JP2016187260A - Wireless power feeding apparatus - Google Patents

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満 増田
Mitsuru Masuda
満 増田
正弘 楠
Masahiro Kusunoki
正弘 楠
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a wireless power feeding apparatus capable of achieving wireless transmission of electric power with low loss using electric field resonance.SOLUTION: A wireless power feeding apparatus 100 includes a power supply unit 110, a power transmission coupler 120 and a power reception coupler 130, and transmits electric power from the power transmission coupler 120 to the power reception coupler 130 in a wireless manner by electric field resonance. The power supply unit 110 performs a switching operation by soft switching using a first capacitor 113 and a series resonant circuit 114. The power transmission coupler 120 is constituted by sharing the series resonant circuit 114 of the power supply unit 110. In other words, the power transmission coupler 120 is constituted by connecting a second capacitor 121 and a first coil 122 of the series resonant circuit 114 in series.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電磁界共鳴によりワイヤレスで電力伝送を行うワイヤレス給電装置に関し、特に電界共鳴により電力伝送を行う電界共鳴型のワイヤレス給電装置に関するものである。   The present invention relates to a wireless power feeder that wirelessly transmits electric power by electromagnetic resonance, and more particularly to an electric field resonance type wireless power feeder that transmits electric power by electric field resonance.

ワイヤレスでエネルギーを給電する技術が盛んに研究されている。これは2006年に米国MITが 電磁界共鳴として発表した技術に端を発する。エネルギーの送受信部であるアンテナ(カプラ)部は伝送効率が90%以上と高く、伝送距離も大きく取れることが特徴である。ワイヤレス給電で電磁界共鳴を発生させる共振周波数として、MHzのISM周波数帯が用いられる。そのため、送電カプラに電力を供給する電源部では、ISM周波数帯の13MHz、27MHzあるいは40MHzの高周波電力を発生させる必要がある。電源部は、このような高周波電力を高効率で供給することが要求される。   There are many active researches on wireless power feeding technology. This originates from a technology that MIT announced in 2006 as electromagnetic resonance. The antenna (coupler) unit, which is an energy transmission / reception unit, is characterized by high transmission efficiency of 90% or more and a large transmission distance. An ISM frequency band of MHz is used as a resonance frequency for generating electromagnetic field resonance by wireless power feeding. Therefore, it is necessary to generate high-frequency power of 13 MHz, 27 MHz, or 40 MHz in the ISM frequency band in the power supply unit that supplies power to the power transmission coupler. The power supply unit is required to supply such high-frequency power with high efficiency.

ワイヤレス給電装置は、高周波電力を発生させる電源部、ワイヤレスで電力伝送を行うカプラ部、及び受電電力を直流に変換する受電平滑回路(整流部)を備えている。カプラ部は、送電カプラと受電カプラを備えており、それぞれコイル(C)とコンデンサ(L)を直列接続した共振回路として構成されている。磁界共鳴により電力伝送を行う方式では、それぞれのコイルを大きくして対向させて配置し、両コイル間で磁界共鳴させる。また、電界共鳴により電力伝送を行う方式では、コンデンサを大きくして対向させて配置し、両コンデンサ間で電界共鳴させる。   The wireless power supply apparatus includes a power supply unit that generates high-frequency power, a coupler unit that wirelessly transmits power, and a power receiving smoothing circuit (rectifier unit) that converts received power into direct current. The coupler unit includes a power transmission coupler and a power reception coupler, and is configured as a resonance circuit in which a coil (C) and a capacitor (L) are connected in series. In a system in which power transmission is performed by magnetic field resonance, the coils are enlarged and arranged to face each other, and magnetic field resonance is performed between the two coils. Further, in the system in which electric power transmission is performed by electric field resonance, capacitors are enlarged and arranged to face each other, and electric field resonance is performed between both capacitors.

ワイヤレス給電装置の効率は 電源部における効率、カプラ部におけるワイヤレス伝送効率、及び受電平滑回路における効率を乗算したものとなる。ワイヤレス給電方式は、有線方式と比較して電力の伝送効率が低下することから、各構成部の効率をできるだけ向上させることが要求される。   The efficiency of the wireless power feeder is obtained by multiplying the efficiency in the power supply unit, the wireless transmission efficiency in the coupler unit, and the efficiency in the power receiving smoothing circuit. The wireless power feeding method is required to improve the efficiency of each component as much as possible because the power transmission efficiency is lower than that of the wired method.

電源部の高効率化を図るために、ソフトスイッチング方式を用いた回路であるRFインバータを電源部に用いるのが好ましい。ソフトスイッチング方式を用いた電源部では、スイッチングを行うのにトランジスタが用いられるが、トランジスタにおける損失は導通損失に比べてスイッチング損失が大部分を占める。そこで、スイッチング損失を低減するために、スイッチングに伴って電流が流れるときの電圧がゼロとなるように、共振回路を用いて位相を調整するソフトスイッチング方式が採用される。   In order to increase the efficiency of the power supply unit, it is preferable to use an RF inverter that is a circuit using a soft switching method for the power supply unit. In the power supply unit using the soft switching method, a transistor is used for switching. However, the loss in the transistor is mostly the switching loss compared to the conduction loss. Therefore, in order to reduce the switching loss, a soft switching method is adopted in which the phase is adjusted using a resonance circuit so that the voltage when current flows along with switching becomes zero.

ソフトスイッチング方式の電源部を用いてワイヤレス給電を行うように構成された給電装置が、特許文献1に記載されている。特許文献1に記載されたワイヤレス給電装置の構成を図8に示す。同図に示すワイヤレス給電装置90では、磁界共鳴により電力伝送を行う方式が採用されている。磁界共鳴による電力伝送を高効率化するには、送電カプラ91及び受電カプラ92のコイルを大きくするとともに、所定の共振周波数となるようにコンデンサを小さくするのがよい。   Patent Document 1 discloses a power supply apparatus configured to perform wireless power supply using a soft switching power supply unit. FIG. 8 shows the configuration of the wireless power feeding apparatus described in Patent Document 1. In the wireless power supply apparatus 90 shown in the figure, a method of transmitting power by magnetic field resonance is adopted. In order to increase the efficiency of power transmission by magnetic field resonance, it is preferable to increase the coils of the power transmission coupler 91 and the power reception coupler 92 and to reduce the capacitor so that a predetermined resonance frequency is obtained.

ソフトスイッチング方式の電源部は、コイルとコンデンサを直列接続した直列共振回路を備えている。一方、電源部に接続される送電カプラも、コイルとコンデンサを直列接続した直列共振回路となっている。そこで特許文献1では、電源部の直列共振回路と送電カプラ91とを共用化させることで、1つのコイルと1つのコンデンサを削減している。すなわち、送電カプラ91に用いるコイルとコンデンサを、電源部の直列共振回路にも用いる構成としている。これにより、電源部の直列共振回路は、送電カプラ91に用いる大きなコイルと小さなコンデンサで構成されることになる。   The soft switching type power supply unit includes a series resonance circuit in which a coil and a capacitor are connected in series. On the other hand, the power transmission coupler connected to the power supply unit is also a series resonant circuit in which a coil and a capacitor are connected in series. Therefore, in Patent Document 1, one coil and one capacitor are reduced by sharing the series resonance circuit of the power supply unit and the power transmission coupler 91. That is, the coil and the capacitor used for the power transmission coupler 91 are also used for the series resonance circuit of the power supply unit. As a result, the series resonance circuit of the power supply unit is composed of a large coil and a small capacitor used for the power transmission coupler 91.

特許第5069726号Japanese Patent No. 5069726

しかしながら、ISM周波数帯の高い周波数で電磁界共鳴を行うと、コイルには表皮効果と近接効果により大きな損失が発生する。特許文献1に記載されたワイヤレス給電装置では、磁界共鳴による電力伝送を行うために、送電カプラ91に大きなコイルを用いる必要がある。そのため、コイルにおける損失がさらに大きくなるといった問題が生じる。   However, when electromagnetic resonance is performed at a high frequency in the ISM frequency band, a large loss is generated in the coil due to the skin effect and the proximity effect. In the wireless power feeder described in Patent Document 1, it is necessary to use a large coil for the power transmission coupler 91 in order to perform power transmission by magnetic field resonance. Therefore, there arises a problem that the loss in the coil is further increased.

また、送電カプラ91のコイルには空芯コイルが用いられるが、空芯コイルでは磁界の発散が大きいため損失が特に大きくなる。損失を低減させるために、空芯コイルに代えてフェライトコアを有するコイルを用いる方法があるが、1MHzから高周波側ではフェライトの透磁率が低下していくため、2MHz以上では損失を低減させることができない。送電カプラ91にはMHz帯の高周波電力が供給されるため、フェライトコアを有するコイルを送電カプラ91のコイルに用いたとしても損失を低減させることはできない。   In addition, an air-core coil is used as the coil of the power transmission coupler 91. However, the air-core coil has a particularly large loss because the magnetic field divergence is large. In order to reduce the loss, there is a method using a coil having a ferrite core instead of the air-core coil. However, since the permeability of the ferrite decreases from 1 MHz to the high frequency side, the loss can be reduced at 2 MHz or more. Can not. Since high-frequency power in the MHz band is supplied to the power transmission coupler 91, even if a coil having a ferrite core is used as the coil of the power transmission coupler 91, loss cannot be reduced.

さらに、特許文献1のように磁界共鳴を採用したワイヤレス給電装置では、送電カプラ91及び受電カプラ92からの漏れ磁束が大きいため、これを遮蔽するための磁気シールドが必要となる。しかしながら、磁気シールドは電界のシールドに比べて極めて困難であり、また高コストになることから、磁界共鳴によるワイヤレス給電では漏れ磁束を低減させるために大きな電力を供給することができないといった問題もある。   Further, in the wireless power feeding apparatus adopting magnetic field resonance as in Patent Document 1, since the leakage magnetic flux from the power transmission coupler 91 and the power reception coupler 92 is large, a magnetic shield for shielding this is necessary. However, magnetic shields are extremely difficult and costly compared to electric field shields, and wireless power feeding by magnetic field resonance has a problem that large power cannot be supplied to reduce leakage magnetic flux.

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、電界共鳴を用いて電力を低損失でワイヤレス伝送することが可能なワイヤレス給電装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve these problems, and an object of the present invention is to provide a wireless power feeder capable of wirelessly transmitting power with low loss using electric field resonance.

本発明のワイヤレス給電装置の第1の態様は、同じ共振周波数を有する送電カプラから受電カプラにワイヤレスで電力を伝送するワイヤレス給電装置であって、前記共振周波数でスイッチング動作させるトランジスタと、前記トランジスタに並列に接続された第1のコンデンサと、第2のコンデンサと第1のコイルとを直列接続して前記共振周波数で共振する直列共振回路と、を具備する電源部を備え、前記送電カプラは、前記第2のコンデンサ及び前記第1のコイルを共用して構成され、前記第2のコンデンサと前記受電カプラが具備する第3のコンデンサとの間で電界共鳴させることで電力を伝送させることを特徴とする。 A first aspect of the wireless power feeding device of the present invention is a wireless power feeding device that wirelessly transmits power from a power transmission coupler having the same resonance frequency to a power reception coupler, the transistor that performs a switching operation at the resonance frequency, and the transistor A power supply unit comprising: a first capacitor connected in parallel; a series resonance circuit that resonates at the resonance frequency by connecting a second capacitor and a first coil in series; The second capacitor and the first coil are shared, and electric power is transmitted by causing electric field resonance between the second capacitor and a third capacitor included in the power receiving coupler. And

本発明のワイヤレス給電装置の他の態様は、前記電源部は、ソフトスイッチング方式により前記共振周波数の電力を発生させて前記送電カプラに供給することを特徴とする。   In another aspect of the wireless power supply apparatus of the present invention, the power supply unit generates power at the resonance frequency by a soft switching method and supplies the power to the power transmission coupler.

本発明のワイヤレス給電装置の他の態様は、前記第2のコンデンサは、前記第3のコンデンサに対し電界共鳴により所定の伝送効率で電力伝送可能な寸法以上に大きくするとともに、前記第1のコイルは、前記第2のコンデンサとの間で前記共振周波数となるように寸法を小さくして損失を低減させていることを特徴とする。   In another aspect of the wireless power feeding apparatus of the present invention, the second capacitor is larger than a dimension capable of transmitting power at a predetermined transmission efficiency by electric field resonance with respect to the third capacitor, and the first coil Is characterized in that the loss is reduced by reducing the size so as to achieve the resonance frequency with the second capacitor.

本発明のワイヤレス給電装置の他の態様は、前記共振周波数は、ISM周波数帯の周波数であることを特徴とする。   In another aspect of the wireless power supply apparatus of the present invention, the resonance frequency is a frequency in an ISM frequency band.

本発明によれば、電界共鳴を用いて電力を低損失でワイヤレス伝送することが可能なワイヤレス給電装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a wireless power feeding apparatus capable of wirelessly transmitting electric power with low loss using electric field resonance.

本発明の第1実施形態のワイヤレス給電装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the wireless electric power feeder of 1st Embodiment of this invention. ソフトスイッチング方式で動作する従来の電源部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional power supply part which operate | moves by a soft switching system. 電界共鳴方式を採用した従来の送受電カプラ部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional power transmission / reception coupler part which employ | adopted the electric field resonance system. 磁界共鳴方式を採用した従来の送受電カプラ部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional power transmission / reception coupler part which employ | adopted the magnetic field resonance system. 磁界共鳴方式の従来の送受電カプラ部の詳細な構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the detailed structure of the conventional power transmission / reception coupler part of a magnetic field resonance system. 従来の電源部に従来の電界共鳴方式の送受電カプラ部を接続したワイヤレス給電装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the wireless electric power feeder which connected the conventional electric field resonance system power transmission / reception coupler part to the conventional power supply part. 従来の電源部に従来の磁界共鳴方式の送受電カプラ部を接続したワイヤレス給電装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the wireless electric power feeder which connected the power transmission / reception coupler part of the conventional magnetic field resonance system to the conventional power supply part. 従来のワイヤレス給電装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional wireless electric power feeder.

本発明の好ましい実施の形態におけるワイヤレス給電装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。   A wireless power supply apparatus according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, about each structural part which has the same function, the same code | symbol is attached | subjected and shown for simplification of illustration and description.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に係るワイヤレス給電装置を、図1を用いて説明する。図1は、本実施形態のワイヤレス給電装置100の構成を示すブロック図である。ワイヤレス給電装置100は、所定の共振周波数(fcとする)の交流電力を発生させる電源部110と、電源部110から交流電力を入力してワイヤレスで送電する送電カプラ120と、送電カプラ120からワイヤレスで受電する受電カプラ130と、受電カプラ130で受電した交流電力を直流電力に平滑化する受電平滑回路(整流部)140と、を備えている。
(First embodiment)
A wireless power feeder according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a wireless power supply apparatus 100 according to the present embodiment. The wireless power feeding apparatus 100 includes a power supply unit 110 that generates AC power having a predetermined resonance frequency (fc), a power transmission coupler 120 that inputs AC power from the power supply unit 110 and transmits power wirelessly, and wirelessly transmits power from the power transmission coupler 120. And a power receiving smoothing circuit (rectifying unit) 140 that smoothes AC power received by the power receiving coupler 130 into DC power.

送電カプラ120は、電源部110から共振周波数fcの電力が供給されると、受電カプラ130との間で電界共鳴することで、供給された電力をワイヤレスで受電カプラ130に伝送する。受電カプラ130は、送電カプラ120から受電した電力を受電平滑回路140に出力し、受電平滑回路140で直流電力に平滑化する。さらに、受電平滑回路140に接続された負荷20に電力を供給する。   When power having a resonance frequency fc is supplied from the power supply unit 110, the power transmission coupler 120 wirelessly transmits the supplied power to the power reception coupler 130 by performing electric field resonance with the power reception coupler 130. The power receiving coupler 130 outputs the power received from the power transmission coupler 120 to the power receiving smoothing circuit 140, and the power receiving smoothing circuit 140 smoothes the power to DC power. Further, power is supplied to the load 20 connected to the power reception smoothing circuit 140.

電源部110は、共振周波数fcで制御信号(パルス信号)を出力するパルス生成部111と、パルス生成部111から入力した制御信号に従ってスイッチング動作するトランジスタ112と、トランジスタ112に並列に接続された第1のコンデンサ113と、直列共振回路114とを備えている。直列共振回路114は、第2のコンデンサ121と第1のコイル122とを直列接続して構成されており、共振周波数fcで共振するように構成されている。   The power supply unit 110 includes a pulse generation unit 111 that outputs a control signal (pulse signal) at a resonance frequency fc, a transistor 112 that performs a switching operation according to the control signal input from the pulse generation unit 111, and a first transistor connected in parallel to the transistor 112. 1 capacitor 113 and a series resonance circuit 114 are provided. The series resonance circuit 114 is configured by connecting the second capacitor 121 and the first coil 122 in series, and is configured to resonate at the resonance frequency fc.

トランジスタ112は、ゲート端子112aがパルス生成部111に接続され、ソース端子112bが接地されている。また、ドレイン端子112cは、チョークコイル115を介して外部電源(Vdd)10に接続されている。   The transistor 112 has a gate terminal 112a connected to the pulse generator 111 and a source terminal 112b grounded. The drain terminal 112c is connected to the external power supply (Vdd) 10 via the choke coil 115.

電源部110は、上記のようにトランジスタ112と第1のコンデンサ113と直列共振回路114とを備えることで、ソフトスイッチング方式でスイッチング動作することができる。その結果、電源部110における損失を低減させることができる。   The power supply unit 110 includes the transistor 112, the first capacitor 113, and the series resonance circuit 114 as described above, and thus can perform a switching operation by a soft switching method. As a result, loss in the power supply unit 110 can be reduced.

本実施形態のワイヤレス給電装置100では、電源部110の直列共振回路114を共用して送電カプラ120を構成することを特徴としている。すなわち、本実施形態の送電カプラ120は、直列共振回路114の第2のコンデンサ121と第1のコイル122とで構成されている。また、受電カプラ130は、第3のコンデンサ131と第2のコイル132とを直列接続して構成されている。   The wireless power supply apparatus 100 according to the present embodiment is characterized in that the power transmission coupler 120 is configured by sharing the series resonance circuit 114 of the power supply unit 110. That is, the power transmission coupler 120 of the present embodiment is configured by the second capacitor 121 and the first coil 122 of the series resonance circuit 114. The power receiving coupler 130 is configured by connecting a third capacitor 131 and a second coil 132 in series.

ソフトスイッチング方式で動作する従来の電源部の構成を図2に示す。同図に示す電源部30は、本実施形態の電源部110と同様に、パルス生成部31と、トランジスタ32と、コンデンサ33と、直列共振回路34とを備えており、直列共振回路34は、コンデンサ35とコイル36とを直列接続して構成されている。また、トランジスタ32のドレイン端子が、チョークコイル37を介して外部電源10に接続されている。   FIG. 2 shows the configuration of a conventional power supply unit that operates in the soft switching system. The power supply unit 30 shown in the figure includes a pulse generation unit 31, a transistor 32, a capacitor 33, and a series resonance circuit 34, similar to the power supply unit 110 of the present embodiment. The capacitor 35 and the coil 36 are connected in series. The drain terminal of the transistor 32 is connected to the external power supply 10 via the choke coil 37.

電界共鳴方式を採用した従来の送受電カプラ部の構成を図3に示す。従来の電界共鳴方式による送受電カプラ部40は、コンデンサ41とコイル42とを直列接続して構成された送電カプラ43と、コンデンサ44とコイル45とを直列接続して構成された受電カプラ46とを備えている。送電カプラ43は、電源11から供給された電力を電界共鳴により受電カプラ46にワイヤレスで伝送する。受電カプラ46は、受電した電力を負荷20に供給する。   FIG. 3 shows the configuration of a conventional power transmission / reception coupler unit employing the electric field resonance method. A conventional power transmission / reception coupler unit 40 using an electric field resonance system includes a power transmission coupler 43 configured by connecting a capacitor 41 and a coil 42 in series, a power reception coupler 46 configured by connecting a capacitor 44 and a coil 45 in series, and It has. The power transmission coupler 43 wirelessly transmits the power supplied from the power supply 11 to the power reception coupler 46 by electric field resonance. The power receiving coupler 46 supplies the received power to the load 20.

電界共鳴方式の送受電カプラ部40との比較のために、磁界共鳴方式を採用した従来の送受電カプラ部の構成を図4に示す。従来の磁界共鳴方式による送受電カプラ部50は、コンデンサ51とコイル52とを直列接続して構成された送電カプラ53と、コンデンサ54とコイル55とを直列接続して構成された受電カプラ56とを備えている。送電カプラ53は、電源11から供給された電力を磁界共鳴により受電カプラ56にワイヤレスで伝送する。受電カプラ56は、受電した電力を負荷20に供給する。   For comparison with the electric field resonance type power transmission / reception coupler unit 40, FIG. 4 shows a configuration of a conventional power transmission / reception coupler unit employing the magnetic field resonance method. A conventional power transmission / reception coupler unit 50 using a magnetic field resonance method includes a power transmission coupler 53 configured by connecting a capacitor 51 and a coil 52 in series, and a power reception coupler 56 configured by connecting a capacitor 54 and a coil 55 in series. It has. The power transmission coupler 53 wirelessly transmits the power supplied from the power supply 11 to the power reception coupler 56 by magnetic field resonance. The power receiving coupler 56 supplies the received power to the load 20.

なお、磁界共鳴方式の送受電カプラ部の構成として、より詳細には図5に示す4つのコイルからなるものが用いられる。図5に示す送受電カプラ部60は、エキサイトコイル61、送電コイル62及びコンデンサ63からなる送電カプラ64と、受電コイル65、コンデンサ66及びロードコイル67からなる受電カプラ68で構成されている。送電コイル62と受電コイル65との間で磁界共鳴により電力伝送され、エキサイトコイル61と送電コイル62との間、及び受電コイル65とロードコイル67との間は電磁誘導で結合される。   As a configuration of the magnetic field resonance type power transmission / reception coupler unit, more specifically, a configuration including four coils shown in FIG. 5 is used. The power transmission / reception coupler unit 60 shown in FIG. 5 includes a power transmission coupler 64 including an exciting coil 61, a power transmission coil 62 and a capacitor 63, and a power reception coupler 68 including a power reception coil 65, a capacitor 66 and a load coil 67. Electric power is transmitted between the power transmission coil 62 and the power reception coil 65 by magnetic field resonance, and the excitation coil 61 and the power transmission coil 62 and the power reception coil 65 and the load coil 67 are coupled by electromagnetic induction.

図3に示す送受電カプラ部40では、送電カプラ43と受電カプラ46との間で電界共鳴させるために、コンデンサ41と44の寸法を大きくして対向させて配置している。コンデンサ41、44の寸法を大きくすることで、電界共鳴による伝送効率を高くすることができる。送電カプラ43及び受電カプラ46の共振周波数をfcとするために、コンデンサ41、44の寸法を大きくするとともに、コイル42、45の寸法を小さくしている。   In the power transmission / reception coupler section 40 shown in FIG. 3, in order to cause electric field resonance between the power transmission coupler 43 and the power reception coupler 46, the dimensions of the capacitors 41 and 44 are made larger and opposed to each other. By increasing the dimensions of the capacitors 41 and 44, the transmission efficiency by electric field resonance can be increased. In order to set the resonance frequency of the power transmission coupler 43 and the power reception coupler 46 to fc, the dimensions of the capacitors 41 and 44 are increased, and the dimensions of the coils 42 and 45 are decreased.

これに対し、図4に示す送受電カプラ部50では、送電カプラ53と受電カプラ56との間で磁界共鳴させるために、コイル52、55の寸法を大きくして対向させて配置している。コイル52、55の寸法を大きくすることで、磁界共鳴による伝送効率を高くすることができる。送電カプラ53及び受電カプラ56の共振周波数をfcとするために、コイル52、55の寸法を大きくするとともに、コンデンサ51と54の寸法を小さくしている。なお、図5に示す送受電カプラ部60では、磁界共鳴を行う送電コイル62と受電コイル65の寸法を大きくする。   On the other hand, in the power transmission / reception coupler unit 50 shown in FIG. 4, the dimensions of the coils 52, 55 are increased and faced to make magnetic resonance between the power transmission coupler 53 and the power reception coupler 56. By increasing the dimensions of the coils 52 and 55, the transmission efficiency by magnetic field resonance can be increased. In order to set the resonance frequency of the power transmission coupler 53 and the power reception coupler 56 to fc, the dimensions of the coils 52 and 55 are increased, and the dimensions of the capacitors 51 and 54 are decreased. In the power transmission / reception coupler section 60 shown in FIG. 5, the dimensions of the power transmission coil 62 and the power reception coil 65 that perform magnetic field resonance are increased.

MHz以上の高い周波数で電磁界共鳴を行うと、コイルでは表皮効果と近接効果により大きな損失が発生することから、コイルの寸法を大きくする必要がある磁界共鳴方式の送受電カプラ部50では、コイル52、55で大きな損失が発生する。これに対し、電界共鳴方式の送受電カプラ部40では、寸法の小さいコイル42、45を用いることから、コイル42、45での損失を小さくすることができる。また、コイルに比べてコンデンサにおける損失は極めて小さい。本実施形態のワイヤレス給電装置100は、送受電カプラ部40と同じ電界共鳴方式を採用していることから、送電カプラ120及び受電カプラ130における損失を低減させることができる。   When electromagnetic resonance is performed at a high frequency of MHz or higher, a large loss occurs due to the skin effect and proximity effect in the coil. Therefore, in the magnetic field resonance type power transmission / reception coupler unit 50 that needs to increase the size of the coil, the coil A large loss occurs at 52 and 55. On the other hand, in the electric field resonance type power transmission / reception coupler section 40, since the coils 42 and 45 having small dimensions are used, the loss in the coils 42 and 45 can be reduced. Further, the loss in the capacitor is extremely small compared to the coil. Since the wireless power feeding apparatus 100 according to the present embodiment employs the same electric field resonance method as that of the power transmission / reception coupler unit 40, the loss in the power transmission coupler 120 and the power reception coupler 130 can be reduced.

図2に示したソフトスイッチング方式で動作する従来の電源部30に、図3に示した電界共鳴方式の送受電カプラ部40を接続したワイヤレス給電装置の構成を図6に示す。同図に示すように、従来の構成では、コンデンサ35とコイル36とからなる直列共振回路34が、送電カプラ43のコンデンサ41とコイル42とからなる直列共振回路と直列に接続されることになる。本実施形態のワイヤレス給電装置100は、このような2つの直列共振回路の直列接続を、1つの直列共振回路114で共用させるように構成したものである。これにより、コンデンサ及びコイルの数を減らしてコストダウンを図るとともに、コイルを減らすことで損失を低減させることができる。   FIG. 6 shows a configuration of a wireless power feeding apparatus in which the electric field resonance type power transmission / reception coupler unit 40 shown in FIG. 3 is connected to the conventional power source unit 30 operating in the soft switching mode shown in FIG. As shown in the figure, in the conventional configuration, the series resonance circuit 34 including the capacitor 35 and the coil 36 is connected in series with the series resonance circuit including the capacitor 41 and the coil 42 of the power transmission coupler 43. . The wireless power supply apparatus 100 according to the present embodiment is configured such that one series resonance circuit 114 shares such series connection of two series resonance circuits. As a result, the number of capacitors and coils can be reduced to reduce costs, and loss can be reduced by reducing the number of coils.

図6の構成との比較のために、図2に示した従来の電源部30に、図4に示した磁界共鳴方式の送受電カプラ部50を接続したワイヤレス給電装置の構成を図7に示す。この場合でも、コンデンサ35とコイル36とからなる直列共振回路34が、送電カプラ53のコンデンサ51とコイル52からなる直列共振回路と直列に接続されることになる。図8に示した特許文献1の構成では、このような2つの直列共振回路の直列接続を、1つの直列共振回路34で共用させるように構成したものである。これにより、コンデンサ及びコイルの数を減らすことができるが、磁界共鳴方式ではコイル52、55を大きくする必要があることから、特許文献1の構成ではコイルによる損失が大きくなる。   For comparison with the configuration of FIG. 6, FIG. 7 shows a configuration of a wireless power feeding apparatus in which the magnetic resonance type power transmission / reception coupler unit 50 shown in FIG. 4 is connected to the conventional power source unit 30 shown in FIG. . Even in this case, the series resonance circuit 34 including the capacitor 35 and the coil 36 is connected in series with the series resonance circuit including the capacitor 51 and the coil 52 of the power transmission coupler 53. In the configuration of Patent Document 1 shown in FIG. 8, such a series connection of two series resonance circuits is configured to be shared by one series resonance circuit 34. As a result, the number of capacitors and coils can be reduced. However, in the magnetic field resonance method, the coils 52 and 55 need to be enlarged.

なお、特許文献1に記載のワイヤレス給電装置90では、エキサイトコイルを用いないで送電コイルに交流電流を直接供給するハーフブリッジ型の給電回路としており、図5に示す送電コイル62及びこれに直列接続されたコンデンサ63を直列共振回路34のコンデンサ35及びコイル36と共用させている。   Note that the wireless power feeding device 90 described in Patent Document 1 is a half-bridge power feeding circuit that directly supplies an alternating current to a power transmission coil without using an exciting coil, and is connected in series to the power transmission coil 62 shown in FIG. The capacitor 63 is shared with the capacitor 35 and the coil 36 of the series resonance circuit 34.

本実施形態のワイヤレス給電装置によれば、ソフトスイッチング方式で動作する電源部の直列共振回路と送電カプラとを共用化させることで、コンデンサ及びコイルの数を減らしてコスト低減を図ることができる。また、電界共鳴方式でワイヤレス伝送を行うようにすることで、送受電カプラのコイルを小型化することができ、コイルによる損失を大幅に低減することができる。さらに、コイルを小型化することで送受電カプラからの漏れ磁束も大幅に低減することができる。一方、送受電カプラのコンデンサを大きくしたことで、電界の漏れや電磁波の漏れを低減させる必要があるときは、金属板等で容易に遮蔽することができる。   According to the wireless power supply apparatus of the present embodiment, by sharing the series resonance circuit of the power supply unit that operates in the soft switching system and the power transmission coupler, the number of capacitors and coils can be reduced and the cost can be reduced. Moreover, by performing wireless transmission by the electric field resonance method, the coil of the power transmission / reception coupler can be reduced in size, and the loss due to the coil can be greatly reduced. Furthermore, the magnetic flux leakage from the power transmission / reception coupler can be greatly reduced by downsizing the coil. On the other hand, when it is necessary to reduce the leakage of the electric field and the leakage of electromagnetic waves by increasing the capacitor of the power transmission / reception coupler, it can be easily shielded with a metal plate or the like.

電源部110の直列共振回路114と送電カプラ120とを共用化させることで、電力損失がどの程度低減されるかをシミュレーション結果を用いて説明する。一例として外部電源10から500W印加されたとき、電源部110の直列共振回路114と送電カプラ120とを別々に設けた従来の構成では85Wの損失が生じる。これに対し、直列共振回路114と送電カプラ120とを共用化させた本実施形態では、500Wの印加に対して62Wの損失となっており、従来の構成より23Wの損失を低減させることが可能となっている。   The degree to which the power loss is reduced by sharing the series resonant circuit 114 and the power transmission coupler 120 of the power supply unit 110 will be described using simulation results. As an example, when 500 W is applied from the external power supply 10, a loss of 85 W occurs in the conventional configuration in which the series resonance circuit 114 and the power transmission coupler 120 of the power supply unit 110 are separately provided. On the other hand, in the present embodiment in which the series resonant circuit 114 and the power transmission coupler 120 are shared, the loss is 62 W with respect to 500 W applied, and it is possible to reduce the 23 W loss from the conventional configuration. It has become.

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係るワイヤレス給電装置の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態におけるワイヤレス給電装置の細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。   Note that the description in the present embodiment shows an example of the wireless power supply apparatus according to the present invention, and the present invention is not limited to this. The detailed configuration and detailed operation of the wireless power supply apparatus in this embodiment can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

100 ワイヤレス給電装置
110 電源部
111 パルス生成部
112 トランジスタ
112a ゲート端子
112b ソース端子
112c ドレイン端子
113 第1のコンデンサ
114 直列共振回路
115 チョークコイル
120 送電カプラ
121 第2のコンデンサ
122 第1のコイル
130 受電カプラ
131 第3のコンデンサ
132 第2のコイル
140 受電平滑回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Wireless power supply device 110 Power supply part 111 Pulse generation part 112 Transistor 112a Gate terminal 112b Source terminal 112c Drain terminal 113 1st capacitor | condenser 114 Series resonance circuit 115 Choke coil 120 Power transmission coupler 121 2nd capacitor 122 1st coil 130 Power reception coupler 131 Third capacitor 132 Second coil 140 Power receiving smoothing circuit

Claims (4)

同じ共振周波数を有する送電カプラから受電カプラにワイヤレスで電力を伝送するワイヤレス給電装置であって、
前記共振周波数でスイッチング動作させるトランジスタと、前記トランジスタに並列に接続された第1のコンデンサと、第2のコンデンサと第1のコイルとを直列接続して前記共振周波数で共振する直列共振回路と、を具備する電源部を備え、
前記送電カプラは、前記第2のコンデンサ及び前記第1のコイルを共用して構成され、
前記第2のコンデンサと前記受電カプラが具備する第3のコンデンサとの間で電界共鳴させることで電力を伝送させる
ことを特徴とするワイヤレス給電装置。
A wireless power feeder that wirelessly transmits power from a power transmission coupler having the same resonance frequency to a power reception coupler,
A transistor that performs a switching operation at the resonance frequency, a first capacitor connected in parallel to the transistor, a series resonance circuit that resonates at the resonance frequency by connecting a second capacitor and a first coil in series, A power supply unit comprising:
The power transmission coupler is configured to share the second capacitor and the first coil,
A wireless power feeder, wherein electric power is transmitted by causing electric field resonance between the second capacitor and a third capacitor included in the power receiving coupler.
前記電源部は、ソフトスイッチング方式により前記共振周波数の電力を発生させて前記送電カプラに供給する
ことを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス給電装置。
The wireless power feeder according to claim 1, wherein the power supply unit generates power of the resonance frequency by a soft switching method and supplies the power to the power transmission coupler.
前記第2のコンデンサは、前記第3のコンデンサに対し電界共鳴により所定の伝送効率で電力伝送可能な寸法以上に大きくするとともに、前記第1のコイルは、前記第2のコンデンサとの間で前記共振周波数となるように寸法を小さくして損失を低減させている
ことを特徴とする請求項1または2に記載のワイヤレス給電装置。
The second capacitor is larger than a dimension capable of transmitting power at a predetermined transmission efficiency by electric field resonance with respect to the third capacitor, and the first coil is disposed between the second capacitor and the second capacitor. The wireless power feeding apparatus according to claim 1, wherein the loss is reduced by reducing a dimension so as to be a resonance frequency.
前記共振周波数は、ISM周波数帯の周波数である
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のワイヤレス給電装置。



The wireless power feeding apparatus according to claim 1, wherein the resonance frequency is a frequency in an ISM frequency band.



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