JP6965793B2 - 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、電磁誘導により給電する方式が知られている。電磁誘導により給電する方式では、一次直列二次並列コンデンサ方式（以下、ＳＰ方式と呼ぶ）が利用される（例えば、非特許文献１を参照）。ＳＰ方式では、一次側（送電側）に、トランスの一部として動作するコイルと直列にコンデンサが接続され、二次側（受電側）に、トランスの他の一部として動作するコイルと並列にコンデンサが接続される。

ＳＰ方式では、受電側のコイル及びコンデンサにより構成される共振回路が並列共振するために、共振回路からの出力は定電流出力となる。そのため、受電側で定電圧出力となる、一次直列二次直列コンデンサ方式（以下、ＳＳ方式と呼ぶ）と比較して、ＳＰ方式の方が、一般的に制御が難しい。これは、一般的な電子機器は定電圧で制御されるためである。

また、ＳＰ方式において、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ことで、高調波成分を低減させる技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。なお、この技術による方式は、ＳＰＬ方式と呼ばれることもある。本明細書でも、この方式をＳＰＬ方式と呼ぶ。

さらに、このＳＰＬ方式を利用して、双方向に給電を可能とする技術が提案されている（例えば、非特許文献１を参照）。

特開２０１５−４２０５１号公報

渡辺他、「一方向非接触給電から拡張容易な双方向非接触給電システム」、電気学会論文誌Ｄ、IEEJ Transactions on Industry Applications、Vol.133、No.7、pp.707-713、2013年

非接触給電装置が双方向の給電に用いられる場合、何れの方向への給電においても、非接触給電装置は安定的に動作することが求められる。

そこで、本発明は、何れの方向への給電においても安定的に動作することが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、一次装置と、一次装置との間で電力伝送する二次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、一次装置は、二次装置との間で電力を伝送する第１の伝送コイルと、第１の伝送コイルと直列に接続されるコンデンサと、第１の伝送コイルとコンデンサを介して接続され、直流電力と、第１の伝送コイルを流れる交流電力との変換を行う第１の変換回路とを有する。また、二次装置は、一次装置との間で電力を伝送する第２の伝送コイルと、第２の伝送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、共振回路と接続され、共振回路を流れる交流電力と直流電力との変換を行う第２の変換回路と、共振回路と第２の変換回路の間に、第２の伝送コイルと直列に接続されるコイルと、第２の伝送コイルと第２の変換回路の間に、第２の伝送コイルと直列に接続されるコンデンサとを有する。
係る構成を有することにより、この非接触給電装置は、何れの方向への給電においても安定的に動作することができる。

この非接触給電装置において、第２の伝送コイルと直列に接続されるコンデンサの静電容量は、共振コンデンサの静電容量の１０倍以上であることが好ましい。
これにより、この非接触給電装置は、一次装置から二次装置へ電力伝送される場合の共振回路の共振を抑制することなく、二次装置から一次装置へ電力伝送される場合の偏励磁現象の発生を抑制できる。

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。 （ａ）は、ＳＰＬ方式の非接触給電装置において、偏励磁現象が生じたときの二次側の伝送コイルに流れる電流の時間変化を表す図である。（ｂ）は、本実施形態による非接触給電装置において、二次装置から一次装置へ電力伝送される場合における、二次装置の伝送コイルに流れる電流の時間変化を表す図である。 二次装置の変形例における、偏励磁現象抑制用のコンデンサの接続位置を示す図である。 二次装置の他の変形例における、偏励磁現象抑制用のコンデンサの接続位置を示す図である。

以下、本発明の一つの実施形態による非接触給電装置を、図を参照しつつ説明する。この非接触給電装置は、ＳＰＬ方式と同様の構成を有することで、双方向の給電を可能とする。

本願の発明者は、ＳＰＬ方式の非接触給電装置において、二次側から一次側へ給電する際、偏励磁現象が生じて二次側（この場合は、給電側）の回路に流れる電流が過剰となってMOSFETといったスイッチング素子などが破壊される場合があることに着目した。

そこで、この非接触給電装置は、電力伝送用のコイル（以下、伝送コイルと呼ぶ）と共振コンデンサとが並列共振し、かつ、伝送コイルと直列に接続されるコイルを有する二次側の装置において、伝送コイルと直列に接続される、直流遮断用のコンデンサを有する。これにより、この非接触給電装置は、二次側から一次側へ給電する際にも、偏励磁現象が生じることを防止して、何れの方向への給電においても安定的に動作することを可能とする。

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、一次装置２と、一次装置２から、あるいは、一次装置２へ、空間を介して非接触で電力伝送可能な二次装置３とを有する。一次装置２は、供給整流回路１０と、伝送コイル１３と、コンデンサ１４と、２個の電圧検出回路１５−１、１５−２と、ゲートドライバ１６と、制御回路１７とを有する。一方、二次装置３は、伝送コイル２１及び共振コンデンサ２２を有する共振回路２０と、コンデンサ２３と、コイル２４と、供給整流回路２５と、２個の電圧検出回路２８−１、２８−２と、ゲートドライバ２９と、制御回路３０とを有する。

最初に、一次装置２について説明する。
供給整流回路１０は、第１の変換回路の一例であり、一次装置２から二次装置３へ電力伝送する場合、直流電力を供給する電源と接続され、その電源から供給される直流電力を交流電力に変換して伝送コイル１３へ供給する。その際、供給整流回路１０の正極側入出力端子T₊に、電源の正極が接続され、供給整流回路１０の負極側入出力端子T_-に、電源の負極が接続される。一方、供給整流回路１０は、二次装置３から一次装置２へ電力伝送する場合、負荷回路あるいはバッテリと接続され、伝送コイル１３を介して受電した交流電力を整流して、負荷回路あるいはバッテリへ供給する。この場合も、供給整流回路１０の正極側入出力端子T₊に、負荷回路あるいはバッテリの正極が接続され、供給整流回路１０の負極側入出力端子T_-に、負荷回路あるいはバッテリの負極が接続される。

供給整流回路１０は、フルブリッジ状に接続される４個のスイッチング素子１１−１〜１１−４と、平滑コンデンサ１２とを有する。そしてスイッチング素子１１−１〜１１−４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。４個のスイッチング素子１１−１〜１１−４のうち、スイッチング素子１１−１とスイッチング素子１１−２は、供給整流回路１０の正極側入出力端子T₊と負極側入出力端子T_-との間に直列に接続される。本実施形態では、スイッチング素子１１−１のドレイン端子は、正極側入出力端子T₊と接続され、スイッチング素子１１−１のソース端子は、スイッチング素子１１−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１１−２のソース端子は、負極側入出力端子T_-と接続される。さらに、スイッチング素子１１−１のソース端子、及び、スイッチング素子１１−２のドレイン端子は、伝送コイル１３の一端に接続される。

同様に、４個のスイッチング素子１１−１〜１１−４のうち、スイッチング素子１１−３とスイッチング素子１１−４は、スイッチング素子１１−１及びスイッチング素子１１−２と並列に、かつ、正極側入出力端子T₊と負極側入出力端子T_-との間に直列に接続される。また、スイッチング素子１１−３のドレイン端子は、正極側入出力端子T₊と接続され、スイッチング素子１１−３のソース端子は、スイッチング素子１１−４のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１１−４のソース端子は、負極側入出力端子T_-と接続される。さらに、スイッチング素子１１−３のソース端子、及び、スイッチング素子１１−４のドレイン端子は、コンデンサ１４を介して伝送コイル１３の他端に接続される。

また、各スイッチング素子１１−１〜１１−４のゲート端子は、ゲートドライバ１６と接続される。さらに、各スイッチング素子１１−１〜１１−４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１１−１〜１１−４は、制御回路１７からの制御信号にしたがってゲートドライバ１６から印加される電圧に応じて、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。

一次装置２から二次装置３へ電力伝送される場合、スイッチング素子１１−１とスイッチング素子１１−４とがオンとなっている間、スイッチング素子１１−２とスイッチング素子１１−３とがオフとなり、逆に、スイッチング素子１１−２とスイッチング素子１１−３とがオンとなっている間、スイッチング素子１１−１とスイッチング素子１１−４とがオフとなるように、スイッチング素子１１−１とスイッチング素子１１−４の組と、スイッチング素子１１−２とスイッチング素子１１−３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、電源から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、伝送コイル１３に供給される。

逆に、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合も、同様に、スイッチング素子１１−１とスイッチング素子１１−４とがオンとなっている間、スイッチング素子１１−２とスイッチング素子１１−３とがオフとなり、逆に、スイッチング素子１１−２とスイッチング素子１１−３とがオンとなっている間、スイッチング素子１１−１とスイッチング素子１１−４とがオフとなるように、スイッチング素子１１−１とスイッチング素子１１−４の組と、スイッチング素子１１−２とスイッチング素子１１−３との組について交互にオン／オフが切り替えられる。ただしこの場合には、同期整流されるよう、スイッチング素子１１−３及びスイッチング素子１１−４と接続される側の伝送コイル１３の一端の電位が、スイッチング素子１１−１及びスイッチング素子１１−２と接続される側の伝送コイル１３の他端の電位よりも高く、かつ後述する条件が満たされる場合に、スイッチング素子１１−２とスイッチング素子１１−３の組がオンとなる。また、スイッチング素子１１−３及びスイッチング素子１１−４と接続される側の伝送コイル１３の一端の電位が、スイッチング素子１１−１及びスイッチング素子１１−２と接続される側の伝送コイル１３の他端の電位よりも低く、かつ後述する条件が満たされる場合に、スイッチング素子１１−１とスイッチング素子１１−４の組がオンとなる。

平滑コンデンサ１２は、スイッチング素子１１−１〜１１−４よりも正極側入出力端子T₊及び負極側入出力端子T_-側において、スイッチング素子１１−１及びスイッチング素子１１−２と並列に、かつ、正極側入出力端子T₊と負極側入出力端子T_-との間に接続される。そして平滑コンデンサ１２は、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合に、伝送コイル１３を介して受電し、かつ、スイッチング素子１１−１〜１１−４により整流された電力を平滑化する。平滑化された直流電力は、正極側入出力端子T₊及び負極側入出力端子T_-に接続される負荷回路などへ出力される。

伝送コイル１３は、一次装置２から二次装置３へ電力伝送される場合、電源から供給され、供給整流回路１０により交流に変換された電力を、空間を介して二次装置３の共振回路２０へ伝送する。また伝送コイル１３は、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合、二次装置３の共振回路２０から空間を介して電力を受電して、その受電した電力を供給整流回路１０へ出力する。

コンデンサ１４は、伝送コイル１３と供給整流回路１０の間に、伝送コイル１３と直列に接続される。そしてコンデンサ１４は、一次装置２から二次装置３へ電力伝送される場合、スイッチング素子１１−１〜１１−４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、伝送コイル１３に、スイッチング周波数を持つ交流電力を供給する。

また、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合、コンデンサ１４は、伝送コイル１３とともに直列共振して、二次装置３から伝送される電力を伝送コイル１３にて受電することを可能とする。

電圧検出回路１５−１は、スイッチング素子１１−４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１７へ出力する。同様に、電圧検出回路１５−２は、スイッチング素子１１−２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１７へ出力する。なお、電圧検出回路１５−１及び電圧検出回路１５−２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。

ゲートドライバ１６は、制御回路１７から、スイッチング素子１１−１〜１１−４のそれぞれのオン／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１１−１〜１１−４のそれぞれ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は、スイッチング素子１１−１をオンにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子１１−１のゲート端子に、スイッチング素子１１−１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は、スイッチング素子１１−１をオフにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子１１−１のゲート端子に、スイッチング素子１１−１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は、制御回路１７により指示されたタイミングでスイッチング素子１１−１のオン／オフを切り替える。ゲートドライバ１６は、スイッチング素子１１−２〜１１−４のそれぞれについても同様に、ゲート端子に印加する電圧を変化させることでスイッチング素子１１−２〜１１−４のオン／オフを切り替える。

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、外部の装置（図示せず）から、一次装置２から二次装置３へ電力伝送するか、あるいは、二次装置３から一次装置２へ電力伝送するかを表す信号を受信し、その信号に従って供給整流回路１０を制御する。すなわち、制御回路１７は、一次装置２から二次装置３へ電力伝送される場合、供給整流回路１０から伝送コイル１３に供給される交流電力が所定のスイッチング周波数となるように、供給整流回路１０の各スイッチング素子のオン／オフを制御する。

一次装置２と二次装置３間の電力伝送効率の周波数特性は、一次装置２の伝送コイル１３と二次装置３の伝送コイル２１間の結合度に応じて変化する。そこで、電力伝送時における、伝送コイル１３と伝送コイル２１間の結合度が略一定となる場合、例えば、電力伝送時において、一次装置２と二次装置３の相対的な位置関係が予め固定される場合、制御回路１７は、その結合度において最も電力伝送効率が良いスイッチング周波数にて、スイッチング素子１１−１とスイッチング素子１１−４の組とスイッチング素子１１−２とスイッチング素子１１−３の組のオン／オフを交互に切り替えるよう、ゲートドライバ１６へ制御信号を出力すればよい。なお、制御回路１７は、そのスイッチング周波数に応じた周期で制御信号をゲートドライバ１６へ出力できるよう、例えば、発振回路及び分周回路などを有していてもよい。

また、制御回路１７は、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合、伝送コイル１３を介して受電した交流電力を同期整流するよう、供給整流回路１０の各スイッチング素子のオン／オフを制御する。例えば、制御回路１７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１１−１〜１１−４のオン／オフを制御すればよい。例えば、制御回路１７は、スイッチング素子１１−４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１５−１により検出されたスイッチング素子１１−４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１６に、スイッチング素子１１−１及びスイッチング素子１１−４をオンにする制御信号を出力する。ゲートドライバ１６は、その制御信号を受信すると、スイッチング素子１１−１及びスイッチング素子１１−４をオンにする。一方、電圧検出回路１５−１により検出されたスイッチング素子１１−４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１７は、ゲートドライバ１６に、スイッチング素子１１−１及びスイッチング素子１１−４をオフにする制御信号を出力する。ゲートドライバ１６は、その制御信号を受信すると、スイッチング素子１１−１及びスイッチング素子１１−４をオフにする。同様に、制御回路１７は、スイッチング素子１１−２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１５−２により検出されたスイッチング素子１１−２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１６に、スイッチング素子１１−２及びスイッチング素子１１−３をオンにする制御信号を出力する。ゲートドライバ１６は、その制御信号を受信すると、スイッチング素子１１−２及びスイッチング素子１１−３をオンにする。一方、電圧検出回路１５−２により検出されたスイッチング素子１１−２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１７は、ゲートドライバ１６に、スイッチング素子１１−２及びスイッチング素子１１−３をオフにする制御信号を出力する。ゲートドライバ１６は、その制御信号を受信すると、スイッチング素子１１−２及びスイッチング素子１１−３をオフにする。これにより、供給整流回路１０は、同期整流動作して、供給整流回路１０を流れる電流による損失を軽減できる。

次に、二次装置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伝送コイル２１と共振コンデンサ２２とからなるＬＣ共振回路である。そして共振回路２０が有する伝送コイル２１の一端が共振コンデンサ２２の一端に接続されるとともに、コンデンサ２３及びコイル２４を介して供給整流回路２５に接続される。また、伝送コイル２１の他端が共振コンデンサ２２の他端に接続されるとともに、供給整流回路２５に接続される。

伝送コイル２１は、一次装置２から二次装置３へ電力伝送される場合、例えば、一次装置２の伝送コイル１３に流れる交流電流と共振することで、伝送コイル１３から電力を受信する。そして伝送コイル２１は、共振コンデンサ２２、コンデンサ２３及びコイル２４を介して、受信した電力を供給整流回路２５へ出力する。また、伝送コイル２１は、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合、供給整流回路２５と接続された直流電源から供給され、供給整流回路２５により交流に変換された電力を、空間を介して一次装置２の伝送コイル１３へ伝送する。
なお、伝送コイル２１の巻き数と、一次装置２の伝送コイル１３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、その一端で伝送コイル２１の一端及びコンデンサ２３と接続され、他端で伝送コイル２１の他端及び供給整流回路２５と接続される。そして共振コンデンサ２２は、一次装置２から二次装置３へ電力伝送される場合、伝送コイル２１にて受信した電力を、コンデンサ２３及びコイル２４を介して供給整流回路２５へ出力する。また共振コンデンサ２２は、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合、伝送コイル２１とともに、一次装置２の伝送コイル１３及びコンデンサ１４からなる共振回路と共振して、電源から供給され、供給整流回路２５により交流に変換された電力を、伝送コイル１３へ伝送する。

コンデンサ２３は、伝送コイル２１とコイル２４との間に、伝送コイル２１と直列に接続される。そしてコンデンサ２３は、一次装置２から二次装置３へ電力伝送される場合、受電した交流電力により充電と放電とを繰り返すことで、受電した電力を、コイル２４を介して供給整流回路２５へ出力する。

またコンデンサ２３は、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合、供給整流回路２５から供給された交流電力により充電と放電とを繰り返すことで、偏励磁現象が生じることを抑制しつつ、共振回路２０へ供給された交流電力を伝達する。

二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合において、偏励磁現象は、例えば、供給整流回路２５において、伝送コイル２１の一端側の電位が伝送コイル２１の他端側の電位よりも高くなる期間と、その一端側の電位が他端側の電位よりも低くなる期間とが同一でないか、あるいは、伝送コイル２１の一端側から他端側へ電流が流れるときの供給整流回路２５の抵抗値と、逆方向に電流が流れるときの供給整流回路２５の抵抗値とが同一でないときに生じ得る。このような場合、伝送コイル２１の一端側から他端側へ流れる励磁電流の量と、逆方向に流れる励磁電流の量とに差が生じるためである。

図２（ａ）は、参考例として、ＳＰＬ方式の非接触給電装置において、偏励磁現象が生じたときの二次側の伝送コイルに流れる電流の時間変化を表す図である。図２（ａ）において、横軸は時間を表し、縦軸は電流の強さを表す。グラフ２００は、二次側の伝送コイルに流れる電流の時間変化を表す。グラフ２００に示されるように、偏励磁現象が生じた場合、時間経過とともに、伝送コイルに流れる電流が徐々に増加する。そのため、このまま電流が増加すると、二次側の装置が有するスイッチング素子などが破壊されるおそれがある。

しかし、本実施形態では、伝送コイル２１と直列に接続されるコンデンサ２３が、励磁電流の変動に対する負帰還の作用を生じさせるため、偏励磁現象の発生が抑制される。すなわち、コンデンサ２３から伝送コイル２１へ向かう方向の励磁電流の量が逆向きの励磁電流の量よりも多い場合、コンデンサ２３の充電量が増加してコンデンサ２３の両端子間電圧も増加することで伝送コイル２１の両端子間の電圧が減少し、その結果としてコンデンサ２３から伝送コイル２１へ向かう方向の励磁電流が減少することで偏励磁が抑制される。コンデンサ２３から伝送コイル２１へ向かう方向の励磁電流の量が逆向きの励磁電流の量よりも少ない場合も、同様に、コンデンサ２３により、伝送コイル２１からコンデンサ２３へ向かう方向の励磁電流が減少することで偏励磁が抑制される。

図２（ｂ）は、本実施形態による非接触給電装置１において、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合における、伝送コイル２１に流れる電流の時間変化を表す図である。図２（ｂ）において、横軸は時間を表し、縦軸は電流の強さを表す。グラフ２０１は、伝送コイル２１に流れる電流の時間変化を表す。グラフ２０１に示されるように、伝送コイル２１に流れる電流はスイッチング周波数にて周期的に増減するだけで、時間が経過しても電流の平均値は一定となり、偏励磁現象が抑制されていることが分かる。

なお、コンデンサ２３は、共振コンデンサ２２の静電容量の略１０倍以上の静電容量を有することが好ましい。これにより、コンデンサ２３は、一次装置２から二次装置３へ電力伝送される場合の共振回路２０の共振を抑制することなく、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合の偏励磁現象の発生を抑制できる。

コイル２４は、共振回路２０と供給整流回路２５との間に接続される。本実施形態では、コイル２４は、コンデンサ２３及び伝送コイル２１と直列となるように、その一端で共振回路２０のコンデンサ２３と接続され、他端で供給整流回路２５と接続される。そしてコイル２４は、一次装置２から二次装置３へ電力伝送される場合、共振回路２０により受電した電力を供給整流回路２５へ出力する。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。また、コイル２４は、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合、供給整流回路２５から共振回路２０へ供給される電力を伝達する。なお、伝送コイル２１の巻き数と、コイル２４の巻き数は同一でもよく、あるいは、異なっていてもよい。

供給整流回路２５は、第２の変換回路の一例であり、一次装置２から二次装置３へ電力伝送する場合、負荷回路あるいはバッテリと接続され、共振回路２０を介して受電した交流電力を整流して、負荷回路あるいはバッテリへ供給する。その際、供給整流回路２５の正極側入出力端子T₊に、負荷回路あるいはバッテリの正極が接続され、供給整流回路２５の負極側入出力端子T_-に、バッテリの負極が接続される。一方、供給整流回路２５は、二次装置３から一次装置２へ電力伝送する場合、直流電力を供給する電源と接続され、その電源から供給される直流電力を交流電力に変換して共振回路２０へ供給する。この場合にも、供給整流回路２５の正極側入出力端子T₊に、電源の正極が接続され、供給整流回路２５の負極側入出力端子T_-に、電源の負極が接続される。

また供給整流回路２５は、整流回路の一例であり、一次装置２の供給整流回路１０と同様の構成を有する。すなわち、供給整流回路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２６−１〜２６−４と、平滑コンデンサ２７とを有する。

４個のスイッチング素子２６−１〜２６−４のうち、スイッチング素子２６−１とスイッチング素子２６−２は、供給整流回路２５の正極側入出力端子T₊と負極側入出力端子T_-との間に直列に接続される。本実施形態では、スイッチング素子２６−１のドレイン端子は、正極側入出力端子T₊と接続され、スイッチング素子２６−１のソース端子は、スイッチング素子２６−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子２６−２のソース端子は、負極側入出力端子T_-と接続される。さらに、スイッチング素子２６−１のソース端子、及び、スイッチング素子２６−２のドレイン端子は、コイル２４及びコンデンサ２３を介して共振回路２０の一端に接続される。

同様に、４個のスイッチング素子２６−１〜２６−４のうち、スイッチング素子２６−３とスイッチング素子２６−４は、スイッチング素子２６−１及びスイッチング素子２６−２と並列に、かつ、正極側入出力端子T₊と負極側入出力端子T_-との間に直列に接続される。また、スイッチング素子２６−３のドレイン端子は、正極側入出力端子T₊と接続され、スイッチング素子２６−３のソース端子は、スイッチング素子２６−４のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子２６−４のソース端子は、負極側入出力端子T_-と接続される。さらに、スイッチング素子２６−３のソース端子、及び、スイッチング素子２６−４のドレイン端子は、共振回路２０の他端に接続される。

また、各スイッチング素子２６−１〜２６−４のゲート端子は、ゲートドライバ２９と接続される。さらに、各スイッチング素子２６−１〜２６−４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２６−１〜２６−４は、制御回路３０からの制御信号にしたがってゲートドライバ２９から印加される電圧に応じて、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。

一次装置２から二次装置３へ電力伝送される場合、スイッチング素子２６−１とスイッチング素子２６−４とがオンとなっている間、スイッチング素子２６−２とスイッチング素子２６−３とがオフとなり、逆に、スイッチング素子２６−２とスイッチング素子２６−３とがオンとなっている間、スイッチング素子２６−１とスイッチング素子２６−４とがオフとなるように、スイッチング素子２６−１とスイッチング素子２６−４の組と、スイッチング素子２６−２とスイッチング素子２６−３との組について交互にオン／オフが切り替えられる。さらに、同期整流されるよう、スイッチング素子２６−１及びスイッチング素子２６−２と接続される側の共振回路２０の一端の電位が、スイッチング素子２６−３及びスイッチング素子２６−４と接続される側の共振回路２０の他端の電位よりも高く、かつ後述する条件が満たされる場合に、スイッチング素子２６−１とスイッチング素子２６−４の組がオンとなる。また、スイッチング素子２６−１及びスイッチング素子２６−２と接続される側の共振回路２０の一端の電位が、スイッチング素子２６−３及びスイッチング素子２６−４と接続される側の共振回路２０の他端の電位よりも低く、かつ後述する条件が満たされる場合に、スイッチング素子２６−２とスイッチング素子２６−３の組がオンとなる。これにより、一次装置２から二次装置３へ伝送され、共振回路２０を介して受電された電力は整流される。

逆に、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合も、同様に、スイッチング素子２６−１とスイッチング素子２６−４とがオンとなっている間、スイッチング素子２６−２とスイッチング素子２６−３とがオフとなり、逆に、スイッチング素子２６−２とスイッチング素子２６−３とがオンとなっている間、スイッチング素子２６−１とスイッチング素子２６−４とがオフとなるように、スイッチング素子２６−１とスイッチング素子２６−４の組と、スイッチング素子２６−２とスイッチング素子２６−３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、電源から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、共振回路２０に供給される。

平滑コンデンサ２７は、スイッチング素子２６−１〜２６−４よりも正極側入出力端子T₊及び負極側入出力端子T_-側において、スイッチング素子２６−１及びスイッチング素子２６−２と並列に、かつ、正極側入出力端子T₊と負極側入出力端子T_-との間に接続される。そして平滑コンデンサ２７は、一次装置２から二次装置３へ電力伝送される場合に、共振回路２０を介して受電し、かつ、スイッチング素子２６−１〜２６−４により整流された電力を平滑化する。平滑化された直流電力は、正極側入出力端子T₊及び負極側入出力端子T_-に接続される負荷回路などへ出力される。

電圧検出回路２８−１は、スイッチング素子２６−４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３０へ出力する。同様に、電圧検出回路２８−２は、スイッチング素子２６−２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３０へ出力する。なお、電圧検出回路２８−１及び電圧検出回路２８−２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。

ゲートドライバ２９は、制御回路３０から、スイッチング素子２６−１〜２６−４のそれぞれのオン／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２６−１〜２６−４のそれぞれ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２９は、スイッチング素子２６−１をオンにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子２６−１のゲート端子に、スイッチング素子２６−１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２９は、スイッチング素子２６−１をオフにする制御信号を受け取ると、スイッチング素子２６−１のゲート端子に、スイッチング素子２６−１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２９は、制御回路３０により指示されたタイミングでスイッチング素子２６−１のオン／オフを切り替える。ゲートドライバ２９は、スイッチング素子２６−２〜２６−４のそれぞれについても同様に、ゲート端子に印加する電圧を変化させることでスイッチング素子２６−２〜２６−４のオン／オフを切り替える。

制御回路３０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３０は、外部の装置（図示せず）から、一次装置２から二次装置３へ電力伝送するか、あるいは、二次装置３から一次装置２へ電力伝送するかを表す信号を受信し、その信号に従って供給整流回路２５を制御する。

すなわち、制御回路３０は、一次装置２から二次装置３へ電力伝送される場合、共振回路２０を介して受電した交流電力を同期整流するよう、供給整流回路２５の各スイッチング素子のオン／オフを制御する。例えば、制御回路３０は、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合の制御回路１７の制御と同様に、スイッチング素子２６−１〜２６−４のオン／オフを制御すればよい。すなわち、制御回路３０は、スイッチング素子２６−４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２８−１により検出されたスイッチング素子２６−４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２９に、スイッチング素子２６−１及びスイッチング素子２６−４をオンにする制御信号を出力する。ゲートドライバ２９は、その制御信号を受信すると、スイッチング素子２６−１及びスイッチング素子２６−４をオンにする。一方、電圧検出回路２８−１により検出されたスイッチング素子２６−４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３０は、ゲートドライバ２９に、スイッチング素子２６−１及びスイッチング素子２６−４をオフにする制御信号を出力する。ゲートドライバ２９は、その制御信号を受信すると、スイッチング素子２６−１及びスイッチング素子２６−４をオフにする。同様に、制御回路３０は、スイッチング素子２６−２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２８−２により検出されたスイッチング素子２６−２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２９に、スイッチング素子２６−２及びスイッチング素子２６−３をオンにする制御信号を出力する。ゲートドライバ２９は、その制御信号を受信すると、スイッチング素子２６−２及びスイッチング素子２６−３をオンにする。一方、電圧検出回路２８−２により検出されたスイッチング素子２６−２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３０は、ゲートドライバ２９に、スイッチング素子２６−２及びスイッチング素子２６−３をオフにする制御信号を出力する。ゲートドライバ２９は、その制御信号を受信すると、スイッチング素子２６−２及びスイッチング素子２６−３をオフにする。これにより、供給整流回路２５は、同期整流動作して、供給整流回路２５を流れる電流による損失を軽減できる。

また、制御回路３０は、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合、供給整流回路２５から共振回路２０に供給される交流電力が所定のスイッチング周波数となるように、供給整流回路２５の各スイッチング素子のオン／オフを制御する。

上記のように、一次装置２と二次装置３間の電力伝送効率の周波数特性は、一次装置２の伝送コイル１３と二次装置３の伝送コイル２１間の結合度に応じて変化する。そこで、電力伝送時における、伝送コイル１３と伝送コイル２１間の結合度が略一定となる場合、例えば、電力伝送時において、一次装置２と二次装置３の相対的な位置関係が予め固定される場合、制御回路３０は、その結合度において最も電力伝送効率が良いスイッチング周波数にて、スイッチング素子２６−１とスイッチング素子２６−４の組とスイッチング素子２６−２とスイッチング素子２６−３の組のオン／オフを交互に切り替えるよう、ゲートドライバ２９へ制御信号を出力すればよい。

以上に説明してきたように、この非接触給電装置は、ＳＰＬ方式に従った構成を有することで、双方向の電力伝送を可能とする。さらに、この非接触給電装置は、二次装置の並列共振回路が有する伝送コイルと直列に接続されるコンデンサを有する。これにより、この非接触給電装置は、二次装置から一次装置へ電力伝送する場合において偏励磁現象が発生することを抑制する。その結果として、この非接触給電装置は、偏励磁現象による故障の発生を防止して、何れの方向への給電においても安定的に動作することができる。

なお、コンデンサ２３が接続される位置は、上記の実施形態における位置に限られない。コンデンサ２３は、共振回路２０の伝送コイル２１と直列に接続されればよい。

図３は、二次装置３の変形例における、コンデンサ２３の接続位置を示す図である。図３では、簡単化のために、供給整流回路２５、電圧検出回路２８−１、２８−２、ゲートドライバ２９及び制御回路３０の図示は省略される。

この変形例では、コンデンサ２３は、共振回路２０内において、伝送コイル２１の一端と共振コンデンサ２２の一端との間に接続される。ただし、この例でも、コンデンサ２３は、伝送コイル２１とコイル２４の間において、伝送コイル２１と直列に接続される。

図４は、二次装置３の他の変形例における、コンデンサ２３の接続位置を示す図である。図４では、簡単化のために、供給整流回路２５、電圧検出回路２８−１、２８−２、ゲートドライバ２９及び制御回路３０の図示は省略される。

この変形例では、コンデンサ２３は、コイル２４と接続される側の伝送コイル２１の一端とは反対側の伝送コイル２１の他端及び共振コンデンサ２２の他端に対して、伝送コイル２１と直列に接続される。

図３及び図４の何れの変形例においても、二次装置３は、コンデンサ２３を有することで、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合において偏励磁現象が生じることを抑制できる。なお、図３及び図４の何れの変形例においても、一次装置２から二次装置３へ電力伝送される場合における、一次装置２の制御回路１７及び二次装置３の制御回路３０による制御、及び、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合における、一次装置２の制御回路１７及び二次装置３の制御回路３０による制御は、上記の実施形態における各制御回路による制御と同様とすることができる。

また、一次装置２と二次装置３との位置関係が一定でないことがある。このような場合、一次装置２の伝送コイル１３と二次装置３の伝送コイル２１間の結合度が変動することがある。そこでこのような場合には、電力を受電する側の出力電圧を測定し、その出力電圧が高くなるよう、電力を送電する側の制御回路が、伝送コイルに印加される交流電力のスイッチング周波数を調整するよう、供給整流回路を制御してもよい。

例えば、一次装置２は、供給整流回路１０の二つの入出力端子間の電圧を測定する電圧検出回路と二次装置３と通信するための通信器を有していてもよい。同様に、二次装置３は、供給整流回路２５の二つの入出力端子間の電圧を測定する電圧検出回路と一次装置２と通信するための通信器を有していてもよい。そして一次装置２から二次装置３へ電力伝送される場合、一定周期ごとに、供給整流回路２５の二つの入出力端子間の測定電圧が、通信器を介して二次装置３から一次装置２へ通知され、一次装置２の制御回路１７は、その測定電圧が所定の閾値以上となるか、あるいは、最大となるスイッチング周波数が見つかるまで、供給整流回路１０のスイッチング周波数を変更すればよい。
同様に、二次装置３から一次装置２へ電力伝送される場合、一定周期ごとに、供給整流回路１０の二つの入出力端子間の測定電圧が、通信器を介して一次装置２から二次装置３へ通知され、二次装置３の制御回路３０は、その測定電圧が所定の閾値以上となるか、あるいは、最大となるスイッチング周波数が見つかるまで、供給整流回路２５のスイッチング周波数を変更すればよい。

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 非接触給電装置
２ 一次装置
１０ 供給整流回路
１１−１〜１１−４ スイッチング素子
１２ 平滑コンデンサ
１３ 伝送コイル
１４ コンデンサ
１５−１、１５−２ 電圧検出回路
１６ ゲートドライバ
１７ 制御回路
３ 二次装置
２０ 共振回路
２１ 伝送コイル
２２ 共振コンデンサ
２３ コンデンサ
２４ コイル
２５ 供給整流回路
２６−１〜２６−４ スイッチング素子
２７ 平滑コンデンサ
２８−１、２８−２ 電圧検出回路
２９ ゲートドライバ
３０ 制御回路

Claims (1)

1. 一次装置と、前記一次装置との間で電力伝送する二次装置とを有する非接触給電装置であって、
   前記一次装置は、
   前記一次装置と前記二次装置との間で電力を伝送する第１の伝送コイルと、
   前記第１の伝送コイルと直列に接続されるコンデンサと、
   前記第１の伝送コイルと前記コンデンサを介して接続され、直流電力と、前記第１の伝送コイルを流れる交流電力との変換を行う第１の変換回路とを有し、
   前記二次装置は、
   前記一次装置と前記二次装置の間で電力を伝送する第２の伝送コイルと、前記第２の伝送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、
   前記共振回路と接続され、前記共振回路を流れる交流電力と、直流電力との変換を行う第２の変換回路と、
   前記共振回路と前記第２の変換回路の間に、前記第２の伝送コイルと直列に接続されるコイルと、
   前記第２の伝送コイルと前記第２の変換回路の間に、前記第２の伝送コイルと直列に接続されるコンデンサとを有し、
   前記コンデンサの静電容量は、前記共振コンデンサの静電容量の１０倍以上である
   非接触給電装置。

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