JP6601538B2 - ワイヤレス給電装置 - Google Patents
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Description
前記送電コイルと等価的に直列接続されて送電側共振回路を構成する少なくとも1つの送電側共振キャパシタと、
前記送電側共振回路と接続され、オンオフさせることにより直流電源を前記送電側共振回路に断続的に加えて前記送電側共振回路に共振電流を発生させるスイッチ素子と、このスイッチ素子をスイッチング周波数でスイッチングするスイッチング制御回路とを備えた送電側スイッチング回路と、
前記受電コイルと等価的に直列に接続され受電側共振回路を構成する少なくとも1つの受電側共振キャパシタと、
前記受電側共振回路に接続され、共振電流を整流して負荷に電流を供給する整流素子を備えた受電側整流回路と、
を備え、
前記送電コイルまたは前記受電コイルの少なくとも一方は、導体線に比べて10倍以上の径をもつループコイルであり、
前記ループコイルは電気的に直接的に、前記スイッチ素子または前記整流素子と接続され、
前記送電コイルは、前記直流電源から電気エネルギーを取り出して、周期的に変化する電磁界共鳴エネルギーを空間に発生させ、
前記受電コイルは、前記周期的に変化する電磁界共鳴エネルギーを空間から電気エネルギーとして取り出して負荷に電力を供給し、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互誘導により等価的に相互インダクタンスが形成され、前記相互誘導に関与しない前記ループコイルの漏れインダクタンスは、前記送電側共振回路または前記受電側共振回路の一部を構成し、
前記送電側共振回路と前記受電側共振回路とは、前記送電側共振回路と前記受電側共振回路とで形成される複共振回路の共振周波数に前記スイッチング周波数が同調することにより、電磁界共鳴結合を形成し、
前記電磁界共鳴結合により前記相互インダクタンスに共振電流が流れ、前記電磁界共鳴結合により前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送され、
前記送電側共振回路および前記受電側共振回路のインピーダンスが大きくなる高次の周波数成分がカットされ、前記電磁界共鳴結合による、主に前記スイッチング周波数成分の共鳴電流のみが前記ループコイルに流れ、前記ループコイルからの反射電力がエネルギー損失となることなく共振エネルギーとして保存され、
前記受電装置の出力に負荷が接続された状態で、前記送電側スイッチング回路に接続される前記送電側共振回路の入力から負荷側全体をみた入力インピーダンスが極小となる共振周波数が前記スイッチング周波数とほぼ一致するように、前記ループコイルの有する容量成分である構造的に決まる浮遊容量を一部に用いて前記送電側共振キャパシタの値または前記受電側共振キャパシタの値が設定され、
前記電磁界共鳴結合が、前記ループコイルの構造で決まる前記浮遊容量の影響を受けないように構成されたことを特徴とする。
前記スイッチング制御回路は、0.8fs≦fr≦1.2fsで動作するように構成されていることが好ましい。この構成により、スイッチング周波数fsが共振周波数fr付近にて動作するので、共鳴エネルギーが大きくなり、エネルギー送電量を大きくすることができる。これによりワイヤレス給電装置の小型軽量化を図ることができる。
前記スイッチング制御回路は、fs>fr で動作するように構成されていることが好ましい。この構成により、スイッチング回路から見た複共振回路の入力インピーダンスは誘導性となり、そのことで、送電回路を構成するスイッチ素子においてゼロ電圧スイッチングZVS動作を実現することができる。また、全負荷範囲に亘ってスイッチ素子のZVS動作を行うことが可能となる。このZVS動作により、スイッチング損失を低減することで高効率化を図ることができ、ワイヤレス給電装置の小型軽量化を図ることができる。
図1(A)は第1の実施形態のワイヤレス給電装置101の回路図である。図1(B)は図1(A)の一部の等価回路図である。
但し、ωr=2π/Tr (Tr:共振周期)
送電装置の直流電源入力端子間に正弦波電流iac in (t)が与えられる。この入力端子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、効率良く電力を伝送することができる。また、高調波成分による不要輻射も殆ど生じない。
先ず、ダイオードDds1は導通する。ダイオードDds1の導通期間においてスイッチ素子Q1をターンオンすることでZVS動作が行われ、スイッチ素子Q1は導通する。送電ループコイルnpと受電ループコイルnsとの間に相互誘導によって等価的な相互インダクタンスLm,Lmsが形成され、Cr,Lr,Lm,Lms,Crs,Lrsからなる複共振回路において、送電共振回路と受電共振回路とが共鳴して、相互インダクタンスLm,Lmsに共振電流が流れ、電磁界共鳴結合を形成して、送電回路から受電回路へ電力が伝送される。送電側では、キャパシタCr、漏れインダクタンスLrに共振電流が流れる。受電側では、キャパシタCrsおよび漏れインダクタンスLrsに共振電流が流れ、スイッチ素子Q3,Q4により整流されて負荷に電力が供給される。
送電装置PSU側では、漏れインダクタンスLrに流れていた電流irにより、寄生キャパシタCds1は充電され、寄生キャパシタCds2は放電される。電圧vds1が電圧Vi、電圧vds2が0VになるとダイオードDds2が導通して状態3となる。
先ず、ダイオードDds2は導通する。ダイオードDds2の導通期間においてスイッチ素子Q2をターンオンすることでZVS動作が行われ、スイッチ素子Q2は導通する。送電ループコイルnpと受電ループコイルnsとの間に相互誘導によって等価的な相互インダクタンスLm,Lmsが形成され、Cr,Lr,Lm,Lms,Crs,Lrsからなる複共振回路において、送電共振回路と受電共振回路とが共鳴して、相互インダクタンスLm,Lmsに共振電流が流れ、電磁界共鳴結合を形成して送電回路から受電回路へ電力が伝送される。送電側では、キャパシタCr、漏れインダクタンスLrに共振電流が流れる。受電側では、キャパシタCrs、漏れインダクタンスLrsに共振電流が流れ、スイッチ素子Q3,Q4により整流されて負荷に電力が供給される。
送電装置PSU側では、漏れインダクタンスLrに流れていた電流irにより、寄生キャパシタCds1は放電され、寄生キャパシタCds2は充電される。電圧vds1が0V、電圧vds2がViになるとダイオードDds1は導通して再び状態1となる。
第2の実施形態に係るワイヤレス給電装置においては、送電ループコイルと受電ループコイルのいずれか一方または双方は、互いに直交する2つの2次元平面上に形成され、3次元空間のループコイルを構成する。
第3の実施形態に係るワイヤレス給電装置においては、送電ループコイルと受電ループコイルのいずれか一方または双方は、互いに直交する3つの2次元平面上に形成され、3次元空間のループコイルを構成する。
第4の実施形態に係るワイヤレス給電装置においては、送電ループコイルおよび受電ループコイルが同一2次元平面上に複数旋回形成されている。
第5の実施形態に係るワイヤレス給電装置のスイッチング制御回路は、受電回路の出力に適当な負荷を接続した場合に、送電側スイッチング回路に接続される送電側共振回路の入力から負荷側全体をみた入力インピーダンスが極小となる共振周波数(共鳴周波数)をfrで表し、スイッチング周波数をfsで表すと、0.8fs≦fr≦1.2fsで動作させる。すなわち、スイッチング周波数fsを共振周波数fr付近にて動作させる。電磁界共鳴方式では、共振周波数fr付近にて入力インピーダンスが急激に小さくなるために、共振電流の振幅を大きくすることができる。このため単位発振当たりに扱う電磁界エネルギーを大きくすることができ、大きな電力を伝送すること、電力効率よく電力を伝送することなどが可能となる。実用的な動作を考えれば、入力インピーダンスが極小となる-共振周波数frに対して、スイッチング周波数fsを、0.8fs≦fr≦1.2fs程度で動作させることが好ましいと言える。
第6の実施形態に係るワイヤレス給電装置のスイッチング制御回路は、前記共振周波数frがスイッチング周波数fsより低い状態で動作させる。すなわち、スイッチング回路から見た複共振回路の入力インピーダンスを誘導性とする。
第7の実施形態では、受電側整流回路が、受電側共振回路を構成する共振キャパシタCrsに対して直列接続され、共振キャパシタCrsに流れる電流を取り出すように整流して負荷に電力を供給する構成であるワイヤレス給電装置について、特に第1の実施形態で示したものとは別のワイヤレス給電装置について図9〜図15を参照して示す。
第8の実施形態では、受電側整流回路が、受電側共振回路を構成する共振キャパシタCrsに対して並列接続され、共振キャパシタCrsに加えられる電圧から電流を取り出すように整流して負荷に電力を供給する構成であるワイヤレス給電装置について図16〜図21を参照して示す。
第9の実施形態では、整流素子の接合容量を共振キャパシタまたは共振キャパシタの一部として利用したワイヤレス給電装置について図22、図23を参照して示す。
図24は第10の実施形態に係るワイヤレス給電装置の回路図である。図24においては、送電ループコイルnpおよび受電ループコイルnsを、理想トランス、相互インダクタンスLm,Lms、漏れインダクタンスLr,Lrsおよび浮遊容量Cp,Csによる等価回路で表している。
図25は第11の実施形態に係るワイヤレス給電装置の回路図である。図25において、受電側整流回路はダイオードDs1,Ds2,Ds3,Ds4によるダイオードブリッジ回路である。図18に示した例と異なり、送電装置に4つのスイッチ素子Q1〜Q4によるブリッジ回路が構成されている。スイッチ素子Q1,Q4は共にオンオフし、スイッチ素子Q2,Q3は共にオフオンする。そして、スイッチ素子Q1,Q2は交互にオンオフする。このように、送電側スイッチング回路をフルブリッジ構成とし、ブリッジ接続された4つのスイッチ素子を2組ずつ交互にオンオフすることで共振電流を発生させるようにしてもよい。
図26は第12の実施形態のワイヤレス給電装置の回路図である。このワイヤレス給電装置は、送電装置PSU、受電装置PRU、リピータ装置RPUを備えている。
Co…平滑キャパシタ
Cp,Cs…浮遊容量
Cr,Crs…共振キャパシタ
Crs1,Crs2,Crs3,Crs4…共振キャパシタ
Crs5,Crs6…接合容量
Cs1…共振キャパシタ
Cs1,Cs2,Cs3,Cs4…接合容量
Csds1,Csds2…共振キャパシタ
Dds1,Dds2,Dds3,Dds4…逆並列ダイオード
Ds…ダイオード
Ds1,Ds2,Ds3,Ds4…ダイオード
Lf…インダクタ
Lm,Lms…相互インダクタンス
Lr,Lrs…インダクタンス
ns,ns1,ns2…受電ループコイル
np,np1,np2…送電ループコイル
npx,npy,npz…ループコイル
nr…ループコイル
nsx,nsy,nsz…ループコイル
PRU…受電装置
PSU…送電装置
Q1,Q2,Q3,Q4…スイッチ素子
Qs1,Qs2…スイッチ素子
Ro…負荷
RPU…リピータ装置
Vi…入力電源
10,20…スイッチング制御回路
101…ワイヤレス給電装置
Claims (19)
- 送電コイルを備えた送電装置と、受電コイルを備えた受電装置とで構成されるワイヤレス給電装置において、
前記送電コイルと等価的に直列に接続されて送電側共振回路を構成する少なくとも1つの送電側共振キャパシタと、
前記送電側共振回路と接続され、オンオフさせることにより直流電源を前記送電側共振回路に断続的に加えて前記送電側共振回路に共振電流を発生させるスイッチ素子と、このスイッチ素子をスイッチング周波数でスイッチングするスイッチング制御回路とを備えた送電側スイッチング回路と、
前記受電コイルと等価的に直列に接続され受電側共振回路を構成する少なくとも1つの受電側共振キャパシタと、
前記受電側共振回路に接続され、共振電流を整流して負荷に電流を供給する整流素子を備えた受電側整流回路と、
を備え、
前記送電コイルまたは前記受電コイルの少なくとも一方は、導体線に比べて10倍以上の径をもつループコイルであり、
前記送電コイルは、前記直流電源から電気エネルギーを取り出して、周期的に変化する電磁界共鳴エネルギーを空間に発生させ、
前記受電コイルは、前記周期的に変化する電磁界共鳴エネルギーを空間から電気エネルギーとして取り出して負荷に電力を供給し、
前記送電コイルと前記受電コイルとの間で、相互誘導により等価的に相互インダクタンスが形成され、前記相互誘導に関与しない前記ループコイルの漏れインダクタンスは、前記送電側共振回路または前記受電側共振回路の一部を構成し、
前記送電側共振回路と前記受電側共振回路とは、前記送電側共振回路と前記受電側共振回路とで形成される複共振回路の共振周波数に前記スイッチング周波数が同調することにより、電磁界共鳴結合を形成し、
前記電磁界共鳴結合により前記相互インダクタンスに共振電流が流れ、前記電磁界共鳴結合により前記送電装置から前記受電装置へ電力が伝送され、
前記電磁界共鳴結合により、前記送電側共振回路および前記受電側共振回路のインピーダンスが大きくなる高次の周波数成分がカットされ、前記電磁界共鳴結合による、主に前記スイッチング周波数成分の共鳴電流のみが前記送電コイルおよび前記受電コイルに流れ、前記受電コイルからの反射電力がエネルギー損失となることなく前記送電コイルおよび前記受電コイルに共振エネルギーとして保存され、
前記ループコイルは、前記スイッチ素子または前記整流素子に電気的に直接接続される状態で構造的に決まる浮遊容量を有し、
前記ループコイルで構成される前記送電コイルまたは前記受電コイルに接続される、部品としての前記送電側共振キャパシタまたは前記受電側共振キャパシタの値は、前記受電装置の出力に負荷が接続された状態で、前記送電側スイッチング回路に接続される前記送電側共振回路の入力から負荷側全体をみた入力インピーダンスが極小となる共振周波数が前記スイッチング周波数にほぼ一致するように、前記浮遊容量を一部に用いて設定され、
前記電磁界共鳴結合が、前記ループコイルの構造で決まる前記浮遊容量の影響を受けないように構成された、ワイヤレス給電装置。 - 前記ループコイルは、2次元平面に形成されている、請求項1に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記ループコイルは、互いに直交する2つの2次元平面上に形成された、3次元空間内のループコイルである、請求項1に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記ループコイルは、相互に直交する3つの2次元平面上に形成された、3次元空間内のループコイルである、請求項1に記載のワイヤレス給電装置。
- 前記ループコイルは、同一2次元平面上に複数旋回形成されている、請求項1〜4のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記受電装置の出力に適当な負荷を接続した場合に、前記送電側スイッチング回路に接続される前記送電側共振回路の入力から負荷側全体をみた入力インピーダンスが極小となる共振周波数をfr、前記スイッチング周波数をfsで表すと、
前記スイッチング制御回路は、0.8fs≦fr≦1.2fsで動作するように構成されている、請求項1〜5のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。 - 前記受電装置の出力に適当な負荷を接続した場合に、前記送電側スイッチング回路に接続される前記送電側共振回路の入力から負荷側全体をみた入力インピーダンスが極小となる共振周波数をfr、前記スイッチング周波数をfsで表すと、
前記スイッチング制御回路は、fs>frで動作するように構成されている、請求項1〜5のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。 - 前記スイッチング制御回路は、前記スイッチ素子の両端電圧がゼロ電圧付近に低下した際に前記スイッチ素子をターンオンするように制御してゼロ電圧スイッチング動作するように構成されている、請求項1〜7のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記受電側整流回路は、前記受電側共振キャパシタに対して直列に接続され、前記受電側共振キャパシタに流れる電流を取り出すように整流して前記負荷に電力を供給する、請求項1〜8のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記受電側整流回路は、前記受電側共振キャパシタに対して並列に構成され、前記受電側共振キャパシタに加えられる電圧から電流を取り出すように整流して前記負荷に電力を供給する、請求項1〜8のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記受電側整流回路はブリッジ整流回路である、請求項1〜10のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記受電側整流回路は半波整流回路である、請求項1〜10のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記受電側整流回路は倍電圧整流回路である、請求項1〜10のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記送電側共振回路の共振周波数は前記受電側共振回路の共振周波数に対して±20%の範囲内で一致している、請求項1〜13のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記整流素子の接合容量を前記受電側共振キャパシタまたは前記受電側共振キャパシタの一部として利用する、請求項1〜14のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記スイッチ素子はFETであり、前記送電側スイッチング回路は前記FETの寄生容量、および逆並列ダイオードを含む、請求項1〜15のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記送電側スイッチング回路はハーフブリッジ構成である、請求項1〜16のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記送電側スイッチング回路はフルブリッジ構成である請求項1〜16のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
- 前記受電側整流回路はスイッチ素子を備えた同期整流回路である、請求項1〜18のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
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