回路を介して前記受電装置から前記予備交流電力に対する最初の第１応答信号を受信した場合、前記交流電力の送電に用いる制御情報を含む第２応答信号を前記受電装置から受信することを待機するため、前記受電装置の制御回路が起動したときの位相シフト量を固定し、前記固定された位相シフト量に対応する電圧を維持して前記交流電力を前記発振回路に出力させる、
    送電装置。
14. 前記第１のスイッチング素子群は、少なくとも２つのスイッチング素子を含み、
    前記第２のスイッチング素子群は、少なくとも２つのスイッチング素子を含む、
    請求項１３に記載の送電装置。

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