JP6253808B1 - 無線送受電システムとそれを備えた電力変換装置および電力変換方法 - Google Patents

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Abstract

インバータ（５）に含まれるインバータＭＯＳトランジスタ（１３ａ−１３ｄ）の短絡を防止することができる電力変換装置（１）を提供する。入力された直流電力の電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部（４）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ部（４）で変換された直流電力を変圧する変圧部（１１）と、変圧部（１１）で変圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ部（５）と、インバータ部（５）を駆動制御する制御部（６）と、無線給電により給電された電力を受電して制御部（６）に供給する無線受電部（３）と、無線受電部（３）に電力を送電する無線送電部（２）と、無線送電部（２）に電力を供給する電源部（４１）と、を備える。

Description

本発明は、無線送受電システムおよびそれを備えた電力変換装置に関する。
本技術分野の背景技術として、特開２００７−１５１２２４号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、「スイッチング素子２３がオン／オフすることによってトランス２４の１次巻線２４ａに交流電圧が発生し、この交流電圧が昇圧され、整流・平滑され、ＤＣ／ＡＣリンク部３０へ出力される。ＤＣ／ＡＣリンク部３０は、ダイオード３１およびコンデンサ３２から構成され、コンデンサ３２の両端電圧ＶdcがＤＣ／ＡＣインバータ部４へ加えられる。一方、トランス２４の補助巻線２４ｃ〜２４ｅの電圧がドライブ回路１０ａ〜１０ｃへ加えられ、ドライブ回路１０ａ〜１０ｃが駆動信号を生成し、ＤＣ／ＡＣインバータ部４へ出力する。ＤＣ／ＡＣインバータ部４においてＰＷＭ交流電圧が生成され、ＬＣフィルタ５によって平滑され、負荷６へ出力される。」と記載されている（要約参照）。
特開２００７−１５１２２４号公報
近年、太陽光発電した電力を電力会社の系統電力へ供給する電力変換装置においては、大電力化高電圧化が進んでいる。特許文献１記載の電力変換装置では、ＤＣ／ＤＣコンバータにトランスを介してインバータが接続されている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータのトランスに設けられた複数の補助巻線の電圧が、ゲート制御回路電源へ加えられ、DC／ACインバータ動作が行われている。
しかしながら、特許文献１記載の電力変換装置では、ＤＣ／ＤＣコンバータに何らかの故障が起きた場合、補助巻線の電圧を用いたゲート制御回路は出力電圧を維持できず、インバータのＭＯＳトランジスタのゲート電位は不定となる。
このため、電力会社の系統へ接続しているＭＯＳトランジスタのドレイン−ソース間がオンになり、系統接続点が短絡する可能性がある。
そこで本発明は、短絡を防止することができる電力変換装置を提供する。
本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、入力された直流電力の電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部と、ＤＣ／ＤＣコンバータ部で変換された直流電力を変圧する変圧部と、変圧部で変圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、インバータ部を駆動制御する制御部と、無線給電により給電された電力を受電して制御部に供給する無線受電部と、無線受電部に電力を送電する無線送電部と、無線送電部に電力を供給する電源部と、を備える電力変換装置である。
また、他の例を挙げるならば、電力を無線で送受電する無線送受電システムであって、少なくとも互いが磁気共鳴する送電コイルおよび送電共鳴コイルと、少なくとも互いが磁気共鳴する受電コイルおよび受電共鳴コイルと、を備え、受電コイルは、第１の受電コイルと第２の受電コイルと第３の受電コイルとを有し、第１の受電コイルおよび第２の受電コイルおよび第３の受電コイルは、受電共鳴コイルと対向し、受電共鳴コイルの中心軸方向に順番に配列され、かつ、送電コイルから受電する電力量が略同一になるように配置されることを特徴とする無線送受電システムである。
本発明によれば、短絡を防止することができる電力変換装置を提供することができる。
本発明の第１実施形態に係る単位インバータの構成例を示した図である。 本発明の第１実施形態に係る単位インバータの立体構造の構成例を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る多重インバータの構成例を示した図である。 本発明の第３実施形態に係る多重インバータの構成例を示した図である。 本発明の第３実施形態に係る多重インバータの立体構造の構成例を示した図である。 本発明の第４実施形態に係る単位インバータの構成例を示した図である。 本発明の第５実施形態に係る無線送受電システムのコイルの位置関係の一例を示した図である。 本発明の第６実施形態に係る無線送受電システムのコイルの位置関係の一例を示した図である。 本発明の第７実施形態に係る無線送受電システムのコイルの位置関係の一例を示した図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
［第１の実施の形態］
本発明の実施形態１について、図１〜２を用いて説明する。まず、図１を用い、本実施形態における電力変換装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示した図である。
本実施形態における電力変換装置は、単位インバータ１を複数有している。単位インバータ１は、無線送電部２と、無線受電部３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４と、インバータ部５と、制御部６と、太陽光パネル接続端子５３、５４（電力入力部）と、トランス１１と、正極側インバータ出力端子５１と、負極側インバータ出力端子５２と、を有する。
無線送電制御部２は、送電共鳴コイル３１は、給電コイル３２と、送信アンプ３９と、発振器３８と、送電部電源４１と、を有する。DC/DCコンバータ部４は、スイッチングＭＯＳトランジスタ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと、コンデンサ１８と、DC／DC制御部２１と、を有する。
インバータ部５は、インバータＭＯＳトランジスタ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ（逆変換部）と、リンク電圧平滑コンデンサ１４（平滑部）と、整流ダイオード１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ（順変換部）と、を有する。無線受電部３は、受電共鳴コイル３３と、受電コイル３４ａ、３４ｂ、３４ｃと、ダイオードブリッジ３５と、受電平滑コンデンサ３６と、を有する。制御部６は、ゲート制御回路３７ａ、３７ｂ、３７ｃを有する。
なお、図１においては、ダイオードブリッジ３５と受電平滑コンデンサ３６とを有する受電回路を簡略化し、ブロック図で記載している部分がある。
次に、図１における構成の位置関係について図２を用いて説明する。図２は本実施形態における電力変換装置の構造の一例を立体的に示す図である。図２において、図１で示した図中の番号と同一の番号は、図１と同じ構成であることを示している。無線送電部２、無線受電部３、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４、及びインバータ部５は、プリント印刷基板に実装されている。
無線送電部２は、無線受電部３へ送電できるように、無線受電部３に対し、離間して対向するように設けられている。
さらに詳細に述べると、送電共鳴コイル３１及び受電共鳴コイル３３は、プリント印刷基板に銅箔パターンで形成されている。また、送電共鳴コイル３１と受電共鳴コイル３３は、それぞれのコイル中心が同一軸上に重なるように、離間して対向するように配置されている。
送電コイル３２は直径１．０ｍｍの銅線を１ターン巻いてプリント印刷基板へはんだ付けされており、コイル中心は送電共鳴コイルの中心軸と重なる。受電コイル３４ａ、３４ｂ、３４ｃは、受電共鳴コイル３３を介して受電する電力の大きさが同程度になるように配置されている。
なお、銅線の直径は１．０ｍｍに限定されるものではなく、送電したい電力等に応じて適宜変更するとよい。
次に、図１を用いて、本実施形態の各構成について説明する。図１において、太陽光パネルが出力するＤＣ電圧は、太陽光パネル接続端子５３、５４を介してＤＣ／ＤＣコンバータ部４に入力される。ＤＣ／ＤＣコンバータ部４に入力されたＤＣ電圧は、ＤＣ／ＤＣ制御部２１に制御されるスイッチングＭＯＳトランジスタ１２ａ〜１２ｄにより、電圧変換されてトランス１１に出力される。
ＤＣ／ＤＣコンバータ部２から出力されたDC電圧は、トランス１１により昇圧され、インバータ部５の順変換部に入力される。順変換部は、入力されたDC電圧を順変換して平滑部に出力する。平滑部は、順変換部で順変換されたDC電圧を平滑し、リンク電圧Ｖｄｃを逆変換部に出力する。
なお、トランス１１は、インバータ出力電圧とＤＣ／ＤＣコンバータ部４のＧＮＤ電位との間での耐電圧を有する。
ゲート制御回路３７ａ〜３７ｃ（制御部）は、インバータＭＯＳトランジスタ１３ａ〜１３ｃのゲートをＰＷＭ制御する。順変換部は、PWM制御されたインバータMOSトランジスタ１３a〜１３ｃのスイッチングによりリンク電圧Vdcを変換し、商用の交流電力を出力する。
発振器３８は、送電共鳴コイル３１と受電共鳴コイル３３との電磁界共鳴周波数Ｆｒで発振した電力を送信アンプ３９へ出力する。送信アンプ３９は、入力された電力を増幅して送電コイル３２へ出力する。これらは、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４とは独立した別系統の送電部電源４１により給電を受けている。
送電コイル３２から出力される電磁界（電力）は、送電共鳴コイル３１と受電共鳴コイル３３が電磁的に結同することで、受電コイル３４ａ、３４ｂ、３４ｃへ伝送される。受電された電磁界は、ダイオードブリッジ３５と受電平滑コンデンサ３６を有する受電回路により直流電圧に平滑され、ゲート制御回路３７ａ、３７ｂ、３７ｃ（制御部６）の電源電圧となる。
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４が故障したとしても、無線送電部２から制御部６に電力を供給し続けることができるため、順変換部のインバータMOSトランジスタ１３a〜ｄの駆動制御が不安定になることを防止することができる。そのため、インバータMOSトランジスタ１３a〜ｄの短絡を防止することができる。
この点について従来技術と比較すると、従来では、DC／DCコンバータ部からトランスを介して供給した電力を順変換部のスイッチング素子の駆動制御に用いていたため、DC／DCコンバータ部が故障した場合、順変換部のスイッチング素子の駆動制御への電力供給も停止し、スイッチング素子のスイッチング動作が不安定になり短絡してしまう可能性があった。
一方、本実施形態では、制御部６への電力系統をDC／DCコンバータ部４の電力供給系統とは別にしていることで、DC／DCコンバータ部４の故障時にも、インバータMOSトランジスタの短絡を予防している。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４とインバータ部５との間には、インバータ出力電圧に一致する絶縁耐電圧が必要である。例えば、電力会社の３相系統電圧では、絶縁耐電圧として６．６ｋＶが要求される。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４とインバータ部５との間に空間を１１．０ｍｍ以上確保すると、絶縁できる。
一方、従来のように、DC／DCコンバータ部からトランスを介し、順変換部のスイッチング素子の駆動制御のための電力を供給する場合、トランスでの耐圧を確保するため、トランスを大型にする必要がある。また、この駆動制御のための電力の供給源を、DC／DCコンバータ部からの供給とは別系統とした場合でも、高耐圧を担保するための絶縁性の確保が難しい。
これに対し、本実施形態では、図２に示すように、送電コイル３２と受電コイル３４ａ、３４ｂとの間には基板間距離分（例えば６０ｍｍ）離れており、６．６ｋVの絶縁耐圧を有する絶縁性は確保できている。
以上、本実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４のスイッチングＭＯＳトランジスタ１２ａ〜１２ｄやＤＣ／ＤＣ制御部２１が故障し、トランス１１の２次側に電流が発生しなくなったり、インバータ部５にリンク電圧Ｖｄｃが発生しなくなっても、別電源である送電部電源４１により、ゲート制御回路３７ａ〜３７ｃの電源電圧は維持され、インバータＭＯＳ１３ａ〜１３ｄを制御して正極側インバータ出力端子５１と負極側インバータ出力端子５２間の出力を停止できる。
また、インバータＭＯＳトランジスタ１３ａとインバータＭＯＳトランジスタ１３ｃとの間、及びインバータＭＯＳトランジスタ１３ａとインバータＭＯＳトランジスタ１３ｂとの間には、インバータ出力端子５１と５２間の電圧に一致する絶縁耐圧が必要であるのに対し、本実施形態では、受電コイル３４ａと３４ｂ、及び３４ｂと３４ｃとの間を各々離して空気により絶縁する事で、この絶縁耐圧も確保できる。
なお、電力伝送を送受電用コイルと共鳴コイルとに分けた構成で説明したが、直列共振または並列共振により電磁界結合する送電側コイルと受電側コイルとを用いてもよい。
また、本実施形態では、受電コイルが３個の場合を説明したが、これは３個に限定されるものではない。制御部側で受電コイルを共有することで受電コイルの数を１個または２個としてもよい。制御するインバータＭＯＳトランジスタの数に応じて、受電コイルの数を変更してもよい。
また、説明において受電された電磁界は、ゲート制御回路３７ａ、３７ｂ、３７ｃの電源電圧となると述べたが、その他に図示しない電圧センサ、電流センサ、マイコンなどへ電源供給してもよい。
以上、本実施形態による電力変換装置では、絶縁耐性を確保するとともに短絡を防止することができる。
［第２の実施の形態］
次に、本実施形態における電力変換装置について、図３を用いて説明する。本実施形態は、第１の実施形態における単位インバータ１を複数直列に接続した多重インバータ７にかかるものである。図３は、本実施形態に係る多重インバータ７の構成例を示した図である。第１の実施形態における電力変換装置と説明が重複する部分については、説明を省略する。
多重インバータ７は、複数の単位インバータ１と、中央制御装置３００と、Ｕ相出力端子５５と、Ｖ相出力端子５６と、Ｗ相出力端子５７と、を有する。
単位インバータ１の負極側出力端子５２は、別の単位インバータの正極側出力端子に接続される。この接続を多段直列にする事で、単位インバータ出力電圧±ＶdcをＮ倍してＵ相出力端子５５へ出力できる。
例えば、必要なＵ相出力電圧が６．６ｋＶであり、直列段数Ｎが８段とすると、Ｖｄｃ＝６６００÷２÷８＝４１２．５Ｖとなる。従って、単位インバータ１の出力は±４１２．５Ｖで、６．６ｋＶの多重インバータ出力を得られる。
なお、これはV相とW相についても同様であるので、説明は省略する。
本実施形態では、送電共鳴コイル３１等から成る無線送電部と、受電共鳴コイル３３等から成る無線受電部を有する単位インバータ１を各々直列接続している。中央制御装置３００は、各単位インバータ内のＤＣ／ＤＣ制御部を制御して各正極側出力端子５１と負極側出力端子５２間の出力電圧の和であるＵ相出力が正弦波となるように制御する。
多重インバータ７はこの直列接続インバータを、他にＶ相、Ｗ相分も内蔵し、中央制御装置３００が、Ｕ相出力端子５５、Ｖ相出力端子５６、Ｗ相出力端子５７に３相交流を出力するように制御する。
複数の単位インバータ１を有する多重インバータ７をこのように動作させることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４とインバータ部５との絶縁耐圧は６．６ｋＶ以上を確保しつつ、インバータＭＯＳトランジスタ１３ａ、１３ｂ、１３ｃ間の絶縁耐圧は４１２．５Ｖ以上を確保することができる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４の故障時には、正極側出力端子５１と負極側出力端子５２の出力を制御して、Ｕ相出力端子５５、Ｖ相出力端子５６、Ｗ相出力端子５７の各出力を安定して停止させることができる。
以上、本実施形態によれば、絶縁耐性を確保しつつ短絡防止可能な多重インバータ７を提供することができる。
［第３の実施形態］
本実施形態について、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態に係る多重インバータ７の構成例を示した図である。本実施形態の説明において、これまでの説明と重複する部分については省略する。
図３との相違点を述べると、多重インバータ７は、無線受電部３を内蔵するが無線送電部２を内蔵しない単位インバータ４４を有する。
図５は、本実施形態に係る多重インバータ７の立体構造の構成例を示す。図５において、多重インバータは、多重インバータラック４５と、無線送電部と無線受電部の両方を有する単位インバータ１、１０１と、無線受電部３のみを有する単位インバータ４４、４６、４７とを有する。各無線受電部３の受電共鳴コイル３３は、その中心が他の単位インバータの受電共鳴コイルの中心と同一軸となるように多重インバータラック４５に配置されている。送電共鳴コイル３１は、送電する無線受電部の受電共鳴コイルの中心と同一軸となるように多重インバータラック４５に配置されている。
なお、ここでいう同一軸とは、完全に同一軸上にあることだけでなく、同一軸の近傍にあることを含む。また、近傍とは、例えば最も効率がよい送電（受電）効率を１００％とすると、送電（受電）効率が９５％程度となる範囲であればよい。もっとも、この９５％はあくまでも一例であり、必要とする送電（受電）効率に応じて、適宜変更してよい。
単位インバータ１の無線送電部２が出力した周波数Ｆ１の電磁波は、隣の単位インバータ４４の無線受電部３の受電共鳴コイル３３まで到達し、単位インバータ４４の無線受電部３に電力を送電する。無線受電部３で受電した電力は、整流されてゲート制御部電源電圧となる。
一方、単位インバータ１０１の無線送電部４２が出力した周波数Ｆ２の電磁波は、隣の単位インバータ４７の無線受電部３に到達するとともにそこを通過し、さらに隣の単位インバータ４４の受電共鳴コイル３３まで到達する。これにより、単位インバータ４４の無線受電部３は電力を受電し、受電した電力は整流されてゲート制御部電源電圧となる。
このように単位インバータ４４は、自らのＤＣ／ＤＣコンバータ部４に無線送電部２を持たずとも、他の単位インバータから周波数Ｆ１と周波数Ｆ２の電力を受電し、ゲート制御部を動作させられる。
これにより、例えば図５の構成では、無線送電部２を持つ２台の単位インバータにより、５台の単位インバータが動作できることになり、部品点数削減による低コスト化の効果がある。
なお、無線送電部２と無線受電部３をもつ単位インバータと無線受電部３のみをもつ単位インバータの比率は、上記の例に限定されるものではない。無線送電部２からの送電電力の大きさや、無線送電部２と無線受電部３との位置関係に応じてその比率を適宜変更できる。
また、中央制御装置３００は、無線送電部２がそれぞれの無線受電部３に同程度の電力を供給できるように制御する。これにより、例えば、二つの無線送電部２から電力を受電する無線受電部３の場合に、一方の無線送電部３からの送電出力が弱くなったとしても、他方の無線送電部２の送電出力を上げることができるので、無線受電部３は安定した電力の供給を受けることができる。
また、上記の例において、単位インバータ１が送電する周波数Ｆ１と、単位インバータ１０１が送電する周波数Ｆ２は、同一の周波数である。但し、周波数Ｆ１と周波数Ｆ２とが異なっても本発明の一実施例である。
以上、本実施形態によれば、絶縁耐性を確保しつつ短絡防止可能であり、低コストな多重インバータを提供することができる。
［第４の実施の形態］
本実施形態における単位インバータについて、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る単位インバータの構成例を示した図である。本実施形態の説明において、これまでの説明と重複する部分については省略する。
図１との相違点を述べると、本実施形態における単位インバータ６０１は、ＰＷＭデータ生成部６１と、変調回路６２と、復調回路６３と、ＰＷＭ波形生成部６４（制御信号出力部）と、を有する。復調回路６３は、受電コイル３４ａ、３４ｂ、３４ｃのいずれかに接続されている。
本実施形態では、インバータ部５のインバータＭＯＳトランジスタ１３a〜ｄをＰＷＭ（パルス幅変調）により制御して正弦波を出力するようにしている。
図６において、ＰＷＭデータ生成部６１は、インバータＭＯＳトランジスタ１３ａ〜１３ｄのゲートに印加すべきＰＷＭ波形のデューティ比を計算してデューティ比データ（制御信号）として出力する。変調回路６２は、PWMデータ生成部６１にて出力されたデューティ比データに基づき、発振器３８から出力された電力伝送波をＭＳＫ変調する。
なお、この変調方法はＭＳＫに限定されるものではなく、MSK以外にもＦＳＫ、ＱＰＳＫ、ＱＡＭ等のデジタル変調であればよい。
送電コイル３２は、送電共鳴コイル３１を介して受電コイル３４a〜ｃへ変調された電力伝送波を送電する。受電コイル３４ｃで受信されて変調された電力伝送波は、復調回路６３へ入力され、ＭＳＫ復調される。復調されたデューティ比データは、ＰＷＭ波形生成部６４で、インバータＭＯＳトランジスタ１３ａ〜１３ｄのゲートに印加するＰＷＭ波形へ変換されて各々のゲート制御回路３７ａ〜ｃへ出力される。ゲート制御回路３７ａ〜ｃは、入力されたPWM波形に基づいて、インバータMOSトランジスタ１３ａ〜１３ｄを駆動制御する。
このように動作する事で、インバータMOSトランジスタ１３ａ〜１３ｄを制御するためのデューティ比データを、無線による電力伝送回路を利用して伝送することができる。これにより、従来デューティ比データをゲート制御回路まで伝送するために用いていた高耐電圧フォトカプラや光ファイバが不要となり、単位インバータの低コスト化を達成することができる。
以上、本実施形態によれば、単位インバータの絶縁耐性を維持しつつ短絡防止も可能である上、さらに、低コストな単位インバータを提供することができる。
［第５の実施形態］
本実施形態における単位インバータ１の無線送受電システムについて、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態に係る無線送受電システムのコイルの位置関係の一例を示した図である。
図７において、送電共鳴コイル３１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４が搭載されているプリント基板４００の面のうち、インバータ部５が搭載されたプリント基板５００側の面に設けられている。また、受電共鳴コイル３３は、インバータ部が搭載されたプリント基板５００の面のうち、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４が搭載されたプリント基板４００側の面に設けられている。送電共鳴コイル３１及び受電共鳴コイル３３はプリント基板の銅箔配線により形成されている。
送電コイル３２と受電コイル３４ａ、ｂは、プリント基板４００とプリント基板５００の間に離間して設けられている。受電コイル３４ｃは、受電コイルａ、ｂと逆側に設けられている。受電コイル３４ａ〜ｃは、それぞれ１ターンのコイルでありプリント基板４００、５００にはんだ付けなどで固定され、受電した電力を各インバータＭＯＳトランジスタ１３ａ〜ｃのゲート制御回路３７ａ〜ｃへ供給する。
ここで、各インバータトランジスタ１３ａ〜ｃのゲート制御するために、一つの送電コイルから複数の受電コイルによりそれぞれ別々の回路へ電力供給する場合、各受電コイルの受電量は、ほぼ等しくなるようにする方が望ましい。
これに対し、本実施形態の無線送受電システムでは、送電共鳴コイル３１、及び受電共鳴コイル３３の中心が略同一軸（以下、中心軸という。）になるように配置されている。また、受電コイル３４ａは、中心軸と略同一軸上に、受電共鳴コイル３３から距離ｈ１離れて配置されている。一方、受電コイル３４ｂは、その中心が中心軸から距離ｄ１ずれて、また、受電共鳴コイル３３から距離ｈ２離れて配置されている。また、受電コイル３４ｃは、中心軸と略同一軸上に、受電共鳴コイルから距離ｈ３離れて配置されている。
これらの距離は、ｈ２＜ｈ１＜ｈ３の関係にある。
受電コイル３４ａ〜ｃの受電量は、受電共鳴コイルとの距離が近い方が大きくなる。また、受電コイル３４ｂは、中心軸がずれている分だけ受電量が減る。従って、距離がｈ３と最も離れている受電コイル３４ｃの受電量が、最も小さくなる。受電コイル３４ａは、受電コイル３４ｃより受電共鳴コイル３３に近いので、その受電量は、通常であれば受電コイル３４ｃの受電量より大きくなる。
最も受電共鳴コイル３３に近い受電コイル３４ｂは、中心軸と同一軸上に配置されていれば、その受電量はもっとも大きくなる。しかし、本実施形態では、受電コイル３４ｂは中心軸上からｄ１ずらして配置しているので、その分受電量は減少する。また、受電コイル３４ａは、ｈ３より受電共鳴コイルに近いものの、受電コイル３４ｂの影響を受けるため、受電量が減る。
従って、最も受電量が少ない受電コイル３４ｃの受電量と同程度となるように受電コイル３４ａ、ｂの配置を同一軸上からずらす、または、受電コイル３４ａ、ｂが互いに影響を及ぼす位置に配置するなどの工夫をして受電量を調整すれば、受電コイル３４ａ〜ｃの受電量を同程度にすることができる。
なお、以上の説明では、説明の簡単のために、受電コイル３４ｂ以外のコイルは、同一軸上にあるとして説明した。しかし、これに限定されるものではない。本実施形態での意図は、複数の受電コイルが一つの送電コイルに対向して順に並んで配置されている場合において、受電共鳴コイルからの距離、中心軸からのずれ、受電コイル同士の影響、等を考慮して各受電コイルの受電量が同程度になるように、それぞれを配置することにある。
［第６の実施形態］
本実施形態における単位インバータ１の無線送受電システムについて、図８を用いて説明する。図８は、本実施形態に係る無線送受電システムのコイルの位置関係の一例を示した図である。
図８において、図７との相違点を述べると、送電コイル３２と受電コイル３４ａ、ｂは、プリント基板４０１とプリント基板５０１の間に離間して設けられている。受電コイル３４ｃ、ｄは、受電コイルａ、ｂと逆側に設けられている。
送電コイル３２は、プリント基板４０１の銅箔配線で形成された１ターンのコイルであり、受電コイル３４ａ〜ｄは、それぞれプリント基板５０１の銅箔配線で形成された１ターンのコイルである。ここで、各受電コイルの受電量は、 第５実施例同様に等しくなるようにする方が望ましい。
これに対し、本実施形態における単位インバータ１の無線送受電システムでは、送電共鳴コイル３１及び受電共鳴コイル３３の中心が略同一軸（以下、中心軸という。）上になるように配置されている。また、受電コイル３４ａ、３４ｄは、中心軸と略同一軸上に、受電共鳴コイル３３から距離ｈ１、ｈ４離れて配置されている。
一方、受電コイル３４ｂの中心は受電コイル３４ｃの中心軸と一致して一対のコイル対を形成している。そして、コイル対の中心は、受電共鳴コイルの中心軸から距離ｄ１ずれて、また、受電共鳴コイル３３から各々距離ｈ２、ｈ３離れて配置されている。 これらの距離は、ｈ２、ｈ３＜ｈ１、ｈ４の関係にある。
受電コイル３４ａ〜ｄの受電量を等しくするには、コイル対の距離ｈ２と距離ｈ３とを微調整し、かつコイル対の距離ｈ１とｈ４とを微調整する事で実現できる。つまり、コイル対の中心軸を一致させて配置する事により、受電コイル３４ａ〜ｄの受電量はｈ１、ｈ２、ｈ３、ｈ４だけで決定できる。
以上、本実施形態によれば、２組のコイル対の中心軸をずらすことで、各コイル対の受電共鳴コイル３３からの距離を調整するだけで各コイルの受電量を同程度に調整することができる。
［第７の実施形態］
本実施形態における単位インバータ１の無線送受電システムについて、図９を用いて説明する。図９は、本実施形態に係る無線送受電システムのコイルの位置関係の一例を示した図である。
本実施形態にかかる無線送受電システムでは、受電コイル数が４だった第６の実施形態の例において、受電コイルの数をｎ＋１へ一般化した構成である。図８との相違点を述べると受電コイル３４ｎは送電共鳴コイル３１と受電共鳴コイル３３との間に配置され、受電コイル３４ｎ＋１は受電コイル３４ａ、３４ｂ、３４ｎと逆側に設けられている。
受電コイル３４ｎの中心は受電コイル３４ｎ＋１の中心軸上に配置され、一対のコイル対を形成している。そして、このコイル対の中心は、受電共鳴コイルの中心軸から距離ｄＮ（＞ｄｎ―１）ずれて、また、受電共鳴コイル３３から各々距離ｈｎ、ｈｎ＋１離れて配置されている。
これらの距離は、ｄ１＜ｄｎ−１＜ｄＮ及び、ｈｎ、ｈｎ＋１＜ｈｎ−１、ｈｎ−２＜ｈ２、ｈ３＜ｈ１、ｈ４の関係にある。
受電コイル３４ａ〜ｎ＋１の受電量を等しくするには、コイル対の距離ｈｎと距離ｈｎ＋１とを微調整し、コイル対の距離ｈ２と距離ｈ３とを微調整し、かつコイル対の距離ｈ１とｈ４とを微調整する事で実現できる。
つまり、コイル対の中心軸を一致させて配置する事により、受電コイル３４ａ〜ｎ＋１の受電量はｈ１、ｈ２、ｈ３、ｈ４、ｈｎ、ｈｎ＋１だけで決定できる。
以上、本実施形態によれば、一つの送電コイルから複数の受電コイルに対して、同程度の電力を送電することができる。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施解体は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
１：単位インバータ
２：無線送電部
３：無線受電部
４：ＤＣ／ＤＣコンバータ部
５：インバータ部
７：多重インバータ
５３、５４：太陽光パネル接続端子
１１：トランス
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ：スイッチングＭＯＳトランジスタ
１８：コンデンサ
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ：インバータＭＯＳトランジスタ
１４：リンク電圧平滑コンデンサ
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ：整流ダイオード
５１：正極側インバータ出力端子
５２：負極側インバータ出力端子
２１：ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部
３１：送電共鳴コイル
３２：給電コイル
３９：送信アンプ
３８：発振器
４１：送電部電源
３３：受電共鳴コイル
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ：受電コイル
３５：ダイオードブリッジ
３６：受電平滑コンデンサ
３７ａ、３７ｂ、３７ｃ：ゲート制御回路

Claims (12)

  1. 入力された直流電力の電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部と、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部で変換された直流電力を変圧する変圧部と、
    前記変圧部で変圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
    前記インバータ部を駆動制御する制御部と、
    無線給電により給電された電力を受電して制御部に供給する無線受電部と、
    前記無線受電部に電力を送電する無線送電部と、
    前記無線送電部に電力を供給する電源部と、
    を備える電力変換装置であって、
    前記無線送電部と前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、第１の基板に設けられ、
    前記無線受電部と前記インバータ部は、第２の基板に設けられ、
    前記第１の基板と前記第２の基板は、前記無線送電部と前記無線受電部が対向するように離間して設けられていることを特徴とする電力変換装置。
  2. 入力された直流電力の電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部と、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部で変換された直流電力を変圧する変圧部と、
    前記変圧部で変圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
    前記インバータ部を駆動制御する制御部と、
    無線給電により給電された電力を受電して制御部に供給する無線受電部と、
    前記無線受電部に電力を送電する無線送電部と、
    前記無線送電部に電力を供給する電源部と、
    を備える電力変換装置であって、
    前記無線送電部は、電力を給電する送電コイルと、前記送電コイルとの磁気共鳴により電力を送電する送電共鳴コイルと、を有し、
    前記無線受電部は、前記送電共鳴コイルと磁気共鳴をする受電共鳴コイルと、前記受電共鳴コイルとの磁気共鳴により電力を受電する複数の受電コイルと、を有し、
    前記送電共鳴コイルと前記受電共鳴コイルは、対向して配置されることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
    前記複数の受電コイルは、前記受電共鳴コイルと対向し、前記受電共鳴コイルの軸方向に離間して配置され、かつ、前記送電コイルから受電する電力が略同一となるように配置されることを特徴とする電力変換装置。
  4. 入力された直流電力の電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部と、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部で変換された直流電力を変圧する変圧部と、
    前記変圧部で変圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
    前記インバータ部を駆動制御する制御部と、
    無線給電により給電された電力を受電して制御部に供給する無線受電部と、
    前記無線受電部に電力を送電する無線送電部と、
    前記無線送電部に電力を供給する電源部と、
    を備える電力変換装置であって、
    前記インバータ部で変換された交流電力を出力する出力端子を介して当該電力変換装置を複数直列接続し、
    第１の電力変換装置は、前記無線送電部と前記無線受電部とを有し、
    第２の電力変換装置は、前記無線受電部を有し、
    前記第１の電力変換装置の前記無線送電部は、前記第１の電力変換装置の前記無線受電部と前記第２の電力変換装置の前記無線受電部に電力を送電することを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項４に記載の電力変換装置であって、
    第３の電力変換装置は、前記無線送電部と前記無線受電部とを有し、
    第４の電力変換装置は、前記無線受電部を有し、
    前記第１の電力変換装置の前記無線送電部は、前記第１の電力変換装置の前記無線受電部と前記第２の電力変換装置の前記無線受電部に第１の周波数で電力を送電し、
    前記第３の電力変換装置の前記無線送電部は、前記第３の電力変換装置の前記無線受電部と前記第４の電力変換装置の前記無線受電部に第２の周波数で電力を送電することを特徴とする電力変換装置。
  6. 入力された直流電力の電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部と、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部で変換された直流電力を変圧する変圧部と、
    前記変圧部で変圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
    前記インバータ部を駆動制御する制御部と、
    無線給電により給電された電力を受電して制御部に供給する無線受電部と、
    前記無線受電部に電力を送電する無線送電部と、
    前記無線送電部に電力を供給する電源部と、
    を備える電力変換装置であって、
    前記無線送電部は、電力波を出力する電源部と、
    前記電源部から出力された電力波に変調をかける変調回路と、
    前記変調回路で変調された電力波を磁気共鳴により送電する送電コイルと、
    を有し、
    前記無線受電部は、前記送電コイルから送電された電力波を磁気共鳴により受電する受電コイルと、
    前記受電コイルで受電した電力波を復調する復調回路と、を有することを特徴とする電力変換装置。
  7. 請求項６に記載の電力変換装置であって、
    前記インバータ部を制御するための制御信号を出力する制御信号出力部を有し、
    前記変調回路は、前記電力波を変調して前記制御信号を前記電力波に含め、
    前記複調回路は、前記電力波を復調して前記制御信号を取り出して前記制御部に出力することを特徴とする電力変換装置。
  8. 電力を無線で送受電する無線送受電システムであって、少なくとも互いが磁気共鳴する送電コイルおよび送電共鳴コイルと、
    少なくとも互いが磁気共鳴する受電コイルおよび受電共鳴コイルと、を備え、
    前記受電コイルは、第１の受電コイルと第２の受電コイルと第３の受電コイルとを有し、
    前記第１の受電コイルおよび前記第２の受電コイルおよび前記第３の受電コイルは、前記受電共鳴コイルと対向し、前記受電共鳴コイルの中心軸方向に順番に配列され、かつ、前記送電コイルから受電する電力量が略同一になるように配置されることを特徴とする無線送受電システム。
  9. 請求項８に記載の無線送受電システムであって、
    前記第１の受電コイルおよび前記第３の受電コイルは、前記受電共鳴コイルの中心軸と略同一軸上に配置され、
    前記第１の受電コイルは、前記受電共鳴コイルから最も遠くに配置され、
    前記第２の受電コイルは、前記受電共鳴コイルの中心軸から半径方向に所定の距離ずらし、かつ、前記第１の受電コイルが配置された側の反対側に前記受電共鳴コイルから最も近くに配置され、
    前記第３の受電コイルは、前記受電共鳴コイルからの距離が前記第１の受電コイルより近く、かつ、前記第2の受電コイルより遠い位置に配置されることを特徴とする無線送受電システム。
  10. 請求項８に記載の無線送受電システムであって、
    前記受電コイルは、さらに第４の受電コイルを有し、
    前記第１の受電コイルは、前記受電共鳴コイルの略中心軸上に対向するように離間して配置され、
    前記第２の受電コイルは、前記第１の受電コイルと前記受電共鳴コイルとの間であって、前記受電共鳴コイルの中心軸から半径方向に所定の距離ずらして前記受電共鳴コイルと対向するように配置され、
    前記第４の受電コイルは、前記受電共鳴コイルに対して前記第１の受電コイルを配置した側の逆側であって、前記第１の受電コイルの略中心軸上に前記受電共鳴コイルと対向するように離間して配置され、
    前記第３の受電コイルは、前記受電共鳴コイルと前記第４の受電コイルとの間であって、前記第２の受電コイルの略中心軸上に前記受電共鳴コイルと対向するように配置されることを特徴とする無線送受電システム。
  11. 入力された直流電力の電圧を変換し、
    変換された直流電力を変圧し、
    制御部の制御に基づいて、変圧された直流電力を交流電力に変換し、
    電源部からの電力を無線送電部を介して送電し、
    送電された電力を無線受電部で受電して制御部に供給することを特徴とする電力変換方法であって、
    前記無線送電部で直流電力を交流電力に変換するための制御信号を電力波に変調をかけて出力し、
    受電した前記電力波を復調して前記制御信号を取り出すことを特徴とする電力変換方法。
  12. 請求項１１に記載の電力変換方法であって、
    変換された交流電力が出力される出力端子を複数直列接続することにより交流電力を出力することを特徴とする電力変換方法。
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