JPH07337035A - 高周波電力の非接触給電装置 - Google Patents

高周波電力の非接触給電装置

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JPH07337035A
JPH07337035A JP6147053A JP14705394A JPH07337035A JP H07337035 A JPH07337035 A JP H07337035A JP 6147053 A JP6147053 A JP 6147053A JP 14705394 A JP14705394 A JP 14705394A JP H07337035 A JPH07337035 A JP H07337035A
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    • H02M7/53832—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a self-oscillating arrangement in a push-pull arrangement

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 回路構成が簡単で高効率な高周波電力の非接
触給電装置を実現する。 【構成】 ダイオード１１と１２、コンデンサ１３，１
４，１５，１６および抵抗１７より成る倍電圧全波整流
回路、抵抗とダイオードより成る並列回路を介して可飽
和変圧器の２次巻線３と４をゲート巻線とするＦＥＴ６
と７より成るロイヤー発振回路、抵抗８とコンデンサ１
０、ダイオード１８と２０より成る起動用ゲートバイア
ス安定回路、主変圧器の１次巻線１の両端に抵抗９を介
して並列接続した１次巻線２と２つの２次巻線３と４を
備えた発振用可飽和変圧器、この可飽和変圧器の巻線を
介してロイヤー発振回路の発振する高周波電力を出力す
る１次巻線を備えた主変圧器とによって構成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、自励発振回路により生
成した高周波電力を非接触で給電するものであって、電
気自動車用の非接触充電器、心臓のペースメーカー用充
電器、誘導加熱調理器等に使用される高周波電力の非接
触給電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】電気自動車の主たる動力源としては各種
の蓄電池が使用されており、高出力化、小型軽量化、長
寿命化等について鋭意研究開発が進められている。電気
自動車を広く普及させるためには１回の充電による走行
可能距離、充電所要時間の短縮化、充電装置の設置場所
の確保等について解決すべき問題点も多く、目下のとこ
ろは特定目的をもって特定地域において限定的に使用さ
れている。また、心臓のペースメーカー用の電池も小型
で長寿命のものが実現しているが、１次電池であるので
寿命がつきる前に取り換えなくてはならない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】電気自動車を高速で長
距離走行させるためには多数の蓄電池が必要であり、こ
れらの蓄電池群を充電させるためには適当容量の充電装
置を設置しておく必要がある。ガソリン車に比べて走行
距離の短い電気自動車を普及させるためには、高効率で
経済性に優れ、取扱い操作が簡単な充電装置の開発が望
まれていた。また、ペースメーカー用の電池交換のため
には手術を必要とするので入院治療しなくてはならず、
苦痛を与えるばかりでなく日常生活にも制限を与えるこ
とになる。本発明は上述した問題点を解決するためにな
されたものであって、発生した高周波電力を非接触で給
電することのできる高効率の高周波電力の非接触給電装
置を提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ための、本発明による高周波出力の非接触給電装置は、
２つのダイオードと４つのコンデンサおよび挿入抵抗に
よって構成した倍電圧全波整流回路と、主変圧器の１次
巻線１に抵抗を介して並列接続した１次巻線２、２組の
２次巻線３と４によって構成した発振用可飽和変圧器
と、抵抗とダイオードより成る並列回路を介して前記可
飽和変圧器の２次巻線と接続したゲート回路をそれぞれ
備えたＦＥＴ６とＦＥＴ７におけるそれぞれのソース端
子とドレイン端子を直列接続して構成したロイヤー発振
回路と、抵抗とコンデンサの直列回路および２つのダイ
オードより成る前記ロイヤー発振回路用の起動ゲートバ
イアス安定回路と、前記倍電圧全波整流回路の平滑回路
における２つのコンデンサの中点とＦＥＴ６と７の接続
点間に挿入した１次巻線１を備え、可飽和変圧器の１次
巻線２を介してロイヤー発振回路により生成された高周
波電力を１次巻線１から出力させる主変圧器とによって
構成した。また、主変圧器に３次巻線５を設け、この巻
線の両端に抵抗を介して可飽和変圧器の１次巻線２と並
列接続し、主変圧器の電圧を可飽和変圧器に加えた高周
波電力の非接触給電装置も本発明に含まれる。
【０００５】
【作用】ロイヤー発振回路から生成される高周波電力の
発振周波数ｆは次式によって表わせる。 ｆ＝Ｅi ／４ＮΦ ……… （１） （１）式において、Ｅi は入力電源電圧、Ｎは可飽和変
圧器の１次巻線のターン数、Φは可飽和変圧器を構成す
る磁心の飽和磁束を表わす。ＦＥＴを使用したロイヤー
発振回路において生成された（１）式によってきまる高
周波電力は可飽和変圧器の２つの２次巻線３と４を介し
て１次巻線２に伝達され、さらに、この１次巻線２から
主変圧器の１次巻線１を介して高周波電力が非接触で出
力される。
【０００６】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。図１は本発明による高周波電力の非接触給電
装置の１実施例の回路構成を示すブロック図である。図
１において、ダイオード１１と１２、コンデンサ１３と
１４とによって構成した通常の倍電圧全波整流回路の平
滑回路に２つのコンデンサ１５と１６より成る直列回路
が並列接続してあり、コンデンサ１３と１４の中点とコ
ンデンサ１５と１６の中点抵抗１７が挿入されている。
入力電源は商用周波数の交流１００Ｖであって、この倍
電圧全波整流回路の出力端子には±１４０Ｖの直流電圧
が現れる。整流した正負それぞれの電圧のピーク値は、
商用電源の周波数の半周期ごとにピークの時期がずれる
ので、２つのダイオードと２つのコンデンサによってハ
ーフブリッジ回路を構成すると、出力変圧器の高周波交
流電圧に商用周波数の半周期おきに正負の電圧の差（直
流成分）が発生して変圧器が飽和することがある。これ
を防止するために、一旦２つのダイオードと２つのコン
デンサによって倍電圧を得た後で、さらに２つのコンデ
ンサを並列接続して半分の電圧に分圧している。また、
ロイヤー発振回路のような自励発振回路の場合には、起
動時、重負荷時、動作条件急変時などにハーフブリッジ
回路を構成する２つのコンデンサの中点の電圧が一方に
偏って発振が停止することがある。これを防ぐための抵
抗１７が最初の倍電圧全波整流回路用の２つのコンデン
サ１３と１４の中点と後のハーフブリッジ回路を構成す
る２つのコンデンサ１５と１６の中点に接続されてい
る。平常時は、２点間の電圧はほぼ等しいので抵抗１７
には殆ど電流は流れないが、ハーフブリッジ用の２つの
コンデンサの中点の電圧が何らかの原因でどちらかに偏
るとこの抵抗１７に電流が流れ、２つのコンデンサの電
圧が均等になるように動作する。正常な動作に戻った後
は抵抗１７には再び殆ど電流は流れなくなる。
【０００７】倍電圧全波整流回路の平滑回路における２
つのコンデンサ１５と１６の中点と、ロイヤー発振回路
を構成するＦＥＴ６のソース端子とＦＥＴ７のドレイン
端子との接続点との間に主変圧器の１次巻線１が接続し
てある。この１次巻線１の両端には抵抗９を介して可飽
和変圧器の１次巻線２が並列接続してあり、また可飽和
変圧器の２次巻線３と４はロイヤー発振回路を構成する
ＦＥＴ６と７のゲート巻線を構成している。ロイヤー発
振回路において生成された高周波電力は主変圧器の１次
巻線から出力される。主変圧器の２次側は必要電圧に応
じて出力巻線を用いるが、電磁調理器として利用する場
合は鉄または鉄合金製の鍋を用いる。可飽和変圧器はロ
イヤー発振回路の発振用に使用されるものであるから、
ＦＥＴ６と７のゲート巻線となる２つの２次巻線３と４
を備えており、ＦＥＴのドライブが正帰還となるように
それぞれの巻線の極性をきめている。
【０００８】ロイヤー発振回路を構成する２つのＦＥＴ
６と７はそれぞれのソース端子とドレイン端子を接続し
てあり、ＦＥＴ６のドレイン端子とＦＥＴ７のソース端
子は倍電圧全波整流回路の出力端子に並列接続されてい
る。また、ＦＥＴ６のゲート端子は抵抗２１とダイオー
ド２２より成る並列回路を介して可飽和変圧器の２次巻
線３の一端に接続してあり、ＦＥＴ７のゲート端子は抵
抗２３とダイオード２４より成る並列回路を介して可飽
和変圧器の２次巻線４の一端に接続してある。
【０００９】ＦＥＴを使用したロイヤー発振回路では、
ＦＥＴのゲートスレッシュホールド電圧が数Ｖあるため
に起動回路が必要となる。このために抵抗８とコンデン
サ１０より成る直列回路がＦＥＴ６のドレイン端子とＦ
ＥＴ７のソース端子に並列接続されており、また抵抗８
とコンデンサ１０の接続点にアノード端子を接続し、カ
ソード端子をＦＥＴ６と７の接続点に接続したダイオー
ド１８が設けられている。電源が投入されると抵抗８を
介してコンデンサ１０が充電され、ＦＥＴ７のゲート電
圧が増加してゆきその電圧がスレッシュホールド電圧に
達するとＦＥＴ７がオンとなり、可飽和変圧器の巻線に
よる正帰還により発振が始まる。コンデンサ１０の電圧
が増加し続けるとＦＥＴ７の耐圧を越えるおそれがある
ので、これを防止するためにコンデンサ１０と抵抗８の
接続点とＦＥＴ６と７の接続点間にダイオード１８が挿
入してある。上述した起動用ゲートバイアス安定回路に
おいては、ＦＥＴ７がオンの時にそのドレイン・ソース
間の電圧はほぼ零に近い値となるので、コンデンサ１０
の電荷はダイオード１８を介して放電され、その電圧も
零Ｖ近くまで減少するが、可飽和変圧器の巻線による正
帰還により発振は十分持続される。ＦＥＴ７がオンの時
に、ＦＥＴのミラー効果またはダイオード１８の寄生容
量によってコンデンサ１０に負の電荷が蓄積されて大き
な負の電圧が発生することがあるので、コンデンサ１０
と並列にダイオード２０を接続して防いでいる。
【００１０】理想的なソフトスイッチングを実現するた
めには、急速にＦＥＴをターンオフするための高速ゲー
ト駆動回路と、転流時に然るべき大きさのリアクティブ
電流およびデッドタイムが必要である。本発明における
高周波電力の非接触給電装置においては、ソフトスイッ
チングに必要なリアクティブ電流は主変圧器の漏インダ
クタンスとして必然的に存在している。ソフトスイッチ
ングのための駆動条件は、主変圧器と可飽和変圧器の両
巻線間に接続された抵抗９と、各ＦＥＴ６と７のゲート
端子に接続された抵抗２１と２３およびダイオード２２
と２４と、ゲート巻線を構成する可飽和変圧器の２つの
２次巻線の飽和インダクタンスにより実現される。
【００１１】まず、可飽和磁心が飽和していないとき、
可飽和変圧器の巻線の正帰還によってＦＥＴのゲートに
は約１８〜２０Ｖの電圧が加わり、ＦＥＴのドレイン・
ソース間は完全なオン状態が保持されている。可飽和変
圧器が飽和するとゲート巻線のインピーダンスが急激に
減少し、ＦＥＴのゲート・ソース間容量との間に共振が
発生し、ゲート内の電荷がゲート端子に接続されたダイ
オードを介して急速に放電される。引き続き共振により
他方のＦＥＴのゲートが充電されようとするが、ゲート
に接続された抵抗によりゲート・ソース間容量の急激な
充電は阻止され、２つのＦＥＴは同時にオフとなる。こ
の間、スイッチング素子の寄生容量等によってＦＥＴ電
圧の急変が抑えられるので低損失でＦＥＴはターンオフ
し、続いて、主変圧器の漏インダクタンスのエネルギー
により２つのＦＥＴの並列容量が充放電され、両スイッ
チング素子がオフの状態で転流が完成するのでスイッチ
ング損失を極めて小さくできる。ゲート巻線にはソフト
スイッチングにより反転した電圧が加わり、他方のＦＥ
Ｔのゲート電圧はゲートに接続された抵抗とゲート・ソ
ース間容量の影響で穏やかに上昇し、ＦＥＴはオンとな
る。可飽和変圧器の磁心飽和期間およびＦＥＴ転流期間
においては、主変圧器の巻線と可飽和変圧器の巻線には
異なった電圧が発生する（可飽和磁心の電圧は飽和によ
り変化し、主変圧器の電圧は転流後に変化する）ので、
この２つの巻線を直接接続すると過大な電流が流れ、大
きな損失が発生する。この問題を解決するために抵抗９
が直列に接続してある。
【００１２】次に、本発明による高周波電力の非接触給
電装置における出力電圧、伝達最大電力と漏インダクタ
ンス、周波数の関係について説明する。図３は簡略化し
た等価回路図であって、Ｅi はハーフブリッジにより作
り出される矩形波の振幅、ｆは周波数、Ｌは漏インダク
タンス、Ｉ0 は負荷電流、Ｅ0 は出力電圧を表わす。こ
の等価回路より、Ｅi ，ｆ，Ｌ，Ｉ0 ，Ｅ0 の関係を求
めると（２）式を得る。 Ｅ0 ＝〔Ｅi 2 −４ｆＥi ＬＩ0 〕1/2 ……（２） 出力電圧Ｐ0 はＰ0 ＝Ｅ0 Ｉ0 の関係より容易に求める
ことができ、Ｅ0 ，Ｉ0，Ｐ0 の関係は図４に示すよう
になる。Ｅ0 の制御は、２次側に磁気増幅器等を接続す
ることによって行うことができるが、（２）式からＥ0
はｆにより変化するので、発振用磁心を工夫してｆを制
御すれば、Ｅ0 は簡単に制御できる。
【００１３】図２はもう１つの実施例のブロック図であ
って、主変圧器に３次巻線５を設け、この３次巻線５の
両端を抵抗９を介して可飽和変圧器の１次巻線２と並列
接続してある。図１においては主変圧器と可飽和変圧器
とは独立した回路によって構成されているが、図２にお
いては主変圧器の電圧を飽和変圧器に加えるように構成
されている。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による高周
波電力の非接触給電装置は、倍電圧全波整流回路と、Ｆ
ＥＴを使用したロイヤー発振回路と、ＦＥＴのゲート巻
線を構成する可飽和変圧器と、可飽和変圧器の１次巻線
を介して１次巻線から高周波電力を出力する主変圧器と
によって構成したものであり、主変圧器と可飽和変圧器
は共に高周波変圧器であるので小型軽量であり、また装
置の回路構成も簡単であって回路において発生する電力
損も小さく、かつ、非接触で高周波電力を給電するもの
であるから伝達損失も無視しうる。即ち、高効率で小型
軽量な高周波電力の非接触給電装置を実現できるので、
電気自動車の非接触充電器、ペースメーカー用充電器お
よび誘導加熱形調理器等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例を示すブロック図。
【図２】本発明のもう１つの実施例を示すブロック図。
【図３】等価回路図。
【図４】出力電圧，出力電流，出力電力の関係を示す特
性曲線。
【符号の説明】
１ 主変圧器の１次巻線 ２ 可飽和変圧器の１次巻線 ３，４ 可飽和変圧器の２次巻線 ５ 主変圧器の３次巻線 ６，７ ＦＥＴ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ２つのコンデンサより成る直列回路に並
    列接続した同一構成の直列回路と、前記２組のコンデン
    サより成る直列回路の中点間に挿入した抵抗とによって
    構成した平滑回路と、さらに２つの整流ダイオードとに
    よって構成した倍電圧全波整流回路と、 主変圧器の１次巻線（１）の両端に抵抗を介して並列接
    続した１次巻線（２）と、２組の２次巻線（３）と
    （４）を備えた発振用可飽和変圧器と、 抵抗とダイオードより成る並列回路を介して前記可飽和
    変圧器の２次巻線（３）と（４）のそれぞれの一端に接
    続したゲート回路を備えたＦＥＴ（６）とＦＥＴ（７）
    のそれぞれのソース端子とドレイン端子を接続すると共
    に、前記ＦＥＴ（６）のドレイン端子とＦＥＴ（７）の
    ソース端子を前記倍電圧全波整流回路の平滑回路の両端
    に並列接続して構成したＦＥＴより成るロイヤー発振回
    路と、 前記倍電圧全波整流回路の平滑回路の両端に並列接続し
    た抵抗（８）とコンデンサ（１０）より成る直列回路
    と、この直列回路における抵抗（８）とコンデンサ（１
    ０）の接続点とＦＥＴ（６）のソース端子とＦＥＴ
    （７）のドレイン端子の接続点間に挿入したダイオード
    （１８）と、前記直列回路におけるコンデンサ（１０）
    に並列接続すると共に可飽和変圧器の２次巻線（４）の
    他端と接続したダイオード（２０）と、によって構成し
    た前記ロイヤー発振回路における起動用ゲートバイアス
    安定回路と、 前記倍電圧全波整流回路の平滑回路における２つのコン
    デンサの中点と前記ＦＥＴ（６）のソース端子とＦＥＴ
    （７）のドレイン端子との接続点間に挿入した１次巻線
    （１）を備え、前記可飽和変圧器の１次巻線（２）を介
    してロイヤー発振回路において生成された高周波電力を
    前記１次巻線（１）から出力する主変圧器と、 によって構成したことを特徴とする高周波電力の非接触
    給電装置。
  2. 【請求項２】 主変圧器に３次巻線（５）を設け、この
    ３次巻線（５）の両端を抵抗を介して可飽和変圧器の１
    次巻線（２）と並列接続したことを特徴とする請求項１
    に記載の高周波電力の非接触給電装置。
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