TWI525956B - 無線受電裝置、無線供電裝置、無線供電系統以及自動調整輔助電路 - Google Patents

無線受電裝置、無線供電裝置、無線供電系統以及自動調整輔助電路 Download PDF

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Description

無線受電裝置、無線供電裝置、無線供電系統以及自動調整輔助電路
本發明是有關於一種無線供電技術。
近年來，作為對行動電話終端或筆記型電腦等的電子機器、或者電車的供電技術，而著眼於無線(非接觸)電力傳送。無線電力傳送主要分為電磁感應型、電波接收型、及電場．磁場共鳴型此3類。
電磁感應型被用於短距離(數cm以內)供電，能夠以數百kHz以下的頻帶傳送數百W的電力。電力的利用效率為60%~98%左右。
在數m以上的相對較長的距離中供電的情況下，利用的是電波接收型。電波接收型中，能夠以中波~微波的頻帶傳送數W以下的電力，但電力的利用效率低。作為以相對較高的效率在數m左右的中距離供電的方法，而著眼於電場．磁場共鳴型(參照非專利文獻1)。
[先前技術文獻]
[非專利文獻]
[非專利文獻1]A.Karalis, J.D.Joannopoulos, M.Soljacic，「Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer」(有效的無線非輻射中距能量傳輸)，ANNALS of PHYSICS (物理年鑑) Vol.323, pp.34-48, 2008, Jan.
圖1是表示比較技術的無線送電系統的圖。無線送電系統1r包括無線供電裝置2r以及無線受電裝置4r。無線供電裝置2r包括發送線圈LTX、共振用電容器CTX、及交流電源10r。無線受電裝置4r包括接收線圈LRX、共振用電容器CRX、及負載70。
在磁場(電場)共鳴型的電力傳送中重要的是共振頻率。發送側的LC共振電路的共振頻率為fTX=1/，接收側的共振頻率為fRX=1/ ，如果適當調節發送接收雙方的共振頻率與交流電源10r的頻率，則可高效地進行電力傳送。然而現實情況是，因各種原因而共振頻率發生變動。在受電裝置側，難以根據自供電裝置傳送而來的磁場(電場)其自身來調整該變動的共振頻率。這是因為，在受電裝置側檢測的共振頻率存在根據受電裝置側的共振頻率或相位的狀態而進而發生變動的可能性。
本發明鑒於上述課題而完成，其一態樣的例示性目的之一在於提供一種可自動地調整共振頻率的無線供電裝置、受電裝置以及供電系統。
本發明的一態樣是關於一種對無線受電裝置發送包含電場、磁場、電磁場中的任一個的電力信號的無線供電裝置。無線供電裝置包括：發送天線，包含發送線圈；自動 調整輔助電路，與上述發送天線耦合；以及電源，對上述發送天線以及上述自動調整輔助電路的兩端間施加交流的驅動電壓。自動調整輔助電路包括第1端子、第2端子、N個(N為自然數)輔助電容器、多個開關、及第1控制部。多個開關分別設置在第1端子、第2端子、N個輔助電容器的端子中的2個端子之間。第1控制部將多個開關分別與驅動電壓同步地進行開關。
在驅動電壓的頻率在與包含發送天線的共振電路的共振頻率不一致的情況下，因共振電路為電容性或感應性，發送天線中會產生相對於驅動電壓延遲或者超前的相位的共振電流。若在該狀態下將第1開關以及第2開關與驅動電壓同步地以某相位差而開關(switching)，則第1輔助電容器以共振電流與驅動電壓為同相位的方式被充電或者放電。而且，第1輔助電容器中產生的修正電壓施加至發送天線，藉此可實現模擬的共振狀態。根據該態樣，即便不進行共振用電容器的電容值的調節等，亦可將發送天線相對於驅動電壓自動調整。另外，本說明書中亦包含「相位差」為零，亦即同相的情況。
第1控制部亦可將多個開關分別以與驅動電壓相同的頻率、其奇數倍或奇數分之一倍的頻率而開關。
自動調整輔助電路可包括：第1開關以及第1輔助電容器，在第1端子與第2端子之間串聯設置；以及第2開關，在第1端子與第2端子之間相對於第1開關以及第1輔助電容器並聯設置。
第1控制部亦可將第1開關以及第2開關以與驅動電壓相同的頻率、且以相對於驅動電壓為某相位差而互補地開關。
在一態樣中，自動調整輔助電路可更包括在第1端子與第2端子之間與第2開關串聯設置的第2輔助電容器。
該情況下，除第1輔助電容器外，第2輔助電容器亦以共振電流與驅動電壓為同相位的方式被充電或者放電，從而可實現模擬共振狀態。
第1控制部亦可將第1開關以及第2開關以與驅動電壓相同的頻率、且以相對於驅動電壓為某相位差而互補地開關。
第1開關、第2開關亦可包含單向開關。第1控制部亦可將第1開關以及第2開關以各自的逆導通元件中不流動電流的相位而開關。
第1開關、第2開關亦可包含雙向開關。該情況下，可緩和開關的相位的制約。
自動調整輔助電路亦可經由變壓器而與發送天線串聯耦合。
在一態樣中，電源亦可包括：直流電源；以及第1高側開關以及第1低側開關，在直流電源的輸出端子與固定電壓端子之間依次串聯設置。發送天線以及自動調整輔助電路亦可在第1高側開關以及第1低側開關的連接點與固定電壓端子之間串聯耦合。
在一態樣中，電源亦可包括：直流電源；第1高側開 關以及第1低側開關，在直流電源的輸出端子與固定電壓端子之間依次串聯設置；以及第2高側開關以及第2低側開關，在直流電源的輸出端子與固定電壓端子之間依次串聯設置。發送天線以及自動調整輔助電路亦可在第1高側開關以及第1低側開關的連接點、和第2高側開關以及第2低側開關的連接點之間串聯耦合。
發送天線亦可包括與發送線圈串聯設置的共振用電容器。
電源亦可經由變壓器而對發送天線以及自動調整輔助電路的兩端間施加交流的驅動電壓。
本發明的另一態樣是關於一種無線供電系統。無線供電系統包括：上述任一態樣的無線供電裝置，及接收來自無線供電裝置的電力信號的無線受電裝置。
本發明的另一態樣是關於一種接收自無線供電裝置發送的包含電場、磁場、電磁場中的任一個的電力信號的無線受電裝置。無線受電裝置包括：包含接收線圈的接收天線，以及與接收天線耦合的自動調整輔助電路。自動調整輔助電路包括第1端子、第2端子、N個(N為自然數)輔助電容器、多個開關、及第2控制部。多個開關分別設置在第1端子、第2端子、N個輔助電容器的端子中的2個端子之間。第2控制部將多個開關分別進行開關。
在電力信號的頻率不與包括接收天線的共振電路的共振頻率一致的情況下，共振電路為電容性或感應性，因而在共振電路中流動的共振電流與共振電路中產生的共振電 壓之間產生相位延遲或者相位超前。若在該狀態下將第3開關以及第4開關以與電力信號相同的頻率而開關，則第3輔助電容器以共振電流與共振電壓為同相位的方式被充電或者放電。而且，第3輔助電容器中產生的修正電壓被施加至接收天線，從而可實現模擬共振狀態。根據該態樣，即便不進行共振用電容器的電容值的調節等，亦可將接收天線相對於電力信號自動調整。
第2控制部亦可將多個開關分別以與電力信號相同的頻率、其奇數倍或奇數分之一倍的頻率而開關。
自動調整輔助電路亦可包括：第3開關以及第3輔助電容器，在第1端子與第2端子之間串聯設置；以及第4開關，在第1端子與第2端子之間相對於第3開關以及第3輔助電容器並聯設置。
第2控制部亦可將第3開關以及第4開關以與電力信號相同的頻率而互補地開關。
第2控制部亦可以相對於在無線供電裝置中施加至發送天線的驅動電壓為規定的相位差，來對第3開關以及第4開關進行驅動。
在一態樣中，自動調整輔助電路亦可更包括在第1端子與第2端子之間與第4開關串聯設置的第4輔助電容器。
在該情況下，除第3輔助電容器外，第4輔助電容器亦以共振電流與驅動電壓為同相位的方式被充電或者放電，從而可實現模擬共振狀態。
第3開關、第4開關亦可包含單向開關。第2控制部 亦可將第3開關以及第4開關以各自的逆導通元件中不流動電流的相位而開關。
第3開關、第4開關亦可包含雙向開關。該情況下，可緩和開關的相位的制約。
應供給電力的負載可連接於第3輔助電容器，亦可連接於接收天線的第1端。
一態樣的無線受電裝置亦可更包括變壓器，該變壓器的1次線圈與接收天線串聯設置。應供給電力的負載亦可與變壓器的2次線圈連接。
自動調整輔助電路亦可經由變壓器而與接收天線串聯耦合。
接收天線亦可包括與接收線圈串聯設置的共振用電容器。
本發明的另一態樣是關於一種無線供電系統。該無線供電系統可包括：發送包含電場、磁場、電磁場中的任一個的電力信號的無線供電裝置，以及接收電力信號的上述任一態樣的無線受電裝置。
本發明的另一態樣是關於一種被用於無線供電裝置中且與發送線圈耦合的自動調整輔助電路。自動調整輔助電路包括：至少一個輔助電容器；多個開關，為了藉由發送線圈中流動的共振電流對至少一個輔助電容器分別進行充電以及放電而設置；以及第1控制部，藉由對多個開關進行開關，而使至少一個輔助電容器各自的兩端間產生電容器電壓，並且使與至少一個輔助電容器各自的電容器電壓 相應的修正電壓施加至發送線圈。
藉由設置自動調整輔助電路，可實現模擬共振狀態，即便不進行共振用電容器的電容值的調節等，亦可將發送天線相對於驅動電壓自動調整。
本發明的另一態樣是關於一種被用於無線受電裝置中且與接收線圈耦合的自動調整輔助電路。自動調整輔助電路包括：至少一個輔助電容器；多個開關，為了藉由接收線圈中流動的共振電流對至少一個輔助電容器分別進行充電以及放電而設置；以及第2控制部，藉由對多個開關進行開關，而使至少一個輔助電容器各自的兩端間產生電容器電壓，並且使與至少一個輔助電容器各自的電容器電壓相應的修正電壓施加至接收線圈。
藉由設置自動調整輔助電路，可實現模擬共振狀態，即便不進行共振用電容器的電容值的調節等，亦可將接收天線相對於電力信號自動調整。
另外，將以上的構成要素的任意組合或本發明的構成要素或表達在方法、裝置、系統等之間相互置換後，作為本發明的態樣亦有效。
根據本發明的一態樣，可自動地調整共振頻率。
以下，一邊根據較佳的實施形態並參照圖式一邊對本發明進行說明。在各圖式所示的相同或同等的構成要素、構件、處理中附上相同的符號，並適當省略重複的說明。 而且，實施形態為例示而並非限定發明，實施形態所記述的所有特徵或其組合並非必須限於發明的本質。
本說明書中，「構件A與構件B連接的狀態」或「構件A與構件B耦合的狀態」除了指構件A與構件B物理性地直接連接的情況之外，還包括如下情況：只要不會對構件A與構件B的電性連接狀態造成實質性影響或者不破壞藉由他們的耦合而實現的功能或效果，則構件A與構件B可經由其他的構件間接地連接。
同樣地，「構件C設置在構件A與構件B之間的狀態」除了指構件A與構件C或者構件B與構件C直接連接的情況之外，還包括如下情況：只要不會對他們的電性連接狀態造成實質性影響或者不破壞藉由他們的耦合而實現的功能或效果，則可經由其他的構件而間接地連接。
(第1實施形態)
(無線供電裝置)
圖2是表示第1實施形態的無線供電裝置2的構成的電路圖。無線供電裝置2對無線受電裝置(未圖示)傳送電力信號S1。電力信號S1使用不成為電波的電磁波的近場(電場、磁場、或者電磁場)。
無線供電裝置2包括電源10、發送天線20、自動調整輔助電路30、及第1控制部40。
發送天線20包括設置於其第1端21與其第2端22之間的發送線圈LTX。共振用電容器CTX與發送線圈LTX串聯設置。共振用電容器CTX與發送線圈LTX亦可更換。
自動調整輔助電路30與發送天線20串聯耦合。電源10對發送天線20以及自動調整輔助電路30的兩端間施加具有規定的發送頻率fTX的交流的驅動電壓VDRV。驅動電壓VDRV可為以矩形波、梯形波、正弦波為首的任意的交流波形。本實施形態中，驅動電壓VDRV為以第1電壓位準(電源電壓VDD)與第2電壓位準(接地電壓VGND=0V)擺動(swing)的矩形波。
電源10包括直流電源12、第1高側開關SWH1、及第1低側開關SWL1。直流電源12生成直流的電源電壓VDD。第1高側開關SWH1以及第1低側開關SWL1在直流電源12的輸出端子與固定電壓端子(接地端子)之間依次串聯設置。第1控制部40將第1高側開關SWH1以及第1低側開關SWL1以發送頻率fTX而互補地開關。
自動調整輔助電路30包括第1端子31、第2端子32、第1開關SW1、第2開關SW2、及第1輔助電容器CA1。
第1開關SW1以及第1輔助電容器CA1在第1端子31以及第2端子32之間串聯設置。第1開關SW1與第1輔助電容器CA1亦可更換。第2開關SW2在第1端子31與第2端子32之間，相對於第1開關SW1以及第1輔助電容器CA1並聯設置。第1輔助電容器CA1的電容值較理想的是充分大於共振用電容器CTX的電容值。
第1控制部40將第1開關SW1以及第2開關SW2，以與驅動電壓VDRV相同的頻率fTX、且以相對於驅動電壓VDRV為某相位差θTX而互補地開關。較佳為相位差θTX亦 可為+90°或者-90°(270°)左右。亦即第1控制部40的一部分構成自動調整輔助電路30。
第1開關SW1、第2開關SW2可使用金氧半場效電晶體(MOSFET，Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、絕緣閘雙極電晶體(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)、雙極電晶體等構成。圖3(a)、圖3(b)是表示使用MOSFET的開關的構成例的圖。
圖3(a)表示使用N通道的MOSFET的構成，圖3(b)是表示使用P通道的MOSFET的構成。若將MOSFET的後閘極與源極連接，則後閘極與汲極間的體二極體(body diode)與閘極電壓無關而成為導通狀態。因此，在以單體使用MOSFET的開關中，無法阻止相對於單向的電流。本說明書中將此種開關稱作單向開關。
圖3(c)~圖3(f)的開關將2個N通道MOSFET、或者2個P通道MOSFET以他們的體二極體為逆朝向的方式連接(背對背連接(back-to-back connection))。圖3(c)~圖3(f)中，在斷開狀態下，任一方向上均未流動電流。本說明書中，將此種開關稱作雙向開關。
本實施形態中，各開關SW1、開關SW2可包含單向開關、雙向開關中的任一個。另外，在使用單向開關的情況下，必須注意該些開關的相位。以後對其進行敍述。
以上為無線供電裝置2的構成。繼而，對其動作進行說明。
開關SW1、開關SW2分別為在斷開狀態下任一方向 上均未流動電流的雙向開關。
圖4是表示圖2的無線供電裝置2的動作的波形圖。圖4中自上方開始依次表示第1高側開關SWH1、第1低側開關SWL1、驅動電壓VDRV、第1開關SW1、第2開關SW2、第1輔助電容器CA1的電壓VCA1、第1端子31的電壓VA、發送天線20中流動的共振電流ITX、及發送線圈LTX與共振用電容器CTX的兩端間的共振電壓VTX。在表示開關的波形中，高位準表示導通狀態，低位準表示斷開狀態。而且，共振電流ITX以及共振電壓VTX表示使自動調整輔助電路30動作後經過充分時間後的穩定狀態下的波形。
如圖4所示，藉由將第1高側開關SWH1、第1低側開關SWL1互補地開關，而生成矩形波的驅動電壓VDRV，並施加至發送天線20以及自動調整輔助電路30的兩端間。第1控制部40以與驅動電壓VDRV相同的頻率、且以相對於驅動電壓VDRV延遲了θTX(=90°)的相位，將第1開關SW1以及第2開關SW2互補地開關。共振電流ITX在第1開關SW1的導通時間TON1流經第1輔助電容器CA1，在第2開關SW2的導通時間TON2經由第2開關SW2而流經接地。亦即，第1輔助電容器CA1藉由共振電流ITX而充放電，其結果，第1輔助電容器CA1中產生電容器電壓VCA1。
自動調整輔助電路30對發送天線20的第2端22施加修正電壓VA。修正電壓VA在第1開關SW1導通的期間 TON1，獲取第1輔助電容器電壓VCA1，在第2開關SW2導通的期間TON2，獲取接地電壓VGND。自動調整輔助電路30可將修正電壓VA理解為施加至發送天線20的修正電源。圖5是圖2的無線供電裝置2的等效電路圖。
圖6(a)是使自動調整輔助電路30不動作時的狀態的波形圖，圖6(b)是使自動調整輔助電路30動作時的波形圖。
首先參照圖6(a)，對使自動調整輔助電路30不動作的狀態，亦即對將第1開關SW1斷開而固定，將第2開關SW2導通而固定的狀態進行說明。這表示修正電壓VA固定於接地電壓VGND的狀態。
發送天線20的阻抗Z由式(1)提供，其共振頻率fc由式(2)提供。另外，此處雖忽略電阻成分，但當然實際電路中串聯電阻發揮作用。
Z=jωLTX+1/(jωCTX)...(1)
發送天線20在驅動電壓VDRV的頻率fTX高於共振頻率fc(fTX>fc)時為感應性，發送天線20中流動的共振電流ITX的相位相對於驅動電壓VDRV的相位延遲。相反，在頻率fTX低於共振頻率fc(fTX<fc)時為電容性，共振電流ITX的相位相對於驅動電壓VDRV超前。
圖6(a)表示fc>fTX的狀態，共振電流ITX的相位相對於驅動電壓VDRV超前了相位差φ。φ不為90°是因為共振電路中存在串聯的電阻成分(未圖示)。非共振狀態下阻抗Z變高，因此共振電流ITX的振幅減小。該狀態下無法傳送大的電力。
繼而，參照圖6(b)，對使自動調整輔助電路30動作時的動作進行說明。
若使自動調整輔助電路30動作，則發送天線20中被施加相對於驅動電壓VDRV延遲了θTX=90°相位的修正電壓VA。其結果，共振電流ITX的相位與驅動電壓VDRV的相位一致，而成為模擬共振狀態。藉此，共振電流ITX的振幅比非共振狀態增大。
圖7是說明fc<fTX的情況下的自動調整輔助電路30的模擬共振狀態的矢量圖(phasor diagram)(向量圖)。
驅動電壓VDRV的相位為0°，修正電壓VA的相位為θTX=90°。當fc<fTX時，電流的相位相對於電壓而延遲了相位差φ。因此驅動電壓VDRV與電流成分IDRV的相位差為φ，修正電壓VA與電流成分IA的相位差亦為φ。
藉由「重疊的原理」，共振電流ITX以藉由驅動電壓VDRV感應的電流成分IDRV與藉由修正電壓VA感應的電流成分IA的和而提供。因驅動電壓VDRV與修正電壓VA具有相位差θTX(=90°)，故電流成分IDRV與IA的相位差亦成為90°。可知若使修正電壓VA的振幅、換言之電流成分IA的振幅最佳化，則能夠使2個電流成分IDRV與IA的合成電 流、亦即共振電流ITX的相位與驅動電壓VDRV的相位(0°)一致，從而可實現模擬共振狀態。
實施形態的無線供電裝置2的優異的優點之一在於能夠自動地生成滿足模擬共振狀態的修正電壓VA。
圖8是表示非共振狀態以及共振狀態下的共振電流ITX的圖。波形(I)表示非共振狀態下的共振電流ITX。在開關SW1為導通的期間TON1，第1輔助電容器CA1藉由共振電流ITX而充放電。具體來說，第1輔助電容器CA1在共振電流ITX為正的期間充電，在為負的期間放電。其結果，若正的期間延長則電容器電壓VCA1增大，若負的期間延長則電容器電壓VCA1降低。
在某週期的導通時間TON1，電容器電壓VCA1增大。而且，與增大的電容器電壓VCA1相應的修正電壓VA被施加至發送天線20。若如此，則在下一週期內，共振電流ITX的相位比前一週期超前。若重複此動作，則電容器電壓VCA1在每個週期增加，並且共振電流ITX的相位逐漸超前，並位移至與驅動電壓VDRV的相位一致的點(共振點)為止。若共振電流ITX的相位過於超前，則相反第1輔助電容器CA1的放電電流變大，在電容器電壓VCA1降低的方向施加反饋，而被拉回到共振點。在共振點，1週期的第1輔助電容器CA1的充電電流與放電電流取得平衡，電容器電壓VCA1成為平衡狀態，模擬共振狀態持續。如此，根據圖2的無線供電裝置2，可自動地生成產生模擬共振狀態所需的修正電壓VA。
以上為無線供電裝置2的動作。
如此根據無線供電裝置2，無須對發送天線20的共振頻率fc進行調節，便能夠以實現模擬共振狀態的方式自動地調整電路的狀態。無線送電中，根據無線供電裝置2與無線受電裝置4的位置關係，共振頻率時刻變化，而根據無線供電裝置2，可高速地追隨該變化，從而可進行高效的電力傳送。
而且，若欲以無線供電傳送大電力，則共振用電容器CTX的兩端間的電壓變得非常大，因而可變電容器(variable condenser)(變容(varicap))的利用受到制約。因無須根據無線供電裝置2來調節共振用電容器CTX的電容值，故亦具有無須使用可變電容器等的優點。
此處，已對將第1開關SW1以相對於第1高側開關SWH1的相位延遲了θTX=90°的相位而開關的情況進行了說明，但相位差θTX並非必需為90°，亦可為270°(-90°)。因該情況下電容器電壓VCA1以成為負電壓的方式而自動地調節。
亦即，在fc<fTX的情況下，藉由設為θTX=90°或270°，而可實現模擬共振狀態。
相位差θTX亦可自90°或者270°偏離。該情況下，在圖7所示的向量圖中，電流成分IDRV與IA的相位差θTX不為90°，但該情況下，以將合成該些的共振電流ITX的相位為0°的方式，對電容器電壓VCA1自動地調節。其中，具有相位差θTX越接近90°或者270°，則電流成分IA的振幅、 換言之電容器電壓VCA1的絕對值越可減小的優點。
另外，在fc<fTX的情況下可設為θTX=270°限於使用雙向開關構成第1開關SW1、第2開關SW2的情況。在第1開關SW1、第2開關SW2為單向開關的情況下，無法設為θTX=270°。這是因為該情況下體二極體中流動著電流。在使用單向開關的情況下，必須以作為逆導通元件的體二極體中不流動電流的相位，來將第1開關SW1、第2開關SW2進行開關。
無線供電裝置2不僅在fc<fTX的情況下，而且在fc>fTX的情況下，亦可自動地實現模擬共振狀態。該情況下，較佳為設為θTX=270°(-90°)。
圖9是說明fc>fTX的情況下的自動調整輔助電路30的模擬共振狀態的矢量圖。將驅動電壓VDRV的相位設為0°，修正電壓VA的相位設為θTX=270°(-90°)。在fc>fTX時，電流的相位相對於電壓超前，但即便在該情況下，亦可實現模擬共振狀態。
另外在fc>fTX時，亦可將相位差θTX設為90°左右。該情況下，以獲得模擬共振狀態的方式，而電容器電壓VCA1自動地成為負電壓。
其中，在fc<fTX的情況下可設為θTX=90°限於使用雙向開關構成第1開關SW1、第2開關SW2的情況。在第1開關SW1、第2開關SW2為單向開關的情況下，無法設為θTX=90°。這是因為如上述般體二極體中流動著電流。
繼而，對無線供電裝置2的變形例進行說明。各變形 例可與任意的其他變形例組合，而此組合亦包含在本發明的範圍內。
在至此為止的說明中，已對第1控制部40將構成自動調整輔助電路30的多個開關以與驅動電壓VDRV相同的頻率fTX進行驅動的情況進行了說明，但本發明並不限定於此。第1控制部40即便藉由將開關以驅動電壓VDRV的奇數倍或者奇數分之一倍的頻率而開關，亦可實現模擬共振狀態。
圖10是表示第1變形例的無線供電裝置2a的構成的電路圖。自動調整輔助電路30a包括在第1端子31與第2端子32之間而與第2開關SW2串聯設置的第2輔助電容器CA2。
該變形例中，修正電壓VA在第1開關SW1的導通時間TON1與電容器電壓VCA1相等，在第2開關SW2的導通時間TON2與電容器電壓VCA2相等。
根據無線供電裝置2a，藉由將電容器電壓VCA1、VCA2最佳化，而在fTX>fc、fTX<fc的任一情況下均可實現模擬共振狀態。
圖11是表示第2變形例的無線供電裝置2b的構成的電路圖。自動調整輔助電路30b包括充電電路34以及檢測電阻Rs。檢測電阻Rs設置在共振電流ITX的路徑上。檢測電阻Rs中產生與共振電流ITX成比例的檢測電壓Vs。充電電路34根據檢測電壓Vs，將第1輔助電容器CA1充電至成為模擬共振狀態的位準。如上述般，電容器電壓VCA1 自動地成為最佳位準，而藉由設置充電電路34能夠在更短的時間內成為模擬共振狀態。
圖12是表示第3變形例的無線供電裝置2c的構成的電路圖。
至此為止已對電源為半橋式電路的情況進行了說明，而圖12的電源10c包含H橋式電路。第2高側開關SWH2以及第2低側開關SWL2在直流電源12的輸出端子與固定電壓端子(接地端子)之間依次串聯設置。
第1控制部40c使一對(pair)第1高側開關SWH1與第2低側開關SWL2導通的狀態與一對第2高側開關SWH2與第1低側開關SWL1導通的狀態彼此重複。
在第1高側開關SWH1與第1低側開關SWL1的連接點(第1輸出端子)OUT1、和第2高側開關SWH2與第2低側開關SWL2的連接點(第2輸出端子)OUT2中，產生彼此為逆相的驅動電壓VDRV、#VDRV。發送天線20以及自動調整輔助電路30c在第1輸出端子OUT1與第2輸出端子OUT2之間串聯耦合。
根據圖12的無線供電裝置2c，亦可獲得與至此為止所說明的無線供電裝置同樣的效果。
圖13(a)、圖13(b)是分別表示第4變形例、第5變形例的無線供電裝置2d、2e的構成的電路圖。省略第1控制部40。
圖13(a)的無線供電裝置2d中，自動調整輔助電路30d經由第1變壓器T1而與發送天線20串聯耦合。具體 來說，第1變壓器T1的2次線圈W2設置在第1端子31與第2端子32之間，且其1次線圈W1與發送天線20串聯設置。電源10對發送天線20與1次線圈W1的兩端間施加驅動電壓。
該無線供電裝置2d中，經由第1變壓器T1而進行發送天線20與自動調整輔助電路30d之間的能量的授受。根據該構成，亦可獲得與至此為止所說明的無線供電裝置同樣的效果。
圖13(b)中，電源10經由第2變壓器T2而對發送天線20以及自動調整輔助電路30d的兩端間施加驅動電壓VDRV。具體來說，第2變壓器T2的2次線圈W2與發送天線20串聯設置。電源10對第2變壓器T2的1次線圈W1的兩端施加驅動電壓VDRV。
該無線供電裝置2e中，驅動電壓VDRV經由第2變壓器T2而施加至發送天線20與自動調整輔助電路30d的兩端間。根據該構成，亦可獲得與至此為止所說明的無線供電裝置同樣的效果。無線供電裝置2e中亦可省略第1變壓器T1。圖13(a)、圖13(b)的電源10可為H橋式電路、半橋式電路、其他電源中的任一個。
(無線受電裝置)
上述自動調整輔助電路亦可利用於無線受電裝置中。以下對無線受電裝置進行說明。
圖14是表示第1實施形態的無線受電裝置4的構成的電路圖。無線受電裝置4接收自上述的或者完全不同的其 他構成的無線供電裝置發送的電力信號S1。電力信號S1利用不成為電波的電磁波的近場(電場、磁場、或者電磁場)。
無線受電裝置4包括接收天線50、自動調整輔助電路60以及應供給電力的負載70。負載70中亦可內置未圖示的整流電路、檢波電路等。
接收天線50包括在第1端51與第2端52之間串聯設置的接收線圈LRX以及共振用電容器CRX。
自動調整輔助電路60與上述的自動調整輔助電路30同樣地構成。具體來說，第3開關SW3以及第3輔助電容器CA3在第1端子61與第2端子62之間串聯設置。第4開關SW4在第1端子61與第2端子62之間，與第3開關SW3以及第3輔助電容器CA3並聯設置。
第2控制部64將第3開關SW3以及第4開關SW4，以與電力信號S1相同的頻率、且以相對於在發送側施加至天線的驅動電壓(VDRV)為某相位差θRX而互補地開關。例如較佳為θRX=180°或0°。
自動調整輔助電路60與接收天線50串聯耦合。而且，應供給電力的負載70與第3輔助電容器CA3連接。
以上為無線受電裝置4的構成。繼而對其動作進行說明。圖15是圖14的無線受電裝置4的等效電路圖。與無線供電裝置2的自動調整輔助電路30同樣地，自動調整輔助電路60可將修正電壓VA理解為施加至接收天線50的修正電源。修正電壓VA在第3開關SW3的導通時間TON3 成為第3輔助電容器CA3的電壓VCA3，在第4開關SW4的導通時間TON4成為接地電壓。
圖16是表示圖14的無線受電裝置4的動作的波形圖。圖16自上方開始依次表示第3開關SW3、第4開關SW4、修正電壓VA、接收天線50中流動的共振電流IRX、及接收線圈LRX與共振用電容器CRX的兩端間的共振電壓VRX。在表示開關的波形中，高位準表示導通狀態，低位準表示斷開狀態。共振電流IRX以及共振電壓VRX中，實線表示使自動調整輔助電路60動作後經過充分時間後的穩定狀態(模擬共振狀態)的波形，虛線表示不使自動調整輔助電路60動作的非共振狀態下的波形。
將第3開關SW3以及第4開關SW4以相對於無線供電裝置側的驅動電壓VDRV位移了180°或0°的相位θRX而互補地開關，藉此對第3輔助電容器CA3進行充電或放電。而且，藉由將修正電壓VA施加至接收天線50，共振電流IA的相位與發送側的驅動電壓VDRV的相位一致，從而可實現模擬共振狀態。
為了實現模擬共振狀態，必須使第3開關SW3以及第4開關SW4以適當的頻率fTX以及相位θRX而開關。因此，亦可自無線供電裝置2對無線受電裝置4，發送表示頻率fTX以及相位θRX的資料。或者無線受電裝置4亦可對相位θRX進行掃描(sweep)，而檢測最佳的相位θRX。
以上為無線受電裝置4的動作。
如此根據圖14的無線受電裝置4，無須調節共振用電 容器CRX的電容值，而可自動地實現共振狀態。
繼而對無線受電裝置4的變形例進行說明。
在至此為止的說明中，已對第2控制部64以與電力信號S1相同的頻率來對構成自動調整輔助電路60的多個開關進行驅動的情況進行了說明，但本發明並不限定於此。第2控制部64即便藉由將開關以電力信號S1的奇數倍或者奇數分之一倍的頻率而開關，亦可實現模擬共振狀態。
圖14中對負載70與第3輔助電容器CA3連接的情況進行了說明，但負載70亦可設置在其他位置。圖17(a)、圖17(b)是表示第1變形例、第2變形例的無線受電裝置的構成的電路圖。圖17(a)的無線受電裝置4a中，負載70a與接收天線50以及自動調整輔助電路60串聯設置。具體來說負載70a與接收天線50的第1端51連接。
圖17(b)的無線受電裝置4b包括第3變壓器T3，接收天線50與負載70b藉由第3變壓器T3而絕緣。第3變壓器T3的1次線圈W1與接收天線50串聯設置，2次線圈W2上連接著負載70b。
如圖17(a)、圖17(b)所示，具有如下優點：在將接收天線50與負載串聯連接的情況下，在負載的阻抗低的情況下，即便未進行自動調整輔助電路60的調整，亦可獲取一定程度的電力。另一方面，因接收天線50的Q值藉由負載的電阻成分而降低，故難以獲取大電力。
相反，在如圖4所示從自動調整輔助電路60獲取電力的情況下，因接收天線50的Q值並未藉由負載70而降低， 故即便在負載70的阻抗高的情況下，亦可獲取大電力。另一方面，在負載70的阻抗過低的情況下，存在妨礙自動調整輔助電路60的動作的問題。
因此，考慮應送電的電力或負載的阻抗等來決定將負載配置在哪一位置即可。
圖18是表示第3變形例的無線受電裝置4c的構成的電路圖。自動調整輔助電路60c更包括在第1端子61與第2端子62之間與第4開關SW4串聯設置的第4輔助電容器CA4。負載70的位置未作限定。
該變形例中，修正電壓VA在第3開關SW3的導通時間TON3與電容器電壓VCA3相等，在第4開關SW4的導通時間TON4與電容器電壓VCA4相等。根據該無線受電裝置4c，能夠以fTX>fc、fTX<fc各自的狀態下成為模擬共振狀態的方式，將電容器電壓VCA1、VCA2最佳化。
無線受電裝置中，第3開關SW3、第4開關SW4可包含單向開關、雙向開關中的任一個。在包含單向開關的情況下，必須以各自的逆導通元件中不流動電流的相位，將第3開關SW3、第4開關SW4進行開關。
圖19(a)、圖19(b)是分別表示第4變形例、第5變形例的無線受電裝置的構成的電路圖。第2控制部64省略。
圖19(a)的無線受電裝置4d中，自動調整輔助電路60d經由第4變壓器T4而與接收天線50串聯耦合。具體來說，第4變壓器T4的2次線圈W2設置在第1端子61 與第2端子62之間，且其1次線圈W1與接收天線50串聯設置。
該無線受電裝置4d中，經由第4變壓器T4進行接收天線50與自動調整輔助電路60d之間的能量的授受。即便根據該構成，亦可獲得與至此為止所說明的無線受電裝置同樣的效果。
圖19(b)中，負載70經由第5變壓器T5而與接收天線50以及自動調整輔助電路60d耦合。具體來說，第5變壓器T5的1次線圈W1與接收天線50串聯連接。負載70與第5變壓器T5的2次線圈W2的兩端連接。
根據該構成，亦可獲得與至此為止所說明的無線受電裝置同樣的效果。無線受電裝置4e中，亦可省略第4變壓器T4。圖19(a)中亦可將負載70與第3輔助電容器CA3耦合。或者圖19(b)中亦可將負載70經由第5變壓器T5而與第3輔助電容器CA3耦合。
(無線送電系統)
藉由將上述的無線供電裝置與無線受電裝置組合，而可實現無線送電系統。
圖20是表示第1實施形態的無線送電系統的構成例的電路圖。無線送電系統1包括無線供電裝置2及無線受電裝置4。
負載70除負載電路76外，亦包括整流電路72以及開關調節器(switching regulator)74。整流電路72為同步檢波電路，且包括平滑用電容器C3、第3高側開關SWH3、 及第3低側開關SWL3。
開關調節器74為升降壓轉換器，以可對負載電路76供給最大電力的方式進行控制。開關調節器74的構成以及動作為公知，因此此處的說明省略。
以上為無線送電系統1的構成。圖21是表示圖20的無線送電系統1的動作的波形圖。
無線供電裝置2中，第1開關SW1以及第2開關SW2以相對於驅動電壓VDRV延遲了θTX=90°的相位而被驅動。其結果，無線供電裝置2中模擬共振狀態成立。
無線受電裝置4中，以相對於無線供電裝置2側的驅動電壓VDRV延遲了θRX=180°的相位，來對第3開關SW3以及第4開關SW4進行驅動。而且，第3開關SW3以相對於第1開關SW1延遲了90°的相位而被驅動。其結果，無線受電裝置4中模擬共振狀態亦成立。
整流電路72的第3高側開關SWH3以及第3低側開關SWL3以相對於第3開關SW3以及第4開關SW4延遲了90°的相位而被驅動。其結果，平滑用電容器C3中產生直流電壓。該直流電壓藉由開關調節器74而轉換為對於負載電路76而言最佳的電壓位準。
以上為無線送電系統1的動作。如此根據無線送電系統1，藉由在無線供電裝置2、無線受電裝置4中分別設置自動調整輔助電路，而可對負載70發送最大電力。
當然，不言而喻可將包含變形例的任意的無線供電裝置2與任意的無線受電裝置4組合。
圖20中，已對在無線供電裝置2、無線受電裝置4的兩方安裝自動調整輔助電路的情況進行了說明，但本發明並不限定於此。
亦可僅在無線供電裝置2中設置自動調整輔助電路，無線受電裝置如先前般進行共振用電容器CRX的調節。
相反，亦可僅在無線受電裝置4設置自動調整輔助電路，無線供電裝置2如先前般進行共振用電容器CTX的調節。
進而，亦可僅在無線供電裝置2設置自動調整輔助電路，而無線受電裝置4不具有任何調節機構。或者僅在無線受電裝置4設置自動調整輔助電路，而無線供電裝置2不具有任何調節機構。
該些情況下，藉由單一的自動調整輔助電路，以取得電源10與負載70之間的阻抗匹配的方式進行調整，從而可進行高效的電力傳送。該情況下，應留意自動調整輔助電路的開關的相位θTX(θRX)的最佳值自90°或者270°(180°或者0°)偏離。
以上，根據第1實施形態對本發明進行了說明。本領域技術人員應當明白，該實施形態為例示，該些各構成要素或各處理製程的組合中能夠有各種變形例，而且此種變形例亦處於本發明的範圍內。以下，對此種變形例進行說明。
在包括自動調整輔助電路30的無線供電裝置2中，存在即便省略共振用電容器CTX亦可實現模擬共振狀態的情 況。該情況下，亦可省略共振用電容器CTX。同樣地在包括自動調整輔助電路60的無線受電裝置4中，亦可省略共振用電容器CRX。
無線供電裝置2根據規定的規則(密碼)，使驅動電壓VDRV的頻率fTX以及相位的至少一個發生變化，而對電力信號S1進行加密。已知曉密碼的無線受電裝置4根據該密碼，對自動調整輔助電路60的開關頻率、相位進行控制。其結果，即便在電力信號S1加密的情況下，亦可對其進行解碼而接收電力供給。尚未知曉密碼的無線受電裝置無法對自動調整輔助電路60的開關進行適當控制，因而無法接收電力。無線電力傳送中，惡意的利用者的盜電可能成為問題，但藉由利用自動調整輔助電路而可解決該問題。
或者，在單一的無線供電裝置2對多個無線受電裝置4進行供電時，可藉由利用自動調整輔助電路來對每個終端的供電量進行控制。
(第2實施形態)
第1實施形態中，已對包括2個開關SW1、開關SW2的自動調整輔助電路進行了說明。第2實施形態中的自動調整輔助電路包括4個開關而構成。關於除自動調整輔助電路80外的區塊(block)的構成，則與第1實施形態同樣。而且，第1實施形態中說明的各種變形例在第2實施形態中亦有效。
(無線供電裝置)
圖22是表示第2實施形態的無線供電裝置2的構成的電路圖。無線供電裝置2對無線受電裝置(未圖示)傳送電力信號S1。電力信號S1利用不成為電波的電磁波的近場(電場、磁場、或者電磁場)。
無線供電裝置6包括電源10、發送天線20、自動調整輔助電路80、及第1控制部40。
發送天線20包括設置在其第1端21與其第2端22之間的發送線圈LTX。共振用電容器CTX與發送線圈LTX串聯設置。共振用電容器CTX與發送線圈LTX亦可更換。
自動調整輔助電路80與發送天線20串聯耦合。電源10與圖2同樣地包含半橋式電路，對發送天線20以及自動調整輔助電路80的兩端間，施加具有規定的發送頻率fTX的交流的驅動電壓VDRV。驅動電壓VDRV可為以矩形波、梯形波、正弦波為首的任意的交流波形。本實施形態中，驅動電壓VDRV為以第1電壓位準(電源電壓VDD)與第2電壓位準(接地電壓VGND=0V)擺動的矩形波。
電源10與圖2的電源10同樣地包含半橋式電路。第1控制部40將第1高側開關SWH1以及第1低側開關SWL1以發送頻率fTX而互補地開關。
第2實施形態中，自動調整輔助電路80包括第1端子81、第2端子82、第1開關SWc1~第4開關SWc4、及第1輔助電容器CA5。
第1開關SWc1以及第2開關SWc2在第1端子81與第2端子82之間依次串聯設置。第3開關SWc3以及第4 開關SWc4在第1端子81與第2端子82之間依次串聯，且相對於第1開關SWc1以及第2開關SWc2並聯設置。第1輔助電容器CA5在第1開關SWc1與第2開關SWc2的連接點N1、和第3開關SWc3與第4開關SWc4的連接點N2之間設置。第1輔助電容器CA5的電容值較理想的是充分大於共振用電容器CTX的電容值。
第1控制部40將第1開關SWc1~第4開關SWc4以與驅動電壓VDRV相同的頻率fTX、且以相對於驅動電壓VDRV為某相位差θTX而開關。較佳為相位差θTX為+90°或者-90°(270°)左右。亦即第1控制部40的一部分構成自動調整輔助電路80。
與第1實施形態同樣地，第1開關SWc1~第4開關SWc4可包含雙向開關、或者單向開關中的任一個。在使用單向開關的情況下，亦如已說明般必須注意該些開關的相位。
以上為無線供電裝置6的構成。繼而對其動作進行說明。
圖23是表示圖22的無線供電裝置6的動作的波形圖。圖23自上方開始依次表示第1高側開關SWH1、第1低側開關SWL1、驅動電壓VDRV、第1開關SWc1、第2開關SWc2、第3開關SWc3、第4開關SWc4、第1端子81中產生的修正電壓VA、發送天線20中流動的共振電流ITX、及發送線圈LTX與共振用電容器CTX的兩端間的共振電壓VTX。表示開關的波形中，高位準表示導通狀態，低 位準表示斷開狀態。而且，共振電流ITX以及共振電壓VTX表示使自動調整輔助電路30動作後經過充分時間後的穩定狀態下的波形。
如圖23所示，藉由將第1高側開關SWH1、第1低側開關SWL1互補地開關，而將矩形波的驅動電壓VDRV施加至發送天線20以及自動調整輔助電路30的兩端間。第1控制部40以與驅動電壓VDRV相同的頻率、且以相對於驅動電壓VDRV延遲了θTX(=90°)的相位，對包含第1開關SWc1以及第4開關SWc4的第1對P1進行驅動，且與第1對P1互補地，亦即以錯開180°的相位，而對包含第2開關SWc2以及第3開關SWc3的第2對P2進行驅動。
共振電流ITX在第1對P1的導通時間TON1，流經包含第1開關SWc1、第1輔助電容器CA5、第4開關SWc4的路徑，在第2對P2的導通時間TON2，流經包含第3開關SWc3、第1輔助電容器CA5、第2開關SWc2的路徑中。
亦即，第1輔助電容器CA5藉由共振電流ITX而充放電，其結果，第1輔助電容器CA5中產生電容器電壓VCA5。
自動調整輔助電路80對發送天線20的第2端22施加修正電壓VA。修正電壓VA在第1對P1導通的期間TON1設為第1極性，在第2對P2導通的期間TON2設為第2極性。自動調整輔助電路80可將修正電壓VA理解為施加至發送天線20的修正電源。亦即，可知無線供電裝置6的等效電路可視作與圖5的等效電路同等，其動作原理亦同樣。
亦即，若使自動調整輔助電路80動作，則對發送天線 20施加相對於驅動電壓VDRV延遲了θTX=90°的相位的修正電壓VA。其結果，共振電流ITX的相位與驅動電壓VDRV的相位一致，而成為模擬共振狀態。藉此，共振電流ITX的振幅比非共振狀態大。這如圖7、圖9的矢量圖所示。
第2實施形態中的自動調整輔助電路80的動作為參照第1實施形態中的圖8所說明般，可自動地生成滿足模擬共振狀態的修正電壓VA。
以上為無線供電裝置6的動作。
如此根據無線供電裝置6，無須調節發送天線20的共振頻率fc，便能夠以實現模擬共振狀態的方式自動地調整電路的狀態。無線送電中，根據無線供電裝置與無線受電裝置的位置關係，共振頻率時刻變化，而根據無線供電裝置6，可高速地追隨該變化，從而可進行高效的電力傳送。
而且，若欲以無線供電傳送大電力，則共振用電容器CTX的兩端間的電壓變得非常大，因而可變電容器(變容)的利用受到制約。因無須根據無線供電裝置6來調節共振用電容器CTX的電容值，故亦具有無須使用可變電容器等的優點。
此處，已對將包含第1開關SWc1、第4開關SWc4的第1對以相對於第1高側開關SWH1(驅動電壓VDRV)的相位延遲了θTX=90°的相位而開關的情況進行了說明，但相位差θTX並非必須為90°，亦可為270°(-90°)。這是因為該情況下以電容器電壓VCA1為逆極性的方式而自動地調節。其中，在使用單向開關構成第1開關SWc1~第4 開關SWc4的情況下，必須以逆導通元件中不流動電流的相位來開關。具體來說，較理想的是在fc<fTX時θTX=90°
在fc>fTX時θTX=270°。
而且，如第1實施形態中所說明般，相位差θTX亦可自90°或者270°偏離。
繼而，對無線供電裝置6的變形例進行說明。各變形例可與任意的其他變形例組合，此種組合亦包含在本發明的範圍內。
在至此為止的說明中，已對第1控制部40將構成自動調整輔助電路80的多個開關以與驅動電壓VDRV相同的頻率fTX進行驅動的情況進行了說明，但本發明並不限定於此。第1控制部40即便藉由將開關以驅動電壓VDRV的奇數倍、或者奇數分之一倍的頻率而開關，亦可實現模擬共振狀態。
圖24是表示第1變形例的無線供電裝置6a的構成的電路圖。圖24的電源10c包含H橋式電路。發送天線20以及自動調整輔助電路80a在電源10c的第1輸出端子OUT1與第2輸出端子OUT2之間串聯設置。進而直流阻止用的電容器C2與發送天線20及自動調整輔助電路80a串聯設置。自動調整輔助電路80a中，第1輔助電容器CA5的一端(N2)接地。
根據圖24的無線供電裝置6a，亦可獲得與至此為止所說明的無線供電裝置同樣的效果。
如第1實施形態中所說明般，電源、自動調整輔助電路此兩方亦可經由變壓器而與發送天線20耦合。圖25(a)~圖25(c)是分別表示第2變形例~第4變形例的無線供電裝置6b~6d的構成的電路圖。第1控制部40省略。
在圖25(a)的無線供電裝置6b中，自動調整輔助電路80a經由第6變壓器T6而與發送天線20串聯耦合。具體來說，第6變壓器T6的1次線圈W1與發送天線20串聯設置，其2次線圈W2設置在自動調整輔助電路80a的第1端子61與第2端子62之間。電源10c對發送天線20與第6變壓器T6的1次線圈W1的兩端間施加驅動電壓。
在圖25(b)的無線供電裝置6c中，電源10c經由第7變壓器T7而與發送天線20以及自動調整輔助電路80a耦合。電源10c對第7變壓器T7的1次線圈W1的兩端施加驅動電壓。發送天線20以及自動調整輔助電路80a與2次線圈W2串聯設置。
在圖25(c)的無線供電裝置6d中，半橋式構成的電源10經由第7變壓器T7而與發送天線20以及自動調整輔助電路80a耦合。在電源10的輸出端子與第7變壓器T7的第1線圈W1之間設置著直流阻止用的電容器C3。
進而亦可將圖25(a)~圖25(c)的變形例組合，而將電源、自動調整輔助電路的兩方利用變壓器而相對於發送天線耦合。
根據該些變形例，亦可獲得與至此為止所說明的無線供電裝置同樣的效果。
(無線受電裝置)
上述第2實施形態的自動調整輔助電路可用於無線受電裝置中。以下，對無線受電裝置進行說明。
圖26是表示第2實施形態的無線受電裝置8的構成的電路圖。無線受電裝置8接收自上述的或者完全不同的其他構成的無線供電裝置發送的電力信號S1。電力信號S1利用不成為電波的電磁波的近場(電場、磁場、或者電磁場)。
無線受電裝置8包括接收天線50、自動調整輔助電路90以及應供給電力的負載70。負載70中亦可內置未圖示的整流電路、檢波電路等。
接收天線50包括在第1端51與第2端52之間串聯設置的接收線圈LRX以及共振用電容器CRX。
自動調整輔助電路90與圖22的自動調整輔助電路80同樣地構成。具體來說，包括自動調整輔助電路90、第1端子91、第5開關SWc5~第8開關SWc8、及第2輔助電容器CA6。
第5開關SWc5以及第6開關SWc6在第1端子91與第2端子92之間串聯設置。第7開關SWc7以及第8開關SWc8在第1端子91與第2端子92之間依次串聯，且相對於第5開關SWc5以及第6開關SWc6並聯設置。第2輔助電容器CA6在第5開關SWc5與第6開關SWc6的連接點N3、和第7開關SWc7與第8開關SWc8的連接點N4之間設置。第2輔助電容器CA6的電容值較理想的是充 分大於共振用電容器CRX的電容值。
第2控制部94將第5開關SWc5~第8開關SWc8以與電力信號S1相同的頻率、且以相對於在發送側施加至天線的驅動電壓(VDRV)為某相位差θRX而開關。例如較佳為θRX=180°或0°。
自動調整輔助電路90與接收天線50串聯耦合。而且，應供給電力的負載70與接收天線50以及自動調整輔助電路90串聯設置。
以上為無線受電裝置8的構成。繼而對其動作進行說明。無線受電裝置8的等效電路圖與圖15的無線受電裝置4同等。與無線供電裝置6中的自動調整輔助電路80同樣地，自動調整輔助電路90可將修正電壓VA理解為施加至接收天線50的修正電源。
圖27是表示圖26的無線受電裝置8的動作的波形圖。圖27中自上方開始依次表示第5開關SWc5~第8開關SWc8、修正電壓VA、接收天線50中流動的共振電流IRX、及接收線圈LRX與共振用電容器CRX的兩端間的共振電壓VRX。在表示開關的波形中，高位準表示導通狀態，低位準表示斷開狀態。
將包含第5開關SWc5以及第8開關SWc8的第1對以相對於無線供電裝置側的驅動電壓VDRV位移了180°或0°的相位θRX而互補地開關。包含第6開關SWc6以及第7開關SWc7的第2對與第1對互補地開關。共振電流IRX在第1對導通的時間TON1，流經包含第5開關SWc5、第 2輔助電容器CA6、第8開關SWc8的路徑，在第2對導通的時間TON2，流經包含第6開關SWc6、第2輔助電容器CA6、第7開關SWc7的路徑。
第2輔助電容器CA6根據共振電流IRX而充放電，其結果，第2輔助電容器CA6中產生電容器電壓VCA6。而且，藉由將與電容器電壓VCA6相應的修正電壓VA施加至接收天線50，而共振電流IA的相位與發送側的驅動電壓VDRV的相位一致，從而可實現模擬共振狀態。
為了實現模擬共振狀態，必須將第5開關SWc5以及第8開關SWc8以適當的頻率fTX以及相位θRX而開關。因此亦可自無線供電裝置對無線受電裝置8發送表示頻率fTX以及相位θRX的資料。或者無線受電裝置8亦可對相位θRX進行掃描，而檢測最佳相位θRX。
以上為無線受電裝置8的動作。
如此根據圖26的無線受電裝置8，無須對共振用電容器CRX的電容值進行調節，便可自動地實現共振狀態。
繼而對無線受電裝置8的變形例進行說明。
在至此為止的說明中，已對第2控制部64以與電力信號S1相同的頻率，來對構成自動調整輔助電路30的多個開關進行驅動的情況進行了說明，但本發明並不限定於此。第2控制部64即便藉由將開關以電力信號S1的奇數倍或者奇數分之一倍的頻率而開關，亦可實現模擬共振狀態。
圖26中，將負載70的一端接地而設為基準電位，但 亦可代替將負載70的一端接地，而將自動調整輔助電路90的第2輔助電容器CA6的一端，亦即連接點N3或N4的一方接地。
圖28(a)、圖28(b)是表示第2變形例、第3變形例的無線受電裝置的構成的電路圖。
圖26中，已對負載70與接收天線50串聯連接的情況進行了說明，但負載70亦可設置在其他位置。
圖28(a)所示的第1變形例的無線受電裝置8a中，自動調整輔助電路90a的連接點N4接地。負載70a與第2輔助電容器CA6並聯設置。亦即負載70a中供給有第2輔助電容器CA6中產生的電容器電壓VCA6。
圖28(b)所示的第2變形例的無線受電裝置8b中，負載70b經由第8變壓器T8而耦合於與接收天線50以及自動調整輔助電路90a串聯的路徑。
圖28(c)、圖28(d)是表示負載的構成例的電路圖。圖28(c)的負載70c包括二極體整流電路72c、及負載電路76。圖28(d)的負載70d包括同步檢波電路72d及負載電路76。負載電路亦可如圖20所示更包括開關調節器74。
自動調整輔助電路90亦可相對於接收天線50經由變壓器而串聯耦合。圖29是表示第3變形例的無線受電裝置8c的構成的電路圖。自動調整輔助電路90a經由第9變壓器T9而與接收天線50串聯耦合。負載可與接收天線50以及1次線圈W1串聯設置，亦可與第2輔助電容器CA6 並聯設置。
藉由該些變形例，亦可獲得與圖26的無線受電裝置8同樣的效果。
在如圖26所示將接收天線50與負載串聯連接的情況下，亦具有如下優點：在負載的阻抗低的情況下，即便不進行自動調整輔助電路90的調整，亦可獲取一定程度的電力。另一方面，因藉由負載的電阻成分而接收天線50的Q值降低，故難以獲取大電力。
相反，在如圖28(a)所示從自動調整輔助電路90a獲取電力的情況下，因接收天線50的Q值不會藉由負載70而降低，故即便在負載70a的阻抗高的情況下，亦可獲取大電力。另一方面，在負載70a的阻抗過低的情況下，存在妨礙自動調整輔助電路60的動作的問題。
因此，考慮到應送電的電力或負載的阻抗等來決定將負載配置在哪一位置即可。
第5開關SWc5~第8開關SWc8可包括雙向開關、或者單向開關中的任一個。在使用單向開關的情況下，亦如已說明般必須注意該些開關的相位。
(無線送電系統)
藉由將第2實施形態中說明的無線供電裝置6與無線受電裝置8組合，而可實現無線送電系統。
而且，已對在無線供電裝置6、無線受電裝置8的兩方安裝自動調整輔助電路的情況進行了說明，但本發明並不限定於此。
亦可僅在無線供電裝置6中設置自動調整輔助電路，無線受電裝置如先前般進行共振用電容器CRX的調節。相反，亦可僅在無線受電裝置8中設置自動調整輔助電路，無線供電裝置6如先前般進行共振用電容器CTX的調節。
進而，亦可僅在無線供電裝置6設置自動調整輔助電路，無線受電裝置8不具有任何調節機構。或者亦可僅在無線受電裝置8設置自動調整輔助電路，無線供電裝置6不具有任何調節機構。
該些情況下，藉由單一的自動調整輔助電路，以取得電源10與負載70之間的阻抗匹配的方式調整，從而可進行高效的電力傳送。該情況下，應留意自動調整輔助電路的開關的相位θTX(θRX)的最佳值自90°或者270°(180°或者0°)偏離。
或者，可將第1實施形態的無線供電裝置2與第2實施形態的無線受電裝置8組合，亦可將無線受電裝置4與無線供電裝置6組合。
以上，根據第2實施形態對本發明進行了說明。本領域技術人員應當明白，該實施形態為例示，該些各構成要素或各處理製程的組合中能夠有各種變形例，而且此種變形例亦處於本發明的範圍內。以下，對此種變形例進行說明。
在包括自動調整輔助電路80的無線供電裝置6中，存在即便省略共振用電容器CTX亦可實現模擬共振狀態的情況。該情況下，亦可省略共振用電容器CTX。同樣地，在 包括自動調整輔助電路90的無線受電裝置8中，亦可省略共振用電容器CRX。
無線供電裝置6根據規定的規則(密碼)，使驅動電壓VDRV的頻率fTX以及相位的至少一個發生變化，而對電力信號S1進行加密。已知曉密碼的無線受電裝置8根據該密碼，對自動調整輔助電路90的開關頻率、相位進行控制。其結果，即便在電力信號S1加密的情況下，亦可對其進行解碼而接收電力供給。尚未知曉密碼的無線受電裝置無法對自動調整輔助電路90的開關進行適當控制，因而無法接收電力。無線電力傳送中，惡意的利用者的盜電可能成為問題，但藉由利用自動調整輔助電路而可解決該問題。
或者，在單一的無線供電裝置6對多個無線受電裝置8進行供電時，可藉由利用自動調整輔助電路來對每個終端的供電量進行控制。
自動調整輔助電路30的用途並不限定於無線電力送電，可用於需要進行調整的各種用途中。
已根據實施形態對本發明進行了說明，認為實施形態僅表示本發明的原理、應用，在實施形態中，在不脫離申請專利範圍所規定的本發明的思想的範圍內，可進行多個變形例或配置的變更。
[產業上之可利用性]
本發明可利用於無線供電技術。
1、1r‧‧‧無線送電系統
2、2r、2a、2b、2c、2d、2e‧‧‧無線供電裝置
4、4r、4a、4b、4c、4d、4e‧‧‧無線受電裝置
6、6a、6b、6c、6d‧‧‧無線供電裝置
8、8a、8b‧‧‧無線受電裝置
10、10c‧‧‧電源
10r‧‧‧交流電源
12‧‧‧直流電源
20‧‧‧發送天線
21‧‧‧第1端
22‧‧‧第2端
30、30a、30b、30c、30d‧‧‧自動調整輔助電路
31‧‧‧第1端子
32‧‧‧第2端子
34‧‧‧充電電路
40、40c‧‧‧第1控制部
50‧‧‧接收天線
51‧‧‧第1端
52‧‧‧第2端
60、60d‧‧‧自動調整輔助電路
61‧‧‧第1端子
62‧‧‧第2端子
64‧‧‧第2控制部
70、70a、70b‧‧‧負載
72、72c、72d‧‧‧整流電路
74‧‧‧開關調節器
76‧‧‧負載電路
80、80a‧‧‧自動調整輔助電路
81‧‧‧第1端子
82‧‧‧第2端子
90、90a‧‧‧自動調整輔助電路
91‧‧‧第1端子
92‧‧‧第2端子
94‧‧‧第2控制部
C2‧‧‧電容器
CA1、CA5‧‧‧第1輔助電容器
CA2、CA6‧‧‧第2輔助電容器
CA3‧‧‧第3輔助電容器
CA4‧‧‧第4輔助電容器
CTX‧‧‧共振用電容器
CRX‧‧‧共振用電容器
fc‧‧‧共振頻率
fTX‧‧‧發送頻率
IA、IDRV‧‧‧電流成分
ITX、IRX‧‧‧共振電流
LRX‧‧‧接收線圈
LTX‧‧‧發送線圈
N1‧‧‧第1開關SWc1與第2開關SWc2的連接點
N2‧‧‧第3開關SWc3與第4開關SWc4的連接點
OUT1‧‧‧第1輸出端子
OUT2‧‧‧第2輸出端子
Rs‧‧‧檢測電阻
S1‧‧‧電力信號
SW1‧‧‧第1開關
SW2‧‧‧第2開關
SW3‧‧‧第3開關
SW4‧‧‧第4開關
SWc1‧‧‧第1開關
SWc2‧‧‧第2開關
SWc3‧‧‧第3開關
SWc4‧‧‧第4開關
SWc5‧‧‧第5開關
SWc6‧‧‧第6開關
SWc7‧‧‧第7開關
SWc8‧‧‧第8開關
SWH1‧‧‧第1高側開關
SWH2‧‧‧第2高側開關
SWH3‧‧‧第3高側開關
SWL1‧‧‧第1低側開關
SWL2‧‧‧第2低側開關
SWL3‧‧‧第3低側開關
T1‧‧‧第1變壓器
T2‧‧‧第2變壓器
T3‧‧‧第3變壓器
TON1‧‧‧第1開關SW1的導通時間
TON2‧‧‧第2開關SW2的導通時間
TON3‧‧‧第3開關SW3的導通時間
TON4‧‧‧第4開關SW4的導通時間
VA‧‧‧第1端子31的電壓、修正電壓
VCA1‧‧‧第1輔助電容器CA1的電壓
VCA2‧‧‧電容器電壓
VCA3‧‧‧第3輔助電容器CA3的電壓
VDD‧‧‧電源電壓
VDRV、#VDRV‧‧‧驅動電壓
VGND‧‧‧接地電壓
Vs‧‧‧檢測電壓
VTX、VRX‧‧‧共振電壓
W1‧‧‧1次線圈
W2‧‧‧2次線圈
Z‧‧‧阻抗
θTX、θRX‧‧‧相位
φ‧‧‧相位差
圖1是表示比較技術的無線送電系統的圖。
圖2是表示第1實施形態的無線供電裝置的構成的電路圖。
圖3(a)~圖3(f)是表示使用了MOSFET的開關的構成例的圖。
圖4是表示圖2的無線供電裝置的動作的波形圖。
圖5是表示圖2的無線供電裝置的等效電路圖。
圖6(a)是不使自動調整輔助電路動作的狀態時的波形圖，圖6(b)是使自動調整輔助電路動作時的波形圖。
圖7是說明fc<fTX的情況下的自動調整輔助電路的模擬共振狀態的矢量圖。
圖8是表示非共振狀態以及共振狀態下的共振電流的圖。
圖9是說明fc>fTX的情況下的自動調整輔助電路的模擬共振狀態的矢量圖。
圖10是表示第1變形例的無線供電裝置的構成的電路圖。
圖11是表示第2變形例的無線供電裝置的構成的電路圖。
圖12是表示第3變形例的無線供電裝置的構成的電路圖。
圖13(a)、圖13(b)是分別表示第4變形例、第5變形例的無線供電裝置的構成的電路圖。
圖14是表示第1實施形態的無線受電裝置的構成的電 路圖。
圖15是圖14的無線受電裝置的等效電路圖。
圖16是表示圖14的無線受電裝置的動作的波形圖。
圖17(a)、圖17(b)表示第1變形例、第2變形例的無線受電裝置的構成的電路圖。
圖18是表示第3變形例的無線受電裝置的構成的電路圖。
圖19(a)、圖19(b)是分別表示第4變形例、第5變形例的無線受電裝置的構成的電路圖。
圖20是表示第1實施形態的無線送電系統的構成例的電路圖。
圖21是表示圖20的無線送電系統的動作的波形圖。
圖22是表示第2實施形態的無線供電裝置的構成的電路圖。
圖23是表示圖22的無線供電裝置的動作的波形圖。
圖24是表示第1變形例的無線供電裝置的構成的電路圖。
圖25(a)~圖25(c)是分別表示第2變形例~第4變形例的無線供電裝置的構成的電路圖。
圖26是表示第2實施形態的無線受電裝置的構成的電路圖。
圖27是表示圖26的無線受電裝置的動作的波形圖。
圖28(a)、圖28(b)是表示第2變形例、第3變形例的無線受電裝置的構成的電路圖，圖28(c)、圖28(d) 是表示負載的構成例的電路圖。
圖29是表示第3變形例的無線受電裝置的構成的電路圖。
2‧‧‧無線供電裝置
10‧‧‧電源
12‧‧‧直流電源
20‧‧‧發送天線
21‧‧‧第1端
22‧‧‧第2端
30‧‧‧自動調整輔助電路
31‧‧‧第1端子
32‧‧‧第2端子
40‧‧‧第1控制部
CA1‧‧‧第1輔助電容器
CTX‧‧‧共振用電容器
ITX‧‧‧共振電流
LTX‧‧‧發送線圈
S1‧‧‧電力信號
SW1‧‧‧第1開關
SW2‧‧‧第2開關
SWH1‧‧‧第1高側開關
SWL1‧‧‧第1低側開關
VA‧‧‧修正電壓
VCA1‧‧‧第1輔助電容器CA1的電壓
VDD‧‧‧電源電壓
VDRV‧‧‧驅動電壓
VGND‧‧‧接地電壓
VTX‧‧‧共振電壓
θTX‧‧‧相位

Claims (26)

  1. 一種無線供電裝置，對無線受電裝置發送包含電場、磁場、電磁場中的任一個的電力信號，其特徵在於包括：發送天線，包含發送線圈；自動調整輔助電路，與上述發送天線耦合；以及電源，對上述發送天線以及上述自動調整輔助電路的兩端間施加交流的驅動電壓；且上述自動調整輔助電路包括：第1端子；第2端子；N個(N為自然數)輔助電容器；以及多個開關，分別設置在上述第1端子、上述第2端子、上述N個輔助電容器的端子中的2個端子之間；以及第1控制部，將上述多個開關分別與上述驅動電壓同步地進行開關，其中上述自動調整輔助電路包括：第1開關以及第1輔助電容器，在上述第1端子與上述第2端子之間串聯設置；以及第2開關，在上述第1端子與上述第2端子之間，相對於上述第1開關以及上述第1輔助電容器並聯設置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之無線供電裝置，其中 上述第1控制部將上述多個開關分別以與上述驅動電壓相同的頻率、其奇數倍或奇數分之一倍的頻率而開關。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之無線供電裝置，其中上述第1控制部將上述第1開關以及上述第2開關以與上述驅動電壓相同的頻率、且以相對於上述驅動電壓呈一相位差而開關。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之無線供電裝置，其中上述自動調整輔助電路更包括第2輔助電容器，該第2輔助電容器在上述第1端子與上述第2端子之間與上述第2開關串聯設置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之無線供電裝置，其中上述第1開關、上述第2開關包含單向開關；上述第1控制部將上述第1開關以及上述第2開關以各自的逆導通元件中不流動電流的相位而開關。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之無線供電裝置，其中上述第1開關、上述第2開關包含雙向開關。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之無線供電裝置，其中上述自動調整輔助電路經由變壓器而與上述發送天線串聯耦合。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之無線供電裝置，其中上述電源包括：直流電源；第1高側開關以及第1低側開關，在上述直流電源的輸出端子與固定電壓端子之間依次串聯設置；且 上述發送天線以及上述自動調整輔助電路在上述第1高側開關以及上述第1低側開關的連接點與上述固定電壓端子之間串聯耦合。
  9. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之無線供電裝置，其中上述電源包括：直流電源；第1高側開關以及第1低側開關，在上述直流電源的輸出端子與固定電壓端子之間依次串聯設置；第2高側開關以及第2低側開關，在上述直流電源的輸出端子與上述固定電壓端子之間依次串聯設置；且上述發送天線以及上述自動調整輔助電路在上述第1高側開關以及上述第1低側開關的連接點、和上述第2高側開關以及上述第2低側開關的連接點之間串聯耦合。
  10. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之無線供電裝置，其中上述發送天線包括與上述發送線圈串聯設置的共振用電容器。
  11. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之無線供電裝置，其中上述電源經由變壓器而對上述發送天線以及上述自動調整輔助電路的兩端間施加所述的交流的驅動電壓。
  12. 一種無線供電系統，其特徵在於包括：如申請專利範圍第1項或第2項所述之無線供電裝置；以及無線受電裝置，接收來自上述無線供電裝置的所述電 力信號。
  13. 一種無線受電裝置，接收自無線供電裝置發送的包含電場、磁場、電磁場中的任一個的電力信號，其特徵在於包括：接收天線，包含接收線圈；以及自動調整輔助電路，與上述接收天線耦合；且上述自動調整輔助電路包括：第1端子；第2端子；N個(N為自然數)輔助電容器；多個開關，分別設置在上述第1端子、上述第2端子、上述N個輔助電容器的端子中的2個端子之間；以及第2控制部，將上述多個開關分別進行開關，其中上述自動調整輔助電路包括：第3開關以及第3輔助電容器，在上述第1端子與上述第2端子之間串聯設置；以及第4開關，在上述第1端子與上述第2端子之間相對於上述第3開關以及上述第3輔助電容器並聯設置。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之無線受電裝置，其中上述第2控制部將上述多個開關分別以與上述電力信號相同的頻率、其奇數倍或奇數分之一倍的頻率而開關。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之無線受電裝置，其 中上述第2控制部將上述第3開關以及上述第4開關以與上述電力信號相同的頻率而開關。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之無線受電裝置，其中上述第2控制部以相對於在上述無線供電裝置中施加至發送天線的驅動電壓為規定的相位差，來對上述第3開關以及上述第4開關進行驅動。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之無線受電裝置，其中上述自動調整輔助電路更包括第4輔助電容器，該第4輔助電容器在上述第1端子與上述第2端子之間與上述第4開關串聯設置。
  18. 如申請專利範圍第13項所述之無線受電裝置，其中上述第3開關、上述第4開關包含單向開關；上述第2控制部將上述第3開關以及上述第4開關以各自的逆導通元件中不流動電流的相位而開關。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之無線受電裝置，其中上述第3開關、上述第4開關包含雙向開關。
  20. 如申請專利範圍第13項所述之無線受電裝置，其中負載與上述第3輔助電容器連接。
  21. 如申請專利範圍第13項或第14項所述之無線受電裝置，其中負載與上述接收天線的第1端連接。
  22. 如申請專利範圍第13項或第14項所述之無線受電裝置，其更包括變壓器，該變壓器的1次線圈與上述接收天線串聯設置；負載與上述變壓器的2次線圈連接。
  23. 如申請專利範圍第13項或第14項所述之無線受電裝置，其中上述自動調整輔助電路經由變壓器而與上述接收天線串聯耦合。
  24. 如申請專利範圍第13項或第14項所述之無線受電裝置，其中上述接收天線包括與上述接收線圈串聯設置的共振用電容器。
  25. 一種無線供電系統，其特徵在於包括：無線供電裝置，發送包含電場、磁場、電磁場中的任一個的電力信號；以及如申請專利範圍第13項或第14項所述之無線受電裝置，接收上述電力信號。
  26. 一種無線供電系統，其特徵在於包括：如申請專利範圍第1項或第2項所述之無線供電裝置；以及如申請專利範圍第13項或第14項所述之無線受電裝置，接收來自上述無線供電裝置的上述電力信號。
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