JP2018509876A - 誘導電力受信機 - Google Patents

Abstract

誘導電力受信機は、電力ピックアップステージと、電力ピックアップステージに接続された半自律コンバータと、コンバータと関連する少なくとも１つの制御機器に基づく負荷に供給される電力を調整するように構成されたコントローラと、を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は一般にコンバータに関する。より具体的には、本発明は、誘導電力受信機のためのコンバータに関する。

電気コンバータは、多くの様々な種類の電機システムにおいて見つけられる。一般的に言えば、コンバータは、第１の種類の供給を第２の種類の出力に変換する。このような変換は、ＤＣ−ＤＣ、ＡＣ−ＡＣ、及びＤＣ−ＡＣ電気変換を含むことができる。いくつかの構成において、コンバータは、任意の数のＤＣ及びＡＣの「パーツ」を有することができ、例えばＤＣ−ＤＣコンバータは、トランスの形式で、ＡＣ−ＡＣコンバータステージを含みうる。

コンバータの使用の一例は、誘導電力伝送（ＩＰＴ）システムである。ＩＰＴシステムは、通常、誘導電力送信機及び誘導電力受信機を含む。誘導電力送信機は、交流磁界を生成するように適切な送信回路によって駆動される１つまたは複数の送信コイルを含む。交流磁界は、誘導電力受信機の１つまたは複数の受信コイルに電流を誘起する。そして、受信電力は、バッテリを充電し又は誘導電力受信機と関連付けられる機器又は別の負荷に電力を供給するのに用いられうる。さらに、送信コイルと受信コイルとの少なくともいずれかは、共振回路を作るための共振キャパシタに接続されうる。共振回路は、対応する共振周波数において電力スループット及び効率を増加させうる。その後、共振回路における電流は、負荷のためのＤＣに変換されうる。

受信機コンバータは、所望の形状および大きさのＤＣ電流を生成するように構成され又は制御されうる。いくつかの例において、コンバータの周波数にとって、共振送信コイルと共振受信コイルとの少なくともいずれかの共振周波数に整合させることが望ましい可能性がある。

ＩＰＴシステムにおいて使用される１つの既知の種類のコンバータはプッシュプルコンバータである。プッシュプルコンバータは、協調されるスイッチングを用いて電流を受信コイルに交互方向に流れさせるスイッチの構成に依存する。スイッチを制御することにより、負荷に供給される出力ＤＣ電流を制御することができる。

プッシュプルコンバータと関連する問題は、スイッチング損失及びＥＭＩ干渉を低減するために、スイッチが、スイッチを通した電圧がゼロであるときにスイッチがオン及びオフされる、すなわちゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）であるように制御されなければならないことである。ＺＶＳの実装は、多くの場合、ゼロ交差を検出するための追加の検出回路、及び、それに応じてスイッチを制御するための制御回路が必要である。この追加の回路は、コンバータに対して複雑性と費用を追加する。さらに、いくつかの検出及び制御回路は、高周波数コンバータの要求を満足させることができない可能性がある。

したがって、本発明は、改善された誘導電力受信機を提供し、又は、少なくとも有用な選択肢を公衆に提供する。

１つの例示の実施形態によれば、半自律又は全自律コンバータを有する誘導電力受信機が提供される。

さらなる実施形態によれば、
電力ピックアップステージと、
前記電力ピックアップステージに接続された半自律コンバータと、
前記コンバータに関連する少なくとも１つの制御デバイスに基づいて負荷に供給される電力を調整するように構成されたコントローラと、
を有する誘導電力受信機が提供される。

また更なる実施形態によれば、
電力ピックアップステージと、
負荷に電力を供給する前記電力ピックアップステージに接続される自律コンバータと、
を有する誘導電力受信機が提供される。

用語「comprise」「comprises」及び「comprising」は、様々な管轄において、排他的又は包含的な意味に帰しうることを認識している。この明細書の目的に対して、そして、ほかに注釈のない限り、これらの用語は包含的な意味を有することが意図され−すなわち、それらは、直接的な参照を使用する列記された要素と、場合によっては他の特定されていない他のコンポーネントまたはエレメントの包含を意味するように用いられる。

この明細書における任意の文書への参照は、その文書が先行技術であって他の文書と有効に組み合わせができることや、共通の一般的な知識の一部を形成することの承認を構成するものではない。

本明細書に組み込まれると共にその一部を構成する添付の図面は、上で与えられた本発明の概要及び以下に与えられる実施形態の詳細な説明と共に、本発明の例示の実施形態を図解し、本発明の原理を説明するために役立つ。
誘導電力伝送システムのブロック図である。 受信機のブロック図である。 コンバータの例示の回路である。 ゲートコントローラのブロック図である。 回路に対するスイッチングタイミングのグラフである。 他の例示のコンバータの回路である。 ゲートコントローラのブロック図である。 フィードバックコントローラの回路である。 フィードバックコントローラの回路である。

誘導電力伝送（ＩＰＴ）システム１を、図１に大まかに示す。ＩＰＴシステムは、誘導電力送信機２及び誘導電力受信機３を含む。誘導電力送信機２は、（主電源またはバッテリ等の）適切な電源４に接続される。誘導電力送信機２は、（使用される電源の種類に応じた）１つ以上のコンバータ５、例えば、ＡＣ−ＤＣコンバータ、及び、例えば（存在する場合）コンバータ５に接続される、インバータ６を有する送信器回路を含みうる。インバータ６は、送信コイル７が交流磁界を生成するように、送信コイル７にＡＣ信号を供給する。いくつかの構成では、送信コイル７も、インバータ６から分離されていると考えられうる。送信コイル７は、共振回路を作るために並列又は直列のいずれかで適切なキャパシタ（不図示）に接続されうる。

コントローラ８は、誘導電力送信機２の各部に接続されうる。コントローラ８は、誘導電力送信機２の各部からの入力を受信し、各部の動作を制御する出力を発出しうる。コントローラ８は、単一のユニットまたは別個の複数のユニットとして実装されてもよく、例えば電力潮流と、チューニングと、送信コイル７に選択的にエネルギーを与えることと、誘導電力受信機検出と、通信との少なくともいずれかを含んだその能力に応じて、誘導電力送信機２の様々な態様を制御するように構成されうる。

誘導電力受信機３は、その後に負荷１１に電力を供給する電力調整回路１０に接続された、電力ピックアップステージ９を含む。電力ピックアップステージ９は、誘導電力受信コイルを含む。誘導電力送信機２及び誘導電力受信機３のコイルが適切に結合される場合、送信コイル７によって生成された交流磁界が、受信コイルにおいて交流電流を誘起する。受信コイルは、共振回路を作るために、インダクタ−キャパシタ−インダクタなどの、並列、直列、又は他の組合せのいずれかで、キャパシタ及び追加のインダクタ（不図示）に接続されうる。いくつかの誘導電力受信機では、受信機は、受信コイルのチューニングと、電力調整回路１０の動作と、負荷１１の特性と、通信との少なくともいずれかを制御しうるコントローラ１２を含んでもよい。コントローラ１２は、１つ以上のユニット／コンポーネントを有してもよく、また、マイクロコントローラ、ＰＩＤ、ＦＰＧＡ、ＣＰＬＤ、ＡＳＩＣ等のようなコントローラであってもよい。さらに、単一の集積回路上に全体の無線受信器回路の大部分を集積することが可能でありうる。

用語「コイル」は、そこで電流が磁界を生成する導電性構造を含みうる。例えば、誘導「コイル」は、三次元形状又は二次元形状の導電性ワイヤ、プリント基板（ＰＣＢ）技術を用いて複数のＰＣＢ「レイヤ」上に三次元形状に組み立てられた導電性材料、及び他のコイル様の形状でありうる。用途に応じて他の構成が用いられてもよい。用語「コイル」の使用は、単数と複数のいずれにおいても、この意味で限定的であることを意味していない。

送信コイル７によって電力ピックアップステージ９に誘起された電流は、典型的には、数百メガヘルツ以上まで、例えば２０ｋＨｚでありうる、送信コイル７の動作周波数における、高周波数ＡＣでありうる。電力調整回路１０は、負荷１１に対して適切な形状に誘起された電流を変換するように構成され、例えば電力の整流、電力の調整、又は両方の組み合わせを実行しうる。

図２は、実施形態例により、誘導電力受信機のブロックを示している。例示の誘導電力受信機２０１は、電力整流と電力調整とが組み合わせられた機能を実行しうる例示の電力調節回路２０２を含む。電力ピックアップステージ２０３によって生成されたＡＣ電圧は、整流ステージ２０５によって、ＤＣ出力キャパシタ２０４を通して現れる電圧であるＶ_outに整流される。電力ピックアップステージ２０３は、用途に従い、並列同調共振回路、ＬＣＬ回路、又は他のピックアップでありうる。

整流ステージ２０５は、自律又は半自律が用途によって使用されうるが、半自律でありうる。本説明において、用語「自律」は、アクティブ制御が用いられない、又は、制御される回路もしくは機能とは別個および／または独立した制御が用いられない制御の処理又は構成を説明するために用いられ、反対に用語「非自律」は、アクティブ制御のみ、又は、制御される回路もしくは機能とは別個および／または独立の制御のみが用いられる制御の処理又は構成を説明するのに用いられ、そのように、用語「半自律」は、制御される回路又は機能のために自律及び非自律制御の組み合わせが用いられる制御の処理又は構成を説明するのに用いられる。半自律コンバータは、例えば、プッシュプル、フライバック、フルブリッジ等の、様々なトポロジを含みうる。半自律スイッチングは、通常、スイッチング周波数がＺＶＳを維持するために共振周波数におけるドリフトに従うように、クローズドループフィードバック制御によって提供される。しかしながら、用途に応じて、部分的ＺＶＳ又はハードスイッチングのために制御されるコンバータが用いられてもよい。負荷電圧の調整機能を提供するために、１つ以上の整流器スイッチが独立に制御されてもよい。

半自律構成において、コントローラ２０８は、整流制御機器の一部に対してアクティブ制御を与える。

図３は、例示の半自律コンバータ３００を示している。この場合、スイッチＳ₂、Ｓ₃及びＳ₄のゲートは、自律的に動作するように共振タンクに接続され、それにより、Ｓ₂、Ｓ₃及びＳ₄の動作がインダクタＬ₂及びキャパシタＣ₂によって形成される共振タンクの周波数に従うようにＺＶＳを補償する。一方で、スイッチＳ₁は、負荷電圧を調整するために負帰還を用いてコントローラ２０８によってアクティブに制御される。コントローラ２０８によって用いられる制御方法は、各２つのスイッチが共に斜めに動作する位相シフト制御に基づく。例えば、Ｓ₁及びＳ₄が共に操作され（例えばオン及びオフとされ）、同様に、Ｓ₃及びＳ₂が共に操作される。このため、Ｓ₂のゲートは、Ｓ₃と対比して共振タンクの同じ側に接続されるが、Ｓ₄と対比して共振宅の反対側に接続される。

図４は、Ｓ₁のゲートを駆動するためのコントローラ２０８の例を示している。コンパレータ４０２は出力電圧Ｖ_outを所望の電圧Ｖ_refと比較する。ＰＩＤコントローラは、誤差信号Ｖ_errからＤＣ信号を作る。同時に、コンパレータ４０４は、共振タンクの片側の電圧Ｖ_aを他の側Ｖ_bと比較する。これは、ランプ生成器を同相であるように同期させるために用いられる、Ｖ_aのオリジナルの位相を提供する。最後のコンパレータ４０６は、Ｓ₁のためのゲート駆動信号を提供するために、同相ランプ信号をＤＣ信号と比較する。

コントローラ２０８の動作を図５に示す。位相電圧誤差電圧は、同相ランプ信号と比較される。この比較がＳ₁のためのゲート信号を生成する。

上述のように、他のトポロジが適用可能である。例えば、図６に、Ｓ₃及びＳ₄が自律的にスイッチングするように接続される一方でＳ₁及びＳ₂が調整を与えるためにコントローラ２０８によって制御されるコンバータ６００を示す。

図７は、図６のコンバータのためのコントローラ２０８の例を与えている。図４と同様に、２つのコンパレータ７０２、７０４は、Ｖ_err及びオリジナル位相Ｖ_aを与える。第３のコンパレータ７０６は、反対に接続され、Ｖ_bのオリジナル位相を与える。２つの別個の同相ランプが、Ｓ₁及びＳ₂のためのゲート駆動信号を生成するために、ＤＣ信号と共に、それぞれコンパレータ７０８、７１０に入力される。

図７におけるコントローラ２０８のための例示の回路設計８００を図８に示す。ゼロ電圧交差検出器８０２は、同相電圧ランプ８０４のための位相情報を提供する。この位相情報は、それぞれＳ₁及びＳ₂のためのゲート駆動信号ｄｒｖ１およびｄｒｖ２を提供するために、電圧誤差信号８０６と比較される。

半自律コンバータの形式は、コンポーネントの数をへらすことと、、サイズを縮小することと、効率を向上させることと、ゲート制御を単純化することと、制御アルゴリズムを単純化することと、の少なくともいずれかをなしうる。

さらなる例において、整流ステージ２０５は、全自律でありうる。図９は、全自律フルブリッジコンバータ９００の例を示す。スイッチＳ₁−Ｓ₄のゲートは、回路の異なる部分を用いてオン及びオフとされる。ターンオンに対して、Ｓ₁−Ｓ₄は、入力キャパシタンスを変更するために抵抗（Ｒ₁−Ｒ₄）を通ってＤＣ電源Ｖ_DCに接続される。ターンオフは、クランピングダイオードを介して共振タンク（Ｄ₁Ｃ₁−Ｄ₄Ｃ₄）のそれぞれの側にゲートを接続することによって実現される。

スイッチングは斜めに発生し、例えば：Ｓ₁及びＳ₄が同時にオンであり（Ｄ₁Ｃ₁及びＤ₄Ｃ₄がＶ₁に接続され）、同様に、Ｓ₂及びＳ₃が同時にオンである（Ｄ₂Ｃ₂及びＤ₃Ｃ₃がＶ₂に接続される）。

共振タンクの１つの側における電圧Ｖ₁が高い場合、Ｄ₁及びＤ₄には逆バイアスがかかる。したがって、Ｓ₁及びＳ₄のゲートにおける電圧が高く、Ｖ_DCを通じてスイッチオンが保たれる。Ｖ₁が低くなると、Ｄ₁及びＤ₄に順バイアスがかかり、これによりＳ₁及びＳ₄がターンオフされる。同様のシナリオが、１８０度の位相シフトを以てＳ₂及びＳ₃に対して生じる。

本発明についてその実施形態の説明によって図解したが、また、実施形態について詳細に説明したが、添付の請求項の範囲を制限し、又はいかなる方法においてもこのような詳細に限定することは出願人の意図するところではない。追加の利点及び変更は、当業者にすでに明らかであろう。したがって、そのより広い態様における発明は、示された特定の詳細、代表的な装置並びに方法、及び説明に役立つ例に限定されない。したがって、出願人の大まかな発明のコンセプトの精神又は範囲から離れることなく、このような詳細からの離脱がなされうる。

Claims (15)

1. 電力ピックアップステージと、
   前記電力ピックアップステージに接続された半自律コンバータと、
   前記コンバータに関連する少なくとも１つの制御機器に基づいて負荷に供給される電力を調整するように構成されたコントローラと、
   を有する誘導電力受信機。
2. 前記電力ピックアップステージは共振する、請求項１に記載の誘導電力送信機。
3. 前記電力ピックアップステージは並列同調受信コイルである、請求項１に記載の誘導電力送信機。
4. 前記コンバータに関連する３つの前記制御機器が自律的に動作するように構成される、請求項１に記載の誘導電力送信機。
5. 前記コンバータに関連する２つの前記制御機器が自律的に動作するように構成される、請求項１に記載の誘導電力受信機。
6. 少なくとも１つの前記制御機器が、出力電圧を調整するためのフィードバックループに基づいて制御される、請求項１に記載の誘導電力受信機。
7. 前記フィードバックループは、出力電圧誤差と比較される同相ランプを有する、請求項４に記載の誘導電力受信機。
8. 前記ランプは、ゼロ交差検出器を用いて位相同期される、請求項５に記載の誘導電力受信機。
9. 電力ピックアップステージと、
   負荷に電力を供給する前記電力ピックアップステージに接続された自律コンバータと、
   を有する誘導電力受信機。
10. 前記電力ピックアップステージは共振する、請求項９に記載の誘導電力送信機。
11. 前記電力ピックアップステージは並列同調受信コイルである、請求項９に記載の誘導電力送信機。
12. 前記コンバータは、４つのスイッチを含んだフルブリッジ全自律コンバータを有する、請求項９に記載の誘導電力受信機。
13. 各スイッチに対してターンオン回路とターンオフ回路とをさらに有する、請求項１２に記載の誘導電力受信機。
14. 前記ターンオフ回路は、前記電力ピックアップステージの反対側に接続されるクランピングダイオードを有する、請求項１３に記載の誘導電力受信機。
15. 前記ターンオン回路は、個別のレジスタを介して各スイッチゲートに接続するように構成されたＤＣ供給を有する、請求項１３に記載の誘導電力受信機。

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