JP6305438B2

JP6305438B2 - 共振型電力伝送装置

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Publication number: JP6305438B2
Application number: JP2015554401A
Authority: JP
Inventors: 阿久澤　好幸; 好幸阿久澤; 酒井　清秀; 清秀酒井; 俊裕江副; 有基伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: WO2015097812A1; JPWO2015097812A1

Description

この発明は、高周波数で電力伝送を行う共振型電力伝送装置に関するものである。

図７に従来技術による共振型電力伝送装置を示す。この共振型電力伝送装置では、Ｅ級型電源回路１０１の出力に、インダクタＬ１１からなる共振型送信アンテナ１０２を接続して構成されている（例えば非特許文献１参照）。

２０１３年電子情報通信学会総合大会ＢＣＳ−１−１６

しかしながら、従来技術では、Ｅ級型電源回路１０１により共振型電力伝送装置を構成しているため、送信電力を可変するためには、入力電圧Ｖｉｎのレベルを可変する必要がある。これは、Ｅ級型電源方式の特性によるもので、Ｑ１のスイッチング時間の時比率（Ｄｕｔｙ）では出力電圧を可変することができないためである。
そのため、従来技術では、入力電圧Ｖｉｎのレベルを可変するため、入力部にＤＣ／ＤＣコンバータの電源装置が必要である。その結果、装置を小型、軽量化できないという課題があった。また、部品点数が多くなるため、コストを下げられないという課題があった。また、装置全体の電力変換効率がＤＣ／ＤＣコンバータ分下がってしまうという課題があった。また、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング周波数と、Ｅ級型電源回路１０１のスイッチング周波数とが混載するため、ＥＭＣなどのノイズ対策部品を多数必要とするという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく送信電力を可変することができ、２ＭＨｚ以上の高周波数で電力伝送を行うことができる共振型電力伝送装置を提供することを目的としている。

この発明に係る共振型電力伝送装置は、２ＭＨｚ以上の高周波数でスイッチング動作を行う２系統のパワー素子と、対応するパワー素子のスイッチング動作を共振スイッチングさせる２系統の共振回路素子と、各パワー素子に２ＭＨｚ以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該各パワー素子を駆動させる高周波パルスドライブ回路と、２系統の電圧信号を、電力伝送する送信電力に応じて位相差を制御して高周波パルスドライブ回路に送り、当該高周波パルスドライブ回路を駆動させる位相差制御回路と、パワー素子によるスイッチング動作により得られた２系統の電力を入力し、共振動作を行うことで送信電力を発生する共振型送信アンテナと、共振型送信アンテナの共振条件を設定する共振条件設定回路と、パワー素子によるスイッチング動作により得られた２系統の電力と共振型送信アンテナとの間で共振条件を合わせるインピーダンス整合回路とを備え、共振型送信アンテナは、中間点を共通電位にして、２系統の電力を入力する１つのコイルから成るものである。

また、この発明に係る共振型電力伝送装置は、２ＭＨｚ以上の高周波数でスイッチング動作を行う２系統のパワー素子と、対応するパワー素子のスイッチング動作を共振スイッチングさせる２系統の共振回路素子と、各パワー素子に２ＭＨｚ以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該各パワー素子を駆動させる高周波パルスドライブ回路と、２系統の電圧信号を、電力伝送する送信電力に応じて位相差を制御して高周波パルスドライブ回路に送り、当該高周波パルスドライブ回路を駆動させる位相差制御回路と、パワー素子によるスイッチング動作により得られた２系統の電力を、１系統の電力に合成するトランスと、トランスにより合成された１系統の電力を入力し、共振動作を行うことで送信電力を発生する共振型送信アンテナと、共振型送信アンテナの共振条件を設定する共振条件設定回路と、パワー素子によるスイッチング動作により得られた２系統の電力とトランスとの間で共振条件を合わせるインピーダンス整合回路とを備え、トランスは、中間点を共通電位にして、２系統の電力を入力する一次側コイルを有するものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく送信電力を可変することができ、２ＭＨｚ以上の高周波数で電力伝送を行うことができる。

この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置を備えた共振型電力伝送システムの構成を示す図である。この発明の実施の形態１における共振型送信アンテナの構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の回路構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の動作を示す図であり、（ａ）Ｅ級型電源回路からの２出力の波形を示す図であり、（ｂ）受信電力の波形を示す図である。この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の別の回路構成を示す図である。この発明の実施の形態２に係る共振型電力伝送装置の回路構成を示す図である。従来の共振型電力伝送装置の構成を示す回路図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置１を備えた共振型電力伝送システムの構成を示す図である。
共振型電力伝送システムは、図１に示すように、Ｅ級型電源回路（共振型電源回路）２、共振型送信アンテナ３、共振型受信アンテナ４及び受信回路５から構成されている。なお、Ｅ級型電源回路２及び共振型送信アンテナ３は、共振型電力伝送装置１を構成する。

Ｅ級型電源回路２は、共振型送信アンテナ３の前段に配置され、共振型送信アンテナ３への電力の供給を制御するものである。このＥ級型電源回路２は、直流又は交流を入力し、位相差を可変制御した２系統の交流（Ｖ１，Ｖ２）を出力するインバータ電源回路である。なお図１では、共振型電源回路として、Ｅ級方式の電源回路を示しているが、これに限るものではなく、ＭＨｚ帯の周波数で動作可能な共振型の電源回路であればよい。

共振型送信アンテナ３は、Ｅ級型電源回路２からの電力を共振型受信アンテナ４に伝送する共振型の電力送信アンテナである（非接触に限定されない）。この共振型送信アンテナ３は、Ｅ級型電源回路２から出力された２系統の交流（Ｖ１，Ｖ２）を入力して、共振動作を行うことで送信電力を発生し、共振型受信アンテナ４への電力伝送を実施している。
この共振型送信アンテナ３は、図２（ａ）に示すように、２つのコイル（形状はヘリカル状、スパイラル状など任意）３１，３２を横並びに直列配置して構成してもよいし、図２（ｂ）に示すように、一方のコイル３２を他方のコイル３１の内側に嵌合して構成してもよい。また、図１，２では、分離した２つのコイル３１，３２を用いて共振型送信アンテナ３を構成した場合を示しているが、これに限るものではなく、例えば図３などに示すように、１つのコイルを用い、当該コイルの中間点から共通のＲＴＮ端子を配置することで、共振型送信アンテナ３を構成するようにしてもよい。

共振型受信アンテナ４は、共振型送信アンテナ３からの電力を受信する共振型の電力受信アンテナである（非接触に限定されない）。この共振型受信アンテナ４により受信された電力は受信回路５を介して負荷機器など（不図示）に供給される。
この共振型受信アンテナ４は、１つのコイル（形状はヘリカル状、スパイラル状など任意）で構成してもよいし、給電コイルを別に設けて２つのコイルで構成してもよい。なお、共振型受信アンテナ４の共振周波数は、共振型送信アンテナ３と同じ周波数に設定される。

受信回路５は、共振型受信アンテナ４と負荷機器間に配置され、共振型受信アンテナ４により受信された電力（交流出力）を整流するものである。この受信回路５は、ＡＣ入力−ＤＣ出力型の電源回路である。
なお、無線電力伝送の場合における共振型電力伝送システムの伝送方式は特に限定されるものではなく、磁界共鳴による方式、電界共鳴による方式、電磁誘導による方式のいずれであってもよい。

次に、図１に示すＥ級型電源回路２の具体的な回路構成例について、図３を参照しながら説明する。
Ｅ級型電源回路２は、図３に示すように、パワー素子Ｑ１，Ｑ２１、共振回路素子（コンデンサＣ１，Ｃ２１、インダクタＬ２，Ｌ２２及びコンデンサＣ２，Ｃ２２）、インダクタＬ１，Ｌ２１、高周波パルスドライブ回路２１、位相差制御回路２２、インピーダンス整合回路（コンデンサＣ３，Ｃ２３）及び共振条件設定回路（コンデンサＣ５，Ｃ２５）から構成されている。なお、コンデンサＣ５，Ｃ２５は、図１に示すＥ級型電源回路２に含まれていてもよいし、外部に設けられていてもよい。

パワー素子Ｑ１，Ｑ２１は、入力の直流電圧Ｖｉｎを交流に変換するために２ＭＨｚ以上の高周波数でスイッチング動作を行うスイッチング素子である。このパワー素子Ｑ１，Ｑ２１としては、ＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）用の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ；Ｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に限らず、例えばＳｉ−ＭＯＳＦＥＴやＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮ−ＦＥＴなどの素子を用いることが可能である。

共振回路素子（コンデンサＣ１，Ｃ２１、インダクタＬ２，Ｌ２２及びコンデンサＣ２，Ｃ２２）は、対応するパワー素子Ｑ１，Ｑ２１のスイッチング動作を共振スイッチングさせるための素子である。このコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ２１，Ｃ２２としては、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサなどを用いることが可能である。また、インダクタＬ２，Ｌ２２としては、空芯コイルや磁性体インダクタなどを用いることが可能である。

インダクタＬ１，Ｌ２１は、入力の直流電圧Ｖｉｎのエネルギーを、対応するパワー素子Ｑ１，Ｑ２１のスイッチング動作ごとに一時的に保持する働きをするものである。このインダクタＬ１，Ｌ２１としては、磁性体インダクタなどを用いることが可能である。

高周波パルスドライブ回路２１は、パワー素子Ｑ１のＧ端子及びパワー素子Ｑ２１のＧ端子に２ＭＨｚ以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送り、パワー素子Ｑ１，Ｑ２１を駆動させる回路である。この高周波パルスドライブ回路２１は、出力部をＦＥＴ素子などでトーテンポール回路構成にして高速のＯＮ／ＯＦＦ出力ができるように構成した回路である。

位相差制御回路２２は、ロジック信号などの２ＭＨｚ以上の高周波のパルス状の２系統の電圧信号を高周波パルスドライブ回路２１に送り、高周波パルスドライブ回路２１を駆動させる回路である。またその際、電力伝送する送信電力に応じて２系統の電圧信号の位相差を制御することで、パワー素子Ｑ１，Ｑ２１のドライブのタイミングを可変制御している。この位相差制御回路２２は、上記の他、周波数設定用のオシレータとフリップフロップやインバータなどで構成される。

インピーダンス整合回路（コンデンサＣ３，Ｃ２３）は、Ｅ級型電源回路２の出力（パワー素子Ｑ１，Ｑ２１によるスイッチング動作により得られた２系統の電力）と共振型送信アンテナ３との間のインピーダンス整合（共振条件のバランス整合）を行うものである。このコンデンサＣ３，Ｃ２３としては、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサなどを用いることが可能である。

共振条件設定回路（コンデンサＣ５，Ｃ２５）は、共振型送信アンテナ３の共振条件を設定するものである。このコンデンサＣ５，Ｃ２５としては、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサなどを用いることが可能である。

次に、上記のように構成された共振型電力伝送システムの動作について説明する。以下では、図３の上側のパワー素子Ｑ１で構成される回路の動作について説明する。また、Ｅ級型電源回路２には直流電圧Ｖｉｎが入力されるものとする。
まず、一次電源（不図示）の直流電圧Ｖｉｎが、Ｅ級型電源回路２へ入力され、ＭＨｚ帯の高周波交流に変換されて共振型送信アンテナ３へ２系統出力される。このＥ級型電源回路２の具体的な動作では、まず、入力の直流電圧ＶｉｎはインダクタＬ１を通してパワー素子Ｑ１のＤ端子に印加される。そして、パワー素子Ｑ１は、その電圧をＯＮ／ＯＦＦのスイッチング動作により正電圧の交流状電圧へ変換する。この変換動作のときに、インダクタＬ１は一時的にエネルギーを保持する働きをして、直流を交流へ電力変換する手助けを行う。

ここで、パワー素子Ｑ１のスイッチング動作は、Ｉｄｓ電流とＶｄｓ電圧積によるスイッチング損失が最も小さくなるように、ＺＶＳ（ゼロボルテージスイッチング）が成立するようコンデンサＣ１、インダクタＬ２及びコンデンサＣ２からなる共振回路素子で共振スイッチング条件が設定されている。この共振スイッチング動作により、出力電圧ＶｏｕｔにはＲＴＮ電位を軸にした交流電圧が出力される。

パワー素子Ｑ１の駆動は、位相差制御回路２２からの任意のパルス状の電圧信号を受けた高周波パルスドライブ回路２１が出力する、パルス状の電圧信号をパワー素子Ｑ１のＧ端子へ入力することで行っている。このとき、パワー素子Ｑ１の駆動周波数は共振型電力伝送装置１の動作周波数となり、位相差制御回路２２内部のオシレータ回路の設定により決まる。

一方、図３の下側のパワー素子Ｑ２１で構成される回路の動作についても上記と同様の動作となる。また、パワー素子Ｑ１，Ｑ２１のドライブのタイミングは、電力伝送する送信電力に応じて位相差制御回路２２により可変制御される。この際、図４（ａ）に示す出力Ｖ１，Ｖ２の各位相での和が送信電力となるため、所望の送信電力が得られるように出力Ｖ１，Ｖ２の位相差の可変制御を行う。

そして、共振型送信アンテナ３は、その２系統の高周波交流による共振動作を行い、共振型受信アンテナ４へ電力伝送を行う。
その後、共振型受信アンテナ４は、共振型送信アンテナ３からの電力伝送により共振型送信アンテナ３と同様に共振動作を行う。この際、共振型受信アンテナ４により受信される電力は、図４（ｂ）に示すように、送信電力の制御により電圧の振幅が制御される。そして、共振型受信アンテナ４は、受信回路５へ高周波交流を出力する。その後、受信回路５は、その高周波交流を整流して、直流出力を行う。

以上のように、この実施の形態１によれば、共振型電源回路を２出力構成にして各出力を共振型送信アンテナ３へ接続し、当該２出力の位相差を電力伝送を行う送信電力に応じて制御するように構成したので、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく送信電力を可変することができ、２ＭＨｚ以上の高周波数で電力伝送を行うことができる。
その結果、従来構成に対して、装置を小型、軽量化できる。また、従来構成に対して、部品点数を削減することができるため、コストを下げることができる。また、従来構成に対して、装置全体の電力変換効率を向上することができる。また、従来構成に対して、内部回路はＥ級型電源のスイッチング周波数のみとなるため、ＥＭＣなどのノイズ対策部品を大幅に削減することができる。

なお上記では、共振型電力伝送装置１の構成例として、図３に示すような回路構成を示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば図５に示すような回路構成としてもよい。
図５に示す構成において、インダクタＬ３，Ｌ２３及びコンデンサＣ４，Ｃ２４は、コンデンサＣ３，Ｃ２３とともにインピーダンス整合回路を構成する素子である。このコンデンサＣ４，Ｃ２４としては、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサなどを用いることが可能である。また、インダクタＬ３，Ｌ２３としては、空芯コイル、磁性体インダクタなどを用いることが可能である。これらの追加素子により、インピーダンス整合範囲をより広範囲にさせることができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、共振型送信アンテナ３を１つのアンテナで構成したものについて示す。図６はこの発明の実施の形態２に係る共振型電力伝送装置１の構成例を示す回路図である。図６に示す実施の形態２に係る共振型電力伝送装置１は、図３に示す実施の形態２に係る共振型電力伝送装置１にトランスＴ１を追加し、共振条件設定回路（コンデンサＣ５，Ｃ２５）の配置を変更し、共振型送信アンテナ３を１つのアンテナから構成したものである。その他の構成は同様であり、異なる部分についてのみ説明を行う。

トランスＴ１は、パワー素子によるスイッチング動作により得られた２系統の電力を、１系統の電力に合成するものである。すなわち、トランスＴ１は、位相差制御回路２２により一次側コイルＮ１に加わる電圧と一次側コイルＮ２に加わる電圧との位相差が可変制御されることで、二次側コイルＮ３に発生する電圧振幅を可変制御する。このトランスＴ１は、フェライトコアなどの磁性体を使用したトランスで構成される。

また、共振型送信アンテナ３は、トランスＴ１により合成され二次側コイルＮ３に発生した１系統の電力を入力し、共振動作を行うことで送信電力を発生する。
また、インピーダンス整合回路（コンデンサＣ３，Ｃ２３）は、パワー素子Ｑ１，Ｑ２１によるスイッチング動作により得られた２系統の電力とトランスＴ１との間のインピーダンス整合（共振条件のバランス整合）を行う。

また図６では、共振条件設定回路としてコンデンサＣ５，Ｃ２５の２つの素子を使用しているが、１つの素子のみで構成してもよい。この場合、コンデンサＣ５，Ｃ２５の直列合成インピーダンスとなる値の素子を用いる。

以上のように、この実施の形態２によれば、トランスＴ１を用いて２系統の電力を１系統の電力に合成するように構成したので、実施の形態１における効果に加え、実施の形態１の構成に対して共振型送信アンテナ３のターン数を半分にすることができる。

なお、図６に示す構成に対して、図５と同様に、インダクタＬ３，Ｌ２３及びコンデンサＣ４，Ｃ２４を追加してもよい。これにより、インピーダンス整合範囲をより広範囲にさせることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る共振型電力伝送装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく送信電力を可変することができ、２ＭＨｚ以上の高周波数で電力伝送を行うことができ、高周波数で電力伝送を行う共振型電力伝送装置などに用いるのに適している。

１共振型電力伝送装置、２Ｅ級型電源回路（共振型電源回路）、３共振型送信アンテナ、４共振型受信アンテナ、５受信回路、２１高周波パルスドライブ回路、２２位相差制御回路、３１，３２コイル。

Claims

２ＭＨｚ以上の高周波数でスイッチング動作を行う２系統のパワー素子と、
対応する前記パワー素子のスイッチング動作を共振スイッチングさせる２系統の共振回路素子と、
前記各パワー素子に２ＭＨｚ以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該各パワー素子を駆動させる高周波パルスドライブ回路と、
２系統の前記電圧信号を、電力伝送する送信電力に応じて位相差を制御して前記高周波パルスドライブ回路に送り、当該高周波パルスドライブ回路を駆動させる位相差制御回路と、
前記パワー素子によるスイッチング動作により得られた２系統の電力を入力し、共振動作を行うことで前記送信電力を発生する共振型送信アンテナと、
前記共振型送信アンテナの共振条件を設定する共振条件設定回路と、
前記パワー素子によるスイッチング動作により得られた２系統の電力と前記共振型送信アンテナとの間で共振条件を合わせるインピーダンス整合回路とを備え、
前記共振型送信アンテナは、中間点を共通電位にして、前記２系統の電力を入力する１つのコイルから成る
ことを特徴とする共振型電力伝送装置。
２ＭＨｚ以上の高周波数でスイッチング動作を行う２系統のパワー素子と、
対応する前記パワー素子のスイッチング動作を共振スイッチングさせる２系統の共振回路素子と、
前記各パワー素子に２ＭＨｚ以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該各パワー素子を駆動させる高周波パルスドライブ回路と、
２系統の前記電圧信号を、電力伝送する送信電力に応じて位相差を制御して前記高周波パルスドライブ回路に送り、当該高周波パルスドライブ回路を駆動させる位相差制御回路と、
前記パワー素子によるスイッチング動作により得られた２系統の電力を、１系統の電力に合成するトランスと、
前記トランスにより合成された１系統の電力を入力し、共振動作を行うことで前記送信電力を発生する共振型送信アンテナと、
前記共振型送信アンテナの共振条件を設定する共振条件設定回路と、
前記パワー素子によるスイッチング動作により得られた２系統の電力と前記トランスとの間で共振条件を合わせるインピーダンス整合回路とを備え、
前記トランスは、中間点を共通電位にして、前記２系統の電力を入力する一次側コイルを有する
ことを特徴とする共振型電力伝送装置。
前記パワー素子は、ＲＦ用の電界効果トランジスタ以外の電界効果トランジスタである
ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
前記パワー素子は、ＲＦ用の電界効果トランジスタ以外の電界効果トランジスタである
ことを特徴とする請求項２記載の共振型電力伝送装置。
前記共振型送信アンテナは、磁界共鳴により電力伝送を行う
ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
前記共振型送信アンテナは、磁界共鳴により電力伝送を行う
ことを特徴とする請求項２記載の共振型電力伝送装置。
前記共振型送信アンテナは、電界共鳴により電力伝送を行う
ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
前記共振型送信アンテナは、電界共鳴により電力伝送を行う
ことを特徴とする請求項２記載の共振型電力伝送装置。
前記共振型送信アンテナは、電磁誘導により電力伝送を行う
ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
前記共振型送信アンテナは、電磁誘導により電力伝送を行う
ことを特徴とする請求項２記載の共振型電力伝送装置。