WO2012035745A1

WO2012035745A1 - ワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システム

Info

Publication number: WO2012035745A1
Application number: PCT/JP2011/005117
Authority: WO
Inventors: 祐樹圓藤; 古川　靖夫
Original assignee: 株式会社アドバンテスト
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2011-09-12
Publication date: 2012-03-22
Also published as: CN103141008A; KR20130106840A; JPWO2012035745A1; US20120068548A1; TW201216587A

Abstract

　ワイヤレス給電装置２００は、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号Ｓ１を送信する。ブリッジ回路１４は、複数のスイッチＳＷ１、ＳＷ２を含む。制御部１２は、ブリッジ回路１４の複数のスイッチＳＷ１、ＳＷ２を、送信周波数である第１周波数ｆ_１でスイッチング制御する。送信コイルＬＴおよび共振用キャパシタＣＴは、共振アンテナを構成し、ブリッジ回路１４と接続され、その共振周波数は第１周波数ｆ_１以上の第２周波数ｆ_２である。制御部１２は、複数のスイッチＳＷ１、ＳＷ２がすべて同時オフとなるデッドタイムＴｄの長さを調節可能に構成される。

Description

ワイヤレス給電装置およびワイヤレス給電システム

　本発明は、ワイヤレス給電技術に関する。

　近年、携帯電話端末やノート型コンピュータなどの電子機器、あるいは電気自動車に対する給電技術として、ワイヤレス（非接触）電力伝送が着目されている。ワイヤレス電力伝送は、主に電磁誘導型、電波受信型、電場・磁場共鳴型、の３つに分類される。

　電磁誘導型は短距離（数ｃｍ以内）において利用され、数百ｋＨｚ以下の帯域で数百Ｗの電力を伝送することができる。電力の利用効率は６０～９８％程度となっている。数ｍ以上の比較的長い距離に給電する場合、電波受信型が利用される。電波受信型では、中波～マイクロ波の帯域で数Ｗ以下の電力を伝送することができるが、電力の利用効率は低い。数ｍ程度の中距離を、比較的高い効率で給電する手法として、電場・磁場共鳴型が着目されている（非特許文献１参照）。

A. Karalis, J.D. Joannopoulos, M. Soljacic、「Efficient wireless non-radiative mid-range energy transfer」、ANNALS of PHYSICS Vol. 323, pp.34-48, 2008, Jan.

　磁場（電場）共鳴型の電力伝送において重要となるパラメータとして、Ｑ値が挙げられる。図１（ａ）は、ワイヤレス給電システムの一例を示す図である。ワイヤレス給電システム１１００は、ワイヤレス給電装置１２００およびワイヤレス受電装置１３００を備える。ワイヤレス給電装置１２００は、送信コイルＬ_Ｔ１、共振用キャパシタＣ_Ｔおよび交流電源１０を備える。交流電源１０は、送信周波数ｆ_１を有する電気信号（駆動信号）Ｓ２を発生する。共振用キャパシタＣ_Ｔおよび送信コイルＬ_Ｔ１は共振回路を構成しており、その共振周波数は、電気信号Ｓ２の周波数にチューニングされている。送信コイルＬ_Ｔ１からは、電力信号Ｓ１が送出される。

　ワイヤレス受電装置１３００は、受信コイルＬ_Ｒ１、共振用キャパシタＣ_Ｒおよび負荷回路２０を備える。共振用キャパシタＣ_Ｒ、受信コイルＬ_Ｒ１および負荷回路２０は共振回路を構成しており、その共振周波数は、電力信号Ｓ１の周波数にチューニングされる。

　ワイヤレス給電装置１２００とワイヤレス受電装置１３００を、電気信号Ｓ２の周波数に同調させるために、共振用キャパシタＣ_Ｔ、Ｃ_Ｒは、図１（ｂ）に示すような可変キャパシタで構成される。

　可変キャパシタは、複数のキャパシタＣと、それらを切りかえるための複数のスイッチＳＷを含む。図１（ｂ）の可変キャパシタは、容量値の切りかえ段数を大きくすると、キャパシタおよびスイッチなどの部品点数が増え、回路面積やコストが増大するという問題がある。

　本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、部品点数の増加を抑制したワイヤレス給電システムの提供にある。

　本発明のある態様は、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置に関する。このワイヤレス給電装置は、複数のスイッチを含むブリッジ回路と、ブリッジ回路の複数のスイッチを、送信周波数である第１周波数でスイッチング制御する制御部と、ブリッジ回路と接続された共振アンテナであって、電力信号を送出するための送信コイルおよび送信コイルと直列に設けられた共振用キャパシタと、を含み、その共振周波数が第１周波数以上の第２周波数である、共振アンテナと、を備える。制御部は、複数のスイッチがすべて同時オフとなるデッドタイムの長さを調節可能に構成される。

　この態様によると、共振アンテナの共振周波数を変更しなくても、デッドタイムの長さを最適化することにより、共振状態を実現することができる。つまり共振アンテナの共振周波数を変更するための構成が不要となるため、部品点数を削減できる。

　制御部は、送信コイルに流れるコイル電流が、共振アンテナと部分共振するように、デッドタイムの長さを設定してもよい。

　制御部は、送信コイルに流れるコイル電流がゼロとなるタイミングで、複数のスイッチをオフしてもよい。

　ブリッジ回路は、ハーフブリッジ回路を含んでもよい。ブリッジ回路は、フルブリッジ回路を含んでもよい。

　本発明の別の態様は、ワイヤレス給電システムである。このワイヤレス給電システムは、上述のいずれかの態様のワイヤレス給電装置と、ワイヤレス給電装置から送信される電力信号を受信するワイヤレス受電装置と、を備える。

　なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

　本発明のある態様によれば、回路面積を削減できる。

図１（ａ）、（ｂ）は、ワイヤレス給電システムの一例を示す図である。実施の形態に係るワイヤレス給電システムの構成を示す回路図である。図２のワイヤレス給電装置の動作を示す波形図である。ブリッジ回路の構成例を示す回路図である。図４のブリッジ回路を用いた場合の動作を示す波形図である。変形例に係るワイヤレス給電装置の構成を示す回路図である。図６のワイヤレス給電装置の動作を示す波形図である。第２の実施の形態に係るワイヤレス給電システムの構成を示す回路図である。図９（ａ）、（ｂ）は、図８のワイヤレス受電装置の動作を示す回路図である。図８のワイヤレス受電装置の動作を示す波形図である。比較技術としての同期整流回路の動作を示す波形図である。第１の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。第２の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。図８のワイヤレス給電システムの等価回路図である。第３の変形例に係るワイヤレス給電システムの動作を示すタイムチャートである。第４の変形例に係るワイヤレス受電装置の構成を示す回路図である。

　以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

　本明細書において、「部材Ａが、部材Ｂと接続された状態」とは、部材Ａと部材Ｂが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Ａと部材Ｂが、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。
　同様に、「部材Ｃが、部材Ａと部材Ｂの間に設けられた状態」とは、部材Ａと部材Ｃ、あるいは部材Ｂと部材Ｃが直接的に接続される場合のほか、電気的な接続状態に影響を及ぼさない他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。

（第１の実施の形態）
　図２は、第１の実施の形態に係るワイヤレス給電システム１００の構成を示す回路図である。ワイヤレス給電システム１００は、ワイヤレス給電装置２００およびワイヤレス受電装置３００を備える。

　はじめにワイヤレス受電装置３００の構成を説明する。ワイヤレス受電装置３００は、ワイヤレス給電装置２００から送出される電力信号Ｓ１を受信する。ワイヤレス受電装置３００は、受信コイルＬ_Ｒ、共振用キャパシタＣ_Ｒ、負荷回路２０を備える。共振用キャパシタＣ_Ｒは、受信コイルＬ_Ｒとともに共振回路を形成する。共振回路の共振周波数は、電力信号Ｓ１に同調される。

　受信コイルＬ_Ｒは、ワイヤレス給電装置２００からの電力信号Ｓ１を受信する。受信コイルＬ_Ｒには、電力信号Ｓ１に応じた誘起電流（共振電流）Ｉ_Ｒが流れ、ワイヤレス受電装置３００はこの誘起電流から電力を取り出す。負荷回路２０は、ワイヤレス給電装置２００から電力供給を受けて動作する回路であり、その用途、構成は限定されない。

　ワイヤレス給電装置２００は、ワイヤレス受電装置３００に対して電力信号Ｓ１を送出する。ワイヤレス給電システム１００では、電力信号Ｓ１として電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）が利用される。

　ワイヤレス給電装置２００は、交流電源１０、送信コイルＬ_Ｔ、共振用キャパシタＣ_Ｔを備える。交流電源１０は、所定の周波数を有する、あるいは周波数変調された、もしくは位相変調、振幅変調などが施された電気信号Ｓ２を発生する。本実施の形態においては説明の簡潔化と理解の容易化のため、電気信号Ｓ２が一定の周波数を有する交流信号である場合を説明する。

　交流電源１０は、ブリッジ回路１４およびその制御部１２を含む。図２のブリッジ回路１４は、ハイサイドスイッチＳＷ１およびローサイドスイッチＳＷ２を含むハーフブリッジ回路である。

　交流電源１０の制御部１２は、ハイサイドスイッチＳＷ１およびローサイドスイッチＳＷ２のオン、オフ状態を制御する。電力信号Ｓ１の送信周波数が第１周波数ｆ_１であるとき、ハイサイドスイッチＳＷ１およびローサイドスイッチＳＷ２のスイッチング周波数、つまり電気信号Ｓ２の周波数も第１周波数ｆ_１に等しく設定される。

　共振用キャパシタＣ_Ｔおよび送信コイルＬ_Ｔは、共振アンテナを形成する。送信コイルＬ_Ｔは、交流電源１０が発生した電気信号Ｓ２を、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む近傍界（電力信号）Ｓ１として空間に放射する。共振用キャパシタＣ_Ｔは、送信コイルＬ_Ｔと直列に設けられ、ローサイドスイッチＳＷ２とともに閉ループを形成している。

　一般的なワイヤレス給電装置では、共振用キャパシタＣ_Ｔと送信コイルＬ_Ｔ１が形成する共振アンテナの共振周波数は、電気信号Ｓ２の第１周波数ｆ_１にチューニングされる。これに対して、実施の形態に係るワイヤレス給電システム１００では、ワイヤレス給電装置２００の共振アンテナの共振周波数は、第１周波数ｆ_１以上の第２周波数ｆ_２に設定される。電力信号Ｓ１が周波数変調、位相変調され、あるいは送信周波数ｆ_１が複数の値で切りかえ可能な場合には、共振アンテナの共振周波数ｆ_２は、送信周波数ｆ_１が取り得る周波数のうち最も高いひとつよりも高く、もしくはそれと等しく設定される。

　実施の形態に係るワイヤレス給電装置２００では、共振アンテナの共振周波数ｆ_２を電気信号Ｓ２の第１周波数ｆ_１にチューニングすることに代えて、制御部１２が、ブリッジ回路１４の複数のスイッチＳＷ１、ＳＷ２がすべて同時オフとなるデッドタイムの長さを調節する。

　具体的には、制御部１２は、送信コイルＬ_Ｔに流れるコイル電流Ｉ_Ｌが、共振アンテナＬ_Ｔ、Ｃ_Ｔと部分共振するように、デッドタイムの長さを設定する。制御部１２は、送信コイルＬ_Ｔに流れるコイル電流Ｉ_Ｌがゼロとなるタイミングで、複数のスイッチＳＷ１、ＳＷ２をオフする。

　図３は、図２のワイヤレス給電装置２００の動作を示す波形図である。本明細書における波形図やタイムチャートの縦軸および横軸は、理解を容易とするために適宜拡大、縮小したものであり、また示される各波形も、理解の容易のために簡略化されている。

　図３の波形図には、上から順に、ハイサイドスイッチＳＷ１、ローサイドスイッチＳＷ２のオンオフ状態、共振用キャパシタＣ_Ｔの両端間の電圧Ｖｒｃ、電気信号（駆動信号）Ｓ２の電圧Ｖｄｒ、コイル電流Ｉ_Ｌを示す。

　ハイサイドスイッチＳＷ１、ローサイドスイッチＳＷ２は、第１周波数ｆ_１でスイッチングされる。つまり、それぞれの周期は、Ｔ_１＝１／ｆ_１となる。ハイサイドスイッチＳＷ１のオン期間Ｔｏｎ１と、ローサイドスイッチＳＷ２のオン期間Ｔｏｎ２の間には、デッドタイムＴｄが設けられる。デッドタイムＴｄの長さは、Ｔｏｎ１＝Ｔｏｎ２＝１／（２×ｆ_２）が成り立つように設定される。

　オン期間Ｔｏｎ１において、共振アンテナＬ_Ｔ、Ｃ_Ｔには、駆動電圧Ｖｄｒ＝Ｖ_ＩＮが印加される。この間、コイル電流Ｉ_Ｌは、実質的に共振アンテナＬ_Ｔ、Ｃ_Ｔの共振周波数ｆ_２に応じた半波波形となる。コイル電流Ｉ_Ｌによって共振用キャパシタＣ_Ｔが充電され、電圧Ｖｒｃは時間とともに増大する。コイル電流Ｉ_Ｌがゼロとなると、デッドタイムＴｄに遷移する。デッドタイムＴｄの間、コイル電流Ｉ_Ｌが流れないため、電圧Ｖｃｒは一定に保たれる。またブリッジ回路１４の出力端子はハイインピーダンスとなり、駆動電圧Ｖｄｒは不定となる。

　デッドタイムＴｄが終了すると、オン期間Ｔｏｎ２となり、駆動電圧Ｖｄｒはゼロ（ＧＮＤ）となる。これにより共振用キャパシタＣ_Ｔが放電され、コイル電流Ｉ_Ｌは半波波形をとる。コイル電流Ｉ_Ｌがゼロとなると、再びデッドタイムＴｄに遷移する。ワイヤレス給電装置２００は以上の動作を繰り返す。

　このようにワイヤレス給電装置２００では、共振アンテナＬ_Ｔ、Ｃ_Ｔの共振周波数ｆ_２を一定に保ちつつ、送信周波数ｆ_１に応じてデッドタイムＴｄの長さを調節することにより、オン期間Ｔｏｎ１、Ｔｏｎ２に流れるコイル電流Ｉ_Ｌを部分共振させることができる。

　このワイヤレス給電装置２００によれば、共振周波数を変化させるために可変キャパシタや可変インダクタが不要となるため、部品点数、回路面積を削減することができる。

　図４は、ブリッジ回路１４の構成例を示す回路図である。ハイサイドスイッチＳＷ１、ローサイドスイッチＳＷ２は、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）Ｍ１、Ｍ２で構成される。トランジスタＭ１、Ｍ２のバックゲートとドレインの間には、ボディダイオードＤ_Ｂ１、Ｄ_Ｂ２が存在する。トランジスタＭ１がオフ状態において、ボディダイオードＤ_Ｂ１を介して電流が流れるのを防止するために、ボディダイオードＤ_Ｂ１に対して、ダイオードＤ１が反対の向きで設けられる。ダイオードＤ２は、同様の理由によりトランジスタＭ２と直列に反対の向きで設けられる。なお、ハイサイドスイッチＳＷ１に、ＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。

　図５は、図４のブリッジ回路１４を用いた場合の動作を示す波形図である。図４のブリッジ回路１４を用いた場合、図３に示される図２のワイヤレス給電装置２００の動作波形とは異なるものの、デッドタイムＴｄを調節することにより、図２と同様の効果を得ることができる。

　なおダイオードＤ１に代えてトランジスタＭ１と反対の導電性を有するＦＥＴを用いてもよく、同様にダイオードＤ２に代えてトランジスタＭ２と反対の導電性を有するＦＥＴを用いてもよい。あるいはダイオードＤ１、Ｄ２は省略してもよい。

　以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

　実施の形態では、ブリッジ回路１４としてハーフブリッジ回路を用いる場合を説明したが、これに代えてフルブリッジ回路（Ｈブリッジ回路）を用いてもよい。図６は、変形例に係るワイヤレス給電装置２００ａの構成を示す回路図である。フルブリッジ回路は、スイッチＳＷ１～ＳＷ４を備える。制御部１２は、スイッチＳＷ１のオン期間Ｔｏｎ１において、スイッチＳＷ４をオンする。またスイッチＳＷ２のオン期間Ｔｏｎ２において、スイッチＳＷ３をオンする。オン期間Ｔｏｎ１、Ｔｏｎ２の間には、デッドタイムＴｄが設けられ、その長さを調節される。

　図７は、図６のワイヤレス給電装置２００ａの動作を示す波形図である。Ｈブリッジ回路を用いた場合も、ハーフブリッジ回路を用いた場合と同様に、コイル電流Ｉ_Ｌを部分的に共振させることができ、図２の回路と同様の効果を得ることができる。

　共鳴型のワイヤレス電力伝送では、給電（送信）側と受電（受信）側の結合度が高すぎると伝送効率が悪化する場合がある。上述のデッドタイムＴｄを用いた周波数調節技術を用いれば、送信周波数を変更することなく、意図的に共振状態を悪化させることができ、結合度を低下させ、効率の悪化を防止できるという利点もある。

（第２の実施の形態）
　第１の実施の形態では、給電装置に関して説明した。第２の実施の形態では、第１の実施の形態に係る給電装置と組み合わせて、あるいは単独で利用可能な受電装置について説明する。

　図８は、第２の実施の形態に係るワイヤレス給電システム１００の構成を示す回路図である。この回路図には、回路定数が例示されるが、これらの数値は本発明を限定するものではない。ワイヤレス給電システム１００は、ワイヤレス給電装置２００およびワイヤレス受電装置３００を備える。はじめにワイヤレス給電装置２００の構成を説明する。

　ワイヤレス給電装置２００は、ワイヤレス受電装置３００に対して電力信号を送出する。ワイヤレス給電システム１００では、電力信号Ｓ１として電波になっていない電磁波の近傍界（電界、磁界、あるいは電磁界）が利用される。

　ワイヤレス給電装置２００は、交流電源１０、送信コイルＬ１、キャパシタＣ２を備える。交流電源１０は、所定の周波数を有する、あるいは周波数変調された、もしくは位相変調、振幅変調などが施された電気信号Ｓ２を発生する。本実施の形態においては説明の簡潔化と理解の容易化のため、電気信号Ｓ２が一定の周波数を有する交流信号である場合を説明する。たとえば電気信号Ｓ２の周波数は、数百ｋＨｚ～数ＭＨｚの間で適宜選択される。

　送信コイルＬ１は、交流電源１０が発生した電気信号Ｓ２を、電界、磁界、電磁界のいずれかを含む近傍界（電力信号）Ｓ１として空間に放射するアンテナである。送信キャパシタＣ２は、送信コイルＬ１と直列に設けられる。抵抗Ｒ１は、送信コイルＬ１と直列な抵抗成分を示す。

　以上がワイヤレス給電装置２００の構成である。続いてワイヤレス受電装置３００の構成を説明する。

　ワイヤレス受電装置３００は、ワイヤレス給電装置２００から送出される電力信号Ｓ１を受信する。

　受信コイル２０は、送信コイルＬ１からの電力信号Ｓ１を受信する。受信コイルＬ２には、電力信号Ｓ１に応じた誘起電流（共振電流）Ｉ_ＣＯＩＬが流れ、ワイヤレス受電装置３００はこの誘起電流から電力を取り出す。

　ワイヤレス受電装置３００は、受信コイルＬ２、共振用キャパシタＣ１、Ｈブリッジ回路１２、制御部１４、電力保存用キャパシタＣ３を備える。共振用キャパシタＣ１は、受信コイルＬ２とともに共振回路を形成する。

　電力保存用キャパシタＣ３の第１端子は接地されてその電位が固定されている。Ｈブリッジ回路１２は、第１スイッチＳＷ１～第４スイッチＳＷ４を含む。第１スイッチＳＷ１および第２スイッチＳＷ２は、受信コイルＬ２および共振用キャパシタＣ１と閉ループを形成するように順に直列に接続される。第１スイッチＳＷ１と第２スイッチＳＷ２の接続点Ｎ１は、電力保存用キャパシタＣ３の第２端子と接続される。損失抵抗Ｒ２は、ワイヤレス受電装置３００における損失を示している。負荷抵抗Ｒ３は、電力保存用キャパシタＣ３に蓄えられた電力によって駆動される負荷を示しており、回路素子としての抵抗を意味するものではない。負荷抵抗Ｒ３には、電力保存用キャパシタＣ３に生ずる電圧Ｖ_ＰＷＲが供給される。

　第３スイッチＳＷ３および第４スイッチＳＷ４は、第１スイッチＳＷ１、第２スイッチＳＷ２と並列な経路に、順に直列に設けられる。第３スイッチＳＷ３と第４スイッチＳＷ４の接続点Ｎ２は接地されて、その電位が固定されている。負荷抵抗Ｒ３は、電力保存用キャパシタＣ３の電圧Ｖ_ＰＷＲをＱ値の増大に最適な電圧になるように制御されてもよい。

　Ｈブリッジ回路１２を構成する第１スイッチＳＷ１～第４スイッチＳＷ４は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）あるいはバイポーラトランジスタ、あるいはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子を用いて構成できる。

　制御部１４は第１スイッチＳＷ１から第４スイッチＳＷ４を制御する。
　具体的には制御部１４は、第１状態φ１と、第２状態φ２が切りかえ可能に構成される。第１状態φ１において、第１スイッチＳＷ１および第４スイッチＳＷ４がオンし、第２スイッチＳＷ２および第３スイッチＳＷ３がオフする。第２状態φ２において、第１スイッチＳＷ１および第４スイッチＳＷ４がオフし、第２スイッチＳＷ２および第３スイッチＳＷ３がオンする。

　受信コイルＬ２に生ずる誘起電流Ｉ_ＣＯＩＬが交流波形を有している。制御部１４は、誘起電流Ｉ_ＣＯＩＬの振幅が最大に近づくように、第１状態φ１と第２状態φ２の切りかえタイミング（位相）を調節する。

　以上がワイヤレス給電システム１００の構成である。続いてその動作を説明する。図９（ａ）、（ｂ）は、図８のワイヤレス受電装置３００の動作を示す回路図である。図９（ａ）は第１状態φ１における各スイッチの状態および電流の様子を、図９（ｂ）は第２状態φ２における各スイッチの状態および電流の様子を示す。図１０は、図８のワイヤレス受電装置３００の動作を示す波形図である。図１０には上から順に、電力保存用キャパシタＣ３に生ずる電圧Ｖ_ＰＷＲ、電力保存用キャパシタＣ３に流れ込む電流Ｉ_Ｃ３、第２スイッチＳＷ２および第３スイッチＳＷ３の状態、第１スイッチＳＷ１および第４スイッチＳＷ４の状態、ならびに受信コイルＬ２の誘起電流Ｉ_ＣＯＩＬを示す。

　図１０において、第２スイッチＳＷ２および第３スイッチＳＷ３は、＋１Ｖのときがフルオンに、０Ｖのときがオフに対応する。また第１スイッチＳＷ１および第４スイッチＳＷ４は、－１Ｖのときがフルオンに、０Ｖのときがオフに対応する。スイッチの状態を示す電圧レベルは便宜的なものである。また、電流波形は、図８の矢印の方向を正にとっている。

　いま、図８のワイヤレス給電装置２００から交流の電力信号Ｓ１が送出される。この電力信号Ｓ１に応じて、受信コイルＬ２には誘起電流Ｉ_ＣＯＩＬは交流電流が流れる。

　制御部１４は、電力信号Ｓ１と同期して、第１スイッチＳＷ１～第４スイッチＳＷ４のオン、オフ状態を制御する。第１状態φ１では、図９（ａ）に示すように接地端子から第４スイッチＳＷ４、受信コイルＬ２、共振用キャパシタＣ１、第１スイッチＳＷ１を介して電流Ｉ_Ｃ３が流れる。第２状態φ２では、図９（ｂ）に示すように接地端子から第３スイッチＳＷ３、受信コイルＬ２、共振用キャパシタＣ１、第２スイッチＳＷ２を介して電流Ｉ_Ｃ３が流れる。制御部１４は、誘起電流Ｉ_ＣＯＩＬ、あるいは負荷抵抗Ｒ３に供給される電力をモニタし、その振幅が最大に近づくように、Ｈブリッジ回路１２の切りかえタイミング（位相）を最適化してもよい。

　電力保存用キャパシタＣ３が十分の大きな容量を持ち、電圧源として扱えるとすると、共振回路の駆動電圧として利用することが可能である。そこで、Ｈブリッジ回路１２および制御部１４によって、電力保存用キャパシタＣ３を受信コイルＬ２に対して、誘起電流（共振電流）Ｉ_ＣＯＩＬのゼロクロス点に対して９０度シフトした位相でカップリングすることにより、受信コイルＬ２の抵抗成分などによる損失を、電源である電力保存用キャパシタＣ３によって補うことができる。

　共振回路のＱ値は、抵抗Ｒに反比例するところ、電力保存用キャパシタＣ３によって抵抗Ｒによる損失を完全に補うことができれば、抵抗Ｒはゼロとみなすことができ、Ｑ値が無限大（∞）の共振回路と等価となる。

　このように、実施の形態に係るワイヤレス受電装置３００によれば、Ｈブリッジ回路１２における第１状態φ１と第２状態φ２の切りかえタイミング（位相）を最適化することにより、電力保存用キャパシタＣ３の生ずる電圧を、受信コイルＬ２に対して適切なタイミングで印加することができ、実効的なＱ値を非常に高めることができる。

　図１４は、図８のワイヤレス給電システム１００の等価回路図である。図８のワイヤレス給電システム１００において、結合係数ｋで結合する送信コイルＬ１と受信コイルＬ２は、インダクタＬ５～Ｌ７を含むＴ型回路２０と等価とみなすことができる。Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌのとき、インダクタＬ５、Ｌ６それぞれのインダクタンスは、Ｌ×（１－ｋ）で与えられ、Ｌ７＝Ｌ×ｋで与えられる。

　Ｈブリッジ回路１２における第１状態φ１と第２状態φ２の切りかえタイミングを最適化することは、交流電源１０と負荷抵抗Ｒ３の間のインピーダンス整合を最適化することに他ならない。つまりＨブリッジ回路１２は、スイッチモードのインピーダンス整合回路と把握できる。交流電源１０の出力インピーダンスや、結合係数ｋが変化すると、インピーダンス整合の条件も変化する。Ｈブリッジ回路１２のスイッチングの位相は、最適なインピーダンス整合が得られるように制御される。

　従来では、共振用キャパシタＣ１やＣ２をバリコン（バリアブルコンデンサ）で構成し、モータでバリコンを機械的に制御することにより、インピーダンス整合を行っていた。これに対して本実施の形態によれば、Ｈブリッジ回路１２のスイッチング状態を制御することで、機械的ではなく、電気的な手法によってインピーダンス整合を実現できる。

　機械的な手法によるインピーダンス整合では、高速な制御が不可能であり、ワイヤレス受電装置３００が移動している場合には、インピーダンス整合がとれずに給電効率が悪化するという問題が生ずる。これに対して本実施の形態では、従来よりも高速にインピーダンス整合をとることができ、ワイヤレス受電装置３００が移動していたり、ワイヤレス給電装置２００の給電状態が高速に切りかえられる場合にも、効率的な給電が可能となる。

　ワイヤレス受電装置３００のＱ値が高くなると、送信コイルＬ１と受信コイルＬ２の間の結合係数ｋが小さくても、言い換えればワイヤレス受電装置３００とワイヤレス給電装置２００の距離が長い場合であっても、高効率な電力伝送が実現できる。

　なお、第１スイッチＳＷ１～第４スイッチＳＷ４のオン、オフを切りかえるタイミングは、図１０で説明したそれには限定されない。オン、オフを切りかえるタイミングを制御することにより、共振回路のＱ値をコントロールできるため、積極的に低いＱ値を実現したい場合には、オン、オフの切りかえタイミングを図１０のそれから意図的にずらしてもよい。

　また、図８の構成によれば、Ｑ値を増大するためのＨブリッジ回路１２が、整流回路としても機能するため、後述する変形例のように、ダイオードなどを有する整流回路が不要となるというメリットもある。

　なお、上述のＨブリッジ回路１２を、一般的な同期整流回路と混同してはならない。図１１は、比較技術としての同期整流回路の動作を示す波形図である。同期整流回路では、共振電流Ｉ_ＣＯＩＬのゼロクロス点のタイミングで、第１状態φ１と第２状態φ２が切りかえられる。この場合、電力保存用キャパシタＣ３に流れ込む電流Ｉ_Ｃ３は、全波整流された波形となる。ただし、ダイオードによる整流とは異なり電圧ロスは存在しない。このような同期整流回路では、共振回路の損失を補うことができず、Ｑ値を高めることはできない。

　図１２は、第１の変形例に係るワイヤレス受電装置３００ａの構成を示す回路図である。なお図８と重複する一部の回路は省略している。図１２のワイヤレス受電装置３００ａが図８のワイヤレス受電装置３００と異なる点は、負荷の位置である。具体的に図１２においては、抵抗Ｒ３ではなく、抵抗Ｒ６が負荷となっている。電力保存用キャパシタＣ３と並列な抵抗Ｒ３は無視して差し支えない。

　図１２のワイヤレス受電装置３００ａは、図８のワイヤレス受電装置３００に加えて、補助コイルＬ３、整流回路１６、インダクタＬ４を備える。

　補助コイルＬ３は受信コイルＬ２と密に結合されている。整流回路１６は、補助コイルＬ３に流れる電流Ｉ_Ｌ３を全波整流する。インダクタＬ４は、整流回路１６の出力側に、負荷抵抗Ｒ６と直列に設けられる。

　図１２の構成によれば、受信コイルＬ２および共振用キャパシタＣ１を含む共振回路のＱ値が、Ｈブリッジ回路１２および電力保存用キャパシタＣ３を含むＱ値増大回路によって増大される。その結果、受信コイルＬ２と密に結合された補助コイルＬ３にも、大きな電流Ｉ_Ｌ３が誘起され、負荷抵抗Ｒ６に大電力を供給することができる。

　図１３は、第２の変形例に係るワイヤレス受電装置３００ｂの構成を示す回路図である。ワイヤレス受電装置３００ｂは、受信コイルＬ２と密に結合された補助コイルＬ３を備える。そしてＨブリッジ回路１２ｂは、受信コイルＬ２ではなく、補助コイルＬ３に接続される。Ｈブリッジ回路１２ｂと電力保存用キャパシタＣ３の間には、並列に接続されたインダクタＬ４および抵抗Ｒ５が設けられる。

　整流回路１６ｂは、受信コイルＬ２および共振用キャパシタＣ１を含む共振回路に流れる電流を全波整流する。電力保存用キャパシタＣ４は整流回路１６ｂの出力側に設けられており、整流回路１６ｂにより全波整流された電流を平滑化する。電力保存用キャパシタＣ４に生ずる電圧が負荷抵抗Ｒ６に供給される。

　図１３の構成によれば、Ｈブリッジ回路１２ｂおよび電力保存用キャパシタＣ３を含むＱ値増大回路は、補助コイルＬ３を介して、受信コイルＬ２および共振用キャパシタＣ１を含む共振回路のＱ値を増大することができる。その結果、電力を高効率で受信できる。

　実施の形態では、Ｈブリッジ回路１２が第１状態φ１と第２状態φ２が切りかえ可能であり、それらの切りかえの位相を制御する場合を説明した。第３の変形例では、位相の制御に代えて、あるいは位相の制御に加えて、以下の制御を行う。

　第３の変形例において、制御部１４は、第１状態φ１と第２状態φ２に加えて、第１スイッチＳＷ１から第４スイッチＳＷ４がすべてオフする第３状態φ３に切りかえ可能である。制御部１４は、第１状態φ１から第２状態φ２へ遷移する途中、第２状態φ２から第１状態φ１へ遷移する途中の少なくとも一方に、第３状態φ３を挿入し、受信コイルＬ２に流れる誘起電流Ｉ_ＣＯＩＬの振幅が最大に近づくように、第３状態φ３の期間（デッドタイムＴｄともいう）の長さを調節する。図１５は、第３の変形例に係るワイヤレス給電システム１００の動作を示すタイムチャートである。

　受信コイルＬ２、共振用キャパシタＣ１、Ｈブリッジ回路１２が構成する共振回路の共振周波数は、必ずしもワイヤレス給電装置２００が発生する電力信号Ｓ１の周波数と一致するとは限らない。このような場合に、デッドタイムＴｄの長さを調節することにより、第１状態φ１、第２状態φ２において流れる誘起電流Ｉ_ＣＯＩＬを、ワイヤレス受電装置３００の共振回路に部分共振させることができる。つまり、ワイヤレス給電装置２００の共振周波数を電力信号Ｓ１の周波数にチューニングでき、給電効率を高めることができる。

　実施の形態では、スイッチモードのインピーダンス整合回路としてＨブリッジ回路１２を用いる場合を説明したが、ハーフブリッジ回路を用いてもよい。

　図１６は、第４の変形例に係るワイヤレス受電装置３００ｃの構成を示す回路図である。図１６のワイヤレス受電装置３００ｃは、図１３のワイヤレス受電装置３００ｂのＨブリッジ回路１２ｂを、ハーフブリッジ回路１２ｃに置換した構成を有する。ハーフブリッジ回路１２ｃは、第５スイッチＳＷ５と、第６スイッチＳＷ６を含む。第５スイッチＳＷ５は、電力保存用キャパシタＣ３および補助コイルＬ３と閉ループを形成するように接続される。第６スイッチＳＷ６は、補助コイルＬ３の両端間に設けられる。

　第４の変形例によれば、第５スイッチＳＷ５、第６スイッチＳＷ６のオン、オフを切りかえる位相を制御することで、インピーダンス整合をとることができる。また、第５スイッチＳＷ５、第６スイッチＳＷ６が同時にオフするデッドタイムの長さを調節することにより、部分共振を利用して伝送効率を高めることができる。

　実施の形態にもとづき本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が可能である。

１００…ワイヤレス給電システム、２００…ワイヤレス給電装置、３００…ワイヤレス受電装置、１０…交流電源、１２…制御部、１４…ブリッジ回路、２０…負荷回路、Ｌ_Ｔ…送信コイル、Ｃ_Ｔ，Ｃ_Ｒ…共振用キャパシタ、Ｌ_Ｒ…受信コイル、Ｓ１…電力信号、Ｓ２…電気信号、ＳＷ１…ハイサイドスイッチ、ＳＷ２…ローサイドスイッチ。

　本発明のある態様は、ワイヤレス電力伝送に利用できる。

Claims

　電界、磁界、電磁界のいずれかを含む電力信号を送信するワイヤレス給電装置であって、
　複数のスイッチを含むブリッジ回路と、
　前記ブリッジ回路の前記複数のスイッチを、送信周波数である第１周波数でスイッチング制御する制御部と、
　前記ブリッジ回路と接続された共振アンテナであって、電力信号を送出するための送信コイルおよび前記送信コイルと直列に設けられた共振用キャパシタと、を含み、その共振周波数が前記第１周波数以上の第２周波数である、共振アンテナと、
　を備え、
　前記制御部は、前記複数のスイッチがすべて同時オフとなるデッドタイムの長さを調節可能に構成されることを特徴とするワイヤレス給電装置。
　前記制御部は、前記送信コイルに流れるコイル電流が、前記共振アンテナと部分共振するように、前記デッドタイムの長さを設定することを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
　前記制御部は、前記送信コイルに流れるコイル電流がゼロとなるタイミングで、前記複数のスイッチをオフすることを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス給電装置。
　前記ブリッジ回路は、ハーフブリッジ回路を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
　前記ブリッジ回路は、フルブリッジ回路を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
　請求項１から５のいずれかに記載のワイヤレス給電装置と、
　前記ワイヤレス給電装置から送信される電力信号を受信するワイヤレス受電装置と、
　を備えることを特徴とするワイヤレス給電システム。