JP6350818B2 - Non-contact power transmission device - Google Patents
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Description
本発明はスイッチング電源に関し、特に非接触電力伝送装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply, and more particularly to a contactless power transmission device.
従来の非接触電力伝送装置の1例として、特許公開2007−312585が提供した方法がある。その実施例として示されている回路図の1つを図8に示す。 As an example of a conventional non-contact power transmission apparatus, there is a method provided by Japanese Patent Publication No. 2007-312585. One of the circuit diagrams shown as the embodiment is shown in FIG.
図8において、111は交流電源、112と113は双方向スイッチ回路を構成するMOSFET、114と115は別の双方向スイッチ回路を構成するMOSFET、116は4つのMOSFETを所定シーケンスでオン・オフさせる発振制御回路である。117、118、119、120はいずれも互いに異なる電位のゲートに信号を送るための絶縁バッファである。121と122は送電コイルと受電コイルで電磁気エネルギを伝送している。123は整流平滑回路で直流電圧に変換している。124は定電圧回路で安定した直流電圧を負荷125に供給している。 In FIG. 8, 111 is an AC power source, 112 and 113 are MOSFETs constituting a bidirectional switch circuit, 114 and 115 are MOSFETs constituting another bidirectional switch circuit, and 116 is for turning on and off four MOSFETs in a predetermined sequence. This is an oscillation control circuit. Reference numerals 117, 118, 119, and 120 denote insulating buffers for sending signals to gates having different potentials. 121 and 122 transmit electromagnetic energy by a power transmission coil and a power reception coil. Reference numeral 123 denotes a rectifying / smoothing circuit which converts it into a DC voltage. A constant voltage circuit 124 supplies a stable DC voltage to the
送電コイル121と受電コイル122間の伝送は一方通行であるため整流平滑回路123の出力電圧は負荷に流れる電流によって変化する。そのため定電圧回路を必要とするが、変化の幅が大きいため定電圧回路124が担う入力電圧範囲が広い。 Since the transmission between the power transmission coil 121 and the power reception coil 122 is one-way, the output voltage of the rectifying and smoothing circuit 123 varies depending on the current flowing through the load. Therefore, although a constant voltage circuit is required, the input voltage range which the constant voltage circuit 124 bears is wide because of the large change width.
本発明は受電側の整流平滑回路に直流電圧を安定化させる機能を持たせ、これにより受電側に広い入力電圧範囲に対応した定電圧回路を付加する必要のない非接触電力伝送装置を提供することを目的としている。 The present invention provides a non-contact power transmission device in which a rectifying / smoothing circuit on a power receiving side has a function of stabilizing a DC voltage, and thus there is no need to add a constant voltage circuit corresponding to a wide input voltage range on the power receiving side. The purpose is that.
請求項1記載の発明は交流電源と、第1のコンデンサと、交流電源に並列に接続された第1と第2の双方向スイッチ回路からなる直列回路と、交流電源に並列に接続された第3と第4の双方向スイッチ回路からなる直列回路と、第1と第4の双方向スイッチ回路の組と第2と第3の双方向スイッチ回路の組を交互にオン・オフさせる発振制御回路と、第1と第2の双方向スイッチ回路の接続点と第3と第4の双方向スイッチ回路の接続点の間に接続された送電コイルと送電コンデンサからなる直列回路と、送電コイルと送電コンデンサからなる直列回路と電磁気的に結合している受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路と、受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路の一方の端子と第1のコンデンサの一方の端子の間に接続された第1のダイオードと、受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路の他方の端子と第1のコンデンサの他方の端子の間に接続された第2のダイオードと、受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路と第1のダイオードの接続点と第2のダイオードと第1のコンデンサの接続点の間に接続された第3のダイオードと、受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路と第2のダイオードの接続点と第1のダイオードと第1のコンデンサの接続点の間に接続された第4のダイオードからなる非接触電力伝送装置において、第1のダイオードに並列に第5のスイッチ素子を接続し、第2のダイオードに並列に第6のスイッチ素子を接続し、第3のダイオードに並列に第7のスイッチ素子を接続し、第4のダイオードに並列に第8のスイッチ素子を接続し、交流電源の出力電圧が正の半波の間は第1と第4の双方向スイッチ回路の組のオン・オフに同期させて第5と第6のスイッチ素子の組をオン・オフさせ、第2と第3の双方向スイッチ回路の組のオン・オフに同期させて第7と第8のスイッチ素子の組をオン・オフさせ、交流電源の出力電圧が負の半波の間は第1と第4の双方向スイッチ回路の組のオン・オフに同期させて第7と第8のスイッチ素子の組をオン・オフさせ、第2と第3の双方向スイッチ回路の組のオン・オフに同期させて第5と第6のスイッチ素子の組をオン・オフさせる同期駆動回路を付加した。 The invention according to
請求項2記載の発明は、第1ないし第4の双方向スイッチ回路がいずれも互いに反対向きに直列接続された2つのMOSFETから構成され、交流電源の電圧の正の半波と負の半波の位相にそれぞれ同期した2つの信号を出力する交流位相識別回路を付加し、交流位相識別回路が出力する2つの信号と第1ないし第4の双方向スイッチ回路をオン・オフする発振制御回路の信号をOR回路で合成して4種類の信号を作り、第1ないし第4の双方向スイッチ回路を構成するMOSFETの所定のゲートに加える。 According to a second aspect of the present invention, each of the first to fourth bidirectional switch circuits is composed of two MOSFETs connected in series in opposite directions, and a positive half wave and a negative half wave of the voltage of the AC power supply. Of an oscillation control circuit for turning on / off the two signals output from the AC phase identification circuit and the first to fourth bidirectional switch circuits. The signals are synthesized by an OR circuit to form four types of signals, which are applied to predetermined gates of MOSFETs constituting the first to fourth bidirectional switch circuits.
請求項3記載の発明は、第3の双方向スイッチ回路を第2のコンデンサに置換え、第4の双方向スイッチ回路を第3のコンデンサに置換えた。 In the third aspect of the invention, the third bidirectional switch circuit is replaced with a second capacitor, and the fourth bidirectional switch circuit is replaced with a third capacitor.
請求項4記載の発明は、第4のダイオードと第8のスイッチ素子からなる並列回路を第4のコンデンサに置換え、第2のダイオードと第6のスイッチ素子からなる並列回路を第5のコンデンサに置換えた。 According to a fourth aspect of the present invention, the parallel circuit composed of the fourth diode and the eighth switch element is replaced with the fourth capacitor, and the parallel circuit composed of the second diode and the sixth switch element is replaced with the fifth capacitor. Replaced.
請求項5記載の発明は、第1のコンデンサの電圧を安定させるために同期駆動回路が発生するパルスの幅を制御するPWM回路を付加した。 In the invention according to
請求項6記載の発明は、受電コイルと受電コンデンサからなる直列回路を受電コイルと受電コンデンサからなる並列回路に置換えた。 In the invention according to
本発明の非接触電力伝送装置は受電側に定電圧回路がなくても安定した直流電圧を作ることができるので、効率が改善され、受電側の装置内部スペースが空き、コストが下がった。 Since the non-contact power transmission device of the present invention can generate a stable DC voltage without a constant voltage circuit on the power receiving side, the efficiency is improved, the space inside the device on the power receiving side is vacant, and the cost is reduced.
受電側の同期駆動回路が発生するパルス幅を適当に制御することにより送電側の交流電源から供給される交流電流の波形を交流電圧の波形に相似させることができ、これによって力率を改善することができる。 By appropriately controlling the pulse width generated by the synchronous drive circuit on the power receiving side, the waveform of the AC current supplied from the AC power supply on the power transmission side can be made similar to the waveform of the AC voltage, thereby improving the power factor. be able to.
発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。 The best mode for carrying out the invention will be described with reference to the drawings.
図1は請求項1記載の発明の実施例を示す回路図である。
図において1は交流電源、3〜6は双方向スイッチ回路、11は発振制御回路、12は送電コイル、13は送電コンデンサ、14は受電コイル、15は受電コンデンサ、16〜19はダイオード、20〜23はスイッチ素子、24は同期駆動回路、101〜108は絶縁バッファである。
発振制御回路11はMとNの2つの出力端子からMがHiのときはNはLo、NがHiのときはMはLoの信号を出力する。MとNが同時にHiの信号を出力することはないが、同時にLoの信号を出力することはある。MとNのいずれもLoの期間をデットタイムと呼んでいる。FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of the present invention.
In the figure, 1 is an AC power source, 3 to 6 are bidirectional switch circuits, 11 is an oscillation control circuit, 12 is a power transmission coil, 13 is a power transmission capacitor, 14 is a power reception coil, 15 is a power reception capacitor, 16 to 19 are diodes, 20 to 20
The
MがHiのときは3と6の双方向スイッチ回路が導通し、送電コイル12と送電コンデンサ13の直列回路両端に交流電圧が同じ向きに加わる。続いてNがHiになると4と5の双方向スイッチ回路が導通し、送電コイル12と送電コンデンサ13の直列回路両端に交流電圧が逆の向きに加わる。 When M is Hi, the
同期駆動回路24の動作が停止していれば、16〜19のダイオードが整流して第1のコンデンサ2を充電する。第1のコンデンサ2に負荷が接続されていれば、負荷に直流電力が供給される。負荷が無負荷かまたは軽い負荷のときは第1のコンデンサ2の電圧は送受電間の共振条件によるが上昇し、制御することはできない。 If the operation of the
同期駆動回路24が動作するときを図7を用いて説明する。図7は図1の回路の波形図を示したもので(a)は交流電圧が正の半波の間、(b)は交流電圧が負の半波の間の各部の波形である。上から第1と第4の双方向スイッチ回路3と6のゲート電圧、第2と第3の双方向スイッチ回路4と5のゲート電圧、受電コイル14と受電コンデンサ15の直列回路両端の電圧、第5と第6のスイッチ素子20と21のゲート電圧、第7と第8のスイッチ素子22と23のゲート電圧の波形を示している。Ton1とTd1は発振制御回路11に設定するパルス幅とデットタイムであり、Ton2とTd2は同期駆動回路11が設定するパルス幅と遅延時間である。 The operation of the
受電コイル14と受電コンデンサ15の直列回路の電圧は送電側の第1ないし第4の双方向スイッチ回路のいずれか一方の組がオン状態からオフに切替わるときに変わるが、図7(a)では第2と第3の双方向スイッチ回路がオフに切替わるときに負から正に切替わっている。図7(b)では第2と第3の双方向スイッチ回路がオフに切替るときに正から負に切替っている。 Although the voltage of the series circuit of the
図7(a)において同期駆動回路24は、受電コイル14と受電コンデンサ15の直列回路両端の電圧が負から正に変わる時はTd2遅れた幅がTon2のパルスを発生して第5と第6のスイッチ素子20と21のゲートを駆動する。受電コイル14と受電コンデンサ15の直列回路両端の電圧が正から負に変わる時はTd2遅れた幅がTon2のパルスを発生して第7と第8のスイッチ素子18と19のゲートを駆動する。このように同期駆動回路24がパルスを出力すれば、送電側の双方向スイッチ回路と受電側のスイッチ素子のオン・オフが同期する。図7ではTd2はTd1と同じ値、Ton2はTon1より小さい値が設定されている。 In FIG. 7A, when the voltage across the series circuit of the
図7の波形に示されているように、交流電圧の位相が正から負に変われば、送電側のオンになる組に対する受電側のオンになる組は入れ替る。 As shown in the waveform of FIG. 7, when the phase of the AC voltage changes from positive to negative, the set on the power receiving side is switched to the set on on the power transmission side.
送電側でオン状態になっている双方向スイッチ回路と、そのときに導通しているダイオードに並列接続されているスイッチ素子が同期してオン状態になるので、第1のコンデンサ2の電圧が高ければそのエネルギは受電側から送電側に回生される。 Since the bidirectional switch circuit that is turned on on the power transmission side and the switch element that is connected in parallel with the diode that is conducting at that time are turned on in synchronization, the voltage of the
図2は請求項2記載の発明の実施例を示す回路図である。
図1と共通する部品は図1の符号をそのまま用いている。図において、25は交流位相識別回路で、交流電源1の電圧が正であれば端子PがHi、端子SがLoになり、負であれば端子PがLo、端子SがHiになる。FIG. 2 is a circuit diagram showing an embodiment of the second aspect of the present invention.
Components common to those in FIG. 1 are the same as those in FIG. In the figure,
交流位相識別回路の出力信号と発振制御回路11の出力信号は26〜29のOR回路によって4種類の信号に合成されて、双方向スイッチ回路3〜6を構成するMOSFETのゲートに供給される。交流位相回路の端子PからHiの信号が出ていれば、3b、4b、5b、6bのMOSFETは発振制御回路11の信号に関係なくオン状態になる。端子SからHiの信号が出ていれば、3a,4a、5a、6aのMOSFETが発振制御回路11の信号に関係なくオン状態になる。 The output signal of the AC phase identification circuit and the output signal of the
発振制御回路11の端子MとNがいずれもLoのとき、すなわちデッドタイムのときは、送電コイル12と送電コンデンサ13の直列回路に蓄積されているエネルギはオン状態になっているいずれかのMOSFETとそれと直列接続されているMOSFETの寄生ダイオードを通って交流電源1に回生される。 When the terminals M and N of the
第1のコンデンサ2の電圧が高いときに送電側に回生されるメカニズムは図1のそれと同じ。 The mechanism regenerated on the power transmission side when the voltage of the
図3は請求項3記載の発明の実施例を示す回路図である。図2と共通する部品は図2の符号をそのまま用いている。図において、第2のコンデンサ31と第3のコンデンサ32は交流電源1の電圧を2等分している。両コンデンサは送電コンデンサ13の容量より大きい値が選ばれているので回路の共振周期に影響を与えない。
図2の回路構成がフルブリッジと呼ばれるのに対して、図3の回路構成はハーフブリッジと呼ばれている。FIG. 3 is a circuit diagram showing an embodiment of the third aspect of the present invention. Components common to those in FIG. 2 are the same as those in FIG. In the figure, a second capacitor 31 and a
The circuit configuration of FIG. 2 is called a full bridge, whereas the circuit configuration of FIG. 3 is called a half bridge.
図4は請求項4記載の発明の実施例を示す回路図である。図2と共通する部品は図2の符号をそのまま用いている。図において、第1のダイオード16が導通したときコンデンサ33が充電され、第3のダイオード18が導通したときにコンデンサ34が充電される。第1のコンデンサ2には両コンデンサの合成された電圧が充電される。 FIG. 4 is a circuit diagram showing an embodiment of the invention as set forth in
図5は請求項5記載の発明の実施例を示す回路図である。図2と共通する部品は図2の符号をそのまま用いている。図において、30はPWM回路で第1のコンデンサ2の電圧が基準電圧を越えると同期駆動回路24が発生するパルスを広げる。スイッチ素子20とスイッチ素子22のオン期間が長くなれば受電側から送電側に戻る電力が増え第1のコンデンサ2の電圧は下がる。これにより、第1のコンデンサ2の電圧の安定さは増す。 FIG. 5 is a circuit diagram showing an embodiment of the invention as set forth in
図6は請求項6記載の発明の実施例を示す回路図である。図2と共通する部品は図2の符号をそのまま用いている。図において、受電側の受電コンデンサ15を受電コイル14に並列に接続した。 FIG. 6 is a circuit diagram showing an embodiment of the invention as set forth in
図1ないし図6において、第5ないし第8のスイッチ素子としてMOSFETを選んだので、第1ないし第4のダイオードを、MOSFETの寄生ダイオードで代用させることにより省略することもできる。 In FIG. 1 to FIG. 6, MOSFETs are selected as the fifth to eighth switch elements, so that the first to fourth diodes can be omitted by substituting the parasitic diodes of the MOSFETs.
従来の非接触電力伝送装置がかかえていた1つの課題である負荷に加える電圧の安定化に関して新しい手段が提供できる。また、交流を直接スイッチングして送電されるエネルギを受電する整流回路によって力率が改善されるので、送電側にも受電側にも力率改善回路を挿入する必要がなく、コストを減ずることができる。受電側のスペースも縮小できる。 It is possible to provide a new means for stabilizing the voltage applied to the load, which is one of the problems of the conventional non-contact power transmission apparatus. In addition, since the power factor is improved by the rectifier circuit that receives the transmitted energy by directly switching the alternating current, it is not necessary to insert a power factor improving circuit on both the power transmission side and the power receiving side, thereby reducing the cost. it can. The space on the power receiving side can also be reduced.
1 交流電源
2 第1のコンデンサ
3〜6 第1〜第4の双方向スイッチ回路
11 発振制御回路
12 送電コイル
13 送電コンデンサ
14 受電コイル
15 受電コンデンサ
16〜19 第1〜第4のダイオード
20〜23 第5〜第8のスイッチ素子
24 同期駆動回路
25 交流位相識別回路
26〜29 OR回路
30 PWM回路
31〜34 コンデンサ
101〜108 絶縁バッファ
111 交流電源
112〜115 MOSFET
116 発振制御回路
117〜120 絶縁バッファ
121 送電コイル
122 受電コイル
123 整流平滑回路
124 定電圧回路
125 負荷
126、127 コンデンサDESCRIPTION OF
116 Oscillation control circuits 117 to 120 Insulation buffer 121 Power transmission coil 122 Power reception coil 123 Rectification smoothing circuit 124
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