JP7269858B2 - 同期整流制御装置及び受電装置 - Google Patents

Description

本発明は、整流回路を同期制御する同期整流制御装置及び受電装置に関するものである。

近年、電気自動車などにおいて、ワイヤレス電力伝送の研究が行われている（例えば、非特許文献１参照）。図３を参照して、従来の一般的なワイヤレス電力伝送システムについて説明する。

送電装置２０は、コンデンサ２及びリアクトル３からなる直列共振回路と、該直列共振回路の共振周波数の交流電圧を出力する交流電圧源１と、を備える。

受電側は、コンデンサ５及びリアクトル４からなる直列共振回路と、ダイオードが逆並列に接続されたスイッチング素子６１～６４で構成された整流回路６０と、整流回路６０に並列に接続された平滑コンデンサ７と、電流センサ９と、極性判別器１０と、位相同期回路（ＰＬＬ）１１と、ゲート信号生成回路１２と、を備える。コンデンサ５及びリアクトル４からなる直列共振回路以外は、受電装置（受電箱）２１に納められる。負荷８は、平滑コンデンサ７と並列に接続される。

コンデンサ５及びリアクトル４からなる直列共振回路の共振周波数は、送電装置２０の直列共振回路の共振周波数と略一致している。極性判別器１０は、コンデンサ５の電流を検出する電流センサ９の出力の極性を判別した２値（１及び０）の信号を出力する。位相同期回路１１は極性判別器１０の出力に同期した２値（０及び１）の信号を出力する。

ゲート信号生成回路１２は、位相同期回路１１の出力が一方の値の時には、スイッチング素子６１，６４をオンさせ、且つスイッチング素子６２，６３をオフさせ、位相同期回路１１の出力が他方の値の時には、スイッチング素子６２，６３をオンさせ、且つスイッチング素子６１，６４をオフさせるゲート信号を出力する。この回路構成により、スイッチング素子６１，６４の逆並列のダイオードがオンする方向の電流が流れている時には、スイッチング素子６１，６４をオンさせ、逆方向の電流が流れている時には、スイッチング素子６２，６３をオンさせることができる。一般にダイオードよりもスイッチング素子の電圧降下が低いので電流はダイオードにはほとんど流れずにスイッチング素子を流れるようになり、素子に電流が流れることによる損失を低減できる。

竹内琢磨、外３名、「走行中ワイヤレス電力伝送を適用したワイヤレスインホイールモータのシステム制御に関する基礎研究」、半導体電力変換・モータドライブ 合同研究会資料、一般社団法人 電気学会、２０１７年１月２７日

しかし、図３に示した従来のワイヤレス電力伝送システムでは、コンデンサ５の電流に含まれる高調波の影響により、位相同期回路１１の出力がコンデンサ５の電流の基本波の極性を正確に表すことが困難であった。そのため、整流回路６０の各スイッチング素子を電流極性に同期してスイッチングさせることができず、スイッチング損失が大きくなったり、整流動作ができなくなったりすることがあった。また、電流センサ９には検出遅れがあるため、コンデンサ５に流れる電流の周波数が高くなると電流を遅れて検出してしまい、それによって整流回路６０の各スイッチング素子を電流極性に同期してスイッチングさせることができなくなる。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、整流回路を高精度に同期制御することが可能な同期整流制御装置及び受電装置を提供することにある。

一実施形態に係る同期整流制御装置は、整流回路を制御する同期整流制御装置であって、前記整流回路は、複数のスイッチング素子により、複数のコンデンサ及びリアクトルからなる直列共振回路の電流を整流して直流に変換する回路であり、前記複数のコンデンサの中で前記整流回路に接続されているコンデンサの電圧の極性を判別する電圧極性判別器と、前記電圧極性判別器の出力に位相同期した信号を出力する位相同期回路と、前記位相同期回路の出力から位相を９０度遅らせた信号を出力する位相遅延回路と、前記位相遅延回路の出力に応じて前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御するゲート信号を出力するゲート信号生成回路と、を備える。

一実施形態に係る受電装置は、複数のスイッチング素子により、複数のコンデンサ及びリアクトルからなる直列共振回路の電流を整流して直流に変換する整流回路と、前記複数のコンデンサの中で前記整流回路に接続されているコンデンサの電圧の極性を判別する電圧極性判別器と、前記電圧極性判別器の出力に位相同期した信号を出力する位相同期回路と、前記位相同期回路の出力から位相を９０度遅らせた信号を出力する位相遅延回路と、前記位相遅延回路の出力に応じて前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御するゲート信号を出力するゲート信号生成回路と、を備える。

本発明によれば、整流回路を高精度に同期制御することが可能となる。

第１の実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムを示す回路図である。 第２の実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムを示す回路図である。 従来のワイヤレス電力伝送システムを示す回路図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１を参照して、第１の実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムについて説明する。送電装置２０は、図３と同様であるため、説明を省略する。

受電側は、コンデンサ５及びリアクトル４からなる直列共振回路と、ダイオードが逆並列に接続されたスイッチング素子６１～６４で構成された整流回路６０と、整流回路６０に並列に接続された平滑コンデンサ７と、電圧極性判別器１４と、位相同期回路（ＰＬＬ）１１と、位相遅延回路１３と、ゲート信号生成回路１２と、を備える。このうちリアクトル４以外は、受電装置（受電箱）２２に納められる。また、コンデンサ５と、電圧極性判別器１４と、位相同期回路１１と、位相遅延回路１３と、ゲート信号生成回路１２とにより、同期整流制御装置７１を構成する。すなわち、受電装置２２は、同期整流制御装置７１と、整流回路６０と、平滑コンデンサ７と、を備える。

負荷８は、平滑コンデンサ７と並列に接続される。

コンデンサ５及びリアクトル４からなる直列共振回路の共振周波数は、送電装置２０の直列共振回路の共振周波数と略一致している。

整流回路６０は、複数のスイッチング素子６１～６４により、コンデンサ５及びリアクトル４からなる直列共振回路の電流を整流して直流に変換する。

電圧極性判別器１４は、コンデンサ５の電圧の極性を検出した２値（１及び０）の信号を位相同期回路１１に出力する。

位相同期回路１１は、電圧極性判別器１４の出力に位相同期した２値（０及び１）の信号を位相遅延回路１３に出力する。

位相遅延回路１３は、位相同期回路１１の出力から位相を９０度遅らせた２値の信号をゲート信号生成回路１２に出力する。コンデンサ電圧とコンデンサ電流との位相差は９０度であるので、位相遅延回路１３により位相差を補正することができ、コンデンサ５の電圧の極性から、直列共振回路の電流の極性を推定することができる。

ゲート信号生成回路１２は、位相遅延回路１３の出力に応じて、スイッチング素子６１～６４のスイッチングを制御するゲート信号Ｇ１～Ｇ４をそれぞれスイッチング素子６１～６４に出力する。具体的には、ゲート信号生成回路１２は、位相遅延回路１３の出力が一方の値の時には、スイッチング素子６１，６４をオンさせ、且つスイッチング素子６２，６３をオフさせ、位相遅延回路１３の出力が他方の値の時には、スイッチング素子６２，６３をオンさせ、且つスイッチング素子６１，６４をオフさせるゲート信号を出力する。この回路構成により、スイッチング素子６１，６４の逆並列のダイオードがオンする方向の電流が流れている時には、スイッチング素子６１，６４をオンさせ、逆方向の電流が流れている時には、スイッチング素子６２，６３をオンさせることができる。

図３に示した従来のワイヤレス電力伝送システムと比較して、第１の実施形態では、同期整流制御装置７１は、コンデンサ５に流れる電流の極性を判別するのではなく、電圧極性判別器１４によりコンデンサ５の電圧の極性を判別する。コンデンサ電圧はコンデンサ電流を積分したものなので、コンデンサ電圧の高調波成分はコンデンサ電流の高調波成分よりも小さくなる。そのため、高調波の影響を低減でき、直列共振回路の電流の極性を正確に推定することが可能となる。また、電流の極性判別には、電流センサ９、及び電圧コンパレータで構成される極性判別器１０の２つの部品が必要であるが、同期整流制御装置７１は、電圧コンパレータで構成される電圧極性判別器１４のみにより電圧の極性を判別する。そのため、極性の検出遅れを低減することが可能となる。したがって、同期整流制御装置７１により、整流回路６０を高精度に同期制御でき、スイッチング損失の増加を抑制でき確実な整流動作が可能となる。

（第２の実施形態）
次に、図２を参照して、第２の実施形態に係るワイヤレス電力伝送システムについて説明する。図１を参照して説明した第１の実施形態と同様の構成については、同じ符号を付して適宜説明を省略する。

第２の実施形態では、受電側は、複数のコンデンサ５１，５２及びリアクトル４からなる直列共振回路と、ダイオードが逆並列に接続されたスイッチング素子６１～６４で構成された整流回路６０と、整流回路６０に並列に接続された平滑コンデンサ７と、電圧極性判別器１４と、位相同期回路（ＰＬＬ）１１と、位相遅延回路１３と、ゲート信号生成回路１２と、を備える。このうちリアクトル４とコンデンサ５１以外は、受電装置（受電箱）２３に納められる。また、コンデンサ５２と、電圧極性判別器１４と、位相同期回路１１と、位相遅延回路１３と、ゲート信号生成回路１２とにより、同期整流制御装置７２を構成する。すなわち、受電装置２３は、同期整流制御装置７２と、整流回路６０と、平滑コンデンサ７と、を備える。

複数のコンデンサ５１，５２及びリアクトル４からなる直列共振回路の共振周波数は、送電装置２０の共振周波数と略一致する。

整流回路６０は、複数のスイッチング素子６１～６４により、複数のコンデンサ５１，５２及びリアクトル４からなる直列共振回路の電流を整流して直流に変換する。

電圧極性判別器１４は、複数のコンデンサ５１，５２の中で整流回路６０に接続されているコンデンサ５２の電圧の極性を判別して、２値（１及び０）の信号を位相同期回路１１に出力する。

位相同期回路１１は、電圧極性判別器１４の出力に位相同期した２値（０及び１）の信号を位相遅延回路１３に出力する。

位相遅延回路１３は、位相同期回路１１の出力から位相を９０度遅らせた２値の信号をゲート信号生成回路１２に出力する。コンデンサ電圧とコンデンサ電流との位相差は９０度であるので、位相遅延回路１３により、位相差を補正することができ、コンデンサ５２の電圧の極性から、直列共振回路の電流の極性を推定することができる。

ゲート信号生成回路１２は、位相遅延回路１３の出力に応じて、スイッチング素子６１～６４のスイッチングを制御するゲート信号をスイッチング素子６１～６４に出力する。具体的には、ゲート信号生成回路１２は、位相遅延回路１３の出力が一方の値の時には、スイッチング素子６１，６４をオンさせ、且つスイッチング素子６２，６３をオフさせ、位相遅延回路１３の出力が他方の値の時には、スイッチング素子６２，６３をオンさせ、且つスイッチング素子６１，６４をオフさせるゲート信号を出力する。

図１を参照して説明した第１の実施形態では、コンデンサ５の電圧極性を判別する必要があるため、コンデンサ５が受電装置２２に収納される。共振によりリアクトル４とコンデンサ５との接続点の電圧は非常に高くなり、その箇所が受電装置２２の境界部分となる。そのため、前記接続点と受電装置２２との間に高い絶縁耐圧を施す必要があり、その結果、受電装置２２が大きくなる。

その点、第２の実施形態では、図１に示したコンデンサ５を複数の直列接続されたコンデンサに分割し、その中の１つを受電装置２３内に納める。コンデンサ５１の静電容量よりもコンデンサ５２の静電容量を大きくすることで、コンデンサ５１とコンデンサ５２との接続部の電圧を低く抑えることができる。そのため、コンデンサ５２を受電装置２３の中に納めても、その接続部と受電装置２３との絶縁耐圧を低くすることができる。したがって、第２の実施形態では、第１の実施形態の効果に加えて、受電装置２３を小型化することが可能となる。

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形又は変更が可能である。

例えば、第２の実施形態では、受電側の直列共振回路のコンデンサの数を２つとしているが、該コンデンサの数は３つ以上であってもよい。例えば、受電側の直列共振回路のコンデンサの数がｎ個である場合、整流回路６０に接続された１個のコンデンサのみが受電装置２３に納められる。

１ 交流電圧源
２，５，５１，５２ コンデンサ
３，４ リアクトル
７ 平滑コンデンサ
８ 負荷
９ 電流センサ
１１ 位相同期回路
１２ ゲート信号生成回路
１３ 位相遅延回路
１４ 電圧極性判別器
２０ 送電装置
２２，２３ 受電装置
６０ 整流回路
６１，６２，６３，６４ スイッチング素子
７１，７２ 同期整流制御装置

Claims (2)

1. 整流回路を制御する同期整流制御装置であって、
   前記整流回路は、複数のスイッチング素子により、複数のコンデンサ及びリアクトルからなる直列共振回路の電流を整流して直流に変換する回路であり、
   前記複数のコンデンサの中で前記整流回路に接続されているコンデンサの電圧の極性を判別する電圧極性判別器と、
   前記電圧極性判別器の出力に位相同期した信号を出力する位相同期回路と、
   前記位相同期回路の出力から位相を９０度遅らせた信号を出力する位相遅延回路と、
   前記位相遅延回路の出力に応じて前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御するゲート信号を出力するゲート信号生成回路と、
   を備えることを特徴とする同期整流制御装置。
2. 複数のスイッチング素子により、複数のコンデンサ及びリアクトルからなる直列共振回路の電流を整流して直流に変換する整流回路と、
   前記複数のコンデンサの中で前記整流回路に接続されているコンデンサの電圧の極性を判別する電圧極性判別器と、
   前記電圧極性判別器の出力に位相同期した信号を出力する位相同期回路と、
   前記位相同期回路の出力から位相を９０度遅らせた信号を出力する位相遅延回路と、
   前記位相遅延回路の出力に応じて前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御するゲート信号を出力するゲート信号生成回路と、
   を備えることを特徴とする受電装置。

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