JP2018078746A - Wireless power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁界共鳴を利用して電力を無線で供給する無線給電装置に関する。 The present invention relates to a wireless power feeding apparatus that wirelessly supplies power using magnetic field resonance.
従来、高周波の電力を制御する方式としてPWM制御が知られている。このPWM制御の場合、スイッチング時に過渡的な応答、すなわち瞬間的に大きな電圧が加わることがある。そこで、特許文献1のように、パルス幅が特定の条件にあるとき、コンデンサに電流を供給することにより、過渡的な応答の低減を図るなどの対策が必要となる。 Conventionally, PWM control is known as a method for controlling high-frequency power. In the case of this PWM control, a transient response at the time of switching, that is, a large voltage may be applied instantaneously. Therefore, as in Patent Document 1, it is necessary to take measures such as reducing transient response by supplying current to the capacitor when the pulse width is in a specific condition.
無線給電装置において、出力変動が発生した場合、送電側と受電側との間のインピーダンス整合が崩れ、電力の伝達効率が低下するという問題がある。これに対し、受電側の整流回路における整流素子と並列にMOSFETなどのスイッチング素子を配置することが考えられる。このようにスイッチング素子を配置することにより、整流回路を直接PWM制御することができ、出力変動が発生しても、インピーダンス整合の悪化が回避される。 In the wireless power feeder, when output fluctuation occurs, impedance matching between the power transmission side and the power reception side is lost, and there is a problem that power transmission efficiency is lowered. On the other hand, it is conceivable to arrange a switching element such as a MOSFET in parallel with the rectifying element in the rectifier circuit on the power receiving side. By arranging the switching elements in this way, the rectifier circuit can be directly PWM controlled, and even if output fluctuation occurs, deterioration of impedance matching is avoided.
このような構成でも、動作時に瞬間的な大電圧が発生するという課題は解決できない。磁界共鳴を利用する無線給電装置は、高周波で駆動しており、かつ共振を動作原理とした駆動回路を用いている。そのため、特許文献1のような構成を用いても、過渡的な電圧の上昇は低減することは困難である。 Even with such a configuration, the problem that an instantaneous large voltage is generated during operation cannot be solved. A wireless power supply apparatus using magnetic field resonance is driven at a high frequency and uses a drive circuit based on the principle of resonance. For this reason, it is difficult to reduce the transient voltage rise even if the configuration as in Patent Document 1 is used.
そこで、本発明の目的は、磁界共鳴を利用して無線で電力を供給する場合でも、幅広い領域で過渡的な電圧の上昇を抑え、電力の伝達効率の向上を図る無線給電装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a wireless power feeding device that suppresses a transient voltage increase in a wide area and improves power transmission efficiency even when power is supplied wirelessly using magnetic field resonance. It is in.
請求項1記載の発明では、スイッチング素子は、受電コイルによる高周波を整流する整流部の整流素子と並列に接続されている。そして、制御部は、この整流素子と並列に接続されている2つ以上のスイッチング素子のスイッチングの時期をずらして駆動する。このようにスイッチング素子におけるスイッチングの時期をずらすことにより、受電コイルに接続されている整流部における電圧および電流の急激な変化は低減される。そのため、共鳴する送電側の回路においても、電圧の過渡的な増加は低減される。したがって、磁界共鳴を利用して無線で電力を供給する場合でも、幅広い領域で過渡的な電圧の上昇を抑え、電力の伝達効率の向上を図ることができる。 In the first aspect of the invention, the switching element is connected in parallel with the rectifying element of the rectifying unit that rectifies the high frequency generated by the power receiving coil. Then, the control unit drives the two or more switching elements connected in parallel to the rectifying element while shifting the switching timing. By shifting the timing of switching in the switching element in this way, rapid changes in voltage and current in the rectifier connected to the power receiving coil are reduced. Therefore, a transient increase in voltage is reduced even in the resonant circuit on the power transmission side. Therefore, even when power is supplied wirelessly using magnetic field resonance, it is possible to suppress a transient increase in voltage in a wide range and improve power transmission efficiency.
以下、無線給電装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
(第1実施形態)
図1に第1実施形態による無線給電装置10を示す。無線給電装置10は、一対の送電コイル11および受電コイル12を備えている。第1実施形態の無線給電装置10は、送電コイル11に高周波の電力を供給することにより、磁界共鳴を利用して受電コイル12へ無線で電力が伝達される。すなわち、第1実施形態の無線給電装置10は、磁界共鳴を利用した無線の給電装置である。
Hereinafter, a plurality of embodiments of a wireless power feeder will be described with reference to the drawings. Note that, in a plurality of embodiments, substantially the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
(First embodiment)
FIG. 1 shows a wireless
送電コイル11は、送電回路ユニット20を構成している。送電回路ユニット20は、送電コイル11に加え、コンデンサ21および高周波生成部22を有している。送電コイル11は、コンデンサ21とともにLC回路を構成している。高周波生成部22は、スイッチング素子23、スイッチング素子24、コイル25、コイル26、コンデンサ27およびコンデンサ28を有するE級プッシュプル回路からなるインバータである。高周波生成部22は、駆動信号出力部29に接続している。駆動信号出力部29は、高周波生成部22のスイッチング素子23およびスイッチング素子24に、波長が半波長ずれた駆動信号を出力する。そのため、スイッチング素子23およびスイッチング素子24は、半波長ずれた状態で動作する。これにより、送電コイル11には、スイッチング素子23およびスイッチング素子24で生成された高周波の電力が供給される。なお、E級プッシュプル回路からなるインバータは、高周波生成部22の一例である。高周波生成部22は、送電コイル11に高周波の電力を供給可能であれば、E級プッシュプル回路のインバータに限らず任意の構成を採用することができる。
The
受電コイル12は、受電回路ユニット30を構成している。受電回路ユニット30は、受電コイル12に加え、コンデンサ31、整流部32および制御部33を有している。受電コイル12は、コンデンサ31とともにLC回路を構成している。整流部32は、ダイオード34、ダイオード35、コンデンサ36、コンデンサ37、スイッチング素子38およびスイッチング素子39を有するE級プッシュプル回路からなる整流回路である。整流部32は、コンデンサ41およびバッテリ42に接続している。これにより、受電コイル12により受電した高周波の電力は、整流部32のダイオード34およびダイオード35で整流され、コンデンサ41に蓄電またはバッテリ42に充電される。受電回路ユニット30における整流素子であるダイオード34とスイッチング素子38とは、並列に接続されている。同様に、整流素子であるダイオード35とスイッチング素子39とは、並列に接続されている。受電回路ユニット30の整流部32は、コンデンサ41およびバッテリ42に限らず、整流された電力を消費する図示しない外部の負荷に接続してもよい。
The
制御部33は、スイッチング素子38およびスイッチング素子39を駆動する。制御部33は、A/Dコンバータ43に接続している。制御部33は、電源としてのバッテリ42からA/Dコンバータ43を通して電力が供給される。制御部33は、例えばCPU、ROMおよびRAMで構成されるマイクロコンピュータを有している。制御部33は、上記の2つのスイッチング素子38およびスイッチング素子39へ駆動信号を出力し、スイッチング素子38およびスイッチング素子39のスイッチングの時期をずらして駆動する。すなわち、制御部33は、スイッチング素子38およびスイッチング素子38へ位相がずれた駆動信号を出力する。これにより、スイッチング素子38およびスイッチング素子39は、制御部33から出力された駆動信号に基づいて、スイッチングの時期がずらされた状態でスイッチングつまりオンおよびオフする。
The
第1実施形態の場合、ダイオード34およびダイオード35から出力される出力電流Ibを用いてスイッチング素子38およびスイッチング素子39のスイッチングの時期を制御する。図1に示す第1実施形態の場合、受電回路ユニット30は、シャント抵抗44、計装アンプ45および比較器46を有している。制御部33は、この計装アンプ45および比較器46に接続している。シャント抵抗44は、ダイオード34およびダイオード35の出力側においてバッテリ42までの間に接続されている。計装アンプ45は、このシャント抵抗44において、出力電流Ibを電圧波形に変換する。比較器46は、計装アンプ45で変換された電圧波形を既定の電圧Vtと比較し、パルス信号として制御部33へ出力する。制御部33は、比較器46から入力されたパルス信号、すなわち出力電流Ibに相関するパルス信号に基づいて、スイッチング素子38およびスイッチング素子39を駆動するPWM信号のパルス幅を決定する。そして、制御部33は、決定したパルス幅にしたがってPWM信号を出力し、スイッチング素子38およびスイッチング素子39を駆動する。
In the case of the first embodiment, the switching timing of the
図2に示すように、スイッチング素子38およびスイッチング素子39は、制御部33から出力されるPWM信号にしたがってオンおよびオフする。すなわち、スイッチング素子38およびスイッチング素子38は、オンとオンとの間がPWM周期である。このように、制御部33は、PWM信号のデューティ比を制御することにより、バッテリ42に充電する充電電流IBを、出力電流IbからIB=2×Ibに制御する。ここで、第1実施形態の場合、スイッチング素子38がオンされる時期t1と、スイッチング素子39がオンされる時期t2とは、わずかにずれている。すなわち、制御部33からスイッチング素子38およびスイッチング素子39へ出力されるPWM信号は、出力電流Ibに基づいてパルス幅が変更される。図2に示す第1実施形態の例では、スイッチング素子38がオンされた後、スイッチング素子39がオンされている。なお、当然ながら、スイッチング素子39がオンされた後に、スイッチング素子38をオンする構成でもよい。
As shown in FIG. 2, the
このように制御部33から出力されるPWM信号にしたがってスイッチング素子38をオンすると、シャント抵抗44の電圧つまりシャント抵抗44の両端における電圧Vbは図3に示すように変化する。すなわち、シャント抵抗44の電圧Vbは、スイッチング素子38のオンによって一旦低下した後、大きく上昇する。比較器46に入力される既定の電圧Vtは、過渡応答周期の1/4〜1/3周器をとらえるように設定することにより、過渡周期が低減される。
When the switching
図4は、図1に示す回路において出力電力を250Wとしたシミュレーション例である。図4から明らかなように、スイッチング素子38とスイッチング素子39とを同時にオンすると、過渡電圧は250Vを超えて260V程度となる。これに対し、第1実施形態のようにスイッチング素子38とスイッチング素子39とをずらしてオンすることにより、過渡電圧は70V程度まで低減される。このように、スイッチング素子38およびスイッチング素子39をオンする時期をずらす第1実施形態は、過渡電圧の低減に効果的であることがわかる。
FIG. 4 is a simulation example in which the output power is 250 W in the circuit shown in FIG. As is apparent from FIG. 4, when the switching
第1実施形態では、スイッチング素子38は、受電コイル12で受電した高周波を整流する整流部32の整流素子であるダイオード34と並列に接続されている。同様に、スイッチング素子39は、受電コイル12で受電した高周波を整流するダイオード35と並列に接続されている。そして、制御部33は、スイッチング素子38のスイッチングの時期とスイッチング素子39のスイッチングの時期とをずらして駆動する。このようにスイッチング素子38とスイッチング素子39におけるスイッチングの時期をずらすことにより、受電コイル12に接続されている整流部32における電圧および電流の急激な変化は低減される。そのため、共鳴する送電側の回路である送電回路ユニット20においても、電圧の過渡的な増加は低減される。したがって、磁界共鳴を利用して無線で電力を供給する場合でも、幅広い領域で過渡的な電圧の上昇を抑え、電力の伝達効率の向上を図ることができる。
In the first embodiment, the switching
第1実施形態では、シャント抵抗44および計装アンプ45を用いて整流部32おいて整流された電流は、電圧の波形に変換され、比較器46において既定の電圧Vtと比較される。制御部33は、この既定の電圧Vtに基づくPWM信号を駆動信号として生成して、スイッチング素子38およびスイッチング素子39へ出力する。このように、第1実施形態の場合、スイッチング素子38およびスイッチング素子39のオンの時期は、シャント抵抗44における整流部32からの出力電流Ibを用いて設定される。したがって、シャント抵抗44の挿入という簡単な構成でスイッチング素子38およびスイッチング素子39のオンの時期を容易に設定することができる。
In the first embodiment, the current rectified in the
(第2、第3実施形態)
第2実施形態による無線給電装置を図5に示す。
第2実施形態の場合、無線給電装置10の制御部33は、ダイオード34およびダイオード35から出力される出力電流Ibを検出する電流センサ51を有している。すなわち、第2実施形態の場合、制御部33は、出力電流Ibを電流センサ51によって検出している。このように、制御部33は、出力電流Ibを電流センサ51で検出してもよい。制御部33は、電流センサ51で検出した電流波形に基づく電圧を用いて、スイッチング素子38およびスイッチング素子39を駆動するためのPWM信号を出力する。
第2実施形態でも、第1実施形態と同様に簡単な構成でスイッチング素子38およびスイッチング素子39のオンの時期を容易に設定することができる。
(Second and third embodiments)
A wireless power feeding apparatus according to the second embodiment is shown in FIG.
In the case of the second embodiment, the
Also in the second embodiment, the on-time of the switching
第3実施形態による無線給電装置を図6に示す。
第3実施形態の場合、制御部33は記憶部52を有している。記憶部52は、スイッチング素子38とスイッチング素子39とのオンの時期のずれを記憶している。この場合、記憶部52は、スイッチング素子38のオンの時期とスイッチング素子39のオンの時期とのずれを、時間的な要素として記憶している。また、制御部33は、記憶部52に一定のずれを記憶し、タイマーを用いて常に一定のずれが生じるようにしてもよい。すなわち、記憶部52は、制御部33に設けられた記憶媒体でもよく、タイマーであってもよい。このような第3実施形態の場合、スイッチング素子38のオンの時期とスイッチング素子39のオンの時期とのずれは、既定の一定値として設定されている。
A wireless power supply apparatus according to the third embodiment is shown in FIG.
In the case of the third embodiment, the
第3実施形態の場合、常に変動する負荷に用いると負荷の変動に対する無線給電装置10の追従性が高くないものの、無線給電装置10に接続される負荷が一定負荷であれば、過渡的な電圧の変化を低減することができる。このような第3実施形態では、一定負荷の無線給電装置10において、出力電流Ibを検出するための構成が不要となり、より簡単な構成で過渡的な電圧の変化を低減し、電力の伝達効率の向上を図ることができる。
In the case of the third embodiment, when used for a load that constantly fluctuates, the wireless
(その他の実施形態)
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
例えば図7に示すように、無線給電装置10は、整流素子として、第1位実施形態におけるダイオード34に代えてスイッチング素子38に含まれるボディダイオード61を用いてもよい。同様に、無線給電装置10は、整流素子として、第1実施形態におけるダイオード35に代えてスイッチング素子39に含まれるボディダイオード62を用いてもよい。制御部33は、このスイッチング素子38のボディダイオード61およびスイッチング素子39のボディダイオード62から出力される出力電流Ibを用いてスイッチング素子38およびスイッチング素子39をオンする時期を設定してもよい。
(Other embodiments)
The present invention described above is not limited to the above-described embodiment, and can be applied to various embodiments without departing from the gist thereof.
For example, as illustrated in FIG. 7, the wireless
また、無線給電装置10は、図8に示すように第1実施形態におけるADコンバータ43を除いてもよい。すなわち、図8に示す無線給電装置10の場合、バッテリ42の電圧Vbを用いたPWM制御を行なわなくてもよい。このように図8に示す無線給電装置10であっても、幅広い領域で過渡的な電圧の上昇を抑え、電力の伝達効率の向上を図ることができる。
Further, the wireless
さらに、制御部33は、ダイオード34およびダイオード35から出力される出力電流Ibに基づく電圧波形に代えて、バッテリ42や図示しない負荷に印加される電圧に基づいてスイッチング素子38およびスイッチング素子39を駆動する構成としてもよい。この場合、制御部33は、バッテリ42や図示しない負荷における電圧を検出する電圧センサに接続される。
Further, the
これらの複数の実施形態およびその他の実施形態は、個別に適用するだけでなく、複数を組み合わせて無線給電装置10に適用することができる。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
The plurality of embodiments and other embodiments can be applied to the wireless
Although the present disclosure has been described with reference to the embodiments, it is understood that the present disclosure is not limited to the embodiments and structures. The present disclosure includes various modifications and modifications within the equivalent range. In addition, various combinations and forms, as well as other combinations and forms including only one element, more or less, are within the scope and spirit of the present disclosure.
図面中、10は無線給電装置、11は送電コイル、12は受電コイル、22は高周波生成部、32は整流部、33は制御部、34、35はダイオード(整流素子)、38、39はスイッチング素子、42はバッテリ、44はシャント抵抗、51は電流センサ、52は記憶部、61、62はボディダイオード(整流素子)を示す。 In the drawing, 10 is a wireless power feeding device, 11 is a power transmission coil, 12 is a power receiving coil, 22 is a high-frequency generator, 32 is a rectifier, 33 is a controller, 34 and 35 are diodes (rectifiers), and 38 and 39 are switching. An element, 42 is a battery, 44 is a shunt resistor, 51 is a current sensor, 52 is a storage unit, and 61 and 62 are body diodes (rectifier elements).
Claims (7)
前記送電コイル(11)へ高周波の電力を供給する高周波生成部(22)と、
2つ以上の整流素子(34、35、61、62)を有し、前記受電コイル(12)において前記送電コイル(11)から受け取った高周波の電力を整流する整流部(32)と、
前記整流素子(34、35、61、62)と並列に接続されている2つ以上のスイッチング素子(38、39)と、
2つ以上の前記スイッチング素子(38、39)におけるスイッチングの時期をずらして前記スイッチング素子(38、39)を駆動する制御部(33)と、
を備える無線給電装置。 A wireless power feeder (10) that wirelessly supplies power between a pair of power transmission coils (11) and a power reception coil (12),
A high frequency generator (22) for supplying high frequency power to the power transmission coil (11);
A rectification unit (32) having two or more rectification elements (34, 35, 61, 62), and rectifying high-frequency power received from the power transmission coil (11) in the power reception coil (12);
Two or more switching elements (38, 39) connected in parallel with the rectifying elements (34, 35, 61, 62);
A control unit (33) for driving the switching elements (38, 39) by shifting the timing of switching in the two or more switching elements (38, 39);
A wireless power supply apparatus comprising:
前記制御部(33)は、前記バッテリ(42)または前記負荷に印加される電圧に基づいて、前記スイッチング素子(38、39)のスイッチングの時期を制御する請求項1記載の無線給電装置。 At least one of a battery (42) charged by the current rectified by the rectifier (32) and a load driven by the current rectified by the rectifier (32);
The wireless power feeder according to claim 1, wherein the control unit (33) controls a switching timing of the switching element (38, 39) based on a voltage applied to the battery (42) or the load.
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