JP6350699B1

JP6350699B1 - 非接触給電装置

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Publication number: JP6350699B1
Application number: JP2017039682A
Authority: JP
Inventors: 悟朗中尾; 俊行財津
Original assignee: Omron Corp
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Filing date: 2017-03-02
Publication date: 2018-07-04
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Abstract

【課題】送信コイルと受信コイル間の結合度が動的に変化しても、エネルギー伝送効率の低下を抑制できる非接触給電装置を提供する。【解決手段】非接触給電装置の送電装置２は、受電装置３へ電力を供給する送信コイル１３と、送信コイル１３に対して交流電力を供給する電力供給回路１０とを有する。一方、非接触給電装置の受電装置３は、送電装置２からの電力を受信する受信コイル２１と、受信コイル２１と並列に接続され、静電容量を調節可能な可変容量回路２２とを有し、受信コイル２１のインダクタンスと可変容量回路２２の静電容量とに応じた周波数で共振する共振回路２０と、共振回路２０からの出力電圧を検出する電圧検出回路２５と、その出力電圧に応じて、可変容量回路２２の静電容量を制御する制御回路２６とを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、非接触給電装置に関する。

従来より、金属の接点などを介さずに、空間を通じて電力を伝送する、いわゆる非接触給電（ワイヤレス給電とも呼ばれる）技術が研究されている。

非接触給電技術の一つとして、電磁誘導により給電する方式が知られている。電磁誘導により給電する方式では、一次直列二次（受電側）並列コンデンサ方式（以下、ＳＰ方式と呼ぶ）が利用される（例えば、非特許文献１を参照）。ＳＰ方式では、一次側（送電側）に、トランスの一部として動作する送信コイルと直列にコンデンサが接続され、二次側（受電側）に、トランスの他の一部として動作する受信コイルと並列にコンデンサが接続される。

ＳＰ方式では、受電側の受信コイル及びコンデンサにより構成される共振回路が並列共振するために、共振回路からの出力は定電流出力となる。そのため、受電側で定電圧出力となる、一次直列二次直列コンデンサ方式（以下、ＳＳ方式と呼ぶ、例えば、特許文献１を参照）と比較して、ＳＰ方式の方が一般的に制御が難しい。これは、一般的な電子機器は定電圧で制御されるためである。また、送電側の直列共振を電力伝達に利用すると、送電側の送信コイルと受電側の受信コイル間の結合度が非常に低い状態（例えば、結合度k<0.2）では、給電の際に送電側の共振電流が増大してしまい、エネルギー伝送効率が低下してしまう。そのため、結合度が高い状態を維持できない用途においては、送電側の直列共振を電力伝達に利用しない方が好ましい。また、送電側の直列共振を利用しない場合、受電側は並列共振とする方が大きな電力を伝達することができる。したがって、結合度が非常に低い場合においては、非接触給電装置において、受電側の共振回路が主として電力伝達を担う回路構成となることが好ましい。すなわち、ＳＳ方式よりもＳＰ方式にしたがった回路構成となる方が、電力伝達効率を高くすることが可能となる。

一方、ＳＰ方式において、送電側及び受電側の共振回路のコンデンサの容量を適切な値とすることで、受電側の出力電圧を定電圧にする技術が提案されている（例えば、非特許文献２を参照）。

特開２０１６−１４６６８９号公報

遠井他、「非接触給電の最大効率の結合係数ｋとコイルのＱによる表現」、電気学会研究会資料. SPC、半導体電力変換研究会、2011年藤田他、「直列及び並列共振コンデンサを用いた非接触給電システム」、電気学会論文誌Ｄ（産業応用部門誌）、Vol. 127、 No. 2、 pp.174-180、2007年

しかしながら、非特許文献２に開示された技術でも、出力電圧が定電圧となるための共振回路のコンデンサの容量は結合度に依存するので、結合度が動的に変化する環境で非接触給電装置が使用される場合には、この技術を適用することは困難である。一方、特許文献１に開示された技術では、結合度の変化に応じて、送電コイルに供給される交流電力の周波数が変更されるため、ある程度の結合度の変更に対応できるものの、特許文献１に開示された技術はＳＳ方式を採用するため、上記のように、結合度が非常に低い場合、電力伝達効率が低下してしまう。

そこで、本発明は、送信コイルと受信コイル間の結合度が動的に変化しても、エネルギー伝送効率の低下を抑制できる非接触給電装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの形態として、送電装置と、送電装置から非接触で電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置が提供される。この非接触給電装置において、送電装置は、受電装置へ電力を供給する送信コイルと、送信コイルに対して交流電力を供給する電力供給回路とを有し、受電装置は、送電装置からの電力を受信する受信コイルと、受信コイルと並列に接続され、静電容量を調節可能な可変容量回路とを有し、受信コイルのインダクタンスと可変容量回路の静電容量とに応じた周波数で共振する共振回路と、共振回路からの出力電圧を検出する電圧検出回路と、その出力電圧に応じて、可変容量回路の静電容量を制御する制御回路とを有する。

この非接触給電装置において、制御回路は、共振回路からの出力電圧が高くなるほど可変容量回路の静電容量を低下させることが好ましい。

またこの非接触給電装置において、可変容量回路は、複数のコイルと、その複数のコイルのうちの何れかと直列に接続される少なくとも一つのスイッチング素子とを有し、複数のコイルのそれぞれは受信コイルと並列に接続され、制御回路は、共振回路からの出力電圧に応じてその少なくとも一つのスイッチング素子のオンとオフとを切り替えることが好ましい。

本発明に係る非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の結合度が動的に変化しても、エネルギー伝送効率の低下を抑制できるという効果を奏する。

（ａ）は、ＳＰ方式において、送電側の共振回路の共振周波数よりも受電側の共振回路の共振周波数が大きいときの、受電側の共振回路の出力電圧の周波数特性の一例を示す図である。（ｂ）は、ＳＰ方式において、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが略等しいときの、受電側の共振回路の出力電圧の周波数特性の一例を示す図である。（ａ）は、送電側及び受電側の共振回路を図１（ａ）と同じ共振回路としたときの、送信コイルに流れる電流の周波数特性を表す。（ｂ）は、送電側及び受電側の共振回路を図１（ｂ）と同じ共振回路としたときの、送信コイルに流れる電流の周波数特性を表す。（ａ）は、本発明の一つの実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図であり、（ｂ）は可変容量回路の回路図である。（ａ）は、second resonance方式による、共振回路からの出力電圧の周波数特性の一例を示す図である。（ｂ）は、共振回路の共振周波数をf_r2からf_r2'に変化させたときの共振回路からの出力電圧の周波数特性の一例を示す図である。受電装置の電圧検出回路及び制御回路の一例を示す図である。変形例による、受電装置の回路ブロック図である。（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、変形例による、電力供給回路の回路図である。

以下、本発明の一つの実施形態による非接触給電装置を、図を参照しつつ説明する。この非接触給電装置は、共振回路を有さず、交流電力を送信コイルに直接供給する送電装置から、並列共振する共振回路を有する受電装置へ給電する。ここで、発明者は、ＳＰ方式において、送電装置の共振回路の共振周波数と受電装置の共振回路の共振周波数とを近づけると、給電可能な最大電力は増加するものの、特に結合度が低い場合において、送電装置の共振回路に含まれる送信コイルに流れる電流も増大し、エネルギー伝送効率が必ずしも向上しないことに着目した。

図１（ａ）は、ＳＰ方式において、送電側の共振回路の共振周波数よりも受電側の共振回路の共振周波数が大きいときの、受電側の共振回路の出力電圧の周波数特性の一例を示す図である。また図１（ｂ）は、ＳＰ方式において、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが略等しいときの、受電側の共振回路の出力電圧の周波数特性の一例を示す図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）において、横軸は周波数を表し、縦軸は電圧を表す。そして図１（ａ）に示されるグラフ１０１は、送電側の共振回路の共振周波数よりも受電側の共振回路の共振周波数が大きいときの、受電側の共振回路の出力電圧の周波数特性を表す。また、図１（ｂ）に示されるグラフ１０２は、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが略等しいときの、受電側の共振回路の出力電圧の周波数特性を表す。グラフ１０１に示されるように、送電側の共振回路の共振周波数よりも受電側の共振回路の共振周波数が大きい場合、送電側の共振回路の共振周波数f1、または、受電側の共振回路の共振周波数f2において、出力電圧がピークとなる。一方、グラフ１０２に示されるように、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが略等しい場合には、送電側と受電側とで共通する共振周波数f3において出力電圧がピークとなる。そしてそのピーク電圧は、送電側の共振回路の共振周波数よりも受電側の共振回路の共振周波数が大きい場合における、何れの電圧のピークよりも高くなる。

図２（ａ）は、送電側及び受電側の共振回路を図１（ａ）と同じ共振回路としたときの、送電側の共振回路の送信コイルに流れる電流の周波数特性を表す。また図２（ｂ）は、送電側及び受電側の共振回路を図１（ｂ）と同じ共振回路としたときの、送電側の共振回路の送信コイルに流れる電流の周波数特性を表す。図２（ａ）及び図２（ｂ）において、横軸は周波数を表し、縦軸は電流を表す。そして図２（ａ）に示されるグラフ２０１は、図１（ａ）に示される受電側の共振回路の出力電圧の周波数特性に対応する、送信コイルに流れる電流の周波数特性を表す。また、図２（ｂ）に示されるグラフ２０２は、図１（ｂ）に示される受電側の共振回路の出力電圧の周波数特性に対応する、送信コイルに流れる電流の周波数特性を表す。グラフ２０１及びグラフ２０２に示されように、受電側の共振回路の出力電圧が同じでも、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが略等しい場合の方が、送信コイルに流れる電流は大きくなる。例えば、グラフ１０１及びグラフ１０２に示されるように、送電側の共振回路の共振周波数よりも受電側の共振回路の共振周波数が大きい場合における、受電側の共振周波数f2での出力電圧と、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが略等しい場合における、周波数f4での出力電圧とが略等しくなる。これに対して、グラフ２０１及びグラフ２０２に示されるように、送電側の共振回路の共振周波数よりも受電側の共振回路の共振周波数が大きい場合における、共振周波数f2での送信コイルに流れる電流値I1よりも、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが略等しい場合における、周波数f4での送信コイルに流れる電流値I2の方が大きい。このことから、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とを等しくするよりも、送電側の共振回路の共振周波数間の受電側の共振回路の共振周波数の差を大きくして、送電側の共振回路が共振しないような周波数を持つ交流電力を用いた方が、エネルギー伝送効率が高くなることが分かる。これは、送電側の共振回路の共振周波数と受電側の共振回路の共振周波数とが等しい場合、送信コイルと受信コイル間の結合度が低くなるほど、送信コイルと受信コイル間の相互インダクタンスが小さくなり、その結果として、負荷とは無関係に送信コイルに流れる電流が増加するためである。

そこでこの非接触給電装置では、送電側に共振回路を設けず、受電側において受電コイルと並列に接続され、受電コイルとともに共振回路を構成する可変容量回路の静電容量を、受電側の共振回路の出力電圧に応じて制御することで、送信コイルに流れる電流を抑制するとともに、共振回路に流れる循環電流を抑制する。これにより、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の結合度が動的に変化しても、エネルギー伝送効率が低下することを抑制する。

なお、本明細書で開示されるように、１次側（送信側）にて共振回路を利用せず、２次側（受電側）に、送信コイルを短絡した際の受信コイルのインダクタンスと、受信コイルに並列に接続される容量素子の静電容量とに応じた共振周波数を持つ共振回路を設ける非接触給電方式を、以下では、２次側共振（second resonance）方式と呼ぶ。なお、１次側にて、送信コイルと直列または並列に接続される容量素子が存在する場合でも、その容量素子と送信コイルによる共振周波数が、送信コイルに供給される交流電力にて１次側が共振しない程度に２次側の共振周波数よりも低い場合の非接触給電方式も、second resonance方式に含まれるものとする。また、second resonance方式において、送信コイルを短絡した際の受信コイルのインダクタンスと、受信コイルに並列に接続される容量素子の静電容量とに応じた共振周波数をsecond resonance周波数と呼ぶ。

図３（ａ）は、本発明の一つの実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。また図３（ｂ）は、可変容量回路の回路図である。図３（ａ）に示されるように、非接触給電装置１は、送電装置２と、送電装置２から空間を介して給電される受電装置３とを有する。送電装置２は、電力供給回路１０と、送信コイル１３と、ゲートドライバ１４と、制御回路１５とを有する。一方、受電装置３は、受信コイル２１及び可変容量回路２２を有する共振回路２０と、整流平滑回路２３と、負荷回路２４と、電圧検出回路２５と、制御回路２６とを有する。

先ず、送電装置２について説明する。
電力供給回路１０は、所定のスイッチング周波数を持つ交流電力を送信コイル１３へ供給する。そのために、電力供給回路１０は、直流電源１１と、４個のスイッチング素子１２−１〜１２−４とを有する。

直流電源１１は、所定の電圧を持つ直流電力を供給する。そのために、直流電源１１は、例えば、バッテリを有していてもよい。あるいは、直流電源１１は、商用の交流電源と接続され、その交流電源から供給された交流電力を直流電力に変換するための全波整流回路及び平滑コンデンサを有していてもよい。

４個のスイッチング素子１２−１〜１２−４は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。そして４個のスイッチング素子１２−１〜１２−４のうち、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−２は、直流電源１１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される。また本実施形態では、直流電源１１の正極側に、スイッチング素子１２−１が接続され、一方、直流電源１１の負極側に、スイッチング素子１２−２が接続される。そしてスイッチング素子１２−１のドレイン端子は、直流電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１２−１のソース端子は、スイッチング素子１２−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１２−２のソース端子は、直流電源１１の負極側端子と接続される。さらに、スイッチング素子１２−１のソース端子、及び、スイッチング素子１２−２のドレイン端子は、送信コイル１３の一端に接続され、スイッチング素子１２−２のソース端子は、スイッチング素子１２−４を介して送信コイル１３の他端に接続される。

同様に、４個のスイッチング素子１２−１〜１２−４のうち、スイッチング素子１２−３とスイッチング素子１２−４は、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−２と並列に、かつ、直流電源１１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される。また、直流電源１１の正極側に、スイッチング素子１２−３が接続され、一方、直流電源１１の負極側に、スイッチング素子１２−４が接続される。そしてスイッチング素子１２−３のドレイン端子は、直流電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１２−３のソース端子は、スイッチング素子１２−４のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１２−４のソース端子は、直流電源１１の負極側端子と接続される。さらに、スイッチング素子１２−３のソース端子、及び、スイッチング素子１２−４のドレイン端子は、送信コイル１３の他端に接続される。

また、各スイッチング素子１２−１〜１２−４のゲート端子は、ゲートドライバ１４を介して制御回路１５と接続される。さらに、各スイッチング素子１２−１〜１２−４のゲート端子は、オンとなる電圧が印加されたときにそのスイッチング素子がオンとなることを保証するために、それぞれ、抵抗を介して自素子のソース端子と接続されてもよい。そして各スイッチング素子１２−１〜１２−４は、制御回路１５からの制御信号にしたがって、所定のスイッチング周波数にてオン／オフが切り替えられる。本実施形態では、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−４とがオンとなっている間、スイッチング素子１２−２とスイッチング素子１２−３とがオフとなり、逆に、スイッチング素子１２−２とスイッチング素子１２−３とがオンとなっている間、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−４とがオフとなるように、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−４の組と、スイッチング素子１２−２とスイッチング素子１２−３との組について交互にオン／オフが切り替えられる。これにより、直流電源１１から供給された直流電力は、各スイッチング素子のスイッチング周波数を持つ交流電力に変換されて、送信コイル１３に供給される。

そして送信コイル１３は、電力供給回路１０から供給された交流電力を、空間を介して受電装置３の共振回路２０へ伝送する。

ゲートドライバ１４は、制御回路１５から、各スイッチング素子１２−１〜１２−４のオン／オフを切り替える制御信号を受信し、その制御信号に応じて、各スイッチング素子１２−１〜１２−４のゲート端子に印加する電圧を変化させる。すなわち、ゲートドライバ１４は、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４をオンにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子１２−１のゲート端子及びスイッチング素子１２−４のゲート端子に、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４がオンとなる相対的に高い電圧を印加する。これにより、直流電源１１からの電流が、スイッチング素子１２−１、送信コイル１３及びスイッチング素子１２−４を介して流れるようになる。一方、ゲートドライバ１４は、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４をオフにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子１２−１のゲート端子及びスイッチング素子１２−４のゲート端子に、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４がオフとなり、直流電源１１からの電流がスイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４を流れなくなる、相対的に低い電圧を印加する。ゲートドライバ１４は、スイッチング素子１２−２及びスイッチング素子１２−３についても同様に、ゲート端子に印加する電圧を制御する。したがって、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４がオフとなり、スイッチング素子１２−２及びスイッチング素子１２−３がオンとなると、直流電源１１からの電流が、スイッチング素子１２−３、送信コイル１３及びスイッチング素子１２−２を介して流れるようになる。

制御回路１５は、例えば、不揮発性のメモリ回路及び揮発性のメモリ回路と、演算回路と、他の回路と接続するためのインターフェース回路とを有する。そして制御回路１５は、電力供給回路１０が送信コイル１３に交流電力を供給できるよう、電力供給回路１０の各スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する。

本実施形態では、制御回路１５は、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４の組とスイッチング素子１２−２及びスイッチング素子１２−３の組とが交互にオンとなり、かつ、スイッチング周波数に対応する１周期内でスイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４の組がオンとなっている期間とスイッチング素子１２−２及びスイッチング素子１２−３の組がオンとなっている期間とが等しくなるように、各スイッチング素子１２−１〜１２−４を制御する。なお、制御回路１５は、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４の組とスイッチング素子１２−２及びスイッチング素子１２−３の組が同時にオンとなり、直流電源１１が短絡されることを防止するために、スイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−４の組とスイッチング素子１２−２及びスイッチング素子１２−３の組のオン／オフを切り替える際に、両方のスイッチング素子の組がオフとなるデッドタイムを設けてもよい。

次に、受電装置３について説明する。
共振回路２０は、互いに並列に接続される受信コイル２１と可変容量回路２２とからなるＬＣ共振回路である。そして共振回路２０が有する受信コイル２１の一端が可変容量回路２２の一端に接続されるとともに、整流平滑回路２３の一方の入力端子に接続される。また、受信コイル２１の他端が可変容量回路２２の他端に接続されるとともに、整流平滑回路２３の他方の入力端子に接続される。

受信コイル２１は、送電装置２の送信コイル１３に流れる交流電流と共振することで、送信コイル１３から電力を受信する。そして受信コイル２１は、可変容量回路２２を介して受信した電力を整流平滑回路２３へ出力する。なお、受信コイル２１の巻き数と、送電装置２の送信コイル１３の巻き数は同一でもよく、あるいは、異なっていてもよい。また、共振回路２０の受信コイル２１のインダクタンス及び可変容量回路２２の静電容量が取り得る範囲は、想定される結合度（例えば、k=0.1〜0.5）において共振周波数(second resonance 周波数)f_r2=100kHzとなるように設定されればよい。

可変容量回路２２は、静電容量を調節可能な回路であり、その一端で受信コイル２１の一端及び整流平滑回路２３の一方の入力端子と接続され、他端で受信コイル２１の他端及び整流平滑回路２３の他方の入力端子と接続される。すなわち、可変容量回路２２は、受信コイル２１と並列に接続される。そして可変容量回路２２は、受信コイル２１とともに共振して、受信コイル２１にて受信した電力を、整流平滑回路２３へ出力する。

本実施形態では、可変容量回路２２は、受信コイル２１とそれぞれ並列に接続される、３個のコンデンサ２２１〜２２３と、３個のスイッチング素子２２４〜２２６とを有する。そしてコンデンサ２２１とスイッチング素子２２４とは直列に接続される。同様に、コンデンサ２２２とスイッチング素子２２５とが直列に接続され、コンデンサ２２３とスイッチング素子２２６とが直列に接続される。なお、可変容量回路２２が有する、受信コイル２１と並列に接続されるコンデンサの数は３個に限られない。可変容量回路２２が有する、受信コイル２１と並列に接続されるコンデンサの数は複数であればよく、例えば、２個あるいは４個以上であってもよい。

スイッチング素子２２４〜２２６は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。そしてスイッチング素子２２４のドレイン端子は、コンデンサ２２１を介して受信コイル２１の一端と接続され、スイッチング素子２２４のソース端子は、受信コイル２１の他端と接続される。同様に、スイッチング素子２２５のドレイン端子は、コンデンサ２２２を介して受信コイル２１の一端と接続され、スイッチング素子２２５のソース端子は、受信コイル２１の他端と接続され、スイッチング素子２２６のドレイン端子は、コンデンサ２２３を介して受信コイル２１の一端と接続され、スイッチング素子２２６のソース端子は、受信コイル２１の他端と接続される。また、各スイッチング素子２２４〜２２６のゲート端子は、制御回路２６と接続される。

スイッチング素子２２４〜２２６は、それぞれ、制御回路２６により、オン／オフが切り替えられる。そしてコンデンサ２２１〜２２３のうち、オンとなったスイッチング素子と直列に接続されるコンデンサが共振回路２０の共振に寄与する。すなわち、共振回路２０の共振周波数(second resonance 周波数)f_r2は、次式で表される。

ここで、C_pvは、可変容量回路２２の静電容量である。またC_i(i=1,2,3)は、コンデンサ２２１〜２２３の静電容量である。さらに、s_i(i=1,2,3)は、スイッチング素子２２４〜２２６がオンかオフかを表す係数である。スイッチング素子２２４がオンのときにs₁=1となり、オフのときにs₁=0となる。同様に、スイッチング素子２２５がオンのときにs₂=1となり、オフのときにs₂=0となる。また、スイッチング素子２２６がオンのときにs₃=1となり、オフのときにs₃=0となる。すなわち、C_pvは、コンデンサ２２１〜２２３のうち、オンとなったスイッチング素子と直列に接続されるコンデンサの静電容量の和となる。なお、コンデンサ２２１〜２２３の容量は同一であってもよく、あるいは、互いに異なっていてもよい。L₂は、受信コイル２１のインダクタンスである。L_r2は、送信コイル１３を短絡した際の受信コイル２１のインダクタンスであり、kは送信コイル１３と受信コイル２１の結合度である。

（１）式から明らかなように、コンデンサ２２１〜２２３のうち、共振回路２０の共振に寄与するコンデンサが増えるほど、すなわち、オンとなるスイッチング素子が増えるほど、可変容量回路２２の静電容量は増加するので、共振回路２０の共振周波数f_r2は低下する。逆に、コンデンサ２２１〜２２３のうち、共振回路２０の共振に寄与しないコンデンサが増えるほど、すなわち、オフとなるスイッチング素子が増えるほど、共振回路２０の共振周波数f_r2は高くなる。

整流平滑回路２３は、ブリッジ接続された４個のダイオードを有する全波整流回路２３１と平滑コンデンサ２３２とを有し、共振回路２０により受信された電力を整流し、かつ、平滑化して、直流電力に変換する。そして整流平滑回路２３は、その直流電力を、負荷回路２４に出力する。

電圧検出回路２５は、全波整流回路２３１の両端子間の出力電圧を検出する。全波整流回路２３１の両端子間の出力電圧は、共振回路２０の出力電圧と１対１に対応するので、全波整流回路２３１の両端子間の出力電圧を検出することは、間接的に共振回路２０の出力電圧を検出することとなる。電圧検出回路２５は、例えば、直流電圧を検出できる公知の様々な電圧検出回路の何れかとすることができる。なお、本実施形態では、電圧検出回路２５は、出力電圧が可変容量回路２２の各スイッチング素子のオンとオフとを切り替えるための閾値電圧よりも高いか否かを検出できればよいので、そのような検出を行うことが可能な回路であればよい。

制御回路２６は、電圧検出回路２５による電圧検出結果に応じて、共振回路２０の可変容量回路２２の静電容量を制御する。

図４（ａ）は、second resonance方式による、共振回路２０の出力電圧の周波数特性の一例を示す図である。図４（ａ）において、横軸は周波数を表し、縦軸は電圧を表す。グラフ４００は、共振回路２０の共振周波数がf_r2であり、かつ、負荷回路２４がある負荷抵抗を持つ場合の出力電圧の周波数特性を表し、グラフ４０１は、共振回路２０の共振周波数がf_r2であり、かつ、負荷回路２４の負荷抵抗が、グラフ４００に関する負荷抵抗の100倍の値を持つ場合の出力電圧の周波数特性を表す。グラフ４００及びグラフ４０１で示されるように、送信コイル１３に供給される交流電力のスイッチング周波数が共振回路２０の共振周波数f_r2に近づくほど、出力電圧は高くなる。また、共振周波数f_r2近傍では、second resonance方式の非接触給電装置は定電流駆動となるため、負荷回路２４の負荷抵抗に応じて出力電圧が大きく変化する。

一方、送信コイル１３に供給される交流電力のスイッチング周波数が共振回路の共振周波数f_r2から離れると、非接触給電装置は定電圧駆動となり、負荷回路２４の負荷抵抗が変化しても、出力電圧はほぼ一定となる。

そこで、例えば、結合度が変化することにより、共振回路２０の共振周波数f_r2が送信コイル１３に供給される交流電力のスイッチング周波数と近づいて、共振回路２０の出力電圧が高くなると、制御回路２６は、共振回路２０の共振周波数f_r2を変化させて、スイッチング周波数と共振周波数f_r2の差を大きくすることで、受電装置３に定電圧駆動を継続させることができる。

図４（ｂ）は、共振回路２０の共振周波数をf_r2からf_r2'に変化させたときの出力電圧の周波数特性の一例を示す図である。図４（ｂ）において、横軸は周波数を表し、縦軸は電圧を表す。グラフ４１０は、共振回路２０の共振周波数がf_r2'であり、かつ、負荷回路２４がある負荷抵抗を持つ場合の出力電圧の周波数特性を表し、グラフ４１１は、共振回路２０の共振周波数がf_r2'であり、かつ、負荷回路２４の負荷抵抗が、グラフ４１０に関する負荷抵抗の100倍の値を持つ場合の出力電圧の周波数特性を表す。

例えば、図４（ａ）に示されるように、送信コイル１３に供給される交流電力のスイッチング周波数fsが共振回路２０の共振周波数f_r2に近い場合、出力電圧は上昇する。そこで、出力電圧の上昇を検知して、図４（ｂ）に示されるように、共振回路２０の共振周波数をf_r2からf_r2'に変化させることで、共振周波数をf_r2'がスイッチング周波数fsに対して十分に高くなるので、送信コイル１３に供給される交流電力のスイッチング周波数fsが一定に保たれたままでも、定電圧駆動が維持される。

したがって、制御回路２６は、共振回路２０の出力電圧が上昇すると、可変容量回路２２の静電容量を低下させるよう、可変容量回路２２の静電容量を制御する。本実施形態では、制御回路２６は、共振回路２０の出力電圧が上昇するほど、スイッチング素子２２４〜２２６のうち、オフにするスイッチング素子の数を増やす。これにより、（１）式に示されるように、共振回路２０の共振周波数f_r2が高くなり、その結果として、制御回路２６は、送信コイル１３に供給される交流電力のスイッチング周波数fsと共振回路２０の共振周波数f_r2の差を大きくすることができるので、受電装置３の定電圧駆動を維持することができる。また、これにより、共振回路２０に流れる循環電流が増大することが抑制され、電力伝送効率の低下が抑制されるとともに、受電装置３において過電圧が生じることが防止される。

逆に、共振回路２０の出力電圧が低下すると、制御回路２６は、可変容量回路２２の静電容量を上昇させるよう、可変容量回路２２の静電容量を制御する。本実施形態では、制御回路２６は、共振回路２０の出力電圧が低下するほど、スイッチング素子２２４〜２２６のうち、オンにするスイッチング素子の数を増やせばよい。

なお、制御回路２６は、共振回路２０の出力電圧の上昇が検知された場合に、共振回路２０の共振周波数を低下させるように可変容量回路２２の静電容量を制御して、共振回路２０の共振周波数f_r2を、送信コイル１３に供給される交流電力のスイッチング周波数fsよりも低くしてもよい。制御回路２６は、このように可変容量回路２２の静電容量を制御しても、受電装置３において過電圧が生じることを防止できる。ただしこの場合には、共振回路２０のQ値が大きくなり、その結果として、共振回路２０に流れる電流も増大する。

また、結合度と、下記の（２）式で表される受信コイル２１のQ値との積（以下、kQ積と呼ぶ）が大きくなるほど、送信コイル１３を流れる電流の位相が相対的に進む。

ここで、Rは、負荷回路２４の抵抗値を表す。そしてkQ積が所定の値よりも大きくなると、送信コイル１３を流れる電流の位相がスイッチング電圧の位相よりも早くなり、電力供給回路１０及び送信コイル１３は、ハードスイッチング（容量性）動作となって、エネルギー伝送効率が低下する。そのため、共振回路２０の出力電圧の上昇が検知された場合、制御回路２６は、可変容量回路２２の静電容量を上昇させるよりも低下させるように可変容量回路２２の静電容量を制御することが好ましい。

図５は、受電装置３の電圧検出回路２５及び制御回路２６の一例を示す図である。図５に示されるように、制御回路２６は、整流回路２６１と、分圧回路２６２と、スイッチング回路２６３とを有する。なお、図５では、説明の簡単化のために、電圧検出回路２５及び制御回路２６のスイッチング回路２６３に関して、可変容量回路２２が有する複数のスイッチング素子のうちの一つ（スイッチング素子２２４）のオン／オフを切り替えるための回路が示されている。電圧検出回路２５及び制御回路２６のスイッチング回路２６３は、可変容量回路２２のスイッチング素子ごとに、図５に示された回路を有していればよい。

この例では、電圧検出回路２５は、全波整流回路２３１の正極側出力端子と負極側出力端子間に直列に接続されるツェナーダイオードZD1と、二つの抵抗Rvm1、Rvm2とを有する。ツェナーダイオードZD1は、全波整流回路２３１から出力される電圧にて逆バイアスされるよう、カソード端子が全波整流回路２３１の正極側出力端子と接続され、アノード端子が二つの抵抗Rvm1、Rvm2を介して全波整流回路２３１の負極側出力端子と接続される。

したがって、全波整流回路２３１から出力される電圧がツェナーダイオードZD1の降伏電圧以下である場合には、電圧検出回路２５に電流は流れず、一方、全波整流回路２３１から出力される電圧がツェナーダイオードZD1の降伏電圧よりも高くなると、電圧検出回路２５に電流が流れるようになる。したがって、電圧検出回路２５は、全波整流回路２３１から出力される電圧がツェナーダイオードZD1の降伏電圧よりも高いか否かを検知することができる。すなわち、ツェナーダイオードZD1の降伏電圧が、可変容量回路２２の対応するスイッチング素子のオン／オフを切り替えるための閾値電圧となる。

なお、可変容量回路２２のスイッチング素子ごとに、対応する電圧検出回路２５のツェナーダイオードの降伏電圧も異なることが好ましい。これにより、電圧検出回路２５は、可変容量回路２２のスイッチング素子ごとに、スイッチング素子のオン／オフが切り替えられる電圧を互いに異ならせることができる。

制御回路２６の整流回路２６１は、共振回路２０の受信コイル２１に対して並列に接続され、ダイオードDとコンデンサCとを有する。ダイオードDのカソード端子とコンデンサCの一端とが接続されるように、ダイオードDとコンデンサCは直列に接続される。そして整流回路２６１は、受信コイル２１が受電した交流電力を整流し、ダイオードDのカソード端子とコンデンサCの一端との間から整流された直流電圧を分圧回路２６２へ供給する。

分圧回路２６２は、整流回路２６１のコンデンサCの両端子間に直列に接続される二つの抵抗Rd1、Rd2と、抵抗Rd2と並列に接続されるツェナーダイオードZD2とを有する。そして分圧回路２６２は、整流回路２６１から供給された直流電圧を、抵抗Rd1と抵抗Rd2とで分圧し、抵抗Rd1と抵抗Rd2の間に接続された端子から、その分圧により得られた直流電圧をスイッチング素子２２４のゲート端子へ供給する。またツェナーダイオードZD2は、そのカソード端子が、抵抗Rd1と抵抗Rd2の間に接続された端子及びスイッチング素子２２４のゲート端子と接続され、アノード端子が抵抗R2の他端、及び、スイッチング素子２２４のソース端子と接続されるように設けられる。これにより、受信コイル２１が一定以上の電力を受電しており、かつ、詳細は後述するように、スイッチング回路２６３がオフとなっている間、スイッチング素子２２４のゲート端子にツェナーダイオードZD2の降伏電圧に相当する電圧が印加されるようになる。
なお、可変容量回路２２の他のスイッチング素子についても同様に、抵抗Rd1と抵抗Rd2の間に接続された端子から、そのスイッチング素子のゲート端子に直流電圧が供給されればよい。

スイッチング回路２６３は、抵抗Rと、フォトカプラPCと、npn型のトランジスタTrとを有する。そして全波整流回路２３１の正極側出力端子と負極側出力端子の間に、正極側から順に、抵抗Rと、フォトカプラPCの発光ダイオードと、トランジスタTrとが直列に接続される。すなわち、フォトカプラPCの発光ダイオードのアノード端子が抵抗Rを介して全波整流回路２３１の正極側出力端子と接続され、その発光ダイオードのカソード端子がトランジスタTrのコレクタ端子と接続され、トランジスタTrのエミッタ端子が全波整流回路２３１の負極側出力端子と接続される。またトランジスタTrのベース端子は、電圧検出回路２５の抵抗Rvm1と抵抗Rvm2との間に接続される。一方、フォトカプラPCのフォトトランジスタの一端は、可変容量回路２２のスイッチング素子２２４のゲート端子と接続され、フォトトランジスタの他端は、スイッチング素子２２４のソース端子と接続される。

全波整流回路２３１から出力される電圧が電圧検出回路２５の閾値電圧以下、すなわち、ツェナーダイオードZD1の降伏電圧以下である場合、電圧検出回路２５には電流が流れないので、スイッチング回路２６３のトランジスタTrのベース端子にも電流が流れず、トランジスタTrはオフとなる。そのため、フォトカプラPCもオフとなる。その結果、スイッチング素子２２４のゲート端子には、分圧回路２６２からの電圧により、スイッチング素子２２４はオンとなる。そのため、スイッチング素子２２４と直列に接続されるコンデンサ２２１は、共振回路２０の共振に寄与する。

一方、全波整流回路２３１から出力される電圧が電圧検出回路２５の閾値電圧よりも高くなると、電圧検出回路２５には電流が流れるようになり、スイッチング回路２６３のトランジスタTrのベース端子にも電流が流れて、トランジスタTrはオンとなる。そのため、フォトカプラPCもオンとなる。その結果、分圧回路２６２からスイッチング素子２２４のゲート端子に印加される電圧も低下し、スイッチング素子２２４はオフとなる。そのため、スイッチング素子２２４と直列に接続されるコンデンサ２２１は、共振回路２０の共振に寄与しなくなる。

このように、制御回路２６は、電圧検出回路２５により検出される、全波整流回路２３１から出力される電圧が閾値電圧よりも高くなると、可変容量回路２２のコンデンサ２２１を、共振回路２０の共振に寄与しないようにして、共振回路２０の共振周波数f_r2を高くすることができる。
制御回路２６は、可変容量回路２２の他のコンデンサについても、同様に、全波整流回路２３１から出力される電圧がそのコンデンサについての閾値電圧よりも高くなると、共振回路２０の共振に寄与しないようにすることができる。

以上に説明してきたように、この非接触給電装置は、送電装置の共振回路を設けないことで、結合度が低下する場合でも、送信コイルに流れる電流の増加を抑制する。また、この非接触給電装置は、受電装置の共振回路の出力電圧をモニタし、その出力電圧が上昇すると受電側の共振回路の可変容量回路の静電容量を変更して、その共振回路の共振周波数と送電装置の送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数との差を大きくして、共振回路に流れる循環電流が増大することを抑制するとともに、受電装置に過電圧が印加されることを防止する。これにより、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の結合度が動的に変化しても、エネルギー伝送効率の低下を抑制できる。さらに、過電圧が印加されることを防止することにより、この非接触給電装置は、受電装置が故障することを防止できる。

なお、変形例によれば、整流平滑回路２３において、全波整流回路２３１の代わりに、半波整流回路が用いられ、電圧検出回路２５は、半波整流回路からの出力電圧を検出することで、間接的に共振回路２０の出力電圧を検出してもよい。

図６は、この変形例による、受電装置３の回路ブロック図である。この変形例において、受電装置３は、受信コイル２１と可変容量回路２２とを有する共振回路２０と、整流平滑回路２７と、負荷回路２４と、電圧検出回路２５と、制御回路２６とを有する。
この変形例では、上記の実施形態による受電装置と比較して、整流平滑回路２７が、全波整流回路の代わりに半波整流回路を有している点と、制御回路２６のスイッチング回路２６３の構成が異なる。そこで以下では、その相違点について説明する。

この変形例では、整流平滑回路２７は、直列に接続される二つのダイオードを有する半波整流回路２７１と、半波整流回路２７１と並列に接続される平滑コンデンサ２７２とを有する。そして共振回路２０から出力される電力は、整流平滑回路２７により半波整流される。

電圧検出回路２５は、図５に示された電圧検出回路２５と同様の回路とすることができ、整流平滑回路２７の平滑コンデンサ２７２の正側の端子（すなわち、直列接続されるダイオードのカソード端子と接続される側の端子）とグラウンド間の電圧を検出する。そして検出された電圧が閾値電圧よりも高くなった場合に、制御回路２６のスイッチング回路２６３のトランジスタ（図示せず）をオンにする。

制御回路２６は、図５に示された整流回路２６１及び分圧回路２６２と同様の整流回路及び分圧回路を有する。そして制御回路２６は、可変容量回路２２の各スイッチング素子２２４〜２２６のゲート端子に、分圧回路により得られる電圧を印加する。また、制御回路２６は、図５に示されたスイッチング回路２６３からフォトカプラPCを省略したスイッチング回路を有する。ただし、この変形例では、トランジスタのコレクタは、可変容量回路２２の対応するスイッチング素子のゲート端子と接続され、トランジスタのエミッタは接地される。

この場合も、電圧検出回路２５により検出された電圧が閾値電圧よりも高くなることで、トランジスタがオンになり、その結果として、可変容量回路２２の対応するスイッチング素子のゲート端子に印加される電圧が低下して、そのスイッチング素子がオフとなる。そのため、そのスイッチング素子と直列に接続されるコンデンサが共振回路２０の共振に寄与しなくなる。

この変形例では、受電装置３の各回路の基準電圧を共通の回路グラウンドとすることができるので、回路構成が簡単化される。

また他の変形例によれば、可変容量回路２２が有する複数のコンデンサのうちの一つは、スイッチング素子を介さずに受信コイル２１と並列に接続されてもよい。これにより、少なくとも一つのコンデンサが受信コイル２１と常に並列に接続されるので、受電装置３は、常にsecond resonance方式に従って電力の受信を継続できる。

さらに他の変形例によれば、可変容量回路２２の構成は、上記の実施形態に限られず、例えば、可変容量回路２２は機械式あるいは他の方式で静電容量を変化させることができる可変容量コンデンサを有していてもよい。そして可変容量回路２２が機械式の可変容量コンデンサを有している場合には、制御回路２６は、例えば、可変容量コンデンサの静電容量を調整するための機構を駆動するためのステッピングモータ及びステッピングモータを駆動するための回路などを有していてもよい。そして制御回路２６は、電圧検出回路２５により検出された電圧に応じた回転量だけステッピングモータを回転させることで、可変容量コンデンサの静電容量がその電圧に応じた静電容量となるように、可変容量回路２２を制御してもよい。

さらに、送電装置２において、送信コイル１３に交流電力を供給する電力供給回路は、上記の実施形態とは異なる回路構成を持っていてもよい。

図７（ａ）〜図７（ｃ）は、それぞれ、変形例による、電力供給回路の回路図である。図７（ａ）に示される電力供給回路１１０は、所定のスイッチング周波数を持つ交流電力を供給する交流電源１１１を有する。そして交流電源１１１からの交流電力が送信コイル１３に直接供給される。したがって、この変形例では、制御回路１５は省略されてもよい。

図７（ｂ）に示される電力供給回路１２０は、直流電源１１と、二つのスイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−２と、送信コイル１３と直列に接続される、直流遮断用のコンデンサ１２１とを有する。なお、この変形例においても、各スイッチング素子は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。

この変形例では、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−２は、直流電源１１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される。また、直流電源１１の正極側に、スイッチング素子１２−１が接続され、一方、直流電源１１の負極側に、スイッチング素子１２−２が接続される。そしてスイッチング素子１２−１のドレイン端子は、直流電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１２−１のソース端子は、スイッチング素子１２−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１２−２のソース端子は、直流電源１１の負極側端子と接続される。さらに、スイッチング素子１２−１のソース端子、及び、スイッチング素子１２−２のドレイン端子は、送信コイル１３の一端に接続され、スイッチング素子１２−２のソース端子は、コンデンサ１２１を介して送信コイル１３の他端に接続される。また、各スイッチング素子のゲート端子は、ゲートドライバ１４と接続される。

この変形例では、ゲートドライバ１４が、制御回路１５から制御信号に従って、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−２のオン／オフを交互に切り替えればよい。すなわち、スイッチング素子１２−１がオンとなり、スイッチング素子１２−２がオフとなる場合には、直流電源１１からスイッチング素子１２−１を介して送信コイル１３へ電流が流れ、コンデンサ１２１が充電される。一方、スイッチング素子１２−１がオフとなり、スイッチング素子１２−２がオンとなる場合には、コンデンサ１２１が放電して、コンデンサ１２１から送信コイル１３及びスイッチング素子１２−２を介して電流が流れる。

図７（ｃ）に示される電力供給回路１３０も、電力供給回路１２０と同様に、直流電源１１と、二つのスイッチング素子１２−１及びスイッチング素子１２−２と、送信コイル１３と直列に接続されるコンデンサ１２１とを有する。ただし、電力供給回路１３０は、電力供給回路１２０と比較して、送信コイル１３の一端が直流電源１１の正極側端子と直接接続され、送信コイル１３の他端がコンデンサ１２１を介してスイッチング素子１２−１のソース端子、及び、スイッチング素子１２−２のドレイン端子と接続される。

この変形例でも、ゲートドライバ１４が、制御回路１５から制御信号に従って、スイッチング素子１２−１とスイッチング素子１２−２のオン／オフを交互に切り替えればよい。

なお、図７（ｂ）に示される電力供給回路１２０及び図７（ｃ）に示される電力供給回路１３０について、スイッチング周波数にて送信コイル１３とコンデンサ１２１とが共振回路として動作しないよう、送信コイル１３とコンデンサ１２１の共振周波数が受電装置３の共振回路２０の共振周波数の最小値及びスイッチング周波数よりも小さくなるように、コンデンサ１２１の静電容量が設定されることが好ましい。これにより、送信コイル１３に流れる電流が増大して電力の伝送効率が低下することが抑制される。

また、上記の実施形態において、電力供給回路１２０及び電力供給回路１３０と同様に、送信コイル１３と直列に接続される、直流遮断用のコンデンサが設けられてもよい。ただしこの場合も、スイッチング周波数にて送信コイル１３とコンデンサとが共振回路として動作しないよう、送信コイル１３とコンデンサの共振周波数が受電装置３の共振回路２０の共振周波数の最小値及びスイッチング周波数よりも小さくなるように、コンデンサの静電容量が設定されることが好ましい。

また、送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数は一定でなくてもよく、例えば、送信コイルに流れる電流を電流計により測定し、送電装置の制御回路は、その電流値が所定の閾値以上となる場合にスイッチング周波数を低下させるよう制御してもよい。

このように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。

１非接触給電装置
２送電装置
１０、１１０、１２０、１３０電力供給回路
１１直流電源
１２−１〜１２−４スイッチング素子
１３送信コイル
１４ゲートドライバ
１５制御回路
３受電装置
２０共振回路
２１受信コイル
２２可変容量回路
２２１〜２２３コンデンサ
２２４〜２２６スイッチング素子
２３、２７整流平滑回路
２３１全波整流回路
２７１半波整流回路
２３２、２７２平滑コンデンサ
２４負荷回路
２５電圧検出回路
２６制御回路
２６１整流回路
２６２分圧回路
２６３スイッチング回路
１１１交流電源
１２１コンデンサ

Claims

送電装置と、前記送電装置から非接触で電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置であって、
前記送電装置は、
前記受電装置へ電力を供給する送信コイルと、
前記送信コイルに対して、前記送信コイルが共振しない周波数を持つ交流電力を供給する電力供給回路と、
を有し、
前記受電装置は、
前記送電装置からの電力を受信する受信コイルと、前記受信コイルと並列に接続される可変容量回路とを有し、前記受信コイルのインダクタンスと前記可変容量回路の静電容量に応じた周波数で共振する共振回路と、
前記共振回路からの出力電圧を検出する電圧検出回路と、
前記出力電圧に応じて前記可変容量回路の静電容量を制御する制御回路と、
を有する非接触給電装置。
前記制御回路は、前記出力電圧が高くなるほど前記可変容量回路の静電容量を低下させる、請求項１に記載の非接触給電装置。
前記可変容量回路は、複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサのうちの何れかと直列に接続される少なくとも一つのスイッチング素子とを有し、前記複数のコンデンサのそれぞれは前記受信コイルと並列に接続され、
前記制御回路は、前記出力電圧に応じて前記少なくとも一つのスイッチング素子のオンとオフとを切り替える、請求項１または２に記載の非接触給電装置。
前記少なくとも一つのスイッチング素子は、印加される電圧に応じてオンとオフとが切り替えられ、
前記制御回路は、
前記共振回路からの前記出力電圧に基づいて前記少なくとも一つのスイッチング素子がオンとなる第１の電圧を生成する分圧回路と、
前記出力電圧が所定の閾値電圧以下の場合に前記分圧回路により生成される前記第１の電圧を前記少なくとも一つのスイッチング素子に印加し、一方、前記出力電圧が前記所定の閾値電圧よりも高い場合に前記分圧回路により生成される前記第１の電圧を前記少なくとも一つのスイッチング素子に印加させないスイッチング回路とを有する、請求項３に記載の非接触給電装置。