JP7067174B2 - 共振整合回路 - Google Patents
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Description
非特許文献1には、電圧形インバータ回路、電流形インバータ回路は共振回路と組み合わされて、電圧形インバータ回路の共振回路としては直列共振回路が好ましく、電流形インバータ回路の共振回路としては並列共振回路が好ましいことが記載されている。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、並列共振回路と接続した場合にも電圧形インバータ回路の伝送効率を低下させることがない、共振整合回路に関する。
図1は、本実施形態の共振整合回路が適用された給電システム100を説明するための図である。ただし、図1に示した給電システム100は、負荷7を含むものではない。
給電システム100は、共振整合回路1と、整合ユニット3と、電界結合部101と、負荷整合回路102と、を有している。このような構成のうち、インバータ回路10及び整合ユニット3が本実施形態の共振整合回路1を構成する。
電界結合部101及び負荷整合回路102は、共振整合回路1と負荷7との間にあって、共振整合回路1から負荷7へ給電する部位である。電界結合部101は互いに直列に接続された容量素子111、112を含んでいる。また、負荷整合回路102は、容量素子111、112と共にLC回路を構成する一次コイル113、一次コイル113とトランス装置を構成する二次コイル114及び二次コイル114と共にLC回路を構成する容量素子115を含んでいる。
以下、上記構成を順に説明する。
図1、図2に示すように、本実施形態の共振整合回路1は、インバータ回路10を有している。インバータ回路10は、図示しない電源から直流電圧(Vin)を入力し、これをパルス電流に変換して出力する。パルス電流の生成の制御は電圧信号のオン、オフによって行われる。インバータ回路10は、電圧源として機能する電圧スイッチ・電流共振形のインバータ回路である。
並列トランス装置30は、一次コイル31(第一の一次コイル)、二次コイル32を有している。一次コイル31に電流が流れると磁界が発生し、二次コイル32に相互誘導によって起電力が発生する。一次コイル31、二次コイル32は、高誘電率の芯材33に巻き回されていて、この巻数の比に応じて電圧を昇圧する。また、並列トランス装置40は、一次コイル41(第二の一次コイル)、二次コイル42を有している。一次コイル41に電流が流れると磁界が発生し、二次コイル42に相互誘導によって起電力が発生する。一次コイル41、二次コイル42は、高誘電率の芯材43に巻き回されていて、この巻数の比に応じて電圧を昇圧する。
このような並列トランス装置30、40は、整合ユニット3において高い電圧を維持する必要がある。本実施形態は、耐圧性の観点から、並列トランス装置を並列トランス装置30、40の二系統にしている。
また、本実施形態は、図2に示すように、一次コイル31、一次コイル41との間に調整用コイル35が設けられている。調整用コイル35は、直列コンデンサである第一容量素子21、第二容量素子22及び一次コイル31、41を含む共振回路Aの共振周波数を、二次コイル32、42と二次コイル32、42に並列な並列コンデンサ5を含む共振回路Bの共振周波数に応じて調整するコイルである。
なお、ここで調整用コイル35が共振周波数を「調整」するとは、調整用コイル35を含む場合と、調整用コイル35を含まない場合とで共振回路Aの共振周波数が相違することを指す。本実施形態では、インバータ回路10の効率が高まるように共振回路Aの共振周波数を調整している。
インバータ回路10を進み位相で動作させる場合、共振整合回路1の共振回路Aの共振周波数を目標周波数よりもわずかに低く設計し、共振回路Bの共振周波数を目標周波数よりもわずかに高く設計する。このような設計は、例えば、一次コイル31と一次コイル41との間に調整用コイル35を設けることによって実現できる。
本実施形態の調整用コイル35によれば、例えば、目標共振周波数2MHzに対し、共振回路Aの共振周波数を1.95MHzから1.97MHzとすることができる。このとき、共振回路Bの共振周波数は2.01MHz程度にすることが好ましい。
次に、本実施形態の共振整合回路1の動作を説明する。
図2に示す共振整合回路1において、インバータ回路10は図示しない直流電源から直流電圧を入力する。インバータ回路10は、入力された直流電圧を矩形波のパルス電流に変換する。パルス電流への変換は、パルス電流の周波数が共振回路Aの共振周波数と一致するように行われる。
パルス電流は、整合ユニット3のタイミング調整回路20に入力される。このとき、タイミング調整回路20では、第一容量素子21、第二容量素子22がインバータ回路10から供給される電流によって充放電を繰り返していて、充電中には電圧が高まり、放電中に電圧が下がっている。このことにより、インバータ回路10は、パルス電流の出力タイミング(オンタイミング)を第一容量素子21、第二容量素子22の放電時(充電開始直前)に合わせることによって0クロス動作し、スイッチングノイズや突入電流の発生を抑え、効率的に動作することができるようになる。
並列トランス装置30、40によって昇圧された電圧は、負荷7に非接触で供給される。
本発明の発明者は、共振整合回路1に示した給電システム100を用い、低負荷時と高負荷時の伝送効率を確認する実験を行った。以下、実験の結果を説明する。
表1は、過負荷時における給電システム100の伝送効率を示す表である。表2は、無負荷時における給電システム100の伝送効率を示す表である。
表1、表2において、「周波数」はインバータ回路10が出力するパルス電流の周波数F(MHz)である。「インバータ回路入力」は、図示しない直流電源からインバータ回路10に入力される電圧DCV(V)及び電流DCI(A)である。出力電力Pout(W)は、給電システム100から出力される電力、入力電力Pin(W)は、給電システム100に入力される電力である。
(1)電界結合方式で電力を供給する給電システムに使用される共振整合回路であって、電圧源として機能するインバータ回路と、前記インバータ回路に並列に接続されて前記インバータ回路から供給された電流を伝送する並列トランス装置と、前記インバータ回路と前記並列トランス装置との間にあって、前記インバータ回路が供給したパルス電流の入力タイミングを調整するタイミング調整回路と、を含む、共振整合回路。
(2)前記タイミング調整回路は、前記インバータ回路に対し、直列に接続される直列容量素子を含む、(1)の共振整合回路。
(3)前記並列トランス装置が一次コイルと二次コイルとを含み、前記直列容量素子及び前記一次コイルを含む第一回路の共振周波数を、前記二次コイルと前記二次コイルに並列な並列コンデンサを含む第二回路の共振周波数に応じて調整する調整用コイルをさらに含む、(2)の共振整合回路。
(4)前記調整用コイルは、前記インバータ回路の電流の位相が、前記インバータ回路の電圧の位相より進んだ状態になるように前記第一回路の共振周波数を調整する、(3)の共振整合回路。
(5)前記インバータ回路が電力を出力する第一端子及び第二端子を備え、前記タイミング調整回路は、前記第一端子に直列に接続される第一容量素子及び前記第二端子に直列に接続される第二容量素子を前記直列容量素子として備え、前記並列トランス装置は、前記第一容量素子に直列に接続される第一の前記一次コイルと、当該第一の一次コイルと前記第二容量素子との間にあって前記第一の一次コイル及び前記第二容量素子と直列に接続される第二の前記一次コイルと、を備える、(3)または(4)の共振整合回路。
(6)前記調整用コイルは、前記第一容量素子と前記第一の一次コイルとの間、前記第一の一次コイルと前記第二の一次コイルとの間、及び前記第二の一次コイルと前記第二容量素子との間の少なくとも一つに設けられる、(5)の共振整合回路。
3・・・整合ユニット
5・・・並列コンデンサ
7・・・負荷
10・・・インバータ回路
11・・・第一端子
12・・・第二端子
20・・・タイミング調整回路
21・・・第一容量素子
22・・・第二容量素子
30、40・・・並列トランス装置
31、41、113・・・一次コイル
32、42、114・・・二次コイル
33、43、44・・・芯材
35・・・調整用コイル
100・・・給電システム
101・・・電界結合部
102・・・負荷整合回路
111、112、115・・・容量素子
Claims (4)
- 電界結合方式で電力を供給する給電システムに使用される共振整合回路であって、
電圧源として機能するインバータ回路と、
前記インバータ回路に並列に接続されて前記インバータ回路から供給された電流を伝送する並列トランス装置と、
前記インバータ回路と前記並列トランス装置との間にあって、前記インバータ回路が供給したパルス電流の入力タイミングを調整するタイミング調整回路と、
調整用コイルと、
を備え、
前記タイミング調整回路は、前記インバータ回路に対し直列に接続される直列容量素子を含み、
前記並列トランス装置は一次コイル及び二次コイルを含み、
前記調整用コイルは、前記直列容量素子及び前記一次コイルを含む第一回路の共振周波数を、前記二次コイルと前記二次コイルに並列な並列コンデンサを含む第二回路の共振周波数に応じて調整する、
共振整合回路。 - 前記調整用コイルは、前記インバータ回路の電流の位相が、前記インバータ回路の電圧の位相より進んだ状態になるように前記第一回路の共振周波数を調整する、
請求項1に記載の共振整合回路。 - 前記インバータ回路は、電力を出力する第一端子及び第二端子を備え、
前記タイミング調整回路は、前記第一端子に直列に接続される第一容量素子及び前記第二端子に直列に接続される第二容量素子を前記直列容量素子として備え、
前記並列トランス装置は、前記第一容量素子に直列に接続される第一の前記一次コイルと、当該第一の一次コイルと前記第二容量素子との間にあって前記第一の一次コイル及び前記第二容量素子と直列に接続される第二の前記一次コイルと、を備える、
請求項1又は2に記載の共振整合回路。 - 前記調整用コイルは、前記第一容量素子と前記第一の一次コイルとの間、前記第一の一次コイルと前記第二の一次コイルとの間、及び前記第二の一次コイルと前記第二容量素子との間の少なくとも一つに設けられる、
請求項3に記載の共振整合回路。
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