JP2018125934A

JP2018125934A - 無接点給電装置

Info

Publication number: JP2018125934A
Application number: JP2017015073A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　英次; Eiji Sato; 英次佐藤; 弘江馬; Hiroshi Ema
Original assignee: Hosiden Corp
Current assignee: Hosiden Corp
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2018-08-09
Also published as: EP3355457A1; US10693325B2; US20180219424A1

Abstract

【課題】低コストで確実に素子を保護することが可能な無接点給電装置を提供する。【解決手段】無接点給電装置１は、無接点給電に用いられるエネルギーを蓄えるコイルＺ、及びコイルＺを流れる電流を制御する電界効果トランジスタＱを有するＥ級増幅器１０と、電界効果トランジスタＱが有するドレーン端子とソース端子との間に設けられ、電界効果トランジスタＱのドレーン−ソース間の絶対最大定格未満の電圧値の電圧が印加された場合に動作するアレスタ２０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で給電を行う無接点給電装置に関する。

従来、蓄電池を非接触で充電する無接点給電装置が利用されてきた。この種の技術として例えば特許文献１に記載のものがある。

特許文献１に記載の非接触電力伝送装置の電源装置は、直流電源と、直流電源に接続されたスイッチング素子を有する増幅部とを備えて構成される。増幅部には、スイッチング素子に切替手段を介して並列に接続可能な保護素子が設けられる。

この非接触電力伝送装置の電源装置では、移動体側設備への給電に先立ち、給電側（一次側）と受電側（二次側）との共鳴系の共鳴状態を適切な状態、即ち、共鳴系の入力インピーダンスと高周波電源の出力インピーダンスとの整合が行われる。切替手段は当該整合時にスイッチング素子に過電圧が印加されることを防止すべく、保護素子がスイッチング素子に並列に接続された状態に切り替えられ、整合の終了後、保護素子がスイッチング素子に並列に接続された状態を解除する。また、保護素子としてツェナーダイオードが用いられる。

特開２０１３−１１５９０８号公報

特許文献１に記載の技術のように、磁界共鳴式の無接点給電では、送電効率が高いＥ級増幅器が用いられることが多いが、Ｅ級増幅器は経路内のコイルにエネルギーを蓄え、スイッチング素子でコイルに蓄えたエネルギーの放出を制御することで高効率にスイッチングを行う。しかしながら、例えば受電側のコイルの有無により共振条件が変化すると、定格の６倍近い電圧が印加され、Ｅ級増幅器を構成する素子が破損される可能性がある。このため、保護素子（特許文献１にあってはツェナーダイオード）は耐圧が高いものを用いる必要があり、コストアップの要因となる。また、保護素子として、例えばバリスタを用いることも可能であるが、バリスタは寄生容量が大きいので、共振条件に影響を与えてしまう。更にはツェナーダイオードやバリスタは、過電圧が印加された時に短絡状態で破損することがあり（ショートモードでの破損）、確実に素子を保護できるとは言い難い。

そこで、低コストで確実に素子を保護することが可能な無接点給電装置が求められる。

本発明に係る無接点給電装置の特徴構成は、無接点給電に用いられるエネルギーを蓄えるコイル、及び前記コイルを流れる電流を制御する電界効果トランジスタを有するＥ級増幅器と、前記電界効果トランジスタが有するドレーン端子とソース端子との間に設けられ、前記電界効果トランジスタのドレーン−ソース間の絶対最大定格未満の電圧値の電圧が印加された場合に動作するアレスタと、を備えている点にある。

このような特徴構成とすれば、例えば無接点給電装置に印加される過電圧を検出する検出回路に代えて、アレスタを備えて無接点給電装置を構成することにより、低コストで確実に無接点給電装置が有する素子を保護することが可能となる。また、アレスタは、瞬間的なラッシュ電流はもちろん、連続的に流れる大電流に対しても破損することがない。更に、アレスタは、高電圧が印加された場合であっても破損することはないが、仮に故障した時にはオープンモードでの故障となるので異常短絡を防止できる。また、異常動作時には、発光現象により異常であることを周囲に知らしめることができる。

また、前記アレスタは、容器内に不活性ガスが封入されたガスアレスタであると好適である。

このような構成とすれば、ガスアレスタは、寄生容量が小さいので、無接点給電に最適化された共振に対する影響を小さくすることができる。

また、前記電界効果トランジスタは、窒化ガリウムを用いて形成されていると好適である。

このような構成とすれば、電界効果トランジスタを小型化することができる。したがって、無接点給電装置をコンパクトに構成することが可能となる。

また、前記無接点給電装置は、前記アレスタの動作時に前記アレスタからの光を検出する光検出部と、前記光検出部により前記アレスタの動作が検出された場合に、前記アレスタの動作を報知する報知部と、を更に備えると好適である。

このような構成とすれば、無接点給電装置の異常を視覚的に捉え、無接点給電装置の外部からでもユーザに異常を知らしめることが可能となる。

無接点給電装置の構成を模式的に示したブロック図である。各部の波形を示した図である。

本発明に係る無接点給電装置は、低コストで素子を確実に保護できる機能を備えている。以下、本実施形態の無接点給電装置１について説明する。

図１は、無接点給電装置１の構成を模式的に示したブロック図である。図１に示されるように無接点給電装置１は、Ｅ級増幅器１０とアレスタ２０とを備えて構成される。Ｅ級増幅器１０は、入力電源Ｖ、発振器ＯＳＣ、第１コイルＬ１、第２コイルＬ２、電界効果トランジスタＱ、第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２、コイルＺを備えて構成される。

無接点給電装置１においては、入力電源Ｖの正極と第１コイルＬ１の一方の端子とが接続され、第１コイルＬ１の他方の端子と電界効果トランジスタＱのドレーン端子とが接続される。電界効果トランジスタＱのソース端子は接地され、電界効果トランジスタＱのドレーン端子と接地電位との間に第１コンデンサＣ１が設けられる。

また、電界効果トランジスタＱのドレーン端子と第２コイルＬ２の一方の端子とが接続され、第２コイルＬ２の他方の端子と第２コンデンサＣ２の一方の端子とが接続される。第２コンデンサＣ２の他方の端子はコイルＺに接続される。電界効果トランジスタＱのゲート端子には発振器ＯＳＣからの発振信号が入力される。電界効果トランジスタＱは、ゲート端子に入力される発振信号に基づき駆動され、これによりコイルＺを流れる電流を制御する。

Ｅ級増幅器１０は、このように接続され、直列接続された第２コイルＬ２及び第２コンデンサＣ２を共振させてコイルＺに無接点給電に用いられるエネルギーを蓄える。

図２には、上から順に、電界効果トランジスタＱのゲート端子の電圧Ｖｇの波形、第１コイルＬ１を流れる電流ＩＬ１の波形、電界効果トランジスタＱのドレーン端子の電圧Ｖｄの波形、第１コンデンサＣ１に流れる電流ＩＣ１の波形、コイルＺを流れる電流ＩＺの波形が示される。電界効果トランジスタＱのゲート端子にハイ信号が入力され、ターンオンすると（ｔ＝０）、第１コイルＬ１を流れる電流ＩＬ１が上昇する。この時、電界効果トランジスタＱのドレーン端子の電圧Ｖｄは零電位となる。電界効果トランジスタＱが、ターンオフすると（ｔ＝１）、第１コイルＬ１を流れる電流ＩＬ１が減少し、第１コンデンサＣ１が電流ＩＣ１で充電される。これにより、電界効果トランジスタＱのドレーン端子の電圧Ｖｄが次第に大きくなる。

無接点給電装置１の負荷が最適化されている場合には、電界効果トランジスタＱのドレーン端子の電圧Ｖｄは次第に小さくなり、零電位となった時に電界効果トランジスタＱがターンオンする（ｔ＝２）。このような電界効果トランジスタＱのターンオン−ターンオフ動作により第２コイルＬ２及び第２コンデンサＣ２にパルス状の電圧が印加され、コイルＺに交流電流が流れることになる。

図１に戻り、電界効果トランジスタＱのドレーン端子とソース端子との間には、アレスタ２０が設けられる。したがって、アレスタ２０は、第１コンデンサＣ１と並列に接続されることになる。アレスタ２０は、電界効果トランジスタＱのドレーン−ソース間の絶対最大定格未満の電圧値の電圧が印加された場合に動作するものが用いられる。したがって、仮に電界効果トランジスタＱのドレーン端子に、電界効果トランジスタＱのドレーン−ソース間の絶対最大定格以上の電圧値の電圧が印加された場合であっても、アレスタ２０が電界効果トランジスタＱのドレーン−ソース間を短絡するので、電界効果トランジスタＱを保護することが可能となる。これにより、無接点給電装置１を構成する素子を低コストで確実に保護することが可能となる。

アレスタ２０は、ガラス管などの容器内に不活性ガスが封入されたガスアレスタであると好適である。このようなガスアレスタは、故障時にはオープンモードで故障するので、アレスタ２０が故障した場合であっても、アレスタ２０により第１コイルＬ１の他方の端子が接地電位と短絡されることを防止できる。

また、電界効果トランジスタＱは、窒化ガリウムを用いて形成すると好適である。窒化ガリウムを用いて形成することにより電界効果トランジスタＱのドレーン−ソース間の絶対最大定格を大きくできるので、電界効果トランジスタＱが破損し難くすることができる。また、窒化ガリウムを用いて形成することにより小型化することが可能となる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態では、アレスタ２０がガラス管などの容器内に不活性ガスが封入されたガスアレスタであるとして説明したが、マイクロギャップアレスタを用いることも可能であるし、あるいはチップ型のアレスタを用いることも可能である。

上記実施形態では、電界効果トランジスタＱは、窒化ガリウムを用いて形成されているとして説明したが、電界効果トランジスタＱは他の半導体（例えばシリコンやシリコンカーバイト等）を用いて構成しても良い。

上記実施形態では、無接点給電に用いる場合の例を挙げて説明したが、磁界共鳴方式の無接点給電のみに限らず、電界結合方式の無接点給電に適用することも可能であるし、高出力無線送電機器に適用することも可能である。更には、インバータの保護に用いることも可能である。

ここで、無接点給電装置１は、アレスタ２０の動作時にアレスタ２０からの光を検出する光検出部と、光検出部によりアレスタ２０の動作が検出された場合に、アレスタ２０の動作を報知する報知部と、を更に備えると好適である。このような構成とすれば、無接点給電装置１の異常を視覚的に捉え、無接点給電装置１の外部からでもユーザに異常を知らしめることが可能となる。

本発明は、非接触で給電を行う無接点給電装置に用いることが可能である。

１：無接点給電装置
１０：Ｅ級増幅器
２０：アレスタ
Ｑ：電界効果トランジスタ
Ｚ：コイル

Claims

無接点給電に用いられるエネルギーを蓄えるコイル、及び前記コイルを流れる電流を制御する電界効果トランジスタを有するＥ級増幅器と、
前記電界効果トランジスタが有するドレーン端子とソース端子との間に設けられ、前記電界効果トランジスタのドレーン−ソース間の絶対最大定格未満の電圧値の電圧が印加された場合に動作するアレスタと、
を備える無接点給電装置。
前記アレスタは、容器内に不活性ガスが封入されたガスアレスタである請求項１に記載の無接点給電装置。
前記電界効果トランジスタは、窒化ガリウムを用いて形成されている請求項１又は２に記載の無接点給電装置。
前記アレスタの動作時に前記アレスタからの光を検出する光検出部と、
前記光検出部により前記アレスタの動作が検出された場合に、前記アレスタの動作を報知する報知部と、を更に備える請求項１から３のいずれか一項に記載の無接点給電装置。