JP2019170034A - 共振整合回路 - Google Patents

Abstract

【課題】並列共振回路と接続した場合にも電圧形インバータ回路の伝送効率を低下させることがない、共振調整回路を提供する。【解決手段】電界結合方式で電力を供給する給電システム１００に使用される共振整合回路１を、電圧源として機能するインバータ回路１０と、インバータ回路１０に並列に接続されてインバータ回路１０から供給された電流を伝送する並列トランス装置３０、４０と、インバータ回路１０と並列トランス装置３０、４０との間にあって、インバータ回路１０が供給したパルス電流の入力タイミングを調整するタイミング調整回路２０と、によって構成する。【選択図】図２

Description

本発明は、共振整合回路に関する。

インバータ回路は、直流の電力を交流に変換する機器である。インバータ回路には、電圧形のインバータ回路と電流形のインバータ回路がある。電圧形のインバータ回路は、負荷に対して電圧源として動作し、電流形のインバータ回路は、負荷に対して電流源として動作する。このようなインバータ回路は、例えば、非特許文献１に記載されている。
非特許文献１には、電圧形インバータ回路、電流形インバータ回路は共振回路と組み合わされて、電圧型インバータ回路の共振回路としては直列共振回路が好ましく、電流形インバータ回路の共振回路としては並列共振回路が好ましいことが記載されている。

久本正昭、伊藤豊、野村年弘、「高周波電源加熱回路」、富士時報、p 266-273, vol.71,No5,1998.

しかしながら、携帯端末機器やロボット、さらには電気自動車等、携帯型や走行型の電気機器の分野において、非接触で充電を行う充電装置に電圧形インバータ回路を用いることが考えられている。電圧形インバータ回路を用い、負荷の側に直列共振回路を設けた場合、負荷と接続される電界結合部が環境変化の影響を受け易くなることが知られている。なお、この場合、電界結合部の環境とは、負荷となる電気機器と電界結合部との接触の状況、あるいは携帯端末機器等の充電の状態を指す。具体的には、電気機器と電界結合部との接触の状況が不適切であれば無負荷になり得るし、電気機器等の充電量が非常に多い場合には過負荷になり得る。

上記の点により、電圧形インバータ回路と接続される負荷の側に並列共振回路を設けることが考えられる。しかし、電圧形インバータ回路は、並列共振回路が接続されると０クロス動作を行うことができずに伝送効率が低下するという課題が生じている。なお、０クロス動作とは、負荷側の電流が０になったタイミングでインバータスイッチ素子をオン、オフさせる動作をいい、インバータ変換効率の向上やノイズの発生抑止に有利である。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、並列共振回路と接続した場合にも電圧形インバータ回路の伝送効率を低下させることがない、共振調整回路に関する。

本発明の共振整合回路の一形態は、電界結合方式で電力を供給する給電システムに使用される共振整合回路であって、電圧源として機能するインバータ回路と、前記インバータ回路に並列に接続されて前記インバータ回路から供給された電流を伝送する並列トランス装置と、前記インバータ回路と前記並列トランス装置との間にあって、前記インバータ回路が供給したパルス電流の入力タイミングを調整するタイミング調整回路と、を含む。

本発明によれば、並列共振回路と接続した場合にも電圧形インバータ回路の伝送効率を低下させることがない共振調整回路を提供することができる。

本発明の一実施形態の共振整合回路が適用された給電システムを説明するための図である。 図１に示した共振整合回路を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様の構成要素には同様の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。また、本実施形態で示した回路は、本実施形態を具現化した一例であって、本発明の思想を逸脱しない範囲で適宜回路素子の追加や代替を許容する。

［概要］
図１は、本実施形態の共振整合回路が適用された給電システム１００を説明するための図である。ただし、図１に示した給電システム１００は、負荷７を含むものではない。
給電システム１００は、共振整合回路１と、整合ユニット３と、電界結合部１０１と、負荷整合回路１０２と、を有している。このような構成のうち、インバータ回路１０及び整合ユニット３が本実施形態の共振整合回路１を構成する。
電界結合部１０１及び負荷整合回路１０２は、共振整合回路１と負荷７との間にあって、共振整合回路１から負荷７へ給電する部位である。電界結合部１０１は互いに直列に接続された容量素子１１１、１１２を含んでいる。また、負荷整合回路１０２は、容量素子１１１、１１２と共にＬＣ回路を構成する一次コイル１１３、一次コイル１１３とトランス装置を構成する二次コイル１１４及び二次コイル１１４と共にＬＣ回路を構成する容量素子１１５を含んでいる。

共振整合回路１は、電界結合方式で電力を供給する給電システムに使用される回路である。電界結合方式は、電力の供給側の機器から被供給側の機器へ電力をワイヤレスかつ非接触で供給する方式をいう。このような方式の給電は、例えば、携帯可能な通信端末や自走式のロボット等の分野で行われている。

図２は、図１に示した共振整合回路１を説明するための図であって、図１に示した給電システム１００のうち、電界結合部１０１及び負荷整合回路１０２を除いた構成を示している。以下、上記構成について説明する。

また、共振整合回路１は、インバータ回路１０と、インバータ回路１０と接続される整合ユニット３を有している。整合ユニット３は、インバータ回路１０に並列に接続されて、インバータ回路１０から供給された電流を伝送する並列トランス装置３０、４０と、インバータ回路１０と並列トランス装置３０、４０との間にあって、インバータ回路１０が供給した電流をパルス電流の入力タイミングを調整する直列容量素子である第一容量素子２１、第二容量素子２２と、を含んでいる。第一容量素子２１、第二容量素子２２は、本実施形態のタイミング調整回路２０として機能する。
以下、上記構成を順に説明する。

［インバータ回路］
図１、図２に示すように、本実施形態の共振整合回路１は、インバータ回路１０を有している。インバータ回路１０は、図示しない電源から直流電圧（Ｖin）を入力し、これをパルス電流に変換して出力する。パルス電流の生成の制御は電圧信号のオン、オフによって行われる。インバータ回路１０は、電圧源として機能する電圧スイッチ・電流共振形のインバータ回路である。

［並列トランス装置］
並列トランス装置３０は、一次コイル３１（第一の一次コイル）、二次コイル３２を有している。一次コイル３１に電流が流れると磁界が発生し、二次コイル３２に相互誘導によって起電力が発生する。一次コイル３１、二次コイル３２は、高誘電率の芯材３３に巻き回されていて、この巻数の比に応じて電圧を昇圧する。また、並列トランス装置４０は、一次コイル４１（第二の一次コイル）、二次コイル４２を有している。一次コイル４１に電流が流れると磁界が発生し、二次コイル４２に相互誘導によって起電力が発生する。一次コイル４１、二次コイル４２は、高誘電率の芯材４４に巻き回されていて、この巻数の比に応じて電圧を昇圧する。
このような並列トランス装置３０、４０は、整合ユニット３において高い電圧を維持する必要がある。本実施形態は、耐圧性の観点から、並列トランス装置を並列トランス装置３０、４０の二系統にしている。

つまり、本実施形態では、インバータ回路１０が電力を出力する第一端子１１及び第二端子１２を備え、上記した並列トランス装置３０、４０及びタイミング調整回路２０を二系統にして構成している。そして、上記の直列容量素子である第一容量素子２１、一次コイル３１及び二次コイル３２を第一端子１１の側の系統とし、第二端子１２の側にも同様に直列容量素子である第二容量素子２２及び並列トランス装置４０を接続している。本実施形態では、このような第二容量素子２２及び並列トランス装置４０を第二端子１２の系統としている。なお、ここで、共振整合回路１はインバータ回路１０を電圧源とする並列回路を形成しているから、第一端子１１と第二端子１２とは電気的に接続されている。本実施形態は、インバータ回路１０から負荷７に至るまでの回路の部分を第一端子１１の側と第二端子１２の側とに分けて、それぞれを「系統」と記している。

以上のことから、本実施形態のタイミング調整回路２０は、第一端子１１に直列に接続される第一容量素子２１及び第二端子１２に直列に接続される第二容量素子２２を備えている。また、並列トランス装置３０は、第一容量素子２１に直列に接続される一次コイル３１を備えている。並列トランス装置４０は、一次コイル３１と第二容量素子２２との間にあって一次コイル３１及び第二容量素子２２と直列に接続される一次コイル４１を備えている。また、並列トランス装置４０は、並列トランス装置３０と同様に、一次コイル４１と相互誘導する二次コイル４２を有している。並列トランス装置４０の一次コイル４１及び二次コイル４２は、いずれも芯材４３に巻き回されている。

［調整用コイル］
また、本実施形態は、図２に示すように、一次コイル３１、一次コイル４１との間に調整用コイル３５が設けられている。調整用コイル３５は、直列コンデンサである第一容量素子２１、第二容量素子２２及び一次コイル３１、４１を含む共振回路Ａの共振周波数を、二次コイル３２、４２と二次コイルに並列な並列コンデンサ５を含む共振回路Ｂの共振周波数に応じて調整するコイルである。
なお、ここで調整用コイル３５が共振周波数を「調整」するとは、調整用コイル３５を含む場合と、調整用コイル３５を含まない場合とで共振回路Ａの共振周波数が相違することを指す。本実施形態では、インバータ回路１０の効率が高まるように共振回路Ａの共振周波数を調整している。

つまり、本実施形態は、整合ユニット３のうち、電圧源と直接接続されている側の回路を共振回路Ａ、共振回路Ａと磁気的に接続されている回路を共振回路Ｂとする。共振回路Ａにおいては、第一容量素子２１、第二容量素子２２、一次コイル３１、調整用コイル３５及び一次コイル４１がＬＣ回路を構成し、ＬＣ回路を構成する各素子の特性等で決まる所定の共振周波数で共振する。一方、共振回路Ｂでは、二次コイル３２、二次コイル４２及び並列コンデンサ５がＬＣ回路を構成し、共振回路Ｂは所定の共振周波数で共振する。相互誘導に寄与しない調整用コイル３５は、共振回路Ａの共振周波数を共振回路Ｂの共振周波数に応じて調整するために設けられている。

共振周波数の調整は、インバータ回路１０における伝送効率が高まるように行われる。インバータ回路１０は、電流の位相が電圧の位相にくらべて進んでいる、所謂進み位相で動作すると伝送効率が高まるために好ましい。調整用コイル３５は、インバータ回路１０の電流の位相が、インバータ回路１０の電圧の位相より進んだ状態になるように共振回路Ａの共振周波数を調整する。
インバータ回路１０を進み位相で動作させる場合、共振整合回路１の共振回路Ａの共振周波数を目標周波数よりもわずかに低く設計し、共振回路Ｂの共振周波数を目標周波数よりもわずかに高く設計する。このような設計は、例えば、一次コイル３１と一次コイル４１との間に調整用コイル３５を設けることによって実現できる。
本実施形態の調整用コイル３５によれば、例えば、目標共振周波数２ＭＨｚに対し、共振回路Ａの共振周波数を１．９５ＭＨｚから１．９７ＭＨｚとすることができる。このとき、共振回路Ｂの共振周波数は２．０１ＭＨｚ程度にすることが好ましい。

なお、本実施形態は、調整用コイル３５によって共振回路Ａ、共振回路Ｂの共振周波数を上記の数値にすることに限定されるものではない。共振周波数の調整は、例えば、共振回路Ａの共振周波数が目標周波数から１０％減じた周波数になるように行ってもよく、より好ましくは、共振回路Ａの共振周波数が目標周波数から５％減じた周波数になるように行ってもよい。

また、調整用コイルは、調整用コイル３５のように、一次コイル３１と一次コイル４１との間に設けられることに限定されるものではない。調整用コイルは、例えば、一次コイル３１と一次コイル４１との間、第一容量素子２１と一次コイル３１との間、及び一次コイル４１と第二容量素子２２との間の少なくとも一つに設けることができる。調整用コイルとしては、例えば、公知のチョークコイルを使用することができる。

本実施形態の共振回路Ａ、共振回路Ｂは、インバータに対し、次のように作用する。つまり、負荷７が重い場合（＝負荷Ｚが低い場合）、共振回路Ｂの並列共振Ｑが低下し、共振回路Ａの直列共振Ｑが高くなるため、インバータとしては直列共振負荷として動作する。このため、電圧形インバータはゼロクロススイッチング駆動が可能となり、高い変換効率が実現できる。また、負荷７が軽い場合（＝負荷Ｚが高い場合）、共振回路Ｂの並列共振Ｑ値が高くなり、共振回路Ａの直列共振Ｑ値が低下するため、インバータとしては並列共振負荷として動作する。この場合、電圧形インバータとしてはゼロクロススイッチングにはならないが、インバータに流れる電流も低いため、大きな電力損失とはならない。

［動作］
次に、本実施形態の共振整合回路１の動作を説明する。
図２に示す共振整合回路１において、インバータ回路１０は図示しない直流電源から直流電圧を入力する。インバータ回路１０は、入力された直流電圧を矩形波のパルス電流に変換する。パルス電流への変換は、パルス電流の周波数が共振回路Ａの共振周波数と一致するように行われる。
パルス電流は、整合ユニット３のタイミング調整回路２０に入力される。このとき、タイミング調整回路２０では、第一容量素子２１、第二容量素子２２がインバータ回路１０から供給される電流によって充放電を繰り返していて、充電中には電圧が高まり、放電中に電圧が下がっている。このことにより、インバータ回路１０は、パルス電流の出力タイミング（オンタイミング）を第一容量素子２１、第二容量素子２２の放電時（充電開始直前）に合わせることによって０クロス動作し、スイッチングノイズや突入電流の発生を抑え、効率的に動作することができるようになる。

一次コイル３１、調整用コイル３５及び一次コイル４１には、第一容量素子２１、第二容量素子２２が放電した電荷が電流として流れ込む。この電流は、第一容量素子２１、第二容量素子２２の充放電に合わせて間欠的に流れるので、一次コイル３１、調整用コイル３５及び一次コイル４１には電流の変化を妨げるように磁界が発生し、磁界によって二次コイル３２、二次コイル４２に起電力が発生する。共振回路Ｂは、共振周波数において電圧が最も高くなるので、並列トランス装置３０、４０は、高い昇圧効果を得ることができる。
並列トランス装置３０、４０によって昇圧された電圧は、負荷７に非接触で供給される。

［実験結果］
本発明の発明者は、共振整合回路１に示した給電システム１００を用い、低負荷時と高負荷時の伝送効率を確認する実験を行った。以下、実験の結果を説明する。
表１は、過負荷時における給電システム１００の伝送効率を示す表である。表２は、無負荷時における給電システム１００の伝送効率を示す表である。
表１、表２において、「周波数」はインバータ回路１０が出力するパルス電流の周波数Ｆ（ＭＨｚ）である。「インバータ回路入力」は、図示しない直流電源からインバータ回路１０に入力される電圧ＤＣＶ（Ｖ）及び電流ＤＣＩ（Ａ）である。出力電力Ｐout（Ｗ）は、給電システム１００から出力される電力、入力電力Ｐin（Ｗ）は、給電システム１００に入力される電力である。

表１によれば、本実施形態の給電システム１００は、負荷７が比較的大きい場合には９２．６％から９３．１％の伝送効率を得ることができることがわかる。電圧形のインバータ回路１０に直接並列トランス装置３０、４０を接続した回路の伝送効率は７０％程度であった。このことにより、タイミング調整回路２０を備えた本実施形態の共振整合回路１は、インバータ回路１０の動作効率を高める効果を有していることが明らかである。

また、表２によれば、給電システム１００は、無負荷の場合には伝送効率が０になることが分かる。しかし、このような領域ではそもそも出力電力が少ないため、伝送効率の低下が問題になることはない。

以上説明したように、本実施形態は、電圧形インバータ回路と並列トランス装置とを使って負荷の変動の影響を受け難い電界結合が可能な共振整合回路を実現することができる。また、本実施形態は、このような構成において、電圧形インバータ回路の効率を低下させることがなく、直列共振コイルと組み合わせられた場合の電圧形インバータ回路と同様の効率を維持することができる。

上記実施形態および実施例は以下の技術思想を包含するものである。
（１）電界結合方式で電力を供給する給電システムに使用される共振整合回路であって、電圧源として機能するインバータ回路と、前記インバータ回路に並列に接続されて前記インバータ回路から供給された電流を伝送する並列トランス装置と、前記インバータ回路と前記並列トランス装置との間にあって、前記インバータ回路が供給したパルス電流の入力タイミングを調整するタイミング調整回路と、を含む、共振整合回路。
（２）前記タイミング調整回路は、前記インバータ回路に対し、直列に接続される直列容量素子を含む、（１）の共振整合回路。
（３）前記並列トランス装置が一次コイルと二次コイルとを含み、前記直列容量素子及び前記一次コイルを含む第一回路の共振周波数を、前記二次コイルと前記二次コイルに並列な並列コンデンサを含む第二回路の共振周波数に応じて調整する調整用コイルをさらに含む、（２）の共振整合回路。
（４）前記調整用コイルは、前記インバータ回路の電流の位相が、前記インバータ回路の電圧の位相より進んだ状態になるように前記第一回路の共振周波数を調整する、（３）の共振整合回路。
（５）前記インバータ回路が電力を出力する第一端子及び第二端子を備え、前記タイミング調整回路は、前記第一端子に直列に接続される第一容量素子及び前記第二端子に直列に接続される第二容量素子を前記直列容量素子として備え、前記並列トランス装置は、前記第一容量素子に直列に接続される第一の前記一次コイルと、当該第一の一次コイルと前記第二容量素子との間にあって前記第一の一次コイル及び前記第二容量素子と直列に接続される第二の前記一次コイルと、を備える、（３）または（４）の共振整合回路。
（６）前記調整用コイルは、前記第一容量素子と前記第一の一次コイルとの間、前記第一の一次コイルと前記第二の一次コイルとの間、及び前記第二の一次コイルと前記第二容量素子との間の少なくとも一つに設けられる、（５）の共振整合回路。

１・・・共振整合回路
３・・・整合ユニット
５・・・並列コンデンサ
７・・・負荷
１０・・・インバータ回路
１１・・・第一端子
１２・・・第二端子
２０・・・タイミング調整回路
２１・・・第一容量素子
２２・・・第二容量素子
３０、４０・・・並列トランス装置
３１、４１、１１３・・・一次コイル
３２、４２、１１４・・・二次コイル
３３、４３、４４・・・芯材
３５・・・調整用コイル
１００・・・給電システム
１０１・・・電界結合部
１０２・・・負荷整合回路
１１１、１１２、１１５・・・容量素子

Claims (6)

1. 電界結合方式で電力を供給する給電システムに使用される共振整合回路であって、
   電圧源として機能するインバータ回路と、
   前記インバータ回路に並列に接続されて前記インバータ回路から供給された電流を伝送する並列トランス装置と、
   前記インバータ回路と前記並列トランス装置との間にあって、前記インバータ回路が供給したパルス電流の入力タイミングを調整するタイミング調整回路と、
   を含む、共振整合回路。
2. 前記タイミング調整回路は、
   前記インバータ回路に対し、直列に接続される直列容量素子を含む、請求項１に記載の共振整合回路。
3. 前記並列トランス装置が一次コイルと二次コイルとを含み、
   前記直列容量素子及び前記一次コイルを含む第一回路の共振周波数を、前記二次コイルと前記二次コイルに並列な並列コンデンサを含む第二回路の共振周波数に応じて調整する調整用コイルをさらに含む、請求項２に記載の共振整合回路。
4. 前記調整用コイルは、前記インバータ回路の電流の位相が、前記インバータ回路の電圧の位相より進んだ状態になるように前記第一回路の共振周波数を調整する、請求項３に記載の共振整合回路。
5. 前記インバータ回路が電力を出力する第一端子及び第二端子を備え、
   前記タイミング調整回路は、前記第一端子に直列に接続される第一容量素子及び前記第二端子に直列に接続される第二容量素子を前記直列容量素子として備え、前記並列トランス装置は、前記第一容量素子に直列に接続される第一の前記一次コイルと、当該第一の一次コイルと前記第二容量素子との間にあって前記第一の一次コイル及び前記第二容量素子と直列に接続される第二の前記一次コイルと、を備える、請求項３または４に記載の共振整合回路。
6. 前記調整用コイルは、前記第一容量素子と前記第一の一次コイルとの間、前記第一の一次コイルと前記第二の一次コイルとの間、及び前記第二の一次コイルと前記第二容量素子との間の少なくとも一つに設けられる、請求項５に記載の共振整合回路。

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