JP7044505B2 - 非接触電力伝送装置、送電装置、および、受電装置 - Google Patents

Description

本開示は、送電側の電力伝送装置の送電コイルと受電側の電力伝送装置の受電コイルとの間に生じる磁界共振によって電力を伝送する非接触電力伝送装置に関し、特に、双方向での電力伝送を可能とする非接触電力伝送装置、さらに、送電装置、および、受電装置に関する。

コイルとコンデンサとを有する共振回路を備え、送電装置の送電コイルと受電装置の受電コイルとの間に生じる磁気結合を利用して非接触で電力を伝送する磁界共振方式の非接触電力伝送装置は、電気自動車の車載電池への充電装置や、各種電子機器、特にポータブルタイプの電子機器の動作電源となる二次電池への充電器などとして広く普及している。

このような非接触電力伝送装置において、送電側の電力伝送装置と受電側の電力伝送装置とがあらかじめ定まっていて電力の伝送方向が一方向に限られる形態の他に、２つの電力伝送装置間で双方向に非接触での電力の送受電が可能な双方向の非接触電力伝送装置が提案されている。

このような双方向の非接触電力伝送装置として、共振コイルとコンデンサとの直列接続と並列接続とを切り替えるスイッチを有する双方向共振回路と、インバータおよびコンバータとして動作される電力変換装置と、昇降圧コンバータと、電力変換直流電源と負荷回路とを切り替えるスイッチとを備え、送電装置では共振コイルとコンデンサとを直列接続し、受電装置では共振コイルとコンデンサとを並列接続とするものが提案されている（特許文献１参照）。

また、送電装置と受電装置とに、共振コイルとコンデンサとが直列に接続された共振部と、ＦＥＴをブリッジ接続したフルブリッジインバータと、昇降圧可能な双方向のＤＤコンバータとを備え、送電装置では電源電圧より低下させて送電インバータを駆動するとともに、受電装置ではフルブリッジインバータのＦＥＴのボディダイオード等を利用してフルブリッジ検波回路を構成させつつ、検波した電圧から昇圧して負荷側に伝達することにより、検波電圧を低下させて高効率化を図るものが提案されている（特許文献２参照）。特許文献２に記載の双方向の非接触電力伝送装置では、送電装置と受電装置とに直列共振回路を備えているため、送電開始時の電流を抑えたソフトスタートが可能であるとともに、受電装置に過大な電流が流れている場合には受電装置の動作のみで受電装置からの出力を遮断すると同時に送電装置のインバータの出力インピーダンスを大きくして送電電力を下げることができる。

特開２０１２－２４４６３５号公報 特許第６０３８３８６号公報

上記特許文献１に記載された双方向非接触電力伝送装置では、双方向共振回路としてコンデンサを直列接続した直列共振回路と並列接続した並列共振回路とが必要となるため、切替のためのスイッチを含めた回路構成が煩雑となり、コストの上昇を招くとともに耐久性の問題も生じやすい。

一方、引用文献２に記載の双方向非接触電力伝送装置では、送電装置と受電装置とに直列共振回路を備えているため、駆動周波数に応じた共振を行う必要があり、共振回路のＬとＣとを所定の値に設定しなくてはならない。しかし、非接触電力伝送装置において、送電装置の共振回路と受電装置の共振コイル間の距離の変動や、両装置の共振コイルの間に金属製の異物などが存在することで両コイルの結合係数が変化するため、効率よく高い電圧で電力伝送を行うためには、結合係数の変動に対応できるように共振回路のＬとＣの値を可変とする必要がある。また、高い電圧での電力伝送を行うためには、電力供給系を高電圧系とする必要がある一方で、送電や受電を制御するための制御回路やロジック回路は低電圧系となるために、回路構成が複雑となる。このため、非接触電力伝送装置全体としてコスト高を招きやすい。

本開示は、上記従来の課題を解決し、送電装置の共振コイルと受電装置の共振コイルとの結合係数の変化に対応することができ、かつ、低コストで実現することができる、送電装置としても受電装置としても使用できる非接触電力伝送装置を得ることを目的とする。また、この非接触電力伝送装置の特長を活かした、送電装置、および、受電装置を得ることを目的とする。

上記課題を解決するため本願で開示する非接触電力伝送装置は、非接触での双方向の電力伝送が可能な電力伝送装置であって、電源と、複数のスイッチング素子からなるスイッチング回路と、コイルとコンデンサとを有する共振系と、前記スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する駆動制御回路と、前記スイッチング回路を流れる共振電流を検出する検出回路とを備え、前記検出回路により検出された共振電流波形に基づいて、前記駆動制御回路が前記スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御して送電動作または受電動作を行うことを特徴とする。

本願で開示する非接触電力伝送装置は、共振コイルと共振コンデンサを有する共振系に流れる共振電流を、スイッチング回路の電流を検出する電流検出回路で検出し、検出された共振電流波形に基づいて駆動制御回路が、スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する。このため、送電装置としても受電装置としても機能させることができる非接触電力伝送装置を、簡単な構成で実現することができる。さらに、検出回路により検出された共振電流波形に基づいて、送電装置、受電装置それぞれの側でより効率の良い電力伝送動作を行うことができる。

本実施形態にかかる非接触電力装置を用いた送電装置と受電装置との概略構成を説明するブロック図である。 本実施形態にかかる非接触電力伝送装置の構成を説明する回路ブロック図である。 本実施形態にかかる非接触電力伝送装置を用いて電力の伝送を行っている状態を説明するイメージ図である。 本実施形態にかかる非接触電力伝送装置を送電装置として用いた状態の動作を説明する図である。 本実施形態にかかる非接触電力伝送装置を送電装置として用いた場合の、起動に際してのステップ応答と共振系での共振を増大させる動作を説明するタイミングチャートである。 本実施形態にかかる非接触電力伝送装置を送電装置として用いた場合の、ＰＷＭ制御動作を説明するタイミングチャートである。 本実施形態にかかる非接触電力伝送装置を送電装置として用いた場合の、送電休止モードでの動作の状態を説明する図である。 本実施形態にかかる非接触電力伝送装置を送電装置として用いた場合の、送電休止モードでの動作を説明するタイミングチャートである。 本実施形態にかかる非接触電力伝送装置を送電装置として用いた場合の、送電モードと休止モードと受電モードでの動作を説明するタイミングチャートである。 本実施形態にかかる非接触電力伝送装置を受電装置として用いた状態の動作を説明する図である。 本実施形態にかかる非接触電力伝送装置を受電装置として用いた場合の、同期整流動作を説明するタイミングチャートである。 本実施形態にかかる非接触電力伝送装置を受電装置として用いた場合の、受電休止モードでの動作の状態を説明する図である。 本実施形態にかかる非接触電力伝送装置を受電装置として用いた場合の、受電休止モードでの動作を説明するタイミングチャートである。 本実施形態にかかる非接触電力伝送装置を受電装置として用いた場合の、受電モードと休止モードと送電モードでの動作を説明するタイミングチャートである。 本実施形態にかかる非接触電力伝送装置を、送電装置、および、受電装置として用いた双方向電力伝送の例を説明するためのイメージ図である。

本開示の非接触電力伝送装置は、非接触での双方向の電力伝送が可能な電力伝送装置であって、電源と、複数のスイッチング素子からなるスイッチング回路と、コイルとコンデンサとを有する共振系と、前記スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する駆動制御回路と、前記スイッチング回路を流れる共振電流を検出する検出回路とを備え、前記検出回路により検出された共振電流波形に基づいて、前記駆動制御回路が前記スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御して送電動作または受電動作を行う。

本開示の非接触電力伝送装置は、共振コイルと共振コンデンサとを有する共振系に流れる共振電流を、共振系に接続されたスイッチング回路を流れる電流として検出回路が検出し、検出された共振電流波形に基づいて駆動制御回路がスイッチング回路を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する。このため、同一の構成を備えた送電装置としても受電装置としても機能させることができる非接触電力伝送装置を、簡単な構成で実現することができる。さらに、検出回路により検出された共振電流波形に基づいて、送電装置、受電装置それぞれの側でより効率が良く、安全性の高い電力伝送動作を行う動作制御が実現できる。

本願で開示する非接触電力伝送装置は、送電装置として用いられた際に、前記検出回路により検出された前記共振電流波形の位相に合わせて前記スイッチング回路から前記共振系に所定の方向の電流が供給されるように、前記駆動制御回路が各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御することが好ましい。このようにすることで、受電装置の受電コイルと磁気結合した状態の送電コイルの共振電流波形に応じて、送電共振系に印加される電圧を増加させることができ、共振系を流れる共振電流を自励的に増加させることができる。

また、本願で開示する非接触電力伝送装置は、送電装置として用いられた際に、前記駆動制御回路が、前記検出回路により検出された前記共振電流波形の位相に合わせて、前記各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する駆動パルスのパルス幅を短く制御することが好ましい。このようなＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行うことで、送電装置における消費電力を低減し、送電電力の可変制御を行うことができる。

さらにまた、本願で開示する非接触電力伝送装置は、送電装置として用いられた際に、前記駆動制御回路が、前記スイッチング回路の前記電源側、または、グランド側のいずれかのスイッチング素子のみをＯＮとして、前記共振系からの電力の伝送を休止することが好ましい。このようにすることで、電力の伝送を停止しつつ、非接触電力伝送装置の制御に必要な共振電流波形を検出し続けることができる。

また、本願で開示する非接触電力伝送装置は、送電装置として用いられた際に、前記駆動回路が、前記検出回路により検出された前記共振電流波形の位相に合わせて、前記共振系から前記スイッチング回路に電流が供給されるように各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する、ことが好ましい。このようにすることで、送電装置の共振系に残った電力を電源に戻すことができ、特に、電源として二次電池を用いる場合には、二次電池の電池容量を回復させることができる。

本願で開示する非接触電力伝送装置は、受電装置として用いられた際に、前記駆動制御回路が、前記検出回路により検出された前記共振電流波形の位相に基づいて、前記各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御して前記共振系から出力される電流を整流することが好ましい。このようにすることで、スイッチング回路のスイッチング素子が有するダイオードによる電圧降下を回避して、受電装置での電力ロスを低減することができる。

本願で開示する非接触電力伝送装置は、受電装置として用いられた際に、前記駆動制御回路が、前記フルブリッジ回路の前記電源側、または、グランド側のいずれかのスイッチング素子のみをＯＮとして、前記共振系での受電を休止することが好ましい。このようにすることで、受電装置の電源として用いられる二次電池や接続された負荷等への受電電力を遮断するとともに、非接触電力伝送装置の制御に必要な共振電流波形を検出し続けることができる。

また、本願で開示する非接触電力伝送装置は、受電装置として用いられた際に、前記駆動制御回路が、前記検出回路により検出された前記共振電流波形の位相に合わせて、前記スイッチング回路から前記共振系に電流が供給されるように各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御することが好ましい。このようにすることで、受電装置内に残った電力を送電装置へと戻すことができる。なお、本願で開示する非接触電力装置を送電装置として用いることで、送電装置の電源が二次電池である場合には、送電装置が受電装置からの送電を検出して充電回路と同様な動作を行うことにより、電池容量の回復に寄与することができる。

さらに、本願で開示する非接触電力伝送装置において、前記検出回路が、前記スイッチング回路のグランド側に配置されたスイッチング素子を流れる電流を検知することが好ましい。このようにすることで、共振電流を検出する検出回路にかかる電圧を低電圧に抑えることができ、低コストで構成することができる。

なお、このようなグランド側に配置されたスイッチング素子を流れる電流を検知する構成を採用して検出回路にかかる電圧を低電圧に抑える構成をとった場合は、前記共振系からの電力の伝送を休止する際に、グランド側のスイッチング素子のみをＯＮとすることが、休止の状態においても共振電流を検出する上で好ましい。もちろん、電源側で共振電流を検出する回路を設けた場合は電源側のスイッチング素子をＯＮとして共振電流を検出することが好ましいが、詳細は後述する。

また、本願で開示する送電装置は、非接触で電力を送電する送電装置であって、電源と、複数のスイッチング素子からなるスイッチング回路と、コイルとコンデンサとを有する送電共振系と、前記スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する駆動制御回路と、前記スイッチング回路を流れる共振電流を検出する検出回路とを備え、前記検出回路により検出された共振電流波形に基づいて、前記駆動制御回路が前記スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御して送電動作を行うことを特徴とする。

さらに、本願で開示する受電装置は、非接触で電力を受電する受電装置であって、電源と、複数のスイッチング素子からなるスイッチング回路と、コイルとコンデンサとを有する受電共振系と、前記スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する駆動制御回路と、前記スイッチング回路を流れる共振電流を検出する検出回路とを備え、前記検出回路により検出された共振電流波形に基づいて、前記駆動制御回路が前記スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御して受電動作を行うことを特徴とする。

以下、本開示にかかる非接触電力伝送装置についての実施の形態を、図面を参照しながら具体的に説明する。

なお、以下で説明する本実施形態にかかる非接触電力伝送装置は、一つの電力伝送装置が、送電側の送電装置としても受電側の受電装置としても機能して双方向の電力伝送を行うことができる。以下では、電力を送電する側の送電装置と電力を受電する側の受電装置とに適宜分けて説明する。

（実施の形態）
図１、および、図２は、本実施形態にかかる非接触電力伝送装置の概略構成を説明するブロック図である。図１では、本実施形態にかかる非接触電力伝送装置が、それぞれ送電装置、および、受電装置として用いられ、電力を送受電している状態を示す図である。一方、図２では、送電装置としても受電装置としても機能する本実施形態にかかる非接触電力伝送装置の主要部の構成をより詳細に説明する図である。

図１に示すように、送電装置１０は、装置全体を動作させるための電源１１、電力を伝送するためのスイッチング動作を行うスイッチング回路１２、送電電力を磁界に変換するための送電共振系１３、スイッチング回路１２を構成するスイッチング素子の動作を制御する駆動制御回路１４、スイッチング回路１２に流れる電流から送電共振系１３での共振電流を検出する検出回路１５を有している。

また、受電装置２０は、装置全体を動作させるための電源２１、受電した電力を整流して直流電圧に変換するスイッチング回路２２、送電された電力を送電装置１０の送電共振系１３との間の磁気結合によって受電する受電共振系２３、スイッチング回路２２を動作させるための駆動制御回路２４、スイッチング回路に流れる電流から受電共振系２３での共振電流を検出する検出回路２５とを有している。

図２に示すように、送電装置１０であり受電装置２０でもある非接触電力伝送装置において、電源１１、１２は、例えば送電装置１０では直流電源装置として実現される。また、受電装置２０では、充放電が可能な二次電池として実現することができる。なお、送電側と受電側とを切り替えて、受電装置２０の電源２１として充電された二次電池を送電装置１０の電源１１として用いる場合には、電源１１は充電された二次電池によって構成される。また、受電装置２０が、受電装置２０が接続された電子機器の電源として機能する場合には、受電装置２０の電源２１には、受電装置２０の負荷となる電子機器の回路が相当することとなる。

このように図１、および、図２では、便宜上充電した二次電池などの直流電圧を供給可能なものとして電源１１、２１を示しているが、本実施形態にかかる非接触電力伝送装置の場合、特に受電装置２０側の電源２１は、電力を消費する負荷であったり、電力を供給する電源であったりして、双方向給電で実現可能な種々の形態をとることができる。

また、便宜上、受電装置２０の電源２１を最初から受電装置２０の電源として機能するように説明したが、受電装置２０の電源２１が二次電池である場合には、送電装置１０からの送電開始時点では電力を有していない状態であることも考えられる。このような場合は、送電装置１０から受電装置２０の共振系２３に伝送された電力を、受電装置２０の駆動電源として利用できる回路構成としておけば良い。

図２に示すように、送電装置１０、受電装置２０は、スイッチング回路としてのフルブリッジ回路１２、２２を有している。

フルブリッジ回路１２、２２は、第１のスイッチング素子（１２ａ、２２ａ）と第２のスイッチング素子（１２ｂ、２２ｂ）との直列体と、第３のスイッチング素子（１２ｃ、２２ｄ）と第４のスイッチング素子（１２ｄ、２２ｄ）との直列体とが並列に接続されて構成され、電源１１、２１とグランド１６、２６との間に配置されている。

第１から第４のスイッチング素子（１２ａ～１２ｄ、２２ａ～２２ｄ）は、ＭＯＳＦＥＴで構成することができ、駆動制御回路１４、２４からのドライブ電圧によってそれぞれ別個にＯＮ／ＯＦＦが制御される。スイッチング素子（１２ａ～１２ｄ、２２ａ～２２ｄ）をＭＯＳＦＥＴで構成した場合には、ＭＯＳＦＥＴが備えるボディダイオードが、いずれもグランド１６、２６側から電源１１、２１の側へのみ電流を流す方向に配置される。この結果、第１から第４のスイッチング素子（１２ａ～１２ｄ、２２ａ～２２ｄ）がいずれも動作しないＯＦＦ状態の場合には、フルブリッジ回路１２、２２は４つのダイオードによって構成された全波整流器として機能することになる。

送電共振系１３、および、受電共振系２３となる共振系は、いずれも共振コイル１３ａ、２３ａと共振コンデンサ１３ｂ、２３ｂとが直列に接続された直列共振系の共振回路として構成される。送電共振系１３、および、受電共振系２３である共振回路は、フルブリッジ回路１２、２２の２組のＭＯＳＦＥＴを上下に直列接続したブリッジ回路のソースとドレインの接続部分に接続されている。

なお、図２では、送電共振系１３、受電共振系２３を、いずれも共振コイル１３ａ、２３ａと共振コンデンサ１３ｂ、２３ｂとが直列に接続された直列共振系の共振回路として示したが、共振コイル１３ａ、２３ａと共振コンデンサ１３ｂ、２３ｂとが並列に接続された並列共振系の共振回路として構成することもできる。ただし、この場合には共振コンデンサ１３ｂ、２３ｂに直接フルブリッジ回路からの出力が供給されて大電流が流れるので、直列にインダクタンスを挿入する必要がある。

駆動制御回路１４、２４は、後述する検出回路１５、２５で検出された共振回路での共振電流波形に基づいて、フルブリッジ回路１２、２２を構成するスイッチング素子（１２ａ～１２ｄ、２２ａ～２２ｄ）それぞれのＯＮ／ＯＦＦ動作を所定のタイミングで制御する。

送電装置１０では、駆動制御回路１４は、フルブリッジ回路１２をインバータ回路として動作させて送電共振系１３に印加する交流電流を生成する。また、後述するように、送電装置１０で自励発振を行う場合や、電力伝送効率を向上させるためのＰＷＭ制御を行う場合、また、送電電力を低下させる場合の休止動作制御や、余剰の電力を回収する回収動作を行う場合に、駆動制御回路１４は、フルブリッジ回路１２を構成するスイッチング素子（１２ａ～１２ｄ）を所定のタイミングでＯＮ／ＯＦＦさせる動作制御を行う。

受電装置２０では、駆動制御回路２４は、フルブリッジ回路２２の各スイッチング素子が内蔵しているダイオードでの全波整流を行う場合は、フルブリッジ回路２２を構成するスイッチング素子（２２ａ～２２ｄ）をＯＦＦ状態で維持する。また、後述する電力伝送効率を向上させる同期整流を行う場合や、受電装置２０側から送電装置１０へと電力を戻す回収動作を行う場合には、駆動制御回路２４は、フルブリッジ回路２２を構成するスイッチング素子（２２ａ～２２ｄ）を所定のタイミングでＯＮ／ＯＦＦさせる動作制御を行う。

本実施形態にかかる非接触電力伝送装置では、検出回路１５、２５は、フルブリッジ回路１２、２２を構成するスイッチング素子において、下段のスイッチング素子に流れる電流を検出する。例えば、検出回路１５、２５は、第１のスイッチング素子（１２ａ、２２ａ）と第２のスイッチング素子（１２ｂ、２２ｂ）とを接続したブリッジ回路の下段側のスイッチング素子（１２ｂ、２２ｂ）に流れる電流を検出するための第１の抵抗（１５ａ、２５ａ）と、第３のスイッチング素子（１２ｃ、２２ｄ）と第４のスイッチング素子（１２ｄ、２２ｄ）とを接続したブリッジ回路の下段のスイッチング素子（１２ｄ、２２ｄ）に流れる電流を検出するための第２の抵抗（１５ｂ、２５ｂ）とを有する構成とすることができる。

検出回路１５、２５では、第１の抵抗（１５ａ、２５ａ）と第２の抵抗（１５ｂ、２５ｂ）とで検出されたフルブリッジ回路の下段の２つのスイッチング素子を流れる電流の波形を、反転処理と合成処理などの適宜の処理を行って、送電共振系１３、または、受電共振系２３を流れる共振電流波形を得る。

検出回路１５、２５は、このようにして検出されたフルブリッジ回路１２、２２を流れる共振電流波形や、電流波形に基づいて得られた電圧値の情報を駆動制御回路１４、２４に伝達し、駆動制御回路１４、２４における動作制御のための情報とする。

なお、図２において、検出回路１５、２５は、フルブリッジ回路１２、２２におけるグランド１６側に配置された第２のスイッチング素子（１２ｂ、２２ｂ）、および、第４のスイッチング素子（１２ｄ、２２ｄ）を流れる電流を検出するように、フルブリッジ回路１２、２２のグランド１６側に電流検出のための抵抗（１５ａ、２５ａ、１５ｂ、２５ｂ）を配置した例を示して説明した。しかし、本実施形態において、検出回路１５、２５は、フルブリッジ回路１２、２２の電源１１、２１側のスイッチング素子（１２ａ、２２ａ、１２ｃ、２２ｃ）を流れる電流を検出する構成とすることができる。ただし、この場合には電流検出用の抵抗をスイッチング素子（１２ａ、２２ａ、１２ｃ、２２ｃ）と電源１１、２１との間に設置する必要があり、信号変化は小さくとも抵抗出力自体に高い電圧が重畳されることになり、検出回路１５、２５を構成する電子部品として耐電圧が高い部品を使用する必要が生じる。例えば、本実施形態にかかる非接触電力伝送装置が電気自動車のバッテリーに充放電するための電力を伝送する装置の場合では、電源電圧値が数百ボルトとなる場合があり、このような高電圧に耐える電子部品で検出回路１５、２５構成することはコスト高に繋がってしまう。このため、検出回路１５、２５は、フルブリッジ回路１２、２２におけるグランド１６側のスイッチング素子（１２ｂ、２２ｂ、１２ｄ、２２ｄ）を流れる電流を検出する構成とすることがより好ましい。

なお、例えば、高電圧側に検出回路１５、２５を動作させるための電源を別途設けるなどして、検出回路１５、２５を構成する電子部品の耐電圧を下げることもできるが、通常、駆動制御回路１４、２４は低電圧側に設置するため、電圧シフトや別電源の構成等を行う必要があり、コスト上昇や回路構成の複雑化に繋がってしまう。

図３は、本実施形態にかかる非接触電力伝送装置における電力の送受電の状態を示すイメージ図である。

図３に示すように、本実施形態にかかる非接触電力伝送装置を、送電装置１０、および、受電装置２０として用いて電力を送受電する場合は、送電装置１０におけるコイルに図中矢印３１として示す方向に電流が流れると、コイルに生じた磁界が受電装置２０のコイルと鎖交し、この磁界を打ち消すように受電装置２０のコイルに起電力が発生して、図中矢印３２に示す方向に電流が流れる。このように送電装置１０と受電装置２０とを同一構成とした場合、送電と受電とでは鎖交する磁力線の向きに対して起電力の方向が逆向きとなるが、送電装置１０の送電共振系１３の共振コイル１３ａと受電装置２０の受電共振系２３の共振コイル２３ａとが磁気的に結合することで、送電装置１０から受電装置２０への非接触での電力伝送３３が実現する。

［送電装置の動作］
次に、本実施形態にかかる非接触電力伝送装置について、送電装置として用いる場合の動作を具体的に説明する。

図４は、本実施形態にかかる非接触電力伝送装置を送電装置として用いた場合の構成を示す回路構成図である。

図４に示す送電装置１０の構成は、図１，および、図２で説明したものと同じであり、電源１１と、４つのスイッチング素子（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）からなるフルブリッジ回路１２と、送電共振系１３を構成する共振コイル１３ａと共振コンデンサ１３ｂと、フルブリッジ回路１２の各スイッチング素子（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ）の動作を制御する駆動制御回路１４と、フルブリッジ回路を流れる電流から送電共振系１３を流れる共振電流を検出する検出回路１５とを備えている。

４つのスイッチング素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄはいずれもＭＯＳＦＥＴで構成されていて、駆動制御回路１４の４つの端子Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄから印加される信号がＨｉｇｈの時に、導通して電流を流す。また、図４に図示するように、ＭＯＳＦＥＴが備えるボディダイオードが、グランド１６から電源１１の側に電流が流れる向きに配置されている。

図４で示す送電装置１０では、検出回路１５として、フルブリッジ回路１２のグランド１６側に配置された２つのスイッチング素子１２ｂ、１２ｄを流れる電流を検出する２つの抵抗１５ａ、１５ｂに加えて、抵抗１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｇとアンプ１５ｆ、電源１５ｈとで構成された反転合成回路を備えていて、スイッチング素子１２ｂを流れる電流を反転してスイッチング素子１２ｄを流れる電流と合成することで、共振電流の検出電圧が端子Ｍに出力される。

また、図４で示す送電装置１０では、電源１１とグランド１６との間にパスコンとなるコンデンサ１７を配置しており、送電共振系１３を流れる共振電流は、通常は、交流抵抗成分の小さなコンデンサ１７を経由して流れる。さらに、図４で示す送電装置１０では、フルブリッジ回路１２とグランド１６との間に電圧検出用の抵抗１８が配置されている。

コンデンサ１７と抵抗１８とを備えることで、共振電流以外に送電装置１０に流れる電流に基づいて、電源１１から出力される電力を検出することができる。このため、実際に伝送される送電電力を検出することができ、適宜駆動制御回路におけるスイッチング回路の動作制御に利用することか可能となる。

なお、抵抗１８は、電源１１とフルブリッジ回路１２との間に配置しても同様に送電電力を検出することができるが、高電圧系に配置することにより高い耐電圧が要求されることとなるため、図４に示したように、グランド側に配置することがより好ましい。また、パスコン１７と、抵抗１８とは本実施形態で説明する送電装置１０において必須のものではない。

図４では、以下で行う動作説明で使用するため、上述した端子Ａ～Ｄ、端子Ｍの他に、フルブリッジ回路１２の第１のスイッチング素子１２ａと第２のスイッチング素子１２ｂとの中間部分に端子Ｅを、フルブリッジ回路１２の第３のスイッチング素子１２ｃと第４のスイッチング素子１２ｄとの中間部分に端子Ｆを、送電共振系１３の共振コイル１３ａと共振コンデンサ１３ｂとの間に端子Ｇを、電流検出部１５の第１の抵抗１５ａの電圧を示す端子Ｋと第２の抵抗１５ｂの電圧を示す端子Ｌとを設けている。

また、以下の説明では、図中矢印で示したように、電源側からグランド側に流れる方向を共振電流Ｈ、Ｉ、Ｊの正の方向として説明する。

なお、図４において、実施線または点線と矢印で示すａ～ｄは、図６を用いて説明するＰＷＭ制御時にフルブリッジ回路１２を流れる電流を示している。詳細は、図６の説明において説明する。

ａ．起動と共振電流の制御
図５は、本実施形態で説明する送電装置の電力伝送動作時における端子電圧波形と共振電流波形を示すタイミングチャートである。

図５において、横方向のマス目は動作のタイミングをラベル化して示すものである。また、縦方向のマス目は、印加される電圧においてはＨｉｇｈ（以下適宜「Ｈｉ」と表す）とＬｏｗ（以下適宜「Ｌｏ」と表す）とのレベルを示し、共振電流や共振電圧ではその波形の高さ方向をラベル化して表したものである。なお、以下の説明に用いられる各タイミングチャートにおいても、図５と同様に、動作のタイミングと、印加電圧や共振電圧、共振電流の波形を示すこととする。

まず、ａ）起動タイミングで、駆動制御回路１４がフルブリッジ回路１２の第１のスイッチング素子１２ａと第４のスイッチング素子１２ｄをＯＮ、第２のスイッチング素子１２ｂと第３のスイッチング素子１２ｃをＯＦＦとして、端子電圧ＥをＨｉ、端子電圧ＦをＬｏの状態とすると、送電共振系１３を充電するように共振電流が流れ、共振コンデンサ１３ｂが充電されると逆方向の電流が流れるため、共振電圧Ｇ、共振電流Ｉとして示す共振が始まる。

本実施形態で説明する送電装置では、このときの共振タイミングに応じて、さらに、端子Ｅと端子Ｆに印加する電圧を制御する。

具体的には、上記した起動を行った後に、図５中のｂ）駆動開始タイミング以降、共振電流Ｉの極性（＋が正、すなわち図４に示す矢印Ｈの方向、－が負、矢印Ｈとは逆の方向）に応じて、駆動制御回路１４から４つのスイッチング素子１２ａ～１２ｄに印加される電圧を制御し、共振電流Ｉの極性が「正」である場合には、フルブリッジ回路１２の第１のスイッチング素子１２ａと第４のスイッチング素子１２ｄをＯＮ、第２のスイッチング素子１２ｂと第３のスイッチング素子１２ｃをＯＦＦとして、端子電圧ＥをＨｉ、端子電圧ＦをＬｏとする。一方、共振電流Ｉの極性が「負」である場合には、フルブリッジ回路１２の第２のスイッチング素子１２ｂと第３のスイッチング素子１２ｃをＯＮ、第１のスイッチング素子１２ａと第４のスイッチング素子１２ｄをＯＦＦとして、端子電圧ＥをＬｏ、端子電圧ＦをＨｉとする。

すなわち、図５における共振電流Ｉが０となる時点を検出して、そのタイミングで、駆動制御回路１４の４つのゲートＡ～Ｄを制御し、共振電流Ｉが正の値から負の値となる時に端子電圧ＦをＨｉ、端子電圧ＥをＬｏ、q共振電流Ｉが負の値から正の値となる時に端子電圧ＥをＨｉ、端子電圧ＦをＬｏとする駆動を開始する。

このようにすることで、例えば、図５中、ｂ）駆動開始タイミングとして示している時点では、端子電圧Ｆを電源電圧、端子電圧Ｅをグランド電位とすることで、端子Ｆが電源電圧分だけ上昇し、これに応じて共振コンデンサ１３ｂのもう一方の端子Ｇの電位が２Ｖから３Ｖに上昇する。このとき、共振コイル１３ａの端子Ｅ側がグランド電位固定されるため、共振コイル１３ａの両端電圧は図５中に破線矢印として示す３Ｖの電位差がかかる。この電位差にしたがって、共振コイル１３ａには共振電流Ｉで示すように電流が流れ始める。この電流は共振コンデンサ１３ｂの両端電圧が０となるまで増加を続け、０となった時点で共振コイル１３ａに流れる電流は最大となる。その後、共振コイル１３ａに蓄えられた磁界のエネルギーにより今度は共振コンデンサ１３ｂを充電するので、共振電流Ｉが０となるまで共振コンデンサ１３ｂの電位は下がりつつけ、端子Ｇの電位がー３Ｖまで低下する。

この時点で端子Ｅを電源電圧に、端子Ｆをグランド電位にするように駆動制御回路１４からのゲート信号を制御すると、端子Ｆの電圧が電源電圧の分である１Ｖだけ低下し、これが共振コンデンサ１３ｂを通じて端子Ｇに表れるので、４Ｖの長さの破線矢印のような電位差が共振コイル１３ａに印加される。従って、先ほどと同様に共振電流が流れ始め共振電圧自体は増大していく。

このような動作を継続し、送電共振系１３に流れる共振電流Ｉを補う方向にフルブリッジ回路１２から電流が流れこんで電力を送電共振系１３に注入するため、送電共振系１３での共振が増大していき、最終的には、コイルの抵抗等で消費される電力と注入される電力とが等しくなって共振が安定して継続される。上述したａ）起動タイミングでの起動動作のように、端子電圧ＥをＨｉとするだけでは、送電共振系１３に生じた共振は共振回路の抵抗成分によって次第に減衰してしまうが、駆動制御回路１４でフルブリッジ回路１２の各スイッチング素子１２ａ～１２ｄのＯＮ／ＯＦＦを制御することで、送電共振系１３での共振が増大したままで維持できる。

なお、本実施形態で説明する非接触電力伝送装置では、以上の動作は送受電共振系の総合的な共振特性のピーク点を保持するように駆動が開始され、その後発振が継続するので、いわゆる自励発振を行っている送電装置を構成する。

さらに詳細には、本実施形態の送電装置１０において、送電共振系１３での共振を維持するためにフルブリッジ回路１２から送電共振系１３に印加される電流は、送電共振系１３を流れる共振電流Ｉに同期させて印加される。送電装置１０と受電装置２０とが電力伝送可能な状態で配置されていた場合には、送電共振系１３での共振電流Ｉは、近接して配置されている受電装置２０の受電共振系２３と結合した状態での共振特性に応じて流れることになる。このため、本実施形態の送電装置１０のように、起動タイミングで印加された電圧で励起された共振電流を測定し、この共振電流の極性の変化に応じて駆動制御回路１４によってフルブリッジ回路１３を制御して共振回路に印加された電流は、受電装置２０の受電共振系２３と結合した状態での共振特性に応じたものとなる。したがって、送電装置１０と受電装置２０との間隔や、送電装置１０と受電装置２０との間の異物の有無にかかわらず、本実施形態で示す送電装置１０では、最適な状態で送電共振系１３を共振させる自励発振を行うことができる。

なお、本実施形態の送電装置１０では、検出回路１５によってフルブリッジ回路１２を流れる電流から送電共振系１３の共振電流を検出して、その極性に応じてフルブリッジ回路１２のスイッチング素子を制御するため、例えば、送電装置１０と受電装置２０との間隔が変化した場合や、送電共振系１３と受電共振系２３との間に異物が入ってきた場合などでも、その時の送電共振系１３と受電共振系２３との結合状態に応じた送電共振系１３への電流印加のタイミングを変化させることができる。この結果、送電共振系１３と受電共振系２３との状態から、共振特性を測定して、送電共振系１３の共振コイル１３ａや共振コンデンサ１３ｂの特性をあらかじめ設定する必要がなく、また、送電共振系１３と受電共振系２３との結合状態に対応させて共振系の回路特性を変化させるために、送電コイル１３ａや送電コンデンサ１３ｂの回路特性を可変とする必要がない。この結果、本実施形態で説明する送電装置１０では、送電共振系１３の回路構成を簡素化でき、結果として送電装置１０の小型化や低コスト化を実現することができる。

送電共振系１３と受電共振系２３とが磁気的に結合している状態において、例えば、受電装置２０の負荷が低下した場合には、受電側の共振電圧が上昇し、結果として送電共振系１３の共振電圧も上昇する。このように、共振電圧が上昇した状態で放置すると、さらに共振電圧が上昇し、共振系回路を構成する部品の耐電圧を超えてしまう事態が生じる場合がある。

このため、本実施形態で示す送電装置１０においては、送電共振系１３の端子Ｇに現れる共振電圧を検出する、不図示の共振電圧検出回路を設け、その検出電圧が過大となった場合に、フルブリッジ回路１２から送電共振系１３に注入する電力の供給を休止したり、あるいは、共振電流Ｉとは逆方向の電流を流すようにしたりして、共振電圧を低下させることができる。

例えば、共振電流Ｉの極性が負、すなわち、共振電流Ｉが端子Ｆから端子Ｅに向かって流れているタイミングで、端子電圧Ｅがグランド電位（便宜上「負」と称する）、端子電圧Ｆが電源電圧（便宜上「正」と称する）となるように、フルブリッジ回路１２のスイッチング素子１２ｂと１２ｃとがＯＮとなり、スイッチング素子１２ａと１２ｄとがＯＦＦとなるように制御する。また、共振電流Ｉの極性が正、すなわち、共振電流Ｉが端子Ｆから端子Ｅに向かって流れているタイミングで、端子電圧Ｅが正、端子電圧Ｆが負となるように、フルブリッジ回路１２のスイッチング素子１２ａと１２ｅとがＯＮとなり、スイッチング素子１２ｂと１２ｃとがＯＦＦとなるように制御する。

このように駆動制御回路を動作させることで、送電共振系１３には共振方向とは逆方向の電流が印加されることとなり、共振電圧と共振電流とを減少させる作用が働く。

このため、本実施形態にかかる送電装置１０では、検出回路１５において検出されたフルブリッジ回路１２に流れる共振電流に基づいて、駆動制御回路１４でフルブリッジ回路１２のスイッチング素子（１２ａ～１２ｄ）のＯＮ／ＯＦＦを制御することで、共振電圧が過大となることによって共振回路を構成する回路が耐電圧を超えて破損してしまう事態を効果的に回避することができる。

なお、送電装置１０において、共振電圧と共振電流が増大したことに対応して、駆動制御回路１４による共振電圧を低減する動作が行われている状態において、受電装置２０における負荷が増大して、共振電圧の値が小さくなった場合には、検出回路１５でこれを検出して、上述の自励発振時のように、フルブリッジ回路１２から送電共振系１３に流れる電流を増大させる方向の動作制御を行う。このように制御することで、送電共振系１３に印加される共振電圧の大きさを所定の電圧値に維持することができる。

ｂ．ＰＷＭ制御
次に、本実施形態で説明する送電回路における、電力制御や省電力のための動作について説明する。

図６は、本実施形態にかかる送電装置において、フルブリッジ回路のスイッチング素子に印加する電圧幅を制御するＰＷＭ制御を説明するための図である。

図６では、駆動制御回路１４のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ４つの端子電圧それぞれのＨｉとＬｏの状態、また、検出回路１５の第１の抵抗１５ａを流れる電流Ｉと、第２の抵抗１５ｂを流れる電流Ｊ、さらには、検出回路１５の反転合成回路において作成される検出電流Ｉの反転信号と、これに検出電流Ｊとを合成した反転合成端子Ｍでの電圧波形も併せて表示している。

図６において、図中左側の部分では、送電共振系１３での共振電流を維持する方向にフルブリッジ回路を動作させる前述の自励発振動作が行われている。

このようにして、自励発振動作によって送電共振系１３が安定して動作している状態において、駆動制御回路１４からフルブリッジ回路１２の４つのスイッチング素子１２ａ～１２ｄに印加される電圧の印加時間を変更するＰＷＭ制御を行う。

なお、ＰＷＭ制御時の共振電流の流れを説明するために、図４に、電流の流れる方向を符号ａ～ｄとして示した。図４に示した符号ａから符号ｄにおいては、矢印Ｈと同一方向に共振電流が流れる場合の電流の向きを塗りつぶした矢印で、反対方向の共振電流の場合を塗りつぶさない矢印で示している。また、スイッチング素子がＯＮの状態にある場合の電流の流路を実線で、ＯＦＦの状態での経路を破線で示すことにより、共振電流の向きとスイッチング素子の状態を同時に表示できるようにしている。

したがって、スイッチング素子がＯＦＦの状態での送電共振系１３で共振した正方向の電流は、符号ｂとして表しており、スイッチング素子１２ｃとスイッチング素子１２ｂとのボディダイオードを通じて流れる。また、第１のスイッチング素子１２ａと第４のスイッチング素子１２ｄをＯＦＦ、第２のスイッチング素子１２ｂと第３のスイッチング素子１２ｃをＯＮとした状態で、送電共振系１３で共振した逆方向電流は、符号ｃで示した経路と向きに流れる。

図６では、一例として、各スイッチング素子のゲートに印加されるＨｉ電圧のパルス幅を１／２にするＰＷＭ制御を行った状態を示す。なお、図６では、ゲートＡからゲートＤの各端子に印加する電圧がＰＷＭ制御によって減少していることが明確になるように、ＰＷＭ制御されていない状態の電圧印加期間を点線で示している。

図６中、ａ）ＰＷＭ制御として示しているタイミング以降で、ＰＷＭ制御によりスイッチング素子ａとスイッチング素子ｄへの印加電圧がＨｉからＬｏになり、これに伴って端子電圧ＥがＰＷＭ開始前のＨｉ状態からＬｏ状態へ、端子電圧ＦがＬｏ状態からＨｉ状態へと変化する。なお、このとき、端子電圧ＥがＬｏ状態よりさらに低い電圧に、端子電圧がＨｉ電圧よりもさらに高い電圧になっているのは、スイッチング素子として用いているＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードの両端電圧分が重畳することが原因である。

スイッチング素子に印加する動作電圧をＰＷＭ制御することによって生じる端子電圧Ｅと端子電圧Ｆの挙動は、共振電流が逆極性のスイッチング素子１２ｂと１２ｃとがＯＮ状態における場合も逆方向ではあるが同様に生じる。

このように、フルブリッジ回路を構成する各スイッチング素子に印加する駆動電圧をＰＷＭ制御した場合、フルブリッジ回路１２を構成するスイッチング素子のうち、図中左側に示したスイッチング素子の直列接続体の下段部のスイッチング素子を流れる共振電流Ｉと、図中右側に示した第２の直列接続体の下段部のスイッチング素子を流れる共振電流Ｊとは、スイッチング素子をＰＷＭ制御して動作させることで、Ｈｉ状態とＬｏ状態の切り替え時に大きく変動する。しかし、本実施形態の送電装置では、検出回路において、共振電流Ｉと共振電流Ｊとを反転合成して端子電圧Ｍを得ているため、図６に示すように、ＰＷＭ制御を行っていない場合と同様に共振電流を把握することができる。

このため、送電装置と受電装置との間で電力の伝送が行われている状態で、常に磁気結合している状態の共振電流を把握でき、前述の自励発振制御や共振電圧を低減する制御を行うことができる。

ＰＷＭ制御を行うことで、送電装置における送電電力を低減することができるため、低消費電力での非接触電力伝送が実現できる。また、ＰＷＭ制御を行うことで、駆動制御回路でのロジック変更によって共振電圧の大きさを調整できるため、従来の非接触電力伝送装置で用いられていたＤＣ／ＤＣコンバータによりフルブリッジ回路に印加する電圧自体を変更する、ＰＡＭ（Ｐｕｌｓｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を用いる必要がなくなり、送電装置の小型化と低コスト化を実現することができる。

ｃ．送電休止と回収動作
図７は、本実施形態にかかる送電装置において、送電を休止する動作を行う際の電流の流れを説明するための送電装置の回路構成図である。

図８は、本実施形態にかかる送電装置で、共振電流の極性に応じて送電を休止する動作を説明するためのタイミングチャートである。

前述した自励発振動作、ＰＷＭ制御動作によって、送電装置から受電装置へと電力を伝送している状態において、いったん送電を休止する場合には、図８のタイミングチャートでｂ）休止追加タイミングとして示したように、駆動制御回路１４における、ゲート端子Ｂとゲート端子ＤとをＨｉ、ゲート端子Ａとゲート端子ＣとをＬｏとする動作制御を行い、フルブリッジ回路１２においてグランド１６側に配置されたスイッチング素子１２ｂとスイッチング素子１２ｄとをＯＮ、電源１１側に配置されたスイッチング素子１２ａとスイッチング素子１２ｃとがＯＦＦとなるように制御する。

このようにすることで、図７に、矢印ａと矢印ｃとして示したような、フルブリッジ回路１２のグランド側の素子と送電共振系との間でのみ共振電流Ｈが流れる状態となる。本実施形態の送電装置では、検出回路１５でフルブリッジ回路１２のグランド側の２つの素子を流れる電流Ｉと電流Ｊとを把握する構成としているため、図７に示す矢印ａと矢印ｃの共振電流を図８に示す共振電流Ｉ、共振電流Ｊとして把握することができる。

このとき、本実施形態にかかる送電装置１０では、第１の抵抗１５ａを流れる電流Ｉを反転させて第２の抵抗１５ｂを流れる電流Ｊと合成しているため、図８に示すように、端子Ｍでの電圧値は、自励発振制御やＰＷＭ制御を行っていた時の電圧値の２倍とはなるものの、その位相、すなわち共振電流が０となるタイミングは同じである。このため、休止状態から送電を再開する場合において、検出回路１５で検出された共振電流のタイミングに応じてフルブリッジ回路１２の各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を、休止状態となる前の動作タイミングと同じタイミングで直ちに再開することができる。

なお、本実施形態の送電装置では、検出回路などの耐電圧を低く抑えるためにフルブリッジ回路を構成するグランド側のスイッチング素子を流れる電流を検出する構成としているが、前述したように、フルブリッジ回路を構成する電源側のスイッチング素子を流れる電流値を検出回路で検出する構成とすることも可能である。このように、検出回路を、フルブリッジ回路の電源側のスイッチング素子（Ａ、Ｃ）を流れる電流を検出する構成とした場合には、送電休止動作を行う場合には、駆動制御回路の端子Ａと端子ＣとをＨｉ、端子Ｂと端子ＤとをＬｏとして、送電共振系の共振電流Ｈがフルブリッジ回路１２の電源側を流れるように制御する。このようにすることで、休止状態における共振電流波形の把握を継続でき、休止状態から直ちに送電状態へと復帰することができる。

図９に、本実施形態にかかる送電装置において、休止状態に入った後に、送電共振系に残留した電力を回収する受電モードでの動作をする場合のタイミングチャートを示す。

前述したように、本実施形態で説明する送電装置１０では、電源１１に二次電池が使用される場合があり、この場合に、送電装置１０からの送電が停止した後に、送電共振系１３に残っていた電力が回収できれば、その分電源１１としての二次電池の電力を回復することができる。

図９に示したように、休止状態ではフルブリッジ回路１２においてグランド側の２つのスイッチング素子１２ｂと１２ｄのみをＯＮ状態とするように端子電圧ＢとＤをＨｉ、端子電圧ＡとＣとをＬｏとしていたが、その後、共振電流が「正」の時に、端子電圧ＢとＣをＨｉ、端子電圧ＡとＤとをＬｏ、共振電流が「負」の時に、端子電圧ＡとＤをＨｉ、端子電圧ＢとＣとをＬｏに制御することで、送電状態とは逆の位相でフルブリッジ回路１２に電流が流れるため、受電モードでの動作が行われる。

本実施形態にかかる送電装置では、フルブリッジ回路の２つのグランド側のスイッチング素子に流れる電流を反転合成して検出回路の出力となるため、図９に示すように、受電モードの場合でも、共振電圧の検出波形は、送電モードや休止モードの場合と同じである。このため、本実施形態にかかる送電装置では、送電モード、休止モード、受電モードのモード間の切り替えを円滑に行うことができる。

なお、この受電モードにおける、共振電流の位相に対する駆動制御回路１４からのフルブリッジ回路１２の各スイッチング素子への動作パルスの制御を送電モードから反転させた状態は、後述する受電装置２０でのフルブリッジ回路２２の受電動作時の制御と同じとなる。

このように、本実施形態で説明した送電装置では、フルブリッジ回路の２つのグランド側のスイッチング素子の電流を検出して、検出された電流の位相に応じてフルブリッジ回路の各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦタイミングを切り替える。このようにすることで、受電装置と磁気結合している状態の共振波形に合わせて、送電装置におけるフルブリッジ回路の各スイッチング素子のＯＮとＯＦＦとを制御できるため、送電コイルと受電コイルとの間の距離の変化や異物の有無などによる共振電流波形の変動に自動的に追従して、送電ロスの少ない電力伝送をすることができる。

また、受電共振系と磁気結合している状態の送電共振系の共振電圧の大きさを把握できることから、共振電圧が過大となる前に共振電力を低減することができ、例えば、受電装置側で負荷の低減などが生じた場合でも、送電共振系の回路が耐電圧を超えた過大な電圧によって破損することを効果的に防止することができる。

また、検出回路によって、フルブリッジ回路のグランド側のスイッチング素子を流れる電流をそれぞれ検出することで、送電電力を低下させるＰＷＭ制御や休止モードでの制御、受電モードでの制御を、連続した同じ位相の共振電圧波形に基づいて行うことができる構成を低コストで実現することができる。

［受電装置の動作］
次に、本実施形態にかかる非接触電力伝送装置について、受電装置として用いる場合の動作を具体的に説明する。

図１０は、本実施形態にかかる非接触電力伝送装置を受電装置として用いた場合の構成を示す回路構成図である。

本実施形態で説明する非接触電力伝送装置では、図１、図２に示したように、同じ構成の装置を送電装置としても受電装置としても使用することができる。図１０では、図２において説明した受電装置の各構成の名称と符号とをそのまま用いて説明するが、実際に受電装置２０を構成する回路部品は、駆動制御回路のロジック部分以外、図４で示した送電装置の構成と同じである。言い換えれば、駆動制御回路のロジック部分に、送電装置のものと受電装置のものとの双方を備えこれを適宜切り替えることで、一つの非接触電力伝送装置を送電装置としても、受電装置としても使用することができる。

図１０に示す、本実施形態にかかる受電装置２０の構成は、図１、および、図２で説明したものと同じであり、電源２１と、４つのスイッチング素子（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）からなるフルブリッジ回路２２と、受電共振系２３を構成する共振コイル２３ａと共振コンデンサ２３ｂと、フルブリッジ回路２２の各スイッチング素子（２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ）の動作を制御する駆動制御回路２４と、フルブリッジ回路を流れる電流から受電共振系２３を流れる共振電流を検出する検出回路２５とを備えている。

４つのスイッチング素子２２ａ～２２ｄがいずれもＭＯＳＦＥＴで構成されていること、駆動制御回路２４の４つの端子Ａ～Ｄから印加される信号がＨｉｇｈの時に、スイッチング素子が導通すること、図１０に示すように、グランド２６から電源２１の側に電流が流れる向きにＭＯＳＦＥＴのボディダイオードが配置されていることも図４の送電装置と同様である。さらに、検出回路２５の構成も送電装置１０の検出回路１５と同じであり、フルブリッジ回路２２のグランド２６側に配置された２つのスイッチング素子２２ｂ、２２ｄを流れる電流を検出する２つの抵抗２５ａ、２５ｂと反転合成回路を備えていて、反転合成された共振電流波形から共振電圧が端子Ｍに出力される。

なお、図１０で示すように、受電装置でも電源２１とグランド２６との間にパスコンとなるコンデンサ２７を配置しており、受電共振系２３を流れる共振電流は、通常は、交流抵抗成分の小さなコンデンサ２７を経由して流れる。また、上述した送電装置１０と同様に、フルブリッジ回路２２とグランド２６との間に電圧検出用の抵抗２８が配置されていて、共振電流以外に受電装置２０に流れる電流に基づいて、電源２１から出力される電力を検出することができ、例えば電源２１として用いられる二次電池に充電された電力や、負荷回路で消費された電力を検出することができる。なお、送電装置１０と同様に、抵抗２８は、電源２１とフルブリッジ回路２２との間に配置してもよく、また、パスコン２７と、抵抗２８とは本実施形態で説明する受電装置２０において必須のものではない。

なお、以下で行う動作説明で使用するため、上述した端子Ａ～Ｄ、端子Ｍの他に、端子Ｅ、端子Ｆ、端子Ｇ、端子Ｋと端子Ｌとを、送電装置と同様に設ける。また、共振コイル２３ａに流れる共振電流が矢印Ｈの方向の場合や、電流Ｉ、電流Ｊが電源側からグランド側に流れる方向を共振電流Ｈ、Ｉ、Ｊの正の方向として説明する。

さらに、図１０には、受電共振系２３で受電された受電電流を整流回路として機能するフルブリッジ回路２２で整流する際の電流の流れを符号ａ～ｄとして示す。図１０に示す受電装置１０で流れる電流ａ～ｄは、送電装置を流れる電流として図４に示した電流ａ～ｄの電流方向とスイッチング素子の状態とに対応させて示している。すなわち、共振コイル２３ａに矢印Ｈの方向に電流が流れる場合は塗りつぶした矢印で、逆方向に流れる場合は塗りつぶさない矢印で示し、さらに、各スイッチング素子がすべてＯＦＦの場合の電流の経路を破線で、スイッチング素子を駆動している場合の電流の経路を実線で示す。

受電装置２０ではスイッチング素子２２ａ～２２ｄのボディダイオードを利用して検波している為、電流ａとして示した経路は、送電装置１０のものとは異なっている。

ａ．同期整流制御動作
図１１は、本実施形態で説明する受電装置の電力伝送動作時における端子電圧波形と共振電流波形を示す図である。

図１１に示すように、受電装置２０においては、送電装置１０から電力伝送が開始される状態で、フルブリッジ回路２２を構成する４つのスイッチング素子の動作電圧はすべてＬｏとなっている。

このとき、端子Ｅと端子Ｆには、共振電圧波形、共振電流波形の位相に応じてＨｉとＬｏとが変化する電圧が印加される。この共振電圧波形には、一例として端子Ｅ電圧に符号ｂ）、符号ｅ）として示されるように、スイッチング素子２２ａ～２２ｄそれぞれのボディダイオード分の電圧降下が重畳される。

これに対し、図１１においてａ）同期整流追加タイミングとして記載しているように、共振電流波形が「負」の時に、駆動制御回路２４の端子Ａと端子ＤとをＨｉ、端子Ｂと端子ＣとをＬｏと制御することで、ボディダイオードを通らずにスイッチング素子本体を電流が流れるようになって、端子Ｅと端子Ｆとで検出する電圧波形からボディダイオード分の電圧降下によって生じていた波形上の膨らみがなくなって（図中、ｃ、ｆ）、図中ｄ、ｇとして示すように矩形状のきれいな整流波形が得られる。

このように、本実施形態にかかる受電装置２０において、受電共振系２３に流れる共振電流の位相に同期して整流回路として機能するフルブリッジ回路２２のスイッチング素子を動作させることで、ボディダイオードによる電圧降下分がなくなって、より高い効率で共振電圧を直流電圧に整流することができる。

なお、図１１に示すように、検出回路２５で検出される反転合成後の端子Ｍの電圧波形は、図６に示した送電装置１０の検出回路１５の端子Ｍの電圧波形と同じ位相の波形となる。ここで、図６と図１１とを比較すると、送電装置１０のフルブリッジ回路１２と、受電装置２０のフルブリッジ回路２２のそれぞれのスイッチング素子（１２ａ～１２ｄ、２２ａ～２２ｄ）に印加される駆動電圧は、位相が１８０度ずれた反転した状態の位相となっていることがわかる。このように、本実施形態にかかる非接触電力伝送装置では、送電装置と受電装置とにおいて、両者の共振系が結合して生じる共振波形に対して、逆の極性でフルブリッジ回路を構成する４つのスイッチング素子のＨｉ／Ｌｏを切り替えることで、より高い効率での電力伝送ができることがわかる。

ｂ．整流休止時の動作と送電動作
図１２は、本実施形態にかかる受電装置において、送電装置から送電された電力の整流動作を休止する電流の流れを説明するための受電装置の回路構成図である。

図１３は、本実施形態にかかる受電装置で、受電共振系で受電した電流の整流を休止する動作を説明するためのタイミングチャートである。

例えば受電装置２０の電源２１が二次電池であって、受電共振系１３で受け取った電力を用いて二次電池を充電する場合において、二次電池の充電容量が増大して受電共振系２３から取り出す電力が小さくなってくると、受電共振系２３の共振コイル２３ａや共振コンデンサ２３ｂの共振電圧が上昇する。この場合、受電共振系２３から電源２１側への整流を休止させる必要がある。

このような場合には、図１３に示すように、駆動制御回路２４によってゲート端子Ｂとゲート端子ＤとをＨｉ、ゲート端子Ａとゲート端子ＣとをＬｏとする動作制御を行い、フルブリッジ回路２２においてグランド２６側に配置されたスイッチング素子ｂとスイッチング素子ｄとをＯＮ、電源２１側に配置されたスイッチング素子ａとスイッチング素子ｃとがＯＦＦとなるように制御する。

このようにすることで、図１２に、矢印ａと矢印ｃとして示したような、フルブリッジ回路２２のグランド側の素子と受電共振系２３との間でのみ共振電流Ｈが流れる状態となる。本実施形態の送受装置では、検出回路２５でフルブリッジ回路２２のグランド側の２つの素子を流れる電流Ｉと電流Ｊとを把握する構成としているため、図１２に示す矢印ａと矢印ｃの共振電流を、図１３に示す共振電流Ｉ、共振電流Ｊとして把握することができる。

このとき、本実施形態にかかる受電装置２０では、第１の抵抗２５ａを流れる電流Ｉを反転させて第２の抵抗２５ｂを流れる電流Ｊと合成しているため、図１３に示すように、端子Ｍでの電圧値は、通常の受電や同期整流を行っていた時の電圧値の２倍となるものの、その位相、すなわち共振電流が０となるタイミングは同じである。このため、休止状態から受電を再開する場合において、検出回路２５で検出された共振電流のタイミングに応じてフルブリッジ回路２２の各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を、休止状態となる前の動作タイミングで直ちに再開することができる。

なお、フルブリッジ回路を構成する電源側のスイッチング素子を流れる電流値を検出回路で検出する構成としている場合には、駆動制御回路の端子Ａと端子ＣとをＨｉ、端子Ｂと端子ＤとをＬｏとして、受電共振系の共振電流Ｈがフルブリッジ回路２２の電源側を流れるように制御することで、休止状態における共振電流波形を継続して把握でき、休止状態から直ちに受電状態へと復帰することができることは、前述の送電装置の場合と同様である。

図１４に、本実施形態にかかる受電装置において、休止状態に入った後に、受電共振系に残留した電力を送電装置側へと送電する送電モードでの動作をする場合のタイミングチャートを示す。

前述したように、本実施形態で説明する送電装置では、電源１１に二次電池が使用される場合があり、この場合に、送電装置からの送電が停止した後に、受電装置の受電共振系に残っていた電力を送電装置へと送電することで、送電装置の電源１１を構成する二次電池の電力を回復することができる。

図１４に示したように、休止状態ではフルブリッジ回路１２においてグランド２６側の２つのスイッチング素子１２ｂと１２ｄのみをＯＮ状態とするように端子電圧ＢとＤをＨｉ、端子電圧ＡとＣとをＬｏとしていたが、その後、共振電流が「正」の時に、端子電圧ＡとＤをＨｉ、端子電圧ＢとＣとをＬｏ、共振電流が「負」の時に、端子電圧ＢとＣをＨｉ、端子電圧ＡとＤとをＬｏに制御することで、受電装置を送電装置として動作させて、受電装置側から送電装置側への電力の伝送を行うことができる。

図９を用いて説明した送電装置の場合と同様に、本実施形態にかかる受電装置では、フルブリッジ回路の下段の２つのスイッチング素子に流れる電流を反転合成して検出回路の出力としているため、図１４に示すように、受電装置における送電モードの場合でも、共振電圧の検出波形は、受電モードでの同期整流動作時や休止モードの場合と同じである。このため、本実施形態にかかる受電装置では、受電モード、休止モード、送電モードのモード間の切り替えを円滑に行うことができる。

なお、この受電装置における送電モードでの駆動制御回路２４からのフルブリッジ回路２２の各スイッチング素子への動作電圧パルスの制御状態は、前述した送電装置１０でのフルブリッジ回路１２の動作制御と同じとなる。

このように、本実施形態で説明した受電装置では、送電装置として用いられる際に送電共振系への電流の流れを制御するフルブリッジ回路の各スイッチング素子が有するボディダイオードを用いて、受電共振系の受電電流を全波整流して直流電流に変換することができる。

さらに、受電共振系の共振電流の位相に応じてフルブリッジ回路を構成するスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御することで、スイッチング素子のボディダイオード分による電圧降下を回避できる同期整流を行うことができ、高い受電効率での受電を実現することができる。

また、検出回路によって、フルブリッジ回路のスイッチング素子のグランド側の２つのスイッチング素子を流れる電流をそれぞれ検出することで、受電動作を休止させる休止モードでの制御、受電装置から送電装置側へと電力を伝送する送電モードでの制御を、連続した同じ位相の共振電圧波形に基づいて制御する構成を、低コストで実現することができる。

［双方向送受電装置としての利用］
以上説明したように、本実施形態で説明した非接触電力伝送装置は、同じ構成の装置を送電装置としても受電装置としても使用することができるので、一対の装置間での双方向の非接触電力伝送を行うことができる。

例えば、図１５に示すように、２つの非接触電力伝送装置４１と４２とを用いて、家庭に備えられた、例えば太陽光パネル４５によって発電された電力を貯める蓄電池４３から電気自動車に搭載された二次電池４４に電力を伝送することができる。一方、例えば地震などの災害時に電力会社からの送電が停止した場合には、自動車に搭載された二次電池４４を充電した方向とは反対に、装置４２から装置４１側へと電力を伝送して、太陽光パネル４５から供給される電力と併せて、自動車の二次電池４４に蓄えられていた電力を、家庭内の電気機器を動作させる電源として活用することができる。

また、２つの非接触電力装置間での電力の伝送ではなく、３つ、またはそれ以上の非接触電力伝送装置の間での電力伝送を用いる形態としても、本実施形態で説明した非接触電力伝送装置を利用することができる。例えば、潜水艦やヘリコプターなどに搭載される電力伝送装置として本願で開示する非接触電力伝送装置を採用することで、基地では、他の非接触電力伝送装置から電力を受け取る受電装置として動作させ、その後、海底や山頂などの到達することが困難な場所にある機器の動作電源に接続された受電装置に電力を伝送する送電装置として活用することができる。

なお、上記の実施形態では、本願で開示する非接触電力伝送装置について、送電装置として用いられる場合と、受電装置として用いられる場合がある双方向の非接触電力伝送装置として説明した。

しかし、本実施形態で説明した、電源と、フルブリッジ回路と、共振系と、駆動制御回路と、検出回路とを備えた構成は、それぞれ、送電装置単独として、また、受電装置単独としての様々な動作制御を行うことができるという格別な作用効果を奏するものである。

このため、本願で開示する非接触電力伝送装置は、双方向に電力を伝送できる電力伝送装置としてのみではなく、送電のみを行う送電装置として、または、受電のみを行う受電装置として、それぞれ好適に使用することができる。

また、上記実施形態では、送電装置として、自励発振制御、共振電流を増減させる制御、ＰＷＭ制御、休止制御、回復制御という駆動制御回路によって行われるすべての動作制御が行われるものを例示したが、本願で開示する非接触電力伝送装置を送電装置として用いる場合に、これらすべての制御を行うものとする必要は無い。上述した各種の制御の内の、一部のみの動作を行う送電装置として実現できることは言うまでも無い。

同様に、本願で開示する非接触電力伝送装置を受電装置として用いる場合にも、上述した、同期整流制御、休止制御、受電装置からの送信制御のすべての動作制御が行われるものには限られず、これらの動作制御の内の一部のみの動作を行う受電装置として実現することができる。

なお、上記実施形態では、スイッチング回路の例としてＭＯＳＦＥＴをスイッチング素子として用いたフルブリッジ回路を例示して説明を行った。スイッチング回路としては、上述のＭＯＳＦＥＴの他にも、他のトランジスタ素子やＩＧＢＴなど、従来電源回路のスイッチング素子として使用されている各種の素子を用いることができる。

なお、本願で開示する非接触電力伝送装置では、受電装置として受電電流を整流する必要があるため、ＭＯＳＦＥＴのようなボディダイオードを有している素子を用いることが好ましい。例えば、ＩＧＢＴなどのように、ボディダイオードを備えていないスイッチング素子を用いる場合には、スイッチング素子に並列に、グランド側から電源側への方向にのみ電流を流すようにダイオードを追加配置する。また、ＭＯＳＦＥＴをスイッチング素子として用いる場合を含めて、ボディダイオードの抵抗成分が大きい場合には、より抵抗成分の小さなダイオードをスイッチング素子に並列に接続することが、装置の低消費電力化を図る上で好ましい。

また、スイッチング回路としては、上記例示したフルブリッジ回路に限られず、ハーフブリッジ回路を用いることも可能である。ただし、ハーフブリッジ回路を備えた非接触電力伝送装置では、送電装置として用いた場合に、例えば自励発振動作などはそのままで対応可能であるが、ＰＷＭ制御を行うと検出回路で検出される共振電流が半周期分しか得られなくなるため、残りの半周気分の共振電流波形を反転合成して作成するなどの信号処理が必要となる場合がある。また、受電装置として用いた場合には、受電電流の整流が半波整流となるために、フルブリッジ回路をスイッチング回路として全波整流を行う場合と比較すると受電効率が低下する。

なお、複数のスイッチング素子からなるスイッチング回路の回路構成としては、上述したフルブリッジ回路、ハーフブリッジ回路などのいわゆるブリッジ接続構成のものには限られず、複数のスイッチング素子を個別に制御して送電共振系に印加する電流の方向を変更でき、かつ、受電装置として用いた場合に共振電流を整流できる構成であれば、他の回路構成を採用することも可能である。

本開示の電力伝送装置は、送電装置としても受電装置としても使用可能な双方向に電力を伝送できる送受電装置として、または、送電のみを行う送電装置、受電のみを行う受電装置として、簡易な構成でありながら高効率、かつ、安全性の高い電力伝送が可能な非接触電力伝送装置として有用である。

１０ 送電装置
１１ 電源
１２ フルブリッジ回路（スイッチング回路）
１３ 送電共振系（共振系）
１４ 駆動制御回路
１５ 検出回路
２０ 受電装置
２１ 電源
２２ フルブリッジ回路（スイッチング回路）
２３ 受電共振系（共振系）
２４ 駆動制御回路
２５ 検出回路

Claims (11)

1. 非接触での双方向の電力伝送が可能な電力伝送装置であって、
   電源と、
   複数のスイッチング素子からなるフルブリッジ回路で構成され、前記電源とグランドとの間に配置されたスイッチング回路と、
   コイルとコンデンサとが直列または並列に接続された共振系と、
   前記スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する駆動制御回路と、
   前記スイッチング回路を流れる共振電流を検出する検出回路とを備え、
   前記検出回路は、前記フルブリッジ回路のグランド側のスイッチング素子を流れる電流を検出する第１の抵抗と第２の抵抗とを有し、
   前記フルブリッジ回路のグランド側のスイッチング素子を流れる電流から得られた共振電流波形に基づいて、前記駆動制御回路が前記スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御して、送電動作および受電動作のいずれかを選択的に行うことを特徴とする、非接触電力伝送装置。
2. 送電装置として用いられた際に、前記検出回路により検出された前記共振電流波形の位相に合わせて前記スイッチング回路から前記共振系に所定の方向の電流が供給されるように、前記駆動制御回路が各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
3. 送電装置として用いられた際に、前記駆動制御回路が、前記検出回路により検出された前記共振電流波形の位相に合わせて、前記各スイッチング素子に印加される電圧の印加時間幅を変更するＰＷＭ制御を行う、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
4. 送電装置として用いられた際に、前記駆動制御回路が、前記スイッチング回路の前記電源側、または、グランド側のいずれかのスイッチング素子のみをＯＮとして、前記共振系からの電力の伝送を休止する、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
5. 送電装置として用いられた際に、前記駆動制御回路が、前記検出回路により検出された前記共振電流波形の位相に合わせて、前記共振系から前記スイッチング回路に電流が供給されるように各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
6. 受電装置として用いられた際に、前記駆動制御回路が、前記検出回路により検出された前記共振電流波形の位相に基づいて、前記各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御して前記共振系から出力される電流を整流する、請求項１～５のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。
7. 受電装置として用いられた際に、前記駆動制御回路が、前記スイッチング回路の前記電源側、または、グランド側のいずれかのスイッチング素子のみをＯＮとして、前記共振系での受電を休止する、請求項１～５のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。
8. 受電装置として用いられた際に、前記駆動制御回路が、前記検出回路により検出された前記共振電流波形の位相に合わせて、前記スイッチング回路から前記共振系に電流が供給されるように各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作をする、請求項１～５のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。
9. 前記検出回路が、前記スイッチング回路のグランド側に配置されたスイッチング素子を流れる電流を検知する、請求項１～８のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。
10. 非接触で電力を送電する送電装置であって、
    電源と、
    複数のスイッチング素子からなるフルブリッジ回路で構成され、前記電源とグランドとの間に配置されたスイッチング回路と、
    コイルとコンデンサとが直列または並列に接続された送電共振系と、
    前記スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する駆動制御回路と、
    前記スイッチング回路を流れる共振電流を検出する検出回路とを備え、
    前記検出回路は、前記フルブリッジ回路のグランド側のスイッチング素子を流れる電流を検出する第１の抵抗と第２の抵抗とを有し、
    前記フルブリッジ回路のグランド側のスイッチング素子を流れる電流から得られた共振電流波形に基づいて、前記駆動制御回路が前記スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御して送電動作を行うことを特徴とする、送電装置。
11. 非接触で電力を受電する受電装置であって、
    電源と、
    複数のスイッチング素子からなるフルブリッジ回路で構成され、前記電源とグランドとの間に配置されたスイッチング回路と、
    コイルとコンデンサとが直列または並列に接続された受電共振系と、
    前記スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を制御する駆動制御回路と、
    前記スイッチング回路を流れる共振電流を検出する検出回路とを備え、
    前記検出回路は、前記フルブリッジ回路のグランド側のスイッチング素子を流れる電流を検出する第１の抵抗と第２の抵抗とを有し、
    前記フルブリッジ回路のグランド側のスイッチング素子を流れる電流から得られた共振電流波形に基づいて、前記駆動制御回路が前記スイッチング回路を構成する各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御して受電動作を行うことを特徴とする、受電装置。

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