JP2022086784A - High-frequency inverter, rectification circuit, and wireless power transmission system - Google Patents

High-frequency inverter, rectification circuit, and wireless power transmission system Download PDF

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晋士 阿部
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豊 水谷
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Abstract

To provide an inverter circuit and a rectification circuit that can output a constant voltage or a constant current, and a wireless power transmission system including these.SOLUTION: An inverter circuit 100 includes: a switching circuit 10 including a switching element 13; and a passive circuit 30 for converting an output impedance of the switching circuit. The passive circuit sets, as a reference impedance, the output impedance when a switching voltage determined based on a set value and a structure of each element provided in an output side circuit including the switching circuit and an actual load 21 achieves ZVS and ZVDS, converts the output impedance in the actual load into the reference impedance, and converts the output impedance so that the switching voltage is in the range of achieving ZVS in the varying range of the load. The rectification circuit has a structure of inverting the inverter circuit. A wireless power transmission system is formed by coupling the inverter circuit and the rectification circuit with a coupler.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、負荷抵抗が変動する場合においても定電圧または定電流を出力し得る高周波インバータおよび整流回路と、これらを使用する無線電力伝送システムに関するものである。 The present invention relates to a high frequency inverter and a rectifier circuit that can output a constant voltage or a constant current even when the load resistance fluctuates, and a wireless power transmission system using these.

高周波インバータは、その高効率および高電力により、誘導加熱器、プラズマ発生器またはワイヤレス電力伝送に採用されている。高出力かつ高効率のインバータにあっては、E級インバータのように、ゼロ電圧スイッチング(Zero Voltage Switching:ZVS)およびゼロ電圧微分スイッチング(Zero Voltage Derivative Switching:ZVDS)を達成することに起因するものであるが、E級インバータは、上記ZVSおよびZVDSが想定された負荷抵抗において実現されるものであるため、負荷抵抗が変動すると、ZVSが達成されず、効率の低下を招来させるものとなっていた。そこで、定電圧(Constant Voltage:CV)出力におけるZVSを達成するインバータ方式が開発されている(非特許文献1参照)。 High frequency inverters have been adopted for induction heaters, plasma generators or wireless power transfer due to their high efficiency and high power. High-output and high-efficiency inverters are caused by achieving zero voltage switching (ZVS) and zero voltage derivative switching (ZVDS), as in class E inverters. However, since the class E inverter is realized with the load resistance assumed by the above ZVS and ZVDS, if the load resistance fluctuates, ZVS is not achieved and the efficiency is lowered. rice field. Therefore, an inverter method that achieves ZVS at a constant voltage (CV) output has been developed (see Non-Patent Document 1).

特開2020-010414号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2020-010414 特開2015-023686号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-023686 特開2013-013288号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-013288

R.E.Zulinski and K.J.Grady, “Load-independent class E power inverter. I. Theoretical development”, IEEE Trans. Circuits Syst. I, vol. 37, No.8, pp.1010-1018, Aug. 1990.R.E.Zulinski and K.J.Grady, “Load-independent class E power inverter. I. Theoretical development”, IEEE Trans. Circuits Syst. I, vol. 37, No.8, pp.1010-1018, Aug. 1990.

前掲の非特許文献1に開示される技術は、定電圧によるインバータ出力においてZVSを達成するものではあるが、その設計理論が煩雑であり、また、直流電圧源から高周波電圧への変換に際して、電圧変換比が大きくならざるを得ないものとなっていた。そのため実用的なものとなっていなかった。そこで、二つのスイッチング素子を使用し、一方のスイッチング素子がオフ状態から他方のスイッチング素子がオン状態となるまでのデッドタイムを補正することにより、高周波スイッチング回路においてZVSを達成させる方法が提案されている(特許文献1参照)。 The technique disclosed in Non-Patent Document 1 described above achieves ZVS in an inverter output by a constant voltage, but its design theory is complicated, and a voltage is generated when converting a DC voltage source to a high frequency voltage. The conversion ratio had to be large. Therefore, it was not practical. Therefore, a method has been proposed in which ZVS is achieved in a high-frequency switching circuit by using two switching elements and correcting the dead time from the off state of one switching element to the on state of the other switching element. (See Patent Document 1).

特許文献1に開示される技術は、充放電可能なキャパシタを備える制御回路を設け、キャパシタ電圧が上限設定電圧となる場合には二つのスイッチング素子をオフ状態とし、キャパシタ電圧が下限設定電圧となった場合に一方又は他方のスイッチング素子を交互にオン状態とするものであり、そのための制御部を必要とするものであった。また、キャパシタを放電させる放電期間における単位時間当たりの放電量を増加させてキャパシタ電圧を速やかに下限設定電圧とさせる補正部をも必要とするものであった。しかしながら、上記のスイッチング回路は、負荷抵抗が変動した場合のZVSを達成させるところに至ったものではなかった。 The technique disclosed in Patent Document 1 provides a control circuit including a capacitor capable of charging and discharging, turns off two switching elements when the capacitor voltage reaches the upper limit set voltage, and sets the capacitor voltage to the lower limit set voltage. In this case, one or the other switching element is alternately turned on, and a control unit for that purpose is required. Further, a correction unit for increasing the amount of discharge per unit time in the discharge period for discharging the capacitor to quickly set the capacitor voltage to the lower limit setting voltage is also required. However, the above switching circuit has not reached the point where ZVS is achieved when the load resistance fluctuates.

他方、負荷の種類によっては、定電圧による電力供給または定電流による電力供給が望まれるところ、定電圧出力を得ることができるスイッチング電源装置が開発されており(特許文献2参照)、また、定電流電源装置も開発されている(特許文献3参照)。 On the other hand, depending on the type of load, a switching power supply device capable of obtaining a constant voltage output has been developed where a constant voltage power supply or a constant current power supply is desired (see Patent Document 2). A current power supply device has also been developed (see Patent Document 3).

特許文献2に開示される技術は、昇圧コンバータの出力電圧を制御するものであり、入力電圧を所定電圧に変換する際、その入力電圧と出力電圧の測定値(検出信号)の誤差を補正することにより、所定の出力電圧に変換させる構成であった。従って、上記技術は、昇圧コンバータを含むスイッチング電源装置であって、E級インバータまたは整流回路に応用できるものではなかった。 The technique disclosed in Patent Document 2 controls the output voltage of the boost converter, and corrects an error between the input voltage and the measured value (detection signal) of the output voltage when the input voltage is converted into a predetermined voltage. As a result, it was configured to convert to a predetermined output voltage. Therefore, the above technique is a switching power supply device including a boost converter, and cannot be applied to a class E inverter or a rectifier circuit.

また、特許文献3に開示される技術は、スイッチ素子を有する定電流回路において、スイッチ素子のドレイン電流に応じてスイッチ素子を制御部によって制御するものであり、出力電流リップルを抑えることを目的とするものである。従って、上記技術についてもE級インバータまたは整流回路に応用できるものではなかった。 Further, the technique disclosed in Patent Document 3 is a constant current circuit having a switch element, in which the switch element is controlled by a control unit according to the drain current of the switch element, and an object thereof is to suppress an output current ripple. It is something to do. Therefore, the above technique cannot be applied to a class E inverter or a rectifier circuit.

本発明は、上記諸点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、負荷抵抗が変化する場合においても定電圧または定電流を出力できるインバータ回路および整流回路を提供するとともに、これらを使用する無線電力伝送システムを提供することである。 The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide an inverter circuit and a rectifier circuit capable of outputting a constant voltage or a constant current even when a load resistance changes, and these. Is to provide a wireless power transmission system using.

そこで、高周波インバータ回路に係る本発明は、負荷抵抗の変動する負荷に対して定電圧または定電流により電力供給する高周波インバータ回路であって、所定のデューティ比によってスイッチングされるスイッチング素子と、このスイッチング素子に並列に接続される出力コンデンサとを備えるスイッチング回路と、前記スイッチング回路の出力インピーダンスを変換する受動回路を備え、前記受動回路は、前記スイッチング回路および実負荷を含む出力側回路に設けられる各素子の構成および設定値に基づき決定されるスイッチング電圧が、ZVSおよびZVDSを達成するときの出力インピーダンスを基準インピーダンスとし、実負荷における出力インピーダンスを前記基準インピーダンスに変換し、かつ、変動する前記負荷の範囲内において、スイッチング電圧がZVSを達成する範囲内となるように出力インピーダンスを変換するものであることを特徴とする。 Therefore, the present invention relating to a high-frequency inverter circuit is a high-frequency inverter circuit that supplies electric power with a constant voltage or a constant current to a load having a fluctuating load resistance, and a switching element that is switched by a predetermined duty ratio and this switching. A switching circuit including an output capacitor connected in parallel to the element and a passive circuit for converting the output impedance of the switching circuit are provided, and the passive circuit is provided in each of the switching circuit and the output side circuit including the actual load. The switching voltage determined based on the configuration and set value of the element uses the output impedance when achieving ZVS and ZVDS as the reference impedance, converts the output impedance in the actual load to the reference impedance, and changes the load. It is characterized in that the output impedance is converted so that the switching voltage is within the range in which ZVS is achieved within the range.

上記構成によれば、スイッチング素子の作動により、直流電圧を高周波交流電圧に変換して出力することができるものであるが、このときのスイッチング電圧は、スイッチがオフ状態において上昇した後に下降するため、スイッチがオンに切り替わる瞬間にゼロ(V)となっていること(ZVSを達成すること)が好ましく、しかも電圧変化曲線の傾きがゼロとなっていること(ZVDSを達成すること)がさらに好適である。これは、負荷抵抗が変化した場合、その変動負荷に応じてスイッチング電圧が変化する場合であっても同様である。そのため、受動回路を設けることにより、負荷抵抗が変動する場合において、少なくともZVSを達成させることができるものとなる。 According to the above configuration, the DC voltage can be converted into a high-frequency AC voltage and output by operating the switching element, but the switching voltage at this time rises in the off state and then falls. , It is preferable that the voltage is zero (V) at the moment when the switch is switched on (achieving ZVS), and it is more preferable that the slope of the voltage change curve is zero (achieving ZVDS). Is. This is the same even when the load resistance changes and the switching voltage changes according to the fluctuating load. Therefore, by providing the passive circuit, at least ZVS can be achieved when the load resistance fluctuates.

受動回路は、予め実負荷(最適負荷)を含む出力側回路の構成において、スイッチング電圧がZVSおよびZVDSを達成するようなインバータ(以下、E級インバータと称する場合がある)を想定し、そのときの出力インピーダンスを基準インピータンスとし、実負荷における出力インピーダンスを前記基準インピーダンスに変換するとともに、変動する前記負荷の範囲内における出力インピーダンスがZVSを達成する範囲内となるように変換するものである。これにより、負荷抵抗が変動した場合であってもZVSを達成させることができる。このとき、受動回路によるインピーダンスの変換に好適なインピーダンスパラメータを求め、当該インピーダンスパラメータを満たすように構築されるものである。 The passive circuit assumes an inverter (hereinafter, may be referred to as a class E inverter) whose switching voltage achieves ZVS and ZVDS in the configuration of the output side circuit including the actual load (optimal load) in advance, and then. The output impedance of the above is used as a reference impedance, and the output impedance in an actual load is converted into the reference impedance, and the output impedance within the range of the fluctuating load is converted so as to be within the range of achieving ZVS. As a result, ZVS can be achieved even when the load resistance fluctuates. At this time, an impedance parameter suitable for impedance conversion by a passive circuit is obtained, and the impedance parameter is constructed so as to satisfy the impedance parameter.

このように、負荷を含む出力側回路に対するインピーダンスが変換されることにより、負荷抵抗の変動時においてもZVSが達成されることとなるから、スイッチング素子がオフ状態からオン状態に切り替わるタイミングにおいてスイッチング電圧はゼロ(V)となり、スイッチング損失を著しく低減させることができる。そして、スイッチング損失が僅少となることにより、交流電圧源として出力する場合には定電圧源となり、また、交流電流として出力する場合には定電流源となり得るものである。 By converting the impedance to the output side circuit including the load in this way, ZVS is achieved even when the load resistance fluctuates. Therefore, the switching voltage is measured at the timing when the switching element is switched from the off state to the on state. Is zero (V), and switching loss can be significantly reduced. Since the switching loss is small, it can be a constant voltage source when it is output as an AC voltage source, and it can be a constant current source when it is output as an AC current.

上記構成の発明にあっては、前記受動回路は、スミスチャート上に描かれる負荷の実軸変動測地線から該スミスチャート上に描かれるZVSを達成するZVS測地線へインピーダンス変換することができるインピーダンスパラメータを求め、該インピーダンスパラメータを満たす回路として構築されたものとすることができる。 In the invention of the above configuration, the passive circuit is an impedance capable of impedance conversion from the real axis fluctuation geodesic of the load drawn on the Smith chart to the ZVS geodesic that achieves the ZVS drawn on the Smith chart. The parameters can be obtained and constructed as a circuit satisfying the impedance parameters.

ここで、測地線とは、2点の最短距離(非ユークリッド幾何学を用いたポアンカレ計測による幾何学的長さ)を結ぶ線であり、直線の場合もあれば、円または弧の場合もある。また、インピーダンス変換は、メビウス変換とすることができ、円から円へ変換するものであるが、直線は半径∞の円とみなして変換することが可能となる。そして、負荷の実軸変動測地線は、最適負荷においてZVSおよびZVDSを達成させるインピーダンスを含む0Ω~∞Ωの範囲のインピーダンス値において、定電圧を出力させる場合は、0Ω~∞ΩをZVS測地線へ、定電流を出力させる場合は、∞Ω~0ΩをZVS測地線へ、それぞれ変換するためのインピーダンスパラメータを求めることとなる。従って、定電圧出力の場合と定電流出力の場合とではインピーダンスパラメータは異なるが、これらをそれぞれ満たす回路構成による受動回路が設けられることとなる。 Here, the geodetic line is a line connecting the shortest distances of two points (geometric length by Poancare measurement using non-Euclidean geometry), and may be a straight line, a circle, or an arc. .. Impedance conversion can be Mobius transformation, which converts from a circle to a circle, but a straight line can be regarded as a circle with a radius of ∞ and converted. The actual axis fluctuation geodesic of the load is the ZVS geodesic of 0Ω to ∞Ω when a constant voltage is output at an impedance value in the range of 0Ω to ∞Ω including the impedance that achieves ZVS and ZVDS at the optimum load. To output a constant current, the impedance parameters for converting ∞Ω to 0Ω to the ZVS geodesic are obtained. Therefore, although the impedance parameters are different between the case of constant voltage output and the case of constant current output, a passive circuit having a circuit configuration satisfying these parameters is provided.

上記のような構成によれば、定電圧または定電流のいずれかを一方を選択的に出力させる場合、その選択された出力に応じて適宜な受動回路を設けることができる。なお、定電流出力に関し、スイッチング電流に着目する場合には、ゼロ電流スイッチング(Zero Current Switching:ZCS)によるスイッチ損失の軽減が知られているが、ここでは、定電流を出力させる目的から、スイッチ電圧に着目しつつZVSを達成させるインピーダンスパラメータを求めることとしている。これにより、負荷が変動する場合においても定電流を出力させることができるものである。 According to the above configuration, when either constant voltage or constant current is selectively output, an appropriate passive circuit can be provided according to the selected output. Regarding constant current output, when focusing on switching current, it is known to reduce switch loss by zero current switching (ZCS), but here, the switch is used for the purpose of outputting constant current. It is decided to obtain the impedance parameter that achieves ZVS while paying attention to the voltage. As a result, a constant current can be output even when the load fluctuates.

整流回路に係る本発明は、定電圧または定電流により供給される交流電力を整流するとともに、負荷抵抗の変動する負荷に対して定電圧または定電流として直流出力する整流回路であって、交流電圧源から入力される交流電圧との位相を調整しつつ所定のデューティ比によってスイッチングされるスイッチング素子と、このスイッチング素子に並列に接続される出力コンデンサとを備えるスイッチング回路と、前記スイッチング回路に対する入力インピーダンスを変換する受動回路を備え、前記受動回路は、前記スイッチング回路および実負荷を含む出力側回路に設けられる各素子の構成および設定値に基づき決定されるスイッチング電圧の立ち上がり電圧が、ZVSおよびZVDSを達成するときの入力インピーダンスを基準インピーダンスとし、実負荷における入力インピーダンスを前記基準インピーダンスに変換し、かつ、変動する前記負荷の範囲内において、スイッチング電圧の立ち下がり電圧がZVSを達成する範囲内となるように入力インピーダンスを変換するものであることを特徴とする。 The present invention relating to a rectifying circuit is a rectifying circuit that rectifies AC power supplied by a constant voltage or a constant current and outputs DC as a constant voltage or a constant current to a load having a fluctuating load resistance. A switching circuit including a switching element that is switched by a predetermined duty ratio while adjusting the phase with the AC voltage input from the source, an output capacitor connected in parallel to the switching element, and an input impedance to the switching circuit. In the passive circuit, the rising voltage of the switching voltage determined based on the configuration and set value of each element provided in the switching circuit and the output side circuit including the actual load is ZVS and ZVDS. The input impedance at the time of achievement is set as the reference impedance, the input impedance in the actual load is converted to the reference impedance, and the falling voltage of the switching voltage is within the range of achieving ZVS within the range of the fluctuating load. It is characterized in that it converts the input voltage as described above.

上記構成によれば、供給される交流電圧源に対して、好適なデューティ比によりスイッチング素子を作動させることによって整流することができる。このとき、スイッチ電圧の立ち下がり電圧は、出力側回路の負荷の変動により、ZVSを達成しないこととなるため、その立ち下がり電圧について、少なくともZVSを達成させるように受動回路を設けている。受動回路の構成は、前述の高周波インバータ回路における受動回路と同様の手法であるが、基本的には、スイッチング素子、出力コンデンサ、および、受動回路内の構成についても、インバータ回路と対称な構成となるように構築される。これは、インバータ回路におけるZVSの達成が、スイッチング電圧がゼロ(V)に収束する際の事象であったのに対し、整流回路にあっては、スイッチング電圧の立ち下がり電圧における事象に対するものだからである。このように構成された受動回路を備えることにより、整流された電圧または電流は、定電圧または定電流となるものである。 According to the above configuration, it is possible to rectify the supplied AC voltage source by operating the switching element with a suitable duty ratio. At this time, since the falling voltage of the switch voltage does not achieve ZVS due to the fluctuation of the load of the output side circuit, a passive circuit is provided so as to achieve at least ZVS for the falling voltage. The configuration of the passive circuit is the same as that of the passive circuit in the high-frequency inverter circuit described above, but basically, the configuration of the switching element, the output capacitor, and the passive circuit is also symmetrical to that of the inverter circuit. It is built to be. This is because the achievement of ZVS in the inverter circuit was an event when the switching voltage converged to zero (V), whereas in the rectifier circuit, it was an event at the falling voltage of the switching voltage. be. By providing the passive circuit configured in this way, the rectified voltage or current becomes a constant voltage or a constant current.

そして、上記構成の発明において、前記受動回路は、スミスチャート上に描かれる負荷の実軸変動測地線から該スミスチャート上に描かれるZVSを達成するZVS測地線へインピーダンス変換することができるインピーダンスパラメータを求め、該インピーダンスパラメータを満たす回路として構築されたものとすることができる。これは、インバータ回路における場合と同様であり、整流後において定電圧または定電流のいずれかを一方を選択的に直流出力させる場合、その選択された出力に応じて適宜な受動回路を設けることができる。 Then, in the invention of the above configuration, the passive circuit is an impedance parameter capable of impedance conversion from the real axis fluctuation geodesic of the load drawn on the Smith chart to the ZVS geodesic that achieves the ZVS drawn on the Smith chart. It can be assumed that the circuit is constructed as a circuit satisfying the impedance parameter. This is the same as in the case of an inverter circuit, and when either constant voltage or constant current is selectively output as DC after rectification, an appropriate passive circuit may be provided according to the selected output. can.

上記各構成の発明においては、さらに、前記スイッチング素子のスイッチング作動を制御する制御部を備えるものとし、前記制御部は、前記受動回路によって入力インピーダンスが変換されるとき入力電圧または入力電流の周期との間で生じる位相差を是正しつつスイッチング作動を制御するものとすることができる。 In the invention of each of the above configurations, a control unit for controlling the switching operation of the switching element is further provided, and the control unit has a cycle of an input voltage or an input current when the input impedance is converted by the passive circuit. It is possible to control the switching operation while correcting the phase difference between the two.

上記構成によれば、スイッチング素子に入力される電力は、前記受動回路などによる作用によって位相が変化することとなるため、その位相差を制御部によって是正することができる。。 According to the above configuration, the phase of the electric power input to the switching element changes due to the action of the passive circuit or the like, so that the phase difference can be corrected by the control unit. ..

無線電力伝送システムに係る本発明は、上記各構成のいずれによる高周波インバータ回路を給電側とし、上記各構成のいずれかによる整流回路を受電側として、前記両回路の間に設けられた結合器を備えることを特徴とする。 In the present invention relating to a wireless power transmission system, a coupler provided between the two circuits is provided with a high-frequency inverter circuit having any of the above configurations as a power feeding side and a rectifier circuit having one of the above configurations as a receiving side. It is characterized by being prepared.

上記構成によれば、直流電圧源をインバータ回路によって高周波の定電圧または定電流として出力させることができ、これを供給側として結合器を介して受電側に伝送することができる。他方、受電側においては、高周波の定電圧または定電流として供給される電力を定電圧または定電流によって整流し、負荷に供給することができる。なお、結合器としては磁界結合方式または電界結合方式などを使用することができ、トランスまたはジャイレータを構築させたものを使用することができるが、ここでは、その種類・構成等を問うものではない。 According to the above configuration, the DC voltage source can be output as a high-frequency constant voltage or constant current by the inverter circuit, and this can be transmitted to the power receiving side via the coupler as the supply side. On the other hand, on the power receiving side, the power supplied as a high-frequency constant voltage or constant current can be rectified by the constant voltage or constant current and supplied to the load. As the coupler, a magnetic field coupling method or an electric field coupling method can be used, and a transformer or a gyrator constructed can be used, but the type and configuration thereof are not questioned here. ..

本発明によれば、高周波インバータ回路および整流回路のいずれにおいても、負荷抵抗が変化する場合であっても、スイッチング電圧は少なくともZVSを達成するものとなることから、出力電圧または出力電流が安定し、定電圧または定電流として出力させることができる。 According to the present invention, in both the high-frequency inverter circuit and the rectifier circuit, the switching voltage achieves at least ZVS even when the load resistance changes, so that the output voltage or the output current is stable. , Can be output as a constant voltage or constant current.

また、これらを使用する無線電力伝送システムは、直流電圧源を定電圧または定電流に変換しつつ無線伝送を可能にするものであり、整流回路において位相調整されたスイッチング素子の作動により、効率のよい電力伝送が実現されるものとなる。 Further, the wireless power transmission system using these enables wireless transmission while converting the DC voltage source into a constant voltage or a constant current, and the efficiency is increased by the operation of the phase-adjusted switching element in the rectifier circuit. Good power transmission will be realized.

高周波インバータ回路に係る実施形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the embodiment which concerns on the high frequency inverter circuit. 設計手法を説明する図であり、(a)はE級インバータを示し、(b)はスミスチャートを示す。It is a figure explaining the design method, (a) shows a class E inverter, (b) shows a Smith chart. 設計手法を説明する図であり、(a)は2端子対回路を示し、(b)は測地線の変換例を示す。It is a figure explaining the design method, (a) shows a two-terminal pair circuit, (b) shows a conversion example of a geodesic. 高周波インバータ回路における定電圧出力のためのインピーダンスパラメータを示す図であり、(a)はスミスチャートであり、(b)はT型回路の例を示す。It is a figure which shows the impedance parameter for a constant voltage output in a high frequency inverter circuit, (a) is a Smith chart, (b) shows an example of a T-type circuit. 高周波インバータ回路における定電流出力のためのインピーダンスパラメータを示す図であり、(a)はスミスチャートであり、(b)はT型回路の例を示す。It is a figure which shows the impedance parameter for a constant current output in a high frequency inverter circuit, (a) is a Smith chart, (b) shows an example of a T-type circuit. 整流回路に係る実施形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the embodiment which concerns on the rectifier circuit. 無線電力伝送システムに係る実施形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the embodiment which concerns on the wireless power transmission system. (a)は定電圧出力用の高周波インバータ回路の実施例を示す図であり、(b)は定電流出力用の高周波インバータ回路の実施例を示す図である。(A) is a diagram showing an embodiment of a high-frequency inverter circuit for constant voltage output, and (b) is a diagram showing an embodiment of a high-frequency inverter circuit for constant current output. 高周波インバータ回路の実施例に係るシミュレーション結果を示すグラフであり、(a)はE級インバータのみ、(b)は定電圧出力用、(c)は定電流出力用の高周波インバータ回路による結果を示す。It is a graph which shows the simulation result which concerns on the Example of the high frequency inverter circuit, (a) is only the class E inverter, (b) is for constant voltage output, (c) shows the result by the high frequency inverter circuit for constant current output. .. スイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)を測定した結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having measured the switching voltage (shunt capacitor voltage). (a)は定電圧出力用の整流回路の実施例を示す図であり、(b)はシミュレーション結果を示すグラフである。(A) is a diagram showing an example of a rectifier circuit for constant voltage output, and (b) is a graph showing a simulation result. (a)は定電圧出力用の整流回路の他の実施例を示す図であり、(b)はシミュレーション結果を示すグラフである。(A) is a diagram showing another embodiment of a rectifier circuit for constant voltage output, and (b) is a graph showing a simulation result. (a)は定電流出力用の整流回路の実施例を示す図であり、(b)はシミュレーション結果を示すグラフである。(A) is a diagram showing an example of a rectifier circuit for constant current output, and (b) is a graph showing a simulation result. (a)は定電流出力用の整流回路の他の実施例を示す図であり、(b)はシミュレーション結果を示すグラフである。(A) is a diagram showing another embodiment of a rectifier circuit for constant current output, and (b) is a graph showing a simulation result. 無線電力伝送システムの実施例を示す図である。It is a figure which shows the Example of the wireless power transmission system. 無線電力伝送システムの実施例におけるシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the simulation result in the Example of a wireless power transmission system.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
<高周波インバータ回路の構成>
図1は、高周波インバータ回路に係る本発明の実施形態の概略を示すものである。この図1に示す高周波インバータ回路100は、スイッチング回路10と、負荷側回路20との間に受動回路(回路網)30を構成したものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Structure of high frequency inverter circuit>
FIG. 1 shows an outline of an embodiment of the present invention relating to a high frequency inverter circuit. The high-frequency inverter circuit 100 shown in FIG. 1 has a passive circuit (circuit network) 30 configured between the switching circuit 10 and the load-side circuit 20.

スイッチング回路10は、直流電圧源11のプラス側に接続された入力インダクタ12と、直流電圧源11に並列に接続され、所定のデューティ比によってスイッチングされるスイッチング素子13と、このスイッチング素子13に並列に接続される出力コンデンサ14と、送電側配線に接続された直列LC共振フィルタ15とを備える構成である。 The switching circuit 10 is parallel to the input inductor 12 connected to the positive side of the DC voltage source 11, the switching element 13 connected in parallel to the DC voltage source 11 and switched by a predetermined duty ratio, and the switching element 13. It is configured to include an output capacitor 14 connected to the power transmission side wiring and a series LC resonance filter 15 connected to the transmission side wiring.

スイッチング素子13は、PWMによって制御される周期により、オン状態とオフ状態とが操作されるものであり、代表的なデューティ比は、周期Tの1/2とされることから、本実施形態においてもデューティ比を周期Tの1/2と設定している。このスイッチング素子13には、トランジスタまたはMOS-FETなどを使用することができる。 In the switching element 13, the on state and the off state are operated by the cycle controlled by PWM, and the typical duty ratio is 1/2 of the cycle T. Therefore, in the present embodiment. The duty ratio is set to 1/2 of the period T. A transistor, MOS-FET, or the like can be used for the switching element 13.

直流電圧源11に接続される入力インダクタ12は、スイッチング素子以降の回路に直流電流を供給する。また、直列LC共振フィルタ15は、送電側配線の出力を共振させるLC共振回路であり、基本波のみを通過させ、高調波を抑制するためのローパスフィルタとして接続されている。なお、受動回路にローパス効果を持たせる場合には、この直列LC共振フィルタ15を省略することができる。 The input inductor 12 connected to the DC voltage source 11 supplies a DC current to the circuit after the switching element. Further, the series LC resonance filter 15 is an LC resonance circuit that resonates the output of the transmission side wiring, and is connected as a low-pass filter for passing only the fundamental wave and suppressing harmonics. If the passive circuit has a low-pass effect, the series LC resonance filter 15 can be omitted.

出力コンデンサ14は、スイッチング素子13がオフ状態において電荷を蓄積し、オン状態で電荷を放出するものであるが、スイッチング素子13がオフ状態からオン状態に移行する前に蓄積した電荷を全て放出することで、ZVSを達成することができる。このとき、時間の経過によって変化する電荷の放出、すなわち電圧(スイッチング電圧)の変化量(グラフ上の傾き)が、ゼロとなるように設計することによりZVDSを達成させることができる。ZVSを達成させる場合にはスイッチング損失が低減され、併せてZVDSを達成させる場合には、さらにスイッチング電圧の高調波低減が見込まれるものであり、ZVSおよびZVDSの双方を達成させるインバータ回路をE級と称して他のインバータ回路と区別されている。 The output capacitor 14 accumulates electric charges when the switching element 13 is in the off state and discharges the electric charges when the switching element 13 is in the on state, but discharges all the electric charges accumulated before the switching element 13 shifts from the off state to the on state. By doing so, ZVS can be achieved. At this time, ZVDS can be achieved by designing so that the emission of electric charge that changes with the passage of time, that is, the amount of change in voltage (switching voltage) (slope on the graph) becomes zero. When ZVS is achieved, the switching loss is reduced, and when ZVDS is achieved, the harmonics of the switching voltage are expected to be further reduced. Therefore, the inverter circuit that achieves both ZVS and ZVDS is class E. It is distinguished from other inverter circuits by calling it.

このような出力コンデンサ14の電圧(スイッチング電圧)がZVSおよびZVDSを達成させるためには、スイッチング回路10における出力インピーダンスZを所定値に設定しなければならない。その際、負荷21が最適負荷である場合を前提として出力インピーダンスZを設定することになるか、または、スイッチング回路10の構成により設定される出力インピーダンスZの値に応じて、最適負荷を算出し、その値による負荷21を使用することになる。 In order for the voltage (switching voltage) of such an output capacitor 14 to achieve ZVS and ZVDS, the output impedance Z0 in the switching circuit 10 must be set to a predetermined value. At that time, the output impedance Z 0 is set on the premise that the load 21 is the optimum load, or the optimum load is set according to the value of the output impedance Z 0 set by the configuration of the switching circuit 10. The load 21 calculated by that value will be used.

ところが、上記のいずれの場合においても、負荷21の抵抗値が変動する場合には、ZVSおよびZVDSを達成させることができないものとなっていた。それは、負荷21の抵抗値が最適値よりも小さい場合、出力コンデンサ14に蓄積された電荷の放出が早くなり、スイッチング素子13がオン状態となる時には出力電圧(スイッチング電圧)がマイナスとなり、逆に負荷21の抵抗値が最適値よりも大きい場合には電荷が全て放出されず、出力電圧(スイッチング電圧)がプラスの状態となるためである。 However, in any of the above cases, when the resistance value of the load 21 fluctuates, ZVS and ZVDS cannot be achieved. That is, when the resistance value of the load 21 is smaller than the optimum value, the charge stored in the output capacitor 14 is released quickly, and when the switching element 13 is turned on, the output voltage (switching voltage) becomes negative, and conversely. This is because when the resistance value of the load 21 is larger than the optimum value, all the charges are not discharged and the output voltage (switching voltage) becomes a positive state.

そこで、本実施形態においては、スイッチング回路10と負荷側回路20との間に受動回路(回路網・ネットワーク)30を設け、この受動回路30によって、負荷21が変動する場合であっても、出力コンデンサ14の電圧(スイッチング電圧)が、スイッチング素子13のオン状態となる時点でゼロ(V)となるように、出力コンデンサ14に蓄積された電荷を全て放出させるように、ZVSを達成させるものとしている。 Therefore, in the present embodiment, a passive circuit (circuit network / network) 30 is provided between the switching circuit 10 and the load side circuit 20, and the passive circuit 30 outputs even when the load 21 fluctuates. ZVS is achieved so that the voltage (switching voltage) of the capacitor 14 becomes zero (V) when the switching element 13 is turned on, and all the electric charges accumulated in the output capacitor 14 are discharged. There is.

<回路設計手法>
受動回路30の回路網を設計するための手法を以下に説明する。
まず、図2(a)に示すような一般的なE級インバータにおいて、出力電流(i(t))と出力コンデンサ(シャントコンデンサ)の電圧(v(t))は、下式で表すことができる。
<Circuit design method>
The method for designing the network of the passive circuit 30 will be described below.
First, in a general class E inverter as shown in FIG. 2A, the output current (i 1 (t)) and the voltage (v 1 (t)) of the output capacitor (shunt capacitor) are expressed by the following equations. be able to.

Figure 2022086784000002
Figure 2022086784000002

ここで、上記式に基づいてハーモニックバランス解析により下式を得ることができる。 Here, the following equation can be obtained by harmonic balance analysis based on the above equation.

Figure 2022086784000003
Figure 2022086784000003

そして、t=T/2によるZVSおよびZVDSの条件下では次式を得ることができる。 Then, the following equation can be obtained under the conditions of ZVS and ZVDS with t = T / 2.

Figure 2022086784000004
Figure 2022086784000004

ここで、上記式(6)を上記式(4)、(5)に代入し、θを削除すると、下式(7)および(8)を得ることができる。 Here, by substituting the above equation (6) into the above equations (4) and (5) and deleting θ, the following equations (7) and (8) can be obtained.

Figure 2022086784000005
Figure 2022086784000005

このときの上記(7)および(8)を満たすインピーダンス(Z=R+jX)は、図2(b)に示すように、スミスチャート上において、二つの円弧状の曲線となり、両曲線はZ00の点で交差する。この交差する点Z00は下式で示される。なお、上記のような円弧状の曲線は、双曲幾何学において測地点と称される。ここで、上式(7)はZVS測地線を、上式(8)はZVDS測地線を表すものとなる。 At this time, the impedance (Z 0 = R 0 + jX 0 ) satisfying the above (7) and (8) becomes two arcuate curves on the Smith chart as shown in FIG. 2 (b), and both curves. Cross at the point Z 00 . This intersecting point Z 00 is shown by the following equation. The arc-shaped curve as described above is called a geodetic station in hyperbolic geometry. Here, the above equation (7) represents a ZVS geodesic line, and the above equation (8) represents a ZVDS geodesic line.

Figure 2022086784000006
Figure 2022086784000006

このようなスミスチャート上に円弧状となる曲線(ZVS測地線またはZVDS測地線)は、実負荷変動により変化するものであるが、その際、実軸負荷変動測地線からZVS測地線へ変換することができる。このときの変換は、メビウス変換によるものである。メビウス変換は、円から円に写像可能であり、直線は半径∞の円とみなすことができることから、直線を円(または円弧状の曲線)に変換が可能である。 The arcuate curve (ZVS geodesic or ZVDS geodesic) on such a Smith chart changes due to actual load fluctuations, but at that time, the actual axis load fluctuation geodesic is converted to the ZVS geodesic. be able to. The transformation at this time is due to the Mobius transformation. Since the Mobius transformation can map from a circle to a circle and the straight line can be regarded as a circle with a radius of ∞, it is possible to transform the straight line into a circle (or an arc-shaped curve).

ここで、図3(a)に示すような2端子対回路において、負荷が変動する場合における一般的なブラックボックスモデルを想定する。このブラックボックスは、負荷インピーダンスZを入力インピーダンスZに変換するものとしている。このときのブラックボックスにおけるインピーダンスパラメータZ11,Z12,Z21,Z22によって変換される入力インピーダンスZは下式で示すことができる。 Here, in a two-terminal pair circuit as shown in FIG. 3A, a general black box model is assumed when the load fluctuates. This black box is supposed to convert the load impedance Z L into the input impedance Z 0 . The input impedance Z 0 converted by the impedance parameters Z 11 , Z 12 , Z 21 , and Z 22 in the black box at this time can be expressed by the following equation.

Figure 2022086784000007
Figure 2022086784000007

さらに、ブラックボックスが無損失であり、逆数成分で構成される場合には、上式(10)は下式のように表すことができる。 Further, when the black box is lossless and is composed of the reciprocal component, the above equation (10) can be expressed as the following equation.

Figure 2022086784000008
Figure 2022086784000008

そして、上記のように変換される入力インピーダンスZは、図3(b)に示すように、負荷インピーダンスZを実軸負荷変動測地線からZVS測地線へ変換するものとなり、それぞれの測地線から3点のインピーダンスを抽出すると、各インピーダンスは下式となる。 Then, as shown in FIG. 3B, the input impedance Z 0 converted as described above converts the load impedance Z L from the real axis load fluctuation geodesic to the ZVS geodesic, and each geodesic line. When the impedances of three points are extracted from, each impedance becomes the following equation.

Figure 2022086784000009
Figure 2022086784000009

上記の方程式を解くことにより、ブラックボックスのインピーダンスパラメータを構成する個々のパラメータ(Z11,Z22,Z21(=Z12))を得ることができる。この個々のパラメータは下式で表すことができる。 By solving the above equation, individual parameters (Z 11 , Z 22 , Z 21 (= Z 12 )) constituting the impedance parameter of the black box can be obtained. This individual parameter can be expressed by the following equation.

Figure 2022086784000010
Figure 2022086784000010

上記に示されるブラックボックスのインピーダンスパラメータについて、各値を代入することによりによって個々のパラメータ(Z11,Z22,Z21(=Z12))が判明し、具体的な受動回路30の回路網を設計することができる。 By substituting each value for the impedance parameter of the black box shown above, the individual parameters (Z 11 , Z 22 , Z 21 (= Z 12 )) can be found, and the specific circuit network of the passive circuit 30 can be found. Can be designed.

<定電圧(CV)出力のための受動回路設計>
次に、上記の設計法を参照しつつ、定電圧出力(以下、CV出力と略称する場合がある)とする受動回路30の設計方法を説明する。上記のとおり、ZVS測地線を表す式は、上式(7)に示すとおりであった。この式(7)において、R=0のとき、Xは下式(18)となり、Z0aおよびZ0bを表す下式(19)および下式(20)となる。なお、ZVS測地線とZVDS測地線の交点(Z00)は、前記の式(9)である。
<Passive circuit design for constant voltage (CV) output>
Next, a method for designing the passive circuit 30 having a constant voltage output (hereinafter, may be abbreviated as CV output) will be described with reference to the above design method. As described above, the equation representing the ZVS geodesic line was as shown in the above equation (7). In this equation (7), when R 0 = 0, X 0 becomes the following equation (18), and the following equations (19) and (20) representing Z 0a and Z 0b . The intersection (Z 00 ) of the ZVS geodesic line and the ZVDS geodesic line is the above equation (9).

Figure 2022086784000011
Figure 2022086784000011

他方、図4(a)に示すように、実軸上の負荷ZLa、ZLb、ZL0について、スミスチャートの横軸は負荷抵抗Rを示すものであるところ、これを負荷抵抗の測地線とみなすことができ、両端は0と∞となる。そして、負荷抵抗Rは0から∞の範囲の任意な点となり、それぞれZLa=0、ZLb=∞、ZL0=RL0とすることにより、定電圧出力のためのインピーダンスパラメータを得ることができる。これらの計算式を上式(15)~(17)に代入することにより、個々のパラメータ(Z11,Z22,Z21(=Z12))が得られる。その結果は下式のとおりとなる。 On the other hand, as shown in FIG. 4A, for the loads Z La , Z Lb , and Z L0 on the actual axis, the horizontal axis of the Smith chart indicates the load resistance RL , which is used for geodesic measurement of the load resistance. It can be regarded as a line, and both ends are 0 and ∞. Then, the load resistance RL becomes an arbitrary point in the range of 0 to ∞, and by setting Z La = 0, Z Lb = ∞, and Z L0 = RL 0, respectively, an impedance parameter for constant voltage output can be obtained. Can be done. By substituting these calculation formulas into the above formulas (15) to (17), individual parameters (Z 11 , Z 22 , Z 21 (= Z 12 )) can be obtained. The result is as shown in the following equation.

Figure 2022086784000012
Figure 2022086784000012

また、Z11=jX11、Z22=jX22、Z21=jX21であるから、それぞれのリアクタンスX11、X21、X22は下式で示すことができる。 Further, since Z 11 = jX 11 , Z 22 = jX 22 , and Z 21 = jX 21 , the reactances X 11 , X 21 , and X 22 , respectively, can be shown by the following equations.

Figure 2022086784000013
Figure 2022086784000013

そして、図4(b)に示すT型回路を構成する場合、図4(b)のリアクタンス値に上式(22)~(24)を代入すると、X21の極性と、RL0の範囲によって、4つの異なる回路を構成することができる。また、RL0の範囲は、ωCによって左右される。このような4種類の回路構成を下表に示す。 Then, when the T-type circuit shown in FIG. 4 (b) is configured, when the above equations (22) to (24) are substituted for the reactance values in FIG. 4 (b), the polarity of X 21 and the range of RL 0 are determined. Four different circuits can be configured. Further, the range of RL0 depends on ωC s . The table below shows these four types of circuit configurations.

Figure 2022086784000014
Figure 2022086784000014

従って、上記4種類の回路構成により、負荷抵抗Rがいかなる場合においてもZVSを達成することができる。そして、負荷抵抗R=RL0である場合には、ZVSおよびZVDSを達成するものとなる。
さらに、上式(22)~(24)を上式(11)に代入すると、下式を得ることができる。
Therefore, with the above four types of circuit configurations, ZVS can be achieved in any case of the load resistance RL . Then, when the load resistance RL = RL0, ZVS and ZVDS are achieved.
Further, by substituting the above equations (22) to (24) into the above equation (11), the following equation can be obtained.

Figure 2022086784000015
Figure 2022086784000015

そこで、上式(25)および前述の式(3)~(5)により、電流共振幅Iを求めることができ、下式のとおりとなる。 Therefore, the current resonance width I 1 can be obtained by the above equation (25) and the above equations (3) to (5), and the following equation is obtained.

Figure 2022086784000016
Figure 2022086784000016

さらに、上式(25)とインピーダンスパラメータから、出力電圧の電圧共振幅Vを求めれば下式となる。 Further, if the voltage resonance width V 2 of the output voltage is obtained from the above equation (25) and the impedance parameter, the following equation is obtained.

Figure 2022086784000017
Figure 2022086784000017

上式(27)から明らかなとおり、負荷抵抗Rに関係なく出力電圧の電圧振幅幅Vは一定となることから、定電圧出力を達成することができるものである。 As is clear from the above equation (27), since the voltage amplitude width V 2 of the output voltage is constant regardless of the load resistance RL , a constant voltage output can be achieved.

<定電流(CC)出力のための受動回路設計>
次に、定電流出力(以下、CC出力と略称する場合がある)とする受動回路30の設計方法を説明する。定電流出力のための設計方法も定電圧出力におけると場合と同様であり、Xは前記式(18)であり、Z0aおよびZ0bは前記式(19)および(20)であり、ZVS測地線とZVDS測地線の交点(Z00)は、前記式(9)である。
<Passive circuit design for constant current (CC) output>
Next, a method of designing a passive circuit 30 having a constant current output (hereinafter, may be abbreviated as CC output) will be described. The design method for constant current output is the same as for constant voltage output, where X 0 is the equation (18) and Z 0a and Z 0b are the equations (19) and (20), ZVS. The intersection (Z 00 ) of the geodesic line and the ZVDS geodesic line is the above equation (9).

定電流出力の場合においても、図5(a)に示すように、実軸上の負荷ZLa、ZLb、ZL0について、スミスチャートの横軸は負荷抵抗Rを示すものである。これは、定電圧出力の場合と同様に負荷抵抗の測地線とみなされ、両端は0と∞となる。 Even in the case of constant current output, as shown in FIG. 5A, the horizontal axis of the Smith chart indicates the load resistance RL for the loads Z La , Z Lb , and Z L0 on the actual axis. This is regarded as a geodesic line of load resistance as in the case of constant voltage output, and both ends are 0 and ∞.

ここで、負荷抵抗Rは0から∞の範囲の任意な点となるものであるが、定電流出力の場合のインピーダンスパラメータを求めるときは、負荷抵抗の測地線の両端「0」および「∞」は定電圧出力とは逆の値となる。すなわち、ZLa=∞、ZLb=0、ZL0=RL0とすることによって、定電流出力のためのインピーダンスパラメータを得ることができる。これらの計算式を前記式(15)~(17)に代入することにより、個々のパラメータ(Z11,Z22,Z21(=Z12))が得られる。その結果は下式のとおりとなる。 Here, the load resistance RL is an arbitrary point in the range of 0 to ∞, but when obtaining the impedance parameter in the case of constant current output, both ends of the geodesic of the load resistance are “0” and “∞”. Is the opposite value to the constant voltage output. That is, by setting Z La = ∞, Z Lb = 0, and Z L0 = RL0 , the impedance parameter for constant current output can be obtained. By substituting these calculation formulas into the above formulas (15) to (17), individual parameters (Z 11 , Z 22 , Z 21 (= Z 12 )) can be obtained. The result is as shown in the following equation.

Figure 2022086784000018
Figure 2022086784000018

また、Z11=jX11、Z22=jX22、Z21=jX21であるから、それぞれのリアクタンスX11、X21、X22は下式で示すことができる。 Further, since Z 11 = jX 11 , Z 22 = jX 22 , and Z 21 = jX 21 , the reactances X 11 , X 21 , and X 22 , respectively, can be shown by the following equations.

Figure 2022086784000019
Figure 2022086784000019

上記のリアクタンスは、定電圧出力の場合と同様に、図5(b)に示すT型回路を構成する場合、当該図中のリアクタンスに上式(29)~(31)を代入すると、やはり、X21の極性と、RL0の範囲によって、4つの異なる回路を構成することができる。RL0の範囲は、ωCによって左右されることについても同様である。このような4種類の回路構成を下表に示す。 Similar to the case of constant voltage output, the above reactance can be obtained by substituting the above equations (29) to (31) for the reactance in the figure when the T-type circuit shown in FIG. 5 (b) is configured. Four different circuits can be configured depending on the polarity of X 21 and the range of RL0 . The same applies to the fact that the range of RL0 depends on ωC s . The table below shows these four types of circuit configurations.

Figure 2022086784000020
Figure 2022086784000020

上記4種類の回路構成による場合、負荷抵抗Rがいかなる場合においてもZVSを達成することができる。そして、負荷抵抗R=RL0である場合には、ZVSおよびZVDSを達成するものとなる。この点、定電圧出力の場合と同様である。 In the case of the above four types of circuit configurations, ZVS can be achieved in any case of the load resistance RL . Then, when the load resistance RL = RL0, ZVS and ZVDS are achieved. This point is the same as in the case of constant voltage output.

さらに、上式(22)~(24)を上式(11)に代入すると、下式(32)を得ることができ、当該式(32)および前述の式(3)~(5)により、電流共振幅Iを下式(33)として得ることができる。さらに、当該式(33)とインピーダンスパラメータから、出力電流の電流共振幅Iを求めれば下式(34)となる。 Further, by substituting the above equations (22) to (24) into the above equation (11), the following equation (32) can be obtained, and the equations (32) and the above equations (3) to (5) can be used. The current resonance width I 1 can be obtained as the following equation (33). Further, if the current resonance width I 2 of the output current is obtained from the equation (33) and the impedance parameter, the following equation (34) is obtained.

Figure 2022086784000021
Figure 2022086784000021

上式(34)から明らかなとおり、負荷抵抗Rに関係なく出力電流の電流振幅幅Iは一定となることから、定電流出力を達成することができるものである。 As is clear from the above equation (34), since the current amplitude width I 2 of the output current is constant regardless of the load resistance RL , a constant current output can be achieved.

<高周波インバータ回路のまとめ>
以上のとおり、最適負荷におけるZVSおよびZVDSを達成するE級のスイッチング回路10を構成するとともに、当該最適負荷に対する出力インピーダンスを基本とし、変動する実負荷に対する出力インピーダンスを基本のインピーダンスに変換することにより、実負荷の負荷抵抗Rが種々変更された場合であっても定電圧出力または定電流出力を達成することができる。このとき、上記のような設計法により、定電圧出力の場合、または定電流出力の場合のそれぞれについて、所望のインピーダンスパラメータを有する受動回路30を設けることができる。
<Summary of high frequency inverter circuit>
As described above, the class E switching circuit 10 that achieves ZVS and ZVDS at the optimum load is configured, and the output impedance for the optimum load is used as the basis, and the output impedance for the fluctuating actual load is converted into the basic impedance. A constant voltage output or a constant current output can be achieved even when the load resistance RL of the actual load is variously changed. At this time, according to the design method as described above, the passive circuit 30 having a desired impedance parameter can be provided for each of the case of constant voltage output and the case of constant current output.

<整流回路>
図6は、整流回路に係る本発明の実施形態の概略を示すものである。この図6に示す整流回路200は、前述した高周波インバータ回路(図1)を反転させた構成としている。すなわち、入力側回路(電源回路)40と、整流用のスイッチング回路50との間に受動回路(回路網)30を設けた構成としている。
<Rectifier circuit>
FIG. 6 shows an outline of an embodiment of the present invention relating to a rectifier circuit. The rectifier circuit 200 shown in FIG. 6 has a configuration in which the above-mentioned high-frequency inverter circuit (FIG. 1) is inverted. That is, a passive circuit (circuit network) 30 is provided between the input side circuit (power supply circuit) 40 and the rectifying switching circuit 50.

スイッチング回路50は、スイッチング素子53と、これに並列に接続された出力コンデンサ(シャントコンデンサ)を備え、送電側配線には直列LC共振フィルタ55が設けられている。また、負荷60には出力インダクタ52が直列に設けられている。なお、整流回路220においても、受動回路にローパス効果を持たせる場合には、直列LC共振フィルタ55を省略することができる。 The switching circuit 50 includes a switching element 53 and an output capacitor (shunt capacitor) connected in parallel to the switching element 53, and a series LC resonance filter 55 is provided in the power transmission side wiring. Further, the load 60 is provided with an output inductor 52 in series. In the rectifier circuit 220 as well, the series LC resonance filter 55 can be omitted if the passive circuit is to have a low-pass effect.

スイッチング素子53は、PWMによって制御される周期により、オン状態とオフ状態とが操作されるものであり、代表的なデューティ比は、周期Tの1/2とされることから、本実施形態においてもデューティ比を周期Tの1/2と設定している。ただし、後述のように、電源電圧との間に位相差を生じさせる場合があるため、その位相を調整するように制御されるものとしている。なお、スイッチング素子53は、トランジスタまたはMOS-FETなどを使用することができる。 In the switching element 53, the on state and the off state are operated by the cycle controlled by PWM, and the typical duty ratio is 1/2 of the cycle T. Therefore, in the present embodiment. The duty ratio is set to 1/2 of the period T. However, as will be described later, since a phase difference may occur between the voltage and the power supply voltage, the phase is controlled to be adjusted. As the switching element 53, a transistor, a MOS-FET, or the like can be used.

スイッチング素子53を用いた整流回路においては、スイッチング素子53によるスイッチング操作により、交流電圧源から供給される交流を直流に変換するものである。そして、スイッチング素子53がオン状態からオフ状態に切り替わるタイミングにおいて、スイッチング電圧が上昇するものである。このときの立ち上がり電圧は、ZVSおよびZVDSを達成する場合には、0(V)から立ち上がることとなる。 In the rectifier circuit using the switching element 53, the alternating current supplied from the alternating current voltage source is converted into direct current by the switching operation by the switching element 53. Then, the switching voltage rises at the timing when the switching element 53 switches from the on state to the off state. The rising voltage at this time rises from 0 (V) when ZVS and ZVDS are achieved.

そこで、スイッチング素子53を使用する整流回路200にあっては、上記インバータ回路の場合と同様に、所定のインピーダンスパラメータによって構成される受動回路30を設けることにより、負荷が変動する場合であってもZVSを達成させることができる。そして、インピーダンスパラメータを調整することにより定電圧または定電流を出力させることができるものである。 Therefore, in the rectifier circuit 200 using the switching element 53, as in the case of the inverter circuit, even if the load fluctuates by providing the passive circuit 30 configured with a predetermined impedance parameter. ZVS can be achieved. Then, a constant voltage or a constant current can be output by adjusting the impedance parameter.

<整流回路の設計手法>
整流回路の設計手法は、前述の高周波インバータ回路における場合と同様である。すなわち、図6に示したように、整流回路200を構成する各素子の構成は、インバータ回路を反転させた逆構成とする。このような逆構成により、各要素(素子等)における電圧はインバータ回路の場合と同様と考えることができる。その際の各インピーダンスまたはリアクタンス等は、同様に計算することができる。測地線の各点の移動についても同様である。従って、同様の設計手法により、インピーダンスパラメータを得ることができる。
<Rectifier circuit design method>
The design method of the rectifier circuit is the same as that of the high frequency inverter circuit described above. That is, as shown in FIG. 6, the configuration of each element constituting the rectifier circuit 200 is an inverse configuration in which the inverter circuit is inverted. With such a reverse configuration, the voltage in each element (element or the like) can be considered to be the same as in the case of the inverter circuit. Each impedance or reactance at that time can be calculated in the same manner. The same applies to the movement of each point on the geodesic line. Therefore, the impedance parameter can be obtained by the same design method.

ここで、負荷条件や出力条件がインバータ回路と同じである場合には、受動回路30の内部構成についても反転させた逆構成とすることができる。例えば、T型回路としてLLC回路を採用する場合には、左右反転したCLL回路を構成させることができるのである。その際の各素子のインダクタンスまたはキャパシタンスも同様に設定することができる。他方、負荷条件等が異なる場合には、同様の設計手法を用いつつ、異なる回路構成とすることもできる。例えば、インバータ回路がCV出力であったが、整流回路をCC出力するように場合などは、受動回路30は必然的に異なる構成となる。この場合においても、設計手法は、上述のインバータ回路と同様とすることができる。 Here, when the load condition and the output condition are the same as those of the inverter circuit, the internal configuration of the passive circuit 30 can also be reversed. For example, when an LLC circuit is adopted as a T-type circuit, a left-right inverted CLL circuit can be configured. The inductance or capacitance of each element at that time can be set in the same manner. On the other hand, when the load conditions and the like are different, different circuit configurations can be used while using the same design method. For example, when the inverter circuit has a CV output but the rectifier circuit outputs a CC, the passive circuit 30 inevitably has a different configuration. Even in this case, the design method can be the same as that of the above-mentioned inverter circuit.

従って、設計方法については同じ説明となるため、ここで再度説明することは省略するが、定電圧出力の場合、定電流出力の場合、ともに同様の手法によりインピーダンスパラメータを求め、受動回路を構成するものとなる。ただし、入力電圧とスイッチング素子の駆動信号に位相差が生ずるため、この位相差を適正値に固定化する必要がある。この位相差は、受動回路におけるインピーダンスパラメータを個々のパラメータのうち、特定のリアクタンスX21の極性によって定まる。なお、このリアクタンスX21はインバータ回路におけるリアクタンスと同様とする。 Therefore, since the design method will be the same, the explanation will be omitted here. However, in the case of constant voltage output and constant current output, the impedance parameters are obtained by the same method to configure a passive circuit. It becomes a thing. However, since a phase difference occurs between the input voltage and the drive signal of the switching element, it is necessary to fix this phase difference to an appropriate value. This phase difference determines the impedance parameter in the passive circuit by the polarity of a specific reactance X 21 among the individual parameters. The reactance X 21 is the same as the reactance in the inverter circuit.

例えば、交流定電圧を入力し、DC電圧CV出力の場合、X21>0のときの位相差は+180°であり、X21<0のときの位相差は0°である。また、DC電圧CC出力の場合、X21>0のときの位相差は-90°であり、X21<0のときの位相差は+90°である。 For example, in the case of inputting an AC constant voltage and DC voltage CV output, the phase difference when X 21 > 0 is + 180 °, and the phase difference when X 21 <0 is 0 °. Further, in the case of DC voltage CC output, the phase difference when X 21 > 0 is −90 °, and the phase difference when X 21 <0 is + 90 °.

<無線電力伝送システム>
次に、無線電力伝送システムについて説明する。上述の高周波インバータ回路および整流回路を用いることにより、個々の回路において、それぞれZVSを達成しつつCV出力またはCC出力させ得る無線電力伝送システムを構築することができる。
<Wireless power transmission system>
Next, the wireless power transmission system will be described. By using the above-mentioned high-frequency inverter circuit and rectifier circuit, it is possible to construct a wireless power transmission system capable of producing CV output or CC output while achieving ZVS in each circuit.

図7に無線電力伝送システムの実施形態を例示する。この図に示されるように、無線電力伝送システムは、高周波インバータ回路は、スイッチング回路と受動回路とで構成され、整流回路も同様に、スイッチング回路と受動回路とで構成される。これらの高周波インバータ回路と整流回路とは、結合器によって無線結合されるものである。 FIG. 7 illustrates an embodiment of a wireless power transmission system. As shown in this figure, in a wireless power transmission system, a high frequency inverter circuit is composed of a switching circuit and a passive circuit, and a rectifying circuit is also composed of a switching circuit and a passive circuit. These high-frequency inverter circuits and rectifier circuits are wirelessly coupled by a coupler.

結合器は、電界結合器または磁界結合器などが使用され、これらには、トランス方式やジャイレータ方式などがある。トランス方式は、CV入力をCV出力する場合、またはCC入力をCC出力する場合に使用し、ジャイレータ方式は、CV入力をCC出力する場合、またはCC入力をCV出力する場合に使用する。 As the coupler, an electric field coupler or a magnetic field coupler is used, and these include a transformer type and a gyrator type. The transformer method is used when the CV input is CV output or the CC input is CC output, and the gyrator method is used when the CV input is CC output or the CC input is CV output.

ここで構成される高周波インバータ回路および整流回路は、前述のとおりであり、具体的には、両者は相互に対象に構成される。すなわち、結合器を中心に、それぞれ高周波インバータ回路および整流回路の構成を反転させて(対称な位置関係として)それぞれ配置したものである。従って、例えば、高周波インバータ回路は、図1に示す構成とし、整流回路は図6に示す構成として、結合器によって結合させる構成とするものがある。 The high-frequency inverter circuit and the rectifier circuit configured here are as described above, and specifically, both are configured to be mutually symmetrical. That is, the configurations of the high-frequency inverter circuit and the rectifier circuit are reversed (as a symmetrical positional relationship) and arranged around the coupler. Therefore, for example, the high-frequency inverter circuit may have the configuration shown in FIG. 1, and the rectifier circuit may have the configuration shown in FIG. 6 which is coupled by a coupler.

ところで、高周波インバータ回路は、直流を高周波に変換し、結合器は高周波を変換せずに無線伝送し、整流回路は高周波を直流に変換するものであるが、これらの変換において、CV入力をCV出力する場合、またはCC入力をCC出力する場合はトランス特性と認識される。他方、CV入力をCC出力する場合、またはCC入力をCV出力する場合にはジャイレータ特性と認識される。そこで、高周波インバータ回路と整流回路がともにトランス特性とする場合、またはともにジャイレータ特性とする場合には、受動回路のインピーダンスパラメータを同様に構成し、各素子を反転させた(対称とした)ものとすることができる。これに対し、一方をトランス特性としつつ他方をジャイレータ特性とする場合には、受動回路のインピーダンスパラメータは異なるため、個別の受動回路が構成されることとなる。 By the way, the high frequency inverter circuit converts direct current to high frequency, the coupler wirelessly transmits without converting high frequency, and the rectifier circuit converts high frequency to direct current. In these conversions, the CV input is CV. When outputting, or when CC input is CC output, it is recognized as a transformer characteristic. On the other hand, when the CV input is CC-output or the CC input is CV-output, it is recognized as a gyrator characteristic. Therefore, when both the high-frequency inverter circuit and the rectifier circuit have transformer characteristics, or when both have gyrator characteristics, the impedance parameters of the passive circuit are configured in the same manner, and each element is inverted (symmetrical). can do. On the other hand, when one has a transformer characteristic and the other has a gyrator characteristic, the impedance parameters of the passive circuit are different, so that individual passive circuits are configured.

なお、高周波インバータ回路と整流回路を反転させた(対称に配置させた)構成とした場合においても、高周波インバータによる出力電圧(整流回路に対する入力電圧)と整流回路におけるスイッチング素子の駆動信号に位相差が生ずるため、この位相差を適正値に固定化しなければならないことは前述のとおりである。そのため、整流回路のスイッチング素子の駆動信号を制御するために図7(a)~図8(b)に例示するような手段により位相を制御することとなる。 Even when the high-frequency inverter circuit and the rectifying circuit are inverted (arranged symmetrically), the phase difference between the output voltage of the high-frequency inverter (input voltage to the rectifying circuit) and the drive signal of the switching element in the rectifying circuit. As described above, this phase difference must be fixed to an appropriate value. Therefore, in order to control the drive signal of the switching element of the rectifier circuit, the phase is controlled by means as exemplified in FIGS. 7A to 8B.

上記に示すような構成により、CV出力特性またはCC出力特性を発揮し得るものであることを実証するため、具体的な回路を構成したものについて実験を行った。実験は、シミュレータを使用したシミュレーションであり、各構成および実験結果は次のとおりであった。 In order to demonstrate that the CV output characteristic or the CC output characteristic can be exhibited by the configuration as shown above, an experiment was conducted on a specific circuit configuration. The experiment was a simulation using a simulator, and each configuration and experimental results were as follows.

<高周波インバータ回路の実施例>
高周波インバータにおいてCV出力のための回路として、図8(a)に示すような構成を設計した。この場合のスイッチング回路の諸元は下表のとおりであり、受動回路は、T型のLLC回路とし、下表に示すように設定した。なお、負荷抵抗は50Ωとしているが、これは受動回路を設けないE級のインバータ回路においてZVSおよびZVDSを達成する最適負荷に該当するものである。
<Example of high frequency inverter circuit>
As a circuit for CV output in the high frequency inverter, the configuration as shown in FIG. 8A was designed. The specifications of the switching circuit in this case are as shown in the table below, and the passive circuit is a T-type LLC circuit and is set as shown in the table below. Although the load resistance is set to 50Ω, this corresponds to the optimum load for achieving ZVS and ZVDS in the class E inverter circuit without the passive circuit.

Figure 2022086784000022
Figure 2022086784000022

また、高周波インバータにおいてCC出力のための回路として、図8(b)に示すような構成を設計した。この場合のスイッチング回路の諸元はCV出力と同様であり、受動回路は、T型のLCL回路とし、下表に示すように設定した。 Further, as a circuit for CC output in the high frequency inverter, the configuration as shown in FIG. 8B was designed. The specifications of the switching circuit in this case are the same as those of the CV output, and the passive circuit is a T-type LCL circuit and is set as shown in the table below.

Figure 2022086784000023
Figure 2022086784000023

上記のCV出力用の高周波インバータ回路とCC出力用の高周波インバータ回路について、負荷抵抗を最適負荷(50Ω)の場合と、変更した場合(25Ωおよび100Ω)について、それぞれスイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)、出力電圧および出力電流について、スイッチング素子のオフ状態からオン状態までの1周期分について、時間経過による変化を検出した。なお、参考のため、受動回路を設けない単なるE級インバータについても同様に各電圧および電流を検出した。 Regarding the high-frequency inverter circuit for CV output and the high-frequency inverter circuit for CC output, the switching voltage (shunt capacitor voltage) and the case where the load resistance is changed (25Ω and 100Ω) and when the load resistance is changed, respectively. Changes in the output voltage and output current over time were detected for one cycle from the off state to the on state of the switching element. For reference, each voltage and current were detected in the same manner for a simple class E inverter without a passive circuit.

これらの結果を図9に示す。なお、(a)はE級インバータのみ、(b)はCV出力を可能とするための受動回路を設けた高周波インバータ回路、(c)はCC出力を可能にするための受動回路を設けた高周波インバータ回路による結果を示す。これらの図に示されるように、スイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)によれば、負荷抵抗が最適負荷(50Ω)の場合には、各構成の回路においてZVSおよびZVDSが達成されている。そして、E級インバータのみの場合には負荷抵抗が変動するとZVSは達成されないが、CV出力用およびCC出力用の高周波インバータ回路においては、ZVSが達成される結果となった。 These results are shown in FIG. Note that (a) is only a class E inverter, (b) is a high-frequency inverter circuit provided with a passive circuit for enabling CV output, and (c) is a high-frequency circuit provided with a passive circuit for enabling CC output. The result by the inverter circuit is shown. As shown in these figures, according to the switching voltage (shunt capacitor voltage), ZVS and ZVDS are achieved in the circuits of each configuration when the load resistance is the optimum load (50Ω). In the case of only the class E inverter, ZVS is not achieved when the load resistance fluctuates, but in the high frequency inverter circuit for CV output and CC output, ZVS is achieved.

さらに、CV出力用のインバータ回路においては、負荷抵抗が変更した場合であっても出力電圧の振幅に変化はなく、定電圧が出力されている。他方、CC出力用のインバータ回路においては、負荷抵抗が変更した場合であっても出力電流の振幅に変化はなく、定電流が出力されている。 Further, in the inverter circuit for CV output, the amplitude of the output voltage does not change even when the load resistance is changed, and a constant voltage is output. On the other hand, in the inverter circuit for CC output, the amplitude of the output current does not change even when the load resistance is changed, and a constant current is output.

なお、負荷抵抗が5Ω~500Ω(最適負荷の1/10~10倍)の範囲において、ZVSが達成状況を確認するため、上記3種の回路について、スイッチング素子がオフ状態からオン状態に切り替わるタイミングにおけるスイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)を測定した。その結果を図10に示す。なお、図中「G2G」とは、上述の受動回路を設けた構成であることを示し、「Conventional」は従来構成としてのE級のインバータ回路を示している。 In addition, in order to confirm the achievement status of ZVS in the range of load resistance of 5Ω to 500Ω (1/10 to 10 times the optimum load), the timing at which the switching element switches from the off state to the on state for the above three types of circuits. The switching voltage (shunt capacitor voltage) in was measured. The results are shown in FIG. In the figure, "G2G" indicates a configuration provided with the above-mentioned passive circuit, and "Conventional" indicates a class E inverter circuit as a conventional configuration.

この図10に示される結果から明らかなとおり、理論上のZVS状況に合致するように、CV出力用およびCC出力用の各回路では、いずれの負荷抵抗においても、スイッチング素子がオン状態となるタイミングにおいて、スイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)が0(V)を示している。この結果を参照すれば、この実施例のように構成された高周波インバータ回路は、上記のような25Ωおよび100Ωに限定されることなく、広い範囲においてCV出力またはCC出力を可能にするものと判断することができる。 As is clear from the results shown in FIG. 10, in each circuit for CV output and CC output, the timing at which the switching element is turned on at any load resistance so as to match the theoretical ZVS situation. In, the switching voltage (shunt capacitor voltage) indicates 0 (V). With reference to this result, it is determined that the high frequency inverter circuit configured as in this embodiment enables CV output or CC output in a wide range without being limited to 25Ω and 100Ω as described above. can do.

<整流回路の実施例>
整流回路においてCV出力のための回路として、図11(a)に示すような構成を設計した。この図に示される回路は、前述のインピーダンスパラメータX21の極性が正の場合であり、インピーダンスパラメータX21の極性が正の場合における諸元は下表のとおりである。下表のとおり、入力高周波電圧振幅を51.6V(6.78MHz)とし、出力電圧を48Vにて設計し、最適負荷は86.6Ωとして設計した。この場合の受動回路は、T型のCLL回路とし、各素子は下表に示すように設定した。なお、入力電圧は、周波数6.78MHzの高周波(RF)電圧であるため、スイッチング素子によるスイッチング周波数を6.78MHzとし、位相差180°に固定した。
<Example of rectifier circuit>
As a circuit for CV output in the rectifier circuit, the configuration as shown in FIG. 11A was designed. In the circuit shown in this figure, the specifications when the polarity of the impedance parameter X 21 described above is positive and the polarity of the impedance parameter X 21 is positive are as shown in the table below. As shown in the table below, the input high frequency voltage amplitude was designed to be 51.6V (6.78MHz), the output voltage was designed to be 48V, and the optimum load was designed to be 86.6Ω. The passive circuit in this case was a T-type CLL circuit, and each element was set as shown in the table below. Since the input voltage is a high frequency (RF) voltage having a frequency of 6.78 MHz, the switching frequency by the switching element is set to 6.78 MHz and the phase difference is fixed at 180 °.

Figure 2022086784000024
Figure 2022086784000024

上記構成の整流回路にかかる実験結果を図11(b)に示す。この図のように、高周波(RF)入力電圧に対し180°の位相に固定しつつスイッチング素子を作動させることにより、スイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)の立ち下がり電圧は、ZVSを達成させるものとなった。その結果、DC出力電圧は定電圧となった。 FIG. 11B shows the experimental results of the rectifier circuit having the above configuration. As shown in this figure, by operating the switching element while fixing the phase to 180 ° with respect to the high frequency (RF) input voltage, the falling voltage of the switching voltage (shunt capacitor voltage) achieves ZVS. rice field. As a result, the DC output voltage became a constant voltage.

次に、CV出力用として、インピーダンスパラメータX21の極性が負の場合における整流回路を設計した。その構成を図12(a)に示す。この場合のスイッチング回路の諸元は上記表5と同様であり、受動回路についてのみ変更した。受動回路は、T型のLCL回路とし、下表に示すように設定した。 Next, a rectifier circuit was designed for CV output when the polarity of the impedance parameter X 21 is negative. The configuration is shown in FIG. 12 (a). The specifications of the switching circuit in this case are the same as those in Table 5 above, and only the passive circuit is changed. The passive circuit was a T-type LCL circuit and was set as shown in the table below.

Figure 2022086784000025
Figure 2022086784000025

上記構成の整流回路にかかる実験結果を図12(b)に示す。インピーダンスパラメータX21の極性が負の場合には、高周波(RF)入力電圧に対する位相差を生じないため、図示のように、位相の調整は行うことなくスイッチング素子を作動させた状態により、スイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)の立ち下がり電圧は、ZVSを達成させるものとなった。その結果、DC出力電圧は定電圧となった。 FIG. 12B shows the experimental results of the rectifier circuit having the above configuration. When the polarity of the impedance parameter X 21 is negative, there is no phase difference with respect to the high frequency (RF) input voltage. Therefore, as shown in the figure, the switching voltage is obtained by operating the switching element without adjusting the phase. The falling voltage of (shunt capacitor voltage) achieved ZVS. As a result, the DC output voltage became a constant voltage.

他方、CC出力のための回路として、図13(a)に示すような構成を設計した。これは、インピーダンスパラメータX21の極性が正の場合を図示している。この回路における諸元は下表のとおりである。入力高周波電圧振幅を51.6V(6.78MHz)とし、最適負荷は86.6Ωとして設計したことはCV出力の場合と同様であり、出力電流を0.55Aにて設計した。この場合の受動回路は、T型のLCL回路とし、各素子は下表に示すように設定した。なお、スイッチング素子によるスイッチング周波数を6.78MHzとし、位相差-90°に固定した。 On the other hand, as a circuit for CC output, a configuration as shown in FIG. 13A was designed. This illustrates the case where the polarity of the impedance parameter X 21 is positive. The specifications of this circuit are as shown in the table below. The input high frequency voltage amplitude was set to 51.6V (6.78MHz) and the optimum load was designed to be 86.6Ω, which is the same as the case of CV output, and the output current was designed to be 0.55A. The passive circuit in this case was a T-type LCL circuit, and each element was set as shown in the table below. The switching frequency of the switching element was set to 6.78 MHz, and the phase difference was fixed at −90 °.

Figure 2022086784000026
Figure 2022086784000026

上記構成の整流回路にかかる実験結果を図13(b)に示す。この図のように、高周波(RF)入力電圧に対し-90°の位相に固定しつつスイッチング素子を作動させることにより、スイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)の立ち下がり電圧は、ZVSを達成させるものとなった。その結果、DC出力電流は定電流となった。 FIG. 13B shows the experimental results of the rectifier circuit having the above configuration. As shown in this figure, by operating the switching element while fixing the phase to -90 ° with respect to the high frequency (RF) input voltage, the falling voltage of the switching voltage (shunt capacitor voltage) achieves ZVS. became. As a result, the DC output current became a constant current.

次に、CC出力用として、インピーダンスパラメータX21の極性が負の場合における整流回路を設計した。その構成を図14(a)に示す。この場合のスイッチング回路の諸元は上記表7と同様であり、受動回路についてのみ変更した。受動回路は、T型のCLC回路とし、下表に示すように設定した。 Next, a rectifier circuit was designed for CC output when the polarity of the impedance parameter X 21 is negative. The configuration is shown in FIG. 14 (a). The specifications of the switching circuit in this case are the same as those in Table 7 above, and only the passive circuit is changed. The passive circuit was a T-type CLC circuit and was set as shown in the table below.

Figure 2022086784000027
Figure 2022086784000027

上記構成の整流回路にかかる実験結果を図14(b)に示す。インピーダンスパラメータX21の極性が負の場合には、高周波(RF)入力電圧に対し+90°の位相を修正しつつスイッチング素子を作動させることにより、スイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)の立ち下がり電圧は、ZVSを達成させるものとなった。その結果、DC出力電流は定電流となった。 FIG. 14B shows the experimental results of the rectifier circuit having the above configuration. When the polarity of the impedance parameter X 21 is negative, the falling voltage of the switching voltage (shunt capacitor voltage) is set by operating the switching element while correcting the phase of + 90 ° with respect to the high frequency (RF) input voltage. It became the one to achieve ZVS. As a result, the DC output current became a constant current.

<無線電力伝送システムの実施例>
無線電力伝送システムを構築するための回路として、図15に示すような構成を設計した。基本的には、インバータ回路、結合回路、整流回路によって構成され、インバータ回路の諸元は次の表9のとおりであり、整流回路は次の表10のとおりである。また、結合器については、図15に示すような構成とし、諸元を次の表11に示す。なお、入力電圧は、定電圧源による100Vとし、これをインバータ回路により定電圧出力とした。結合器は、ジャイレータ方式を採用し、定電圧による入力を定電流で出力するものとした。さらに整流回路は、定電流による入力を定電圧で出力するものとした。このとき、想定する出力電圧を100Vによる定電圧として設計したものであり、その結果を図16に示す。

Figure 2022086784000028

Figure 2022086784000029

Figure 2022086784000030
<Example of wireless power transmission system>
As a circuit for constructing a wireless power transmission system, a configuration as shown in FIG. 15 was designed. Basically, it is composed of an inverter circuit, a coupling circuit, and a rectifier circuit. The specifications of the inverter circuit are as shown in Table 9 below, and the rectifier circuit is as shown in Table 10 below. The coupler has a configuration as shown in FIG. 15, and the specifications are shown in Table 11 below. The input voltage was set to 100 V by a constant voltage source, and this was set to a constant voltage output by an inverter circuit. The coupler adopts a gyrator method and outputs a constant voltage input with a constant current. Furthermore, the rectifier circuit is designed to output a constant current input at a constant voltage. At this time, the assumed output voltage was designed as a constant voltage of 100 V, and the result is shown in FIG.
Figure 2022086784000028

Figure 2022086784000029

Figure 2022086784000030

この図16における結果から、インバータ回路からの出力は、300Vの高周波定電圧となり、結合器を介して整流回路に対し600mAの高周波定電流が入力されていることが判明した。さらに、整流回路において、高周波定電流600mAは、整流され100Vの直流定電圧が出力されることが判明した。 From the results in FIG. 16, it was found that the output from the inverter circuit was a high frequency constant voltage of 300 V, and a high frequency constant current of 600 mA was input to the rectifier circuit via the coupler. Further, in the rectifier circuit, it was found that the high frequency constant current 600mA is rectified and a DC constant voltage of 100V is output.

<まとめ>
以上のとおり、高周波インバータ回路および整流回路のいずれについても、受動回路の構成を適宜なものとすることにより、負荷が変動した場合であっても、CV出力またはCC出力させることが可能である。さらに、これらを使用しつつ結合器で結合させることにより無線電力伝送システムを構築することができ、この無線電力伝送システムにあっては、高周波インバータ回路においてCV出力またはCC出力を実現したうえ、ワイヤレス結合器により無線伝送し、さらに整流器によって最終的には、いかなる負荷であっても、直流によるCV出力またはCC出力を可能とするものとなる。
<Summary>
As described above, for both the high-frequency inverter circuit and the rectifier circuit, it is possible to output CV or CC even when the load fluctuates by appropriately configuring the passive circuit. Furthermore, a wireless power transmission system can be constructed by combining these while using them with a coupler. In this wireless power transmission system, CV output or CC output is realized in a high-frequency inverter circuit, and then wireless. It is wirelessly transmitted by the coupler, and finally, CV output or CC output by direct current is possible regardless of the load by the rectifier.

従って、各種の負荷に対して所望の電力を供給することができることとなる。つまり、定電圧供給を必要とする負荷に対しても、定電流供給を必要とする負荷に対しても、安定した電力供給が可能であり、予め最適負荷を設定したうえで、受動回路を設けることにより、あらゆる負荷変動に対してもスイッチング損失を低減させることができるものとなる。 Therefore, it is possible to supply desired electric power to various loads. In other words, stable power supply is possible for both loads that require constant voltage supply and loads that require constant current supply, and a passive circuit is provided after setting the optimum load in advance. As a result, the switching loss can be reduced against any load fluctuation.

なお、本発明の実施形態および実施例は上記のとおりであるが、本発明がこれらの実施形態または実施例に限定されるものではない。従って、上記実施形態等の構成を変更し、または他の構成を追加することも可能である。例えば、受動回路の構成については、代表的なものを例示したが、受動回路が備えるべきインピーダンスパラメータを得られる回路構成であればよく、他の構成としてもよい。また、結合器については、実施例において一例を示したが、他の構成であってよい。 The embodiments and examples of the present invention are as described above, but the present invention is not limited to these embodiments or examples. Therefore, it is possible to change the configuration of the above embodiment or add another configuration. For example, as the configuration of the passive circuit, a typical one is exemplified, but any circuit configuration that can obtain the impedance parameters that the passive circuit should have may be used, and other configurations may be used. Further, although an example is shown in the example, the coupler may have another configuration.

10,50 スイッチング回路
11 直流電圧源
12 入力インダクタ
13,53 スイッチング素子
14,54 出力コンデンサ(シャントコンデンサ)
15,55 直列LC共振フィルタ
20 負荷回路(出力側回路)
21,60 負荷
30 受動回路
40 電源回路(入力側回路)
52 出力インダクタ
100 高周波インバータ回路
200 整流回路
10,50 Switching circuit 11 DC voltage source 12 Input inductor 13,53 Switching element 14,54 Output capacitor (shunt capacitor)
15,55 Series LC resonance filter 20 Load circuit (output side circuit)
21,60 Load 30 Passive circuit 40 Power supply circuit (input side circuit)
52 Output inductor 100 High frequency inverter circuit 200 Rectifier circuit

Claims (8)

負荷抵抗の変動する負荷に対して定電圧または定電流により電力供給する高周波インバータ回路であって、
所定のデューティ比によってスイッチングされるスイッチング素子と、このスイッチング素子に並列に接続される出力コンデンサとを備えるスイッチング回路と、
前記スイッチング回路の出力インピーダンスを変換する受動回路を備え、
前記受動回路は、前記スイッチング回路および実負荷を含む出力側回路に設けられる各素子の構成および設定値に基づき決定されるスイッチング電圧が、ZVSおよびZVDSを達成するときの出力インピーダンスを基準インピーダンスとし、実負荷における出力インピーダンスを前記基準インピーダンスに変換し、かつ、変動する前記負荷の範囲内において、スイッチング電圧がZVSを達成する範囲内となるように出力インピーダンスを変換するものである
ことを特徴とする高周波インバータ回路。
A high-frequency inverter circuit that supplies power with a constant voltage or constant current to a load with fluctuating load resistance.
A switching circuit including a switching element switched by a predetermined duty ratio and an output capacitor connected in parallel to the switching element.
A passive circuit that converts the output impedance of the switching circuit is provided.
In the passive circuit, the output impedance when the switching voltage determined based on the configuration and set value of each element provided in the switching circuit and the output side circuit including the actual load achieves ZVS and ZVDS is used as a reference impedance. It is characterized in that the output impedance in an actual load is converted to the reference impedance, and the output impedance is converted so that the switching voltage is within the range in which ZVS is achieved within the range of the fluctuating load. High frequency inverter circuit.
前記受動回路は、スミスチャート上に描かれる負荷の実軸変動測地線から該スミスチャート上に描かれるZVSを達成するZVS測地線へインピーダンス変換することができるインピーダンスパラメータを求め、該インピーダンスパラメータを満たす回路として構築されたものである請求項1に記載の高周波インバータ回路。 The passive circuit obtains an impedance parameter capable of impedance conversion from the real axis fluctuation geodesic of the load drawn on the Smith chart to the ZVS geodesic that achieves the ZVS drawn on the Smith chart, and satisfies the impedance parameter. The high-frequency inverter circuit according to claim 1, which is constructed as a circuit. 定電圧または定電流により供給される交流電力を整流するとともに、負荷抵抗の変動する負荷に対して定電圧または定電流として直流出力する整流回路であって、
交流電圧源から入力される交流電圧との位相を調整しつつ所定のデューティ比によってスイッチングされるスイッチング素子と、このスイッチング素子に並列に接続される出力コンデンサとを備えるスイッチング回路と、
前記スイッチング回路に対する入力インピーダンスを変換する受動回路を備え、
前記受動回路は、前記スイッチング回路および実負荷を含む出力側回路に設けられる各素子の構成および設定値に基づき決定されるスイッチング電圧の立ち上がり電圧が、ZVSおよびZVDSを達成するときの入力インピーダンスを基準インピーダンスとし、実負荷における入力インピーダンスを前記基準インピーダンスに変換し、かつ、変動する前記負荷の範囲内において、スイッチング電圧の立ち下がり電圧がZVSを達成する範囲内となるように入力インピーダンスを変換するものである
ことを特徴とする整流回路。
A rectifier circuit that rectifies AC power supplied by a constant voltage or constant current and outputs DC as a constant voltage or constant current to a load with fluctuating load resistance.
A switching circuit including a switching element that is switched by a predetermined duty ratio while adjusting the phase with the AC voltage input from the AC voltage source, and an output capacitor connected in parallel to the switching element.
A passive circuit that converts the input impedance to the switching circuit is provided.
The passive circuit is based on the input impedance when the rising voltage of the switching voltage determined based on the configuration and set value of each element provided in the switching circuit and the output side circuit including the actual load achieves ZVS and ZVDS. Impedance, which converts the input impedance in the actual load to the reference impedance, and converts the input impedance so that the falling voltage of the switching voltage is within the range of achieving ZVS within the range of the fluctuating load. A rectifying circuit characterized by being.
前記受動回路は、スミスチャート上に描かれる負荷の実軸変動測地線から該スミスチャート上に描かれるZVSを達成するZVS測地線へインピーダンス変換することができるインピーダンスパラメータを求め、該インピーダンスパラメータを満たす回路として構築されたものである請求項3に記載の整流回路。 The passive circuit obtains an impedance parameter capable of impedance conversion from the real axis fluctuation geodesic of the load drawn on the Smith chart to the ZVS geodesic that achieves the ZVS drawn on the Smith chart, and satisfies the impedance parameter. The rectifying circuit according to claim 3, which is constructed as a circuit. さらに、前記スイッチング素子のスイッチング作動を制御する制御部を備え、
前記制御部は、前記受動回路によって入力インピーダンスが変換されるとき入力電圧または入力電流の周期との間で生じる位相差を是正しつつスイッチング作動を制御するものである請求項3または4に記載の整流回路。
Further, a control unit for controlling the switching operation of the switching element is provided.
The control unit controls the switching operation while correcting the phase difference generated between the cycle of the input voltage or the input current when the input impedance is converted by the passive circuit. Rectifier circuit.
請求項1または2に記載の高周波インバータ回路を給電側とし、結合器を介して整流回路に結合させてなることを特徴とする無線電力伝送システム。 A wireless power transmission system characterized in that the high frequency inverter circuit according to claim 1 or 2 is used as a power feeding side and is coupled to a rectifier circuit via a coupler. 請求項3~5のいずれかに記載の整流回路を受電側とし、結合器を介して高周波インバータ回路に結合してなることを特徴とする無線電力伝送システム。 A wireless power transmission system comprising the rectifier circuit according to any one of claims 3 to 5 as a power receiving side and coupled to a high frequency inverter circuit via a coupler. 請求項1または2に記載の高周波インバータ回路を給電側とし、請求項3~5のいずれかに記載の整流回路を受電側として、前記両回路の間に設けられた結合器を備えることを特徴とする無線電力伝送システム。 The high frequency inverter circuit according to claim 1 or 2 is used as a power feeding side, and the rectifying circuit according to any one of claims 3 to 5 is used as a power receiving side, and a coupler provided between the two circuits is provided. Wireless power transmission system.
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