KR20190051056A

KR20190051056A - 비접촉 급전 장치

Info

Publication number: KR20190051056A
Application number: KR1020197011512A
Authority: KR
Inventors: 고로 나카오; 도시유키 자이츠
Original assignee: 오므론 가부시키가이샤
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2019-05-14
Also published as: WO2018131261A1; CN110168853A; DE112017006816T5; JP2018113831A; US20190341809A1

Abstract

비접촉 급전 장치(1)의 수전 장치(3)는, 제1 주파수에서 공진하는 제1 공진 회로(20)와, 제1 공진 회로(20)로부터의 출력 전압을 측정하여 그 출력 전압의 측정값을 구하는 전압 검출 회로(27)와, 출력 전압의 측정값을 표시하는 정보를 포함하는 신호를 송전 장치(2)로 송신하는 송신기(28)를 갖는다. 비접촉 급전 장치(1)의 송전 장치(2)는, 제1 주파수보다도 낮은 제2 주파수에서 공진하는 제2 공진 회로(13)와, 제2 공진 회로(13)에 대하여 조절 가능한 스위칭 주파수를 갖는 교류 전력을 공급하는 전력 공급 회로(10)와, 출력 전압의 측정값을 표시하는 정보를 포함하는 신호를 수신하는 수신기(16)와, 출력 전압의 측정값에 따라, 제2 공진 회로(13) 및 전력 공급 회로(10)가 소프트 스위칭 동작을 계속하도록 스위칭 주파수를 제어하는 제어 회로(18)를 갖는다.

Description

비접촉 급전 장치

본 발명은, 비접촉 급전 장치에 관한 것이다.

종래부터, 금속의 접점 등을 통하지 않고, 공간을 통해 전력을 전송하는, 소위 비접촉 급전(와이어리스 급전이라고도 불림) 기술이 연구되고 있다.

비접촉 급전 기술의 하나로서, 전자기 유도에 의해 급전하는 방식이 알려져 있다. 전자기 유도에 의해 급전하는 방식에서는, 1차 직렬 2차(수전측) 병렬 콘덴서 방식(이하, SP 방식이라고 칭함)이 이용된다(예를 들어, 비특허문헌 1을 참조). SP 방식에서는, 1차측(송전측)에, 트랜스의 일부로서 동작하는 송신 코일과 직렬로 콘덴서가 접속되고, 2차측(수전측)에, 트랜스의 다른 일부로서 동작하는 수신 코일과 병렬로 콘덴서가 접속된다.

SP 방식에서는, 수전측의 수신 코일 및 콘덴서에 의해 구성되는 공진 회로가 병렬 공진하기 때문에, 공진 회로로부터의 출력은 정전류 출력이 된다. 그 때문에, 수전측에서 정전압 출력이 되는, 1차 직렬 2차 직렬 콘덴서 방식(이하, SS 방식이라고 칭함)과 비교하여, SP 방식 쪽이 일반적으로 제어가 어렵다. 이것은, 일반적인 전자 기기는 정전압에서 제어되기 때문이다. 또한, 송전측의 직렬 공진을 전력 전달에 이용하면, 송전측의 송신 코일과 수전측의 수신 코일 간의 결합도가 매우 낮은 상태(예를 들어, 결합도 k<0.2)에서는, 급전 시에 송전측의 공진 전류가 증대해 버려, 에너지 전송 효율이 저하되어 버린다. 그 때문에, 결합도가 높은 상태를 유지할 수 없는 용도에 있어서는, 송전측의 직렬 공진을 전력 전달에 이용하지 않는 쪽이 바람직하다. 또한, 송전측의 직렬 공진을 이용하지 않는 경우, 수전측은 병렬 공진으로 하는 쪽이 큰 전력을 전달할 수 있다. 따라서, 결합도가 매우 낮은 경우에 있어서는, 비접촉 급전 장치에 있어서, 수전측의 공진 회로가 주로 하여 전력 전달을 담당하는 회로 구성으로 되는 것이 바람직하다. 즉, SS 방식보다도 SP 방식에 따른 회로 구성으로 되는 쪽이, 전력 전달 효율을 높게 하는 것이 가능하게 된다.

한편, SP 방식에 있어서, 송전측 및 수전측의 공진 회로의 콘덴서 용량을 적절한 값으로 함으로써, 수전측의 출력 전압을 정전압으로 하는 기술이 제안되어 있다(예를 들어, 비특허문헌 2를 참조).

도이 외, 「비접촉 급전의 최대 효율의 결합 계수 k와 코일 Q에 의한 표현」, 전기학회 연구회 자료. SPC, 반도체 전력 변환 연구회, 2011년 후지타 외, 「직렬 및 병렬 공진 콘덴서를 사용한 비접촉 급전 시스템」, 전기 학회 논문지 D(산업 응용 부문지), Vol.127, No.2, pp.174-180, 2007년

그러나, 비특허문헌 2에 개시된 기술에서도, 출력 전압이 정전압이 되기 위한 공진 회로의 콘덴서 용량은 결합도에 의존하므로, 결합도가 동적으로 변화하는 환경에서 비접촉 급전 장치가 사용되는 경우에는, 이 기술을 적용하는 것은 곤란하다.

그래서, 본 발명은, 송신 코일과 수신 코일 간의 결합도가 동적으로 변화해도, 에너지 전송 효율의 저하를 억제할 수 있는 비접촉 급전 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 하나의 형태로서, 송전 장치와, 송전 장치로부터 비접촉으로 전력 전송되는 수전 장치를 갖는 비접촉 급전 장치가 제공된다. 이 비접촉 급전 장치에 있어서, 수전 장치는, 송전 장치로부터의 전력을 수신하는 수신 코일과, 수신 코일과 병렬로 접속되는 제1 공진 콘덴서를 갖고, 제1 주파수에서 공진하는 제1 공진 회로와, 제1 공진 회로로부터의 출력 전압을 측정하여 그 출력 전압의 측정값을 구하는 전압 검출 회로와, 출력 전압의 측정값을 표시하는 정보를 포함하는 신호를 송전 장치로 송신하는 송신기를 갖고, 송전 장치는, 수전 장치에 전력을 공급하는 송신 코일과, 송신 코일과 직렬로 접속되는 제2 공진 콘덴서를 갖고, 제1 주파수보다도 낮은 제2 주파수에서 공진하는 제2 공진 회로와, 제2 공진 회로에 대하여 조절 가능한 스위칭 주파수를 갖는 교류 전력을 공급하는 전력 공급 회로와, 출력 전압의 측정값을 표시하는 정보를 포함하는 신호를 수신하는 수신기와, 출력 전압의 측정값에 따라, 제2 공진 회로 및 전력 공급 회로가 소프트 스위칭 동작을 계속하도록 스위칭 주파수를 제어하는 제어 회로를 갖는다.

이 비접촉 급전 장치에 있어서, 송전 장치의 제어 회로는, 송신 코일과 수신 코일 간의 상정되는 결합도에 있어서의 제1 주파수를 포함하고, 또한, 제2 주파수를 포함하지 않는 주파수의 범위 내에서 스위칭 주파수를 제어하는 것이 바람직하다.

이 경우에 있어서, 스위칭 주파수가 제어되는 주파수의 범위는, 그 주파수의 범위의 하한 주파수가 상정되는 결합도의 최솟값에 있어서의 제1 주파수가 되도록 설정되는 것이 바람직하다. 그리고 제어 회로는, 출력 전압의 측정값이 제1 전압을 초과하면 스위칭 주파수를 그 주파수의 범위의 상한 주파수로 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 이 비접촉 급전 장치에 있어서, 송전 장치의 제어 회로는, 출력 전압의 측정값과 제1 공진 회로가 공진할 때의 출력 전압의 차가 작아지도록 스위칭 주파수를 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 비접촉 급전 장치는, 송신 코일과 수신 코일 간의 결합도가 동적으로 변화해도, 에너지 전송 효율의 저하를 억제할 수 있다고 하는 효과를 발휘한다.

도 1의 (A)는, SP 방식에 있어서, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수보다도 수전측의 공진 회로의 공진 주파수가 클 때의, 수전측의 공진 회로의 출력 전압의 주파수 특성의 일례를 도시하는 도면이다. 도 1의 (B)는, SP 방식에 있어서, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수와 수전측의 공진 회로의 공진 주파수가 대략 동등할 때의, 수전측의 공진 회로의 출력 전압의 주파수 특성의 일례를 도시하는 도면이다.
도 2의 (A)는, 송전측 및 수전측의 공진 회로를 도 1의 (A)와 동일한 공진 회로로 한 때의, 송신 코일에 흐르는 전류의 주파수 특성을 나타낸다. 도 2의 (B)는, 송전측 및 수전측의 공진 회로를 도 1의 (B)와 동일한 공진 회로로 한 때의, 송신 코일에 흐르는 전류의 주파수 특성을 나타낸다.
도 3은, 본 발명의 하나의 실시 형태에 따른 비접촉 급전 장치의 개략 구성도이다.
도 4는, 스위칭 주파수의 제어와, 결합도마다의 출력 전압의 주파수 특성의 관계의 일례를 도시하는 도면이다.

이하, 본 발명의 하나의 실시 형태에 의한 비접촉 급전 장치를, 도면을 참조하면서 설명한다. 이 비접촉 급전 장치는, SP 방식을 따라서 송전 장치로부터 수전 장치로 급전한다. 여기서, 발명자는, 송전 장치의 공진 회로의 공진 주파수와 수전 장치의 공진 회로의 공진 주파수를 근접시키면, 급전 가능한 최대 전력은 증가하지만, 특히 결합도가 낮은 경우에 있어서, 송전 장치의 공진 회로에 포함되는 송신 코일에 흐르는 전류도 증대하여, 에너지 전송 효율이 반드시 향상되지는 않는 것에 착안하였다.

도 1의 (A)는, SP 방식에 있어서, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수보다도 수전측의 공진 회로의 공진 주파수가 클 때의, 수전측의 공진 회로의 출력 전압의 주파수 특성의 일례를 도시하는 도면이다. 또한 도 1의 (B)는, SP 방식에 있어서, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수와 수전측의 공진 회로의 공진 주파수가 대략 동등할 때의, 수전측의 공진 회로의 출력 전압의 주파수 특성의 일례를 도시하는 도면이다. 도 1의 (A) 및 도 1의 (B)에 있어서, 횡축은 주파수를 나타내고, 종축은 전압을 나타낸다. 그리고 도 1의 (A)에 도시되는 그래프(101)는, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수보다도 수전측의 공진 회로의 공진 주파수가 클 때의, 수전측의 공진 회로의 출력 전압의 주파수 특성을 나타낸다. 또한, 도 1의 (B)에 도시되는 그래프(102)는, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수와 수전측의 공진 회로의 공진 주파수가 대략 동등할 때의, 수전측의 공진 회로의 출력 전압의 주파수 특성을 나타낸다. 그래프(101)에 도시된 바와 같이, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수보다도 수전측의 공진 회로의 공진 주파수가 큰 경우, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수 f1, 또는, 수전측의 공진 회로의 공진 주파수 f2에 있어서, 출력 전압이 피크가 된다. 한편, 그래프(102)에 도시된 바와 같이, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수와 수전측의 공진 회로의 공진 주파수가 대략 동등한 경우에는, 송전측과 수전측에서 공통되는 공진 주파수 f3에 있어서 출력 전압이 피크가 된다. 그리고 그 피크 전압은, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수보다도 수전측의 공진 회로의 공진 주파수가 큰 경우에 있어서의, 어느 것의 전압의 피크보다도 높아진다.

도 2의 (A)는, 송전측 및 수전측의 공진 회로를 도 1의 (A)와 동일한 공진 회로로 한 때의, 송전측의 공진 회로의 송신 코일에 흐르는 전류의 주파수 특성을 나타낸다. 또한 도 2의 (B)는, 송전측 및 수전측의 공진 회로를 도 1의 (B)와 동일한 공진 회로로 한 때의, 송전측의 공진 회로의 송신 코일에 흐르는 전류의 주파수 특성을 나타낸다. 도 2의 (A) 및 도 2의 (B)에 있어서, 횡축은 주파수를 나타내고, 종축은 전류를 나타낸다. 그리고 도 2의 (A)에 도시되는 그래프(201)는, 도 1의 (A)에 도시되는 수전측의 공진 회로의 출력 전압의 주파수 특성에 대응하는, 송신 코일에 흐르는 전류의 주파수 특성을 나타낸다. 또한, 도 2의 (B)에 도시되는 그래프(202)는, 도 1의 (B)에 도시되는 수전측의 공진 회로의 출력 전압의 주파수 특성에 대응하는, 송신 코일에 흐르는 전류의 주파수 특성을 나타낸다. 그래프(201) 및 그래프(202)에 도시된 바와 같이, 수전측의 공진 회로의 출력 전압이 동일해도, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수와 수전측의 공진 회로의 공진 주파수가 대략 동등한 경우 쪽이, 송신 코일에 흐르는 전류는 커진다. 예를 들어, 그래프(101) 및 그래프(102)에 도시된 바와 같이, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수보다도 수전측의 공진 회로의 공진 주파수가 큰 경우에 있어서의, 수전측의 공진 주파수 f2에서의 출력 전압과, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수와 수전측의 공진 회로의 공진 주파수가 대략 동등한 경우에 있어서의, 주파수 f4에서의 출력 전압이 대략 동등해진다. 이에 비해, 그래프(201) 및 그래프(202)에 도시된 바와 같이, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수보다도 수전측의 공진 회로의 공진 주파수가 큰 경우에 있어서의, 공진 주파수 f2에서의 송신 코일에 흐르는 전류값 I1보다도, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수와 수전측의 공진 회로의 공진 주파수가 대략 동등한 경우에 있어서의, 주파수 f4에서의 송신 코일에 흐르는 전류값 I2쪽이 크다. 이것으로부터, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수와 수전측의 공진 회로의 공진 주파수를 동등하게 하는 것보다도, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수보다도 수전측의 공진 회로의 공진 주파수를 크게 하는 쪽이, 에너지 전송 효율이 높아지는 것을 알 수 있다. 이것은, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수와 수전측의 공진 회로의 공진 주파수가 동등한 경우, 송신 코일과 수신 코일 간의 결합도가 낮아질수록, 송신 코일과 수신 코일 간의 상호 인덕턴스가 작아지고, 그 결과로서, 부하와는 무관계로 송신 코일에 흐르는 전류가 증가하기 때문이다.

그래서 이 비접촉 급전 장치에서는, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수보다도 수전측의 공진 회로의 공진 주파수가 높아지도록, 송전측 및 수전측의 공진 회로의 각 회로 소자 상수가 설정된다. 그리고 이 비접촉 급전 장치는, 상정되는 결합도에 따라서 설정되는, 수전측의 공진 회로의 공진 주파수를 포함하고, 송전측의 공진 회로의 공진 주파수를 포함하지 않는 주파수의 범위 내에서 송전측의 공진 회로의 스위칭 주파수를 제어함으로써, 송신 코일에 흐르는 전류를 억제한다. 또한, 이 비접촉 급전 장치는, 수전측의 공진 회로의 출력 전압을 측정하고, 그 측정값이 소정의 역치를 초과하지 않도록 스위칭 주파수를 제어함으로써, 송전측의 공진 회로가 소프트 스위칭 동작을 계속하는 것을 가능하게 한다.

도 3은, 본 발명의 하나의 실시 형태에 따른 비접촉 급전 장치의 개략 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 비접촉 급전 장치(1)는, 송전 장치(2)와, 송전 장치(2)로부터 공간을 통해 급전되는 수전 장치(3)를 갖는다. 송전 장치(2)는, 전력 공급 회로(10)와, 콘덴서(14) 및 송신 코일(15)을 갖는 공진 회로(13)와, 수신기(16)와, 게이트 드라이버(17)와, 제어 회로(18)를 갖는다. 한편, 수전 장치(3)는, 수신 코일(21) 및 콘덴서(22)를 갖는 공진 회로(20)와, 정류 평활 회로(23)와, 부하 회로(26)와, 전압 검출 회로(27)와, 송신기(28)를 갖는다.

우선, 송전 장치(2)에 대하여 설명한다.

전력 공급 회로(10)는, 조절 가능한 스위칭 주파수를 갖는 교류 전력을 공진 회로(13)로 공급한다. 그 때문에, 전력 공급 회로(10)는, 직류 전원(11)과, 2개의 스위칭 소자(12-1, 12-2)를 갖는다.

직류 전원(11)은, 소정의 전압을 갖는 직류 전력을 공급한다. 그 때문에, 직류 전원(11)은, 예를 들어 배터리를 갖고 있어도 된다. 혹은, 직류 전원(11)은, 상용의 교류 전원과 접속되어, 그 교류 전원으로부터 공급된 교류 전력을 직류 전력으로 변환하기 위한 전파 정류 회로 및 평활 콘덴서를 갖고 있어도 된다.

2개의 스위칭 소자(12-1, 12-2)는, 직류 전원(11)의 정극측 단자와 부극측 단자 사이에 직렬로 접속된다. 또한 본 실시 형태에서는, 직류 전원(11)의 정극측에, 스위칭 소자(12-1)가 접속되고, 한편, 직류 전원(11)의 부극측에, 스위칭 소자(12-2)가 접속된다. 각 스위칭 소자(12-1, 12-2)는, 예를 들어 n 채널형의 MOSFET로 할 수 있다. 그리고 스위칭 소자(12-1)의 드레인 단자는, 직류 전원(11)의 정극측 단자와 접속되고, 스위칭 소자(12-1)의 소스 단자는, 스위칭 소자(12-2)의 드레인 단자와 접속된다. 또한, 스위칭 소자(12-2)의 소스 단자는, 직류 전원(11)의 부극측 단자와 접속된다. 또한, 스위칭 소자(12-1)의 소스 단자, 및 스위칭 소자(12-2)의 드레인 단자는, 콘덴서(14)를 통해 송신 코일(15)의 일단부에 접속되고, 스위칭 소자(12)-2의 소스 단자는, 송신 코일(15)의 타단부에 직접 접속된다.

또한, 각 스위칭 소자(12-1, 12-2)의 게이트 단자는, 게이트 드라이버(17)를 통해 제어 회로(18)와 접속된다. 또한, 각 스위칭 소자(12-1, 12-2)의 게이트 단자는, 온이 되는 전압이 인가된 때에 그 스위칭 소자가 온이 되는 것을 보증하기 위해서, 각각, 저항 R1, R2를 통해 소스 단자와 접속된다. 그리고 각 스위칭 소자(12-1, 12-2)는, 제어 회로(18)로부터의 제어 신호에 따라서, 조정 가능한 스위칭 주파수에서 교대로 온/오프가 전환된다. 이에 의해, 직류 전원(11)로부터 공급된 직류 전력은, 콘덴서(14)에 의한 충방전을 통해 교류 전력으로 변환되어, 콘덴서(14) 및 송신 코일(15)로 이루어지는 공진 회로(13)에 공급된다.

공진 회로(13)는, 제2 공진 회로의 일례이고, 서로 직렬로 접속되는 콘덴서(14)와 송신 코일(15)에 의해 형성되는 LC 공진 회로이다.

콘덴서(14)의 일단은, 송신 코일(15)의 일단과 접속되고, 콘덴서(14)의 타단은, 직류 전원(11)의 부극측 단자 및 스위칭 소자(12-2)의 소스 단자와 접속된다. 또한, 송신 코일(15)의 타단은, 스위칭 소자(12-1)의 소스 단자, 및 스위칭 소자(12-2)의 드레인 단자와 접속된다. 또한, 콘덴서(14)와 송신 코일(15)의 접속 순서는 교체되어도 된다.

그리고 공진 회로(13)는, 전력 공급 회로(10)로부터 공급된 교류 전력을, 공간을 통해 수전 장치(3)의 공진 회로(20)로 전송한다.

수신기(16)는, 수전 장치(3)의 송신기(28)로부터 무선 신호를 수신할 때마다, 그 무선 신호로부터, 수전 장치(3)의 공진 회로(20)의 출력 전압 측정값을 표시하는 정보를 취출하여, 제어 회로(18)로 출력한다. 그 때문에, 수신기(16)는, 예를 들어 소정의 무선 통신 규격에 준하여 무선 신호를 수신하는 안테나와, 그 무선 신호를 복조하는 통신 회로를 갖는다. 또한, 소정의 무선 통신 규격은, 예를 들어 ISO/IEC 15693, ZigBee(등록 상표), 혹은 Bluetooth(등록 상표)로 할 수 있다.

게이트 드라이버(17)는, 제어 회로(18)로부터, 각 스위칭 소자(12-1, 12-2)의 온/오프를 전환하는 제어 신호를 수신하고, 그 제어 신호에 따라, 각 스위칭 소자(12-1, 12-2)의 게이트 단자에 인가하는 전압을 변화시킨다. 즉, 게이트 드라이버(17)는, 스위칭 소자(12-1)를 온으로 하는 제어 신호를 수취하면, 스위칭 소자(12-1)의 게이트 단자에, 스위칭 소자(12-1)가 온이 되고, 직류 전원(11)로부터의 전류가 스위칭 소자(12-1)를 흐르게 되는, 상대적으로 높은 전압을 인가한다. 한편, 게이트 드라이버(17)는, 스위칭 소자(12-1)를 오프로 하는 제어 신호를 수취하면, 스위칭 소자(12-1)의 게이트 단자에, 스위칭 소자(12-1)가 오프가 되고, 직류 전원(11)로부터의 전류가 스위칭 소자(12-1)를 흐르지 않게 되는, 상대적으로 낮은 전압을 인가한다. 게이트 드라이버(17)는, 스위칭 소자(12-2)에 대해서도 마찬가지로, 게이트 단자에 인가하는 전압을 제어한다.

제어 회로(18)는, 예를 들어 불휘발성의 메모리 회로 및 휘발성의 메모리 회로와, 연산 회로와, 다른 회로와 접속하기 위한 인터페이스 회로를 갖는다. 그리고 제어 회로(18)는, 수신기(16)로부터 출력 전압의 측정값을 수취할 때마다, 그 측정값에 따라, 전력 공급 회로(10) 및 공진 회로(13)의 스위칭 주파수를 제어한다.

그 때문에, 본 실시 형태에서는, 제어 회로(18)는, 스위칭 소자(12-1)와 스위칭 소자(12-2)가 교대로 온이 되고, 또한, 스위칭 주파수에 대응하는 1주기 내에서 스위칭 소자(12-1)가 온이 되고 있는 기간과 스위칭 소자(12-2)가 온이 되고 있는 기간이 동등해지도록, 각 스위칭 소자(12-1, 12-2)를 제어한다. 또한, 제어 회로(18)는, 스위칭 소자(12-1)와 스위칭 소자(12-2)가 동시에 온이 되고, 직류 전원(11)이 단락되는 것을 방지하기 위해서, 스위칭 소자(12-1)와 스위칭 소자(12-2)의 온/오프를 전환할 때에, 양쪽의 스위칭 소자가 오프가 되는 데드 타임을 마련해도 된다.

또한, 제어 회로(18)에 의한 각 스위칭 소자(12-1, 12-2)의 제어의 상세에 대해서는 후술한다.

이어서, 수전 장치(3)에 대하여 설명한다.

공진 회로(20)는, 제1 공진 회로의 일례이고, 서로 병렬로 접속되는 수신 코일(21)과 콘덴서(22)로 이루어지는 LC 공진 회로이다. 그리고 공진 회로(20)가 갖는 수신 코일(21)의 일단이 콘덴서(22)의 일단에 접속됨과 함께, 정류 평활 회로(23)의 한쪽의 입력 단자에 접속된다. 또한, 수신 코일(21)의 타단이 콘덴서(22)의 타단에 접속됨과 함께, 정류 평활 회로(23)의 다른 쪽의 입력 단자에 접속된다.

수신 코일(21)은, 송전 장치(2)의 송신 코일(15)에 흐르는 교류 전류와 공진함으로써, 송신 코일(15)로부터 전력을 수신한다. 그리고 수신 코일(21)은, 콘덴서(22)를 통해 수신한 전력을 정류 평활 회로(23)로 출력한다. 또한, 수신 코일(21)의 감기 수와, 송전 장치(2)의 송신 코일(15)의 감기 수는 동일해도 되고, 혹은, 상이해도 된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 공진 회로(20)의 공진 주파수가 송전 장치(2)의 공진 회로(13)의 공진 주파수보다도 높아지도록, 각 코일의 인덕턴스 및 각 콘덴서의 정전 용량은 설정된다. 즉, 다음 식의 관계가 만족되도록, 각 코일의 인덕턴스 및 각 콘덴서의 정전 용량은 설정된다.

여기서, C_b는, 콘덴서(14)의 정전 용량이고, L₁은, 송신 코일(15)의 인덕턴스이다. 그리고 f_r1은, 공진 회로(13)의 공진 주파수이다. 또한 C_p는, 콘덴서(22)의 정전 용량이고, L₂는, 수신 코일(21)의 인덕턴스이다. L_r2는, 송전 코일(15)을 단락한 때의 수전 코일(21)의 인덕턴스이고, k는 송신 코일(15)과 수신 코일(21)의 결합도이다. 그리고 f_r2는, 공진 회로(20)의 공진 주파수이다. 예를 들어, f_r1=10kHz가 되고, 상정되는 결합도(예를 들어, k=0.1 내지 0.5)에 있어서 f_r2=100kHz가 되도록, 각 코일의 인덕턴스 및 각 콘덴서의 정전 용량이 설정되면 된다.

콘덴서(22)는, 그 일단에서 수신 코일(21)과 접속되고, 타단에서 정류 평활 회로(23)와 접속된다. 그리고 콘덴서(22)는, 수신 코일(21)에서 수신한 전력을, 정류 평활 회로(23)로 출력한다.

정류 평활 회로(23)는, 브리지 접속된 4개의 다이오드를 갖는 전파 정류 회로(24)와 평활 콘덴서(25)를 갖고, 수신 코일(21) 및 콘덴서(22)에 의해 수신된 전력을 정류하고, 또한, 평활화하여, 직류 전력으로 변환한다. 그리고 정류 평활 회로(23)는, 그 직류 전력을, 부하 회로(26)에 출력한다.

전압 검출 회로(27)는, 전파 정류 회로(24)의 양쪽 단자 간의 출력 전압을 소정의 주기마다 측정한다. 전파 정류 회로(24)의 양쪽 단자 간의 출력 전압은, 공진 회로(20)의 출력 전압과 일대일로 대응하므로, 전파 정류 회로(24)의 양쪽 단자 간의 출력 전압의 측정값은, 간접적으로 공진 회로(20)의 출력 전압 측정값이 된다. 전압 검출 회로(27)는, 예를 들어 직류 전압을 검출할 수 있는 공지된 여러가지 전압 검출 회로 중 어느 것으로 할 수 있다. 또한, 소정의 주기는, 예를 들어 송전 장치(2)의 공진 회로(13)의 스위칭 주파수의 상정되는 최솟값에 상당하는 주기보다도 길게, 예를 들어 10msec 내지 1sec로 설정된다. 그리고 전압 검출 회로(27)는, 그 출력 전압의 측정값을 표시하는 전압 검출 신호를 송신기(28)로 출력한다.

송신기(28)는, 전압 검출 회로(27)로부터 전압 검출 신호를 수신할 때마다, 그 전압 검출 신호로 나타나는 출력 전압의 측정값을 표시하는 정보를 포함하는 무선 신호를 생성하고, 그 무선 신호를 송전 장치(2)의 수신기(16)를 향하여 송신한다. 그 때문에, 송신기(28)는, 예를 들어 소정의 무선 통신 규격에 준하여 무선 신호를 생성하는 통신 회로와, 그 무선 신호를 출력하는 안테나를 갖는다. 또한, 소정의 무선 통신 규격은, 수신기(16)와 마찬가지로, 예를 들어 ISO/IEC 15693, ZigBee(등록 상표), 혹은 Bluetooth(등록 상표)로 할 수 있다. 또한, 출력 전압의 측정값을 표시하는 정보는, 예를 들어 출력 전압의 측정값 자체, 혹은, 출력 전압의 측정값이 취할 수 있는 값의 범위를 복수의 랭크로 분할했을 때의, 측정값이 속하는 랭크를 표시하는 정보로 할 수 있다. 이 경우, 랭크는, 예를 들어 기준 전압 미만, 기준 전압 이상 상한 전압 미만, 및 상한 전압 이상으로 할 수 있다. 또한, 기준 전압 및 상한 전압에 대해서는 후술한다.

이하, 비접촉 급전 장치(1)의 동작 상세에 대하여 설명한다.

본 실시 형태에서는, 송전 장치(2)의 제어 회로(18)는, 수신기(16)로부터 출력 전압의 측정값을 수취할 때마다, 스위칭 주파수, 즉, 각 스위칭 소자(12-1, 12-2)의 온/오프 전환 주기를 소정의 주파수 범위 내에서 제어한다. 또한, 소정의 주파수 범위는, 예를 들어 수전 장치(3)가 수취할 수 있는 전력을 크게 하기 위해서, 상정되는 결합도에 있어서의, 수전 장치(3)의 공진 회로(20)의 공진 주파수 f_r2를 포함하도록 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 소정의 주파수 범위의 하한 주파수는, 송전 장치(2)의 공진 회로(13)의 송신 코일(15)에 흐르는 전류가 증대하여 에너지 전송 효율이 저하되는 것을 억제하기 위해서, 공진 회로(13)의 공진 주파수 f_r1보다도 높아지도록 설정된다.

여기서, (1) 식으로부터 명백한 바와 같이, 결합도 k가 커질수록, 수전 장치(3)의 공진 회로(20)의 공진 주파수 f_r2도 높아진다. 또한, 부하 회로(26)의 저항이 클수록, 전파 정류 회로(24)가 갖는 다이오드의 도통 각이 좁아지고, 그 결과로서 수신 코일(21)의 정전 용량 영향을 받기 어려워지기 때문에, 공진 주파수 f_r2는 높아진다.

따라서, 소정의 주파수 범위의 하한 주파수 fmin은, 예를 들어 급전이 실행되는 경우에 있어서 상정되는 결합도의 최솟값 및 상정되는 부하 회로(26)의 저항의 최솟값에 대응하는 공진 주파수 f_r2로 할 수 있다. 또한, 소정의 주파수 범위의 상한 주파수 fmax는, 상정되는 결합도의 최댓값 및 상정되는 부하 회로(26)의 저항의 최댓값에 대응하는 공진 주파수 f_r2보다도 높은 주파수로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 부하 회로(26)의 저항값이 일정, 또는, 부하 회로(26)의 저항값의 변동을 무시할 수 있는 정도인 경우에는, 하한 주파수 fmin은, 상정되는 결합도의 최솟값에 대응하는 공진 주파수 f_r2로 할 수 있다.

또한, 제어 회로(18)는, 송신 코일(15)에 흐르는 전류를 억제하여, 에너지 전송 효율을 향상하기 위해서, 전압 검출 회로(27)에 의한 전압의 측정값이 기준 전압에 근접하도록 스위칭 주파수를 제어한다. 여기서, 기준 전압은, 예를 들어 공진 주파수 f_r2가 하한 주파수 fmin과 동등할 때의 공진 회로(20)의 출력 전압으로 할 수 있다.

또한, 에너지 전송 효율을 향상하기 위해서는, 송전 장치(2)의 전력 공급 회로(10) 및 공진 회로(13)가 계속하여 소프트 스위칭(유도성) 동작하는 것이 바람직하다. 전력 공급 회로(10) 및 공진 회로(13)가 소프트 스위칭 동작하기 위해서는, 송신 코일(15)을 흐르는 전류의 위상이 스위칭 전압의 위상보다도 늦은 것이 바람직하다. 이에 의해, 예를 들어 스위칭 소자(12-1)가 온이 될 때에, 스위칭 소자(12-1)의 소스 단자로부터 드레인 단자를 향하여 전류가 흐르게 되므로, 전력 공급 회로(10) 및 공진 회로(13)가 소프트 스위칭 동작하게 되고, 스위칭 손실의 발생이 억제된다.

그러나, 결합도와, 하기의 (2) 식으로 표시되는 수신 코일(21)의 Q값의 곱(이하, kQ곱이라고 칭함)이 커질수록, 송신 코일(15)을 흐르는 전류의 위상이 상대적으로 진행한다.

여기서, R은, 부하 회로(26)의 저항값을 나타낸다. 그리고 kQ곱이 소정의 값보다도 커지면, 송신 코일(15)을 흐르는 전류의 위상이 스위칭 전압의 위상보다도 빨라지고, 전력 공급 회로(10) 및 공진 회로(13)는, 하드 스위칭(용량성) 동작이 되고, 에너지 전송 효율이 저하된다. 또한, kQ곱이 커질수록, 공진 회로(20)의 출력 전압은 높아진다. 이것으로부터, 전압 검출 회로(27)에 의한 전압의 측정값에 의해, 전력 공급 회로(10) 및 공진 회로(13)의 동작이 소프트 스위칭 동작이 되는지, 하드 스위칭 동작이 되는지를 알 수 있다.

그래서, 본 실시 형태에서는, 전압 검출 회로(27)에 의한 출력 전압의 측정값에 대한 상한 전압 Vth가 미리 설정된다. 그리고 그 상한 전압 Vth는, 전력 공급 회로(10) 및 공진 회로(13)가 소프트 스위칭 동작할 때의 전파 정류 회로(24)의 양쪽 단자 간의 출력 전압의 최댓값으로부터 소정의 오프셋 전압(예를 들어, 그 출력 전압의 최댓값의 0.005 내지 0.02를 곱한 값)을 감한 값으로 설정된다. 그리고 제어 회로(18)는, 전압 검출 회로(27)에 의한 출력 전압의 측정값이 상한 전압 Vth 이하로 되도록, 스위칭 주파수를 제어함으로써, 전력 공급 회로(10) 및 공진 회로(13)가 소프트 스위칭 동작을 계속할 수 있도록 하여, 에너지 전송 효율의 저하를 억제한다.

또한, 상한 주파수 fmax, 하한 주파수 fmin, 기준 전압 Vr 및 상한 전압 Vth는, 제어 회로(18)가 갖는 불휘발성의 메모리에 미리 기억된다.

도 4는, 스위칭 주파수의 제어와, 결합도마다의 출력 전압의 주파수 특성의 관계의 일례를 도시하는 도면이다. 도 4에 있어서, 횡축은 주파수를 나타내고, 종축은 전압을 나타낸다. 그래프(401 내지 404)는, 각각, 결합도 k1 내지 k4일 때의 전파 정류 회로(24)의 양쪽 단자 간의 출력 전압의 주파수 특성을 나타낸다. 단, k1<k2<k3<k4이고, 결합도 k1은, 상정되는 결합도의 최솟값이고, 결합도 k4는, 상정되는 결합도의 최댓값이다.

송신 코일(15)과 수신 코일(23)의 결합도가 k1인 경우, 제어 회로(18)는, 스위칭 주파수가 하한 주파수 fmin이 되도록 제어함으로써, 상태(411)에 도시된 바와 같이, 출력 전압은 기준 전압 Vr이 되고, 에너지 전송 효율을 저하시키지 않고 수전 장치(3)로 급전시킬 수 있다. 여기서, 송전 장치(2)와 수전 장치(3)의 위치 관계가 변화하여, 결합도가 k1로부터 k2로 바뀌면, 상태(412)에 도시된 바와 같이, 전력 공급 회로(10) 및 공진 회로(13)가 하한 주파수 fmin에서 스위칭 동작하고 있어도, 출력 전압은 상승한다. 그러나 이 경우에는, 출력 전압은 상한 전압 Vth를 초과하지 않으므로, 제어 회로(18)는, 스위칭 주파수를 소정의 주파수 변경량(예를 들어, 5kHz 내지 10kHz)씩 상승시킴으로써, 상태(413)에 도시된 바와 같이, 출력 전압을 기준 전압 Vr에 근접시킬 수 있다.

한편, 송전 장치(2)와 수전 장치(3)의 위치 관계가 변화하여, 결합도가 k1로부터 k3으로 바뀌면, 상태(414)에 도시된 바와 같이, 출력 전압은 상한 전압 Vth에 가까워진다. 그 때문에, 제어 회로(18)가 스위칭 주파수를 소정의 주파수 변경량씩 상승시킴에 따라서 출력 전압이 상한 전압 Vth를 초과하게 된다. 그래서 제어 회로(18)는, 출력 전압의 측정값이 상한 전압 Vth에 달하면, 스위칭 주파수를 상한 주파수 fmax로 설정함으로써, 출력 전압을 내린다. 또한, 이 경우, 상한 주파수 fmax는, 공진 회로(20)의 공진 주파수보다도 높으므로, 상태(415)에 도시된 바와 같이, 출력 전압은 기준 전압 Vr보다도 낮아진다. 그래서 제어 회로(18)는, 스위칭 주파수를 상한 주파수 fmax로 설정한 후, 상태(416)에 도시된 바와 같이, 출력 전압의 측정값이 기준 전압 Vr에 도달할 때까지, 소정의 주파수 변경량씩 스위칭 주파수를 저하시키면 된다.

또한, 송전 장치(2)와 수전 장치(3)의 위치 관계가 변화하여, 결합도가 k1로부터 k4로 바뀌면, 출력 전압은 상한 전압 Vth를 초과한다. 그래서 이 경우에는, 제어 회로(18)는, 스위칭 주파수를 상한 주파수 fmax로 설정한다. 이에 의해, 상태(417)에 도시된 바와 같이, 출력 전압은 기준 전압 Vr에 근접한다.

또한, 제어 회로(18)는, 출력 전압의 측정값이 기준 전압 Vr보다도 낮은 경우에는, 출력 전압의 측정값이 기준 전압 Vr에 도달할 때까지, 스위칭 주파수를 소정의 주파수 변경량씩 저하시키면 된다.

이상의 동작을 통합하면, 전압 검출 회로(27)에 의한 출력 전압의 측정값이 기준 전압 Vr 미만인 경우, 제어 회로(18)는, 스위칭 주파수를 소정 주파수만큼 저하시킨다. 한편, 출력 전압의 측정값이 기준 전압 Vr보다도 높고, 또한, 상한 전압 Vth보다도 낮은 경우, 제어 회로(18)는, 스위칭 주파수를 소정 주파수만큼 상승시킨다. 그리고 출력 전압의 측정값이 상한 전압 Vth 이상으로 되는 경우, 제어 회로(18)는, 스위칭 주파수를 상한 주파수 fmax로 설정한다. 또한, 출력 전압의 측정값과 기준 전압 Vr의 차의 절댓값이 소정의 허용 범위(예를 들어, 기준 전압 Vr의 ±3 내지 5％) 내인 경우에는, 제어 회로(18)는, 스위칭 주파수를 변경시키지 않아도 된다.

또한, 스위칭 주파수를 수전 장치(3)의 공진 회로(20)의 공진 주파수 f_r2보다 저하시켜도, 공진 회로(20)의 출력 전압 및 전파 정류 회로(24)의 양쪽 단자 간의 출력 전압은 저하된다. 그래서 변형예에 의하면, 스위칭 주파수가 조정되는 주파수 범위의 상한 주파수 fmax는, 상정되는 결합도의 최솟값에 있어서의, 수전 장치(3)의 공진 회로(20)의 공진 주파수 f_r2로 설정되어도 된다. 이 경우도, 그 주파수 범위의 하한 주파수 fmin은, 송전 장치(2)의 공진 회로(13)의 공진 주파수 f_r1보다도 높은 주파수로 설정된다. 이 경우에는, 결합도가 높아지고, 그 결과로서 출력 전압의 측정값이 기준 전압 Vr보다도 높아지면, 제어 회로(18)는, 스위칭 주파수를 소정의 주파수 변경량씩 저하시키면 된다. 또한, 출력 전압의 측정값이 상한 전압 Vth에 달하면, 제어 회로(18)는, 스위칭 주파수를 하한 주파수 fmin으로 설정하면 된다. 반대로, 출력 전압의 측정값이 기준 전압 Vr보다도 낮은 경우, 제어 회로(18)는, 스위칭 주파수를 소정의 주파수 변경량씩 상승시켜도 된다.

이상에 설명해 온 것 같이, 이 비접촉 급전 장치는, 송전 장치의 공진 회로의 공진 주파수보다도 수전 장치의 공진 회로의 공진 주파수가 커지도록 각 공진 회로의 회로 소자 상수를 설정함으로써, 송신 코일에 흐르는 전류의 증가를 억제한다. 또한, 이 비접촉 급전 장치는, 수전 장치의 공진 회로의 출력 전압을 모니터하고, 그 출력 전압이 상한 전압보다도 낮아지도록 스위칭 주파수를 제어하여, 송전 장치의 전력 공급 회로 및 공진 회로가 소프트 스위칭 동작을 계속하는 것을 가능하게 한다. 또한, 이 비접촉 급전 장치는, 출력 전압의 측정값이, 수전 장치의 공진 회로가 공진할 때의 출력 전압에 근접하도록 스위칭 주파수를 제어함으로써, 수전 장치의 공진 회로의 공진 주파수에 가까운 스위칭 주파수에서 송전 장치를 계속하여 동작시키는 것을 가능하게 한다. 이에 의해, 이 비접촉 급전 장치는, 송신 코일과 수신 코일 간의 결합도가 동적으로 변화해도, 에너지 전송 효율의 저하를 억제할 수 있다.

또한, 변형예에 의하면, 전압 검출 회로(27)는, 평활 콘덴서(25)의 양쪽 단자 간의 출력 전압을 측정해도 된다. 이 경우에는, 전압 검출 회로(27)의 단자의 일단은, 평활 콘덴서(25)의 일단과 부하 회로(26)의 일단 간에 접속되고, 전압 검출 회로(27)의 단자의 타단은, 평활 콘덴서(25)의 타단과 부하 회로(26)의 타단 간에 접속되면 된다.

또한, 전압 검출 회로(27)가 교류 전압을 측정할 수 있는 회로인 경우에는, 전압 검출 회로(27)는, 공진 회로(20)의 양쪽 출력 단자 간의 출력 전압을 직접 측정해도 된다.

또한 다른 변형예에 의하면, 제어 회로(18)는, 출력 전압의 측정값과 기준 전압 간의 차의 절댓값이 클수록, 스위칭 주파수의 변경량을 크게 해도 된다. 이에 의해, 제어 회로(18)는, 출력 전압을 단기간에 기준 전압에 근접시킬 수 있다.

또한, 송전 장치(2)에 있어서, 공진 회로(13)에 교류 전력을 공급하는 전력 공급 회로는, 스위칭 주파수를 가변하도록 조절할 수 있는 회로라면, 상기의 실시 형태와는 다른 회로 구성을 가지고 있어도 된다.

또한, 송전 장치(2)의 수신기(16)와 수전 장치(3)의 송신기(28)를 유선으로 접속하는 것이 가능한 경우에는, 수신기(16) 및 송신기(28)는, 각각, 출력 전압의 측정값을 표시하는 정보를 포함하는 신호를 유선으로 통신 가능한 통신 회로를 갖고 있으면 된다.

이와 같이, 당업자는, 본 발명의 범위 내에서, 실시되는 형태에 맞춰서 여러가지 변경을 행할 수 있다.

1: 비접촉 급전 장치
2: 송전 장치
10: 전력 공급 회로
11: 직류 전원
12-1, 12-2: 스위칭 소자
13: 공진 회로
14: 콘덴서
15: 송신 코일
16: 수신기
17: 게이트 드라이버
18: 제어 회로
3: 수전 장치
20: 공진 회로
21: 수신 코일
22: 콘덴서
23: 정류 평활 회로
24: 전파 정류 회로
25: 평활 콘덴서
26: 부하 회로
27: 전압 검출 회로
28: 송신기

Claims

송전 장치와, 상기 송전 장치로부터 비접촉으로 전력 전송되는 수전 장치를 갖는 비접촉 급전 장치이며,
상기 수전 장치는,
상기 송전 장치로부터의 전력을 수신하는 수신 코일과, 상기 수신 코일과 병렬로 접속되는 제1 공진 콘덴서를 갖고, 제1 주파수에서 공진하는 제1 공진 회로와,
상기 제1 공진 회로로부터의 출력 전압을 측정하여 당해 출력 전압의 측정값을 구하는 전압 검출 회로와,
상기 출력 전압의 측정값을 표시하는 정보를 포함하는 신호를 상기 송전 장치로 송신하는 송신기를 갖고,
상기 송전 장치는,
상기 수전 장치로 전력을 공급하는 송신 코일과, 상기 송신 코일과 직렬로 접속되는 제2 공진 콘덴서를 갖고, 상기 제1 주파수보다도 낮은 제2 주파수에서 공진하는 제2 공진 회로와,
상기 제2 공진 회로에 대하여 조절 가능한 스위칭 주파수를 갖는 교류 전력을 공급하는 전력 공급 회로와,
상기 출력 전압의 측정값을 표시하는 정보를 포함하는 신호를 수신하는 수신기와,
상기 출력 전압의 측정값에 따라, 상기 제2 공진 회로 및 상기 전력 공급 회로가 소프트 스위칭 동작을 계속하도록 상기 스위칭 주파수를 제어하는 제어 회로를
갖는, 비접촉 급전 장치.
제1항에 있어서, 상기 제어 회로는, 상기 송신 코일과 상기 수신 코일 간의 상정되는 결합도에 있어서의 상기 제1 주파수를 포함하고, 또한, 상기 제2 주파수를 포함하지 않는 주파수의 범위 내에서 상기 스위칭 주파수를 제어하는, 비접촉 급전 장치.
제2항에 있어서, 상기 주파수의 범위는, 당해 주파수의 범위의 하한 주파수가 상기 상정되는 결합도의 최솟값에 있어서의 상기 제1 주파수가 되도록 설정되고,
상기 제어 회로는, 상기 출력 전압의 측정값이 제1 전압을 초과하면 상기 스위칭 주파수를 상기 주파수의 범위의 상한 주파수로 설정하는, 비접촉 급전 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 회로는, 상기 출력 전압의 측정값과 상기 제1 공진 회로가 공진할 때의 상기 출력 전압의 차가 작아지도록 상기 스위칭 주파수를 제어하는, 비접촉 급전 장치.