JP2017028998A - ワイヤレス給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力伝送デバイスとしてループコイルを用い、非常にシンプルなワイヤレス給電装置を提供する。
【解決手段】送電装置PSUに設けられている送電ループコイルnpは、直流電源から電気エネルギーを取り出して、周期的に変化する電磁界共鳴エネルギーを空間に発生させる。受電装置PRUに設けられている受電ループコイルnsは、周期的に変化する電磁界共鳴エネルギーを空間から電気エネルギーとして取り出して負荷に電力を供給する。送電ループコイルnpと受電ループコイルnsとは電磁界共鳴結合し、送電装置PSUから受電装置PRUへワイヤレスで電力が給電される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力送電装置と電力受電装置とで構成されるワイヤレス給電装置に関するものである。

近年、電子機器の小型軽量化および低消費電力化、さらには電池容量の増大化に伴い、電池駆動の電子機器が増加している。また、近距離では機器間のデータ通信を無線で行う利用形態も増えている。これらの事情に伴って電力についても非接触での伝送技術が要求されている。

例えば、従来の非接触型の充電システムは、特許文献１に示されるように、充電台等に一次側コイルを備える送電装置と、二次コイルおよび充電電池を備えた携帯電子機器とで構成されていて、ユーザは携帯電子機器を送電装置に載置する。これにより、送電装置の一次側コイルと携帯電子機器の二次側コイルとが電磁誘導結合（磁界結合）して充電装置側へ電力が供給され、二次電池が充電される。

特開２００８−２０６３２７号公報

特許文献１の非接触型の充電システムにおいては、送電コイルと受電コイルとは電磁誘導を利用した絶縁トランスとして作用し、磁気結合を利用した変圧器として利用しているに過ぎない。電磁誘導を利用したトランスでは、１次巻線に流れる電流により発生した磁束を２次巻線に鎖交させて電流を流し、電気から磁気、そして電気へと効率よく変換することが重要となっている。

電磁誘導を利用したワイヤレス給電装置においては、電力変換効率を高めるために、１次巻線と２次巻線との磁気結合度を如何に高めるかが重要となっている。しかしながら、磁気飽和を防止するため、または物理的な制約により、トランスの磁気結合度を大きくすることが困難な場合も多く、結果的に高い電力変換効率が得られない。

また、近年、共鳴方式を用いたワイヤレス給電技術の研究開発が活発化している。2007年にMIT（マサチューセッツ工科大学）より報告され注目を集めた、周波数10MHz、伝送距離2mでの電力伝送実験では、電力効率が約15％と非常に低い。その主な理由は、コルピッツ発振回路を用いて高周波交流電流を発生させたためと推察される。コルピッツ発振回路における電力増幅回路において、交流電流を発生させる段階で多くの電力を失っていると考えられる。ワイヤレス給電における最重要課題は、高効率な高周波交流電流の発生であるといっても過言ではない。

本発明は電磁界共鳴結合を形成してワイヤレス給電を行う装置に関する。電磁界共鳴結合でワイヤレス給電を行う場合には次のような課題がある。

（1）磁界共鳴結合を形成してワイヤレス給電を行う装置においては、電力伝送デバイスを用いて電力の送電、受電が行われるが、これまでの電力伝送デバイスには、複雑な構造を有するヘリカルコイルなどが用いられてきた。しかしながら、高い周波数で共鳴して結合を形成する電磁界共鳴結合においては、電力伝送デバイスが構造的に有する容量成分である浮遊容量が共鳴周波数に大きく影響を与える。しかし、構造的に決まる浮遊容量を産業応用上において、管理、調整することは非常に困難であり、シンプルな構造により構成される電力伝送デバイスを用いた電磁界共鳴結合を形成してワイヤレス給電を行う技術が求められている。

（2）電力源において発生する電力に対する目的とする負荷での消費電力の割合である電力効率に関し、巻き数の多いコイルを電力伝送デバイスとすると、等価直列交流抵抗が大きくなるので電力効率が大きく低下する。

（3）電磁界共鳴結合を形成するための交流電力発生源に電力増幅回路を用いると、その電力増幅回路での電力損失が大きく、例えばA級増幅回路では、交流電力を発生させるための電力効率は、理論上の最高でも50％となる。このため、電力増幅回路を用いると電力効率の非常に悪いワイヤレス給電システムしか構成できない。

本発明は、電力伝送デバイスとしてループコイルを用い、非常にシンプルなワイヤレス給電装置を提供することを目的としている。

本発明のワイヤレス給電装置は次のように構成される。

（1）送電コイルを備えた送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とで構成されるワイヤレス給電装置において、
前記送電コイルと等価的に直列接続されて送電側共振回路を構成する少なくとも１つの共振キャパシタと、
前記送電側共振回路と接続され、オンオフさせることにより直流電源を前記送電側共振回路に断続的に加えて前記送電側共振回路に共振電流を発生させるスイッチ素子とこのスイッチ素子を制御するスイッチング制御回路とを備えた送電側スイッチング回路と、
前記受電コイルと等価的に直列に接続され受電側共振回路を構成する少なくとも１つの共振キャパシタと、
前記受電側共振回路に接続され、共振電流を整流して負荷に電流を供給する整流素子を備えた受電側整流回路と、
を備え、
前記送電コイルまたは前記受電コイルの少なくとも一方は、導体線に比べて１０倍以上の径をもつループコイルであり、
前記ループコイルは電気的に直接的に、前記スイッチ素子または前記整流素子と接続され、
前記送電コイルは、前記直流電源から電気エネルギーを取り出して、周期的に変化する電磁界共鳴エネルギーを空間に発生させ、
前記受電コイルは、周期的に変化する電磁界共鳴エネルギーを空間から電気エネルギーとして取り出して負荷に電力を供給し、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互誘導により等価的に相互インダクタンスを形成し、前記相互誘導に関与しない前記ループコイルの漏れインダクタンスは、前記送電側共振回路または前記受電側共振回路の一部を構成し、前記送電側共振回路と前記受電側共振回路とが容量結合することなく電磁界共鳴結合することにより形成される複共振回路の共振周波数にスイッチング周波数を同調させることにより電磁界共鳴結合が形成され、
前記送電側共振回路と前記受電側共振回路とが共鳴して、前記相互インダクタンスに共振電流が流れる電磁界共鳴結合により前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送し、
前記電磁界共鳴結合する回路のインピーダンスが大きくなる高次の周波数成分がカットされ、前記共鳴による、主にスイッチング周波数成分の、共鳴電流のみが前記ループコイルに流れ、前記ループコイルは、電磁界共鳴結合を形成し、前記ループコイルからの反射電力をエネルギー損失とすることなく共振エネルギーとして保存され、
前記ループコイルと共に前記送電側共振回路または前記受電側共振回路を構成する前記共振キャパシタは、前記受電装置の出力に負荷が接続された状態で、前記送電側スイッチング回路に接続される前記送電側共振回路の入力から負荷側全体をみた入力インピーダンスが極小となる共振周波数が前記スイッチング周波数とほぼ一致するように設定され、前記電磁界共鳴結合が、前記ループコイルの有する容量成分である浮遊容量の影響を受けないように構成されたことを特徴とする。

上記構成により、複雑なコイルを用いることなく、シンプルなループコイルを用いて、電磁界共鳴結合を形成することができ、シンプルなスイッチングワイヤレス給電装置を構成することができる。また、ループコイルは、等価直列交流抵抗が小さいため、ループコイルでの電力損失は小さく、磁界共振結合により送電回路から受電回路へ効率良く電力を伝送することができ、ワイヤレス給電装置の高効率化を図ることができる。

（2）前記ループコイルは２次元平面に形成されていることが好ましい。これにより、シンプルで薄型のワイヤレス給電装置を構成することができる。

（3）必要に応じて、前記ループコイルは互いに直交する２つの２次元平面上に形成され、３次元空間のループコイルが構成されていることが好ましい。この構造により、xyz軸の３つの軸のうち２つの軸方向でエネルギーを容易に送受電することができ、送受電装置の位置関係に関して自由度が大幅に向上する。

（4）前記ループコイルは、相互に直交する３つの２次元平面上に形成され、３次元空間のループコイルが構成されていることが好ましい。この構造により、xyz軸の３つの法線方向について容易にエネルギーを送受電することができ、送受電装置の位置関係に関して自由度が大幅に拡大する。

（5）必要に応じて、前記ループコイルは同一２次元平面上に複数旋回形成されていることが好ましい。この構成により、ループコイルが形成する磁気的エネルギーが大きくなり、単位周期あたりの電磁界共鳴エネルギーが大きくなり、電力送電量を大きくすることができる。これによりワイヤレス給電装置の小型軽量化を図ることができる。

（6）前記受電装置の出力に適当な負荷を接続した場合に、前記送電側スイッチング回路に接続される前記送電側共振回路の入力から負荷側全体をみた入力インピーダンスが極小となる共振周波数をfr、前記スイッチング周波数をfsで表すと、
前記スイッチング制御回路は、0.8fs≦fr≦1.2fsで動作するように構成されていることが好ましい。この構成により、スイッチング周波数fsが共振周波数fr付近にて動作するので、共鳴エネルギーが大きくなり、エネルギー送電量を大きくすることができる。これによりワイヤレス給電装置の小型軽量化を図ることができる。

（7）前記受電装置の出力に適当な負荷を接続した場合に、前記送電側スイッチング回路に接続される前記送電側共振回路の入力から負荷側全体をみた入力インピーダンスが極小となる共振周波数をfr、前記スイッチング周波数をfsで表すと、
前記スイッチング制御回路は、fs>fr で動作するように構成されていることが好ましい。この構成により、スイッチング回路から見た複共振回路の入力インピーダンスは誘導性となり、そのことで、送電回路を構成するスイッチ素子においてゼロ電圧スイッチングZVS動作を実現することができる。また、全負荷範囲に亘ってスイッチ素子のZVS動作を行うことが可能となる。このZVS動作により、スイッチング損失を低減することで高効率化を図ることができ、ワイヤレス給電装置の小型軽量化を図ることができる。

（8）前記スイッチング制御回路は、前記スイッチ素子の両端電圧がゼロ電圧付近に低下した際に前記スイッチ素子をターンオンするように制御してゼロ電圧スイッチング動作するように構成されていることが好ましい。この構成により、両端電圧がゼロ電圧付近に低下した際にターンオンすることで、スイッチング損失をより少なく低減することができる。また、ZVS動作によりスイッチング損失を低減することで高効率化を図ることができ、ワイヤレス給電装置の小型軽量化を図ることができる。

（9）前記受電側整流回路は、前記受電側共振回路を構成する前記共振キャパシタに対して例えば直列に接続され、前記共振キャパシタに流れる電流を取り出すように整流して前記負荷に電力を供給するようにしてもよい。この構成により、キャパシタに流れる電流を整流することで負荷に大きな電流を供給できる。また、整流素子の耐圧を低くすることができ、整流損失を低減し、ワイヤレス給電装置の高効率化、小型軽量化を図ることができる。

（10）前記受電側整流回路は、前記受電側共振回路を構成する前記共振キャパシタに対して例えば並列に構成され、前記共振キャパシタに加えられる電圧から電流を取り出すように整流して前記負荷に電力を供給するようにしてもよい。この構成により、共振キャパシタに加えられる電圧から電流を取り出して整流することで負荷に大きな電圧を供給できる。また、整流素子の耐電流値を低くすることができ、整流損失を低減し、ワイヤレス給電装置の高効率化、小型軽量化を図ることができる。

（11）前記受電側整流回路は例えばブリッジ整流回路であることが好ましい。これにより、受電ループコイルに発生する双方向の電流を整流することができる。また、整流素子の耐電流値を低くすることができ、ワイヤレス給電装置の高効率化、小型化を図ることができる。

（12）前記受電側整流回路は例えば半波整流回路であることが好ましい。これにより、１つの整流素子で構成することができ、ワイヤレス給電装置の小型軽量化を図ることができる。

（13）前記受電側整流回路は例えば倍電圧整流回路であることが好ましい。これにより、ループコイルに発生する電圧に対してより高い電圧を負荷に供給できる。

（14）前記送電側共振回路の共振周波数は前記受電側共振回路の共振周波数に対して±20％の範囲内で一致していることが好ましい。これにより、スイッチング周波数と共振周波数とが同調して電磁界共鳴エネルギーを大きくすることができ、送電回路から受電回路へ大きな電力を送電することができる。

（15）前記整流素子の接合容量を前記共振キャパシタまたは前記共振キャパシタの一部として利用することが好ましい。これにより、電力伝送動作の不具合を防止することができる。また、部品数を削減することでワイヤレス給電装置の小型軽量化を図ることができる。

（16）前記ループコイルの前記浮遊容量を前記共振キャパシタの全部または一部として用いることが好ましい。これにより、不要な電磁波の放射を抑制することができる。また、部品数を削減することでワイヤレス給電装置の小型軽量化を図ることができる。

（17）前記スイッチ素子はFETであり、前記送電側スイッチング回路は前記FETの寄生容量および逆並列ダイオードを含むことが好ましい。これにより、部品数を削減して、ワイヤレス給電装置の高効率化、小型軽量化を図ることができる。

（18）前記送電側スイッチング回路は例えばハーフブリッジ構成であることが好ましい。これにより、１石式の構成に比べてスイッチ素子に加えられる電圧が低減され、ワイヤレス給電装置の高効率化、小型軽量化を図ることができる。

（19）前記送電側スイッチング回路は例えばフルブリッジ構成であることが好ましい。これにより、ハーフブリッジの構成に比べてさらにスイッチ素子に加えられる電圧が低減され、ワイヤレス給電装置の高効率化、小型軽量化を図ることができる。

（20）前記受電側整流回路は例えばスイッチ素子を備えた同期整流回路であることが好ましい。これにより、整流損失の低減を図ることができる。

本発明によれば、次の効果を奏する。

（1）複雑なコイルを用いることなく、シンプルなループコイルを用いて、電磁界共鳴結合を形成することができ、シンプルなスイッチングワイヤレス給電装置を構成することができる。

（2）ループコイルは、等価直列交流抵抗が小さいため、ループコイルでの電力損失は小さく、磁界共振結合により送電回路から受電回路へ効率良く電力を伝送することができ、ワイヤレス給電装置の高効率化を図ることができる。

（3）スイッチング動作を制御するスイッチング制御回路により伝送電力が制御できる。

図１（Ａ）は第１の実施形態のワイヤレス給電装置１０１の回路図である。 図２は図１（Ａ）の各部の波形図である。 図３は第２の実施形態に係るワイヤレス給電装置の送電ループコイルおよび受電ループコイルの構造を示す図である。 図４は第３の実施形態に係るワイヤレス給電装置の送電ループコイルおよび受電ループコイルの構造を示す図である。 図５は第４の実施形態に係るワイヤレス給電装置が備える送電ループコイルｎｐおよび受電ループコイルｎｓの構造を示す図である。 図６は第４の実施形態に係るワイヤレス給電装置が備える別の送電ループコイルｎｐおよび受電ループコイルｎｓの構造を示す図である。 図７は、第５の実施形態に係るワイヤレス給電装置の、送電側共振回路の入力から負荷側全体をみた入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。 図８は、第６の実施形態に係るワイヤレス給電装置の、送電側共振回路の入力から負荷側全体をみた入力インピーダンスのリアクタンスの周波数特性を示す図である。 図９は第７の実施形態に係るワイヤレス給電装置の回路図である。 図１０は第７の実施形態に係る別のワイヤレス給電装置の回路図である。 図１１は第７の実施形態に係る別のワイヤレス給電装置の回路図である。 図１２は第７の実施形態に係る別のワイヤレス給電装置の回路図である。 図１３は第７の実施形態に係る別のワイヤレス給電装置の回路図である。 図１４は第７の実施形態に係る別のワイヤレス給電装置の回路図である。 図１５は第７の実施形態に係る更に別のワイヤレス給電装置の回路図である。 図１６は第８の実施形態に係るワイヤレス給電装置の回路図である。 図１７は第８の実施形態に係る別のワイヤレス給電装置の回路図である。 図１８は第８の実施形態に係る別のワイヤレス給電装置の回路図である。 図１９は第８の実施形態に係る別のワイヤレス給電装置の回路図である。 図２０は第８の実施形態に係る別のワイヤレス給電装置の回路図である。 図２１は第８の実施形態に係る更に別のワイヤレス給電装置の回路図である。 図２２は第９の実施形態に係るワイヤレス給電装置の回路図である。 図２３は第９の実施形態に係る別のワイヤレス給電装置の回路図である。 図２４は第１０の実施形態に係るワイヤレス給電装置の回路図である。 図２５は第１１の実施形態に係るワイヤレス給電装置の回路図である。 図２６は第１２の実施形態のワイヤレス給電装置の回路図である。

《第１の実施形態》
図１（Ａ）は第１の実施形態のワイヤレス給電装置101の回路図である。図１（Ｂ）は図１（Ａ）の一部の等価回路図である。

ワイヤレス給電装置101は送電ループコイルnpを備える送電装置PSUと受電ループコイルnsを備える受電装置PRUとで構成されている。このワイヤレス給電装置101は、送電装置PSUの入力部に入力電源Viを備え、受電装置PRUの負荷Roへ安定した直流のエネルギーをワイヤレス給電するシステムである。

送電装置PSUは、送電ループコイルnpと、共振キャパシタCrと、スイッチ素子Q1，Q2と、これらスイッチ素子Q1，Q2を制御するスイッチング制御回路10を含む送電側スイッチング回路とを備えている。

送電ループコイルnpと共振キャパシタCrとで「送電側共振回路」が構成されている。

スイッチ素子Q1、逆並列ダイオードDds1および寄生キャパシタCds1の並列接続回路でスイッチ回路S1が構成されている。同様に、スイッチ素子Q2、逆並列ダイオードDds2および寄生キャパシタCds2の並列接続回路でスイッチ回路S2が構成されている。以下、逆並列ダイオード（寄生ダイオード）を単に「ダイオード」という。

スイッチング制御回路10は送電側共振回路に接続され、スイッチ回路S1，S2を所定のスイッチング周波数で交互にオンオフさせることにより、直流電源を送電側共振回路に断続的に加えて送電側共振回路に共振電流を発生させる。

この例では、送電側スイッチング回路は２つのスイッチ回路S1，S2を備えたハーフブリッジ回路を構成している。

受電装置PRUは、受電ループコイルnsと、共振キャパシタCrsと、スイッチ素子Q3，Q4と、スイッチ素子Q3，Q4を制御するスイッチング制御回路20を含む受電側スイッチング回路と、平滑キャパシタCoとを備えている。

受電ループコイルnsと、それに等価的に直列に接続された共振キャパシタCrsとで「受電側共振回路」が構成されている。

スイッチ素子Q3、ダイオードDds3およびキャパシタCds3の並列接続回路でスイッチ回路S3が構成されている。同様に、スイッチ素子Q4、ダイオードDds4およびキャパシタCds4の並列接続回路でスイッチ回路S4が構成されている。

スイッチング制御回路20は受電ループコイルnsに流れる電流を検出し、その極性反転に同期してスイッチ素子Q3，Q4を交互にオンオフする。これにより、受電側共振回路に流れる共振電流が電流の流れる方向の変化に同期して整流されて、負荷に電流が供給される。これらのスイッチ回路S3，S4およびスイッチング制御回路20で受電側整流回路が構成されている。平滑キャパシタCoは受電側整流回路で整流された電圧を平滑する。

送電側のスイッチング制御回路10は入力電源Viを電源にして動作する。受電側のスイッチング制御回路20は、受電側共振回路に発生する電圧、負荷への出力電圧、または別途設けられた電力供給源などを電源にして動作する。

図１（Ｂ）は送電ループコイルnpおよび受電ループコイルnsにより構成される回路の等価回路図である。送電ループコイルnpおよび受電ループコイルnsはいずれも、理想トランス、相互インダクタンスおよび漏れインダクタンスによる等価回路で表している。すなわち、送電ループコイルnpは相互インダクタンスLmおよび漏れインダクタンスLrで表される。同様に、受電ループコイルnsは相互インダクタンスLmsおよび漏れインダクタンスLrsで表される。なお、図１（Ｂ）では明示していないが、送電ループコイルnpと受電ループコイルnsとの間には等価的な相互キャパシタンスも生じると考えることもできる。

送電ループコイルnpと受電ループコイルnsとの間に等価的に形成される相互インダクタンス（および相互キャパシタンス）で電磁界共鳴結合が生じ、送電側共振回路と受電側共振回路とが共鳴して、送電装置から受電装置へ電力が伝送される。一方、送電装置から送電されずに反射したエネルギー（無効電力）は送電側共振回路に共振エネルギーとして保存される。また、受電装置が受電したエネルギーのうち出力に供給されずに反射したエネルギー（無効電力）も受電側共振回路に共振エネルギーとして保存される。このように入射電力に対して透過電力とならない反射電力をエネルギー損失とすることなく、共振エネルギーとして保存することができる。

共鳴現象により、電磁界共鳴結合回路への入力電流iac _in(t)は、共振電流の振幅をIacとして、近似的に次式で表すことができる。

iac _in(t) =Iac sin(ωr t)
但し、ωr=2π／Tr （Tr：共振周期）
送電装置の直流電源入力端子間に正弦波電流iac in (t)が与えられる。この入力端子間には各周波数成分を含む電流が流入しようとするが、電磁界共鳴結合回路によってインピーダンスが大きくなる高次の周波数成分の電流（波形）はカットされ、共鳴動作を行なうことで、主にスイッチング周波数成分の共鳴電流波形のみが流れ、効率良く電力を伝送することができる。また、高調波成分による不要輻射も殆ど生じない。

例えば、7〜13MHzで0.1〜80Wの電力を2〜50mmの距離でワイヤレス給電する場合、送電ループコイルnpは例えば半径r=25〜75mm、導体線の線径φ=1〜2mmのオーダーである。

前記ループコイルは、金属線をループ状に成形することで、または回路基板にループ状の導体パターンを形成することで構成できる。

図１（Ａ）に示したワイヤレス給電装置101の特徴的な作用は次のとおりである。

（1）送電ループコイルnpの漏れインダクタンスLrと、この漏れインダクタンスLrに等価的に直列接続される共振キャパシタCrとにより送電側共振回路が構成される。

送電ループコイルnpに対して電気的に直接的に接続されたスイッチ素子Q1，Q2をスイッチング制御回路によりオンオフさせることにより、上記送電側共振回路に、直流電源を断続的に加えることによる共振電流が発生する。これにより、送電ループコイルnpは、直流電源から電気エネルギーを取り出して、周期的に変化する電磁界共鳴エネルギーを空間に発生させる。

受電ループコイルnsの漏れインダクタンスLrsと、この漏れインダクタンスLrsに等価的に直列接続される共振キャパシタCrsとにより受電側共振回路が構成される。

送電側共振回路の共振周波数と受電側共振回路の共振周波数とは±20％の範囲内で一致している。送電側共振回路の共振周波数と受電側共振回路の共振周波数を精度良く一致をさせておくことで、電磁界共鳴を形成する共鳴周波数を特定しやすくなり、不要な周波数性成分の電磁雑音の発生を防止することができ、また、ワイヤレス給電装置の設計も容易となる。

受電ループコイルnsは、周期的に変化する電磁界共鳴エネルギーを空間から電気エネルギーとして取り出して負荷に電力を供給する。送電ループコイルnpと受電ループコイルnsとの間に電磁界共鳴結合が形成され、送電ループコイルnpと受電ループコイルnsとの間では、相互誘導により等価的に相互インダクタンスが形成され、送電側共振回路と受電側共振回路とが共鳴して、相互インダクタンスに共振電流が流れる電磁界共鳴結合により、送電装置PSUから受電装置PRUへ電力が伝送される。

送電側共振回路と受電側共振回路とが電磁界共鳴結合することにより形成される複共振回路の共振周波数frにスイッチング周波数fsを同調させることにより、電磁界共鳴結合が形成され、送電装置PSUから受電装置PRUへ電力がワイヤレスで伝送される。

（2）スイッチング動作を制御するスイッチング制御回路10により伝送電力を制御する。

（3）スイッチ素子Q1，Q2，Q3，Q4はそれぞれの両端電圧がゼロ電圧付近に低下した際にターンオンするZVS動作を行う。

次に、図１（Ａ）に示したワイヤレス給電装置101の詳細な動作を、図２を参照して説明する。図２は図１（Ａ）の各部の波形図である。

送電ループコイルnpの相互インダクタンスをLm、送電ループコイルnpの漏れインダクタンスをLr、受電ループコイルnsの相互インダクタンスをLms、受電ループコイルnsの漏れインダクタンスをLrsとする。また、スイッチ素子Q1，Q2のゲート・ソース間電圧をvgs1，vgs2、ドレイン・ソース間電圧をvds1，vds2とする。

スイッチ素子Q1，Q2は、両スイッチ素子がオフとなる短いデットタイムを挟んで交互にオンオフされ、デットタイム期間にQ1，Q2に流れる電流をそれぞれ転流させてZVS動作を行う。1スイッチング周期における各状態での動作は次のとおりである。

(1) 状態１ 時刻t1〜t2
先ず、ダイオードDds1は導通する。ダイオードDds1の導通期間においてスイッチ素子Q1をターンオンすることでZVS動作が行われ、スイッチ素子Q1は導通する。送電ループコイルnpと受電ループコイルnsとの間に相互誘導によって等価的な相互インダクタンスLm，Lmsが形成され、Cr，Lr，Lm，Lms，Crs，Lrsからなる複共振回路において、送電共振回路と受電共振回路とが共鳴して、相互インダクタンスLm，Lmsに共振電流が流れ、電磁界共鳴結合を形成して、送電回路から受電回路へ電力が伝送される。送電側では、キャパシタCr、漏れインダクタンスLrに共振電流が流れる。受電側では、キャパシタCrsおよび漏れインダクタンスLrsに共振電流が流れ、スイッチ素子Q3，Q4により整流されて負荷に電力が供給される。

スイッチ素子Q1がターンオフすると状態２となる。

(2) 状態２ 時刻t2〜t3
送電装置PSU側では、漏れインダクタンスLrに流れていた電流irにより、寄生キャパシタCds1は充電され、寄生キャパシタCds2は放電される。電圧vds1が電圧Vi、電圧vds2が0VになるとダイオードDds2が導通して状態３となる。

(3) 状態３ 時刻t3〜t4
先ず、ダイオードDds2は導通する。ダイオードDds2の導通期間においてスイッチ素子Q2をターンオンすることでZVS動作が行われ、スイッチ素子Q2は導通する。送電ループコイルnpと受電ループコイルnsとの間に相互誘導によって等価的な相互インダクタンスLm，Lmsが形成され、Cr，Lr，Lm，Lms，Crs，Lrsからなる複共振回路において、送電共振回路と受電共振回路とが共鳴して、相互インダクタンスLm，Lmsに共振電流が流れ、電磁界共鳴結合を形成して送電回路から受電回路へ電力が伝送される。送電側では、キャパシタCr、漏れインダクタンスLrに共振電流が流れる。受電側では、キャパシタCrs、漏れインダクタンスLrsに共振電流が流れ、スイッチ素子Q3，Q4により整流されて負荷に電力が供給される。

スイッチ素子Q2がターンオフすると状態４となる。

(4) 状態４ 時刻t4〜t1
送電装置PSU側では、漏れインダクタンスLrに流れていた電流irにより、寄生キャパシタCds1は放電され、寄生キャパシタCds2は充電される。電圧vds1が0V、電圧vds2がViになるとダイオードDds1は導通して再び状態１となる。

以後、状態１〜４を周期的に繰り返す。

第１の実施形態によれば次のような効果を奏する。

（1）複雑なコイルを用いることなく、シンプルなループコイルを用いて、電磁界共鳴結合を形成することができ、シンプルなスイッチングワイヤレス給電装置を構成することができる。

（2）ループコイルnp，nsは、等価直列交流抵抗が小さいため、ループコイルでの電力損失は小さく、磁界共振結合により送電回路から受電回路へ効率良く電力を伝送することができ、ワイヤレス給電装置の高効率化を図ることができる。

（3）スイッチング周波数fsを共振周波数frに同調させることにより電磁界共鳴結合を形成し、送電装置から受電装置へ無線により効率よく電力を伝送することができる。

（4）スイッチング動作を制御するスイッチング制御回路10により、例えばスイッチング周波数の調整、スイッチング周期における時比率の調整、スイッチング動作の間欠による調整などにより、伝送電力が制御できる。

（5）スイッチング素子がZVS動作を行うことでスイッチング素子の電力損失を大きく低減することができる。

（6）受電装置側のオン抵抗の小さなスイッチング素子を用いた同期整流回路により、順方向電圧降下の大きいダイオードを用いた場合と比較して整流損失を低減できる。

（7）スイッチング制御回路20で受電装置側の同期整流回路の動作を制御することができ、例えば、受電装置側の同期整流回路の動作周波数を制御すること、整流する期間を調整すること、同期整流回路の動作そのものを間欠的に調整すること等で、送電装置側ではなく受電装置側でも伝送電力の調整が可能となる。

（8）受電装置側は、受電した電力により制御回路を動作させることができる。受電装置側に電源を備える必要がなく、装置の小型軽量化を図ることができる。

なお、図１（Ａ）に示した例では、スイッチング制御回路20は受電ループコイルnsに流れる電流を検出し、その極性反転に同期してスイッチ素子Q3，Q4を交互にオンオフするようにしたが、送電装置側のスイッチ素子Q1，Q2のスイッチングタイミング信号を送電装置PSUから受電装置PRUへ伝送し、受電装置PRU側で、スイッチ素子Q1，Q2のスイッチングタイミングに同期してスイッチ素子Q3，Q4を駆動するように構成してもよい。

《第２の実施形態》
第２の実施形態に係るワイヤレス給電装置においては、送電ループコイルと受電ループコイルのいずれか一方または双方は、互いに直交する２つの２次元平面上に形成され、３次元空間のループコイルを構成する。

図３は第２の実施形態に係るワイヤレス給電装置の送電ループコイルおよび受電ループコイルの構造を示す図である。送電ループコイルnpは、x軸を法線とする平面（y−z面）に形成されたループコイルnpxおよびz軸を法線とする平面（x−y面）に形成されたループコイルnpzで構成されている。同様に、受電ループコイルnsは、x軸を法線とする平面（y−z面）に形成されたループコイルnsxおよびz軸を法線とする平面（x−y面）に形成されたループコイルnszで構成されている。

第２の実施形態においては、互いに直交する２つの２次元平面上に構成された３次元空間のループコイルに共振電流が流れることにより、互いに直交しながら周期的に変化する電磁場、すなわち直交変動電磁界を２つの平面に形成される。そのため、xyz軸の３つの軸のうち２つの軸についてエネルギーを容易に送受電することができ、送電装置および受電装置の、特に２つの軸に対しての位置自由度を大きく拡大することができる。

なお、送電ループコイルまたは受電ループコイルの一方のみが、互いに直交する２つの２次元平面上に形成され、３次元空間のループコイルを構成するようにし、他方は１つの２次元平面上に形成されたループコイルであってもよい。

また、図３に示した例では、ループ面が互いに直交する２つのループコイルを直列接続したが、必要に応じてこれを並列接続してもよい。

《第３の実施形態》
第３の実施形態に係るワイヤレス給電装置においては、送電ループコイルと受電ループコイルのいずれか一方または双方は、互いに直交する３つの２次元平面上に形成され、３次元空間のループコイルを構成する。

図４は第３の実施形態に係るワイヤレス給電装置の送電ループコイルおよび受電ループコイルの構造を示す図である。送電ループコイルnpは、x軸を法線とする平面（y−z面）に形成されたループコイルnpx、y軸を法線とする平面（x−z面）に形成されたループコイルnpyおよびz軸を法線とする平面（x−y面）に形成されたループコイルnpzで構成されている。同様に、受電ループコイルnsは、x軸を法線とする平面（y−z面）に形成されたループコイルnsx、y軸を法線とする平面（x−z面）に形成されたループコイルnsyおよびz軸を法線とする平面（x−y面）に形成されたループコイルnszで構成されている。

第３の実施形態においては、互いに直交する３つの２次元平面上に構成された３次元空間のループコイルに共振電流が流れることにより、互いに直交しながら周期的に変化する直交変動電磁界を３つの平面に形成される。そのため、xyz軸の３つの軸についてエネルギーを容易に送受電することができ、送受電装置の位置関係に関して自由度が大幅に拡大する。

なお、送電ループコイルまたは受電ループコイルの一方のみが、互いに直交する３つの２次元平面上に形成され、３次元空間のループコイルを構成するようにし、他方は１つの２次元平面上に形成されたループコイルまたは２つの平面上に形成された３次元空間のループコイルであってもよい。

また、図４に示した例では、ループ面が互いに直交する３つのループコイルを直列接続したが、必要に応じてこれらを並列接続してもよい。

《第４の実施形態》
第４の実施形態に係るワイヤレス給電装置においては、送電ループコイルおよび受電ループコイルが同一２次元平面上に複数旋回形成されている。

図５は第４の実施形態に係るワイヤレス給電装置が備える送電ループコイルnpおよび受電ループコイルnsの構造を示す図である。送電ループコイルnpおよび受電ループコイルnsは、いずれも同一平面内で２回旋回形成されている。送電ループコイルおよび受電ループコイルが複数旋回形成されることにより、旋回されるピッチ幅に応じてループコイルに浮遊容量を形成することができる。この浮遊容量を共振キャパシタの全部または一部として用いることにより、別途部品として必要な共振キャパシタを不要としたり、容量値を低減したりすることが可能となる。

図６は第４の実施形態に係るワイヤレス給電装置が備える別の送電ループコイルnpおよび受電ループコイルnsの構造を示す図である。この例では、送電ループコイルと受電ループコイルのいずれか一方または双方は、互いに直交する２つの２次元平面上に形成され、３次元空間のループコイルを構成する。

この構成により、ループコイルが形成する磁気的エネルギーが大きくなり、単位周期あたりの電磁界共鳴エネルギーが大きくなり、電力送電量を大きくすることができる。これによりワイヤレス給電装置の小型軽量化を図ることができる。

《第５の実施形態》
第５の実施形態に係るワイヤレス給電装置のスイッチング制御回路は、受電回路の出力に適当な負荷を接続した場合に、送電側スイッチング回路に接続される送電側共振回路の入力から負荷側全体をみた入力インピーダンスが極小となる共振周波数（共鳴周波数）をfrで表し、スイッチング周波数をfsで表すと、0.8fs≦fr≦1.2fsで動作させる。すなわち、スイッチング周波数fsを共振周波数fr付近にて動作させる。電磁界共鳴方式では、共振周波数fr付近にて入力インピーダンスが急激に小さくなるために、共振電流の振幅を大きくすることができる。このため単位発振当たりに扱う電磁界エネルギーを大きくすることができ、大きな電力を伝送すること、電力効率よく電力を伝送することなどが可能となる。実用的な動作を考えれば、入力インピーダンスが極小となる-共振周波数frに対して、スイッチング周波数fsを、0.8fs≦fr≦1.2fs程度で動作させることが好ましいと言える。

図７は、第５の実施形態に係るワイヤレス給電装置の、送電側共振回路の入力から負荷側全体をみた入力インピーダンスの周波数特性を示す図である。ここで共振キャパシタCr，Crs は共振周波数が10MHz 付近となる値である。負荷抵抗Ro= 10Ωとし、距離dx を0.15，0.5，2.0，5.0，7.0cm と変化させたとき、前記入力インピーダンスおよび入力インピーダンスが極小となる共振周波数frは、図中矢印で示すように推移する。

例えば電力伝送距離dx=7cm（70mm）のとき、共振周波数fr≒10MHzであるので、スイッチング周波数fsは例えば10MHzとする。

このように、スイッチング周波数fsを共振周波数fr付近にて動作させることにより、入力インピーダンスの大きさが最も小さくなる共振周波数frとスイッチング周波数fsとが近づいて共振することにより、送電側共振回路および受電側共振回路の共鳴エネルギーが大きくなり、エネルギー送電量を大きくすることができる。そのため、ワイヤレス給電装置の小型軽量化を図ることができる。

《第６の実施形態》
第６の実施形態に係るワイヤレス給電装置のスイッチング制御回路は、前記共振周波数frがスイッチング周波数fsより低い状態で動作させる。すなわち、スイッチング回路から見た複共振回路の入力インピーダンスを誘導性とする。

図８は、第６の実施形態に係るワイヤレス給電装置の、送電側共振回路の入力から負荷側全体をみた入力インピーダンスのリアクタンスの周波数特性を示す図である。ここで共振キャパシタCr，Crs は共振周波数が10MHz 付近となる値である。負荷抵抗Ro= 10Ωとし、距離dx を0.15，0.5，2.0，5.0，7.0cm と変化させたとき、前記リアクタンスは図８に示すように変位する。

距離dxの変化に伴い、リアクタンスが0となる周波数が２つである双峰特性から、リアクタンスが0となる周波数が１つである単峰特性になることが分かる。入力インピーダンスのリアクタンスに注目すると３つの周波数を境に誘導性と容量性が入れ替わることが分かる。図８中の３つの丸印はdx=0．5cmにおいて、誘導性と容量性が入れ替わる周波数を示している。ZVS動作を実現するためには、入力インピーダンスを誘導性にして、電圧に対する遅れ電流を生成することが必要である。この遅れ電流によりデッドタイムにおいてスイッチ素子（FET）の寄生キャパシタCds1、Cds2 の充放電を行う。このため、例えば磁気結合が大きい双峰特性においては、動作スイッチング周波数fs は前記入力インピーダンスが誘導性となる周波数範囲内であることが必要である。

このようにして、スイッチング周波数を定めることで、全負荷範囲に亘ってスイッチング素子のZVS動作を行うことが可能となる。したがって、スイッチング素子の電力損失を大きく低減できる。また、スイッチング損失を低減することで高効率化を図ることができ、ワイヤレス給電装置を小型軽量化できる。

《第７の実施形態》
第７の実施形態では、受電側整流回路が、受電側共振回路を構成する共振キャパシタCrsに対して直列接続され、共振キャパシタCrsに流れる電流を取り出すように整流して負荷に電力を供給する構成であるワイヤレス給電装置について、特に第１の実施形態で示したものとは別のワイヤレス給電装置について図９〜図１５を参照して示す。

図９〜図１５はいずれも第７の実施形態に係るワイヤレス給電装置の回路図である。スイッチ素子の逆並列ダイオードおよび寄生キャパシタの図示は省略している。

図９において、受電側整流回路は半波整流回路である。ダイオードDsは共振キャパシタCrsに流れる電流を整流して負荷へ電流を供給する。

図１０において、受電側整流回路はダイオードDs1，Ds2，Ds3，Ds4によるダイオードブリッジ回路である。

図１１において、受電側整流回路は倍電圧同期整流回路である。共振キャパシタCr、Crs、は第１の実施形態とは異なる位置に構成している。同期整流用のスイッチ素子Qs1，Qs2に対して並列に共振キャパシタCsds1，Csds2を接続している。この構成によれば、倍電圧整流により高い出力電圧を得ることができ、また、スイッチ素子Qs1，Qs2の寄生キャパシタを共振キャパシタCsds1、Csds2として用いることができる。

図１２において、受電側整流回路は倍電圧整流回路である。ダイオードDs1，Ds2は共振キャパシタCrs1，Crs2に流れる電流を整流し、負荷へ倍電圧を供給する。

図１３、図１４において、受電側整流回路は倍電圧整流回路である。ダイオードDs1，Ds2は共振キャパシタCrsに流れる電流を倍電圧整流し、負荷へ倍電圧を供給する。図１３の例では、入力される直流電圧から、送電ループコイルnpに流す交流電流に対して相対的に直流電流とみなせる電流源を生成できる大きさのインダクタンス値をもつインダクタLfを備え、送電側には１つのスイッチ素子Q1のみを設けている。インダクタLfのインダクタンス値は、送電ループコイルnpのインダクタンス値よりも十分に大きく、スイッチング周波数において高インピーダンスとなるものであり、流れる電流の変動は十分に小さい。

図１５の例では、送電側に、図１３に示した送電装置の回路を２組設けて、プッシュプル回路を構成している。受電側はダイオードブリッジ整流回路を構成している。送電ループコイルnp1，np2のコイル開口面は平行で、互いに同相で結合している。送電ループコイルnp1，np2と受電ループコイルnsは電磁界共鳴結合する。これにより、１つのスイッチ素子を用いてプッシュプル構成にした場合に比べて、大きな電力を給電することが可能となる。また、２つのスイッチ素子Q1，Q2が交互にスイッチング動作を行うことにより等価的に２倍の周波数の電磁界共鳴結合回路を形成することができる。

なお、送電ループコイルnp1，np2は必ずしも結合している必要はないので、送電ループコイルnp1，np2は互いに直交していてもよい。そのことにより、送電ループコイルnp1，np2と受電ループコイルnsとの結合可能な方位角範囲（指向性）が広くなる。

以上に示した第７の実施形態によれば、受電側整流回路を共振キャパシタに対して直列接続して、共振キャパシタに流れる電流を整流して負荷に電流を供給するようにしているので、共振キャパシタに流れる電流を整流することで負荷に大きな電流を供給できる。また、整流素子の耐圧を低くすることができ、整流損失を低減し、ワイヤレス給電装置の高効率化、小型軽量化を図ることができる。

《第８の実施形態》
第８の実施形態では、受電側整流回路が、受電側共振回路を構成する共振キャパシタCrsに対して並列接続され、共振キャパシタCrsに加えられる電圧から電流を取り出すように整流して負荷に電力を供給する構成であるワイヤレス給電装置について図１６〜図２１を参照して示す。

図１６〜図２１はいずれも第８の実施形態に係るワイヤレス給電装置の回路図である。スイッチ素子の逆並列ダイオードおよび寄生キャパシタの図示は省略している。

図１６において、受電側整流回路は半波整流回路である。ダイオードDsは共振キャパシタCrsに流れる電流を整流して負荷へ電流を供給する。

図１７において、受電側整流回路はダイオードDs1，Ds2，Ds3，Ds4によるダイオードブリッジ回路である。

図１８において、受電側整流回路はダイオードDs1，Ds2，Ds3，Ds4によるダイオードブリッジ回路である。図１７の例と異なり、受電側に２つの共振キャパシタCrs1，Crs2を備え、この２つの共振キャパシタCrs1，Crs2の分圧電圧を整流するように構成されている。

図１９において、受電装置はセンタータップを有する受電ループコイルns1，ns2を備えている。この２つの受電ループコイルns1，ns2にそれぞれ整流回路が接続されている。これによりセンタータップ方式の整流回路が構成されている。受電ループコイルns1，ns2は必ずしもセンタータップを引き出すことで設けなくてもよく、２つのループコイルを直列接続してもよい。また、この２つのループコイル同士は必ずしも結合している必要はないので、受電ループコイルns1，ns2は互いに直交していてもよい。そのことにより、送電ループコイルnpと受電ループコイルns1，ns2との結合可能な方位角範囲（指向性）が広くなる。

図２０において、受電装置はセンタータップを有する受電ループコイルns1，ns2を備えている。図１９に示した例と異なり、受電ループコイルns1に２つの共振キャパシタCrs1，Crs3が接続され、この２つの共振キャパシタCrs1，Crs3の分圧電圧を整流するように構成されている。同様に、受電ループコイルns2に２つの共振キャパシタCrs2，Crs4が接続され、この２つの共振キャパシタCrs2，Crs4の分圧電圧を整流するように構成されている。

図２１において、受電側整流回路はダイオードDs1，Ds2，Ds3，Ds4によるダイオードブリッジ回路である。図１８に示した例と異なり、送電装置はインダクタLfを備え、送電側には１つのスイッチ素子Q1のみを設けている。インダクタLfのインダクタンス値は、送電ループコイルnpのインダクタンス値よりも十分に大きく、スイッチング周波数において高インピーダンスとなるものであり、流れる電流の変動は十分に小さい。

《第９の実施形態》
第９の実施形態では、整流素子の接合容量を共振キャパシタまたは共振キャパシタの一部として利用したワイヤレス給電装置について図２２、図２３を参照して示す。

図２２において、受電装置にはダイオードDs1，Ds2，Ds3，Ds4によるダイオードブリッジ回路を備えている。ダイオードDs1，Ds2，Ds3，Ds4は接合容量Cs1，Cs2，Cs3，Cs4をそれぞれ備えていて、これらの接合容量が共振キャパシタとして利用される。ここでは、接合容量Cs1，Cs2，Cs3，Cs4を回路素子として明示しているが実際にはダイオードDs1，Ds2，Ds3，Ds4の寄生容量である。この例では特別な共振キャパシタ（Crs）は備えていない。

図２３において、受電装置はセンタータップを有する受電ループコイルns1，ns2を備えている。この２つの受電ループコイルns1，ns2にそれぞれ整流回路が接続されている。

ダイオードDs1，Ds2に並列接続されているキャパシタCrs5，Crs6はダイオードDs1，Ds2の接合容量である。受電ループコイルns1に直列接続されたキャパシタCrs1と接合容量Crs5との直列回路が共振キャパシタとして作用する。同様に、受電ループコイルns2に直列接続されたキャパシタCrs2と接合容量Crs6との直列回路が共振キャパシタとして作用する。

《第１０の実施形態》
図２４は第１０の実施形態に係るワイヤレス給電装置の回路図である。図２４においては、送電ループコイルnpおよび受電ループコイルnsを、理想トランス、相互インダクタンスLm，Lms、漏れインダクタンスLr，Lrsおよび浮遊容量Cp，Csによる等価回路で表している。

この例では、送電ループコイルnpまたは受電ループコイルnsの浮遊容量Cp，Csを共振キャパシタまたは共振キャパシタの一部として利用している。

このようにループコイルの浮遊容量を共振キャパシタまたは共振キャパシタの一部として利用することで電磁界共鳴エネルギーを大きくすることができる。また、部品数を削減することでワイヤレス給電装置の小型軽量化を図ることができる。

《第１１の実施形態》
図２５は第１１の実施形態に係るワイヤレス給電装置の回路図である。図２５において、受電側整流回路はダイオードDs1，Ds2，Ds3，Ds4によるダイオードブリッジ回路である。図１８に示した例と異なり、送電装置に４つのスイッチ素子Q1〜Q4によるブリッジ回路が構成されている。スイッチ素子Q1，Q4は共にオンオフし、スイッチ素子Q2，Q3は共にオフオンする。そして、スイッチ素子Q1，Q2は交互にオンオフする。このように、送電側スイッチング回路をフルブリッジ構成とし、ブリッジ接続された４つのスイッチ素子を２組ずつ交互にオンオフすることで共振電流を発生させるようにしてもよい。

このように、送電装置側のスイッチ素子をブリッジ構成とすることで、各スイッチ素子に印加される電圧が低減され、ワイヤレス給電装置の高効率化、小型軽量化を図ることができる。

《第１２の実施形態》
図２６は第１２の実施形態のワイヤレス給電装置の回路図である。このワイヤレス給電装置は、送電装置PSU、受電装置PRU、リピータ装置RPUを備えている。

リピータ装置RPUはループコイルnrと共振キャパシタCrとで構成されている。送電装置PSUの送電ループコイルnpとリピータ装置RPUのループコイルnrとは電磁界共鳴結合し、リピータ装置RPUのループコイルnrと受電装置PRUの受電ループコイルnsとは電磁界共鳴結合する。このように、送電ループコイルnpと受電ループコイルnsとの間にリピータ装置RPUのループコイルnrを配置することで、送電装置PSUと受電装置PRUとの電力伝送可能最大距離を拡大できる。リピータ装置RPUを多段に配置すれば、電力伝送可能最大距離をさらに拡大することもできる。

なお、以上に示した各実施形態では、送電コイルおよび受電コイルの両方がループコイルである例を示したが、送電コイルまたは受電コイルの一方のみがループコイルであってもよい。例えば他方は開口径の大きなノーマルモード・ヘリカルアンテナ状のコイルやコア付きのコイルであってもよい。

また、以上に示した各実施形態では、１つの送電装置と１つの受電装置とで１組のワイヤレス給電装置を構成する例を示したが、共通の送電装置からそれぞれ受電する複数の受電装置を備えてもよい。また、共通の受電装置に対して複数の送電装置から給電するようにしてもよい。

Cds1，Cds2，Cds3，Cds4…寄生キャパシタ
Co…平滑キャパシタ
Cp，Cs…浮遊容量
Cr，Crs…共振キャパシタ
Crs1，Crs2，Crs3，Crs4…共振キャパシタ
Crs5，Crs6…接合容量
Cs1…共振キャパシタ
Cs1，Cs2，Cs3，Cs4…接合容量
Csds1，Csds2…共振キャパシタ
Dds1，Dds2，Dds3，Dds4…逆並列ダイオード
Ds…ダイオード
Ds1，Ds2，Ds3，Ds4…ダイオード
Lf…インダクタ
Lm，Lms…相互インダクタンス
Lr，Lrs…インダクタンス
ns，ns1，ns2…受電ループコイル
np，np1，np2…送電ループコイル
npx，npy，npz…ループコイル
nr…ループコイル
nsx，nsy，nsz…ループコイル
PRU…受電装置
PSU…送電装置
Q1，Q2，Q3，Q4…スイッチ素子
Qs1，Qs2…スイッチ素子
Ro…負荷
RPU…リピータ装置
Vi…入力電源
10，20…スイッチング制御回路
101…ワイヤレス給電装置

Claims (20)

1. 送電コイルを備えた送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とで構成されるワイヤレス給電装置において、
   前記送電コイルと等価的に直列接続されて送電側共振回路を構成する少なくとも１つの共振キャパシタと、
   前記送電側共振回路と接続され、オンオフさせることにより直流電源を前記送電側共振回路に断続的に加えて前記送電側共振回路に共振電流を発生させるスイッチ素子とこのスイッチ素子を制御するスイッチング制御回路とを備えた送電側スイッチング回路と、
   前記受電コイルと等価的に直列に接続され受電側共振回路を構成する少なくとも１つの共振キャパシタと、
   前記受電側共振回路に接続され、共振電流を整流して負荷に電流を供給する整流素子を備えた受電側整流回路と、
   を備え、
   前記送電コイルまたは前記受電コイルの少なくとも一方は、導体線に比べて１０倍以上の径をもつループコイルであり、
   前記ループコイルは電気的に直接的に、前記スイッチ素子または前記整流素子と接続され、
   前記送電コイルは、前記直流電源から電気エネルギーを取り出して、周期的に変化する電磁界共鳴エネルギーを空間に発生させ、
   前記受電コイルは、周期的に変化する電磁界共鳴エネルギーを空間から電気エネルギーとして取り出して負荷に電力を供給し、
   前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互誘導により等価的に相互インダクタンスを形成し、前記相互誘導に関与しない前記ループコイルの漏れインダクタンスは、前記送電側共振回路または前記受電側共振回路の一部を構成し、前記送電側共振回路と前記受電側共振回路とが容量結合することなく電磁界共鳴結合することにより形成される複共振回路の共振周波数にスイッチング周波数を同調させることにより電磁界共鳴結合が形成され、
   前記送電側共振回路と前記受電側共振回路とが共鳴して、前記相互インダクタンスに共振電流が流れる電磁界共鳴結合により前記送電装置から前記受電装置へ電力を伝送し、
   前記電磁界共鳴結合する回路のインピーダンスが大きくなる高次の周波数成分がカットされ、前記共鳴による、主にスイッチング周波数成分の、共鳴電流のみが前記ループコイルに流れ、前記ループコイルは、電磁界共鳴結合を形成し、前記ループコイルからの反射電力をエネルギー損失とすることなく共振エネルギーとして保存され、
   前記ループコイルと共に前記送電側共振回路または前記受電側共振回路を構成する前記共振キャパシタは、前記受電装置の出力に負荷が接続された状態で、前記送電側スイッチング回路に接続される前記送電側共振回路の入力から負荷側全体をみた入力インピーダンスが極小となる共振周波数が前記スイッチング周波数とほぼ一致するように設定され、前記電磁界共鳴結合が、前記ループコイルの有する容量成分である浮遊容量の影響を受けないように構成されたワイヤレス給電装置。
2. 前記ループコイルは、２次元平面に形成されている、請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
3. 前記ループコイルは、互いに直交する２つの２次元平面上に形成された、３次元空間内のループコイルである、請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
4. 前記ループコイルは、相互に直交する３つの２次元平面上に形成された、３次元空間内のループコイルである、請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
5. 前記ループコイルは、同一２次元平面上に複数旋回形成されている、請求項１〜４のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
6. 前記受電装置の出力に適当な負荷を接続した場合に、前記送電側スイッチング回路に接続される前記送電側共振回路の入力から負荷側全体をみた入力インピーダンスが極小となる共振周波数をfr、前記スイッチング周波数をfsで表すと、
   前記スイッチング制御回路は、0.8fs≦fr≦1.2fsで動作するように構成されている、請求項１〜５のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
7. 前記受電装置の出力に適当な負荷を接続した場合に、前記送電側スイッチング回路に接続される前記送電側共振回路の入力から負荷側全体をみた入力インピーダンスが極小となる共振周波数をfr、前記スイッチング周波数をfsで表すと、
   前記スイッチング制御回路は、fs>frで動作するように構成されている、請求項１〜５のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
8. 前記スイッチング制御回路は、前記スイッチ素子の両端電圧がゼロ電圧付近に低下した際に前記スイッチ素子をターンオンするように制御してゼロ電圧スイッチング動作するように構成されている、請求項１〜７のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
9. 前記受電側整流回路は、前記受電側共振回路を構成する前記共振キャパシタに対して直列に接続され、前記共振キャパシタに流れる電流を取り出すように整流して前記負荷に電力を供給する、請求項１〜８のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
10. 前記受電側整流回路は、前記受電側共振回路を構成する前記共振キャパシタに対して並列に構成され、前記共振キャパシタに加えられる電圧から電流を取り出すように整流して前記負荷に電力を供給する、請求項１〜８のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
11. 前記受電側整流回路はブリッジ整流回路である、請求項１〜１０のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
12. 前記受電側整流回路は半波整流回路である、請求項１〜１０のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
13. 前記受電側整流回路は倍電圧整流回路である、請求項１〜１０のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
14. 前記送電側共振回路の共振周波数は前記受電側共振回路の共振周波数に対して±２０％の範囲内で一致している、請求項１〜１３のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
15. 前記整流素子の接合容量を前記共振キャパシタまたは前記共振キャパシタの一部として利用する、請求項１〜１４のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
16. 前記ループコイルの前記浮遊容量を前記共振キャパシタの全部または一部として用いた、請求項１〜１５のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
17. 前記スイッチ素子はFETであり、前記送電側スイッチング回路は前記FETの寄生容量、および逆並列ダイオードを含む、請求項１〜１６のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
18. 前記送電側スイッチング回路はハーフブリッジ構成である、請求項１〜１７のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
19. 前記送電側スイッチング回路はフルブリッジ構成である請求項１〜１７のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
20. 前記受電側整流回路はスイッチ素子を備えた同期整流回路である、請求項１〜１９のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。

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