KR20230130769A - 무선 급전장치 - Google Patents

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히데키 오모리
마사히토 츠노
마사시 야마구치
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니치콘 가부시키가이샤
각코호우징 조쇼 가쿠엔
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Abstract

무선 급전장치(100)는 제1 급전장치(101)와, 제2 급전장치(104)와, 순방향 전력전송 시에 제1 입력전압(E1)과 제1 출력전압(E2)의 제1 전압차를 제어하고, 역방향 전력전송 시에 제2 입력전압(E2)과 제2 출력전압(E1)의 제2 전압차를 제어하는 전압 제어회로(113, 123)와, 순방향 전력전송 시에 제2 트랜지스터(Q2)를 오프해서 제2 다이오드(D2)에 의한 정류를 실행시키는 제2 스위칭 제어회로(121, 122)와, 역방향 전력전송 시에 제1 트랜지스터(Q1)를 오프해서 제1 다이오드(D1)에 의한 정류를 실행시키는 제1 스위칭 제어회로(111, 112)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

무선 급전장치{WIRELESS ELECTRICAL POWER SUPPLY DEVICE}
본 발명은 무선 급전장치에 관한 것이다.
일반적으로, 무선 급전장치는 전기자동차나 플러그인 하이브리드차 등의 전동차 전력과 주택이나 배전계통의 전력을 쌍방향으로 전송하는 시스템(예를 들면, V2H(Vehicle to Home) 시스템, 또는 V2G(Vehicle to Grid) 시스템)에서 사용된다. 무선 급전장치는 코일에 의한 자계의 결합을 이용해서 전력전송을 하기 때문에, 전동차와의 케이블 접속이 불필요해진다.
특허문헌 1에는 코일 및 컨덴서가 직렬로 접속된 인버터 회로(풀 브리지 회로 또는 하프 브리지 회로)와, 인버터 회로에 접속된 컨버터를 구비하는 무선 급전장치가 개시되어 있다. 이 무선 급전장치는 송전측의 컨버터의 입력전력이 일정하게 되고, 수전측의 컨버터의 출력전력이 최대가 되는 제어를 실시한다.
특허문헌 1에 기재된 무선 급전장치에서는 송전측 및 수전측의 인버터 회로가 복수의 파워 반도체로 이루어지는 브리지 회로로 구성되어 있기 때문에, 인버터 회로의 고비용화 및 대형화를 초래한다. 또, 특허문헌 1에 기재된 무선 급전장치는 급전 개시 시 및 급전 중에, 송전측 및 수전측의 쌍방에서 복잡한 제어가 필요하게 된다.
한편, 비특허문헌 1에는 송전측 및 수전측의 급전장치가 1-트랜지스터(one-transistor) 타입 컨버터로 구성되어 있는 무선 급전장치가 개시되어 있다. 이 무선 급전장치는 특허문헌 1에 기재된 무선 급전장치에 비해, 대폭적인 저코스트화 및 소형화를 도모할 수 있다.
일본 특허 제6038386호
오모리 히데키, 외 7명 "A Wireless V2H Apparatus with a New SiC-MOSFET and Unique Bidirectional Controlled Single-Ended Converter", [online], 2017년7월27일, IEEE, [2018년 10월24일 검색], 인터넷 <URL: https://umexpert.um.edu.my/file/publication/00005361_ 159948_71519.pdf>
그러나, 비특허문헌 1에 기재된 무선 급전장치는 회로 상수의 편차(예를 들면, 전송코일이나 공진 컨덴서의 상수 편차)에 의해 전송전력이 변동하기 때문에, 양산성이나 호환성이 문제가 된다. 따라서 비특허문헌 1에 기재된 무선 급전장치는 실용화를 위해서는 적어도 전송특성의 안정성을 향상시킬 필요가 있다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 과제로 하는 것은 장치의 저코스트화 및 소형화를 실현시키면서, 전송특성의 안정성을 향상시키는 것이 가능한 무선 급전장치를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 1실시형태에 따른 무선 급전장치는, 제1 전송코일과, 상기 제1 전송코일에 직렬 접속된 제1 트랜지스터 및 상기 제1 트랜지스터에 역병렬 접속된 제1 다이오드를 포함하는 제1 스위칭 소자와, 상기 제1 전송코일 및 상기 제1 스위칭 소자의 적어도 한쪽에 병렬 접속된 제1 공진 컨덴서를 구비하는 제1 급전장치와,
제2 전송코일과, 상기 제2 전송코일에 직렬 접속된 제2 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터에 역병렬 접속된 제2 다이오드를 포함하는 제2 스위칭 소자와, 상기 제2 전송코일 및 상기 제2 스위칭 소자의 적어도 한쪽에 병렬 접속된 제2 공진 컨덴서를 구비하는 제2 급전장치와,
상기 제1 스위칭 소자의 턴오프를 제어하는 동시에, 상기 제1 스위칭 소자가 영전압 스위칭 동작을 하도록, 상기 제1 급전장치에서의 공진전압에 동기해서 상기 제1 스위칭 소자의 턴온을 제어하는 제1 스위칭 제어회로와,
상기 제2 스위칭 소자의 턴오프를 제어하는 동시에, 상기 제2 스위칭 소자가 영전압 스위칭 동작을 하도록, 상기 제2 급전장치에서의 공진전압에 동기해서 상기 제2 스위칭 소자의 턴온을 제어하는 제2 스위칭 제어회로와,
상기 제1 급전장치로부터 상기 제2 급전장치에의 순방향 전력전송 시에, 상기 제1 급전장치에 입력되는 제1 입력전압과 상기 제2 급전장치로부터 출력되는 제1 출력전압과의 제1 전압차를 제어하고, 상기 제2 급전장치로부터 상기 제1 급전장치에의 역방향 전력전송 시에, 상기 제2 급전장치에 입력되는 제2 입력전압과 상기 제1 급전장치로부터 출력되는 제2 출력전압과의 제2 전압차를 제어하는 전압 제어회로를 구비하고,
상기 제2 스위칭 제어회로는 상기 순방향 전력전송 시에, 상기 제2 트랜지스터를 오프해서 상기 제2 다이오드에 의한 정류를 실행시키고,
상기 제1 스위칭 제어회로는, 상기 역방향 전력전송 시에, 상기 제1 트랜지스터를 오프해서 상기 제1 다이오드에 의한 정류를 실행시키는 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 제1 급전장치가 제1 스위칭 소자로 동작하는 1-트랜지스터(one-transistor) 타입 컨버터로 구성되고, 제2 급전장치가 제2 스위칭 소자로 동작하는 1-트랜지스터 타입 컨버터로 구성되기 때문, 장치의 저코스트화 및 소형화를 실현할 수 있다.
또, 이 구성에서는 제1 및 제2 스위칭 제어회로가 수전측의 트랜지스터를 오프해서 다이오드에 의한 정류를 실행시키고, 또, 전압 제어회로가 입력전압과 출력전압의 전압차를 제어함으로써, 회로 상수의 편차에 의한 전송전력의 변동을 보상할 수 있다. 즉, 이 구성에 의하면, 비교적 간단한 제어에서 전송특성의 안정성을 향상시킬 수 있다.
상기 무선 급전장치는,
상기 제1 입력전압을 출력하고, 상기 제2 출력전압이 입력되는 제1 직류전압 변환부와,
상기 제1 출력전압이 입력되어, 상기 제2 입력전압을 출력하는 제2 직류전압 변환부를 구비하고,
상기 전압 제어회로는 상기 순방향 전력전송 시에, 상기 제1 직류전압 변환부를 제어해서 상기 제1 입력전압을 변화시키는 것에 의해 상기 제1 전압차를 제어하고, 상기 역방향 전력전송 시에, 상기 제2 직류전압 변환부를 제어해서 상기 제2 입력전압을 변화시키는 것에 의해 상기 제2 전압차를 제어하도록 구성할 수 있다.
상기 무선 급전장치는,
상기 순방향 전력전송 시에,
상기 제1 급전장치 및 상기 제2 급전장치가 포워드형 컨버터로서 동작하고, 또 상기 제2 급전장치가 반파 정류동작을 하도록 구성할 수 있다.
상기 무선 급전장치는,
상기 순방향 전력전송 시에 상기 제1 입력전압을 출력하고, 상기 역방향 전력전송 시에 상기 제2 출력전압이 입력되는 제1 직류전압 변환부를 구비하고,
상기 전압 제어회로는 상기 순방향 전력전송 시에, 상기 제1 직류전압 변환부를 제어해서 상기 제1 입력전압을 변화시키는 것에 의해 상기 제1 전압차를 제어하고, 상기 역방향 전력전송 시에, 상기 제1 직류전압 변환부를 제어해서 상기 제2 출력전압을 변화시키는 것에 의해 상기 제2 전압차를 제어하도록 구성할 수 있다.
상기 무선 급전장치에서,
상기 전압 제어회로는, 상기 제1 전압차를 제어하는 제1 제어회로 및 상기 제2 전압차를 제어하는 제2 제어회로를 구비하고,
상기 제2 제어회로는 상기 순방향 전력전송 시에, 상기 제2 급전장치의 출력전력 값, 상기 제2 급전장치의 출력전압 값 및 상기 출력전력 값, 또는 상기 제2 급전장치의 출력전류 값 및 상기 출력전압 값을 상기 제1 제어회로에 통지하고,
상기 제1 제어회로는 상기 역방향 전력전송 시에, 상기 제1 급전장치의 출력전력 값, 상기 제1 급전장치의 출력전압 값 및 상기 출력전력 값, 또는 상기 제1 급전장치의 출력전류 값 및 상기 출력전압 값을 상기 제2 제어회로에 통지하도록 구성할 수 있다.
상기 무선 급전장치에서,
상기 전압 제어회로는, 상기 순방향 전력전송 시에, 상기 제1 스위칭 소자의 온 시간을 허용주기 범위 내에서 제어하는, 및/또는, 상기 역방향 전력전송 시에, 상기 제2 스위칭 소자의 온 시간을 허용주기 범위 내에서 제어하도록 구성할 수 있다.
상기 무선 급전장치에서,
상기 제1 전송코일과 상기 제2 전송코일과의 거리가 규정거리보다도 짧은 경우, 상기 전압 제어회로는 상기 제1 급전장치와 상기 제2 급전장치 사이의 전력전송을 제한하도록 구성할 수 있다.
상기 무선 급전장치에서는,
상기 제1 급전장치의 공진회로 상수와 상기 제2 급전장치의 공진회로 상수가 서로 다를 수 있다.
상기 무선 급전장치에서,
상기 제1 급전장치는, 제1 전환용 컨덴서와, 온했을 때에 상기 제1 전환용 컨덴서를 상기 제1 공진 컨덴서에 병렬 접속 또는 직렬 접속하고, 오프했을 때에 상기 제1 전환용 컨덴서를 상기 제1 공진 컨덴서부터 전기적으로 분리하는 제1 전환용 스위치를 구비하고,
상기 제2 급전장치는, 제2 전환용 컨덴서와, 온했을 때에 상기 제2 전환용 컨덴서를 상기 제2 공진 컨덴서에 병렬 접속 또는 직렬 접속하고, 오프했을 때에 상기 제2 전환용 컨덴서를 상기 제2 공진 컨덴서부터 전기적으로 분리하는 제2 전환용 스위치를 구비하도록 구성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 따른 무선 급전장치는,
제1 전송코일과, 상기 제1 전송코일에 직렬 접속된 제1 스위칭 소자와, 상기 제1 전송코일 및 상기 제1 스위칭 소자의 적어도 한쪽에 병렬 접속된 제1 공진 컨덴서를 구비하는 제1 급전장치와,
제2 전송코일과, 상기 제2 전송코일에 직렬 접속된 다이오드와, 상기 제2 전송코일에 병렬 접속된 제2 공진 컨덴서를 구비하는 제2 급전장치와,
상기 제1 스위칭 소자의 턴오프를 제어하는 동시에, 상기 제1 스위칭 소자가 영전압 스위칭 동작을 하도록, 상기 제1 급전장치에서의 공진전압에 동기해서 상기 제1 스위칭 소자의 턴온을 제어하는 제1 스위칭 제어회로와,
상기 제1 급전장치로부터 상기 제2 급전장치에의 전력전송 시에, 상기 제1 급전장치에 입력되는 입력전압과 상기 제2 급전장치로부터 출력되는 출력전압과의 전압차를 제어하는 전압 제어회로를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 무선 급전장치는,
제1 직류전원에 접속되는 제1 급전장치와,
제2 직류전원에 접속되는 제2 급전장치와,
상기 제1 급전장치 및 상기 제2 급전장치를 제어하는 제어부를 구비하고,
상기 제1 급전장치와 상기 제2 급전장치와의 간에서 전력의 전송을 실시하는 무선 급전장치로서,
상기 제1 급전장치는,
제1 전송코일과,
상기 제1 전송코일에 직렬 접속된 제1 스위칭 소자와,
상기 제1 전송코일 및 상기 제1 스위칭 소자의 적어도 한쪽에 병렬 접속된 제1 공진 컨덴서를 구비하고,
상기 제2 급전장치는,
제2 전송코일과,
상기 제2 전송코일에 직렬 접속된 제2 스위칭 소자와,
상기 제2 전송코일 및 상기 제2 스위칭 소자의 적어도 한쪽에 병렬 접속된 제2 공진 컨덴서를 구비하고,
상기 제어부는,
상기 제1 스위칭 소자가 영전압 스위칭 동작을 하도록, 상기 제1 전송코일 및 상기 제1 공진 컨덴서에 의한 공진전압에 동기해서 상기 제1 스위칭 소자의 턴온을 제어하는 제1 턴온 제어회로와,
상기 제2 스위칭 소자가 영전압 스위칭 동작을 하도록, 상기 제2 전송코일 및 상기 제2 공진 컨덴서에 의한 공진전압에 동기해서 상기 제2 스위칭 소자의 턴온을 제어하는 제2 턴온 제어회로와,
상기 제1 스위칭 소자의 스위칭과 상기 제2 스위칭 소자의 스위칭이 소정의 위상차를 가지도록 제어하는 상호 위상 시프트 제어회로를 구비한 것을 특징으로 한다.
이 구성에 의하면, 제1 급전장치가 제1 스위칭 소자로 동작하는 1-트랜지스터 타입 컨버터로 구성되고, 제2 급전장치가 제2 스위칭 소자로 동작하는 1-트랜지스터 타입 컨버터로 구성되기 때문에, 장치의 저코스트화 및 소형화를 실현할 수 있다.
또, 이 구성에 의하면, 제1 스위칭 소자 및 제2 스위칭 소자가 영전압 스위칭 동작을 실시하고, 또, 제1 스위칭 소자의 스위칭과 제2 스위칭 소자의 스위칭이 소정의 위상차를 가지도록 제어되기 때문에, 전송특성의 안정성 및 전송전력의 제어성을 향상시킬 수 있다.
상기 무선 급전장치에서,
상기 상호 위상 시프트 제어회로는 상기 제1 스위칭 소자의 턴오프와 상기 제2 스위칭 소자의 턴오프가 상기 위상차를 가지도록 제어하는 것이 바람직하다.
상기 무선 급전장치에서, 상기 위상차는 45도∼315도인 것이 바람직하다.
상기 무선 급전장치에서,
상기 상호 위상 시프트 제어회로는,
직접적 또는 간접적으로 상기 위상차를 검지하는 위상차 검출기와,
직접적 또는 간접적으로 상기 위상차의 목표 값을 지령하는 위상차 지령기와,
상기 위상차 검출기의 검출 값과 상기 위상차 지령기의 상기 목표 값을 비교해서 상기 위상차의 귀환 제어를 실시하는 귀환 제어부와,
상기 귀환 제어부의 출력에 대응해서 상기 제2 스위칭 소자의 도통시간을 변화시키는 도통시간 가변부를 구비하도록 구성할 수 있다.
상기 무선 급전장치에서,
상기 위상차 검출기는 전송전력을 검출하는 것에 의해서 간접적으로 상기 위상차를 검출하고,
상기 위상차 지령기는 전송전력을 지령하는 것에 의해서 간접적으로 상기 목표 값을 지령하도록 구성할 수 있다.
상기 무선 급전장치에서,
상기 상호 위상 시프트 제어회로는 상기 제1 전송코일의 전압 변화를 자기적 또는 전계적으로 비접촉으로 검지하는 검지소자를 구비하도록 구성할 수 있다.
상기 무선 급전장치에서,
상기 상호 위상 시프트 제어회로는 상기 제1 급전장치의 동작 주파수가 소정 값이 되도록 상기 제1 스위칭 소자의 도통시간을 제어하는 도통시간 제어회로를 구비하도록 구성할 수 있다.
상기 무선 급전장치에서,
상기 상호 위상 시프트 제어회로는 상기 제1 전송코일과 상기 제2 전송코일 사이의 전송전력이 소정 값이 되도록 상기 위상차를 제어하도록 구성할 수 있다.
상기 무선 급전장치에서,
상기 상호 위상 시프트 제어회로는 상기 제1 스위칭 소자의 스위칭 타이밍을 광 또는 전파로 송신하는 타이밍 송신회로와, 상기 타이밍 송신회로로부터 송신된 광 또는 전파를 수신하는 타이밍 수신회로를 구비하도록 구성할 수 있다.
상기 무선 급전장치에서,
상기 제2 스위칭 소자는 트랜지스터와, 상기 트랜지스터에 역병렬 접속된 역병렬 다이오드를 포함하고,
상기 상호 위상 시프트 제어회로는,
직접적 또는 간접적으로 상기 위상차를 검지하는 위상차 검출기와,
직접적 또는 간접적으로 상기 위상차의 목표 값을 지령하는 위상차 지령기와,
상기 위상차 검출기의 검출 값과 상기 위상차 지령기의 상기 목표 값을 비교해서 상기 위상차의 귀환 제어를 실시하는 귀환 제어부와,
상기 제2 전송코일을 흐르는 전류의 제로 크로스점을 검출하는 공진전류 검지기와,
상기 공진전류 검지기의 검출결과 및 상기 귀환 제어부의 출력에 대응해서, 상기 역병렬 다이오드가 턴오프한 후의 상기 트랜지스터의 온 시간을 제어하는 도통시간 가변부를 구비하도록 구성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 장치의 저코스트화 및 소형화를 실현시키면서, 전송특성의 안정성을 향상시키는 것이 가능한 무선 급전장치를 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시형태에 따른 무선 급전장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 제1 실시형태에 따른 무선 급전장치의 입력전압과 전송전력과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 제1 실시형태에서의 제1 스위칭 소자의 영전압 스위칭 동작을 설명하기 위한 타이밍 차트이다.
도 4는 제1 실시형태에 따른 무선 급전장치의 각 동작모드를 설명하기 위한 타이밍 차트이다.
도 5는 제1 실시형태에 따른 무선 급전장치의 각 동작모드에서의 전류경로를 나타내는 도면이다.
도 6은 제2 실시형태에 따른 무선 급전장치를 나타내는 도면이다.
도 7은 제2 실시형태에 따른 무선 급전장치의 입력전압과 전송전력과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 제3 실시형태에 따른 무선 급전장치를 나타내는 도면이다.
도 9는 제3 실시형태에 따른 수전측의 구성의 변형예를 나타내는 도다.
도 10은 제4 실시형태에 따른 무선 급전장치를 나타내는 도면이다.
도 11은 제4 실시형태에 따른 무선 급전장치의 각부 타이밍 차트이다.
도 12는 제4 실시형태에 따른 무선 급전장치의 위상차, 전송전력 및 동작 주파수의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 제5 실시형태에 따른 무선 급전장치를 나타내는 도면이다.
도 14는 제5 실시형태에 따른 무선 급전장치의 동작 원리도다.
도 15는 제6 실시형태에 따른 무선 급전장치를 나타내는 도면이다.
도 16은 제6 실시형태에 따른 무선 급전장치의 각부 타이밍 차트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명에 따른 무선 급전장치의 실시형태에 대해서 설명한다.
[제1 실시형태]
도 1에, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 무선 급전장치(100)를 나타낸다. 무선 급전장치(100)는 1차측에 제1 급전장치(101)과, 제1 필터회로(102)과, 제1 직류전압 변환부(103)와, 제1 제어부(110)를 구비하고, 2차 측에 제2 급전장치(104)와, 제2 필터회로(105)와, 제2 직류전압 변환부(106)와, 제2 제어부(120)를 구비한다.
1차측의 구성은 예를 들면 주택에 설치되고, 2차 측의 구성은 예를 들면 전기자동차나 플러그인 하이브리드차 등의 전동차에 설치된다. 무선 급전장치(100)는 1차측과 2차 측 사이에서 쌍방향의 전력전송을 실시한다. 이하에서는, 1차측에서 2차측으로의 전력전송을 순방향 전력전송으로 하고, 2차측으로부터 1차측으로의 전력전송을 역방향 전력전송으로 한다.
제1 급전장치(101)는 제1 스위칭 소자(SW1)와, 제1 전송코일(L1)과, 제1 공진 컨덴서(C1)를 구비하는 1-트랜지스터 타입 컨버터이다. 제1 공진 컨덴서(C1)는 제1 전송코일(L1) 및 제1 스위칭 소자(SW1)의 적어도 한쪽(본 실시형태에서는 제1 전송코일(L1)에 병렬 접속된다.
전기자동차용의 무선 급전장치의 경우, 동작 주파수는 공칭 85kHz로 하는 일정범위에서 사용하는 것이 구해진다. 그 때문에 제1 전송코일(L1)과 제1 공진 컨덴서(C1)에서 결정되는 공진 주파수는 동작 주파수에 대하여 더 높은 적절한 주파수가 선택된다. 예를 들면, 몇 [kW]의 전력전송의 경우, 공진 주파수는 동작 주파수에 대하여 1.1배∼2배 미만의 범위의 주파수가 사용된다.
제1 스위칭 소자(SW1)는 제1 전송코일(L1)에 직렬 접속된 제1 트랜지스터(Q1)와, 제1 트랜지스터(Q1)에 역병렬 접속된 제1 다이오드(D1)를 포함한다. 제1 트랜지스터(Q1)는 IGBT(절연 게이트 트랜지스터), MOSFET(금속 산화 반도체형 전계효과 트랜지스터), 바이폴러 트랜지스터, 또는 SiC(탄화규소) 반도체 등의 파워 반도체 소자이다. 제1 다이오드(D1)는 제1 트랜지스터(Q1)의 내장(기생) 다이오드, 또는 제1 트랜지스터(Q1)와는 독립한 다이오드이다.
*제1 필터회로(102)는 제1 컨덴서(C3)와, 제1 코일(L3)을 구비한다. 제1 컨덴서(C3)는 일단이 제1 코일(L3)을 통해서 제1 직류전압 변환부(103)의 고 전위측에 접속되고, 타단이 제1 직류전압 변환부(103)의 저 전위측에 접속된다.
제1 직류전압 변환부(103)는 쌍방향 DC/DC 컨버터로 구성된다. 제1 직류전압 변환부(103)는 제1 전원(E3)에 접속된다. 제1 전원(E3)은 예를 들면, 쌍방향 AC/DC 컨버터이다. 제1 직류전압 변환부(103)는 제1 전원(E3)으로부터 입력된 직류전압을 승압 또는 강압해서 제1 필터회로(102)에 출력하는 순방향 전압 변환 동작과, 제1 필터회로(102)로부터 입력된 직류전압을 강압 또는 승압해서 제1 전원(E3)에 출력하는 역방향 전압 변환 동작을 수행한다.
제2 급전장치(104)는 제2 스위칭 소자(SW2)와, 제2 전송코일(L2)과, 제2 공진 컨덴서(C2)를 구비하는 1-트랜지스터 타입 컨버터이다. 제2 공진 컨덴서(C2)는 제2 전송코일(L2) 및 제2 스위칭 소자(SW2)의 적어도 한쪽(본 실시형태에서는 제2 전송코일(L2)에 병렬 접속된다.
제2 전송코일(L2)과 제2 공진 컨덴서(C2)에서 결정되는 공진 주파수는 동작 주파수에 대하여 더 높은 적절한 주파수가 선택된다. 예를 들면, 몇 [kW]의 전력전송의 경우, 공진 주파수는 동작 주파수에 대하여 1.1배∼2배미만의 범위의 주파수가 사용된다.
제2 스위칭 소자(SW2)는 제2 전송코일(L2)에 직렬 접속된 제2 트랜지스터(Q2)와, 제2 트랜지스터(Q2)에 역병렬 접속된 제2 다이오드(D2)를 포함한다. 제2 트랜지스터(Q2)는 제1 트랜지스터(Q1)와 같이 IGBT, MOSFET, 바이폴러 트랜지스터, 또는 SiC 반도체 등의 파워 반도체 소자이다. 제2 다이오드(D2)는 제2 트랜지스터(Q2)의 내장(기생) 다이오드, 또는 제2 트랜지스터(Q2)와는 독립한 다이오드이다.
제2 필터회로(105)는 제2 컨덴서(C4)와, 제2 코일(L4)을 구비한다. 제2 컨덴서(C4)는 일단이 제2 코일(L4)을 통해서 제2 직류전압 변환부(106)의 고 전위측에 접속되고, 타단이 제2 직류전압 변환부(106)의 저 전위측에 접속된다.
제2 직류전압 변환부(106)는 쌍방향 DC/DC 컨버터로 구성된다. 제2 직류전압 변환부(106)는 제2 전원(E4)에 접속된다. 제2 전원(E4)은 예를 들면, 전동차에 탑재된 축전지이다. 제2 직류전압 변환부(106)는 제2 필터회로(105)로부터 입력된 직류전압을 승압 또는 강압해서 제2 전원(E4)에 출력하는 순방향 전압 변환 동작과, 제2 전원(E4)로부터 입력된 직류전압을 강압 또는 승압해서 제2 필터회로(105)에 출력하는 역방향 전압 변환 동작을 수행한다.
제1 제어부(110)는 제1 공진전압 검지회로(111)와, 제1 동기회로(112)와, 제1 제어회로(113)를 구비한다. 동일하게, 제2 제어부(120)는 제2 공진전압 검지회로(121)와, 제2 동기회로(122)와, 제2 제어회로(123)를 구비한다.
제1 공진전압 검지회로(111) 및 제1 동기회로(112)는 본 발명의 「제1 스위칭 제어회로」에 상당한다. 제2 공진전압 검지회로(121) 및 제2 동기회로(122)는 본 발명의 「제2 스위칭 제어회로」에 상당한다. 제1 제어회로(113) 및 제2 제어회로(123)는 본 발명의 「전압 제어회로」에 상당한다.
제1 공진전압 검지회로(111)는 순방향 전력전송 시에, 제1 공진 컨덴서(C1)의 양단전압(VR1)을 측정하고, 제1 전송코일(L1) 및 제1 공진 컨덴서(C1)에 의한 제1 공진전압의 제로 크로스점을 검지한다. 제로 크로스점을 검지한 제1 공진전압 검지회로(111)는 제1 동기회로(112)에 제로 크로스 신호를 출력한다.
제1 동기회로(112)는 제1 트랜지스터(Q1)가 영전압 스위칭 동작을 하도록, 제로 크로스 신호에 의거해서 제1 공진전압에 동기시켜서 제1 트랜지스터(Q1)를 턴온 시킨다. 또, 제1 동기회로(112)는 제1 제어회로(113)의 지시(제어지령)로, 역방향 전력전송 시에, 제1 다이오드(D1)에 의한 정류동작이 이루어지도록 제1 트랜지스터(Q1)를 오프시킨다.
순방향 전력전송 시에, 제1 동기회로(112)가 제1 트랜지스터(Q1)를 온/오프 제어함으로써, 제1 전송코일(L1) 및 제1 공진 컨덴서(C1)에 전류가 흐른다. 그것에 의해, 일정 거리 떨어진 제2 전송코일(L2) 및 제2 공진 컨덴서(C2)에 자계 공진(자기공진, 자기공명과 동의)에 의한 전류가 흐른다. 그 결과, 제1 급전장치(101)로부터 제2 급전장치(104)로의 비접촉의 전력전송이 이루어진다.
제2 공진전압 검지회로(121)는 역방향 전력전송 시에, 제2 공진 컨덴서(C2)의 양단전압(VR2)을 측정하고, 제2 전송코일(L2) 및 제2 공진 컨덴서(C2)에 의한 제2 공진전압의 제로 크로스점을 검지한다. 제로 크로스점을 검지한 제2 공진전압 검지회로(121)는 제2 동기회로(122)에 제로 크로스 신호를 출력한다.
제2 동기회로(122)는 제2 트랜지스터(Q2)가 영전압 스위칭 동작을 하도록, 제로 크로스 신호에 의거해서 제2 공진전압에 동기시켜서 제2 트랜지스터(Q2)를 턴온시킨다. 또, 제2 동기회로(122)는 제2 제어회로(123)의 지시(제어지령)로, 순방향 전력전송 시에, 제2 다이오드(D2)에 의한 정류동작이 이루어지도록 제2 트랜지스터(Q2)를 오프시킨다.
역방향 전력전송 시에, 제2 동기회로(122)가 제2 트랜지스터(Q2)를 온/오프 제어함으로써, 제2 전송코일(L2) 및 제2 공진 컨덴서(C2)에 전류가 흐른다. 그것에 의해, 일정거리 떨어진 제1 전송코일(L1) 및 제1 공진 컨덴서(C1)에 자계 공진에 의한 전류가 흐른다. 그 결과, 제2 급전장치(104)로부터 제1 급전장치(101)로의 비접촉의 전력전송이 이루어진다.
제1 제어회로(113)는 순방향 전력전송 시에, 제1 급전장치(101)에 입력되는 제1 입력전압(E1)과 제2 급전장치(104)로부터 출력되는 제1 출력전압(E2)의 전압차(제1 전압차)를 제어하는 제1 전압차 제어를 실시하고, 제2 급전장치(104)로부터 출력되는 출력전력(제1 급전장치(101)로부터 제2 급전장치(104)에의 전송전력)을 제어한다.
더욱 구체적으로, 제1 제어회로(113)는 외부로부터의 제1 제어지령(114)에 대응해서, 또는 제2 제어회로(123)와의 상호 통신 신호(130)에 포함되는 충전개시 통지에 대응해서, 제1 전압차 제어를 개시한다. 상호 통신 신호(130)에는 예를 들면 Wi-Fi, Bluetooth(등록상표) 등의 근거리 무선통신 신호가 사용된다. 제1 전압차 제어를 개시한 제1 제어회로(113)는 소정의 주기로, 제1 검출수단(X1)(예를 들면, 전류 트랜스)의 제1 검출신호(115)에 의거하여 제1 입력전압(E1)의 전압 값 및/또는 제1 입력전류의 전류 값을 취득한다. 제1 입력전류는 제1 직류전압 변환부(103)로부터 제1 필터회로(102)에 흐르는 전류이다.
또 제1 제어회로(113)는 소정의 주기로, 상호 통신 신호(130)를 통해서 제2 제어회로(123)로부터 출력전력에 관한 정보를 취득한다. 출력전력에 관한 정보는 출력전력의 전력 값, 제1 출력전압(E2)의 전압 값 및 출력전력의 전력 값, 또는 제1 출력전압(E2)의 전압 값 및 제1 출력전류의 전류 값이다. 제1 출력전류는 제2 필터회로(105)로부터 제2 직류전압 변환부(106)에 흐르는 전류이다.
제1 제어회로(113)는 상기한 바와 같이 필요한 정보를 취득하면서, 출력전력의 전력 값이 소정의 목표전력 값이 되도록, 제1 직류전압 변환부(103)에 제1 제어신호(116)를 출력해서 제1 입력전압(E1)을 제어하고, 제1 전압차를 제어한다.
구체적인 제어방법으로서, 출력전력에 관한 정보가 출력전력의 전력 값만인 경우, 제1 제어회로(113)는 미리 기억해 둔 제1 출력전압(E2)의 하한 전압을 참조하고, 하한 전압보다도 제1 입력전압(E1)이 커지도록 제1 입력전압(E1)을 제어하면서, 출력전력의 전력 값을 소정의 목표전력 값에 일치시킨다.
출력전력에 관한 정보가 제1 출력전압(E2)의 전압 값 및 출력전력의 전력 값인 경우, 제1 제어회로(113)는 제1 출력전압(E2)과 제1 입력전압(E1)을 비교하고, 제1 출력전압(E2)보다도 제1 입력전압(E1)이 커지도록 제1 입력전압(E1)을 제어하면서, 출력전력의 전력 값을 소정의 목표전력 값에 일치시킨다.
출력전력에 관한 정보가 제1 출력전압(E2)의 전압 값 및 제1 출력전류의 전류 값인 경우, 제1 제어회로(113)는 제1 출력전압(E2)과 제1 입력전압(E1)을 비교하고, 제1 출력전압(E2)보다도 제1 입력전압(E1)이 커지도록 제1 입력전압(E1)을 제어한다. 동시에, 제1 제어회로(113)는 출력전력에 관한 정보에 의거하여 출력전력의 전력 값을 산출하고, 산출한 전력 값이 소정의 목표전력 값에 일치하도록, 제1 입력전압(E1)을 제어한다.
또, 제1 출력전압(E2)의 전압 값이 일정 값이고, 동시에 제1 제어회로(113)가 제1 입력전압(E1)과 출력전력의 관계를 나타내는 정보(예를 들면, 관계식)을 기억하고 있는 경우, 제1 제어회로(113)는 급전 개시 시 및 급전 중에, 제2 제어회로(123)와 통신을 하지 않고, 제1 입력전압(E1)을 제어할 수 있다.
또, 제1 제어회로(113)가 제1 입력전압(E1)과 제1 전압차의 관계를 나타내는 정보, 및 제1 전압차와 출력전력의 관계를 나타내는 정보를 기억하고 있는 경우도, 제1 제어회로(113)는 제2 제어회로(123)와 통신을 하지 않고, 제1 입력전압(E1)을 제어할 수 있다. 단, 출력전력의 전력 값을 더 정확하게 목표전력 값에 근접시키기 위해서는 제1 제어회로(113)는 상호 통신 신호(130)를 통해서 제2 제어회로(123)로부터 출력전력에 관한 정보를 취득하는 것이 바람직하다.
제2 제어회로(123)는 역방향 전력전송 시에, 제2 급전장치(104)에 입력되는 제2 입력전압(E2)과 제1 급전장치(101)로부터 출력되는 제2 출력전압(E1)의 전압차(제2 전압차)를 제어하는 제2 전압차 제어를 실시하고, 제1 급전장치(101)로부터 출력되는 출력전력(제2 급전장치(104)로부터 제1 급전장치(101)에의 전송전력)을 제어한다.
더욱 구체적으로, 제2 제어회로(123)는 외부로부터의 제2 제어지령(124)에 대응해서, 또는 제1 제어회로(113)과의 상호 통신 신호(130)에 포함되는 방전 개시 통지에 대응해서, 제2 전압차 제어를 개시한다. 제2 전압차 제어를 개시한 제2 제어회로(123)는 소정의 주기로, 제2 검출수단(X2)(예를 들면, 전류 트랜스)의 제2 검출신호(125)에 의거하여 제2 입력전압(E2)의 전압 값 및/또는 제2 입력전류의 전류 값을 취득한다. 제2 입력전류는 제2 직류전압 변환부(106)로부터 제2 필터회로(105)에 흐르는 전류이다.
또 제2 제어회로(123)는 소정의 주기로, 상호 통신 신호(130)를 통해서 제1 제어회로(113)로부터 출력전력에 관한 정보를 취득한다. 출력전력에 관한 정보는 출력전력의 전력 값, 제2 출력전압(E1)의 전압 값 및 출력전력의 전력 값, 또는 제2 출력전압(E1)의 전압 값 및 제2 출력전류의 전류 값이다. 제2 출력전류는 제1 필터회로(102)로부터 제1 직류전압 변환부(103)에 흐르는 전류이다.
제2 제어회로(123)는 상기한 바와 같이 필요한 정보를 취득하면서, 출력전력의 전력 값이 소정의 목표전력 값이 되도록, 제2 직류전압 변환부(106)에 제2 제어신호(126)를 출력해서 제2 입력전압(E2)을 제어하고, 제2 전압차를 제어한다. 구체적인 제어방법은 순방향 전력전송 시에서의 제1 제어회로(113)의 제어방법과 동일하다.
도 2에, 순방향 전력전송 시에서의 제1 입력전압(E1)과 제1 급전장치(101)로부터 제2 급전장치(104)로의 전송전력(P)와의 관계를 나타낸다. 도 2에서는 제1 출력전압(E2)을 350[V]의 일정값으로 한다. 전송전력(P)은 예를 들면, 제2 검출수단(X2)의 제2 검출신호(125)에 의거하여 산출할 수 있다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 입력전압(E1)을 350[V]로부터 460[V]의 110[V]의 범위에서 변화시키면, 전송전력(P)는 0에서 6[kW]까지 변화된다. 즉, 무선 급전장치(100)에 의하면, 제1 입력전압(E1)과 제1 출력전압(E2)의 제1 전압차를 제어함으로써, 전송전력(P)을 제어할 수 있다.
예를 들면, 제2 공진 컨덴서(C2)의 정전 용량에 편차가 있는 경우라도 하여도, 제1 입력전압(E1)을 변화시킴으로써 전송전력(P)을 0에서 소망하는 전력까지 안정되게 제어할 수 있다. 또, 도 2에서는 제1 입력전압(E1)의 하한전압과 제1 출력전압(E2)을 동일한 값으로 하고 있지만, 동일할 필요는 없다.
계속해서, 도 3을 참조해서, 순방향 전력전송 시에서의 제1 스위칭 소자(SW1)의 영전압 스위칭 동작을 설명한다. 또, 역방향 전력전송 시에서의 제2 스위칭 소자(SW2)의 영전압 스위칭 동작도, 순방향 전력전송 시에서의 제1 스위칭 소자(SW1)과 동일하게 이루어진다.
도 3에서, (A)는 제1 스위칭 소자(SW1)의 양단전압(VSW1)의 파형, (B)는 제1 스위칭 소자(SW1)를 흐르는 전류(ISW1)의 파형, (C)는 제1 공진 컨덴서(C1)의 양단전압(VR1)의 파형, (D)는 제1 트랜지스터(Q1)의 구동용 게이트 전압(Vg1)의 파형, (E)는 제2 트랜지스터(Q2)의 구동용 게이트 전압(Vg2)의 파형이다. 제1 트랜지스터(Q1) 및 제2 트랜지스터(Q2)는 구동용 게이트 전압(Vg1, Vg2)이 하이 레벨일 때에 온하고, 로 레벨의 때에 오프한다.
제1 스위칭 소자(SW1)가 오프의 기간(TOFF)에서는 제1 공진 컨덴서(C1)의 양단에는 제1 전송코일(L1)과 제1 공진 컨덴서(C1)에 의한 제1 공진전압이 발생하고 있다.
제1 공진 컨덴서(C1)의 양단전압(VR1)이 0과 교차하는 제로 크로스점(tz)을 제1 공진전압 검지회로(111)가 검출하면, 제1 동기회로(112)는 제로 크로스점(tz)에 동기한 시각(tzg)에, 제1 트랜지스터(Q1)의 구동용 게이트 전압(Vg1)을 로 레벨로부터 수준이 높게 전환하고, 제1 트랜지스터(Q1)를 턴온 시킨다.
여기에서, 제1 스위칭 소자(SW1)의 양단전압(VSW1)은 부하(예를 들면, 제1 전원(E3))의 상태에 따라서는 진폭이 작아지고 0에 달하지 않을 경우가 있다. 한편, 제1 공진 컨덴서(C1)의 양단전압(VR1)은 진폭의 크기에 관계없이 0과 교차한다. 그래서, 본 실시형태에서는 제1 공진전압 검지회로(111)가 제1 공진 컨덴서(C1)의 양단전압(VR1)의 제로 크로스점(tz)을 검출하는 구성을 채택하고 있다.
또, 제1 스위칭 소자(SW1)의 영전압 스위칭 동작을 실현시키기 위해서는, 시각(t0)에 제1 트랜지스터(Q1)를 턴온시킬 수 있다. 그렇지만, 시각(t0)은 부하(예를 들면, 제1 전원(E3))의 상태에 따라서 타이밍이 어긋나는 경우가 있다. 거기에서, 본 실시형태에서는 시각(t0)보다도 나중 시각(tzg)에서 제1 트랜지스터(Q1)를 턴온시킴으로써, 약간의 여유를 갖게 하고 있다.
계속해서, 도 4 및 도 5를 참조하고, 순방향 전력전송 시에서의 무선 급전장치(100)의 동작모드(Mode-1, Mode-2, Mode-3, Mode-4)를 설명한다.
도 4에서, (A)는 제1 스위칭 소자(SW1)의 양단전압(VSW1)의 파형, (B)는 제1 스위칭 소자(SW1)를 흐르는 전류(ISW1)의 파형, (C)는 제1 전송코일(L1)을 흐르는 전류(IL1)의 파형, (D)는 제2 전송코일(L2)을 흐르는 전류(IL2)의 파형, (E)는 제2 스위칭 소자(SW2)의 양단전압(VSW2)의 파형, (F)는 제2 스위칭 소자(SW2)를 흐르는 전류(ISW2)의 파형이다.
도 5는 도 4에 나타낸 시각(t0∼t1) 사이를 Mode-1기간, 시각(t1∼t2) 사이를 Mode-2기간, 시각(t2∼t3) 사이를 Mode-3기간, 시각(t3∼t4)(=t 0) 사이를 Mode-4기간으로 했을 경우의, 각 Mode 기간에서의 제1 급전장치(101) 및 제2 급전장치(104)에 흐르는 전류를 모식적으로 나타내는 도면인다.
또, 도 5에서는 제1 급전장치(101)에 제1 컨덴서(C3)를 포함시키고, 제2 급전장치(104)에 제2 컨덴서(C4)를 포함시킬 수 있다. 또, 도 5에서 제1 전송코일(L1) 및 제2 전송코일(L2)을 흐르는 전류의 쌍방향 화살표는 도 4에 나타내는 바와 같이 전류가 양방향과 음방향로 변화되는 것을 나타내고 있다.
시각(t0)(=t4)에서, 제1 스위칭 소자(SW1)의 양단전압(VSW1)이 0에 도달하면, Mode-1 기간이 개시한다. Mode-1 기간에서는 제1 스위칭 소자(SW1)의 제1 다이오드(D1)가 자동적으로 도통하고, 제1 스위칭 소자(SW1)가 온 상태가 된다. 그 후에 영전압 스위칭 동작에 의해 제1 트랜지스터(Q1)가 턴온한다.
제1 스위칭 소자(SW1)가 온 하고 있는 기간(Mode-1∼Mode-2기간)은 제1 전송코일(L1)에 제1 입력전압(E1)이 인가되고 있는 상태가 되므로, 전류(ISW1) 및 전류(IL1)는 음전류로부터 양전류로 완만하게 변화된다. 전류(ISW1)가 음에서 양으로 전류하면 제1 다이오드(D1)에 흐르고 있었던 전류는 부드럽게 제1 트랜지스터(Q1)로 흐르고, 제1 스위칭 소자(SW1)의 온 상태가 계속된다. 또, 제1 트랜지스터(Q1)의 온 저항이 제1 다이오드(D1)보다도 낮을 경우, 제1 트랜지스터(Q1)가 턴온한 이후, 전류(ISW1)는 제1 트랜지스터(Q1)를 흐른다.
Mode-1기간에서, 제2 스위칭 소자(SW2)의 양단전압(VSW2)은 공진의 호를 그리고, 완만하게 상승한 후, 완만하게 하강해서 0에 도달한다. Mode-1기간에서는 전류(ISW2)는 제2 스위칭 소자(SW2)가 오프하고 있기 때문에 흐르지 않고, 전류(IL2)는 양전류로부터 음전류로 완만하게 변화되고, 음의 피크에 도달한다.
시각(t1)에서, 제2 스위칭 소자(SW2)의 양단전압(VSW2)이 0에 도달하면, Mode-2기간이 개시한다. Mode-2기간에서는 제2 스위칭 소자(SW2)의 제2 다이오드(D2)가 자동적으로 도통하고, 제2 스위칭 소자(SW2)가 온 상태가 된다. 제2 스위칭 소자(SW2)가 온 하고 있는 기간(Mode-2∼Mode-3기간)은 제2 전송코일(L2)에 제1 출력전압(E2)이 인가되고 있는 상태가 되므로, 전류(ISW2) 및 전류(IL2)는 음전류부터 0을 향해서 변화된다.
소정의 시간(예를 들면, 제1 공진전압의 제로 크로스 주기가 소정의 범위 내가 되도록 제1 동기회로(112)에서 미리 설정된 시간)이 경과한 시각(t2)에서, 제1 스위칭 소자(SW1)의 구동용 게이트 전압(Vg1)이 하이 레벨에서 로 레벨로 바뀌고, 제1 트랜지스터(Q1)가 오프되면, Mode-3기간이 개시한다.
Mode-3기간에서는 제1 스위칭 소자(SW1)가 오프하고, 제1 전송코일(L1)에 축적되어 있는 전류가 제1 공진 컨덴서(C1)에 흘러 들고, 제1 급전장치(101)는 공진상태가 된다. 제1 스위칭 소자(SW1)의 양단전압(VSW1)은 공진의 호를 그리고, 완만하게 상승한다. 제1 전송코일(L1)을 흐르는 전류(IL1)는 공진전류이고, 양의 피크에 도달한 후, 완만하게 감소한다.
Mode-3기간에서는 전류(ISW2) 및 전류(IL2)는 음전류부터 0을 향해서 변화된다. 시각(t3)에서, 전류(ISW2)가 0이 되면, 즉 제2 다이오드(D2)에 흐르고 있었던 전류가 정지하면, Mode-3기간은 종료하고, Mode-4기간이 개시된다.
Mode-4기간에서는 제2 스위칭 소자(SW2)(제2 다이오드(D2))이 오프하고, 제2 전송코일(L2)에 축적되어 있은 전류가 제2 공진 컨덴서(C2)에 흘러 들고, 제2 급전장치(104)은 공진상태가 된다. 제2 스위칭 소자(SW2)의 양단전압(VSW2)은 공진의 호를 그리고, 완만하게 상승한다. 전류(ISW2)은 제2 스위칭 소자(SW2)가 오프하고 있기 때문에 흐르지 않고, 전류(IL2)는 완만하게 상승한 후, 완만하게 하강한다.
Mode-4기간에서는 전류(IL1)는 양전류로부터 음전류에 완만하게 변화된다. 제1 스위칭 소자(SW1)의 양단전압(VSW1)은 공진의 호를 그리고, 완만하게 상승한 후, 완만하게 하강한다. 시각(t4)에서 제1 스위칭 소자(SW1)의 양단전압(VSW1)이 0에 도달하면, Mode-4기간은 종료한다.
도 4에 나타내는 바와 같이 제2 전송코일(L2)을 흐르는 전류(IL2)는 제1 전송코일(L1)을 흐르는 전류(IL1)에 대해서, 제1 입력전압(E1)과 제1 출력전압(E2)의 제1 전압차에 대응한 위상차(Tφ)를 가진다. 즉, 무선 급전장치(100)는 제1 전압차를 제어함으로써, 제1 스위칭 소자(SW1)를 흐르는 전류(ISW1)와 제2 스위칭 소자(SW2)를 흐르는 전류(ISW2) 사이에 위상차를 발생시키고, 소망하는 전송전력을 전송할 수 있다.
상기 설명으로부터, 순방향 전력전송 시에서, 제1 급전장치(101) 및 제2 급전장치(104)는 포워드형 컨버터로서 동작하고, 또 제2 급전장치(104)는 반파 정류동작을 실시하는 것임을 알 수 있다. 제2 급전장치(104)(수전측 급전장치)에 구성이 간단한 반파 정류동작을 실행시켜도 전파정류동작을 실시하는 통상의 무선 급전장치와 동등 이상의 전송전력을 송신할 수 있다는 이점이 있다. 이것은, 이하의 이유에 의한다. 즉, 전파정류의 경우에는, 제2 전송코일(L2)과 제2 공진 컨덴서(C2)의 병렬 공진회로 공진전압은 양음 어느 것의 반파에서도 정류소자(다이오드)가 도통해서 제1 출력전압(E2)에 클램핑되기 때문에, 공진효과가 작아 제1 급전장치(101)로부터의 전송전력이 증대하지 않는다. 한편, 반파정류의 경우에는 정류소자(제2 다이오드(D2))가 도통하고 있지 않은 반파의 기간, 공진효과가 수득되므로 제1 급전장치(101)로부터의 전송전력이 증대한다.
또, 상기 설명에서는 순방향 전력전송 시의 동작을 예로 들었지만, 역방향 전력전송 시의 동작 경우도 동일하다. 즉, 무선 급전장치(100)는 제2 전압차를 제어함으로써, 전류(ISW1)와 전류(ISW2) 사이에 위상차를 발생시키고, 소망하는 전송전력을 전송할 수 있다. 또, 역방향 전력전송 시에서, 제1 급전장치(101) 및 제2 급전장치(104)는 포워드형 컨버터로서 동작하고, 또 제1 급전장치(101)는 반파 정류동작을 실시한다.
본 실시형태에 따른 무선 급전장치(100)는 제1 급전장치(101)가 제1 스위칭 소자(SW1)로 동작하는 1-트랜지스터 타입 컨버터로 구성되고, 제2 급전장치(104)가 제2 스위칭 소자(SW2)로 동작하는 1-트랜지스터 타입 컨버터로 구성된다. 제1 스위칭 소자(SW1)에 사용되는 파워 반도체 소자는 전기자동차용의 경우, 90kHz 정도의 고속 스위칭 성능, 저손실, 고내전압이 요구되기 때문에 비교적 비싸다. 또, 파워 반도체 소자에는 냉각용의 핀(fin)이 통상 필요하게 되기 때문에, 복수의 파워 반도체 소자를 탑재하게 되면, 마운트 스페이스도 확보할 필요가 있다. 또, 스위칭 타이밍을 제어하는 제어회로도 제어대상의 스위칭 소자 개수가 적은 것이, 제어가 간단해지는 데다가, 복수의 파워 반도체를 사용하는 브리지 컨버터식의 무선 급전장치는 암을 구성하는 2개의 직렬로 접속된 스위칭 소자의 동시 온에 의한 고장을 회피하기 위해서 정밀한 데드타임의 제어가 필요하게 된다. 이에 대하여 본 실시형태에 따른 무선 급전장치(100)는 브리지 컨버터식의 무선 급전장치와 비교하면, 장치의 저코스트화 및 소형화를 실현시킬 수 있다.
본 실시형태에 따른 무선 급전장치(100)는 병렬 공진회로 구성이기 때문에, 급전 개시 시 및 급전 중에 특수한 조작이 불필요하게 되고, 입력전압과 출력전압과의 전압차의 제어만으로 전송전력을 제어할 수 있다.
본 실시형태에 따른 무선 급전장치(100)는 입력전압과 출력전압과의 전압차의 제어에 의해, 회로 상수의 편차에 의한 전송전력의 변동을 보상할 수 있다. 즉, 본 실시형태에 따른 무선 급전장치(100)는 입력전압과 출력전압과의 전압차의 제어에 의해, 전송전력의 변동 주요한 원인인 전송전력의 위상차를 보상할 수 있다. 따라서 본 실시형태에 따른 무선 급전장치(100)에 의하면, 비교적 간단한 제어로 전송특성의 안정성을 향상시킬 수 있다.
또, 본 실시형태에 따른 무선 급전장치(100)는 상기한 바와 같이, 입력전압과 출력전압의 전압차의 제어에 의해 전송전력의 위상차를 보상할 수 있으므로, 송전측의 위상을 검출해서 수전측에 통신하는 수단과, 수전측에서 상호 위상 시프트 제어(제1 스위칭 소자(SW1)의 스위칭과 제2 스위칭 소자(SW2)의 스위칭에 소정의 위상차를 가지게 하는 제어)를 수행하는 회로가 1차측과 2차측의 쌍방에서 불필요하게 된다. 이것에 의해, 장치의 구성이 간소화되고, 고속위상통신이 불필요해진다.
예를 들면, 상호 통신 신호(130)는 위상의 정보를 포함하지 않으므로, 고속위상통신을 위한 신호보다도 저속으로 할 수 있다. 따라서 본 실시형태에 따른 무선 급전장치(100)에 의하면, 고속위상통신이 불필요해지는 것에 의한 상호접속성의 향상을 도모할 수 있다.
[제2 실시형태]
도 6에, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 무선 급전장치(200)를 나타낸다. 무선 급전장치(200)는 제1 급전장치(201), 제1 제어부(210)의 제1 제어회로(213), 제2 급전장치(204), 및 제2 제어부(220)의 제2 제어회로(223)가 제1 실시형태와 다르고, 기타의 구성은 제1 실시형태와 공통된다.
제1 급전장치(201)는 제1 실시형태의 제1 급전장치(101)에, 제1 전환용 컨덴서(C1’) 및 제1 전환용 스위치(S1)로 이루어지는 직렬 회로를 추가한 것이다. 상기 직렬 회로는 제1 공진 컨덴서(C1)에 병렬 접속된다. 제1 전환용 스위치(S1)는 예를 들면 반도체 스위치 또는 릴레이로 구성된다.
제1 전환용 스위치(S1)는 제1 제어회로(213)의 제어 하에서, 온과 오프가 바뀐다. 제1 전환용 스위치(S1)가 온일 때에 제1 전환용 컨덴서(C1’)가 제1 공진 컨덴서(C1)에 병렬 접속된 상태가 되고, 제1 전환용 스위치(S1)가 오프일 때에 제1 전환용 컨덴서(C1’)가 제1 공진 컨덴서(C1)에서 전기적으로 분리된 상태가 된다.
제1 제어회로(213)는 제1 실시형태의 제1 제어회로(113)에, 제1 전환용 스위치(S1)의 온 오프를 전환하는 기능을 추가한 것이다. 제1 제어회로(213)는 예를 들면, 제1 전환용 스위치(S1)의 구동회로를 포함한다.
제2 급전장치(204)는 제1 실시형태의 제2 급전장치(104)에, 제2 전환용 컨덴서(C2’) 및 제2 전환용 스위치(S2)로 이루어지는 직렬 회로를 추가한 것이다. 상기 직렬 회로는 제2 공진 컨덴서(C2)에 병렬 접속된다. 제2 전환용 스위치(S2)는 예를 들면 반도체 스위치 또는 릴레이로 구성된다.
제2 전환용 스위치(S2)는 제2 제어회로(223)의 제어 하에서, 온과 오프가 바뀐다. 제2 전환용 스위치(S2)가 온일 때에 제2 전환용 컨덴서(C2’)가 제2 공진 컨덴서(C2)에 병렬 접속된 상태가 되고, 제2 전환용 스위치(S2)가 오프일 때에 제2 전환용 컨덴서(C2’)가 제2 공진 컨덴서(C2)로부터 전기적으로 분리된 상태가 된다.
제2 제어회로(223)는 제1 실시형태의 제2 제어회로(123)에, 제2 전환용 스위치(S2)의 온 오프를 전환하는 기능을 추가한 것이다. 제2 제어회로(223)는 예를 들면, 제2 전환용 스위치(S2)의 구동회로를 포함한다.
순방향 전력전송의 경우, 제1 제어회로(213)는 제1 제어지령(114)에 따라서, 또는 상호 통신 신호(130)에 포함되는 충전개시 통지에 따라서, 제1 전환용 스위치(S1)를 오프한다. 한편, 제2 제어회로(223)는 상호 통신 신호(130)에 포함되는 충전개시 통지에 따라서, 또는 제2 제어지령(124)에 따라서, 제2 전환용 스위치(S2)를 온 한다. 즉, 급전측의 공진 주파수를 수전측의 공진 주파수보다 높은 쪽에 설정한다. 이것에 의해, 제2 급전장치(204)에서의 공진회로의 상수가 변화된다. 제1 전환용 스위치(S1)가 오프된고, 제2 전환용 스위치(S2)가 온된 후, 제1 제어회로(213)는 제1 전압차 제어를 개시한다.
역방향 전력전송의 경우, 제2 제어회로(223)는 제2 제어지령(124)에 따라서, 또는 상호 통신 신호(130)에 포함되는 방전 개시통지에 따라서, 제2 전환용 스위치(S2)를 오프한다. 한편, 제1 제어회로(213)는 상호 통신 신호(130)에 포함되는 방전 개시통지에 따라서, 또는 제1 제어지령(114)에 따라서, 제1 전환용 스위치(S1)를 온 한다. 즉, 급전측의 공진 주파수를 수전측의 공진 주파수보다 높은 쪽에 설정한다. 이것에 의해, 제1 급전장치(201)에서의 공진회로의 상수가 변화된다. 제1 전환용 스위치(S1)가 온되고, 제2 전환용 스위치(S2)가 오프된 후, 제2 제어회로(223)는 제2 전압차 제어를 개시한다.
도 7에, 순방향 전력전송 시에서의, 제1 입력전압(E1)과 제1 급전장치(201)로부터 제2 급전장치(204)로의 전송전력(P) 관계를 나타낸다. 비교를 위해서 도 2에서 나타낸 제1 실시형태에서의 제1 입력전압(E1)과 전송전력(P)의 관계도 도 7에 나타낸다. 제1 출력전압(E2)은 제1 실시형태와 마찬가지로, 350[V]의 일정값으로 한다.
도 7에서는, 제1 공진 컨덴서(C1)와 제2 공진 컨덴서(C2)의 정전 용량비를 1:1로 하고, 동시에 제2 공진 컨덴서(C2)와 제2 전환용 컨덴서(C2’)의 정전 용량비를 5:1로 한다. 예를 들면, 제1 급전장치(201)에서의 공진 컨덴서의 정전 용량은 0.15[μF]이고, 제2 급전장치(204)에서의 공진 컨덴서의 정전 용량은 0.18[μF]이다. 또, 제1 실시형태에서는 제1 급전장치(101) 및 제2 급전장치(104)에서의 공진 컨덴서의 정전 용량은 어느 것이나 0.15[μF]이다.
도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 제2 실시형태에서는 제1 입력전압(E1)을 310[V]로부터 380[V]의 70[V]의 범위에서 변화시키면, 전송전력(P)이 0에서 6[kW]까지 변화된다. 즉, 제2 실시형태에 따른 무선 급전장치(200)에 의하면, 제1 실시형태보다도 작은 전압차로 출력전력(전송전력(P))을 제어할 수 있다. 또, 무선 급전장치(200)에 의하면, 소망하는 출력전력을 얻기 위해서 필요한 전압(제1 입력전압(E1))을 제1 실시형태보다도 낮게 할 수 있다.
변형예로서, 제1 급전장치(201)는 제1 전환용 컨덴서(C1’) 및 제1 전환용 스위치(S1)로 이루어지는 직렬 회로에 부가해서, 또는 상기 직렬 회로의 대신에 제3 전환용 컨덴서 및 제3 전환용 스위치로 이루어지는 병렬회로를 구비할 수도 있다. 상기 병렬회로는 제1 공진 컨덴서(C1)에 직렬 접속된다. 제3 전환용 스위치는 제1 제어회로(213)의 제어 하에서, 순방향 전력전송 시에 오프하고, 역방향 전력전송 시에 온한다.
제2 급전장치(204)는 제2 전환용 컨덴서(C2’) 및 제2 전환용 스위치(S2)로 이루어지는 직렬 회로에 부가해서, 또는 상기 직렬 회로의 대신에, 제4 전환용 컨덴서 및 제4 전환용 스위치로 이루어지는 병렬회로를 구비할 수도 있다. 상기 병렬회로는 제2 공진 컨덴서(C2)에 직렬 접속된다. 제4 전환용 스위치는 제2 제어회로(223)의 제어 하에서, 순방향 전력전송 시에 온하고, 역방향 전력전송 시에 오프한다.
또, 전환용 컨덴서의 정전 용량은 제1 공진 컨덴서(C1) 또는 제2 공진 컨덴서(C2)의 정전 용량보다도 크게 할 수 있다. 예를 들면, 제1 공진 컨덴서(C1)와 제2 공진 컨덴서(C2)의 정전 용량비를 1:1로 하고, 제1 공진 컨덴서(C1)와 제1 전환용 컨덴서(C1’)의 정전 용량비 및 제2 공진 컨덴서(C2)와 제2 전환용 컨덴서(C2’)의 정전 용량비는 1:5로 한다. 제1 공진 컨덴서(C1) 및 제2 공진 컨덴서(C2)의 정전 용량이 0.18[μF]인 경우, 제1 전환용 컨덴서(C1’) 및 제2 전환용 컨덴서(C2’)의 정전 용량은 0.9[μF]이다.
결국, 본 실시형태에 따른 무선 급전장치(200)에 의하면, 수전측의 공진 컨덴서의 정전 용량을 송전측의 공진 컨덴서의 정전 용량보다 상대적으로 증가시키고, 송전측과 수전측로 공진회로의 상수에 차이를 주는 것에 의해, 제1 실시형태보다도 작은 전압차로 출력전력을 제어할 수 있다. 또, 본 실시형태에서는 공진 코일 상수를 일정하게 하고, 전환용 컨덴서에서 공진 콘덴서 상수에 차이를 주었지만, 공진 콘덴서 상수를 일정하게 하고, 공진 코일 상수에 차이를 주는 구성으로 할 수도 있다.
[제3 실시형태]
도 8에, 본 발명의 제3 실시형태에 따른 무선 급전장치(300)를 나타낸다. 무선 급전장치(300)는 1차측에서 2차측으로의 전력전송(순방향 전력전송)만을 하고, 2차 측으로부터 1차측으로의 전력전송(역방향 전력전송)은 실시하지 않는다.
무선 급전장치(300)는 제1 직류전압 변환부(303), 제2 급전장치(304), 제2 직류전압 변환부(306) 및 제2 제어부(320)가 제1 실시형태와 다르고, 기타의 구성은 제1 실시형태와 공통된다.
제1 직류전압 변환부(303)는 한쪽 방향 DC/DC 컨버터로 구성된다. 제1 직류전압 변환부(303)는 제1 전원(E3)으로부터 입력된 직류전압을 승압 또는 강압해서 제1 필터회로(102)로 출력하는 한쪽 방향 전압변환 동작만을 수행한다.
제2 급전장치(304)는 제2 전송코일(L2)과, 제2 공진 컨덴서(C2)와, 제3 다이오드(D3)를 구비한다. 제2 공진 컨덴서(C2)는 일단이 제2 전송코일(L2)의 일단에 접속되고, 타단이 제2 전송코일(L2)의 타단에 접속된다. 제3 다이오드(D3)는 애노드가 제2 필터회로(105)의 저전위측에 접속되고, 캐소드가 제2 공진 컨덴서(C2)의 타단에 접속된다. 즉, 제2 급전장치(304)는 제1 실시형태의 제1 스위칭 소자(SW1)의 대신에, 제3 다이오드(D3)를 구비하고 있다.
제2 직류전압 변환부(306)는 한쪽 방향 DC/DC 컨버터로 구성된다. 제2 직류전압 변환부(306)는 제2 필터회로(105)로부터 입력된 직류전압을 승압 또는 강압해서 제2 전원(E4)에 출력하는 한쪽 방향 전압변환 동작만을 수행한다.
제2 제어부(320)는 제2 제어회로(323)를 구비하는 한편으로, 제1 실시형태의 제2 공진전압 검지회로(121) 및 제2 동기회로(122)를 구비하지 않는다. 제2 제어회로(323)는 제2 제어신호(326)를 출력해서 제2 직류전압 변환부(306)를 제어한다. 이 제어는 제1 및 제2 실시형태와 같은 입력전압과 출력전압의 전압차의 제어가 아니고, 제2 전원(E4)에 소망하는 전력을 공급하기 위한 수전 제어이다. 제2 직류전압 변환부(306)는 입력전압(E2)을 제2 전원(E4)으로의 입력전압으로 변환하는 필요가 없다면, 생략할 수 있다.
본 실시형태의 제2 급전장치(304) 및 제2 필터회로(105)는 도 9에 나타내는 제2 급전장치(304’) 및 제2 필터회로(105’)로 변경할 수 있다. 즉, 제3 다이오드(D3)는 애노드가 제2 공진 컨덴서(C2)의 일단에 접속되고, 캐소드가 제2 필터회로(105’)의 고전위측에 접속되어 있을 수 있다. 이 경우, 제2 필터회로(105’)에 초크코일의 환류용 다이오드를 추가할 수도 있다. 또, 제2 컨덴서(C4)는 제2 코일(L4)의 후단에 형성할 수도 있다. 도 9에서는 제2 직류전압 변환부(306)를 생략하고 있다.
[제4 실시형태]
도 10에, 본 발명의 제4 실시형태에 따른 무선 급전장치(400)를 나타낸다. 무선 급전장치(400)는 제1 직류전원(402)에 접속된 제1 급전장치(401)와, 제2 직류전원(403)에 접속된 제2 급전장치(404)와, 제어부(430)를 구비하고, 제1 직류전원(402)과 제2 직류전원(403) 사이에서 전력의 수수를 실시한다.
제1 직류전원(402)은 제1 전지(E1)와, 제1 필터회로(102)에 상당하는 제1 컨덴서(C3) 및 제1 코일(L3)을 구비한다. 제1 전지(E1)는 예를 들면, 가정에 설치된 축전지이다. 또, 제1 전지(E1)는 제1 실시형태의 제1 직류전압 변환부(103) 및 제1 전원(E3)일 수도 있다. 제1 컨덴서(C3)는 일단이 제1 코일(L3)을 통해서 제1 전지(E1)의 고전위측에 접속되고, 타단이 제1 전지(E1)의 저전위측에 접속된다.
제2 직류전원(403)는 제2 전지(E2)와, 제2 필터회로(105)에 상당하는 제2 컨덴서(C4) 및 제2 코일(L4)를 구비한다. 제2 전지(E2)는 예를 들면, 전동차에 탑재된 축전지이다. 또, 제2 전지(E2)는 제1 실시형태의 제2 직류전압 변환부(106) 및 제2 전원(E4)일 수도 있다. 제2 컨덴서(C4)는 일단이 제2 코일(L4)을 통해서 제2 전지(E2)의 고전위측에 접속되고, 타단이 제2 전지(E2)의 저전위측에 접속된다.
제1 급전장치(401)는 제1 전송코일(L1)와, IGBT로 구성된 제1 스위칭 소자(SW1)와, 제1 공진 컨덴서(C1)를 구비하는 1-트랜지스터 타입 컨버터이다. 즉, 제1 급전장치(401)는 제1 실시형태의 제1 급전장치(101)와 동일한 구성이다. 제1 전송코일(L1)은 일단이 제1 코일(L3)을 통해서 제1 전지(E1)의 고전위측에 접속되고, 타단이 제1 스위칭 소자(SW1)의 전류로를 통해서 제1 전지(E1)의 저전위측에 접속된다. 제1 공진 컨덴서(C1)는 제1 전송코일(L1) 및 제1 스위칭 소자(SW1)의 적어도 한쪽(본 실시형태에서는 제1 전송코일(L1))에 병렬 접속된다.
제2 급전장치(404)는 제2 전송코일(L2)과, IGBT로 구성된 제2 스위칭 소자(SW2)와, 제2 공진 컨덴서(C2)를 구비하는 1-트랜지스터 타입 컨버터이다. 즉, 제2 급전장치(404)는 제1 실시형태의 제2 급전장치(104)와 동일한 구성이다. 제2 전송코일(L2)은 일단이 제2 코일(L4)을 통해서 제2 전지(E2)의 고전위측에 접속되고, 타단이 제2 스위칭 소자(SW2)의 제2 전지(E2)의 저전위측에 접속된다. 제2 공진 컨덴서(C2)는 제2 전송코일(L2) 및 제2 스위칭 소자(SW2)의 적어도 한쪽(본 실시형태에서는 제2 전송코일(L2))에 병렬 접속된다.
제1 전송코일(L1)과 제2 전송코일(L2)은 0.5 이하의 결합계수로 자기 결합하고 있다. 또, 제1 스위칭 소자(SW1) 및 제2 스위칭 소자(SW2)에 대해서, 본 실시형태에서는 IGBT를 사용하고 있지만, MOSFET나 바이폴러 트랜지스터 등 자기 턴오프 기능을 가지는 스위칭 소자를 사용할 수도 있다.
제어부(430)는 제1 턴온 제어회로(431, 432)와, 제2 턴온 제어회로(433, 434)와, 상호 위상 시프트 제어회로(435∼439)를 구비한다.
제1 턴온 제어회로는 제1 공진전압 검지회로(431)와, 제1 동기회로(432)를 구비한다. 제1 공진전압 검지회로(431)는 제1 전송코일(L1)(제1 공진 컨덴서(C1))의 양단전압(VR1)을 측정하는 것으로, 제1 전송코일(L1) 및 제1 공진 컨덴서(C1)에 의한 제1 공진전압을 검출하도록 구성된다. 제1 동기회로(432)는 제1 스위칭 소자(SW1)가 영전압 스위칭 동작을 하도록, 제1 공진전압에 동기해서 제1 스위칭 소자(SW1)의 턴온을 제어하도록 구성된다.
제2 턴온 제어회로는 제2 공진전압 검지회로(433)와, 제2 동기회로(434)를 구비한다. 제2 공진전압 검지회로(433)는 제2 전송코일(L2)(제2 공진 컨덴(C2))의 양단전압(VR2)을 측정하는 것으로, 제2 전송코일(L2) 및 제2 공진 컨덴서(C2)에 의한 제2 공진전압을 검출하도록 구성된다. 제2 동기회로(434)는 제2 스위칭 소자(SW2)이 영전압 스위칭 동작을 하도록, 제2 공진전압에 동기해서 제2 스위칭 소자(SW2)의 턴온을 제어하도록 구성된다.
상호 위상 시프트 제어회로는 타이밍 송신회로(435)와, 타이밍 수신회로(436)와, 검지회로(437)와, 비교회로(438)와, 턴오프 위상차 제어회로(439)를 구비한다.
타이밍 송신회로(435)는 제1 스위칭 소자(SW1)의 스위칭 타이밍 신호를 광 또는 전파로 송신하도록 구성된다. 타이밍 수신회로(436)는 타이밍 송신회로로부터 송신된 타이밍 신호를 수신하도록 구성된다. 본 실시형태에서는 타이밍 송신회로(435)가 발광 다이오드를 포함하고, 타이밍 수신회로(436)가 포토트랜지스터를 포함한다.
검지회로(437)는 제2 급전장치(404)와 제2 직류전원(403) 사이를 흐르는 전류를 검출하고, 검출결과에 대응한 신호(예를 들면, 전압신호)을 비교회로(438)에 출력하도록 구성된다.
비교회로(438)는 제1 전송코일(L1)과 제2 전송코일(L2) 사이의 전송전력이 소정의 목표 값이 되도록, 위상차의 제어 지령값을 출력하도록 구성된다. 비교회로(438)는 예를 들면, 차동 증폭기를 포함하고, 차동 증폭기의 반전 입력단자에 전송전력의 목표 값에 대응한 기준전압(Vref)이 입력되고, 차동 증폭기의 비반전 입력단자에 검지회로(437)로부터의 신호가 입력된다. 비교회로(438)는 양자의 차분에 대응한 신호를, 위상차의 제어 지령값으로서 턴오프 위상차 제어회로(439)로 출력한다.
턴오프 위상차 제어회로(439)는 타이밍 수신회로(436)의 출력 및 비교회로(438)의 출력에 의거하여 제1 스위칭 소자(SW1)의 턴오프와 제2 스위칭 소자(SW2)의 턴오프가 소정의 위상차를 가지도록, 제2 동기회로(434)에 제어신호를 출력한다(위상 시프트 제어). 제2 동기회로(434)는 이 제어신호에 따라서 제2 스위칭 소자(SW2)를 턴오프시킨다.
다음에, 도 11을 참조해서, 무선 급전장치(400)의 제어에 대해서 설명한다. 도 11에서, (A)는 제1 스위칭 소자(SW1)의 양단전압(VSW1)의 파형, (B)는 제1 스위칭 소자(SW1)를 흐르는 전류(ISW1)의 파형, (C)는 제1 전송코일(L1)의 양단전압(VR1)의 파형, (D)는 제1 스위칭 소자(SW1)의 게이트 전압(Vg1)의 파형, (E)는 제2 스위칭 소자(SW2)의 게이트 전압(Vg2)의 파형, (F)는 제2 전송코일(L2)의 양단전압(VR2)의 파형, (G)는 제2 스위칭 소자(SW2)를 흐르는 전류(ISW2)의 파형, (H)는 제2 스위칭 소자(SW2)의 양단전압(VSW2)의 파형이다.
제1 스위칭 소자(SW1)가 OFF의 기간(TOFF1)에서는 제1 전송코일(L1)의 양단전압(VR1)은 제1 전송코일(L1)과 제1 공진 컨덴서(C1)에 의한 제1 공진전압이 발생하고 있다.
제1 스위칭 소자(SW1)의 양단전압(VSW1)은 공진의 호를 그리고, 완만하게 상승한 후, 완만하게 하강해서 0에 도달한다. 시각(t1)에서 전압(VSW1)이 0에 도달하면, 제1 스위칭 소자(SW1)를 구성하는 제1 역병렬 다이오드(D1)가 자동적으로 도통하고, 제1 스위칭 소자(SW1)가 도통상태가 된다.
전압(VR1)이 0과 교차하는 제로 크로스점(t0)을 제1 공진전압 검지회로(431)가 검출하면, 제1 공진전압 검지회로(431)에 접속된 제1 동기회로(432)는 제1 공진전압의 제로 크로스점(t0)에 동기한 시각(t2)에, 제1 스위칭 소자(SW1)의 게이트 전압(Vg1)을 로 레벨에서 하이 레벨로 전환되어 제1 스위칭 소자(SW1)를 구성하는 제1 트랜지스터(Q1)를 도통시킨다. 즉, 제1 동기회로(432)는 제1 스위칭 소자(SW1)가 영전압 스위칭 동작을 하도록 턴온시킨다.
여기에서, 제1 스위칭 소자(SW1)의 양단전압(VSW1)은 부하(예를 들면, 제1 직류전원(402))의 상태에 따라서는 진폭이 작아지고, 0에 도달하지 않을 경우가 있지만, 제1 전송코일(L1)의 양단전압(VR1)의 파형은 진폭의 크기에 관계없이 0과 교차한다. 그래서, 본 실시형태에서는 제1 공진전압 검지회로(431)가 제로 크로스점(t0)을 검출하는 구성을 채택하고 있다.
또, 제1 스위칭 소자(SW1)의 영전압 스위칭 동작을 실현시키기 위해서는, 시각(t1)에 제1 스위칭 소자(SW1)를 턴온시킬 수 있지만, 시각(t1)은 부하의 상태에 따라서 타이밍이 어긋나는 경우가 있다. 그래서, 본 실시형태에서는 시각(t1)보다도 나중의 시각(t2)에서 제1 스위칭 소자(SW1)를 턴온시킴으로써, 약간의 여유를 가지도록 하고 있다.
제1 스위칭 소자(SW1)가 도통하고 있는 기간(TON1)에서는 제1 전송코일(L1)에 제1 전지(E1)의 직류전압이 인가되고 있는 상태가 되므로, 제1 스위칭 소자(SW1)를 흐르는 전류(ISW1)는 직선적으로 증대한다. 전류(ISW1)가 음으로부터 양으로 전류(轉流)하면 제1역병렬 다이오드(D1)에 흐르고 있었던 전류는 부드럽게 제1 트랜지스터(Q1)로 흐르고, 제1 스위칭 소자(SW1)의 도통상태가 계속된다.
제1 동기회로(432)는 미리 설정된 시간(TON1)이 경과한 시각(t6)에서, 스위칭 소자(SW1)의 게이트 전압(Vg1)을 하이 레벨에서 로 레벨로 전환하고, 제1 트랜지스터(Q1)를 차단시킨다. 이것에 의해, 제1 스위칭 소자(SW1)가 턴오프하고, 제1 전송코일(L1)에 축적되어 있는 전류가 제1 공진 컨덴서(C1)에 흘러 들어 공진상태가 되고, 발진이 계속한다.
제2 스위칭 소자(SW2)가 OFF의 기간(TOFF2)에서는 제2 전송코일(L2)의 양단전압(VR2)은 제2 전송코일(L2)과 제2 공진 컨덴서(C2)에 의한 제2 공진전압이 발생하고 있다.
제2 스위칭 소자(SW2)의 양단전압(VSW2)은 공진의 호를 그리고, 완만하게 상승한 후, 완만하게 하강해서 0에 도달한다. 시각(t4)에서 전압(VSW2)이 0에 도달하면, 제2 스위칭 소자(SW2)를 구성하는 제2 역병렬 다이오드(D2)가 자동적으로 도통하고, 제2 스위칭 소자(SW2)가 도통상태가 된다.
전압(VR2)이 0과 교차하는 제로 크로스점(t3)을 제2 공진전압 검지회로(433)가 검출하면, 제2 공진전압 검지회로(433)에 접속된 제2 동기회로(434)는 제2 공진전압의 제로 크로스점(t3)에 동기한 시각(t5)에, 제2 스위칭 소자(SW2)의 게이트 전압(Vg2)을 로 레벨에서 하이 레벨로 전환해서 제2 스위칭 소자(SW2)를 구성하는 제2 트랜지스터(Q2)를 도통시킨다. 즉, 제2 동기회로(434)는 제2 스위칭 소자(SW2)가 영전압 스위칭 동작을 하도록 턴온시킨다.
제2 스위칭 소자(SW2)가 도통하고 있는 기간(TON2)에서는 제2 전송코일(L2)에 제2 전지(E2)의 직류전압이 인가되고 있는 상태가 되므로, 제2 스위칭 소자(SW2)를 흐르는 전류(ISW2)는 직선적으로 증대한다. 전류(ISW2)가 음으로부터 양으로 전류(轉流)하면 제2 역병렬 다이오드(D2)에 흐르고 있었던 전류는 부드럽게 제2 트랜지스터(Q2)에 흐르고, 제2 스위칭 소자(SW2)의 도통상태가 계속한다.
시각(t6)에서, 제1 스위칭 소자(SW1)의 게이트 전압(Vg1)이 하이 레벨에서 로 레벨로 바뀌어서 제1 스위칭 소자(SW1)가 턴오프하면, 타이밍 송신회로(435)로부터 타이밍 수신회로(436)에 타이밍 신호가 전송된다.
타이밍 수신회로(436)에 접속된 턴오프 위상차 제어회로(439)는 시각(t6)에서 위상 시프트 시간(Tφ)만큼 늦은 시각(t7)에서, 제2 동기회로(434)가 제2 스위칭 소자(SW2)의 게이트 전압(Vg2)을 하이 레벨로부터 로 레벨로 전환해서 제2 스위칭 소자(SW2)을 턴오프시키고, 제2 동기회로(434)에 제어신호를 출력한다. 제2 스위칭 소자(SW2)가 턴오프하면, 제2 전송코일(L2)에 축적된 전류는 제2 공진 컨덴서(C2)에 흘러 들어 공진상태가 되고, 발진이 계속한다.
본 실시형태에 의하면, 이상의 동작에 의해, 제1 스위칭 소자(SW1) 및 제2 스위칭 소자(SW2)는 스위칭 손실이 작은 영전압 스위칭을 유지하면서, 제2 스위칭 소자(SW2)의 턴오프 위상을 제1 스위칭 소자(SW1)의 턴오프 위상보다도 시간(Tφ)만큼(위상각으로 φ=2πTφ/To(To: 동작 주기)만큼) 시프트시킬 수 있다.
결국, 본 실시형태에 따른 무선 급전장치(400)에 의하면, 제1 급전장치(401)가 제1 스위칭 소자(SW1)로 동작하는 1-트랜지스터 타입 컨버터로 구성되고, 제2 급전장치(404)가 제2 스위칭 소자(SW2)로 동작하는 1-트랜지스터 타입 컨버터로 구성된다. 제1 스위칭 소자(SW1)에 사용되는 파워 반도체 소자는 전기자동차용의 경우, 90kHz 정도의 고속 스위칭 성능, 저손실, 고내전압이 요구되기 때문에, 비교적 비싸다. 또, 파워 반도체 소자에는 냉각용의 핀(fin)이 통상 필요하게 되기 때문에, 복수의 파워 반도체 소자를 탑재하게 되면, 마운트 스페이스도 확보할 필요가 있다. 또, 스위칭의 타이밍을 제어하는 제어회로도 제어대상의 스위칭 소자 개수가 적은 것이 제어가 간단해지는 것에 부가해서, 복수의 파워 반도체를 사용하는 브리지 컨버터식의 쌍방향 급전장치는 암을 구성하는 2개의 직렬로 접속된 스위칭 소자의 동시 온에 의한 고장을 회피하기 위해서 정밀한 데드 타임의 제어가 필요하게 된다. 이에 대하여 본 실시형태에 따른 무선 급전장치(400)는 브리지 컨버터식 쌍방향 급전장치와 비교하면, 장치의 저코스트화 및 소형화를 실현할 수 있다.
부가해서, 본 실시형태에 따른 무선 급전장치(400)이 의하면, 회로 상수 편차에 의한 전송전력 변동이 주요한 원인인 제1 급전장치(401)와 제2 급전장치(404)의 전송전력의 위상차를, 턴오프 위상차 제어회로(439)의 위상 시프트 제어에 의해 보상하는 결과, 매우 작은 변동이 되어 충분한 양산성이나 호환성을 얻을 수 있다. 즉, 본 실시형태에 의하면, 전송특성의 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 12에, 무선 급전장치(400)에서의 위상차, 전송전력 및 동작 주파수의 관계를 나타낸다. 실선은 전송전력(좌축), 파선은 동작 주파수(우축)이다. 동 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 동작 주파수가 거의 일정한 그대로, 전송전력을 0로부터 최대치(도 12에서는 4.8kW)까지 제어할 수 있다. 즉, 본 실시형태에 의하면, 전송전력의 제어성을 향상시킬 수 있다.
또, 도 12에서 알 수 있는 바와 같이, 위상 시프트 제어하는 위상범위는 전전송전력범위를 쌍방향에 제어할 수 있고, 45도에서 315도는 위상차에 대하여 전송전력의 변화가 완만하므로 안정되어 제어하기 쉽다. 특히, 본 실시형태와 같이, 제1 스위칭 소자(SW1)의 턴오프를 검지하고 나서 시간(Tφ)만큼 지연을 제공해서 제2 스위칭 소자(SW2)를 턴오프 시키는 순간 제어의 경우에는, 0도 부근이나 음의 위상차의 영역은 제어할 수 없는 영역이 되지만, 45도에서 315도라면 전역(전 전송전력범위)을 안정되어 제어할 수 있다. 또, 소망의 동작 점에서 안정되어 제어하는 관점으로부터는, 60도에서 300도의 위상범위에서 위상 시프트 제어하는 것이 바람직하다.
[제5 실시형태]
도 13에, 본 발명의 제5 실시형태에 따른 무선 급전장치(500)을 나타낸다. 무선 급전장치(500)는 제1 직류전원(402)에 접속된 제1 급전장치(401)와, 제2 직류전원(403)에 접속된 제2 급전장치(404)와, 제어부(540)를 구비하고, 제1 직류전원(402)과 제2 직류전원(403) 사이에서 전력의 수수를 실시한다.
제1 직류전원(402), 제1 급전장치(401), 제2 직류전원(403) 및 제2 급전장치(404)의 구성은 제4 실시형태와 공통되고 있으므로, 여기에서는 설명을 생략한다.
제어부(540)는 제1 턴온 제어회로(431, 432)와, 제2 턴온 제어회로(433, 434)와, 상호 위상 시프트 제어회로(541∼544)를 구비한다. 제1 턴온 제어회로(431, 432) 및 제2 턴온 제어회로(433, 434)는 제4 실시형태와 공통되고 있다.
제1 턴온 제어회로는 제1 공진전압 검지회로(431)와, 제1 동기회로(432)를 구비한다. 제1 공진전압 검지회로(431)는 제1 전송코일(L1)의 양단전압(VR1)을 측정함으로써, 제1 전송코일(L1) 및 제1 공진 컨덴서(C1)에 의한 제1 공진전압을 검출하도록 구성된다. 제1 동기회로(432)는 제1 스위칭 소자(SW1)가 영전압 스위칭 동작을 하도록, 제1 공진전압에 동기해서 제1 스위칭 소자(SW1)의 턴온을 제어하는 동시에, 미리 설정된 소정의 도통시간(TON1)을 유지하도록 구성된다.
제2 턴온 제어회로는 제2 공진전압 검지회로(433)와, 제2 동기회로(434)를 구비한다. 제2 공진전압 검지회로(433)는 제2 전송코일(L2)의 양단전압(VR2)을 측정함으로써, 제2 전송코일(L2) 및 제2 공진 컨덴서(C2)에 의한 제2 공진전압을 검출하도록 구성된다. 제2 동기회로(434)는 제2 스위칭 소자(SW2)가 영전압 스위칭 동작을 하도록, 제2 공진전압에 동기해서 제2 스위칭 소자(SW2)의 턴온을 제어하도록 구성된다.
상호 위상 시프트 제어회로는 위상차 검출기(541)와, 위상차 지령기(542)와, 차동 증폭기(543)(본 발명의 「귀환 제어부」에 상당)와, 도통시간 가변부(544)를 구비한다.
위상차 검출기(541)는 제1 전송코일(L1)과 제2 전송코일(L2) 사이의 전송전력을 검출하는 것에　의해서, 간접적으로 위상차를 검출하도록 구성된다. 전송전력은 위상차와 상관이 있기 때문에(도 12 참조), 전송전력에 의해 위상차를 간접적으로 검출, 제어할 수 있다. 또, 위상차 검출기(541) 대신에, 직접적으로 위상차를 검출하도록 구성된 위상차 검출기를 사용할 수도 있다.
위상차 지령기(542)는 제1 전송코일(L1)과 제2 전송코일(L2) 사이의 전송전력의 목표 값을 지령하는 것에　의해서, 간접적으로 위상차의 목표 값을 지령하도록 구성된다. 또, 위상차 지령기(542)대신에, 직접적으로 위상차의 목표 값을 지령하도록 구성된 위상차 지령기를 사용해도 된다.
차동 증폭기(543)은, 위상차 검출기(541)에 의해 검출된 검출 값과 위상차 지령기(542)에 의해 지령된 목표 값을 비교하고, 위상차의 귀환 제어를 실시하도록 구성된다. 본 실시형태에서는 차동 증폭기(543)의 비반전 입력단자에 검출 값이 입력되고, 반전 입력단자에 목표 값이 입력된다. 차동 증폭기(543)는 양자의 차분에 대응한 신호를, 위상차의 제어 지령값으로서 도통시간 가변부(544)에 출력한다.
도통시간 가변부(544)는 차동 증폭기(543)로부터 입력된 신호에 따라서 제2 동기회로(434)를 제어하고, 제2 스위칭 소자(SW2)의 도통시간을 변화시킨다. 구체적으로는, 도통시간 가변부(544)는 제1 스위칭 소자(SW1)의 턴오프와 제2 스위칭 소자(SW2)의 턴오프가 소정의 위상차를 가지도록, 제2 동기회로(434)에 제어신호를 출력한다(위상 시프트 제어). 제2 동기회로(434)는 이 제어신호에 따라서 제2 스위칭 소자(SW2)를 턴오프시킨다.
도 14에, 무선 급전장치(500)의 동작 원리도를 나타낸다. 무선 급전장치(500)는 제1 연산부(551)와, 필터부(552)와, 제2 연산부(553)와, 게인 설정부(554)와, 전압제어 발신부(555)로 나타낼 수 있다.
제1 연산부(551)는 위상차 검출기(541)를 나타내고, 전송전력으로부터 요구한 제1 급전장치(401)측의 위상(Φ1) 및 제2 급전장치(404) 측의 위상(Φ2)의 위상차(ΔΦ)를 산출한다. 전송전력 이외의 것으로부터 요구한 제1 급전장치(401) 측의 위상(Φ1) 및 제2 급전장치(404) 측의 위상(Φ2)의 위상차(ΔΦ)를 산출할 수 있다. 필터부(552), 즉 전달함수 F(S)는 위상차 검출기(541)에 포함되는 시스템 안정화를 위한 저역 통과 필터를 나타낸다.
제2 연산부(553)는 필터부(552)의 출력과 위상차 지령(ΔΦr)의 차분을 산출한다. 제2 연산부(553)는 차동 증폭기(543)를 나타내고, 위상차 지령(ΔΦr)은 위상차 지령기(542)로부터 출력되는 위상차의 목표 값을 나타낸다. 게인 설정부(554), 즉 K의 블록은 제어 루프 전체의 게인을 집약한 것을 나타낸다.
전압제어 발신부(555), 즉 1/S의 블록은 도통시간 가변부(544), 제2 동기회로(434) 및 제2 급전장치(404)를 집약한 것을 나타낸다. 전압제어 발신부(555)는 제2 스위칭 소자(SW2)의 도통시간이 변화되는 결과, 동작 주파수가 변화되는 전압제어 발신기가 되므로, 동작 위상에 대하여는 적분기로서 작용한다.
도 14로부터, 제2 급전장치(404)의 위상(Φ2)은 다음식으로 나타낼 수 있다.
(1) 식에서 알 수 있는 바와 같이, 무선 급전장치(500)는 정상적으로는 제2 급전장치(404) 측의 위상(Φ2)과 제1 급전장치(401) 측의 위상(Φ1)의 위상차(ΔΦ)가 위상차 지령(ΔΦr) (위상차의 목표 값)이 되도록 동작한다.
본 실시형태에 따른 무선 급전장치(500)는 제4 실시형태와 같은 순간 제어가 아니므로 응답에 지연이 있지만, 제4 실시형태의 타이밍 송신회로(435) 및 타이밍 수신회로(436)이 불필요해지므로, 저코스트이고, 외란 노이즈에 강하다.
[제6 실시형태]
도 15에, 본 발명의 제6 실시형태에 따른 무선 급전장치(600)를 나타낸다. 무선 급전장치(600)는 제1 직류전원(402)에 접속된 제1 급전장치(401)와, 제2 직류전원(403)에 접속된 제2 급전장치(404)와, 제어부(660)를 구비하고, 제1 직류전원(402)과 제2 직류전원(403) 사이에서 전력의 수수를 실시한다.
제1 직류전원(402) 제1 급전장치(401), 제2 직류전원(403) 및 제2 급전장치(404)의 구성은 제5 실시형태와 공통되고 있으므로, 여기에서는 설명을 생략한다.
제어부(660)는 제1 턴온 제어회로(431, 432)과, 제2 턴온 제어회로(433, 434)와, 상호 위상 시프트 제어회로(541∼543, 661∼663)를 구비한다. 제1 턴온 제어회로(431, 432) 및 제2 턴온 제어회로(433, 434)의 구성은 제5 실시형태와 공통되고 있다.
상호 위상 시프트 제어회로는 위상차 검출기(541)와, 위상차 지령기(542)와, 차동 증폭기(543)와, 공진전류 검지소자(661)와, 공진전류 검지회로(662)와, 도통시간 가변부(663)를 구비한다. 위상차 검출기(541), 위상차 지령기(542) 및 차동 증폭기(543)의 구성은 제5 실시형태와 공통되고 있다.
공진전류 검지소자(661) 및 공진전류 검지회로(662)는 본 발명의 「공진전류 검지기」에 상당한다. 공진전류 검지소자(661)는 제2 전송코일(L2)을 흐르는 전류를 검출하고, 검출결과를 공진전류 검지회로(662)에 출력한다. 공진전류 검지회로(662)는 공진전류 검지소자(661)의 검출결과에 의거하여 제2 전송코일(L2)을 흐르는 전류의 제로 크로스점을 검출하고, 검출결과(제로 크로스 신호)를 도통시간 가변부(663)에 출력한다.
적어도 제2 스위칭 소자(SW2)가 도통하고 있는 기간은, 제2 전송코일(L2)을 흐르는 전류와 제2 스위칭 소자(SW2)를 흐르는 전류(ISW2)이 동등하게 된다. 이 때문에, 제2 전송코일(L2)을 흐르는 전류의 제로 크로스점을 검출하는 것은 제2 스위칭 소자(SW2)의 전류(ISW2)의 제로 크로스점을 검출하는 것과 동일하다.
제2 스위칭 소자(SW2)에서는 전류(ISW2)이 제로 크로스점에 도달하면, 제2 역병렬 다이오드(D2)가 턴오프하고, 제2 역병렬 다이오드(D2)에 흐르고 있었던 전류는 제2 트랜지스터(Q2)에 흐른다. 즉, 전류(ISW2)의 제로 크로스점은 제2 역병렬 다이오드(D2)가 턴오프하는 타이밍이다. 또, 제2 역병렬 다이오드(D2)는 제2 트랜지스터(Q2)의 내장(기생) 다이오드, 또는 제2 트랜지스터(Q2)와는 독립된 다이오드이다.
도통시간 가변부(663)는 제2 역병렬 다이오드(D2)가 턴오프한 후의 제2 트랜지스터(Q2)의 온 시간을 제어하도록 구성된다. 도통시간 가변부(663)에는 공진전류 검지회로(662)로부터 제로 크로스 신호가 입력되는 동시에, 차동 증폭기(543)로부터 위상차의 제어 지령값(더욱 구체적으로, 위상차와 상관이 있는 전송전력의 제어 지령값)에 관한 신호가 입력된다. 제어 지령값은 위상차 검출기(541)에 의해 검출된 검출 값을 위상차 지령기(542)에 의해 지령된 목표 값에 가까이하기 위한(귀환 제어를 위한) 지령값이다.
도통시간 가변부(663)는 이것들의 신호에 의거하여 제2 역병렬 다이오드(D2)가 턴오프한 후의 제2 트랜지스터(Q2)의 온 시간을 산출한다. 또, 도통시간 가변부(663)는 당해 온 시간이 경과한 시점에서 제2 트랜지스터(Q2)를 턴오프시키기 위한 타이밍 신호를 생성한다. 타이밍 신호는 제2 동기회로(434)에 출력된다.
제2 동기회로(434)는 타이밍 신호에 의거하여 제2 트랜지스터(Q2)를 턴오프시킨다. 이것에 의해, 제1 스위칭 소자(SW1)의 턴오프와 제2 스위칭 소자(SW2)의 턴오프가 소정의 위상차를 가지는 위상 시프트 제어가 실행된다.
도 16에, 무선 급전장치(600)의 각부 타이밍 차트를 나타낸다. 도 16에서, (A)∼(H)의 각 파형은 도 11과 동일한 신호를 나타낸 것으로, (I)의 파형은 제2 트랜지스터(Q2)의 온 시간을 제어하기 위한 타이밍 신호(TMOS)의 파형이다.
시각(t4)에서 전압(VSW2)이 0에 도달하면, 제2 스위칭 소자(SW2)의 제2 역병렬 다이오드(D2)가 턴온하고, 제2 스위칭 소자(SW2)가 도통상태가 된다. 제2 스위칭 소자(SW2)가 도통하고 있는 기간(TON2)은 제2 스위칭 소자(SW2)의 전류(ISW2)는 직선적으로 증대한다.
시각(t5’)에서 전류(ISW2)가 0에 도달하면, 제2 역병렬 다이오드(D2)가 턴오프하고, 제2 역병렬 다이오드(D2)에 흐르고 있었던 전류는 제2 트랜지스터(Q2)에 흐른다. 제어부(660)에서는 공진전류 검지회로(662)가 도통시간 가변부(663)에 제로 크로스 신호를 출력한다.
도통시간 가변부(663)는 제로 크로스 신호와 차동 증폭기(543)로부터 입력된 제어 지령값에 관한 신호에 의거하여 제2 역병렬 다이오드(D2)가 턴오프한 후의 제2 트랜지스터(Q2)의 온 시간(T)을 산출하고, 온 시간(T)에 관한 타이밍 신호(TMOS)를 생성한다. 도통시간 가변부(663)는 생성한 타이밍 신호(TMOS)를 제2 동기회로(434)에 출력한다.
제2 동기회로(434)는 시각(t7)에서 타이밍 신호(TMOS)가 하이 레벨로부터 로 레벨로 바뀌는 타이밍에서, 제2 트랜지스터(Q2)의 게이트 전압(Vg2)을 하이 레벨로에서 로 레벨로 전환하고, 제2 트랜지스터(Q2)를 턴오프시킨다. 이후의 제어는 도 11과 동일하다.
본 실시형태에 따른 무선 급전장치(600)는 제5 실시형태와 마찬가지로, 타이밍 송신회로(435) 및 타이밍 수신회로(436)이 불필요해지므로, 저코스트이고, 외란 노이즈에 강하다.
또, 본 실시형태에 따른 무선 급전장치(600)는 제2 역병렬 다이오드(D2)가 턴오프한 후의 제2 트랜지스터(Q2)의 온 시간을 제어하므로, 제2 스위칭 소자(SW2)의 온 시간(도통시간)을 제어하는 통상의 방법과 비교하면, 제2 급전장치(404)를 안정되게 제어할 수 있다.
제2 스위칭 소자(SW2)의 온 시간을 제어하는 방법은 제2 역병렬 다이오드(D2)의 온 시간과 제2 트랜지스터(Q2)의 온 시간의 합을 제어하게 된다. 이 경우, 어떤 하나의 합에 대해서, 제2 역병렬 다이오드(D2)의 온 시간과 제2 트랜지스터(Q2)의 온 시간의 조합은 복수 존재하므로, 제2 트랜지스터(Q2)의 온 시간을 일의적으로 정할 수 없다.
예를 들면, 도통시간 가변부(663)가 제2 스위칭 소자(SW2)의 온 시간을 산출하고, 제2 스위칭 소자(SW2)가 당해 온 시간에 따라서 턴오프했더라도 제2 트랜지스터(Q2)의 온 시간이 적정범위에서 벗어나고 있는 경우에는, 제2 급전장치(404)의 동작은 불안정해진다. 제2 급전장치(404)의 동작이 불안정해지면, 제1 급전장치(401)와 제2 급전장치(404)의 위상차가 불안정해져, 제2 스위칭 소자(SW2)에 과대한 전압이 발생하거나, 과대한 전류가 흐르게 된다.
한편, 본 실시형태에서는 도통시간 가변부(663)는 제2 역병렬 다이오드(D2)가 턴오프한 후의 제2 트랜지스터(Q2)의 온 시간(T)을 산출하므로, 온 시간(T)을 일의적으로 정할 수 있다. 따라서 본 실시형태에서는 제2 트랜지스터(Q2)의 온 시간(T)을 위상차의 목표 값(전송전력의 목표 값)에 대응한 적정범위로 마칠 수 있고, 제2 급전장치(404)를 안정되게 제어할 수 있다.
[ 변형예 ]
이상, 본 발명에 따른 무선 급전장치의 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
제1∼제3 실시형태에서는 제1 필터회로(102) 및 제2 필터회로(105)를 생략할 수 있다. 단, 제1 필터회로(102) 및 제2 필터회로(105)를 설치함으로써, 입력전압 및 출력전압의 안정화를 도모할 수 있다. 또, 제1 직류전압 변환부(103, 303)는 제1 전원(E3)을 구성하는 쌍방향 AC/DC 컨버터와 일체로 한 구성일 수도 있다.
제1 및 제2 실시형태에서는 제2 직류전압 변환부(106)를 생략하거나, 또는 제2 직류전압 변환부(106)를 한쪽 방향 DC/DC 컨버터로 구성할 수 있다. 이것들의 경우, 제1 제어회로(113, 213)는 순방향 전력전송 시에는 제1 및 제2 실시형태와 동일한 제어를 실시하고, 역방향 전력전송 시에는 제1 직류전압 변환부(103)를 제어해서 제2 출력전압(E1)을 변화시키는(제2 출력전압(E1)을 제2 입력전압(E2)보다도 저하 또는 상승시킨다) 것에　의해, 제2 전압차를 제어할 수도 있다.
제1∼제3 실시형태에서는 순방향 전력전송 시에, 제1 스위칭 소자(SW1)의 온 시간을 허용주기 범위 내에서 제어할 수도 있다. 또, 제1 및 제2 실시형태에서는 추가로 역방향 전력전송 시에, 제2 스위칭 소자(SW2)의 온 시간을 허용주기 범위 내에서 제어할 수도 있다. 입력전압의 제어범위가 한정되고 있어서, 출력전력의 전력 값을 소정의 목표전력 값에 일치시킬 수 없을 경우 등, 입력전압을 바꾸지 않고 송전 측의 스위칭 소자의 온 시간을 허용주기 범위 내에서 변경함으로써, 출력전력의 전력 값을 소정의 목표전력 값에 일치시킬 수 있다. 또, 허용주기범위는 예를 들면, 국제 규격 등에서 정해진 기준 주파수대에 의거하여 적당하게 설정할 수 있다. 또, 온 시간의 변경은 정지상태인 듀티0%을 포함할 수 있다.
예를 들면, 순방향 전력전송 시에, 제1 출력전압(E2)의 전압 값이 낮고, 제1 직류전압 변환부(103)의 출력(제1 입력전압(E1))을 제어범위의 하한까지 내려도 소망하는 출력전력이 수득되지 않을 경우, 목표전력 값보다도 큰 출력전력이 출력되어버린다. 이 경우, 제1 스위칭 소자(SW1)의 온 시간을 허용주기 범위 내에서 당초의 설정값보다도 짧게 함으로써, 제1 전송코일(L1)에 흐르는 전류(IL1)를 감소시킬 수 있다. 그 결과, 제2 전송코일(L2)에 흐르는 전류(IL2)가 감소하고, 전송전력이 저하되므로, 소망의 출력전력을 얻을 수 있다.
제1∼제3 실시형태에서는 제1 전송코일(L1)과 제2 전송코일(L2)의 거리가 규정거리(예를 들면, 45[mm])보다도 짧은 경우, 전력전송을 제한할 수도 있다. 전력전송을 제한함으로써, 제1 전송코일(L1)과 제2 전송코일(L2)이 지나치게 근접한 것에 의해 발생하는 불안정한 동작(환언하면, 누설 인덕턴스가 없어지고, 공진전압이 발생하지 않게 되는 것에 의해 발생하는 불안정한 동작)을 회피할 수 있다.
전력전송을 제한하는 경우, 제1 전송코일(L1)과 제2 전송코일(L2)이 너무 근접한 것에 의해 발생하는 불안정한 동작을 검출할 수도 있고, 제1 전송코일(L1)과 제2 전송코일(L2)의 거리를 측정하기 위한 거리측정수단(예를 들면, 1차측 및 2차측에 설치한 거리측정용 코일)을 포함할 수 있다. 또, 제1 제어지령(114) 및/또는 제2 제어지령(124)에 제1 전송코일(L1)과 제2 전송코일(L2)의 거리에 관한 정보가 포함될 수도 있다.
예를 들면, 순방향 전력전송 시에, 제1 전송코일(L1)과 제2 전송코일(L2)의 거리가 규정거리보다도 짧은 경우, 제1 입력전압(E1)을 제어범위의 하한까지 내려도 소망하는 출력전력이 수득되지 않는 것이라면, 제1 제어회로(113, 213)는 제1 직류전압 변환부(103)의 제어를 정지시켜서, 전력전송을 정지시킬 수 있다. 또, 제1 제어회로(113, 213)는 전력전송을 정지시키는 대신에, 제1 스위칭 소자(SW1)의 온 시간을, 허용주기 범위 내에서 소정 값보다도 짧게 할 수도 있다. 이것에 의해, 전송전력이 저하되므로, 소망하는 출력전력을 얻을 수 있다.
제4 실시형태에서, 타이밍 송신회로(435) 및 타이밍 수신회로(436)는 생략할 수도 있다. 타이밍 송신회로(435) 및 타이밍 수신회로(436)의 대신에, 제1 전송코일(L1)의 전압 변화를 자기적 또는 전계적으로 비접촉으로 검지하는 검지소자를 사용할 수 있다. 상기 검지소자는 노이즈의 영향을 받기 어렵게 하기 위해서, 제2 전송코일(L2)의 중앙부에서 권선이 없는 장소에 설치하는 것이 바람직하다.
제4 실시형태에서는 제1 스위칭 소자(SW1)의 도통시간(TON1)을 고정값으로 하고 있지만, 이것 대신에, 제1 스위칭 소자(SW1)의 도통시간 제어회로를 설치하고, 도통시간 제어회로에 의해 제1 급전장치(401)의 동작 주파수가 소정 값이 되도록 제1 스위칭 소자(SW1)의 도통시간을 제어할 수도 있다.
제4 및 제5 실시형태에서는 제1 스위칭 소자(SW1)의 턴오프와 제2 스위칭 소자(SW2)의 턴오프가 소정의 위상차를 가지도록 제어하고 있지만, 제1 스위칭 소자(SW1)의 턴온과 제2 스위칭 소자(SW2)의 턴온이 소정의 위상차를 가지도록 제어할 수도 있다. 즉, 제1 스위칭 소자(SW1)의 스위칭과 제2 스위칭 소자(SW2)의 스위칭이 소정의 위상차를 가지도록 제어하는 구성을 채택할 수 있다. 단, 턴온의 타이밍에서는 제1 및 제2 스위칭 소자(SW1, SW2)가 각각 영전압 스위칭 동작을 하도록 위상차를 제어할 필요가 있는 것에 대해, 턴오프의 타이밍에서는 그러한 제약이 없는 만큼, 위상차의 제어 자유도가 높다. 따라서, 소망하는 전력을 전송하는 관점에서는 제1 스위칭 소자(SW1)의 턴오프와 제2 스위칭 소자(SW2)의 턴오프가 소정의 위상차를 가지도록 제어하는 것이 바람직하다.
제어부(430)는 제1 급전장치(401)로부터 제2 급전장치(404)로의 전력전송을 실시하기 위한 상호 위상 시프트 제어회로(435∼439)를 구비하고 있지만, 제2 급전장치(404)로부터 제1 급전장치(401)에의 전력전송을 실시하기 위한 상호 위상 시프트 제어회로를 추가로 구비할 수도 있다.
동일하게, 제어부(540) 및 제어부(660)는 제2 급전장치(404)로부터 제1 급전장치(401)로의 전력전송을 실시하기 위한 상호 위상 시프트 제어회로를 추가로 구비할 수도 있다.
또, 제4∼제6 실시형태의 무선 급전장치(400∼600)는 제1 급전장치(401)와 제2 급전장치(404) 사이에서 쌍방향의 전력전송을 실시하는 쌍방향 무선 급전장치로서 구성되어 있지만, 제1 급전장치(401)와 제2 급전장치(404) 사이에서 한쪽 방향의 전력전송을 실시하는 한쪽 방향 무선 급전장치로서 사용할 수 있다.
100, 200, 300, 400, 500, 600: 무선 급전장치
101, 201, 401: 제1 급전장치
102: 제1 필터회로
103, 303: 제1 직류전압 변환부
104, 204, 304, 304’, 404: 제2 급전장치
105, 105’: 제2 필터회로
106, 306: 제2 직류전압 변환부
110, 210: 제1 제어부
111, 431: 제1 공진전압 검지회로
112: 제1 동기회로
113, 213: 제1 제어회로
114: 제1 제어지령
115: 제1 검출신호
116: 제1 제어신호
120, 220, 320: 제2 제어부
121, 433: 제2 공진전압 검지회로
122: 제2 동기회로
123, 223, 323: 제2 제어회로
124: 제2 제어지령
125: 제2 검출신호
126, 326: 제2 제어신호
130상호 통신 신호
402: 제1 직류전원
403: 제2 직류전원
430, 540, 660: 제어부
432: 제1 동기회로
434: 제2 동기회로
435: 타이밍 송신회로
436: 타이밍 수신회로
437: 검지회로
438: 비교회로
439: 턴오프 위상차 제어회로
541: 위상차 검출기
542: 위상차 지령기
543: 차동 증폭기
544, 663: 도통시간 가변부
551: 제1 연산부
552: 필터부
553: 제2 연산부
554: 게인 설정부
555: 전압제어 발신부
661: 공진전류 검지소자
662: 공진전류 검지회로

Claims (9)

  1. 제1 전송코일과, 상기 제1 전송코일에 직렬 접속된 제1 트랜지스터 및 상기 제1 트랜지스터에 역병렬 접속된 제1 다이오드를 포함하는 제1 스위칭 소자와, 상기 제1 전송코일 및 상기 제1 스위칭 소자의 적어도 한쪽에 병렬 접속된 제1 공진 컨덴서를 구비하고, 상기 제1 전송코일과 상기 제1 공진 컨덴서로 공진 동작을 수행하는 제1 급전장치와,
    제2 전송코일과, 상기 제2 전송코일에 직렬 접속된 제2 트랜지스터 및 상기 제2 트랜지스터에 역병렬 접속된 제2 다이오드를 포함하는 제2 스위칭 소자와, 상기 제2 전송코일 및 상기 제2 스위칭 소자의 적어도 한쪽에 병렬 접속된 제2 공진 컨덴서를 구비하고, 상기 제2 전송코일과 상기 제2 공진 컨덴서로 공진 동작을 수행하는 제2 급전장치와,
    상기 제1 스위칭 소자의 턴오프를 제어하는 동시에, 상기 제1 스위칭 소자가 영전압 스위칭 동작을 하도록, 상기 제1 급전장치에서의 공진전압에 동기해서 상기 제1 스위칭 소자의 턴온을 제어하는 제1 스위칭 제어회로와,
    상기 제2 스위칭 소자의 턴오프를 제어하는 동시에, 상기 제2 스위칭 소자가 영전압 스위칭 동작을 하도록, 상기 제2 급전장치에서의 공진전압에 동기해서 상기 제2 스위칭 소자의 턴온을 제어하는 제2 스위칭 제어회로와,
    상기 제1 급전장치로부터 상기 제2 급전장치로의 순방향 전력전송 시에, 상기 제1 급전장치에 입력되는 제1 입력전압과 상기 제2 급전장치로부터 출력되는 제1 출력전압의 제1 전압차를 제어하고, 상기 제2 급전장치로부터 상기 제1 급전장치에의 역방향 전력전송 시에, 상기 제2 급전장치에 입력되는 제2 입력전압과 상기 제1 급전장치로부터 출력되는 제2 출력전압의 제2 전압차를 제어하는 전압 제어회로를 구비하고,
    상기 제2 스위칭 제어회로는 상기 순방향 전력전송 시에, 상기 제2 트랜지스터를 오프해서 상기 제2 다이오드에 의한 정류를 실행시키고,
    상기 제1 스위칭 제어회로는 상기 역방향 전력전송 시에, 상기 제1 트랜지스터를 오프해서 상기 제1 다이오드에 의한 정류를 실행시키고,
    상기 제1 급전장치는 단일 스위치 컨버터이며,
    상기 제1 스위칭 소자에는 상기 순방향 전력전송 시에 편측 극성의 전압이 인가되고,
    상기 제1 스위칭 제어회로는 상기 제1 전송코일 또는 상기 제1 공진 컨덴서의 양단 전압의 제로 크로스점을 검출하고, 상기 제1 다이오드가 도통된 후에 상기 제1 트랜지스터를 턴 온시키도록 구성되고,
    상기 제2 급전장치는 단일 스위치 컨버터이며,
    상기 제2 스위칭 소자에는, 상기 역방향 전력전송 시에 편측 극성의 전압이 인가되고,
    상기 제2 스위칭 제어회로는 상기 제2 전송코일 또는 상기 제2 공진 컨덴서의 양단 전압의 제로 크로스점을 검출하고, 상기 제2 다이오드가 도통된 후에 상기 제2 트랜지스터를 턴 온하도록 구성되고,
    상기 제1 급전장치의 공진회로 상수와 상기 제2 급전장치의 공진회로 상수는 서로 다른 값이며, 상기 순방향 전력전송 시에 상기 제1 급전장치의 공진 주파수가 상기 제2 급전장치의 공진 주파수 보다 커지도록 구성되고, 상기 역방향 전력전송 시에 상기 제2 급전장치의 공진 주파수가 상기 제1 급전장치의 공진 주파수 보다 커지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 급전장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 입력전압을 출력하고, 상기 제2 출력전압이 입력되는 제1 직류전압 변환부와,
    상기 제1 출력전압이 입력되고, 상기 제2 입력전압을 출력하는 제2 직류전압 변환부를 구비하고,
    상기 전압 제어회로는 상기 순방향 전력전송 시에, 상기 제1 직류전압 변환부를 제어해서 상기 제1 입력전압을 변화시키는 것에 의해 상기 제1 전압차를 제어하고, 상기 역방향 전력전송 시에, 상기 제2 직류전압 변환부를 제어해서 상기 제2 입력전압을 변화시키는 것에 의해 상기 제2 전압차를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 급전장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 순방향 전력전송 시에,
    상기 제1 급전장치 및 상기 제2 급전장치가 포워드형 컨버터로서 동작하고, 동시에 상기 제2 급전장치가 반파 정류동작을 하는 것을 특징으로 하는 무선 급전장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 순방향 전력전송 시에 상기 제1 입력전압을 출력하고, 상기 역방향 전력전송 시에 상기 제2 출력전압이 입력되는 제1 직류전압 변환부를 구비하고,
    상기 전압 제어회로는 상기 순방향 전력전송 시에, 상기 제1 직류전압 변환부를 제어해서 상기 제1 입력전압을 변화시키는 것에 의해 상기 제1 전압차를 제어하고, 상기 역방향 전력전송 시에, 상기 제1 직류전압 변환부를 제어해서 상기 제2 출력전압을 변화시키는 것에 의해 상기 제2 전압차를 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 급전장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 전압 제어회로는 상기 제1 전압차를 제어하는 제1 제어회로 및 상기 제2 전압차를 제어하는 제2 제어회로를 구비하고,
    상기 제2 제어회로는 상기 순방향 전력전송 시에, 상기 제2 급전장치의 출력전력 값, 상기 제2 급전장치의 출력전압 값 및 상기 출력전력 값, 또는 상기 제2 급전장치의 출력전류 값 및 상기 출력전압 값을 상기 제1 제어회로에 통지하고,
    상기 제1 제어회로는 상기 역방향 전력전송 시에, 상기 제1 급전장치의 출력전력 값, 상기 제1 급전장치의 출력전압 값 및 상기 출력전력 값, 또는 상기 제1 급전장치의 출력전류 값 및 상기 출력전압 값을 상기 제2 제어회로에 통지하는 것을 특징으로 하는 무선 급전장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 전압 제어회로는 상기 순방향 전력전송 시에, 상기 제1 스위칭 소자의 온 시간을 허용주기 범위 내에서 제어하거나, 상기 역방향 전력전송 시에, 상기 제2 스위칭 소자의 온 시간을 허용주기 범위 내에서 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 급전장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전송코일과 상기 제2 전송코일의 거리가 규정거리보다도 짧은 경우, 상기 전압 제어회로는 상기 제1 급전장치와 상기 제2 급전장치 사이의 전력전송을 제한하는 것을 특징으로 하는 무선 급전장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 급전장치는 제1 전환용 컨덴서와, 온했을 때에 상기 제1 전환용 컨덴서를 상기 제1 공진 컨덴서에 병렬 접속 또는 직렬 접속하고, 오프했을 때에 상기 제1 전환용 컨덴서를 상기 제1 공진 컨덴서부터 전기적으로 분리하는 제1 전환용 스위치를 구비하고,
    상기 제2 급전장치는 제2 전환용 컨덴서와, 온했을 때에 상기 제2 전환용 컨덴서를 상기 제2 공진 컨덴서에 병렬 접속 또는 직렬 접속하고, 오프했을 때에 상기 제2 전환용 컨덴서를 상기 제2 공진 컨덴서부터 전기적으로 분리하는 제2 전환용 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 무선 급전장치.
  9. 제1 전송코일과, 상기 제1 전송코일에 직렬 접속된 제1 트랜지스터 및 상기 제1 트랜지스터에 역병렬 접속된 제1 다이오드를 포함하는 제1 스위칭 소자와, 상기 제1 전송코일 및 상기 제1 스위칭 소자의 적어도 한쪽에 병렬 접속된 제1 공진 컨덴서를 포함하고, 상기 제1 전송코일과 상기 제1 공진 컨덴서로 공진 동작을 수행하는 제1 급전장치와,
    제2 전송코일과, 상기 제2 전송코일에 직렬 접속된 제2 다이오드와, 상기 제2 전송코일에 병렬 접속된 제2 공진 컨덴서를 포함하고, 상기 제2 전송코일과 상기 제2 공진 컨덴서로 공진 동작을 수행하는 제2 급전장치와,
    상기 제1 스위칭 소자의 턴오프를 제어하는 동시에, 상기 제1 스위칭 소자가 영전압 스위칭 동작을 하도록, 상기 제1 급전장치에서의 공진전압에 동기해서 상기 제1 스위칭 소자의 턴온을 제어하는 제1 스위칭 제어회로와,
    상기 제1 급전장치로부터 상기 제2 급전장치에의 전력전송 시에, 상기 제1 급전장치에 입력되는 입력전압과 상기 제2 급전장치로부터 출력되는 출력전압과의 전압차를 제어하는 전압 제어회로를 구비하고,
    상기 제1 급전장치는 단일 스위치 컨버터이며,
    상기 제1 스위칭 소자에는 상기 전력전송 시 편측 극성 전압이 인가되고,
    상기 제1 스위칭 제어회로는, 상기 제1 전송코일 또는 상기 제1 공진 컨덴서의 양단 전압의 제로 크로스점을 검출하고, 상기 제1 다이오드가 도통된 후에 상기 제1 트랜지스터를 턴온시키고,
    상기 제1 급전장치의 공진회로 상수와 상기 제2 급전장치의 공진회로 상수는 서로 다른 값이며, 상기 전력전송 시에 상기 제1 급전장치의 공진 주파수가 상기 제2 급전장치의 공진 주파수 보다 커지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 무선 급전장치.
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