JP2017093175A - High frequency power supply device and non-contact power transmission system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流電力を高周波交流電力に変換し、負荷に供給する高周波電源装置、および、当該高周波電源装置を備えた非接触電力伝送システムに関する。 The present invention relates to a high-frequency power supply device that converts DC power into high-frequency AC power and supplies it to a load, and a non-contact power transmission system including the high-frequency power supply device.
従来、磁気結合された2つのコイル(送電コイルと受電コイル)を用いて送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送し、受電装置に伝送された電力を負荷に供給する非接触電力伝送システムが存在する。この非接触電力伝送システムにおいて、送電装置から受電装置に電力を伝送するとき、高周波交流電力を利用している。そのため、送電装置には、高周波交流電力の発生源として高周波電源装置が備えられている。例えば、高周波電源装置は、高周波インバータのスイッチング素子を高速にオン状態とオフ状態とを切り替え、高周波交流電力を発生させている。このような非接触電力伝送システムにおいて、高周波電源装置の出力端から負荷側を見たインピーダンス(以下、「負荷側インピーダンス」という。)が高周波電源装置の出力端から負荷側の反対側(すなわち電源側)を見たインピーダンス(以下、「電源側インピーダンス」という。)と異なる場合、高周波電源装置から出力される高周波交流電力が負荷側で反射し、反射波電力として、高周波電源装置に戻ってくる(入力される)。この反射波電力により、送電装置から受電装置への電力の伝送効率が悪くなるため、従来の非接触電力伝送システムは、負荷側インピーダンスを変化させ、電源側インピーダンスに整合させるインピーダンス整合器を備え、反射波電力を抑制している(特許文献1)。例えば、負荷側インピーダンスが電源側インピーダンスに整合されている状況で、送電コイルと受電コイルとの位置関係が変化すると、負荷側インピーダンスが変化し、電源側インピーダンスからずれるため、インピーダンス整合器によりインピーダンスマッチングが行われる。 Conventionally, a non-contact power transmission system that uses two magnetically coupled coils (a power transmission coil and a power reception coil) to transmit power from a power transmission device to a power reception device in a non-contact manner and supplies the power transmitted to the power reception device to a load. Exists. In this non-contact power transmission system, high-frequency AC power is used when power is transmitted from the power transmitting device to the power receiving device. Therefore, the power transmission device is provided with a high-frequency power supply device as a source of high-frequency AC power. For example, a high frequency power supply device switches a switching element of a high frequency inverter between an on state and an off state at high speed to generate high frequency AC power. In such a non-contact power transmission system, the impedance when the load side is viewed from the output end of the high-frequency power supply device (hereinafter referred to as “load-side impedance”) is opposite to the load side from the output end of the high-frequency power supply device (that is, the power supply). When the impedance is different from the impedance (hereinafter referred to as “power supply side impedance”), the high frequency AC power output from the high frequency power supply device is reflected on the load side and returns to the high frequency power supply device as reflected wave power. (Entered). Due to this reflected wave power, the transmission efficiency of power from the power transmitting device to the power receiving device is deteriorated, so the conventional non-contact power transmission system includes an impedance matching unit that changes the load side impedance and matches the power source side impedance, The reflected wave power is suppressed (Patent Document 1). For example, when the load side impedance is matched to the power supply side impedance and the positional relationship between the power transmission coil and the power reception coil changes, the load side impedance changes and deviates from the power supply side impedance. Is done.
また、半導体ウエハの薄膜形成やエッチング処理などを行うプラズマ処理システムにおいても、同様に、高周波交流電力の発生源として高周波電源装置を備えている。また、プラズマ処理システムにおいても、プラズマの状態に応じて、負荷側インピーダンスが変化する。特に、高周波出力開始時は、負荷側インピーダンスが急激に変化する。これにより、反射波電力が発生し、プラズマの状態を不安定にさせる要因となる。そのため、従来のプラズマ処理システムも、負荷側インピーダンスを電源側インピーダンスに整合させるインピーダンス整合器を備え、反射波電力を抑制している(特許文献2)。 Similarly, a plasma processing system for forming a thin film on a semiconductor wafer, etching, or the like includes a high frequency power supply device as a source of high frequency AC power. Also in the plasma processing system, the load-side impedance changes depending on the plasma state. In particular, when the high frequency output starts, the load side impedance changes abruptly. As a result, reflected wave power is generated, which causes the plasma state to become unstable. Therefore, the conventional plasma processing system also includes an impedance matching unit that matches the load side impedance to the power source side impedance, and suppresses reflected wave power (Patent Document 2).
上記のように、インピーダンス整合器を備えた非接触電力伝送システムやプラズマ処理システムでは、負荷の変動により、負荷側インピーダンスが変化した場合であっても、インピーダンスマッチングにより、負荷側インピーダンスを電源側インピーダンスに整合させている。しかし、インピーダンスマッチングにより、負荷側インピーダンスを電源側インピーダンスに整合させるには、時間がかかる。そのため、インピーダンスマッチングが完了するまでの間は、負荷側インピーダンスが刻々と変化し、反射波電力が発生している。もし、インピーダンスマッチング中に大きな反射波電力が高周波インバータに入力されると、高周波インバータ(特に、スイッチング素子)を損壊させてしまう可能性がある。 As described above, in a non-contact power transmission system and a plasma processing system equipped with an impedance matching device, even if the load side impedance changes due to load fluctuations, the load side impedance is changed by impedance matching. To match. However, it takes time to match the load side impedance to the power source side impedance by impedance matching. Therefore, until the impedance matching is completed, the load-side impedance changes every moment and the reflected wave power is generated. If a large reflected wave power is input to the high-frequency inverter during impedance matching, the high-frequency inverter (particularly, the switching element) may be damaged.
そこで、本発明は、上記課題に鑑みて創作されたものであり、その目的は、インピーダンス整合器により、高周波電源装置の出力端を基準に負荷側インピーダンスが電源側インピーダンスに整合されるまでの間であっても、反射波電力による高周波インバータの損壊を抑制することができる高周波電源装置、および、当該高周波電源装置を備えた非接触電力伝送システムを提供することにある。 Therefore, the present invention has been created in view of the above problems, and its purpose is to wait until the load-side impedance is matched to the power-side impedance by the impedance matching device with reference to the output end of the high-frequency power device. Even so, an object of the present invention is to provide a high-frequency power supply device that can suppress damage to the high-frequency inverter due to reflected wave power, and a non-contact power transmission system including the high-frequency power supply device.
本発明の第1の側面によって提供される高周波電源装置は、インピーダンス整合器を介して高周波を負荷に出力する高周波電源装置であって、スイッチング素子のスイッチング動作により、直流電力を高周波電力に変換することで、高周波を発生させる高周波発生手段と、前記高周波発生手段の出力側の特性値を検出する検出手段と、前記高周波発生手段の入力側に配置されるスイッチ部を有し、前記検出手段が検出した前記特性値に基づき、前記スイッチ部を切り替えることで、前記高周波発生手段に入力する直流電圧を、レベルの異なる複数の直流電圧のうちのいずれか1の直流電圧に切り替える切替手段とを備える。 The high frequency power supply device provided by the first aspect of the present invention is a high frequency power supply device that outputs a high frequency to a load via an impedance matching device, and converts DC power into high frequency power by a switching operation of a switching element. The high frequency generation means for generating a high frequency, the detection means for detecting the characteristic value on the output side of the high frequency generation means, and the switch unit disposed on the input side of the high frequency generation means, the detection means Switching means for switching a DC voltage input to the high-frequency generating means to any one of a plurality of DC voltages having different levels by switching the switch unit based on the detected characteristic value. .
前記高周波電源装置の好ましい実施の形態において、前記特性値は、前記高周波発生手段の出力端から負荷側を見たインピーダンスである負荷側インピーダンスであり、前記検出手段は、前記負荷側インピーダンスを検出し、前記切替手段は、前記負荷側インピーダンスと前記出力端から前記負荷側の反対側を見たインピーダンスである電源側インピーダンスとの差であるインピーダンス差を算出し、当該インピーダンス差が第1の閾値以上である場合に、前記複数の直流電圧のうち、最も低いレベルの直流電圧を出力し、前記インピーダンス差が前記第1の閾値未満である場合に、前記複数の直流電圧のうち、最も高いレベルの直流電圧を出力するように、前記スイッチ部を切り替える。 In a preferred embodiment of the high frequency power supply device, the characteristic value is a load side impedance which is an impedance when the load side is viewed from an output end of the high frequency generating means, and the detecting means detects the load side impedance. The switching unit calculates an impedance difference that is a difference between the load side impedance and a power source side impedance that is an impedance viewed from the output end opposite to the load side, and the impedance difference is equal to or greater than a first threshold value. If the impedance difference is less than the first threshold value, the highest level of the plurality of DC voltages is output. The switch unit is switched so as to output a DC voltage.
前記高周波電源装置の好ましい他の実施の形態において、前記特性値は、前記高周波発生手段の出力端から負荷側を見たインピーダンスである負荷側インピーダンスであり、前記検出手段は、前記負荷側インピーダンスを検出し、前記切替手段は、前記負荷側インピーダンスと前記出力端から前記負荷側の反対側を見たインピーダンスである電源側インピーダンスとの差であるインピーダンス差を算出し、当該インピーダンス差が第1の閾値以上である場合に、前記複数の直流電圧のうち、最も低いレベルの直流電圧を出力し、前記インピーダンス差が前記第1の閾値より小さい第2の閾値以下である場合に、前記複数の直流電圧のうち、最も高いレベルの直流電圧を出力するように、前記スイッチ部を切り替える。 In another preferred embodiment of the high-frequency power supply device, the characteristic value is a load-side impedance that is an impedance when the load side is viewed from an output end of the high-frequency generating means, and the detection means is the load-side impedance. And the switching means calculates an impedance difference that is a difference between the load side impedance and a power source side impedance that is an impedance when the opposite side of the load side is viewed from the output end, and the impedance difference is a first impedance difference. When the threshold voltage is equal to or higher than the threshold value, the DC voltage of the lowest level among the plurality of DC voltages is output, and when the impedance difference is equal to or smaller than the second threshold value which is smaller than the first threshold value, The switch unit is switched so as to output the highest level DC voltage among the voltages.
前記高周波電源装置の好ましい他の実施の形態において、前記特性値は、前記負荷側から反射される反射波電力であり、前記検出手段は、前記反射波電力の値を検出し、前記切替手段は、前記反射波電力の値が第1の閾値以上である場合、前記複数の直流電圧のうち、最も低いレベルの直流電圧を出力し、前記反射波電力の値が前記第1の閾値より小さい第2の閾値以下である場合、前記複数の直流電圧のうち、最も高いレベルの直流電圧を出力するように、前記スイッチ部を切り替える。 In another preferred embodiment of the high-frequency power supply device, the characteristic value is reflected wave power reflected from the load side, the detection means detects a value of the reflected wave power, and the switching means When the value of the reflected wave power is greater than or equal to a first threshold value, a DC voltage of the lowest level among the plurality of DC voltages is output, and the value of the reflected wave power is smaller than the first threshold value. When the threshold value is 2 or less, the switch unit is switched so as to output the highest level DC voltage among the plurality of DC voltages.
前記高周波電源装置の好ましい実施の形態において、前記高周波変換手段からの前記高周波の出力開始を判断する判断手段を、さらに備え、前記切替手段は、前記高周波の出力開始時には、前記複数の直流電圧のうち、最も低いレベルの直流電圧を出力し、前記インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合が完了した後、前記複数の直流電圧のうち、最も高いレベルの直流電圧を出力するように、前記スイッチ部を切り替える。 In a preferred embodiment of the high-frequency power supply device, the high-frequency power supply device further includes a determination unit that determines the start of the high-frequency output from the high-frequency conversion unit, and the switching unit is configured to output the plurality of DC voltages at the start of the high-frequency output. The switch unit is switched to output the lowest level DC voltage and output the highest level DC voltage among the plurality of DC voltages after the impedance matching by the impedance matching unit is completed. .
前記高周波電源装置の好ましい実施の形態において、前記切替手段は、直流電圧源から直流電圧が入力され、前記最も高いレベルは、前記直流電圧源から前記切替手段に入力される直流電圧と同じレベルである。 In a preferred embodiment of the high-frequency power supply device, the switching means receives a DC voltage from a DC voltage source, and the highest level is the same level as the DC voltage input from the DC voltage source to the switching means. is there.
前記高周波電源装置の好ましい実施の形態において、前記切替手段は、入力される直流電圧を分圧するために、前記スイッチ部の前段に配置された複数のコンデンサを有し、前記スイッチ部は、前記複数のコンデンサと同数のスイッチにより構成され、前記各スイッチの一方の端子は、前記コンデンサのいずれかで、それぞれ異なる前記コンデンサの高電位側の端子に接続されており、前記各スイッチの他方の端子は、互いに接続され、前記高周波変換手段の入力側の高電位側の端子に接続されている。 In a preferred embodiment of the high-frequency power supply device, the switching means includes a plurality of capacitors arranged in front of the switch unit in order to divide the input DC voltage, and the switch unit includes the plurality of capacitors. The number of switches is the same as the number of switches, and one terminal of each switch is connected to a high potential side terminal of each of the capacitors, and the other terminal of each switch is Are connected to each other and connected to a high potential side terminal on the input side of the high frequency conversion means.
前記高周波電源装置の好ましい実施の形態において、前記高周波発生手段は、入力される高周波制御信号に基づいて、スイッチング動作を行う前記スイッチング素子と、前記切替手段と前記スイッチング素子との間に直列に接続されるインダクタと、を有して構成される。 In a preferred embodiment of the high frequency power supply device, the high frequency generating means is connected in series between the switching element that performs a switching operation based on an input high frequency control signal, and the switching means and the switching element. And an inductor.
前記高周波電源装置の好ましい他の実施の形態において、前記高周波発生手段は、入力される高周波制御信号に基づいて、スイッチング動作を行う前記スイッチング素子と、前記切替手段と前記スイッチング素子との間に直列に接続されるインダクタと、前記スイッチング素子に並列に接続され、かつ、前記高周波制御信号の周波数の2倍の周波数でインピーダンスがゼロとなる共振回路と、を有して構成される。 In another preferred embodiment of the high-frequency power supply device, the high-frequency generating means is connected in series between the switching element that performs a switching operation based on an input high-frequency control signal, and between the switching means and the switching element. And a resonance circuit that is connected in parallel to the switching element and has an impedance of zero at a frequency twice the frequency of the high-frequency control signal.
前記高周波電源装置の好ましい他の実施の形態において、前記高周波発生手段は、前記切替手段と前記インピーダンス整合器との間に、ハーフブリッジ接続あるいはフルブリッジ接続した複数の前記スイッチング素子を、有して構成される。 In another preferred embodiment of the high-frequency power supply device, the high-frequency generating means includes a plurality of the switching elements that are half-bridge connected or full-bridge connected between the switching means and the impedance matching unit. Composed.
前記高周波電源装置の好ましい他の実施の形態において、前記高周波発生手段は、入力される高周波制御信号に基づいて、スイッチング動作を行う前記スイッチング素子と、前記切替手段と前記スイッチング素子との間に直列に接続される伝送線路と、を有して構成され、前記伝送線路の長さは、前記高周波制御信号の周波数の、当該伝送線路における伝送波長の略4分の1の長さである。 In another preferred embodiment of the high-frequency power supply device, the high-frequency generating means is connected in series between the switching element that performs a switching operation based on an input high-frequency control signal, and between the switching means and the switching element. The length of the transmission line is approximately one-fourth the length of the transmission wavelength in the transmission line of the frequency of the high-frequency control signal.
前記高周波電源装置の好ましい他の実施の形態において、前記高周波発生手段は、入力される高周波制御信号に基づいて、スイッチング動作を行う前記スイッチング素子と、前記切替手段と前記スイッチング素子との間に直列に接続されるインダクタと、一方の端子が前記インダクタと前記スイッチング素子との接続点に接続され、他方の端子が開放された第1の伝送線路と、一方の端子が前記インダクタと前記スイッチング素子との接続点に接続され、他方の端子が短絡された第2の伝送線路と、を有して構成され、前記第1の伝送線路の長さおよび前記第2の伝送線路の長さはそれぞれ、前記高周波制御信号の周波数の、各伝送線路における伝送波長の略8分の1の長さである。 In another preferred embodiment of the high-frequency power supply device, the high-frequency generating means is connected in series between the switching element that performs a switching operation based on an input high-frequency control signal, and between the switching means and the switching element. An inductor connected to the first transmission line, one terminal connected to a connection point between the inductor and the switching element, and the other terminal opened, and one terminal connected to the inductor and the switching element. The second transmission line is connected to the connection point, and the other terminal is short-circuited, and the length of the first transmission line and the length of the second transmission line are respectively The frequency of the high-frequency control signal is approximately one-eighth of the transmission wavelength in each transmission line.
本発明の第2の側面によって提供される非接触電力伝送システムは、送電装置から受電装置に非接触で電力を供給する非接触電力伝送システムであって、前記送電装置は、本発明の第1の側面によって提供される高周波電源装置を備えている。 A contactless power transmission system provided by the second aspect of the present invention is a contactless power transmission system that supplies power from a power transmission device to a power reception device in a contactless manner, and the power transmission device is the first aspect of the present invention. The high-frequency power supply device provided by the above-mentioned side is provided.
本発明によれば、高周波発生手段の出力側の特性値に基づき、切替手段がスイッチ部を切り替えることで、高周波発生手段に入力する直流電圧をレベルの異なる複数の直流電圧のうちのいずれか1の直流電圧に切り替えるようにした。これにより、インピーダンス整合器により負荷側インピーダンスが、高周波発生手段の出力端から負荷側の反対側を見たインピーダンスに整合されるまでの間であっても、上記特性値に基づき、高周波電源装置に入力される反射波電力のレベルを切り替えることができるので、高周波電源装置に大きな反射波電力が入力されることを防止することができる。したがって、高周波電源装置の損壊を抑制することが可能となる。 According to the present invention, the switching means switches the switching unit based on the characteristic value on the output side of the high-frequency generating means, so that the DC voltage input to the high-frequency generating means is any one of a plurality of DC voltages having different levels. I switched to DC voltage. As a result, even if the load-side impedance is matched with the impedance viewed from the output end of the high-frequency generating means to the opposite side of the load side by the impedance matching device, the high-frequency power supply device is based on the above characteristic value. Since the level of the input reflected wave power can be switched, it is possible to prevent large reflected wave power from being input to the high frequency power supply device. Therefore, it is possible to suppress damage to the high frequency power supply device.
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。 Other features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description given below with reference to the accompanying drawings.
本発明に係る高周波電源装置、および、当該高周波電源装置を備えた非接触電力伝送システムについて、図面を参照して説明する。 A high frequency power supply device according to the present invention and a non-contact power transmission system including the high frequency power supply device will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の第1実施形態に係る非接触電力伝送システムAの全体構成を示す図であり、図2は、非接触電力伝送システムAの一部(高周波インバータ113、インピーダンス検出器114、および、制御部14)における詳細な構成を示す図である。本実施形態に係る非接触電力伝送システムAは、商用電源Pから供給される電力を送電装置1から受電装置2に非接触で送電し、バッテリ3に充電するものである。商用電源Pから送電装置1に入力される商用電力が、送電装置1により高周波交流電力に変換され、変換された高周波交流電力が非接触で受電装置2に伝送される。そして、受電装置2に伝送された高周波交流電力がバッテリ3に適した電力に変換され、バッテリ3に供給される。例えば、非接触電力伝送システムAは、送電装置1が、駐車スペースなどの地面に埋設され、受電装置2が電気自動車等に搭載された、電気自動車のバッテリを充電する充電システムとして適用される。
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a non-contact power transmission system A according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a part of the non-contact power transmission system A (a high-
非接触電力伝送システムAは、数MHz〜数百MHzの高周波交流電力を、磁気結合された2つのコイル(後述する送電コイルL13と受電コイルL21)により、送電装置1から受電装置2に非接触で伝送する。非接触電力伝送システムAは、磁界共鳴方式を用いる。なお、本実施形態において、高周波交流電力として、13.56MHzの交流電力を用いる場合を例に説明する。
The non-contact power transmission system A is non-contact from the
続いて、このように構成された第1実施形態に係る非接触電力伝送システムAの各構成要素について、説明する。 Then, each component of the non-contact electric power transmission system A which concerns on 1st Embodiment comprised in this way is demonstrated.
送電装置1は、商用電源Pから入力される商用交流電力を高周波交流電力に変換し、非接触で受電装置2に送電するものである。送電装置1は、高周波電源回路11、インピーダンス整合器12、送電ユニット13、および、制御部14を含んで構成される。
The
高周波電源回路11は、商用電源Pから入力される商用交流電力を全波整流し、直流電力に変換する。そして、変換した直流電力を高周波交流電力に変換し、出力するものである。このとき、高周波電源回路11は、当該高周波電源回路11の出力端から負荷側を見たインピーダンスZA(以下、「負荷側インピーダンスZA」という。)を検出し、負荷側インピーダンスZAに基づき、大きさの異なる2種類の高周波交流電力を出力する。なお、高周波電源回路11は、高周波電源回路11の出力端から負荷側の反対側、すなわち商用電源P側を見たインピーダンスZB(以下、「電源側インピーダンスZB」という。)と同一のインピーダンスの負荷が接続された場合に、最適な伝送効率で高周波交流電力を出力する。高周波電源回路11は、整流回路111、平滑回路112、高周波インバータ113、および、インピーダンス検出器114を有している。なお、当該高周波電源回路11および制御部14が、特許請求の範囲に記載の「高周波電源装置」に相当する。
The high-
整流回路111は、例えば、6個の整流ダイオードをブリッジ接続した整流回路で、商用電源Pから入力される商用交流電圧(三相交流電圧)を全波整流し、直流電圧を生成する。なお、本実施形態において、商用電源Pから三相交流電圧が入力されるため、整流ダイオードを6個ブリッジ接続して構成するが、商用電源Pから単相交流電圧が入力される場合は、整流ダイオードを4個ブリッジ接続して構成すればよい。なお、整流回路111の構成はこれに限定されず、商用交流電圧を直流電圧に変換するものであればよい。
The
平滑回路112は、整流回路111から入力される直流電圧を平滑化するものである。平滑回路112は、例えば、インダクタとコンデンサをL型に接続して構成される。
The smoothing
高周波インバータ113は、平滑回路112から入力される直流入力を高周波出力に変換するものである。高周波インバータ113は、制御部14から入力される各種制御信号により、制御される。高周波インバータ113は、図2に示すように、レベル切替部113aおよびRF変換部113bを含んで構成される。
The
レベル切替部113aは、図2に示すように、2個のコンデンサC1,C2と2個のスイッチQ1,Q2とを含んで構成されている。
As shown in FIG. 2, the
コンデンサC1の一端は、平滑回路112の高電位側の出力端子に接続され、他端は、コンデンサC2の一端と接続されている。そして、コンデンサC2の他端は、平滑回路112の低電位側の出力端子に接続されている。すなわち、2個のコンデンサC1,C2は、直列に接続されている。
One end of the capacitor C1 is connected to the output terminal on the high potential side of the smoothing
スイッチQ1,Q2は、例えば、2個のMOSFETを逆直列に接続して構成される。なお、2個のMOSFETにはそれぞれ、ダイオードが逆並列に接続されている。スイッチQ1を構成する2個のMOSFETは、ソース端子同士が接続され、一方のMOSFETのドレイン端子が、コンデンサC1の一端と高電位側の出力端子との接続点に接続され、他方のMOSFETのドレイン端子が、RF変換部113bの一方の入力端子(図2において上側の入力端子)に接続されている。そして、両者のゲート端子には、制御部14から切替制御信号S1が入力される。スイッチQ2を構成する2個のMOSFETは、ソース端子同士が接続され、一方のMOSFETのドレイン端子が、コンデンサC1とコンデンサC2の接続点に接続され、他方のMOSFETのドレイン端子が、上記RF変換部113bの入力端子に接続されている。そして、両者のゲート端子には、制御部14から切替制御信号S2が入力される。スイッチQ1,Q2は、当該切替制御信号S1,S2に従い、オン状態とオフ状態とを切り替えるスイッチング動作を行う。スイッチQ1,Q2の一方がオン状態のとき、他方がオフ状態となるように、制御部14から切替制御信号S1,S2が入力される。
The switches Q1 and Q2 are configured, for example, by connecting two MOSFETs in anti-series. A diode is connected in antiparallel to each of the two MOSFETs. The two MOSFETs constituting the switch Q1 have source terminals connected to each other, a drain terminal of one MOSFET connected to a connection point between one end of the capacitor C1 and an output terminal on the high potential side, and a drain of the other MOSFET. The terminal is connected to one input terminal (upper input terminal in FIG. 2) of the
このように構成されたレベル切替部113aは、平滑回路112から入力される直流電圧を、制御部14からの制御信号(切替制御信号S1,S2)に基づき、レベルの異なる2種類の直流電圧に切り替えて出力する。なお、レベルの異なる2種類の直流電圧のうち、レベルが高い直流電圧のレベルを高レベル、レベルが低い直流電圧のレベルを低レベルと表現する。レベル切替部113aは、スイッチQ1がオン状態で、スイッチQ2がオフ状態であるとき、高レベルの直流電圧を出力し、一方、スイッチQ1がオフ状態で、スイッチQ2がオン状態であるとき、低レベルの直流電圧を出力する。具体的には、平滑回路112から入力される直流電圧をVin[V]、2つのコンデンサC1,C2のキャパシタンスをc1[F],c2[F]とすると、コンデンサC1,C2の端子間電圧V1[V],V2[V]はそれぞれ、下記(1)式、(2)式で表わされる。
V1=(c2/(c1+c2))・Vin ・・・(1)
V2=(c1/(c1+c2))・Vin ・・・(2)
The
V1 = (c2 / (c1 + c2)) · Vin (1)
V2 = (c1 / (c1 + c2)) · Vin (2)
スイッチQ1がオン状態で、スイッチQ2がオフ状態のとき、レベル切替部113aの出力電圧Voutは、V1+V2[V]、すなわち、Vin[V]となる。これは、平滑回路112から入力される直流電圧をそのまま出力していることになる。一方、スイッチQ1がオフ状態で、スイッチQ2がオン状態のとき、レベル切替部113aの出力電圧Voutは、V2[V]、すなわち、(c1/(c1+c2))・Vin[V]となる。これは、平滑回路112から入力される直流電圧をコンデンサC1,C2で分圧(電圧降下)することで、平滑回路112から入力される直流電圧のレベルを低減させて出力している。
When the switch Q1 is on and the switch Q2 is off, the output voltage Vout of the
以上のことから、レベル切替部113aは、スイッチQ1,Q2のスイッチング動作により、2種類のレベル(高レベルと低レベル)の異なる直流電圧を切り替えて、RF変換部113bに出力することができる。なお、本実施形態において、MOSFETのスイッチQ1,Q2を用いて、RF変換部113bに出力する直流電圧のレベルを切り替える態様を例に説明するが、それ以外の各種スイッチ(例えば、機械式スイッチ)を用いて、レベルの異なる2種類の直流電圧を切り替えられるものであれば、これに限定されない。
From the above, the
RF変換部113bは、レベル切替部113aから入力される直流電圧に基づき、高周波を発生させるものである。RF変換部113bは、レベル切替部113aとインピーダンス検出器114との間に配置される。
The
RF変換部113bは、インダクタL3と、スイッチング素子Qsと、コンデンサC4と、インダクタL5とコンデンサC5とを直列に接続したLC直列共振回路LC1と、を含んで構成される。なお、本実施形態において、図2に示すように、スイッチング素子Qsを、MOSFETで構成し、当該MOSFETには、ダイオードを逆並列に接続している。インダクタL3は、一方の端子がレベル切替部113aの高電位側の出力端子に接続され、他方の端子が、スイッチング素子Qsのドレイン端子に接続されている。したがって、インダクタL3とスイッチング素子Qsとは直列に接続されている。スイッチング素子Qsのソース端子は、レベル切替部113aの低電位側の出力端子に接続されており、スイッチング素子Qsのゲート端子は、制御部14に接続されている。RF変換部113bは、いわゆるE級のインバータ(E級アンプ)で構成されている。また、RF変換部113bは、スイッチング素子Qsがオン状態からオフ状態になったときの急激な電圧の上昇を抑制するために、連続的に電流が流れるように、コンデンサC4がスイッチング素子Qsに並列に接続されている。また、所定の周波数の高周波電流を通すフィルタとして機能するLC直列共振回路LC1が、インダクタL3とスイッチング素子Qsとの接続点に接続されている。
The
RF変換部113bは、スイッチング素子Qsのゲート端子に制御部14から高周波制御信号SWが入力され、スイッチング素子Qsのオン状態とオフ状態とを切り替えることで、インダクタL3を流れる直流電流を高周波交流電流に変換する。この高周波制御信号SWは、例えば、13.56MHzでハイレベルとローレベルとを繰り返すパルス信号であり、スイッチング素子Qsのゲート端子に入力される高周波制御信号SWがハイレベルのときに、スイッチング素子Qsはオン状態となり、電流が流れ、一方、ローレベルのときに、スイッチング素子Qsはオフ状態となり、電流が流れない。これにより、RF変換部113bは、インダクタL3を流れる直流電流を13.56MHzの高周波出力(高周波交流電流)に変換する。なお、RF変換部113bにおいて、レベル切替部113aから入力される直流電圧により、インダクタL3に直流電流が流れる。そして、この直流電流をスイッチング素子Qsのスイッチング動作により、高周波交流電流に変換している。そのため、RF変換部113bは、レベル切替部113aから入力される直流電圧を、スイッチング素子Qsのスイッチング動作により高周波交流電流に変換していると見做すことができる。
The
インピーダンス検出器114は、負荷側インピーダンスZAを検出するものである。インピーダンス検出器114は、電流・電圧センサ114a、および、演算部114bを含んで構成される。
The
電流・電圧センサ114aは、高周波インバータ113とインピーダンス整合器12との間に設けられ、電源ラインに流れる高周波電流に応じた電流および電源ラインに生じる高周波電圧に応じた電圧を検出するものである。電流・電圧センサ114aは、検出した電流信号iおよび電圧信号vを演算部114bに出力する。
The current /
演算部114bは、電流・電圧センサ114aから入力される電流信号iおよび電圧信号vに基づいて、負荷側インピーダンスZAを演算するものである。演算部114bは、入力される電流信号iおよび電圧信号vから、電流実効値I,電圧実効値V,電流信号iと電圧信号vの位相差θを演算する。そして、これらのパラメータを用いて、インピーダンスを演算する。演算部114bは、演算したインピーダンスを負荷側インピーダンスZAとして、制御部14に出力する。なお、インピーダンス検出器114が行う負荷側インピーダンスZAの検出方法は、上記したものに限定されない。
インピーダンス整合器12は、高周波電源回路11から出力された進行波がインピーダンス整合器12の入力側で反射される量(反射波電力Pr)を抑えるために、負荷側インピーダンスZAを調整するものである。インピーダンス整合器12は、例えば、2個のキャパシタとインダクタとをπ側に接続したπ型回路で構成される(図示は省略する)。インピーダンス整合器12は、2個のコンデンサの各キャパシタンスやインダクタのインダクタタンスが制御部14により調整されることで、負荷側インピーダンスZAを調整し、電源側インピーダンスZBに整合させる(一致させる)。なお、インピーダンス整合器12は、π型回路の他、L型回路、逆L型回路、T型回路などで構成されていてもよい。また、インピーダンス整合器12は、フェライトコアと一次巻線と二次巻線からなるトランスを用い、その巻数比を変化させて、負荷側インピーダンスZAを変化させるものであってもよい。
送電ユニット13は、インピーダンス整合器12から入力される高周波交流電力を受電装置2の受電ユニット21に非接触で伝送するものである。送電ユニット13は、複数ターンの円形コイルからなる送電コイルL13と、その送電コイルL13に直列に接続されたコンデンサC13との直列共振回路で構成される。なお、送電コイルL13は、円形コイルに限定されるものではなく、四角や長細い形状で巻いたコイルなどであってもよい。送電ユニット13では、直列共振回路の直列共振周波数fO(=1/[2π・√(L・C)])(L:送電コイルL13の自己インダクタンス、C:コンデンサC13のキャパシタンス)が高周波電源回路11から出力される高周波交流電力の周波数(以下、「電源周波数」という。)fg[MHz](本実施形態では13.56MHz)に調整されている。
The
制御部14は、送電装置1の全体を制御するものであり、例えば、ROM、RAM、および、CPUなどを備えるマイクロコンピュータで構成される。なお、図2においては、制御部14の一部の機能構成(本発明に係る機能構成)のみを記載している。制御部14は、インピーダンス検出器114から入力される負荷側インピーダンスZAが電源側インピーダンスZBとなるように、インピーダンス整合器12を制御する。例えば、制御部14は、インピーダンス整合器12に含まれる2個のキャパシタの各キャパシタンスやインダクタのインダクタンスを変化させ、負荷側インピーダンスZAを電源側インピーダンスZBに整合させる。
The
また、制御部14は、RF変換部113bのスイッチング素子Qsに高周波制御信号SWを入力し、スイッチング素子Qsのスイッチング動作を制御する。そのため、制御部14は、図2に示すように、制御信号生成部141を有している。なお、当該制御信号生成部141とRF変換部113bが、特許請求の範囲に記載の「高周波発生手段」に相当する。
Further, the
制御信号生成部141は、RF変換部113bのスイッチング素子Qsに高周波制御信号SWを入力するものである。制御信号生成部141は、13.56MHzでハイレベルとローレベルとを繰り返すパルス信号である高周波制御信号SWを生成し、スイッチング素子Qsのゲート端子に入力する。
The control
さらに、制御部14は、インピーダンス検出器114から入力される負荷側インピーダンスZAに基づき、レベル切替部113aから出力される直流電圧のレベルを切り替えるレベル切替制御を行う。そのため、制御部14は、図2に示すように、判断部142および切替指令部143を有している。なお、当該判断部142、切替指令部143、およびレベル切替部113aが、特許請求の範囲に記載の「切替手段」に相当する。
Further, the
判断部142は、インピーダンス検出器114から入力される負荷側インピーダンスZAと電源側インピーダンスZBとの差の絶対値ΔZ(以下、「インピーダンス差ΔZ」と表現する。)を算出し、当該インピーダンス差ΔZと予め設定された閾値とを比較するものである。この閾値は、判断部142に予め設定されており、レベル切替部113aが出力する直流電圧を低レベルに切り替えるための閾値Z1である。判断部142は、入力される負荷側インピーダンスZAの大きさ|ZA|から電源側インピーダンスZBの大きさ|ZB|を減算し、その絶対値をインピーダンス差ΔZとして算出する。そして、判断部142は当該インピーダンス差ΔZが閾値Z1以上であるか否かを判断し、その判断結果を切替指令部143に出力する。
The
切替指令部143は、判断部142の判断結果に基づき、レベル切替部113aのスイッチQ1,Q2に入力する切替制御信号S1,S2を生成し、スイッチQ1,Q2に切替制御信号S1,S2を入力するものである。具体的には、切替指令部143は、判断部142によりインピーダンス差ΔZが閾値Z1以上であると判断された場合、レベル切替部113aから低レベルの直流電圧が出力されるように、スイッチQ1をオフ状態、スイッチQ2をオン状態にするための切替制御信号S1,S2を生成し、それぞれスイッチQ1,Q2に入力する。また、判断部142によりインピーダンス差ΔZが閾値Z1以上でない(すなわち閾値Z1未満である)と判断された場合、レベル切替部113aから高レベルの直流電圧が出力されるように、スイッチQ1をオン状態、スイッチQ2をオフ状態にするための切替制御信号S1,S2を生成して、それぞれスイッチQ1,Q2に入力する。以上のように、切替指令部143は、切替制御信号S1,S2をレベル切替部113aのスイッチQ1,Q2に入力することで、レベル切替部113aの出力電圧Voutを、高レベルと低レベルとのいずれかに切り替えることができる。
The switching command unit 143 generates switching control signals S1 and S2 to be input to the switches Q1 and Q2 of the
なお、この閾値Z1は、高周波インバータ113のスイッチング素子Qsの耐久性能に基づき、適宜設定すればよい。具体的には、インピーダンス差ΔZが大きくなればなるほど、すなわち、負荷側インピーダンスZAが電源側インピーダンスZBから離れれば離れるほど、反射波電力Prは大きくなる。したがって、スイッチング素子Qsに入力される反射波電力Prが大きくなる。これを考慮して、スイッチング素子Qsの耐久性能が低いほど、閾値Z1を小さく設定しておく必要がある。
The threshold value Z1 may be set as appropriate based on the durability performance of the switching element Qs of the high-
受電装置2は、送電装置1から送電される高周波交流電力を非接触で受電し、バッテリ3を充電するものである。受電装置2は、受電ユニット21、整流平滑回路22、および、充電回路23を含んで構成される。
The
受電ユニット21は、送電ユニット13から非接触で高周波交流電力を受電するものである。受電ユニット21は、送電ユニット13と同一の構成を有し、複数ターンの円形コイルからなり、送電コイルL13と磁気結合された受電コイルL21と、その受電コイルL21に直列に接続されたコンデンサC21との直列共振回路で構成される。なお、受電コイルL21も、円形コイルに限定されるものではなく、四角や長細い形状で巻いたコイルなどであってもよい。受電ユニット21も、直列共振回路の共振周波数fO’(=1/[2π・√(L’・C’)])(L’:受電コイルL21の自己インダクタンス、C’:コンデンサC21のキャパシタンス)が電源周波数fg[MHz]に調整される。
The
整流平滑回路22は、受電ユニット21から入力される高周波交流電力を整流し、平滑化するものである。整流平滑回路22は、例えば、4個のショットキバリアダイオードをブリッジ接続して構成され、高周波交流電力を整流する整流回路部と、コンデンサを用いて構成され、整流回路部によって整流された直流電力を平滑する平滑回路部を有している。
The rectifying / smoothing circuit 22 rectifies and smoothes the high-frequency AC power input from the
充電回路23は、整流平滑回路22から入力される直流電力をバッテリ3に供給し、充電するものである。充電回路23は、バッテリ3の充電特性に合わせ、各種充電制御を実行する。例えば、バッテリ3に一定の充電電流を流す定電流充電の過程と、定電流充電後に、バッテリ3の電池電圧が一定になるように充電電流を制御する定電圧充電とを含む定電流定電圧制御を実行する。この場合、充電回路23は、充電電流を検出する電流計および電池電圧を検出する電圧計を含んで構成される。なお、充電回路23は、充電電流および電池電圧を図示しない制御部に出力し、制御部が充電回路23を制御することで、定電流定電圧制御を実行する構成であってもよい。
The charging
バッテリ3は、電力を蓄積する二次電池であり、例えば、リチウム・イオン電池やニッケル水素電池などで構成される。バッテリ3がリチウム・イオン電池である場合、充電回路23による定電流定電圧制御で充電される。また、バッテリ3は、キャパシタなどの畜電器であってもよい。
The battery 3 is a secondary battery that accumulates electric power, and is composed of, for example, a lithium ion battery or a nickel metal hydride battery. When the battery 3 is a lithium ion battery, it is charged by constant current and constant voltage control by the charging
次に、このように構成された非接触電力伝送システムAの作用について、図3を用いて説明する。図3は、非接触電力伝送システムAが行うレベル切替制御のタイムチャートを示しており、図3(a)は負荷側インピーダンスZAの変化、図3(b)はインピーダンス差ΔZの変化、図3(c)は反射波電力Prの変化、そして、図3(d)はレベル切替部113aの出力電圧Voutの変化を示している。なお、図3において、簡略的に描いているため、実際には多少の揺れが存在することがある。
Next, the operation of the non-contact power transmission system A configured as described above will be described with reference to FIG. Figure 3 shows a time chart of the level switching control contactless power transmission system A is carried out, FIG. 3 (a) changes in the load impedance Z A, FIG. 3 (b) changes in the impedance difference [Delta] Z, FIG. 3 (c) shows a change in the reflected wave power Pr, and FIG. 3 (d) shows a change in the output voltage Vout of the
時刻T0から時刻T1の期間は、インピーダンス整合器12のインピーダンスマッチングにより、負荷側インピーダンスZAが電源側インピーダンスZBに整合している状態である。したがって、インピーダンス差ΔZはゼロである。このとき、反射波電力Prは発生していないためゼロであり、また、レベル切替部113aから高レベルの直流電圧Voutが出力されている。
The period from time T0 to time T1 is a state where the load side impedance Z A is matched with the power source side impedance Z B by the impedance matching of the
時刻T1は、負荷変動が発生したときを示している。例えば、非接触電力伝送システムAにおいて、送電装置1の送電コイルL13と受電装置2の受電コイルL21との位置関係がずれることで、負荷変動が発生する。この負荷変動により、負荷側インピーダンスZAが変化する。以下の説明において、負荷変動により負荷側インピーダンスZAが上昇した場合を例に説明する。
Time T1 indicates a time when a load change occurs. For example, in the non-contact power transmission system A, a load fluctuation occurs due to a shift in the positional relationship between the power transmission coil L13 of the
時刻T1から時刻T2の期間は、時刻T1で発生した負荷変動により、負荷側インピーダンスZAが変動(上昇)する過程を示している。このとき、負荷側インピーダンスZAが上昇することで、負荷側インピーダンスZAが電源側インピーダンスZBからずれる。これにより、反射波電力Prが発生する。反射波電力Prは、負荷側インピーダンスZAの上昇に伴い、上昇する。 Period from the time T2 from the time T1, the load fluctuation generated at time T1, shows the process of load impedance Z A is varied (increased). At this time, the load side impedance Z A rises, so that the load side impedance Z A deviates from the power source side impedance Z B. Thereby, the reflected wave power Pr is generated. The reflected wave power Pr increases as the load side impedance Z A increases.
時刻T2は、負荷変動により負荷側インピーダンスZAが上昇し、インピーダンス差ΔZが閾値Z1以上となったときを示している。このとき、制御部14は、インピーダンス差ΔZが閾値Z1以上であると判断し、図3(d)に示すように、レベル切替部113aの出力電圧Voutを高レベルから低レベルに切り替える。これにより、高周波インバータ113から出力される高周波交流電力が小さくなるので、図3(c)に示すように、反射波電力Prは小さくなる。したがって、高周波インバータ113に入力される反射波電力Prも小さくなり、高周波インバータ113の損壊を抑制することができる。
Time T2 is load impedance Z A is increased by load fluctuation, which indicates when the impedance difference ΔZ becomes the threshold Z1 or more. At this time, the
時刻T2から時刻T3の期間は、負荷変動により負荷側インピーダンスZAがまだ上昇している過程を示している。反射波電力Prは、時刻T2で、レベル切替部113aの出力電圧Voutを切り替えたことで一旦小さくなるが、負荷側インピーダンスZAの上昇に伴い、上昇する。
The period from time T2 to time T3 shows a process in which the load side impedance Z A is still rising due to load fluctuation. Reflected power Pr is a time T2, becomes temporarily smaller by switching the output voltage Vout of the
時刻T3は、負荷変動により負荷側インピーダンスZAが完全に上昇してしまったときを示している。このとき、負荷側インピーダンスZAは最大となり、これ以後、インピーダンスマッチングにより、低下する。また、インピーダンス差ΔZは、最大となり、以後、低下し、反射波電力Prは、負荷側インピーダンスZAが最大となるタイミングで、上昇しなくなり、以後、低下する。 Time T3, the load-side impedance Z A indicates the time and which has been fully raised by the load variation. At this time, the load side impedance Z A becomes maximum, and thereafter decreases due to impedance matching. Further, the impedance difference ΔZ becomes maximum and thereafter decreases, and the reflected wave power Pr does not increase at the timing when the load side impedance Z A becomes maximum, and thereafter decreases.
時刻T3から時刻T4の期間は、インピーダンスマッチングにより負荷側インピーダンスZAが低下し、電源側インピーダンスZBに整合していく過程を示している。このとき、インピーダンス差ΔZは、インピーダンスマッチングにより低下し、反射波電力Prも低下する。 The period from time T3 to time T4 shows a process in which the load side impedance Z A is lowered by impedance matching and matched with the power source side impedance Z B. At this time, the impedance difference ΔZ decreases due to impedance matching, and the reflected wave power Pr also decreases.
時刻T4は、インピーダンスマッチングにより負荷側インピーダンスZAが低下し、インピーダンス差ΔZが閾値Z1未満となったときを示している。このとき、制御部14は、インピーダンス差ΔZが閾値Z1未満であると判断し、図3(d)に示すように、レベル切替部113aの出力電圧Voutを低レベルから高レベルに切り替える。これにより、高周波インバータ113から出力される高周波交流電力が大きくなり、図3(c)に示すように、反射波電力Prは一旦大きくなる。しかし、インピーダンスマッチングにより、インピーダンス差ΔZが小さくなってきているので、高周波インバータ113が損壊しない程度まで反射波電力Prは小さくなっている。
Time T4, the load-side impedance Z A is lowered by the impedance matching, which indicates when the impedance difference ΔZ is less than the threshold value Z1. At this time, the
時刻T4から時刻T5の期間は、まだ負荷側インピーダンスZAが電源側インピーダンスZBと整合していないため、引き続き、インピーダンスマッチングが行われている状態を示している。反射波電力Prは、時刻T4で、レベル切替部113aの出力電圧Voutを切り替えたことで一旦大きくなるが、インピーダンスマッチングが行われているため、それに伴い、低下する。
In the period from time T4 to time T5, since the load side impedance Z A is not yet matched with the power source side impedance Z B , the impedance matching is continuously performed. The reflected wave power Pr once increases due to switching of the output voltage Vout of the
時刻T5は、負荷側インピーダンスZAが電源側インピーダンスZBに整合し、インピーダンスマッチングが完了したときを示している。このとき、負荷側インピーダンスZAが電源側インピーダンスZBと整合したため、インピーダンス差ΔZはゼロとなり、反射波電力Prもゼロとなる。以後、負荷側インピーダンスZAが電源側インピーダンスZBと整合した状態が維持される。 Time T5 indicates a time when the load side impedance Z A matches the power source side impedance Z B and the impedance matching is completed. At this time, since the load side impedance Z A matches the power source side impedance Z B , the impedance difference ΔZ becomes zero and the reflected wave power Pr also becomes zero. Thereafter, the state where the load side impedance Z A is matched with the power source side impedance Z B is maintained.
なお、上記図3に示すタイムチャートにおいて、負荷変動により負荷側インピーダンスZAが上昇した場合を例に説明したが、反対に、負荷変動により負荷側インピーダンスZAが低下した場合であっても、インピーダンス差ΔZが変動するため、インピーダンス差ΔZに応じて、レベル切替部113aの出力電圧Voutのレベルを切り替えることができる。
In the time chart shown in FIG. 3, the case where the load side impedance Z A is increased due to the load variation has been described as an example, but conversely, even when the load side impedance Z A is decreased due to the load variation, Since the impedance difference ΔZ varies, the level of the output voltage Vout of the
以上のことから、本発明の第1実施形態に係る非接触電力伝送システムAは、負荷変動の影響により、高周波電源回路11の出力端から負荷側を見た負荷側インピーダンスZAが変化し、電源側インピーダンスZBとの差(インピーダンス差ΔZ)が予め設定された閾値Z1以上になると、レベル切替部113aの出力電圧Voutを高レベルから低レベルに切り替える。その後、インピーダンス整合器12のインピーダンスマッチングにより、インピーダンス差ΔZが閾値Z1未満となると、レベル切替部113aの出力電圧Voutを低レベルから高レベルに切り替えるようにした。これにより、インピーダンス整合器12により負荷側インピーダンスZAが電源側インピーダンスZBに整合されるまでの間であっても、負荷側インピーダンスZAの変動に応じて、高周波インバータ113から出力される高周波交流電圧のレベルを切り替えることができるので、高周波インバータ113に大きな反射波電力が入力されることを防止できる。しがたって、高周波インバータ113の損壊を抑制することが可能となる。
From the above, the non-contact power transmission system A according to a first embodiment of the present invention, due to the influence of load fluctuation, load impedance Z A of the load side is viewed from the output terminals of the high frequency
上記第1実施形態において、制御部14は、インピーダンス差ΔZが1つの閾値Z1以上であるか否かを判断し、その判断結果に応じて、レベル切替部113aの出力電圧Voutを高レベルか低レベルかのいずれかに切り替える場合を説明したが、これに限定されない。例えば、上記閾値Z1(これを「第1の閾値Z1」と表現する。)の他に、第2の閾値Z2(Z2<Z1)を設けておく。そして、インピーダンス差ΔZが第1の閾値Z1未満となったときではなく、第2の閾値Z2以下になったときに、レベル切替部113aの出力電圧Voutを低レベルから高レベルに切り替えるようにしてもよい。この場合を以下に説明する。
In the first embodiment, the
図4は、閾値を2つ設けた場合のレベル切替制御のタイムチャートを示している。図4(a)は負荷側インピーダンスZAの変化、図4(b)はインピーダンス差ΔZの変化、図4(c)は反射波電力Prの変化、そして、図4(d)はレベル切替部113aの出力電圧Voutの変化を示している。図4(a)に示すように、負荷側インピーダンスZAは、図3(a)と同じように変動したものとする。この図4に示すタイムチャートは、図3に示すタイムチャートと比較し、レベル切替部113aの出力電圧Voutを低レベルから高レベルに切り替えるタイミング(時刻T4)が異なっている。
FIG. 4 shows a time chart of level switching control when two thresholds are provided. 4A shows a change in the load side impedance Z A , FIG. 4B shows a change in the impedance difference ΔZ, FIG. 4C shows a change in the reflected wave power Pr, and FIG. 4D shows a level switching unit. The change of the output voltage Vout of 113a is shown. As shown in FIG. 4 (a), load impedance Z A is assumed to have varied in the same manner as in FIG. 3 (a). The time chart shown in FIG. 4 differs from the time chart shown in FIG. 3 in the timing (time T4) at which the output voltage Vout of the
図4で示すように、インピーダンス差ΔZが第1の閾値Z1未満となったときではなく、第2の閾値Z2以下となったとき(時刻T4)に、レベル切替部113aの出力電圧Voutを低レベルから高レベルに切り替えている。したがって、図3で示すタイムチャートに比べ、切り替えるタイミングが遅くなっている。そのため、インピーダンス差ΔZがより小さく、すなわち、負荷側インピーダンスZAが電源側インピーダンスZBにより近づいたタイミングで切り替えることができる。したがって、レベル切替部113aの出力電圧Voutを低レベルから高レベルに切り替えたときの反射波電力Prは、上記図3の場合よりも低い値となっている。これにより、レベル切替部113aの出力電圧Voutを低レベルから高レベルに切り替えたときに、高周波インバータ113に大きな反射波電力Prが入力される可能性が低くなる。
As shown in FIG. 4, the output voltage Vout of the
また、インピーダンス検出器114により検出される負荷側インピーダンスZAは、検出誤差などの影響により、微小変動することがある。そのため、インピーダンス差ΔZが、第1の閾値Z1付近で、第1の閾値Z1以上となったり第1の閾値Z1未満となったりしてしまう可能性がある。これにより、出力電圧Voutが頻繁に切り替わってしまう。したがって、閾値を2つ設けることで、この微小変動により、出力電圧Voutの切り替えが頻繁に発生してしまうことを防止することができる。
Further, the load impedance Z A to be detected by the
上記第1実施形態において、レベル切替部113aのスイッチQ1,Q2を、図2に示すように、2個のMOSFETを逆直列接続した構成を例に説明したが、スイッチQ1,Q2をそれぞれ、図5に示すように、1個のMOSFETにより構成してもよい。この場合でも、上記第1実施形態と同様に、スイッチQ1,Q2に入力される切替制御信号S1,S2により、レベルの異なる2種類の直流電圧を切り替えることが可能である。
In the first embodiment, the switches Q1 and Q2 of the
また、上記第1実施形態において、レベル切替部113aを、2種類のレベルの異なる直流電圧を切り替えられるように構成した態様を例に説明したが、3種類以上の複数のレベルの異なる直流電圧を切り替えられるように構成していてもよい。例えば、レベル切替部113aを、図6に示すように構成することで、レベルの異なる3種類の直流電圧を切り替えることが可能となる。なお、レベルの異なる3種類の直流電圧のうち、最も高いレベルを高レベル、最も低いレベルを低レベル、高レベルと低レベルの間のレベルを中レベルと表現する。この場合、スイッチQ1だけがオン状態のとき、高レベルの直流電圧が出力され、スイッチQ2だけがオン状態のとき、中レベルの直流電圧が出力され、スイッチQ3だけがオン状態のとき、低レベルの直流電圧が出力される。同様に、コンデンサおよびスイッチング素子を追加し、接続することで、複数のレベルの直流電圧を切り替えるようにすることができる。
In the first embodiment, the
例えば、図6に示すレベル切替部113a’を用いて、レベルの異なる3種類の直流電圧を切り替える場合を、第2実施形態として、以下に説明する。第2実施形態に係る非接触電力伝送システムBは、上記第1実施形態に係る非接触電力伝送システムAと比較し、レベル切替部113aがレベル切替部113a’に置き換わっている点で異なる。それ以外の構成は、同一または類似であるため、同じ符号を付して、その説明を省略する。
For example, a case where three types of DC voltages having different levels are switched using the
レベル切替部113a’の前段に配置される平滑回路112から出力される電圧をVin[V]、3つのコンデンサC1,C2,C3のキャパシタンスをc1[F],c2[F],c3[F]とすると、コンデンサC1,C2,C3の端子間電圧V1[V],V2[V],V3[V]はそれぞれ、下記(3)式、(4)式、(5)式で表わされる。
V1=(c2・c3/(c1・c2+c2・c3+c3・c1))・Vin ・・・(3)
V2=(c3・c1/(c1・c2+c2・c3+c3・c1))・Vin ・・・(4)
V3=(c1・c2/(c1・c2+c2・c3+c3・c1))・Vin ・・・(5)
The voltage output from the smoothing
V1 = (c2 · c3 / (c1 · c2 + c2 · c3 + c3 · c1)) · Vin (3)
V2 = (c3 · c1 / (c1 · c2 + c2 · c3 + c3 · c1)) · Vin (4)
V3 = (c1 · c2 / (c1 · c2 + c2 · c3 + c3 · c1)) · Vin (5)
スイッチQ1だけがオン状態のときは、レベル切替部113a’の出力電圧Voutは、V1+V2+V3[V]、すなわち、Vin[V]となる。これは平滑回路112から入力される直流電圧をそのまま出力していることになる。また、スイッチQ2だけがオン状態のときは、レベル切替部113a’の出力電圧Voutは、V2+V3[V]、すなわち、((c3・c1+c1・c2)/(c1・c2+c2・c3+c3・c1))・Vin[V]となる。そして、スイッチQ3だけがオン状態のときは、レベル切替部113a’の出力電圧Voutは、V3[V]、すなわち、((c1・c2)/(c1・c2+c2・c3+c3・c1))・Vin[V]となる。したがって、上記するように、スイッチQ1だけがオン状態のとき、高レベルの直流電圧が出力され、スイッチQ2だけがオン状態のとき、中レベルの直流電圧が出力され、スイッチQ3だけがオン状態のとき、低レベルの直流電圧が出力されている。
When only the switch Q1 is in the on state, the output voltage Vout of the
以上のことから、レベル切替部113a’は、スイッチQ1,Q2,Q3のスイッチング動作により、3つの大きさの直流電圧を切り替えて、RF変換部113bに出力することができる。
From the above, the
このように、高レベル、中レベル、低レベルの3種類のレベルの直流電圧を切り替えられるように構成されたレベル切替部113a’を用いた場合、判断部142は、インピーダンス差ΔZを、2つの閾値と比較する。なお、これらの2つの閾値を、第1の閾値Z1,第2の閾値Z2’とし、Z1>Z2’とする。そして、切替指令部143は、判断部142からの判断結果、具体的には、ΔZ≦Z2’,Z2’<ΔZ<Z1,Z1≦ΔZのいずれを満たすかの判断結果に基づき、レベル切替部113a’のスイッチQ1,Q2,Q3に入力する切替制御信号S1,S2,S3を生成する。判断部142の判断結果により、インピーダンス差ΔZが、Z1≦ΔZを満たすとき、切替指令部143は、レベル切替部113a’の出力電圧Voutを低レベルにするために、スイッチQ3のみをオン状態にする切替制御信号S1,S2,S3を生成する。インピーダンス差ΔZがZ2’<ΔZ<Z1を満たすとき、切替指令部143は、レベル切替部113a’の出力電圧Voutを中レベルにするために、スイッチQ2のみをオン状態にする切替制御信号S1,S2,S3を生成する。そして、インピーダンス差ΔZがΔZ≦Z2’を満たすとき、切替指令部143は、レベル切替部113a’の出力電圧Voutを高レベルにするために、スイッチQ1のみをオン状態にする切替制御信号S1,S2,S3を生成する。したがって、制御部14は、レベル切替部113a’の出力電圧Voutを、高レベル,中レベル,低レベルのいずれかの直流電圧に切り替えるレベル切替制御を行う。
As described above, when the
図7は、第2実施形態に係る上記レベル切替部113a’を用いた非接触電力伝送システムBが行うレベル切替制御のタイムチャートを示している。図7(a)は負荷側インピーダンスZAの変化、図7(b)はインピーダンス差ΔZの変化、図7(c)は反射波電力Prの変化、そして、図7(d)はレベル切替部113a’の出力電圧Voutの変化を示している。なお、図7(a)に示すように、負荷側インピーダンスZAは、図3(a)と同じように変動するものとする。また、図7においても、実際は多少の揺れが存在することがある。
FIG. 7 shows a time chart of level switching control performed by the non-contact power transmission system B using the
時刻T2で、インピーダンス差ΔZが第2の閾値Z2’より大きくなったため、制御部14はレベル切替部113a’の出力電圧Voutを高レベルから中レベルに切り替える。これにより、反射波電力Prは小さくなる。その後も、負荷変動により負荷側インピーダンスZAはさらに上昇を続け、時刻T3で、インピーダンス差ΔZが第1の閾値Z1以上になると、今度は、制御部14は、レベル切替部113a’の出力電圧Voutを中レベルから低レベルに切り替える。これにより、反射波電力Prは小さくなる。そして、負荷変動による負荷側インピーダンスZAの上昇が続き、負荷側インピーダンスZAは、時刻T4において、上昇が終息し、以後、インピーダンスマッチングにより低下し始める。これに伴い、インピーダンス差ΔZおよび反射波電力Prにおいて、それらの上昇が終息し、以後、インピーダンス差ΔZおよび反射波電力Prは低下し始める。
Since the impedance difference ΔZ becomes larger than the second threshold value Z2 ′ at time T2, the
その後、時刻T5で、インピーダンスマッチングにより負荷側インピーダンスZAが低下し、インピーダンス差ΔZが第1の閾値Z1未満となると、制御部14は、レベル切替部113a’の出力電圧Voutを低レベルから中レベルに切り替える。レベル切替部113a’の出力電圧Voutを切り替えることで、上記第1実施形態と同様に、反射波電力Prが上昇するが、このときの上昇量は、上記第1実施形態と比べて少ない。そして、時刻T6で、インピーダンス差ΔZが第2の閾値Z2’以下になると、レベル切替部113a’の出力電圧Voutを中レベルから高レベルに切り替える。そして、時刻T7で、負荷側インピーダンスZAが電源側インピーダンスZBに整合し、インピーダンスマッチングが完了する。これにより、反射波電力Prはゼロとなる。
Thereafter, the medium in time T5, the reduced load impedance Z A is the impedance matching, the impedance difference ΔZ is less than the first threshold value Z1, the
なお、上記図7に示すタイムチャートにおいて、負荷変動により負荷側インピーダンスZAが上昇した場合を例に説明したが、反対に、負荷変動により負荷側インピーダンスZAが低下した場合であっても、インピーダンス差ΔZが変動するため、インピーダンス差ΔZに応じて、レベル切替部113aの出力電圧Voutのレベルを切り替えることができる。
In the time chart shown in FIG. 7 described above, the case where the load side impedance Z A is increased due to the load variation has been described as an example. Conversely, even when the load side impedance Z A is decreased due to the load variation, Since the impedance difference ΔZ varies, the level of the output voltage Vout of the
以上のことから、第2実施形態において、上記レベル切替部113a’を備えた非接触電力伝送システムBにおいても、上記第1実施形態と同様に、インピーダンス整合器12より負荷側インピーダンスZAが電源側インピーダンスZBに整合されるまでの間であっても、負荷側インピーダンスZAの変動に応じて、高周波インバータ113から出力される高周波交流電圧のレベルを切り替えることができる。これにより、高周波インバータ113に大きな反射波電力が入力されることを防止できる。したがって、高周波インバータ113の損壊を抑制することが可能となる。
From the above, in the second embodiment, even in the non-contact power transmission system B equipped with the
また、レベル切替部113a’の出力電圧Voutを3種類のレベルで切り替えることができるため、高周波インバータ113から出力される高周波交流電圧(高周波交流電力)のレベルを段階的に上げていくことができる。よって、第1実施形態(図3参照)と比較し、レベル切替部113a’の出力電圧Voutを、レベルの1つ高い直流電圧に切り替えたとき(低レベルから中レベル、中レベルから高レベル)の反射波電力Prの上昇量を少なくすることができる。すなわち、反射波電力Prの急激な上昇を緩和させることが可能となる。
Further, since the output voltage Vout of the
上記第1実施形態および上記第2実施形態において、制御部14が、インピーダンス差ΔZと所定の閾値とを比較し、その結果に応じて、レベル切替部113a(113a’)のレベル切替制御を行う態様を説明したが、インピーダンス検出器114が検出した負荷側インピーダンスZAの大きさが電源側インピーダンスZBを含む所定の範囲内にあるか否かを判断し、その結果に応じて、レベル切替部113a(113a’)のレベル切替制御を行うようにしてもよい。例えば、第1実施形態において、制御部14は、入力される負荷側インピーダンスZAが、電源側インピーダンスZBを含む所定の範囲(ZB−Zm≦ZA≦ZB−Zn,m≦n;Zm,Znは所定の値)内にあるか否かを判断し、所定の範囲内にない場合、出力電圧Voutを低レベルに切り替え、所定の範囲内にある場合、出力電圧Voutを高レベルに切り替える。このように、インピーダンス差ΔZではなく、負荷側インピーダンスZAの大きさで、レベル切替部113a(113a’)のレベル切替制御を行うようにしてもよい。
In the first embodiment and the second embodiment, the
また、上記第1実施形態および上記第2実施形態において、インピーダンス差ΔZに基づき、レベル切替部113a(113a’)のレベル切替制御を行う態様を説明したが、負荷側の反射波電力Prの値に基づき、レベル切替部113a(113a’)のレベル切替制御を行うようにしてもよい。この場合を第3実施形態として、以下に説明する。
Moreover, in the said 1st Embodiment and the said 2nd Embodiment, although the aspect which performs level switching control of the
図8は、第3実施形態に係る非接触電力伝送システムCの全体構成を説明するための図である。第3実施形態に係る非接触電力伝送システムCは、第1実施形態に係る非接触電力伝送システムAと比較し、インピーダンス検出器114の代わりに電力検出器115を備えている点で異なる。なお、上記第1実施形態に係る非接触電力伝送システムAと同一または類似の構成については、同じ符号を付してその説明を省略する。
FIG. 8 is a diagram for explaining the overall configuration of the non-contact power transmission system C according to the third embodiment. The non-contact power transmission system C according to the third embodiment is different from the non-contact power transmission system A according to the first embodiment in that a
電力検出器115は、高周波インバータ113から出力される高周波交流電力の進行波電力Pfおよび反射波電力Prを検出するものである。電力検出器115は、例えば、双方向性結合器と、その双方向性結合器から出力される進行波検出信号と反射波検出信号をそれぞれ進行波電力Pfと反射波電力Prに変換する変換器とで構成される。電力検出器115で検出された進行波電力Pfと反射波電力Prは制御部14に入力される。
The
制御部14’は、第1実施形態の制御部14と比較し、電力検出器115から入力される反射波電力Prに基づき、レベル切替部113aから出力される直流電圧のレベルを切り替えるレベル切替制御を行う点で異なる。そのため、制御部14’は、図8に示すように、判断部142および切替指令部143の代わりに、判断部142’および切替指令部143’を有している。
Compared with the
判断部142’は、電力検出器115から入力される反射波電力Prの値と予め設定された閾値とを比較するものである。判断部142’は、電力検出器115から入力される反射波電力Prの値が、第1の閾値Pr1以上(Pr1≦Pr)であるか、第2の閾値Pr2以下(Pr≦Pr2)であるか、あるいは、それらの間(Pr2<Pr<Pr1)であるかを判断する。そして、判断部142’は、判断結果を切替指令部143’に出力する。
The
切替指令部143’は、判断部142’の判断結果として、反射波電力Prが第1の閾値Pr1以上であった場合、レベル切替部113aから低レベルの直流電圧が出力されるように、スイッチQ1をオフ状態、スイッチQ2をオン状態にするための切替制御信号S1,S2を生成し、それぞれスイッチQ1,Q2に入力する。また、判断部142’の判断結果として、反射波電力Prが第2閾値Pr2以下であった場合、レベル切替部113aから高レベルの直流電圧が出力されるように、スイッチQ1をオン状態、スイッチQ2をオフ状態にするための切替制御信号S1,S2を生成して、それぞれスイッチQ1,Q2に入力する。なお、切替指令部143’は、判断部142’の判断結果として、反射波電力Prが第1の閾値Pr1未満であり、かつ、第2の閾値Pr2より大きかった場合、スイッチQ1,Q2のオン状態およびオフ状態を現状のまま維持する。以上のように、切替指令部143’は、切替制御信号S1,S2をレベル切替部113aのスイッチQ1,Q2に入力することで、レベル切替部113aの出力電圧Voutを、高レベルと低レベルとのいずれかに切り替えることができる。
As a result of determination by the
なお、この第1の閾値Pr1は、高周波インバータ113のスイッチング素子Qsの耐久性能に基づき、スイッチング素子Qsの耐久性能以下に第1の閾値Pr1を設定すればよい。具体的には、スイッチング素子Qsの耐久性能が高いほど、大きい反射波電力Prにも耐えることができる。よって、耐久性能が低いほど、第1の閾値Pr1を小さくする必要がある。また、第2の閾値Pr2は、レベル切替部113aの出力電圧Voutの低レベルと高レベルとの出力差に基づき、適宜設定すればよい。具体的には、第1の閾値Pr1と第2の閾値Pr2との差が少ないと、出力電圧Voutを低レベルから高レベルに切り替えたときに、反射波電力Prが第1の閾値Pr1以上になる可能性がある。この場合、またすぐに、出力電圧Voutが高レベルから低レベルに切り替わり、高レベルと低レベルとの切り替えが繰り返されることになる。これを回避するために、出力電圧Voutを低レベルから高レベルに切り替えたときに上昇する反射波電力Prが第1の閾値Pr1以上とならないように、高レベルと低レベルとの出力差に基づき、第2の閾値Pr2を設定する。
The first threshold value Pr1 may be set to be equal to or lower than the durability performance of the switching element Qs based on the durability performance of the switching element Qs of the high-
次に、このように構成された非接触電力伝送システムCの作用について、図9を用いて説明する。図9は、非接触電力伝送システムCが行うレベル切替制御のタイムチャートを示しており、図9(a)は反射波電力Prの変化、図9(b)はレベル切替部113aの出力電圧Voutの変化を示している。なお、図示は省略するが、負荷側インピーダンスZAは、図3(a)と同様に変動しているものとする。また、図9(a)においても実際は多少の揺れが存在する。
Next, the operation of the non-contact power transmission system C configured as described above will be described with reference to FIG. 9 shows a time chart of the level switching control performed by the non-contact power transmission system C. FIG. 9A shows the change in the reflected wave power Pr, and FIG. 9B shows the output voltage Vout of the
図示するように、時刻T0から時刻T1の期間は、インピーダンス整合器12のインピーダンスマッチングにより、負荷側インピーダンスZAが電源側インピーダンスZBと整合しているため、反射波電力Prはゼロである。このような状況で、時刻T1で負荷変動が発生し、負荷側インピーダンスZAが上昇(あるいは低下)すると、反射波電力Prが発生し始める。そして、上昇する反射波電力Prが、時刻T2で、第1の閾値Pr1以上になると、制御部14は、電力検出器115から入力される反射波電力Prが第1の閾値以上であると判断し、図9(b)に示すように、レベル切替部113aの出力電圧Voutを高レベルから低レベルに切り替える。これにより、高周波インバータ113から出力される高周波交流電力が小さくなり、図9(a)に示すように、反射波電力Prも小さくなる。したがって、高周波インバータ113に入力される反射波電力Prが小さくなるので、高周波インバータ113の損壊を抑制することができる。
As shown in the figure, during the period from time T0 to time T1, the reflected wave power Pr is zero because the load side impedance Z A matches the power source side impedance Z B due to the impedance matching of the
その後、レベル切替部113aの出力電圧Voutを低レベルに切り替えたままの状態で、インピーダンスマッチングにより、負荷側インピーダンスZAが電源側インピーダンスZBに整合されていくことで、反射波電力Prは低下していく。そして、低下する反射波電力Prが、時刻T3で、第2の閾値以下になると、制御部14は、電力検出器115から入力される反射波電力Prが第2の閾値以下であると判断し、図9(b)に示すように、レベル切替部113aの出力電圧Voutを低レベルから高レベルに切り替える。
Thereafter, the reflected wave power Pr is lowered by matching the load side impedance Z A to the power source side impedance Z B by impedance matching while the output voltage Vout of the
以後、時刻T4で、負荷側インピーダンスZAが電源側インピーダンスZBと整合し、インピーダンスマッチングが完了すると、反射波電力Prはゼロとなる。 Thereafter, at time T4, when the load side impedance Z A matches the power source side impedance Z B and the impedance matching is completed, the reflected wave power Pr becomes zero.
以上のことから、本発明の第3実施形態に係る非接触電力伝送システムCは、反射波電力Prが第1の閾値Pr1以上になると、レベル切替部113の出力電圧Voutを高レベルから低レベルに切り替える。その後、インピーダンス整合器12のインピーダンスマッチングにより、反射波電力Prが第2の閾値Pr2以下になると、レベル切替部113aの出力電圧Voutを低レベルから高レベルに切り替えるようにした。これにより、インピーダンス整合器12により負荷側インピーダンスZAが電源側インピーダンスZBに整合されるまでの間であっても、反射波電力Prの変動に応じて、高周波インバータ113から出力される高周波交流電圧のレベルを切り替える事ができるので、高周波インバータ113に大きな反射波電力が入力されることを防止できる。したがって、高周波インバータ113の損壊を抑制することが可能となる。
From the above, the non-contact power transmission system C according to the third embodiment of the present invention reduces the output voltage Vout of the
上記第1実施形態ないし第3実施形態において、高周波インバータ113のRF変換部113bをE級のインバータで構成した場合を例に説明したが、これに限定されない。RF変換部113bの他の構成例について図を用いて、以下に説明する。
In the first to third embodiments, the case where the
図10は、RF変換部113bの第1変形例であるRF変換部113cを示す図である。図示するようにRF変換部113cは、インダクタL3と、スイッチング素子Qsと、コンデンサC4と、LC直列共振回路LC1と、インダクタL6とコンデンサC6とを直列に接続した共振回路LC2とを含んで構成される。よって、RF変換部113cは、上記第1実施形態におけるRF変換部113bに、共振回路LC2を追加して構成されている。共振回路LC2は、スイッチング素子Qsに並列に接続されている。この共振回路LC2は、その共振周波数が、高周波制御信号SWの周波数の2倍に設定されている。本実施形態においては、高周波制御信号SWの周波数は13.56MHzであるので、共振回路LC2の共振周波数は27.12MHzに設定されている。このように構成されたRF変換部113cにおいて、レベル切替部113aから入力される直流電圧によりインダクタL3に電流が流れる。そして、スイッチング素子Qsのスイッチング動作により、インダクタL3に流れる電流が高周波交流電流に変換され、RF変換部113cから出力される。
FIG. 10 is a diagram illustrating an
図11は、RF変換部113bの第2変形例であるRF変換部113dを示す図である。図示するようにRF変換部113dは、2個のスイッチング素子Qsと、LC直列共振回路LC1とを含んで構成される。2個のスイッチング素子Qsは、ブリッジ接続され、一方(図11において上側)のスイッチング素子Qsのドレイン端子がレベル切替部113aの高電位側の出力端子に接続され、他方(図11において下側)のスイッチング素子Qsのソース端子がレベル切替部113aの低電位側の出力端子に接続されている。2個のスイッチング素子Qsのゲート端子は、制御部14に接続され、制御部14から入力される高周波制御信号SWに従い、スイッチング動作を行う。2個のスイッチング素子Qsは、一方がオン状態のとき、他方がオフ状態となるように、高周波制御信号SWが入力される。ブリッジ接続された2個のスイッチング素子Qsの接続点には、フィルタとして機能するLC直列共振回路LC1が接続されている。RF変換部113dは、いわゆるD級のインバータ(D級アンプ)で構成される。なお、図11においては、2個のスイッチング素子Qsをブリッジ接続した、ハーフブリッジ構造であるが、フルブリッジ接続であってもよい。RF変換部113dは、レベル切替部113aから入力される直流電圧を2個のスイッチング素子Qsのスイッチング動作により、高周波交流電圧に変換し、出力する。
FIG. 11 is a diagram illustrating an
図12は、RF変換部113bの第3変形例であるRF変換部113eを示す図である。図示するようにRF変換部113eは、伝送線路K1と、スイッチング素子Qsと、コンデンサC4と、LC直列共振回路LC1とを含んで構成される。よって、RF変換部113eは、上記第1実施形態におけるRF変換部113bのインダクタL3の代わりに、伝送線路K1を用いて構成されている。伝送線路K1は、電力を伝送するための線路であり、例えば、同軸ケーブル、同軸管などが用いられる。また、伝送線路K1は、その長さが、RF変換部113eが出力する高周波出力の周波数(高周波制御信号SWの周波数)の、当該伝送線路K1における伝送波長のおよそ1/4のものを利用する。伝送線路K1内の電波の速度をν、周波数をfとすると、伝送線路K1における伝送波長λは、λ[m]=ν[m/s]/f[Hz]で表わされる。例えば、伝送線路K1として同軸ケーブル(ポリエチレン製)を用いた場合、伝送線路K1内の電波の速度νは、真空中の電波の速度c(=3.0×108[m/s])の約66%であり、周波数fは、スイッチング素子Qsのスイッチング周波数(高周波制御信号SWの周波数)fSWとなるので、伝送線路K1における伝送波長λは、λ=(c・(66/100))/fSW=(3.0×108)×(66/100)/(13.56×106)≒14.60[m]となる。伝送線路K1の長さは、この伝送波長λのおよそ1/4であるので、14.60×(1/4)≒3.7[m]となる。なお、上記同軸ケーブル上の電波の速度νを、真空中の電波の速度の約66%としたが、同軸ケーブル上の電波の速度は、用いる同軸ケーブルの波長短縮率(より詳細には同軸ケーブルの絶縁材料)により異なる。したがって、伝送線路K1の長さは、用いる同軸ケーブルの種類に応じて、適宜変更すればよい。このように構成されたRF変換部113eにおいて、レベル切替部113aから入力される直流電圧により伝送線路K1に電流が流れる。そして、スイッチング素子Qsのスイッチング動作により、伝送線路K1に流れる電流が高周波交流電流に変換され、RF変換部113eから出力される。
FIG. 12 is a diagram illustrating an
図13は、RF変換部113bの第4変形例であるRF変換部113fを示す図である。図示するようにRF変換部113fは、インダクタL3と、スイッチング素子Qsと、コンデンサC4と、LC直列共振回路LC1と、2本の伝送線路K2,K3とを含んで構成される。よって、RF変換部113fは、上記第1実施形態におけるRF変換部113bに、2本の伝送線路K2,K3を追加して構成されている。伝送線路K2および伝送線路K3の一端は、ともにインダクタL3とスイッチング素子Qsの接続点に接続されており、伝送線路K2の他端は開放され、伝送線路K3の他端は短絡されている。また、伝送線路K2(K3)は、その長さが、RF変換部113fが出力する高周波出力の周波数の、伝送線路K2(K3)における伝送波長λのおよそ1/8のものを利用する。具体的には、上記伝送線路K1と同様に同軸ケーブル(ポリエチレン製)を用いた場合、伝送線路K2(K3)における伝送波長λは、λ=(3.0×108)×(66/100)/(13.56×106)≒14.60[m]となる。伝送線路K2(K3)の長さは、この伝送波長λのおよそ1/8であるので、14.60×(1/8)≒1.8[m]となる。このように構成されたRF変換部113fにおいて、レベル切替部113aから入力される直流電圧によりインダクタL3に電流が流れる。そして、スイッチング素子Qsのスイッチング動作により、インダクタL3に流れる電流が高周波交流電流に変換され、RF変換部113fから出力される。
FIG. 13 is a diagram illustrating an
これらのように構成されたRF変換部113c〜113fを、上記第1実施形態ないし上記第3実施形態に係る高周波インバータ113のRF変換部113bと置き換えた場合でも、大きな反射波電力が入力されると、高周波インバータ113(スイッチング素子Qs)が損壊する可能性があるため、上記第1実施形態ないし上記第3実施形態と同様の効果を奏することができる。
Even when the
上記第1実施形態ないし第3実施形態では、本発明に係る高周波電源装置を非接触電力伝送システムに適用した場合を例に説明したが、これに限定されない。その他の用途の高周波電源装置に適用してもよい。例えば、図14に示すような、半導体ウエハの薄膜形成やエッチング処理を行うプラズマ処理システムDに適用してもよい。この場合を第4実施形態として、以下に説明する。なお、上記第1実施形態ないし第3実施形態と同一または類似の構成については、同じ符号を付して、その説明を省略する。 In the first to third embodiments, the case where the high-frequency power supply device according to the present invention is applied to a non-contact power transmission system has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. You may apply to the high frequency power supply device of another use. For example, you may apply to the plasma processing system D which performs the thin film formation and etching process of a semiconductor wafer as shown in FIG. This case will be described below as a fourth embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same or similar structure as the said 1st Embodiment thru | or 3rd Embodiment, and the description is abbreviate | omitted.
図14は、プラズマ処理システムDの全体を示す図である。プラズマ処理システムDは、商用電源Pから入力される商用交流電力を、高周波電源回路11で高周波交流電力に変換し、プラズマ処理装置15に供給する。
FIG. 14 is a diagram showing the entire plasma processing system D. As shown in FIG. The plasma processing system D converts commercial AC power input from the commercial power source P into high frequency AC power by the high frequency
プラズマ処理装置15は、ワーク加工部を備え、そのワーク加工部の内部に搬入した半導体ウエハや液晶基板などのワークを加工(エッチング、CVD等)するための装置である。このプラズマ処理装置15は、ワークを加工するために、ワーク加工部にプラズマ放電用ガスを導入し、そのプラズマ放電用ガスに高周波電源回路11から供給された高周波交流電力(電圧)を印加することによって、プラズマ放電用ガスを放電させて、非プラズマ状態からプラズマ状態にしている。そして、プラズマ状態になったガスを利用して、ワークを加工している。
The
このような、プラズマ処理システムDでは、プラズマ処理装置15の内部インピーダンスがプラズマ放電の状態によって変動する。そのため、インピーダンス整合器12の入力端(高周波インバータ113の出力端)から負荷側を見た負荷側インピーダンスZAは、変動する。したがって、上記第1実施形態と同様に、制御部14が、インピーダンス差ΔZに基づき、レベル切替部113aの出力電圧Voutのレベル切替制御をすることで、高周波インバータ113に大きな反射波電力が入力されることを防止できる。したがって、高周波インバータ113の損壊を抑制することが可能となる。なお、プラズマ処理システムDにおいても、インピーダンス差ΔZの代わりに、反射波電力Prに基づき、レベル切替部113aから出力される直流電圧のレベルを切り替えるようにしてもよい。さらに、図10〜図13に示すRF変換部113c〜113fを用いて構成してもよい。
In such a plasma processing system D, the internal impedance of the
また、上記する非接触電力伝送システムA,B,Cやプラズマ処理システムDにおいて、高周波インバータ113から高周波交流電力の出力を開始するとき、インピーダンスが整合されていない可能性が高い。そのため、高周波交流電力の出力開始を判断して、開始直後は、レベル切替部113aから低レベルの直流電圧が出力されるようにし、インピーダンス整合器12によりインピーダンスマッチングが完了した後に、レベル切替部113aから高レベルの直流電圧が出力されるようにしてもよい。なお、出力開始の判断は、各システムに備えられる図示しない電源スイッチ(出力開始スイッチ)の操作や、電力検出器による出力電力の検出などにより判断することができる。その後は、上記第1実施形態ないし第4実施形態のように、負荷側インピーダンスZAまたは反射波電力Prの値に基づき、レベル切替部113a(レベル切替部113a’)を切り替えるようにする。
In the non-contact power transmission systems A, B, C and the plasma processing system D described above, when the output of the high-frequency AC power from the high-
以上のように、本発明に係る高周波電源装置および非接触電力伝送システムについて説明したが、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の特許請求の範囲を逸脱しなければ、各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。 As described above, the high-frequency power supply device and the non-contact power transmission system according to the present invention have been described. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment. Various design changes can be made in various ways.
A,B,C 非接触電力伝送システム
P 商用電源
1 送電装置
11 高周波電源回路
111 整流回路
112 平滑回路
113 高周波インバータ
113a,113a’ レベル切替部
113b〜113f RF変換部
Q1,Q2,Q3 スイッチ
C1,C2,C3,C4,C5,C6 コンデンサ
Qs スイッチング素子
L3,L5,L6 インダクタ
LC1 LC直列共振回路
LC2 共振回路
K1,K2,K3 伝送線路
114 インピーダンス検出器
114a 電流・電圧センサ
114b 演算部
115 電力検出器
12 インピーダンス整合器
13 送電ユニット
C13 コンデンサ
L13 送電コイル
14,14’ 制御部
141 制御信号生成部
142,142’ 判断部
143,143’ 切替指令部
2 受電装置
21 受電ユニット
C21 コンデンサ
L21 受電コイル
22 整流平滑回路
23 充電回路
3 バッテリ
D プラズマ処理システム
15 プラズマ処理装置
A, B, C Non-contact power transmission system P
Claims (13)
スイッチング素子のスイッチング動作により、直流電力を高周波電力に変換することで、高周波を発生させる高周波発生手段と、
前記高周波発生手段の出力側の特性値を検出する検出手段と、
前記高周波発生手段の入力側に配置されるスイッチ部を有し、前記検出手段が検出した前記特性値に基づき、前記スイッチ部を切り替えることで、前記高周波発生手段に入力する直流電圧を、レベルの異なる複数の直流電圧のうちのいずれか1の直流電圧に切り替える切替手段と、
を備える高周波電源装置。 A high frequency power supply device that outputs a high frequency to a load via an impedance matching unit,
High-frequency generating means for generating a high frequency by converting DC power into high-frequency power by switching operation of the switching element;
Detecting means for detecting a characteristic value on the output side of the high-frequency generating means;
A switching unit disposed on an input side of the high-frequency generation unit; and by switching the switch unit based on the characteristic value detected by the detection unit, a DC voltage input to the high-frequency generation unit is Switching means for switching to any one of a plurality of different DC voltages;
A high frequency power supply device comprising:
前記検出手段は、前記負荷側インピーダンスを検出し、
前記切替手段は、前記負荷側インピーダンスと前記出力端から前記負荷側の反対側を見たインピーダンスである電源側インピーダンスとの差であるインピーダンス差を算出し、当該インピーダンス差が第1の閾値以上である場合に、前記複数の直流電圧のうち、最も低いレベルの直流電圧を出力し、前記インピーダンス差が前記第1の閾値未満である場合に、前記複数の直流電圧のうち、最も高いレベルの直流電圧を出力するように、前記スイッチ部を切り替える、
請求項1に記載の高周波電源装置。 The characteristic value is a load-side impedance that is an impedance viewed from the output end of the high-frequency generating means,
The detection means detects the load side impedance,
The switching unit calculates an impedance difference that is a difference between the load side impedance and a power source side impedance that is an impedance when the opposite side of the load side is viewed from the output end, and the impedance difference is equal to or greater than a first threshold value. In some cases, the DC voltage at the lowest level among the plurality of DC voltages is output, and the DC voltage at the highest level among the plurality of DC voltages is output when the impedance difference is less than the first threshold. Switching the switch unit to output a voltage;
The high frequency power supply device according to claim 1.
前記検出手段は、前記負荷側インピーダンスを検出し、
前記切替手段は、前記負荷側インピーダンスと前記出力端から前記負荷側の反対側を見たインピーダンスである電源側インピーダンスとの差であるインピーダンス差を算出し、当該インピーダンス差が第1の閾値以上である場合に、前記複数の直流電圧のうち、最も低いレベルの直流電圧を出力し、前記インピーダンス差が前記第1の閾値より小さい第2の閾値以下である場合に、前記複数の直流電圧のうち、最も高いレベルの直流電圧を出力するように、前記スイッチ部を切り替える、
請求項1に記載の高周波電源装置。 The characteristic value is a load-side impedance that is an impedance viewed from the output end of the high-frequency generating means,
The detection means detects the load side impedance,
The switching unit calculates an impedance difference that is a difference between the load side impedance and a power source side impedance that is an impedance when the opposite side of the load side is viewed from the output end, and the impedance difference is equal to or greater than a first threshold value. In some cases, the DC voltage of the lowest level among the plurality of DC voltages is output, and when the impedance difference is equal to or smaller than a second threshold value that is smaller than the first threshold value, Switching the switch unit to output the highest level DC voltage;
The high frequency power supply device according to claim 1.
前記検出手段は、前記反射波電力の値を検出し、
前記切替手段は、前記反射波電力の値が第1の閾値以上である場合、前記複数の直流電圧のうち、最も低いレベルの直流電圧を出力し、前記反射波電力の値が前記第1の閾値より小さい第2の閾値以下である場合、前記複数の直流電圧のうち、最も高いレベルの直流電圧を出力するように、前記スイッチ部を切り替える、
請求項1に記載の高周波電源装置。 The characteristic value is reflected wave power reflected from the load side,
The detection means detects the value of the reflected wave power,
When the value of the reflected wave power is greater than or equal to a first threshold, the switching unit outputs a DC voltage of the lowest level among the plurality of DC voltages, and the value of the reflected wave power is the first value. When the second threshold value is less than or equal to a second threshold value, the switch unit is switched to output the highest level DC voltage among the plurality of DC voltages.
The high frequency power supply device according to claim 1.
前記切替手段は、前記高周波の出力開始時には、前記複数の直流電圧のうち、最も低いレベルの直流電圧を出力し、前記インピーダンス整合器によるインピーダンスの整合が完了した後、前記複数の直流電圧のうち、最も高いレベルの直流電圧を出力するように、前記スイッチ部を切り替える、
請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の高周波電源装置。 A judgment means for judging the start of output of the high frequency from the high frequency conversion means;
The switching means outputs the lowest level DC voltage among the plurality of DC voltages at the start of the high frequency output, and after the impedance matching by the impedance matching unit is completed, Switching the switch unit to output the highest level DC voltage;
The high frequency power supply device according to any one of claims 1 to 4.
前記最も高いレベルは、前記直流電圧源から前記切替手段に入力される直流電圧と同じレベルである、
請求項2ないし請求項5のいずれか一項に記載の高周波電源装置。 The switching means receives a DC voltage from a DC voltage source,
The highest level is the same level as the DC voltage input from the DC voltage source to the switching means.
The high frequency power supply device according to any one of claims 2 to 5.
前記スイッチ部は、前記複数のコンデンサと同数のスイッチにより構成され、
前記各スイッチの一方の端子は、前記コンデンサのいずれかで、それぞれ異なる前記コンデンサの高電位側の端子に接続されており、
前記各スイッチの他方の端子は、互いに接続され、前記高周波変換手段の入力側の高電位側の端子に接続されている、
請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の高周波電源装置。 The switching means has a plurality of capacitors arranged in front of the switch unit in order to divide the input DC voltage,
The switch unit is configured by the same number of switches as the plurality of capacitors,
One terminal of each switch is connected to a high potential side terminal of each of the capacitors, which is different from each other,
The other terminal of each switch is connected to each other and connected to a high potential side terminal on the input side of the high frequency conversion means.
The high frequency power supply device according to any one of claims 1 to 6.
請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の高周波電源装置。 The high frequency generation means includes the switching element that performs a switching operation based on an input high frequency control signal, and an inductor that is connected in series between the switching means and the switching element. The
The high frequency power supply device according to any one of claims 1 to 7.
請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の高周波電源装置。 The high-frequency generating means includes the switching element for performing a switching operation based on an input high-frequency control signal, an inductor connected in series between the switching means and the switching element, and in parallel with the switching element. A resonance circuit that is connected and has an impedance of zero at a frequency that is twice the frequency of the high-frequency control signal.
The high frequency power supply device according to any one of claims 1 to 7.
請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の高周波電源装置。 The high-frequency generation means includes a plurality of switching elements that are half-bridge connected or full-bridge connected between the switching means and the impedance matching unit.
The high frequency power supply device according to any one of claims 1 to 7.
前記伝送線路の長さは、前記高周波制御信号の周波数の、当該伝送線路における伝送波長の略4分の1の長さである、
請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の高周波電源装置。 The high frequency generation means includes the switching element that performs a switching operation based on an input high frequency control signal, and a transmission line that is connected in series between the switching means and the switching element. And
The length of the transmission line is approximately one-fourth the length of the transmission wavelength in the transmission line of the frequency of the high-frequency control signal.
The high frequency power supply device according to any one of claims 1 to 7.
前記第1の伝送線路の長さおよび前記第2の伝送線路の長さはそれぞれ、前記高周波制御信号の周波数の、各伝送線路における伝送波長の略8分の1の長さである、
請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の高周波電源装置。 The high frequency generation means includes the switching element for performing a switching operation based on an input high frequency control signal, an inductor connected in series between the switching means and the switching element, and one terminal of the inductor Is connected to the connection point of the switching element, the other terminal is opened, one terminal is connected to the connection point of the inductor and the switching element, the other terminal is short-circuited A second transmission line, and
The length of the first transmission line and the length of the second transmission line are each approximately one-eighth of the transmission wavelength in each transmission line of the frequency of the high-frequency control signal.
The high frequency power supply device according to any one of claims 1 to 7.
前記送電装置は、
請求項1ないし請求項12のいずれか一項に記載の高周波電源装置を備えている、
非接触電力伝送システム。 A non-contact power transmission system that supplies power from a power transmission device to a power reception device in a non-contact manner,
The power transmission device is:
A high-frequency power supply device according to any one of claims 1 to 12 is provided.
Non-contact power transmission system.
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