JP6747078B2 - 非接触給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触給電装置に関する。

従来より、金属の接点などを介さずに、空間を通じて電力を伝送する、いわゆる非接触給電（ワイヤレス給電とも呼ばれる）技術が研究されている。

非接触給電技術の一つとして、磁界共鳴（磁界共振結合、あるいは磁気共鳴とも呼ばれる）方式が知られている（例えば、特許文献１を参照）。磁界共鳴方式では、送電側と受電側のそれぞれにコイルを含む共振回路が設けられ、それら共振回路の共振周波数を同調させることで、送電側のコイルと受電側のコイルとの間に磁界共鳴によるエネルギー伝送可能な磁界の結合状態が生じる。これにより、送電側のコイルから受電側のコイルへと、空間を介して電力が伝送される。磁界共鳴方式による非接触給電では、数１０％程度のエネルギー伝送効率を達成することが可能であり、かつ、送電側のコイルと受電側のコイル間の距離を比較的大きくすることが可能である。例えば、各コイルが数１０ｃｍ程度のサイズを有する場合、送電側のコイルと受電側のコイル間の距離を、数１０ｃｍ〜１ｍ以上とすることができる。

一方、磁界共鳴方式では、送電側のコイルと受電側のコイル間の距離が最適な距離よりも近づくと、エネルギー伝送電力量が低下することが知られている（例えば、特許文献２を参照）。これは、二つのコイル間の距離に応じてその二つのコイル間の結合度が変化し、二つのコイル間の共振周波数が変化することによる。二つのコイル間の距離が適切な場合、二つのコイル間の共振周波数は一つであり、その共振周波数は、コイルのインダクタンスとコンデンサのキャパシタンスで決定される、送電側及び受電側の共振回路の共振周波数と等しい。しかし、二つのコイル間の距離が近くなり、結合度が高くなると、その二つのコイル間の共振周波数は二つ表れる。その一つは、各共振回路自身の共振周波数よりも高い周波数となり、他の一つは、各共振回路自身の共振周波数よりも低い周波数となる。このように、結合度が高くなると、二つのコイル間の共振周波数と、各共振回路自身の共振周波数とが一致しなくなるために、その共振回路の共振周波数を持つ交流電力を送電側の共振回路に供給しても、コイル間の共振がうまく生じないため、エネルギー伝送電力量が低下する。

そこで、特許文献２に開示された送電装置は、磁界共鳴を生じる共振周波数において共振する受電共振コイルに対し、電源部から供給された電力を磁界エネルギーとして送電する受電共振コイルと共振点が異なる送電コイルを有する。これにより、この送電装置は、磁界共鳴を利用せずに、送電コイルと受電共振コイル間での電力の送受電を可能としている。

また、特許文献３には、受電側共振回路の出力電圧が所定値より高い場合に、保護スイッチをオンしてコイル及びコンデンサを含む閉ループを形成し、受電側共振回路の共振周波数をずらして、受電装置に過電圧の発生を防止することが記載される。

また、特許文献４には、盗電を防止するために、受電側コードと送電側コードとが対応しないときに、可変容量コンデンサの容量を変更して、受電装置側において十分な電力が得られないような値に共振周波数を設定することが記載される。

特表２００９−５０１５１０号公報 国際公開第２０１１／０６４８７９号 特開２０１５−２０８１３６号公報 特開２０１１−２１１８９５号公報

特許文献３に示す方法では、保護スイッチがオンしてコイル及びコンデンサを含む閉ループを形成して共振周波数をずらすため、保護スイッチがオンする間に閉ループに流れる電流は電力伝送に寄与せず、伝送効率を低下させるおそれがある。また、特許文献３に示す方法では、受電側共振回路の出力電圧が所定値より高くなる状態が頻繁に発生する場合には、閉ループを形成するコイル及びコンデンサ等に過電流が頻繁に流れて、発熱し損傷するおそれがある。

また、特許文献４に示す方法では、軽負荷回路時等の所定の条件下では、可変容量コンデンサの容量の変化に対する電圧利得の変化が小さくなるため、過電圧の発生を充分に防止できないおそれがある。

そこで、本発明は、負荷回路の大きさ等の条件の変化にかかわらず、過電圧の発生を防止可能な非接触給電装置を提供することを目的とする。

本発明の一つの形態として、非接触で電力伝送する送電コイルを含む送電共振回路を有する送電装置と、送電装置から電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置が提供される。受電装置は、受電コンデンサと、受電コンデンサの一端と接続され、送電コイルとの間で電力伝送可能な受電コイルとを有する受電共振回路と、受電装置に接続される負荷回路に出力される負荷回路電圧を検出する負荷回路電圧検出器とを有する。受電装置は、受電共振回路に接続された共振周波数変更回路を更に有する。共振周波数変更回路は、受電コンデンサの他端に一端が接続され且つ他端が受電コイルに接続された第１変更コンデンサと、オン指示信号が入力されているときに、第１変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間を電気的に接続し、オン指示信号が入力されていないときに、第１変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間の電気的な接続を遮断する第１変更スイッチと、負荷回路電圧が第１しきい値電圧以上のときに、オン指示信号を第１変更スイッチに出力する過電圧判定回路とを有する。この非接触給電装置は、第１変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間を電気的に接続したときに、共振周波数変更回路によって共振周波数が変化することにより電圧利得を落とす。

この場合において、第１変更スイッチは、ソースが接地されたｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴであることが好ましい。

この非接触給電装置において、共振周波数変更回路は、受電コンデンサに並列接続された第２変更コンデンサと、オン指示信号が入力されているときに、第２変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間を電気的に接続し、オン指示信号が入力されていないときに、第２変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間の電気的な接続を遮断する第２変更スイッチと、を更に有し、過電圧判定回路は、負荷回路電圧が第１しきい値電圧以上のときに、オン指示信号を第２変更スイッチに更に出力することが好ましい。

この場合において、第１変更スイッチ及び第２変更スイッチは、ソースが接地されたｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴであることが好ましい。

この非接触給電装置において、受電装置は、負荷回路電圧が第１しきい値電圧以上のときに、過電圧状態であることを示す過電圧信号を送信する過電圧信号送信回路を更に有し、送電装置は、送電共振回路に交流電圧を供給する電力供給回路と、過電圧信号を受信する過電圧信号受信回路と、過電圧信号受信回路から過電圧信号が入力されたときに、電力供給回路の動作周波数を低下させる制御回路とを有することが好ましい。

本発明に係る非接触給電装置は、負荷回路の大きさ等の条件の変化にかかわらず、過電圧の発生を防止できるという効果を奏する。

第１実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。 受電コンデンサの容量を変化させたときの負荷回路電圧の変化を示す図である。 図１に示す非接触給電装置の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図であり、（ａ）は第１変更スイッチがオフした状態の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図であり、（ｂ）は負荷回路が比較的重いときに第１変更スイッチがオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図であり、（ｃ）は負荷回路が比較的軽いときに第１変更スイッチがオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図である。 第２実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。 図４に示す非接触給電装置の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図であり、（ａ）は第１変更スイッチがオフした状態の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図であり、（ｂ）は負荷回路が比較的重いときに第１変更スイッチがオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図であり、（ｃ）は負荷回路が比較的軽いときに第１変更スイッチがオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図である。 第３実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。 （ａ）は過電圧信号が入力されたときに図６に示す制御回路からゲートドライバに出力される制御信号を示す図であり、（ｂ）は図６に示すスイッチング素子のドレイン電流の一例を示す図である。 第４実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。 図８に示す送電共振回路及び受電共振回路を含む送電回路の等価回路図である。 図９に示した等価回路のインピーダンスの周波数特性の一例を示す図である。 第５実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。 識別番号を有さない不図示の受電装置が図１１に示す送電装置に近接して配置された状態のタイミングチャートである。 （ａ）は図１１に示す送電コイルと受電コイルとの間の結合度が０．３のときのタイミングチャートであり、（ｂ）は（ａ）に示す状態において送電電流検出回路が検出する送電電流と負荷回路電圧検出器が検出する負荷回路電圧との測定値の一例を示す図である。 図１３に示す状態から図１１に示す受電装置が送電装置に更に近接して結合度が０．３から０．５に変化する状態のタイミングチャートである。 図１１に示す受電装置の負荷回路が図１４に示す状態から小さくなる状態のタイミングチャートである。 受電コイルと受電コンデンサとの間に第１変更コンデンサ及び第１変更スイッチが配置された非接触給電装置の概略構成図である。 （ａ）は図１に示す非接触給電装置の送電回路の等価回路図であり、（ｂ）は図１６に示す非接触給電装置の送電回路の等価回路図である。 （ａ）は図１６に示す非接触給電装置において負荷回路が比較的重いときに第１変更スイッチがオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図であり、（ｂ）は図１６に示す非接触給電装置において負荷回路が比較的軽いときに第１変更スイッチがオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧との関係を示す図である。

以下、本発明の一つの実施形態による非接触給電装置、及びその制御方法を、図を参照しつつ説明する。上記のように、送電側のコイルと受電側のコイル間の共振を利用する非接触給電では、送電側のコイル（以下、送電コイルと呼ぶ）と受電側のコイル（以下、受電コイルと呼ぶ）間の距離に応じて、結合度が変化する。送電コイルと受電コイルとの間の距離が近くなると、結合度が大きくなることに応じて、受電装置が受電する受電電圧は高くなる。一方、送電コイルと受電コイルとの間の距離が遠くなると、結合度が小さくなることに応じて、受電装置が受電する受電電圧は低くなる。この非接触給電装置は、結合度が大きくなり受電装置が受電する受電電圧が所定の電圧以上になると、受電共振回路の共振周波数を変化させて、受電装置が受電可能な電圧の最大値を抑制する。より具体的には、共振周波数変更回路は、第１変更コンデンサと、第１変更スイッチと、過電圧判定回路とを有し、受電共振回路に接続される。第１変更コンデンサは、受電コンデンサの他端に一端が接続され且つ他端が受電コイルに接続される。第１変更スイッチは、オン指示信号が入力されているときに、第１変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間を電気的に接続する。また、第１変更スイッチは、オン指示信号が入力されていないときに、第１変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間の電気的な接続を遮断する。過電圧判定回路は、負荷回路電圧が第１しきい値電圧以上のときに、オン指示信号を第１変更スイッチに出力する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。図１に示されるように、非接触給電装置１は、送電装置１０と、送電装置１０から空間を介して電力伝送される受電装置２０とを有する。送電装置１０は、電力供給回路１１と、送電コイル１４１及び送電コンデンサ１４２を有する送電共振回路１４と、送電電圧検出回路１５と、ゲートドライバ１６と、制御回路１７とを有する。一方、受電装置２０は、受電共振回路２１と、共振周波数変更回路２２と、整流回路２３と、平滑コンデンサ２４と、負荷回路電圧検出器２５と、負荷回路２６とを有する。受電共振回路２１は、受電コイル２１１と、受電コンデンサ２１２とを有する。共振周波数変更回路２２は、第１変更コンデンサ２２１と、第１変更スイッチ２２２と、過電圧判定回路２２３とを有する。整流回路２３は、第１整流ダイオード２３１と、第２整流ダイオード２３２とを有する。

先ず、送電装置１０について説明する。
電力供給回路１１は、調節可能な動作周波数を持つ交流電力を送電共振回路１４へ供給する。そのために、電力供給回路１１は、直流電源１２と、一対のスイッチング素子１３−１及び１３−２とを有する。

直流電源１２は、所定の電圧を持つ直流電力を供給する。そのために、直流電源１２は、例えば、バッテリを有していてもよい。あるいは、直流電源１２は、商用の交流電源と接続され、その交流電源から供給された交流電力を、直流電力に変換するための全波整流回路及び平滑コンデンサを有していてもよい。

一対のスイッチング素子１３−１及び１３−２は、直流電源１２の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される。また本実施形態では、直流電源１２の正極側に、スイッチング素子１３−１が接続され、一方、直流電源１２の負極側に、スイッチング素子１３−２が接続される。各スイッチング素子１３−１及び１３−２は、例えば、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴとすることができる。そしてスイッチング素子１３−１のドレインは、直流電源１２の正極側端子と接続され、スイッチング素子１３−１のソースは、スイッチング素子１３−２のドレインと接続される。また、スイッチング素子１３−２のソースは、直流電源１２の負極側端子と接続される。更に、スイッチング素子１３−１のソース、及び、スイッチング素子１３−２のドレインは、送電コイル１４１の一端に直接接続され、スイッチング素子１３−２のソースは、送電コンデンサ１４２を介して送電コイル１４１の他端に接続される。

また、各スイッチング素子１３−１及び１３−２のゲートは、ゲートドライバ１６を介して制御回路１７と接続される。更に、各スイッチング素子１３−１及び１３−２のゲートは、オンとなる電圧が印加されたときにそのスイッチング素子がオンとなることを保証するために、それぞれ、抵抗Ｒ１及びＲ２を介してソースと接続される。そして各スイッチング素子１３−１及び１３−２は、制御回路１７からの制御信号によって、所望の動作周波数で交互にオン／オフが切り替えられる。これにより、直流電源１２から供給された直流電力は、送電コンデンサ１４２による充放電を介して交流電力に変換され、送電コンデンサ１４２及び送電コイル１４１からなる送電共振回路１４に供給される。

送電共振回路１４は、送電コイル１４１と送電コンデンサ１４２とにより形成されるＬＣ共振回路である。

送電コイル１４１の一端はスイッチング素子１３−１のソース及びスイッチング素子１３−２のドレインと接続され、送電コイル１４１の他端は送電コンデンサ１４２の一端と接続される。送電コンデンサ１４２の他端は、直流電源１２の負極側端子及びスイッチング素子１３−２のソースと接続される。送電コイル１４１は、電力供給回路１１から供給された交流電力により、送電コイル１４１自身を流れる電流に応じた磁場を生じさせる。そして送電コイル１４１と受電コイル２１１間の距離が共振可能なほど近い場合に、送電コイル１４１は、受電コイル２１１と共振して、空間を介して受電コイル２１１へ電力を伝送する。

送電電圧検出回路１５は、送電コイル１４１の両端子間に印加される交流電圧を所定の周期ごとに検出する。なお、所定の周期は、例えば、送電コイル１４１に供給される交流電力の動作周波数の想定される最小値に相当する周期よりも長く、例えば、５０ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃに設定される。また、送電電圧検出回路１５は、検出する交流電圧として、例えば、その交流電圧のピーク値、あるいは、実効値を計測する。そして送電電圧検出回路１５は、その交流電圧を表す電圧検出信号を制御回路１７へ出力する。そのために、送電電圧検出回路１５は、例えば、交流電圧を検出できる公知の様々な電圧検出回路の何れかとすることができる。

ゲートドライバ１６は、制御回路１７から、各スイッチング素子１３−１及び１３−２のオン／オフを切り替える制御信号が入力され、制御信号に応じて、各スイッチング素子１３−１及び１３−２のゲートに印加する電圧を変化させる。すなわち、ゲートドライバ１６は、スイッチング素子１３−１をオンにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子１３−１のゲートに、スイッチング素子１３−１がオンとなり、直流電源１２からの電流がスイッチング素子１３−１を流れるようになる、相対的に高い電圧を印加する。一方、ゲートドライバ１６は、スイッチング素子１３−１をオフにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子１３−１のゲートに、スイッチング素子１３−１がオフとなり、直流電源１２からの電流がスイッチング素子１３−１を流れなくなる、相対的に低い電圧を印加する。ゲートドライバ１６は、スイッチング素子１３−２についても同様に、ゲートに印加する電圧を制御する。

制御回路１７は、例えば、不揮発性のメモリ回路及び揮発性のメモリ回路と、演算回路と、他の回路と接続するためのインターフェース回路とを有し、電圧検出信号で示される送電コイル１４１に印加される交流電圧に応じて、電力供給回路１１の動作周波数、すなわち、電力供給回路１１が送電共振回路１４に供給する交流電力の動作周波数を調節する。

そのために、本実施形態では、制御回路１７は、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２とが交互にオンとなり、かつ、動作周波数に対応する１周期内でスイッチング素子１３−１がオンとなっている期間とスイッチング素子１３−２がオンとなっている期間とが等しくなるように、各スイッチング素子１３−１及び１３−２を制御する。なお、制御回路１７は、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２とが同時にオンとなり、直流電源１２が短絡されることを防止するために、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２のオン／オフを切り替える際に、両方のスイッチング素子がオフとなるデッドタイムを設けてもよい。

次に、受電装置２０について説明する。
受電共振回路２１は、受電コイル２１１と受電コンデンサ２１２とからなるＬＣ共振回路である。受電コイル２１１の一端は受電コンデンサ２１２に接続され、受電コイル２１１の他端は共振周波数変更回路２２を介して整流回路２３に接続される。

受電コイル２１１は、送電装置１０の送電コイル１４１に流れる交流電流により生じる磁場と共鳴することで、送電コイル１４１と共振して、送電コイル１４１から電力を受電する。そして受電コイル２１１は、受電した電力を受電コンデンサ２１２を介して整流回路２３へ出力する。なお、受電コイル２１１の巻き数と、送電装置１０の送電コイル１４１の巻き数は同一でもよく、異なっていてもよい。また、受電共振回路２１の共振周波数が送電装置１０の送電共振回路１４の共振周波数と等しくなるように、受電コイル２１１のインダクタンス及び受電コンデンサ２１２のキャパシタンスは設定されることが好ましい。

受電コンデンサ２１２の一端は受電コイル２１１と接続され、受電コンデンサ２１２の他端は共振周波数変更回路２２を介して整流回路２３と接続される。そして受電コンデンサ２１２は、受電コイル２１１にて受電した電力を、共振周波数変更回路２２を介して整流回路２３へ出力する。

共振周波数変更回路２２は、第１変更スイッチ２２２がオンして受電コイル２１１及び受電コンデンサ２１２に第１変更コンデンサ２２１を並列接続させることにより、受電装置２０の共振周波数を変更する。第１変更スイッチ２２２は、一例ではｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。第１変更スイッチ２２２は、過電圧判定回路２２３からオン指示信号が入力される間にオンして、受電共振回路２１と第１変更コンデンサ２２１との間を電気的に接続する。また、第１変更スイッチ２２２は、過電圧判定回路２２３からオン指示信号が入力されないときにオフして、受電共振回路２１と第１変更コンデンサ２２１との間の電気的な接続を遮断する。第１変更コンデンサ２２１の一端は受電コンデンサの他端に接続されると共に、共振周波数変更回路２２を介して整流回路２３に接続され、第１変更コンデンサ２２１の他端は第１変更スイッチ２２２のドレインに接続される。第１変更スイッチ２２２のゲートは過電圧判定回路２２７に接続され、第１変更スイッチ２２２のソースは受電コイル２１１の他端及び整流回路２３に接続される。第１変更スイッチ２２２のソースは接地される。

過電圧判定回路２２３は、負荷回路電圧検出器２５から負荷回路電圧信号が入力される。過電圧判定回路２２３は、負荷回路電圧信号に対応する負荷回路電圧Ｖ_Lが所定の第１しきい値電圧以上であるとき、オン指示信号を第１変更スイッチ２２２に出力する。過電圧判定回路２２３は、オン指示信号を第１変更スイッチ２２２に出力すると、負荷回路電圧Ｖ_Lが第１しきい値電圧よりも低い第２しきい値電圧以下になるまで、オン指示信号を出力し続ける。過電圧判定回路２２３は、負荷回路電圧Ｖ_Lが所定の第２しきい値電圧以下になると、オン指示信号の出力を停止する。一例では、第１しきい値電圧は３００［Ｖ］であり、第２しきい値電圧は１００［Ｖ］である。

整流回路２３は受電コイル２１１及び受電コンデンサ２１２により受電された電力を整流し、平滑コンデンサ２４は整流された電力を平滑化して、直流電力に変換して、負荷回路２６に出力する。整流回路２３は、例えば、全波整流回路と平滑コンデンサとを有する。第１整流ダイオード２３１のアノードは共振周波数変更回路２２を介して受電コイル２１１の一端に接続され、第１整流ダイオード２３１のカソードは負荷回路２６に接続される。第２整流ダイオード２３２のアノードは共振周波数変更回路２２を介して受電コイルの他端に接続され、第２整流ダイオード２３２のカソードは受電コイル２１１の一端及び第１整流ダイオード２３１のアノードに接続される。

負荷回路電圧検出器２５の一端が負荷回路２６の一端に接続され、負荷回路電圧検出器２５の他端が負荷回路２６の他端に接続される。負荷回路電圧検出器２５は、負荷回路２６に出力される負荷回路電圧を検出し、負荷回路電圧Ｖ_Lを示す負荷回路電圧信号を過電圧判定回路２２７に出力する。

図２は、受電コンデンサの容量を変化させたときの負荷回路電圧Ｖ_Lの変化を示す図である。図２において、横軸は受電コンデンサ２１２の容量［Ｆ］を示し、縦軸は負荷回路電圧Ｖ_Lを任意単位で示す。

受電コンデンサ２１２の容量が４０［ｎＦ］のときの負荷回路電圧Ｖ_Lの大きさは、受電コンデンサ２１２の容量が１００［ｐＦ］のときの負荷回路電圧Ｖ_Lの大きさの１／４程度である。受電コンデンサ２１２の容量をＣｒとし、第１変更コンデンサ２２１の容量をＣｃとすると、第１変更スイッチ２２２がオンしたときの合成容量Ｃｔは、

で示される。受電コンデンサ２１２の容量Ｃｒを１００［ｐＦ］とし、第１変更コンデンサ２２１の容量Ｃｃを２０［ｎＦ］とすると、負荷回路電圧Ｖ_Lが第１しきい値電圧以上になり第１変更スイッチ２２２がオンしたときの合成容量Ｃｔは略２０［ｎＦ］になる。受電コンデンサ２１２の容量Ｃｒを１００［ｐＦ］とし、第１変更コンデンサ２２１の容量Ｃｃを２０［ｎＦ］とすると、第１しきい値電圧以上になり第１変更スイッチ２２２がオンすることで負荷回路電圧Ｖ_Lの大きさを１／４程度にすることができる。

図３（ａ）は、第１変更スイッチ２２２がオフした状態の動作周波数と負荷回路電圧Ｖ_Lとの関係を示す図である。図３（ｂ）は、負荷回路２６が比較的重いときに第１変更スイッチ２２２がオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧Ｖ_Lとの関係を示す図である。図３（ｃ）は、負荷回路２６が比較的軽いときに第１変更スイッチ２２２がオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧Ｖ_Lとの関係を示す図である。図３（ｂ）に示す例では負荷回路２６の抵抗が１［ｋΩ］であり、図３（ｃ）に示す例では負荷回路２６の抵抗が１００［ｋΩ］である。図３（ａ）〜３（ｃ）において、横軸は動作周波数［ｋＨｚ］を示し、縦軸は負荷回路電圧Ｖ_Lを任意単位で示す。

図３（ａ）に示すように、第１変更スイッチ２２２がオフした状態では動作周波数が８０［ｋＨｚ］程度で、負荷回路電圧Ｖ_Lが最大になる。一方、図３（ｂ）及び３（ｃ）に示すように、第１変更スイッチ２２２がオンした状態では負荷回路２６の大きさにかかわらず、動作周波数が８０［ｋＨｚ］程度のときは、負荷回路電圧Ｖ_Lは低くなる。非接触給電装置１では、負荷回路電圧Ｖ_Lが第１しきい値電圧以上になるときに第１変更スイッチ２２２がオンして受電装置２０の共振周波数を変化させることで、負荷回路電圧Ｖ_Lを低くすることができる。

また、非接触給電装置１では、整流回路２３は直列接続された第１整流ダイオード２３１及び第２整流ダイオード２３２により整流するため、８０［ｋＨｚ］を中心に比較的広い周波数帯に亘って負荷回路電圧Ｖ_Lを高くすることができる。

図４は、第２実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。

非接触給電装置２は、受電装置３０が受電装置２０の代わりに配置されることが、非接触給電装置１と相違する。受電装置３０は、受電共振回路３１及び共振周波数変更回路３２が受電共振回路２１及び共振周波数変更回路２２の代わりに配置されることが受電装置２０と相違する。受電共振回路３１及び共振周波数変更回路３２以外の非接触給電装置２の構成素子の構成及び機能は、同一符号が付された非接触給電装置１の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。

受電共振回路３１は、受電コンデンサ２１２が配置される位置が受電共振回路２１と相違する。受電共振回路２１では、受電コンデンサ２１２は受電コイル２１１と第１変更コンデンサ２２１との間に配置されるのに対し、受電共振回路３１では、受電コンデンサ２１２は受電コイル２１１と第１変更スイッチとの間に配置される。

共振周波数変更回路３２は、第２変更コンデンサ２２４と第２変更スイッチ２２５を有することが共振周波数変更回路２２と相違する。また、共振周波数変更回路３２は、過電圧判定回路２２３の代わりに過電圧判定回路２２６が配置されることが共振周波数変更回路２２と相違する。

第２変更スイッチ２２５は、一例ではｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである。第２変更スイッチ２２５は、過電圧判定回路２２６からオン指示信号が入力される間にオンし、過電圧判定回路２２６からオン指示信号が入力されないときにオフする。第２変更コンデンサ２２４の一端は受電コイル２１１及び受電コンデンサ２１２の一端に接続され、第２変更コンデンサ２２４の他端は第２変更スイッチ２２５のドレインに接続される。第２変更スイッチ２２５のゲートは、過電圧判定回路２２７に接続される。第２変更スイッチ２２５のソースは、第１変更スイッチ２２２のソースと共に、受電コイル２１１の他端及び整流回路２３に接続される。第１変更スイッチ２２２及び第２変更スイッチ２２５のソースは、接地される。

過電圧判定回路２２６は、過電圧判定回路２２３と同様に負荷回路電圧検出器２５から負荷回路電圧信号が入力される。過電圧判定回路２２６は、負荷回路電圧信号に対応する負荷回路電圧Ｖ_Lが所定の第１しきい値電圧以上であるとき、オン指示信号を第１変更スイッチ２２２及び第２変更スイッチ２２５に出力する。過電圧判定回路２２３は、オン指示信号を第１変更スイッチ２２２及び第２変更スイッチ２２５に出力すると、負荷回路電圧Ｖ_Lが第１しきい値電圧よりも低い第２しきい値電圧以下になるまで、オン指示信号を出力し続ける。過電圧判定回路２２３は、負荷回路電圧Ｖ_Lが所定の第２しきい値電圧以下になると、オン指示信号の出力を停止する。

図５（ａ）は、第１変更スイッチ２２２及び第２変更スイッチ２２５がオフした状態の動作周波数と負荷回路電圧Ｖ_Lとの関係を示す図である。図５（ｂ）は、負荷回路２６が比較的重いときに第１変更スイッチ２２２及び第２変更スイッチ２２５がオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧Ｖ_Lとの関係を示す図である。図５（ｃ）は、負荷回路２６が比較的軽いときに第１変更スイッチ２２２及び第２変更スイッチ２２５がオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧Ｖ_Lとの関係を示す図である。図５（ｂ）に示す例では負荷回路２６の抵抗が１［ｋΩ］であり、図５（ｃ）に示す例では負荷回路２６の抵抗が１００［ｋΩ］である。図５（ａ）〜５（ｃ）において、横軸は動作周波数［ｋＨｚ］を示し、縦軸は負荷回路電圧Ｖ_Lを任意単位で示す。

図５（ａ）に示すように、第１変更スイッチ２２２及び第２変更スイッチ２２５がオフした状態では動作周波数が１００［ｋＨｚ］程度で、負荷回路電圧Ｖ_Lが最大になる。一方、図５（ｂ）及び５（ｃ）に示すように、第１変更スイッチ２２２及び第２変更スイッチ２２５がオンした状態では負荷回路２６の大きさにかかわらず、動作周波数が１００［ｋＨｚ］程度のときは、負荷回路電圧Ｖ_Lは非常に低くなる。非接触給電装置２では、負荷回路電圧Ｖ_Lが第１しきい値電圧以上になるときに第１変更スイッチ２２２及び第２変更スイッチ２２５がオンして受電装置２０の共振周波数を非接触給電装置１以上に変化させることで、負荷回路電圧Ｖ_Lを低くすることができる。

図６は、第３実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。

非接触給電装置３は、送電装置４０が送電装置１０の代わりに配置されることが、非接触給電装置２と相違する。また、非接触給電装置３は、受電装置５０が受電装置３０の代わりに配置されることが、非接触給電装置２と更に相違する。送電装置４０は、過電圧信号受信回路４１が配置されることが送電装置１０と相違する。また、送電装置４０は、制御回路４７が制御回路１７の代わりに配置されることが送電装置１０と更に相違する。受電装置５０は、共振周波数変更回路５２が共振周波数変更回路３２の代わりに配置されることが受電装置３０と相違する。共振周波数変更回路５２は、過電圧判定回路２２７を過電圧判定回路２２６の代わりに有することが共振周波数変更回路３２と相違する。共振周波数変更回路５２は、過電圧信号送信回路２２８を有することが共振周波数変更回路３２と更に相違する。過電圧判定回路２２７、過電圧信号送信回路２２８、過電圧信号受信回路４１及び制御回路４７以外の非接触給電装置３の構成素子の構成及び機能は、同一符号が付された非接触給電装置２の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。

過電圧判定回路２２７は、過電圧判定回路２２６と同様な判定処理を実行する。過電圧判定回路２２７は、負荷回路電圧信号に対応する負荷回路電圧Ｖ_Lが所定の第１しきい値電圧以上であるとき、負荷回路電圧Ｖ_Lが過電圧状態であることを示す過電圧信号を過電圧信号送信回路２２８に出力することが過電圧判定回路２２６と相違する。

過電圧信号送信回路２２８は、過電圧信号受信回路４１と無線通信可能な通信回路であり、一例では１３０〜１３５ｋＨｚの周波数帯で無線通信することによって、過電圧信号受信回路４１と通信する。過電圧信号送信回路２２８は、過電圧判定回路２２７から入力された過電圧信号を過電圧信号受信回路４１に送信する。

過電圧信号受信回路４１は、過電圧信号送信回路２２８から送信された過電圧信号を受信し、受信した過電圧信号を制御回路４７に出力する。

制御回路４７は、制御回路１７と同様に電力供給回路１１が送電共振回路１４に供給する交流電力の動作周波数を調節する。制御回路４７は、過電圧信号受信回路４１から過電圧信号が入力されたときに、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２とが交互にオンする動作を間欠的にすることが制御回路１７と相違する。

図７（ａ）は過電圧信号が入力されたときに制御回路４７からゲートドライバ１６に出力される制御信号を示す図であり、図７（ｂ）はスイッチング素子１３−１のドレイン電流の一例を示す図である。図７（ａ）において、波形７０１は制御回路４７からゲートドライバ１６に出力される制御信号を示す。図７（ｂ）において、波形７０２はスイッチング素子１３−１のソースとドレインとの間を流れる電流を示す。

図７に示す例では、制御回路４７は、過電圧信号が入力されたときにスイッチング素子１３−１及び１３−２を１秒当たり１００回オンオフするように制御するため、送電装置４０から受電装置５０に送電される電力は、大幅に減少する。スイッチング素子１３−１及び１３−２を１秒当たり１００回オンオフするとき、スイッチング素子１３−１及び１３−２が１３０ｋＨｚでオンオフするときと比較して、送電電力は、１／１３００にすることができる。

図８は、第４実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。

非接触給電装置４は、送電装置６０が送電装置４０の代わりに配置されることが、非接触給電装置３と相違する。送電装置６０は、補助コンデンサ６１、電流検出抵抗６２及び送電電流検出回路６３が配置されることが送電装置４０と相違する。また、送電装置６０は、制御回路６７が制御回路４７の代わりに配置されることが送電装置４０と更に相違する。補助コンデンサ６１、電流検出抵抗６２、送電電流検出回路６３及び制御回路６７以外の非接触給電装置４の構成素子の構成及び機能は、同一符号が付された非接触給電装置３の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。

補助コンデンサ６１は送電コンデンサ１４２に並列接続され、好ましくは送電コンデンサ１４２の容量よりも小さい容量を有する。電流検出抵抗６２は、補助コンデンサ６１に直列接続される。送電電流検出回路６３は、電流検出抵抗６２に流れる送電電流を検出し、検出した送電電流を示す送電電流信号を制御回路６７に出力する。

制御回路６７は、送電電流信号に対応する送電電流が所定のしきい値電流以上にならないように、各スイッチング素子１３−１及び１３−２の動作周波数を制御する制御信号をゲートドライバ１６に出力する。

また、制御回路６７は、非接触給電装置４がソフトスイッチング動作するように、送電電圧検出回路１５が検出した送電電圧に基づいて、各スイッチング素子１３−１及び１３−２の動作周波数を制御する制御信号をゲートドライバ１６に出力する。

図９は、送電共振回路１４及び受電共振回路３１を含む送電回路１００の等価回路図である。ここで、L₁、L₃は、それぞれ、送電側、受電側の漏れインダクタンスであり、L₂は、相互インダクタンスである。送電コイル１４１及び受電コイル２１１の自己インダクタンスをL₀、送電コイル１４１と受電コイル２１１間の結合度をkとすると、L₁=L₃=(1-k)L₀、L₂=kL₀となる。例えば、L₀=30.5μH、k=0.731028とすると、L₁=L₃=8.205μH、L₂=22.3μHとなる。結合度kは、一般に、送電コイル１４１と受電コイル２１１間の距離が狭いほど、大きな値となる。この場合、Fパラメータ解析により表される、伝送行列A(f)は、次式で表される。

ここで、ｆ_sは、電力供給回路１１の動作周波数であり、s(f)=jω、ω=2πfである。C1、C2は、それぞれ、送電側、受電側のキャパシタンスである。R1、R2は、送電側、受電側のインピーダンスである。そしてRacは、負荷回路のインピーダンスである。

図１０は、図９に示した等価回路のインピーダンスの周波数特性の一例を示す図である。図１０において、横軸は周波数を表し、縦軸は、インピーダンスを表す。なお、等価回路のインピーダンスは、２行２列で表される、（２）式の伝送行列A(f)における、左下の要素に対する左上の要素の比の絶対値として算出される。そしてグラフ３００は、インピーダンスの周波数特性を表す。なお、グラフ３００は、L₀=30.5μH、k=0.731028とし、C1=C2=180nF、R1=R2=270mΩとして、（２）式に基づいて算出した。

図１０に示されるように、結合度kが上記のように比較的大きな値となる場合、インピーダンスの周波数特性は、送電共振回路１４の共振周波数ｆ_sよりも小さい第１共振周波数ｆ_p1及び共振周波数ｆ_sよりも大きい第２共振周波数ｆ_p2における二つの極小値を持つ。すなわち、送電コイル１４１と受電コイル２１１とが共振する周波数が二つ存在し、各共振周波数においてインピーダンスが極小、すなわち、エネルギー伝送電力量が極大となる。送電共振回路１４の共振周波数ｆ_sは、

で示される。ここでＬは送電コイル１４１のインダクタンスであり、Ｃは送電コンデンサ１４２のキャパシタンスである。また、第１共振周波数ｆ_p1及び第２共振周波数ｆ_p2は、

で示される。ここでｋは送電コイル１４１と受電コイル２１１との間の結合度である。

送電装置６０の送電共振回路１４に供給される交流電力の動作周波数ｆ_sが、第１共振周波数ｆ_p1又は第２共振周波数ｆ_p2に近いほど、送電側と受電側との間のインピーダンスが低下する。交流電力の動作周波数ｆ_sが第１共振周波数ｆ_p1又は第２共振周波数ｆ_p2に近づき、送電側と受電側との間のインピーダンスが低下すると、送電コイル１４１から受電コイル２１１へ伝送されるエネルギー伝送電力量が大きくなる。そのため、送電共振回路１４に供給される交流電力の動作周波数ｆ_sが、何れかの共振周波数に近いほど、受電側の受電コイル２１１の両端子間の交流電圧も高くなる。

図１０において、第１共振周波数ｆ_p1より高く且つ送電共振回路１４の共振周波数ｆ_sよりも低い周波数領域、及び第２共振周波数ｆ_p2よりも高い周波数領域は、インダクタンス領域である。非接触給電装置１は、第１共振周波数ｆ_p1より高く且つ送電共振回路１４の共振周波数ｆ_sよりも低い周波数領域、及び第２共振周波数ｆ_p2よりも高い周波数領域であるインダクタンス領域に含まれる動作周波数ｆ_sで動作する。リアクタンス領域は交流電圧よりも交流電流が遅れる領域であるので、交流電圧の位相が０度になりスイッチング素子１３−１、１３−２が切り替わるときに交流電流は負の値になる。スイッチング素子１３−１、１３−２が切り替わるときに交流電流が負の値になることで、非接触給電装置４は、ソフトスイッチングが可能になる。

表１は、結合度ｋと第２共振周波数ｆ_p2との関係を示す表である。

制御回路６７は、起動時の動作周波数を第２共振周波数ｆ_p2よりも大きくすることで、送電される電力の利得を小さくする。例えば、結合度ｋの最大値が０．７のとき、第２共振周波数ｆ_p2の最大値は１４８．９［ｋＨｚ］であるので、制御回路６７は、起動時の動作周波を１６０［ｋＨｚ］に設定してもよい。制御回路６７が起動時の動作周波を１６０［ｋＨｚ］に設定することで、非接触給電装置４は、送電される電力の利得を小さくすると共に、ソフトスイッチングが可能になる。

図１１は、第５実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。

非接触給電装置５は、送電装置７０が送電装置６０の代わりに配置されることが、非接触給電装置４と相違する。また、受電装置８０が受電装置５０の代わりに配置されることが、非接触給電装置４と更に相違する。送電装置７０は、識別信号受信回路７１が配置されることが送電装置６０と相違する。また、送電装置７０は、制御回路７７が制御回路６７の代わりに配置されることが送電装置６０と更に相違する。受電装置８０は、識別信号送信回路８１が配置されることが受電装置５０と相違する。識別信号受信回路７１及び識別信号送信回路８１以外の非接触給電装置５の構成素子の構成及び機能は、同一符号が付された非接触給電装置４の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。

識別信号受信回路７１は、受電装置８０の識別番号を示す識別信号を、識別信号送信回路８１から受信する。識別信号送信回路８１は、一例ではＲＦＩＤであり、識別信号を識別信号受信回路７１に送信する。

制御回路７７は、送電装置７０と受電装置８０とが近接して配置されていない状態では、スイッチング素子１３−１及び１３−２が交互にオンする動作を間欠的にする制御信号をゲートドライバ１６に出力する。送電電圧は、スイッチング素子１３−１及び１３−２が所定の動作周波数で交互にオンする間は所定の大きさになるが、スイッチング素子１３−１及び１３−２がオンしない間はゼロになる。送電装置７０と受電装置８０とが近接して配置されていない状態ではスイッチング素子１３−１及び１３−２が交互にオンする動作は、間欠的であるので、送電装置７０の消費電力は低減される。

図１２は、識別番号を有さない不図示の受電装置が送電装置７０に近接して配置された状態のタイミングチャートである。図１２において、波形１２０１は制御回路７７からゲートドライバ１６に出力される制御信号を示し、波形１２０２は送電電圧検出回路１５が検出する送電電圧を示し、波形１２０３は識別番号を有さない不図示の受電装置の負荷回路電圧を示す。

識別番号を有さない不図示の受電装置が送電装置７０に近接して配置された状態では、制御回路７７は、識別番号を示す識別信号が入力されない。制御回路７７は、識別番号を示す識別信号が入力されないので、スイッチング素子１３−１及び１３−２が交互にオンする動作を間欠的にする制御信号をゲートドライバ１６に出力する。識別番号を有さない不図示の受電装置が送電装置７０に近接して配置された状態ではスイッチング素子１３−１及び１３−２が交互にオンする動作は、間欠的であるので、識別番号を有さない不図示の受電装置が受電する、すなわち盗電される電力は低減される。

図１３（ａ）は、送電コイル１４１と受電コイル２１１との間の結合度ｋが０．３のときのタイミングチャートである。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示す状態において送電電流検出回路６３が検出する送電電流と負荷回路電圧検出器２５が検出する負荷回路電圧Ｖ_Lとの測定値の一例を示す図である。図１３（ａ）において、波形１３０１は制御回路７７からゲートドライバ１６に出力される制御信号を示し、波形１３０２は送電電圧検出回路１５が検出する送電電圧を示し、波形１３０３は負荷回路電圧検出器２５が検出する負荷回路電圧Ｖ_Lを示す。図１３（ｂ）において、波形１３０４は送電電流検出回路６３が検出する送電電流を示し、形１３０５は負荷回路電圧検出器２５が検出する負荷回路電圧Ｖ_Lを示す。

時間ｔ１３１において、受電装置８０が送電装置７０に近接して配置されると、識別信号送信回路８１は識別信号を識別信号受信回路７１に送信し、識別信号受信回路７１は受信した識別信号を制御回路７７に出力する。制御回路７７は、識別信号に対応する識別番号を参照し、受電装置８０が正規の受電装置であることを認証する。制御回路７７は、受電装置８０が正規の受電装置であることを認証すると、スイッチング素子１３−１及び１３−２が所定の交互にオンする制御信号をゲートドライバ１６に出力する。図１３に示す例では、動作周波数は１３０［ｋＨｚ］であり、送電電流は１．６［Ａ］であり、負荷回路電圧Ｖ_Lは１５０［Ｖ］である。

図１４は、図１３に示す状態から受電装置８０が送電装置７０に更に近接して結合度ｋが０．３から０．５に変化する状態のタイミングチャートである。図１４において、波形１４０１は制御回路７７からゲートドライバ１６に出力される制御信号を示し、波形１４０２は負荷回路電圧検出器２５が検出する負荷回路電圧Ｖ_Lを示す。

時間ｔ１４１において、受電装置８０が送電装置７０に近接して結合度ｋが大きくなると、表１に示すように第２共振周波数ｆ_p2は高周波数側にシフトする。第２共振周波数ｆ_p2が高周波数側にシフトすると、送電電圧検出回路１５が検出する送電電圧及び送電電流検出回路６３が検出する送電電流が増加する。制御回路７７は、送電電圧検出回路１５が検出する送電電圧及び送電電流検出回路６３が検出する送電電流が所望の値になるように、制御信号を調整する。

図１５は、図１４に示す状態から受電装置８０の負荷回路２６の負荷２７の大きさが軽くなる状態のタイミングチャートである。図１５において、波形１５０１は制御回路７７からゲートドライバ１６に出力される制御信号を示し、波形１５０２は負荷回路電圧検出器２５が検出する負荷回路電圧Ｖ_Lを示し、波形１５０３は負荷２７の大きさを示す。また、波形１５０４は、第１変更スイッチ２２２及び第２変更スイッチ２２５のゲート電圧を示す。図１５に示す例において、第１しきい値電圧は３００［Ｖ］であり、第２しきい値電圧は１００［Ｖ］である。

時間ｔ１５１において、負荷２７の大きさが軽くなると、負荷回路電圧Ｖ_Lは２８０［Ｖ］から急激に上昇する。時間ｔ１５２において、負荷回路電圧Ｖ_Lが第１しきい値電圧である３００［Ｖ］に達すると、過電圧判定回路２２３は、オン指示信号を第１変更スイッチ２２２及び第２変更スイッチ２２５に出力する。オン指示信号が入力されると、第１変更スイッチ２２２及び第２変更スイッチ２２５のゲート電圧はオン電圧以上になり、第１変更スイッチ２２２及び第２変更スイッチ２２５はオンして受電装置８０の共振周波数は変化する。また、制御回路７７は、過電圧判定回路２２７から過電圧信号送信回路２２８及び過電圧信号受信回路４１を介して過電圧信号が入力される。制御回路７７は、過電圧信号受信回路４１から過電圧信号が入力されると、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２とが交互にオンする動作を間欠的にする。受電装置８０の共振周波数が変化すると負荷回路電圧Ｖ_Lは低下する。負荷回路電圧Ｖ_Lが第２しきい値電圧である１００［Ｖ］まで低下すると、過電圧判定回路２２３は、オン指示信号の出力を停止する。

実施形態に係る非接触給電装置では、受電装置の負荷回路の電圧を示す負荷回路電圧が第１しきい値電圧以上になるときに受電装置の共振周波数を変化させることで、負荷回路電圧を低くして負荷回路電圧が過電圧になることを防止することができる。すなわち、実施形態に係る非接触給電装置は、第１変更コンデンサと受電コイル及び受電コンデンサとの間を電気的に接続したときに、共振周波数変更回路によって共振周波数が変化することにより給電時の電圧利得を落とすことができる。

また、実施形態に係る非接触給電装置では、受電コンデンサと負荷回路との間に第１変更コンデンサ及び第１変更スイッチが配置されるので、第１変更スイッチがオンしたときの受電装置の共振周波数の変化量を大きくすることができる。

図１６は、受電コイルと受電コンデンサとの間に第１変更コンデンサ及び第１変更スイッチが配置された非接触給電装置の概略構成図である。

非接触給電装置６は、受電装置２０の代わりに受電装置９０が配置されることが非接触給電装置１と相違する。受電装置９０は、共振周波数変更回路２２が受電コイル２１１と受電コンデンサ２１２との間に配置されることが受電装置９０と相違する。共振周波数変更回路２２の位置以外の非接触給電装置６の構成は、非接触給電装置１の構成と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。

図１７（ａ）は、第１変更スイッチ２２２がオンしたときの送電共振回路１４、受電共振回路２１及び共振周波数変更回路２２を含む非接触給電装置１の送電回路の等価回路図である。図１７（ｂ）は、第１変更スイッチ２２２がオンしたときの送電共振回路１４、受電コイル２１１、受電コンデンサ２１２及び共振周波数変更回路２２を含む非接触給電装置６の送電回路の等価回路図である。

図１７（ａ）及び１７（ｂ）において、L₁、L₃は、それぞれ、送電側、受電側の漏れインダクタンスであり、L₂は、相互インダクタンスである。送電コイル１４１及び受電コイル２１１の自己インダクタンスをL₀、送電コイル１４１と受電コイル２１１間の結合度をkとすると、L₁=L₃=(1-k)L₀、L₂=kL₀となる。例えば、L₀=30.5μH、k=0.731028とすると、L₁=L₃=8.205μH、L₂=22.3μHとなる。

非接触給電装置１の第１変更スイッチ２２２がオンしたときの送電回路の伝送行列A(f)は、次式で表される。

一方、非接触給電装置６の第１変更スイッチ２２２がオンしたときの送電回路の伝送行列A(f)は、次式で表される。

ここで、ｆ_sは、電力供給回路１１の動作周波数であり、s(f)=jω、ω=2πfである。C1、C2は、それぞれ、送電側、受電側のキャパシタンスである。C3は、第１変更コンデンサのキャパシタンスである。R1、R2は、送電側、受電側のインピーダンスである。

図１８（ａ）は、非接触給電装置６において、負荷回路２６が比較的重いときに第１変更スイッチ２２２がオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧Ｖ_Lとの関係を示す図である。図１８（ｂ）は、非接触給電装置６において、負荷回路２６が比較的軽いときに第１変更スイッチ２２２がオンした状態の動作周波数と負荷回路電圧Ｖ_Lとの関係を示す図である。図１８（ａ）に示す例では負荷回路２６の抵抗が１［ｋΩ］であり、図１８（ｂ）に示す例では負荷回路２６の抵抗が１００［ｋΩ］である。図１８（ａ）〜１８（ｂ）において、横軸は動作周波数［ｋＨｚ］を示し、縦軸は負荷回路電圧Ｖ_Lを任意単位で示す。

図３（ｂ）及び３（ｃ）に示すように、非接触給電装置１では、負荷回路２６の大きさにかかわらず、図１８（ａ）及び１８（ｂ）に示す非接触給電装置６の場合と比較して、第１変更スイッチ２２２がオンした状態の共振周波数の変化が大きい。

また、実施形態に係る非接触給電装置では、受電装置の共振周波数を変化させるためにオンオフされる変更スイッチの一端は接地されるので、変更スイッチをＭＯＳＦＥＴとして場合にゲート電圧の制御が容易である。

また、実施形態に係る非接触給電装置では、受電装置に送電された電力は、直列接続された一対のダイオードにより整流されるので、比較的広い周波数帯に亘って負荷回路電圧を高くすることができる。

また、第２実施形態に係る非接触給電装置は、受電コンデンサに並列接続可能な第２変更コンデンサを有するので、負荷回路電圧が第１しきい値電圧に達したときに受電装置の共振周波数を大きく変化させることで、負荷回路電圧を低くすることができる。

また、第３実施形態に係る非接触給電装置は、負荷回路電圧が第１しきい値電圧に達したときに送電装置のスイッチング動作を間欠的にすることで、負荷回路電圧をより確実に低下させることができる。

また、第４実施形態に係る非接触給電装置は、送電装置の制御回路が送電電圧及び送電電流に応じてスイッチング素子の動作周波数を変更することができるので、結合度が変化した場合でも負荷回路電圧が過電圧状態になることを防止できる。また、第４実施形態に係る非接触給電装置では、送電装置の制御回路が送電電圧及び送電電流に応じてスイッチング素子の動作周波数を変更することができるので、ソフトスイッチング動作することができる。

また、第５実施形態に係る非接触給電装置では、送電装置は、受電装置の識別番号を参照して受電装置が正規の受電装置であることを認証するまでスイッチング動作を間欠的にするので、識別番号を有さない受電装置に送電する電力の大きさを小さくできる。

非接触給電装置１〜６において、第１変更スイッチ２２２及び第２変更スイッチ２２５は、ＭＯＳＦＥＴで構成される。しかしながら、実施形態に係る非接触給電装置では、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の高速スイッチング動作可能な他の素子により第１変更スイッチ及び第２変更スイッチを構成してもよい。

このように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。

１〜６ 非接触給電装置
１０、４０、６０、７０ 送電装置
１１ 電力供給回路
１２ 直流電源
１３−１及び１３−２ スイッチング素子
１４ 送電共振回路
１４１ 送電コイル
１４２ 送電コンデンサ
１５ 送電電圧検出回路
１６ ゲートドライバ
１７、４７、６７、７７ 制御回路
２０、３０、５０、８０、９０ 受電装置
２１、３１ 受電共振回路
２１１ 受電コイル
２１２ 受電コンデンサ
２２、３２、５２ 共振周波数変更回路
２２１ 第１変更コンデンサ
２２２ 第１変更スイッチ
２２３、２２６、２２７ 過電圧判定回路
２２４ 第２変更コンデンサ
２２５ 第２変更スイッチ
２３ 整流回路
２４ 平滑コンデンサ
２５ 負荷回路電圧検出器
２６ 負荷回路

Claims (5)

1. 非接触で電力伝送する送電コイル、及び前記送電コイルに直列接続された送電コンデンサを含む送電共振回路を有する送電装置と、前記送電装置から電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置であって、
   前記受電装置は、
   受電コンデンサと、前記受電コンデンサに直列接続され、所定の動作周波数において前記送電コイルと共振することで前記送電コイルとの間で電力伝送可能な受電コイルとを有する受電共振回路と、
   前記受電装置に接続される負荷回路に出力される負荷回路電圧を検出する負荷回路電圧検出器と、
   前記受電共振回路に接続された共振周波数変更回路と、を有し、
   前記共振周波数変更回路は、
   前記受電コンデンサの他端に一端が接続され且つ他端が前記受電コイルに接続されることで、前記受電コンデンサ及び前記受電コイルに並列接続された第１変更コンデンサと、
   オン指示信号が入力されているときに、前記第１変更コンデンサと前記受電コイル及び前記受電コンデンサとの間を電気的に接続し、オン指示信号が入力されていないときに、前記第１変更コンデンサと前記受電コイル及び前記受電コンデンサとの間の電気的な接続を遮断する第１変更スイッチと、
   前記負荷回路電圧が第１しきい値電圧以上のときに、前記オン指示信号を前記第１変更スイッチに出力し、前記負荷回路電圧が前記第１しきい値電圧よりも低い第２しきい値電圧以下のときに、前記オン指示信号の出力を停止する過電圧判定回路と有し、
   前記第１変更コンデンサと前記受電コイル及び前記受電コンデンサとの間を電気的に接続したときに、前記所定の動作周波数において前記共振周波数変更回路によって共振周波数が変化することにより、前記負荷に供給される電圧が前記第１変更コンデンサと前記受電コイル及び前記受電コンデンサとの間を電気的に接続される前の電圧の１／４以下になるように電圧利得を落とすように前記第１変更コンデンサの容量が設定されたことを特徴とする非接触給電装置。
2. 前記第１変更スイッチは、ソースが接地されたｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである、請求項１に記載の非接触給電装置。
3. 前記共振周波数変更回路は、
   前記受電コンデンサに並列接続された第２変更コンデンサと、
   前記オン指示信号が入力されているときに、前記第２変更コンデンサと前記受電コイル及び前記受電コンデンサとの間を電気的に接続し、オン指示信号が入力されていないときに、前記第２変更コンデンサと前記受電コイル及び前記受電コンデンサとの間の電気的な接続を遮断する第２変更スイッチと、を更に有し、
   前記過電圧判定回路は、前記負荷回路電圧が第１しきい値電圧以上のときに、前記オン指示信号を前記第２変更スイッチに更に出力する、請求項１に記載の非接触給電装置。
4. 前記第１変更スイッチ及び前記第２変更スイッチは、ソースが接地されたｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴである、請求項３に記載の非接触給電装置。
5. 前記受電装置は、前記負荷回路電圧が前記第１しきい値電圧以上のときに、過電圧状態であることを示す過電圧信号を送信する過電圧信号送信回路を更に有し、
   前記送電装置は、
   前記送電共振回路に交流電圧を供給する電力供給回路と、
   前記過電圧信号を受信する過電圧信号受信回路と、
   前記過電圧信号受信回路から前記過電圧信号が入力されたときに、前記電力供給回路の動作周波数を低下させる制御回路と、
   を有する、請求項１〜４の何れか一項に記載の非接触給電装置。

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