JP2016059252A

JP2016059252A - 非接触電力伝送装置

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Publication number: JP2016059252A
Application number: JP2014195781A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　守男; Morio Sato; 守男佐藤
Original assignee: Ohira Electronics Co Ltd
Current assignee: Ohira Electronics Co Ltd
Priority date: 2014-09-05
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2016-04-21
Anticipated expiration: 2034-09-05
Also published as: JP6350818B2

Abstract

【課題】受電側の整流平滑回路に直流電圧を安定化させる機能を持たせ、これにより受電側に広い入力電圧範囲に対応した定電圧回路を付加する必要のない非接触電力伝送装置を提供する。
【解決手段】非接触電力伝送装置の受電コイル１４と受電コンデンサ１５からなる直列回路両端の電圧を整流する４つのダイオード１６〜１９にスイッチ素子２０〜２３をそれぞれ並列に接続し、同期駆動回路２４でオン・オフさせ、第１のコンデンサ２の電圧を安定にする。
【選択図】図１

Description

本発明はスイッチング電源に関し、特に非接触電力伝送装置に関する。

従来の非接触電力伝送装置の１例として、特許公開２００７−３１２５８５が提供した方法がある。その実施例として示されている回路図の１つを図８に示す。

図８において、１１１は交流電源、１１２と１１３は双方向スイッチ回路を構成するＭＯＳＦＥＴ、１１４と１１５は別の双方向スイッチ回路を構成するＭＯＳＦＥＴ、１１６は４つのＭＯＳＦＥＴを所定シーケンスでオン・オフさせる発振制御回路である。１１７、１１８、１１９、１２０はいずれも互いに異なる電位のゲートに信号を送るための絶縁バッファである。１２１と１２２は送電コイルと受電コイルで電磁気エネルギを伝送している。１２３は整流平滑回路で直流電圧に変換している。１２４は定電圧回路で安定した直流電圧を負荷１２５に供給している。

送電コイル１２１と受電コイル１２２間の伝送は一方通行であるため整流平滑回路１２３の出力電圧は負荷に流れる電流によって変化する。そのため定電圧回路を必要とするが、変化の幅が大きいため定電圧回路１２４が担う入力電圧範囲が広い。

本発明は受電側の整流平滑回路に直流電圧を安定化させる機能を持たせ、これにより受電側に広い入力電圧範囲に対応した定電圧回路を付加する必要のない非接触電力伝送装置を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は交流電源と、第１のコンデンサと、交流電源に並列に接続された第１と第２の双方向スイッチ回路からなる直列回路と、交流電源に並列に接続された第３と第４の双方向スイッチ回路からなる直列回路と、第１と第４の双方向スイッチ回路の組と第２と第３の双方向スイッチ回路の組を交互にオン・オフさせる発振制御回路と、第１と第２の双方向スイッチ回路の接続点と第３と第４の双方向スイッチ回路の接続点の間に接続された送電コイルと送電コンデンサからなる直列回路と、送電コイルと送電コンデンサからなる直列回路と電磁気的に結合している受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路と、受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路の一方の端子と第１のコンデンサの一方の端子の間に接続された第１のダイオードと、受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路の他方の端子と第１のコンデンサの他方の端子の間に接続された第２のダイオードと、受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路と第１のダイオードの接続点と第２のダイオードと第１のコンデンサの接続点の間に接続された第３のダイオードと、受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路と第２のダイオードの接続点と第１のダイオードと第１のコンデンサの接続点の間に接続された第４のダイオードからなる非接触電力伝送装置において、第１のダイオードに並列に第５のスイッチ素子を接続し、第２のダイオードに並列に第６のスイッチ素子を接続し、第３のダイオードに並列に第７のスイッチ素子を接続し、第４のダイオードに並列に第８のスイッチ素子を接続し、交流電源の出力電圧が正の半波の間は第１と第４の双方向スイッチ回路の組のオン・オフに同期させて第５と第６のスイッチ素子の組をオン・オフさせ、第２と第３の双方向スイッチ回路の組のオン・オフに同期させて第７と第８のスイッチ素子の組をオン・オフさせ、交流電源の出力電圧が負の半波の間は第１と第４の双方向スイッチ回路の組のオン・オフに同期させて第７と第８のスイッチ素子の組をオン・オフさせ、第２と第３の双方向スイッチ回路の組のオン・オフに同期させて第５と第６のスイッチ素子の組をオン・オフさせる同期駆動回路を付加した。

請求項２記載の発明は、第１ないし第４の双方向スイッチ回路がいずれも互いに反対向きに直列接続された２つのＭＯＳＦＥＴから構成され、交流電源の電圧の正の半波と負の半波の位相にそれぞれ同期した２つの信号を出力する交流位相識別回路を付加し、交流位相識別回路が出力する２つの信号と第１ないし第４の双方向スイッチ回路をオン・オフする発振制御回路の信号をＯＲ回路で合成して４種類の信号を作り、第１ないし第４の双方向スイッチ回路を構成するＭＯＳＦＥＴの所定のゲートに加える。

請求項３記載の発明は、第３の双方向スイッチ回路を第２のコンデンサに置換え、第４の双方向スイッチ回路を第３のコンデンサに置換えた。

請求項４記載の発明は、第４のダイオードと第８のスイッチ素子からなる並列回路を第４のコンデンサに置換え、第２のダイオードと第６のスイッチ素子からなる並列回路を第５のコンデンサに置換えた。

請求項５記載の発明は、第１のコンデンサの電圧を安定させるために同期駆動回路が発生するパルスの幅を制御するＰＷＭ回路を付加した。

請求項６記載の発明は、受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路を受電コイルと受電コンデンサからなる並列回路に置換えた。

本発明の非接触電力伝送装置は受電側に定電圧回路がなくても安定した直流電圧を作ることができるので、効率が改善され、受電側の装置内部スペースが空き、コストが下がった。

受電側の同期駆動回路が発生するパルス幅を適当に制御することにより送電側の交流電源から供給される交流電流の波形を交流電圧の波形に相似させることができ、これによって力率を改善することができる。

発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１は請求項１記載の発明の実施例を示す回路図である。
図において１は交流電源、３〜６は双方向スイッチ回路、１１は発振制御回路、１２は送電コイル、１３は送電コンデンサ、１４は受電コイル、１５は受電コンデンサ、１６〜１９はダイオード、２０〜２３はスイッチ素子、２４は同期駆動回路、１０１〜１０８は絶縁バッファである。
発振制御回路１１はＭとＮの２つの出力端子からＭがＨｉのときはＮはＬｏ、ＮがＨｉのときはＭはＬｏの信号を出力する。ＭとＮが同時にＨｉの信号を出力することはないが、同時にＬｏの信号を出力することはある。ＭとＮのいずれもＬｏの期間をデットタイムと呼んでいる。

ＭがＨｉのときは３と６の双方向スイッチ回路が導通し、送電コイル１２と送電コンデンサ１３の直列回路両端に交流電圧が同じ向きに加わる。続いてＮがＨｉになると４と５の双方向スイッチ回路が導通し、送電コイル１２と送電コンデンサ１３の直列回路両端に交流電圧が逆の向きに加わる。

同期駆動回路２４の動作が停止していれば、１６〜１９のダイオードが整流して第１のコンデンサ２を充電する。第１のコンデンサ２に負荷が接続されていれば、負荷に直流電力が供給される。負荷が無負荷かまたは軽い負荷のときは第１のコンデンサ２の電圧は送受電間の共振条件によるが上昇し、制御することはできない。

同期駆動回路２４が動作するときを図７を用いて説明する。図７は図１の回路の波形図を示したもので（ａ）は交流電圧が正の半波の間、（ｂ）は交流電圧が負の半波の間の各部の波形である。上から第１と第４の双方向スイッチ回路３と６のゲート電圧、第２と第３の双方向スイッチ回路４と５のゲート電圧、受電コイル１４と受電コンデンサ１５の直列回路両端の電圧、第５と第６のスイッチ素子２０と２１のゲート電圧、第７と第８のスイッチ素子２２と２３のゲート電圧の波形を示している。Ｔｏｎ１とＴｄ１は発振制御回路１１に設定するパルス幅とデットタイムであり、Ｔｏｎ２とＴｄ２は同期駆動回路１１が設定するパルス幅と遅延時間である。

受電コイル１４と受電コンデンサ１５の直列回路の電圧は送電側の第１ないし第４の双方向スイッチ回路のいずれか一方の組がオン状態からオフに切替わるときに変わるが、図７（ａ）では第２と第３の双方向スイッチ回路がオフに切替わるときに負から正に切替わっている。図７（ｂ）では第２と第３の双方向スイッチ回路がオフに切替るときに正から負に切替っている。

図７（ａ）において同期駆動回路２４は、受電コイル１４と受電コンデンサ１５の直列回路両端の電圧が負から正に変わる時はＴｄ２遅れた幅がＴｏｎ２のパルスを発生して第５と第６のスイッチ素子２０と２１のゲートを駆動する。受電コイル１４と受電コンデンサ１５の直列回路両端の電圧が正から負に変わる時はＴｄ２遅れた幅がＴｏｎ２のパルスを発生して第７と第８のスイッチ素子１８と１９のゲートを駆動する。このように同期駆動回路２４がパルスを出力すれば、送電側の双方向スイッチ回路と受電側のスイッチ素子のオン・オフが同期する。図７ではＴｄ２はＴｄ１と同じ値、Ｔｏｎ２はＴｏｎ１より小さい値が設定されている。

図７の波形に示されているように、交流電圧の位相が正から負に変われば、送電側のオンになる組に対する受電側のオンになる組は入れ替る。

送電側でオン状態になっている双方向スイッチ回路と、そのときに導通しているダイオードに並列接続されているスイッチ素子が同期してオン状態になるので、第１のコンデンサ２の電圧が高ければそのエネルギは受電側から送電側に回生される。

図２は請求項２記載の発明の実施例を示す回路図である。
図１と共通する部品は図１の符号をそのまま用いている。図において、２５は交流位相識別回路で、交流電源１の電圧が正であれば端子ＰがＨｉ、端子ＳがＬｏになり、負であれば端子ＰがＬｏ、端子ＳがＨｉになる。

交流位相識別回路の出力信号と発振制御回路１１の出力信号は２６〜２９のＯＲ回路によって４種類の信号に合成されて、双方向スイッチ回路３〜６を構成するＭＯＳＦＥＴのゲートに供給される。交流位相回路の端子ＰからＨｉの信号が出ていれば、３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂのＭＯＳＦＥＴは発振制御回路１１の信号に関係なくオン状態になる。端子ＳからＨｉの信号が出ていれば、３ａ，４ａ、５ａ、６ａのＭＯＳＦＥＴが発振制御回路１１の信号に関係なくオン状態になる。

発振制御回路１１の端子ＭとＮがいずれもＬｏのとき、すなわちデッドタイムのときは、送電コイル１２と送電コンデンサ１３の直列回路に蓄積されているエネルギはオン状態になっているいずれかのＭＯＳＦＥＴとそれと直列接続されているＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードを通って交流電源１に回生される。

第１のコンデンサ２の電圧が高いときに送電側に回生されるメカニズムは図１のそれと同じ。

図３は請求項３記載の発明の実施例を示す回路図である。図２と共通する部品は図２の符号をそのまま用いている。図において、第２のコンデンサ３１と第３のコンデンサ３２は交流電源１の電圧を２等分している。両コンデンサは送電コンデンサ１３の容量より大きい値が選ばれているので回路の共振周期に影響を与えない。
図２の回路構成がフルブリッジと呼ばれるのに対して、図３の回路構成はハーフブリッジと呼ばれている。

図４は請求項４記載の発明の実施例を示す回路図である。図２と共通する部品は図２の符号をそのまま用いている。図において、第１のダイオード１６が導通したときコンデンサ３３が充電され、第３のダイオード１８が導通したときにコンデンサ３４が充電される。第１のコンデンサ２には両コンデンサの合成された電圧が充電される。

図５は請求項５記載の発明の実施例を示す回路図である。図２と共通する部品は図２の符号をそのまま用いている。図において、３０はＰＷＭ回路で第１のコンデンサ２の電圧が基準電圧を越えると同期駆動回路２４が発生するパルスを広げる。スイッチ素子２０とスイッチ素子２２のオン期間が長くなれば受電側から送電側に戻る電力が増え第１のコンデンサ２の電圧は下がる。これにより、第１のコンデンサ２の電圧の安定さは増す。

図６は請求項６記載の発明の実施例を示す回路図である。図２と共通する部品は図２の符号をそのまま用いている。図において、受電側の受電コンデンサ１５を受電コイル１４に並列に接続した。

図１ないし図６において、第５ないし第８のスイッチ素子としてＭＯＳＦＥＴを選んだので、第１ないし第４のダイオードを、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードで代用させることにより省略することもできる。

産業上の利用の可能性

従来の非接触電力伝送装置がかかえていた１つの課題である負荷に加える電圧の安定化に関して新しい手段が提供できる。また、交流を直接スイッチングして送電されるエネルギを受電する整流回路によって力率が改善されるので、送電側にも受電側にも力率改善回路を挿入する必要がなく、コストを減ずることができる。受電側のスペースも縮小できる。

本発明の１つの実施例を示す回路図である。本発明の１つの実施例を示す回路図である。本発明の１つの実施例を示す回路図である。本発明の１つの実施例を示す回路図である。本発明の１つの実施例を示す回路図である。本発明の１つの実施例を示す回路図である。図１の回路図の波形図である。従来方式の１例を示す回路図である。

符号の簡単な説明

１交流電源
２第１のコンデンサ
３〜６第１〜第４の双方向スイッチ回路
１１発振制御回路
１２送電コイル
１３送電コンデンサ
１４受電コイル
１５受電コンデンサ
１６〜１９第１〜第４のダイオード
２０〜２３第５〜第８のスイッチ素子
２４同期駆動回路
２５交流位相識別回路
２６〜２９ＯＲ回路
３０ＰＷＭ回路
３１〜３４コンデンサ
１０１〜１０８絶縁バッファ
１１１交流電源
１１２〜１１５ＭＯＳＦＥＴ
１１６発振制御回路
１１７〜１２０絶縁バッファ
１２１送電コイル
１２２受電コイル
１２３整流平滑回路
１２４定電圧回路
１２５負荷
１２６、１２７コンデンサ

Claims

交流電源と第１のコンデンサと前記交流電源に並列に接続された第１と第２の双方向スイッチ回路からなる直列回路と前記交流電源に並列に接続された第３と第４の双方向スイッチ回路からなる直列回路と前記第１と前記第４の双方向スイッチ回路の組と前記第２と前記第３の双方向スイッチ回路の組を交互にオン・オフさせる発振制御回路と前記第１と前記第２の双方向スイッチ回路の接続点と前記第３と前記第４の双方向スイッチ回路の接続点の間に接続された送電コイルと送電コンデンサからなる直列回路と前記送電コイルと送電コンデンサからなる直列回路と電磁気的に結合している受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路と前記受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路の一方の端子と前記第１のコンデンサの一方の端子の間に接続された第１のダイオードと前記受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路の他方の端子と前記第１のコンデンサの他方の端子の間に接続された第２のダイオードと前記受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路と前記第１のダイオードの接続点と前記第２のダイオードと前記第１のコンデンサの接続点の間に接続された第３のダイオードと前記受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路と前記第２のダイオードの接続点と前記第１のダイオードと第１のコンデンサの接続点の間に接続された第４のダイオードからなる非接触電力伝送装置において、前記第１のダイオードに並列に第５のスイッチ素子を接続し、前記第２のダイオードに並列に第６のスイッチ素子を接続し、前記第３のダイオードに第７のスイッチ素子を接続し、前記第４のダイオードに第８のスイッチ素子を接続し、前記交流電源の出力電圧が正の半波の間は前記第１と前記第４の双方向スイッチ回路の組のオン・オフに同期させて前記第５と前記第６のスイッチ素子の組をオン・オフさせ前記第２と前記第３の双方向スイッチ回路の組のオン・オフに同期させて前記第７と前記第８のスイッチ素子の組をオン・オフさせ、かつ前記交流電源の出力電圧が負の半波の間は前記第１と前記第４の双方向スイッチ回路の組のオン・オフに同期させて前記第７と前記第８のスイッチ素子の組をオン・オフさせ前記第２と前記第３の双方向スイッチ回路の組のオン・オフに同期させて前記第５と前記第６のスイッチ素子の組をオン・オフさせる同期駆動回路を付加したことを特徴とする非接触電力伝送装置。
前記第１ないし第４の双方向スイッチ回路はいずれも互いに反対向きに直列接続された２つのＭＯＳＦＥＴから構成され、前記交流電源の電圧の正の半波と負の半波の位相にそれぞれ同期した２つの信号を出力する交流位相識別回路を付加し、前記交流位相識別回路が出力する２つの信号と前記第１ないし第４の双方向スイッチ回路をオン・オフする前記発振制御回路の信号をＯＲ回路で合成して４種類の信号を作り前記第１ないし第４の双方向スイッチ回路を構成するＭＯＳＦＥＴの所定のゲートに加えることを特徴とする請求項１記載の非接触電力伝送装置。
前記第３の双方向スイッチ回路を第２のコンデンサに置き換え、前記第４の双方向スイッチ回路を第３のコンデンサに置換えた請求項１または請求項２記載の非接触電力伝送装置。
前記第４のダイオードと前記第８のスイッチ素子からなる並列回路を第４のコンデンサに置換え、前記第２のダイオードと前記第６のスイッチ素子からなる並列回路を第５のコンデンサに置換えた請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。
前記第１のコンデンサの電圧を安定させるために前記同期駆動回路が発生するパルスの幅を制御するＰＷＭ回路を付加した請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。
前記受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路を前記受電コイルと受電コンデンサからなる並列回路に置換えた請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。