JP2022548855A

JP2022548855A - 高周波ワイヤレス電力伝送システム、そのための送信機および受信機

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Publication number: JP2022548855A
Application number: JP2022516132A
Authority: JP
Inventors: サメル・アルダハール
Original assignee: ソレース・パワー・インコーポレイテッド
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2022-11-22
Also published as: US20210083634A1; EP4029140A4; WO2021046649A1; CA3150958A1; EP4029140A1; KR20220062071A; US20240007062A1; CN114600361A; US11817834B2

Abstract

負荷非依存インバータがスイッチモードゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）増幅器を備える。スイッチモードＺＶＳ増幅器は、並列に配置される少なくとも１つのトランジスタおよび少なくとも１つのコンデンサと、トランジスタおよびコンデンサと直列に配置される少なくとも１つのインダクタとを備える一対の回路を備える。増幅器は、一対の回路に接続される１つだけのＺＶＳインダクタと、ＺＶＳインダクタに接続されかつ少なくとも１つのインダクタおよび少なくとも１つの抵抗器と直列に配置される少なくとも一対のコンデンサとを更に備える。

Description

本開示は、概してワイヤレス電力伝送に関し、特に高周波ワイヤレス電力伝送システム、そのための送信機および受信機に関する。

ワイヤレス充電およびワイヤレス電力伝送システムが、次世代のデバイスを可能にするますます重要な技術になってきている。同技術によって与えられる潜在的利益および利点は、同技術に投資する製造業者および会社の数の増加によって明白である。

各種のワイヤレス電力伝送システムが知られている。典型的なワイヤレス電力伝送システムは、ワイヤレス電力送信機に電気接続される電源、および負荷に電気接続されるワイヤレス電力受信機を含む。

磁気誘導システムでは、送信機は、電源から或るインダクタンスを持つ受信用コイルに電気エネルギーを伝送する或るインダクタンスを持つコイルを有する。送信機および受信機のインダクタ間の磁界の結合により電力伝送が生じる。これらの磁気誘導システムの範囲は限られており、かつ送信機および受信機のインダクタは電力伝送のために最適に整列していなければならない。

送信機および受信機のインダクタ間の磁界の結合により電力が伝送される共振磁気システムも存在する。共振磁気システムでは、インダクタは、少なくとも１つのコンデンサを使用して共振させられる。共振磁気システムでは、送信機は自己共振し、受信機は自己共振する。共振磁気システムにおける電力伝送の範囲は磁気誘導システムのそれを超えて増加され、そして整列問題は是正される。磁気誘導システムおよび共振磁気システムにおいて電磁エネルギーが生成されるが、電力伝送の大半は磁界を介して生じる。電気誘導または共振電気誘導を介して伝送される電力は、あるとしても僅かである。

Ｑｉワイヤレス充電規格は磁気誘導システムの例示的な実装例である。Ｑｉワイヤレス充電規格は、スマートフォンおよびウェアラブルデバイスなどの低電力民生用電子機器に使用される。更には、Ｑｉワイヤレス充電規格で使用するために低コスト電力コンバータ、コイルおよび集積回路が入手可能である。Ｑｉワイヤレス充電規格はｋＨｚ周波数範囲において動作する。それに応じて、Ｑｉワイヤレス充電規格に従って動作するデバイスは、限られた結合範囲を有し、厳密なコイル整列を必要とし、かつフェライトベースのコイルを使用しており、重くかつ脆くなり得る。結果的に、Ｑｉワイヤレス充電規格の適用範囲は限定される。

電気誘導システムでは、送信機および受信機は容量電極を有する。送信機および受信機の容量電極間の電界の結合により電力伝送が生じる。共振磁気システムと同様に、送信機および受信機の容量電極が少なくとも１つのインダクタを使用して共振させられる共振電気システムが存在する。共振電気システムでは、送信機は自己共振し、受信機は自己共振する。共振電気システムは電気誘導システムのそれと比較して増加した電力伝送の範囲を有し、そして整列問題は是正される。電気誘導および共振電気システムにおいて電磁エネルギーが生成されるが、電力伝送の大半は電界を介して生じる。磁気誘導または共振磁気誘導を介して伝送される電力は、あるとしても僅かである。

通例、誘導電力伝送（ＩＰＴ）システムと称される磁気および電気誘導システムの応用例は数十ＭＨｚ周波数範囲において動作し得る。数十ＭＨｚ周波数範囲では、これらのシステムの送信機に使用される直流（ＤＣ）－交流（ＡＣ）インバータのトポロジーは一般にＥ級またはＥＦ_２級インバータ構成に基づく。これらの構成は電力効率的でありかつ構築しやすいが、最適なスイッチング動作が維持され得るのは固定負荷に対してだけである。したがって、そのような構成は固定負荷に非常に依存している。結果的に、Ｅ級またはＥＦ_２級インバータを使用するＩＰＴシステムが効率的に動作するのは、一般に固定されたコイル分離距離で狭い負荷範囲にわたってだけである。

関連部分が参照により本明細書に組み込まれる「Ｌｏａｄ－ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＣｌａｓｓＥＰｏｗｅｒＩｎｖｅｒｔｅｒｓ：ＰａｒｔＩ．ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ」Ｒ．Ｅ．ＺｕｌｉｎｓｋｉおよびＫ．Ｊ．Ｇｒａｄｙ著ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＣｉｒｃｕｉｔｓＳｙｓｔ．Ｉ，Ｒｅｇ．Ｐａｐｅｒｓ、第３７巻、第８号、１０１０～１０１８頁、１９９０年８月ならびに「ＤｅｓｉｇｎｏｆＳｉｎｇｌｅ－ｓｗｉｔｃｈＩｎｖｅｒｔｅｒｓｆｏｒＶａｒｉａｂｌｅＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ／ｌｏａｄＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＯｐｅｒａｔｉｏｎ」Ｌ．Ｒｏｓｌａｎｉｅｃ、Ａ．Ｓ．Ｊｕｒｋｏｖ、Ａ．ＡｌＢａｓｔａｍｉおよびＤ．Ｊ．Ｐｅｒｒｅａｕｌｔ著、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎ．、第３０巻、第６号、３２００～３２１４頁、２０１５年６月に記載されているように、Ｅ級およびＥＦ_２級インバータは、チョークの代わりに有限ＤＣインダクタと使用されるときに負荷抵抗が変動するにつれて、それらがゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を達成して定出力電圧を生成するように設計され得る。

そのような設計は、Ｅ級またはＥＦ_２級インバータが効率的に動作し得る負荷範囲を無限負荷抵抗（開路）から或る最小負荷抵抗まで拡張し得る。これらの設計が、高周波ＤＣ／ＤＣコンバータなどの幾つかの応用例に適用され得るが、それらは一般に、コイル／電極間の距離が変化するＩＰＴシステムでは効率的に使用できない。ＩＰＴシステムでは、負荷は、コイル／電極が互いから完全に分離されているゼロ抵抗（短絡）からコイル／電極が互いに最も近づいている或る最大負荷抵抗まで及ぶ。

前述したように、ＩＰＴシステムは数十ＭＨｚ周波数範囲において動作し得る。ＧａＮおよびＳｉＣなどの広バンドギャップデバイスを利用することによって数十ＭＨｚ周波数範囲におけるスイッチングが達成され得る。関連部分が参照により本明細書に組み込まれる「Ｌｏａｄ－ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＣｌａｓｓＥ／ＥＦＩｎｖｅｒｔｅｒｓａｎｄＲｅｃｔｉｆｉｅｒｓｆｏｒＭＨｚ－ＳｗｉｔｃｈｉｎｇＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」Ｓ．Ａｌｄｈａｈｅｒ、Ｄ．Ｃ．ＹａｔｅｓおよびＰ．Ｄ．Ｍｉｔｃｈｅｓｏｎ著、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎ．、第３３巻、第１０号、８２７０～８２８７頁、２０１８年１０月ならびに「Ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，Ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒＲｅｓｏｎａｎｔＩｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈｅＧａＮＦＥＴｆｏｒＷｉｒｅｌｅｓｓＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｆｅｒ」Ｊ．Ｃｈｏｉ、Ｄ．Ｔｓｕｋｉｙａｍａ、Ｙ．ＴｓｕｒｕｄａおよびＪ．Ｍ．Ｒ．Ｄａｖｉｌａ著、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎ．、第３３巻、第３号、１８９０～１８９６頁、２０１８年３月に記載されているように、共振コンバータならびにＥ級およびＥＦ級などのソフトスイッチングトポロジーにおける最近の発展が広バンドギャップデバイスの真の利用を可能にし、設計者に高性能／電力密度コンバータを達成するために使用するトポロジーおよび回路構成を与える。

ワイヤレス電力伝送のために数十ＭＨｚ周波数で動作することは、最大エアギャップ距離を増加させ、コイル不整列に対する許容度を改善し、したがって受信機を厳密な整列の要件なしで充電領域のどこにでも置くことができるようにする。このワイヤレス電力伝送は、軽量、コンパクトで、低コストのＦＲ４ＰＣＢに実装され得る高Ｑ単巻空心コイルが使用されることも可能にする。そのような特徴は、関連部分が参照により本明細書に組み込まれる「Ｌｉｇｈｔ－ｗｅｉｇｈｔＷｉｒｅｌｅｓｓＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｆｅｒｆｏｒＭｉｄ－ａｉｒＣｈａｒｇｉｎｇｏｆＤｒｏｎｅｓ」Ｓ．Ａｌｄｈａｈｅｒ、Ｐ．Ｄ．Ｍｉｔｃｈｅｓｏｎ、Ｊ．Ｍ．Ａｒｔｅａｇａ、Ｇ．ＫｋｅｌｉｓおよびＤ．Ｃ．Ｙａｔｅｓ著、１１ｔｈＥｕｒｏｐｅａｎＣｏｎｆ．ＡｎｔｅｎｎａｓＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎ、２０１７年３月、３３６～３４０頁に記載されているように小型ドローンにワイヤレスで給電することによって実証された。

「Ｌｏａｄ－ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＣｌａｓｓＥＰｏｗｅｒＩｎｖｅｒｔｅｒｓ：ＰａｒｔＩ．ＴｈｅｏｒｅｔｉｃａｌＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ」Ｒ．Ｅ．ＺｕｌｉｎｓｋｉおよびＫ．Ｊ．Ｇｒａｄｙ著ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＣｉｒｃｕｉｔｓＳｙｓｔ．Ｉ，Ｒｅｇ．Ｐａｐｅｒｓ、第３７巻、第８号、１０１０～１０１８頁、１９９０年８月「ＤｅｓｉｇｎｏｆＳｉｎｇｌｅ－ｓｗｉｔｃｈＩｎｖｅｒｔｅｒｓｆｏｒＶａｒｉａｂｌｅＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ／ｌｏａｄＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＯｐｅｒａｔｉｏｎ」Ｌ．Ｒｏｓｌａｎｉｅｃ、Ａ．Ｓ．Ｊｕｒｋｏｖ、Ａ．ＡｌＢａｓｔａｍｉおよびＤ．Ｊ．Ｐｅｒｒｅａｕｌｔ著、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎ．、第３０巻、第６号、３２００～３２１４頁、２０１５年６月「Ｌｏａｄ－ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＣｌａｓｓＥ／ＥＦＩｎｖｅｒｔｅｒｓａｎｄＲｅｃｔｉｆｉｅｒｓｆｏｒＭＨｚ－ＳｗｉｔｃｈｉｎｇＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」Ｓ．Ａｌｄｈａｈｅｒ、Ｄ．Ｃ．ＹａｔｅｓおよびＰ．Ｄ．Ｍｉｔｃｈｅｓｏｎ著、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎ．、第３３巻、第１０号、８２７０～８２８７頁、２０１８年１０月「Ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，Ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒＲｅｓｏｎａｎｔＩｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈｅＧａＮＦＥＴｆｏｒＷｉｒｅｌｅｓｓＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｆｅｒ」Ｊ．Ｃｈｏｉ、Ｄ．Ｔｓｕｋｉｙａｍａ、Ｙ．ＴｓｕｒｕｄａおよびＪ．Ｍ．Ｒ．Ｄａｖｉｌａ著、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎ．、第３３巻、第３号、１８９０～１８９６頁、２０１８年３月「Ｌｉｇｈｔ－ｗｅｉｇｈｔＷｉｒｅｌｅｓｓＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｆｅｒｆｏｒＭｉｄ－ａｉｒＣｈａｒｇｉｎｇｏｆＤｒｏｎｅｓ」Ｓ．Ａｌｄｈａｈｅｒ、Ｐ．Ｄ．Ｍｉｔｃｈｅｓｏｎ、Ｊ．Ｍ．Ａｒｔｅａｇａ、Ｇ．ＫｋｅｌｉｓおよびＤ．Ｃ．Ｙａｔｅｓ著、１１ｔｈＥｕｒｏｐｅａｎＣｏｎｆ．ＡｎｔｅｎｎａｓＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎ、２０１７年３月、３３６～３４０頁「ＭａｘｉｍｉｚｉｎｇＤＣ－ｔｏ－ｌｏａｄＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙｆｏｒＩｎｄｕｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｆｅｒ」Ｍ．Ｐｉｎｕｅｌａ、Ｄ．Ｃ．Ｙａｔｅｓ、Ｓ．ＬｕｃｙｓｚｙｎおよびＰ．Ｄ．Ｍｉｔｃｈｅｓｏｎ著、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎ．、第２８巻、第５号、２４３７～２４４７頁、２０１３年５月「ＩｎｄｕｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒｉｎｇ：ＢａｓｉｃＴｈｅｏｒｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ」Ｋ．Ｖ．ＳｃｈｕｙｌｅｎｂｅｒｇｈおよびＲ．Ｐｕｅｒｓ著、第１版ＳｐｒｉｎｇｅｒＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ、２００９年「Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｗｉｔｃｈｅｄ－ｍｏｄｅｃｉｒｃｕｉｔｓｆｏｒｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｉｎｋｓ」Ｓ．Ａｌｄｈａｈｅｒ著、Ｐｈ．Ｄ．ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ、ＣｒａｎｆｉｅｌｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、２０１４年

ワイヤレス電力伝送技術は公知であるが、改善が所望される。したがって、新規なワイヤレス電力伝送システム、そのための送信機および受信機ならびに電力をワイヤレスで伝送する方法を提供することが目的である。

この「発明の概要」が、「発明を実施するための形態」に更に下記される簡略形態の概念の抜粋を導入するために設けられることが認識されるべきである。この「発明の概要」は、特許請求される対象の範囲を限定するために使用されるとは意図されない。

したがって、１つの態様において、スイッチモードゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）増幅器を備える負荷非依存インバータであって、スイッチモードＺＶＳ増幅器が、一対の回路であり、並列に配置される少なくとも１つのトランジスタおよび少なくとも１つのコンデンサと、トランジスタおよびコンデンサと直列に配置される少なくとも１つのインダクタとを備える、一対の回路と、一対の回路に接続される１つだけのＺＶＳインダクタと、ＺＶＳインダクタに接続されかつ少なくとも１つのインダクタおよび少なくとも１つの抵抗器と直列に配置される少なくとも一対のコンデンサとを備える、負荷非依存インバータが提供される。

１つまたは複数の実施形態において、負荷非依存インバータは、ＺＶＳインダクタに接続される少なくとも２つのコンデンサを備える。１つまたは複数の実施形態において、少なくとも２つのコンデンサは少なくとも１つのインダクタおよび抵抗器と直列に配置される。

１つまたは複数の実施形態において、スイッチモードＺＶＳ増幅器の特性インピーダンスに対して正規化された負荷抵抗の最小値が０．５８５と０．９７５との間である。

１つまたは複数の実施形態において、負荷非依存インバータのｑ値が０．７３９と１．２３１との間である。

１つまたは複数の実施形態において、負荷非依存インバータの特性インピーダンスに対して正規化された残留リアクタンスが０．１９４と０．３２３との間である。

１つまたは複数の実施形態において、負荷非依存インバータの電圧利得値が２．３４９と３．９１５との間である。

１つまたは複数の実施形態において、負荷非依存インバータの正規化出力電力が４．７００と７．８３４との間である。

１つまたは複数の実施形態において、負荷非依存インバータは定電圧出力を有する。１つまたは複数の実施形態において、負荷非依存インバータは５．６２５オームから無限または開路負荷の負荷範囲を有する。１つまたは複数の実施形態において、負荷非依存インバータは、負荷非依存インバータを定電圧出力から定電流出力に転換するように構成されるインピーダンスインバータ回路を更に備える。

１つまたは複数の実施形態において、負荷非依存インバータは定電流出力を有する。１つまたは複数の実施形態において、負荷非依存インバータはゼロオームまたは短絡負荷から９．３７５オームの負荷範囲を有する。

１つまたは複数の実施形態において、負荷非依存インバータは、金属物体を検出するように構成される。１つまたは複数の実施形態において、負荷非依存インバータは、負荷非依存インバータのトランジスタにわたる電圧のピーク値を測定するように構成されるピーク検出回路と、電圧のピーク値を閾値電圧と比較し、電圧のピーク値が閾値電圧を超えれば検出信号を出力するように構成される比較器とを更に備える。１つまたは複数の実施形態において、負荷非依存インバータは、ピーク検出回路による測定前に電圧のピーク値を変換するように構成される分圧器を更に備える。

１つまたは複数の実施形態において、スイッチモードＺＶＳ増幅器は無線周波（ＲＦ）増幅器である。

１つまたは複数の実施形態において、負荷非依存インバータはＥ級インバータである。

１つまたは複数の実施形態において、負荷非依存インバータは直流（ＤＣ）－交流（ＡＣ）インバータである。

別の態様によれば、スイッチモードゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）増幅器を備える負荷非依存インバータと、負荷非依存インバータに接続される送信コイルまたは電極であって、磁界または電界結合を介して受信機に電力を伝送するように構成される、送信コイルまたは電極とを備える送信機が提供される。

１つまたは複数の実施形態において、送信機は非共振であるまたは自己共振しない。

１つまたは複数の実施形態において、送信コイルは、磁界結合を介して電力を伝送するように構成される。

１つまたは複数の実施形態において、送信電極は、電界結合を介して電力を伝送するように構成される。

１つまたは複数の実施形態において、送信機は電源を更に備える。

１つまたは複数の実施形態において、送信機は、インバータによる受信前に電源からの電力信号を変換するように構成される電力コンバータを更に備える。

別の態様によれば、ワイヤレス電力伝送システムであって、スイッチモードゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）増幅器を備える負荷非依存インバータと、負荷非依存インバータに接続される送信コイルまたは電極であり、磁界または電界結合を介して受信機に電力を伝送するように構成される、送信コイルまたは電極とを備える送信機と、磁界または電界結合を介して受信機から電力を抽出するように構成される受信コイルまたは電極を備える受信機とを備える、ワイヤレス電力伝送システムが提供される。

１つまたは複数の実施形態において、送信機は非共振であるまたは自己共振せず、そして受信機は共振する。１つまたは複数の実施形態において、受信機は送信機の動作周波数で共振する。

１つまたは複数の実施形態において、送信コイルは、磁界結合を介して電力を伝送するように構成され、かつ受信コイルは、磁界結合を介して電力を抽出するように構成される。

１つまたは複数の実施形態において、送信電極は、電界結合を介して電力を伝送するように構成され、かつ受信電極は、電界結合を介して電力を抽出するように構成される。

１つまたは複数の実施形態において、受信機は、受信コイルまたは電極に接続される整流器を更に備える。

１つまたは複数の実施形態において、受信機は、受信コイルまたは電極に接続される負荷を更に備える。

ここで添付図面を参照しつつ実施形態がより完全に記載されることになる。

ワイヤレス電力伝送システムのブロック図である。共振磁気ワイヤレス電力伝送システムのブロック図である。共振電気ワイヤレス電力伝送システムのブロック図である。本開示の一態様による高周波磁気ワイヤレス電力伝送システムのブロック図である。図３の高周波磁気ワイヤレス電力伝送システムの誘導リンクの部分概略配置図である。図３の高周波磁気ワイヤレス電力伝送システムの送信機によって見られる等価回路の部分概略配置図である。図３の高周波磁気ワイヤレス電力伝送システムのＤＣ／ＡＣインバータの概略配置図である。図５のＤＣ／ＡＣインバータの等価回路である。図６の等価回路のシミュレーションの一連のグラフである。図５のＤＣ／ＡＣインバータの別の実施形態の概略配置図である。図５のＤＣ／ＡＣインバータの別の実施形態の概略配置図である。図５のＤＣ／ＡＣインバータの別の実施形態の概略配置図である。図５のＤＣ／ＡＣインバータの別の実施形態のブロック図である。図５のＤＣ／ＡＣインバータの別の実施形態のブロック図である。金属物体が存在するおよび存在しないときの図１２のＤＣ／ＡＣインバータのトランジスタでの電圧のグラフである。

上記の概要の他に、以下の特定の例の詳細な説明は、添付の図面と併せて読むと、より良く理解されるであろう。本明細書で使用される場合、単数形で導入されかつ単語「ａ」または「ａｎ」によって先行される要素または特徴は、必ずしも同要素または特徴の複数形を除外するわけではないとして理解されるべきである。更に、「１つの例」または「１つの実施形態」の参照は、記載される要素または特徴を同じく組み込む追加の例または実施形態の存在を除外するとして解釈されるとは意図されない。その上、そうでないと明記されない限り、特定の性質を有する一要素もしくは特徴または複数の要素もしくは特徴を「備える」または「有する」または「含む」例または実施形態は、その性質を有しない追加の要素または特徴を含み得る。また、用語「備える」、「有する」、「含む」が「限定されることなく含む」ことを意味し、かつ用語「備える」、「有する」および「含む」が同等の意味を有することが認識されるであろう。説明および図面全体を通して同様の要素を参照するために同様の参照符号が使用されることも認識されるであろう。

本明細書で使用される場合、用語「適合される」および「構成される」は、要素、部品または他の対象が所与の機能を行うように設計および／または意図されることを意味する。このように、用語「適合される」および「構成される」の使用は、所与の要素、部品または他の対象が単に所与の機能を行うこと「が可能」であることでなく、同要素、部品および／または他の対象が同機能を行う目的で特に選択、作成、実装、活用および／または設計されることを意味するものと解釈されるべきである。また、特定の機能を行うように適合されているとして記載される要素、部品および／または他の対象がその機能を行うように構成されているとして追加的または代替的に記載され得ること、ならびにその逆も本出願の範囲内である。同様に、特定の機能を行うように構成されているとして記載される対象がその機能を行うように動作しているとして追加的または代替的に記載され得る。

一要素が別の要素に「接して」、「取り付けられて」、「接続されて」、「結合されて」、「接触して」いる等と称されるとき、それは他の要素に直接接して、取り付けられて、接続されて、結合されて、もしくは接触していることができる、または介在要素が存在してもよいことが理解されるであろう。

単語「例示的な」の使用が、別段の記述がない限り、好適または最適設計または実装を意味するよりもむしろ、『例として』または『１つの例』を意味することが理解されるべきである。

別段の定めがない限り、本明細書で使用される全ての技術および科学用語は、本開示に関する当業者によって通例理解されるのと同じ意味を有する。

本開示の目的で、スイッチがオンおよびオフされる周波数としてスイッチング周波数ω_ｓが定義される。スイッチング周波数は、関数発生器などの外部信号源から供給されても、または発振器を使用して発生されてもよい。スイッチング周波数に基づくスイッチング信号がワイヤレス電力伝送システムの主「クロック」である。したがって、関連要素の全ての他の電圧および電流信号の基本周波数成分がスイッチング周波数に等しいことになる。

本開示の目的で、回路ネットワークがゼロ反応性インピーダンスを有する周波数として共振周波数ω_ｏが定義される。直列ＬＣＲ回路の共振周波数は式１によって与えられる：

式中、Ｌはインダクタンスであり、Ｃは静電容量である。

並列ＲＬＣ回路の共振周波数は式２によって与えられる：

式中、Ｒは負荷である。スイッチング周波数は必ずしも共振周波数に等しいわけではない。共振周波数より上の、それより下のまたはそれに等しいスイッチング周波数でインバータを動作させることによって異なる動作モードを得ることができる。

本開示の目的で、ＺＶＳは、トランジスタにわたる電圧がゼロであるときのオフ状態からオン状態へのトランジスタのスイッチングである。結果的に、このオフからオン状態への遷移の間に失われるエネルギーはない。実際には、遷移期間の有限時間により失われるエネルギーが多少ある。しかしながら、エネルギー損失は非ＺＶＳ回路より実質的に低い。ＺＶＳは、特にＭＨｚ周波数範囲で電力インバータの効率動作を可能にする。ＺＶＳは、或る値を持つコンデンサおよびインダクタなどの受動部品の組合せを使用することによって達成される。

本開示の目的で、インバータの共振ネットワークの特性インピーダンス（Ｚ_０）が式３によって与えられる：

式中、ωは周波数であり、Ｌはインバータの共振ネットワークのインダクタンスであり、Ｃは共振ネットワークの静電容量である。

ここで図１を参照すると、参照符号１００によって全体的に識別されるワイヤレス電力伝送システムが図示される。ワイヤレス電力伝送システム１００は、送信要素１１４に電気接続される電源１１２を備える送信機１１０、および負荷１２２に電気接続される受信要素１２４を備える受信機１２０を備える。電源１１２から送信要素１１４に電力が伝送される。電力は、次いで共振または非共振電界または磁界結合を介して送信要素１１４から受信要素１２４に伝送される。電力は、次いで受信要素１２４から負荷１２２に伝送される。

ここで図２Ａに移ると、ＩＰＴシステムが図示される。本実施形態において、ＩＰＴシステムは、参照符号２００によって全体的に識別される共振磁気ワイヤレス電力伝送システムである。共振磁気ワイヤレス電力伝送システム２００は、送信共振器２１４に電気接続される電源２１２を備える送信機２１０を備える。送信共振器２１４は送信共振器コイル２１６を備え、コンデンサ２１８を介して電源２１２に電気接続されている。磁気共振ワイヤレス電力伝送システム２００は、負荷２２２に電気接続される受信共振器２２４を備える受信機２２０を更に備える。受信共振器２２４は送信共振器２１４の共振周波数に同調される。受信共振器２２４は受信共振器コイル２２６を備えており、コンデンサ２２８を介して負荷２２２に電気接続されている。

共振磁気ワイヤレス電力伝送システム２００の動作の間、電源２１２からコンデンサ２１８を介して送信共振器コイル２１６に電力が伝送される。特に、コンデンサ２１８を介して送信共振器コイル２１６に伝送される電源２１２からの電力信号は送信共振器２１４を励起して、送信共振器２１４に磁界を発生させる。受信機２２０は、送信機２１０と同じ共振周波数に同調されており、磁界内に置かれると、受信共振器２２４が共振磁界結合を介して送信共振器２１４から電力を抽出する。抽出された電力は、次いで受信共振器２２４から負荷２２２に伝送される。電力伝送が非常に共振するので、送信共振器コイル２１６および受信共振器コイル２２６は、それぞれ非共振磁気システムの場合ほど近くに並んでいるまたは十分に整列される必要はない。送信共振器２１４が電界を発生させ得るが、電界結合を介して伝送される電力は、あるとしても僅かである。

ここで図２Ｂに移ると、別のＩＰＴシステムが図示される。本実施形態において、ＩＰＴシステムは、参照符号２５０によって全体的に識別される共振電気ワイヤレス電力伝送システムである。共振電気ワイヤレス電力伝送システム２５０は、送信共振器２６４に電気接続される電源２６２を備える送信機２６０を備える。送信共振器２６４は送信共振器電極２６６を備えており、送信共振器電極２６６は１つまたは複数のインダクタ２６８を介して電源２６２に電気接続されている。共振電気ワイヤレス電力伝送システム２５０は、負荷２７２に電気接続される受信共振器２７４を備える受信機２７０を更に備える。受信共振器２７４は送信共振器２６４の共振周波数に同調される。受信共振器２７４は受信共振器電極２７６を備えており、受信共振器電極２７６は１つまたは複数のインダクタ２７８を介して負荷２７２に電気接続されている。

共振電気ワイヤレス電力伝送システム２５０の動作の間、電源２６２からインダクタ２６８を介して送信共振器電極２６６に電力が伝送される。特に、インダクタ２６８を介して送信共振器電極２６６に伝送される電源２６２からの電力信号は送信共振器２６４を励起して、送信共振器２６４に電界を発生させる。受信機２７０は、送信機２６０と同じ共振周波数に同調されており、電界内に置かれると、受信共振器２７４が共振電界結合を介して送信共振器２６４から電力を抽出する。抽出された電力は、次いで受信共振器２７４から負荷２７２に伝送される。電力伝送が非常に共振するので、送信共振器電極２６６および受信共振器電極２７６は、それぞれ非共振電気システムの場合ほど近くに並んでいるまたは十分に整列される必要はない。送信共振器２６４が磁界を発生させ得るが、磁界結合を介して伝送される電力は、あるとしても僅かである。

ここで図３に移ると、本開示の一態様による、かつ参照符号３００として全体的に識別される高周波ワイヤレス電力伝送システムが図示される。高周波ワイヤレス電力伝送システム３００は、送信機３０２および受信機３０４を備える。後述するように、高周波ワイヤレス電力伝送システム３００は、非共振であるまたは自己共振しない送信機３０２から送信機３０２の動作周波数で共振する受信機３０４に電力を伝送することによって動作する。

送信機３０２は、後述するように高周波磁気誘導結合を介してワイヤレスで電力を伝送するように構成される。電界も発生され得るが、電界結合を介して伝送される電力は、あるとしても僅かである。

送信機３０２は、電源３０６、送信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３０８、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０および送信コイル３１２を備える。電源３０６は送信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３０８に電気接続される。電源３０６は、ＤＣ電力信号を発生させるように構成される。電源３０６は、送信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３０８にＤＣ電力信号を出力するように構成される。本実施形態において、ＤＣ電力信号は２４Ｖと４８Ｖとの間である。送信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３０８は電源３０６に電気接続される。送信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３０８はＤＣ／ＡＣインバータ３１０に電気接続される。送信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３０８はＤＣ／ＡＣインバータ３１０に電源３０６をインタフェースする。送信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３０８は、電源３０６からのＤＣ電力信号をＤＣ／ＡＣインバータ３１０への伝送のための電圧レベルに変換するように構成される。

ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は送信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３０８に電気接続される。ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は送信コイル３１２に電気接続される。ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は、送信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３０８からのＤＣ電力信号を正弦波無線周波数（ＲＦ）電力信号へ変換するように構成される。正弦波ＲＦ電力信号はＤＣ／ＡＣインバータ３１０から送信コイル３１２に出力される。

送信機３０２が送信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３０８を備えるとして記載されたが、当業者は他の構成が可能であることを認識するであろう。別の実施形態において、送信機３０２は送信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３０８を備えない。本実施形態において、電源３０６はＤＣ／ＡＣインバータ３１０に電気接続される。電源３０６は、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０に許容可能であるＤＣ電力信号を発生させるように構成される。

受信機３０４は、後述するように高周波磁気誘導結合を介して送信機３０２から電力を抽出するように構成される。電界も発生され得るが、電界結合を介して抽出される電力は、あるとしても僅かである。

受信機３０４は、受信コイル３１４、ＡＣ／ＤＣ整流器３１６、受信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３１８および負荷３２０を備える。受信コイル３１４はＡＣ／ＤＣ整流器３１６に電気接続される。受信コイル３１４は、高周波磁気結合を使用して送信コイル３１２を介して送信機３０２から電力を受信するように構成される。本実施形態において、受信コイル３１４は送信コイル３１２と同一の寸法および巻数を有する。

ＡＣ／ＤＣ整流器３１６は受信コイル３１４に電気接続される。ＡＣ／ＤＣ整流器３１６は受信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３１８に電気接続される。ＡＣ／ＤＣ整流器３１６は、受信コイル３１４からの正弦波ＲＦ電力信号をＤＣ電力信号に変換するように構成される。ＡＣ／ＤＣ整流器３１６は、受信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３１８にＤＣ電力信号を出力するように構成される。

受信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３１８はＡＣ／ＤＣ整流器３１６に電気接続される。受信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３１８は負荷３２０に電気接続される。ＤＣ電力信号はＡＣ／ＤＣ整流器３１６から受信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３１８に出力される。受信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３１８は負荷３２０にＡＣ／ＤＣ整流器３１６をインタフェースする。受信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３１８は、受信したＤＣ電力信号を変換するように構成される。変換されたＤＣ電力信号は受信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３１８から負荷３２０に出力される。負荷３２０は受信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３１８に電気接続される。負荷３２０は固定または可変負荷でよい。

受信機３０４が受信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３１８を備えるとして記載されたが、当業者は他の構成が可能であることを認識するであろう。別の実施形態において、受信機３０４は受信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３１８を備えない。本実施形態において、ＡＣ／ＤＣ整流器３１６は負荷３２０に電気接続される。ＡＣ／ＤＣ整流器３１６は、負荷３２０に許容可能であるＤＣ電力信号を発生させるように構成される。

送信機３０２は所与の周波数で動作する。本実施形態において、送信機３０２の動作周波数は１３．５６ＭＨｚである。更には、本実施形態において、送信コイル３１２および受信コイル３１４は各々２３．４ｃｍ×２６．２ｃｍの寸法を有する。コイル３１２および３１４は、各々ＦＲ４プリント回路板（ＰＣＢ）上で１４ｍｍの幅を有する２巻きの銅トレースから成る。コイル３１２および３１４は約１．５０ｕＨのインダクタンスを有する。送信コイル３１２によって見られる反射負荷は、無負荷３２０において０オームから全負荷３２０において７オームまで変動する。負荷３２０によって必要とされる最大電力は３０Ｗである。

受信機３０４は所与の周波数で動作する。本実施形態において、受信機３０４の動作周波数は送信機３０２の動作周波数である。本実施形態において、受信機３０４の動作周波数は１３．５６ＭＨｚである。

前述したように、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は、送信機ＤＣ／ＤＣコンバータ３０８からのＤＣ電力信号を正弦波ＲＦ電力信号へ変換するように構成される。正弦波ＲＦ電力信号はＤＣ／ＡＣインバータ３１０から送信コイル３１２に出力される。

特に、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は正弦波交流（ＡＣ）で送信コイル３１２を駆動する。送信コイル３１２は、誘導（磁）界を発生させるように、そして高周波誘導（磁）界結合を介して電力を伝送するように構成される。ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は、ＤＣ入力電圧を受け、それを高周波ＡＣ電流に変換して、送信コイル３１２を駆動する。

ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は、負荷条件の変化、システム３００の配置の変化および、システム３００の近くの金属性物体の存在などの外部距離（すなわち環境影響）によって影響される。したがって、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０がこれらの変化に対してロバストかつ耐性があること、およびＤＣ／ＡＣインバータ３１０がＭＨｚ周波数において動作することも望ましい。

前述したように、Ｅ級およびＥＦ_２級インバータは、チョークの代わりに有限ＤＣインダクタと使用されるときに負荷抵抗が変動するにつれて、それらがＺＶＳを達成して定出力電圧を生成するように設計され得る。そのような設計は、Ｅ級またはＥＦ_２級インバータが効率的に動作し得る負荷範囲を無限負荷抵抗（開路）から或る最小負荷抵抗まで拡張し得る。これらの設計が、高周波ＤＣ／ＤＣコンバータなどの幾つかの応用例に適用され得るが、それらは一般に、高周波ワイヤレス電力伝送システム３００では、コイル３１２と３１４との間の距離が変化するので、かつコイル３１２および３１４が互いから完全に分離されているゼロ抵抗（短絡）からコイル３１２および３１４が互いに最も近づいている或る最大負荷抵抗まで負荷が及ぶので、効率的に使用できない。

更には、数十ＭＨｚで動作するＩＰＴシステムの一部の応用例では、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０のトポロジーは、関連部分が参照により本明細書に組み込まれる「Ｌｏａｄ－ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＣｌａｓｓＥ／ＥＦＩｎｖｅｒｔｅｒｓａｎｄＲｅｃｔｉｆｉｅｒｓｆｏｒＭＨｚ－ＳｗｉｔｃｈｉｎｇＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」Ｓ．Ａｌｄｈａｈｅｒ、Ｄ．Ｃ．ＹａｔｅｓおよびＰ．Ｄ．Ｍｉｔｃｈｅｓｏｎ著、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎ．、第３３巻、第１０号、８２７０～８２８７頁、２０１８年１０月ならびに「ＭａｘｉｍｉｚｉｎｇＤＣ－ｔｏ－ｌｏａｄＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙｆｏｒＩｎｄｕｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｆｅｒ」Ｍ．Ｐｉｎｕｅｌａ、Ｄ．Ｃ．Ｙａｔｅｓ、Ｓ．ＬｕｃｙｓｚｙｎおよびＰ．Ｄ．Ｍｉｔｃｈｅｓｏｎ著、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎ．、第２８巻、第５号、２４３７～２４４７頁、２０１３年５月に記載されているように、Ｅ級またはＥ_２級構成に基づく。これらの構成は電力効率的でありかつ構築しやすいが、それらが最適なスイッチング動作を維持できるのは固定負荷に対してだけであり、したがって負荷値に非常に依存している。

結果的に、これは、Ｅ級またはＥＦ_２級ＤＣ／ＡＣインバータを持つＩＰＴシステムを制限し、効率的に機能するのは、固定されたコイル分離距離で狭い負荷範囲に対してだけである。

Ｅ級またはＥＦ_２級構成に基づくインバータを使用するときの前述した課題を克服するために、かつ送信コイル３１２と受信コイル３１４との間の可変距離を可能にするために、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は負荷非依存である。負荷非依存ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は、Ｅ級およびＥＦ級インバータが負荷抵抗値に関係なくＺＶＳを達成することによって効率動作を維持できるようにする。加えて、典型的なＥ級およびＥＦ_２級とは異なり、負荷非依存Ｅ級およびＥＦ級インバータは、ＩＰＴ応用例に更に適切である負荷と共に変化しない定出力ＡＣ電圧または電流を供給できる。

ＤＣ／ＡＣインバータ３１０の設計を考えるときコイル３１２と３１４との間の結合および／または誘導リンクの効率に関する議論が有益である。前述したように、高周波ワイヤレス電力伝送システム３００は、送信機３０２および受信機３０４を備える。送信機３０２は、他の要素もある中で、送信コイル３１２を備え、そして受信機３０４は、他の要素もある中で、受信コイル３１４を備える。

コイル３１２および３１４は或る間隙だけ互いから分離される。送信コイル３１２は、或る固定周波数、送信機３０２の動作周波数で正弦波ＡＣにより駆動される。交番磁界が発生され、受信コイル３１４に結合して、送信コイル３１２における電流の同じ周波数で受信コイル３１４の端子にわたって正弦波電圧を誘導する。負荷３２０など、受信コイル３１４の端子にわたって接続されるいかなる負荷も、結果として負荷へ電流が流れ込むことになる。結合係数ｋは、式４に定義されるように２つのコイル３１２と３１４との間の結合量を示す：

式中、Ｌ_ｐは送信コイル３１２のインダクタンスであり、Ｌ_ｓは受信コイル３１４のインダクタンスであり、Ｍはコイル３１２と３１４との間の相互インダクタンスである。

ここで図４Ａに移ると、高周波磁気ワイヤレス電力伝送システム３００の誘導リンクの部分概略配置図が図示される。図４Ａは、２つの結合されたコイル３１２および３１４の回路表現を含む。抵抗Ｒ_Ｌを持つ抵抗器４０２がＡＣ負荷抵抗を表す。受信コイル３１４を動作周波数で共振させるために、静電容量Ｃ_ｓを持つコンデンサ４０４が受信コイル３１４と直列に接続される。送信コイル３１２によって見られる反射インピーダンスＺ_Ｒｅｆは式５によって与えられる：

式中、Ｍはコイル３１２と３１４との間の相互インダクタンスであり、ωは動作周波数であり、ｊＸ_Ｌｓは動作の周波数での受信コイル３１４のインピーダンスであり、ｊＸ_Ｃｓは動作の周波数での直列コンデンサ４０４のインピーダンスである。

反射インピーダンスは、実負荷のどれくらいが送信機３０２によって見られるかの尺度である。それは、コイル３１２と３１４との間の相互インダクタンスの関数であり、コイル３１２と３１４との間の距離によって影響される。コイル３１２および３１４が互いに近いほど、相互インダクタンスは高く、そして反射インピーダンスは高い。コイル３１２および３１４が互いから遠く離れるほど、相互インダクタンスは低く、そして反射インピーダンスは低い。

式５に示されるように、反射インピーダンスは、負荷抵抗および受信コイル３１４のインピーダンスの大きさに反比例する。反射インピーダンスを最大化することは、電力がより低い電流で負荷３２０に供給されることを可能にする。更には、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は、より低い電流で動作でき、それ故より低い伝導および抵抗損ならびに高効率を有する。

式５の反射インピーダンスは、受信コイル３１４のリアクタンス項Ｘ_ＬＳを相殺することによって最大化され得る。リアクタンス項は送信機３０２に対する抵抗負荷を反映する。これは、リアクタンス項を１／（ω^２Ｌ_ｓ）に等しく設定することによって動作周波数で行うことができる。この容量値により、式５は式６になる：

ここで図４Ｂに移ると、高周波磁気ワイヤレス電力伝送システム３００の送信機３０２によって見られる等価回路の部分概略配置図が図示される。図４Ｂは、共振（すなわちｊＸ_Ｌｓ＝ｊＸ_Ｃｓ）で同調される受信コイル３１４と動作するときの送信コイル３１２の等価回路を図示する。回路は、インダクタンスＬ_ｐを持つインダクタ４０６および抵抗Ｒ_Ｒｅｆを持つ抵抗器４０８を備える。式６に見られるように、直列共振を使用するとき、反射インピーダンスは、負荷抵抗値に関係なく抵抗性のままである。これは、関連部分が参照により本明細書に組み込まれる「ＩｎｄｕｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒｉｎｇ：ＢａｓｉｃＴｈｅｏｒｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ」Ｋ．Ｖ．ＳｃｈｕｙｌｅｎｂｅｒｇｈおよびＲ．Ｐｕｅｒｓ著、第１版ＳｐｒｉｎｇｅｒＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ、２００９年に記載されているように、並列同調受信コイル３１４または二次コイルの場合とは異なる。

反射インピーダンスが抵抗性のままであり、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０が最適な動作条件から離調されないことを保証する。直列共振は、しかしながら受信コイル３１４の寄生容量が動作の間共振するコンデンサＣ_ｓへ吸収されないので動作の最大周波数を制限し得る。

前述したように、受信コイル３１４は共振または近共振で動作していてよいが、送信コイル３１２は共振で動作していない（すなわち送信コイル３１２は自己共振しない）。これは、送信コイル３１２が共振で動作している多くのＩＰＴシステムとは対照的である。

以上の式から、高周波ワイヤレス電力伝送システム３００のリンク効率が決定され得る。高周波ワイヤレス電力伝送システム３００のリンク効率は、ＡＣ二次負荷（負荷３２０）に供給された電力を送信コイル３１２への電力入力で割ったものとして定義される。受信コイル３１４が共振でかつ最大効率のための最適負荷と動作すると、リンク効率（ｎ）は式７によって与えられる：

式中、Ｑ_ＬｐおよびＱ_Ｌｓは、それぞれ送信コイル３１２および受信コイル３１４の無負荷品質係数である。

ここで図５に移ると、高周波磁気ワイヤレス電力伝送システム３００のＤＣ／ＡＣインバータ３１０の概略図が図示される。ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は、ＺＶＳを維持しつつ負荷に関係なく定振幅を持つＡＣ出力電圧を発生させるように構成される。

前述したように、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は負荷非依存である。本実施形態において、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０はプッシュプルインバータである。本実施形態において、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０はＥ級インバータである。ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は電圧モード出力を有する。電圧モード出力は、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０が定電圧出力を有することを示す。

ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は、後述するようにスイッチモードＺＶＳ増幅器を備える。増幅器は無線周波（ＲＦ）増幅器である。

図５に図示されるように、スイッチモードＺＶＳ増幅器は、入力電圧Ｖ_ｉｎを受ける、インダクタンスＬ_１およびＬ_２をそれぞれ持つ直列インダクタ５０２および５１８を備える。各インダクタ５０２、５１８は、それぞれトランジスタ５１２および５２０（Ｑ_１およびＱ_２）（またはスイッチ）ならびにコンデンサ５１４および５２２の組合せに直列に接続される。コンデンサ５１４および５２２は、それぞれ静電容量Ｃ_１およびＣ_２を有する。具体的には、トランジスタ５１２およびコンデンサ５１４は並列に配置され、かつインダクタ５０２に接続される。トランジスタ５２０およびコンデンサ５２２は並列に配置されかつインダクタ５１８に接続される。両トランジスタ５１２、５２０およびコンデンサ５１４、５２２対は接地される。インダクタンスＬ_ＺＶＳを持つインダクタ５１６がインダクタ５０２と５１８との間に並列に接続される。インダクタンスＬ_ＲＥＳａを持つインダクタ５３２、静電容量Ｃ_３ａを持つコンデンサ５０４、インダクタンスＬ_３を持つインダクタ５０６、抵抗Ｒ_Ｌを持つ抵抗器５０８、静電容量Ｃ_３ｂを持つコンデンサ５１０およびインダクタンスＬ_ＲＥＳｂを持つインダクタ５３４が直列に配置されかつインダクタ５１６に並列に接続される。インダクタ５０６は送信コイル３１２のインダクタンスを表し、そして抵抗器５０８は受信コイル３１４の反射負荷を表す。インダクタ５３２、５３４は受信コイル３１４の残留インダクタンスを表す。

ＤＣ／ＡＣインバータ３１０のための設計方程式を導出するために、関連部分が参照により本明細書に組み込まれる「Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｗｉｔｃｈｅｄ－ｍｏｄｅｃｉｒｃｕｉｔｓｆｏｒｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｉｎｋｓ」Ｓ．Ａｌｄｈａｈｅｒ著、Ｐｈ．Ｄ．ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ、ＣｒａｎｆｉｅｌｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、２０１４年に記載されているような状態空間モデリングアプローチが使用された。

状態空間モデリングアプローチに従って、図５に例示されるＤＣ／ＡＣインバータ３１０の等価回路が生成された。ここで図６に移ると、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０の等価回路が図示される。図６に図示されるように、電圧Ｖ_ｉｎを持つ２つの電圧源６０２および６２２が、等価回路の両側においてインダクタンスＬ_１を持つ２つのインダクタ６０４および６２４へ信号を送る。具体的には、一方の電圧源６０２は一方のインダクタ６０４へ給電し、そして別の電圧源６２２は別のインダクタ６２４へ給電する。各電圧源６０２、６２２およびインダクタ６０４、６２４対は、並列配置の抵抗Ｒ_１またはＲ_２をそれぞれ有する抵抗器６０６または６２６に接続される。各電圧源６０２、６２２およびインダクタ６０４、６２４対は並列配置のコンデンサ６０８、６２８に更に接続される。各コンデンサは静電容量Ｃ_１を有する。具体的には、電圧源６０２およびインダクタ６０４対は抵抗器６０６およびコンデンサ６０８に接続される。他方の電圧源６２２およびインダクタ６２４対は抵抗器６２６およびコンデンサ６２８に接続される。インダクタ６０４および６２４は、インダクタンスＬ_ＺＶＳを有するインダクタ６１０および抵抗Ｒ_ＬＺＶＳを有する抵抗器６１２に直列に接続される。インダクタ６１０および抵抗器６１２は、静電容量Ｃ_３を有するコンデンサ６１４、インダクタンスＬ_３を有するインダクタ６１６および抵抗Ｒ_Ｌを有する抵抗器６１８に並列に接続される。コンデンサ６１４、インダクタ６１６および抵抗器６１８は出力ネットワークを形成する。コンデンサ６１４の静電容量Ｃ_３はコンデンサ５０４および５１０の静電容量（Ｃ_３ａおよびＣ_３ｂ）の和に等しい。図５のトランジスタ５１２および５２０は、抵抗Ｒ_１およびＲ_２をそれぞれ有する抵抗器６０６および６２６と置き換えられた。

図６の等価回路は負荷値Ｒ_Ｌ＝６．２５、１２．５、２５および１００オームに対してシミュレートされた。これらのシミュレーションの結果が図７のグラフに図示される。図７に図示されるように、入力電圧Ｖ_ｉｎに対するトランジスタ／スイッチ５１２の電圧の比は、負荷値Ｒ_Ｌが６．２５オームに等しいときに最大化される。同様に、入力電圧Ｖ_ｉｎに対するトランジスタ／スイッチ５２０の電圧の比は、負荷値Ｒ_Ｌが６．２５オームに等しいときに最大化される。

更には、図７に図示されるように、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は、開路負荷条件から最小負荷抵抗まで異なる負荷条件に対してＺＶＳを維持する。負荷にわたる出力ＡＣ電圧の振幅および位相は、負荷値に関係なく一定のままである。様々な波形の形状が変化し得るが、ＺＶＳは略維持され、そして出力電圧の振幅および位相は略一定である。追加的に、ターンオフ時のトランジスタ５１２および５２０における電流は、負荷抵抗が減少するので負の勾配を有する。ターンオフ時の負の勾配は、トランジスタ５１２および５２０のターンオフ時間を最小化し得、かつ寄生インダクタンスの影響を打ち消し得る。

前述したように、図６の等価回路のための設計方程式を導出するために状態空間モデリングアプローチが使用された。論じられる設計方程式は、負荷インピーダンス、共振器インピーダンス、動作の周波数および入力ＤＣ電圧などの特定の一組の要件に対してＡＣ／ＤＣインバータ３１０を構築するために使用され得る。以下の設計方程式が導出された：ｑ値、残留リアクタンスＸ_ｒｅｓ、電圧利得、負荷抵抗Ｒ_Ｌおよび出力電力Ｐ_ｏｕｔ。

ＤＣ／ＡＣインバータ３１０の共振周波数を動作の周波数に設定するｑ値は式８によって与えられる：

ｑ値は各インバータクラスおよびトポロジーに特有である。１３．５６ＭＨｚの動作周波数および高周波ワイヤレス電力伝送システム３００の最適性能のために、ｑ値は約０．９８５である。送信機３０２が非共振である（または自己共振しない）ので、これは予期されており、ｑ値は１に等しいべきでない。

ｑ値が厳密に０．９８５に等しくなくてもよく、それでも高周波ワイヤレス電力伝送システム３００は機能し得るが、しかしながら負荷範囲が縮小されかつ性能が負に影響されることを当業者は認識するであろう。一部の実施形態において、ｑ値は０．９８５のプラスマイナス２５％（例えば約０．７３９～１．２３１）ほども変動してよく、それでも許容可能な性能を提供する。

コンデンサ６１４、インダクタ６１６および抵抗器６１８から成り、コンデンサ６１４の静電容量Ｃ_３がコンデンサ５０４およびコンデンサ５１０の静電容量の和に等しい（Ｃ_３＝Ｃ_３ａ＋Ｃ_３ｂ）出力ネットワークは送信機３０２の共振周波数に同調されない。結果的に、出力ネットワークは、式９によって与えられる動作の周波数での残留リアクタンスＸ_ｒｅｓを有することになる：

ｑ値と同様に、Ｘ_ｒｅｓの値はインバータクラスおよびトポロジーに対して特有である。ＡＣ／ＤＣインバータ３１０の場合、インバータ３１０の特性インピーダンスに対して正規化されたＸ_ｒｅｓの比は式１０によって与えられる：

送信機３０２が非共振である（または自己共振しない）ので、これは予期されており、Ｘ_ｒｅｓ値はゼロ（０）に等しいべきでない。記載されないが、図５におけるインダクタ５３２、５３４によって表されるように残留インダクタンスも存在し得ることを当業者は認識するであろう。

Ｘ_ｒｅｓ値が厳密に０．２５８に等しくなくてもよく、それでも高周波ワイヤレス電力伝送システム３００は機能し得るが、しかしながら性能が負に影響されることを当業者は認識するであろう。一部の実施形態において、Ｘ_ｒｅｓ値は０．２５８のプラスマイナス２５％（例えば約０．１９４～０．３２３）ほども変動してよく、それでも許容可能な性能を提供する。

ＡＣ／ＤＣインバータ３１０の特性インピーダンスは式１１によって与えられる：

電圧利得は、入力ＤＣ電圧Ｖ_ＩＮに対する負荷Ｒ_ＬにわたるＡＣ電圧の振幅の比である。このＡＣ／ＤＣインバータ３１０の場合、電圧利得は式１２によって与えられる：

１３．５６ＭＨｚの動作周波数および高周波ワイヤレス電力伝送システム３００の最適性能のために、電圧利得は約３．１３２である。

電圧利得値が厳密に３．１３２に等しくなくてもよく、それでも高周波ワイヤレス電力伝送システム３００は機能し得るが、しかしながら性能が負に影響されることを当業者は認識するであろう。一部の実施形態において、電圧利得値は３．１３２のプラスマイナス２５％（例えば約２．３４９～３．９１５）ほども変動してよく、それでも許容可能な性能を提供する。

前述したように、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は電圧モード出力、すなわち定電圧出力を有する。ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は、負荷抵抗Ｒ_Ｌが｛Ｒ_Ｌｍｉｎ， ∞｝の範囲にあるときに効率的に動作し得る。負荷抵抗Ｒ_ＬがＲ_Ｌｍｉｎより下に減少すれば、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０はもはや効率的に動作しないことになり、すなわちＺＶＳ動作が失われることになり、そしてＤＣ／ＡＣインバータ３１０の出力電圧は変動することになる。

これは、トランジスタにわたる電圧がゼロボルトより下に振れることになるからであり、実際にはトランジスタＱ_１およびＱ_２のボディダイオードが導通し、したがってＤＣ／ＡＣインバータ３１０の動作を阻害することを意味する。最小負荷抵抗Ｒ_Ｌｍｉｎは、ＤＣ／ＡＣインバータが（電圧モードで動作するときに）最大電力を供給できる負荷に相当する。ここで、特性インピーダンスＺ_０に対して正規化されたＲ_Ｌｍｉｎの値が式１３によって与えられる：

正規化されたＲ_Ｌｍｉｎの値が厳密に０．７８０に等しくなくてもよく、それでも高周波ワイヤレス電力伝送システム３００は機能し得るが、しかしながら性能が負に影響されることを当業者は認識するであろう。一部の実施形態において、正規化されたＲ_Ｌｍｉｎの値は０．７８０のプラスマイナス２５％（例えば０．５８５と０．９７５との間）ほども変動してよく、それでも許容可能な性能を提供する。

式１２および式１３を結合して、特定の入力ＤＣ電圧に対する最小負荷抵抗でのＤＣ／ＡＣインバータ３１０の出力電力Ｐ_ｏｕｔが決定され得る。正規化された出力電力Ｐ_ｏｕｔが式１４によって与えられる：

正規化された出力電力Ｐ_ｏｕｔが厳密に６．２６７に等しくなくてもよく、それでも高周波ワイヤレス電力伝送システム３００は機能し得るが、しかしながら性能が負に影響されることを当業者は認識するであろう。一部の実施形態において、正規化された出力電力Ｐ_ｏｕｔは６．２６７のプラスマイナス２５％（例えば約４．７００～７．８３４）ほども変動してよく、それでも許容可能な性能を提供する。

導出された設計方程式に従ってＤＣ／ＡＣインバータ３１０を実装することで、他の構成より効率的でロバストであるＤＣ／ＡＣインバータを生じる。特に、Ｔａｂｌｅ１（表１）はＤＣ／ＡＣインバータ３１０と他の構成との間の相違の一覧を示す。

動作に際し、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は、負荷と共に変化しない一定のＡＣ電圧または電流を発生させる。前述したように、本実施形態において、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は電圧モード出力を有するので、一定のＡＣ電圧が発生される。

ＤＣ／ＡＣインバータ３１０の反射抵抗は、送信コイル３１２と受信コイル３１４との間に結合がないときに、または受信機３０４が無負荷であるときにゼロ（０）である。しかしながら、動作に際し、コイル３１２と３１４との間に結合があるので反射抵抗が存在する。具体的には、コイル３１２と３１４との間の結合が増加するにつれて、反射抵抗は増加する。ＤＣ／ＡＣインバータ３１０の出力電流を調整するために電流感知およびフィードバックシステムが使用され得る。

後述するように、電流感知およびフィードバックシステムの代わりに、反射抵抗を除去するために電圧モード出力（定電圧出力）は電流モード出力（定電流出力）に転換されてよい。

特定のＤＣ／ＡＣインバータ３１０が記載されたが、当業者は他の構成が可能であることを認識するであろう。ここで図８に移ると、参照符号８００によって全体的に識別されるＤＣ／ＡＣインバータの別の実施形態の概略配置図が図示される。本実施形態において、ＤＣ／ＡＣインバータ８００は、負荷非依存回路８０２およびインピーダンスインバータ回路８０４を備える。ＤＣ／ＡＣインバータ８００は電流モード出力（定出力電流）である。

負荷非依存回路８０２は、入力ＤＣ信号を出力ＡＣ信号へ変換するように構成される。負荷非依存回路８０２は電圧モード出力（定出力電圧）である。負荷非依存回路８０２は、電圧Ｖ_ｉｎを有する入力電圧を受ける、インダクタンスＬ_１およびＬ_２をそれぞれ有するインダクタ８１０、８３０を備える。各インダクタ８１０、８３０は、それぞれ、トランジスタ８１２、８３２（Ｑ_１およびＱ_２）、ならびにそれぞれ、静電容量Ｃ_１、Ｃ_２をそれぞれ有するコンデンサ８１４、８３４の組合せに直列に接続される。具体的には、トランジスタ８１２およびコンデンサ８１４は並列に配置され、かつインダクタ８１０に接続される。トランジスタ８３２およびコンデンサ８３４は並列に配置されかつインダクタ８３０に接続される。両トランジスタ８１２、８３２およびコンデンサ８１４、８３４対は接地される。インダクタンスＬ_ＺＶＳを有するインダクタ８４０がインダクタ８１０、８３０間に並列に接続される。

インピーダンスインバータ回路８０４は、負荷非依存回路８０２を電圧モード出力（定出力電圧）から電流モード出力（定出力電流）に転換するように構成される。インピーダンスインバータ回路８０４は、インダクタンスＬ_ＲＥＳａ＋Ｌ_３ａ、Ｌ_ＲＥＳｂ＋Ｌ_３ｂおよびＬ_３をそれぞれ有するインダクタ８５０、８５２、８６０、静電容量Ｃ_３を有するコンデンサ８７０、ならびに抵抗Ｒ_Ｌを有する抵抗器８８０を備える。インダクタ８５０、８５２はインダクタ８４０に直列に接続される。インダクタンスＬ_３はインダクタンスＬ_３ａおよびインダクタンスＬ_３ｂに等しい（Ｌ_３＝Ｌ_３ａ＋Ｌ_３ｂ）。インダクタンスＬ_ＲＥＳａおよびＬ_ＲＥＳｂは残留インダクタンスを表す。

図５に図示されるＡＣ／ＤＣインバータ３１０と対照的に、コンデンサ８７０はインダクタ８４０と並列に接続される。インダクタ８６０および抵抗器８８０は直列に接続され、そして合わせてそれらはコンデンサ８７０と並列に接続される。インダクタ８６０における出力電流が式１５によって与えられる：

前述したように、インダクタンスＬ_３の値は式１６によって与えられる。

インダクタ８６０における電流は反射負荷に関係なく一定である。インピーダンスインバータ回路８０４が負荷非依存回路８０２の出力を電圧モード出力（定出力電圧）から電流モード出力（定出力電流）に変換するように構成されるが、出力電流の値は入力電圧および送信コイル３１２のインダクタンスに依存している。出力電流は、入力電圧か送信コイル３１２のインダクタンスかを変化させることなく変化させることができない。

特定のＤＣ／ＡＣインバータ３１０および８００が記載されたが、当業者は他の構成が可能であることを認識するであろう。ここで図９に移ると、参照符号９００によって全体的に識別されるＤＣ／ＡＣインバータの別の実施形態の概略配置図が図示される。本実施形態において、ＤＣ／ＡＣインバータ９００は、負荷非依存回路９０２およびインピーダンスインバータ回路９０４を備える。ＤＣ／ＡＣインバータ９００は電流モード出力（定出力電流）である。

負荷非依存回路９０２は、入力ＤＣ信号を出力ＡＣ信号へ変換するように構成される。負荷非依存回路９０２は電圧モード出力（定出力電圧）である。負荷非依存回路９０２は、電圧Ｖ_ｉｎを有する入力電圧を受ける、インダクタンスＬ_１およびＬ_２を有するインダクタ９１０、９３０を備える。各インダクタ９１０、９３０は、それぞれ、トランジスタ９１２、９３２（Ｑ_１およびＱ_２）ならびにそれぞれ、コンデンサ９１４、９３４の組合せに直列に接続される。コンデンサ９１４、９３４は、それぞれ静電容量Ｃ_１およびＣ_２を有する。具体的には、トランジスタ９１２およびコンデンサ９１４は並列に配置され、かつインダクタ９１０に接続される。トランジスタ９３２およびコンデンサ９３４は並列に配置されかつインダクタ９３０に接続される。両トランジスタ９１２、９３２およびコンデンサ９１４、９３４対は接地される。インダクタンスＬ_ＺＶＳを有するインダクタ９４０がインダクタ９１０、９３０間に並列に接続される。

インピーダンスインバータ回路９０４は、負荷非依存回路９０２を電圧モード出力（定出力電圧）から電流モード出力（定出力電流）に転換するように構成される。インピーダンスインバータ回路９０４はＴネットワーク回路構成を有する。インピーダンスインバータ回路９０４は、インダクタンスＬ_ＲＥＳａ＋Ｌ_３ａ、Ｌ_ＲＥＳｂ＋Ｌ_３ｂおよびＬ_３をそれぞれ有するインダクタ９５０、９５２、９７６、静電容量Ｃ_３ａを各々有するコンデンサ９５４、９５８、静電容量Ｃ_３ｂを各々有するコンデンサ９５６、９６０、静電容量Ｃ_４を有するコンデンサ９７０、ならびに抵抗Ｒ_Ｌを有する抵抗器９８０を備える。インダクタンスＬ_３はインダクタンスＬ_３ａおよびインダクタンスＬ_３ｂに等しい（Ｌ_３＝Ｌ_３ａ＋Ｌ_３ｂ）。インダクタンスＬ_ＲＥＳａおよびＬ_ＲＥＳｂは残留インダクタンスを表す。各インダクタ９５０、９５２は、それぞれコンデンサ９５４、９５６に直列に接続される。インダクタ／コンデンサ対９５０、９５４および９５２、９５６は、負荷非依存回路９０２のインダクタ９４０の両端に接続される。コンデンサ９７０はインダクタ９４０と並列に接続される。更に、コンデンサ９５８、インダクタ９７６、抵抗器９８０およびコンデンサ９６０は直列に接続され、そして合わせてそれらはコンデンサ９７０に並列に接続される。静電容量Ｃ_３は静電容量Ｃ_４に依存しており、式１７によって与えられる：

インダクタ９７６における出力電流が式１８によって与えられる：

式１８に示されるように、インダクタ９７６における出力電流はコンデンサ９７０の静電容量Ｃ_４および入力電圧Ｖ_ｉｎに依存している。

前述したように、インダクタ９７６のインダクタンスＬ_３は式１９によって与えられる。

しかしながら、静電容量Ｃ_３は式２０によって与えられる：

特定のＤＣ／ＡＣインバータ３１０、８００および９００が記載されたが、当業者は他の構成が可能であることを認識するであろう。ここで図１０に移ると、参照符号７００によって全体的に識別されるＤＣ／ＡＣインバータの別の実施形態の概略配置図が図示される。本実施形態において、ＤＣ／ＡＣインバータ７００は、負荷非依存回路７０２およびインピーダンスインバータ回路７０４を備える。ＤＣ／ＡＣインバータ７００は電流モード出力（定出力電流）である。

負荷非依存回路７０２は、入力ＤＣ信号を出力ＡＣ信号へ変換するように構成される。負荷非依存回路７０２は電圧モード出力（定出力電圧）である。負荷非依存回路７０２は、電圧Ｖ_ｉｎを有する入力電圧を受ける、インダクタンスＬ_１およびＬ_２を有するインダクタ７１０、７３０を備える。各インダクタ７１０、７３０は、それぞれトランジスタ７１２、７３２（Ｑ_１およびＱ_２）ならびにそれぞれ、コンデンサ７１４、７３４の組合せに直列に接続される。コンデンサ７１４、７３４は、それぞれ静電容量Ｃ_１およびＣ_２を有する。具体的には、トランジスタ７１２およびコンデンサ７１４は並列に配置され、かつインダクタ７１０に接続される。トランジスタ７３２およびコンデンサ７３４は並列に配置されかつインダクタ７３０に接続される。両トランジスタ７１２、７３２およびコンデンサ７１４、７３４対は接地される。インダクタンスＬ_ＺＶＳを有するインダクタ７４０がインダクタ７１０、７３０間に並列に接続される。

インピーダンスインバータ回路７０４は、負荷非依存回路７０２を電圧モード出力（定出力電圧）から電流モード出力（定出力電流）に転換するように構成される。インピーダンスインバータ回路９０４と対照的に、インピーダンスインバータ回路７０４はパイネットワーク回路構成を有する。インピーダンスインバータ回路７０４は、インダクタンスＬ_ＲＥＳａ＋Ｌ_３ａ、Ｌ_ＲＥＳｂ＋Ｌ_３ｂおよびＬ_３をそれぞれ有するインダクタ７５０、７５２、７７０、静電容量Ｃ_４ａ、Ｃ_４ｂをそれぞれ有するコンデンサ７６０、７６２、ならびに抵抗Ｒ_Ｌを有する抵抗器７８０を備える。静電容量Ｃ_３ａを有するコンデンサ７６４がインダクタ７５０、７５２に並列に接続される。静電容量Ｃ_３ｂを有するコンデンサ７６６がコンデンサ７６０、７６２に並列に接続される。インダクタ７７０および抵抗器７８０は直列に接続され、そしてこれらは合わせてコンデンサ７６６に並列に接続される。

インダクタンスＬ_３はインダクタンスＬ_３ａおよびインダクタンスＬ_３ｂに等しい（Ｌ_３＝Ｌ_３ａ＋Ｌ_３ｂ）。インダクタンスＬ_ＲＥＳａおよびＬ_ＲＥＳｂは残留インダクタンスを表す。静電容量Ｃ_３ａは静電容量Ｃ_３ｂに等しくかつ静電容量Ｃ_３に等しい。静電容量Ｃ_３とＣ_４との間の関係が式２１によって与えられる：

静電容量Ｃ_３は式２２によって与えられる：

静電容量Ｃ_４は、静電容量Ｃ_４ａ、Ｃ_４ｂに関して式２３によって与えられる：

インダクタンスＬ_３は式２４によって与えられる：

残留インダクタンスＬ_ＲＥＳは式２５によって与えられる：

式中、Ｘ_ｒｅｓは残留リアクタンスであり、ｗは動作周波数である。

インダクタ７７０におけるまたは抵抗器７８０における出力電流は、送信コイル３１２における電流であり、したがって式２６によって与えられる：

ＤＣ／ＡＣインバータ７００は、送信コイル３１２における電流を入力ＤＣ電圧および送信コイル３１２のインダクタンスに非依存で設定できるようにする。ＤＣ／ＡＣインバータ７００は、送信コイル３１２の自己容量がコンデンサ７６６へ吸収され得るので、高ＭＨｚ周波数、例えば６．７８ＭＨｚ以上での動作に適切である。

前述したように、動作に際し、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は、負荷と共に変化しない一定のＡＣ電圧または電流を発生させる。しかしながら、送信機３０２に極めて近接した金属物体が送信機３０２を離調させ、損失増加に至ることになる。送信コイル３１２によって発生された磁界は金属物体に渦電流を誘導して、電力伝送の損失に至ることになる。誘導された渦電流の強度は、金属物体の表面積、磁界密度および動作の周波数に比例する。

ＤＣ／ＡＣインバータ３１０が負荷非依存であるので、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は、負荷抵抗が変動するときにＺＶＳを維持する。しかしながら、負荷リアクタンスの変化があれば、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０はＺＶＳスイッチングを失い得る。受信機３０４は、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０によって見られる負荷３２０の反射負荷が、ワイヤレス電力伝送結合または負荷３２０のＤＣ値が変化する場合に常に実数であるように、動作の周波数で同調される。

しかしながら、送信機３０２と受信機３０４との間に、または送信機３０２の近くのどこかに金属物体が導入されると、送信機３０２によって見られる反射負荷はもはや実数でなく、かつ金属物体に誘導される渦電流による無効分を含むことになる。したがって、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０は、もはやＺＶＳを達成しない。更には、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０のトランジスタ５１２、５２０（Ｑ_１およびＱ_２）にわたる電圧波形は異なることになる。

ここで図１１に移ると、参照符号１０００によって全体的に識別されるＤＣ／ＡＣインバータの別の実施形態が図示される。ＤＣ／ＡＣインバータ１０００は、金属物体の存在を検出するように構成される。

本実施形態において、ＤＣ／ＡＣインバータ１０００は、前述のＤＣ／ＡＣインバータ３１０と同じ部品を備える。追加的に、ＤＣ／ＡＣインバータ１０００は、ピーク検出回路１００８、比較器１０１０および閾値設定器１０１２を備える。ピーク検出回路１００８はＤＣ／ＡＣインバータ３１０に電気接続される。比較器１０１０は閾値設定器１０１２およびピーク検出回路１００８に電気接続される。閾値設定器１０１２は比較器１０１０に接続される。

ピーク検出回路１００８は、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０のトランジスタ５１２（Ｑ_１）にわたる電圧のピーク値を測定するように構成される。

閾値設定器１０１２は、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０のトランジスタ５１２（Ｑ_１）にわたる測定された電圧のピーク値との比較のための閾値電圧を設定するように構成される。

比較器１０１０は、設定された閾値電圧をＤＣ／ＡＣインバータ３１０のトランジスタ５１２（Ｑ_１）にわたる測定された電圧のピーク値と比較するように構成される。測定されたピーク電圧が閾値電圧を超えれば、比較器１０１０は検出信号を出力するように構成される。測定されたピーク電圧が閾値電圧を超えなければ、比較器１０１０は検出信号を出力しない。

金属物体の存在を検出するように構成される特定のＤＣ／ＡＣインバータ１０００が記載されたが、当業者は他の構成が可能であることを認識するであろう。ここで図１２に移ると、参照符号１１００によって全体的に識別されるＤＣ／ＡＣインバータの別の実施形態が図示される。

本実施形態において、ＤＣ／ＡＣインバータ１１００は、前述のＤＣ／ＡＣインバータ３１０と同じ部品を備える。追加的にＤＣ／ＡＣインバータ１１００は、抵抗分圧器１１０６、ピーク検出回路１１０８、比較器１１１０、閾値設定器１１１２および表示器１１１４を備える。

抵抗分圧器１１０６はＤＣ／ＡＣインバータ３１０に接続される。抵抗分圧器１１０６はピーク検出回路１１０８に接続される。ピーク検出回路１１０８は抵抗分圧器１１０６に接続される。ピーク検出回路１１０８は比較器１１１０に接続される。比較器１１１０は閾値設定器１１１２およびピーク検出回路１１０８に接続される。比較器１１１０は表示器１１１４に接続される。閾値設定器１１１２は比較器１１１０に接続される。表示器１１１４は比較器１１１０に接続される。

抵抗分圧器１１０６は、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０のトランジスタＱ_１での電圧を安全レベルに変換するように構成される。具体的には、抵抗分圧器１１０６は、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０のトランジスタ５１２（Ｑ_１）での電圧を安全レベルに下げるように構成される。抵抗分圧器は、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０のトランジスタ５１２（Ｑ_１）での電圧を分割するように構成される。

ピーク検出回路１１０８は、抵抗分圧器１１０６からの分割された電圧のピーク値を測定するように構成される。ピーク検出回路１１０８は比較器１１１０に測定されたピーク値を出力する。

閾値設定器１１１２は、分割された電圧の測定されたピーク値との比較のための閾値電圧を設定するように構成される。

比較器１１１０は、設定された閾値電圧を分割された電圧の測定されたピーク値と比較するように構成される。分割された電圧の測定されたピーク値が閾値電圧を超えれば、比較器１１１０は表示器１１１４に検出信号を出力するように構成される。分割された電圧の測定されたピーク値が閾値電圧を超えなければ、比較器１１１０は表示器１１１４に検出信号を出力しない。

表示器１１１４は、比較器１１１０から検出信号を受信するように構成される。表示器１１１４は、検出信号の受信に応じて故障表示器をトリップまたは設定するように構成される。このようにして、金属物体の検出が明示される。

ここでＡＣ／ＤＣインバータ１１００の動作を述べる。図１３は、ＡＣ／ＤＣインバータ１１００の動作中に金属物体が存在するおよび存在しないときのＤＣ／ＡＣインバータ１１００のトランジスタ５１２（Ｑ_１）での電圧のグラフである。図１３は、閾値設定器１１１２によって設定された閾値を更に含む。本実施形態において、ＤＣ／ＡＣインバータ１１００は６．７８ＭＨｚの動作周波数を有する。図１３に図示されるように、金属物体が存在するとピーク電圧が上昇する。追加的に、金属物体が存在すると、電圧は、トランジスタ５１２（Ｑ_１）がオンにされる前にゼロ電圧に達する。トランジスタ５１２（Ｑ_１）がオンにされる前に電圧がゼロ電圧に達するということは、トランジスタ５１２（Ｑ_１）のボディが導通し始めた結果として電力損失増加および効率低下に至ることを示し得る。

更には、金属物体が存在するおよび存在しないときの電圧間の差は、誘導される渦電流の強度に比例する。誘導された渦電流が大きいほど、トランジスタ５１２（Ｑ_１）のピーク電圧を更に上昇させ得る。この上昇したピーク電圧は、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０に永久に損傷を与え得るトランジスタＱ_１の降伏電圧に達し得る。

動作に際し、抵抗分圧器１１０６は、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０のトランジスタ５１２（Ｑ_１）での電圧を受信して安全レベルに変換する。ピーク検出回路１１０８は、抵抗分圧器１１０６からの分割された電圧のピーク値を測定する。図１３に図示されるように、金属物体によって反射されるリアクタンスが容量性である結果として、ＤＣ／ＡＣインバータ３１０のトランジスタ５１２（Ｑ_１）にわたる電圧波形は、金属物体が存在しないときの電圧波形と比較すると狭くかつ高くなる。比較器１１１０は、ピーク検出回路１１０８から分割された電圧の測定されたピーク値をおよび閾値設定器１１１２から設定された閾値電圧を受信する。図１３に図示されるように、測定されたピーク値は、金属物体が存在するときには、設定された閾値電圧より明らかに高い。測定されたピーク値が設定された閾値電圧より明らかに高いので、比較器１１１０は表示器１１１４に検出信号を出力する。表示器１１１４は故障表示器をトリップする。これにより、ＤＣ／ＡＣインバータ１１００、およびＤＣ／ＡＣインバータ１１００が一部である高周波ワイヤレス電力伝送システム３００全体を停止させる。これは、ＤＣ／ＡＣインバータ１１００への損傷だけでなく、誘導された渦電流による金属物体の起こり得る加熱も防止する。

前述したように、送信機３０２は所与の周波数で動作する。本実施形態において、送信機３０２の動作周波数は１３．５６ＭＨｚである。更には、本実施形態において、送信コイル３１２および受信コイル３１４は各々２３．４ｃｍ×２６．２ｃｍの寸法を有する。コイル３１２および３１４は、各々ＦＲ４プリント回路板（ＰＣＢ）上で１４ｍｍの幅を有する２巻きの銅トレースから成る。コイル３１２および３１４は約１．５０ｕＨのインダクタンスを有する。送信コイル３１２によって見られる反射負荷は、無負荷３２０において０オームから全負荷３２０において７オームまで変動する。負荷３２０によって必要とされる最大電力は３０Ｗである。これらの動作パラメータを考慮して、ここで様々な提示されたＤＣ／ＡＣインバータ実施形態の設計例を考える。

ここで図５に図示されるＤＣ／ＡＣインバータ３１０の例示的な設計実施形態を述べる。本実施形態において、送信コイル３１２および受信コイル３１４は１．５ｕＨのインダクタンスを有し、したがってインダクタンスＬ_３＝１．５ｕＨ。送信コイル３１２によって見られる反射負荷は、無負荷３２０において０オームから全負荷３２０において７オームまで変動する。負荷３２０によって必要とされる最大電力は３０Ｗである。

前述の式に基づいて様々なパラメータが決定され得る。最大反射負荷（７オーム）および必要とされる電力（３０Ｗ）に従って、送信コイル３１２のために必要とされる電流は２．９３Ａである（すなわちＰ_ｍａｘ＝１／２Ｉ_Ｌ３ ^２Ｒ_Ｌ、したがってＩ_Ｌ３＝２．９３Ａ）。特性インピーダンスＺ_０は８．９７４４オームである（すなわちＲ_Ｌｍｉｎ／Ｚ_０＝０．７８、したがってＺ_０＝８．９７４４）。更には、Ｌ_ＺＶＳならびにＣ_１およびＣ_２の値は、Ｌ_ＺＶＳに対して１０７ｎＨならびにＣ_１およびＣ_２に対して１．３３ｎＦである。残留リアクタンスの値は２７．５８ｎＨである（すなわち０．２５８＊Ｚ_０＝２．３１５４オーム）。ＤＣ入力電圧Ｖ_ｉｎは６．５４６Ｖである。

ここで図８に図示されるＤＣ／ＡＣインバータ８００の例示的な設計実施形態を述べる。本実施形態において、送信コイル３１２および受信コイル３１４は１．５ｕＨのインダクタンスを有し、したがってインダクタンスＬ_３＝１．５ｕＨ。送信コイル３１２によって見られる反射負荷は、無負荷３２０において０オームから全負荷３２０において７オームまで変動する。負荷３２０によって必要とされる最大電力は３０Ｗである。

前述の式に基づいて様々なパラメータが決定され得る。最大反射負荷（７オーム）および必要とされる電力（３０Ｗ）に従って、送信コイル３１２のために必要とされる電流は２．９３Ａである（すなわちＰ_ｍａｘ＝１／２Ｉ_Ｌ３ ^２Ｒ_Ｌ、したがってＩ_Ｌ３＝２．９３Ａ）。ＤＣ入力電圧Ｖ_ｉｎは１１９Ｖである（すなわちＩ_Ｌ３＝３．１３２×Ｖ_ｉｎ／ｗ_Ｌ３）。特性インピーダンスＺ_０は２９８９オームである。更には、Ｌ_ＺＶＳならびにＣ_１およびＣ_２の値は、Ｌ_ＺＶＳに対して３５．６ｕＨならびにＣ_１およびＣ_２に対して４ｐＦである。

ここで図９に図示されるＤＣ／ＡＣインバータ９００の例示的な設計実施形態を述べる。本実施形態において、送信コイル３１２および受信コイル３１４は１．５ｕＨのインダクタンスを有し、したがってインダクタンスＬ_３＝１．５ｕＨ。送信コイル３１２によって見られる反射負荷は、無負荷３２０において０オームから全負荷３２０において７オームまで変動する。負荷３２０によって必要とされる最大電力は３０Ｗである。前述の式に基づいて様々なパラメータが決定され得る。最大反射負荷（７オーム）および必要とされる電力（３０Ｗ）に従って、送信コイル３１２のために必要とされる電流は２．９３Ａである（すなわちＰ_ｍａｘ＝１／２Ｉ_Ｌ３ ^２Ｒ_Ｌ、したがってＩ_Ｌ３＝２．９３Ａ）。ＤＣ入力電圧Ｖ_ｉｎは任意の電圧に設定されてよい。本実施形態において、ＤＣ入力電圧Ｖ_ｉｎは２４Ｖである。静電容量Ｃ_４は４５７．５ｐＦであると決定される。静電容量Ｃ_３は１１５ｐＦであると決定される。静電容量Ｃ_３ｂは静電容量Ｃ_３ａと同一である。静電容量Ｃ_３ａおよびＣ_３ｂは、式２０に従って静電容量Ｃ_３の２倍、すなわち２３０ｐＦである。２４ＶのＤＣ入力電圧Ｖ_ｉｎおよび３０Ｗの電力に対する特性インピーダンスＺ_０は１２０．６３オームである。Ｌ_ＺＶＳならびにＣ_１およびＣ_２の値は、Ｌ_ＺＶＳに対して１．４３７５ｕＨならびにＣ_１およびＣ_２に対して９９ｐＦである。残留リアクタンスは３１．１２オームである。

高周波ワイヤレス電力伝送システム３００が、高周波磁気誘導結合を介してワイヤレスで電力を伝送するように構成される送信機３０２および高周波磁気誘導結合を介して送信機３０２から電力を抽出するように構成される受信機３０４を備えるとして記載されたが、当業者は他の構成が可能であることを認識するであろう。別の実施形態において、送信機３０２は、高周波電気誘導結合を介してワイヤレスで電力を伝送するように構成され、かつ受信機３０４は、高周波電気誘導結合を介して送信機３０２から電力を抽出するように構成される。本実施形態において、送信機３０２は送信コイル３１２よりもむしろ送信電極を備え、そして受信機３０４は受信コイル３１４よりもむしろ受信電極を備える。

図を参照しつつ実施形態が上記されたが、添付の請求項によって定められるその範囲から逸脱することなく変形および変更がなされ得ることを当業者は認識するであろう。

１００ワイヤレス電力伝送システム
１１０送信機
１１２電源
１１４送信要素
１２０受信機
１２２負荷
１２４受信要素
２００共振磁気ワイヤレス電力伝送システム
２１０送信機
２１２電源
２１４送信共振器
２１６送信共振器コイル
２１８コンデンサ
２２０受信機
２２２負荷
２２４受信共振器
２２６受信共振器コイル
２２８コンデンサ
２５０共振電気ワイヤレス電力伝送システム
２６０送信機
２６２電源
２６４送信共振器
２６６送信共振器電極
２６８インダクタ
２７０受信機
２７２負荷
２７４受信共振器
２７６受信共振器電極
２７８インダクタ
３００高周波ワイヤレス電力伝送システム
３０２送信機
３０４受信機
３０６電源
３０８送信機ＤＣ／ＤＣコンバータ
３１０ＤＣ／ＡＣインバータ
３１２送信コイル
３１４受信コイル
３１６ＡＣ／ＤＣ整流器
３１８受信機ＤＣ／ＤＣコンバータ
３２０負荷
４０２抵抗器
４０４コンデンサ
４０６インダクタ
４０８抵抗器
５０２インダクタ
５０４コンデンサ
５０６インダクタ
５０８抵抗器
５１０コンデンサ
５１２トランジスタ
５１４コンデンサ
５１６インダクタ
５１８インダクタ
５２０トランジスタ
５２２コンデンサ
５３２インダクタ
５３４インダクタ
６０２電圧源
６０４インダクタ
６０６抵抗器
６０８コンデンサ
６１０インダクタ
６１２抵抗器
６１４コンデンサ
６１６インダクタ
６１８抵抗器
６２２電圧源
６２４インダクタ
６２６抵抗器
６２８コンデンサ
７００ＤＣ／ＡＣインバータ
７０２負荷非依存回路
７０４インピーダンスインバータ回路
７１０インダクタ
７１２トランジスタ
７１４コンデンサ
７３０インダクタ
７３２トランジスタ
７３４コンデンサ
７４０インダクタ
７５０インダクタ
７５２インダクタ
７６０コンデンサ
７６２コンデンサ
７６４コンデンサ
７６６コンデンサ
７７０インダクタ
７８０抵抗器
８００ＤＣ／ＡＣインバータ
８０２負荷非依存回路
８０４インピーダンスインバータ回路
８１０インダクタ
８１２トランジスタ
８１４コンデンサ
８３０インダクタ
８３２トランジスタ
８３４コンデンサ
８４０インダクタ
８５０インダクタ
８５２インダクタ
８６０インダクタ
８７０コンデンサ
８８０抵抗器
９００ＤＣ／ＡＣインバータ
９０２負荷非依存回路
９０４インピーダンスインバータ回路
９１０インダクタ
９１２トランジスタ
９１４コンデンサ
９３０インダクタ
９３２トランジスタ
９３４コンデンサ
９４０インダクタ
９５０インダクタ
９５２インダクタ
９５４コンデンサ
９５６コンデンサ
９５８コンデンサ
９６０コンデンサ
９７０コンデンサ
９７６インダクタ
９８０抵抗器
１０００ＤＣ／ＡＣインバータ
１００８ピーク検出回路
１０１０比較器
１０１２閾値設定器
１１００ＤＣ／ＡＣインバータ
１１０６抵抗分圧器
１１０８ピーク検出回路
１１１０比較器
１１１２閾値設定器
１１１４表示器

Claims

スイッチモードゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）増幅器を備える負荷非依存インバータであって、前記スイッチモードＺＶＳ増幅器が、
一対の回路であり、
並列に配置される少なくとも１つのトランジスタおよび少なくとも１つのコンデンサと、
前記トランジスタおよびコンデンサと直列に配置される少なくとも１つのインダクタとを備える、一対の回路と、
前記一対の回路に接続される１つだけのＺＶＳインダクタと、
前記ＺＶＳインダクタに接続されかつ少なくとも１つのインダクタおよび少なくとも１つの抵抗器と直列に配置される少なくとも１つのコンデンサとを備える、負荷非依存インバータ。
前記ＺＶＳインダクタに接続される少なくとも２つのコンデンサを備える、請求項１に記載の負荷非依存インバータ。
前記少なくとも２つのコンデンサが前記少なくとも１つのインダクタおよび抵抗器と直列に配置される、請求項２に記載の負荷非依存インバータ。
前記スイッチモードＺＶＳ増幅器の特性インピーダンスに対して正規化された負荷抵抗の最小値が０．５８５と０．９７５との間である、請求項１から３のいずれか一項に記載の負荷非依存インバータ。
前記負荷非依存インバータのｑ値が０．７３９と１．２３１との間である、請求項１から４のいずれか一項に記載の負荷非依存インバータ。
前記負荷非依存インバータの特性インピーダンスに対して正規化された残留リアクタンスが０．１９４と０．３２３との間である、請求項１から５のいずれか一項に記載の負荷非依存インバータ。
前記負荷非依存インバータの電圧利得値が２．３４９と３．９１５との間である、請求項１から６のいずれか一項に記載の負荷非依存インバータ。
前記負荷非依存インバータの正規化出力電力が４．７００と７．８３４との間である、請求項１から７のいずれか一項に記載の負荷非依存インバータ。
前記負荷非依存インバータが定電圧出力を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の負荷非依存インバータ。
前記負荷非依存インバータが５．６２５オームから無限または開路負荷の負荷範囲を有する、請求項９に記載の負荷非依存インバータ。
前記負荷非依存インバータを定電圧出力から定電流出力に転換するように構成されるインピーダンスインバータ回路を更に備える、請求項９または１０に記載の負荷非依存インバータ。
インピーダンスインバータ回路がＴネットワーク回路構成またはパイネットワーク回路構成を有する、請求項９に記載の負荷非依存インバータ。
前記負荷非依存インバータが定電流出力を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の負荷非依存インバータ。
前記負荷非依存インバータがゼロオームまたは短絡負荷から９．３７５オームの負荷範囲を有する、請求項１３に記載の負荷非依存インバータ。
前記負荷非依存インバータが、金属物体を検出するように構成される、請求項１から１４のいずれか一項に記載の負荷非依存インバータ。
前記負荷非依存インバータのトランジスタにわたる電圧のピーク値を測定するように構成されるピーク検出回路と、
前記電圧のピーク値を閾値電圧と比較し、前記電圧のピーク値が前記閾値電圧を超えれば検出信号を出力するように構成される比較器と
を更に備える、請求項１５に記載の負荷非依存インバータ。
前記ピーク検出回路による測定前に前記電圧のピーク値を変換するように構成される分圧器
を更に備える、請求項１６に記載の負荷非依存インバータ。
前記スイッチモードＺＶＳ増幅器が無線周波（ＲＦ）増幅器である、請求項１から１７のいずれか一項に記載の負荷非依存インバータ。
前記負荷非依存インバータがＥ級インバータである、請求項１から１８のいずれか一項に記載の負荷非依存インバータ。
前記負荷非依存インバータが直流（ＤＣ）－交流（ＡＣ）インバータである、請求項１から１８のいずれか一項に記載の負荷非依存インバータ。
スイッチモードゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）増幅器を備える負荷非依存インバータと、
前記負荷非依存インバータに接続される送信コイルまたは電極であって、磁界または電界結合を介して受信機に電力を伝送するように構成される、送信コイルまたは電極と
を備える送信機。
前記送信機が非共振であるまたは自己共振しない、請求項２１に記載の送信機。
前記送信コイルが、磁界結合を介して電力を伝送するように構成される、請求項２１または２２に記載の送信機。
前記送信電極が、電界結合を介して電力を伝送するように構成される、請求項２１または２２に記載の送信機。
前記送信機が電源を更に備える、請求項２１から２４のいずれか一項に記載の送信機。
前記送信機が、前記インバータによる受信前に前記電源からの電力信号を変換するように構成される電力コンバータを更に備える、請求項２５に記載の送信機。
ワイヤレス電力伝送システムであって、
スイッチモードゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）増幅器を備える負荷非依存インバータと、
前記負荷非依存インバータに接続される送信コイルまたは電極であり、磁界または電界結合を介して受信機に電力を伝送するように構成される、送信コイルまたは電極と
を備える送信機と、
磁界または電界結合を介して前記受信機から電力を抽出するように構成される受信コイルまたは電極
を備える前記受信機とを備える、ワイヤレス電力伝送システム。
前記送信機が非共振であるまたは自己共振せず、かつ前記受信機が共振する、請求項２７に記載のワイヤレス電力伝送システム。
前記受信機が前記送信機の動作周波数で共振する、請求項２８に記載のワイヤレス電力伝送システム。
前記送信コイルが、磁界結合を介して電力を伝送するように構成され、かつ前記受信コイルが、磁界結合を介して電力を抽出するように構成される、請求項２７から２９のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝送システム。
前記送信電極が、電界結合を介して電力を伝送するように構成され、かつ前記受信電極が、電界結合を介して電力を抽出するように構成される、請求項２７から２９のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝送システム。
前記受信機が、前記受信コイルまたは電極に接続される整流器を更に備える、請求項２７から３１のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝送システム。
前記受信機が、前記受信コイルまたは電極に接続される負荷を更に備える、請求項２７から３２のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝送システム。