JP6493526B2 - ワイヤレス給電システムおよびワイヤレス給電方法 - Google Patents
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Description
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されるスイッチング素子を所定の動作周波数で駆動して、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電交流電圧発生回路と、を有し、
前記複数の受電装置は、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、前記交流電圧を直流出力電圧に整流する受電整流回路と、をそれぞれ有し、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
前記送電装置から前記受電装置へワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電整流回路は、前記受電共振機構に対して直列に構成されて、前記受電共振機構の磁界エネルギーが負荷に供給するように構成され、
前記複数の受電装置は、前記直流入力電圧に対する前記直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が2つの極大値を有する双峰性となる、第1等価抵抗値の負荷を有する第1受電装置と、前記電圧利得の周波数特性が単峰性となる、等価抵抗値が前記第1等価抵抗値より大きな第2等価抵抗値の負荷を有する第2受電装置と、を含み、
前記第1受電装置は、前記第1受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定により、前記第1受電装置における前記2つの極大値のうち高周波数側の極大値の周波数と前記動作周波数との位置関係で前記電圧利得が定められ、
前記第2受電装置は、前記電圧利得が極大となる周波数が前記動作周波数と一致するように定められ、前記第2受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定によって前記第2受電装置における前記電圧利得が定められた、
ことを特徴とする。
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されるスイッチング素子を所定の動作周波数で駆動して、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電交流電圧発生回路と、を有し、
前記複数の受電装置は、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、前記交流電圧を直流出力電圧に整流する受電整流回路と、をそれぞれ有し、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
前記送電装置から前記受電装置へワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電整流回路は、前記受電共振機構に対して並列に構成されて、前記受電共振機構の電界エネルギーが負荷に供給するように構成され、
前記複数の受電装置は、前記直流入力電圧に対する前記直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が2つの極大値を有する双峰性となる、第3等価抵抗値の負荷を有する第3受電装置と、前記電圧利得の周波数特性が単峰性となる、等価抵抗値が前記第3等価抵抗値より小さな第4等価抵抗値の負荷を有する第4受電装置と、を含み、
前記第3受電装置は、前記第3受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定により、前記第3受電装置における前記2つの極大値のうち高周波数側の極大値の周波数と前記動作周波数との位置関係で前記電圧利得が定められ、
前記第4受電装置は、前記第4受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定により、前記受電装置における前記電圧利得が極大となる周波数と前記動作周波数との位置関係で前記電圧利得が定められた、
ことを特徴とする。
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されるスイッチング素子を所定の動作周波数で駆動して、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電交流電圧発生回路と、を有し、
前記複数の受電装置は、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、前記交流電圧を直流出力電圧に整流する受電整流回路と、をそれぞれ有し、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
前記送電装置から前記受電装置へワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電整流回路は、前記受電共振機構に対して直列に構成されて、前記受電共振機構の磁界エネルギーが負荷に供給するように構成され、
前記複数の受電装置は、前記直流入力電圧に対する前記直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が2つの極大値を有する双峰性となる、第1等価抵抗値の負荷を有する第1受電装置と、前記電圧利得の周波数特性が単峰性となる、等価抵抗値が前記第1等価抵抗値より大きな第2等価抵抗値の負荷を有する第2受電装置と、を含み、
前記第1受電装置は、前記第1受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定により、前記第1受電装置における前記2つの極大値のうち低周波数側の極大値の周波数が前記動作周波数と一致するように定められ、前記第1受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定によって前記第1受電装置における前記電圧利得が定められ、
前記第2受電装置は、前記電圧利得が極大となる周波数が前記動作周波数と一致するように定められ、前記第2受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定によって前記第2受電装置における前記電圧利得が定められた、
ことを特徴とする。
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されるスイッチング素子を所定の動作周波数で駆動して、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電交流電圧発生回路と、を有し、
前記複数の受電装置は、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、前記交流電圧を直流出力電圧に整流する受電整流回路と、をそれぞれ有し、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
前記送電装置から前記受電装置へワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電整流回路は、前記受電共振機構に対して並列に構成されて、前記受電共振機構の電界エネルギーが負荷に供給するように構成され、
前記複数の受電装置は、前記直流入力電圧に対する前記直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が2つの極大値を有する双峰性となる、第3等価抵抗値の負荷を有する第3受電装置と、前記電圧利得の周波数特性が単峰性となる、等価抵抗値が前記第3等価抵抗値より小さな第4等価抵抗値の負荷を有する第4受電装置と、を含み、
前記第3受電装置は、前記第3受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定により、前記第3受電装置における前記2つの極大値のうち低周波数側の極大値の周波数が前記動作周波数と一致するように定められ、前記第3受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定によって前記第3受電装置における前記電圧利得が定められ、
前記第4受電装置は、前記第4受電装置の受電コイルと前記送電コイルとの結合係数の設定により、前記受電装置における前記電圧利得が極大となる周波数と前記動作周波数との位置関係で前記電圧利得が定められた、
ことを特徴とする。
第1の実施形態では、受電整流回路が受電共振機構に対して直列に構成され、受電コイルの磁気エネルギーが負荷に供給するように構成されたワイヤレス給電システムについて例示する。
送電側では、状態1において、スイッチング素子Q1は見かけ上、導通している。例えば、スイッチング素子Q1がGaN FETの場合は、スイッチング素子Q1の両端に逆方向の電圧-Vds1が与えられてゲート・ドレイン間に電圧(Vgd1)が与えられる。スイッチング素子Q1は、しきい値電圧をオフセット電圧とする逆導通モードとなり、逆並列ダイオードのように動作する。スイッチング素子 Q1の両端の等価的なダイオードDds1は導通し、この期間においてスイッチング素子Q1をターンオンすることでZVS動作が行われる。送電コイルnpには共振電流irが流れ、キャパシタCrは充電される。
送電コイルnpに流れていた共振電流irによりスイッチング素子Q1の両端キャパシタCds1は充電され、スイッチング素子Q2の両端キャパシタCds2は放電される。電圧Vds1が電圧Vi、電圧Vds2が0Vになると状態3となる。
送電側では、状態3において、スイッチング素子Q2は導通している。例えば、スイッチング素子Q2がGaN FETの場合は、スイッチング素子Q2の両端に逆方向の電圧-Vds2が与えられてゲート・ドレイン間に電圧(Vgd2)が与えられる。スイッチング素子Q2は、しきい値電圧をオフセット電圧とする逆導通モードとなり、逆並列ダイオードのように動作する。スイッチング素子Q2の両端の等価的なダイオードDds2は導通し、この期間においてスイッチング素子Q2をターンオンすることでZVS動作が行われる。送電コイルnpには共振電流irが流れ、キャパシタCrは放電される。
送電コイルnpに流れていた共振電流irによりスイッチング素子Q1の両端キャパシタCds1は放電され、スイッチング素子Q2の両端キャパシタCds2は充電される。電圧Vds1が0V、電圧Vds2が電圧Viになると、再び状態1となる。以降、状態1〜4を周期的に繰り返す。
但し、ωs=2π/Ts
端子1−1’間には正弦波電流iac in (t)が与えられる。端子1−1’間には各周波数成分を含む電流が流入しようとするが、電磁界共鳴結合回路によってインピーダンスが大きくなる高次の周波数成分の電流波形はカットされ、共鳴動作を行なうことで、主にスイッチング周波数成分の共鳴電流波形のみが流れ、電力を効率良く伝送することができる。
f1"=1/(2π√(L-Lm)C)
また、送電コイルnpと受電コイルns1(,ns2)との結合による相互インダクタンスLmは、結合係数をkで表すと、
Lm=k√(Lp・Ls) の関係にある。
(1)受電電力が小さい場合において、結合度を小さくすること(例えばk = 0.65→0.1)により、共鳴周波数を動作周波数6.78MHzに近づける。このことで、受電電力を大きくする。
(3)受電電力が小さい場合において、結合度を大きくすること(例えばk = 0.2→0.65)により、電圧利得を大きくして受電電力を大きくする。
第2の実施形態では、送電コイルと受電コイルとの結合係数の他の設定構造について例示する。
第3の実施形態では、送電コイルと受電コイルの形式が第1、第2の実施形態とは異なる例について示す。
第4の実施形態では、受電共振機構の他の例について示す。
第5の実施形態では、直列共振回路と受電整流回路との間にフィルタ回路を備える例を示す。
第6の実施形態では、受電整流回路が受電共振機構に対して並列に構成され、受電コイルの電気エネルギーを負荷に供給するように構成されたワイヤレス給電システムについて例示する。
f1"=1/(2π√(L-Lm)C)
また、送電コイルnpと受電コイルns3,ns4との結合による相互インダクタンスLmは、結合係数をkで表すと、
Lm=k√(Lp・Ls) の関係にある。
(1)受電電力が小さい場合において、結合度を小さくすること(例えばk = 0.65→0.2)により、共鳴周波数を動作周波数6.78MHzに近づける。このことで、受電電力を大きくする。
(3)受電電力が小さい場合において、結合度を小さくすること(例えばk = 0.65→0.2)により、電圧利得を大きくして受電電力を大きくする。
第7の実施形態では、受電共振機構の他の例について示す。
第8の実施形態では、受電共振機構の他の例について示す。
第9の実施形態では、並列共振回路と受電整流回路との間にフィルタ回路を備える例を示す。
Cds…寄生容量
Cds1,Cds2…キャパシタ
Cds3,Cds4…キャパシタ
Cm…相互キャパシタンス
Co…平滑用キャパシタ
Cp,Cs…共振キャパシタ
Cr…送電共振キャパシタ
Crs,Cs…受電共振キャパシタ
Cs1,Cs2…キャパシタンス
Dds1,Dds2,Dds3,Dds4…ダイオード
Lm…相互インダクタンス
Lp…送電コイルのインダクタンス
Ls…受電コイルのインダクタンス
Mc…相互キャパシタンス
Ml…相互インダクタンス
np…送電コイル
ns,ns1,ns2,ns3,ns4…受電コイル
PRU1…第1受電装置
PRU2…第2受電装置
PRU3…第3受電装置
PRU4…第4受電装置
PSU…送電装置
Q1…第1スイッチング素子
Q2…第2スイッチング素子
Q3,Q4…スイッチング素子
RC…受電整流回路
Ro…負荷
S1…第1スイッチ回路
S2…第2スイッチ回路
S3,S4…スイッチ回路
90…電磁界共鳴結合回路
101,102,103,106…ワイヤレス給電システム
Claims (8)
- 送電コイルを備える送電装置と、それぞれ受電コイルを備える複数の受電装置とを備え、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されるスイッチング素子を所定の動作周波数で駆動して、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電交流電圧発生回路と、を有し、
前記複数の受電装置は、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、前記交流電圧を直流出力電圧に整流する受電整流回路と、をそれぞれ有し、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
前記送電装置から前記受電装置へワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電整流回路は、前記受電共振機構に対して直列に構成されて、前記受電共振機構の磁界エネルギーが負荷に供給されるように構成され、
前記複数の受電装置は、第1等価抵抗値の負荷を有して前記直流入力電圧に対する前記直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が2つの極大値を有する双峰性となる第1受電装置と、等価抵抗値が前記第1等価抵抗値より大きな第2等価抵抗値の負荷を有して前記電圧利得の周波数特性が単峰性となる第2受電装置と、を含み、
前記第1受電装置は、前記第1受電装置の受電コイルと前記送電コイルとで前記受電コイルと前記送電コイルとの結合係数が設定されることで定まる、前記動作周波数に対する前記2つの極大値のうちの高周波数側の極大値の周波数の離間量によって、前記第1受電装置における前記電圧利得が定められ、
前記第2受電装置は、前記第2受電装置の受電コイルと前記送電コイルとで前記受電コイルと前記送電コイルとの結合係数が設定されることで、前記第2受電装置における前記電圧利得が定められた、
ことを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 送電コイルを備える送電装置と、それぞれ受電コイルを備える複数の受電装置とを備え、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されるスイッチング素子を所定の動作周波数で駆動して、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電交流電圧発生回路と、を有し、
前記複数の受電装置は、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、前記交流電圧を直流出力電圧に整流する受電整流回路と、をそれぞれ有し、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
前記送電装置から前記受電装置へワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電整流回路は、前記受電共振機構に対して並列に構成されて、前記受電共振機構の電界エネルギーが負荷に供給されるように構成され、
前記複数の受電装置は、第3等価抵抗値の負荷を有して前記直流入力電圧に対する前記直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が2つの極大値を有する双峰性となる第3受電装置と、等価抵抗値が前記第3等価抵抗値より小さな第4等価抵抗値の負荷を有して前記電圧利得の周波数特性が単峰性となる第4受電装置と、を含み、
前記第3受電装置は、前記第3受電装置の受電コイルと前記送電コイルとで前記受電コイルと前記送電コイルとの結合係数が設定されることで定まる、前記動作周波数に対する前記2つの極大値のうちの高周波数側の極大値の周波数の離間量によって、前記第3受電装置における前記電圧利得が定められ、
前記第4受電装置は、前記第4受電装置の受電コイルと前記送電コイルとで前記受電コイルと前記送電コイルとの結合係数が設定されることで定まる、前記動作周波数に対する前記単峰性の極大値の周波数の離間量によって、前記第4受電装置における前記電圧利得が定められた、
ことを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 送電コイルを備える送電装置と、それぞれ受電コイルを備える複数の受電装置とを備え、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されるスイッチング素子を所定の動作周波数で駆動して、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電交流電圧発生回路と、を有し、
前記複数の受電装置は、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、前記交流電圧を直流出力電圧に整流する受電整流回路と、をそれぞれ有し、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
前記送電装置から前記受電装置へワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電整流回路は、前記受電共振機構に対して直列に構成されて、前記受電共振機構の磁界エネルギーが負荷に供給されるように構成され、
前記複数の受電装置は、第1等価抵抗値の負荷を有して前記直流入力電圧に対する前記直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が2つの極大値を有する双峰性となる第1受電装置と、等価抵抗値が前記第1等価抵抗値より大きな第2等価抵抗値の負荷を有して前記電圧利得の周波数特性が単峰性となる第2受電装置と、を含み、
前記第1受電装置は、前記第1受電装置の受電コイルと前記送電コイルとで前記受電コイルと前記送電コイルとの結合係数が設定されることで定まる、前記動作周波数に対する前記2つの極大値のうちの低周波数側の極大値の周波数の離間量によって、前記第1受電装置における前記電圧利得が定められ、
前記第2受電装置は、前記第2受電装置の受電コイルと前記送電コイルとで前記受電コイルと前記送電コイルとの結合係数が設定されることで、前記第2受電装置における前記電圧利得が定められた、
ことを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 送電コイルを備える送電装置と、それぞれ受電コイルを備える複数の受電装置とを備え、
前記送電装置は、前記送電コイルとともに送電共振機構を構成する送電共振キャパシタと、前記送電コイルに電気的に接続されるスイッチング素子を所定の動作周波数で駆動して、直流入力電圧を前記送電共振機構に断続的に与え、前記送電コイルに交流電圧を発生させる送電交流電圧発生回路と、を有し、
前記複数の受電装置は、前記受電コイルとともに受電共振機構を構成する受電共振キャパシタと、前記受電コイルに接続されて、前記交流電圧を直流出力電圧に整流する受電整流回路と、をそれぞれ有し、
前記送電共振機構と前記受電共振機構のそれぞれが有する電界エネルギーおよび磁界エネルギーが相互に作用して電磁界共鳴フィールドが形成され、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互インダクタンスによる磁界結合および相互キャパシタンスによる電界結合によって電磁界共鳴結合が構成され、
前記送電装置から前記受電装置へワイヤレスで電力を供給するワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電整流回路は、前記受電共振機構に対して並列に構成されて、前記受電共振機構の電界エネルギーが負荷に供給されるように構成され、
前記複数の受電装置は、第3等価抵抗値の負荷を有して前記直流入力電圧に対する前記直流出力電圧の比である電圧利得の周波数特性が2つの極大値を有する双峰性となる第3受電装置と、等価抵抗値が前記第3等価抵抗値より小さな第4等価抵抗値の負荷を有して前記電圧利得の周波数特性が単峰性となる第4受電装置と、を含み、
前記第3受電装置は、前記第3受電装置の受電コイルと前記送電コイルとで前記受電コイルと前記送電コイルとの結合係数が設定されることで定まる、前記動作周波数に対する前記2つの極大値のうちの低周波数側の極大値の周波数の離間量によって、前記第3受電装置における前記電圧利得が定められ、
前記第4受電装置は、前記第4受電装置の受電コイルと前記送電コイルとで前記受電コイルと前記送電コイルとの結合係数が設定されることで定まる、前記動作周波数に対する前記単峰性の極大値の周波数の離間量によって、前記第4受電装置における前記電圧利得が定められた、
ことを特徴とするワイヤレス給電システム。 - 前記結合係数は、前記送電コイルに対する前記受電コイルのサイズまたは形状の差によって定められる、請求項1から4のいずれかに記載のワイヤレス給電システム。
- 前記結合係数は、前記送電コイルに対する前記受電コイルのコイル間距離によって定められる、請求項1から4のいずれかに記載のワイヤレス給電システム。
- 請求項1または3に記載のワイヤレス給電システムを用いるワイヤレス給電方法であって、
前記第1受電装置と前記送電装置とを用いて前記第1受電装置へ前記送電装置からワイヤレス給電する、または前記第2受電装置と前記送電装置とを用いて前記第2受電装置へ前記送電装置からワイヤレス給電する、ワイヤレス給電方法。 - 請求項2または4に記載のワイヤレス給電システムを用いるワイヤレス給電方法であって、
前記第3受電装置と前記送電装置とを用いて前記第3受電装置へ前記送電装置からワイヤレス給電する、または前記第4受電装置と前記送電装置とを用いて前記第4受電装置へ前記送電装置からワイヤレス給電する、ワイヤレス給電方法。
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