JP6490250B2 - 電力変換装置および非接触給電システム - Google Patents

電力変換装置および非接触給電システム Download PDF

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Description

この発明は、電力変換装置およびこれを用いた非接触給電システムに関するものである。
従来の非接触給電システムにおいて、送電コイルに流れる高調波電流を低減するために、インバータと送電コイルの間にフィルタを挿入し、送電コイルに流れる電流を低減するものがある（例えば特許文献１）。
特開２０１４−１８３６８４号公報
このような、非接触給電システムにおいては、フィルタを構成するリアクトルやコンデンサの誤差等によって、周波数特性が変動する。よってインバータの駆動周波数を高調波減衰量が最大になるように制御することが理想であるが、個別の非接触給電システムにおいて、動作毎に送電コイル電流の高調波成分を直接測定することは難しい。よって高調波低減効果が最大となる周波数にインバータ駆動周波数を制御できず、高調波低減効果を十分に発揮出来ないという課題がある。
この発明に係わる電力変換装置は、
コイルに高周波電力を供給するインバータと、
一端がインバータの出力端に接続された第１のフィルタリアクトル、
一端が第１のフィルタリアクトルの他端およびコイルの一端に直列に接続された第２のフィルタリアクトル、
一端が第２のフィルタリアクトルの他端に直列に接続された第１のフィルタコンデンサ、
第２のフィルタリアクトルを流れるフィルタ電流のゼロクロス点を検出するフィルタ電流検出部を備える高調波フィルタと、
インバータを制御する制御部と、
を備え、
制御部は、インバータの出力電流のゼロクロス点と第２のフィルタリアクトルを流れるフィルタ電流のゼロクロス点とを一致させるように制御することを特徴とするものである。


また、この発明に係る非接触給電システムは、上記電力変換装置と、高周波電力を供給されたコイルと磁気的に結合し、このコイルから非接触で電力を供給される受電コイルと、この受電コイルの出力を整流して負荷に電力を供給する整流器とを有する。
この発明の電力変換装置によれば、高調波フィルタの高調波低減の度合いを高めることができる。
また、この発明の非接触給電システムは、高調波が低減された電力を負荷に供給することができる。
この発明の実施の形態１における電力変換装置の全体構成図である。 この発明の実施の形態１における制御部の構成概念図である。 この発明の実施の形態１におけるインバータ出力電流検出部の回路構成図である。 この発明の実施の形態１におけるフィルタ電流検出部の回路構成図である。 この発明の実施の形態１における別のインバータ出力電流検出部の回路構成図である。 この発明の実施の形態１における別のフィルタ電流検出部の回路構成図である。 この発明の実施の形態１における電力変換装置を使用した非接触給電システムの全体構成図である。 この発明の実施の形態１におけるインバータ駆動周波数制御の波形図である。 この発明の実施の形態１におけるインバータ駆動周波数制御の図６とは別の時点での波形図である。 この発明の実施の形態１におけるインバータ駆動周波数制御のフローチャートである。 この発明の実施の形態１におけるインバータ駆動周波数制御後の波形図である。 高調波フィルタを含まない非接触給電システムの全体構成図である。 図１０の非接触給電システムの送電コイルに流れる電流波形図である。 図１０の非接触給電システムの送電コイルに流れる電流の高速フーリエ変換の解析結果を示す図である。 この発明の実施の形態１における高調波フィルタの位相特性図である。 図１２の高調波フィルタを使用した際の送電コイルに流れる電流の高速フーリエ変換の解析結果を示す図である。 図５の非接触給電システムにおいて、インバータの出力電流とフィルタ電流の位相特性とをシミュレーション解析を行った結果を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるインバータ駆動周波数制御を行った場合の送電コイルに流れる電流の高速フーリエ変換の解析結果を示す図である。 この発明の実施の形態２におけるインバータのオン、オフとインバータの出力電圧の立ち上がり関係を示す図である。 この発明の実施の形態３における電力変換装置の全体構成図である。 この発明の実施の形態４における電力変換装置の全体構成図である。 この発明の実施の形態４における別の電力変換装置の全体構成図である。 この発明の実施の形態５における非接触給電システムの全体構成図である。 この発明の実施の形態６における電力変換装置の全体構成図である。
実施の形態１．
[基本構成]
本実施の形態１における電力変換装置の基本的な構成を説明する。図１は、実施の形態１における電力変換装置の全体構成図である。高周波電力を供給するインバータ０１の出力側にインバータ出力電圧検出部０２、インバータ出力電流検出部０３が接続される。インバータ出力電圧検出部０２、及びインバータ出力電流検出部０３の後段に高調波フィルタ０４が接続され、高調波フィルタ０４の後段に送電コンデンサ０５と送電コイル０６が接続される。
高調波フィルタ０４は、第１のフィルタリアクトル４０１、第２のフィルタリアクトル４０２、フィルタコンデンサ４０３、及びフィルタ電流検出部４０４で構成される。
制御部０７は、図２で示されるように、マイクロプロセッサ―０７１（以下マイコンと称す）、マイコン０７１のプログラムを格納するメモリ０７２、その他論理回路などで構成され、プログラムに従って、インバータ出力電圧検出部０２、インバータ出力電流検出部０３、及びフィルタ電流検出部４０４の各部のゼロクロスタイミングで信号を受信し、これら信号に応じてインバータ０１の駆動周波数を制御することができる。
[ゼロクロス検出具体例]
図３Ａは、実施の形態１におけるインバータ出力電流検出部０３の回路構成図、図３Ｂは、実施の形態１におけるフィルタ電流検出部４０４の回路構成図である。図３Ａ、図３Ｂにおいて、インバータ出力電流検出部０３あるいはフィルタ電流検出部４０４は、電流検出抵抗、あるいはカレントトランスなどの電流測定用素子３０１と、コンパレータ３０３、４１３で構成される。コンパレータ３０３、４１３により基準電圧（本実施の形態では０Ｖ）と、電流測定用素子３０１に生じる電圧（端子間電圧）とを比較し、０Ｖを超えたときのコンパレータ３０３、４１３の出力の立ち上がりをゼロクロス点として制御部０７が受信する。
また、別の方法として図３Ａ、図３Ｂのコンパレータ３０３、４１３に替えて、電流測定用素子３０１と同様な機能を有する電流測定用素子４１１、及びオペアンプ３０４、４１４で構成したインバータ出力電流検出部０３とフィルタ電流検出部４０４を図４Ａ、図４Ｂに示す。制御部０７に含まれるマイコン０７１のアナログ−ディジタル変換機能により、オペアンプ３０４，４１４からの出力の電流値をインバータ０１の駆動周波数よりも高い周波数で測定し、電流が正から負になったとき、または負から正になったときをゼロクロス点として検出してもよい。
[フィルタ特性の設定例]
実施の形態１では、インバータ０１の駆動周波数の３次高調波電流を送電コイル０６に流さないことを目的として高調波フィルタ０４を構成しており、以降、３次高調波フィルタとして説明を行うが、この高調波フィルタ０４は、５次、あるいは７次等の高調波電流低減を目的に構成してもよい。
[基本動作]
図５は、上述した電力変換装置を使用した非接触給電システムの全体構成図である。電力変換装置の基本動作について、図５により説明する。
インバータ０１は、直流電源１１に接続される。直流電源１１から直流電力がインバータ０１に入力され、インバータ０１は駆動周波数finvでスイッチングを行い、高周波電力を出力する。インバータ０１は、フルブリッジインバータ、ハーフブリッジインバータ等、直流を交流に変換できるものであればよく、構成は限定されない。
インバータ０１から出力された高周波電力は、高調波フィルタ０４を通過し、送電コンデンサ０５を経て、送電コイル０６に入力される。送電コイル０６に流れる高周波電流により、送電コイル０６の周辺空間に高周波磁界が形成される。この高周波磁界と受電コイル１２が鎖交することにより、送電コイル０６から受電コイル１２に非接触で電力を供給する。
受電コイル１２に受電コンデンサ１３が接続され、整流ダイオード１４を介して負荷１５に電力を供給する。図５では、受電コイル１２、受電コンデンサ１３は直列に接続されているが、非接触給電システムの一例を示したものであり、この構成に限定されるものではない。
次にインバータの駆動周波数制御について説明する。図６は、上記の動作時のインバータ出力電圧、インバータ出力電流、フィルタ電流の波形の一例を示した波形図。図７は図６とは別の時点でのインバータ出力電圧、インバータ出力電流、フィルタ電流の波形の一例を示した波形図。図８は、このインバータ駆動周波数制御のフローチャートを示す。以下、図８のフローチャートに従い、図６、図７の波形図により説明する。また、図６、図７の縦軸は、電流、電圧の大きさ、横軸は時間の経緯を表す。フローチャートの管理は、制御部０７で行われ、メモリ０７２内のソフトウエアにより、マイコン０７１により実現してもよいし、一部論理回路を含めた構成としてもよい。
図６において、インバータ出力電圧の正方向への立ち上がりを基準として、フィルタ電流の負から正方向への１回目のゼロクロス点Ｚfilが存在し、このゼロクロス点Ｚfilより遅れて、インバータ出力電流の負から正方向へのゼロクロス点Ｚinvが存在する。これらゼロクロス点Ｚfilとゼロクロス点Ｚinvとをそれぞれフィルタ電流検出部４０４とインバータ出力電流検出部０３にて検出する。検出されたゼロクロス点は、制御部０７で受信し、ゼロクロス点Ｚfilからゼロクロス点Ｚinvまでの時間（位相差）Ｔdefを測定する。


これを図８のフローチャートを参照して説明すると、インバータ出力電圧のゼロクロス点Ｖ0が制御部０７でまず受信される（図８中、Ｓ１）。その後、フィルタ電流のゼロクロス点Ｚfilの検出の有無を判断し（Ｓ２）、検出を制御部０７にて受信したときに時間のカウントを開始する（Ｓ３）。次にインバータ出力電流のゼロクロス点Ｚinvの検出の有無を判断し（Ｓ４）、これを制御部０７で受信した時に時間のカウントを終了し（Ｓ５）、ゼロクロス点間の時間（位相差）Ｔdefを得る（Ｓ５）。なお、ゼロクロス点間の時間（位相差）Ｔdefを得る方法はこれに限らず他の方法でもよい。ゼロクロス点間の時間（位相差）Ｔdefが、例えば、予め定められた閾値αと比較し（Ｓ６）、閾値αより大きい場合、インバータ駆動周波数finvを低くすると（Ｓ７）、位相差Ｔdefは小さくなる。一定間隔でこの動作を繰り返すことで、位相差Ｔdefを徐々に小さくする。閾値α以下となった場合には、インバータ駆動周波数finvは変化させない。
次に図７の場合、インバータ出力電圧の正方向への立ち上がりを基準として、インバータ出力電流のゼロクロス点Ｚinvよりも、フィルタ電流のゼロクロス点Ｚfilは遅れている。この場合、インバータ出力電圧のゼロクロス点Ｖ0を制御部０７で受信し（Ｓ１）、その後、フィルタ電流のゼロクロス点Ｚfilの検出の有無（Ｓ２）、またはインバータ出力電流のゼロクロス点Ｚinvの検出の有無（Ｓ８）を判断する。インバータ出力電流のゼロクロス点Ｚinvを先に受信した時、制御部０７で時間のカウントを開始する（Ｓ９）。次にフィルタ電流のゼロクロス点Ｚfilの検出の有無を判断し（Ｓ１０）、制御部０７が検出を受信した際に時間のカウントを終了し（Ｓ１１）、位相差Ｔdefを得る。この位相差Ｔdefが閾値αと比較し（Ｓ１２）、閾値αより大きいとき、インバータ駆動周波数を変化させるが、図６のように、フィルタ電流のゼロクロス点Ｚfilよりもインバータ出力電流のゼロクロス点Ｚinvを先に検出し、制御部０７が受信する場合には、インバータ駆動周波数finvを高くする（Ｓ１３）。一定の間隔でこの動作を繰り返すことで、位相差Ｔdefを徐々に小さくする。閾値α以下となった場合には、インバータ駆動周波数finvは変化させない。
図８のフローチャートでは、位相差Ｔdefが予め定められた閾値α以下となった場合に、インバータ駆動周波数finvの変化を中止したが、位相差Ｔdefが０になった場合、または実現可能な最小値βになった場合にインバータ駆動周波数finvを変化させないこととしてもよい。この、予め決められた閾値α、または実現可能な最小値βは、ゼロクロス点間の時間測定方法や、マイコンの動作クロック等により変化するので特に限定しない。
以上のようなインバータ駆動周波数制御を行うと、インバータ出力電圧とインバータ出力電流とフィルタ電流のそれぞれの位相は図９に示す通りとなる。インバータ出力電圧のゼロクロス点Ｖ0を基準としてフィルタ電流のゼロクロス点Ｚfilとインバータ出力電流のゼロクロス点Ｚinvとが一致している。このとき、送電コイル０６に流れる３次高調波電流が最も低減されている状態となる。この理由については後述する。
本実施の形態１では、インバータ出力電圧検出部０２より得られるインバータ出力電圧のゼロクロス点Ｖ0を基準としてインバータ出力電流のゼロクロス点Ｚinvとフィルタ電流のゼロクロス点Ｚfilとを測定しているが、この方法に代わって、制御部０７からインバータ０１に入力されるゲート信号（例えばゲート信号の立ち下がり）を基準としてインバータ出力電流のゼロクロス点Ｚinvとフィルタ電流のゼロクロス点Ｚfilとを測定してもよい。
次に上記制御方法で、送電コイル０６に流れる３次高調波が最も低減される理由について、詳細に説明する。
[非接触給電システムの高調波に関する説明]
まず、非接触給電システムにおける高調波について説明する。
図１０は高調波フィルタを含まない非接触給電システムの全体構成図である。このシステムではインバータ０１から矩形波電圧が出力されるため、送電コイル０６にはこの波形由来の高調波成分が含まれることになる。
図１１は、送電コイル０６に流れる電流波形図、図１２は送電コイル０６に流れる電流の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）の解析結果を示したものである。図１１と図１２に示した結果はシミュレーション解析によるものである。図１２において、基本波成分（インバータ駆動周波数）を０ｄＢとした。図１１の電流波形は一見、正弦波であるが、図１２のように、ＦＦＴ解析結果から３次高調波成分が基本波成分の１％（−４０ｄＢ）含まれていることがわかる。キロワットオーダーの電力給電においては、この３次高調波電流による漏洩電磁界強度も法令規制値を超える可能性があり、これを低減する必要がある。
しかし、今回のような非接触給電システムにおいて、３次高調波を減衰できるＲＣフィルタやＬＲフィルタやＬＣフィルタをインバータの出力端と送電コイル０６との間に挿入した場合、電力損失が大きく、また、基本波成分の位相特性にも悪影響を与える。従って、ＲＣフィルタやＬＲフィルタやＬＣフィルタは、電力伝送系における３次、５次などの基本波に近い高調波成分の低減に適さない。
[高調波フィルタの説明]
そこで、本発明では、図１の構成で高調波フィルタ０４を構成した。この高調波フィルタ０４の位相特性は図１３に示すとおりである。この高調波フィルタ０４は、特定の周波数成分（以下ノッチ周波数）だけを大きく減衰することができ、電力損失や位相特性の点で、ＲＣフィルタ、ＬＲフィルタ、またはＬＣフィルタより有利である。インバータ０１の駆動周波数finvの３次高調波３finvと、高調波フィルタのノッチ周波数frejを一致させることにより、送電コイル０６に流入する電流の３次高調波成分を、小さな電力損失で低減することができる。
[本高調波フィルタの課題]
しかし、この高調波フィルタ０４は、ノッチ周波数frejでの減衰量が大きい反面、ノッチ周波数frej以外の周波数では減衰量が小さくなる。この高調波フィルタ０４は、リアクトル（Lf1、Lf2）とコンデンサ（Cf1）で構成されるため、それらの製造誤差によって、ノッチ周波数frejは個体によって僅かに異なる値をとる。例えばノッチ周波数frejが２４６ｋＨｚである高調波フィルタを持つ電力変換装置において、インバータ０１を駆動周波数８０ｋＨｚで動作させたとき、その３次高調波は２４０ｋＨｚであり、ノッチ周波数frejと３次高調波には６ｋＨｚの差が生じる。この場合の送電コイル０６に流れる電流のＦＦＴ解析結果を図１４に示す。３次高調波成分は−４３ｄＢとなり、図１２の結果と比較すると、高調波低減効果が３ｄＢしかない。従って、ノッチ周波数frejとインバータ０１の３次高調波３finvとが一致するようにインバータ駆動周波数finvを制御することが望ましい。
この方法としてインバータ０１の駆動周波数を変化させ、その周波数毎に送電コイル０６に流れる電流をＦＦＴ解析し、最も３次高調波が小さくなった周波数に制御することが考えられる。しかし個別に送電コイル０６に流れる電流をＦＦＴ解析するのはコストの問題があり、現実的でない。従って、前記ＦＦＴ解析以外の制御が必要となる。
[本高調波フィルタの課題解決]
以下ＦＦＴ解析以外の方法でのインバータ駆動周波数制御について説明を行う。
図１５は、図５の回路でインバータ０１の出力電流とフィルタ電流の位相特性をシミュレーションで解析を行った結果である。これはフィルタ入力電圧を基準として解析を行った。ノッチ周波数frejにおいて、フィルタ電流位相とインバータ出力電流位相とは一致している。また、ノッチ周波数frejよりも周波数が低い場合には、フィルタ電流位相に対してインバータ出力電流位相は進んでいる。一方、ノッチ周波数frejよりも駆動周波数が高い場合にはフィルタ電流位相に対してインバータ出力電流位相は遅れている。つまりノッチ周波数frejにおいて、インバータ出力電流とフィルタ電流の位相関係は反転する。このことを利用すればＦＦＴ解析を行うことなく、インバータ駆動周波数を高調波フィルタの高調波減衰量が最大となるように制御が可能となる。具体的には、上述した[基本動作]の欄で説明したように、インバータ出力電流のゼロクロス点Ｚinvがフィルタ電流ゼロクロス点Ｚfilに対して遅れている場合には、インバータ駆動周波数finvを低くし、インバータ出力電流のゼロクロス点Ｚinvがフィルタ電流ゼロクロス点Ｚfilに対して進んでいる場合には、インバータ駆動周波数finvを高くして、インバータ出力電流のゼロクロス点Ｚinvとフィルタ電流のゼロクロス点Ｚfilとを一致させるようにインバータ駆動周波数finvを制御する。図１６にインバータ０１の駆動周波数制御を行った場合の送電コイル電流のＦＦＴ解析結果を示す。３次高調波成分が−５７ｄＢとなっており、図１２の結果と比較すると、１７ｄＢの高調波低減効果があることがわかる。
[効果]
この構成と制御方法によれば、高調波フィルタのノッチ周波数とインバータ駆動周波数の３次高調波成分を一致させることができ、高調波フィルタでの高調波低減効果を最大にすることができる。
実施の形態２．
[構成]
上述した実施の形態１では、インバータ出力電圧の立ち上がりを検出する手段として、インバータ出力電圧検出部０２を用いていたが、他の方法として、インバータ０１の動作を制御するゲート信号の立ち下がりを、インバータ出力電圧の立ち上がりとみなして、実施の形態１に説明した周波数制御を行っても良い。
[動作]
具体的な適用例を説明する。インバータ０１としてフルブリッジインバータを用いる。図１７は、インバータ０１のオン、オフとインバータ出力電圧の立ち上がり関係を示す図である。インバータ０１の各スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタで構成される、スイッチＱ１とスイッチＱ４が、オン状態からオフ状態になる瞬間を考える。このとき、インバータ０１の出力電圧が立ち上がる。また、このスイッチＱ１とスイッチＱ４のオンからオフへの変化は、スイッチＱ１とスイッチＱ４に入力されるゲート信号の立ち下がりを、インバータ出力電圧の立ち上がりとみなし、実施の形態１で説明したインバータ駆動周波数制御を行うことが可能となる。これは、インバータ０1のスイッチに入力されるゲート信号の立ち下がりを、インバータ出力電圧の立ち上がりの代替とする手段の一例である。本実施の形態では、フルブリッジインバータを例に挙げたが、ハーフブリッジインバータや、他のインバータ制御方法での実施も本実施の形態に含む。また、ゲート信号の立ち下がりから、インバータ出力電圧の立ち上がりまでの遅延も含めて、インバータ出力電圧の立ち上がり検出の代替とすることを含む。
[効果]
本実施の形態２の構成で、インバータ出力電圧検出部０２を代替することができ、小型化、部品数を減らす効果がある。
実施の形態３．
[構成]
図１８に本発明の実施の形態３における電力変換装置の全体構成図を示す。高周波電力を供給するインバータ０１、インバータ０１の出力側に、インバータ出力電圧検出部０２とインバータ出力電流検出部０３が接続される。インバータ出力電圧検出部０２及びインバータ出力電流検出部０３の後段に高調波フィルタ０４が接続され、高調波フィルタ０４の後段に高調波フィルタ０８が接続される。高調波フィルタ０８の後段に送電コンデンサ０５と送電コイル０６が接続される。
高調波フィルタ０４は、第１のフィルタリアクトル４０１、第２のフィルタリアクトル４０２、フィルタコンデンサ４０３、及びフィルタ電流検出部４０４で構成され、高調波フィルタ０８は、第３のフィルタリアクトル８０１、第５のフィルタリアクトル８０２、フィルタコンデンサ８０３、及びフィルタ電流検出部８０４から構成される。
この構成において、例えば、高調波フィルタ０４を３次高調波低減用に設定し、高調波フィルタ０８を５次高調波低減用として設定することで、３次高調波と５次高調波の２つの高調波成分の低減が可能となる。
[動作]
なお、高調波フィルタ０４を３次高調波低減用、高調波フィルタ０８を５次高調波低減用に設定した場合、どちらか一方の高調波成分に合わせて実施の形態１に記載の周波数制御を行う。また、本実施の形態３では、高調波フィルタを２つ接続した構成について説明したが、高調波フィルタを３つ以上接続した構成でもよい。
[効果]
本実施の形態３の構成を用いることにより、複数の高調波成分の低減効果を得ることが出できる。
実施の形態４．
[構成]
図１９に本発明の実施の形態４における電力変換装置の構成を示す。
高周波電力を供給するインバータ０１、インバータ出力側にインバータ出力電圧検出部０２、及びインバータ出力電流検出部０３が接続される。インバータ出力電圧検出部０２、及びインバータ出力電流検出部０３の後段に、第1のフィルタリアクトル４０１と第２のフィルタリアクトル４０２とフィルタコンデンサ４０３とフィルタ電流検出部４０４とで構成される高調波フィルタ０４が接続される。高調波フィルタ０４の後段に、第３のフィルタリアクトル５０１と第２のフィルタコンデンサ５０２からなる高次高調波フィルタが接続され、その後段に送電コンデンサ０５と第１の送電コイル０６が接続される。
なお、図２０のように高調波フィルタ０４の前段に第３のフィルタリアクトル５０１と第２のフィルタコンデンサ５０２からなる高次高調波フィルタが接続された構成でもよい。
また制御部０７はマイコン０７１等で構成され、インバータ出力電圧検出部０２とインバータ出力電流検出部０３とフィルタ電流検出部４０４とから、各部でのゼロクロスタイミングで信号を受信し、その信号に応じてインバータの駆動周波数を制御することが出来る。
[効果]
第３のフィルタリアクトル５０１と第２のフィルタコンデンサ５０２を追加することにより、ノッチ周波数frejより高い周波数の高次高調波成分も低減が可能となる。
実施の形態５．
[構成]
図２１に本発明の実施の形態５における非接触給電システムの構成を示す。
第１の電力変換装置１００は高周波電力を供給するインバータ０１、インバータ０１の出力側にインバータ出力電圧検出部０２、及びインバータ出力電流検出部０３が接続される。インバータ出力電圧検出部０２及びインバータ出力電流検出部０３の後段に第１のフィルタリアクトル４０１と第２のフィルタリアクトル４０２とフィルタコンデンサ４０３とフィルタ電流検出部４０４とフィルタ切替スイッチ４０７とで構成される高調波フィルタ０４が接続される。高調波フィルタ０４の後段にコンデンサ４９と第１の非接触給電用コイル５０とが接続される。また制御部０７はマイコン０７１等で構成され、インバータ出力電圧検出部０２とインバータ出力電流検出部０３とフィルタ電流検出部４０４とから、各部でのゼロクロスタイミングで信号を受信し、その信号に応じてインバータの駆動周波数を制御することが出来る。なお、フィルタ切替スイッチ４０７は、機械式スイッチまたは半導体スイッチのいずれでもよい。
また第２の非接触給電用コイル５１を含む第２の電力変換装置２００があり、第１の非接触給電用コイル５０と第２の非接触給電用コイル５１とは磁界を介して結合し、電力の送受電が可能である。
[動作]
第１の電力変換装置１００から第２の電力変換装置２００に電力を送電する場合には、フィルタ切替スイッチ４０７をオンにして、実施の形態１で説明したのと同様の動作を行い、第１の非接触給電用コイル５０の電流高調波成分の低減を行う。
一方第１の電力変換装置１００が第２の電力変換装置２００から電力を受電する場合には、フィルタ切替スイッチ４０７をオフにして、高調波フィルタ０４のフィルタコンデンサ４０３の経路に電流を流れないようにする。
[効果]
フィルタ切替スイッチ４０７を備えることにより、受電時に、フィルタコンデンサ４０３の経路の電流を遮断出来るので、高調波フィルタ０４による損失の低減と共振条件の変動による効率低下の効果がある。
実施の形態６．
[構成]
図２２に実施の形態６における電力変換装置の構成を示す。電力変換装置は高周波電力を供給するインバータ０１、インバータ出力側にインバータ出力電圧検出部０２、及びインバータ出力電流検出部０３が接続される。インバータ出力電圧検出部０２及びインバータ出力電流検出部０３の後段に、第１のフィルタリアクトル４０１と第２のフィルタリアクトル４０２と第４のフィルタリアクトル４０５と第１のフィルタコンデンサ４０３ａと第３のフィルタコンデンサ４０３ｂとフィルタ切替スイッチ４０８ａとフィルタ切替スイッチ４０８ｂとフィルタ電流検出部４０４とで構成される高調波フィルタ０４が接続される。高調波フィルタ０４の後段に送電コンデンサ０５と送電コイル０６とが接続される。
また制御部０７はマイコン０７１等で構成され、インバータ出力電圧検出部０２とインバータ出力電流検出部０３とフィルタ電流検出部４０４から、各部でのゼロクロスタイミングで信号を受信し、その信号に応じてインバータの駆動周波数を制御することが出来る。
一例として、高調波フィルタ０４の設定について説明する。第１のフィルタリアクトル４０１と第２のフィルタリアクトル４０２と第１のフィルタコンデンサ４０３ａとで、インバータの駆動周波数ｆａのときのｎ次高調波を低減出来るように、フィルタの値を設定する。また、第１のフィルタリアクトル４０１と第４のフィルタリアクトル４０５と第３のフィルタコンデンサ４０３ｂとでインバータの駆動周波数ｆｂのときのｎ次高調波を低減出来るようにフィルタの値を設定する。
[動作]
フィルタ切替スイッチ４０８ａをオンにし、フィルタ切替スイッチ４０８ｂをオフにした状態で、インバータ駆動周波数ｆａ付近で動作させる。基本的な動作は実施の形態1で説明したものと同様である。このとき、所定の電力が出力されれば問題ないが、条件によっては、所定の電力が出力されない場合がある。例えば、コイル間の位置ずれにより結合係数が大きく変化した場合には、インバータから見た負荷インピーダンスも大きく変わるため、インバータ駆動周波数を変更しないと、所定電力が出力出来なくなる。このような条件において、インバータの動作周波数を変更する場合に、フィルタ切替スイッチ４０８ａをオフにし、フィルタ切替スイッチ４０８ｂをオンにする。こうすることで、インバータ駆動周波数をｆａからｆｂに変更したときも、そのｎ次高調波の低減が可能となる。
また電力変換装置が電力を受電する場合には、フィルタ切替スイッチ４０８ａとフィルタ切替スイッチ４０８ｂの両方をオフにして、高調波フィルタ０４に流れる電流を遮断することができる。
[効果]
コイル間の位置ズレ等、動作条件が大きく変動したときに、インバータの駆動周波数の変更に対応することが出来、所定電力の出力が可能となる。
また送電時には高調波フィルタを機能させ、受電時には、高調波フィルタを機能させないので、受電時の高調波フィルタ部分での効率低下を防ぐことが出来る。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
また、図中、同一符号は同一部分または相当する部分を示す。
０１ インバータ、０２ インバータ出力電圧検出部、０３ インバータ出力電流検出部、０４、０８ 高調波フィルタ、０５ 送電コンデンサ、０６ 送電コイル、０７ 制御部、１２ 受電コイル、１３ 受電コンデンサ、１４ 整流ダイオード、１５ 負荷、４９ コンデンサ、５０ 第１の非接触給電用コイル、５１ 第２の非接触給電用コイル、０７１ マイコン、０７２ メモリ、１００ 第１の電力変換装置、２００ 第２の電力変換装置、３０１、４１１ 電流測定用素子、３０３、４１３ コンパレータ、３０４、４１４ オペアンプ、４０１ 第１のフィルタリアクトル、４０２ 第２のフィルタリアクトル、４０３、８０３ フィルタコンデンサ、４０３ａ 第１のフィルタコンデンサ、４０３ｂ 第３のフィルタコンデンサ、５０２ 第２のフィルタコンデンサ、４０５ 第４のフィルタリアクトル、４０４、８０４ フィルタ電流検出部、５０１、８０１ 第３のフィルタリアクトル、４０７、４０８ａ、４０８ｂ フィルタ切替スイッチ、８０２ 第５のフィルタリアクトル。

Claims (12)

  1. コイルに高周波電力を供給するインバータと、
    一端が前記インバータの出力端に接続された第１のフィルタリアクトル、
    一端が前記第１のフィルタリアクトルの他端および前記コイルの一端に直列に接続された第２のフィルタリアクトル、
    一端が前記第２のフィルタリアクトルの他端に直列に接続された第１のフィルタコンデンサ、
    前記第２のフィルタリアクトルを流れるフィルタ電流のゼロクロス点を検出するフィルタ電流検出部を備える高調波フィルタと、
    前記インバータを制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記インバータの出力電流のゼロクロス点と前記第２のフィルタリアクトルを流れるフィルタ電流のゼロクロス点とを一致させるように制御すること、
    を特徴とする電力変換装置。
  2. 前記インバータの出力電圧の立ち上がりを検出するインバータ出力電圧検出部と、
    前記インバータの出力電流のゼロクロス点を検出するインバータ出力電流検出部と、
    を備え、
    前記制御部は、インバータ出力電圧の立ち上がりを検出した後に、インバータ出力電流のゼロクロス点を前記フィルタ電流のゼロクロス点よりも先に検出した場合には、インバータ駆動周波数を高くし、
    前記フィルタ電流のゼロクロス点を前記インバータ出力電流のゼロクロス点よりも先に検出した場合には、前記インバータ駆動周波数を低くするように制御すること、
    を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記制御部から前記インバータに入力されるゲート信号の立ち下がりを検出した後に、前記インバータの出力電流のゼロクロス点を前記フィルタ電流のゼロクロス点よりも先に検出した場合には、インバータ駆動周波数を高くし、
    前記フィルタ電流のゼロクロス点を前記インバータの出力電流のゼロクロス点よりも先に検出した場合には、前記インバータ駆動周波数を低くするように制御することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  4. 前記高調波フィルタの第１のフィルタリアクトルと第２のフィルタリアクトルとの接続点に、第３のフィルタリアクトルと第２のフィルタコンデンサで構成された高次高調波フィルタ回路が接続されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  5. 前記インバータと前記高調波フィルタとの間に第３のフィルタリアクトルと第２のフィルタコンデンサで構成された高次高調波フィルタ回路が接続されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  6. 前記高調波フィルタの第１のフィルタコンデンサに直列に、フィルタ切替スイッチが接続され、電力を送電する場合には前記フィルタ切替スイッチをオンにし、電力を受電する場合には前記フィルタ切替スイッチをオフにすることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  7. 前記高調波フィルタの前記第１のフィルタコンデンサに直列に接続され、オフにすることにより直列に接続された前記第２のフィルタリアクトルおよび前記第１のフィルタコンデンサに流れる電流を遮断することが可能な第１のフィルタ切替スイッチと、
    前記第２のフィルタリアクトルと並列に接続された第４のフィルタリアクトルと、
    この第４のフィルタリアクトルと直列に接続された第３のフィルタコンデンサと、
    この第３のフィルタコンデンサと直列に接続され、オフにすることにより直列に接続された前記第４のフィルタリアクトルおよび前記第３のフィルタコンデンサに流れる電流を遮断することが可能な第２のフィルタ切替スイッチと、
    を備え、
    前記第１のフィルタ切替スイッチと前記第２のフィルタ切替スイッチとは前記フィルタ電流検出部に接続され、
    電力を送電する場合には、前記第１のフィルタ切替スイッチと前記第２のフィルタ切替スイッチのうちの一方をオン、他方をオフにするように制御し、
    電力を受電する場合には前記第１のフィルタ切替スイッチと前記第２のフィルタ切替スイッチの両方をオフにするように制御することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  8. 前記フィルタ電流検出部は、第１の電流測定用素子と、前記第１の電流測定用素子の端子間電圧を第１の基準電圧と比較する第１のコンパレータとで構成され、前記第１のコンパレータの出力の立ち上がりを前記フィルタ電流のゼロクロス点として前記制御部に出力し、前記インバータ出力電流検出部は、第２の電流測定用素子と、前記第２の電流測定用素子の端子間電圧を第２の基準電圧と比較する第２のコンパレータとで構成され、前記第２のコンパレータの出力の立ち上がりを前記インバータ出力電流のゼロクロス点として前記制御部に出力することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
  9. 前記フィルタ電流検出部は、第１の電流測定用素子と第１のオペアンプとで構成され、前記第１のオペアンプの出力を前記制御部でアナログ−ディジタル変換することでフィルタ電流を測定し、測定した電流値の符号の反転により前記フィルタ電流のゼロクロス点を検出し、前記インバータ出力電流検出部は、第２の電流測定用素子と第２のオペアンプとで構成され、前記第２のオペアンプの出力を前記制御部でアナログ−ディジタル変換することで前記インバータ出力電流を測定し、測定した電流値の符号の反転により前記インバータ出力電流のゼロクロス点を検出することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
  10. 前記第１の電流測定用素子、及び前記第２の電流測定用素子は、電流検出抵抗またはカレントトランスであることを特徴とする請求項８または９に記載の電力変換装置。
  11. 前記高調波フィルタは、複数段設けられ、いずれかひとつの高調波フィルタのフィルタ電流のゼロクロス点と、前記インバータの出力電流のゼロクロス点とを一致させるように前記制御部で制御することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
  12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の電力変換装置と、前記高周波電力を供給されたコイルと磁気的に結合し、前記コイルから非接触で電力を供給される受電コイルと、前記受電コイルの出力を整流して負荷に電力を供給する整流器と、を有する非接触給電システム。
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