JPWO2015097813A1 - Resonant power transmission device - Google Patents
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Abstract
2MHz以上の高周波数でスイッチング動作を行う2系統のパワー素子と、パワー素子のスイッチング動作を共振スイッチングさせる2系統の共振回路素子と、各パワー素子に2MHz以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送る高周波パルスドライブ回路21と、2系統の電圧信号の位相差を固定して高周波パルスドライブ回路21に送る位相差発生回路22と、パワー素子によるスイッチング動作により得られた2系統の電力を入力し、共振動作を行うことで送信電力を発生する共振型送信アンテナ3と、共振型送信アンテナ3の共振条件を設定する共振条件設定回路と、パワー素子によるスイッチング動作により得られた2系統の電力と共振型送信アンテナ3との間で共振条件を合わせるインピーダンス整合回路とを備えた。Two systems of power elements that perform switching operation at a high frequency of 2 MHz or more, two systems of resonant circuit elements that resonantly switch the switching operation of the power elements, and a high-frequency pulsed voltage signal of 2 MHz or more to each power element The high-frequency pulse drive circuit 21 to be sent, the phase difference generation circuit 22 to send the high-frequency pulse drive circuit 21 with the phase difference between the two voltage signals fixed, and the two powers obtained by the switching operation by the power element are input. A resonant transmission antenna 3 that generates transmission power by performing a resonant operation, a resonance condition setting circuit that sets a resonance condition of the resonant transmission antenna 3, and two systems of power obtained by a switching operation by a power element; And an impedance matching circuit that matches the resonance conditions with the resonant transmission antenna 3.
Description
この発明は、高周波数で電力伝送を行う共振型電力伝送装置に関するものである。 The present invention relates to a resonant power transmission apparatus that performs power transmission at a high frequency.
図13に従来技術による共振型電力伝送装置を示す。この共振型電力伝送装置では、E級型電源回路101の出力に、インダクタL11からなる共振型送信アンテナ102を接続して構成されている(例えば非特許文献1参照)。
FIG. 13 shows a resonant power transmission device according to the prior art. This resonance type power transmission apparatus is configured by connecting a resonance
しかしながら、従来技術では、受信側のインピーダンス変動に対して、追従した共振条件を維持することができない。よって、共振型送信アンテナ102と共振型受信アンテナ間の距離が変動すると、電力伝送効率が低下するという課題があった。また、共振型送信アンテナ102と共振型受信アンテナ間の距離が変動すると、又は受信側の負荷インピーダンスが変動すると、E級型電源回路101が共振動作条件を外れ、電力変換効率が低下するという課題があった。
また、上記課題の対策のためには、E級型電源回路101と共振型送信アンテナ102間に自動整合回路を必要とする。しかしながら、その場合、装置を小型、軽量化できないという課題があった。また、部品点数が多くなるため、コストを下げられないという課題があった。装置全体の電力変換効率が自動整合回路分下がってしまうという課題があった。However, in the prior art, it is not possible to maintain a resonance condition that follows the impedance fluctuation on the receiving side. Therefore, when the distance between the
In order to solve the above problem, an automatic matching circuit is required between the class E
一方、上記自動整合回路を不要とするため、D級型電源回路を用いた電力伝送システムにおいて、送信アンテナに駆動電圧に対して位相差を有する補正電流を注入する装置が知られている(例えば特許文献1参照)。この補正電流を注入することで、送信アンテナの共振周波数を調整することなく、共振状態を実現するよう自動チューニングを行うことができる。しかしながら、D級型電源回路は、kHz帯の電力伝送を想定したものであり、MHz帯には適用することができないという課題がある。 On the other hand, in order to eliminate the need for the automatic matching circuit, a device for injecting a correction current having a phase difference with respect to a drive voltage into a transmission antenna in a power transmission system using a class D power supply circuit is known (for example, Patent Document 1). By injecting this correction current, automatic tuning can be performed so as to realize the resonance state without adjusting the resonance frequency of the transmitting antenna. However, the class D power supply circuit is intended for power transmission in the kHz band, and has a problem that it cannot be applied to the MHz band.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、共振型送信アンテナの出力インピーダンスと共振型受信アンテナの入力インピーダンスとを自動的に整合させることができ、2MHz以上の高周波数で電力伝送を行うことができる共振型電力伝送装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can automatically match the output impedance of the resonant transmission antenna and the input impedance of the resonant reception antenna, and can achieve a high frequency of 2 MHz or higher. It is an object of the present invention to provide a resonance type power transmission device that can perform power transmission.
この発明に係る共振型電力伝送装置は、2MHz以上の高周波数でスイッチング動作を行う2系統のパワー素子と、対応するパワー素子のスイッチング動作を共振スイッチングさせる2系統の共振回路素子と、各パワー素子に2MHz以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該各パワー素子を駆動させる高周波パルスドライブ回路と、2系統の電圧信号の位相差を固定して高周波パルスドライブ回路に送り、当該高周波パルスドライブ回路を駆動させる位相差発生回路と、パワー素子によるスイッチング動作により得られた2系統の電力を入力し、共振動作を行うことで送信電力を発生する共振型送信アンテナと、共振型送信アンテナの共振条件を設定する共振条件設定回路と、パワー素子によるスイッチング動作により得られた2系統の電力と共振型送信アンテナとの間で共振条件を合わせるインピーダンス整合回路とを備えたものである。 The resonant power transmission device according to the present invention includes two systems of power elements that perform switching operation at a high frequency of 2 MHz or more, two systems of resonant circuit elements that resonantly switch the switching operation of the corresponding power elements, and each power element. A high-frequency pulsed voltage signal of 2 MHz or higher is sent to the high-frequency pulse drive circuit for driving each power element and the phase difference between the two voltage signals is fixed and sent to the high-frequency pulse drive circuit. A phase difference generation circuit that drives a drive circuit, and a resonance type transmission antenna that generates transmission power by inputting two types of power obtained by a switching operation by a power element and performing a resonance operation, and a resonance type transmission antenna The resonance condition setting circuit for setting the resonance condition and 2 obtained by the switching operation by the power element Between the integrated power and the resonant transmitting antennas is obtained and an impedance matching circuit to match the resonance condition.
また、この発明に係る共振型電力伝送装置は、2MHz以上の高周波数でスイッチング動作を行う2系統のパワー素子と、対応するパワー素子のスイッチング動作を共振スイッチングさせる2系統の共振回路素子と、各パワー素子に2MHz以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該各パワー素子を駆動させる高周波パルスドライブ回路と、2系統の電圧信号の位相差を固定して高周波パルスドライブ回路に送り、当該高周波パルスドライブ回路を駆動させる位相差発生回路と、パワー素子によるスイッチング動作により得られた2系統の電力を、1系統の電力に合成するトランスと、トランスにより合成された1系統の電力を入力し、共振動作を行うことで送信電力を発生する共振型送信アンテナと、共振型送信アンテナの共振条件を設定する共振条件設定回路と、パワー素子によるスイッチング動作により得られた2系統の電力とトランスとの間で共振条件を合わせるインピーダンス整合回路とを備えたものである。 The resonant power transmission device according to the present invention includes two power elements that perform switching operation at a high frequency of 2 MHz or higher, two resonant circuit elements that perform resonant switching of the switching operation of the corresponding power element, A high-frequency pulsed voltage signal of 2 MHz or higher is sent to the power element, and the high-frequency pulse drive circuit that drives each power element and the phase difference between the two voltage signals are fixed and sent to the high-frequency pulse drive circuit. A phase difference generation circuit for driving a high-frequency pulse drive circuit, a transformer for synthesizing two powers obtained by switching operation by a power element into one power, and one power synthesized by the transformer are input. A resonant transmission antenna that generates transmission power by performing a resonance operation, and a resonance condition of the resonant transmission antenna A resonance requirement setting circuit for setting a, in which a impedance matching circuit to match the resonance condition between the two systems of power and transformer obtained by the switching operation of the power device.
この発明によれば、上記のように構成したので、共振型送信アンテナの出力インピーダンスと共振型受信アンテナの入力インピーダンスとを自動的に整合させることができ、2MHz以上の高周波数で電力伝送を行うことができる。 According to the present invention, since it is configured as described above, the output impedance of the resonant transmission antenna and the input impedance of the resonant reception antenna can be automatically matched, and power transmission is performed at a high frequency of 2 MHz or higher. be able to.
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る共振型電力伝送装置1を備えた共振型電力伝送システムの構成を示す図である。
共振型電力伝送システムは、図1に示すように、E級型電源回路(共振型電源回路)2、共振型送信アンテナ3、共振型受信アンテナ4及び受信回路5から構成されている。なお、E級型電源回路2及び共振型送信アンテナ3は、共振型電力伝送装置1を構成する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a resonant power transmission system including a resonant
As shown in FIG. 1, the resonance type power transmission system includes a class E type power supply circuit (resonance type power supply circuit) 2, a resonance
E級型電源回路2は、共振型送信アンテナ3の前段に配置され、共振型送信アンテナ3への電力の供給を制御するものである。このE級型電源回路2は、直流又は交流を入力し、位相差を固定制御した2系統の交流(V1,V2)を出力するインバータ電源回路である。なお図1では、共振型電源回路として、E級方式の電源回路を示しているが、これに限るものではなく、MHz帯の周波数で動作可能な共振型の電源回路であればよい。
The class E
共振型送信アンテナ3は、E級型電源回路2からの電力を共振型受信アンテナ4に伝送する共振型の電力送信アンテナである(非接触に限定されない)。この共振型送信アンテナ3は、E級型電源回路2から出力された2系統の交流(V1,V2)を入力して、共振動作を行うことで送信電力を発生し、共振型受信アンテナ4への電力伝送を実施している。
この共振型送信アンテナ3は、図2(a)に示すように、2つのコイル(形状はヘリカル状、スパイラル状など任意)31,32を横並びに直列配置して構成してもよいし、図2(b)に示すように、一方のコイル32を他方のコイル31の内側に嵌合して構成してもよい。また、図1,2では、分離した2つのコイル31,32を用いて共振型送信アンテナ3を構成した場合を示しているが、これに限るものではなく、例えば図3などに示すように、1つのコイルを用い、当該コイルの中間点から共通のRTN端子を配置することで、共振型送信アンテナ3を構成するようにしてもよい。The resonant transmitting
As shown in FIG. 2A, the
共振型受信アンテナ4は、共振型送信アンテナ3からの電力を受信する共振型の電力受信アンテナである(非接触に限定されない)。この共振型受信アンテナ4により受信された電力は受信回路5を介して負荷機器など(不図示)に供給される。
この共振型受信アンテナ4は、1つのコイル(形状はヘリカル状、スパイラル状など任意)で構成してもよいし、給電コイルを別に設けて2つのコイルで構成してもよい。なお、共振型受信アンテナ4の共振周波数は、共振型送信アンテナ3と同じ周波数に設定される。The
The resonance
受信回路5は、共振型受信アンテナ4と負荷機器間に配置され、共振型受信アンテナ4により受信された電力(交流出力)を整流するものである。この受信回路5は、AC入力−DC出力型の電源回路である。
なお、無線電力伝送の場合における共振型電力伝送システムの伝送方式は特に限定されるものではなく、磁界共鳴による方式、電界共鳴による方式、電磁誘導による方式のいずれであってもよい。The
Note that the transmission method of the resonant power transmission system in the case of wireless power transmission is not particularly limited, and any of a magnetic field resonance method, an electric field resonance method, and an electromagnetic induction method may be used.
次に、図1に示すE級型電源回路2の具体的な回路構成例について、図3を参照しながら説明する。
E級型電源回路2は、図3に示すように、パワー素子Q1,Q21、共振回路素子(コンデンサC1,C21、インダクタL2,L22及びコンデンサC2,C22)、インダクタL1,L21、高周波パルスドライブ回路21、位相差発生回路22、インピーダンス整合回路(コンデンサC3,C23)及び共振条件設定回路(コンデンサC5,C25)から構成されている。なお、コンデンサC5,C25は、図1に示すE級型電源回路2に含まれていてもよいし、外部に設けられていてもよい。Next, a specific circuit configuration example of the class E
As shown in FIG. 3, the class E type
パワー素子Q1,Q21は、入力の直流電圧Vinを交流に変換するために2MHz以上の高周波数でスイッチング動作を行うスイッチング素子である。このパワー素子Q1,Q21としては、RF(Radio Frequency)用の電界効果トランジスタ(FET;Field effect transistor)に限らず、例えばSi−MOSFETやSiC−MOSFET、GaN−FETなどの素子を用いることが可能である。 The power elements Q1 and Q21 are switching elements that perform a switching operation at a high frequency of 2 MHz or more in order to convert the input DC voltage Vin into AC. The power elements Q1 and Q21 are not limited to field effect transistors (FETs) for RF (Radio Frequency), and elements such as Si-MOSFETs, SiC-MOSFETs, and GaN-FETs can be used. It is.
共振回路素子(コンデンサC1,C21、インダクタL2,L22及びコンデンサC2,C22)は、対応するパワー素子Q1,Q21のスイッチング動作を共振スイッチングさせるための素子である。このコンデンサC1,C2,C21,C22としては、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサなどを用いることが可能である。また、インダクタL2,L22としては、空芯コイルや磁性体インダクタなどを用いることが可能である。 The resonant circuit elements (capacitors C1 and C21, inductors L2 and L22, and capacitors C2 and C22) are elements for resonantly switching the switching operations of the corresponding power elements Q1 and Q21. As the capacitors C1, C2, C21, and C22, ceramic capacitors, film capacitors, and the like can be used. Further, as the inductors L2 and L22, an air core coil, a magnetic inductor, or the like can be used.
インダクタL1,L21は、入力の直流電圧Vinのエネルギーを、対応するパワー素子Q1,Q21のスイッチング動作ごとに一時的に保持する働きをするものである。このインダクタL1,L21としては、磁性体インダクタなどを用いることが可能である。 The inductors L1 and L21 function to temporarily hold the energy of the input DC voltage Vin for each switching operation of the corresponding power elements Q1 and Q21. As the inductors L1 and L21, magnetic inductors can be used.
高周波パルスドライブ回路21は、パワー素子Q1のG端子及びパワー素子Q21のG端子に2MHz以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送り、パワー素子Q1,Q21を駆動させる回路である。この高周波パルスドライブ回路21は、出力部をFET素子などでトーテンポール回路構成にして高速のON/OFF出力ができるように構成した回路である。
The high-frequency
位相差発生回路22は、ロジック信号などの2MHz以上の高周波のパルス状の2系統の電圧信号を高周波パルスドライブ回路21に送り、高周波パルスドライブ回路21を駆動させる回路である。またその際、2系統の電圧信号の位相差を任意に固定することで、パワー素子Q1,Q21のドライブのタイミングを制御している。この位相差発生回路22は、上記の他、周波数設定用のオシレータとフリップフロップやインバータなどで構成される。
The phase
インピーダンス整合回路(コンデンサC3,C23)は、E級型電源回路2の出力(パワー素子Q1,Q21によるスイッチング動作により得られた2系統の電力)と共振型送信アンテナ3との間のインピーダンス整合(共振条件のバランス整合)を行うものである。このコンデンサC3,C23としては、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサなどを用いることが可能である。 The impedance matching circuit (capacitors C3 and C23) is an impedance matching between the output of the class E power supply circuit 2 (two powers obtained by the switching operation by the power elements Q1 and Q21) and the resonant transmission antenna 3 ( Resonance balance balance). As the capacitors C3 and C23, ceramic capacitors, film capacitors, and the like can be used.
共振条件設定回路(コンデンサC5,C25)は、共振型送信アンテナ3の共振条件を設定するものである。このコンデンサC5,C25としては、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサなどを用いることが可能である。
The resonance condition setting circuit (capacitors C5 and C25) is for setting the resonance condition of the
次に、上記のように構成された共振型電力伝送システムの動作について説明する。以下では、図3の上側のパワー素子Q1で構成される回路の動作について説明する。また、E級型電源回路2には直流電圧Vinが入力されるものとする。
まず、一次電源(不図示)の直流電圧Vinが、E級型電源回路2へ入力され、MHz帯の高周波交流に変換されて共振型送信アンテナ3へ2系統出力される。このE級型電源回路2の具体的な動作では、まず、入力の直流電圧VinはインダクタL1を通してパワー素子Q1のD端子に印加される。そして、パワー素子Q1は、その電圧をON/OFFのスイッチング動作により正電圧の交流状電圧へ変換する。この変換動作のときに、インダクタL1は一時的にエネルギーを保持する働きをして、直流を交流へ電力変換する手助けを行う。Next, the operation of the resonant power transmission system configured as described above will be described. Hereinafter, the operation of the circuit constituted by the upper power element Q1 in FIG. 3 will be described. Further, it is assumed that the DC voltage Vin is input to the class E
First, a DC voltage Vin of a primary power supply (not shown) is input to the class E
ここで、パワー素子Q1のスイッチング動作は、Ids電流とVds電圧積によるスイッチング損失が最も小さくなるように、ZVS(ゼロボルテージスイッチング)が成立するようコンデンサC1、インダクタL2及びコンデンサC2からなる共振回路素子で共振スイッチング条件が設定されている。この共振スイッチング動作により、出力電圧VoutにはRTN電位を軸にした交流電圧が出力される。 Here, the switching operation of the power element Q1 is a resonant circuit element including the capacitor C1, the inductor L2, and the capacitor C2 so that ZVS (zero voltage switching) is established so that the switching loss due to the product of the Ids current and the Vds voltage is minimized. The resonance switching condition is set at. By this resonance switching operation, an AC voltage with the RTN potential as an axis is output as the output voltage Vout.
パワー素子Q1の駆動は、位相差発生回路22からの任意のパルス状の電圧信号を受けた高周波パルスドライブ回路21が出力する、パルス状の電圧信号をパワー素子Q1のG端子へ入力することで行っている。このとき、パワー素子Q1の駆動周波数は共振型電力伝送装置1の動作周波数となり、位相差発生回路22内部のオシレータ回路の設定により決まる。
The power element Q1 is driven by inputting a pulsed voltage signal output from the high-frequency
一方、図3の下側のパワー素子Q21で構成される回路の動作についても上記と同様の動作となる。また、パワー素子Q1,Q21のドライブのタイミングは、位相差発生回路22により制御される。そして、E級型電源回路2出力V1,V2の位相差を任意に固定(例えば90度)することで、図4に示すように、共振型送信アンテナ3からの伝送電力を受信する共振型受信アンテナ4の位置変化に伴うインピーダンス変動に対して、自動的に整合が図られる。例えば、共振型受信アンテナ4の位置が共振型送信アンテナ3に対して変化した場合、共振型受信アンテナ4内の電圧と電流の位相差が小さくなるように、自動整合動作が行われる。これにより、共振型受信アンテナ4から取り出せる有効電力を大きくすることができる。
On the other hand, the operation of the circuit composed of the lower power element Q21 in FIG. 3 is the same as described above. The drive timing of the power elements Q1 and Q21 is controlled by the phase
ここで、本発明の動作原理について図5を参照しながら説明する。図5は、図4の出力I1,I2と受信入力Vin,Iinをベクトル表記している。
図5において、出力I1,I2は受信入力Vinに対してそれぞれ位相差を有する。一方、出力I1と出力I2との位相差は90度である。そして、これらの出力I1,I2の合成電流が受信入力Iinとなるため、受信入力Iinの位相を受信入力Vinの位相と一致するよう自動整合させることができる。Here, the operation principle of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 represents the outputs I1 and I2 and the received inputs Vin and Iin of FIG. 4 in vector.
In FIG. 5, the outputs I1 and I2 have a phase difference with respect to the reception input Vin. On the other hand, the phase difference between the output I1 and the output I2 is 90 degrees. Since the combined current of these outputs I1 and I2 becomes the reception input Iin, it is possible to automatically match the phase of the reception input Iin with the phase of the reception input Vin.
そして、共振型送信アンテナ3は、その2系統の高周波交流による共振動作を行い、共振型受信アンテナ4へ電力伝送を行う。その後、共振型受信アンテナ4は、共振型送信アンテナ3からの電力伝送により共振型送信アンテナ3と同様に共振動作を行う。そして、共振型受信アンテナ4は、受信回路5へ高周波交流を出力する。その後、受信回路5は、その高周波交流を整流して、直流出力を行う。
また、共振型受信アンテナ4の位置が共振型送信アンテナ3に対して変化した場合でも、共振型受信アンテナ4内の電圧と電流の位相差が小さくなるように、自動整合が行われる。これにより、共振型受信アンテナ4から取り出せる有効電力を大きくすることができる。The
Further, even when the position of the
以上のように、この実施の形態1によれば、共振型電源回路を2出力構成にして各出力を共振型送信アンテナ3へ接続し、当該2出力の位相差を任意に固定するように構成したので、共振型送信アンテナ3の出力インピーダンスと共振型受信アンテナ4の入力インピーダンスとを自動的に整合させることができ、2MHz以上の高周波数で電力伝送を行うことができる。
その結果、共振型送信アンテナ3と共振型受信アンテナ4間の距離が変動しても、高い電力伝送効率を維持できる。また、共振型送信アンテナ3と共振型受信アンテナ4間の距離が変動しても、又は受信側の負荷インピーダンスが変動しても、E級型電源回路2が共振動作条件を外れないため、高い電力変換効率を維持できる。また、従来必要とされていたE級型電源回路2と共振型送信アンテナ3間の自動整合回路が不要となるため、装置を小型、軽量化できる。また、従来構成に対して、部品点数を削減することができるため、コストを下げることができる。また、電力変換効率の高効率化を図ることができる。As described above, according to the first embodiment, the resonant power supply circuit is configured to have a two-output configuration, each output is connected to the
As a result, even if the distance between the
なお上記では、共振型電力伝送装置1の構成例として、図3に示すような回路構成を示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば図6に示すような回路構成としてもよい。
図6に示す構成において、インダクタL3,L23及びコンデンサC4,C24は、コンデンサC3,C23とともにインピーダンス整合回路を構成する素子である。このコンデンサC4,C24としては、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサなどを用いることが可能である。また、インダクタL3,L23としては、空芯コイル、磁性体インダクタなどを用いることが可能である。これらの追加素子により、インピーダンス整合範囲をより広範囲にさせることができる。In the above description, the circuit configuration as shown in FIG. 3 is shown as a configuration example of the resonant
In the configuration shown in FIG. 6, inductors L3 and L23 and capacitors C4 and C24 are elements that form an impedance matching circuit together with the capacitors C3 and C23. As the capacitors C4 and C24, a ceramic capacitor, a film capacitor, or the like can be used. Further, as the inductors L3 and L23, an air core coil, a magnetic inductor, or the like can be used. These additional elements can make the impedance matching range wider.
実施の形態2.
実施の形態2では、共振型送信アンテナ3を1つのアンテナで構成したものについて示す。図7はこの発明の実施の形態2に係る共振型電力伝送装置1の構成例を示す回路図である。図7に示す実施の形態2に係る共振型電力伝送装置1は、図3に示す実施の形態2に係る共振型電力伝送装置1にトランスT1を追加し、共振条件設定回路(コンデンサC5,C25)の配置を変更し、共振型送信アンテナ3を1つのアンテナから構成したものである。その他の構成は同様であり、異なる部分についてのみ説明を行う。
In the second embodiment, the resonance
トランスT1は、パワー素子によるスイッチング動作により得られた2系統の電力を、1系統の電力に合成するものである。すなわち、トランスT1は、位相差発生回路22により一次側コイルN1に加わる電圧と一次側コイルN2に加わる電圧との位相差が任意に固定されることで、二次側コイルN3に発生する電圧振幅を制御する。このトランスT1は、フェライトコアなどの磁性体を使用したトランスで構成される。
The transformer T1 synthesizes two systems of power obtained by the switching operation by the power element into one system of power. That is, the transformer T1 has a voltage amplitude generated in the secondary coil N3 by arbitrarily fixing the phase difference between the voltage applied to the primary coil N1 and the voltage applied to the primary coil N2 by the phase
また、共振型送信アンテナ3は、トランスT1により合成され二次側コイルN3に発生した1系統の電力を入力し、共振動作を行うことで送信電力を発生する。
また、インピーダンス整合回路(コンデンサC3,C23)は、パワー素子Q1,Q21によるスイッチング動作により得られた2系統の電力とトランスT1との間のインピーダンス整合(共振条件のバランス整合)を行う。The
The impedance matching circuit (capacitors C3 and C23) performs impedance matching (balance matching of resonance conditions) between the two systems of power obtained by the switching operation by the power elements Q1 and Q21 and the transformer T1.
また図7では、共振条件設定回路としてコンデンサC5,C25の2つの素子を使用しているが、1つの素子のみで構成してもよい。この場合、コンデンサC5,C25の直列合成インピーダンスとなる値の素子を用いる。 In FIG. 7, two elements of capacitors C5 and C25 are used as the resonance condition setting circuit. However, the resonance condition setting circuit may be composed of only one element. In this case, an element having a value that is a series combined impedance of the capacitors C5 and C25 is used.
以上のように、この実施の形態2によれば、トランスT1を用いて2系統の電力を1系等の電力に合成するように構成したので、実施の形態1における効果に加え、実施の形態1の構成に対して共振型送信アンテナ3のターン数を半分にすることができる。
As described above, according to the second embodiment, the transformer T1 is used to synthesize the two systems of power into the power of the first system, etc. In addition to the effects of the first embodiment, the second embodiment The number of turns of the
なお、図7に示す構成に対して、図6と同様に、インダクタL3,L23及びコンデンサC4,C24を追加してもよい。これにより、インピーダンス整合範囲をより広範囲にさせることができる。 It is noted that inductors L3 and L23 and capacitors C4 and C24 may be added to the configuration shown in FIG. Thereby, the impedance matching range can be made wider.
実施の形態3.
実施の形態3では、共振型電源回路の2出力の位相差設定に加え、振幅差制御も行うものについて示す。図8はこの発明の実施の形態3に係る共振型電力伝送装置1の構成例を示す回路図である。図8に示す実施の形態3に係る共振型電力伝送装置1は、図3に示す実施の形態2に係る共振型電力伝送装置1の共振回路素子を構成するインダクタL2,L22を可変型インダクタに変更したものである。その他の構成は同様であり、異なる部分についてのみ説明を行う。
In the third embodiment, an example in which amplitude difference control is performed in addition to the phase difference setting of two outputs of the resonance type power supply circuit will be described. FIG. 8 is a circuit diagram showing a configuration example of the resonant
インダクタL2,L22は、インダクタンス値を可変とする可変型インダクタである。このインダクタL2又はインダクタL22のインダクタンス値を可変制御することで、E級型電源回路2の出力V1,V2の振幅差制御を行う。そして、図9に示すように、出力V1,V2の位相差設定に加えて振幅差制御を行うことで、共振型送信アンテナ3から出力される送信電力の電圧波形の歪と位相を制御することができ、共振型受信アンテナ4とのインピーダンス自動整合を行わせることができる。
The inductors L2 and L22 are variable inductors having variable inductance values. By variably controlling the inductance value of the inductor L2 or the inductor L22, the amplitude difference between the outputs V1 and V2 of the class E type
次に、可変型インダクタL2,L22の構成例について、図10〜11を参照しながら説明する。
図10は、電子部品としてモータ制御回路233を用い、このモータ制御回路233によりコイル232の磁路長を自動で可変させるタイプの可変型インダクタL2,L22である。この構成では、可変制御回路231により、モータ制御回路233を駆動させてコイル232の磁路長を物理的に可変させることで、インダクタンス値を可変させる。なお図10(a),(b)において、コイル232のターン数は同じである。Next, a configuration example of the variable inductors L2 and L22 will be described with reference to FIGS.
FIG. 10 shows variable inductors L2 and L22 of a type in which a
また図11は、電子部品としてFET234を用い、このFET234によりコイル232の巻き数を自動で調整するタイプの可変型インダクタL2,L22である。この構成では、コイル232の各巻き数点にFET234を接続し、可変制御回路231により各FET234のON/OFFを切替えて、又はパルス幅変調(PWM)等を切替えて、コイル232の巻き数を可変させることで、インダクタンス値を可変させる。なおFET234は、Si−MOSFET、SiC−MOSFET、GaN−FET、RF用FETなどの素子、又は、これらの素子を直列接続してボディダイオードをOFF型に構成したものである。
FIG. 11 shows variable inductors L2 and L22 of a type in which an
また図12は、電子部品としてFET234を用い、このFET234によりコイル232の並列接続を自動で可変するタイプの可変型インダクタL2,L22である。この構成では、並列接続された各コイル232にFET234を接続し、可変制御回路231により各FET234のON/OFFを切替えて、又はパルス幅変調(PWM)等を切替えて、コイル232の並列接続を可変させることで、インダクタンス値を可変させる。なおFET234は、Si−MOSFET、SiC−MOSFET、GaN−FET、RF用FETなどの素子、又は、これらの素子を直列接続してボディダイオードをOFF型に構成したものである。
FIG. 12 shows variable inductors L2 and L22 of a type in which an
なお図8では、インダクタL2,L22の両方を可変型インダクタとした場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、インダクタL2,L22のうちの片側のみを可変型インダクタとしてもよい。ただし、その場合には、共振型受信アンテナ4とのインピーダンス自動整合の動作範囲が狭くなる。
また、図8に示す構成に対して、図6と同様に、インダクタL3,L23及びコンデンサC4,C24を追加してもよい。これにより、インピーダンス整合範囲をより広範囲にさせることができる。FIG. 8 shows a case where both the inductors L2 and L22 are variable inductors. However, the present invention is not limited to this, and only one of the inductors L2 and L22 may be a variable inductor. In this case, however, the operating range of automatic impedance matching with the
Further, inductors L3 and L23 and capacitors C4 and C24 may be added to the configuration shown in FIG. Thereby, the impedance matching range can be made wider.
また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 Further, within the scope of the present invention, the invention of the present application can be freely combined with each embodiment, modified with any component in each embodiment, or omitted with any component in each embodiment. .
この発明に係る共振型電力伝送装置は、共振型送信アンテナの出力インピーダンスと共振型受信アンテナの入力インピーダンスとを自動的に整合させることができ、2MHz以上の高周波数で電力伝送を行うことができ、高周波数で電力伝送を行う共振型電力伝送装置等に用いるのに適している。 The resonant power transmission device according to the present invention can automatically match the output impedance of the resonant transmitting antenna and the input impedance of the resonant receiving antenna, and can transmit power at a high frequency of 2 MHz or higher. It is suitable for use in a resonant power transmission device that performs power transmission at a high frequency.
1 共振型電力伝送装置、2 E級型電源回路(共振型電源回路)、3 共振型送信アンテナ、4 共振型受信アンテナ、5 受信回路、31,32 コイル、21 高周波パルスドライブ回路、22 位相差発生回路、231 可変制御回路、232 コイル、233 モータ制御回路、234 FET。
DESCRIPTION OF
Claims (12)
対応する前記パワー素子のスイッチング動作を共振スイッチングさせる2系統の共振回路素子と、
前記各パワー素子に2MHz以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該各パワー素子を駆動させる高周波パルスドライブ回路と、
2系統の前記電圧信号の位相差を固定して前記高周波パルスドライブ回路に送り、当該高周波パルスドライブ回路を駆動させる位相差発生回路と、
前記パワー素子によるスイッチング動作により得られた2系統の電力を入力し、共振動作を行うことで送信電力を発生する共振型送信アンテナと、
前記共振型送信アンテナの共振条件を設定する共振条件設定回路と、
前記パワー素子によるスイッチング動作により得られた2系統の電力と前記共振型送信アンテナとの間で共振条件を合わせるインピーダンス整合回路と
を備えた共振型電力伝送装置。Two power elements that perform switching operation at a high frequency of 2 MHz or higher;
Two systems of resonant circuit elements for resonant switching of the switching operation of the corresponding power element;
A high-frequency pulse drive circuit that sends a high-frequency pulsed voltage signal of 2 MHz or more to each of the power elements to drive the power elements;
A phase difference generating circuit that fixes a phase difference between the two voltage signals and sends the high-frequency pulse drive circuit to the high-frequency pulse drive circuit;
A resonant transmission antenna that inputs transmission power obtained by switching operation by the power element and generates transmission power by performing resonance operation;
A resonance condition setting circuit for setting a resonance condition of the resonant transmission antenna;
A resonant power transmission device comprising: an impedance matching circuit that matches a resonance condition between two systems of power obtained by a switching operation by the power element and the resonant transmission antenna.
対応する前記パワー素子のスイッチング動作を共振スイッチングさせる2系統の共振回路素子と、
前記各パワー素子に2MHz以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該各パワー素子を駆動させる高周波パルスドライブ回路と、
2系統の前記電圧信号の位相差を固定して前記高周波パルスドライブ回路に送り、当該高周波パルスドライブ回路を駆動させる位相差発生回路と、
前記パワー素子によるスイッチング動作により得られた2系統の電力を、1系統の電力に合成するトランスと、
前記トランスにより合成された1系統の電力を入力し、共振動作を行うことで送信電力を発生する共振型送信アンテナと、
前記共振型送信アンテナの共振条件を設定する共振条件設定回路と、
前記パワー素子によるスイッチング動作により得られた2系統の電力と前記トランスとの間で共振条件を合わせるインピーダンス整合回路と
を備えた共振型電力伝送装置。Two power elements that perform switching operation at a high frequency of 2 MHz or higher;
Two systems of resonant circuit elements for resonant switching of the switching operation of the corresponding power element;
A high-frequency pulse drive circuit that sends a high-frequency pulsed voltage signal of 2 MHz or more to each of the power elements to drive the power elements;
A phase difference generating circuit that fixes a phase difference between the two voltage signals and sends the high-frequency pulse drive circuit to the high-frequency pulse drive circuit;
A transformer that combines two powers obtained by the switching operation by the power element into one power;
A resonant transmission antenna that inputs a single power synthesized by the transformer and generates a transmission power by performing a resonance operation;
A resonance condition setting circuit for setting a resonance condition of the resonant transmission antenna;
A resonance type power transmission device comprising: two systems of power obtained by the switching operation by the power element; and an impedance matching circuit for matching a resonance condition between the transformer.
ことを特徴とする請求項1記載の共振型電力伝送装置。The resonant power transmission device according to claim 1, wherein the resonant circuit element includes a variable inductor that varies an inductance value.
ことを特徴とする請求項2記載の共振型電力伝送装置。The resonant power transmission device according to claim 2, wherein the resonant circuit element includes a variable inductor having a variable inductance value.
ことを特徴とする請求項1記載の共振型電力伝送装置。The resonant power transmission apparatus according to claim 1, wherein the power element is a field effect transistor other than a field effect transistor for RF.
ことを特徴とする請求項2記載の共振型電力伝送装置。The resonant power transmission apparatus according to claim 2, wherein the power element is a field effect transistor other than a field effect transistor for RF.
ことを特徴とする請求項1記載の共振型電力伝送装置。The resonant power transmission apparatus according to claim 1, wherein the resonant transmission antenna performs power transmission by magnetic field resonance.
ことを特徴とする請求項2記載の共振型電力伝送装置。The resonant power transmission apparatus according to claim 2, wherein the resonant transmission antenna performs power transmission by magnetic field resonance.
ことを特徴とする請求項1記載の共振型電力伝送装置。The resonant power transmission apparatus according to claim 1, wherein the resonant transmission antenna performs power transmission by electric field resonance.
ことを特徴とする請求項2記載の共振型電力伝送装置。The resonant power transmission apparatus according to claim 2, wherein the resonant transmission antenna performs power transmission by electric field resonance.
ことを特徴とする請求項1記載の共振型電力伝送装置。The resonant power transmission apparatus according to claim 1, wherein the resonant transmission antenna performs power transmission by electromagnetic induction.
ことを特徴とする請求項2記載の共振型電力伝送装置。The resonant power transmission device according to claim 2, wherein the resonant transmission antenna performs power transmission by electromagnetic induction.
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