JP2018507677A - 誘導電流伝送方法 - Google Patents

Abstract

増幅器によって電力が与えられる少なくとも１つの送電コイルによる誘導電流伝送方法において、増幅器は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＣ）モード及びゼロ電流スイッチング（ＺＣＶ）モードにおいて動作させられる。

Description

本発明は、少なくとも１つの送電コイルを用いた誘導電流伝送方法に関する。この少なくとも１つの送電コイルには、増幅器によって電力が与えられる。

例えば、電気機器に給電するための蓄電池を充電するための誘導電流伝送は、多岐にわたって知られている。例えば、欧州特許出願公開第１３１８２６０号明細書（EP 1 318 260 A2）は、固定網から、門扉とともに動く蓄電池への無線電流伝送を開示している。

独国特許出願公開第１０２０１００４７５７９号明細書（DE 10 2010 047 579 A1）は、別の使用目的を開示している。この文献では、テーブル面又は作業面等の、面状に延在する家具の構成部分が開示されており、ここには、複数の送電コイルが、電動装置、特にラップトップ、スマートフォン、タブレット等に対する誘導電流伝送のために組み込まれている。

この文献での目的は、任意に、この家具の構成部分に置かれている電気負荷に電流が供給される、ということである。

このような負荷は、電流消費の異なる電力クラスに分類される。このような異なる負荷の最適な電流供給を保証するために、異なる出力の伝送も必要である。したがって、少なくとも１つの送電コイルに電力を与える増幅器は、極めて効率良く、かつ、妨害が少ないように設計されなければならない。これは、特に、無線エネルギー伝送用の、約５００ｋＨｚを上回る高い周波数領域においても有効である。

欧州特許出願公開第１３１８２６０号明細書 独国特許出願公開第１０２０１００４７５７９号明細書

このような技術的な問題は、請求項１の特徴部分に記載されている、増幅器によって電力が与えられる、少なくとも１つの送電コイルを用いた誘導電流伝送方法によって、増幅器がゼロ電圧スイッチング（ＺＶＣ）モード及びゼロ電流スイッチング（ＺＣＶ）モードにおいて動作させられるという措置によって解決される。

増幅器の電子スイッチ、例えばトランジスタを、電圧のゼロ通過及び電流のゼロ通過においてスイッチングすることによって、電子スイッチの損失エネルギーが最小化され、ノイズが実質的に回避され、これによって、より確実、かつ、より安定した動作が、周波数が高い場合にも保証される。

しかし、僅かなスイッチングモードしか、両条件を同時に満たすのに適していない。これはクラスＤの増幅器において可能である。この増幅器は、フロー制御部によって再調整され、したがって、いわばクラスＤＥの増幅器である。

このようなフロー制御部は、独立した、自由にプログラミング可能な論理ユニットとして構成可能であり、又は、ＡＳＩＣ、特定用途向け集積回路によって構成可能である。

本発明に従った、この方法の構造上の設計において、増幅器は、２つの電子スイッチを備えるハーフブリッジと、直列振動回路と、電子スイッチにそれぞれ割り当てられている２つのコンデンサとを有しており、フロー制御部は、半周期だけずれた２つの矩形信号を、電子スイッチの駆動制御のために形成する。矩形信号のパルス幅の長さは、次の矩形信号が現れたときにちょうど、放電しているコンデンサが放電された状態にあるように決定されている。

コンデンサは、適切な、スイッチに並列接続されているコンデンサによって、スイッチコンデンサ自体によって、又は、相応する組み合わせによって形成可能である。

パルス幅変調は、ここでは、クラスＤの増幅器において通常のように、出力制御には用いられず、クラスＤＥの増幅器モードの調整、ゼロ電圧スイッチング及びゼロ電流スイッチングに使用される。ここでは、さらに、フロー制御部は、矩形信号として、周波数が固定されたパルスを形成してもよい。これらのパルスは２つの値を取ることができる。しかし、フロー制御部が、矩形信号として、パルス幅が設定可能なパルスを形成してもよい。このような直近の特徴の組み合わせによって、順次連続するパルスの２つの立ち上がりエッジ間の間隔は常に同じになる。パルス幅だけが変化する。

このようなパルス幅変調は、増幅器出力の調整には使用されず、上述したモードにおけるその動作に使用される。出力調整のためには、矩形信号は複数の均等なインターバルに区分けされており、増幅器の出力調整のために、フロー制御部によって、設定可能な数のパルスがこのインターバルにおいて、間引いて形成されてもよい。

パルスが伝送されない場合には、信号は、ゼロのままであり、エネルギーは、伝送されない。

電子スイッチの明確なスイッチングのために、さらに、ハーフブリッジの振動低減のために、ハーフブリッジが片側において短絡されてもよい。これは、強制スイッチオフを原則的に示している。

誘導電流伝送のための送電器の最適な動作を保証するために、さらに、パルスを形成するフロー制御部と、ハーフブリッジとの間に、調整ループが設けられている。これによって、ハーフブリッジの評価される信号によって、ハーフブリッジが最適に動作させられるようにもパルス幅が調整されることが可能になる。有利には、このために、マイクロコントローラが設けられており、このマイクロコントローラから、フロー制御部は、データバスを介して情報を得る。この情報はさらに、増幅器の出力調整に対するデータを含んでいてよい。したがって、最適な無線エネルギー伝送が、異なる電力クラスの機器に対しても可能になる。

全体的に、フロー制御部が、複合型プログラマブル論理装置（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ（ＣＰＬＤ））、プログラミング可能な論理ユニットであるのは有利であることが判明している。電界プログラマブル・ゲート・アレイ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ））とは異なり、ＣＰＬＤは、供給電圧の損失時に自身のプログラミングを失わない。なぜなら、これはＥＥＰＲＯＭ技術に基づいているからである。選択肢として、特定用途向け集積回路がフロー制御部のために提供される。

本発明の本質を、図面に基づいて詳細に説明する。図面では概略的かつ例示的な図しか再現されていない。

増幅器としてのインバータの回路。 最適なパルス幅調整。 過度に大きいパルス幅調整。 過度に小さいパルス幅調整。 間引き。 本発明に従った無線エネルギー伝送のための簡易化されたブロック回路図。

図１は、２つの電子スイッチＱ_１、Ｑ_２、例えばトランジスタを備えるハーフブリッジ２を有するインバータとしての、本発明の方法を実施するための増幅器１の形成を示している。

２つの電子スイッチＱ_１、Ｑ_２の負荷回路では、コンデンサＣとインダクタンスＬ_ａとを備える直列振動回路３が接続されている。直列振動回路３に直列接続されている別のインダクタンスＬ_ｂは、インダクタンスＬ_ａとともに送電コイルを形成する。オーム抵抗Ｒを介して、負荷電流回路が閉じられる。

電子スイッチＱ_１、Ｑ_２に対しては、２つのコンデンサＣ_１、Ｃ_２が、並列接続されている。

電子スイッチＱ_１、Ｑ_２のスイッチ位置に応じて、２つのコンデンサＣ_１、Ｃ_２のうちの１つが供給電圧Ｕで充電され、又は、負荷電流回路を介して放電される。

増幅器１の動作のためには、電子スイッチＱ_１、Ｑ_２において、半周期だけずれている、同じ周波数の矩形信号が必要である。この結果、インダクタンスＬ_ａ及びＬ_ｂにおいて交流電流が生じる。

誘導エネルギー伝送のできるだけ高い効率のために、電子スイッチＱ_１、Ｑ_２は、最適に、連続するように調整された複数の矩形信号によって駆動制御されなければならない。パルス幅はちょうど、コンデンサＣ_１、Ｃ_２が、このパルス幅に関連した放電時間ｔ_Ｄ内で、負荷電流回路の誘導性作用によって放電し得るような長さでなければならない。パルスが別の電子スイッチＱ_２、Ｑ_１を駆動制御し、これによって、第２のコンデンサＣ_２、Ｃ_１の充電を開始するときにちょうど、コンデンサＣ_１、Ｃ_２のうちの１つが放電された状態にあるべきである。これは、電圧又は電流がゼロであり、これによって増幅器がゼロ電圧スイッチングモード及びゼロ電流スイッチングモードで動作させられる場合に、ちょうどパルスが電子スイッチＱ_１、Ｑ_２に到来する場合である。

図２は、上方の２つの座標系において、半周期Ｔ／２だけずれている矩形信号を示している。ここでは、１に正規化されている。これら２つの矩形信号のパルス幅は最適であるので、電流ｉは、電子スイッチＱ_１又はＱ_２によってゼロ通過においてスイッチングされる。最も下の座標系において正規化されて再現されたゼロ通過信号は、第１の矩形信号のエッジ立ち上がりによって開始し、第２の矩形信号の立ち上がりによって終了する。第１の矩形信号の立ち下がりエッジから第２の矩形信号の立ち上がりまでの間隔、又は、第２の矩形信号の立ち下がりエッジから第３の矩形信号の立ち上がりエッジまでの間隔は、放電時間ｔ_Ｄに相当する。

図３では、過度に大きくパルス幅が示されている。これに対応して、電流ｉのゼロ通過は過度に遅く発生する、又は、図４では、過度に小さいパルス幅によって、ゼロ通過は過度に早期に発生する。これら２つのケースでは、矩形信号のスイッチオン時点はもはや、電流ｉのゼロ通過とは一致せず、回路の効率は格段に低下する。

最適なパルス幅変調のために、フロー制御部が設けられている。これは例えば、複合型プログラマブル論理装置（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ（ＣＰＬＤ））又はＡＳＩＣである。しかし、周波数が固定されているが、パルス幅が設定可能なパルスによるこのようなパルス幅変調は、増幅器１から出力される出力の調整には用いられず、主に、最適な動作、電子スイッチＱ_１、Ｑ_２の正確なスイッチングに用いられる。

しかし、誘導伝送される電力の調整も、フロー制御部によって行われる。これは、インターバル４において、通常は、設定可能な数のパルスを形成し、図５の上方の座標系では例えば２０個のパルスを形成する。しかし、誘導伝送されるべき電力の低減のためには、これら２０個のパルスが形成されるのではなく、より少ない数のパルスが形成され、図５の下方の座標系では例えば１０個のパルスしか形成されない。

ここで、２つの電子スイッチＱ_１、Ｑ_２は、パルスが伝送されない時間、誘導エネルギー伝送が行われないように接続されるべきである。

図６は、本発明の方法のコンセプト全体を再度、簡略化して示している。負荷５は、誘導電流伝送のための受電コイル６を介して、送電器８の送電コイル７と結合されている。送電コイル７は、冒頭に記載した様式の増幅器９によって給電される。増幅器９のスイッチング特性を設定するフロー制御部１０は、パルス幅整合のために必要な情報を、破線によって示された調整ループ１１によって、例えば位相信号として、直接的に回路から、又は、マイクロコントローラ１２を介して得る。これは、さらに別の情報、例えば、負荷５の電力クラスに関する情報を、増幅器９の出力整合のために、フロー制御部１０に転送することができる。したがって、増幅器９の最適な動作、及び、負荷５への増幅器９の最適な出力整合が、これによって保証される。

Claims (10)

1. 増幅器によって電力が与えられる少なくとも１つの送電コイルによる誘導電流伝送方法であって、
   前記増幅器は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＣ）モード及びゼロ電流スイッチング（ＺＣＶ）モードにおいて動作させられる、
   ことを特徴とする誘導電流伝送方法。
2. 前記増幅器は、クラスＤの増幅器であり、前記増幅器は、フロー制御部によって再調整される、請求項１に記載の方法。
3. 前記増幅器は、２つの電子スイッチを備えるハーフブリッジと、直列振動回路と、前記電子スイッチにそれぞれ割り当てられている２つのコンデンサとを有しており、
   前記フロー制御部は、半周期だけずれた２つの矩形信号を、前記電子スイッチの駆動制御のために形成し、当該矩形信号のパルス幅の長さは、次の矩形信号が現れたときにちょうど、放電しているコンデンサが放電された状態にあるように決定されている、請求項１から２までのいずれか１項又は複数項に記載の方法。
4. 前記フロー制御部は、矩形信号として、周波数が固定されたパルスを形成する、請求項２から３までのいずれか１項又は複数項に記載の方法。
5. 前記フロー制御部は、矩形信号として、パルス幅が設定可能なパルスを形成する、請求項２から４までのいずれか１項又は複数項に記載の方法。
6. 設定可能な数のパルスが複数の均等なインターバルに区分けされており、
   前記増幅器の出力調整のために、前記フロー制御部によって、前記インターバルにおいて、前記設定された数のパルスよりも少ない数のパルスが形成される、請求項４及び５に記載の方法。
7. 前記ハーフブリッジの振動低減のために、前記ハーフブリッジが片側で短絡される、請求項１から６までのいずれか１項又は複数項に記載の方法。
8. パルスを形成する前記フロー制御部と前記ハーフブリッジとの間に調整ループが設けられている、請求項３から７までのいずれか１項又は複数項に記載の方法。
9. 前記フロー制御部は、データバスを介して、マイクロコントローラから、出力調整に関する情報を得る、請求項８に記載の方法。
10. 前記フロー制御部は、複合型プログラマブル論理装置（Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ（ＣＰＬＤ））又はＡＳＩＣである、請求項２から９までのいずれか１項又は複数項に記載の方法。

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