JP6370484B1 - 共振型電力送信装置及び共振型電力伝送システム - Google Patents

Abstract

インダクタ及びコンデンサを有する共振回路を有し、電力を出力するインバータ回路（７）と、インバータ回路により出力された電力を伝送する送信アンテナ（２）とを備え、インバータ回路は、送信アンテナの入力インピーダンスに応じ、インダクタのインダクタンス及びコンデンサのキャパシタンスのうちの少なくとも一方を可変する。

Description

この発明は、高周波数の電力を伝送する共振型電力送信装置及び共振型電力伝送システムに関する。

従来の共振型電力伝送システムでは、漏洩電磁界の放射による妨害波と電力伝送効率の低下を抑制するため、送信アンテナ及び受信アンテナをそれぞれ磁気シールド部材で覆っている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１２−２４８７４７号公報

従来構成では、磁気シールド部材を用いて漏洩電磁界の放射を抑制している。この際、磁気シールド部材は、送信アンテナと受信アンテナとの間の磁界を遮ることがないように、アンテナとの間隙を確保してアンテナ全体を覆う必要がある。そのため、送信装置及び受信装置を構造的に小さくできないという課題がある。
また、従来構成では、送受信アンテナから発生した漏洩電磁界の放射を抑制しており、漏洩電磁界の発生を抑制するものではない。また、送信アンテナと受信アンテナとの間の空隙に対しては磁気シールド部材を設けることができない。そのため、この空隙部分から漏洩電磁界が放射されるという課題がある。この漏洩電磁界は、電力伝送を行う際の基本波の高調波であり、約１ＧＨｚまでの広帯域に渡って妨害波としても作用し、ラジオ、無線機又は携帯電話等における通信周波数帯へ悪影響を及ぼす。

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、磁気シールド部材を用いずに妨害波の発生を抑制できる共振型電力送信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送信装置は、電力を出力するインバータ回路と、インバータ回路により出力された電力を伝送する送信アンテナと、インバータ回路の入力電圧を送信アンテナの入力インピーダンスの平方根に比例した値に制御するインタフェース電源を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、磁気シールド部材を用いずに妨害波の発生を抑制できる。

この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送システムの構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるインバータ回路の等価回路図である。 図３Ａ、図３Ｂは、この発明の実施の形態１におけるインバータ回路の動作例を説明する図であって、図３Ａはスイッチング電圧Ｖｄｓの変化例を示す図であり、図３Ｂは出力電圧Ｖｏの変化例を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る共振型電力伝送システムの構成例を示す図である。 図５Ａ〜図５Ｃは、この発明の実施の形態２におけるインタフェース電源の動作例を説明する図であって、図５Ａはスイッチング電圧Ｖｄｓの変化例を示す図であり、図５Ｂは出力電圧Ｖｏの変化例を示す図であり、図５Ｃは入力電圧Ｖ_Ｉの制御例を示す図である。

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システムの構成例を示す図である。
共振型電力伝送システムは、図１に示すように、共振型送信電源装置１、送信アンテナ（ＴＸ−ＡＮＴ）２、受信アンテナ（ＲＸ−ＡＮＴ）３、受信回路４及び負荷５を備えている。共振型送信電源装置１は、インタフェース電源（Ｖ_Ｉ−Ｉ／Ｆ）６及びインバータ回路７を有している。また、受信回路４は、整流回路（ＲＥＣ）８及びインタフェース電源（Ｖ_Ｏ−Ｉ／Ｆ）９を有している。また、共振型送信電源装置１及び送信アンテナ２は共振型電力送信装置を構成し、受信アンテナ３及び受信回路４は共振型電力受信装置を構成する。

インタフェース電源６は、共振型送信電源装置１に入力された電圧を増減して直流出力するコンバータの機能を有する。インタフェース電源６は、共振型送信電源装置１に直流電力が入力される場合にはＤＣ／ＤＣコンバータの機能を有し、共振型送信電源装置１に交流電力が入力される場合にはＡＣ／ＤＣコンバータの機能を有する。このインタフェース電源６により得られた電力は、インバータ回路７へ出力される。

インバータ回路７は、インタフェース電源６から出力された電力を送信アンテナ２が有する共振周波数と同一（略同一の意味を含む）の周波数を有する高周波電力に変換して出力する。このインバータ回路７は、図２に示すような、インダクタＬ２及びコンデンサＣ２を有する共振回路を有するＥ級インバータ回路である。
また、インバータ回路７は、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎに応じ、インバータ回路７（共振型送信電源装置１）の出力インピーダンスＺｏを制御する機能を有している。具体的には、インバータ回路７は、上記入力インピーダンスＺｉｎに応じ、インダクタＬ２のインダクタンス及びコンデンサＣ２のキャパシタンスのうちの少なくとも一方を可変する。ここで、インバータ回路７は、インダクタＬ２のインダクタンスを可変する場合には、当該インダクタンスを上記入力インピーダンスＺｉｎに比例した値に制御する。また、インバータ回路７は、コンデンサＣ２のキャパシタンスを可変する場合には、当該キャパシタンスを上記入力インピーダンスＺｉｎに反比例した値に制御する。また、インバータ回路７は、自身（インバータ回路７）の動作状態の変化を検出することで、上記入力インピーダンスＺｉｎの変化を間接的に検出する。

送信アンテナ２は、インバータ回路７から出力された高周波電力が有する周波数と同一（略同一の意味を含む）の周波数で共振することで、電力伝送を行う。

受信アンテナ３は、送信アンテナ２が有する共振周波数と同一（略同一の意味を含む）の周波数で共振することで、送信アンテナ２から伝送された高周波電力を受信する。この受信アンテナ３により受信された高周波電力（交流電力）は、整流回路８へ出力される。

なお、送信アンテナ２と受信アンテナ３との間の電力伝送方式は特に限定されず、磁界共鳴による方式、電界共鳴による方式、又は、電磁誘導による方式の何れでもよい。また、送信アンテナ２と受信アンテナ３は、図１に示すような非接触に限らない。

整流回路８は、受信アンテナ３から出力された交流電力を直流電力に変換する。この整流回路８により得られた直流電力は、インタフェース電源９へ出力される。

インタフェース電源９は、整流回路８から出力された直流電圧を増減するＤＣ／ＤＣコンバータの機能を有する。このインタフェース電源９により得られた直流電力は、負荷５へ出力される。

負荷５は、インタフェース電源９から出力された直流電力により機能する回路又は機器である。

次に、実施の形態１におけるインバータ回路７の機能について説明する。
ここで、インバータ回路７の出力インピーダンスをＺｏとする。また、送信アンテナ２の入力インピーダンスをＺｉｎとする。また、整流回路８の入力インピーダンスをＲｏとする。また、送信アンテナ２のインダクタンスをＬ_ＴＸとする。また、受信アンテナ３のインダクタンスをＬ_ＲＸとする。また、送信アンテナ２と受信アンテナ３との相互インダクタンスをＭとする。また、送信アンテナ２と受信アンテナ３との間の距離をｄとする。また、インタフェース電源９の入力電圧をＶｉｎとする。また、インタフェース電源９の入力電流をＩｉｎとする。負荷５における抵抗（負荷抵抗）をＲＬとする。

ここで、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎは下式（１）で表される。式（１）において、ω＝２πｆであり、ｆは伝送周波数である。
Ｚｉｎ＝（ωＭ）^２／Ｒｏ （１）

また、整流回路８の入力インピーダンスＲｏは下式（２）で表される。式（２）では、整流回路８での損失がほぼ無いと仮定している。
Ｒｏ≒Ｖｉｎ／Ｉｉｎ （２）

式（１），（２）から、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎは下式（３）となる。
Ｚｉｎ≒（ωＭ）^２／（Ｖｉｎ／Ｉｉｎ） （３）

また、負荷抵抗ＲＬが変化するとＶｉｎ／Ｉｉｎが比例して変化する。よって、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎ≒（ωＭ）^２／（Ｖｉｎ／Ｉｉｎ）は負荷抵抗ＲＬに反比例して変化する。

また、図２に示すインバータ回路７の出力インピーダンスＺｏは下式（４）で表される。なお式（４）において、ω＝２πｆであり、ｆはスイッチング周波数（＝伝送周波数）である。また、Ｑ_Ｌは、共振回路（Ｌ２，Ｃ２，Ｚｏ）におけるＱ値である。また、ａは、ＺＶＳ（ゼロボルテージスイッチング）が成立するスイッチング条件における係数である。
Ｚｏ＝ωＬ２／Ｑ_Ｌ＝１／（ωＣ２（Ｑ_Ｌ−ａ）） （４）

式（４）から、インバータ回路７の出力インピーダンスＺｏは、インダクタＬ２のインダクタンスに比例して変化する。また、インバータ回路７の出力インピーダンスＺｏは、コンデンサＣ２のキャパシタンスに反比例して変化する。

そこで、インバータ回路７が、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎに応じ、インダクタＬ２のインダクタンス及びコンデンサＣ２のキャパシタンスのうちの少なくとも一方を制御することで、出力インピーダンスＺｏの制御を行う。ここで、インバータ回路７は、インダクタＬ２のインダクタンスを可変する場合には、当該インダクタンスを上記入力インピーダンスＺｉｎに比例した値に制御する。また、インバータ回路７は、コンデンサＣ２のキャパシタンスを可変する場合には、当該キャパシタンスを上記入力インピーダンスＺｉｎに反比例した値に制御する。

なお、インバータ回路７では、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎを直接は検出できない。一方、インバータ回路７の出力インピーダンスＺｏと送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎとがずれることで、インバータ回路７の動作状態が変化する。例えば図３に示すように、スイッチング電圧（スイッチング素子Ｑ１のドレイン−ソース間電圧）Ｖｄｓ及び出力電圧Ｖｏが変化する。図３において、実線がＺｏ≒Ｚｉｎ（インピーダンス整合）の場合を示し、破線がＺｏ≠Ｚｉｎ（インピーダンス不整合）の場合を示している。
そこで、インバータ回路７では、自身の動作状態の変化を検出することで、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎの変化を間接的に検出する。そして、インバータ回路７は、インピーダンス不整合の状態からインピーダンス整合の状態となるように、インダクタＬ２のインダクタンス及びコンデンサＣ２のキャパシタンスのうちの少なくとも一方を制御する。

これにより、Ｚｏ≒Ｚｉｎの関係を維持でき、共振型電力送信装置と共振型電力受信装置との間のインピーダンス整合が図られるため、妨害波の発生を抑制できる。

以上のように、この実施の形態１によれば、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎに応じ、インダクタＬ２のインダクタンス及びコンデンサＣ２のキャパシタンスのうちの少なくとも一方を可変することで出力インピーダンスＺｏを制御するインバータ回路７を備えたので、磁気シールド部材を用いずに妨害波を抑制できる。

具体的には、共振型電力伝送システムでは、共振型送信電源装置１からの高調波によって、妨害波が発生する。
それに対して、インバータ回路７で入力インピーダンスＺｉｎに応じて出力インピーダンスＺｏを制御することで、共振型送信電源装置１からの高調波を抑制でき、妨害波の発生を抑制できる。

また、共振型電力伝送システムでは、共振型電力送信装置及び共振型電力受信装置を構成する各回路間の入出力インピーダンスの不整合によっても、妨害波が発生する。
それに対して、インバータ回路７で入力インピーダンスＺｉｎに応じて出力インピーダンスＺｏを制御することで、上記各回路間の入出力インピーダンスの不整合を解消できるため、妨害波の発生を抑制できる。

また、共振型電力伝送システムでは、共振型電力送信装置及び共振型電力受信装置を構成する各回路上の寄生インピーダンスによる共振によっても、妨害波が発生する。
それに対して、インバータ回路７で入力インピーダンスＺｉｎに応じて出力インピーダンスＺｏを制御することで、上記各回路間の入出力インピーダンスの不整合を解消できるため、各回路に入る高調波のレベルを限りなく低くできる。その結果、回路上に寄生インピーダンスが存在しても、高調波を増幅してしまう共振現象は少なくなる。よって、妨害波の発生を抑制できる。

また、共振型電力伝送システムでは、共振型電力受信装置の位置が変化して送受信アンテナ２，３に位置ずれが生じた場合、共振型電力送信装置と共振型電力受信装置との間のインピーダンスが不整合となるため、妨害波が発生する。
それに対して、送受信アンテナ２，３の位置がずれると、相互インダクタンスＭが変化し、式（３）から、入力インピーダンスＺｉｎも変化する。そして、インバータ回路７では、入力インピーダンスＺｉｎに応じて出力インピーダンスＺｏを制御する。そのため、共振型電力受信装置の位置が変化して送受信アンテナ２，３に位置ずれが生じたとしても、共振型電力送信装置と共振型電力受信装置との間のインピーダンス整合を維持でき、妨害波の発生を抑制できる。

なお、インバータ回路７で出力インピーダンスＺｏを制御することで、入力電圧Ｖｉｎを変化させることができ、入力インピーダンスＺｉｎを変化させることができる。これは、インバータ回路７で出力インピーダンスＺｏを変えることで、送信アンテナ２の入力電圧及び入力電流の振幅が変化し、これに伴って受信アンテナ３の入力電圧及び入力電流の振幅も変化するためである。

また、共振型電力伝送システムでは、負荷抵抗ＲＬが変化すると、共振型電力送信装置と共振型電力受信装置との間のインピーダンスが不整合となるため、妨害波が発生する。
それに対して、負荷抵抗ＲＬが変化すると入力インピーダンスＺｉｎも変化する。そして、インバータ回路７では、入力インピーダンスＺｉｎに応じて出力インピーダンスＺｏを制御する。そのため、負荷抵抗ＲＬが変化しても、共振型電力送信装置と共振型電力受信装置との間のインピーダンス整合を維持でき、妨害波の発生を抑制できる。

また、実施の形態１に係る共振型電力受信装置では、回路設計により妨害波の発生を抑制している。そのため、電力損失が少なく電力伝送効率の高いシステムを構成できる。また、磁気シールド部材を使用せずに装置を構成できるため、低コスト化、小型化及び軽量化を図れる。

実施の形態２．
実施の形態１では、インバータ回路７が、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎに応じ、インダクタＬ２のインダクタンス及びコンデンサＣ２のキャパシタンスのうちの少なくとも一方を可変することで出力インピーダンスＺｏを制御する場合を示した。これに対し、実施の形態２では、インタフェース電源６ｂが、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎに応じ、インバータ回路７ｂの入力電圧Ｖ_Ｉを制御することで出力インピーダンスＺｏを制御する場合を示す。
図４はこの発明の実施の形態２に係る共振型電力伝送システムの構成例を示す図である。この図４に示す実施の形態２に係る共振型電力伝送システムでは、図１に示す実施の形態１に係る共振型電力伝送システムに対し、インタフェース電源６及びインバータ回路７をインタフェース電源６ｂ及びインバータ回路７ｂに変更している。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

インタフェース電源６ｂは、共振型送信電源装置１に入力された電圧を増減して直流出力するコンバータの機能を有する。インタフェース電源６ｂは、共振型送信電源装置１に直流電力が入力される場合にはＤＣ／ＤＣコンバータの機能を有し、共振型送信電源装置１に交流電力が入力される場合にはＡＣ／ＤＣコンバータの機能を有する。このインタフェース電源６ｂにより得られた電力は、インバータ回路７ｂへ出力される。
また、インタフェース電源６ｂは、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎに応じ、インバータ回路７ｂ（共振型送信電源装置１）の出力インピーダンスＺｏを制御する機能を有している。具体的には、インタフェース電源６ｂは、インバータ回路７ｂの入力電圧Ｖ_Ｉを上記入力インピーダンスＺｉｎの平方根に比例した値に制御する。また、インタフェース電源６ｂは、インバータ回路７ｂにより検出された動作状態の変化から、上記入力インピーダンスＺｉｎの変化を間接的に検出する。

インバータ回路７ｂは、インタフェース電源６ｂから出力された電力を送信アンテナ２が有する共振周波数と同一（略同一の意味を含む）の周波数を有する高周波電力に変換して出力する。このインバータ回路７ｂは、図２に示すような、インダクタＬ２及びコンデンサＣ２を有する共振回路を有するＥ級インバータ回路である。
また、インバータ回路７ｂは、自身（インバータ回路７ｂ）の動作状態の変化を検出し、インタフェース電源６ｂに通知する機能も有している。

次に、実施の形態２におけるインタフェース電源６ｂの機能について説明する。
ここで、インバータ回路７ｂの入力電圧をＶ_Ｉとし、インバータ回路７ｂの出力電力をＰｏとする。

この場合、インバータ回路７ｂの出力インピーダンスＺｏは下式（５）で表される。式（５）から、インバータ回路７ｂの出力インピーダンスＺｏは、Ｖ_Ｉ ^２に比例して変化する。
Ｚｏ＝８Ｖ_Ｉ ^２／（（π^２＋４）Ｐｏ） （５）

また、負荷抵抗ＲＬ＝（Ｖｉｎ／Ｉｉｎ）とおいた場合、下式（６）が成立する。
Ｚｏ＝Ｚｉｎ＝（ωＭ）^２／ＲＬ＝８Ｖ_Ｉ ^２／（（π^２＋４）Ｐｏ） （６）

そこで、インタフェース電源６ｂが、インバータ回路７ｂの入力電圧Ｖ_Ｉを入力インピーダンスＺｉｎの平方根に比例した値に制御する。

なお、インタフェース電源６ｂ及びインバータ回路７ｂでは、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎを直接は検出できない。一方、インバータ回路７ｂの出力インピーダンスＺｏと送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎとがずれることで、インバータ回路７ｂの動作状態が変化する。例えば図５Ａ、図５Ｂに示すように、スイッチング電圧Ｖｄｓ及び出力電圧Ｖｏが変化する。図５において、実線がＺｏ≒Ｚｉｎ（インピーダンス整合）の場合を示し、破線がＺｏ≠Ｚｉｎ（インピーダンス不整合）の場合を示している。
そこで、インバータ回路７ｂでは、自身の動作状態の変化を検出し、インタフェース電源６ｂに通知する。そして、インタフェース電源６ｂは、上記動作状態の変化から、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎの変化を間接的に検出する。そして、図５Ｃに示すように、インタフェース電源６ｂは、インピーダンス不整合の状態からインピーダンス整合の状態となるように、インバータ回路７ｂの入力電圧Ｖ_Ｉを入力インピーダンスＺｉｎの平方根に比例した値に制御する。

これにより、Ｚｏ≒Ｚｉｎの関係を維持でき、共振型電力送信装置と共振型電力受信装置との間のインピーダンス整合が図られるため、妨害波の発生を抑制できる。

以上のように、この実施の形態２によれば、送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎに応じ、インバータ回路７ｂの入力電圧Ｖ_Ｉを制御することで出力インピーダンスＺｏを制御するインタフェース電源６ｂを備えても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお上記では、インバータ回路７ｂが自身の動作状態の変化を検出し、インタフェース電源６ｂが当該動作状態の変化から送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎの変化を間接的に検出する場合を示した。しかしながら、上記入力インピーダンスＺｉｎの変化の間接的な検出方法はこれに限らない。
例えば、インバータ回路７ｂの出力インピーダンスＺｏと送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎがずれることで、インタフェース電源（第２インタフェース電源）９の動作状態も変化する。具体的には、インタフェース電源９の入力電圧Ｖｉｎが変化する。そこで、インバータ回路７ｂに代えてインタフェース電源９が自身（インタフェース電源９）の動作状態の変化を検出し、インタフェース電源６ｂが当該動作状態の変化から送信アンテナ２の入力インピーダンスＺｉｎの変化を間接的に検出してもよい。
なおこの方法では、インタフェース電源６ｂが、相互インダクタンスＭの変化を容易に検出可能となる。

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送信装置は、磁気シールド部材を用いずに妨害波の発生を抑制でき、高周波数の電力を伝送する共振型電力送信装置等に用いるのに適している。

１ 共振型送信電源装置、２ 送信アンテナ（ＴＸ−ＡＮＴ）、３ 受信アンテナ（ＲＸ−ＡＮＴ）、４ 受信回路、５ 負荷、６，６ｂ インタフェース電源（Ｖ_Ｉ−Ｉ／Ｆ）、７，７ｂ インバータ回路、８ 整流回路（ＲＥＣ）、９ インタフェース電源（Ｖ_Ｏ−Ｉ／Ｆ）。

Claims (3)

1. 電力を出力するインバータ回路と、
   前記インバータ回路により出力された電力を伝送する送信アンテナと、
   前記送信アンテナの入力インピーダンスに応じ、前記インバータ回路の入力電圧を前記送信アンテナの入力インピーダンスの平方根に比例した値に制御するインタフェース電源と
   を備えた共振型電力送信装置。
2. 電力を出力するインバータ回路と、
   前記インバータ回路により出力された電力を伝送する送信アンテナと、
   前記送信アンテナの入力インピーダンスに応じ、前記インバータ回路の入力電圧を前記送信アンテナの入力インピーダンスの平方根に比例した値に制御するインタフェース電源と
   を備えた共振型電力伝送システム。
3. 前記送信アンテナにより伝送された電力を受信する受信アンテナと、
   前記受信アンテナにより受信された電力を直流電力に変換する整流回路と、
   前記整流回路により得られた直流電圧を増減する第２インタフェース電源とを備え、
   前記第２インタフェース電源は、自身の動作状態の変化を検出し、
   前記インタフェース電源は、前記第２インタフェース電源により検出された動作状態の変化から前記送信アンテナの入力インピーダンスの変化を間接的に検出する
   ことを特徴とする請求項２記載の共振型電力伝送システム。

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