JP5862844B2 - Wireless power transmission system - Google Patents

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Description

本発明は、電界結合方式により送電装置から受電装置へ電力を伝送するワイヤレス電力伝送システムに関する。   The present invention relates to a wireless power transmission system that transmits power from a power transmission device to a power reception device by an electric field coupling method.

電界結合方式のワイヤレス電力伝送システムでは、送電装置と受電装置との電極同士を互いに対向させて電極同士を電界結合させ、その電界結合により送電装置から受電装置へ電力を伝送する。一般に電力伝送系の伝送効率を高める手法では、低損失な共振回路を組み込むことが有効である。この共振回路は、送電装置及び受電装置の結合部の静電容量とインダクタとで構成される。このような共振回路が組み合わされた場合、共振回路のQ値は、殆どインダクタのDCRで定まる。そのため、小型且つ低損失なインダクタの実現が課題になる。   In an electric field coupling type wireless power transmission system, electrodes of a power transmission device and a power reception device are opposed to each other to cause electric field coupling between the electrodes, and electric power is transmitted from the power transmission device to the power reception device by the electric field coupling. In general, in a technique for increasing the transmission efficiency of a power transmission system, it is effective to incorporate a low-loss resonance circuit. This resonance circuit is composed of an electrostatic capacity and an inductor of a coupling portion between the power transmission device and the power reception device. When such resonance circuits are combined, the Q value of the resonance circuit is almost determined by the DCR of the inductor. Therefore, realization of a small and low-loss inductor becomes a problem.

そこで、インダクタに、圧電デバイス(圧電共振子、圧電トランス)を用いることが考えられる。しかしながら、圧電デバイスは小型低損失であるものの、周波数特性が急峻であり、且つ負荷変動時に変圧比(受電装置側電圧と送電装置側電圧との比)が大きく変動するという課題がある。   Therefore, it is conceivable to use a piezoelectric device (piezoelectric resonator, piezoelectric transformer) for the inductor. However, although the piezoelectric device is small and low loss, there is a problem that the frequency characteristic is steep and the transformation ratio (ratio between the power receiving device side voltage and the power transmitting device side voltage) varies greatly when the load fluctuates.

特許文献1には、受電装置での降圧に圧電トランスを用いたワイヤレス電力伝送システムが開示されている。特許文献1に係る電力伝送システムでは、受電装置に第1の共振回路、及び第2の共振回路を構成し、送電装置で発生させる高周波高電圧の周波数を、これら二つの共振回路が結合する複合共振による二つの共振周波数の間に設定している。これにより、受電装置の負荷変動又は駆動周波数変動が生じる場合の受電装置側電圧と送電装置側電圧との比を安定化できるようにしている。   Patent Document 1 discloses a wireless power transmission system that uses a piezoelectric transformer for voltage reduction in a power receiving apparatus. In the power transmission system according to Patent Document 1, the first resonance circuit and the second resonance circuit are configured in the power receiving device, and a high frequency high voltage frequency generated by the power transmission device is combined with the two resonance circuits. It is set between two resonance frequencies due to resonance. Thus, the ratio between the power receiving device side voltage and the power transmitting device side voltage when load variation or drive frequency variation of the power receiving device occurs can be stabilized.

国際公開2012/172929号パンフレットInternational Publication 2012/172929 Pamphlet

送電装置側電圧は受電装置の負荷変動によって変動する。このため、特許文献1では、送電装置側電圧が一定となるように送電装置側電圧を検出し、送電装置で発生させる高周波高電圧の発生電圧を帰還制御している。したがって、特許文献1では、送電装置側電圧を検出する電圧検出回路、及び帰還制御用のコントローラ等が必要となる。また、送電装置側電圧の変動が大きい場合、帰還制御を正常に動作させないと、伝送効率が低下する、又は、安定した出力電圧が得られない等の問題が生じるおそれがある。そこで、本発明者は、負荷変動に伴う送電装置側電圧の変動を抑えることができる回路構成を見出した。   The power transmission device side voltage varies depending on the load variation of the power receiving device. For this reason, in Patent Document 1, the power transmission device side voltage is detected so that the power transmission device side voltage is constant, and the generated voltage of the high-frequency high voltage generated by the power transmission device is feedback-controlled. Therefore, in patent document 1, the voltage detection circuit which detects the power transmission apparatus side voltage, the controller for feedback control, etc. are needed. Moreover, when the fluctuation | variation of the power transmission apparatus side voltage is large, if feedback control is not operated normally, there exists a possibility that transmission efficiency may fall or the problem that a stable output voltage cannot be obtained will arise. Therefore, the present inventor has found a circuit configuration capable of suppressing the fluctuation of the power transmission device side voltage accompanying the load fluctuation.

本発明の目的は、受電装置の負荷変動に伴う送電装置側電圧の変動を抑えることができるワイヤレス電力伝送システムを提供することにある。   An object of the present invention is to provide a wireless power transmission system capable of suppressing fluctuations in the power transmission apparatus side voltage accompanying load fluctuations of a power receiving apparatus.

本発明は、交流電圧発生回路と、1次コイル及び2次コイルを有し、前記交流電圧発生回路からの電圧を伝送する第1トランスと、前記第1トランスで誘起された電圧が印加される送電側アクティブ電極、及び送電側パッシブ電極とを備える送電装置と、受電側アクティブ電極と、受電側パッシブ電極と、前記受電側アクティブ電極、及び前記受電側パッシブ電極に誘起される電圧を伝送する第2トランスと、前記第2トランスで誘起された電圧を供給する負荷回路とを備える受電装置と、を備え、前記送電側アクティブ電極、及び前記受電側アクティブ電極が電界結合し、並びに、前記送電側パッシブ電極、及び前記受電側パッシブ電極それぞれが電界結合又は直接導通することにより前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送されるワイヤレス電力伝送システムにおいて、前記送電装置は、前記2次コイルと、前記送電側アクティブ電極及び前記送電側パッシブ電極の間に生じる又は接続された送電側キャパシタンス成分とで構成される第1の並列共振回路を有し、前記受電装置は、第1の直列共振回路と第2の並列共振回路とを有し、前記第1の直列共振回路は、前記受電側アクティブ電極と前記受電側パッシブ電極との間に生じる又は接続された第1インダクタンス成分及び第1キャパシタンス成分が直列接続された構成を含み、前記第2の並列共振回路は、第2キャパシタンス成分と第2インダクタンス成分とが並列接続された構成を含み、前記第1の並列共振回路、前記第1の直列共振回路、及び前記第2の並列共振回路それぞれの共振周波数は同じであり、前記交流電圧発生回路の発生する高周波高電圧の周波数は、前記共振周波数に設定されていることを特徴とする。   The present invention includes an AC voltage generation circuit, a primary coil, and a secondary coil, and a first transformer that transmits a voltage from the AC voltage generation circuit, and a voltage induced by the first transformer is applied. A power transmission device including a power transmission side active electrode and a power transmission side passive electrode, a power reception side active electrode, a power reception side passive electrode, a power transmission side active electrode, and a voltage induced in the power reception side passive electrode. A power receiving device including two transformers and a load circuit for supplying a voltage induced by the second transformer, wherein the power transmission side active electrode and the power reception side active electrode are electrically coupled, and the power transmission side Power is transmitted from the power transmission device to the power reception device by electric field coupling or direct conduction between the passive electrode and the power reception side passive electrode. In the Yaless power transmission system, the power transmission device includes a first parallel resonance configured by the secondary coil and a power transmission side capacitance component generated or connected between the power transmission side active electrode and the power transmission side passive electrode. And the power receiving device includes a first series resonant circuit and a second parallel resonant circuit, and the first series resonant circuit includes a power receiving side active electrode and a power receiving side passive electrode. Including a configuration in which a first inductance component and a first capacitance component generated or connected in series are connected in series, and the second parallel resonant circuit includes a configuration in which a second capacitance component and a second inductance component are connected in parallel The first parallel resonance circuit, the first series resonance circuit, and the second parallel resonance circuit have the same resonance frequency, and Frequency of high frequency high voltage generated by the voltage generating circuit is characterized in that it is set to the resonant frequency.

この構成では、送電装置の交流電圧発生回路と、受電装置の負荷回路との間に、共振周波数を同じにした第1の並列共振回路、第1の直列共振回路、及び第2の並列共振回路が接続される構成となり、高周波高電圧の周波数を各共振回路の共振周波数に設定することで、交流電圧発生回路と、受電装置の負荷回路との間での電圧変動を抑制できる。これにより、受電装置の負荷変動に伴う送電装置側電圧の変動を抑えることができる。   In this configuration, the first parallel resonance circuit, the first series resonance circuit, and the second parallel resonance circuit having the same resonance frequency are provided between the AC voltage generation circuit of the power transmission device and the load circuit of the power reception device. Are connected, and by setting the frequency of the high frequency high voltage to the resonance frequency of each resonance circuit, voltage fluctuation between the AC voltage generation circuit and the load circuit of the power receiving device can be suppressed. Thereby, the fluctuation | variation of the power transmission apparatus side voltage accompanying the load fluctuation | variation of a power receiving apparatus can be suppressed.

前記送電装置は、前記第1トランスの1次コイルに直列接続された送電側キャパシタと、前記送電側キャパシタと前記1次コイルとで構成される第2の直列共振回路と、を備え、前記第2の直列共振回路の共振周波数は、前記第1の並列共振回路、前記第1の直列共振回路、及び前記第2の並列共振回路それぞれの共振周波数と同じであることが好ましい。   The power transmission device includes a power transmission side capacitor connected in series to a primary coil of the first transformer, and a second series resonance circuit including the power transmission side capacitor and the primary coil, The resonance frequency of the second series resonance circuit is preferably the same as the resonance frequency of each of the first parallel resonance circuit, the first series resonance circuit, and the second parallel resonance circuit.

この構成では、送電装置の交流電圧発生回路と、受電装置の負荷回路との間に、共振周波数を同じにした第2の直列共振回路、第1の並列共振回路、第1の直列共振回路、及び第2の並列共振回路が接続される構成となり、高周波高電圧の周波数を各共振回路の共振周波数に設定することで、交流電圧発生回路と、受電装置の負荷回路との間での電圧変動を抑制できる。これにより、受電装置の負荷変動に伴う送電装置側電圧の変動を抑えることができる。   In this configuration, a second series resonance circuit, a first parallel resonance circuit, a first series resonance circuit, having the same resonance frequency between the AC voltage generation circuit of the power transmission device and the load circuit of the power reception device, And the second parallel resonant circuit are connected, and the frequency fluctuation between the AC voltage generating circuit and the load circuit of the power receiving device is set by setting the frequency of the high frequency high voltage to the resonant frequency of each resonant circuit. Can be suppressed. Thereby, the fluctuation | variation of the power transmission apparatus side voltage accompanying the load fluctuation | variation of a power receiving apparatus can be suppressed.

前記第2トランスは、前記受電側アクティブ電極に接続された第1入力部と、前記受電側パッシブ電極に接続された第2入力部と、第1出力部と、第2出力部とを有して、前記第1入力部と前記第2入力部との間に印加される電圧を伝送して前記第1出力部と前記第2出力部との間へ出力し、前記第1インダクタンス成分、前記第1キャパシタンス成分、及び前記第2キャパシタンス成分を含む圧電トランスであり、前記受電装置は、前記第2キャパシタンス成分に並列に接続された並列インダクタを備え、前記第2インダクタンス成分は、前記並列インダクタのインダクタンス成分であることが好ましい。   The second transformer includes a first input unit connected to the power receiving side active electrode, a second input unit connected to the power receiving side passive electrode, a first output unit, and a second output unit. The voltage applied between the first input unit and the second input unit is transmitted and output between the first output unit and the second output unit, and the first inductance component, A piezoelectric transformer including a first capacitance component and the second capacitance component, wherein the power receiving device includes a parallel inductor connected in parallel to the second capacitance component, and the second inductance component is a voltage of the parallel inductor. An inductance component is preferable.

この構成では、負荷変動による圧電トランスの出力電圧の変動を抑えられるため、後段に接続する負荷の入力電圧範囲を狭くすることができる。   In this configuration, since the fluctuation of the output voltage of the piezoelectric transformer due to the load fluctuation can be suppressed, the input voltage range of the load connected to the subsequent stage can be narrowed.

また、圧電トランスを高効率動作させるためには、圧電トランスへの入力電圧に含まれる高調波成分を除去する必要がある。圧電トランスにスプリアス周波数が印加される場合、圧電トランスの不要共振と結合して効率低下する(発熱が生じる)おそれがある。このため、各共振回路の共振周波数を駆動周波数近傍に設定することで、スプリアス周波数成分が圧電トランスに印加されることを防止できる。   Further, in order to operate the piezoelectric transformer with high efficiency, it is necessary to remove harmonic components contained in the input voltage to the piezoelectric transformer. When a spurious frequency is applied to the piezoelectric transformer, there is a possibility that the efficiency is reduced (heat generation is generated) due to coupling with unnecessary resonance of the piezoelectric transformer. For this reason, it is possible to prevent the spurious frequency component from being applied to the piezoelectric transformer by setting the resonance frequency of each resonance circuit in the vicinity of the drive frequency.

前記受電装置は、前記負荷回路へ供給される電流を検出する電流検出回路と、前記電流検出回路が検出した電流が閾値を超えた場合、前記負荷回路への電流の供給を遮断する制御回路と、を備えることが好ましい。   The power receiving device includes a current detection circuit that detects a current supplied to the load circuit, and a control circuit that cuts off the supply of current to the load circuit when the current detected by the current detection circuit exceeds a threshold value. Are preferably provided.

この構成では、負荷回路の過電流保護ができる。また、圧電トランスを用いている場合には、圧電トランスの熱暴走を防ぐことができる。   With this configuration, overcurrent protection of the load circuit can be performed. Moreover, when a piezoelectric transformer is used, thermal runaway of the piezoelectric transformer can be prevented.

本発明によれば、受電装置の負荷変動に伴う送電装置側電圧の変動を抑えることができ、受電装置側の出力電圧の変動を抑えることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fluctuation | variation of the power transmission apparatus side voltage accompanying the load fluctuation | variation of a power receiving apparatus can be suppressed, and the fluctuation | variation of the output voltage by the side of a power receiving apparatus can be suppressed.

実施形態1に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図1 is a circuit diagram of a wireless power transmission system according to a first embodiment. 図1に示すワイヤレス電力伝送システムの等価回路図1 is an equivalent circuit diagram of the wireless power transmission system shown in FIG. 負荷変動させた場合の送電電圧の特性を示す図Diagram showing the characteristics of transmission voltage when the load is changed 負荷変動させた場合の出力電圧の特性を示す図The figure which shows the characteristic of the output voltage when changing the load 実施形態2に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図Circuit diagram of wireless power transmission system according to Embodiment 2 負荷変動させた場合の送電電圧の特性を示す図Diagram showing the characteristics of transmission voltage when the load is changed 負荷変動させた場合の出力電圧の特性を示す図The figure which shows the characteristic of the output voltage when changing the load 実施形態3に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図Circuit diagram of wireless power transmission system according to Embodiment 3 実施形態4に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図Circuit diagram of wireless power transmission system according to Embodiment 4 図9のワイヤレス電力伝送システムにおいて負荷変動させた場合の送電電圧の特性を示す図The figure which shows the characteristic of the power transmission voltage at the time of carrying out load fluctuation in the wireless power transmission system of FIG. 送電装置に並列共振回路を構成していない場合における、負荷変動させたときの送電電圧の特性を示す図The figure which shows the characteristic of the power transmission voltage when carrying out load change when the parallel resonance circuit is not constituted in the power transmission device 実施形態5に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図Circuit diagram of wireless power transmission system according to Embodiment 5 負荷変動させた場合の送電電圧の特性を示す図Diagram showing the characteristics of transmission voltage when the load is changed

(実施形態1)
図1は、実施形態1に係るワイヤレス電力伝送システム1の回路図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram of a wireless power transmission system 1 according to the first embodiment.

ワイヤレス電力伝送システム1は、送電装置101と受電装置201とを備えている。送電装置101には受電装置201が載置される。送電装置101及び受電装置201はそれぞれ、アクティブ電極13,23及びパッシブ電極14,24を備えていて、送電装置101に受電装置201が載置される場合、アクティブ電極13,23同士、パッシブ電極14,24同士それぞれが対向する。その状態で、送電装置101は、電界結合を利用して受電装置201へ電力を伝送する。   The wireless power transmission system 1 includes a power transmission device 101 and a power reception device 201. A power receiving apparatus 201 is placed on the power transmitting apparatus 101. The power transmission device 101 and the power reception device 201 include the active electrodes 13 and 23 and the passive electrodes 14 and 24, respectively. When the power reception device 201 is placed on the power transmission device 101, the active electrodes 13 and 23, the passive electrode 14 and the like. , 24 face each other. In that state, the power transmission apparatus 101 transmits electric power to the power reception apparatus 201 using electric field coupling.

送電装置101は、電圧発生回路11及び昇圧トランスT1を備えている。電圧発生回路11は、商用電源に接続されたACアダプタにより交流電圧(AC100V〜230V)から変換された直流電圧(例えばDC19V)を、DC−ACインバータ回路で交流電圧に変換し、出力する。   The power transmission apparatus 101 includes a voltage generation circuit 11 and a step-up transformer T1. The voltage generation circuit 11 converts a DC voltage (for example, DC 19 V) converted from an AC voltage (AC 100 V to 230 V) by an AC adapter connected to a commercial power source into an AC voltage by a DC-AC inverter circuit, and outputs the AC voltage.

昇圧トランスT1は、1次コイルn11と2次コイルn12とを備えている。昇圧トランスT1は、本発明の第1トランスに相当する。1次コイルn11は電圧発生回路11に接続されている。2次コイルn12は、アクティブ電極13及びパッシブ電極14に接続されている。昇圧トランスT1は、電圧発生回路11から出力された高周波電圧を昇圧し、アクティブ電極13及びパッシブ電極14へ印加する。   The step-up transformer T1 includes a primary coil n11 and a secondary coil n12. The step-up transformer T1 corresponds to the first transformer of the present invention. The primary coil n11 is connected to the voltage generation circuit 11. The secondary coil n12 is connected to the active electrode 13 and the passive electrode 14. The step-up transformer T1 boosts the high-frequency voltage output from the voltage generation circuit 11 and applies it to the active electrode 13 and the passive electrode 14.

アクティブ電極13及びパッシブ電極14の間には、キャパシタC1が接続されている。このキャパシタC1は、アクティブ電極13及びパッシブ電極14の間に生じる容量、昇圧トランスT1の巻線間浮遊容量等を含む。キャパシタC1は、昇圧トランスT1の2次コイルn12とにより並列共振回路を構成している。   A capacitor C1 is connected between the active electrode 13 and the passive electrode 14. The capacitor C1 includes a capacitance generated between the active electrode 13 and the passive electrode 14, a stray capacitance between windings of the step-up transformer T1, and the like. The capacitor C1 forms a parallel resonance circuit with the secondary coil n12 of the step-up transformer T1.

受電装置201は、キャパシタC2、圧電トランス22、インダクタL1及び負荷回路RL1を備えている。キャパシタC2は、アクティブ電極23及びパッシブ電極24の間に接続される。このキャパシタC2は、アクティブ電極23及びパッシブ電極24の間に生じる容量を含む。   The power receiving apparatus 201 includes a capacitor C2, a piezoelectric transformer 22, an inductor L1, and a load circuit RL1. The capacitor C <b> 2 is connected between the active electrode 23 and the passive electrode 24. The capacitor C2 includes a capacitance generated between the active electrode 23 and the passive electrode 24.

圧電トランス22は、アクティブ電極23に接続される第1入力部E21と、パッシブ電極24に接続される第2入力部E22と、負荷回路RL1に接続される第1出力部E23、第2出力部E24とを有している。第1入力部E21はアクティブ電極23に、第2入力部E22はパッシブ電極24に、第1出力部E23は負荷RL1の一端に、第2出力部E24は負荷RL1の他端に、それぞれ接続されている。圧電トランス22は、アクティブ電極23及びパッシブ電極24に誘起される電圧が、第1入力部E21と第2入力部E22との間に印加されると、その電圧を降圧して、第3出力部E23と第4出力部E24の間から出力する。ここで、圧電トランスは4つの電極E21,E22,E23,E24を有しているが、第2入力部E22と第2出力部E24とを接続して(共通電極として)、3端子構造にしてもよい。   The piezoelectric transformer 22 includes a first input unit E21 connected to the active electrode 23, a second input unit E22 connected to the passive electrode 24, a first output unit E23 connected to the load circuit RL1, and a second output unit. E24. The first input unit E21 is connected to the active electrode 23, the second input unit E22 is connected to the passive electrode 24, the first output unit E23 is connected to one end of the load RL1, and the second output unit E24 is connected to the other end of the load RL1. ing. When a voltage induced in the active electrode 23 and the passive electrode 24 is applied between the first input unit E21 and the second input unit E22, the piezoelectric transformer 22 steps down the voltage to generate a third output unit. Output from between E23 and the fourth output unit E24. Here, although the piezoelectric transformer has four electrodes E21, E22, E23, E24, the second input portion E22 and the second output portion E24 are connected (as a common electrode) to form a three-terminal structure. Also good.

この圧電トランス22は、後述するが、キャパシタンス成分とインダクタンス成分を有している。そして、インダクタンス成分はキャパシタC2とによって直列共振回路を構成している。また、インダクタL1は、圧電トランス22の第3電極E23と第4電極E24とに接続されている。圧電トランス22のキャパシタンス成分は、このインダクタL1とによって並列共振回路を構成している。   As will be described later, the piezoelectric transformer 22 has a capacitance component and an inductance component. The inductance component forms a series resonance circuit with the capacitor C2. The inductor L1 is connected to the third electrode E23 and the fourth electrode E24 of the piezoelectric transformer 22. The capacitance component of the piezoelectric transformer 22 forms a parallel resonant circuit with the inductor L1.

負荷回路RL1は、整流平滑回路、充電回路及び二次電池等を含む。負荷回路RL1は、圧電トランス22により降圧された電圧が供給され、その電圧を整流平滑し、二次電池を充電する。   The load circuit RL1 includes a rectifying / smoothing circuit, a charging circuit, a secondary battery, and the like. The load circuit RL1 is supplied with the voltage stepped down by the piezoelectric transformer 22, rectifies and smoothes the voltage, and charges the secondary battery.

図2は、図1に示すワイヤレス電力伝送システム1の等価回路図である。この図2では、送電装置101の電圧発生回路11等の一部の図示は省略している。   FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the wireless power transmission system 1 shown in FIG. In FIG. 2, illustration of a part of the voltage generation circuit 11 and the like of the power transmission apparatus 101 is omitted.

昇圧トランスT1の2次コイルn12は、キャパシタC1とで並列共振回路RC1を構成している。キャパシタC1は、本発明に係る送電側キャパシタンス成分に相当する。並列共振回路RC1は、本発明に係る第1の並列共振回路に相当する。   The secondary coil n12 of the step-up transformer T1 forms a parallel resonance circuit RC1 with the capacitor C1. The capacitor C1 corresponds to a power transmission side capacitance component according to the present invention. The parallel resonant circuit RC1 corresponds to the first parallel resonant circuit according to the present invention.

圧電トランス22は、インダクタンス成分Lp、キャパシタンス成分Ci,Cp,C3、抵抗Rp、及び理想変圧器Tpで表される。キャパシタンス成分Ciは圧電トランス22の等価入力容量である。キャパシタンス成分C3は圧電トランス22の等価出力容量である。キャパシタンス成分Cp、及びインダクタンス成分Lpは電気機械的なパラメータである。圧電トランス22の共振周波数は主にキャパシタンス成分Cpとインダクタンス成分Lpによる共振回路の共振で定まる。電気エネルギー変換は弾性振動を介するため、圧電トランス22は、圧電体セラミックスの弾性波伝搬速度と寸法とで決まる固有共振周波数を有する。   The piezoelectric transformer 22 is represented by an inductance component Lp, capacitance components Ci, Cp, C3, a resistor Rp, and an ideal transformer Tp. The capacitance component Ci is an equivalent input capacitance of the piezoelectric transformer 22. The capacitance component C3 is an equivalent output capacity of the piezoelectric transformer 22. The capacitance component Cp and the inductance component Lp are electromechanical parameters. The resonance frequency of the piezoelectric transformer 22 is determined mainly by the resonance of the resonance circuit due to the capacitance component Cp and the inductance component Lp. Since electrical energy conversion is via elastic vibration, the piezoelectric transformer 22 has a natural resonance frequency determined by the elastic wave propagation speed and dimensions of the piezoelectric ceramic.

この圧電トランス22のインダクタンス成分Lp及びキャパシタンス成分Ci,Cpは、キャパシタC2とによって直列共振回路RC2を構成している。この直列共振回路RC2の回路定数によって直列共振回路RC2の共振周波数が定まる。直列共振回路RC2は、本発明に係る第1の直列共振回路に相当する。キャパシタンス成分Ci,Cp及びキャパシタC2のキャパシタンスは、本発明に係る第1キャパシタンス成分に相当する。また、インダクタンス成分Lpは、本発明に係る第1インダクタンス成分に相当する。   The inductance component Lp and the capacitance components Ci and Cp of the piezoelectric transformer 22 form a series resonance circuit RC2 with the capacitor C2. The resonance frequency of the series resonance circuit RC2 is determined by the circuit constant of the series resonance circuit RC2. The series resonance circuit RC2 corresponds to the first series resonance circuit according to the present invention. The capacitances of the capacitance components Ci and Cp and the capacitor C2 correspond to the first capacitance component according to the present invention. Further, the inductance component Lp corresponds to the first inductance component according to the present invention.

なお、並列共振回路RC1、直列共振回路RC2を構成するキャパシタンス成分には、結合に寄与する電極(13,23,14,24)間に生じる寄生容量も含む(4つの電極13,23,14,24ののうち2つの電極間のキャパシタの組み合わせを全て含む)。   The capacitance components constituting the parallel resonance circuit RC1 and the series resonance circuit RC2 include a parasitic capacitance generated between the electrodes (13, 23, 14, 24) contributing to the coupling (four electrodes 13, 23, 14,. Including all capacitor combinations between two of the 24 electrodes).

また、圧電トランス22のキャパシタンス成分C3は、インダクタL1とによって並列共振回路RC3を構成している。キャパシタンス成分C3のキャパシタンスとインダクタL1のインダクタンスとによって並列共振回路RC3の共振周波数が定まる。並列共振回路RC3は、本発明に係る第2の並列共振回路に相当する。キャパシタンス成分C3は、本発明に係る第2キャパシタンス成分に相当する。インダクタL1は、本発明に係る並列インダクタ、及び第2インダクタンス成分に相当する。   The capacitance component C3 of the piezoelectric transformer 22 forms a parallel resonant circuit RC3 with the inductor L1. The resonance frequency of the parallel resonance circuit RC3 is determined by the capacitance of the capacitance component C3 and the inductance of the inductor L1. The parallel resonant circuit RC3 corresponds to the second parallel resonant circuit according to the present invention. The capacitance component C3 corresponds to the second capacitance component according to the present invention. The inductor L1 corresponds to a parallel inductor according to the present invention and a second inductance component.

並列共振回路RC1、直列共振回路RC2、及び並列共振回路RC3それぞれは、共振周波数が同じに定数設定されている。本実施形態では、共振周波数は550kHzとするそして、電圧発生回路11の発生する高周波高電圧の周波数は、その共振周波数に定められる。なお、±10%範囲内の数値であれば、並列共振回路RC1、直列共振回路RC2、及び並列共振回路RC3それぞれの共振周波数は同じと見なすことができる。そして、共振周波数において、並列共振回路RC1と並列共振回路RC3とはハイインピーダンス(極大)となり、直列共振回路RC2はローインピーダンス(極小)となる。このため、並列共振回路RC1と、直列共振回路RC2と、並列共振回路RC3とが接続された電圧発生回路11と負荷回路RL1との間での電圧変動は小さい。したがって、受電装置201側での負荷変動が生じても、送電装置101における送電電圧ACVを一定にできる。送電電圧ACVは、アクティブ電極13及びパッシブ電極14間電圧である。   Each of the parallel resonance circuit RC1, the series resonance circuit RC2, and the parallel resonance circuit RC3 is set to have a constant resonance frequency. In the present embodiment, the resonance frequency is 550 kHz, and the frequency of the high frequency high voltage generated by the voltage generation circuit 11 is determined as the resonance frequency. It should be noted that the resonance frequencies of the parallel resonance circuit RC1, the series resonance circuit RC2, and the parallel resonance circuit RC3 can be regarded as the same as long as the numerical values are within a range of ± 10%. At the resonance frequency, the parallel resonance circuit RC1 and the parallel resonance circuit RC3 are high impedance (maximum), and the series resonance circuit RC2 is low impedance (minimum). For this reason, voltage fluctuations between the voltage generation circuit 11 and the load circuit RL1 to which the parallel resonance circuit RC1, the series resonance circuit RC2, and the parallel resonance circuit RC3 are connected are small. Therefore, the power transmission voltage ACV in the power transmission apparatus 101 can be made constant even when a load fluctuation occurs on the power reception apparatus 201 side. The transmission voltage ACV is a voltage between the active electrode 13 and the passive electrode 14.

共振周波数を駆動周波数に近接させているので、圧電トランス22に入力される電圧波形は正弦波状に近づく。並列共振回路RC1及びアクティブ電極13,23、パッシブ電極14,24により、駆動周波数以外の周波数成分の電圧が圧電トランス22に入力するのを抑制できる。これにより、圧電トランス22での電圧波形の歪による損失を低減でき、効率よく電圧変換(降圧)できる。そして、送電電圧ACVと出力電圧Voutとの電圧変換の変動が少ないので、送電電圧ACVを一定にすることで、負荷回路RL1への出力電圧Voutを一定にできる。また、並列共振回路RC1は並列共振回路であるから、直列共振回路RC2とは異なり、受電装置201側での負荷変動により生じる過度な電圧が圧電トランス22に印加されることはない。これにより、圧電トランス22の振動速度の過度な上昇を抑制できる。   Since the resonance frequency is close to the drive frequency, the voltage waveform input to the piezoelectric transformer 22 approaches a sine wave shape. The parallel resonant circuit RC1, the active electrodes 13 and 23, and the passive electrodes 14 and 24 can suppress the voltage component voltage other than the driving frequency from being input to the piezoelectric transformer 22. Thereby, the loss by the distortion of the voltage waveform in the piezoelectric transformer 22 can be reduced, and voltage conversion (step-down) can be performed efficiently. Since the voltage conversion fluctuation between the transmission voltage ACV and the output voltage Vout is small, the output voltage Vout to the load circuit RL1 can be made constant by making the transmission voltage ACV constant. Further, since the parallel resonant circuit RC1 is a parallel resonant circuit, unlike the series resonant circuit RC2, an excessive voltage generated due to load fluctuation on the power receiving device 201 side is not applied to the piezoelectric transformer 22. Thereby, an excessive increase in the vibration speed of the piezoelectric transformer 22 can be suppressed.

図3は、負荷変動させた場合の送電電圧ACVの特性を示す図である。図3は、横軸を駆動周波数[kHz]、縦軸を送電電圧ACV[V]として、負荷を10、21.5、46、100、200、215、464、1000Ωと変化させた場合の特性を示す。各特性は略同じであるため、図中では重なって表示されている。図に示す通り、周波数550kHz近傍(図中破線丸印)において、負荷変動があっても、送電電圧ACVの変動は小さい。   FIG. 3 is a diagram showing the characteristics of the transmission voltage ACV when the load is varied. FIG. 3 shows characteristics when the load is changed to 10, 21.5, 46, 100, 200, 215, 464, and 1000Ω with the driving frequency [kHz] on the horizontal axis and the transmission voltage ACV [V] on the vertical axis. Indicates. Since each characteristic is substantially the same, they are displayed overlapping in the figure. As shown in the figure, the fluctuation in the transmission voltage ACV is small even if there is a load fluctuation in the vicinity of a frequency of 550 kHz (dotted circle in the figure).

図4は、負荷変動させた場合の出力電圧Voutの特性を示す図である。出力電圧Voutは、負荷回路RL1へ供給される電圧である。図4は、横軸を駆動周波数[kHz]、縦軸を出力電圧Vout[V]として、負荷を10、21.5、46、100、200、215、464、1000Ωと変化させた場合の特性を示す。図に示す通り、周波数550kHz近傍(図中破線丸印)において、負荷変動があっても、出力電圧Voutは略一定である。   FIG. 4 is a diagram showing the characteristics of the output voltage Vout when the load is varied. The output voltage Vout is a voltage supplied to the load circuit RL1. FIG. 4 shows characteristics when the load is changed to 10, 21.5, 46, 100, 200, 215, 464, and 1000Ω with the driving frequency [kHz] on the horizontal axis and the output voltage Vout [V] on the vertical axis. Indicates. As shown in the figure, the output voltage Vout is substantially constant even when there is a load fluctuation in the vicinity of a frequency of 550 kHz (dotted circle in the figure).

このように、受電装置201の並列共振回路RC1、送電装置101の直列共振回路RC2及び並列共振回路RC3それぞれの共振周波数を同じにして、電圧発生回路11の発生する高周波高電圧の周波数を、その共振周波数に設定することで、負荷変動にかかわらず、送電電圧ACVの変動を小さくできる。これにより、出力電圧Voutをほぼ一定にできる。また、圧電トランス22の振動波形を略正弦波状に近づけることができ、圧電トランス22における電圧変換を効率よく行うことができる。   Thus, the resonance frequency of each of the parallel resonance circuit RC1 of the power receiving device 201, the series resonance circuit RC2 and the parallel resonance circuit RC3 of the power transmission device 101 is made the same, and the frequency of the high frequency high voltage generated by the voltage generation circuit 11 is By setting the resonance frequency, fluctuations in the transmission voltage ACV can be reduced regardless of load fluctuations. Thereby, the output voltage Vout can be made substantially constant. In addition, the vibration waveform of the piezoelectric transformer 22 can be made substantially sinusoidal, and voltage conversion in the piezoelectric transformer 22 can be performed efficiently.

また、圧電トランス22への入力電圧が高調波成分を含む場合(方形波(パルス)状の波形など)、圧電トランス22の入力側にさらにローパスフィルタを設けて、入力電圧の高調波成分を除去する必要があるが、このローパスフィルタの周波数特性により、圧電トランス22にスプリアス周波数が印加される場合がある。この場合、圧電トランス22に発熱が生じるおそれがある。このため、電圧発生回路11の発生する高周波高電圧の周波数を、各共振回路RC1,RC2,RC3の共振周波数に設定することで、スプリアス周波数が圧電トランス22に印加されることを防止できる。   When the input voltage to the piezoelectric transformer 22 includes a harmonic component (such as a square wave (pulse) waveform), a low-pass filter is further provided on the input side of the piezoelectric transformer 22 to remove the harmonic component of the input voltage. However, the spurious frequency may be applied to the piezoelectric transformer 22 due to the frequency characteristics of the low-pass filter. In this case, heat may be generated in the piezoelectric transformer 22. For this reason, it is possible to prevent the spurious frequency from being applied to the piezoelectric transformer 22 by setting the frequency of the high frequency high voltage generated by the voltage generation circuit 11 to the resonance frequency of each of the resonance circuits RC1, RC2, and RC3.

(実施形態2)
図5は実施形態2に係るワイヤレス電力伝送システム2の回路図である。本実施形態では、送電装置102に直列共振回路RC4がさらに構成されている点で実施形態1と相違する。受電装置201は、実施形態1と同様である。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a circuit diagram of the wireless power transmission system 2 according to the second embodiment. The present embodiment is different from the first embodiment in that a series resonance circuit RC4 is further configured in the power transmission device 102. The power receiving apparatus 201 is the same as that in the first embodiment.

送電装置102の電圧発生回路11と、昇圧トランスT1の1次コイルn11との間には、キャパシタC4が設けられている。キャパシタC4は、本発明に係る送電側キャパシタに相当する。このキャパシタC4は昇圧トランスT1の1次コイルn11(2次コイルn12を短絡した場合のインダクタンスと共振させる)とによって、直列共振回路RC4を構成している。この直列共振回路RC4は、実施形態1で説明した並列共振回路RC1、直列共振回路RC2及び並列共振回路RC3と同じ共振周波数(550kHz)に設定されている。   A capacitor C4 is provided between the voltage generation circuit 11 of the power transmission device 102 and the primary coil n11 of the step-up transformer T1. The capacitor C4 corresponds to the power transmission side capacitor according to the present invention. The capacitor C4 forms a series resonance circuit RC4 by the primary coil n11 of the step-up transformer T1 (resonates with the inductance when the secondary coil n12 is short-circuited). The series resonance circuit RC4 is set to the same resonance frequency (550 kHz) as the parallel resonance circuit RC1, the series resonance circuit RC2, and the parallel resonance circuit RC3 described in the first embodiment.

電圧発生回路11の発生する高周波高電圧の周波数は、並列共振回路RC1、直列共振回路RC2、並列共振回路RC3、及び直列共振回路RC4の共振周波数と同じに設定されている。この場合、共振周波数において、並列共振回路RC1と並列共振回路RC3とはハイインピーダンス(略∞)となり、直列共振回路RC2と直列共振回路RC4とはローインピーダンス(略0)となる。このため、直列共振回路RC4と、並列共振回路RC1と、直列共振回路RC2と、並列共振回路RC3とが接続された電圧発生回路11と負荷回路RL1との間での電圧変動は小さい。したがって、受電装置201側での負荷変動が生じても、送電装置102における送電電圧ACVの変動は小さい。   The frequency of the high frequency high voltage generated by the voltage generation circuit 11 is set to be the same as the resonance frequency of the parallel resonance circuit RC1, the series resonance circuit RC2, the parallel resonance circuit RC3, and the series resonance circuit RC4. In this case, at the resonance frequency, the parallel resonance circuit RC1 and the parallel resonance circuit RC3 have high impedance (approximately ∞), and the series resonance circuit RC2 and series resonance circuit RC4 have low impedance (approximately 0). For this reason, voltage fluctuations between the voltage generation circuit 11 and the load circuit RL1 to which the series resonance circuit RC4, the parallel resonance circuit RC1, the series resonance circuit RC2, and the parallel resonance circuit RC3 are connected are small. Therefore, even if a load fluctuation occurs on the power receiving apparatus 201 side, the fluctuation of the transmission voltage ACV in the power transmission apparatus 102 is small.

図6は、負荷変動させた場合の送電電圧ACVの特性を示す図である。図7は、負荷変動させた場合の出力電圧Voutの特性を示す図である。図6は図3に相当する図であり、図7は図4に相当する図である。図6に示す通り、周波数550kHz近傍(図中破線丸印)において、負荷変動があっても、送電電圧ACVはほぼ一定である。また、図7に示す通り、周波数550kHz近傍(図中破線丸印)において、負荷変動があっても、出力電圧Voutはほぼ一定である。   FIG. 6 is a diagram showing the characteristics of the transmission voltage ACV when the load is varied. FIG. 7 is a graph showing the characteristics of the output voltage Vout when the load is varied. 6 is a diagram corresponding to FIG. 3, and FIG. 7 is a diagram corresponding to FIG. As shown in FIG. 6, the transmission voltage ACV is substantially constant even when there is a load fluctuation in the vicinity of a frequency of 550 kHz (dotted circle in the figure). Further, as shown in FIG. 7, the output voltage Vout is substantially constant even when there is a load fluctuation in the vicinity of the frequency of 550 kHz (dotted circle in the figure).

以上のように、本実施形態では、送電装置102に、直列共振回路RC4及び並列共振回路RC1を構成し、受電装置201に、直列共振回路RC2及び並列共振回路RC3を構成している。そして、これら並列共振回路RC1、直列共振回路RC2、並列共振回路RC3及び直列共振回路RC4それぞれの共振周波数を同じにし、電圧発生回路11の発生する高周波高電圧の周波数を、その共振周波数に設定している。これにより、負荷変動にかかわらず、送電電圧ACVの変動を小さくできる。これにより、出力電圧Voutを一定にできる。圧電トランス22に入力される電圧波形を正弦波状に近づけることができ、圧電トランス22における電圧変換を効率よく行うことができる。   As described above, in the present embodiment, the power transmission device 102 includes the series resonance circuit RC4 and the parallel resonance circuit RC1, and the power reception device 201 includes the series resonance circuit RC2 and the parallel resonance circuit RC3. The resonance frequencies of the parallel resonance circuit RC1, the series resonance circuit RC2, the parallel resonance circuit RC3, and the series resonance circuit RC4 are made the same, and the frequency of the high frequency high voltage generated by the voltage generation circuit 11 is set to the resonance frequency. ing. Thereby, the fluctuation | variation of the transmission voltage ACV can be made small irrespective of a load fluctuation | variation. Thereby, the output voltage Vout can be made constant. The voltage waveform input to the piezoelectric transformer 22 can be brought close to a sine wave shape, and voltage conversion in the piezoelectric transformer 22 can be performed efficiently.

(実施形態3)
図8は、実施形態3に係るワイヤレス電力伝送システム3の回路図である。本実施形態において、送電装置102は実施形態2と同じである。
(Embodiment 3)
FIG. 8 is a circuit diagram of the wireless power transmission system 3 according to the third embodiment. In the present embodiment, the power transmission apparatus 102 is the same as that in the second embodiment.

受電装置202は、圧電トランス22、アクティブ電極23及びパッシブ電極24を備えている。圧電トランス22は、アクティブ電極23及びパッシブ電極24に誘起された電圧を降圧する。この圧電トランス22には、共振用のインダクタL1が接続されて、さらに、整流用のダイオードブリッジDBと、平滑用のインダクタL2及びキャパシタC5とが接続されている。ダイオードブリッジDB、インダクタL2及びキャパシタC5で整流平滑された電圧は、負荷回路RL2に供給される。この負荷回路RL2は、充電回路及び二次電池を含む。   The power receiving device 202 includes a piezoelectric transformer 22, an active electrode 23, and a passive electrode 24. The piezoelectric transformer 22 steps down the voltage induced in the active electrode 23 and the passive electrode 24. A resonance inductor L1 is connected to the piezoelectric transformer 22, and a rectification diode bridge DB, a smoothing inductor L2, and a capacitor C5 are further connected. The voltage rectified and smoothed by the diode bridge DB, the inductor L2, and the capacitor C5 is supplied to the load circuit RL2. The load circuit RL2 includes a charging circuit and a secondary battery.

受電装置202の出力と負荷との間には、スイッチ素子SWが設けられている。スイッチ素子SWは制御部25により開閉される。スイッチ素子SWと制御部25とは、本発明に係る制御回路に相当する。   A switch element SW is provided between the output of the power receiving apparatus 202 and the load. The switch element SW is opened and closed by the control unit 25. The switch element SW and the control unit 25 correspond to a control circuit according to the present invention.

負荷回路RL2の基準電位側には、電流検出用の抵抗R1が設けられている。制御部25は、抵抗R1により負荷回路RL2に流れる電流を検出する。制御部25は、検出した電流が閾値を超えた場合、スイッチ素子SWをオフにする。これにより、負荷回路RL2へ流れる電流が遮断され、受電装置202での過電流を防止できる。圧電トランス22は、振動速度と出力電流とに相関関係があるため、過電流を防止することで、圧電トランス22の熱暴走を防止するなど、圧電トランス22を保護できる。なお、スイッチ素子SWは受電装置202の整流用のダイオードブリッジDBより前段に配置してもよい。この場合は交流対応のスイッチ素子SWを設ける。   A resistor R1 for current detection is provided on the reference potential side of the load circuit RL2. The control unit 25 detects the current flowing through the load circuit RL2 by the resistor R1. When the detected current exceeds the threshold value, the control unit 25 turns off the switch element SW. Thereby, the current flowing to the load circuit RL2 is interrupted, and an overcurrent in the power receiving device 202 can be prevented. Since the piezoelectric transformer 22 has a correlation between the vibration speed and the output current, the piezoelectric transformer 22 can be protected by preventing thermal overrun of the piezoelectric transformer 22 by preventing overcurrent. Note that the switch element SW may be arranged upstream of the rectifying diode bridge DB of the power receiving apparatus 202. In this case, an AC compatible switch element SW is provided.

(実施形態4)
図9は、実施形態4に係るワイヤレス電力伝送システム4の回路図である。実施形態1では、受電装置の降圧部に圧電トランスを用いているが、本実施形態では、受電装置203の降圧部に巻線トランスを用いている。なお、送電装置101は、実施形態1と同じである。
(Embodiment 4)
FIG. 9 is a circuit diagram of the wireless power transmission system 4 according to the fourth embodiment. In the first embodiment, a piezoelectric transformer is used for the step-down unit of the power receiving device. However, in this embodiment, a winding transformer is used for the step-down unit of the power receiving device 203. The power transmission apparatus 101 is the same as that in the first embodiment.

受電装置203は、1次コイルn21と、2次コイルn22とを有する降圧トランスT2を備えている。降圧トランスT2は、本発明に係る第2トランスに相当する。1次コイルn21は、一端がアクティブ電極23に接続され、他端がパッシブ電極24に接続されている。この1次コイルn21の漏れインダクタンスLleakは、キャパシタC2とによって直列共振回路RC5を構成している。降圧トランスT2の2次コイルn22は、負荷回路RL1に接続されている。この2次コイルn22には、キャパシタC6が並列に接続されていて、2次コイルn22とキャパシタC6とにより、並列共振回路RC6を構成している。漏れインダクタンスのほか、直列共振用コイルを別途挿入してもよい。The power receiving device 203 includes a step-down transformer T2 having a primary coil n21 and a secondary coil n22. The step-down transformer T2 corresponds to a second transformer according to the present invention. The primary coil n <b> 21 has one end connected to the active electrode 23 and the other end connected to the passive electrode 24. The leakage inductance L leak of the primary coil n21 forms a series resonance circuit RC5 with the capacitor C2. The secondary coil n22 of the step-down transformer T2 is connected to the load circuit RL1. A capacitor C6 is connected in parallel to the secondary coil n22, and the secondary coil n22 and the capacitor C6 constitute a parallel resonance circuit RC6. In addition to leakage inductance, a series resonance coil may be inserted separately.

キャパシタC2は、本発明に係る受電側第1キャパシタ、及び第1キャパシタンス成分に相当し、キャパシタC6は、本発明に係る受電側第2キャパシタ、及び第2キャパシタンス成分に相当する。漏れインダクタンスLleakは、本発明に係る第1インダクタンス成分に相当する。2次コイルn22は、本発明に係る第2インダクタンス成分に相当する。直列共振回路RC5は、本発明に係る第1の直列共振回路に相当する。並列共振回路RC6は、本発明に係る第2の並列共振回路に相当する。The capacitor C2 corresponds to the power receiving side first capacitor and the first capacitance component according to the present invention, and the capacitor C6 corresponds to the power receiving side second capacitor and the second capacitance component according to the present invention. The leakage inductance L leak corresponds to the first inductance component according to the present invention. The secondary coil n22 corresponds to the second inductance component according to the present invention. The series resonance circuit RC5 corresponds to the first series resonance circuit according to the present invention. The parallel resonant circuit RC6 corresponds to the second parallel resonant circuit according to the present invention.

また、実施形態1で説明したように、送電装置101には、昇圧トランスT1の2次コイルn12とキャパシタC1とによって並列共振回路RC1が構成されている。   Further, as described in the first embodiment, in the power transmission apparatus 101, the parallel resonance circuit RC1 is configured by the secondary coil n12 of the step-up transformer T1 and the capacitor C1.

送電装置101の並列共振回路RC1と、直列共振回路RC5と、並列共振回路RC6とは、それぞれ同じ共振周波数が設定されている。そして、電圧発生回路11の発生する高周波高電圧の周波数を、その共振周波数(300kHz)に設定している。これにより、実施形態1と同様、受電装置203側での負荷変動が生じても、送電装置101における送電電圧ACVを一定にできる。   The parallel resonance circuit RC1, the series resonance circuit RC5, and the parallel resonance circuit RC6 of the power transmission apparatus 101 have the same resonance frequency. The frequency of the high frequency high voltage generated by the voltage generation circuit 11 is set to the resonance frequency (300 kHz). As a result, similarly to the first embodiment, the power transmission voltage ACV in the power transmission apparatus 101 can be made constant even when a load fluctuation occurs on the power reception apparatus 203 side.

図10は、図9のワイヤレス電力伝送システム4において負荷変動させた場合の送電電圧ACVの特性を示す図である。図11は、送電装置101に並列共振回路を構成していない場合における、負荷変動させたときの送電電圧ACVの特性を示す図である。図10、及び図11では、負荷を1、2.15、4.6、10、21.5、46.4、100Ωと変化させた場合の特性を示す。   FIG. 10 is a diagram showing the characteristics of the transmission voltage ACV when the load is varied in the wireless power transmission system 4 of FIG. FIG. 11 is a diagram illustrating the characteristics of the transmission voltage ACV when the load is changed when the parallel transmission circuit is not configured in the power transmission apparatus 101. 10 and 11 show characteristics when the load is changed to 1, 2.15, 4.6, 10, 21.5, 46.4, and 100Ω.

図10と図11とを対比すると、負荷変動があった場合、図10に示す、周波数300kHz近傍での送電電圧ACVの変動X1は、図11に示す変動X2よりも小さい。すなわち、本実施形態では、実施形態1と同様に、受電装置203の降圧部に巻線トランスを用いても、負荷変動に伴う送電電圧ACVの変動を抑えることができる。   Comparing FIG. 10 and FIG. 11, when there is a load fluctuation, the fluctuation X1 of the transmission voltage ACV in the vicinity of the frequency of 300 kHz shown in FIG. 10 is smaller than the fluctuation X2 shown in FIG. That is, in the present embodiment, similarly to the first embodiment, even if a winding transformer is used for the step-down unit of the power receiving device 203, fluctuations in the transmission voltage ACV accompanying load fluctuations can be suppressed.

(実施形態5)
図12は、実施形態5に係るワイヤレス電力伝送システム5の回路図である。本実施形態に係る送電装置102は、実施形態2と同様に、並列共振回路RC1と直列共振回路RC4とが構成されている。詳しくは、電圧発生回路11と昇圧トランスT1の1次コイルn11との間には、キャパシタC4が設けられている。このキャパシタC4と昇圧トランスT1の1次コイルn11とによって、直列共振回路RC4が構成されている。受電装置203は、実施形態4と同様であるため、説明は省略する。
(Embodiment 5)
FIG. 12 is a circuit diagram of the wireless power transmission system 5 according to the fifth embodiment. As in the second embodiment, the power transmission apparatus 102 according to the present embodiment includes a parallel resonant circuit RC1 and a series resonant circuit RC4. Specifically, a capacitor C4 is provided between the voltage generation circuit 11 and the primary coil n11 of the step-up transformer T1. This capacitor C4 and the primary coil n11 of the step-up transformer T1 constitute a series resonance circuit RC4. Since the power receiving apparatus 203 is the same as that of Embodiment 4, description is abbreviate | omitted.

送電装置102に構成された直列共振回路RC4及び並列共振回路RC1、並びに、受電装置203に構成された直列共振回路RC5及び並列共振回路RC6は、同じ共振周波数(300kHz)に設定されている。そして、電圧発生回路11の発生する高周波高電圧の周波数は、この共振周波数(300kHz)と同じに設定されている。これにより、実施形態2と同様、受電装置203側での負荷変動が生じても、送電装置102における送電電圧ACVを一定にできる。   The series resonance circuit RC4 and the parallel resonance circuit RC1 configured in the power transmission apparatus 102, and the series resonance circuit RC5 and the parallel resonance circuit RC6 configured in the power reception apparatus 203 are set to the same resonance frequency (300 kHz). The frequency of the high frequency high voltage generated by the voltage generation circuit 11 is set to be the same as this resonance frequency (300 kHz). As a result, similarly to the second embodiment, the power transmission voltage ACV in the power transmission apparatus 102 can be made constant even when a load fluctuation occurs on the power reception apparatus 203 side.

図13は、負荷変動させた場合の送電電圧ACVの特性を示す図である。図13に示す通り、周波数300kHz近傍(図中破線丸印)において、負荷変動があっても、送電電圧ACVの変動は小さい。このように、本実施形態では、負荷変動にかかわらず、送電電圧ACVを一定にすることができる。   FIG. 13 is a diagram illustrating the characteristics of the transmission voltage ACV when the load is changed. As shown in FIG. 13, even if there is a load fluctuation in the vicinity of a frequency of 300 kHz (dotted circle in the figure), the fluctuation of the transmission voltage ACV is small. Thus, in the present embodiment, the transmission voltage ACV can be made constant regardless of load fluctuations.

なお、上述の実施形態ではワイヤレス電力伝送システムは、パッシブ電極14,24同士を対向させて電界結合させる構成としているが、直接導通させる構成であってもよい。また、送電装置は昇圧トランスを備え、受電装置は降圧トランスを備えているが、これに限らない。送電装置及び受電装置は、昇降圧しない絶縁型トランスを備えていてもよい。   In the above-described embodiment, the wireless power transmission system has a configuration in which the passive electrodes 14 and 24 are opposed to each other and are electrically coupled. Further, although the power transmission device includes a step-up transformer and the power reception device includes a step-down transformer, the present invention is not limited thereto. The power transmission device and the power reception device may include an insulating transformer that does not step up or down.

1,2,3,4,5…ワイヤレス電力伝送システム
11…電圧発生回路(交流電圧発生回路)
13,23…アクティブ電極
14,24…パッシブ電極
22…圧電トランス
25…制御部
101,102…送電装置
201,202,203…受電装置
C1…キャパシタ(送電側キャパシタンス成分)
C2…キャパシタ(受電側第1キャパシタ、第1キャパシタンス成分)
C3…キャパシタンス成分(第2キャパシタンス成分)
C4…キャパシタ(送電側キャパシタ)
Ci…キャパシタンス成分(第1キャパシタンス成分)
Cp…キャパシタンス成分(第1キャパシタンス成分)
C5…キャパシタ
C6…キャパシタ(受電側第2キャパシタ、第2キャパシタンス成分)
DB…ダイオードブリッジ
E21…第1入力部
E22…第2入力部
E23…第1出力部
E24…第2出力部
L1,L2…インダクタ
leak…漏れインダクタンス(第1インダクタンス成分)
Lp…インダクタンス成分(第1インダクタンス成分)
n11…1次コイル
n12…2次コイル
n21…1次コイル
n22…2次コイル(第2インダクタンス成分)
R1…抵抗(電流検出回路)
RC1…並列共振回路(第1の並列共振回路)
RC2…直列共振回路(第1の直列共振回路)
RC3…並列共振回路(第2の並列共振回路)
RC4…直列共振回路(第2の直列共振回路)
RC5…直列共振回路(第1の直列共振回路)
RC6…並列共振回路(第2の並列共振回路)
RL1,RL2…負荷回路
Rp…抵抗
SW…スイッチ素子
T1…昇圧トランス(第1トランス)
T2…降圧トランス(第2トランス)
Tp…理想変圧器
1, 2, 3, 4, 5 ... Wireless power transmission system 11 ... Voltage generation circuit (AC voltage generation circuit)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13, 23 ... Active electrode 14, 24 ... Passive electrode 22 ... Piezoelectric transformer 25 ... Control part 101, 102 ... Power transmission apparatus 201, 202, 203 ... Power receiving apparatus C1 ... Capacitor (power transmission side capacitance component)
C2 ... Capacitor (power-receiving-side first capacitor, first capacitance component)
C3: Capacitance component (second capacitance component)
C4 ... Capacitor (transmission side capacitor)
Ci: Capacitance component (first capacitance component)
Cp: Capacitance component (first capacitance component)
C5: Capacitor C6: Capacitor (power-receiving-side second capacitor, second capacitance component)
DB ... diode bridge E21 ... first input unit E22 ... second input unit E23 ... first output unit E24 ... second output units L1, L2 ... inductor L leak ... leakage inductance (first inductance component)
Lp: Inductance component (first inductance component)
n11 ... primary coil n12 ... secondary coil n21 ... primary coil n22 ... secondary coil (second inductance component)
R1 ... resistance (current detection circuit)
RC1: parallel resonance circuit (first parallel resonance circuit)
RC2: Series resonance circuit (first series resonance circuit)
RC3: parallel resonance circuit (second parallel resonance circuit)
RC4: Series resonance circuit (second series resonance circuit)
RC5: Series resonance circuit (first series resonance circuit)
RC6: parallel resonance circuit (second parallel resonance circuit)
RL1, RL2 ... load circuit Rp ... resistor SW ... switch element T1 ... step-up transformer (first transformer)
T2: Step-down transformer (second transformer)
Tp ... Ideal transformer

Claims (4)

交流電圧発生回路と、1次コイル及び2次コイルを有し、前記交流電圧発生回路からの電圧を伝送する第1トランスと、前記第1トランスで誘起された電圧が印加される送電側アクティブ電極、及び送電側パッシブ電極とを備える送電装置と、
受電側アクティブ電極と、受電側パッシブ電極と、前記受電側アクティブ電極、及び前記受電側パッシブ電極に誘起される電圧を伝送する第2トランスと、前記第2トランスで誘起された電圧を供給する負荷回路とを備える受電装置と、
を備え、前記送電側アクティブ電極、及び前記受電側アクティブ電極が電界結合し、並びに、前記送電側パッシブ電極、及び前記受電側パッシブ電極それぞれが電界結合又は直接導通することにより前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送されるワイヤレス電力伝送システムにおいて、
前記送電装置は、
前記2次コイルと、前記送電側アクティブ電極及び前記送電側パッシブ電極の間に生じる又は接続された送電側キャパシタンス成分とで構成される第1の並列共振回路を有し、
前記受電装置は、
第1の直列共振回路と第2の並列共振回路とを有し、
前記第1の直列共振回路は、
前記受電側アクティブ電極と前記受電側パッシブ電極との間に生じる又は接続された第1インダクタンス成分及び第1キャパシタンス成分が直列接続された構成を含み、
前記第2の並列共振回路は、
第2キャパシタンス成分と第2インダクタンス成分とが並列接続された構成を含み、
前記第1の並列共振回路、前記第1の直列共振回路、及び前記第2の並列共振回路それぞれの共振周波数は同じであり、
前記交流電圧発生回路の発生する高周波高電圧の周波数は、前記共振周波数に設定されている、
ワイヤレス電力伝送システム。
A first transformer having an AC voltage generation circuit, a primary coil and a secondary coil, for transmitting a voltage from the AC voltage generation circuit, and a power transmission side active electrode to which a voltage induced by the first transformer is applied , And a power transmission device comprising a power transmission side passive electrode,
A power receiving side active electrode, a power receiving side passive electrode, a power receiving side active electrode, a second transformer for transmitting a voltage induced in the power receiving side passive electrode, and a load for supplying a voltage induced by the second transformer A power receiving device comprising a circuit;
The power transmitting side active electrode and the power receiving side active electrode are electrically coupled, and the power transmitting side passive electrode and the power receiving side passive electrode are electrically coupled or directly connected to each other to receive the power from the power transmitting device. In a wireless power transmission system in which power is transmitted to a device,
The power transmission device is:
A first parallel resonance circuit configured by the secondary coil and a power transmission side capacitance component generated or connected between the power transmission side active electrode and the power transmission side passive electrode;
The power receiving device is:
A first series resonant circuit and a second parallel resonant circuit;
The first series resonant circuit includes:
A configuration in which a first inductance component and a first capacitance component generated or connected between the power receiving side active electrode and the power receiving side passive electrode are connected in series;
The second parallel resonant circuit is:
Including a configuration in which a second capacitance component and a second inductance component are connected in parallel;
The resonance frequency of each of the first parallel resonance circuit, the first series resonance circuit, and the second parallel resonance circuit is the same,
The frequency of the high frequency high voltage generated by the AC voltage generation circuit is set to the resonance frequency,
Wireless power transmission system.
前記送電装置は、
前記第1トランスの1次コイルに直列接続された送電側キャパシタと、
前記送電側キャパシタと前記1次コイルとで構成される第2の直列共振回路と、
を備え、
前記第2の直列共振回路の共振周波数は、前記第1の並列共振回路、前記第1の直列共振回路、及び前記第2の並列共振回路それぞれの共振周波数と同じである、
請求項1に記載のワイヤレス電力伝送システム。
The power transmission device is:
A power transmission side capacitor connected in series to the primary coil of the first transformer;
A second series resonant circuit composed of the power transmission side capacitor and the primary coil;
With
The resonance frequency of the second series resonance circuit is the same as the resonance frequency of each of the first parallel resonance circuit, the first series resonance circuit, and the second parallel resonance circuit.
The wireless power transmission system according to claim 1.
前記第2トランスは、
前記受電側アクティブ電極に接続された第1入力部と、前記受電側パッシブ電極に接続された第2入力部と、第1出力部と、第2出力部とを有して、前記第1入力部と前記第2入力部との間に印加される電圧を伝送して前記第1出力部と前記第2出力部との間へ出力し、前記第1インダクタンス成分、前記第1キャパシタンス成分、及び前記第2キャパシタンス成分を含む圧電トランス
であり、
前記受電装置は、
前記第2キャパシタンス成分に並列に接続された並列インダクタ
を備え、
前記第2インダクタンス成分は、前記並列インダクタのインダクタンス成分である、
請求項1又は2に記載のワイヤレス電力伝送システム。
The second transformer is
A first input unit connected to the power receiving side active electrode; a second input unit connected to the power receiving side passive electrode; a first output unit; and a second output unit. And the voltage applied between the first output unit and the second output unit is transmitted between the first output component and the second output unit, and the first inductance component, the first capacitance component, and A piezoelectric transformer including the second capacitance component;
The power receiving device is:
A parallel inductor connected in parallel to the second capacitance component;
The second inductance component is an inductance component of the parallel inductor.
The wireless power transmission system according to claim 1 or 2.
前記受電装置は、
前記負荷回路へ供給される電流を検出する電流検出回路と、
前記電流検出回路が検出した電流が閾値を超えた場合、前記負荷回路への電流の供給を遮断する制御回路と、
を備える、請求項1から3の何れかに記載のワイヤレス電力伝送システム。
The power receiving device is:
A current detection circuit for detecting a current supplied to the load circuit;
A control circuit that cuts off the supply of current to the load circuit when the current detected by the current detection circuit exceeds a threshold;
The wireless power transmission system according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
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