KR101558332B1 - 전력 전송 시스템 - Google Patents

Abstract

용량(Cp)은 송전 장치측 패시브 전극과 수전 장치측 패시브 전극의 사이에 생기는 용량, 용량(Ca)은 송전 장치측 액티브 전극과 수전 장치측 액티브 전극의 사이에 생기는 용량이다. 제1 소자(16x)의 임피던스를 Z1, 제2 소자(16y)의 임피던스를 Z2, 용량(Ca) 및 부하(RL)에 의한 직렬회로의 임피던스를 Z3, 용량(Cp)의 임피던스를 Z4로 각각 나타내면, 승압 트랜스(13T)의 2차측에, Z1~Z4의 브리지 회로가 접속되어 있게 된다. 이 브리지 회로가 평형하도록 임피던스 Z1~Z4를 정함으로써 수전 장치측 기준 전위점(RG)의 전위를 그라운드 전위와 같게 한다. 이로 인해 수전 장치측 기준 전위의 전위 변동을 저감하여 노이즈를 저감하고, 수전 장치측의 부하회로의 동작을 안정화시킨다.

Description

전력 전송 시스템{POWER TRANSMISSION SYSTEM}

본 발명은 용량결합(전계결합)에 의해 전력을 전송하는 전력 전송 시스템에 관한 것이다.

용량결합에 의해 전력을 전송하는 시스템으로서 특허문헌 1이 개시되어 있다.

특허문헌 1의 전력 전송 시스템은 고주파 고전압 발생기, 패시브 전극 및 액티브 전극을 구비한 전력 송전 장치와, 고주파 고전압 부하, 패시브 전극 및 액티브 전극을 구비한 전력 수전 장치로 구성된다.

도 33a는 특허문헌 1의 전력 전송 시스템의 기본구성을 나타내는 도면이다. 또 도 33b는 용량결합에 의해 전력을 전송하는 다른 시스템의 기본구성을 나타내는 도면이다. 전력 송전 장치에는 고주파 고전압 발생기(1), 패시브 전극(2) 및 액티브 전극(3)을 구비하고 있다. 전력 수전 장치에는 고주파 고전압 부하(5), 패시브 전극(7) 및 액티브 전극(6)을 구비하고 있다. 그리고 전력 송전 장치의 액티브 전극(3)과 전력 수전 장치의 액티브 전극(6)이 틈(4)을 통해 근접함으로써 이 둘의 전극 끼리 용량결합한다.

일본국 공표특허공보 2009-531009호

도 33a, 도 33b에 도시되어 있는 용량결합 구조의 전력 전송 시스템은 면적당 전송 전력을 크게 할 수 있는 것이나, 탑재면 내의 위치 자유도가 높다는 이점이 있다. 그러나 전력 전송 중에 전력 수전 장치의 패시브 전극에 걸리는 전압이 높은 것에 기인하여 전계 노이즈가 생기기 쉽다. 또 수전 장치의 그라운드 전위가 어스(earth)에 대하여 변동하면, 예를 들면 터치패널과 같이 사람이 접촉하는 디바이스 등에서 전력 전송 중에 수전 장치의 부하회로의 오동작이 생기는 경우가 있다. 따라서 전력 전송 중의 패시브 전극의 전압 저감이 중요하다.

본 발명의 목적은 수전 장치측 기준 전위의 전위 변동을 저감하여 노이즈를 저감하고, 수전 장치측의 부하회로의 동작을 안정화시킨 전력 전송 시스템을 제공하는 것에 있다.

(1) 이 발명의 전력 전송 시스템은,

송전 장치측 제1 전극과, 송전 장치측 제2 전극과, 상기 송전 장치측 제1 전극과 상기 송전 장치측 제2 전극의 사이에 교류전압을 급전하는 급전회로를 가지는 전력 송전 장치와,

수전 장치측 제1 전극과, 수전 장치측 제2 전극과, 상기 수전 장치측 제1 전극과 상기 수전 장치측 제2 전극의 사이에 생기는 교류전압을 받는 부하회로를 가지는 전력 수전 장치를 포함한 전력 전송 시스템에 있어서,

상기 부하회로와 상기 수전 장치측 제2 전극의 접속점, 또는 상기 부하회로의 중점인 수전 장치측 기준 전위점은 수전 장치의 기준 전위에 접속되고,

상기 전력 송전 장치는 상기 송전 장치측 제1 전극과 상기 송전 장치측 제2 전극의 사이에, 제1 소자가 상기 송전 장치측 제1 전극에 접속되도록 제1 소자 및 제2 소자가 직렬 접속된 직렬회로를 포함하고,

상기 직렬회로의 상기 제1 소자와 제2 소자의 접속점인 송전 장치측 기준 전위점은 송전 장치의 기준 전위에 접속되고,

상기 제1 소자의 임피던스를 Z1, 상기 제2 소자의 임피던스를 Z2, 상기 송전 장치측 제1 전극과 상기 수전 장치측 제1 전극의 사이에 생기는 용량 및 부하회로를 포함하는 직렬회로의 임피던스를 Z3, 상기 송전 장치측 제2 전극과 상기 수전 장치측 제2 전극의 사이에 생기는 용량을 포함하는 임피던스를 Z4로 나타냈을 때, 상기 교류전압의 기본파 주파수에 있어서 평형조건 Z1×Z4=Z2×Z3을 만족하거나, 또는 상기 평형조건에 근사시킬 수 있도록 상기 직렬회로가 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.

(2) 상기 직렬회로의 상기 제2 소자는, 상기 송전 장치측 제2 전극과 상기 송전 장치측 기준 전위점의 사이에 접속 또는 형성된 용량을 가지고, 상기 용량 사이를 단락시킨 경우의 상기 송전 장치의 기준 전위와 상기 수전 장치의 기준 전위 사이의 전압 V0과, 상기 용량 사이를 개방한 경우의 상기 송전 장치의 기준 전위와 상기 수전 장치의 기준 전위 사이의 전압 V1의 전압비 V1/V0을 1 미만으로 하여 상기 평형조건에 근사시킬 수 있는 구성이 바람직하다. 이 구성에서는 수전 장치측 기준 전위의 전위 변동을 저감하여 노이즈를 저감하고, 수전 장치측의 부하회로의 동작을 안정화시킬 수 있다.

(3) 상기 송전 장치측의 기준 전위는 (DC적 또는 AC적에) 접지전위(대지전위)인 것이 바람직하다. 이 구성에 의해 송전 장치측의 기준 전위, 수전 장치측의 기준 전위의 안정화가 도모된다. 또 수전 장치에 중첩되는 노이즈를 저감할 수 있다.

(4) 상기 송전 장치측 기준 전위점과 상기 수전 장치측 기준 전위점의 사이에 용량이 접속되어 있거나, 또는 용량이 구성되어 있는 것이 바람직하다. 이로 인해 수전측 기준 전위의 안정화가 도모된다.

(5) 상기 급전회로는, 교류전압 발생회로와, 1차 권선이 상기 교류전압 발생회로에 접속되고, 2차 권선이 상기 송전 장치측 제1 전극 및 상기 송전 장치측 제2 전극의 사이에 접속된 트랜스를 가지고, 상기 2차 권선은 상기 송전 장치측 제1 전극의 사이에 제1의 2차 권선을 구성하고, 상기 송전 장치측 제2 전극의 사이에 제2의 2차 권선을 구성하는 인출단자를 가지고, 상기 제1 소자의 임피던스는 상기 제1의 2차 권선의 임피던스와 상기 제1의 2차 권선에 병렬 접속된 제1 커패시터의 임피던스로 구성되고, 상기 제2 소자의 임피던스는 상기 제2의 2차 권선의 임피던스와 상기 제2의 2차 권선에 병렬 접속된 제2 커패시터의 임피던스로 구성되어 있는 구성이어도 된다. 이로 인해 필요한 소자를 적게 하면서 수전측 기준 전위의 안정화가 도모된다.

(6) 상기 인출단자는 상기 2차 권선의 중간탭(Tc)이며, 상기 2차 권선은 상기 제1의 2차 권선에 마련된 제1 인출단자(T1)와 상기 제2의 2차 권선에 마련된 제2 인출단자(T2)를 가지고, 상기 송전 장치측 기준 전위를 상기 중간탭, 상기 제1 인출단자 또는 상기 제2 인출단자 중 어느 하나에 접속하는 것을 전환하는 접속전환회로(S1)를 포함하는 구성이어도 된다. 이로 인해 필요한 소자를 적게 하면서 수전측 기준 전위의 안정화가 도모된다.

(7) 상기 급전회로는, 교류전압 발생회로와, 1차 권선이 상기 교류전압 발생회로에 접속되고 2차 권선이 상기 송전 장치측 제1 전극 및 상기 송전 장치측 제2 전극의 사이에 접속된 트랜스를 가지고, 상기 2차 권선은, 상기 송전 장치측 제1 전극과의 사이에 제1의 2차 권선을 구성하며 상기 송전 장치측 제2 전극과의 사이에 제2의 2차 권선을 구성하는 인출단자를 가지고, 상기 제1 소자의 임피던스는 상기 제1의 2차 권선의 임피던스로 구성되고, 상기 제2 소자의 임피던스는 상기 제2의 2차 권선의 임피던스로 구성되며, 상기 제1의 2차 권선의 일부와 유도결합하는 인덕터 및 상기 인덕터에 접속된 커패시터를 포함하는 구성이어도 된다. 이로 인해 임피던스(Z1)를 변화시킬 수 있어서 수전측 기준 전위의 안정화가 도모된다.

(8) 상기 급전회로는, 교류전압 발생회로와, 1차 권선이 상기 교류전압 발생회로에 접속되고 2차 권선이 상기 송전 장치측 제1 전극 및 상기 송전 장치측 제2 전극의 사이에 접속된 트랜스와, 상기 트랜스의 2차 권선에 병렬 접속된 제1 인덕터 및 제2 인덕터로 구성되는 직렬접속회로를 가지고, 상기 제1 소자의 임피던스는 상기 제1 인덕터의 임피던스로 구성되고, 상기 제2 소자의 임피던스는 상기 제2 인덕터의 임피던스로 구성되며, 상기 제1 인덕터의 일부와 유도결합하는 제3 인덕터 및 상기 제3 인덕터에 접속된 커패시터를 포함하는 구성이어도 된다.

(9) 상기 제1 소자의 임피던스(Z1)는 고정 임피던스(Cx)와, 이 고정 임피던스(Cx)에 병렬 접속된 가변 임피던스(Zx)로 구성되고,

상기 제2 소자의 임피던스(Z2)는 고정 임피던스(Cy)와, 이 고정 임피던스(Cy)에 병렬 접속되는 가변 임피던스(Zy)로 구성되며,

상기 기본파 주파수에 있어서 상기 평형조건을 만족하도록 상기 가변 임피던스(Zx, Zy)가 설정되어 있는 것이 바람직하다. 이 구성에 의해 수전측 기준 전위의 안정화가 도모되며, 또한 특성 변동에 대하여 안정화가 도모된다.

(10) 상기 교류전압의 3차 고조파 주파수에 있어서도 상기 평형조건을 만족하도록 상기 임피던스 Z1, Z2, Z3, Z4가 설정되어 있는 것이 바람직하다. 이로 인해 3차 고조파의 영향을 저감할 수 있어서 수전측 기준 전위의 안정화가 도모된다.

(11) 상기 송전 장치측 기준 전위점(TG)에, 상기 평형조건으로부터의 편차에 기인하여 생기는 성분을 억제하는 캔슬 신호를 주입하는 수단을 포함하는 것이 바람직하다. 이로 인해 평형조건 Z1×Z4=Z2×Z3으로부터 편차가 생겨도 그 편차에 기인하여 생기는 노이즈 성분을 캔슬하는 것이 용이하게 된다. 또 송전 장치와 수전 장치의 결합도의 변화나 부하 변동 등에 따라서 상기 노이즈 성분의 캔슬을 액티브하게 제어할 수 있게 된다.

이 발명에 따르면 송전 장치측 패시브 전극 및 수전 장치측 패시브 전극의 전압을 저감할 수 있다. 그로 인해 전력 송전 장치 및 전력 수전 장치로부터의 전계방사 노이즈를 저감할 수 있다. 또 수전 장치측의 기준 전위를 어스에 대하여 가까이 할 수 있으므로 전력 전송 중의 수전 장치측의 부하회로의 동작이 안정화된다.

예를 들면 전력 수전 장치의 부하회로에 정전용량 검지식의 터치패널이 있는 경우에도 정상적으로 검지할 수 있다. 또 예를 들면 무선통신회로가 있는 경우, 수신 감도 열화를 억제할 수 있다.

도 1a는 제1 실시형태에 따른 전력 전송 시스템의 회로도이다.
도 1b는 그 기능 블록도이다.
도 2는 제1 실시형태에 따른 전력 전송 시스템을 구성하는 전력 송전 장치 및 전력 수전 장치의 주요부를 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 전력 전송 시스템의 등가회로도이다.
도 4a는 브리지 회로를 꺼내서 간략화한 전력 전송 시스템의 등가회로도이다.
도 4b는 브리지 회로를 꺼내서 간략화한 전력 전송 시스템의 등가회로도이다.
도 5는 제2 실시형태에 따른 전력 전송 시스템을 구성하는 전력 송전 장치 및 전력 수전 장치의 주요부를 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 전력 전송 시스템의 등가회로도이다.
도 7은 제3 실시형태의 전력 전송 시스템이 구비하는 전력 송전 장치의 회로도이다.
도 8a는 제3 실시형태의 전력 전송 시스템의 등가회로도이다.
도 8b는 제3 실시형태의 전력 전송 시스템의 등가회로도이다.
도 9는 도 8에 도시하는 제3 실시형태의 전력 전송 시스템의 변형예의 등가회로도이다.
도 10은 제4 실시형태의 전력 전송 시스템이 구비하는 전력 수전 장치의 회로도이다.
도 11은 도 10에 도시한 전력 수전 장치를 구비하는 전력 전송 시스템의 등가회로도이다.
도 12는 제5 실시형태의 전력 전송 시스템이 구비하는 전력 수전 장치의 회로도이다.
도 13은 도 12에 도시한 전력 수전 장치를 구비하는 전력 전송 시스템의 등가회로도이다.
도 14는 제6 실시형태의 전력 전송 시스템의 등가회로도이다.
도 15a는 전력 전송 시스템의 수전 장치측 패시브 전극의 전위의 주파수 특성도이다.
도 15b는 도 14에 도시한 조정용 교류원을 마련하지 않을 경우의 전력 전송 시스템의 수전 장치측 패시브 전극의 전위의 주파수 특성도이다.
도 16a는 조정용 교류원에 의한 진폭의 보정량이다.
도 16b는 조정용 교류원에 의한 위상의 보정량을 나타내는 도면이다.
도 17은 제7 실시형태의 전력 전송 시스템이 구비하는 전력 송전 장치의 회로도이다.
도 18은 제8 실시형태의 전력 전송 시스템의 등가회로도이다.
도 19는 제9 실시형태의 전력 전송 시스템의 등가회로도이다.
도 20은 제10 실시형태의 전력 전송 시스템의 등가회로도이다.
도 21은 제11 실시형태의 전력 전송 시스템의 등가회로도이다.
도 22는 제12 실시형태의 전력 전송 시스템의 등가회로도이다.
도 23은 전력 전송 시스템의 임피던스(Z1)의 임피던스 특성도이다.
도 24는 전력 전송 시스템의 수전 장치측 패시브 전극의 전위의 주파수 특성도이다.
도 25a는 제13 실시형태에 따른 전력 전송 시스템의 회로도이다.
도 25b는 도 25a에 도시하는 전력 전송 시스템의 등가회로도이다.
도 26은 전압비 M의 주파수 특성도이다.
도 27은 기준 전위점 TG-RG 사이의 전압의 주파수 특성도이다.
도 28은 전송 전력의 주파수 특성도이다.
도 29a는 제14 실시형태에 따른 전력 전송 시스템의 회로도이다.
도 29b는 도 29a에 도시하는 전력 전송 시스템의 등가회로도이다.
도 30은 전압비 M의 주파수 특성도이다.
도 31은 기준 전위점 TG-RG 사이의 전압의 주파수 특성도이다.
도 32는 전송 전력의 주파수 특성도이다.
도 33a는 특허문헌 1의 전력 전송 시스템의 기본구성을 나타내는 도면이다.
도 33b는 특허문헌 1의 전력 전송 시스템의 기본구성을 나타내는 도면이다.

《제1 실시형태》

제1 실시형태에 따른 전력 전송 시스템의 구성을 도 1~도 4를 참조하여 설명한다.

도 1a는 제1 실시형태에 따른 전력 전송 시스템의 회로도, 도 1b는 그 기능 블록도이다. 도 1a에 있어서 전력 송전 장치(101)의 고주파전압 발생회로(13S)는 예를 들면 100kHz~수10MHz의 고주파전압을 발생한다. 승압 트랜스(XG) 및 인덕터(LG)에 의한 승압회로(RC1)는 고주파전압 발생회로(13S)가 발생하는 전압을 승압하여 패시브 전극(12)과 액티브 전극(11)의 사이에 인가한다. 고주파전압 발생회로(13S), 승압 트랜스(XG) 및 인덕터(LG)는 본 발명에 따른 「급전회로」에 상당한다. 커패시터(CG)는 주로 전력 송전 장치(101)의 패시브 전극(12)과 액티브 전극(11)의 사이에 생기는 용량이다. 승압회로(RC1)의 인덕턴스와 커패시턴스로 공진회로가 구성된다. 여기에서 편의상, 액티브 전극·패시브 전극이라고 기재하고 있지만, 액티브 전극과 패시브 전극의 전압변동은 같아도(액티브 전극간과 패시브 전극 사이의 용량이 같아도) 된다(이하 같다).

전력 수전 장치(201)의 패시브 전극(22)과 액티브 전극(21)의 사이에는 강압 트랜스(XL) 및 인덕터(LL)에 의한 강압회로(RC2)가 접속되어 있다. 커패시터(CL)는 주로 전력 수전 장치(201)의 패시브 전극(22)과 액티브 전극(21)의 사이에 생기는 용량이다. 강압회로(RC2)의 인덕턴스와 커패시턴스로 공진회로가 구성된다. 강압 트랜스(XL)의 ２차측에는 부하(RL)가 접속되어 있다. 이 부하(RL)는 다이오드와 콘덴서에 의한 정류평활회로 및 이차전지로 구성되어 있다. 강압회로(RC2)와 부하(RL)로 구성되는 회로가 본 발명의 「부하회로」에 상당한다.

상기 송전 장치측 패시브 전극(12), 액티브 전극(11), 및 상기 수전 장치측 패시브 전극(22), 액티브 전극(21)에 의한 결합전극은 상호용량(Cm)으로 용량결합한다.

도 1b에 도시하는 바와 같이 이 전력 전송 시스템은 고주파전압 발생부(31), 전력증폭회로(32), 승압 트랜스(33), 상기 결합전극(34), 강압 트랜스(41), 정류회로(42) 및 부하(43)로 구성되어 있다. 여기에서 전력증폭회로(32) 및 승압 트랜스(33)로 도 1a에 도시한 승압회로(RC1)를 구성하고 있고, 강압 트랜스(41), 정류회로(42) 및 부하(43)로 도 1a에 도시한 부하회로를 구성하고 있다.

도 2는 제1 실시형태에 따른 전력 전송 시스템(301)을 구성하는 전력 송전 장치 및 전력 수전 장치의 주요부를 개념적으로 도시한 면도이다.

전력 전송 시스템(301)은 전력 송전 장치(101) 및 전력 수전 장치(201)로 구성되어 있다. 전력 송전 장치(101)의 하우징(10)의 상부면 부근에는 송전 장치측 액티브 전극(11)과, 이 전극(11)의 주위를 절연 상태로 둘러싸는 송전 장치측 패시브 전극(12)이 형성되어 있다. 또 전력 송전 장치(101)의 하우징(10) 내에는 액티브 전극(11)과 패시브 전극(12)의 사이에 고주파의 고전압을 인가하는 고주파 고전압 발생회로가 마련되어 있다. 이 고주파 고전압 발생회로는 고주파전압 발생회로(13S) 및 승압 트랜스(13T)를 구비하고 있다. 또 송전 장치측 액티브 전극(11)과 송전 장치측 패시브 전극(12)의 사이에 직렬회로(16)가 접속되어 있다. 이 직렬회로(16)는 액티브 전극(11)에 접속된 제1 소자(16x)와, 패시브 전극(12)측에 접속된 제2 소자(16y)로 구성되어 있고, 제1 소자(16x)와 제2 소자(16y)의 접속점인 송전 장치측 기준 전위점은 전력 송전 장치의 기준 전위에 접속되어 있다. 또한 제1 소자(16x), 제2 소자(16y)는 공간적으로 분포되는 용량성분이나 배선의 인덕턴스 성분도 포함한다. 또는 이들의 제1 소자(16x), 제2 소자(16y)는 공간적으로 분포되는 용량성분이나 배선의 인덕턴스 성분으로 구성된 소자이다.

전력 송전 장치(101)의 하우징(10)은, 예를 들면 ABS수지 등의 플라스틱의 성형체이며, 하우징(10)의 내부에 액티브 전극(11) 및 패시브 전극(12)을 일체성형함으로써 하우징(10)의 외표면을 절연 구조로 하고 있다.

전력 수전 장치(201)의 하우징(20)의 하부면 부근에는 수전 장치측 액티브 전극(21)과, 그 주위를 절연 상태로 둘러싸는 수전 장치측 패시브 전극(22)이 형성되어 있다. 또 전력 수전 장치(201)의 하우징(20) 내에는 액티브 전극(21)과 패시브 전극(22)의 사이에 유기되는 전력을 받는 부하회로(23)가 마련되어 있다. 이 예에서 패시브 전극(22)은 하우징(20)의 내주면을 따라 배치되어 있다. 따라서 부하회로(23)는 패시브 전극(22)으로 덮여 있다.

전력 수전 장치(201)의 하우징(20)도 예를 들면 ABS수지 등의 플라스틱의 성형체이며, 하우징(20)의 내부에 액티브 전극(21) 및 패시브 전극(22)을 일체성형함으로써 하우징(20)의 외표면을 절연 구조로 하고 있다.

도 3은 전력 전송 시스템(301)의 등가회로도이다. 여기에서 용량(Cp)은 송전 장치측 패시브 전극(12)과 수전 장치측 패시브 전극(22)의 사이에 생기는(등가적으로 접속되는) 용량이다. 용량(Ca)은 송전 장치측 액티브 전극(11)과 수전 장치측 액티브 전극(21)의 사이에 생기는(등가적으로 접속되는) 용량이다. 도 3에 있어서 전력 수전 장치(201) 이외의 회로부는 전력 송전 장치의 회로이다. 도 2에 도시한 회로와 동일한 부분에는 동일부호를 붙이고 있다.

도 3에 있어서 제1 소자(16x)의 임피던스를 Z1, 제2 소자(16y)의 임피던스를 Z2, 용량(Ca) 및 부하(RL)에 의한 직렬회로의 임피던스를 Z3, 용량(Cp)의 임피던스를 Z4로 각각 나타내면, 승압 트랜스(13T)의 2차측에 Z1~Z4의 브리지 회로가 접속되어 있게 된다.

도 4a, 도 4b는 상기 브리지 회로를 꺼내서 간략화한 전력 전송 시스템의 등가회로도이다. 임피던스(Z1)와 임피던스(Z2)의 접속점은 송전 장치측 기준 전위점(TG)이며, 임피던스(Z3)와 임피던스(Z4)의 접속점은 수전 장치측 기준 전위점(RG)이다. 상기 임피던스(Z1~Z4)의 임피던스를 같은 부호 Z1~Z4로 나타냈을 때 브리지 회로의 평형조건은 Z1×Z4=Z2×Z3이다. 이 평형조건을 만족하면 송전 장치측 기준 전위점(TG)과 수전 장치측 기준 전위점(RG)의 전위차는 0이 된다.

그렇기 때문에 도 4b에 도시하는 바와 같이 송전 장치측 기준 전위점(TG)이 전력 송전 장치의 그라운드 전위에 접속되어 있으면 수전 장치측 기준 전위점(RG)의 전위는 전력 송전 장치의 그라운드 전위와 같아진다. 이 수전 장치측 기준 전위점(RG)은 도 3에 도시한 대로 수전 장치측 패시브 전극(용량(Cp)의 한 단(端))이므로, 도 2에 도시한 전력 수전 장치(201)의 하우징(20)은 전력 송전 장치(101)의 그라운드 전위와 같아진다. 보통, 전력 송전 장치(101)의 그라운드 전위는 접지전위(대지전위)이므로, 상기 평형조건을 만족하도록 임피던스(Z1~Z4)를 설정함으로써 수전 장치측의 기준 전위를 접지전위(대지전위)에 가까이 할 수 있다. 그로 인해 사람이 접촉하여 정전적으로 입력하는 디바이스(용량형 터치패널) 등의 오동작을 없앨 수 있다.

《제2 실시형태》

도 5는 제2 실시형태에 따른 전력 전송 시스템(302)을 구성하는 전력 송전 장치(102) 및 전력 수전 장치(201)의 주요부를 개념적으로 도시한 단면도이다.

전력 전송 시스템(302)은 전력 송전 장치(102) 및 전력 수전 장치(201)로 구성되어 있다. 전력 송전 장치(102)의 하우징(10)의 상부면 부근에는 송전 장치측 액티브 전극(11)과, 이 전극(11)의 주위를 절연 상태로 둘러싸는 송전 장치측 패시브 전극(12)과, 이 전극(12)의 주위를 절연 상태로 둘러싸는 가드전극(15)이 형성되어 있다. 또 전력 송전 장치(102)의 하우징(10) 내에는 액티브 전극(11)과 패시브 전극(12)의 사이에 고주파전압 발생회로(13S) 및 승압 트랜스(13T)를 구비하고 있다. 또 송전 장치측 액티브 전극(11)과 송전 장치측 패시브 전극(12)의 사이에 액티브 전극(11)에 접속된 제1 소자(16x)와, 패시브 전극(12)측에 접속된 제2 소자(16y)로 구성된 직렬회로(16)가 접속되어 있다. 제1 소자(16x)와 제2 소자(16y)의 접속점인 송전 장치측 기준 전위점은 전력 송전 장치의 기준 전위에 접속되어 있다. 또 상기 가드전극(15)은 전력 송전 장치의 기준 전위에 접속되어 있다.

전력 수전 장치(201)의 구성은 제1 실시형태에서 나타낸 전력 수전 장치(201)와 같다. 수전 장치측 패시브 전극(22)은 송전 장치측 패시브 전극(12)과 대향할 뿐만 아니라 가드전극(15)과도 대향한다.

도 6은 전력 전송 시스템(302)의 등가회로도이다. 여기에서 용량(Cp)은 송전 장치측 패시브 전극(12)과 수전 장치측 패시브 전극(22)의 사이에 생기는(등가적으로 접속되는) 용량이다. 용량(Ca)은 송전 장치측 액티브 전극(11)과 수전 장치측 액티브 전극(21)의 사이에 생기는(등가적으로 접속되는) 용량이다. 또 커패시터(Co)는 가드전극(15)과 수전 장치측 패시브 전극(22)의 사이에 생기는(등가적으로 접속되는) 용량이다.

제1 소자(16x)는 커패시터(Cx)와 가변 임피던스 소자(Zx)의 병렬접속회로이다. 마찬가지로 제2 소자(16y)는 커패시터(Cy)와 가변 임피던스 소자(Zy)의 병렬접속회로이다.

도 6에 있어서 전력 수전 장치(201) 이외의 회로부는 전력 송전 장치(102)의 회로이다. 도 2에 도시한 회로와 동일한 부분에는 동일부호를 붙이고 있다.

도 6에 있어서 제1 소자(16x)의 임피던스를 Z1, 제2 소자(16y)의 임피던스를 Z2, 용량(Ca) 및 부하(RL)에 의한 직렬회로의 임피던스를 Z3, 용량(Cp)의 임피던스를 Z4로 각각 나타내면, 승압 트랜스(13T)의 2차측에 Z1~Z4의 브리지 회로가 접속되어 있게 된다. 이 브리지 회로의 평형조건은 Z1×Z4=Z2×Z3이다. 이 평형조건을 만족하면 송전 장치측 기준 전위점(TG)과 수전 장치측 기준 전위점(RG)의 전위차는 0이 된다. 평형조건으로부터 다소 벗어나 있어도 송전 장치측 기준 전위점(TG)과 수전 장치측 기준 전위점(RG)의 사이에 커패시터(Co)가 등가적으로 접속되어 있으므로, 송전 장치측 기준 전위점(TG)과 수전 장치측 기준 전위점(RG)의 사이의 임피던스는 낮아진다. 그렇기 때문에 커패시터(Co)가 존재하지 않을 경우와 비교하여 송전 장치측 기준 전위점(TG)과 수전 장치측 기준 전위점(RG)의 전위차는 작다. 따라서 수전 장치측 기준 전위점과 접지전위(대지전위)의 차이를 작게 할 수 있다.

또 결합용량(Ca, Cp)의 변동이나 부하(RL)의 변동에 의해 평형조건으로부터 동떨어질 경우에는 가변 임피던스 소자(Zx, Zy)를 적절히 조정하면 평형조건을 유지할 수 있다. 평형조건을 유지함으로써 기준 전위점 TG-RG 사이의 전위차를 작게 유지할 수 있다. 결합용량(Ca, Cp)의 변동이나 부하(RL)의 변동이 작을 경우에는 가변 임피던스 소자(Zx, Zy)는 고정이어도 된다.

즉, 제2 실시형태에 따르면 평형조건으로부터의 편차에 대한 허용도를 높일 수 있다.

상기 가변 임피던스 소자(Zx, Zy)의 조정은 피드백에 의해 상시 액티브하게 제어하는 구성으로 해도 된다. 수전 장치측에서 제어할 경우에는, 예를 들면 전력 수전 장치(201)측의 기준 전위점(RG)의 전위를 측정함으로써 평형조건으로부터의 편차를 검지하고, 이 기준 전위점(RG)의 전위가 소정의 전위가 되도록 가변 임피던스 소자 (Zx, Zy)를 피드백 제어한다. 또 송전 장치측에서 제어할 경우에는 접지전위로부터 송전 장치측의 기준 전위점(TG)에 흘러 들어가는 커먼모드 전류를 측정하고, 이 커먼모드 전류가 0이 되도록 가변 임피던스 소자(Zx, Zy)를 피드백 제어한다. 또한 가변 임피던스 소자(Zx, Zy) 중 어느 한쪽만을 가변으로 하여 피드백 제어하는 구성이어도 된다.

《제3 실시형태》

도 7은 제3 실시형태의 전력 전송 시스템이 구비하는 전력 송전 장치(103)의 회로도이다. 전력 송전 장치(103)의 하우징의 상부면 부근에는 송전 장치측 액티브 전극(11)과, 이 전극(11)의 주위를 절연 상태로 둘러싸는 송전 장치측 패시브 전극(12)이 형성되어 있다. 또 전력 송전 장치(103)의 하우징 내에는 액티브 전극(11)과 패시브 전극(12)의 사이에 고주파의 고전압을 인가하는 고주파 고전압 발생회로가 마련되어 있다. 이 고주파 고전압 발생회로는 고주파전압 발생회로(13S) 및 승압 트랜스(13T)를 구비하고 있다. 또 송전 장치측 액티브 전극(11)과 송전 장치측 패시브 전극(12)의 사이에 커패시터(C1), 가변 커패시터(C2)에 의한 직렬회로가 접속되어 있다. 이 커패시터(C1), 가변 커패시터(C2)의 접속점과 그라운드의 사이에 가변 임피던스 회로(Zw)가 접속되어 있다. 또 액티브 전극(11)과 그라운드의 사이에 커패시터(Cx), 패시브 전극(12)과 그라운드의 사이에 커패시터(Cy)가 각각 접속되어 있다.

도 8a 및 도 8b는 이 제3 실시형태의 전력 전송 시스템의 등가회로도이다. 도 7 및 도 8a에 있어서 동일소자에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 전력 전송 시스템(303)에서의 전력 수전 장치(201)의 구성은 제1·제2 실시형태에서 나타낸 것과 같다. 가변 임피던스 회로(Zw)는 도 8a에서는 가변 인덕터의 기호로 나타내고 있다.

도 8b는 도 8a에 도시한 등가회로의 커패시터(C1), 가변 커패시터(C2) 및 가변 임피던스 회로(Zw)의 Y형(스타형)회로를 Δ(델타형)회로로 변환한 등가회로도이다. 즉, 상기 Y형회로는 가변 임피던스 소자(Zx, Zy, Zz)의 Δ형회로와 등가이다. 그리고 커패시터(Cx)와 가변 임피던스 소자(Zx)로, 브리지 회로의 한 변인 임피던스 회로(Zw), 커패시터(Cy)와 가변 임피던스 소자(Zy)로 브리지 회로의 다른 한 변인 임피던스(Z2)가 구성된다.

이렇게 하여 브리지 회로의 두 변의 임피던스를 가변 임피던스 회로로 할 수 있다. 즉, 도 8a에 도시한 가변 임피던스 회로(Zw) 및 가변 커패시터(C2)로 브리지 회로의 평형조건을 만족하도록 조정할 수 있다. 특히 가변 임피던스 회로(Zw)는 평형조건의 실부(實部), 가변 커패시터(C2)는 평형조건의 허부(虛部)를 각각 조정할 수 있다. 그렇기 때문에 실부, 속이 허부 모두 평형하여 수전 장치측 기준 전위점(RG)의 전압의 진폭을 보다 작게 할 수 있다.

도 9는 도 8a에 도시하는 제3 실시형태의 전력 전송 시스템의 변형예의 등가회로도이다. 도 9에 도시하는 전력 전송 시스템(303A)에서는 도 7에 도시하는 가변 임피던스 회로(Zw)를, 병렬 접속된 인덕터(Lzw)와 가변 커패시터(Czw)로 구성하고 있다. 전력 전송 시스템(303A)에서는 이 LC병렬회로의 공진주파수를 고주파전압 발생회로(13S)가 발생하는 고주파전압의 주파수보다 높게 정한다. 즉, LC병렬회로를 유도성 영역에서 이용하고, 가변 커패시터(Czw)의 용량값을 가변시켜서 평형조건이 만족되도록 하고 있다. 이로 인해 수전측 기준 전위의 안정화가 도모된다.

《제4 실시형태》

도 10은 제4 실시형태의 전력 전송 시스템이 구비하는 전력 수전 장치(204)의 회로도이다. 이 예에서는 강압 트랜스(23T)의 ２차측에 다이오드 브리지 회로(DB) 및 커패시터(Cs)에 의한 정류평활회로가 구성되어 있다. 그리고, 이 정류평활회로의 출력부에 DC-DC컨버터(CNV)가 접속되어 있고, 이 컨버터의 출력으로 이차전지(SB)가 충전되도록 구성되어 있다.

도 11은 도 10에 도시한 전력 수전 장치(204)를 구비하는 전력 전송 시스템(304)의 등가회로도이다. 도 10에 도시한 바와 같이 다이오드 브리지에 의한 정류회로를 구성하면, 전력 수전 장치의 기준 전위는 강압 트랜스의 ２차 코일의 중점전위와 등가적으로 같아지므로 도 11에 도시하는 바와 같이 부하(RLa, RLb)의 접속점이 수전 장치측 기준 전위점(RG)이 된다. 즉, 이 수전 장치측 기준 전위점(RG)으로부터 수전 장치측 패시브 전극(용량(Cp)의 한 단)까지의 회로의 임피던스와, 수전 장치측 기준 전위점(RG)으로부터 수전 장치측 액티브 전극(용량(Ca)의 한 단)까지의 회로의 임피던스는 같고, 평형회로가 구성되게 된다.

전력 송전 장치의 구성은 제2 실시형태에서 나타낸 것과 같다. 이러한 회로 구성이어도 평형조건 Z1×Z4=Z2×Z3을 만족하도록 Zx, Zy의 임피던스를 조정하면 된다.

《제5 실시형태》

도 12는 제5 실시형태의 전력 전송 시스템이 구비하는 전력 수전 장치(205)의 회로도이다. 이 예에서는 강압 트랜스(23T)의 ２차측의 중간탭이 기준 전위이며, 양단에 다이오드(D1, D2)가 접속되어서 중간탭 정류회로가 구성되어 있다. 그리고 이 정류평활회로의 출력부에 DC-DC컨버터(CNV)가 접속되어 있고, 이 컨버터의 출력으로 이차전지(SB)가 충전되도록 구성되어 있다.

도 13은 도 12에 도시한 전력 수전 장치(205)를 구비하는 전력 전송 시스템(305)의 등가회로도이다. 도 12에 도시한 바와 같이 중간탭 정류회로를 구성하면, 전력 수전 장치의 기준 전위는 강압 트랜스의 ２차 코일의 중점전위와 등가적으로 같아지므로 도 13에 도시하는 바와 같은 등가회로가 된다.

전력 송전 장치의 구성은 제2 실시형태에서 나타낸 것과 같다. 이러한 회로 구성이어도 평형조건 Z1×Z4=Z2×Z3을 만족하도록 Zx, Zy의 임피던스를 조정하면 된다.

《제6 실시형태》

도 14는 제6 실시형태의 전력 전송 시스템(306)의 등가회로도이다. 제3 실시형태에서 도 8a에 도시한 등가회로와 달리, 조정용 교류원(13a)을 구비하고 있다. 이 조정용 교류원(13a)과 인덕터(L1)의 직렬회로의 한 단은 기준 전위(접지전위)에 접속되고, 다른 단은 커패시터(C1, C2)의 접속점에 접속되어 있다. 조정용 교류원(13a)과 인덕터(L1)로 전류원으로서 작용한다.

도 14에 도시하는 회로에 따르면 커패시터(C1, C2)에 의한 분압회로에서 회로의 중성점 근방의 전압으로 분압되고, 이 분압된 중성점 근방의 전위에 조정용 교류원(13a)에 의해 캔슬 신호가 주입된다. 제6 실시형태의 전력 전송 시스템(306)은 제3 실시형태에서 도 8a에 도시한 회로의 가변 임피던스 회로(Zw) 및 가변 커패시터(C2) 대신에 캔슬 신호를 주입하는 전류원을 마련한 것이다. 즉, 조정용 교류원(13a)의 진폭, 위상을 조정함으로써 상기 평형조건을 만족하도록 설정할 수 있다. 이로 인해 평형조건 Z1×Z4=Z2×Z3으로부터 편차가 생겨도, 그 편차에 기인하여 생기는 노이즈 성분을 캔슬하는 것이 용이해진다. 또 송전 장치와 수전 장치의 결합도의 변화나 부하 변동 등에 따라서 상기 노이즈 성분의 캔슬을 액티브하게 제어할 수 있게 된다.

상기 조정용 교류원(13a)에는 구동전원(교류전압신호)에 동기한 스위칭 회로를 이용할 수 있다.

이와 같이 제6 실시형태에 따르면 패시브한 가변 임피던스 소자를 이용하지 않고 액티브 회로로 평형조건을 만족시키도록 제어할 수 있다.

도 15a는 전력 전송 시스템(306)의 수전 장치측 패시브 전극의 전위의 주파수 특성도, 도 15b는 도 14에 도시한 조정용 교류원(13a)을 마련하지 않을 경우의 전력 전송 시스템의 수전 장치측 패시브 전극의 전위의 주파수 특성도이다.

도 16a는 조정용 교류원(13a)에 의한 진폭의 보정량, 도 16b는 조정용 교류원(13a)에 의한 위상의 보정량에 대해서 각각 나타내고 있다. 양 도면에 있어서 가로축은 부하(RL)의 임피던스이다. 상기 조정용 교류원(13a)이 회로에 주입하는 교류전류의 진폭과 위상은 피드백에 의해 정해진다. 예를 들면 접지전위로부터 송전 장치측의 기준 전위점(TG)에 흘러 들어가는 커먼모드 전류를 측정하고, 이 커먼모드 전류가 0이 되도록 조정용 교류원(13a)이 회로에 주입하는 교류전류의 진폭과 위상을 조절한다.

도 15a로부터 명백하듯이 특정 주파수(이 예에서는 298kHz)에서 전위 변동을 극소화할 수 있다. 조정용 교류원(13a)을 마련하지 않을 경우, 도 15b로부터 명백하듯이 특정 주파수에서의 전위 변동의 극소점은 생기지 않는다. 조정용 교류원(13a)을 마련하지 않을 경우, 298kHz에서의 패시브 전극의 전위는 282Vp인 것에 비해서, 조정용 교류원(13a)을 마련하여 평형조건을 만족시키면 패시브 전극의 전위는 불과 3Vp정도로까지 저감할 수 있다.

《제7 실시형태》

도 17은 제7 실시형태의 전력 전송 시스템이 구비하는 전력 송전 장치(107)의 회로도이다. 전력 송전 장치(107)의 하우징의 상부면 부근에는 송전 장치측 액티브 전극(11)과, 이 전극(11)의 주위를 절연 상태로 둘러싸는 송전 장치측 패시브 전극(12)과 보조전극(17)이 형성되어 있다. 송전 장치측 액티브 전극(11)은 수전 장치측 액티브 전극에 대향하고, 송전 장치측 패시브 전극(12)은 수전 장치측 패시브 전극에 대향한다. 또한 보조전극(17)은 수전 장치측 패시브 전극에 대향한다.

액티브 전극(11)과 패시브 전극(12)의 사이에는 승압 트랜스(13T)의 ２차측이 접속되어 있고, 이 승압 트랜스(13T)의 1차측에 전력증폭회로(14)가 접속되어 있다. 또 송전 장치측 액티브 전극(11)과 송전 장치측 패시브 전극(12)의 사이에 커패시터(C11, C12)에 의한 직렬회로 및 커패시터(C31, C32)에 의한 직렬회로가 접속되어 있다. 이 커패시터(C11, C12)의 접속점에는 인덕터(L11)가 접속되어 있다. 마찬가지로 커패시터(C31, C32)의 접속점에는 인덕터(L31)가 접속되어 있다.

전력 송전 장치(107)는 또한 제어회로(18)를 구비하고 있다. 이 제어회로(18)는 전력증폭회로(14)에 고주파전압을 출력하고, 보조전극(17)에 유기되는 신호를 검지하여 인덕터(L11, L31)에 캔슬 신호를 주입한다. 구체적으로는 제어회로(18)는 보조전극(17)에 유기되는 전압의 기본파 주파수 성분에 대해서 진폭과 위상을 검지하고, 기본파 주파수 성분에 대해서 보조전극(17)에 유기되는 전압이 0에 근접하도록 인덕터(L11)에 캔슬 신호를 주입한다. 마찬가지로 3차 고조파 성분에 대해서 보조전극(17)에 유기되는 전압이 0에 근접하도록 인덕터(L31)에 캔슬 신호를 주입한다.

도 17에 도시한 전력 송전 장치를 포함하는 전압 전송 시스템의 등가회로는 도 14에 도시한 회로에 3차 고조파 성분에 대한 캔슬 회로를 부가한 것과 같다.

이렇게 하여 기본파 주파수 성분에 한하지 않고 고조파 성분에 대해서도 상기 평형조건을 만족하도록 주입하는 캔슬 신호의 진폭과 위상을 조정함으로써, 수전 장치측 패시브 전극의 기본파 및 고조파(특히 비율이 큰 3차 고조파)에 대해서 전압을 저감할 수 있다.

《제8 실시형태》

도 18은 제8 실시형태의 전력 전송 시스템(308)의 등가회로도이다.

도 18에 도시하는 전력 전송 시스템(308)은 제2 실시형태에서 도 6에 도시한 등가회로의 가변 임피던스 소자(Zx, Zy)를 구비하지 않고, 승압 트랜스(13T)의 2차 코일이 인출단자를 구비하고 있다. 2차 코일은 인출단자에 의해 제1의 2차 코일(ns1)과 제2의 2차 코일(ns2)로 분할되어 있다. 구체적으로는 제1의 2차 코일(ns1)은 송전 장치측 액티브 전극과 인출단자의 사이에 형성되고, 제2의 2차 코일(ns2)은 송전 장치측 패시브 전극과 인출단자의 사이에 형성되어 있다.

커패시터(Cx)가 제1의 2차 코일(ns1)에 병렬로 접속되어서 임피던스(Z1)를 형성하고 있다. 이 임피던스(Z1)는 본 발명의 제1 소자에 상당한다. 또 커패시터(Cy)가 제2의 2차 코일(ns2)에 병렬로 접속되어서 임피던스(Z2)를 형성하고 있다. 이 임피던스(Z2)는 본 발명의 제2 소자에 상당한다.

전력 수전 장치(204)의 구성은 제4 실시형태에서 도 11에 도시한 것과 같다. 이 전력 전송 시스템(308)에서는 승압 트랜스(13T)의 2차 코일의 권선수, 또는 인출단자의 위치에 따라 제1의 2차 코일(ns1) 및 제2의 2차 코일(ns2)의 임피던스를 변경함으로써 평형조건 Z1×Z4=Z2×Z3을 만족시키도록 조정이 가능해 진다. 이로 인해 필요한 소자수를 적게 하면서 수전측 기준 전위의 안정화가 도모된다.

《제9 실시형태》

도 19는 제9 실시형태의 전력 전송 시스템(309)의 등가회로도이다.

도 19에 도시하는 전력 전송 시스템(309)은 제6 실시형태에서 도 14에 도시한 등가회로와 달리 커패시터(C1, C2)를 구비하고 있지 않다. 또 승압 트랜스(13T)의 2차 코일은 제8 실시형태에서 도 18에 도시한 등가회로와 마찬가지로 인출단자를 가지고, 인출단자에 의해 제1의 2차 코일(ns1)과 제2의 2차 코일(ns2)로 분할되어 있다. 제1의 2차 코일(ns1)은 기생 용량과 임피던스(Z1)를 형성하고 있다. 이 임피던스(Z1)는 본 발명의 제1 소자에 상당한다. 또 제2의 2차 코일(ns2)은 기생 용량과 임피던스(Z2)를 형성하고 있다. 이 임피던스(Z2)는 본 발명의 제2 소자에 상당한다.

2차 코일의 인출단자에는 조정용 교류원(13a)과 인덕터(L1)의 직렬회로가 접속되어 있다. 이 직렬회로는 제6 실시형태에서 도 14에 도시한 직렬회로와 같고, 조정용 교류원(13a)과 인덕터(L1)로 교류전류원으로서 작용한다. 또한 전력 수전 장치(201)의 구성은 제1 실시형태에서 나타낸 전력 수전 장치(201)와 같다.

이러한 회로 구성에 의해 필요한 소자수를 적게 하면서 수전측 기준 전위의 안정화가 도모된다. 또 평형조건 Z1×Z4=Z2×Z3으로부터 편차가 생겨도, 조정용 교류원(13a)의 진폭, 위상을 조정하여 캔슬 신호를 주입함으로써 상기 평형조건을 만족하도록 설정할 수 있다. 이로 인해 평형조건 Z1×Z4=Z2×Z3으로부터 편차가 생겨도, 그 편차에 기인하여 생기는 노이즈 성분을 캔슬하는 것이 용이해진다. 또 송전 장치와 수전 장치의 결합도의 변화나 부하 변동 등에 따라서 상기 노이즈 성분의 캔슬을 액티브하게 제어할 수 있게 된다.

《제10 실시형태》

도 20은 제10 실시형태의 전력 전송 시스템(310)의 등가회로도이다.

도 20에 도시하는 전력 전송 시스템(310)은 제9 실시형태에서 도 19에 도시한 등가회로와 달리 조정용 교류원(13a)과 인덕터(L1)의 직렬회로를 구비하고 있지 않다. 또 승압 트랜스(13T)의 2차 코일은 중간탭(Tc)을 가지고 제1의 2차 코일(ns1) 및 제2의 2차 코일(ns2)이 형성되어 있다. 또한 제1의 2차 코일(ns1)은 인출단자(T1)를 가지고, 제2의 2차 코일(ns2)은 인출단자(T2)를 가지고 있다.

또 승압 트랜스(13T)의 2차 코일과 기준 전위점(TG)의 사이에는 조정용 스위치 회로(S1)가 접속되어 있다. 조정용 스위치 회로(S1)는 중간탭(Tc) 및 인출단자(T1, T2) 중 어느 하나와 기준 전위점(TG)을 접속한다. 조정용 스위치 회로(S1)는 예를 들면 도시하지 않은 마이크로 컴퓨터 등에 의해 제어된다.

이 전력 전송 시스템(310)에서는 조정용 스위치 회로(S1)의 전환에 의해 기준 전위점(TG)의 접속처를 선택할 수 있도록 함으로써 임피던스(Z1, Z2)의 임피던스를 변경할 수 있다. 이로 인해 간이하며 저렴한 회로 구성에 의해 평형조건 Z1×Z4=Z2×Z3을 만족하도록 설정할 수 있다. 또한 중간탭(Tc)의 위치를 2차 코일의 중앙에 위치시킬 필요는 없고, 제1의 2차 코일(ns1)의 임피던스 및 제2의 2차 코일(ns2)의 임피던스로 2차 코일의 양단 전압을 분압한 전압이 기준 전위 전압에 가까워지도록 적절히 설정하면 된다.

《제11 실시형태》

도 21은 제11 실시형태의 전력 전송 시스템(311)의 등가회로도이다.

도 21에 도시하는 전력 전송 시스템(311)은 제9 실시형태에서 도 19에 도시한 등가회로와 달리 조정용 교류원(13a)과 인덕터(L1)의 직렬회로를 구비하고 있지 않다. 또 승압 트랜스(13T)의 2차 코일은 기준 전위점(TG)에 접속되는 인출단자를 가지고 있다. 승압 트랜스(13T)의 2차 코일은 인출단자에 의해 제1의 2차 코일(ns11, ns12)과 제2의 2차 코일(ns2)로 분할되어 있다.

제1의 2차 코일(ns11, ns12)은 기생 용량과 임피던스(Z1)를 형성하고 있다. 이 임피던스(Z1)는 본 발명의 제1 소자에 상당한다. 또 제2의 2차 코일(ns2)은 기생 용량과 임피던스(Z2)를 형성하고 있다. 이 임피던스(Z2)는 본 발명의 제2 소자에 상당한다. 전력 수전 장치(204)의 구성은 제4 실시형태에서 도 11에 도시한 것과 같다.

전력 전송 시스템(311)은 인덕터(Ls) 및 가변 커패시터(Cs)로 구성되는 LC병렬회로를 구비한다. 전력 전송 시스템(311)에서는 이 LC병렬회로의 공진주파수를 고주파전압 발생회로(13S)가 발생하는 고주파전압의 주파수보다 높게 정한다. 즉, LC병렬회로를 유도성 영역에서 이용하여 임피던스(Z1)의 임피던스를 조정한다. 구체적으로는 인덕터(Ls)를 제1의 2차 코일(ns12)과 결합시킴으로써 임피던스(Z1)의 임피던스를 조정하고, 평형조건 Z1×Z4=Z2×Z3을 만족시킨다. 이로 인해 수전 장치측 기준 전위의 안정화가 도모된다.

또한 가변 커패시터(Cs)는, 예를 들면 RG의 수전 장치측 기준 전위를 검지하는 미도시한 마이크로 컴퓨터에 의해 커패시턴스가 조정된다. 보다 구체적으로는 도 17에서 도시한 보조전극(17)에 유기되는 전압의 기본파 주파수 성분에 대해서 진폭과 위상을 검지하고, 기본파 주파수 성분에 대해서 보조전극(17)에 유기되는 전압이 0에 근접하도록 마이크로 컴퓨터는 가변 커패시터(Cs)의 커패시턴스를 조정한다.

《제12 실시형태》

도 22는 제12 실시형태의 전력 전송 시스템(312)의 등가회로도이다.

도 21에 도시하는 제11 실시형태의 전력 전송 시스템(311)에서는 승압 트랜스(13T)의 2차 코일에 기준 전위점에 접속되는 인출단자를 마련하고 있지만, 도 22에 도시하는 전력 전송 시스템(312)은 2차 코일에 인출단자를 마련하지 않는 구성으로 하고 있다.

도 22에 도시하는 전력 전송 시스템(312)에서는 제1 인덕터(L21)와 제2 인덕터(L22)의 직렬접속회로를 승압 트랜스(13T)의 2차 코일에 병렬 접속하고, 제1 인덕터(L21)와 기생 용량으로 임피던스(Z1)(제1 소자)를 구성하고, 제2 인덕터(L22)와 기생 용량으로 임피던스(Z2)(제2 소자)를 구성하고 있다.

용량(Ca) 및 부하(RLa)에 의한 직렬회로의 임피던스를 Z3, 용량(Cp) 및 부하(RLb)에 의한 직렬회로의 임피던스를 Z4로 각각 나타내면, 승압 트랜스(13T)의 2차측에 Z1~Z4의 브리지 회로가 접속되어 있게 된다. 이 브리지 회로의 평형조건은 Z1×Z4=Z2×Z3이다. 이 평형조건을 만족하면 송전 장치측 기준 전위점(TG)과 수전 장치측 기준 전위점(RG)의 전위차는 0이 된다.

이 구성에서는 제1의 2차 코일과 기생 용량으로 임피던스(Z1)를 형성하고, 또 제2의 2차 코일(ns2)과 기생 용량으로 임피던스(Z2)를 형성한 도 21에 도시하는 전력 전송 시스템(311)과 비교하여, 인덕터(Ls) 및 가변 커패시터(Cs)로 구성되는 LC병렬회로를 제1 인덕터(L21)에 유도결합시켜서 임피던스(Z1)(제1 소자)의 임피던스를 조정하는 것이 용이하다.

도 23은 전력 전송 시스템(312)의 임피던스(Z1)의 임피던스 특성도이다. 도 23의 세로축은 임피던스(Z1)의 임피던스이며, 가로축은 고주파전압 발생회로(13S)에 의해 인가되는 고주파전압의 주파수이다. 도 23은 가변 커패시터(Cs)의 용량값을 변동시킴으로써 임피던스(Z1)의 임피던스가 유도성의 범위에서 변동하고 있는 것을 나타내고 있다.

도 24는 전력 전송 시스템(312)의 수전 장치측 패시브 전극의 전위의 주파수 특성도이다. 도 24의 세로축은 수전 장치측 기준 전위점(RG)의 전위이며, 가로축은 고주파전압 발생회로(13S)에 의해 인가되는 고주파전압의 주파수이다. 도 24는 특정 주파수에 대하여 가변 커패시터(Cs)의 용량값을 설정함으로써 수전 장치측 기준 전위점(RG)의 전위를 저감할 수 있는 것을 나타내고 있다.

《제13 실시형태》

제1부터 제12 실시형태에서는 브리지 회로의 평형조건이 Z1×Z4=Z2×Z3을 만족하는 구성에 대해서 설명하고 있지만, 제13 실시형태에서는 평형조건 Z1×Z4=Z2×Z3을 완전히는 만족하지 않지만 평형조건 Z1×Z4=Z2×Z3에 근사시킬 수 있는 구성에 대해서 설명한다.

도 25a는 제13 실시형태에 따른 전력 전송 시스템의 회로도이며, 도 25b는 도 25a에 도시하는 전력 전송 시스템의 등가회로도이다. 여기에서 전력 전송 시스템(313)의 용량(Ca, Cp), 부하(RL), 인덕터(LL) 및 인덕터(LG) 등은 상술한 실시형태와 같다. 인덕터(LG, LL)에는 커패시터(C1a, C2p)가 접속되어 있다.

액티브 전극(11)과 송전 장치측 기준 전위점(TG)의 사이에 커패시터(Cx), 패시브 전극(12)과 송전 장치측 기준 전위점(TG)의 사이에 커패시터(Cy)가 각각 접속되어 있다. 송전 장치측 기준 전위점(TG)에는 조정용 정전류원(13b)이 접속되어 있다. 이 조정용 정전류원(13b)은 송전 장치측 기준 전위점(TG)에 캔슬 신호를 주입하는 전류원이며, 진폭, 위상을 조정함으로써 평형조건(상술한 Z1×Z4=Z2×Z3을 만족하는 조건)에 근사하도록 설정한다. 구체적으로는 커패시터(Cy)부분을 단락시켰을 경우의 송전 장치측 기준 전위점(TG)과 수전 장치측 기준 전위점(RG)의 사이의 전압을 V0, 커패시터(Cy)부분을 개방했을 경우의 전압을 V1로 하면, 전압비 M=V1/V0 <1을 만족하도록 조정용 정전류원(13b)은 캔슬 신호를 주입한다.

이하에 전압비 M을 1 미만으로 했을 때에 기준 전위점 TG-RG 사이의 전위차를 작게 유지할 수 있고, 동시에 충분한 전송 전력이 얻어지는 것을 나타낸다.

도 26은 전압비 M의 주파수 특성도이다. 도 27은 기준 전위점 TG-RG 사이의 전압의 주파수 특성도이다. 도 28은 전송 전력의 주파수 특성도이다. 도 26부터 도 28에 도시하는 도면은 도 25a 및 도 25b에 있어서 Ca=12pF, C1a=10pF, C2p=10pF, LG=14.19mH, LL=14.07mH, RL=15.32kΩ, Cx=2pF, Cy=10pF로 하고, 조정용 정전류원(13b)은 1.34mA의 캔슬 신호를 주입했을 경우의 시뮬레이션 결과이다.

도 26의 세로축은 전압비 M, 가로축은 고주파전압 발생회로(13S)에 의해 인가되는 고주파전압의 주파수이다. 도 27의 세로축은 기준 전위점 TG-RG 사이의 전압, 가로축은 고주파전압 발생회로(13S)에 의해 인가되는 고주파전압의 주파수이다. 도 28의 세로축은 전송 전력, 가로축은 고주파전압 발생회로(13S)에 의해 인가되는 고주파전압의 주파수이다. 도 26~도 28에 도시하는 바와 같이 고주파전압 발생회로(13S)에 의해 인가되는 고주파전압의 주파수가 약 300kHz인 경우에, 전송 전력 1W를 얻을 수 있고, 기준 전위점 TG-RG 사이의 전압은 약 0V가 된다. 그리고 이때의 전압비 M은 0이다. M<1/2로 하면 M<1/2이 되는 주파수 범위는 약 260kHz~약 330kHz가 되고, TG-RG전압은 0~약 40V정도로 억제되어서 전송 전력은 약 0.95~약 1.2W 범위 내로 떨어진다. 그러나 종래 구성(=송전측 패시브 전극과 송전측 기준 전위를 접속하고 있었음)에 대하여 수전측의 기준 전위의 전위 변동량을 저감하기 위해서는 본구성을 적용하고 M의 범위를 M<1로 하면 된다.

《제14 실시형태》

도 29a는 제14 실시형태에 따른 전력 전송 시스템의 회로도이며, 도 29b는 도 29a에 도시하는 전력 전송 시스템의 등가회로도이다. 전력 전송 시스템(314)의 용량(Ca, Cp), 부하(RL), 인덕터(LL), 인덕터(LG) 및 커패시터(C1a, C2p) 등은 제13 실시형태와 같다.

액티브 전극(11)과 송전 장치측 기준 전위점(TG)의 사이에 커패시터(Cx), 패시브 전극(12)과 송전 장치측 기준 전위점(TG)의 사이에 커패시터(Cy)가 각각 접속되어 있다. 송전 장치측 기준 전위점(TG)은 인덕터(Lz)를 통해 그라운드에 접속되어 있다. 또 직렬 접속된 커패시터(Cag, Cpg)가 커패시터(Cx, Cy)에 병렬 접속되어 있다. 커패시터(Cag, Cpg)의 접속점은 그라운드에 접속되어 있다.

이 구성에 있어서 제13 실시형태와 마찬가지로 전압비 M=V1/V0<1을 만족하도록 각 소자의 인덕턴스 및 커패시턴스 등이 조정된다. 이 결과, 평형조건(상술한 Z1×Z4=Z2×Z3을 충족하는 조건)에 근사하게 된다.

이하에, 전압비 M을 1 미만으로 했을 때에 기준 전위점 TG-RG 사이의 전위차를 작게 유지할 수 있고, 동시에 충분한 전송 전력이 얻어지는 것을 나타낸다.

도 30은 전압비 M의 주파수 특성도이다. 도 31은 기준 전위점 TG-RG 사이의 전압의 주파수 특성도이다. 도 32는 전송 전력의 주파수 특성도이다. 도 30부터 도 32에 도시하는 도면은 도 29a 및 도 29b에 있어서 Ca=12pF, C1a=5pF, C2p=10pF, LG=14.19mH, LL=14.07mH, RL=15.32kΩ, Cx=6pF, Cy=30pF, Cag=2pF, Cpg=10pF, Lz=31.27mH로 했을 경우의 시뮬레이션 결과이다.

도 30, 도 31 및 도 32의 세로축 및 가로축은 도 26~도 28과 같다. 도 30~도 32에 도시하는 바와 같이 고주파전압 발생회로(13S)에 의해 인가되는 고주파전압의 주파수가 약 300kHz인 경우에 전송 전력 1W를 얻을 수 있고, 기준 전위점 TG-RG 사이의 전압은 약 0V가 된다. 그리고 이때의 전압비 M은 0이다. M<1/2로 하면, M<1/2이 되는 주파수 범위는 약 295kHz~약 315kHz가 되고, TG-RG전압은 0~약 30V정도로 억제되어서 전송 전력은 거의 1.0W를 얻을 수 있다. 그러나, 종래 구성(=송전측 패시브 전극과 송전측 기준 전위를 접속하고 있었음)에 대하여 수전측의 기준 전위의 전위 변동량을 저감하기 위해서는 본 구성을 적용하여 M의 범위를 M<1로 하면 된다.

이상과 같이 제1부터 제12 실시형태에서 설명한 것과 같이 브리지 회로의 평형조건이 Z1×Z4=Z2×Z3을 만족하지 않아도, 제13 또는 제14 실시형태와 같이 평형조건 Z1×Z4=Z2×Z3에 근사시킴으로써 기준 전위점 TG-RG 사이의 전압을 약 0V로 할 수 있고, 전력 전송 중의 수전 장치측 부하회로의 동작이 안정화된다.

또한 이상에 나타낸 각 실시형태는 대표예이며 이들을 적절히 조합시켜도 되는 것은 말할 필요도 없다. 예를 들면 도 14의 등가회로로 표시되는 전력 전송 시스템의 전력 수전 장치의 구성을 도 10·도 11에서 도시되는 구성으로 해도 된다.

또 이상에 나타낸 각 실시형태에서는 가변 임피던스 및 고정 임피던스를 마련한 예를 나타냈지만 임피던스가 고정인지 가변인지는 예시이며, 어느 것이어도 된다. 임피던스를 조정할 경우에는 조정 부분 또는 조정 부분에 관련된 부분에 가변 임피던스를 마련하면 된다.

C2…가변 커패시터
Ca, Cp…결합용량
Cm…상호용량
CNV…DC-DC컨버터
D1, D2…다이오드
DB…다이오드 브리지 회로
RC1…승압회로
RC2…강압회로
RG…수전 장치측 기준 전위점
RL…부하
RLa, RLb…부하
S1…조정용 스위치 회로(접속전환회로)
SB…이차전지
TG…송전 장치측 기준 전위점
XG…승압 트랜스
XL…강압 트랜스
10…하우징
11…송전 장치측 액티브 전극
12…송전 장치측 패시브 전극
13a…조정용 교류원
13S…고주파전압 발생회로
13T…승압 트랜스
14…전력증폭회로
15…가드전극
16…직렬회로
16x…제1 소자
16y…제2 소자
17…보조전극
18…제어회로
20…하우징
21…수전 장치측 액티브 전극
22…수전 장치측 패시브 전극
23…부하회로
23T…강압 트랜스
31…고주파전압 발생부
32…전력증폭회로
33…승압 트랜스
41…강압 트랜스
42…정류회로
43…부하
101~103, 107…전력 송전 장치
201, 204, 205…전력 수전 장치
301~312…전력 전송 시스템

Claims (11)

1. 송전 장치측 제1 전극과, 송전 장치측 제2 전극과, 상기 송전 장치측 제1 전극과 상기 송전 장치측 제2 전극의 사이에 교류전압을 급전하는 급전회로를 가지는 전력 송전 장치와,
   수전 장치측 제1 전극과, 수전 장치측 제2 전극과, 상기 수전 장치측 제1 전극과 상기 수전 장치측 제2 전극의 사이에 생기는 교류전압을 받는 부하회로를 가지는 전력 수전 장치를 포함한 전력 전송 시스템에 있어서,
   상기 부하회로와 상기 수전 장치측 제2 전극의 접속점, 또는 상기 부하회로의 중점인 수전 장치측 기준 전위점은 수전 장치의 기준 전위에 접속되고,
   상기 전력 송전 장치는 상기 송전 장치측 제1 전극과 상기 송전 장치측 제2 전극의 사이에, 제1 소자가 상기 송전 장치측 제1 전극에 접속되도록 제1 소자 및 제2 소자가 직렬 접속된 직렬회로를 포함하고,
   상기 직렬회로의 상기 제1 소자와 제2 소자의 접속점인 송전 장치측 기준 전위점은 송전 장치의 기준 전위에 접속되고,
   상기 제1 소자의 임피던스를 Z1, 상기 제2 소자의 임피던스를 Z2, 상기 송전 장치측 제1 전극과 상기 수전 장치측 제1 전극의 사이에 생기는 용량 및 부하회로를 포함하는 직렬회로의 임피던스를 Z3, 상기 송전 장치측 제2 전극과 상기 수전 장치측 제2 전극의 사이에 생기는 용량을 포함하는 임피던스를 Z4로 나타냈을 때, 상기 교류전압의 기본파 주파수에 있어서 평형조건 Z1×Z4=Z2×Z3을 만족하거나, 또는 상기 평형조건에 근사시킬 수 있도록 상기 직렬회로가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 직렬회로의 상기 제2 소자는, 상기 송전 장치측 제2 전극과 상기 송전 장치측 기준 전위점의 사이에 접속 또는 형성된 용량을 가지고,
   상기 용량 사이를 단락시킨 경우의 상기 송전 장치의 기준 전위와 상기 수전 장치의 기준 전위 사이의 전압 V0과, 상기 용량 사이를 개방한 경우의 상기 송전 장치의 기준 전위와 상기 수전 장치의 기준 전위 사이의 전압 V1의 전압비 V1/V0을 1 미만으로 하여 상기 평형조건에 근사시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 송전 장치측의 기준 전위는 접지전위인 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 송전 장치측 기준 전위점과 상기 수전 장치측 기준 전위점의 사이에 용량이 접속되어 있거나, 또는 용량이 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 급전회로는,
   교류전압 발생회로와,
   1차 권선이 상기 교류전압 발생회로에 접속되고, 2차 권선이 상기 송전 장치측 제1 전극 및 상기 송전 장치측 제2 전극의 사이에 접속된 트랜스를 가지고,
   상기 2차 권선은,
   상기 송전 장치측 제1 전극의 사이에 제1의 2차 권선을 구성하고, 상기 송전 장치측 제2 전극의 사이에 제2의 2차 권선을 구성하는 인출단자를 가지고,
   상기 제1 소자의 임피던스는 상기 제1의 2차 권선의 임피던스와 상기 제1의 2차 권선에 병렬 접속된 제1 커패시터의 임피던스로 구성되고,
   상기 제2 소자의 임피던스는 상기 제2의 2차 권선의 임피던스와 상기 제2의 2차 권선에 병렬 접속된 제2 커패시터의 임피던스로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 인출단자는 상기 2차 권선의 중간탭이며,
   상기 2차 권선은,
   상기 제1의 2차 권선에 마련된 제1 인출단자와,
   상기 제2의 2차 권선에 마련된 제2 인출단자를 가지고,
   상기 송전 장치측 기준 전위를 상기 중간탭, 상기 제1 인출단자 또는 상기 제2 인출단자 중 어느 하나에 접속하는 것을 전환하는 접속전환회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 급전회로는,
   교류전압 발생회로와,
   1차 권선이 상기 교류전압 발생회로에 접속되고 2차 권선이 상기 송전 장치측 제1 전극 및 상기 송전 장치측 제2 전극의 사이에 접속된 트랜스를 가지고,
   상기 2차 권선은, 상기 송전 장치측 제1 전극과의 사이에 제1의 2차 권선을 구성하며 상기 송전 장치측 제2 전극과의 사이에 제2의 2차 권선을 구성하는 인출단자를 가지고,
   상기 제1 소자의 임피던스는 상기 제1의 2차 권선의 임피던스로 구성되고,
   상기 제2 소자의 임피던스는 상기 제2의 2차 권선의 임피던스로 구성되며,
   상기 제1의 2차 권선의 일부와 유도결합하는 인덕터 및 상기 인덕터에 접속된 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 급전회로는,
   교류전압 발생회로와,
   1차 권선이 상기 교류전압 발생회로에 접속되고 2차 권선이 상기 송전 장치측 제1 전극 및 상기 송전 장치측 제2 전극의 사이에 접속된 트랜스와,
   상기 트랜스의 2차 권선에 병렬 접속된 제1 인덕터 및 제2 인덕터로 구성되는 직렬접속회로를 가지고,
   상기 제1 소자의 임피던스는 상기 제1 인덕터의 임피던스로 구성되고,
   상기 제2 소자의 임피던스는 상기 제2 인덕터의 임피던스로 구성되며,
   상기 제1 인덕터의 일부와 유도결합하는 제3 인덕터 및 상기 제3 인덕터에 접속된 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 소자의 임피던스는 고정 임피던스와, 이 고정 임피던스에 병렬 접속된 가변 임피던스로 구성되고,
   상기 제2 소자의 임피던스는 고정 임피던스와, 이 고정 임피던스에 병렬 접속되는 가변 임피던스로 구성되며,
   상기 기본파 주파수에 있어서 상기 평형조건을 만족하도록 상기 가변 임피던스가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 교류전압의 3차 고조파 주파수에 있어서도 상기 평형조건을 만족하도록 상기 임피던스 Z1, Z2, Z3, Z4가 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 송전 장치측 기준 전위점에, 상기 평형조건으로부터의 편차에 기인하여 생기는 성분을 억제하는 캔슬 신호를 주입하는 수단을 포함한 것을 특징으로 하는 전력 전송 시스템.

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