WO2015097805A1 - 高周波整流回路用自動整合回路 - Google Patents

高周波整流回路用自動整合回路 Download PDF

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阿久澤 好幸
酒井 清秀
俊裕 江副
有基 伊藤
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三菱電機エンジニアリング株式会社
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    • H02M7/06Conversion of ac power input into dc power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes without control electrode or semiconductor devices without control electrode

Definitions

  • the present invention relates to an automatic matching circuit for a high-frequency rectifier circuit that automatically adjusts impedance matching between the output impedance of a power transmission receiving antenna and the input impedance of a high-frequency rectifier circuit.
  • a matching circuit has been provided in order to adjust impedance matching between the power supply on the input side and the primary coil (transmission antenna) on the output side (see, for example, Patent Document 1).
  • the adjustment range of impedance matching is expanded by using a variable inductor whose variable inductance value is variable by switching contacts using a switch and a variable capacitor whose variable capacitance value is variable (variable capacitor).
  • variable capacitors and variable inductors of the conventional configuration are based on the elements that have been known so far, and thus have an element structure with mechanical contacts. Therefore, there is a problem that the life of the element is short due to wear of the mechanical contact, and the life of the system is limited. In addition, since constant switching at high speed is not possible, there is a problem that the startup speed of the system is slow. Further, when constant switching is performed in an energized state, discharge occurs at a mechanical contact inside the element, which causes a problem of inducing component failure due to fusing, welding, carbonization, high voltage noise, and the like. Further, the conventional configuration does not assume a case where the input impedance of the transmission antenna changes. Therefore, there is a problem in that effective impedance matching cannot be achieved for a moving body in which the distance between the transmission antenna and the reception antenna in the wireless power transmission system varies.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and uses an element having no mechanical contact, and impedance matching between the output impedance of the power transmission receiving antenna and the input impedance of the high frequency rectifier circuit.
  • An object of the present invention is to provide an automatic matching circuit for a high-frequency rectifier circuit that can automatically adjust the frequency.
  • the high-frequency rectifier circuit automatic matching circuit performs continuous contact switching for high-frequency impedance matching of 2 MHz or more between the output impedance of the power transmission receiving antenna and the input impedance of the high-frequency rectifier circuit.
  • Capacitance value is variable by electronic components that can change the inductance value by electronic parts that perform contact switching including electrical contact switching, and electronic parts that perform contact switching including continuous contact switching for impedance matching.
  • a variable control circuit for controlling electronic components that electrically perform contact switching including continuous contact switching of the variable inductor and the variable capacitor so as to perform impedance matching.
  • the impedance matching between the output impedance of the power transmission receiving antenna and the input impedance of the high frequency rectifier circuit is automatically adjusted using an element having no mechanical contact. be able to.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an automatic matching circuit for a high-frequency rectifier circuit according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the automatic matching circuit for a high-frequency rectifier circuit automatically adjusts impedance matching at a high frequency of 2 MHz or more between the output impedance of the resonant receiving antenna (reception antenna for power transmission) 10 and the input impedance of the high-frequency rectifier circuit 11. It is.
  • the high-frequency rectifier automatic matching circuit includes a variable inductor L1, variable capacitors C1 and C2, and a variable control circuit 1.
  • the resonant receiving antenna 10 is a resonant antenna for power transmission having LC resonance characteristics (not limited to a non-contact type).
  • the resonance receiving antenna 10 may be any of a magnetic field resonance type, an electric field resonance type, and an electromagnetic induction type.
  • the high-frequency rectifier circuit 11 rectifies an alternating voltage at a high frequency exceeding 2 MHz.
  • the variable inductor L1 is an element for performing impedance matching at a high frequency of 2 MHz or higher between the output impedance of the resonant receiving antenna 10 and the input impedance of the high frequency rectifier circuit 11.
  • the variable inductor L1 is configured such that an inductance value (L value) is variable by electronic components that electrically perform contact switching including continuous contact switching according to control by the variable control circuit 1. That is, the variable inductor L1 is an element that does not have a mechanical contact as a configuration that varies the inductance value. Details of the variable inductor L1 will be described later.
  • variable capacitors C1 and C2 are elements for performing impedance matching at a high frequency of 2 MHz or more between the output impedance of the resonant receiving antenna 10 and the input impedance of the high frequency rectifier circuit 11.
  • the variable capacitors C1 and C2 are configured to have variable capacitance values by electronic components that electrically perform contact switching including continuous contact switching in accordance with control by the variable control circuit 1. That is, the variable capacitors C1 and C2 are elements that do not have a mechanical contact as a configuration that varies the capacitance value. Details of the variable capacitors C1 and C2 will be described later.
  • the variable control circuit 1 includes a variable inductor L1 and variable capacitors C1 and C2 so as to perform impedance matching at a high frequency of 2 MHz or higher between the output impedance of the resonant receiving antenna 10 and the input impedance of the high frequency rectifier circuit 11.
  • the electronic component that electrically performs contact switching including continuous contact switching is controlled. That is, the variable control circuit 1 varies the inductance value of the variable inductor L1 and the capacitance values of the variable capacitors C1 and C2 to automatically adjust impedance matching.
  • the variable control circuit 1 has a configuration executed by program processing using a CPU based on software, or is executed by feedback control using a detection signal based on voltage and current superimposed on the resonance type receiving antenna 10. .
  • FIG. 2 shows a variable inductor of a type in which a motor control circuit 22 is used as an electronic component that electrically performs contact switching including continuous contact switching, and the magnetic path length of the coil 21 is automatically changed by the motor control circuit 22. L1.
  • the variable control circuit 1 drives the motor control circuit 22 to physically vary the magnetic path length of the coil 21, thereby varying the inductance value.
  • 2A and 2B the number of turns of the coil 21 is the same.
  • FIG. 3 shows a type in which a field effect transistor (FET) 23 is used as an electronic component that electrically performs contact switching including continuous contact switching, and the number of turns of the coil 21 is automatically adjusted by the FET 23.
  • FET field effect transistor
  • the FET 23 is connected to each winding point of the coil 21, and the variable control circuit 1 is used to switch on / off each FET 23, or by switching pulse width modulation (PWM) or the like. By making it variable, the inductance value is made variable.
  • PWM pulse width modulation
  • the FET 23 is an element such as a Si-MOSFET, SiC-MOSFET, GaN-FET, RF (Radio Frequency) FET, or the like, or these elements are connected in series to form a body diode in an OFF type.
  • FIG. 4 shows a variable inductor L1 of a type in which an FET 23 is used as an electronic component that electrically performs contact switching including continuous contact switching, and the number of parallel connections of the coils 21 is automatically changed by the FET 23.
  • the FET 23 is connected to each coil 21 connected in parallel, and the variable control circuit 1 switches ON / OFF of each FET 23 or switches the pulse width modulation (PWM), etc.
  • the inductance value is varied by varying.
  • the FET 23 is an element such as a Si-MOSFET, SiC-MOSFET, GaN-FET, or RF FET, or an element in which these elements are connected in series to form an OFF type body diode.
  • FIG. 5 shows variable capacitors C1 and C2 of a type in which an FET 32 is used as an electronic component that electrically performs contact switching including continuous contact switching, and the number of parallel connections of the capacitor 31 is automatically changed by the FET 32.
  • the FET 32 is connected to each capacitor 31 connected in parallel, and the ON / OFF of each FET 32 is switched by the variable control circuit 1 or the pulse width modulation (PWM) is switched, so that the number of capacitors 31 connected in parallel is changed.
  • PWM pulse width modulation
  • the capacitance value is varied by varying.
  • the FET 32 is an element such as an Si-MOSFET, an SiC-MOSFET, a GaN-FET, an RF FET, or the like, and these elements are connected in series to form a body diode in an OFF type.
  • FIG. 6 shows a bridge rectifier circuit is connected as the high-frequency rectifier circuit 11.
  • FIG. 7 shows a high-frequency rectifier circuit 11 connected with a class E rectifier circuit.
  • FIG. 8 shows a high-frequency rectifier circuit 11 connected with a double current rectifier circuit.
  • FIG. 9 shows a high-frequency rectifier circuit 11 connected with a half-wave rectifier circuit.
  • FIG. 10 shows a high voltage rectifier circuit 11 connected with a voltage doubler rectifier circuit.
  • variable inductor L1 whose inductance value is variable by an electronic component that electrically performs contact switching including continuous contact switching, and continuous contact switching are included.
  • the variable capacitors C1 and C2 whose capacitance values are variable by electronic parts that electrically switch contacts, and the high frequency of 2 MHz or more between the output impedance of the resonant receiving antenna 10 and the input impedance of the high frequency rectifier circuit 11
  • the variable control circuit 1 that controls electronic components that electrically perform contact switching including continuous contact switching of the variable inductor L1 and the variable capacitors C1 and C2 so as to perform impedance matching is provided.
  • the impedance matching can be automatically adjusted by using an element that does not have a contact, and it is low-cost, small and reliable. It is possible to enable the have operations. As a result, effective impedance matching is automatically performed even for mobile objects in which the distance between the transmission coil (transmission antenna) of the transmission side device and the reception coil (reception antenna) of the reception side device in the wireless power transmission system varies. Can be achieved.
  • the circuit configuration is made up of elements that do not have mechanical contacts, mechanical wear inside the elements does not occur, and there is no limitation on the operating life as in the prior art.
  • constant switching at high speed is possible, and system startup is quick. Also, constant switching in an energized state is possible, and no discharge or the like inside the element occurs at that time, so that no component failure is induced.
  • variable capacitor C3 is added, and the variable control circuit 1 causes the inductance value of the variable inductor L1 and the capacitance values of the variable capacitors C1, C2, and C3. It is also possible to provide a resonance condition variable type automatic matching circuit that varies the resonance condition of the resonance type receiving antenna 10 by varying.
  • the configuration of the variable capacitor C3 is the same as that of the variable capacitors C1 and C2. Further, elements may be added or omitted from the configuration of FIG.
  • the present invention can be modified with any component of the embodiment or omitted with any component of the embodiment.
  • the automatic matching circuit for a high-frequency rectifier circuit can automatically adjust impedance matching between the output impedance of the power transmission receiving antenna and the input impedance of the high-frequency rectifier circuit using an element having no mechanical contact. It is suitable for use in an automatic matching circuit for a high frequency rectifier circuit that adjusts impedance matching.
  • variable control circuit 10 resonant receiving antenna, 11 high frequency rectifier circuit, 21 coil, 22 motor control circuit, 23 FET, 31 capacitor, 32 FET.

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Abstract

 共振型受信アンテナ10の出力インピーダンスと高周波整流回路11の入力インピーダンスとの間の2MHz以上の高周波数のインピーダンス整合を行うための、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品によりインダクタンス値を可変とする可変型インダクタと、インピーダンス整合を行うための、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品により容量値を可変とする可変型コンデンサと、インピーダンス整合を行うように可変型インダクタ及び可変型コンデンサの継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品を制御する可変制御回路1とを備えた。

Description

高周波整流回路用自動整合回路
 この発明は、電力伝送用受信アンテナの出力インピーダンスと高周波整流回路の入力インピーダンスとの間のインピーダンス整合を自動で調整する高周波整流回路用自動整合回路に関するものである。
 従来から、入力側の電源と出力側の一次コイル(送信アンテナ)との間のインピーダンス整合を調整するために、整合回路が設けられている(例えば特許文献1参照)。この整合回路では、スイッチを用いた接点切替えによりインダクタンス値を可変とする可変インダクタと、容量値を可変とする可変コンデンサ(バリアブルコンデンサ)を用いることで、インピーダンス整合の調整範囲を広げている。
特開2013-5614号公報
 しかしながら、従来構成の可変コンデンサ及び可変インダクタは、従来から知られている素子を前提としているため、機械的接点を持った素子構造となっている。そのため、機械的接点の磨耗のために素子の寿命が短く、システムの寿命を制限してしまうという課題がある。また、高速での定数切替えができないため、システムの立ち上げ速度が遅いという課題がある。また、通電状態で定数切替えを行った場合、素子内部の機械的接点で放電が発生し、溶断・溶着・炭化・高電圧ノイズ等による部品故障を誘発するという課題がある。
 また、従来構成では、送信アンテナの入力インピーダンスが変化する場合を想定していない。そのため、ワイヤレス電力伝送システムにおける送信アンテナと受信アンテナとの距離が変動するような移動体に対しては、有効なインピーダンス整合を図れないという課題がある。
 この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、機械的接点を持たない素子を用い、電力伝送用受信アンテナの出力インピーダンスと高周波整流回路の入力インピーダンスとの間のインピーダンス整合を自動で調整することができる高周波整流回路用自動整合回路を提供することを目的としている。
 この発明に係る高周波整流回路自動整合回路は、電力伝送用受信アンテナの出力インピーダンスと高周波整流回路の入力インピーダンスとの間の2MHz以上の高周波数のインピーダンス整合を行うための、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品によりインダクタンス値を可変とする可変型インダクタと、インピーダンス整合を行うための、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品により容量値を可変とする可変型コンデンサと、インピーダンス整合を行うように可変型インダクタ及び可変型コンデンサの継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品を制御する可変制御回路とを備えたものである。
 この発明によれば、上記のように構成したので、機械的接点を持たない素子を用い、電力伝送用受信アンテナの出力インピーダンスと高周波整流回路の入力インピーダンスとの間のインピーダンス整合を自動で調整することができる。
この発明の実施の形態1に係る高周波整流回路用自動整合回路の構成を示す図である。 この発明の実施の形態1における可変型インダクタの構成を示す図である。 この発明の実施の形態1における可変型インダクタの別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態1における可変型インダクタの別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態1における可変型コンデンサの構成を示す図である。 この発明の実施の形態1に係る高周波整流回路用自動整合回路に接続される高周波整流回路の構成を示す図である。 この発明の実施の形態1に係る高周波整流回路用自動整合回路に接続される高周波整流回路の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態1に係る高周波整流回路用自動整合回路に接続される高周波整流回路の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態1に係る高周波整流回路用自動整合回路に接続される高周波整流回路の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態1に係る高周波整流回路用自動整合回路に接続される高周波整流回路の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態1に係る高周波整流回路用自動整合回路の別の構成を示す図である。
 以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
 図1はこの発明の実施の形態1に係る高周波整流回路用自動整合回路の構成を示す図である。
 高周波整流回路用自動整合回路は、共振型受信アンテナ(電力伝送用受信アンテナ)10の出力インピーダンスと高周波整流回路11の入力インピーダンスとの間の2MHz以上の高周波数のインピーダンス整合を自動で調整するものである。この高周波整流回路用自動整合回路は、図1に示すように、可変型インダクタL1、可変型コンデンサC1,C2及び可変制御回路1から構成されている。
 なお、共振型受信アンテナ10は、LC共振特性を持つ電力伝送用の共振型アンテナである(非接触型のみに限定されない)。この共振型受信アンテナ10は、磁界共鳴型、電界共鳴型、電磁誘導型のいずれであってもよい。また、高周波整流回路11は、2MHzを超える高周波における交流電圧の整流を行うものである。
 可変型インダクタL1は、共振型受信アンテナ10の出力インピーダンスと高周波整流回路11の入力インピーダンスとの間の2MHz以上の高周波数のインピーダンス整合を行うための素子である。この可変型インダクタL1は、可変制御回路1による制御に従い、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品によりインダクタンス値(L値)が可変に構成されている。すなわち、可変型インダクタL1は、インダクタンス値を可変する構成として機械的接点を持たない素子である。この可変型インダクタL1の詳細については後述する。
 可変型コンデンサC1,C2は、共振型受信アンテナ10の出力インピーダンスと高周波整流回路11の入力インピーダンスとの間の2MHz以上の高周波数のインピーダンス整合を行うための素子である。この可変型コンデンサC1,C2は、可変制御回路1による制御に従い、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品により容量値が可変に構成されている。すなわち、可変型コンデンサC1,C2は、容量値を可変する構成として機械的接点を持たない素子である。この可変型コンデンサC1,C2の詳細については後述する。
 可変制御回路1は、共振型受信アンテナ10の出力インピーダンスと高周波整流回路11の入力インピーダンスとの間で2MHz以上の高周波数のインピーダンス整合を行うように、可変型インダクタL1及び可変型コンデンサC1,C2の継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品を制御するものである。すなわち、この可変制御回路1により、可変型インダクタL1のインダクタンス値と可変型コンデンサC1,C2の容量値を可変させ、インピーダンス整合の自動調整を行う。この可変制御回路1は、ソフトウェアに基づくCPUを用いたプログラム処理によって実行される構成のもの、又は、共振型受信アンテナ10に重畳される電圧と電流による検出信号を用いたフィードバック制御によって実行される。
 次に、可変型インダクタL1の構成例について、図2~4を参照しながら説明する。
 図2は、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品としてモータ制御回路22を用い、このモータ制御回路22によりコイル21の磁路長を自動で可変させるタイプの可変型インダクタL1である。この構成では、可変制御回路1により、モータ制御回路22を駆動させてコイル21の磁路長を物理的に可変させることで、インダクタンス値を可変させる。なお図2(a),(b)において、コイル21のターン数は同じである。
 また図3は、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品として電界効果トランジスタ(FET;Field effect transistor)23を用い、このFET23によりコイル21の巻き数を自動で調整するタイプの可変型インダクタL1である。この構成では、コイル21の各巻き数点にFET23を接続し、可変制御回路1により各FET23のON/OFFを切替えて、又はパルス幅変調(PWM)等を切替えて、コイル21の巻き数を可変させることで、インダクタンス値を可変させる。なおFET23は、Si-MOSFET、SiC-MOSFET、GaN-FET、RF(Radio Frequency)用FETなどの素子、又は、これらの素子を直列接続してボディダイオードをOFF型に構成したものである。
 また図4は、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品としてFET23を用い、このFET23によりコイル21の並列接続数を自動で可変するタイプの可変型インダクタL1である。この構成では、並列接続された各コイル21にFET23を接続し、可変制御回路1により各FET23のON/OFFを切替えて、又はパルス幅変調(PWM)等を切替えて、コイル21の並列接続数を可変させることで、インダクタンス値を可変させる。なおFET23は、Si-MOSFET、SiC-MOSFET、GaN-FET、RF用FETなどの素子、又は、これらの素子を直列接続してボディダイオードをOFF型に構成したものである。
 次に、可変型コンデンサC1,C2の構成例について、図5を参照しながら説明する。
 図5は、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品としてFET32を用い、このFET32によりコンデンサ31の並列接続数を自動で可変するタイプの可変型コンデンサC1,C2である。この構成では、並列接続された各コンデンサ31にFET32を接続し、可変制御回路1により各FET32のON/OFFを切替えて、又はパルス幅変調(PWM)等を切替えて、コンデンサ31の並列接続数を可変させることで、容量値を可変させる。なおFET32は、Si-MOSFET、SiC-MOSFET、GaN-FET、RF用FETなどの素子、又は、これらの素子を直列接続してボディダイオードをOFF型に構成したものである。
 次に、高周波整流回路用自動整合回路に接続される高周波整流回路11の構成について、図6~10を参照しながら説明する。
 図6は、高周波整流回路11としてブリッジ整流回路を接続したものである。また図7は、高周波整流回路11としてE級整流回路を接続したものである。また図8は、高周波整流回路11として倍電流整流回路を接続したものである。また図9は、高周波整流回路11として半波整流回路を接続したものである。また図10は、高周波整流回路11として倍電圧整流回路を接続したものである。
 以上のように、この実施の形態1によれば、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品によりインダクタンス値を可変とする可変型インダクタL1と、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品により容量値を可変とする可変型コンデンサC1,C2と、共振型受信アンテナ10の出力インピーダンスと高周波整流回路11の入力インピーダンスとの間の2MHz以上の高周波数のインピーダンス整合を行うように、可変型インダクタL1及び可変型コンデンサC1,C2の継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品を制御する可変制御回路1とを備えたので、機械的接点を持たない素子を用いて、上記インピーダンス整合を自動調整することができ、低コストかつ小型で信頼性の高い動作を可能とすることができる。 その結果、ワイヤレス電力伝送システムにおける送信側装置の送信コイル(送信アンテナ)と受信側装置の受信コイル(受信アンテナ)との距離が変動するような移動体に対しても、有効なインピーダンス整合を自動的に図ることが可能である。
 また、機械的接点を持たない素子による回路構成のため、素子内部の機械的磨耗が発生せず、従来のような運用寿命の制限がなくなる。また、高速での定数切替えができ、システム立ち上げが速くなる。また、通電状態での定数切替えが可能で、その際の素子内部の放電などが発生しないため、部品故障を誘発することがなくなる。
 なお、図1に示す構成に対し、図11に示すように、可変型コンデンサC3を追加して、可変制御回路1により可変型インダクタL1のインダクタンス値及び可変型コンデンサC1、C2,C3の容量値を可変させて共振型受信アンテナ10の共振条件を可変する共振条件可変型自動整合回路を設けるようにしてもよい。なお、可変型コンデンサC3の構成は、可変型コンデンサC1,C2と同様である。また、図11の構成に対して素子の追加や省略を行ってもよい。
 また、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
 この発明に係る高周波整流回路用自動整合回路は、機械的接点を持たない素子を用い、電力伝送用受信アンテナの出力インピーダンスと高周波整流回路の入力インピーダンスとの間のインピーダンス整合を自動調整することができ、インピーダンス整合を調整する高周波整流回路用自動整合回路等に用いるのに適している。
 1 可変制御回路、10 共振型受信アンテナ、11 高周波整流回路、21 コイル、22 モータ制御回路、23 FET、31 コンデンサ、32 FET。

Claims (4)

  1.  電力伝送用受信アンテナの出力インピーダンスと高周波整流回路の入力インピーダンスとの間の2MHz以上の高周波数のインピーダンス整合を行うための、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品によりインダクタンス値を可変とする可変型インダクタと、
     前記インピーダンス整合を行うための、継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品により容量値を可変とする可変型コンデンサと、
     前記インピーダンス整合を行うように前記可変型インダクタ及び前記可変型コンデンサの継続的な接点切替えを含む接点切替えを電気的に行う電子部品を制御する可変制御回路と
     を備えた高周波整流回路用自動整合回路。
  2.  前記可変制御回路は、磁界共鳴による前記電力伝送用受信アンテナの共振条件を可変とする
     ことを特徴とする請求項1記載の高周波整流回路用自動整合回路。
  3.  前記可変制御回路は、電界共鳴による前記電力伝送用受信アンテナの共振条件を可変とする
     ことを特徴とする請求項1記載の高周波整流回路用自動整合回路。
  4.  前記可変制御回路は、電磁誘導による前記電力伝送用受信アンテナの共振条件を可変とする
     ことを特徴とする請求項1記載の高周波整流回路用自動整合回路。
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