JPH04334975A - 電磁誘導式非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電磁誘導を利用し一次
回路から二次回路に非接触で電力を伝送する装置の二次
側回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】非接触で電力を伝送する装置の二次側の
回路として、従来は図５、図６の回路を使用していた。 図５の回路は、電力送信用コイル４１と、この電力送信
用コイル４１と電磁的に結合されている電力受信用コイ
ル４２と、この電力受信用コイル４２と直列に接続され
、負荷４５に整流電圧を加えるダイオード４３と、負荷
４５と並列に接続されダイオード４３の整流出力を平滑
するコンデンサ４４とで構成されている。そして、電力
受信用コイル４２に誘導される交流電圧をダイオード４
３で半波整流して負荷４５に直流電圧を供給している。

【０００３】また図６の回路の場合は、電力送信用コイ
ル５１と、電力受信用コイル５２と、整流用ダイオード
５４と、平滑用コンデンサ５５と、負荷５６とを図５の
回路と同様に構成し、電力受信用コイル５２の両端にコ
ンデンサ５３を並列接続している。そして、電力受信用
コイル５２とコンデンサ５３とで並列共振回路５０を構
成している。なお、この並列共振周波数は、コイル５１
、５２を介して伝達される交流電圧の周波数と一致させ
ている。

【０００４】以上のように構成される図６の回路の動作
を次に説明する。電力受信用コイル５２に伝送される交
流電圧の周波数は、共振回路の共振周波数と一致してい
るので、並列共振回路には大きな共振電流が流れ、その
ためコンデンサ５３の両端には、電力受信用コイル５２
に誘起する電圧よりはるかに大きい電圧が発生する。そ
して、この交流電圧は、ダイオード５４で半波整流され
、コンデンサ５５で平滑されて直流電圧となり、この直
流電圧が負荷５６に与えられる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上説明した従来の回
路にはそれぞれ次の問題点がある。すなわち、図５の回
路では、電力受信用コイル４２に誘起する電圧を整流用
ダイオード４３で整流するが、電力伝送距離が長くなる
と電力受信用コイル４２に誘起する電圧が小さくなり、
そのため必要な出力電圧が得られなくなるという問題が
ある。また、電力受信用コイル４２に誘起する電圧は十
分であっても、回路に流れる電流は電力受信用コイル４
２の自己インダクタンスによって制限されてしまい、大
電力を負荷に供給できないという問題もある。

【０００６】一方、図６の回路は、電力受信用コイル５
２が並列共振回路５０を構成しているので、電力伝送距
離が長くても、コンデンサ５３の両端電圧が不足すると
いうことはさほど問題にならない。しかし、図６の回路
の場合は、電力伝送距離の長いところで使用する回路を
短い電力伝送距離で使用したときに、コンデンサ５３の
両端に過大な電圧が発生してしまうという問題がある。 そして、このときには共振回路等に過大な電流が流れて
しまい、回路に無駄な発熱が生じるだけでなく、負荷５
６に過大な電圧が供給されてしまうという問題がある。 この対策として、例えばコンデンサ５５と負荷５６の間
に３端子レギュレータを設け、負荷５６の電圧を常に一
定にすることもできる。しかし、それでも無駄な電力消
費の問題は何ら解決されず、特に、不要な電圧を吸収し
ている３端子レギュレータでは、電力損失や発熱のこと
が問題になる。

【０００７】本発明は、以上の問題点を解決するための
ものであって、電力伝送距離に関係なく負荷に一定の電
圧を供給し、しかも、回路中の電力消費が少ない電磁誘
導式非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明に係る電磁誘導式非接触電力伝送装置は、電
磁誘導作用によって交流電力の供給を受けるコイルと、
このコイルと並列に接続され並列共振回路を構成するコ
ンデンサと、この並列共振回路と負荷の間に直列に接続
され、前記並列共振回路の両端電圧を整流し、負荷に直
流電圧を供給する整流素子と、負荷に並列に接続される
平滑コンデンサとからなる電力伝送装置において、前記
共振回路の共振周波数をこの共振回路に入力される交流
電圧の周波数より高くするとともに、この共振回路と並
列にスイッチング素子を設け、前記整流素子に加わる並
列共振回路の電圧が負から正に変わるとき、前記スイッ
チング素子をＯＮ状態にし、負荷の直流電圧の値に対応
した時間が経過した後、前記スイッチング素子をＯＦＦ
状態にする制御回路を設ける構成にしている。

【０００９】

【作用】並列共振回路の両端電圧（コンデンサの両端電
圧）が負から正に変わるとき、制御回路は、スイッチン
グ素子をＯＮ状態にする。すると、並列共振回路のコイ
ルに誘起されている交流電圧は、このとき以降スイッチ
ング素子により短絡されることになる。なお、コンデン
サに流れる電流の位相は、コンデンサの電圧の位相より
９０度進んでいるので、このとき、共振回路には最大値
の電流が流れていたことになる。最大値であったこの電
流は、以降、ＯＮ状態のスイッチング素子に流れるが、
若干の時間の経過後、制御回路がスイッチング素子をＯ
ＦＦ状態に戻すので、スイッチング素子がＯＦＦ状態と
なった後は、コンデンサを充電する電流になる。そのた
め、スイッチング素子がＯＦＦ状態となった後、コンデ
ンサの両端電圧は０ボルトから正に向かって増加するこ
とになる。ところが、その後コンデンサの両端電圧が負
荷側の電圧より高くなると、整流素子が導通するので、
共振回路のコンデンサはそれ以上は充電されず、負荷の
両端の平滑コンデンサを充電することになる。ところで
、スイッチング素子がＯＦＦ状態となった後は、コンデ
ンサとコイルは普通の並列共振回路として働く。従って
、コンデンサの両端電圧は、やがて負荷側の電圧より低
くなり、そのとき整流素子が遮断状態になる。そして、
その後はコンデンサの電荷を放電する方向の電流が流れ
、また、コンデンサの電荷が放電されてしまった後はコ
ンデンサを逆向きに充電する電流となる。つまり、整流
素子が遮断状態になった後、コンデンサの両端電圧は、
正弦波的に振動し正から負に減少し、やがて負から零に
戻り、それ以降は最初に説明した動作と同じことを繰り
返す。

【００１０】次に、負荷側の電圧を一定にする制御回路
の動作を説明する。ここで、例えばコイルの結合が密に
なったためコイルに誘起される電圧が大きくなり、その
ため負荷の電圧が大きくなった場合を考える。このとき
、制御回路は、上記スイッチング素子のＯＮ状態の時間
が長くなるよう制御するので、コンデンサの両端電圧が
零の期間が長くなり、従って、整流素子に加わる電圧は
なかなか大きくならず、負荷の電圧を上げないよう動作
する。逆に負荷の電圧が小さくなった場合は、制御回路
がスイッチング素子のＯＮ状態の時間が短くなるよう制
御するので、コンデンサの両端電圧が零の期間が短くな
り、従って、負荷の電圧は大きくなる。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の一実施例を示す回路ブロック
図である。電力受信用コイル１とコンデンサ２により並
列共振回路３を構成し、このコンデンサ２に並列にスイ
ッチ素子Ｓ１　を接続する。そして、共振回路３と負荷
５の間にはスイッチ素子Ｓ２を接続し、また、負荷５と
並列に平滑用コンデンサ４を接続する。一方、負荷５の
両端電圧は電圧検出回路６に帰還され、電圧検出回路６
の出力はスイッチング制御回路７に加えられ、その出力
がスイッチ素子Ｓ１　、Ｓ２に加わっている。

【００１２】以上のように構成される回路の動作を次に
説明する。スイッチ素子Ｓ１　に加わる電圧（コンデン
サ２の両端電圧）が負から零に変わるとき、スイッチン
グ制御回路７は、スイッチ素子Ｓ１　をＯＮ状態に制御
する（なお、このときスイッチ素子Ｓ１　はＯＦＦ状態
になっている）。すると、スイッチ素子Ｓ１によってコ
イル１が短絡され、これ以降、コイル１の電流はスイッ
チ素子Ｓ１　に流れる。そして、若干の時間が経過する
と、スイッチング制御回路７は、スイッチ素子Ｓ１　を
ＯＦＦ状態に制御する。すると、コンデンサ２はその時
から充電され始めるので、スイッチ素子Ｓ２に加わる電
圧（コンデンサ２の両端電圧）は零から正に向かって増
加する。この電圧がある程度増加したとき、スイッチ素
子Ｓ２がＯＮ状態になるので、その後は、平滑用コンデ
ンサ４が充電される。そして、平滑用コンデンサ４の電
圧が適当な値まで増加したとき、スイッチ素子Ｓ２がＯ
ＦＦ状態になり、それ以降は並列共振回路３が通常の動
作をする。 つまり、コンデンサ２の両端電圧は、正から負に減少し
、負から零へと増加する。そして、コンデンサ２の電圧
が負から零に変わるとき、スイッチング制御回路７は、
スイッチ素子Ｓ１　をＯＮ状態に制御して最初に説明し
た動作に戻る。

【００１３】次に、電圧検出回路６とスイッチング制御
回路７の動作を説明する。電圧検出回路６は、負荷５の
両端電圧と比較基準電圧ＶＲＥＦ　の差に比例した電圧
を出力する。そして、スイッチング制御回路７は、この
電圧検出回路６の出力電圧に比例した時間だけスイッチ
ング素子Ｓ１をＯＮ状態に制御する。従って、負荷５の
両端電圧が高くなるとスイッチング素子Ｓ１のＯＮ状態
が長くなり、そのためスイッチング素子Ｓ２の電圧がな
かなか大きくならないことになる。逆に、負荷５の両端
電圧が低くなるとスイッチング素子Ｓ１のＯＮ状態が短
くなり、そのためスイッチング素子Ｓ２の電圧が素早く
大きくなり、結局、この負帰還作用により負荷５の両端
電圧が常に一定に制御されることになる。

【００１４】図２は本発明の他の実施例を示す回路図で
ある。この回路は、入力共振部２１と主スイッチ部２２
とスイッチング制御部２３と電圧検出部２４と負荷部２
５が直列に接続されて構成されている。入力共振部２１
は電力受信用コイルＬ１とコンデンサＣ１による並列共
振回路である。

【００１５】主スイッチ部２２は、ダイオードＤ１とＦ
ＥＴＱ１と整流用ダイオードＤ２からなり、ダイオード
Ｄ１とＦＥＴＱ１は直列に接続されて並列共振回路に並
列に接続される。また、整流用ダイオードＤ２は並列共
振回路とスイッチング制御部２３の間に接続される。な
お、これ以降、整流用ダイオードＤ２のカソード端子の
接続される線を電源ラインと呼ぶことにする。

【００１６】スイッチング制御部２３は、抵抗Ｒ３とト
ランジスタＱ３のコレクタ端子が直列接続され、電源ラ
インとアース間に接続される。このトランジスタＱ３の
ベース端子には抵抗Ｒ４とトランジスタＱ４のベース端
子が接続され、抵抗Ｒ４は電源ラインに、またトランジ
スタＱ４のエミッタは整流用ダイオードＤ２のアノード
端子に接続される。なお、トランジスタＱ４のコレクタ
端子とベース端子はつながっている。トランジスタＱ３
のコレクタ端子は、ＮＯＴ回路Ｇ２の入力端子に接続さ
れ、ＮＯＴ回路Ｇ２の出力端子は抵抗Ｒ１に接続される
。抵抗Ｒ１の他の端子は、コンデンサＣ２とトランジス
タＱ２のコレクタ端子とＮＯＴ回路Ｇ１の入力端子に接
続される。そして、ＮＯＴ回路Ｇ１の出力端子は、前記
ＦＥＴＱ１のゲート端子に接続される。またコンデンサ
Ｃ２の他の端子はトランジスタＱ２のベース端子と抵抗
Ｒ２に接続され、トランジスタＱ２のエミッタ端子はア
ースに接続される。

【００１７】電圧検出部２４は、ツェナーダイオードＺ
Ｄと抵抗Ｒ５　が直列に接続され、これが電源ラインと
アース間に接続される。またツェナーダイオードＺＤと
抵抗Ｒ５　の接続点は前記抵抗Ｒ２の他の端子に接続さ
れる。負荷部２５は、負荷抵抗ＲＬとこれと並列に接続
される平滑用コンデンサＣ３で構成され、それぞれ電源
ラインとアース間に接続される。

【００１８】図３は図２の回路の各部の電圧波形を示し
たものである。図３の（ａ）は磁束の変化により電力受
信用コイルＬ１に誘導される起電力、図３の（ｂ）はコ
ンデンサＣ１の両端電圧ＶＬ　、図３の（ｃ）はＮＯＴ
回路Ｇ２の出力波形、図３の（ｄ）はＮＯＴ回路Ｇ１の
入力波形、図３の（ｅ）はＮＯＴ回路Ｇ１の出力波形を
それぞれ示している。

【００１９】次に、図３のＴ０からＴ７の各区間につい
て回路の動作を説明する。なお、図のＴ０からＴ１まで
、及びＴ４からＴ７までは共振回路の動作をするが、こ
のときの回路動作を、コイルとコンデンサの間でエネル
ギーの授受で説明することがある。すなわち、Ｔ０から
Ｔ１（Ｔ６からＴ７）までの期間、およびＴ４からＴ５
までの期間はコイルにエネルギーが蓄えられる期間であ
り（言い換えるとコンデンサの電荷が放電されている期
間）、Ｔ５からＴ６までの期間は、コイルが蓄えていた
エネルギーを放出している期間（コンデンサが充電され
ている期間）である。

【００２０】Ｔ０からＴ１までの期間は、共振回路の電
圧ＶＬ　が負であるのでトランジスタＱ４のベース電位
も負であり、従ってトランジスタＱ３はＯＦＦ状態であ
り、Ｑ３のコレクタ、つまりＮＯＴ回路Ｇ２の入力電圧
はＨレベル、そしてＮＯＴ回路Ｇ２の出力電圧（図３の
ｃ参照）とＮＯＴ回路Ｇ１の入力電圧（図３のｄ参照）
はともにＬレベルである。そのため、ＮＯＴ回路Ｇ１の
出力電圧はＨレベルとなり（図３のｅ参照）、ＦＥＴＱ
１はＯＮ状態となる。しかし、共振回路の電圧ＶＬ　が
負であるのでダイオードＤ１はＯＦＦ状態のままであり
、コンデンサＣ１とコイルＬ１は共振回路の動作を続け
、コイルＬ１にエネルギーが蓄えられるモードで動作す
る。

【００２１】次にＴ１で共振回路の電圧ＶＬ　が図のレ
ベルまで増加すると、その正の電圧によりダイオードＤ
１がＯＮ状態となる。このとき共振回路は、コイルＬ１
に蓄えられたエネルギーをコンデンサＣ１に放出しよう
とするタイミングであるが、上述のようにダイオードＤ
１とＦＥＴＱ１がＯＮ状態になるので、以降、ダイオー
ドＤ１とＦＥＴＱ１に電流が流れる。ところで、Ｔ１に
おけるレベルまで共振回路の電圧ＶＬ　が増加するとト
ランジスタＱ４もベース電位も上がるのでトランジスタ
Ｑ３がＯＮ状態になり、ＮＯＴ回路Ｇ２の入力電圧がＬ
レベル、ＮＯＴ回路Ｇ２の出力電圧がＨレベルになる（
図３のｃ参照）。しかし、ＮＯＴ回路Ｇ２とＮＯＴ回路
Ｇ１の間には抵抗Ｒ１とコンデンサＣ２とトランジスタ
Ｑ２によるミラー積分回路があるので、ＮＯＴ回路Ｇ１
の入力電圧は、すぐにはＨレベルにならず図５の（ｄ）
のように増加してゆく。つまり、ＮＯＴ回路Ｇ２の出力
電圧はＨレベルになるが、ＮＯＴ回路Ｇ１の入力端子に
Ｈレベルの電圧が加わるには若干の時間がかかり（図３
のｄのＴ１からＴ２の区間τを参照）、ＮＯＴ回路Ｇ１
の出力電圧はＨレベルのままであり（図３のｅ参照）従
って、コイルＬ１はダイオードＤ１とＦＥＴＱ１で短絡
されたままである。

【００２２】その後、Ｔ２でＮＯＴ回路Ｇ１の入力電圧
が、スレシホールドレベルを越えてＨレベルになると（
図３のｄ参照）、ＮＯＴ回路Ｇ１の出力電圧がＬレベル
になり（図３のｅ参照）、ＦＥＴＱ１はＯＦＦ状態にな
る。すると、コンデンサＣ１とコイルＬ１は並列共振回
路として働き、コンデンサＣ１に電流が流れ込み、コン
デンサＣ１の両端電圧が増加する。尚、この区間は、コ
イルＬ１に蓄えられていたエネルギーをコンデンサＣ１
に与えるモードである。

【００２３】そして、Ｔ３になると、負荷の電圧Ｖ０よ
り共振回路の電圧ＶＬ　の方が高くなるのでダイオード
Ｄ２がＯＮ状態になり以降、負荷側の平滑コンデンサＣ
３に電流が流れることになる。その後、並列共振回路の
動作により共振回路の電圧ＶＬ　が減少してくると、ダ
イオードＤ２がＯＦＦ状態になり、以降はコンデンサＣ
１とコイルＬ１は並列共振回路の動作をする。すなわち
、Ｔ４からＴ５まではコンデンサＣ１が電荷を放電し、
コイルＬ１にエネルギーが蓄えられる状態であり、Ｔ５
からＴ６まではコイルＬ１に蓄えられたエネルギーがコ
ンデンサＣ１に放出される状態である。ところで、Ｔ５
になると共振回路の電圧ＶＬ　が零になるのでトランジ
スタＱ３がＯＦＦ状態になりＮＯＴ回路Ｇ２の入力電圧
はＨレベル、またその出力電圧はＬレベルになり（図３
のｃ参照）、従って、ＮＯＴ回路Ｇ１の入力電圧はＬレ
ベル（図３のｄ参照）、またその出力電圧はＨレベルに
なり（図３のｅ参照）ＦＥＴＱ１はＯＮ状態になる。た
だし、共振回路の電圧ＶＬ　が負であるのでダイオード
Ｄ１はＯＦＦである。

【００２４】以降、Ｔ６の状態になるが、このＴ６は前
述のＴ０と同じ状態であり、上記した動作を繰り返すこ
とになる。次に負荷の電圧が一定に制御される動作を説
明する。負荷の電圧Ｖ０は、ツェナーダイオードＺＤと
抵抗Ｒ５にも加わっている。そして、ツェナーダイオー
ドＺＤの両端電圧は負荷の電圧Ｖ０に拘らず一定である
から基準電圧の役目をし、もし負荷の電圧Ｖ０が上がれ
ば、抵抗Ｒ５の両端電圧が上がる。この抵抗Ｒ５の両端
電圧は抵抗Ｒ２を介してトランジスタＱ２に帰還されて
いる。そのため、ＮＯＴ回路Ｇ２がＨレベルのときを考
えると、抵抗Ｒ５の両端電圧が上がった分だけトランジ
スタＱ２のコレクタ電流が増加し、コンデンサＣ２の電
圧の増加の仕方が鈍ることになる。すなわち、負荷の電
圧Ｖ０が上がるとＮＯＴ回路の入力電圧はなかなかＨレ
ベルにならず、その分だけダイオードＤ１とＦＥＴＱ１
のＯＮ状態の時間が長くなり図５の（ｂ）のＴ１からＴ
２までの区間τが長くなる。

【００２５】以上の関係を説明したのが図４であり、コ
イルに誘起される電圧が異なる場合（Ｖ１　＜Ｖ２　＜
Ｖ３　）、ＶＬ　の波形がどう変わるかを示している。 図４に示すように、コイルに誘起される電圧が大きい程
、スイッチング素子のＯＮ状態の時間が長くなり（τ１
　＜τ２　＜τ３　）、つまりコンデンサの両端電圧が
０ボルトの期間が長くなり、負荷の電圧が一定値Ｖ０　
に制御される。なお、破線で示すのは、スイッチング素
子が全くＯＮ状態にならなかった場合（つまり、従来例
の図７の回路と同じ動作をしてτ＝０場合）のコンデン
サの両端電圧であり、コイルの誘起電圧に比例して出力
電圧が変化している。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る電磁誘
導式非接触電力伝送装置では、電力伝送距離に関係なく
、また負荷や一次側励磁レベル等の変動にかかわらず負
荷に一定の直流電圧を供給できる。また、スイッチング
素子に電流が流れているときその両端電圧が低いので電
力損失が少なく、近距離から長距離まで効率のよい電力
の伝送ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック図である。

【図２】本発明の別の一実施例を示す回路図である。

【図３】図３に示す回路の各部の動作波形である。

【図４】図２の回路において入力電圧が変化した場合、
コンデンサＣ１の両端電圧がどう変化するかを示した図
形である。

【図５】従来例の電力伝送装置を示す回路図である。

【図６】従来例の別の電力伝送装置を示す回路図である
。

【符号の説明】 １　　　　　　電力受信コイル ２　　　　　　コンデンサ ３　　　　　　並列共振回路 ４　　　　　　平滑コンデンサ ５　　　　　　負荷 ６　　　　　　電圧検出回路 ７　　　　　　スイッチング制御回路 Ｓ１　　　　スイッチング素子 Ｓ２　　　　整流用スイッチング素子 ＶＲＥＦ　　　比較基準電圧 φ　　　　　　一次側からの磁束

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電磁誘導作用によって交流電力の供給を受
   けるコイルと、このコイルと並列に接続され並列共振回
   路を構成するコンデンサと、この並列共振回路と負荷の
   間に直列に接続され、前記並列共振回路の両端電圧を整
   流し、負荷に直流電圧を供給する整流素子と、負荷に並
   列に接続される平滑コンデンサとからなる電力伝送装置
   において、前記共振回路の共振周波数をこの共振回路に
   入力される交流電圧の周波数より高くするとともに、こ
   の共振回路と並列にスイッチング素子を設け、前記整流
   素子に加わる並列共振回路の電圧が負から正に変わると
   き、前記スイッチング素子をＯＮ状態にし、負荷の直流
   電圧の値に対応した時間が経過した後、前記スイッチン
   グ素子をＯＦＦ状態にする制御回路を設けることを特徴
   とする電磁誘導式非接触電力伝送装置。