JPWO2016038737A1 - 共振型電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

２ＭＨｚ以上の高周波数でスイッチング動作を行うパワー素子、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共振回路素子を備えた２系統以上の共振型電源回路１１と、系統毎に設けられ、共振型電源回路１１間の出力電流の位相差を制御する機能、及び共振型電源回路１１と負荷との間で共振条件を合わせる機能を有する位相制御型整合回路１２と、各系統の位相制御型整合回路１２により処理された出力電流を合成する合成部１３とを備えた。

Description

この発明は、２ＭＨｚ以上の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。

図８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級型の共振型電源回路１０１の出力に共振型送信アンテナ１０２が接続されている（例えば非特許文献１参照）。

２０１３年電子情報通信学会総合大会ＢＣＳ−１−１６

しかしながら、従来技術ではＥ級型の共振型電源回路１０１により共振型電力伝送装置を構成しているため、送信電力を可変するためには、入力電圧Ｖｉｎのレベルを可変する必要がある。これは、Ｅ級型電源方式の特性によるもので、パワー素子Ｑ１のスイッチング時間の時比率（Ｄｕｔｙ）では出力電圧を可変することができないためである。

よって、従来技術では入力電圧Ｖｉｎのレベルを可変するため、入力部にＤＣ／ＤＣコンバータ（電源装置）が必要である。更に、送信電力を大電力化させるためには、共振型電源回路１０１のパワー素子Ｑ１に高耐圧で大電力の素子を使用する必要がある。

その結果、共振型電源回路１０１は大電力と高周波化の両立が困難で、高効率な電力変換ができないという課題がある。また、装置全体の電力変換効率は入力部のＤＣ／ＤＣコンバータ分更に下がってしまうため放熱対策部品が必要になり、装置の小型、軽量化が難しいという課題がある。

また、従来技術では、ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング周波数と、共振型電源回路１０１のスイッチング周波数とが混載する。そのため、ＥＭＣ等のノイズ対策部品が多数必要となり、部品点数が多くなり、コストを下げられないという課題がある。

その他、入力電圧Ｖｉｎのレベルを可変しないで送信電力を大電力化させる方法として、ＲＦ増幅器の出力を合成するコンバイナによる手法が従来から知られている。コンバイナは、主に抵抗５０Ωを全ての入力系統と合成出力系統のそれぞれに配置して、インピーダンス整合を図り電力合成するものと、トランスによる各巻き線を使用して入出力インピーダンス整合を図り電力合成するものがある。しかしながら、何れも電力変換効率が低く（効率５０％）、電力伝送装置用としては適していない。

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、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく、送信電力の大電力化と可変制御をすることができ、２ＭＨｚ以上の高周波数で高効率な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。

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パワー素子、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共振回路素子を備えた２系統以上の共振型電源回路と、系統毎に設けられ、共振型電源回路間の出力電流の位相差を制御する機能、及び共振型電源回路と負荷との間で共振条件を合わせる機能を有する位相制御型整合回路と、各系統の位相制御型整合回路により処理された出力電流を合成する合成部とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく、送信電力の大電力化と可変制御をすることができ、２ＭＨｚ以上の高周波数で高効率な電力伝送を行うことができる。

この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置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。 この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の回路構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置において、共振型電源回路が１系統の場合を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の動作を示す図であり、（ａ）３系統の共振型電源回路からの出力電流の波形を示す図であり、（ｂ）総合出力電流の波形を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の別の回路構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る共振型電力伝送装置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。 従来の共振型電力伝送装置の構成を示す回路図である。

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、共振型電力伝送装置１、共振型送信アンテナ２、共振型受信アンテナ３及び受信回路４から構成されている。共振型電力伝送装置１は、２系統以上の共振型電源回路１１（例えばＥ級型電源回路等）及び位相制御型整合回路１２と、合成部１３から構成されている。この共振型電力伝送装置１の負荷インピーダンスＺ（ＲＬ）は、共振型送信アンテナ２、共振型受信アンテナ３、受信回路４及び受信回路４に接続される負荷機器等（不図示）による合成インピーダンスとなる。よって、抵抗負荷等でシステムを構成してもよい。なお図では、３系統の共振型電源回路１１及び位相制御型整合回路１２を示し、各回路の符号に接尾記号（１〜３）を付して区別している。

共振型電力伝送装置１を構成する共振型電源回路１１は、位相制御型整合回路１２の前段に配置され、負荷インピーダンスを構成する共振型送信アンテナ２への電力の供給を制御するものである。この共振型電源回路１１は、直流又は交流を入力して、交流を出力するインバータ電源回路である。共振型電源回路１１としては、Ｅ級方式の電源回路等、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。

共振型電力伝送装置１を構成する位相制御型整合回路１２は、共振型電源回路１１間の出力電流の位相差を制御する機能と、共振型電源回路１１と負荷インピーダンスを構成する共振型送信アンテナ２（負荷）との間で共振条件を合わせる整合機能を有するものである。

共振型電力伝送装置１を構成する合成部１３は、各系統の位相制御型整合回路１２により処理された出力電流を合成して総合出力電流とするものである。

共振型送信アンテナ２は、共振型電源回路１１からの電力を共振型受信アンテナ３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２は、各系統の共振型電源回路１１の出力電流を合成部１３で合成した交流の総合出力電流を入力して、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３への電力伝送を実施している。この共振型送信アンテナ２は、ヘリカル状、スパイラル状等任意のコイル形状で構成される。また、励振コイルと非励振コイルで構成してもよい。

共振型受信アンテナ３は、共振型送信アンテナ２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３により受信された電力は受信回路４を介して負荷機器等（不図示）に供給される。この共振型受信アンテナ３は、ヘリカル状、スパイラル状等任意のコイル形状で構成される。また、励振コイルと非励振コイルで構成してもよい。なお、共振型受信アンテナ３の共振周波数は、共振型送信アンテナ２と共振結合するように設定される。

受信回路４は、共振型受信アンテナ３と負荷機器間に配置され、共振型受信アンテナ３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４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何れであってもよい。

次に、図１に示す共振型電力伝送装置１の具体的な回路構成例について、図２を参照しながら説明する。図２に示す共振型電力伝送装置１では、３系統の共振型電源回路１１及び位相制御型整合回路１２を示している。
ここで、共振型電源回路１１−１は、パワー素子Ｑ１、共振回路素子（コンデンサＣ１、インダクタＬ２及びコンデンサＣ２）、インダクタＬ１、高周波パルスドライブ回路（不図示）により構成される。また、位相制御型整合回路１２−１は、整合素子（コンデンサＣ３，Ｃ４及びインダクタＬ３）により構成される。なお、他系統の共振型電源回路１１−２，１１−３及び位相制御型整合回路１２−２，１２−３についても、共振型電源回路１１−１及び位相制御型整合回路１２−１と同様の構成となる。また、図１，２では、共振型電源回路１１及び位相制御型整合回路１２を３系統設けて並列配置した構成を示しているが、これに限るものではなく、電力伝送する電力量に応じて並列数は決められる。

パワー素子Ｑ１は、入力電圧（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としては、高周波（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等の素子を用いることが可能である。

共振回路素子（コンデンサＣ１、インダクタＬ２及びコンデンサＣ２）は、対応するパワー素子Ｑ１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としては、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサ等を用いることが可能である。また、インダクタＬ２としては、空芯コイルや磁性体インダクタ等を用いることが可能である。

インダクタＬ１は、対応するパワー素子Ｑ１のスイッチング動作ごとに、直流電圧Ｖｉｎのエネルギーを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としては、磁性体インダクタ等を用いることが可能である。

高周波パルスドライブ回路は、パワー素子Ｑ１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は、出力部をＦＥＴ素子等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。

位相制御型整合回路１２−１（コンデンサＣ３，Ｃ４及びインダクタＬ３）は、共振型電源回路１１−１の出力電流の位相を制御する機能により、他の系統の共振型電源回路１１−２，１１−３の出力電流との位相関係を調整制御する働きをする。また、共振型電源回路１１−１と負荷インピーダンスＺ（ＲＬ）を構成する共振型送信アンテナ２との間の共振条件を合わせる整合機能の働きをする。なお、各系統の位相制御型整合回路１２−１〜１２−３による合成通過特性は、図３に示す共振型電源回路１１を１系統で構成した場合での位相制御型整合回路１２の通過特性と、使用周波数において等しくなるように設定されている。
このコンデンサＣ３，Ｃ４としては、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサ等を用いることが可能である。また、インダクタＬ３は空芯コイルや磁性体インダクタ等を用いることが可能である。

なお、共振型送信アンテナ２のコンデンサＣ５は、共振型送信アンテナ２の共振条件を設定するものである。このコンデンサＣ５としては、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサ等を用いることが可能である。

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２に示す上段の回路での動作について説明する。また、共振型電源回路１１−１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が共振型電源回路１１−１へ入力され、ＭＨｚ帯の高周波交流に変換されて、位相制御型整合回路１２−１へ出力される。その出力は、位相制御型整合回路１２−１により電流の位相制御が行われ、また、共振型電源回路１１−１と共振型送信アンテナ２との間の共振条件が合わせられる。そして、合成部１３により他系統の出力と電流合成された後、共振型送信アンテナ２へ入力される。

この共振型電源回路１１−１の具体的な動作では、まず、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。

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、出力にはＲＴＮ電位を軸にした正弦波状の交流電圧が出力される。

パワー素子Ｑ１の駆動は、高周波パルスドライブ回路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実行している。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としての動作周波数となり、高周波パルスドライブ回路の基準信号を生成するオシレータ回路（不図示）の設定により決まる。

図２に示す他系統の回路についても上記と同様の動作となる。なお、各系統のパワー素子のドライブタイミングは、同一の周波数及び位相、又は、周波数のみ同一で位相が異なる構成のどちらでもよい。

その後、電力伝送する電力量に応じて位相制御型整合回路１２−１〜１２−３により、出力電流の位相制御が実行される。ここで、図４（ａ）に示すように、共振型電源回路１１−１〜１１−３からの出力電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の和が総合出力電流Ｉｏｕｔとなる。そのため、所望の伝送電力量が得られるように出力電流Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３の間の位相差の可変制御が実施される。
その後、合成部１３により出力電流が合成され総合出力電流とされる。

そして、共振型送信アンテナ２は、総合出力電流により共振動作を行い、共振型受信アンテナ３へ電力伝送を行う。
その後、共振型受信アンテナ３は、共振型送信アンテナ２からの電力伝送により共振型送信アンテナ２と同様に共振動作を行う。この際、共振型受信アンテナ３により受信される電力は、送信電力量の制御により電圧の振幅が制御される。そして、共振型受信アンテナ３は、受信回路４へ交流電力を出力する。その後、受信回路４は、その交流電力を整流して直流出力を行う。

以上のように、この実施の形態１によれば、共振型電力伝送装置１を２系統以上の共振型電源回路１１及び位相制御型整合回路１２と、合成部１３から構成し、伝送電力量に応じて、各系統の出力電流の位相制御を行ったうえで合成することで、入力部にＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく送信電力の大電力化と可変制御をすることができ、２ＭＨｚ以上の高周波数で電力伝送を行うことができる。
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、従来構成に対して、装置全体の電力変換効率を向上することができるため、放熱対策を簡易化でき、装置を小型、軽量化できる。また、従来構成に対して、内部回路は共振型電源回路１１のスイッチング周波数のみとなるため、ＥＭＣ等のノイズ対策部品を大幅に削減することができる。

なお上記では、共振型電力伝送装置１の構成例として、図２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５に示すような回路構成としてもよい。この図５では、図２に示す位相制御型整合回路１２の部分を、共振型電源回路１１の内部回路の一部として構成した整合機能内蔵型共振電源回路１１ｂを示している。
また図６に示すように、合成部１３にインピーダンス整合回路を設け、このインピーダンス整合回路単位で共振型電源回路１１及び位相制御型整合回路１２の並列数を増やすようにしてもよい。

実施の形態２．
実施の形態２では、位相制御型整合回路１２の調整制御を自動で行う構成について示す。
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。この図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１に示す実施の形態１に係る共振型電力伝送装置１に検出回路１４及び自動整合制御回路１５を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

検出回路１４は、合成部１３により合成された総合出力電流のレベル（振幅、平均値、歪等）を検出する機能を備えるものである。この検出回路１４は、カレントトランスによる非接触検出、又は、抵抗による検出等で実施される。なお、この検出回路１４の機能は他の回路部からの検出でもよく、各系統の共振型電源回路１１の入力電流のレベル（不図示）、各系統の共振型電源回路１１の出力電流又は出力電圧のレベル（不図示）、各系統の位相制御型整合回路１２の出力電流のレベル（不図示）等を検出する機能を備えるものでもよい。つまり、各系統の通過電力状態を検出する機能を有すればどのような手法でもよい。

自動整合制御回路１５は、検出回路１４による検出結果をもとに、位相制御型整合回路１２の通過特性を可変制御するものである。これにより、各系統の出力電流の位相制御と、共振型電源回路１１と負荷インピーダンスＺ（ＲＬ）との間の共振条件を合わせる整合機能の自動化を行うことができる。自動整合制御回路１５は、アナログ制御回路で構成したもの、又は、マイコン制御回路で構成したもの等、制御範囲及び精度に適した回路構成で実施される。

以上のように、この実施の形態２によれば、検出回路１４により総合出力電流のレベルを検出し、その検出結果から自動整合制御回路１５にて位相制御型整合回路１２の制御を行うように構成したので、実施の形態１における効果に加え、位相制御型整合回路１２の調整制御を自動で実施できる。

なお、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。

この発明に係る共振型電力伝送装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく、出力電力の大電力化と可変制御をすることができ、２ＭＨｚ以上の高周波数で高効率な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。

１ 共振型電力伝送装置、２ 共振型送信アンテナ、３ 共振型受信アンテナ、４ 受信回路、１１ 共振型電源回路、１１ｂ 整合機能内蔵型共振電源回路、１２ 位相制御型整合回路、１３ 合成部、１４ 検出回路、１５ 自動整合制御回路。

この発明に係る共振型電力伝送装置は、２ＭＨｚ以上の交流を出力する２系統以上の共振型電源回路と、共振型電源回路の各々に接続された位相制御型整合回路と、位相制御型整合回路の各出力を並列に接続して、当該位相制御型整合回路からの各出力を合成する合成部とを備え、位相制御型整合回路は、一端が共振型電源回路の一方の信号線に接続されたインダクタと、一端がインダクタの一端又は両端に接続され、他端が共振型電源回路の他方の信号線に接続されたコンデンサとを有し、合成部は、位相制御型整合回路が有するインダクタの各々の他端を並列接続して構成されたものである。

位相制御型整合回路１２−１（コンデンサＣ３，Ｃ４及びインダクタＬ３）は、共振型電源回路１１−１の出力電流の位相を制御する機能により、他の系統の共振型電源回路１１−２，１１−３の出力電流との位相関係を調整制御する働きをする。また、共振型電源回路１１−１と負荷インピーダンスＺ（ＲＬ）を構成する共振型送信アンテナ２との間の共振条件を合わせる整合機能の働きをする。なお、位相制御型整合回路１２−１が有するインダクタは、一端が共振型電源回路１１−１の一方の信号線に接続されている。また、位相制御型整合回路１２−１が有するコンデンサは、一端が上記インダクタの上記一端又は両端に接続され、他端が共振型電源回路１１−１の他方の信号線に接続されている。
なお、各系統の位相制御型整合回路１２−１〜１２−３の通過特性を合成した合成通過特性は、図３に示す共振型電源回路１１を１系統で構成した場合（１つの共振型電源回路１１と当該共振型電源回路１１に接続された位相制御型整合回路１２とから共振型電力伝送装置１を構成した場合）での位相制御型整合回路１２の通過特性と、使用周波数において等しくなるように設定されている。
このコンデンサＣ３，Ｃ４としては、セラミックコンデンサ、フィルムコンデンサ等を用いることが可能である。また、インダクタＬ３は空芯コイルや磁性体インダクタ等を用いることが可能である。

Claims (13)

1. ２ＭＨｚ以上の高周波数でスイッチング動作を行うパワー素子、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共振回路素子を備えた２系統以上の共振型電源回路と、
   系統毎に設けられ、前記共振型電源回路間の出力電流の位相差を制御する機能、及び前記共振型電源回路と負荷との間で共振条件を合わせる機能を有する位相制御型整合回路と、
   各系統の前記位相制御型整合回路により処理された出力電流を合成する合成部と
   を備えた共振型電力伝送装置。
2. 前記負荷は、前記合成部により合成された出力電流により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である
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
3. 各系統の前記位相制御型整合回路による合成通過特性は、前記共振型電源回路を１系統で構成した場合での通過特性と等しくなる
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
4. 各系統の前記位相制御型整合回路による合成通過特性は、前記共振型電源回路を１系統で構成した場合での通過特性と等しくなる
   ことを特徴とする請求項２記載の共振型電力伝送装置。
5. 前記パワー素子は、高周波用の電界効果トランジスタ以外の電界効果トランジスタである
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
6. 前記共振型送信アンテナは磁界共鳴により電力伝送を行う
   ことを特徴とする請求項２記載の共振型電力伝送装置。
7. 前記共振型送信アンテナは電界共鳴により電力伝送を行う
   ことを特徴とする請求項２記載の共振型電力伝送装置。
8. 前記共振型送信アンテナは電磁誘導により電力伝送を行う
   ことを特徴とする請求項２記載の共振型電力伝送装置。
9. 前記合成部により合成された出力電流のレベルを検出する検出回路と、
   前記検出回路による検出結果をもとに、各系統の前記位相制御型整合回路の通過特性を可変制御する自動整合制御回路と
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
10. 各系統の前記共振型電源回路の入力電流のレベルを検出する検出回路と、
    前記検出回路による検出結果をもとに、各系統の前記位相制御型整合回路の通過特性を可変制御する自動整合制御回路と
    を備えたことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
11. 各系統の前記共振型電源回路の出力電流のレベルを検出する検出回路と、
    前記検出回路による検出結果をもとに、各系統の前記位相制御型整合回路の通過特性を可変制御する自動整合制御回路と
    を備えたことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
12. 各系統の前記共振型電源回路の出力電圧のレベルを検出する検出回路と、
    前記検出回路による検出結果をもとに、各系統の前記位相制御型整合回路の通過特性を可変制御する自動整合制御回路と
    を備えたことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
13. 各系統の前記位相制御型整合回路の出力電流のレベルを検出する検出回路と、
    前記検出回路による検出結果をもとに、各系統の前記位相制御型整合回路の通過特性を可変制御する自動整合制御回路と
    を備えたことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。

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