JP7356900B2 - 共振発振回路及び非接触給電システム - Google Patents
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Description
(課題2)充電池の残量によって負荷が変動し、その結果、充電回路の出力電圧、出力電流等の出力特性が変動する。これにより、充電池の充電プロファイルを満たすための回路設計や制御が複雑になる。
第1のLC共振回路と増幅素子を含み、出力電圧の位相を所定の位相差で移相して前記増幅素子に帰還することで発振する第1の発振器と、
前記増幅素子をスイッチング素子として用いかつ前記第1の発振器を帰還回路として用いて、前記出力電圧と同一の周波数でかつ前記出力電圧の位相を前記位相差で移相して前記増幅素子を駆動するゲート信号を発生して前記増幅素子の入力端子に帰還することにより発振する第2の発振器とを備え、
前記位相差は、前記出力電圧が印加される第1のLC共振回路のインダクタンス及び負荷に実質的に依存しない値である、
ことを特徴とする。
上述のように、課題1を解決するためには、例えば送電装置のスイッチング周波数fswが共振周波数frに一致するように制御し、かつ充電回路の出力電圧、出力電流等の出力特性が変動しないように制御する必要がある。また、課題2を解決するためには、充電回路の出力電圧、出力電流等の出力特性が変動しないように、例えば送電装置の電圧又はデューティ比を制御する必要がある。
図5は、非特許文献1に開示された比較例に係るE級発振器90の構成例を示す回路図であり、図6は図5のE級発振器90の動作を示す各電圧の波形図である。
図1は実施形態1に係る非接触給電システムの構成例を示すブロック図である。
(1)送電LC共振回路13と増幅素子であるMOSトランジスタQ1を含み、出力電圧の位相を所定の位相差で移相してMOSトランジスタQ1に帰還することで発振するコルピッツ型発振器32と、
(2)MOSトランジスタQ1をスイッチング素子として用いかつ前記コルピッツ型発振器32を帰還回路として用いて、出力電圧Voと同一の周波数でかつ出力電圧Voの位相を前記位相差で移相してMOSトランジスタQ1を駆動するゲート信号Vgsのゲート電圧Vfを発生してMOSトランジスタQ1の入力端子であるゲートに帰還することにより発振するE-1級発振器33と、
(3)入力電圧VIに基づいて、MOSトランジスタQ1をゲート信号Vgsによりスイッチング可能な、所定の直流バイアス電圧を発生してMOSトランジスタQ1のゲートに印加する直流バイアス回路31を備え、
(4)前記位相差は出力電圧Voが印加される負荷抵抗RLに実質的に依存しないように設定される値であり、図7Aの共振発振回路12-1では180度である。なお、負荷非依存を達成するための位相差が180度以外については、詳細後述する。
(5)送電LC共振回路(以下、LC共振回路という。)13は、インダクタLo及びキャパシタC1の直列回路と、キャパシタC2との並列回路で構成される。なお、インダクタLoは受電装置200の受電LC共振回路21のインダクタに電磁的に結合される。
(1)C1,C2は共振キャパシタである。
(2)CBは検出電圧の直流成分をカットしてゲート電圧Vfを生成するためのカップリングキャパシタである。すなわち、分圧抵抗Rd1,Rd2以外のインピーダンスが直流バイアス回路31に見えてこないようにすることで、ゲート信号のゲート電圧Vfは入力電圧VIと抵抗分圧回路から常に一定の電圧を生成する。
(3)Loは自己インダクタ又は送受電コイル間の励磁インダクタである。
(1)直流バイアス回路31を備えず、電源電圧VDD(外部電圧等であってもよい)はMOSトランジスタQ1のゲートに印加される。なお、MOSトランジスタQ1を駆動するゲート信号Vgsのゲート電圧Vfは、インダクタLoとキャパシタC1との接続点からMOSトランジスタQ1の入力端子であるゲートに帰還される。
(2)入力電圧VIはインダクタLc,L1を介してMOSトランジスタQ1のドレインに印加される。
を一定で固定することができる。これにより、上記の課題1及び2を解決することができる。
図2は実施形態2に係る非接触給電システムの構成例を示すブロック図である。図2の実施形態2に係る非接触給電システムは、図1の実施形態1に係る非接触給電システムに比較して以下の点が異なる。
(1)受電装置200に代えて受電装置200Aを備える。
(2)受電装置200Aは受電装置200に比較して、DC/DCコンバータ23を備えない。従って、整流回路22からの直流電圧は負荷24に出力される。また、受電制御部20はDC/DCコンバータ23を制御する必要がなくなる。
図3は実施形態3に係る非接触給電システムの構成例を示すブロック図である。図3の実施形態3に係る非接触給電システムは、図1の実施形態1に係る非接触給電システムに比較して以下の点が異なる。
(1)送電装置100に代えて送電装置100Aを備える。
(2)送電装置100Aは送電装置100に比較して、PFC回路11に代えて整流回路14を備え、PFC制御部10及び無線通信回路15を備えない。整流回路14は交流電源からの交流電圧を直流電圧に整流して共振発振回路12に出力する。
(3)受電装置200に代えて受電装置200Bを備える。
(4)受電装置200Bは受電装置200に比較して、無線通信回路25を備えない。ここで、受電制御部20は負荷24への負荷情報に基づいて、DC/DCコンバータ23の動作のみを制御する。
図4は実施形態4に係る非接触給電システムの構成例を示すブロック図である。図4の実施形態4に係る非接触給電システムは、図1の実施形態1に係る非接触給電システムに比較して以下の点が異なる。
(1)送電装置100に代えて実施形態3と同様の送電装置100Aを備える。
(2)受電装置200に代えて受電装置200Cを備える。
(3)受電装置200Cは受電装置200に比較して、DC/DCコンバータ23、受電制御部20及び無線通信回路25を備えない。従って、整流回路22からの直流電圧は負荷24に出力される。
図12は実施例2に係る共振発振回路12-2の構成例を示す回路図である。図12の実施例2に係る共振発振回路12-2は、図7Aの実施例1に係る共振発振回路12-1に比較して以下の点が異なる。
(1)コルピッツ型発振器32に代えてハートレー型発振器32Aを備える。以下、当該相違点について詳述する。
図13は実施例3に係る共振発振回路12-3の構成例を示す回路図である。図13の実施例3に係る共振発振回路12-3は、図7Aの実施例1に係る共振発振回路12-1に比較して以下の点が異なる。
(1)コルピッツ型発振器32に代えて反結合型発振器32Bを備える。以下、当該相違点について詳述する。
(1)LC共振回路13と増幅素子であるMOSトランジスタQ1を含み、出力電圧の位相を所定の位相差で移相してMOSトランジスタQ1に帰還することで発振する反結合型発振器32Bと、
(2)MOSトランジスタQ1をスイッチング素子として用いかつ前記反結合型発振器32Bを帰還回路として用いて、出力電圧Voと同一の周波数でかつ出力電圧Voの位相を前記位相差で移相してMOSトランジスタQ1を駆動するゲート信号Vgsのゲート電圧Vfを発生してMOSトランジスタQ1の入力端子であるゲートに帰還することにより発振するE-1級発振器33と、
(3)入力電圧VIに基づいて、MOSトランジスタQ1をゲート信号Vgsによりスイッチング可能な、所定の直流バイアス電圧を発生してMOSトランジスタQ1のゲートに印加する直流バイアス回路31を備え、
(4)前記位相差は出力電圧Voが印加される負荷抵抗RLに実質的に依存しないように設定される値であり、図13の共振発振回路12-3では180度である。
(5)LC共振回路13は、インダクタLo及びキャパシタC1の直列回路と、インダクタLoに反結合されたインダクタLtとを備えて構成される。ここで、インダクタLo,Ltにより反結合型トランス34を構成する。なお、インダクタLoは受電装置200の受電LC共振回路21のインダクタに電磁的に結合される。
図15は実施例4に係る共振発振回路12-4の構成例を示す回路図である。実施例4に係る共振発振回路12-4は、図7Aの実施例1に係る共振発振回路12-1に比較して以下の点が異なる。
(1)E-1級発振器33に代えてE級発振器33Aを備える。すなわち、共振発振回路12-4は、E級発振器33Aと、コルピッツ型発振器32と、直流バイアス回路31とを備えて構成されたことを特徴とする。以下、当該相違点について説明する。
図16は実施例5に係る共振発振回路12-5の構成例を示す回路図である。実施例5に係る共振発振回路12-5は、図12の実施例2に係る共振発振回路12-2に比較して以下の点が異なる。
(1)E-1級発振器33に代えてE級発振器33Aを備える。すなわち、共振発振回路12-5は、E級発振器33Aと、ハートレー型発振器32Aと、直流バイアス回路31とを備えて構成されたことを特徴とする。以下、当該相違点について説明する。
図17は実施例6に係る共振発振回路12-6の構成例を示す回路図である。実施例6に係る共振発振回路12-6は、図13の実施例3に係る共振発振回路12-3に比較して以下の点が異なる。
(1)E-1級発振器33に代えてE級発振器33Aを備える。すなわち、共振発振回路12-6は、E級発振器33Aと、反結合型発振器32Bと、直流バイアス回路31とを備えて構成されたことを特徴とする。以下、当該相違点について説明する。
図18は変形例1に係る共振発振回路12Aの構成例を示すブロック図であり、図19は図18の定電流出力回路16の構成例を示す回路図である。図18に示すように、上記の各実施形態に係る共振発振回路12は、送電LC共振回路13の前段に、入力電圧に基づいて、負荷抵抗RLの変動にかかわらず一定の出力電流で出力する定電流出力回路16を備えた共振発振回路12Aであってもよい。
図20は変形例2に係るDC/DCコンバータ23の構成例を示すブロック図である。図20に示すように、DC/DCコンバータ23の後段であって、負荷24との間に、図19の定電流出力回路16を備えてもよい。従って、変形例2に係る定電流出力回路16を用いることで、負荷24が変動しても、負荷24に出力する出力電流を所定の一定値に制御することができる。
以上の実施形態及び変形例においては、2つの発振器を組み合わせて出力電圧Voを反転した信号をゲート信号Vgsとして用いて発振する共振発振回路12等を構成しているが、本発明はこれに限らず、2つの発振器を組み合わせて出力電圧Voを所定の位相差だけ移相した信号をゲート信号Vgsとして用いて発振する共振発振回路12,12-1,12-1A,12-2~12-6(以下、共振発振回路12等という。)を、以下のように構成してもよい。
(1)共振発振回路とゲート信号Vgsのデューティ比の条件から出力電圧Vo(又は出力電流Io)の次式を求め、その式において位相差φ及び負荷抵抗RL、もしくは負荷抵抗RLを一義的に決定する項が含まれている。
送電LC共振回路13及び受電LC共振回路21については、以上の例示のLC共振回路に代えて、少なくとも以下の構成であってもよい。
(1)送電装置100、100Aの送電LC共振回路13は、少なくとも1個のインダクタと、少なくとも1個のキャパシタとを備えて構成されてもよい。すなわち、送電LC共振回路13は、1個の又は複数のインダクタと、1個又は複数個のキャパシタとを備え、これらを直列、並列、直並列に接続して構成されてもよい。
(2)受電装置200、200A,200B,200Cの受電LC共振回路21は、少なくとも1個のインダクタと、少なくとも1個のキャパシタとを備えて構成されてもよい。すなわち、受電LC共振回路21は、1個の又は複数のインダクタと、1個又は複数個のキャパシタとを備え、これらを直列、並列、直並列に接続して構成されてもよい。
以上説明したように、本実施形態及び変形例によれば、送電装置のLC共振回路に本発明回路を適用することで、出力特性を制御するための一部分(例えばインバータ回路のスイッチング周波数fswを制御する部分や、受電装置のDC/DCコンバータなど)を削減することが可能であるという特有の効果を有する。
11 力率改善回路(PFC回路)
12,12A,12-1~12-6,12-1A 共振発振回路
13 送電LC共振回路(LC共振回路)
14 整流回路
15 無線通信回路
15A アンテナ
16 定電流出力回路
17 オペアンプ
20 受電制御部
21 受電LC共振回路(LC共振回路)
22 整流回路
23 DC/DCコンバータ
24 負荷
25 無線通信回路
25A アンテナ
31,31A 直流バイアス回路
32 コルピッツ型発振器
32A ハートレー型発振器
32B 反結合型発振器
33 E-1級発振器
33A E級発振器
34 反結合型トランス
90,91 E-1級発振器
92 並列共振フィルタ
100,100A 送電装置
200,200A,200B,200C 受電装置
C1~C2,Cc,CB,Cn1,Cn2 キャパシタ
L0~L2,Lc,L1a,LF インダクタ
Q1~Q2 MOSトランジスタ
Rd1,Rd2 分圧抵抗
Rg 抵抗
RL 負荷抵抗
Claims (14)
- 第1のLC共振回路と増幅素子を含み、出力電圧の位相を所定の位相差で移相して前記増幅素子に帰還することで発振する第1の発振器と、
前記増幅素子をスイッチング素子として用いかつ前記第1の発振器を帰還回路として用いて、前記出力電圧と同一の周波数でかつ前記出力電圧の位相を前記位相差で移相して前記増幅素子を駆動するゲート信号を発生して前記増幅素子の入力端子に帰還することにより発振する第2の発振器とを備え、
前記位相差は、前記出力電圧が印加される第1のLC共振回路のインダクタンス及び負荷に実質的に依存しない値である、
共振発振回路。 - 入力電圧、回路電圧又は外部電圧に基づいて、前記増幅素子を前記ゲート信号によりスイッチング可能な、所定の電圧を発生して前記増幅素子の入力端子に印加する回路をさらに備える、
請求項1記載の共振発振回路。 - 前記増幅素子は、スイッチング素子である、
請求項1又は2に記載の共振発振回路。 - 前記ゲート信号は、前記スイッチング素子をオン又はオフする2値信号である、
請求項3に記載の共振発振回路。 - 前記第1の発振器は、コルピッツ型発振器と、ハートレー型発振器と、反結合型発振器とのうちのいずれかである、
請求項1~4のうちのいずれか1つに記載の共振発振回路。 - 前記第2の発振器は、E-1級発振器と、E級発振器とのうちのいずれかである、
請求項1~5のうちのいずれか1つに記載の共振発振回路。 - 前記第1のLC共振回路の前段に設けられ、前記発振されて入力される入力電圧に基づいて、前記共振発振回路の出力電流が一定の電流になるように制御する定電流出力回路をさらに備える、
請求項1~6のうちのいずれか1つに記載の共振発振回路。 - 請求項1~7のうちのいずれか1つに記載の共振発振回路を備える送電装置と、
受電装置と、
を備える非接触給電システムであって、
前記受電装置は、
前記第1のLC共振回路と結合し、前記第1のLC共振回路からの交流電力を受電する第2のLC共振回路と、
前記第2のLC共振回路で受電された交流電力を直流電圧に整流して所定の負荷に出力する第1の整流回路と、
を備え、
前記位相差は、前記出力電圧が印加される第1及び第2のLC共振回路のインダクタンス及び負荷に実質的に依存しない値である、
非接触給電システム。 - 前記受電装置はさらに、
前記第1の整流回路と前記負荷との間に挿入され、前記第1の整流回路からの直流電圧を所定の直流電圧に変換するDC/DCコンバータを備える、
請求項8記載の非接触給電システム。 - 前記DC/DCコンバータは、
当該DC/DCコンバータの後段に設けられ、前記変換された直流電圧に基づいて、一定の出力電流を前記負荷に出力する定電流出力回路をさらに備える、
請求項9に記載の非接触給電システム。 - 前記送電装置はさらに、
前記共振発振回路の前段に設けられ、所定の交流電圧を直流電圧に整流して前記共振発振回路に出力する第2の整流回路を備える、
請求項8~10のうちのいずれか1つに記載の非接触給電システム。 - 前記受電装置はさらに、
前記受電装置の出力電圧と出力電流のうちの少なくとも1つを制御するために必要な制御情報を検出して無線送信する受電制御部を備え、
前記送電装置はさらに、
前記共振発振回路の前段に設けられ、所定の交流電圧に基づいて出力電圧の波形を整形することにより力率を改善する力率改善回路と、
前記無線送信された制御情報を無線受信して、前記制御情報に基づいて前記力率改善回路の動作を制御する力率改善回路制御部とを備える、請求項8に記載の非接触給電システム。 - 前記受電装置はさらに、
前記第1の整流回路と前記負荷との間に挿入され、前記第1の整流回路からの直流電圧を所定の直流電圧に変換するDC/DCコンバータを備える、
請求項12記載の非接触給電システム。 - 前記DC/DCコンバータは、
当該DC/DCコンバータの後段に設けられ、前記変換された直流電圧に基づいて、一定の出力電流を前記負荷に出力する定電流出力回路をさらに備える、
請求項13に記載の非接触給電システム。
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