JP2023142279A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】、１次側と２次側とが絶縁されている高効率な電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１００は、交流電力を整流して直流電力を出力する第１の整流器１１と、第１の整流器１１から出力された直流電力を交流電力に変換する負荷非依存のインバータ１２と、コイルを有する共振回路を含んでおり、インバータ１２によって変換された交流電力を非接触で送電する送電部１３と、コイルを有する共振回路を含んでおり、送電部１３から非接触で電力を受電する受電部２１と、受電部２１によって受電された交流電力を整流して直流電力を出力する第２の整流器２２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に関する。

従来、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置として、スイッチング方式のものが知られている。図６は、スイッチング方式の電力変換装置２００の一例を示す図である。図６において、電力変換装置２００は、交流電源１からの交流電力を整流する整流器２０１と、整流器２０１から出力された直流電力のオン・オフを繰り返すことによって交流電力を生成して変圧器２０３に出力するスイッチング素子２０２と、スイッチング素子２０２からの交流電力を変圧する変圧器２０３と、変圧器２０３から出力された変圧後の交流電力を整流し、整流後の直流電力を負荷３０に出力する整流器２０４と、２次側の整流後の電圧と、所望の出力電圧との差を検出して１次側の制御回路２０６にフィードバックする電圧フィードバック回路２０５と、電圧フィードバック回路２０５からの出力に応じて、スイッチング素子２０２のオン・オフのデューティ比を調整する制御回路２０６とを備える。

整流器２０１は、例えば、ダイオードブリッジと、ダイオードブリッジによって全波整流された直流電力を平滑化するコンデンサとを有している。整流器２０４は、例えば、ダイオードと、ダイオードによって半波整流された直流電力を平滑化するコンデンサとを有している。制御回路２０６は、電圧フィードバック回路２０５の出力に応じて、スイッチング素子のオン・オフのデューティ比を調整することによって、変圧器２０３に出力される電流を変化させ、２次側の直流電力が所望の電圧になるように調整する。このような電力変換装置２００によって、負荷３０に所望の電圧の直流電力を供給することができる。

交流電力を直流電力に変換する電力変換装置については、安全性の観点から、１次側と２次側との絶縁が要求されると共に、より高い変換効率が求められている。従来の電力変換装置２００では、変換の効率を高めるためには、変圧器２０３の結合係数を大きくする必要がある。変圧器２０３の結合係数を大きくするためには、１次側の巻線と２次側の巻線とを近接して配置することが求められる。一方、安全規格上の要求から、変圧器２０３では、１次側の巻線と２次側の巻線との絶縁が要求される。また、巻線に通常のエナメル線を使用することはできないため、１次側の巻線と２次側の巻線との間に絶縁テープを配置する必要があり、変圧器２０３を構成するための工程が煩雑になるという問題があった。また、変圧器２０３の結合係数を大きくするためには、コアについても、高透磁率であり、飽和磁束密度の高い材料が要求されることになり、さらに、コアを高い精度で成形する必要があり、コアが高コストになるという問題があった。

また、電力変換装置２００の１次側と２次側とを絶縁するためには、電圧フィードバック回路２０５についても絶縁する必要があり、例えば、電圧フィードバック回路２０５においてフォトカプラを用いて１次側と２次側とを絶縁することが行われるが、フォトカプラで用いられるＬＥＤは、電力変換装置２００の他の構成要素と比較して寿命が短いため、電力変換装置２００の寿命もそれに応じて短くなるという問題があった。

本発明は、これらの問題点を解決するためになされたものであり、１次側と２次側とが絶縁されている高効率な電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様による電力変換装置は、交流電力を整流して直流電力を出力する第１の整流器と、第１の整流器から出力された直流電力を交流電力に変換する負荷非依存のインバータと、コイルを有する共振回路を含んでおり、インバータによって変換された交流電力を非接触で送電する送電部と、コイルを有する共振回路を含んでおり、送電部から非接触で電力を受電する受電部と、受電部によって受電された交流電力を整流して直流電力を出力する第２の整流器と、を備えたものである。

このような構成により、送電部のコイル及び受電部のコイルが明確に分離されていることになり、従来例のように絶縁テープなどで１次側のコイルと２次側のコイルとの絶縁を行う必要がなくなり、煩雑な工程が不要になるというメリットがある。また、負荷非依存のインバータを用いることによって、ソフトスイッチングが達成されることになり、高効率な電力の変換を実現することができるため、例えば、送電側のコイル及び受電側のコイルにおいて分離したコアを用いたとしても、従来例と同様の効率を実現することができるようになる。さらに、負荷非依存のインバータと、非接触電力伝送を行う送電部及び受電部とを備えることによって、１次側と２次側とを完全に分離して絶縁することができると共に、電圧フィードバック回路が不要になるため、ＬＥＤを含むフォトカプラを用いなくてもよいことになり、従来例の電力変換装置よりも寿命を延ばすことができる。

また、本発明の一態様による電力変換装置では、送電部と受電部とは、それぞれが有するコイルの内部に共通して存在するコアを有していなくてもよい。

このような構成により、例えば、送電部及び受電部のコイルの部分を簡易な構成とすることができる。また、送電部及び受電部のコイルを、別々のコアの周囲に巻線を巻回することによって構成したり、コアを用いないで構成したりしても、全体としての効率が高いため、例えば、従来の電力変換装置と同程度の効率の電力変換装置を実現することができる。

また、本発明の一態様による電力変換装置では、送電部のコイルと受電部のコイルとは、両コイルが対面する位置と、両コイルが対面しない位置との間で位置関係を変更可能に構成されていてもよい。

このような構成により、例えば、送電部及び受電部の両コイルが対面する位置となるようにすることによって、交流電力を直流電力に変換することができる。また、送電部及び受電部の両コイルが対面しない位置とすると共に、送電部のコイルの近傍に、非接触で電力を受電する機器の受電側のコイルを配置することによって、その機器に直接、非接触で電力を供給することができるようになる。

本発明の一態様による電力変換装置によれば、非接触で送受電を行う送電部及び受電部と、負荷非依存のインバータとを備えていることによって、１次側と２次側との絶縁を実現できると共に、負荷に依存しない一定の電圧を出力することができる。さらに、負荷非依存のインバータを用いることによって、ソフトスイッチングを実現でき、より高効率な交流直流変換を実現することができる。

本発明の実施の形態による電力変換装置の構成を示すブロック図 同実施の形態による電力変換装置の構成の一例を示す回路図 同実施の形態による電力変換装置の構成の一例を示す回路図 同実施の形態における送電側及び受電側のコイルの一例を示す図 同実施の形態におけるヒンジを介して接続された送電側及び受電側ユニットの一例を示す図 同実施の形態におけるヒンジを介して接続された送電側及び受電側ユニットの一例を示す図 従来の電力変換装置の構成を示すブロック図

以下、本発明による電力変換装置について、実施の形態を用いて説明する。なお、以下の実施の形態において、同じ符号を付した構成要素は同一または相当するものであり、再度の説明を省略することがある。本実施の形態による電力変換装置は、非接触電力伝送によって送電側と受電側との間で電力を伝送すると共に、１次側において負荷非依存のインバータを用いたものである。

図１は、本実施の形態による電力変換装置１００の構成を示すブロック図であり、図２Ａは、電力変換装置１００の構成の一例を示す回路図である。電力変換装置１００は、交流電力を直流電力に変換するものであり、１次側のユニットである送電側ユニット１０と、２次側のユニットである受電側ユニット２０とを備える。送電側ユニット１０は、交流電源１からの交流電力を整流して直流電力を出力する第１の整流器１１と、第１の整流器１１からの直流電力を交流電力に変換する負荷非依存のインバータ１２と、変換後の交流電力を非接触で送電する送電部１３とを備える。受電側ユニット２０は、送電側ユニット１０の送電部１３から送電された交流電力を非接触で受電する受電部２１と、受電部２１からの交流電力を整流した直流電力を負荷３０に出力する第２の整流器２２とを備える。なお、送電部１３と受電部２１との間での非接触電力伝送は、例えば、磁界共鳴方式によって行われてもよい。その共鳴（共振）の形態として、後述するように、直列共振や並列共振を適宜、組み合わせて用いるものとする。

第１の整流器１１は、例えば、図２Ａで示されるように、交流電力を整流するためのダイオードブリッジ１１ａと、整流後の電圧を平滑化するためのコンデンサ１１ｂとを有していてもよい。なお、結果として、交流電力を直流電力に変換できるのであれば、第１の整流器１１の構成は問わない。

インバータ１２は、第１の整流器１１から出力された直流電力を交流に変換して送電部１３に出力する。なお、このインバータ１２は、負荷非依存のインバータである。負荷非依存のインバータについては、例えば、次の非特許文献１を参照されたい。一例として、インバータ１２は、図２Ａで示される回路であってもよい。図２Ａで示されるインバータ１２は、負荷非依存であり、電圧が一定となるクラスＥのインバータである。負荷非依存のインバータ１２では、電圧が０である時に電界効果トランジスタであるスイッチング素子１２ａがオン・オフを切り替えることになる。そのため、スイッチの切り替わりの際に、コンデンサ１２ｂにたまっている電荷が一気に放電することによって生じる損失を回避することができ、高効率の変換を実現することができる。このように、電圧が０である時にスイッチを切り替える場合には、インバータ１２は、直流電力を、送電部１３の共振回路の共振周波数と一致する周波数の交流電力に変換することになる。

S. Aldhaher, D. C. Yates, P. D. Mitcheson, "Load-independent class E/EF inverters and rectifiers for MHz-switching applications," IEEE Trans. Power Electron., vol.33, no.10, pp. 8270-8287, October 2018

送電部１３は、コイルを有する共振回路を含んでおり、インバータ１２によって交流に変換された電力を、非接触で受電側ユニット２０の受電部２１に送電する。送電部１３が有する共振回路は、例えば、直列または並列に接続されたコイルとコンデンサとを有していてもよい。一例として、送電部１３は、図２Ａで示されるように、コンデンサ１３ａとコイル１３ｂとが直列に接続された直列共振のものであってもよい。

受電部２１は、コイルを有する共振回路を含んでおり、送電側ユニット１０の送電部１３から非接触で電力を受電する。受電部２１が有する共振回路は、例えば、直列または並列に接続されたコイルとコンデンサとを有していてもよい。受電された電力は、整流器２２に出力される。一例として、受電部２１は、図２Ａで示されるように、コンデンサ２１ａとコイル２１ｂとが並列に接続された並列共振のものであってもよい。なお、送電部１３から受電部２１に非接触電力伝送が行われる際に、従来の電力変換装置２００における変圧器２０３と同様に、交流電圧が変換されてもよい。この変圧は、第２の整流器２２の出力を所望の直流電圧とするために行われてもよい。この変圧は、通常、降圧である。

送電側のコイル１３ｂと受電側のコイル２１ｂとはそれぞれ、例えば、円筒形状のものであってもよい。また、非接触電力伝送を行う際には、一例として、図３で示されるように両コイル１３ｂ，２１ｂが対面する位置となってもよい。両コイル１３ｂ，２１ｂが対面する位置である場合には、両コイル１３ｂ，２１ｂの中心軸が同一直線上に位置しており、また、コイル１３ｂの一端とコイル２１ｂの一端とが近接するように両コイル１３ｂ，２１ｂが配置されることが好適である。なお、図３では、コイル１３ｂの巻線は、コア１３ｃの周囲に巻回されており、コイル２１ｂの巻線は、コア２１ｃの周囲に巻回されている。したがって、コイル１３ｂ，２１ｂは、それぞれ別々のコア１３ｃ，２１ｃの周囲に巻線を巻回することによって構成されており、送電部１３及び受電部２１は、コイル１３ｂ，２１ｂの内部に共通して存在するコアを有していないことになる。このように、コイル１３ｂ，２１ｂの内部に共通して存在するコアがない場合には、それに応じて伝送効率が低下する可能性があるが、本実施の形態による電力変換の方式では、インバータ１２でのスイッチング損失が低いため、例えば、全体として従来の電力変換と同様の効率を実現することもできる。

また、図３では、送電側のコイル１３ｂと受電側のコイル２１ｂとにそれぞれ分離したコア１３ｃ，２１ｃが存在している場合について示しているが、両コイル１３ｂ，２１ｂは、コアのないコイルであってもよい。この場合には、送電側のコイル１３ｂ、及び受電側のコイル２１ｂは、例えば、樹脂製のボビンに巻線が巻回されることによって構成されたものであり、両者が対面するように配置された状態で非接触電力伝送が行われてもよい。このように、コアのないコイルを用いた非接触電力伝送では、結合係数が低下するため、それに応じて伝送効率が低下する可能性があるが、本実施の形態による電力変換の方式は、インバータ１２でのスイッチング損失が低いため、例えば、全体として従来の電力変換と同様の効率を実現することもできる。

なお、本実施の形態では、コイル１３ｂ，２１ｂに共通したコアが存在しない場合について主に説明するが、両コイル１３ｂ，２１ｂの内部には、コイル１３ｂの内部からコイル２１ｂの内部まで延びる、両者に共通したコアが配置されていてもよい。例えば、送電側のコイル１３ｂの巻線が巻回されたボビンの中心の孔と、受電側のコイル２１ｂの巻線が巻回されたボビンの中心の孔とを通るように共通のコアが配置されてもよい。コアの材料は特に限定されないが、例えば、フェライトやアモルファス合金、けい素鋼板などであってもよく、または、その他の材料であってもよい。

第２の整流器２２は、非接触電力伝送され、受電部２１によって受電された交流電力を整流して直流電力を出力する。この直流電力は、負荷３０で用いられる。第２の整流器２２は、入力インピーダンスにリアクタンス成分を持たないものが好適である。一例として、第２の整流器２２は、図２Ａで示される回路であってもよい。図２Ａの回路図で示される整流器２２は、電圧駆動型であり、出力電圧が一定となるクラスＤの整流器である。

負荷３０には、第２の整流器２２から出力された直流電力が供給される。負荷３０は、直流電力の供給対象となるものであれば特に限定されないが、例えば、ＰＣやＰＣの周辺機器、バッテリなどであってもよい。電力変換装置１００は、特に限定されないが、例えば、商用電源などの交流電源１からの交流電力を直流電力に変換して電子機器等の負荷３０に直流電力を供給するＡＣアダプタ等であってもよい。

次に、１次側及び２次側の共振形態の選択について説明する。本実施の形態による電力変換装置１００では、送電側ユニット１０が有するインバータ１２が負荷非依存のインバータであるため、受電側ユニット２０の第２の整流器２２の出力は電圧一定または電流一定となるが、交流直流変換の目的から、第２の整流器２２の出力が電圧一定となることが求められる。ここで、本発明者は、鋭意研究の結果、非接触電力伝送において、送電側の送電モードと、送電部１３の共振形態（１次側の共振形態）と、受電部２１の共振形態（２次側の共振形態）と、受電側の整流器のタイプと、受電側の受電モードとに、次表で示される関係があることを見出した。次表におけるＩＤは、送電モード等の組み合わせを識別するためのものである。なお、送電モードは、送電側ユニット１０におけるインバータ１２の出力形態である。また、受電モードは、受電側ユニット２０における第２の整流器２２の出力形態である。

図２Ａで示される電力変換装置１００は、ＩＤ１の組み合わせになっている。一方、ＩＤ２～４の組み合わせの電力変換装置１００でも、同様の交流直流の変換を実現することができる。図２Ａ以外の回路図の一例として、図２Ｂの回路図について簡単に説明する。図２Ｂで示される電力変換装置１００は、ＩＤ２の組み合わせになっている。図２Ｂで示される回路図では、インバータ１２は、負荷非依存であり、電流が一定となるクラスＥＦのインバータである。また、第２の整流器２２は、電流駆動型であり、出力電圧が一定となるクラスＤの整流器である。なお、図２Ｂの回路図では、送電部１３及び受電部２１は共に直列共振である。

ＩＤ３の組み合わせの電力変換装置１００では、図２Ａのインバータ１２を採用し、送電部１３は並列共振、受電部２１は直列共振として、図２Ｂの第２の整流器２２を採用すればよいことになる。また、ＩＤ４の組み合わせの電力変換装置１００では、図２Ｂのインバータ１２を採用し、送電部１３及び受電部２１は並列共振として、図２Ａの第２の整流器２２を採用すればよいことになる。

次に、送電部１３のコイル１３ｂと受電部２１のコイル２１ｂとの位置関係が変更可能になっている電力変換装置１００の一例について、図４、図５を参照して説明する。図４、図５は、送電部１３と受電部２１との位置関係を変更することができる電力変換装置１００の外観を示す斜視図である。図４、図５で示される電力変換装置１００では、送電側ユニット１０と受電側ユニット２０とがヒンジ４０によって接続されている。送電側ユニット１０は、商用電源などの交流電源１に接続するための電源コード１０ａを有している。図４で示される状態では、送電部１３のコイル１３ｂと、受電部２１のコイル２１ｂとが対面する位置となっており、両コイル１３ｂ，２１ｂ間で非接触電力伝送を行うことができるものとする。そのため、例えば、電源コード１０ａが交流電源１に接続されている場合に、受電側ユニット２０に設けられた出力端子２０ａと負荷３０とをＵＳＢケーブルなどのケーブルで繋ぐことによって、負荷３０に直流電力を供給することができる。

一方、ヒンジ４０を中心として受電側ユニット２０を送電側ユニット１０に対して回転させ、受電側ユニット２０を折り返して図５のようにした場合には、送電側のコイル１３ｂの端面１０ｂと、受電側のコイル２１ｂの端面２０ｂとが離れることになり、両コイル１３ｂ，２１ｂが対面しない位置となる。この場合には、両コイル１３ｂ，２１ｂの間で非接触電力伝送を行うことはできないが、送電側のコイル１３ｂの端面１０ｂ付近に、非接触で電力を受電する受電側の機器（例えば、ワイヤレス充電を行うことができるスマートフォンなどの電子機器など）を配置することによって、送電部１３から直接、受電側の機器に非接触電力伝送を行ってもよい。この場合には、受電側の電子機器等は、例えば、受電部２１及び第２の整流器２２と同様の構成を有していてもよい。

なお、コイル１３ｂ，２１ｂの位置関係が変更可能である電力変換装置１００の一例として、図４、図５を参照して説明したが、コイル１３ｂ，２１ｂが対面する位置と、コイル１３ｂ，２１ｂが対面しない位置との間で、送電部１３及び受電部２１の位置関係を変更可能に構成されている電力変換装置１００は、図４、図５以外の構成であってもよいことは言うまでもない。例えば、送電側ユニット１０と受電側ユニット２０とが着脱可能になっていることによって、コイル１３ｂ，２１ｂの位置関係が変更可能になっていてもよい。この場合にも、例えば、受電側ユニット２０の取り外された送電側ユニット１０のコイル１３ｂの端面に、非接触で電力を受電する受電側の電子機器等を配置することによって、送電部１３から直接、電子機器等に非接触電力伝送を行うようにしてもよい。また、この場合には、出力電圧に応じた複数の受電側ユニット２０を用意しておき、負荷３０に必要な電圧に応じた受電側ユニット２０を送電側ユニット１０に装着することによって、電力変換装置１００から目的とする直流電圧が出力されるようにしてもよい。送電側ユニット１０と受電側ユニット２０とを着脱可能にする機構は特に限定されないが、例えば、スナップフィットや、ネジ、磁石、嵌合機構などであってもよい。また、コイル１３ｂ，２１ｂの位置関係が変更可能である場合には、コイル１３ｂ，２１ｂは、例えば、分離されたコアがそれぞれ配置されたものであってもよく、または、コアの存在しないものであってもよい。なお、ここでは、送電部１３と受電部２１との位置関係を変えることができる場合について説明したが、送電部１３と受電部２１との位置関係、すなわち両者のコイル１３ｂ，２１ｂの位置関係は固定されていてもよい。

以上のように、本実施の形態による電力変換装置１００によれば、送電側のコイル１３ｂと受電側のコイル２１ｂとが明確に分離されているため、従来例のように絶縁テープなどで１次側のコイルと２次側のコイルとの絶縁を行う必要がなくなり、煩雑な工程が不要になるというメリットがある。また、負荷非依存のインバータを用いることによって、ソフトスイッチングが達成されることになり、高効率な電力の変換を実現することができるため、例えば、簡易なコアを用いたとしても、従来例と同様の効率を実現することができる。さらに、負荷非依存のインバータと、非接触電力伝送を行う送電部及び受電部とを備えることによって、１次側と２次側とを完全に分離して絶縁することができると共に、電圧フィードバック回路が不要になるため、ＬＥＤを含むフォトカプラを用いなくてもよいことになり、従来例の電力変換装置よりも寿命を延ばすことができる。

また、送電部１３及び受電部２１が、送電側のコイル１３ｂと受電側のコイル２１ｂの内部に共通して存在するコアを有していない場合には、コイル１３ｂ，２１ｂの構成を簡単にすることができる。また、送電部１３及び受電部２１が、両コイル１３ｂ，２１ｂに共通して存在するコアを有していなくても、インバータ１２におけるスイッチング損失が少ないため、例えば、全体として従来と同程度の効率を実現することもできる。

さらに、送電部１３及び受電部２１のコイル１３ｂ，２１ｂが対面する位置と、そうでない位置との間で位置関係を変更可能になっている場合には、例えば、両コイル１３ｂ，２１ｂが対面しない状態において、送電側のコイル１３ｂから、電子機器等に直接、非接触電力伝送を行うこともできるようになる。また、送電側ユニット１０と受電側ユニット２０とが着脱可能になっている場合には、出力電圧に応じて複数の種類の受電側ユニット２０を用意することによって、所望の出力電圧に応じた受電側ユニット２０を送電側ユニット１０に装着することによって、所望の電圧を出力する電力変換装置２００を実現することができる。

なお、本実施の形態では、第１の整流器１１、インバータ１２、及び送電部１３が送電側ユニット１０に含まれており、受電部２１、及び第２の整流器２２が受電側ユニット２０に含まれている場合について主に説明したが、そうでなくてもよい。例えば、第１の整流器１１、インバータ１２、送電部１３、受電部２１、及び第２の整流器２２は、２個のユニットに分かれていなくてもよい。

また、上記実施の形態において、各処理または各機能は、単一の装置または単一のシステムによって集中処理されることによって実現されてもよく、または、複数の装置または複数のシステムによって分散処理されることによって実現されてもよい。

また、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。

１１ 第１の整流器
１２ インバータ
１３ 送電部
２１ 受電部
２２ 第２の整流器
１００ 電力変換装置

Claims (3)

1. 交流電力を整流して直流電力を出力する第１の整流器と、
   前記第１の整流器から出力された直流電力を交流電力に変換する負荷非依存のインバータと、
   コイルを有する共振回路を含んでおり、前記インバータによって変換された交流電力を非接触で送電する送電部と、
   コイルを有する共振回路を含んでおり、前記送電部から非接触で電力を受電する受電部と、
   前記受電部によって受電された交流電力を整流して直流電力を出力する第２の整流器と、を備えた電力変換装置。
2. 前記送電部と前記受電部とは、それぞれが有するコイルの内部に共通して存在するコアを有していない、請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記送電部のコイルと前記受電部のコイルとは、両コイルが対面する位置と、両コイルが対面しない位置との間で位置関係を変更可能に構成されている、請求項１または請求項２記載の電力変換装置。

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