JP6907969B2 - 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。

非接触給電では、電力伝送効率は、一次側（送電側）のコイル（以下、送信コイルと呼ぶ）と二次側（受電側）のコイル（以下、受信コイルと呼ぶ）間の結合度kと、共振／共鳴の強さの指標であるQ値の積で表される。そのため、電力伝送効率を向上するためには、Q値を高くすることが求められる。特に、受電側において、受信コイルとコンデンサとが並列共振する共振回路を介して受電される場合、Q値を高くするためには、伝送される電力の電圧も高くすることが要求される。

しかし、受電側の共振回路を介して供給される電力により駆動される負荷回路が高電圧を必要としない場合、共振回路と負荷回路の間に、供給される電力の電圧を降下させるためのＤＣ−ＤＣコンバータが必要となる。しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータによる電圧の降下を行うことで、電力の損失が生じるため、用途によっては好ましくない。一方、受電側に、受電共振コイルと磁気結合したコントロールコイルを含む共振抑制回路を設け、出力電圧を監視して、コントロールコイルをスイッチにより短絡、開放する方法で共振動作を抑制することで、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いずに出力電圧を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１５−６５７２４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、非接触給電装置は、受電側におけるコントロールコイルの短絡及び開放の切り替えにより共振動作を抑制しているので、力率を高くすることが困難である。その結果として、電力伝送効率が低下し、あるいは、伝送される電力に重畳されるノイズが増加することがある。

そこで、本発明は、伝送される電力の電圧を抑制しつつ、電力伝送効率を向上できる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、送電装置と、送電装置から非接触で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。この非接触給電装置において、送電装置は、受電装置へ電力を供給する送信コイルと、送信コイルに対して、交流電力を供給し、かつ、送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を調整可能な電力供給回路と、受電装置から非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否かを表す判定情報を受信する第１の通信器と、判定情報に応じて、電力供給回路から送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する制御回路とを有する。受電装置は、送電装置からの電力を受信する受信コイルと、受信コイルと並列に接続される共振コンデンサとを有する共振回路と、受信コイルと電磁結合可能に配置され、かつ、受信コイルの巻き数よりも少ない巻き数を持つ出力コイルと、受信コイルを介して受信し、かつ、出力コイルから出力される電力を整流する整流回路と、出力コイルと整流回路の間に接続されるコイルと、整流回路から出力される電力の出力電圧を測定してその出力電圧の測定値を求める電圧検出回路と、第１の通信器と通信可能な第２の通信器と、出力電圧の測定値に基づいて、非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否かを判定し、判定情報を含む信号を第２の通信器に送信させる判定回路とを有する。
本発明に係る非接触給電装置は、このような構成を有することにより、伝送される電力の電圧を抑制しつつ、電力伝送効率を向上できる。

この非接触給電装置において、受電装置が有する整流回路は、同期整流回路であることが好ましい。
これにより、非接触給電装置は、整流回路による電力の損失を抑制でき、その結果として、電力伝送効率をより向上できる。

本発明の一つの実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。 共振回路、出力コイル及び出力コイルと接続されるコイルの等価回路図である。 非接触給電装置の等価回路図である。 本実施形態による非接触給電装置の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。 図４に示されたシミュレーションにおいて、結合度に応じて送信コイルに印加する電圧を変化させたときの、出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。 本実施形態による非接触給電装置における、送信コイルに印加される交流電力についての電圧の位相に対する電流の位相の遅れの周波数特性を示す図である。 変形例による、電力供給回路の回路図である。 さらに他の変形例による、受電装置の整流平滑回路の構成図である。 非接触給電装置の出力電圧の周波数特性と入力インピーダンスの周波数特性との関係の一例を示す図である。 さらに他の変形例による、非接触給電装置の概略構成図である。

以下、本発明の一つの実施形態による非接触給電装置を、図を参照しつつ説明する。この非接触給電装置では、受電側の装置が、受信コイルとコンデンサとが並列共振する共振回路と、受信コイルと電磁結合可能に設けられる電力取り出し用の出力コイルを有する。そしてこの非接触給電装置は、共振回路と別個に設けられた出力コイルの巻き数を受信コイルの巻き数よりも少なくして受電した電力を取り出すことで、伝送された電力の電圧を抑制しつつ、Q値を向上することを可能とする。さらに、この非接触給電装置は、出力コイルと負荷回路の間に、出力コイルと直列接続されるコイルを設けることで定電圧出力動作することを可能とし、送電側にて定電圧出力動作となるよう送信コイルに印加される電圧及び周波数を調整することで力率を向上して、電力伝送効率を向上する。

図１は、本発明の一つの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２と、送電装置２から空間を介して非接触で電力伝送される受電装置３とを有する。送電装置２は、電力供給回路１０と、送信コイル１４と、通信器１５と、ゲートドライバ１６−１、１６−２と、制御回路１７とを有する。一方、受電装置３は、受信コイル２１及び共振コンデンサ２２を有する共振回路２０と、出力コイル２３と、コイル２４と、整流平滑回路２５と、負荷回路２８と、電圧検出回路２９と、スイッチング素子３０と、判定回路３１と、通信器３２とを有する。

先ず、送電装置２について説明する。
電力供給回路１０は、調節可能なスイッチング周波数、及び、調節可能な電圧を持つ交流電力を送信コイル１４へ供給する。そのために、電力供給回路１０は、電源１１と、力率改善回路１２と、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４とを有する。

電源１１は、所定の脈流電圧を持つ電力を供給する。そのために、電源１１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整流するための全波整流回路を有する。

力率改善回路１２は、電源１１から出力された電力の電圧を、制御回路１７からの制御に応じた電圧に変換して出力する。そのために、力率改善回路１２は、例えば、電源１１の正極側端子から順に直列に接続されるコイルL及びダイオードDと、コイルLとダイオードDの間にドレイン端子が接続され、電源１１の負極側端子にソース端子が接続されたnチャネル型のMOSFETであるスイッチング素子SWと、ダイオードDを挟んでスイッチング素子SWと並列に接続される平滑コンデンサCを有する。またスイッチング素子SWのゲート端子は、ゲートドライバ１６−１と接続される。さらに、力率改善回路１２は、電源１１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される二つの抵抗R1、R2を有する。この抵抗R1、R2は、ダイオードDと平滑コンデンサCとの間に、平滑コンデンサCと並列に接続される。そして抵抗R1と抵抗R2間の電圧が、ダイオードDから出力される電圧を表すものとして、制御回路１７により測定される。

制御回路１７により指示されたデューティ比にしたがって、かつ、ダイオードDから出力される電流波形の軌跡が、電源１１から供給される電圧の軌跡と一致するように、ゲートドライバ１６−１がスイッチング素子SWのオン／オフを制御することにより、力率改善回路１２は、力率改善動作を実行する。そしてスイッチング素子SWがオンとなるデューティ比が高くなるほど、ダイオードDから出力される電圧は高くなる。

ダイオードDから出力される電圧は、平滑コンデンサCにより平滑化されて、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４を介して送信コイル１４へ供給される。

なお、力率改善回路１２は、上記の構成に限られず、制御回路１７からの制御によって出力電圧を調整可能な他の構成を有していてもよい。

４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。そして４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４のうち、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２は、電源１１の正極側端子と負極側端子との間に、力率改善回路１２を介して直列に接続される。また本実施形態では、電源１１の正極側に、スイッチング素子１３−１が接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１３−２が接続される。そしてスイッチング素子１３−１のドレイン端子は、力率改善回路１２を介して電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１３−１のソース端子は、スイッチング素子１３−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１３−２のソース端子は、力率改善回路１２を介して電源１１の負極側端子と接続される。さらに、スイッチング素子１３−１のソース端子、及び、スイッチング素子１３−２のドレイン端子は、送信コイル１４の一端に接続され、スイッチング素子１３−２のソース端子は、スイッチング素子１３−４を介して送信コイル１４の他端に接続される。

同様に、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４のうち、スイッチング素子１３−３とスイッチング素子１３−４は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−２と並列に、かつ、力率改善回路１２を介して電源１１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、電源１１の正極側に、スイッチング素子１３−３が接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１３−４が接続される。そしてスイッチング素子１３−３のドレイン端子は、力率改善回路１２を介して電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１３−３のソース端子は、スイッチング素子１３−４のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１３−４のソース端子は、力率改善回路１２を介して電源１１の負極側端子と接続される。さらに、スイッチング素子１３−３のソース端子、及び、スイッチング素子１３−４のドレイン端子は、送信コイル１４の他端に接続される。

また、各スイッチング素子１３−１〜１３−４のゲート端子は、ゲートドライバ１６−２を介して制御回路１７と接続される。さらに、各スイッチング素子１３−１〜１３−４のゲート端子は、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、抵抗を介して自素子のソース端子と接続されてもよい。そして各スイッチング素子１３−１〜１３−４は、制御回路１７からの制御信号にしたがって、調整可能なスイッチング周波数にてオン／オフが切り替えられる。本実施形態では、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−４とがオンとなっている間、スイッチング素子１３−２とスイッチング素子１３−３とがオフとなり、逆に、スイッチング素子１３−２とスイッチング素子１３−３とがオンとなっている間、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−４とがオフとなるように、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−４の組と、スイッチング素子１３−２とスイッチング素子１３−３との組について交互にオン／オフが切り替えられる。これにより、電源１１から力率改善回路１２を介して供給された直流電力は、各スイッチング素子のスイッチング周波数を持つ交流電力に変換されて、送信コイル１４に供給される。

そして送信コイル１４は、電力供給回路１０から供給された交流電力を、空間を介して受電装置３の共振回路２０へ伝送する。

通信器１５は、受電装置３の通信器３２から無線信号を受信する度に、その無線信号から、非接触給電装置１が定電圧出力動作しているか否かなどを表す判定情報を取り出して、制御回路１７へ出力する。そのために、通信器１５は、受電装置３の通信器３２と通信可能なように、例えば、所定の無線通信規格に準じて無線信号を受信するアンテナと、その無線信号を復調する通信回路とを有する。なお、所定の無線通信規格は、例えば、ISO/IEC 15693、ZigBee（登録商標）、あるいはBluetooth（登録商標）とすることができる。

ゲートドライバ１６−１は、制御回路１７から、力率改善回路１２のスイッチング素子SWのオン／オフを切り替える制御信号を受信し、その制御信号に応じて、スイッチング素子SWのゲート端子に印加する電圧を変化させる。すなわち、ゲートドライバ１６−１は、スイッチング素子SWをオンにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子SWのゲート端子に、スイッチング素子SWがオンとなる相対的に高い電圧を印加する。一方、ゲートドライバ１６−１は、スイッチング素子SWをオフにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子SWのゲート端子に、スイッチング素子SWがオフとなる、相対的に低い電圧を印加する。これにより、ゲートドライバ１６−１は、制御回路１７により指示されたタイミングで力率改善回路１２のスイッチング素子SWのオン／オフを切り替える。

ゲートドライバ１６−２は、制御回路１７から、各スイッチング素子１３−１〜１３−４のオン／オフを切り替える制御信号を受信し、その制御信号に応じて、各スイッチング素子１３−１〜１３−４のゲート端子に印加する電圧を変化させる。すなわち、ゲートドライバ１６−２は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４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のゲート端子及びスイッチング素子１３−４のゲート端子に、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４がオンとなる相対的に高い電圧を印加する。これにより、電源１１からの電流が、スイッチング素子１３−１、送信コイル１４及びスイッチング素子１３−４を介して流れるようになる。一方、ゲートドライバ１６−２は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４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のゲート端子及びスイッチング素子１３−４のゲート端子に、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４がオフとなり、電源１１からの電流がスイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４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１６−２は、スイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３についても同様に、ゲート端子に印加する電圧を制御する。したがって、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４がオフとなり、スイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３がオンとなると、電源１１からの電流が、スイッチング素子１３−３、送信コイル１４及びスイッチング素子１３−２を介して流れるようになる。

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する。そして制御回路１７は、通信器１５から判定情報を受け取る度に、その判定情報に応じて、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する。

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及びスイッチング素子１３−４の組とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組とが交互にオンとなり、かつ、スイッチング周波数に対応する１周期内でスイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組がオンとなっている期間とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組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１３−１〜１３−４を制御する。なお、制御回路１７は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組が同時にオンとなり、電源１１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及びスイッチング素子１３−４の組とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組のオン／オフを切り替える際に、両方のスイッチング素子の組がオフとなるデッドタイムを設けてもよい。

また、制御回路１７は、スイッチング周波数と、そのスイッチング周波数にて定電圧出力となる、送信コイル１４への印加電圧に相当する、力率改善回路１２のスイッチング素子SWのオン／オフ制御のデューティ比との関係を表す参照テーブルを参照して、スイッチング周波数に応じたデューティ比を選択する。そして制御回路１７は、そのデューティ比と、力率改善回路１２のダイオードDからの出力電圧の変化に応じて、スイッチング素子SWのオン／オフを切り替えるタイミングを決定し、そのタイミングを表す制御信号をゲートドライバ１６−１へ出力する。

さらに、通信器１５が受電装置３からの無線信号を受信できない場合、受電装置３は、送電装置２から電力供給を受けることができる位置に存在しない、すなわち、送電装置２は待機状態にあると想定される。そこでこの場合、制御回路１７は、スイッチング素子SWのオン／オフ制御のデューティ比を設定可能な最小値としてもよい。これにより、送電装置２が待機状態となっている間、送信コイル１４に印加される電圧も設定可能な最小値となるので、エネルギーの損失が抑制される。

なお、制御回路１７による、スイッチング周波数及び送信コイル１４への印加電圧の制御の詳細については後述する。

次に、受電装置３について説明する。
共振回路２０は、互いに並列に接続される受信コイル２１と共振コンデンサ２２とからなるＬＣ共振回路である。

受信コイル２１は、送電装置２の送信コイル１４に流れる交流電流と共振することで、送信コイル１４から電力を受信する。そして受信した電力は、受信コイル２１と電磁結合可能に配置された出力コイル２３を介して取り出される。なお、受信コイル２１の巻き数と、送電装置２の送信コイル１４の巻き数は同一でもよく、あるいは、異なっていてもよい。

共振コンデンサ２２は、その一端で受信コイル２１の一端と接続され、他端で受信コイル２１の他端と接続される。そして共振コンデンサ２２は受信コイル２１とともに並列共振する共振回路を構成して、送信コイル１４から伝送される電力を受信可能とする。

出力コイル２３は、共振回路２０の受信コイル２１と電磁結合可能に配置される。例えば、出力コイル２３と受信コイル２１とは、同一の芯線に対して巻き付けられる。そのため、出力コイル２３は、受信コイル２１とともにトランスを構成し、受信コイル２１にて受電した電力を、出力コイル２３から取り出すことができる。そして出力コイル２３の一端がコイル２４を介して整流平滑回路２５の一方の入力端子に接続される。また、出力コイル２３の他端が整流平滑回路２５の他方の入力端子に接続される。したがって、出力コイル２３から取り出される電力は、コイル２４及び整流平滑回路２５を介して負荷回路２８へ供給される。

図２は、共振回路２０、出力コイル２３及びコイル２４の等価回路図である。等価回路２００に示されるように、共振回路２０、出力コイル２３及びコイル２４は、共振回路２０の受信コイル２１と出力コイル２３とがトランスとして動作するため、共振回路２０の一端と負荷回路２８の一端との間にコイル２４が接続され、共振回路２０の他端と負荷回路２８の他端とが接続される回路と等価である。

共振回路２０のように、受信コイル２１と共振コンデンサ２２とが並列共振する場合、等価回路２００のQ値は、次式で表される。

ここでCeは、等価回路２００の容量であり、Leは、等価回路２００のインダクタンスであり、Reは、等価回路２００の抵抗である。ここで、出力コイル２３の巻き数に対する、共振回路２０の受信コイル２１の巻き数の比を１：ｎとし、コイル２４のインダクタンスをL、負荷回路２８の抵抗をRとすると、等価回路２００では、コイル２４の等価インダクタンスはn²*Lとなり、負荷回路２８の等価抵抗はn²*Rとなる。したがって、実際の負荷回路２８の抵抗に対してQ値を評価する際の抵抗Reはn²*Rとなる。一方、出力コイル２３から取り出される電力の電圧は、共振回路２０において受信した電力の電圧の1/nとなる。さらに、出力コイル２３から取り出される電力の電圧は、負荷回路２８に流れる電流をIとして、R*Iとなればよい。そのため、出力コイル２３から取り出される電圧は、負荷回路２８の抵抗そのものに比例した値となる。したがって、ｎが１よりも大きければ、取り出す電力の電圧が低くても、Q値を高くすることができる。このことから、本実施形態では、出力コイル２３の巻き数が受信コイル２１の巻き数よりも少なくなるように、出力コイル２３及び受信コイル２１は構成される。

コイル２４は、共振回路２０と整流平滑回路２５との間に接続される。本実施形態では、コイル２４は、出力コイル２３と直列となるように、その一端で出力コイル２３と接続され、他端で整流平滑回路２５と接続される。そしてコイル２４は、出力コイル２３からの電力を整流平滑回路２５へ出力する。なお、このコイル２４が設けられることにより、受電した電力の高調波成分が抑制される。

整流平滑回路２５は、整流回路の一例であり、ブリッジ接続された４個のダイオードを有する全波整流回路２６と平滑コンデンサ２７とを有し、共振回路２０を介して受信され、かつ、出力コイル２３及びコイル２４を介して出力された電力を整流し、かつ、平滑化して、直流電力に変換する。そして整流平滑回路２５は、その直流電力を、負荷回路２８に出力する。

電圧検出回路２９は、整流平滑回路２５の両端子間の出力電圧を所定の周期ごとに測定する。整流平滑回路２５の両端子間の出力電圧は、出力コイル２３の出力電圧と１対１に対応するので、整流平滑回路２５の両端子間の出力電圧の測定値は、間接的に出力コイル２３の出力電圧の測定値となる。電圧検出回路２９は、例えば、直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。そして電圧検出回路２９は、その出力電圧の測定値を表す電圧検出信号を判定回路３１へ出力する。

スイッチング素子３０は、例えば、MOSFETであり、整流平滑回路２５と負荷回路２８との間に接続される。スイッチング素子３０は、オフとなると整流平滑回路２５から負荷回路２８へ電流が流れないようにし、一方、オンとなると整流平滑回路２５から負荷回路２８へ電流が流れるようにする。

判定回路３１は、電圧検出回路２９から受け取った出力電圧の測定値が、定電圧出力動作が行われているときの電圧の許容範囲内に出力電圧の測定値が含まれているか否か判定する。そして判定回路３１は、その判定結果を通信器３２へ通知する。なお、電圧の許容範囲の上限は、上記の上限閾値以下に設定されることが好ましい。

そのために、判定回路３１は、例えば、電圧の許容範囲を記憶するメモリ回路と、出力電圧の測定値を、電圧の許容範囲と比較する演算回路と、スイッチング素子３０のオン／オフを制御するための制御回路を有する。

判定回路３１は、出力電圧の測定値が、電圧の許容範囲から外れている間、所定の周期でスイッチング素子３０のオン／オフを切り替える。これにより、その所定の周期で、整流平滑回路２５と接続される、負荷回路２８を含む回路全体の抵抗値が変化する。したがって、判定回路３１は、スイッチング素子３０のオン／オフを切り替えながら、出力電圧の測定値が略一定となるか否かを判定することで、非接触給電装置１が定電圧出力動作しているか否かを判定できる。そこで、判定回路３１は、所定の周期でスイッチング素子３０のオン／オフを切り替えても出力電圧の測定値が略一定となっている間、非接触給電装置１が定電圧出力動作していることを通信器３２へ通知する。

また、判定回路３１は、出力電圧の測定値が所定の周期よりも長い一定期間の間、非接触給電装置１が定電圧出力動作している場合、スイッチング素子３０のオン／オフの切り替えを停止して、オンとなる状態を維持する。そして判定回路３１は、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれるか否か判定し、その判定結果を通信器３２へ通知する。

その際、判定回路３１は、出力電圧の測定値が所定の周期よりも長い一定期間の間、電圧の許容範囲に含まれる場合、非接触給電装置１が定電圧出力動作しており、かつ、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲内であることを表す判定結果を通信器３２へ通知する。

なお、変形例によれば、判定回路３１は、整流平滑回路２５に対して、負荷回路２８と並列に接続される抵抗を有していてもよい。この場合、スイッチング素子３０は、その抵抗と直列、かつ、負荷回路２８と並列となるように設けられてもよい。この場合には、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれる間、判定回路３１は、スイッチング素子３０をオフにする。一方、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲から外れると、上記の実施形態と同様に、判定回路３１は、所定の周期でスイッチング素子３０のオン／オフを切り替えればよい。この変形例によれば、非接触給電装置１が定電圧出力動作していない場合にも、負荷回路２８への電力供給が継続される。

さらに他の変形例によれば、上記の抵抗と並列、かつ、負荷回路２８と直列に、MOSFETといった第２のスイッチング素子が設けられてもよい。この場合、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれる間、判定回路３１は、第２のスイッチング素子をオンにして、負荷回路２８への電力供給を可能とする。一方、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲から外れると、判定回路３１は、第２のスイッチング素子をオフにして、負荷回路２８への電力供給を停止してもよい。これにより、送電装置２においてスイッチング周波数が調整されている間に、受電した電力の電圧が過度に高くなっても、その過度に高い電圧が負荷回路２８に印加されることが防止される。

通信器３２は、所定の送信周期ごとに、判定回路３１から受け取った判定結果に応じて、非接触給電装置１が定電圧出力動作しているか否か、及び、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれるか否かを表す判定情報を含む無線信号を生成し、その無線信号を送電装置２の通信器１５へ向けて送信する。そのために、通信器３２は、送電装置２の通信器１５と通信可能なように、例えば、所定の無線通信規格に準じて無線信号を生成する通信回路と、その無線信号を出力するアンテナとを有する。なお、所定の無線通信規格は、通信器１５と同様に、例えば、ISO/IEC 15693、ZigBee（登録商標）、あるいはBluetooth（登録商標）とすることができる。

以下、非接触給電装置１の動作の詳細について説明する。

本実施形態では、送電装置２の制御回路１７は、通信器１５から受け取った判定情報に基づいて、非接触給電装置１が定電圧出力動作を継続するよう、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を調整する。

ここで、本実施形態による非接触給電装置は、送電側における共振を利用しない。このことから、非接触給電装置１の出力電圧の周波数特性は、受電側の共振回路のコイルに対して直列に接続されるリアクトルを設ける、いわゆるＳＰＬ方式の非接触給電装置において、送信コイルと直列接続されるコンデンサの静電容量を大きくして、送電側の共振回路の共振周波数を低下させたときの出力電圧の周波数特性と類似したものとなる。

図３は、非接触給電装置１の等価回路図である。この等価回路３００において、送電側の送信コイル１４と受電側の共振回路２０の受信コイル２１とが結合して、m:1の理想トランスを形成するものとする。Lr及びLmは、送電側の送信コイル１４の漏れインダクタンス及び励磁インダクタンスである。なお、送電側の送信コイル１４のインダクタンスLpは、(Lm+Lr)と等しく、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度をkとすると、Lr=(1-k)Lp、Lm=kLpである。また、Riは、送電側の巻線抵抗値であり、Risは、受電側の巻線抵抗値である。Cpは、受電側の共振回路２０における、受信コイル２１と並列接続される共振コンデンサ２２の静電容量である。Lopは、受信コイル２１と直列接続されるコイル２４のインダクタンスである。そしてRacは、負荷回路２８の交流等価抵抗値であり、Rac=(8/π²)×(n²×Ro)で表される。なお、Roは、負荷回路２８の抵抗値であり、nは、出力コイル２３の巻き数に対する受信コイル２１の巻き数の比である。

図４は、本実施形態による非接触給電装置１の出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図４において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。なお、このシミュレーションでは、Lp=174μH、Cp=20nF、Lop=3Lp、Ri=Ris=0.3Ω、n=1、Vin=200V、Rac=162.1Ωとした。グラフ４０１は、結合度k=0.15、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ４０２は、結合度k=0.15、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ４０３は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ４０４は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ４０５は、結合度k=0.6、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRacとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ４０６は、結合度k=0.6、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。

図４に示されるように、結合度kが変化しない条件下で、負荷回路２８の交流等価抵抗値が変化しても出力電圧が略一定となる（すなわち、定電圧出力となる）、周波数と出力電圧の組み合わせは、結合度ごとに（図のポイント４１１〜４１３の３通り）存在する。したがって、送信コイル１４が共振しないスイッチング周波数を持つ交流電力を送信コイル１４に印加しても、負荷回路２８の抵抗値の変化に対して非接触給電装置１を定電圧出力動作させることができることが分かる。さらに、ポイント４１１〜４１３で示される通り、負荷回路２８の抵抗値の変動に関して定電圧出力となるときの出力電圧は、結合度に応じて互いに異なっているものの、この出力電圧の差は、送信コイル１４に印加する電圧を調節することで、結合度によらず、略一定の出力電圧とすることができる。

図５は、図４に示されたシミュレーションにおいて、結合度に応じて送信コイル１４に印加する電圧を変化させたときの、出力電圧の周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す図である。図５において、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。グラフ５０１は、結合度k=0.15、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ５０２は、結合度k=0.15、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac) 、送信コイルに印加される電圧をVinとしたときの出力電圧の周波数特性を表す。また、グラフ５０３は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧を(0.47*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ５０４は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac) 、送信コイルに印加される電圧を(0.47*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。さらに、グラフ５０５は、結合度k=0.6、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRac、送信コイルに印加される電圧を(0.19*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ５０６は、結合度k=0.6、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac) 、送信コイルに印加される電圧を(0.19*Vin)としたときの出力電圧の周波数特性を表す。

図４に示されたポイント４１１〜４１３に対応する、結合度kが変化しない条件下で、負荷回路２８の交流等価抵抗値が変化しても出力電圧が略一定となる（すなわち、定電圧出力となる）、周波数と出力電圧の組み合わせは、ポイント５１１〜５１３の３通りとなる。そしてポイント５１１〜５１３のそれぞれの出力電圧は、互いに略等しい。

以上により、負荷回路２８の抵抗値及び結合度の何れが変動しても、送信コイル１４に印加する交流電力のスイッチング周波数及び電圧を適切に調節することで、出力電圧が略一定に保たれることが分かる。

そこで、制御回路１７は、定電圧出力動作を達成するために、下記のように送信コイル１４に印加される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する。

受電装置３から通信器１５を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、非接触給電装置１が定電圧出力動作していないことが示されている場合、制御回路１７は、交流電力のスイッチング周波数を所定の周波数領域内で変化させる。所定の周波数領域は、例えば、送電装置２から受電装置３への給電が行われる場合における、送信コイル１４と受信コイル２１間の想定される結合度の最小値において定電圧出力となる周波数を下限とし、送信コイル１４と受信コイル２１間の想定される結合度の最大値において定電圧出力となる周波数を上限とする周波数領域とすることができる。

制御回路１７は、スイッチング周波数を変化させる際、所定の周波数領域の下限から上限まで順にスイッチング周波数を高くしてもよく、あるいは、逆に、所定の周波数領域の上限から下限まで順にスイッチング周波数を低くしてもよい。その際、制御回路１７は、受電装置３の判定回路３１が、出力電圧が略一定となったか否かを調べることができるように、判定回路３１がスイッチング素子３０のオンとオフを切り替える周期よりも長い期間、同じスイッチング周波数を保つように、ステップ状にスイッチング周波数を変化させることが好ましい。

なお、制御回路１７は、スイッチング周波数を調整している間、送信コイル１４に印加する電圧を下限の電圧にまで低下させることが好ましい。これにより、受電装置３に供給される電力の電圧が過度に高くなることが抑制される。

制御回路１７は、受電装置３から通信器１５を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲には含まれないものの、負荷回路２８の抵抗が変化しても略一定となること、すなわち、定電圧出力動作が行われていることが示されていると、それ以降、スイッチング周波数を一定に保つ。そして次に、制御回路１７は、スイッチング周波数と、そのスイッチング周波数において結合度によらず一定の電圧出力となる、力率改善回路１２のスイッチング素子SWのオン／オフ制御のデューティ比との関係を示す参照テーブルを参照して、そのデューティ比を決定する。そして制御回路１７は、そのデューティ比に従って力率改善回路１２のスイッチング素子SWのオン／オフを切り替えるよう、ゲートドライバ１６−１を制御する。これにより、出力コイル２３からの出力電圧が電圧の許容範囲に含まれるように、すなわち、結合度によらずに一定の電圧が出力されるように、送信コイル１４に印加される電圧が調整される。そして制御回路１７は、受電装置３から通信器１５を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれることが示されると、送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を一定に保つ。

なお、制御回路１７は、上記の参照テーブルを参照してデューティ比を決定する代わりに、受電装置３から通信器１５を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれることが示されるようになるまで、徐々にデューティ比を変化させてもよい。

また、エネルギー伝送効率を向上するためには、送電装置２の電力供給回路１０及び送信コイル１４が継続してソフトスイッチング（誘導性）動作することが好ましい。電力供給回路１０及び送信コイル１４がソフトスイッチング動作するためには、送信コイル１４を流れる電流の位相が印加される電圧の位相よりも遅れることが好ましい。これにより、例えば、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４がオンとなる際に、スイッチング素子１３−１のソース端子からドレイン端子へ向かって電流が流れることになるので、電力供給回路１０及び送信コイル１４がソフトスイッチング動作することとなり、スイッチングロスの発生が抑制される。

図６は、本実施形態による非接触給電装置１における、送信コイル１４に印加される交流電力についての電圧の位相に対する電流の位相の遅れの周波数特性を示す図である。図６において、横軸は周波数を表し、縦軸は位相を表す。なお、この図において、位相が正の値を持つ場合、電圧の位相に対して電流の位相が遅れていることを示す。グラフ６０１は、結合度k=0.15、負荷回路の交流等価抵抗値をRacとしたときの位相の遅れの周波数特性を表す。またグラフ６０２は、結合度k=0.15、負荷回路の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの位相の遅れの周波数特性を表す。また、グラフ６０３は、結合度k=0.3、負荷回路の交流等価抵抗値をRacとしたときの位相の遅れの周波数特性を表す。またグラフ６０４は、結合度k=0.3、負荷回路の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの位相の遅れの周波数特性を表す。さらに、グラフ６０５は、結合度k=0.6、負荷回路の交流等価抵抗値をRacとしたときの位相の遅れの周波数特性を表す。またグラフ６０６は、結合度k=0.6、負荷回路の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの位相の遅れの周波数特性を表す。

グラフ６０１〜６０６に示されるように、図５に示されるポイント５１１〜５１３に対応する周波数を含む周波数領域において、すなわち、非接触給電装置１を定電圧出力動作させる周波数領域では、定電圧出力動作となる結合度と周波数の組み合わせについて位相の遅れが正の値を持っていることが分かる。したがって、本実施形態による非接触給電装置１は、電力供給回路１０及び送信コイル１４をソフトスイッチング動作させることができることが分かる。

以上に説明してきたように、この非接触給電装置は、受電装置の共振回路の受信コイルと電磁結合可能に配置される出力コイルから伝送された電力を取り出す。そしてこの非接触給電装置において、出力コイルの巻き数よりも受信コイルの巻き数の方が多くなるように出力コイル及び受信コイルは構成される。これにより、この非接触給電装置は、伝送される電力の電圧を低くしてもQ値を高くすることができる。さらに、この非接触給電装置は、伝送される電力の損失が抑制されるよう、送電装置にて送信コイルに印加される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する。したがって、この非接触給電装置は、伝送される電力の電圧を低くしつつ、電力伝送効率を向上できる。その結果として、この非接触給電装置は、印加可能な電圧の許容最大値があまり高くない負荷回路に電力を供給する場合でも、電力伝送効率を向上できる。

変形例によれば、送電装置２において、送信コイル１４に交流電力を供給する電力供給回路は、スイッチング周波数及び送信コイル１４に印加する電圧を可変に調節できる回路であれば、上記の実施形態とは異なる回路構成を持っていてもよい。

図７は、変形例による、電力供給回路の回路図である。

図７に示される電力供給回路１１０は、電源１１と、力率改善回路１２と、二つのスイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−２と、送信コイル１４と直列に接続される、直流遮断用のコンデンサ１３１とを有する。なお、この変形例においても、各スイッチング素子は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。また、力率改善回路１２は、例えば、上記の実施形態における力率改善回路１２と同一とすることができる。

この変形例では、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２は、電源１１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、電源１１の正極側に、スイッチング素子１３−１が接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１３−２が接続される。そしてスイッチング素子１３−１のドレイン端子は、電源１１の正極側端子と力率改善回路１２を介して接続され、スイッチング素子１３−１のソース端子は、スイッチング素子１３−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１３−２のソース端子は、電源１１の負極側端子と力率改善回路１２を介して接続される。さらに、スイッチング素子１３−１のソース端子、及び、スイッチング素子１３−２のドレイン端子は、送信コイル１４の一端に接続され、スイッチング素子１３−２のソース端子は、コンデンサ１３１を介して送信コイル１４の他端に接続される。また、各スイッチング素子のゲート端子は、ゲートドライバ１６−２と接続される。

この変形例では、ゲートドライバ１６−２が、制御回路から制御信号に従って、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２のオン／オフを交互に切り替えればよい。すなわち、スイッチング素子１３−１がオンとなり、スイッチング素子１３−２がオフとなる場合には、電源１１から力率改善回路１２及びスイッチング素子１３−１を介して送信コイル１４へ電流が流れ、コンデンサ１３１が充電される。一方、スイッチング素子１３−１がオフとなり、スイッチング素子１３−２がオンとなる場合には、コンデンサ１３１が放電して、コンデンサ１３１から送信コイル１４及びスイッチング素子１３−２を介して電流が流れる。したがって、この変形例では、制御回路が、受電装置３から受信した判定情報に応じて、ゲートドライバ１６−２を介して、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２のオン／オフを切り替えるスイッチング周波数を制御すればよい。

また、上記の実施形態において、電力供給回路１１０と同様に、送信コイル１４と直列に接続される、直流遮断用のコンデンサが設けられてもよい。ただしこの場合も、スイッチング周波数が調整される周波数範囲において送信コイル１４とコンデンサとが共振回路として動作しないよう、送信コイル１４とコンデンサの共振周波数は、受電装置３の共振回路２０の共振周波数及びスイッチング周波数が調整される周波数範囲の下限周波数よりも小さくなるように、コンデンサの静電容量が設定されることが好ましい。

さらに、上記の実施形態または変形例において、整流平滑回路２５による損失を軽減するために、整流平滑回路２５は、全波同期整流可能な同期整流回路として構成されてもよい。

図８は、さらに他の変形例による受電装置３の整流平滑回路２５の構成図である。この変形例による整流平滑回路２５は、フルブリッジ状に接続された４個のスイッチング素子２５１〜２５４と、平滑コンデンサ２５５と、２個の電圧検出回路２５６、２５７と、制御回路２５８と、ゲートドライバ２５９とを有する。

４個のスイッチング素子２５１〜２５４は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。そして４個のスイッチング素子２５１〜２５４のうち、スイッチング素子２５１とスイッチング素子２５２は、互いに直列に、かつ、出力コイル２３に対して並列に接続される。スイッチング素子２５１のソース端子は、コイル２４を介して出力コイル２３の一端と接続され、一方、スイッチング素子２５２のソース端子は、出力コイル２３の他端と接続される。そしてスイッチング素子２５１のドレイン端子とスイッチング素子２５２のドレイン端子が互いに接続される。

同様に、スイッチング素子２５３とスイッチング素子２５４は、互いに直列に、かつ、スイッチング素子２５１及びスイッチング素子２５２に対して並列に接続される。スイッチング素子２５３のドレイン端子は、コイル２４を介して出力コイル２３の一端と接続され、一方、スイッチング素子２５４のドレイン端子は、出力コイル２３の他端と接続される。そしてスイッチング素子２５３のソース端子とスイッチング素子２５４のソース端子が互いに接続される。

また、各スイッチング素子２５１〜２５４のゲート端子は、ゲートドライバ２５９を介して制御回路２５８と接続される。そして各スイッチング素子２５１〜２５４は、制御回路２５８からの制御信号にしたがってオン／オフが切り替えられる。本実施形態では、出力コイル２３のコイル２４と接続される側の一端の電位が出力コイル２３の他端の電位よりも高い場合において、後述する条件が満たされた場合に、スイッチング素子２５１とスイッチング素子２５４とがオンとなり、一方、スイッチング素子２５２とスイッチング素子２５３とがオフとなる。逆に、出力コイル２３のコイル２４と接続される側の一端の電位が出力コイル２３の他端の電位よりも低い場合において、後述する条件が満たされた場合にスイッチング素子２５２とスイッチング素子２５３とがオンとなっている間、スイッチング素子２５１とスイッチング素子２５４とがオフとなる。これにより、出力コイル２３から供給される交流電力は直流の脈流電圧に変換されるとともに同期整流され、平滑コンデンサ２５５によって平滑化されて負荷回路２８へ供給される。

電圧検出回路２５６は、スイッチング素子２５４のソース−ドレイン間の電圧を測定し、その測定値を制御回路２５８へ出力する。同様に、電圧検出回路２５７は、スイッチング素子２５３のソース−ドレイン間の電圧を測定し、その測定値を制御回路２５８へ出力する。なお、電圧検出回路２５６及び電圧検出回路２５７は、それぞれ、対応するスイッチング素子のソース−ドレイン間の電圧の測定値を求めることができるどのような回路であってもよい。

制御回路２５８は、整流平滑回路２５が同期整流動作するよう、スイッチング素子２５１〜２５４のオン／オフを制御する。例えば、制御回路２５８は、電圧の測定値を所定の基準値と比較するための比較回路と、ゲートドライバ２５９を介してスイッチング素子２５１〜２５４を制御するための制御回路とを有する。そして制御回路２５８は、LLC共振コンバータの２次側における同期整流方式と同様の方式に従って、スイッチング素子２５１〜２５４のオン／オフを制御すればよい。例えば、制御回路２５８は、スイッチング素子２５４のボディダイオードに電流が流れ始めることで、電圧検出回路２５６により検出されたスイッチング素子２５４のソース−ドレイン間電圧が所定の基準値以下となると、ゲートドライバ２５９に、スイッチング素子２５１及びスイッチング素子２５４をオンにする制御信号を出力する。ゲートドライバ２５９は、その制御信号を受信すると、スイッチング素子２５１及びスイッチング素子２５４をオンにする。一方、電圧検出回路２５６により検出されたスイッチング素子２５４のソース−ドレイン間電圧が所定の基準値を超えると、制御回路２５８は、ゲートドライバ２５９に、スイッチング素子２５１及びスイッチング素子２５４をオフにする制御信号を出力する。ゲートドライバ２５９は、その制御信号を受信すると、スイッチング素子２５１及びスイッチング素子２５４をオフにする。同様に、制御回路２５８は、スイッチング素子２５３のボディダイオードに電流が流れ始めることで、電圧検出回路２５７により検出されたスイッチング素子２５３のソース−ドレイン間電圧が所定の基準値以下となると、ゲートドライバ２５９に、スイッチング素子２５２及びスイッチング素子２５３をオンにする制御信号を出力する。ゲートドライバ２５９は、その制御信号を受信すると、スイッチング素子２５２及びスイッチング素子２５３をオンにする。一方、電圧検出回路２５７により検出されたスイッチング素子２５３のソース−ドレイン間電圧が所定の基準値を超えると、制御回路２５８は、ゲートドライバ２５９に、スイッチング素子２５２及びスイッチング素子２５３をオフにする制御信号を出力する。ゲートドライバ２５９は、その制御信号を受信すると、スイッチング素子２５２及びスイッチング素子２５３をオフにする。これにより、整流平滑回路２５は、同期整流動作して、整流平滑回路２５を流れる電流による損失を軽減できる。

また、発明者は、受電装置の負荷回路の抵抗値が予め設定された値となる場合には、上記の実施形態による非接触給電装置が定電圧出力動作する周波数において、この非接触給電装置の入力インピーダンスが極小値となるという知見を得た。

図９は、非接触給電装置の出力電圧の周波数特性と入力インピーダンスの周波数特性との関係の一例を示す図である。図９の上側のグラフにおいて、横軸は、周波数を表し、縦軸は、出力電圧を表す。また、図９の下側のグラフにおいて、横軸は、周波数を表し、縦軸は、入力インピーダンスを表す。なお、このシミュレーションでは、図４に示されたシミュレーションに用いられた各回路素子のパラメータの値と同じ値を使用した。上側のグラフにおいて、グラフ９０１（図４のグラフ４０３と同一）は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRacとしたときの非接触給電装置１の出力電圧の周波数特性を表す。またグラフ９０２（図４のグラフ４０４と同一）は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(10*Rac)としたときの非接触給電装置１の出力電圧の周波数特性を表す。また、下側のグラフにおいて、グラフ９１１は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値をRacとしたときの非接触給電装置１の入力インピーダンスの周波数特性を表す。さらに、グラフ９１２は、結合度k=0.3、負荷回路２８の交流等価抵抗値を(100*Rac)としたときの非接触給電装置１の入力インピーダンスの周波数特性を表す。

図９に示されるように、非接触給電装置１が定電圧出力動作する周波数f0では、負荷回路２８の交流等価抵抗値がRacのときの入力インピーダンスは極小値となる。すなわち、周波数f0にて、送信コイル１４に流れる電流は極大値を持つ。

そこで変形例によれば、送電装置の制御回路は、送信コイルを流れる電流の周波数特性に応じて、非接触給電装置が定電圧出力動作するか否かを判定してもよい。

図１０は、この変形例による、非接触給電装置の概略構成図である。図１０に示されるように、非接触給電装置４１は、送電装置４２と、送電装置４２から空間を介して非接触で電力伝送される受電装置４３とを有する。送電装置４２は、電力供給回路５０と、送信コイル５４と、コンデンサ５５と、電流検出回路５６と、通信器５７と、ゲートドライバ５８と、制御回路５９とを有する。一方、受電装置４３は、受信コイル６１及び共振コンデンサ６２を有する共振回路６０と、出力コイル６３と、コイル６４と、全波整流回路６６と平滑コンデンサ６７を有する整流平滑回路６５と、負荷回路６８と、電圧検出回路６９と、スイッチング素子７０と、判定回路７１と、固定負荷回路７２と、通信器７３とを有する。

非接触給電装置４１は、図１に示された非接触給電装置１と比較して、送電装置４２については、電力供給回路５０の構成と、コンデンサ５５及び電流検出回路５６を有する点と、一つのゲートドライバ５８を有する点と、制御回路５９による制御の一部が相違する。また、受電装置４３については、固定負荷回路７２を有する点で相違する。そこで以下では、上記の相違点及び関連する部分について説明する。非接触給電装置４１の他の構成要素の詳細については、上記の実施形態の対応する構成要素の説明を参照されたい。

電力供給回路５０は、調節可能なスイッチング周波数、及び、調節可能な電圧を持つ交流電力を送信コイル５４へ供給する。そのために、電力供給回路５０は、電圧可変電源５１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２と、３個のスイッチング素子５３−１〜５３−３とを有する。

電圧可変電源５１は、直流電力を供給し、その直流電力の電圧を制御回路５９からの制御によって調整可能な電源である。なお、電圧可変電源５１は、供給する電圧を調整可能な様々な回路構成の何れを有していてもよい。非接触給電装置４１が定電圧出力動作している間、電圧可変電源５１から供給される直流電力は、スイッチング素子５３−１及び５３−２を介して交流電力に変換されて送信コイル５４へ供給される。一方、非接触給電装置４１が定電圧出力動作するためのスイッチング周波数の調整が行われている間、電圧可変電源５１から供給される直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２及びスイッチング素子５３−３を介して送信コイル５４へ供給される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の入力端子は、電圧可変電源５１の正極側端子と接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の出力端子は、ダイオードD及びスイッチング素子５３−３を介してコンデンサ５５の一端と接続される。そしてＤＣ／ＤＣコンバータ５２は、電圧可変電源５１から供給された直流電力の電圧を所定の電圧（例えば、5V）に低下させる。

非接触給電装置４１が定電圧出力動作するためのスイッチング周波数の調整が行われている間、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２から出力された電圧は、ダイオードD、スイッチング素子５３−３及びコンデンサ５５を介して送信コイル５４へ供給される。

スイッチング素子５３−１〜５３−３は、それぞれ、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。スイッチング素子５３−１とスイッチング素子５３−２は、電圧可変電源５１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、電圧可変電源５１の正極側に、スイッチング素子５３−１が接続され、一方、電圧可変電源５１の負極側に、スイッチング素子５３−２が接続される。そしてスイッチング素子５３−１のドレイン端子は、電圧可変電源５１の正極側端子と接続され、スイッチング素子５３−１のソース端子は、スイッチング素子５３−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子５３−１のソース端子、及び、スイッチング素子５３−２のドレイン端子は、コンデンサ５５を介して送信コイル５４の一端と接続される。さらに、スイッチング素子５３−２のソース端子は、電圧可変電源５１の負極側端子、及び、電流検出回路５６を介して送信コイル５４の他端と接続される。

また、スイッチング素子５３−３のドレイン端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２の出力端子と接続され、スイッチング素子５３−３のソース端子は、コンデンサ５５を介して送信コイル５４の一端と接続される。そして各スイッチング素子のゲート端子は、ゲートドライバ５８と接続される。

非接触給電装置４１が定電圧出力動作している間、ゲートドライバ５８は、制御回路５９からの制御信号に従って、スイッチング素子５３−３をオフに保つ。またゲートドライバ５８は、制御回路５９からの制御信号に従って、スイッチング素子５３−１とスイッチング素子５３−２のオン／オフを、定電圧出力動作となるスイッチング周波数にて交互に切り替える。すなわち、スイッチング素子５３−１がオンとなり、スイッチング素子５３−２がオフとなる場合には、電圧可変電源５１からスイッチング素子５３−１を介してコンデンサ５５へ電力が供給されてコンデンサ５５が充電されるのに伴って、送信コイル５４へ電流が流れる。一方、スイッチング素子５３−１がオフとなり、スイッチング素子５３−２がオンとなる場合には、コンデンサ５５が放電して、コンデンサ５５から送信コイル５４へ電流が流れる。

また、非接触給電装置４１が定電圧出力動作するためのスイッチング周波数の調整が行われている間、ゲートドライバ５８は、制御回路５９からの制御信号に従って、スイッチング素子５３−１をオフに保ち、その代わりに、制御回路５９からの制御信号に従って、スイッチング素子５３−３とスイッチング素子５３−２のオン／オフを、スイッチング周波数にて交互に切り替える。

コンデンサ５５は、送信コイル５４と電力供給回路５０の間に接続される。そしてコンデンサ５５は、各スイッチング素子のスイッチング周波数でのオン／オフの切り替えに応じて充電と放電とを繰り返すことで、送信コイル５４に、スイッチング周波数を持つ交流電力を供給する。なお、スイッチング周波数が調整される周波数範囲において送信コイル５４とコンデンサ５５とが共振回路として動作しないよう、送信コイル５４とコンデンサ５５の共振周波数は、受電装置４３の共振回路６０の共振周波数及びスイッチング周波数が調整される周波数範囲の下限周波数よりも小さくなるように、コンデンサ５５の静電容量が設定されることが好ましい。

電流検出回路５６は、送信コイル５４と電力供給回路５０との間に接続され、送信コイル５４を流れる電流を測定する。そして電流検出回路５６は、電流の測定値を制御回路５９へ出力する。なお、電流検出回路５６は、電流検出回路５６に対して直列に接続される分流用のコンデンサ（図示せず）とともに、送信コイル５４に対して、コンデンサ５５と並列に接続されてもよい。この場合、電流検出回路５６は、間接的に送信コイル５４に流れる電流を測定できる。

一方、受電装置４３の判定回路７１は、共振回路６０を介して受電した、出力コイル６３からの出力電圧についての電圧検出回路６９による測定値が、電圧の許容範囲内に保たれている間、すなわち、非接触給電装置４１が定電圧出力動作を行っている間、スイッチング素子７０をオンにして、出力コイル６３からの出力電圧が整流平滑回路６５を介して負荷回路６８へ供給されるようにする。一方、出力電圧の測定値が、電圧の許容範囲から外れている間、判定回路７１は、スイッチング素子７０をオフにして、出力コイル６３からの出力電圧が負荷回路６８へ供給されないようにする。

固定負荷回路７２は、整流平滑回路６５に対して、負荷回路６８と並列に接続され、スイッチング周波数の調整が行われている間、負荷回路６８の基準となる負荷（例えば、図９に示されるシミュレーションによるRac）と略等しい負荷を受電装置４３に提供する。そのために、固定負荷回路７２は、整流平滑回路６５に対して負荷回路６８と並列に接続され、かつ、負荷回路６８の基準となる負荷に応じた抵抗値を持つ抵抗R1を有する。そして抵抗R1は、nチャネル型のMOSFETといったスイッチング素子SW1と直列に接続される。さらに、固定負荷回路７２は、整流平滑回路６５の両出力端子間に、正極側から順に直列に接続される抵抗R2とnpn型のバイポーラトランジスタといったスイッチング素子SW2とを有する。また抵抗R2とスイッチング素子SW2とは、抵抗R1と並列に接続される。そしてスイッチング素子SW1のゲート端子は、抵抗R2とスイッチング素子SW2の一端（この例では、コレクタ端子）との間に接続される。さらに、スイッチング素子SW2のベース端子は、抵抗R3及び逆バイアスされたツェナーダイオードZDを介して整流平滑回路６５の正極側端子と接続される。

非接触給電装置４１が定電圧出力動作している間、出力コイル６３からの出力電圧は、ツェナーダイオードZDの降伏電圧よりも高く、その結果としてスイッチング素子SW2のベース端子には、ツェナーダイオードZD及び抵抗R3を介して電流が供給され、スイッチング素子SW2はオンとなる。その結果、スイッチング素子SW1のゲート端子に印加される電圧は低下して、スイッチング素子SW1はオフとなる。そのため、抵抗R1には出力コイル６３からの出力電圧は印加されない。

一方、非接触給電装置４１が定電圧出力動作するためのスイッチング周波数の調整が行われている間、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２から送信コイル５４へ供給される電力の電圧が低いため、送電装置４２から受電装置４３へ供給される電力も低下する。そのため、出力コイル６３からの出力電圧も低下して、ツェナーダイオードZDの降伏電圧よりも低くなる。その結果、スイッチング素子SW2はオフとなり、これに伴い、スイッチング素子SW1のゲート端子に印加される電圧が上昇し、スイッチング素子SW1がオンとなる。そのため、出力コイル６３からの出力電圧が、抵抗R1に印加されることとなる。その結果、抵抗R1の持つ固定の負荷が受電装置４３に提供される。

以下、この変形例による、送電装置４２の制御回路５９の動作について説明する。制御回路５９は、非接触給電装置４１が定電圧出力動作している間、上記の実施形態と同様に、受電装置４３の出力コイル６３からの出力電圧の測定値が所定の許容範囲内となるように、スイッチング周波数に応じた電圧を持つ直流電圧を送信コイル５４に供給するよう、電力供給回路５０の電圧可変電源５１を制御する。また制御回路５９は、ゲートドライバ５８を介して、スイッチング素子５３−３をオフに保つとともに、定電圧出力動作するスイッチング周波数にて、スイッチング素子５３−１及び５３−２のオン／オフを切り替える。

一方、受電装置４３から通信器５７を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、非接触給電装置４１が定電圧出力動作していないことが示されている場合、制御回路５９は、ゲートドライバ５８を介してスイッチング素子５３−１をオフに保つとともに、スイッチング素子５３−３及び５３−２のオン／オフを交互に切り替えることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２から送信コイル５４に電力が供給されるようにする。また制御回路５９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５２から送信コイル５４に供給される電圧が所定値となるように、電圧可変電源５１を制御する。これにより、制御回路５９は、送電装置４２から受電装置４３へ供給される電力を、受電装置４３の固定負荷回路７２の抵抗R1に電圧が印加される程度となるまで低下させる。

そして制御回路５９は、スイッチング周波数を変化させながら、電流検出回路５６による、送信コイル５４に流れる電流の測定値を監視して、その電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数を検出する。送信コイル５４に流れる電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数は、図９に示される周波数f0といった、非接触給電装置４１の入力インピーダンスが極小値となる周波数、すなわち、非接触給電装置４１が定電圧出力動作する周波数である。そこで制御回路５９は、送信コイル５４に流れる電流の測定値が極大値となるスイッチング周波数が検出されると、そのスイッチング周波数にて、電圧可変電源５１からの電力が送信コイル５４に供給されるように、ゲートドライバ５８を介してスイッチング素子５３−１及び５３−２のオン／オフを制御する。また制御回路５９は、スイッチング素子５３−３をオフにする。これにより、制御回路５９は、非接触給電装置４１を定電圧出力動作させることが可能となる。また制御回路５９は、上記のように、受電装置４３の出力コイル６３からの出力電圧の測定値が所定の許容範囲内となるように、スイッチング周波数に応じた電圧を持つ直流電圧が送信コイル５４に供給されるよう、電力供給回路５０の電圧可変電源５１を制御する。

この変形例によれば、送電装置の制御回路は、送電装置の送信コイルに流れる電流を監視することで、非接触給電装置が定電圧出力動作するスイッチング周波数を検出することができる。またこの変形例による非接触給電装置も、上記の実施形態と同様に、伝送される電力の電圧を低くしつつ、電力伝送効率を向上できる。その結果として、この非接触給電装置は、印加可能な電圧の許容最大値があまり高くない負荷回路に電力を供給する場合でも、電力伝送効率を向上できる。
なお、この変形例においても、受電装置４３の整流平滑回路６５は、図８に示されるような同期整流回路であってもよい。

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、４１ 非接触給電装置
２、４２ 送電装置
１０、１１０ 電力供給回路
１１ 電源
１２ 力率改善回路
５１ 電圧可変電源
５２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３−１〜１３−４、５３−１〜５３−３ スイッチング素子
１４、５４ 送信コイル
５５ コンデンサ
５６ 電流検出回路
１５、５７ 通信器
１６−１、１６−２、５８ ゲートドライバ
１７、５９ 制御回路
３、４３ 受電装置
２０、６０ 共振回路
２１、６１ 受信コイル
２２、６２ 共振コンデンサ
２３、６３ 出力コイル
２４、６４ コイル
２５、６５ 整流平滑回路
２６、６６ 全波整流回路
２７、６７ 平滑コンデンサ
２８、６８ 負荷回路
２９、６９ 電圧検出回路
３０、７０ スイッチング素子
３１、７１ 判定回路
７２ 固定負荷回路
３２、７３ 通信器
１３１ コンデンサ
２５１−２５４ スイッチング素子
２５５ 平滑コンデンサ
２５６、２５７ 電圧検出回路
２５８ 制御回路
２５９ ゲートドライバ

Claims (2)

1. 送電装置と、前記送電装置から非接触で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、
   前記送電装置は、
   前記受電装置へ電力を供給する送信コイルと、
   前記送信コイルに対して、交流電力を供給し、かつ、前記送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を調整可能な電力供給回路と、
   前記受電装置から前記非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否かを表す判定情報を受信する第１の通信器と、
   前記判定情報に応じて、前記電力供給回路から前記送信コイルに供給される前記交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する制御回路とを有し、
   前記受電装置は、
   前記送電装置からの電力を受信する受信コイルと、前記受信コイルと並列に接続される共振コンデンサとを有する共振回路と、
   前記受信コイルと電磁結合可能に配置され、かつ、前記受信コイルの巻き数よりも少ない巻き数を持つ出力コイルと、
   前記受信コイルを介して受信し、かつ、前記出力コイルから出力される電力を整流する整流回路と、
   前記出力コイルと前記整流回路の間に接続されるコイルと、
   前記整流回路から出力される電力の出力電圧を測定して当該出力電圧の測定値を求める電圧検出回路と、
   前記第１の通信器と通信可能な第２の通信器と、
   前記出力電圧の測定値に基づいて、前記非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否かを判定し、前記判定情報を含む信号を前記第２の通信器に送信させる判定回路と、
   を有する非接触給電装置。
2. 前記整流回路は同期整流回路である、請求項１に記載の非接触給電装置。

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