JP2017169274A - 受電装置および無線電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】低損失かつ高効率な動作で受電装置の保護を実現する。
【解決手段】本発明の実施形態としての受電装置は、送電装置と磁界を介して結合することにより、交流電力を受電する受電共振器と、前記受電共振器で受電された前記交流電力を出力する第１端子および第２端子と、前記第１端子および前記第２端子間を短絡するための短絡回路と、を備える。前記短絡回路は、前記第１端子から前記第２端子へ電流が流れる第１経路と、前記第２端子から前記第１端子へ電流が流れる第２経路とを備える。前記第１経路と前記第２経路とは、同じ方向に電流が流れる、互いに共通する経路部分を有し、前記経路部分にはスイッチング素子が配置されている。
【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、受電装置および無線電力伝送システムに関する。

送電側の共振器から受電側の共振器へ、高周波エネルギーを無線で伝送する無線電力伝送（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）システムが知られている。無線電力伝送システムは、電力を送電する送電装置と、電力を受電する受電装置とに分けられる。

送電装置は、商用の交流電源から供給される交流電圧を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣコンバータと、当該直流電力の電圧を任意の電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、変換後の電圧に基づき高周波電力を生成するインバータと、送電共振器とを備える。送電共振器は、インバータから供給される高周波電力に応じた磁界を発生させる。

受電装置は、送電共振器と磁界を介して結合して高周波電力を受電する受電共振器を備える。また、受電装置は、受電共振器より得られた交流電力を直流に変換する整流器と、整流器により変換された直流電力の電圧を任意の電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、バッテリとを備える。

ここで、送電装置および受電装置は、各々の構成要素に対するセンサを有している。このセンサにより当該構成要素の電圧、電流等を計測して、データを取得する。いずれかの構成要素の計測値が、安全に運用できる閾値を超えた場合に、送電装置および受電装置のそれぞれに対して設けられた制御装置により、安全に電力の伝送を停止する保護動作が実行される。

具体的に、送電装置側では、サーキットブレーカなどによる交流電源の遮断や、ＡＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ、インバータの停止などがある。受電装置側では、保護回路により整流器を短絡することで、インバータの出力を等価的に開放状態として、電力の伝送を遮断することなどがある。

関連技術に係る保護回路では、短絡素子として、バイポーラトランジスタを用いる。整流器（ブリッジダイオード）を構成する複数のダイオードのうち、バッテリの負側に接続された２つのダイオードのそれぞれに並列にバイポーラトランジスタを設け。これらのバイポーラ素子を、異常検出を通知する保護信号と連動させることで、整流器を短絡する。

しかし、一般的にバイポーラトランジスタは損失が多くまた、寄生容量が大きいことが知られている。このため、上述の関連技術に係る保護回路では、損失が大きくなる。また、短絡素子に要求される定格のため、素子寸法の肥大や、要求される冷却能力の増大を招く。また、寄生容量により非保護動作状態においても、高周波電力の漏洩が発生し、これにより送電中のシステム効率が低下する。

特開平１１−２７８７０号公報

本発明の実施形態は、低損失かつ高効率な動作で受電装置の保護を実現することを目的とする。

本発明の実施形態としての受電装置は、送電装置と磁界を介して結合することにより、交流電力を受電する受電共振器と、前記受電共振器で受電された前記交流電力を出力する第１端子および第２端子と、前記第１端子および前記第２端子間を短絡するための短絡回路と、を備える。前記短絡回路は、前記第１端子から前記第２端子へ電流が流れる第１経路と、前記第２端子から前記第１端子へ電流が流れる第２経路とを備える。前記第１経路と前記第２経路とは、同じ方向に電流が流れる、互いに共通する経路部分を有し、前記経路部分にはスイッチング素子が配置されている。

本実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成を示す図。 インバータの構成例を示す図。 送電共振器および受電共振器の構成例を示す図。 整流器および短絡回路の構成例を示す図。 短絡回路の動作説明図。 短絡回路の動作説明図。 受電制御回路の構成の説明図。 受電制御回路の動作の一例に関するフローチャート。 受電制御回路の構成の他の例の説明図。 受電制御回路の動作の他の例に関するフローチャート。 受電制御回路の構成のさらに他の例の説明図。 受電制御回路の動作のさらに他の例に関するフローチャート。 整流器および短絡回路の他の構成例を示す図。 整流器および短絡回路の他の構成例を示す図。 整流器および短絡回路のさらに他の構成例を示す図。 整流器および短絡回路のさらに他の構成例を示す図。 整流器および短絡回路のさらに他の構成例を示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

図１に、本実施形態に係る無線電力伝送システムの全体構成を示す。本システムは、無線で高周波電力を送電する送電装置と、送電装置から高周波電力を受電する受電装置とを備える。

送電装置は、交流電源１０１と、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３と、インバータ１０４と、送電共振器１０５と、送電制御回路１０７とを備える。

交流電源１０１は、一定周波数の交流電圧を生成する。交流電源１０１の例として、商用電源がある。商用電源は、例えば、周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚであって、単相１００Ｖや３相２００Ｖの交流電圧を出力する装置である。交流電源１１１は、任意の電源で構わない。

ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２は、交流電源１０１に電線（ケーブル等）を介して接続されており、交流電源１０１から供給される交流電圧を、直流電圧に変換する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２に電線を介して接続されており、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２から供給される直流電圧を、異なる直流電圧に変換（昇圧または降圧）する。

インバータ１０４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３に電線を介して接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３から供給される直流電圧に基づき、交流電力（交流電圧および交流電流）を生成する。ここでは、交流電力として、高周波電力を生成するが、非高周波電力であってもかまわない。

図２に、インバータ１０４の構成例を示す。インバータ１０４は、一端がＤＣ／ＤＣコンバータ１０３の正側端子に電気的に接続され、他端が負側端子に電気的に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３からの入力電圧に基づき、交流電力（Ｕ相電流およびＶ相電流）を生成する。インバータ１０４は、４つのスイッチング素子１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ、１０４Ｄを備え、これらスイッチング素子を制御することで交流電力を生成し、Ｕ相端子およびＶ相端子から出力する。なお、ここでＵ相はスイッチング素子１０４Ａ、１０４Ｂにより構成される部分、Ｖ相はスイッチング素子１０４Ｃ、１０４Ｄにより構成される部分に対応する。

ここでスイッチング素子１０４Ａ〜１０４Ｄは、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のトランジスタとダイオードとを逆並列に接続したものとして構成される。逆並列に接続とは、接続された各素子の電流の流れる方向が逆という意味である。スイッチング素子１０４Ａと１０４Ｂの一端が互いに接続され、スイッチング素子１０４Ｃと１０４Ｄの一端が互いに接続されている。スイッチング素子１０４Ａ、１０４Ｃの他端が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３の電源端子（正側端子）に共通に接続されている。スイッチング素子１０４Ｂ、１０４Ｄの他端が、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３のグランド端子（負側端子）に共通に接続されている。スイッチング素子１０４Ａ、１０４Ｂ間の接続ノードは、Ｕ相端子に接続されている。スイッチング素子１０４Ｃ、１０４Ｄ間の接続ノードは、Ｖ相端子に接続されている。インバータ１２０は、送電制御回路１０７により供給されるスイッチング信号によりスイッチング素子１０４Ａ〜１０４Ｄを制御する。

送電共振器１０５は、インバータ１０４のＵ相端子およびＶ相端子（図２参照）に、電線を介して接続されている。送電共振器１０５は、インバータ１０４から供給される高周波電力に応じた磁界を発生させ、当該磁界を受電装置の受電共振器に結合させることで、高周波電力を無線伝送する。一例として、高周波電力の周波数は、送電共振器の共振周波数に一致もしくは近似する。これにより、送電効率を高めることができる。

図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に、送電共振器１０５の構成例を示す。例えば、図３（Ａ）に示すように、コイル２９２の一端側に容量２８２を直列に接続して送電共振器１０５を構成してもよい。容量２８２を、図３（Ａ）とは反対側、すなわち、コイル２９２の他端側に直列接続してもよい。図３（Ｂ）に示すように、コイル２９２の両側に容量２８２ａ、２８２ｂを接続して送電共振器１０５を構成してもよいし、図３（Ｃ）に示すように、複数のコイル２９２ａ、２９２ｂを直列に接続し、さらに容量２８２ａを直列に接続して送電共振器１０５を構成してもよい。また、コイル２９２、２９２ａ、２９２ｂは、磁性体コアに巻き付けてもよい。ここで説明した以外の構成でもよい。コイル形状としては、スパイラル巻、ソレノイド巻など、磁界結合が可能な任意の巻き方のコイルを用いてよい。ここで述べた以外の構成も可能である。例えば送電共振器１０５は、コイルを含み、コンデンサを含まない構成も可能である。

交流電源１０１、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３、インバータ１０４は、各々センサ１、２、３、４を有している。センサ１、２、３、４は、当該構成要素の電圧、電流、温度、または、これらの組み合わせを計測して、計測データを取得する。電圧、電流、または温度等の統計値を計算してもよい。

送電制御回路１０６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３、インバータ１０４を制御する。また、送電制御回路１０６は、これらの起動（オン）と停止（オフ）も制御する。送電制御回路は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３、インバータ１０４に電線を介して接続されている。送電制御回路１０６は無線通信回路を備え、受電装置の受電制御回路２０７と無線通信可能に構成される。無線通信の方式は、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）など、一般的な無線通信規格でもよいし、独自の無線通信規格でもよい。送電制御回路１０６は、任意の回路によって構成できる。回路は、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣなど、その形態を問わない。

また、送電制御回路１０６は、センサ１、２、３、４の計測データに基づいて、送電装置または無線電力伝送システムが正常な状態で動作しているかを判断する。例えば、交流電源１０１、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３、インバータ１０４が正常に動作しているかを判断する。一例として、いずれかのセンサの計測データの値が、安全に運用できる閾値を超えた場合に、送電装置または無線電力伝送システムが正常に動作していないと判断し、電力の伝送を停止する動作（保護動作）を行ってもよい。送電装置の保護動作の例として、サーキットブレーカなどによる交流電源１の遮断がある。また、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０２、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０３、インバータ１０４の全部または一部の停止などがある。

受電装置は、負荷装置２０１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２と、整流器２０３と、短絡回路２０４と、受電共振器２０５と、受電制御回路２０７とを備える。負荷装置２０１は、例えば電力を蓄積（充電）するバッテリ、電力を消費する抵抗体等である。本実施形態では主にバッテリを想定する。

受電共振器２０５は、送電共振器と磁界を介して結合して、高周波電力を受電する。受電共振器２０５の共振周波数は、一例として、高周波電力の周波数と一致または近似している。受電共振器２０５の構成例としては、送電共振器１０５と同様、図３（Ａ）〜図３（Ｃ）に示したものなどを用いることができる。

送電共振器１０５および受電共振器２０５の配置は、空間を介して磁気結合可能であれば任意でよい。

短絡回路２０４は、Ｕ相の端子または電線と、Ｖ相の端子または電線との間を短絡する（整流器２０３を短絡する）ように構成される。短絡回路２０４は、電界効果トランジスタ等のスイッチング素子を含む。電解効果トランジスタの例として、ＭＯＳ型電界効果トランジスタを用いることができる。短絡回路２０４の動作は、受電制御回路２０７により制御される。図では、短絡回路２０４が、受電共振器２０５と整流器２０３間に配置されているが、整流器２０３とＤＣ／ＤＣコンバータ２０２間に配置されてもよいし、整流器２０３の一部として組み込まれてもよい。

整流器２０３は、受電共振器２０５に電線（Ｕ相およびＶ相）を介して接続されており、受電共振器２０５から供給される高周波電力を直流電力（直流電圧および直流電流）に変換する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２は、整流器２０３に電線（Ｕ相およびＶ相）を介して接続されており、整流器２０３から出力される一定の直流電圧を入力として、負荷装置２０１で利用可能な電圧（当該一定の直流電圧よりも高い、あるいは、同一、あるいは、低い電圧）を出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２の後段には、電線を介して、負荷装置２０１が接続されている。

負荷装置２０１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２から入力される電力を蓄積または消費する装置（バッテリまたは抵抗体等）である。抵抗体の例として、モータ等がある。

負荷装置２０１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２、整流器２０３は、各々センサ１１、１２、１３を有している。センサ１１、１２、１３は、当該構成要素の電圧、電流、温度またはこれらの組み合わせを計測して、計測データを取得する。電圧、電流、または温度等の統計値を計算してもよい。

受電制御回路２０７はＤＣ／ＤＣコンバータ１２および短絡回路２０４を制御する。受電制御回路２０７は、これらの起動（オン）と停止（オフ）も制御する。整流器２０３も、受電制御回路２０７の制御対象に含めてもよい。受電制御回路２０７は、負荷装置２０１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２、整流器２０３、短絡回路２０４と、それぞれ電線を介して接続されている。受電制御回路２０７は無線通信回路を備え、送電制御回路１０７と無線通信可能に構成される。無線通信の方式は、無線ＬＡＮ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）など、一般的な無線通信規格でもよいし、独自の無線通信規格でもよい。受電制御回路２０７は、任意の回路によって構成できる。回路は、ＣＰＵ等のプロセッサ、ＦＰＧＡ、ＡＳＩＣなど、その形態を問わない。

また、受電制御回路２０７は、センサ１１、１２、１３の計測データに基づいて、受電装置または無線電力伝送システムが正常な状態で動作しているかを判断する。例えば、負荷装置２０１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０２、整流器２０３が正常に動作しているかを判断する。一例として、いずれかのセンサの計測データの値が、安全に運用できる閾値を超えた場合に、受電装置または無線電力伝送システムが正常に動作していないと判断し、安全に電力の伝送を停止する動作（保護動作）を行う。具体的に、短絡回路２０４によりＵ相の端子または電線と、Ｖ相の端子または電線間の経路を短絡する。これにより、等価的にインバータ１０４の出力を開放状態として、電力の伝送を遮断する。また、受電制御回路２０７は、送電制御回路１０７から無線通信で計測データまたは異常の有無を表す通知データを受信して、送電装置または無線電力伝送システムが正常に動作しているかを判断してもよい。正常に動作していないと判断した場合は、上記と同様に短絡回路２０４で短絡動作を行うように制御してもよい。

図４は、整流器２０３および短絡回路２０４の構成例を示す。整流器２０３はダイオードブリッジにより構成されている。ダイオードＤ１１とダイオードＤ１２のカソード同士が接続されている。ダイオードＤ１３とダイオードＤ１４のアノード同士が接続されている。ダイオードＤ１１のアノードと、ダイオードＤ１３のカソードはＵ相の入力端子に電気的に接続されている。ダイオードＤ１２のアノードと、ダイオードＤ１４のカソードはＶ相の入力端子に電気的に接続されている。ダイオードＤ１１とＤ１２間の接続部は、ＤＣ／ＤＣコンバータのＶ相の出力端子に電気的に接続されており、この出力端子からＶ相の電圧または電流が出力される。ダイオードＤ１３とＤ１４間の接続部はＵ相の出力端子に電気的に接続されており、この出力端子からＵ相の電圧または電流が出力される。

短絡回路２０４は、ダイオードＤ１１、ダイオードＤ１２、ダイオードＤ１５およびダイオードＤ１６と、スイッチング素子Ｑ１とを備える。ダイオードＤ１１、ダイオードＤ１２は、整流器２０３と短絡回路２０４とで共通に用いられている。スイッチング素子Ｑ１は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であり、一例としてＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）−ＦＥＴである。ＭＯＳ−ＦＥＴの具体例として、ＳｉＣ−ＭＯＳ−ＦＥＴがある。ただし、スイッチング素子としてバイポーラトランジスタなど、他の種類のトランジスタを用いることも可能である。本実施形態では主にＭＯＳ−ＦＥＴの場合を想定する。

ダイオードＤ１５とダイオードＤ１６のアノード同士が接続されている。ダイオードＤ１５のカソードがＵ相の入力端子に電気的に接続されている。ダイオードＤ１６のカソードが、Ｖ相の入力端子に電気的に接続されている。スイッチング素子（ＭＯＳ−ＦＥＴ）Ｑ１のドレイン端子が、ダイオードＤ１５のアノードおよびダイオードＤ１６のアノードに接続されている。スイッチング素子Ｑ１のソース端子が、Ｖ相の出力端子、およびダイオードＤ１１およびダイオードＤ１２のそれぞれのカソードに接続されている。

スイッチング素子Ｑ１のオンおよびオフは、受電制御回路２０７により制御される。受電制御回路２０７が保護動作の実行を決定した場合、スイッチング素子Ｑ１をオンにすることで、短絡回路２０４を短絡、詳細には、Ｕ相の入力端子およびＶ相の入力端子間を短絡させ、電力伝送を停止させる。この場合の短絡の電流経路を図５および図６に示す。

図５は、Ｕ相側からＶ相側への短絡の経路Ｐ１１を示す。図６は、Ｖ相側からＵ相側への短絡の経路Ｐ１２を示す。

図５の経路Ｐ１１は、Ｕ相の入力端子から、ダイオードＤ１５、スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１２を通過して、Ｖ相の入力端子へと至る。図６の経路Ｐ１２は、Ｖ相の入力端子から、ダイオードＤ１６、スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１１１を通過して、Ｕ相の入力端子へと至る。

経路Ｐ１、Ｐ２のいずれも、スイッチング素子Ｑ１に流れる電流は、Ｕ相およびＶ相の電圧位相にかかわらず、常に一定方向である。すなわち、経路Ｐ１、Ｐ２は、同じ方向に電流が流れる、互いに共通する経路部分を有し、経路部分にはスイッチング素子Ｑ１が配置されている。関連技術では、背景技術の欄で前述したように、整流器（ブリッジダイオード）を構成する複数のダイオードのうち、バッテリの負側に接続された２つのダイオードのそれぞれに並列にバイポーラトランジスタを設ける。この構成では、トランジスタとして、並列接続されたダイオードの電流方向と同じ方向の電流を通さないようにするため、バイポーラトランジスタを用いる必要がある。これに対して、本実施形態では、Ｕ相およびＶ相の電圧位相にかかわらず、スイッチング素子Ｑ１を常に一定方向の短絡電流を流すことができるため、近年製品化が進む低損失低容量素子のＳｉＣ−ＭＯＳ−ＦＥＴなど用いることが可能となる。これにより、素子寸法および冷却能力要求の低減が可能となる。

受電制御回路２０７は、保護動作からの復帰の指示データを取得した場合、スイッチング素子Ｑ１をオフにする。または、受電制御回路２０７は、センサ１１〜１３の計測データに基づき、無線電力伝送システムが正常な状態に復帰したことを検知した場合に、自律的にスイッチング素子Ｑ１をオフにしてもよい。スイッチング素子Ｑ１をオフにすることで、短絡経路は遮断され、電力伝送可能な状態になる。または、受電制御回路２０７は、送電制御回路１０７からセンサ１〜４の計測データ、送電を実行中か否かを示すデータ、または、送電装置の異常の有無を表す通知データ等を受信し、これらのデータの少なくとも１つをさらに利用して、スイッチング素子Ｑ１をオフにするかを判断してもよい。

ここでスイッチング素子Ｑ１をオフにする際、受電共振器で受電中でないこと（すなわち送電装置から送電が行われていないこと）を条件としてもよい。スイッチング素子Ｑ１をオフにする場合に、受電共振器が受電中であると、短絡回路に存在する寄生のインダクタンスにより、スイッチング素子Ｑ１のドレイン電圧が急激に上昇する可能性があるためである。そこで、受電共振器が受電中でないことを確認してから、スイッチング素子Ｑ１をオフにしてもよい。この動作を可能とする制御回路またはシーケンスプログラムの構成例を図７に示す。

図７に示すように、受電制御回路は、受電共振器が受電中か（送電装置が送電を行っているか）を示す送電状態信号と、無線電力伝送システムの復帰命令信号を受信する。復帰命令信号は、保護状態（短絡状態）からの復帰を指示する復帰命令が発生しているかを示す。復帰命令信号がハイレベルのときは、復帰命令が発生していることを意味する。復帰命令信号がローレベルのときは、復帰命令が発生していないことを意味する。復帰命令は、人間が操作インタフェースで復帰を指示するデータを入力し、これを受電制御回路が復帰命令として取得してもよいし、外部の装置から任意のトリガーで入力されてもよい。または、受電制御回路が装置状態に応じて復帰を自律的に決定した際に、復帰命令を発生させてもよい。復帰命令が発生した場合、復帰命令信号はハイレベルであり、それ以外の場合は、ローレベルである。

送電状態信号は、一例として、受電装置の状態を検出することで取得できる。例えば、整流器２０３の２つの入力端子間の電圧または電流を測定し、測定値が一定値未満であれば、送電が行われていないと判断し、一定値以上であれば、送電が行われていると判断してもよい。受電制御回路２０７は、当該入力端子間の電圧または電流を測定する測定回路を含んでもよい。

送電状態信号が送電中でないことを示すハイレベルであり、かつ、復帰命令信号がハイレベルの場合のみ、論理積回路（ＡＮＤ回路）３０１の出力信号がハイレベルになり、保護動作からの復帰（短絡動作の解除）を行う。すなわち、スイッチング素子（短絡素子）Ｑ１をオフにする。なお、論理積回路３０１の出力信号はスイッチング素子の設定信号に対応し、ハイレベルの設定信号は、スイッチング素子のＯＦＦを表し、ローレベルの設定信号は、スイッチング素子のＯＮを表す。一方、送電状態信号が送電中を示すローレベルの場合は、復帰命令信号が復帰を示すハイレベルであっても、論理積回路（ＡＮＤ回路）３０１の出力信号がローレベルになり、短絡動作が維持される。これにより、送電中の場合は、復帰命令が入力されても、短絡回路におけるドレイン電圧の急上昇を防止できる。

なお、復帰命令信号、送電状態信号、スイッチング素子設定信号について、それぞれの信号のハイレベルおよびローレベルが表す意味は互いに逆でもかまわない。

図８は、本実施形態に係る受電制御回路の動作の一例のフローチャートである。受電制御回路２０７は、受電装置または無線電力伝送システムの異常を検知すると（ステップＳ１１）、スイッチング素子Ｑ１をオンにする（Ｓ１２）。この後、送電装置が送電中か否か（受電装置で受電中か否か）を、送電状態信号に基づき確認する（ステップＳ１３）。送電状態信号が送電中でないことを示す場合は、復帰可能状態に遷移する（ステップＳ１４）。復帰可能状態は、復帰命令が与えられた場合に、スイッチング素子をオンにできる状態である。この状態で、復帰命令が入力された場合（ハイレベルの復帰命令信号が入力された場合）、図４で説明したように、スイッチング素子Ｑ１をオフにする。この後は、例えば送電装置を再起動して、送電を開始することで、電力伝送が可能となる。復帰命令および送電再開の指示は、受電装置等が正常であることを確認して人間が与えてもよいし、受電制御回路２０７が各構成要素の正常を確認してから内部で生成してもよい。受電制御回路２０７で送電再開の指示を生成した場合は、当該指示を送電装置に送信してもよい。異常が発生した構成要素を新品に置き換えてもよいし、修理をしてもよい。置き換え後または新品の構成要素を正常な部品とみなして、人間が復帰命令を入力してもよい。

ここで、送電状態信号は、受電装置の状態を測定することにより取得する以外に、送電制御回路１０７から無線通信で取得してもよい。送電状態信号を無線通信で取得する形態を模式的に図９に示す。受電制御回路２０７は、送電制御回路１０７と通信Ｉ／Ｆを介して無線通信を行い、送電状態信号を受信する。受電制御回路２０７は、送電制御回路１０７から送電状態信号を取得することで、受電装置で受電状態を測定する場合よりも、送電の有無をより高精度に判断できる。送電状態信号を送電装置から取得する場合の動作のフローチャートを図１０に示す。

図８との違いは、ステップＳ１５が追加されている。ステップＳ１５では、受電制御回路２０７は、送電装置に送電状態信号の取得要求を送信し、その応答として送電状態信号を取得する。他のステップは図８と同様である。図１０のフローチャートでは、送電装置に送電状態信号の要求を送信しているが、送電制御回路１０７が自発的に送電状態信号を送信してもよい。例えば、送電制御回路１０７は、送電の開始または終了を示す送電状態信号を送電の開始および停止のタイミングに応じて送信してもよい。この場合、受電制御回路は、開始の通知を受けた後は、停止の通知を受けるまで、送電が行われていると判断することができる。または、一定時間ごと、または任意のタイミングで、送電中か否かを表す送電状態信号を送信してもよい。

図１１は、図７とは別の例の制御の動作説明図である。図７に示した受電制御回路２０７の制御構成に対して、論理積回路（ＡＮＤ回路）３０２が追加されている。論理積回路３０２には、前述した送電状態信号と、受電側状態信号が入力され、復帰可否状態信号を出力する。受電側状態信号は、受電装置の異常有無を表す信号であり、ハイレベルときは異常無し、ローレベルのときは異常有りを表す。復帰可否状態信号は、受電装置または無線電力伝送システムが保護状態から復帰可能な状態かを表す。復帰可否状態信号がハイレベルのときは復帰可能状態、ローレベルのときは復帰不可状態を表す。

論理積回路３０２は、送電状態信号がハイレベルであり（送電中でない）、受電側状態信号がハイレベル（異常なし）を表すときは、ハイレベルの復帰可否状態信号（復帰可能）を出力する。送電状態信号および受電側状態信号のいずれか一方がローレベルのときは、ローレベルの復帰可否状態信号（復帰不可）を出力する。復帰可否状態信号は外部装置に出力される。外部装置は、例えば、送電制御回路１０７、もしくは、ＬＥＤ、液晶表示器などの表示装置（図示せず）でもよい。ＬＥＤの場合は、復帰可否状態信号のレベルで点灯の有無またはパターンを変えてもよい。これにより、復帰可否状態を外部装置または人間で認識でき、送電装置の再立ち上げルーチンの構築や、人間系で無線電力伝送の復帰作業（再開）をする際のヒューマンエラー（復帰可能でない状態にも拘わらず送電を開始するなどのエラー）を回避できる。また、受電制御回路内で復帰可否状態信号に基づき再立ち上げルーチンを実行して、無線電力伝送の自動再開を行うよう制御することも可能である。復帰可能状態を認識した人間は、復帰命令を与えることで、図１１の論理積回路３０１を介してハイレベルのスイッチング素子設定信号を生成し、スイッチング素子をオフにできる。

図１２は、受電制御回路の他の動作例のフローチャートである。図１０と異なる点は、最後にステップＳ１６が追加されていることである。ステップＳ１６では、復帰可能状態に遷移した後、その旨を外部装置に出力する。その後の可能な動作または操作は、上述した通りである。

図１３は、本実施形態に係る整流器および短絡回路の第２の構成例を示す。短絡回路の構成が図４と異なっている。短絡回路２０４は、ダイオード１３、ダイオードＤ１４、ダイオードＤ１７およびダイオードＤ１８と、スイッチング素子Ｑ１とを備える。ダイオード１３、ダイオードＤ１４は、短絡回路と整流器とで共通に用いられている。スイッチング素子Ｑ１は、ＭＯＳ−ＦＥＴ等である。

ダイオードＤ１７とダイオードＤ１８のカソード同士が接続されている。ダイオードＤ１７のアノードがＵ相の入力端子に電気的に接続されている。ダイオードＤ１８のアノードが、Ｖ相の入力端子に電気的に接続されている。スイッチング素子Ｑ１のソース端子が、ダイオードＤ１７のカソードおよびダイオードＤ１８のカソードに接続されている。スイッチング素子Ｑ１のドレイン端子が、Ｕ相の出力端子、および整流器２０３におけるダイオードＤ１３およびダイオードＤ１４のそれぞれのアノードに接続されている。この構成によっても図４の構成に、スイッチング素子Ｑ１のオンのとき、スイッチング素子Ｑ１には常に一定方向の電流が流れ、図４と同様の効果を得ることができる。図には、Ｕ相側からＶ相側への短絡経路Ｐ２１が示されている。経路Ｐ２１は、Ｕ相の入力端子から、ダイオードＤ１３、スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１８、ダイオードＤ１２を通過して、Ｖ相の入力端子へと至る。一方、Ｖ相側からＵ相側への短絡経路Ｐ２２を示した図を図１４に示す。経路Ｐ２２は、Ｖ相の入力端子から、ダイオードＤ１４、スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１７を通過して、Ｕ相の入力端子へと至る。

図１５は、本実施形態に係る整流器および短絡回路の第３の構成例を示す。図１３の構成に、スナバ回路と呼ばれる回路４０１を、スイッチング素子Ｑ１に並列に接続したものである。回路４０１では、抵抗４０２とコンデンサ４０３とが直列に接続されており、ダイオード４０４が抵抗４０２に並列に接続されている。抵抗４０２の一端とダイオード４０４のカソードがＵ相の出力端子に接続されている。抵抗４０２の他端とダイオード４０４のアノードがコンデンサ４０３の一端に接続されている。コンデンサ４０３の他端は、ダイオードＤ１７、Ｄ１８のカソードにそれぞれ接続されている。この回路４０１により、仮に送電中にスイッチング素子Ｑ１がオフ（保護動作から復帰）した場合にも、スイッチング素子Ｑ１のドレイン電圧の急上昇を防止できる。なお、このスナバ回路の構成は、図示の構成に限定されず、他の構成も可能である。例えばダイオード４０４を省いた構成でもよい。

図１６は、本実施形態に係る整流器および短絡回路の第４の構成例を示す。短絡回路の構成が図４および図１３と異なっている。短絡回路２０４は、ダイオードＤ１９、Ｄ２０、Ｄ２１、Ｄ２２と、スイッチング素子Ｑ１とを備える。スイッチング素子Ｑ１は、ＭＯＳ−ＦＥＴ等である。

ダイオードＤ１９のアノードと、ダイオードＤ２０のアノードが接続されている。ダイオードＤ２１のカソードと、ダイオードＤ２２のカソードが接続されている。ダイオードＤ１９のカソードと、ダイオードＤ２１のアノードが、Ｕ相の入力端子に電気的に接続されている。ダイオードＤ２０のカソードと、ダイオードＤ２２のアノードが、Ｖ相の入力端子に接続されている。スイッチング素子Ｑ１のドレインは、ダイオードＤ１９、Ｄ２０のそれぞれのアノードに接続され、ソース端子は、ダイオードＤ２１、Ｄ２２のそれぞれのカソードに接続されている。この構成によっても図４の構成に、スイッチング素子Ｑ１のオンのとき、スイッチング素子Ｑ１には常に一定方向の電流が流れ、図４と同様の効果を得ることができる。

図には、Ｕ相側からＶ相側への短絡経路Ｐ３１と、Ｖ相側からＵ相側への短絡経路Ｐ３２が示されている。経路Ｐ３１は、Ｕ相の入力端子から、ダイオードＤ１９、スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ２２を通過して、Ｖ相の入力端子へと至る。経路Ｐ３２は、Ｖ相の入力端子から、ダイオードＤ２０、スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ２１を通過して、Ｕ相の入力端子へと至る。

図１７は、本実施形態に係る整流器および短絡回路の第５の構成例を示す。図１６の構成に、スナバ回路と呼ばれる回路４１１を、スイッチング素子Ｑ１に並列に接続したものである。回路４１１の構成は、図１４の回路４０１と同様であるため、説明を省略する。この回路４１１により、送電中にスイッチング素子Ｑ１がオフ（保護動作から復帰）した場合に、スイッチング素子Ｑ１のドレイン電圧の急上昇を防止できる。なお、このスナバ回路の構成は、図示の構成に限定されず、他の構成も可能である。例えばダイオードを省いた構成でもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０１：交流電源
１０２：ＡＣ／ＤＣコンバータ
１０３：ＤＣ／ＤＣコンバータ
１０４：インバータ（交流電圧生成器）
１０５：送電共振器
１０７：送電制御回路
２０５：受電共振器
２０４：短絡回路（保護回路）
２０２：整流器
２０２：ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０１：負荷装置
２０７：受電制御回路（制御回路）
１０４Ａ〜１０４Ｄ：スイッチング素子
Ｑ１：スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ２２：ダイオード
４０１、４１１：スナバ回路
４０２：抵抗
４０３：コンデンサ（キャパシタ）
４０４：ダイオード

Claims (18)

1. 送電装置と磁界を介して結合することにより、交流電力を受電する受電共振器と、
   前記受電共振器で受電された前記交流電力を出力する第１端子および第２端子と、
   前記第１端子および前記第２端子間を短絡するための短絡回路と、を備え、
   前記短絡回路は、前記第１端子から前記第２端子へ電流が流れる第１経路と、前記第２端子から前記第１端子へ電流が流れる第２経路とを備え、前記第１経路と前記第２経路とは、同じ方向に電流が流れる、互いに共通する経路部分を有し、前記経路部分にはスイッチング素子が配置された
   受電装置。
2. 前記短絡回路は、第１ダイオード、第２ダイオード、第３ダイオード、第４ダイオードを備え、前記スイッチング素子はトランジスタであり、
   第１ダイオードのアノードは前記第１端子に接続され、前記第２ダイオードのアノードは前記第２端子に接続され、前記第３ダイオードのカソードは前記第１端子に接続され、前記第４ダイオードのカソードは前記第２端子に接続され、前記トランジスタの一端は前記第１ダイオードおよび前記第２ダイオードのそれぞれのカソードに共通に接続され、前記トランジスタの他端は前記第３ダイオードおよび前記第４ダイオードのそれぞれのアノードに共通に接続された
   請求項１に記載の受電装置。
3. 前記第１端子および前記第２端子を介して前記交流電力を受け、前記交流電力を直流電力に変換する整流器を備え、
   前記整流器は、複数のダイオードを備え、
   前記第１ダイオードと前記第２ダイオード、または前記第３ダイオードと前記第４ダイオードは、前記短絡回路と前記整流器とで共通に用いられる
   請求項２に記載の受電装置。
4. 前記スイッチング素子を制御する制御回路を備え、
   前記制御回路は、前記受電装置に異常が発生したかを検査し、前記異常の発生を検知した場合に、前記スイッチング素子をオンにする
   を備えた請求項１ないし３のいずれか一項に記載の受電装置。
5. 前記制御回路は、前記受電共振器で前記交流電力が受電されているかを判断し、前記交流電力が受電されている間は、前記スイッチング素子をオフに戻さない
   請求項４に記載の受電装置。
6. 前記制御回路は、前記第１および第２端子間の電圧または電流を検査することで、前記受電共振器で前記交流電力が受電されているかを判断する
   請求項５に記載の受電装置。
7. 前記制御回路は、前記受電装置に異常が存在せず、かつ前記受電共振器で前記交流電力が受電されていないと判断したときに、前記スイッチング素子をオフに戻すことが可能であると判断する
   請求項５または６に記載の受電装置。
8. 前記制御回路は、前記スイッチング素子をオフに戻すことが可能であることを示す情報を出力する
   請求項７に記載の受電装置。
9. 前記制御回路は、前記スイッチング素子をオフに戻す指示を取得した場合に、前記スイッチング素子をオフに戻す
   請求項８に記載の受電装置。
10. 前記制御回路は、前記送電装置と通信して前記送電装置から前記交流電力の送電が行われているかを示す情報を取得し、
    前記制御回路は、前記情報に基づき前記送電装置から前記交流電力の送電が行われていないことを確認するまでは、前記スイッチング素子をオフに戻さない
    請求項４に記載の受電装置。
11. 前記制御回路は、前記受電装置に異常が存在せず、かつ前記送電装置から前記交流電力の送電が行われていないと判断したときに、前記スイッチング素子をオフに戻すことが可能であると判断する
    請求項１０に記載の受電装置。
12. 前記制御回路は、前記スイッチング素子をオフに戻すことが可能であることを示す情報を出力する
    請求項１１に記載の受電装置。
13. 前記制御回路は、前記スイッチング素子をオフに戻す指示を取得した場合に、前記スイッチング素子をオフに戻す
    請求項１２に記載の受電装置。
14. 前記第１ダイオードと前記第２ダイオードは、前記短絡回路と前記整流器とで共通に用いられ、
    前記整流器における前記複数のダイオードは、前記第１ダイオードと、前記第２ダイオードと、第５ダイオードと、第６ダイオードであり、
    前記第１ダイオードのカソードと前記第２ダイオードのカソード同士が接続され、
    前記第５ダイオードのカソードは前記第１端子に接続され、前記第６ダイオードのカソードは前記第２端子に接続され、前記第５ダイオードのアノードと前記第６ダイオードのアノード同士が接続された
    請求項３に記載の受電装置。
15. 前記第３ダイオードと前記第４ダイオードは、前記短絡回路と前記整流器とで共通に用いられ、
    前記整流器における前記複数のダイオードは、前記第３ダイオードと、前記第４ダイオードと、第５ダイオードと、第６ダイオードであり、
    前記第５ダイオードのアノードは前記第１端子に接続され、前記第６ダイオードのアノードは前記第２端子に接続され、前記第５ダイオードのカソードと前記第６ダイオードのカソード同士が接続された
    請求項３に記載の受電装置。
16. 前記スイッチング素子は、ＭＯＳ型電界効果トランジスタである
    請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の受電装置。
17. 交流電圧を発生させるインバータと、
    前記交流電圧に応じた磁界を生成する送電共振器と、
    前記磁界を介して、交流電力を受電する受電共振器と、
    前記交流電力を出力する第１端子および第２端子と、
    前記第１端子および前記第２端子間を短絡するための短絡回路と、を備え、
    前記短絡回路は、前記第１端子から前記第２端子へ電流が流れる第１経路と、前記第２端子から前記第１端子へ電流が流れる第２経路とを備え、前記第１経路と前記第２経路とは、同じ方向に電流が流れる、互いに共通する経路部分を有し、前記経路部分にはスイッチング素子が配置された
    無線電力伝送システム。
18. 前記短絡回路は、第１ダイオード、第２ダイオード、第３ダイオード、第４ダイオードを備え、前記スイッチング素子はトランジスタであり、
    第１ダイオードのアノードは前記第１端子に接続され、前記第２ダイオードのアノードは前記第２端子に接続され、前記第３ダイオードのカソードは前記第１端子に接続され、前記第４ダイオードのカソードは前記第２端子に接続され、前記トランジスタの一端は前記第１ダイオードおよび前記第２ダイオードのそれぞれのカソードに共通に接続され、前記トランジスタの他端は前記第３ダイオードおよび前記第４ダイオードのそれぞれのアノードに共通に接続された
    請求項１７に記載の無線電力伝送システム。

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