JP6326135B2 - 駆動装置およびその方法、ならびに無線電力伝送装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、駆動装置およびその方法、ならびに無線電力伝送装置に関する。
無線電力伝送において、2つのコイルを、各々が発生する電磁界が逆向きになるように接続する手法が知られている。これによれば、コイルの周辺において発生する電磁界を低減することができる。
しかしながら、複数のコイルを用いる場合、各コイルのインダクタンス、各コイルに接続される部品特性、各コイルが電力を伝送する対向装置の特性、対向装置との位置関係等、多くの要素が、複数のコイルで全て対称でなければ、各コイルに流れる電流の振幅が同一とはならない。さらに、各コイルを流れる電流の位相が異なり、発生する電磁界も逆位相とならない。このため、漏洩電磁界の低減効果が制限される。
特開2010−102301号公報
本発明の実施形態は、簡易な構成で漏洩電磁界を低減することを目的とする。
本実施形態として駆動装置は、N(Nは2以上の整数)個のインバータを駆動する駆動装置であって、スイッチング信号生成器を備える。前記インバータは、一端同士が接続された第1スイッチング素子と第2スイッチング素子と、一端同士が接続された第3スイッチング素子と第4スイッチング素子とを含む。前記第1および第2スイッチング素子の接続ノードが、対応する送電コイルユニットの一端に接続され、前記第3および第4スイッチング素子の接続ノードが、前記対応する送電コイルユニットの他端に接続される。前記インバータは、前記第1および第3スイッチング素子の他端に供給される第1電源電圧と、前記第2および第4スイッチング素子の他端に供給される第2電源電圧に基づき、前記第1〜第4スイッチング素子を駆動して交流電力を生成し、それぞれ前記対応する前記送電コイルユニットに出力する。
前記スイッチ信号生成器は、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子を相補的に駆動し、前記第3スイッチング素子と前記第4スイッチング素子を相補的に駆動し、M(Mは2以上N以下の整数)番目とM−1番目のインバータの出力電流の位相差が、360×L/N(Lは1以上、N未満の整数)になる、またはこの値に近接するように、各インバータの前記第1〜第4スイッチング素子を駆動するスイッチング信号を生成し、前記スイッチング信号を各インバータの前記第1〜第4スイッチング素子に供給する。
第1の実施形態に係る無線電力伝送装置の例を示す図。 位相差と減衰量の関係を示す図。 第1の実施形態に係る無線電力伝送装置の他の例を示す図。 第1の実施形態に係るスイッチング信号と出力波形の例を示す図。 スイッチング信号間にデッドタイムが存在する場合の波形の例を示す図。 第1の実施形態に係るスイッチング信号と出力波形の他の例を示す図。 第1の実施形態に係るスイッチング信号と出力波形のさらに他の例を示す図。 電圧波形の位相差を180度およびそれ以外に調整する例をそれぞれ示す図。 スイッチング信号生成器の第1の例を示す図。 スイッチング信号生成器の第2の例を示す図。 スイッチング信号生成器の第3の例を示す図。 送電コイルユニットの他の構成例を示す図。 複数のDC電源を備える無線電力伝送装置の例を示す図。 第1の実施形態に係る無線電力伝送装置の他の例を示す図。 第2の実施形態に係る無線電力伝送装置の例を示す図。 3相の場合の電磁界低減効果の説明図。 3相の場合のスイッチング信号および出力波形の例を示す図。 多相の場合のスイッチング信号生成器の例を示す図。 第3の実施形態に係る無線電力伝送装置の例を示す図。 第3の実施形態に係る無線電力伝送装置の他の例を示す図。 第4の実施形態に係る無線電力伝送装置の例を示す図。 第4の実施形態に係る無線電力伝送装置の他の例を示す図。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
図1に、第1の実施形態に係る無線電力伝送装置を示す。
この無線電力電送装置は、送電ユニット110、送電ユニット210、DC(直流)電源310、および駆動装置312を備えた送電側の無線電力装置(送電装置)であり、受電側の無線電力伝送装置(受電装置)に、無線で電力を伝送する。なお、図1では送電ユニットが2つであるが、後述するように3つ以上の形態も可能である。
DC電源310は、送電ユニット110と、送電ユニット210の双方に接続され、それぞれに駆動源としてDC電源を供給する。具体的に、送電ユニット110と、送電ユニット210のそれぞれの一端に電源電圧(第1電源電圧)を供給し、それぞれの他端にグランド電圧(第2電源電圧)を供給する。
送電ユニット110は、単相フルブリッジインバータ120と、送電コイルユニット130を含む。単相フルブリッジインバータ120は、DC−AC変換器として動作するインバータであり、スイッチング素子1201、1202、1203、1204と、これらのスイッチング素子1201〜1204に逆並列に接続されたダイオード(環流ダイオード)1201a、1202a、1203a、1204aとを備える。逆並列に接続とは、接続された各素子の電流の流れる方向が逆(DC電源に電流が逆流する向き)という意味である。スイッチング素子1201、1202、1203、1204は、それぞれ第1、第2、第3、第4のスイッチング素子に対応する。
スイッチング素子1201と1202の一端同士が接続され、スイッチング素子1203と1204の一端同士が接続されている。スイッチング素子1201、1203の他端が、DC電源310の電源端子に共通に接続され、これによりDC電源310から電源電圧が供給される。スイッチング素子1202、1204の他端が、DC電源310のグランド端子に共通に接続され、これによりDC電源310からグランド電圧が供給される。
スイッチング素子1201、1202間の接続ノードは、端子1205に接続され、スイッチング素子1203、1204間の接続ノードは、端子1206に接続されている。送電コイルユニット130は、少なくともコイル1301を含む。送電コイルユニット130の一端(ここではコイル1301の一端)は、端子1205に接続され、送電コイルユニット130の他端(ここではコイル1301の他端)は、端子1206に接続されている。ここでは、端子1205が正出力端子、端子1206が負出力端子に相当する。端子1205と端子1206の間の電位差は、単相フルブリッジインバータ120の出力電圧に相当する。
単相フルブリッジインバータ120は、DC電源310から供給される電源電圧およびグランド電圧に基づき、駆動装置312から与えられるスイッチング信号に応じて、各スイッチング素子を駆動することで、交流電力(交流電圧あるいは交流電流)を生成する。スイッチング素子1201およびスイッチング素子1204がオン(ON)で、スイッチング素子1202およびスイッチング素子1203がオフ(OFF)のときは、DC電源310から、スイッチング素子1201、コイル1301、スイッチング素子1204を経由して、DC電源310のグランド側に電流が流れる。スイッチング素子1201およびスイッチング素子1204がOFFで、スイッチング素子1202およびスイッチング素子1203がONのときは、DC電源310から、スイッチング素子1203、コイル1301、スイッチング素子1202を経由して、DC電源310のグランド側に電流が流れる。このように各スイッチング素子のON・OFFの切り替えを制御することにより、向きが変化する電流を生成することで、交流電力が生成される。
単相フルブリッジインバータ120は、生成した交流電力を、送電コイルユニット130に供給する。より詳細には、端子1205、1206間に印加される出力電圧と、送電コイルユニット130のインピーダンスとにより定まる電流が流れ、送電コイルユニット130のコイル1301で、この電流に応じた電磁界が発生させられる。この電磁界が、受電側の無線電力伝送装置(受電装置)側のコイルと結合し、これにより電力が伝送される(後述する図14参照)。
一方、送電ユニット210も、送電ユニット110と同様の構成を有する。すなわち、送電ユニット210は、単相フルブリッジインバータ220と、送電コイルユニット230を含む。単相フルブリッジインバータ220は、スイッチング素子2201、2202、2203、2204と、これらのスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオード(環流ダイオード)2201a、2202a、2203a、2204aを含む。スイッチング素子2201、2202、2203、2204は、それぞれ第1、第2、第3、第4のスイッチング素子に対応する。
スイッチング素子2201と2202の一端同士が接続され、スイッチング素子2203と2204の一端同士が接続されている。スイッチング素子2201、2203の他端が、DC電源310の電源端子に共通に接続され、これによりDC電源310から電源電圧が供給される。スイッチング素子2202、2204の他端が、DC電源310のグランド端子に共通に接続され、これによりDC電源310からグランド電圧が供給される。
スイッチング素子2201、2202間の接続ノードは、端子2205に接続され、スイッチング素子2203、2204間の接続ノードは、端子2206に接続されている。送電コイルユニット230は、少なくともコイル2301を含む。コイル2301の一端は、端子2205に接続され、コイル2301の他端は、端子2206に接続されている。
単相フルブリッジインバータ220は、これら電源電圧およびグランド電圧に基づき、駆動装置312から与えられるスイッチング信号に応じて、各スイッチング素子を駆動することで、交流電力を生成する。そして、生成した交流電力を、送電コイルユニット230に供給する。コイル2301は、単相フルブリッジインバータ220から交流電力の供給を受け、受電側の無線電力伝送装置(受電装置)側のコイルと結合して、磁気結合により電力を伝送する。
駆動装置312は、スイッチング信号生成器311を備え、送電ユニット110と、送電ユニット210を駆動する。スイッチング信号生成器311は、単相フルブリッジインバータ120の各スイッチング素子1201〜1204と、単相フルブリッジインバータ220の各スイッチング素子2201〜2204を駆動するスイッチング信号を生成し、生成したスイッチング信号を各スイッチング素子に供給する。これらのスイッチング信号は、パルス波形の信号(後述する図4等参照)であり、概ね同じデューティー比および同じ周波数を有する。以下、スイッチング素子1201〜1204、2201〜2204に供給するスイッチング信号を、スイッチング素子と同じ参照符号を用いて、スイッチング信号1201〜1204、2201〜2204と表記することがある。
スイッチング信号生成器311は、単相フルブリッジインバータ120において、スイッチング素子1201とスイッチング素子1202を相補的に駆動し、スイッチング素子1203とスイッチング素子1204を相補的に駆動するように、スイッチング信号1201〜1204を生成する。単相フルブリッジインバータ220において、スイッチング素子2201とスイッチング素子2202を相補的に駆動し、スイッチング素子2203とスイッチング素子2204を相補的に駆動するように、スイッチング信号2201〜2204を生成する。これにより各単相フルブリッジインバータで交流電力を生成する。
ここで、スイッチング信号生成器311は、単相フルブリッジインバータ120において、スイッチング信号1201と1203の位相関係を調整することで、コイル1301への出力電圧の振幅を調整可能である。同様に、単相フルブリッジインバータ220において、スイッチング信号2201と2203の位相関係を調整することで、コイル2301への出力電圧の振幅を調整可能である。コイル1301、2301への出力電圧の振幅を調整することで、コイル1301、2301への出力電流の振幅も調整される。また、単相フルブリッジインバータ120のスイッチング信号1201と、単相フルブリッジインバータ220のスイッチング信号2201間の位相関係を調整することで、コイル1301、2301への出力電圧の位相差を調整し、これによりコイル1301、2301への出力電流の位相差を、所望の位相差に調整可能である。
本実施形態では、これら出力電圧の振幅の調整機能と、出力電圧の位相差の調整機能を利用して、送電装置から周囲への電磁波漏洩を低減することを特徴の1つとしている。すなわち、送電コイルユニット130、230から発生する電磁界の一部は、周囲に放出され、漏洩電磁界となる。この漏洩電磁界は、送電装置の周囲の機器へ影響を与える可能性がある。また、金属物が、周囲に存在する場合、漏洩電磁界による加熱が生じる可能性がある。これらの理由のため、周囲に漏洩される電磁界は小さくすることが望ましい。この目的を達成するために、送電コイルユニット130から漏洩する電磁界と、送電コイルユニット230から漏洩する電磁界とが互いに打ち消すように各送電コイルユニットの電流の振幅および位相差を、各送電コイルユニットへの出力電圧の振幅、および出力電圧の位相差を調整することで制御する。
送電コイルユニット130と送電コイルユニット230が、同様の特性を持ったコイルで構成された場合、単相フルブリッジインバータ120と単相フルブリッジインバータ220の出力電圧を同一振幅、かつ逆位相(180度)となるように(あるいは逆位相に近づくように)、各スイッチング信号を制御することで、出力電流が同一振幅かつ逆位相となり、よって、漏洩電磁界が同一振幅、かつ逆位相となって、漏洩電磁界が互いに打ち消し合うと考えられる。この場合、2つの送電コイルユニットの配置箇所から等距離における任意の点や、送電コイルユニットのサイズに対して十分遠方においては、漏洩電磁界が互いに打ち消し、0に近づくことが期待される。
ただし、実際には、送電コイルユニット130と送電コイルユニット230の特性にはばらつきが生じる可能性や、受電側との結合状態が異なる場合が考えられる。このような場合、送電コイルユニット130と送電コイルユニット230のインピーダンスが異なる値となり、単相フルブリッジインバータ120と220の出力電圧がそれぞれ同一の振幅、かつ逆位相となる場合においても、2つの送電コイルユニットに供給される電流、および発生する電磁界が同一の振幅とならない。このため、十分な漏洩電磁界の低減効果が期待できない。そこで、このような場合も、同一振幅の電流が供給されるように、2つの単相フルブリッジインバータの出力振幅をそれぞれ個別に調整する。また、送電コイルユニット間のインピーダンスの位相成分の差が無視できない場合には、出力電圧の位相差を逆位相にしても、電流位相の差が逆位相にならない。そこで、電流の位相差が逆位相になるように、単相フルブリッジインバータ間の出力電圧の位相関係を調整することで、出力電流の位相差を逆位相にする。これらにより、送電コイルユニットのインピーダンスが異なる場合や位相成分の差が無視できない場合においても、十分な漏洩電磁界の低減を達成することが可能となる。このような漏洩電磁界の低減を達成するためのスイッチング信号の制御についての詳細は、後述する。
ここで、位相差と減衰量の関係について説明しておく。図2は、2つの送電コイルユニットから等距離の点における漏洩電磁界の振幅と、2つの送電コイルユニットの電流の位相差の関係を示したものである。なお、2つの送電コイルユニットに流れる電流の大きさは同一とし、0度の場合における値で規格化している。位相差が180度(逆位相)の場合には、理論上漏洩電磁界は0となる。位相差が180度から±30度の範囲でも−10dB以下、すなわち1/10以下であり、大きな打ち消し効果が得られる。そこで、以下の説明では、位相差を180度に調整するといった表現を用いることがあるが、これは、大きな打ち消し効果が得られる程度に位相差を180度に近づけることを意味しており、具体的には±30度程度の範囲で位相差が180度に近づくよう調整することを意味することとする。さらには、180度以外の任意の位相差Xに位相差を調整するとは、X度±X/6度程度の範囲で位相差を、目標値(位相差X)に近づけることを意味することとする。なお、10dBよりも大きな打ち消し効果を得る必要がある場合、位相差をより狭い範囲で目標値に近づけてもよい。
なお、本実施形態では送電ユニットが2つであるが、他の実施形態で後述するように、本発明は、より一般的に、N(2以上の整数)個の送電ユニットを有する場合に、拡張できる(図15参照)。この場合、漏洩電磁波の低減を達成するには、各送電ユニットの電流の位相差に関しては、M番目とM−1番目の送電ユニットにおける電流の位相差が、360×L/N度となるように調整すればよい。Mは2以上N以下の整数であり、Lは1以上N未満の整数である。
図1におけるスイッチング素子1201〜1204、2201〜2204の具体例としては、FETまたはIGBTなどの半導体素子がある。図1では、FET素子の場合が示されている。半導体素子の動作は、ゲート、またはベースに供給される信号によって制御される。例えば、N型のFET素子を用いる場合には、ゲートソース間の電位差が、閾値以上であればON、閾値以下であれば、OFFとなる。この場合、スイッチング素子に供給するスイッチング信号は、ゲートソース間の電位差を閾値以上にする電圧信号と、閾値未満にする電圧信号とを、所定のデューティー比および所定の周波数で配置した信号となる。
以下では、スイッチング信号がハイレベルのときに、スイッチング素子がON、ローレベルのときに、スイッチング素子がOFFになるものとして説明するが、これと逆の関係でもかまわない。
ここで、単相フルブリッジインバータ120、220内の各スイッチング素子に接続された環流ダイオード1201a〜1204a、2201a〜2204aについて説明する。環流ダイオードの役割の一つは、各スイッチング素子のON/OFFの切替えで、コイルに流す電流の向きを変えるとき(すなわちコイルにかかる電圧の向きを反転させるとき)に、各スイッチング素子を保護することである。各スイッチング素子のON/OFFの切替え時、コイルのインダクタンスにより、コイルの電流の向きは急に転換できないため、切替え後のコイルへの印加電圧と逆の電流が流れる。IGBTなど、逆方向に大きな電流を流すことのできないスイッチング素子を用いる場合、この電流を、スイッチング素子に逆並列に接続された環流ダイオードに流すことで、各スイッチング素子に逆の電流が流れ込むことにより素子の故障または破壊の発生を阻止する。また、後述するデッドタイムを有するスイッチング信号を用いる場合、スイッチング素子の切替え時に全てのスイッチング素子がOFFとなる期間が発生する。このとき、コイル電流を環流ダイオードに流すことでスイッチング素子の故障または破壊の発生を阻止する。なお、環流ダイオードの接続位置は、図1の位置に限定されず、利用するスイッチング素子の種類に応じて変更されてよい。環流ダイオードは、本実施形態の機能を発揮する上では必須でなく、例えば、図3に示すように、環流ダイオードを接続しない構成も可能である。
以下、図4を用いて、単相フルブリッジインバータ120のスイッチング素子1201〜1204に供給するスイッチング信号1201〜1204と、単相フルブリッジインバータ120の出力電圧の波形との関係について説明する。
図4(a)、図4(b)、図4(c)に、単相フルブリッジインバータ120におけるスイッチング信号と出力電圧の波形の関係を示す。以下の説明で、DC電圧源310から入力される電圧VINは、一定であるとする。送電を行う周波数はf[Hz]とする。すなわち送電周波数の周期はt=1/f[秒]である。4つのスイッチング素子に供給されるスイッチング信号は、全て同じデューティー比を持つ、同じ周期tのパルス信号である。図4(a)〜(c)では、スイッチ信号1201〜1204のデューティー比は、50%としている。
図4(a)は、単相フルブリッジインバータ120の出力電圧の基本波成分が最大となるように、スイッチング信号1201〜1204を設定した場合の例である。図4(a)において、スイッチング信号1202は、スイッチング信号1201に対して180度の位相差(位相進み)を有する。
ここで、位相差について説明する。位相差とは周期信号間の波形の時間差を意味している。P度の位相進みとは、周期tの周期信号の場合には、P/360×tの時間進みと等価である。また、周期波形の場合、360度の位相シフトを行うと、波形は同一となる。このため、P度の位相進みは、360−P度の位相遅れと等価である。以下の説明では、便宜上、位相進み、または位相遅れの表現を用いて波形を説明するが、360度の位相シフトにより、位相遅れから位相進み、位相進みから位相遅れに交換しても等価である。また、記載上、負の位相進み、または負の位相遅れにより、波形を表現することもあり得るが、これは絶対値をとることにより、正の位相遅れ、または進みとして表現できる波形と等価な波形を表すとする。すなわち、任意のPに対して、P度の位相遅れとは、−P度の位相進み、P度の位相進みとは、−P度の位相遅れと等価であると定義する。
スイッチング信号1203は、スイッチング信号1201に対して、180度の位相進み(図4(a)のT1)を有する。スイッチング信号1204は、スイッチング信号1203に対して180度の位相進みを有する。すなわち、スイッチング信号1204はスイッチング信号1201に対して、360度の位相進みを有するが、360度の位相進みとは1周期分の時間波形のずれを表しており、周期信号に対しては、0度の位相進みと等価である。すなわち、スイッチング信号1201は、スイッチング信号1204と同一の波形である。
スイッチング信号1201〜1204がこのような位相関係にあるとき、図4(a)に示すように、単相フルブリッジインバータ120の出力電圧は矩形波となる。図において、この矩形波に重ねて表示している破線の波形は、出力電圧の基本波成分を表している。基本波成分は、出力電圧の波形の周波数fの成分として定義されることができる。基本波成分は、出力電圧の信号を周波数分解し、基本波成分のみを抽出することで得られる。
図4(b)は、図4(a)に比べて、出力電圧の基本波成分の振幅を低く設定する場合の例である。図4(a)と同様に、スイッチング信号1202は、スイッチング信号1201に対して180度の位相進みを有する。スイッチング信号1203は、スイッチング信号1201に対して、180−P度の位相進み(図4(b)のT2)を有する。P>0とする。スイッチング信号1204は、スイッチング信号1203に対して、180度の位相進みを有する。このとき、出力電圧波形には、図4(b)に示すように1周期あたり、t×P/360秒だけ、出力電圧が0となる期間(図4(b)のT3)が挿入される。これにより、出力電圧の基本波成分の振幅は、図4(a)に示した場合に比べて小さくなる。
図4(c)は、図4(b)と同様に、図4(a)に比べて、出力電圧の基本波成分の振幅を低く設定する場合の別の例である。図4(b)において、Pは正の値としていたが、図4(c)は、これを負の値とした場合である。スイッチング信号1203は、スイッチング信号1201に対して、180−P度の位相進み(図4(c)のT4)を有する。P<0である。この場合も、1周期あたりt×|P|/360秒だけ、0となる期間(図4(c)のT5)が出力電圧波形に挿入される。これにより、出力電圧の基本波成分の振幅が、図4(a)と比べて小さくなる。
このように、出力電圧の基本波成分の大きさは、Pで決まる。任意のPは、−180度から180度の範囲で表現できる。この範囲外のPに対しては、360度の整数倍の位相シフトにより、この範囲内に変換できる。Pを−180度から180度の範囲で表現した場合、|P|が小さいほど、出力電圧の基本波成分が大きくなり、|P|が大きいほど、出力電圧の基本波成分が小さくなる。つまり、Pの大きさを調整することにより、出力の基本波成分の振幅を調整できる。図4(a)はPが0度の場合に対応している。なお、Pが−180度または180度のとき、理想的には出力電圧は常にゼロとなる。
以下、Pは、−180度から180度の範囲で表現するものとし、Pを“振幅調整用パラメータ”と呼ぶ。
以上の説明では、典型的には出力電圧のうち最大の振幅を持つ周波数成分である、基本波に対する出力振幅の調整例を示した。ただし、単相フルブリッジインバータの出力は、基本波成分以外にも、基本波の高調波成分を含む。この高調波成分に対しても、同様に|P|を調整することにより、振幅の制御は可能である。
図4(a)〜図4(c)では、スイッチング信号のデューティー比が50%の場合を示したが、この場合、スイッチング信号のタイミングにばらつきが生じると、スイッチング素子1201とスイッチング素子1202が同時にON、およびスイッチング素子1203とスイッチング素子1204が同時にONする可能性がある。この場合、DC電源310の出力が短絡され、大電流が発生しうる。そこで、デューティー比を50%未満とすることで、これらのスイッチング素子が同時にONすることを、より安全に避ける方法を示す。
図5に、デューティー比を50%未満とした場合の各スイッチング信号および出力電圧の波形の例を示す。デューティー比を50%未満とすることで、スイッチング信号1201とスイッチング信号1202の間、およびスイッチング信号1203とスイッチング信号1204の間に、共にレベルがローレベルとなるデッドタイムDTを設定できる。これにより、スイッチング信号のタイミングにばらつきが生じても、スイッチング素子が同時にONすることを防止できる。このように、デッドタイムDTを設定した場合においても、デッドタイムよりも大きな時間差となる位相差Pを設定することで、図4と同様に、出力電圧の基本波成分の振幅を制御可能である。
これまで単相フルブリッジインバータ120を例に、スイッチング信号1201〜1204と出力電圧波形の関係について説明したが、単相フルブリッジインバータ220についても、単相フルブリッジインバータ120と同様にして、出力電圧の振幅を制御可能である。単相フルブリッジインバータ220に対しても、単相フルブリッジインバータ120におけるPと同様に、振幅調整用パラメータを定義でき、これをPとする。つまり、単相フルブリッジインバータ220の出力振幅は、Pを用い、|P|により制御できる。
以上から、単相フルブリッジインバータ120と220の出力振幅を、それぞれ|P|と|P|を調整することにより、独立に制御することが可能となる。これにより、送電コイルユニット130、230のインピーダンスが異なる場合でも、同一の振幅の出力電流を発生させ、よって、同一振幅の漏洩電磁界を発生させることが可能となる。
一方、上述したように、漏洩磁界を打ち消すためには、各単相フルブリッジインバータから出力される漏洩電磁界の位相を逆位相(180度)にする必要がある。つまり、各送電コイルユニットに、逆位相の電流を流す必要がある。送電コイルユニット間で、インピーダンスの位相成分の差分が無視できる程度に小さい場合は、2つの単相フルブリッジインバータを逆位相で駆動すれば(2つの単相フルブリッジインバータ間で出力電圧の位相差を180度にすれば)よい。この場合、電流の位相差も逆位相になることから、漏洩電磁界も逆位相になる。
図6に、2つの単相フルブリッジインバータ間で出力電圧の位相差を180度に調整する場合のスイッチング信号および出力電圧の波形の例を示す。
単相フルブリッジインバータ120に対する振幅調整用パラメータがP、単相フルブリッジインバータ220に対する振幅調整用パラメータがPで与えられている。図6ではP>0、P>0、P<P、とするが、任意のP、Pの組み合わせに対して、同様の波形が定義可能である。
スイッチング信号1201と1202、1203と1204、2201と2202、2203と2204は、それぞれ180度の位相差を有する。スイッチング信号1203は、スイッチング信号1201に対して180−P度の位相進み(T11)を有し、スイッチング信号2203は、スイッチング信号2201に対して180−P度の位相進み(T12)を有する。
さらに、スイッチング信号2201はスイッチング信号1201に対して180−0.5(P−P)度の位相進み(T13)を有する。図において、T17は、当該位相進み(180−0.5(P−P)度)と、180度との差分の期間を表し、その長さは、0.5×t×|P−P|/360秒である。
任意のP、Pに対して、このような位相関係に設定されたスイッチング信号を供給することで、2つの単相フルブリッジインバータの出力電圧の基本波成分を逆位相(T14)としつつ、任意の振幅を得ることができる。なお、T15は、単相フルブリッジインバータ120の出力電圧が0となる期間を表し、その長さは、t×|P|/360秒である。T16は、単相フルブリッジインバータ220の出力電圧が0となる期間を表し、その長さは、t×|P|/360秒である。
ここで、送電コイルユニット間のインピーダンスの位相成分の差が無視できない場合には、出力電圧の位相差を逆位相にしても、電流位相の差が逆位相にならないから、漏洩電磁界の位相差が逆位相にならず、漏洩磁界の低減効果が減少する。そこで、電流の位相差が逆位相になるように、単相フルブリッジインバータ間で出力電圧の位相差を適正に設定することで、漏洩電磁界の位相を逆位相にすることが望まれる。
この場合、スイッチング信号2201はスイッチング信号1201に対してPP−0.5(P−P)度の位相進みを有するように調整すればよい。他のスイッチング信号2202〜2204、1202〜1204はこれまでと同様の関係を、スイッチング信号2201およびスイッチング信号1201に対してそれぞれ維持すればよい。ここで、PPは、2つの送電コイルユニットの電流位相、すなわち2つの送電コイルユニットから発生する漏洩電磁界の位相が、逆位相となる単相フルブリッジインバータ120と単相フルブリッジインバータ220の出力電圧の位相差を表し、“電流位相調整用パラメータ”と呼ぶ。
図7に、2つの単相フルブリッジインバータ間で出力電圧の位相差をPP度に設定する場合のスイッチング信号および出力電圧の波形の例を示す。先に図6に示した例は、PP=180度にした場合に対応する。
図7において、スイッチング信号1203は、スイッチング信号1201に対して180−P度の位相進み(T21)を有し、スイッチング信号2203は、スイッチング信号2201に対して180−P度の位相進み(T22)を有する。
さらに、スイッチング信号2201はスイッチング信号1201に対して、PP−0.5(P−P)度の位相進み(T23)を有する。任意のP、Pに対して、このような位相関係に設定されたスイッチング信号を供給することで、2つの単相フルブリッジインバータの出力電圧の基本波成分の位相差を、PP度(T24)としつつ、任意の振幅を得ることができる。なお、T25は、単相フルブリッジインバータ120の出力電圧が0となる期間を表し、その長さは、t×|P|/360秒である。T26は、単相フルブリッジインバータ220の出力電圧が0となる期間を表し、その長さは、t×|P|/360秒である。T27は、上記のT23の期間と、180度の差分の期間を表し、その長さは、t×|PP−180+0.5|P−P||/360秒である。
ここで、出力電圧の位相差を180度に調整するのが有効な場合と、180度以外に調整するのが有効な場合についてより具体的に説明するとともに、180度以外に調整する場合に、具体的にどのような値に出力電圧の位相差を設定すべきかを説明する。
図8(a)に、単相フルブリッジインバータ120の出力電圧に対する出力電流の位相進みQと、単相フルブリッジインバータ220の出力電圧に対する出力電流の位相進みQが概ね同一の場合を示す。実線は電圧の基本波成分、破線は電流の基本波成分を表す。この場合、単相フルブリッジインバータ220の電圧の基本波成分の、単相フルブリッジインバータ120の電圧の基本波成分に対する位相差を、180度(T31)に調整することで電流位相差も、ほぼ180度の位相差(T32)となる。このとき、有効な漏洩電磁界の低減効果が期待される。
図8(b)に、単相フルブリッジインバータ120の出力電圧に対する出力電流の位相進みQと、単相フルブリッジインバータ220の出力電圧に対する出力電流の位相進みQが異なる場合を示す。QとQが異なる場合には、単相フルブリッジインバータ220の電圧の基本波成分の、単相フルブリッジインバータ120の電圧の基本波成分に対する位相差を、180度以外の位相差、180+Q−Q度の位相進み(T33)に設定することで、電流波形が逆位相(T34)となり、大きな漏洩電磁界の低減効果が期待できる。なお図8(b)は、Q<0、Q>0としており、位相進みQが負である波形が含まれるが、先に定義したとおりこれはQ度の位相遅れと等価である。図8(b)に示した例以外にも、任意の符号、および大きさのQ、Qに対して同様の説明が成立する。
なお、2つの単相フルブリッジインバータのうちの一方に対応するコイルを、当該単相フルブリッジインバータからの出力電流の向きに対して逆向きの電磁界が発生するように配置してもよい。この場合、単相フルブリッジインバータ間で0度の位相差の電流において、大きな打ち消し効果が得られるため、PPを0度またはその付近(すなわちQとQを考慮した値)に調整すればよい。このような配置は、例えばスパイラル形状またはソレノイダル形状のコイルの場合において、巻き線の方向を逆向きにすることで実現できる。
図9は、スイッチング信号生成器311の構成例を示す。スイッチング信号生成器311は、移相器201〜207を備える。スイッチング信号1201〜1204、2201〜2204は、これらの移相器を用いて、基準信号200から生成される。基準信号200は、各スイッチング信号と同一のデューティー比および同一の周波数を持つパルス信号である。基準信号200は、例えば位相同期回路(PLL:Phase Locked Loop)などを用いて生成することができる。スイッチング信号生成器311は、基準信号200を発生させる信号発生器を備えていてもよい。
スイッチング信号1201は、基準信号200をそのまま用いる。スイッチング信号1202は、スイッチング信号1201に対して180度の位相進みを有するので、移相器201により180度の位相進み(位相差)を基準信号に付加することで生成できる。スイッチング信号1203は、スイッチング信号1201に対して180−P度の位相進みを有するため、移相器202により、この位相進みを与えることで生成できる。スイッチング信号1204は、スイッチング信号1203に対して180度の位相進みを有するため、移相器203により180度の位相進みを、スイッチング信号1203に付加することで生成できる。
スイッチング信号2201はスイッチング信号1201に対して、(PP−0.5(P− P))度の位相進みを有するため、この位相進みを移相器204により与えることで生成できる。スイッチング信号2202はスイッチング信号2201に対して180度の位相進みを有するため、180度の位相進みを移相器205によりスイッチング信号2201に付加することで生成できる。スイッチング信号2203はスイッチング信号2201に対して180−P度の位相進みを有するため、この位相進みをスイッチング信号2201に対して移相器206で付加することで生成できる。スイッチング信号2204はスイッチング信号2203に対して180度の位相進み持つため、スイッチング信号2203に180度の位相進みを移相器207で付加することで生成できる。
ここで、R度の位相進みを付加するとは360−R度の位相遅れを付加することと同義である。このため、位相の遅れ、または位相の進みを付加する任意の構成で、各移相器は実現できる。
なお、移相器は同様の効果を与える遅延器により構成してもよい。R度の位相進みを付加する移相器は、360−R度の位相遅れと等価である。よって、R度の位相進みを付加する移相器は、周期tに対してt×(360−R)/360秒の遅延を発生させる遅延器に置き換えることができる。
また、50%のデューティーをもつ波形の場合には、180度の移相器は、ハイレベルとローレベルを反転する反転器により構成してもよい。
図10は、スイッチング信号生成器311の別の構成例を示す。スイッチング信号生成器311は、移相器211〜217を備える。スイッチング信号1201は基準信号200をそのまま用いる。スイッチング信号1202は、基準信号200に移相器211で180度の移相進みを付加することで生成する。その他のスイッチング信号1203〜1204、2201〜2204は、これらの2つのスイッチング信号1201、1202に対して、対応する位相進みの分だけ、移相器212〜217により位相進みを付加することで生成できる。すなわち、スイッチング信号1203、1204は、スイッチング信号1201、1202に対し、移相器212、213により、180度の位相進みを付加することで生成する。スイッチング信号2201、2202は、スイッチング信号1201、1202に対し、移相器214、215により、PP−0.5(P−P)度の位相進みを付加することで生成する。スイッチング信号2203、2204は、スイッチング信号1201、1202に対し、移相器216、217により、180+PP−0.5(P+P)度の位相進みを付加することで生成する。
図11は、スイッチング信号生成器311のさらに他の構成例を示す。スイッチング信号生成器311は、移相器221〜227を備える。スイッチング信号1201は基準信号200をそのまま用いる。その他のスイッチング信号1202〜1204、2201〜2204は、スイッチング信号1201に対して、対応する位相進みをそれぞれ移相器221〜227で付加することで生成する。すなわち、スイッチング信号1202は、スイッチング信号1201に対し、移相器221により、180度の位相進みを付加することで生成する。スイッチング信号1203は、スイッチング信号1201に対し、移相器222により、180−P度の位相進みを付加することで生成する。スイッチング信号1204は、スイッチング信号1201に対し、移相器223により、−P度の位相進みを付加することで生成する。スイッチング信号2201は、スイッチング信号1201に対し、移相器224により、PP−0.5(P−P)度の位相進みを付加することで生成する。スイッチング信号2202は、スイッチング信号1201に対し、移相器225により、180+PP−0.5(P−P)度の位相進みを付加することで生成する。スイッチング信号2203は、スイッチング信号1201に対し、移相器226により、180+PP−0.5(P+P)度の位相進みを付加することで生成する。スイッチング信号2204は、スイッチング信号1201に対し、移相器227により、PP−0.5(P+P)度の位相進みを付加することで生成する。
その他、所定の位相関係を満たすスイッチング信号の組み合わせが得られる限り、スイッチング信号を発生させる任意の構成を用いることが可能である。
図1に示した送電コイルユニット130、および送電コイルユニット230はそれぞれコイル1301、コイル2301によって構成されていたが、送電コイルユニット内に他の素子を備えてもよい。図12(a)および図12(b)に、送電コイルユニットの他の構成例を示す。
図12(a)では、コイル331に直列に容量素子332が接続され、これによりLCの共振子が構成される。本例では、正出力端子333に容量素子332が接続されているが、負出力端子334に容量素子が接続されてもよい。図12(b)では、正出力端子343および負出力端子344間に、コイル341と容量素子342が並列に接続され、これにより、LCの共振子が構成される。図12(a)と図12(b)の構成を組み合わせて、コイルに対し、直列および並列にそれぞれ容量素子を接続してもよい。
また、図1では、1つのDC電源310を単相フルブリッジインバータ120、220に共通に接続したが、単相フルブリッジインバータごとに、別々のDC電源を接続してもよい。
図13に、各単相ブリッジインバータに別々のDC電源を接続した構成の例を示す。単相フルブリッジインバータ120にはDC電源410が、単相フルブリッジインバータ220にはDC電源510が接続されている。この場合、単相フルブリッジインバータ120、220の出力電圧の振幅制御の一部を、DC電源410およびDC電源510の出力DC電圧の振幅調整により行い、振幅制御の残りの一部を、これまで説明した振幅調整用パラメータPおよびPによる調整により行ってもよい。例えば、DC電源410、510の出力電圧の振幅制御で、大きな変更単位(ステップ幅)で振幅の粗い調整を行い、振幅調整用パラメータP、Pによる調整で、より細かな調整を行ってもよい。
図14に、図1に示した送電装置(送電側の無線電力伝送装置)と、受電装置(受電側の無線電力伝送装置)とを備えた無線電力伝送装置を示す。受電装置は2つの受電コイルユニット610、710、整流器(AC−DC変換器)810、910、および負荷1010を備える。受電コイルユニット610、710は、それぞれ1つのコイル6101、7101を備えている。
送電コイルユニット130と受電コイルユニット610との結合、および送電コイルユニット230と受電コイルユニット710の結合を介して、無線で電力が伝送される。伝送された電力は、整流器810、910により直流に変換されて、負荷1010に供給される。負荷1010は、供給された直流電力を消費または蓄積する装置である。
受電装置の構成は、図14に示した構成に限定されるものではなく、例えば、整流器と負荷1010の間に、さらにDC−DCコンバータを備えてもよい。また、負荷1010が受電コイルユニット610、710に共通に接続されるのではなく、受電コイルユニットごとに別々の負荷が接続される構成でもよい。受電ユニットコイルは、1つのコイルを備えることに限定されず、送電コイルユニットと同様に、図12に示したような種々の変形が可能である。また、図14の構成では、2つのコイルから送信した電力を、それぞれ対応する2つのコイルで受電したが、受電側のコイルが1つまたは3つ以上で、2つのコイルから送信した電力を1つのコイル、または3つ以上のコイルで受電する構成でも構わない。
以上、本実施形態によれば、送電コイルユニットに対応配置された単相フルブリッジインバータを駆動するスイッチング信号の位相を調整することで、送電コイルユニットごとに電圧振幅および電圧位相を個別に調整する。これにより、送電コイルユニットの特性および配置等が対称でなくても、各送電コイルユニットの電流の位相差を所定の関係(逆相)にできるとともに、漏洩電磁界が互いに打ち消し合うように各送電コイルユニットの電流の振幅を制御することが可能となる。
(第2の実施形態)
図15に、第2の実施形態に係る無線力伝送装置を示す。図1に示した第1の実施形態では送電ユニットが2つであったが、本実施形態は、送電ユニットを3つに拡張したものである。図1と同一名称の要素には同一の符号を付して、変更または拡張された処理を除き、重複する説明を省略する。
送電ユニット110、210に加えて、送電ユニット1110が追加されている。送電ユニット1110は、単相フルブリッジインバータ1120、送電コイルユニット1130を持つ。単相フルブリッジインバータ1120は、4つのスイッチング素子11201、11202、11203、11204と、それぞれに逆並列に接続されたダイオード11201a、11202a、11203a、11204aとを備える。スイッチング素子11201、11202、11203、11204は、それぞれ、第1、第2、第3、第4のスイッチング素子に対応する。送電コイルユニット1130は、コイル11301を備える。単相フルブリッジインバータ1120と送電コイルユニット1130は、端子11205、11206を介して接続されている。単相フルブリッジインバータ1120の構成は、単相フルブリッジインバータ120または220と同様であるため、説明を省略する。
3つの送電ユニットを用いる場合に、有効な漏洩電磁界の低減効果を得るには、各コイルの電流位相が、360/3=120度ずつ、異なるように設定すればよい。位相関係をこのように調整し、かつ漏洩電磁界の振幅が一致するように調整した場合の、漏洩電磁界のベクトル図を図16に示す。このように、3相の場合にも大きな低減効果を得ることができる。
各送電コイルユニットの電流位相が、120度ずつ異なるようにするには、単相フルブリッジインバータ220の出力電圧の基本波成分の位相を、単相フルブリッジインバータ120に対して、120度進むように設定する。これは、第1の実施形態において、PP =120度に設定することに相当する。さらに、単相フルブリッジインバータ1120の出力電圧の基本波成分の位相を、単相フルブリッジインバータ120に対して、240度進みになるよう設定する。これは、単相フルブリッジインバータ120に対する単相フルブリッジインバータ1120の出力電圧の基本波成分の位相進みを電流位相調整用パラメータPPによって表すと、PPを240度に設定することに相当する。ここでは、単相フルブリッジインバータ120の出力電流の電圧に対する位相進みQと、単相フルブリッジインバータ220の出力電圧に対する出力電流の位相進みQ、単相フルブリッジインバータ1120の出力電圧に対する出力電流の位相進みQ3が概ね同一の場合を想定している。
図17に、このようにPP、PPを設定した場合に、スイッチング信号生成器311が、各単相フルブリッジインバータに与えるスイッチング信号の波形の例を示す。これまでと同様にして、振幅調整用パラメータをP、P、P(P、P、P>0)とすると、スイッチング信号1203は、スイッチング信号1201に対して180−P 度の位相進み(T41)を有し、スイッチング信号2203は、スイッチング信号2201に対して180−P度の位相進み(T42)を有し、スイッチング信号11203は、スイッチング信号11201に対して180−P3度の位相進み(T43)を有する。スイッチング信号2201は、スイッチング信号1201に対して、120−0.5(P−P)の位相進みを有する(T44)。P−P<0とする。また、スイッチング信号11201は、スイッチング信号1101に対して、240−0.5(P−P)の位相進みを有する(T45)。P−P<0とする。このように設定することで、単相フルブリッジインバータ220の出力電圧の基本波成分が、単相フルブリッジインバータ120の出力電圧の基本波成分に対して120度の位相進みを有し(T46)、単相フルブリッジインバータ1120の出力電圧の基本波成分が、単相フルブリッジインバータ120の出力電圧の基本波成分に対して240度の位相進みを有する(T47)。
ここでは、各単相フルブリッジインバータの出力電圧に対する出力電流の位相進みQ、Q、Q3が略同一の場合を想定したが、これらの位相進みが異なる場合は、第1の実施形態で述べたのと同様に、これらの位相進みQ、Q、Q3の相違を考慮して、電流の位相差が、120度ずつになるよう調整すればよい。例えば、単相フルブリッジインバータ220の電圧の基本波成分の、単相フルブリッジインバータ120の電圧の基本波成分に対する位相差を、120+Q−Q度に設定し、単相フルブリッジインバータ1120の電圧の基本波成分の、単相フルブリッジインバータ120の電圧の基本波成分に対する位相差を、240+Q−Q度に設定すればよい。Q<0、Q>0、Q>0であるとする。なお、ここでは1番目の単相フルブリッジインバータ120を基準にして、電圧の基本波成分に対する位相差の調整(上記位相進みの違いを考慮した調整)を行ったが、基準とする単相フルブリッジインバータは、2番目の単相フルブリッジインバータ220など、他の単相フルブリッジインバータでもよい。
図15では送電ユニットが3つの場合を示したが、本発明は、より一般的に、N(2以上の整数)個の送電ユニットを有する場合に、拡張できる。この場合、M番目とM−1番目の送電ユニットにおける単相フルブリッジインバータの出力電流の基本波成分の位相差が、360×L/N度となるように調整すればよい。Mは2以上N以下の整数であり、Lは1以上N未満の整数である。これによりN相の出力電流が得られ、N個の送電コイルユニットからN相の漏洩電磁界が発生するが、これらの漏洩電磁界が、互いに打ち消し合うことで、漏洩電磁界の低減が図れる。なお、各単相フルブリッジインバータの出力電流の電圧に対する位相進みが同一の場合は、出力電圧の基本波成分の位相差が360×L/N度となるように調整することで、出力電流の基本波成分の位相差が360×L/N度に調整される。
図18に、N(2以上の整数)個の送電ユニットを有する場合におけるスイッチング信号生成器311の構成例を示す。図18の構成は、図9に示した構成をN相の場合に拡張したものである。M番目の単相フルブリッジインバータと単相フルブリッジインバータ120の基本波成分の位相差(M番目の単相フルブリッジインバータに対する電流位相調整用パラメータ)をPPM−1と表すとする。また、M番目の単相フルブリッジインバータに対する振幅調整用パラメータをPと表す。なお、図10や図11と同様にして、N相の場合も、スイッチング信号を生成する種々の構成が可能である。以下、図9との差分を説明する。
3番目の単相フルブリッジインバータ1120(図15参照)のスイッチング素子11201に対するスイッチング信号11201は、基準信号200に対し、PP−0.5(P−P)の位相進みを移相器501により与えることで生成する。スイッチング素子11202に対するスイッチング信号11202は、スイッチング信号11201に対し、180度の位相進みを移相器502により与えることで生成する。スイッチング素子11203に対するスイッチング信号11203は、スイッチング信号11201に対し、180−P度の位相進みを移相器503により与えることで生成する。スイッチング素子11204に対するスイッチング信号11204は、スイッチング信号11203に対し、180度の位相進みを移相器504により与えることで生成する。
また、M番目の単相フルブリッジインバータの第1スイッチング素子に対するスイッチング信号M01は、基準信号200に対し、PPM−1−0.5(P−P)の位相進みを移相器511により与えることで生成する。第2スイッチング素子に対するスイッチング信号M02は、スイッチング信号M01に対し、180度の位相進みを移相器512により与えることで生成する。第3スイッチング素子に対するスイッチング信号M03は、スイッチング信号M01に対し、180−P度の位相進みを移相器513により与えることで生成する。第4スイッチング素子に対するスイッチング信号M04は、スイッチング信号M03に対し、180度の位相進みを移相器514により与えることで生成する。
以上、本実施形態によれば、送電ユニット数が3つ以上の場合にも、各単相フルブリッジインバータ間のスイッチング信号の位相関係を適切に設定することで、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第3の実施形態)
図19に、第3の実施形態に係る無線電力伝送装置を示す。
図19は、図1の構成に加え、電流振幅検出器140と電流振幅検出器240を備える。また、駆動装置312は、スイッチング信号生成器311に加え、振幅調整用パラメータを算出するパラメータ決定部313を備える。
電流振幅検出器140は、単相フルブリッジインバータ120の出力電流の振幅を検出し、検出した振幅を表す情報を駆動装置312に通知する。電流振幅検出器240は、単相フルブリッジインバータ220の出力電流の振幅を検出し、検出した振幅を表す情報を駆動装置312に通知する。
駆動装置312におけるパラメータ決定部313は、電流振幅検出器140、240から取得した情報に基づき、各出力電流の振幅の差を小さくするように、例えば当該差が0に近づくように、振幅調整用パラメータPおよびPの値を調整する。
具体的に、単相フルブリッジインバータ120の出力電流の振幅が、単相フルブリッジインバータ220の出力電流振幅よりも大きい場合には、単相フルブリッジインバータ120の出力電流を低下させるため、|P|が大きくなるようにPを変更する。または、単相フルブリッジインバータ220の出力電流を増加させるため、|P|が小さくなるようにPを変更する。これにより、電流の振幅差を小さくできる。
スイッチング信号生成器311は、パラメータ決定部313で計算されたパラメータP およびPに従って、スイッチング信号1201〜1204、2201〜2204を生成し、単相フルブリッジインバータ120、220に供給する。電流位相差調整用パラメータPPは、予め与えられた値を用いればよい。例えば、単相フルブリッジインバータ120、220のQ、Qの差異による影響を無視できる場合は、PP=180度に設定すればよい。
図19では、各単相フルブリッジインバータの出力電流を検出したが、同様に、各単相フルブリッジインバータの入力電流を検出し、入力電流の振幅が一致するよう制御してもよい。典型的な構成において、入力電流と出力電流には十分な相関があるため、この構成においても目的を達成できる。入力電流を検出する場合の電流振幅検出器140、240の構成を、図の破線によって示す。
図20に、第3の実施形態に係る無線電力伝送装置の他の例を示す。図19の電流振幅検出器140、240が、電流振幅/位相検出器141、241に置き換わっている。また、駆動装置312に、パラメータ決定部313に加えて、パラメータ決定部314が追加されている。
電流振幅/位相検出器141は、単相フルブリッジインバータ120の出力電流の振幅および位相を検出し、検出した振幅および位相を表す情報を駆動装置312に通知する。電流振幅/位相検出器240は、単相フルブリッジインバータ220の出力電流の振幅および位相を検出し、検出した振幅および位相を表す情報を駆動装置312に通知する。
パラメータ決定部313は、図19と同様に、各出力電流の振幅の差を小さくするように、振幅調整用パラメータPおよびPの値を調整する。一方、パラメータ決定部314は、検出された位相の差が180度に近づくように、電流位相差調整用パラメータPP を調整する。
スイッチング信号生成器311は、パラメータ決定部313、314で計算されたパラメータPおよびP、PPに従って、スイッチング信号1201〜1204、2201〜2204を生成して、単相フルブリッジインバータ120、220に供給する。
図19および図20において、送電コイルユニット130、230の構成が異なる場合には、その構成の違いに応じて、各単相フルブリッジインバータの出力電流振幅を調整してもよい。例えば、コイル1301とコイル2301の巻き数が異なる場合には、電流振幅が巻き数の比に応じた比率となるよう、電流振幅を調整することで、発生する電磁界の大きさを概略同一になるよう調整できる。
また、漏洩電磁界を低減したい箇所と、各送電コイルユニットの位置関係が既知の場合には、その位置関係に応じて、各電流振幅の調整を行ってもよい。例えば、当該箇所と送電コイルユニット1、2の各々との距離の比に応じた比率となるよう、各電流振幅を調整してもよい。
図19および図20では、送電ユニットが2つの場合を示したが、3以上の場合も同様にして実施可能である。
図19に示した電流振幅検出器140および電流振幅検出器240、ならびに図20に示した電流振幅/位相検出器141および電流振幅/位相検出器240は、駆動装置312外に配置されていたが、これらの要素が駆動装置312内に配置されてもよい。
図19および図20に示したパラメータ決定部313、314およびスイッチング信号生成部311の全部または一部は、プロセッサ、FPGA,ASICなどのハードウェアによって実現してもよい。プロセッサの場合は、事前にメモリやSSD等の記録媒体に格納したプログラムをプロセッサが読み出して実行することで、これらの処理部の機能が実現される。
以上、本実施形態によれば、各単相フルブリッジインバータの出力電流の振幅を検出して、各出力電流の振幅の差を小さくするように、各単相フルブリッジインバータのスイッチング信号を制御することで、漏洩電磁界を低減できる。また、各単相フルブリッジインバータの出力電流の振幅および位相を検出して、各出力電流の振幅の差を小さくし、かつ電流の位相差が180度になるようにスイッチング信号の位相を制御することで、送電コイルユニットごとのインピーダンス特性が異なる場合であっても、漏洩電磁界を低減できる。
(第4の実施形態)
図21に、第4の実施形態に係る無線電力伝送装置の例を示す。図21の装置は、漏洩電磁界を検出し、検出した漏洩磁界の大きさに応じて、振幅調整用パラメータおよび電流位相調整用パラメータを調整する。図21の装置は、図1の構成に加え、漏洩電磁界検出器316を備える。また駆動装置312は、スイッチング信号生成器311の他に、パラメータ決定部315を備える。
漏洩電磁界検出器316は、所定の箇所の電磁界を、無線電力伝送装置の漏洩電磁界として検出し、検出した漏洩電磁界の大きさを表す情報を駆動装置312に通知する。電磁界を検出する箇所は、無線電力伝送装置内でもよいし、無線電力伝送装置外でもよい。後者の場合、漏洩電磁界検出器316は、無線電力伝送装置から分離された形態で配置されてもよい。このとき、漏洩電磁界検出器316から無線電力伝送装置の双方に無線IFまたは有線IFを搭載し、漏洩電磁界検出器316から無線電力伝送装置へ無線または有線により、検出した電磁界の大きさを表す情報を通知してもよい。ここでは、漏洩電磁界検出器315は、電磁界を検出したが、代わりに、磁界、電界、または、これらの双方を検出してもよい。磁界または電界の検出でも、漏洩電磁界の大きさを把握可能であるためである。
パラメータ決定部315は、漏洩電磁界検出器315から取得した情報に基づき、漏洩電磁界が小さくなるように、パラメータP、P、PPを調整する。変更する方法として、例えばP、P、PPのいずれかのパラメータを、所定の量だけ増加(あるいは減少)させ、その前後における漏洩電磁界の大きさを比較する。漏洩電磁界が減少した場合には、当該パラメータをさらに所定の量だけ増加(あるいは減少)し、漏洩電磁界が増加した場合には、当該パラメータを所定の量だけ減少(あるいは増加)させる。これを繰り返すことで、漏洩電磁界が極力小さくなるよう各パラメータを調整できる。または、閾値を設け、漏洩電磁界の大きさが閾値以下となるまで、パラメータ調整を繰り返し行ってもよい。
ここで、パラメータ決定部315は、PPを暫定的に0に設定、すなわち各送電コイルユニットから発生する漏洩電磁界が同相となるように設定し、検出された漏洩電磁界の大きさが閾値以下の場合には、PPを0に決定してもよい。閾値は、許容できる漏洩電磁界の大きさの上限を表す。漏洩電磁界が同相となるように送電を行う場合、逆位相となるよう送電する場合に比べ、2つの送電コイルユニットから発生する電磁界が互いに強め合うよう干渉する。このため、小さな電流で大きな電力を送る効果が期待できる。
図22に、第4の実施形態に係る無線電力伝送装置の他の例を示す。図21の漏洩電磁界検出器316が、漏洩電磁界検出器317、318に置き換わっている。図21では、漏洩電磁界を低減したい箇所に漏洩電磁界検出器316を配置したが、図22では、漏洩電磁界検出器317、318を、任意の異なる箇所に配置する。
漏洩電磁界検出器317、318は、それぞれ配置された箇所の漏洩電磁界を検出し、検出した漏洩電磁界の大きさを表す情報を駆動装置312に通知する。図19と同様、漏洩電磁界検出器317、318は無線電力伝送装置の内部に配置されても、無線電力伝送装置の外側に配置されてもよい。
駆動装置312におけるパラメータ決定部319は、漏洩電磁界検出器317、318から取得した情報に基づき、各漏洩電磁界の大きさの比が、所定の値となる、または所定の値に近づくように、パラメータP、P、PPを調整する。所定の値は、漏洩電磁界を低減したい箇所と、漏洩電磁界検出器317、318の箇所との位置関係に基づき定める。
例えば、漏洩電磁界検出器317、318が、それぞれ送電コイルユニット130と送電コイルユニット230の直近に配置される場合、この2つの検出器の出力の比が1となるようパラメータを調整する。これにより、2つの送電コイルユニットが発する電磁界の量が概略等しくなる。このとき、2つの送電コイルユニットから等距離にある点、およびコイルサイズに比べて十分遠方の点においては、漏洩電磁界が相殺され、大きな低減効果が期待できる。
図21および図22では、送電コイルユニットが2つの場合を示したが、3以上の場合も同様にして実施可能である。
図21および図22に示したパラメータ決定部315、319およびスイッチング信号生成部311の全部または一部は、プロセッサ、FPGA,ASICなどのハードウェアによって実現してもよい。プロセッサの場合は、事前にメモリやSSD等の記録媒体に格納したプログラムをプロセッサが読み出して実行することで、これらの処理部の機能が実現される。
以上、本実施形態によれば、所定の箇所の漏洩電磁界を検出し、検出した漏洩電磁界の大きさを小さくするように、振幅調整用パラメータP、Pおよび電流位相差調整用パラメータ、PPを調整することにより、所定の箇所の漏洩電磁界を低減できる。また、複数箇所の漏洩電磁界を検出し、検出した漏洩電磁界の大きさの比率が所定の値になるように、振幅調整用パラメータP、Pおよび電流位相差調整用パラメータPPを調整することにより、所望の箇所の漏洩電磁界を低減できる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
110、210、1110:送電ユニット
120、220、1120:単相フルブリッジインバータ
130、230:送電コイルユニット
140、240:電流振幅検出器
141、241:電流振幅/移相検出器
201〜207、211〜217、221〜227、501〜504、511〜514:移相器
310、410、510:DC電源
311:スイッチング信号生成器
312:駆動装置
313、314、315、319:パラメータ決定部
316、317、318:漏洩電磁界検出器
331、341、1301、2301、6101、7101:コイル
332、342:容量素子
333、334、343、344:端子
610、710:受電コイルユニット
810、910:整流器
1201〜1204、2201〜2204、11201〜11204:スイッチング素子1201a〜1204a、2201a〜2204a、11201a〜11204a:ダイオード

Claims (14)

  1. 一端同士が接続された第1スイッチング素子と第2スイッチング素子と、一端同士が接続された第3スイッチング素子と第4スイッチング素子とを含み、前記第1および第2スイッチング素子の接続ノードが、対応する送電コイルユニットの一端に接続され、前記第3および第4スイッチング素子の接続ノードが、前記対応する送電コイルユニットの他端に接続され、前記第1および第3スイッチング素子の他端に供給される第1電源電圧と、前記第2および第4スイッチング素子の他端に供給される第2電源電圧に基づき、前記第1〜第4スイッチング素子を駆動して交流電力を生成し、それぞれ前記対応する前記送電コイルユニットに出力するN(Nは2以上の整数)個のインバータを駆動する駆動装置であって、
    前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子を相補的に駆動し、前記第3スイッチング素子と前記第4スイッチング素子を相補的に駆動し、M(Mは2以上N以下の整数)番目とM−1番目のインバータの出力電流の位相差が、360×L/N度(Lは1以上、N未満の整数)になる、またはこの値に近接するように、各インバータの前記第1〜第4スイッチング素子を駆動するスイッチング信号を生成し、前記スイッチング信号を各インバータの前記第1〜第4スイッチング素子に供給する、スイッチング信号生成器
    を備え、
    M−1番目のインバータにおける前記第1スイッチング素子のスイッチング信号と、前記M−1番目のインバータにおける前記第3スイッチング素子のスイッチング信号との位相差は、180−PM−1度であり、
    M番目のインバータにおける前記第1スイッチング素子のスイッチング信号と、前記M番目のインバータにおける前記第3スイッチング素子のスイッチング信号との位相差は、180−P度であり、
    M番目のインバータにおける前記第1スイッチング素子のスイッチング信号と、M−1番目のインバータにおける前記第1スイッチング素子のスイッチング信号との位相差は、PPM−1−0.5(PM−1−P)度であり、前記PPM−1は、前記M−1番目のインバータと前記M番目のインバータの出力電圧の位相差を表し、
    前記M番目とM−1番目のインバータの出力電流の位相差が前記360×L/N度になる、または360×L/N度に近づくように、前記PPM−1を調整する
    駆動装置。
  2. 前記スイッチング信号は、それぞれ同一のデューティー比および同一の周波数を有するパルス信号である
    請求項1に記載の駆動装置。
  3. 前記PPM−1は、前記M番目のインバータの出力電圧に対する出力電流の位相進みと、前記N個のインバータのうち基準となるインバータの出力電圧に対する出力電流の位相進みとに応じて、前記360×L/N度を調整した値を有する
    請求項1または2に記載の駆動装置。
  4. 各インバータの出力電流、または入力電流の大きさを検出する検出器から、前記各インバータの出力電流、または入力電流の大きさ表す情報を取得し、各インバータ間で前記出力電流または前記入力電流の大きさの差を小さくするように、P〜Pを調整するパラメータ決定部
    をさらに備えた請求項1ないし3のいずれか一項に記載の駆動装置。
  5. 各インバータの出力電流の位相を検出する検出器から、前記各インバータの出力電流の位相を表す情報を取得し、前記検出器から取得した情報に基づき、M番目のインバータの出力電流とM−1番目のインバータの出力電流の位相差が、前記360×L/N度になる、または360×L/N度に近づくように、PP〜PPN−1を調整するパラメータ決定部
    をさらに備えた請求項1ないし4のいずれか一項に記載の駆動装置。
  6. 各送電コイルユニットから離れた箇所の電界、磁界または電磁界を検出する検出器から、前記箇所の電界、磁界または電磁界の大きさを表す情報を取得し、取得した情報に基づいて、前記PPM−1、前記PM−1、前記Pの少なくともいずれかを調整するパラメータ決定部
    をさらに備えた請求項1ないし5のいずれか一項に記載の駆動装置。
  7. 各送電コイルユニットから離れた異なる箇所の電界、磁界または電磁界を検出する複数の検出器から、前記箇所の電界、磁界または電磁界の大きさを表す情報を取得し、取得した情報の関係に基づいて、前記PPM−1、前記PM−1、前記Pの少なくともいずれかを調整するパラメータ決定部
    をさらに備えた請求項1ないし5のいずれか一項に記載の駆動装置。
  8. 各送電コイルユニットから離れた箇所の電界、磁界または電磁界を検出する検出器から、前記箇所の電界、磁界または電磁界の大きさを表す情報を取得し、前記PPM−1を暫定的に0にしたときに前記検出器から取得される前記情報の値が閾値以下である場合は、前記PPM−1を0に決定するパラメータ決定部
    をさらに備えた請求項1ないし5のいずれか一項に記載の駆動装置。
  9. 前記第1電源電圧および前記第2電源電圧は、同一のDC電源から前記N個のインバータに共通に供給される
    請求項1ないし8のいずれか一項に記載の駆動装置。
  10. 前記Lの値は、1である
    請求項1ないし9のいずれか一項に記載の駆動装置。
  11. 前記Nの値は、2および3のいずれか一方である
    請求項1ないし10のいずれか一項に記載の駆動装置。
  12. 請求項1ないし11のいずれか一項に記載の駆動装置と、
    前記N個のインバータと、
    前記N個のインバータから前記交流電力の供給を受けるN個の前記送電コイルユニットと
    を備えた無線電力伝送装置。
  13. 一端同士が接続された第1スイッチング素子と第2スイッチング素子と、一端同士が接続された第3スイッチング素子と第4スイッチング素子とを含み、前記第1および第2スイッチング素子の接続ノードが、対応する送電コイルユニットの一端に接続され、前記第3および第4スイッチング素子の接続ノードが、前記対応する送電コイルユニットの他端に接続され、前記第1および第3スイッチング素子の他端に供給される第1電源電圧と、前記第2および第4スイッチング素子の他端に供給される第2電源電圧に基づき、前記第1〜第4スイッチング素子を駆動して交流電力を生成し、それぞれ前記対応する前記送電コイルユニットに出力するN(Nは2以上の整数)個のインバータを駆動する駆動方法であって、
    前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子を相補的に駆動し、前記第3スイッチング素子と前記第4スイッチング素子を相補的に駆動し、M(Mは2以上N以下の整数)番目とM−1番目のインバータの出力電流の位相差が、360×L/N度(Lは1以上N未満の整数)になる、またはこの値に近接するように、各インバータの前記第1〜第4スイッチング素子を駆動するスイッチング信号を、同一のデューティー比および同一の周波数を有するパルス信号として生成するステップと、
    生成したスイッチング信号を各インバータの前記第1〜第4スイッチング素子に供給するステップと
    を備え、
    M−1番目のインバータにおける前記第1スイッチング素子のスイッチング信号と、前記M−1番目のインバータにおける前記第3スイッチング素子のスイッチング信号との位相差は、180−PM−1度であり、
    M番目のインバータにおける前記第1スイッチング素子のスイッチング信号と、前記M番目のインバータにおける前記第3スイッチング素子のスイッチング信号との位相差は、180−P度であり、
    M番目のインバータにおける前記第1スイッチング素子のスイッチング信号と、M−1番目のインバータにおける前記第1スイッチング素子のスイッチング信号との位相差は、PPM−1−0.5(PM−1−P)度であり、前記PPM−1は、前記M−1番目のインバータと前記M番目のインバータの出力電圧の位相差を表し、
    前記M番目とM−1番目のインバータの出力電流の位相差が前記360×L/N度になる、または360×L/N度に近づくように、前記PPM−1を調整する
    駆動方法。
  14. 前記Pは、すべてのMの値に対して同一でない
    請求項1に記載の駆動装置。
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