JP7182276B2 - Contactless power supply device - Google Patents

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Description

本発明は、受電装置に対して接触することなく給電する非接触式給電装置に関する。 The present invention relates to a non-contact power supply device that supplies power without contacting a power receiving device.

給電装置から受電装置に対し非接触で給電を行う設備においては、給電装置の一次側コイルと受電装置の二次側コイルの位置ずれが発生すると、伝送電力及び伝送効率が低下することから、一次側コイルと二次側コイルの位置ずれに対する補償が重要である。
この点に関連して、特許文献1には、距離センサを用いてキャパシタ容量を調整するシステムが記載されている。このシステムでは、複数のキャパシタが並列接続されており、各キャパシタに対応するスイッチを切り替えてキャパシタ容量が調整される。本システムは、距離センサ及び多数のキャパシタ及び多数のスイッチの追加を要し、制御精度が距離センサの精度に依存するという点が問題として挙げられる。更に、キャパシタ容量の可変はキャパシタの並列接続の切り替えで行われるため、キャパシタ容量を連続的に変化させることができず、補償の制御精度が低下する傾向があった。
In equipment that supplies power from a power supply device to a power receiving device in a contactless manner, if the primary coil of the power feeding device and the secondary coil of the power receiving device are misaligned, the transmitted power and transmission efficiency will decrease. Compensation for side coil and secondary coil misalignment is important.
In relation to this point, Patent Literature 1 describes a system for adjusting the capacitance of a capacitor using a distance sensor. In this system, a plurality of capacitors are connected in parallel, and the capacitance of each capacitor is adjusted by switching a switch corresponding to each capacitor. The problem is that this system requires the addition of a distance sensor and a large number of capacitors and a large number of switches, and the control accuracy depends on the accuracy of the distance sensor. Furthermore, since the capacitance of the capacitor is varied by switching the parallel connection of the capacitors, the capacitance of the capacitor cannot be varied continuously, and there is a tendency for the accuracy of compensation control to deteriorate.

これに対し、非特許文献1には、4つのパワー半導体素子とキャパシタにより構成されるキャパシタ容量可変回路を採用したシステムが記載されている。このシステムは、距離センサを要さず、更に、一次側コイルと二次側コイルの位置ずれに対してキャパシタ容量を連続的に可変させることができる。 On the other hand, Non-Patent Document 1 describes a system that employs a capacitor capacitance variable circuit configured by four power semiconductor elements and a capacitor. This system does not require a distance sensor, and can continuously vary the capacitance of the capacitor with respect to the positional deviation of the primary and secondary coils.

特許第5010061号公報Japanese Patent No. 5010061

磯部高範、若杉一幸、嶋田隆一、「直列補償装置MERSを用いた非接触給電の高効率化」パワーエレクトロニクス学会誌、Vol.37、pp.81-88(2012)Takanori Isobe, Kazuyuki Wakasugi, Ryuichi Shimada, "Improving Efficiency of Contactless Power Supply Using Series Compensator MERS", Journal of Power Electronics Society, Vol. 37, pp. 81-88 (2012)

しかしながら、非特許文献1に記載のシステムは、4つのパワー半導体素子(スイッチ素子)の追加が必要となるのに加え、キャパシタ容量可変回路が受電装置に設けられるため、受電装置全体の大きさに制約がある等の理由で、受電装置側にキャパシタ容量可変回路を設けられない場合に対応できないという課題があった。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、スイッチ素子の増加を抑制した上でキャパシタ容量を可変する仕組みを具備した非接触式給電装置を提供することを目的とする。
However, the system described in Non-Patent Document 1 requires the addition of four power semiconductor elements (switch elements), and in addition, the capacitor capacity variable circuit is provided in the power receiving device. There is a problem that it is not possible to cope with the case where the power receiving device cannot be provided with a variable capacitor capacitance circuit due to restrictions or other reasons.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a non-contact power feeder equipped with a mechanism for varying the capacitance of a capacitor while suppressing an increase in the number of switch elements.

前記目的に沿う本発明に係る非接触式給電装置は、直流電源部の正側に接続された第1、第3のスイッチ及び前記直流電源部の負側に接続された第2、第4のスイッチを具備するブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の出力側に設けられた共振キャパシタ及び一次コイルとを有して、二次コイルを備える受電装置に非接触で電力供給する非接触式給電装置において、前記直流電源部の正側及び負側にそれぞれ接続されたスイッチA及びスイッチBと、前記スイッチA及び前記スイッチBに一側が接続され、他側が前記共振キャパシタに前記ブリッジ回路を介して接続された補助キャパシタと、前記第1、第2のスイッチの間で、前記補助キャパシタ及び前記ブリッジ回路の接点を基準として前記第1のスイッチ側に設けられたスイッチCと、前記第1、第4のスイッチ及び前記スイッチCをON状態にし、前記第2、第3のスイッチ、前記スイッチA、BをOFF状態にして、前記直流電源部の正側からの電流が、前記第1のスイッチ、前記スイッチC及び前記共振キャパシタ経由で前記一次コイルに与えられる高キャパシタモードと、前記第4のスイッチ及び前記スイッチAをON状態にし、前記第1、第2、第3のスイッチ、前記スイッチB、CをOFF状態にして、前記直流電源部の正側からの電流が、前記スイッチA、前記補助キャパシタ及び前記共振キャパシタ経由で前記一次コイルに与えられる低キャパシタモードとを切り替える制御手段とを備え、前記制御手段は、前記高キャパシタモード及び前記低キャパシタモードの割合を変えて、キャパシタ容量を調整する。 A non-contact power supply device according to the present invention that meets the above object includes first and third switches connected to a positive side of a DC power supply and second and fourth switches connected to a negative side of the DC power supply. A contactless power supply device that includes a bridge circuit having a switch, a resonance capacitor and a primary coil provided on the output side of the bridge circuit, and supplies power in a contactless manner to a power receiving device that includes a secondary coil, A switch A and a switch B respectively connected to the positive side and the negative side of the DC power supply, and one side connected to the switch A and the switch B and the other side connected to the resonance capacitor via the bridge circuit. A switch C provided between the auxiliary capacitor and the first and second switches on the side of the first switch with reference to the contacts of the auxiliary capacitor and the bridge circuit, and the first and fourth switches And the switch C is turned on, the second and third switches and the switches A and B are turned off, and the current from the positive side of the DC power supply unit is supplied to the first switch and the switch C and a high capacitor mode applied to the primary coil via the resonance capacitor, the fourth switch and the switch A are turned on, and the first, second and third switches and the switches B and C are turned off. a low-capacitor mode in which a current from the positive side of the DC power supply is applied to the primary coil via the switch A, the auxiliary capacitor, and the resonance capacitor, and the control means adjusts the capacitance of the capacitor by changing the ratio of the high capacitor mode and the low capacitor mode.

本発明に係る非接触式給電装置は、従来の設備に対し、追加されるスイッチ素子がスイッチA、B、Cであるため、増加するスイッチ素子を3つに抑制できる。そして、制御手段は、第1、第2、第3、第4のスイッチ及びスイッチA、B、CのON状態及びOFF状態の切り替えで高キャパシタモード及び低キャパシタモードの割合を変えて等価的にキャパシタ容量を調整するので、キャパシタ容量を可変する仕組みを具備している。 In the contactless power supply device according to the present invention, since the switch elements added to the conventional equipment are the switches A, B, and C, the number of switch elements can be reduced to three. Then, the control means changes the ratio of the high capacitor mode and the low capacitor mode by switching the first, second, third and fourth switches and the switches A, B and C between ON and OFF states to equivalently Since the capacitance of the capacitor is adjusted, it has a mechanism for varying the capacitance of the capacitor.

本発明の一実施の形態に係る非接触式給電装置の回路図である。1 is a circuit diagram of a non-contact power feeding device according to an embodiment of the present invention; FIG. 高キャパシタモード時に各信号出力部から出力する信号を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing signals output from each signal output section in a high capacitor mode; (A)は接続状態αでの電流経路を示す説明図であり、(B)は接続状態βでの電流経路を示す説明図である。(A) is an explanatory diagram showing current paths in the connection state α, and (B) is an explanatory diagram showing current paths in the connection state β. 低キャパシタモード時に各信号出力部から出力する信号を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing signals output from each signal output section in a low capacitor mode; (A)は接続状態γでの電流経路を示す説明図であり、(B)は接続状態δでの電流経路を示す説明図である。(A) is an explanatory diagram showing current paths in the connection state γ, and (B) is an explanatory diagram showing current paths in the connection state δ. 高キャパシタモード及び低キャパシタモードを1:1の割合にするための各信号出力部からの出力信号を示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram showing output signals from each signal output section for setting a high capacitor mode and a low capacitor mode at a ratio of 1:1; 高キャパシタモード及び低キャパシタモードの割合と二次コイルの出力電圧の関係とをシミュレーションした結果を示すグラフである。7 is a graph showing the result of simulating the relationship between the ratio of high-capacitor mode and low-capacitor mode and the output voltage of the secondary coil. 相互インダクタンスが低下した状況下における静電容量が可変の場合と固定の場合の二次コイルの出力電圧を比較したシミュレーションした結果を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the result of a simulation comparing the output voltage of the secondary coil when the capacitance is variable and when the capacitance is fixed under the condition that the mutual inductance is lowered; FIG.

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図1に示すように、本発明の一実施の形態に係る非接触式給電装置10は、直流電源部15の正側に接続されたスイッチ11(第1のスイッチ)、スイッチ13(第3のスイッチ)及び直流電源部15の負側に接続されたスイッチ12(第2のスイッチ)、スイッチ14(第4のスイッチ)を具備するブリッジ回路16と、ブリッジ回路16の出力側に設けられた共振キャパシタ17及び一次コイル18とを有して、二次コイル19を備える受電装置20に非接触で電力供給する装置である。以下、詳細に説明する。
なお、図1は等価回路であり、非接触式給電装置10及び受電装置20が有線接続されたように記載されているが、実際には非接触式給電装置10及び受電装置20は有線接続されていない。
Next, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings for better understanding of the present invention.
As shown in FIG. 1, a contactless power supply device 10 according to one embodiment of the present invention includes a switch 11 (first switch) and a switch 13 (third switch) connected to the positive side of a DC power supply section 15. switch), a switch 12 (second switch) and a switch 14 (fourth switch) connected to the negative side of the DC power supply unit 15, and a bridge circuit 16 provided on the output side of the bridge circuit 16. It is a device that has a capacitor 17 and a primary coil 18 and supplies power in a non-contact manner to a power receiving device 20 that has a secondary coil 19 . A detailed description will be given below.
Although FIG. 1 is an equivalent circuit and is described as if the non-contact power feeding device 10 and the power receiving device 20 are connected by wire, the non-contact power feeding device 10 and the power receiving device 20 are actually connected by wire. not

非接触式給電装置10は、図1に示すように、直流電源部15と、直流電源部15から直流電圧が印加されるブリッジ回路16と、直列に接続された共振キャパシタ17及び一次コイル18を備えている。
直流電源部15は、図1に記載されているように、直流電源のみで構成することもできるが、これに限定されない。例えば、交流電源と交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換するコンバータとを具備する直流電源部を採用してもよい。本実施の形態では、直流電源部15にキャパシタ21を並列接続して、ブリッジ回路16に印加される交流電圧値の安定化を図っている。
As shown in FIG. 1, the contactless power supply device 10 includes a DC power supply unit 15, a bridge circuit 16 to which a DC voltage is applied from the DC power supply unit 15, and a resonance capacitor 17 and a primary coil 18 connected in series. I have.
The DC power supply unit 15 can be composed only of a DC power supply as shown in FIG. 1, but is not limited to this. For example, a DC power supply unit may be employed that includes an AC power supply and a converter that converts an AC voltage output from the AC power supply into a DC voltage. In the present embodiment, a capacitor 21 is connected in parallel with the DC power supply unit 15 to stabilize the AC voltage value applied to the bridge circuit 16 .

ブリッジ回路16は、スイッチ11、12が直列接続され、スイッチ13、14が直列接続され、スイッチ11、12とスイッチ13、14とが並列に配置されている。スイッチ11、12間には導線22の一端部が連結され、導線22の他端部は共振キャパシタ17の一側に接続されている。
二次コイル19と磁気結合する一次コイル18は共振キャパシタ17の他側に接続されている。
The bridge circuit 16 has the switches 11 and 12 connected in series, the switches 13 and 14 connected in series, and the switches 11 and 12 and the switches 13 and 14 arranged in parallel. One end of a conductor 22 is connected between the switches 11 and 12 and the other end of the conductor 22 is connected to one side of the resonance capacitor 17 .
A primary coil 18 magnetically coupled with the secondary coil 19 is connected to the other side of the resonance capacitor 17 .

直流電源部15の正側及び負側にはスイッチA及びスイッチBがそれぞれ接続されている。スイッチA、Bは直列に接続され、スイッチA、Bの間には、他端部がスイッチ11、12の間(本実施の形態では導線22の一端部)に接続された導線23の一端部が接続されている。導線23には、一側が導線23を介してスイッチA、Bに接続され、他側が導線23及び導線22(ブリッジ回路16)を介して共振キャパシタ17に接続された補助キャパシタ24が設けられている。即ち、共振キャパシタ17及び補助キャパシタ24は直列に接続されている。 A switch A and a switch B are connected to the positive side and the negative side of the DC power supply section 15, respectively. The switches A and B are connected in series, and between the switches A and B is one end of a conductor 23 whose other end is connected between the switches 11 and 12 (one end of the conductor 22 in this embodiment). is connected. The conducting wire 23 is provided with an auxiliary capacitor 24 having one side connected to the switches A and B via the conducting wire 23 and the other side connected to the resonance capacitor 17 via the conducting wire 23 and the conducting wire 22 (bridge circuit 16). . That is, the resonance capacitor 17 and the auxiliary capacitor 24 are connected in series.

ブリッジ回路16のスイッチ11、12の間には、導線23の他端(補助キャパシタ24及びブリッジ回路16の接点に該当)を基準として、スイッチ11側にスイッチCが設けられている。
本実勢の形態では、スイッチ11、12、13、14及びスイッチA、B、Cはそれぞれ、主としてIGBTからなるバルブデバイスとダイオードが並列に接続されたパワー半導体素子である。
Between the switches 11 and 12 of the bridge circuit 16, a switch C is provided on the switch 11 side with the other end of the conductor 23 (corresponding to the contact of the auxiliary capacitor 24 and the bridge circuit 16) as a reference.
In the current state of the art, the switches 11, 12, 13, 14 and the switches A, B, C are power semiconductor elements in which valve devices mainly composed of IGBTs and diodes are connected in parallel, respectively.

スイッチ11、12、13、14及びスイッチA、Bそれぞれのダイオードは直流電源部15の正側に向かって電流が通過するように配置され、スイッチCのダイオードは直流電源部15の正側に向かって電流が通過できないように配置されている。以下、スイッチ11、12、13、14及びスイッチA、B、Cそれぞれについて、バルブデバイスが通電可能な状態にあるときをON状態と言い、バルブデバイスが通電不可能な状態(遮断状態)にあるときをOFF状態と言う。 The diodes of the switches 11, 12, 13, and 14 and the switches A and B are arranged so that the current passes toward the positive side of the DC power supply section 15, and the diode of the switch C is arranged toward the positive side of the DC power supply section 15. are arranged so that no current can pass through them. Hereinafter, for each of the switches 11, 12, 13, 14 and the switches A, B, and C, a state in which the valve device is energized is referred to as an ON state, and a state in which the valve device is not energized (blocked state). The time is called the OFF state.

また、非接触式給電装置10は、スイッチ11、12、13、14及びスイッチA、B、CそれぞれのON状態及びOFF状態を切り替える制御回路(制御手段の一例)25を備えている。制御回路25には、スイッチ11、12、13、14及びスイッチA、B、Cにそれぞれ対応した信号出力部G1、G2、G3、G4、Ga、Gb、Gcが設けられている。スイッチ11は対応する信号出力部G1から1の信号が出力されてON状態となり、0(零)の信号が出力されてOFF状態となる。これは、スイッチ12、13、14及びスイッチA、B、Cとそれぞれに対応する信号出力部G2、G3、G4、Ga、Gb、Gcについても同様である。 The non-contact power supply device 10 also includes a control circuit (an example of control means) 25 for switching ON and OFF states of the switches 11, 12, 13, and 14 and the switches A, B, and C, respectively. The control circuit 25 is provided with signal output sections G1, G2, G3, G4, Ga, Gb, and Gc corresponding to the switches 11, 12, 13, and 14 and the switches A, B, and C, respectively. The switch 11 is turned on when a signal of 1 is output from the corresponding signal output section G1, and turned off when a signal of 0 (zero) is output. The same applies to the switches 12, 13, 14 and the switches A, B, C and the corresponding signal output sections G2, G3, G4, Ga, Gb, Gc.

制御回路25は、スイッチ11、12、13、14及びスイッチA、B、CそれぞれのON状態及びOFF状態の切り替えによって、一次コイル18と共振する対象を共振キャパシタ17のみにするか、共振キャパシタ17及び補助キャパシタ24にするかの選択を行った上で、一次コイル18の電流の向きを切り替えて、一次コイル18及び二次コイル19を結合させ、一次コイル18から二次コイル19へのエネルギー伝送を行う。 The control circuit 25 switches ON and OFF states of the switches 11, 12, 13, and 14 and the switches A, B, and C to set only the resonance capacitor 17 to resonate with the primary coil 18. and the auxiliary capacitor 24, the direction of the current in the primary coil 18 is switched, the primary coil 18 and the secondary coil 19 are coupled, and energy is transmitted from the primary coil 18 to the secondary coil 19. I do.

一次コイル18及び共振キャパシタ17を共振させる場合、制御回路25は、図2に示すように、スイッチ11、14及びスイッチCをON状態にし、スイッチ12、13及びスイッチA、BをOFF状態にする接続状態αと、スイッチ12、13及びスイッチCをON状態にし、スイッチ11、14及びスイッチA、BをOFF状態にする接続状態βとを交互に繰り返す。なお、図2(図4、図6についても同じ)において、横軸は時間軸であり、縦軸は信号出力部G1、G2、G3、G4、Ga、Gb、Gcの信号を意味する。
従って、接続状態α、βでは、スイッチA、BのOFF状態が維持され、スイッチCのON状態が維持される。
When resonating the primary coil 18 and the resonance capacitor 17, the control circuit 25 turns on the switches 11, 14 and the switch C, and turns off the switches 12, 13 and the switches A, B as shown in FIG. The connection state α and the connection state β in which the switches 12, 13 and C are turned ON and the switches 11, 14 and switches A and B are turned OFF are alternately repeated. In FIG. 2 (the same applies to FIGS. 4 and 6), the horizontal axis is the time axis, and the vertical axis means the signals of the signal output sections G1, G2, G3, G4, Ga, Gb, and Gc.
Therefore, in the connection states α and β, the switches A and B are kept OFF, and the switch C is kept ON.

接続状態αでは、図3(A)に示すように、直流電源部15の正側からの電流が、スイッチ11、スイッチC、導線22、共振キャパシタ17を順に経由して一次コイル18の一側に与えられ、一次コイル18の他側からスイッチ14を通過して直流電源部15の負側に送られる。よって、補助キャパシタ24は通電されない。
そして、接続状態αから接続状態βに切り替えると、その切り替え直後、一次コイル18に蓄積されていたエネルギーにより、印加されている電圧とは逆向きの電流が生じる(このとき、共振キャパシタ17は通電され、補助キャパシタ24は通電されない)。
In connection state α, as shown in FIG. , and is sent from the other side of the primary coil 18 to the negative side of the DC power supply section 15 through the switch 14 . Therefore, the auxiliary capacitor 24 is not energized.
Immediately after switching from the connection state α to the connection state β, the energy accumulated in the primary coil 18 generates a current opposite to the applied voltage (at this time, the resonance capacitor 17 is energized). and the auxiliary capacitor 24 is not energized).

その後、接続状態βでは、印加電圧に従った電流となり、図3(B)に示すように、直流電源部15の正側からの電流が、スイッチ13経由で一次コイル18の他側に与えられ、一次コイル18の一側から共振キャパシタ17、導線22及びスイッチ12を順に経由して直流電源部15の負側に送られるようになる。よって、補助キャパシタ24は通電されない。 After that, in the connection state β, the current follows the applied voltage, and as shown in FIG. , from one side of the primary coil 18 to the negative side of the DC power source 15 via the resonance capacitor 17, the lead wire 22 and the switch 12 in order. Therefore, the auxiliary capacitor 24 is not energized.

接続状態βから接続状態αに切り替えた直後で印加電圧とは逆向きの電流が生じている際も、共振キャパシタ17は通電され、補助キャパシタ24は通電されない。
従って、接続状態α、βの切り替えによる共振では、共振キャパシタ17は通電され、補助キャパシタ24は通電されない。よって、共振キャパシタ17及び補助キャパシタ24の静電容量(キャパシタ容量)をそれぞれC1及びCaとして(以下同様とする)、一次コイル18及び共振キャパシタ17は静電容量がC1で共振する。
Immediately after switching from the connection state β to the connection state α, the resonance capacitor 17 is energized and the auxiliary capacitor 24 is not energized even when a current opposite to the applied voltage is generated.
Therefore, in resonance due to switching between the connection states α and β, the resonance capacitor 17 is energized and the auxiliary capacitor 24 is not energized. Therefore, when the capacitances (capacitances) of the resonance capacitor 17 and the auxiliary capacitor 24 are C1 and Ca, respectively (the same applies hereinafter), the primary coil 18 and the resonance capacitor 17 resonate at the capacitance C1.

これに対し、一次コイル18、共振キャパシタ17及び補助キャパシタ24を共振させる場合、制御回路25は、図4に示すように、スイッチ14及びスイッチAをON状態にし、スイッチ11、12、13及びスイッチB、CをOFF状態にする接続状態γと、スイッチ13及びスイッチBをON状態にし、スイッチ11、12、14及びスイッチA、CをOFF状態にする接続状態δとを交互に繰り返す。従って、接続状態γ、δでは、スイッチ11、12及びスイッチCのOFF状態が維持される。 On the other hand, when the primary coil 18, the resonance capacitor 17 and the auxiliary capacitor 24 are to be resonated, the control circuit 25 turns on the switch 14 and switch A, switches 11, 12 and 13 and switch 11, 12, 13 and A connection state γ in which B and C are turned off and a connection state δ in which the switches 13 and B are turned on and the switches 11, 12, 14 and switches A and C are turned off are alternately repeated. Therefore, in the connection states γ and δ, the switches 11 and 12 and the switch C are kept OFF.

接続状態γでは、図5(A)に示すように、直流電源部15の正側からの電流が、スイッチA、補助キャパシタ24(導線23)、導線22及び共振キャパシタ17を順に経由して一次コイル18の一側に与えられ、一次コイル18の他側からスイッチ14を通過して直流電源部15の負側に送られる。
接続状態γから接続状態δに切り替えると、切り替え直後、印加されている電圧とは逆向きの電流が生じる。このとき、共振キャパシタ17及び補助キャパシタ24は通電される。
In the connection state γ, as shown in FIG. 5A, the current from the positive side of the DC power supply section 15 passes through the switch A, the auxiliary capacitor 24 (lead wire 23), the lead wire 22 and the resonant capacitor 17 in this order, and then the primary It is applied to one side of the coil 18 and sent from the other side of the primary coil 18 to the negative side of the DC power supply section 15 through the switch 14 .
When the connection state γ is switched to the connection state δ, a current opposite to the applied voltage is generated immediately after switching. At this time, the resonance capacitor 17 and the auxiliary capacitor 24 are energized.

その後、接続状態δでは、印加電圧に従った電流となり、図5(B)に示すように、直流電源部15の正側からの電流が、スイッチ13経由で一次コイル18に与えられ、一次コイル18から共振キャパシタ17、導線22、補助キャパシタ24(導線23)及びスイッチBを順に経由して直流電源部15の負側に送られるようになる。
接続状態δから接続状態γに切り替えた直後で印加電圧とは逆向きの電流が生じている際も、共振キャパシタ17及び補助キャパシタ24は通電される。
従って、接続状態γ、δの切り替えによる共振では、共振キャパシタ17及び補助キャパシタ24が共に通電され、一次コイル18、共振キャパシタ17及び補助キャパシタ24は、容量がCa×C1/(Ca+C1)、即ち、共振キャパシタ17及び補助キャパシタ24を直列接続した合成容量で共振する。
After that, in the connection state δ, the current follows the applied voltage, and as shown in FIG. 18 to the negative side of the DC power supply unit 15 via the resonance capacitor 17, the lead wire 22, the auxiliary capacitor 24 (lead wire 23) and the switch B in this order.
The resonance capacitor 17 and the auxiliary capacitor 24 are also energized immediately after switching from the connection state δ to the connection state γ when a current opposite to the applied voltage is generated.
Therefore, in the resonance caused by switching the connection states γ and δ, both the resonance capacitor 17 and the auxiliary capacitor 24 are energized, and the capacitance of the primary coil 18, the resonance capacitor 17 and the auxiliary capacitor 24 is Ca×C1/(Ca+C1), that is, It resonates with a combined capacitance obtained by connecting the resonance capacitor 17 and the auxiliary capacitor 24 in series.

本実施の形態では、一次コイル18及び共振キャパシタ17が静電容量C1で共振するモード(接続状態α、βを繰り返すモード)を高キャパシタモードと言い、一次コイル18、共振キャパシタ17及び補助キャパシタ24が静電容量Ca×C1/(Ca+C1)で共振するモード(接続状態γ、δを繰り返すモード)を低キャパシタモードと言う。
低キャパシタモードは高キャパシタモードに比べて静電容量が小さいことから、Q値が大きくなる。一次コイル18及び二次コイル19の間の距離が固定されている状態では、Q値が大きくなるにつれて、受電装置20において二次コイル19の出力電圧(受電装置20の負荷に対する出力電圧)は大きくなる。
In this embodiment, a mode in which the primary coil 18 and the resonance capacitor 17 resonate with the capacitance C1 (a mode in which the connection states α and β are repeated) is called a high-capacitance mode. is called a low-capacitance mode (a mode in which connection states γ and δ are repeated) in which resonates with capacitance Ca×C1/(Ca+C1).
Since the low-capacitor mode has a smaller capacitance than the high-capacitor mode, the Q value is large. When the distance between the primary coil 18 and the secondary coil 19 is fixed, the output voltage of the secondary coil 19 in the power receiving device 20 (the output voltage with respect to the load of the power receiving device 20) increases as the Q value increases. Become.

制御回路25は、高キャパシタモード及び低キャパシタモードの切り替えが可能であり、高キャパシタモード及び低キャパシタモードの割合(時間的な割合、デユーティ)を変えることができる。例えば、図6に示すようにスイッチ11、12、13、14及びスイッチA、BそれぞれのON状態及びOFF状態を切り替えることで、高キャパシタモード及び低キャパシタモードの割合を1:1にすることができる。
そして、制御回路25は、高キャパシタモード及び低キャパシタモードの割合を変えて、非接触式給電装置10側の共振に寄与する静電容量(キャパシタ容量)と共にQ値を連続的に変え、二次コイル19の出力電圧の大きさを調整する。
The control circuit 25 can switch between the high capacitor mode and the low capacitor mode, and can change the ratio (time ratio, duty) of the high capacitor mode and the low capacitor mode. For example, by switching ON and OFF states of switches 11, 12, 13, and 14 and switches A and B as shown in FIG. can.
Then, the control circuit 25 changes the ratio of the high-capacitor mode and the low-capacitor mode to continuously change the Q value together with the electrostatic capacitance (capacitor capacitance) that contributes to the resonance of the non-contact power supply device 10 side, thereby The magnitude of the output voltage of coil 19 is adjusted.

従って、従来の設備に対し、二次コイル19の出力電圧の大きさを調整するために追加される電子部品等は、主として、非接触式給電装置10のスイッチA、B、Cの3つのスイッチと補助キャパシタ24となる。追加されるパワー半導体素子はスイッチA、B、Cの3つと少量であることから、結果として、非接触式給電装置10全体の発熱増加の抑制が可能である。
一方、受電装置20側には、原則、電子部品等の追加は不要である。
なお、受電装置20には、二次コイル19と共振回路を構成する共振キャパシタ28が設けられている。
Therefore, the electronic parts and the like added for adjusting the magnitude of the output voltage of the secondary coil 19 are mainly the three switches A, B, and C of the non-contact power supply device 10. and the auxiliary capacitor 24 . Since the power semiconductor elements to be added are as small as three switches A, B, and C, as a result, it is possible to suppress an increase in heat generation in the non-contact power supply device 10 as a whole.
On the other hand, on the power receiving device 20 side, in principle, no additional electronic components or the like are required.
The power receiving device 20 is provided with a resonance capacitor 28 that forms a resonance circuit together with the secondary coil 19 .

また、制御回路25は、ゼロ交差検波部、位相演算部、PI制御部等を有して構成され、導線22(ブリッジ回路16の出力側)の電流値及び電圧値を検出し、それぞれのゼロクロス点を基にそれぞれの位相情報を得て、電流値及び電圧値の力率が1(同じ位相)となるように制御する。本実施の形態では、一次コイル18に対する二次コイル19の基準位置として、高キャパシタモードで導線22の電流値及び電圧値の力率が1となる位置を設定している。制御回路25は、力率の低下(1より小さくなること)から、二次コイル19が基準位置に配置されていないのを検知可能であり、力率の低下を検出すると、高キャパシタモード及び低キャパシタモードの切り替えを行い、力率が1となるように高キャパシタモード及び低キャパシタモードの割合を調整する。 In addition, the control circuit 25 includes a zero-cross detection section, a phase calculation section, a PI control section, etc., detects the current value and voltage value of the lead wire 22 (output side of the bridge circuit 16), and detects the respective zero crossings. Phase information is obtained based on the points, and the power factors of the current value and the voltage value are controlled to be 1 (same phase). In the present embodiment, the reference position of the secondary coil 19 with respect to the primary coil 18 is set at a position where the power factor of the current value and voltage value of the lead wire 22 is 1 in the high capacitor mode. The control circuit 25 can detect that the secondary coil 19 is not placed at the reference position from the power factor drop (below 1), and when the power factor drop is detected, the high capacitor mode and the low capacitor mode can be detected. The capacitor mode is switched, and the ratio between the high capacitor mode and the low capacitor mode is adjusted so that the power factor becomes unity.

次に、本発明の作用効果を確認するために行った実験について説明する。
第1の実験では、高キャパシタモード及び低キャパシタモードの割合と二次コイルの出力電圧との関係をシミュレーションした。シミュレーション結果を図7にグラフとして示す。
なお、シミュレーションでは、非接触式給電装置の共振キャパシタ及び補助キャパシタの各静電容量を68nFとした。
Next, experiments conducted to confirm the effects of the present invention will be described.
In the first experiment, the relationship between the ratio of high-capacitor mode and low-capacitor mode and the output voltage of the secondary coil was simulated. The simulation results are shown graphically in FIG.
In the simulation, each capacitance of the resonance capacitor and the auxiliary capacitor of the contactless power supply device was set to 68 nF.

図7のグラフは、縦軸がニ次コイルの出力電圧であり、横軸が全体に対する低キャパシタモードの比率(高キャパシタモードのみは0、低キャパシタモードのみは1、高キャパシタモード及び低キャパシタモードが1:1は0.5)を示す。
実験結果より、高キャパシタモード及び低キャパシタモードの割合を変えることで、二次コイルの出力電圧を調整できることが確認できた。
In the graph of FIG. 7, the vertical axis is the output voltage of the secondary coil, and the horizontal axis is the ratio of the low capacitor mode to the whole (0 for high capacitor mode only, 1 for low capacitor mode only, high capacitor mode and low capacitor mode 1:1 indicates 0.5).
From the experimental results, it was confirmed that the output voltage of the secondary coil can be adjusted by changing the ratio of the high capacitor mode and the low capacitor mode.

第2の実験では、二次コイルの出力電圧が実効値で100V(ピーク値は141.4V)の状態から、一次コイルと二次コイルの間隔を広げて相互インダクタンスを50%にした際の二次コイルの出力電圧をシミュレーションした。シミュレーションは、高キャパシタモード及び低キャパシタモードを切り替える場合(キャパシタ接続切替回路有り、実線)と、非接触式給電装置側の共振回路の静電容量が固定の場合(キャパシタ接続切替回路無し、破線)とについて行った。シミュレーション結果を図8にグラフとして示す。 In the second experiment, when the output voltage of the secondary coil was 100 V in terms of effective value (peak value was 141.4 V), the distance between the primary coil and the secondary coil was widened to make the mutual inductance 50%. The output voltage of the next coil was simulated. The simulation is for switching between high-capacitor mode and low-capacitor mode (with a capacitor connection switching circuit, solid line) and for a case where the capacitance of the resonance circuit on the non-contact power supply side is fixed (without a capacitor connection switching circuit, dashed line). I went with The simulation results are shown graphically in FIG.

実験結果より、非接触式給電装置側の共振回路の静電容量が固定の場合、二次コイルの出力電圧の実効値が100Vを大きく下回って、非接触式給電装置の共振キャパシタ及び受電装置の共振キャパシタの補償範囲外となった。これに対し、高キャパシタモード及び低キャパシタモードを切り替える場合、二次コイルの出力電圧の実効値を100Vに保つことができることが確認された。 From the experimental results, when the capacitance of the resonance circuit on the side of the non-contact power supply is fixed, the effective value of the output voltage of the secondary coil is significantly below 100 V, and the resonance capacitor of the non-contact power supply and the power receiving device It is out of the compensation range of the resonant capacitor. On the other hand, it was confirmed that the effective value of the output voltage of the secondary coil could be kept at 100 V when switching between the high capacitor mode and the low capacitor mode.

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、非接触式給電装置側の共振キャパシタは複数であってもよい。
また、第1、第2、第3、第4のスイッチ及びスイッチA、B、Cはそれぞれ、IGBT及びダイオードが並列に接続されたパワー半導体素子に限定されず、例えば、第1、第2、第3、第4のスイッチ及びスイッチA、B、CそれぞれにMOSFETを採用することができる。
そして、制御手段は力率が予め定めた1以外の数値となるような制御を行ってもよいし、力率以外の値を基にした制御を行ってもよい。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and all modifications of conditions that do not deviate from the gist of the present invention are within the scope of the present invention.
For example, a plurality of resonance capacitors may be provided on the side of the contactless power supply device.
Further, the first, second, third and fourth switches and the switches A, B and C are not limited to power semiconductor elements in which IGBTs and diodes are connected in parallel. MOSFETs can be employed for the third and fourth switches and the switches A, B, and C, respectively.
Then, the control means may perform control such that the power factor becomes a predetermined value other than 1, or may perform control based on a value other than the power factor.

10:非接触式給電装置、11、12、13、14:スイッチ、15:直流電源部、16:ブリッジ回路、17:共振キャパシタ、18:一次コイル、19:二次コイル、20:受電装置、21:キャパシタ、22:導線、23:導線、24:補助キャパシタ、25:制御回路、28:共振キャパシタ、A、B、C:スイッチ、G1、G2、G3、G4、Ga、Gb、Gc:信号出力部 10: non-contact power supply device, 11, 12, 13, 14: switch, 15: DC power supply unit, 16: bridge circuit, 17: resonance capacitor, 18: primary coil, 19: secondary coil, 20: power receiving device, 21: capacitor, 22: lead wire, 23: lead wire, 24: auxiliary capacitor, 25: control circuit, 28: resonance capacitor, A, B, C: switch, G1, G2, G3, G4, Ga, Gb, Gc: signal Output section

Claims (2)

直流電源部の正側に接続された第1、第3のスイッチ及び前記直流電源部の負側に接続された第2、第4のスイッチを具備するブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の出力側に設けられた共振キャパシタ及び一次コイルとを有して、二次コイルを備える受電装置に非接触で電力供給する非接触式給電装置において、
前記直流電源部の正側及び負側にそれぞれ接続されたスイッチA及びスイッチBと、
前記スイッチA及び前記スイッチBに一側が接続され、他側が前記共振キャパシタに前記ブリッジ回路を介して接続された補助キャパシタと、
前記第1、第2のスイッチの間で、前記補助キャパシタ及び前記ブリッジ回路の接点を基準として前記第1のスイッチ側に設けられたスイッチCと、
前記第1、第4のスイッチ及び前記スイッチCをON状態にし、前記第2、第3のスイッチ、前記スイッチA、BをOFF状態にして、前記直流電源部の正側からの電流が、前記第1のスイッチ、前記スイッチC及び前記共振キャパシタ経由で前記一次コイルに与えられる高キャパシタモードと、前記第4のスイッチ及び前記スイッチAをON状態にし、前記第1、第2、第3のスイッチ、前記スイッチB、CをOFF状態にして、前記直流電源部の正側からの電流が、前記スイッチA、前記補助キャパシタ及び前記共振キャパシタ経由で前記一次コイルに与えられる低キャパシタモードとを切り替える制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記高キャパシタモード及び前記低キャパシタモードの割合を変えて、キャパシタ容量を調整することを特徴とする非接触式給電装置。
a bridge circuit comprising first and third switches connected to the positive side of the DC power supply and second and fourth switches connected to the negative side of the DC power supply; In a contactless power supply device that has a resonance capacitor and a primary coil provided and that supplies power in a contactless manner to a power receiving device that includes a secondary coil,
a switch A and a switch B respectively connected to the positive side and the negative side of the DC power supply;
an auxiliary capacitor having one side connected to the switch A and the switch B and having the other side connected to the resonance capacitor via the bridge circuit;
a switch C provided between the first and second switches on the side of the first switch with reference to the contacts of the auxiliary capacitor and the bridge circuit;
The first and fourth switches and the switch C are turned on, the second and third switches and the switches A and B are turned off, and the current from the positive side of the DC power supply unit is A high-capacitance mode applied to the primary coil via the first switch, the switch C and the resonant capacitor, the fourth switch and the switch A are turned on, and the first, second and third switches are turned on. and a low capacitor mode in which the current from the positive side of the DC power supply is applied to the primary coil via the switch A, the auxiliary capacitor and the resonance capacitor by turning off the switches B and C. means and
The non-contact power feeding device, wherein the control means adjusts the capacitance of the capacitor by changing the ratio of the high capacitor mode and the low capacitor mode.
請求項1記載の非接触式給電装置において、前記第1、第2、第3、第4のスイッチ及び前記スイッチA、B、Cはそれぞれ、バルブデバイス及びダイオードが並列接続されたパワー半導体素子であることを特徴とする非接触式給電装置。 2. The non-contact power supply device according to claim 1, wherein said first, second, third and fourth switches and said switches A, B and C are power semiconductor elements in which valve devices and diodes are connected in parallel, respectively. A contactless power supply device characterized by:
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