WO2019124034A1 - 送電装置、非接触送電装置 - Google Patents

送電装置、非接触送電装置 Download PDF

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WO2019124034A1
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power transmission
ringing
transmission device
detection circuit
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佐々木　正人
作野　圭一
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シャープ株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to technology for supplying power to an electrical device.
  • Priority is claimed on Japanese Patent Application No. 2017-245832, filed Dec. 22, 2017, the content of which is incorporated herein by reference.
  • the class E inverter circuit can reduce the switching loss by preventing the voltage waveform and the current waveform of the switching element from temporally overlapping.
  • the class E inverter circuit if the hard switching state of the switching element continues, it deviates from the desired switching operation and the switching loss increases.
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor based on a first calculation unit that calculates a ringing amplitude included in a current or voltage waveform when the semiconductor element switches between an on state and an off state, and the ringing amplitude.
  • An apparatus for calculating temperature of a semiconductor device including second calculation means for calculating the temperature of the element. Specifically, in the switching circuit 1, when the switching element Q1 is turned off, the amplitude of ringing that occurs in the voltage waveform between the drain and source of the switching element Q1 is calculated to estimate the temperature rise of the feedback diode D1. Thereby, the temperature of the semiconductor element such as the feedback diode D1 can be estimated without arranging the temperature detection element.
  • the temperature detection device disclosed in Patent Document 1 has a circuit configuration for detecting ringing when the switching element is turned off and the drain-in voltage is in the high voltage state. Therefore, in this circuit configuration, when the switching element is turned on, it can not be detected that ringing occurs in the voltage waveform between the drain and the source of the switching element. That is, the circuit configuration disclosed in Patent Document 1 is not suitable for detecting an undesirable switching state in a circuit using a high frequency voltage such as a class E inverter circuit.
  • An object of the present disclosure is to provide a power supply device capable of more appropriately detecting an undesirable switching state for a switching element and appropriately supplying power.
  • a power transmission device includes a power supply, a semiconductor switching element connected to the power supply, a ringing detection circuit that detects ringing that occurs in the semiconductor switching element, and a detection result of the ringing detection circuit. And a control circuit that controls at least one of the power supply and the semiconductor switching element.
  • the ringing detection circuit is connected in parallel with the semiconductor switching device, and is connected in parallel with the diode, which is conductive when a negative voltage is generated in the semiconductor switching device, and in parallel with the semiconductor switching device. And a connected resistor.
  • the power transmission device According to the power transmission device according to one aspect of the present disclosure, it is possible to more appropriately detect a switching state that is undesirable for a switching element such as a hard switching state and to appropriately supply power.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing a power transmission unit and a power reception unit of the wireless power transmission system according to the present embodiment. It is a schematic diagram which shows the circuit structure of the class E inverter circuit which comprises the wireless power transmission apparatus concerning this embodiment.
  • A is a waveform diagram which shows an example of the waveform of the voltage between source-drain of the switching element in the power transmission apparatus shown in FIG.
  • B is a waveform diagram which shows an example of the waveform of the voltage between gate sources of the switching element in the power transmission apparatus shown in FIG.
  • (A) is a waveform diagram which shows an example of the waveform of the voltage between source-drain of the switching element in the power transmission apparatus shown in FIG. This figure is a figure which expands and shows the ringing generation
  • (B) is a waveform diagram which shows an example of the waveform of the detection voltage in the ringing detection circuit of the power transmission apparatus shown in FIG.
  • (A) is a waveform diagram which shows an example of the waveform of the voltage between source-drain of the switching element in the power transmission apparatus shown in FIG.
  • (B) is a waveform diagram which shows an example of the waveform of the voltage between source-drain after the drive duty change of a switching element.
  • FIG. 1 shows a circuit configuration of the wireless power transmission system 1.
  • the wireless power transmission system 1 includes a power transmission device (power supply device) 10 and a power reception device 20 as main components.
  • a ringing detection circuit 2 In the non-contact power transmission device 10, a ringing detection circuit 2, a control circuit unit (control circuit) 5, a power transmission circuit unit (power transmission unit) 7 and the like are connected to a power supply circuit.
  • the ringing detection circuit 2 functions as detection means for detecting a ringing waveform (high frequency vibration waveform) generated in the switching element Q1.
  • the control circuit unit 5 controls the power supply circuit (for example, the operation of the switching element Q1, the output voltage, and the like) based on the detection result of the ringing detection circuit 2.
  • the power transmission circuit unit 7 supplies power to the power reception circuit unit 11 of the power reception device 20 in a contactless manner.
  • the same configuration as that of the class E inverter circuit can be applied to the power supply circuit of the noncontact power transmission device 10. A more specific configuration of the non-contact power transmission device 10 will be described later.
  • the power receiving device 20 includes a power receiving circuit unit (power receiving unit) 11, a load 12, a DC / DC converter (not shown), and the like as main components.
  • the power receiving circuit unit 11 includes a resonant circuit (see FIG. 2) for receiving power without contact.
  • the DC / DC converter is disposed between the power reception circuit unit 11 and the load 12 and performs voltage conversion so that the output voltage to the load 12 has a predetermined value.
  • the circuit configuration of the power transmission unit (the power transmission circuit unit 7 of the non-contact power transmission device 10) and the power reception unit (the power reception circuit unit 11 of the power reception device 20) is shown.
  • the power transmission circuit unit 7 includes a coil 142 for power transmission and a capacitor 141 to form a series resonant circuit.
  • the power reception circuit unit 11 includes a coil 212 for power reception and a capacitor 211, and forms a series resonance circuit.
  • the coil 142 and the coil 212 are coils for generating a magnetic field
  • the capacitor 141 and the capacitor 211 are capacitors for resonance.
  • the coil 142 and the coil 212 are coils for resonance, and the capacitor 141 and the capacitor 211 are capacitors for generating an electric field.
  • the wireless power transmission system 1 adopting the magnetic resonance method wirelessly transmits power wirelessly from the power transmitting antenna to the power receiving antenna by making the resonant frequency of the power transmitting antenna identical to the resonant frequency of the power receiving antenna. I do.
  • the power transmission distance can be several tens cm to several m.
  • the non-contact power transmission device 10 has the same configuration as the class E inverter circuit.
  • the circuit configuration of the class E inverter circuit 10A as a basis will be described.
  • FIG. 3 shows a circuit configuration of the class E inverter circuit 10A.
  • the class E inverter circuit 10A includes a series resonance circuit including a DC voltage source Vi and the like, a switching element (semiconductor switching element) Q1, a capacitor Co, a load 6, and a control circuit unit 5 and the like. There is.
  • a ringing detection circuit 2 for detecting the switching state of the switching element Q1 is connected to the class E inverter circuit 10A.
  • the series resonant circuit is configured by connecting a direct current voltage source Vi, an inductor Lrfck, an inductor Lr, and a capacitor Cr in series.
  • the series resonant circuit generates a current source that can be regarded as a direct current.
  • Switching element Q1 is connected in series with DC voltage source Vi and inductor Lrfck.
  • the switching element Q1 is a semiconductor switching element such as a bipolar transistor or a field effect transistor (FET).
  • Capacitor Co is connected in parallel with switching element Q1 and includes parasitic capacitance of switching element Q1.
  • the control circuit unit 5 drives the switching element Q1 at a predetermined frequency and duty.
  • the control circuit is also connected to the ringing detection circuit 2.
  • the ringing detection circuit 2 is formed of a series circuit of a diode 3 and a resistor 4.
  • the anode terminal of the diode 3 is connected to the drain terminal of the switching element Q1.
  • the ringing waveform (high frequency vibration waveform) generated in the switching element Q1 has a negative polarity component (see FIG. 5A). Therefore, the negative voltage component of the ringing waveform is detected by the ringing detection circuit 2 configured by the series circuit of the diode 3 and the resistor 4 as described above.
  • the ringing detection circuit 2 may include a voltmeter for measuring a voltage applied to the resistor 4 or an ammeter provided in series between the diode 3 and the resistor 4. The detection result of the ringing waveform by the ringing detection circuit 2 is transmitted to the control circuit unit 5.
  • control circuit unit 5 changes the control specification of the class E inverter circuit 10A based on the information of the negative voltage component of the ringing waveform transmitted from the ringing detection circuit 2.
  • a comparator, an AD converter, or the like can be used to change the control specification in the control circuit unit 5.
  • the class E inverter circuit can reduce the switching loss by setting the circuit constant to an appropriate value so that the voltage waveform and the current waveform of the switching element do not overlap in time.
  • the switching element deviates from the desired switching operation when placed under conditions where circuit constants such as load conditions change.
  • the pattern of deviation from the desired switching operation includes a mode with zero voltage at turn-on, but non-zero current and a mode with non-zero voltage at turn-on. In high frequency operation, the latter increase in switching operation becomes remarkable, and the risk of failure increases.
  • the wireless power transmission system 1 includes the non-contact power transmission device 10 to which the class E inverter circuit 10A described above is applied. That is, the non-contact power transmission device 10 includes the ringing detection circuit 2.
  • the control circuit unit 5 can change the non-contact power transmission device 10 to a safer control specification based on the detection result (signal output result) of the ringing detection circuit 2 and is more appropriate for the power reception device 20. Power can be supplied.
  • the configuration of the non-contact power transmission device 10 in the wireless power transmission system 1 according to the present embodiment is obtained by replacing the load 6 with the power transmission circuit unit 7 in the class E inverter circuit 10A shown in FIG.
  • the load 12 connected to the power reception circuit unit 11 in the power reception device 20 has the same function as the load 6.
  • FIG. 4A shows an example of the change with time of the drain-source voltage Vds of the switching element Q1 in the non-contact power transmission device 10.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 4A is time, and the vertical axis is voltage.
  • FIG. 4B shows an example of a change with time of the gate-source voltage Vgs of the switching element Q1 in the non-contact power transmission device 10.
  • the horizontal axis of the graph shown in FIG. 4B is time, and the vertical axis is voltage.
  • FIG. 4A and FIG. 4B show changes in each voltage when control is not performed by the control circuit unit 5.
  • FIG. 5A is a graph showing an enlarged waveform of a ringing occurrence period of the voltage between the drain and the source of the switching element Q1 shown in FIG. 4A.
  • FIG. 5 (b) is a graph showing the waveform of the detection voltage detected by the ringing detection circuit 2 during the period corresponding to FIG. 5 (a).
  • a negative voltage can be detected by the diode 3 and the resistor 4.
  • the voltage between the drain and the source of the switch element Q1 is detected by detecting a voltage with a negative polarity, for example, -2 V or less twice or more within a predetermined period (for example, 2 cycles in the case of 300 nsec, oscillation frequency 6.78 MHz) It is determined that ringing has occurred, and the presence or absence of ringing is sent to the control circuit as a detection result. That is, when the switching element Q1 is in an undesirable hard switching state and ringing occurs in the switching element Q1, the ringing detection circuit 2 operates only during a period of negative polarity.
  • control circuit unit 5 changes the drive duty of the switching element Q ⁇ b> 1 based on the detection result of the ringing detection circuit 2. Specifically, control circuit unit 5 reduces the on-duty for driving switching element Q1. That is, the off period of the switching element Q1 is made longer than the on period.
  • the waveform of the voltage between the source and the drain of the switching element Q1 is, for example, a waveform as shown in FIG. 6 (b) from a waveform as shown in FIG. 6 (a).
  • the waveform shown in FIG. 6A is the same as the waveform shown in FIG. 4A, and a ringing waveform can be seen when the switching element Q1 is turned on.
  • the control signal becomes an appropriate control signal and ringing is eliminated.
  • the switching element when there is a significant difference between the duty of the drive signal and the duty in the operation of the switching element Q1, the switching element is in the hard switching state. Correct the drive duty of Q1. This enables transition to the soft switching state.
  • the wireless power transmission system 1 includes the non-contact power transmission device 10 and the power reception device 20.
  • the non-contact power transmission device 10 includes a DC voltage source Vi, a switching element Q1, a ringing detection circuit 2, and a control circuit unit 5.
  • the ringing detection circuit 2 detects ringing that occurs in the switching element Q1.
  • the control circuit unit 5 changes the drive duty of the switching element Q1 based on the detection result of the ringing detection circuit 2.
  • the ringing detection circuit 2 includes a diode 3 and a resistor 4.
  • the diode 3 and the resistor 4 are connected in parallel to the switching element Q1.
  • the diode 3 conducts when a negative voltage is generated in the switching element Q1.
  • the resistor 4 is connected in series with the diode 3.
  • the drain-source voltage Vds of the switching element Q1 has a positive voltage waveform. Therefore, the ringing detection circuit 2 does not detect a voltage change.
  • the ringing detection circuit 2 detects a change in the waveform of the negative polarity component. As described above, it is easier to determine whether the switching element state of the switching element Q1 is normal or abnormal by detecting the ringing component on the negative voltage side in the ringing that occurs when the switching element Q1 is turned on. Can. In addition, the determination accuracy is also improved.
  • the wireless power transmission system 1 according to the present embodiment, a state undesirable for the switching element Q1 in the noncontact power transmission apparatus 10, such as a hard switching state, is detected, and the switching element Q1 is appropriately operated without load. Power can be supplied.
  • control circuit unit 5 may not be included in the non-contact power transmission device 10, and may be realized by a circuit included in an external PC or the like.
  • control circuit unit 5 may exchange control signals or output signals via wire or wireless.
  • the wireless power transmission system 1 according to the second embodiment is different from the first embodiment in the control method of the switching element Q1 in the control circuit unit 5 of the non-contact power transmission device 10. Otherwise, the same configuration as that of the first embodiment can be applied.
  • FIG. 1 shows the entire configuration of a wireless power transmission system 1 according to a second embodiment.
  • the specific configuration of the system is the same as that of the first embodiment, so detailed description will be omitted.
  • the control circuit unit 5 stops the switching operation of the switching element Q 1 based on the detection result of the ringing detection circuit 2. Specifically, when a waveform as shown in FIG. 5B is detected in the ringing detection circuit 2, an output signal thereof is transmitted to the control circuit unit 5. At this time, the control circuit unit 5 determines that ringing has occurred in the switching element Q1, and stops the operation of the switching element Q1.
  • the non-contact power transmission device 10 of the wireless power transmission system 1 when the occurrence of ringing in the switching element Q1 is confirmed, the switching operation of the switching element Q1 is stopped. As a result, when a switching state undesirable for the switching element Q1 is detected, power can be supplied more safely by stopping the operation of the switching element Q1 and stopping the supply of power.
  • the wireless power transmission system 1 according to the third embodiment is different from the first embodiment in the control method of the non-contact power transmission device 10 in the control circuit unit 5. Otherwise, the same configuration as that of the first embodiment can be applied.
  • FIG. 1 shows the overall configuration of a wireless power transmission system 1 according to a third embodiment.
  • the specific configuration of the system is the same as that of the first embodiment, so detailed description will be omitted.
  • control circuit unit 5 controls the power supply voltage of the non-contact power transmission device 10 based on the detection result of the ringing detection circuit 2 will be described.
  • the control circuit unit 5 reduces the power supply voltage of the non-contact power transmission device 10 based on the detection result of the ringing detection circuit 2. Specifically, when a waveform as shown in FIG. 5B is detected in the ringing detection circuit 2, an output signal thereof is transmitted to the control circuit unit 5. At this time, the control circuit unit 5 determines that ringing has occurred in the switching element Q1, and reduces the voltage value of the DC voltage source Vi. Specifically, the DC voltage source Vi is realized, for example, as an output voltage of a DC / DC converter (not shown), and the control circuit 5 reduces the constant voltage control value of the DC / DC converter.
  • the power supply voltage of the non-contact power transmission device 10 is reduced when the occurrence of ringing in the switching element Q1 is confirmed.
  • the input power of non-contact power transmission device 10 it is possible to reduce the energy loss of switching element Q1.
  • the switching loss can be reduced when an undesirable switching state is detected for the switching element Q1.
  • the possibility of breakage of the switching element Q1 can be reduced.
  • the control circuit unit 5 controls the switching element Q1 or the power supply of the non-contact power transmission device 10 in different ways.
  • control circuit unit 5 may control the switching element Q1 and the power supply by combining the control methods described in the first to third embodiments.
  • the control circuit unit 5 may control the switching element Q1 and the power supply by combining the control methods described in the first to third embodiments.
  • the non-contact power transmission device 10 capable of detecting an undesirable switching state for the switching element Q1 and supplying power more appropriately.
  • the power consumption and the load of devices other than the switching element Q1 can be reduced, and the risk of failure can be avoided.
  • the non-contact power transmission device 100 used for the wireless power transmission system 1 has been described.
  • the power transmission device 10B may be connected to the load 6 not by wireless but by wire.
  • the load 6 may be, for example, an electronic device such as a smartphone.
  • a power transmission device for example, non-contact power transmission device 10) according to one aspect of the present disclosure includes a power supply (for example, direct current voltage source Vi), a semiconductor switching element (for example, switching element Q1) connected to the power supply, A ringing detection circuit (for example, a ringing detection circuit 2) that detects ringing that occurs in a semiconductor switching element, and a control circuit that controls at least one of the power supply and the semiconductor switching element based on the detection result of the ringing detection circuit For example, the control circuit unit 5) is provided.
  • a power supply for example, direct current voltage source Vi
  • a semiconductor switching element for example, switching element Q1
  • a ringing detection circuit for example, a ringing detection circuit 2 that detects ringing that occurs in a semiconductor switching element
  • a control circuit that controls at least one of the power supply and the semiconductor switching element based on the detection result of the ringing detection circuit
  • the control circuit unit 5 is provided.
  • the ringing detection circuit is connected in parallel to the semiconductor switching element, and is connected in parallel to a diode (for example, a diode 3) that conducts when a negative voltage is generated in the semiconductor switching element, and the semiconductor switching element. And a resistor (for example, a resistor 4) connected in series with the diode.
  • a diode for example, a diode 3
  • a resistor for example, a resistor
  • control circuit may change a drive duty of the semiconductor switching element based on a detection result of the ringing detection circuit.
  • control circuit may stop the switching operation of the semiconductor switching element based on a detection result of the ringing detection circuit.
  • control circuit may lower the power supply voltage of the power supply based on the detection result of the ringing detection circuit.

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Abstract

スイッチング素子にとって望ましくないスイッチング状態をより的確に検出し、適切に電力を供給することのできる送電装置を提供する。送電装置は、電源と、スイッチング素子と、リンギング検出回路と、制御回路部とを備えている。リンギング検出回路は、スイッチング素子において発生するリンギングを検出する。制御回路部は、リンギング検出回路の検出結果に基づき、電源およびスイッチング素子の少なくとも何れかを制御する。リンギング検出回路は、ダイオードと抵抗とを有している。ダイオードは、スイッチング素子に負極性の電圧が生じた場合に導通する。抵抗は、ダイオードと直列に接続される。

Description

送電装置、非接触送電装置
　本開示は、電気機器に電力を供給するための技術に関する。
　本願は、２０１７年１２月２２日に、日本に出願された特願２０１７－２４５８３２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来から、無線で（非接触で）電気機器に電力を供給するための無線電力伝送システムに関する技術が知られている。この無線電力伝送システムにおいて、装置を小型化するために電圧波形を高周波化することが行われている。この高周波化の際に起こり得る損失の増加を抑制するために、Ｅ級インバータ回路が用いられる。
　Ｅ級インバータ回路は、回路定数を適切な値に定めることによって、スイッチング素子の電圧波形と電流波形とが時間的に重なり合わないようにすることで、スイッチング損失を低減させることができる。しかし、Ｅ級インバータ回路では、スイッチング素子のハードスイッチング状態が継続すると、望ましいスイッチング動作から逸脱し、スイッチング損失が増大してしまう。
特開２０１５－２０６７３４号公報
　そこで、Ｅ級インバータ回路において、望ましくないスイッチング状態を検出できる手法が求められている。
　例えば、特許文献１には、半導体素子がオン状態とオフ状態との間で切り替わるときの電流又は電圧の波形に含まれるリンギング振幅を算出する第１の算出手段と、リンギング振幅に基づいて、半導体素子の温度を算出する第２の算出手段とを含む、半導体素子の温度算出装置が開示されている。具体的には、スイッチング回路１において、スイッチング素子Ｑ１がターンオフ時に、スイッチング素子Ｑ１のドレンインソース間電圧波形に生じるリンギングの振幅を算出し、帰還ダイオードＤ１の温度上昇を推定する。これにより、温度検出素子を配置することなく、帰還ダイオードＤ１などの半導体素子の温度を推定することができる。
　このように、特許文献１に開示された温度検出装置は、スイッチング素子がターンオフ時であって、ドレンイン電圧が高電圧状態のときのリンギングを検出するための回路構成を有している。そのため、この回路構成では、スイッチング素子がターンオン時に、スイッチング素子のドレインソース間電圧波形にリンギングが生じていることを検出することができない。つまり、特許文献１に開示された回路構成では、Ｅ級インバータ回路などの高周波電圧を用いる回路において、望ましくないスイッチング状態を検出するには適していない。
　本開示の目的は、スイッチング素子にとって望ましくないスイッチング状態をより的確に検出し、適切に電力を供給することのできる電源装置を提供することにある。
　本開示の一局面にかかる送電装置は、電源と、前記電源と接続された半導体スイッチング素子と、前記半導体スイッチング素子において発生するリンギングを検出するリンギング検出回路と、前記リンギング検出回路の検出結果に基づき、前記電源および前記半導体スイッチング素子の少なくとも何れかを制御する制御回路とを備えている。前記リンギング検出回路は、前記半導体スイッチング素子と並列に接続され、前記半導体スイッチング素子に負極性の電圧が生じた場合に導通するダイオードと、前記半導体スイッチング素子と並列に接続され、前記ダイオードと直列に接続された抵抗とを有している。
　以上のように、本開示の一局面にかかる送電装置によれば、ハードスイッチング状態などのスイッチング素子にとって望ましくないスイッチング状態をより的確に検出し、適切に電力を供給することができる。
本実施形態にかかる無線電力伝送システムの全体構成を示す模式図である。 本実施形態にかかる無線電力伝送システムの送電部と受電部とを示す回路図である。 本実施形態にかかる無線電力伝送装置を構成するＥ級インバータ回路の回路構成を示す模式図である。 （ａ）は、図１に示す送電装置内のスイッチング素子のソースドレイン間電圧の波形の一例を示す波形図である。（ｂ）は、図１に示す送電装置内のスイッチング素子のゲートソース間電圧の波形の一例を示す波形図である。 （ａ）は、図１に示す送電装置内のスイッチング素子のソースドレイン間電圧の波形の一例を示す波形図である。この図は、図４（ａ）に示す波形のリンギング発生期間を拡大して示す図である。（ｂ）は、図１に示す送電装置のリンギング検出回路における検出電圧の波形の一例を示す波形図である。 （ａ）は、図１に示す送電装置内のスイッチング素子のソースドレイン間電圧の波形の一例を示す波形図である。（ｂ）は、スイッチング素子の駆動デューティ変更後のソースドレイン間電圧の波形の一例を示す波形図である。 は、本実施形態に係る送電装置およびその送電装置により電力が供給される負荷を含む全体構成を示す模式図である。
　以下、図面を参照しつつ、本開示の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
　〔第１の実施形態〕
　（無線電力伝送システムの全体構成）
　本実施形態にかかる無線電力伝送システム１の全体構成について説明する。図１には、無線電力伝送システム１の回路構成を示す。無線電力伝送システム１は、主な構成部材として、送電装置（電源装置）１０と受電装置２０とを備えている。非接触送電装置１０には、電源回路に、リンギング検出回路２、制御回路部（制御回路）５、および送電回路部（送電部）７などが接続されて構成されている。
　リンギング検出回路２は、スイッチング素子Ｑ１に生じるリンギング波形（高周波振動波形）を検出するための検出手段として機能する。制御回路部５は、リンギング検出回路２の検出結果に基づいて、電源回路（例えば、スイッチング素子Ｑ１の動作、出力電圧など）を制御する。送電回路部７は、受電装置２０の受電回路部１１に対して非接触で電力を供給する。非接触送電装置１０の電源回路は、Ｅ級インバータ回路と同様の構成が適用できる。非接触送電装置１０のより具体的な構成については後述する。
　受電装置２０は、主な構成部材として、受電回路部（受電部）１１、負荷１２、およびＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）などを備えている。受電回路部１１は、非接触で電力を受電するための共振回路（図２参照）を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータは、受電回路部１１と負荷１２との間に配置され、負荷１２への出力電圧が所定値になるように電圧変換する。
　図２には、送電部（非接触送電装置１０の送電回路部７）と、受電部（受電装置２０の受電回路部１１）との回路構成を示す。図２に示すように、送電回路部７は、送電用のコイル１４２とキャパシタ１４１とを備え、直列共振回路を形成している。受電回路部１１は、受電用のコイル２１２とキャパシタ２１１とを備え、直列共振回路を形成している。
　ここで、無線電力伝送システム１が磁気結合（磁気共鳴方式）を用いている場合、コイル１４２およびコイル２１２は磁界発生用のコイルであり、キャパシタ１４１およびキャパシタ２１１は共振用のコンデンサである。
　また、無線電力伝送システム１が電界結合を用いている場合、コイル１４２およびコイル２１２は共振用のコイルであり、キャパシタ１４１およびキャパシタ２１１は電界発生用のコンデンサである。
　また、磁気共鳴方式を採用した無線電力伝送システム１は、送電側アンテナの共振周波数と、受電側アンテナの共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し無線で電力伝送を行う。これにより、電力伝送距離を数十ｃｍ～数ｍとすることが可能である。
　（送電装置の具体的な構成）
　上述したように、非接触送電装置１０は、Ｅ級インバータ回路と同様の構成を有している。非接触送電装置１０の具体的な構成を説明するにあたって、先ず、基本となるＥ級インバータ回路１０Ａの回路構成について説明する。図３には、Ｅ級インバータ回路１０Ａの回路構成を示す。
　図３に示すように、Ｅ級インバータ回路１０Ａは、直流電圧源Ｖｉなどを含む直列共振回路、スイッチング素子（半導体スイッチング素子）Ｑ１、キャパシタＣｏ、負荷６、および制御回路部５などによって構成されている。Ｅ級インバータ回路１０Ａには、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング状態を検出するためのリンギング検出回路２が接続されている。
　直列共振回路は、直流電圧源Ｖｉ、インダクタＬｒｆｃｋ、インダクタＬｒ、およびキャパシタＣｒが直列に接続されて構成されている。これにより、直列共振回路は、直流電流とみなせる電流源を生成する。
　スイッチング素子Ｑ１は、直流電圧源ＶｉおよびインダクタＬｒｆｃｋと直列に接続されている。スイッチング素子Ｑ１は、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などの半導体スイッチング素子である。
　キャパシタＣｏは、スイッチング素子Ｑ１と並列に接続され、スイッチング素子Ｑ１の寄生容量を含む。
　制御回路部５は、所定の周波数、デューティでスイッチング素子Ｑ１を駆動する。また、制御回路はリンギング検出回路２と接続されている。
　また、リンギング検出回路２は、ダイオード３と抵抗４との直列回路で構成されている。ダイオード３は、アノード端子がスイッチング素子Ｑ１のドレイン端子に接続されている。スイッチング素子Ｑ１に生じるリンギング波形（高周波振動波形）は、負極性成分を有する（図５（ａ）参照）。そのため、上記のようなダイオード３と抵抗４との直列回路で構成されたリンギング検出回路２によって、リンギング波形の負電圧成分を検出する。リンギング検出回路２は、抵抗４に印加される電圧を測定する電圧計やダイオード３と抵抗４の間に直列で設けられた電流計等を備えてもよい。リンギング検出回路２によるリンギング波形の検出結果は、制御回路部５へ送信される。
　そして、制御回路部５は、リンギング検出回路２から送信されたリンギング波形の負電圧成分の情報に基づいて、Ｅ級インバータ回路１０Ａの制御仕様を変更する。制御回路部５における制御仕様の変更には、例えば、比較器、ＡＤ変換器などを用いることができる。
　続いて、Ｅ級インバータ回路１０Ａを無線電力伝送システム１の非接触送電装置１０に適用する方法について説明する。無線電力伝送システムの小型化を図るための手段として、電圧波形の高周波化が挙げられる。電圧波形の高周波化において損失増加を抑制するためには、Ｅ級インバータ回路を使用することが望ましい。
　Ｅ級インバータ回路は、回路定数を適切な値に定めることによってスイッチング素子の電圧波形と電流波形とが時間的に重なり合わないようにすることで、スイッチング損失を低減することができる。例えば、Ｅ級インバータ回路は、負荷状態などの回路定数が変化する状況下に置かれると、スイッチング素子が望ましいスイッチング動作から逸脱する。
　望ましいスイッチング動作からの逸脱のパターンには、ターンオン時にゼロ電圧であるが、ゼロカレントでないモ―ドと、ターンオン時にゼロ電圧でないモードと含まれる。高周波動作においては、後者のスイッチング動作時の損失増加が顕著となり、故障の危険性が高まる。
　そのため、負荷状態を始めとした回路定数が変化する状況下においても、安全に動作する技術が求められている。スイッチング素子が望ましいスイッチング動作から逸脱し、損失が増加すると、発熱量が増加する。スイッチング素子の温度上昇を検出することで、故障の危険性を回避することができる。しかしながら、故障に至らないまでも、望ましくないスイッチング状態を検出することはできない。
　そこで、無線電力伝送システム１は、上述したＥ級インバータ回路１０Ａを応用した非接触送電装置１０を有している。つまり、非接触送電装置１０は、リンギング検出回路２を備えている。これにより、スイッチング素子のターンオン時にゼロ電圧でないモードにおいて、スイッチング波形に生じるリンギング波形（高周波振動波形）を検出することができる。そして、制御回路部５は、リンギング検出回路２の検出結果（信号出力結果）に基づいて、非接触送電装置１０をより安全な制御仕様に変更することができ、受電装置２０に対してより適切に電力を供給することができる。
　本実施形態にかかる無線電力伝送システム１における非接触送電装置１０の構成は、図３に示すＥ級インバータ回路１０Ａにおいて、負荷６を送電回路部７に置き換えたものである。そして、受電装置２０内の受電回路部１１に接続されている負荷１２が、負荷６と同様の機能を有する。
　（リンギング検出回路におけるリンギングの検出について）
　続いて、リンギング検出回路２におけるリンギングの検出方法について、図４および図５を参照しながら説明する。
　図４（ａ）には、非接触送電装置１０内のスイッチング素子Ｑ１のドレインソース間電圧Ｖｄｓの経時変化の一例を示す。図４（ａ）に示すグラフの横軸は時間であり、縦軸は電圧である。図４（ｂ）には、非接触送電装置１０内のスイッチング素子Ｑ１のゲートソース間電圧Ｖｇｓの経時変化の一例を示す。図４（ｂ）に示すグラフの横軸は時間であり、縦軸は電圧である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、制御回路部５により制御が行われていない状態での各電圧の変化を示すものである。
　これらの図に示すように、スイッチング素子Ｑ１のゲートソース間電圧がハイレベルになり、スイッチング素子Ｑ１がターンオンする際、ドレインソース間電圧がゼロボルトにまで低下していない。これにより、損失増加を招くスイッチング損失が発生しており、波形にリンギングが表れている（図４（ａ）のＡ参照）。
　図５（ａ）は、図４（ａ）に示すスイッチング素子Ｑ１のドレインソース間電圧のリンギング発生期間の波形を拡大して示すグラフである。図５（ｂ）は、図５（ａ）に対応する期間中にリンギング検出回路２で検出される検出電圧の波形を示すグラフである。
　図５（ｂ）に示すように、リンギング検出回路２では、スイッチング素子Ｑ１のドレインソース間電圧にリンギングが発生したときに、ダイオード３と抵抗４によって極性が負の電圧を検出することができる。例えば、所定の期間内（例えば、３００ｎｓｅｃ、発振周波数６．７８ＭＨｚの場合の２周期）に極性が負の電圧、例えば－２Ｖ以下を２回以上検出したことで、スイッチ素子Ｑ１のドレインソース間電圧にリンギングが発生したと判断し、検出結果としてリングギングの有無を制御回路に送る。すなわち、スイッチング素子Ｑ１が望ましくないハードスイッチング状態となり、スイッチング素子Ｑ１にリンギングが発生すると、リンギング検出回路２は、極性が負の期間のみ動作する。
　なお、スイッチング素子Ｑ１のドレインソース間電圧に負電圧が生じていないときは、リンギング検出回路２には電流は流れない。そのため、非接触送電装置１０の主回路の動作に影響を与えない。
　（制御回路部での制御方法）
　続いて、リンギング検出回路２での検出結果に基づいて、制御回路部５がスイッチング素子Ｑ１の動作を制御する方法について説明する。
　本実施形態にかかる非接触送電装置１０では、制御回路部５は、リンギング検出回路２の検出結果に基づき、スイッチング素子Ｑ１の駆動デューティを変更する。具体的には、制御回路部５は、スイッチング素子Ｑ１を駆動するオンデューティを小さくする。すなわち、スイッチング素子Ｑ１のオフ期間をオン期間よりも長くする。
　これにより、スイッチング素子Ｑ１のソースドレイン間電圧の波形は、例えば、図６（ａ）に示すような波形から、図６（ｂ）に示す波形のようになる。図６（ａ）に示す波形は、図４（ａ）に示す波形と同じであり、スイッチング素子Ｑ１のターンオン時にリンギング波形が見られる。一方、制御回路部５によってスイッチング素子Ｑ１の駆動デューティが変更されると、図６（ｂ）に示すように、適正な制御信号となりリンギングが解消する。
　以上のように、本実施形態にかかる非接触送電装置１０では、駆動信号のデューティとスイッチング素子Ｑ１の動作におけるデューティとの間に顕著な差があり、ハードスイッチング状態に陥っている場合、スイッチング素子Ｑ１の駆動デューティを補正する。これにより、ソフトスイッチング状態に移行することができる。
　（第１の実施形態のまとめ）
　以上のように、本実施形態にかかる無線電力伝送システム１は、非接触送電装置１０と受電装置２０とを備えている。非接触送電装置１０は、直流電圧源Ｖｉと、スイッチング素子Ｑ１と、リンギング検出回路２と、制御回路部５とを備えている。リンギング検出回路２は、スイッチング素子Ｑ１において発生するリンギングを検出する。制御回路部５は、リンギング検出回路２の検出結果に基づき、スイッチング素子Ｑ１の駆動デューティを変更する。リンギング検出回路２は、ダイオード３と抵抗４とを有している。ダイオード３および抵抗４は、スイッチング素子Ｑ１と並列に接続されている。ダイオード３は、スイッチング素子Ｑ１に負極性の電圧が生じた場合に導通する。抵抗４は、ダイオード３と直列に接続される。
　非接触送電装置１０が正常に動作しているときは、スイッチング素子Ｑ１のドレインソース間電圧Ｖｄｓは正の電圧波形になる。したがって、リンギング検出回路２では、電圧変化は検出されない。一方、スイッチング素子Ｑ１のターンオン時にリンギングが発生すると、負の極性を有する電圧が発生する。そのため、リンギング検出回路２では、負極性成分の波形の変化が検出される。このように、スイッチング素子Ｑ１のターンオン時に発生するリンギングは、負電圧側のリンギング成分を検出する方が、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング素子状態が正常であるか異常であるかの判定を容易に行うことができる。また、判定精度も向上する。
　したがって、本実施形態にかかる無線電力伝送システム１によれば、ハードスイッチング状態などの非接触送電装置１０内のスイッチング素子Ｑ１にとって望ましくない状態を検出し、スイッチング素子Ｑ１により負荷のかからない状態で、適切に電力を供給することができる。
　なお、本実施の形態にかかる無線電力伝送システム１において、制御回路部５は、非接触送電装置１０に内蔵されず、外部のＰＣ等に内蔵された回路によって実現されていてもよい。制御回路部５が非接触送電装置１０に内蔵されない場合は、制御回路部５および非接触送電装置１０は、有線または無線を介して、制御信号または出力信号を交換してもよい。
　〔第２の実施形態〕
　続いて、本開示の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態にかかる無線電力伝送システム１は、非接触送電装置１０の制御回路部５におけるスイッチング素子Ｑ１の制御方法が、第１の実施形態とは異なる。それ以外は、第１の実施形態と同様の構成を適用することができる。
　図１には、第２の実施形態にかかる無線電力伝送システム１の全体構成を示す。システムの具体的な構成は、第１の実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。
　続いて、本実施形態にかかる無線電力伝送システム１において、リンギング検出回路２での検出結果に基づいて、制御回路部５がスイッチング素子Ｑ１の動作を制御する方法について説明する。
　無線電力伝送システム１を構成する非接触送電装置１０では、制御回路部５は、リンギング検出回路２の検出結果に基づき、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作を停止させる。具体的には、リンギング検出回路２において図５（ｂ）に示すような波形が検出されると、その出力信号が制御回路部５に送信される。このとき、制御回路部５は、スイッチング素子Ｑ１にリンギングが発生したと判定し、スイッチング素子Ｑ１の動作を停止させる。
　以上のように、本実施形態にかかる無線電力伝送システム１の非接触送電装置１０では、スイッチング素子Ｑ１にリンギングの発生が確認されると、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作が停止する。これにより、スイッチング素子Ｑ１にとって望ましくないスイッチング状態が検出された場合に、スイッチング素子Ｑ１の動作を停止させて電源の供給を止めることで、より安全に電力を供給することができる。
　〔第３の実施形態〕
　続いて、本開示の第３の実施形態について説明する。第３の実施形態にかかる無線電力伝送システム１は、制御回路部５における非接触送電装置１０の制御方法が、第１の実施形態とは異なる。それ以外は、第１の実施形態と同様の構成を適用することができる。
　図１には、第３の実施形態にかかる無線電力伝送システム１の全体構成を示す。システムの具体的な構成は、第１の実施形態と同様であるため、詳細な説明は省略する。
　続いて、本実施形態にかかる無線電力伝送システム１において、リンギング検出回路２での検出結果に基づいて、制御回路部５が非接触送電装置１０の電源電圧を制御する方法について説明する。
　無線電力伝送システム１を構成する非接触送電装置１０では、制御回路部５は、リンギング検出回路２の検出結果に基づき、非接触送電装置１０の電源電圧を低下させる。具体的には、リンギング検出回路２において図５（ｂ）に示すような波形が検出されると、その出力信号が制御回路部５に送信される。このとき、制御回路部５は、スイッチング素子Ｑ１にリンギングが発生したと判定し、直流電圧源Ｖｉの電圧値を低下させる。具体的に直流電圧源Ｖｉは、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）の出力電圧として実現され、制御回路５はＤＣ／ＤＣコンバータの定電圧制御値を低下させる。
　以上のように、本実施形態にかかる無線電力伝送システム１の非接触送電装置１０では、スイッチング素子Ｑ１にリンギングの発生が確認されると、非接触送電装置１０の電源電圧を低下させる。非接触送電装置１０の投入電力を低減させることで、スイッチング素子Ｑ１の損失エネルギーを低減させることができる。これにより、スイッチング素子Ｑ１にとって望ましくないスイッチング状態が検出された場合に、スイッチング損失を低下させることができる。これにより、スイッチング素子Ｑ１の破損の可能性を低減させることができる。
　〔第４の実施形態〕
　続いて、本開示の第４の実施形態について説明する。上述の第１から第３の実施形態では、リンギングの発生が検出されたときに、制御回路部５はそれぞれ異なる方法で、非接触送電装置１０のスイッチング素子Ｑ１または電源を制御している。
　しかし、本開示の一態様では、制御回路部５は、第１から第３の各実施形態で説明した制御方法を組み合わせてスイッチング素子Ｑ１および電源を制御してもよい。これにより、スイッチング素子Ｑ１にとって望ましくないスイッチング状態を検出し、より適切に電力を供給することのできる非接触送電装置１０を提供することができる。例えば、第２の実施形態と第３の実施形態を組合せることでスイチング素子Ｑ１以外のデバイスの電力消費、負荷を低減し、故障の危険性を回避できる。
　〔第５の実施形態〕
　続いて、本開示の第５の実施形態について説明する。上述の第１から第４の実施形態では、無線電力伝送システム１に用いる非接触送電装置１００について説明した。
　しかしながら、本開示の一態様では、送電装置１０Ｂは、図７に示すように、無線ではなく、有線で負荷６に接続されていてもよい。負荷６は、例えば、スマートフォンなどの電子機器であってよい。
　〔まとめ〕
　本開示の一局面にかかる送電装置（例えば、非接触送電装置１０）は、電源（例えば、直流電圧源Ｖｉ）と、前記電源と接続された半導体スイッチング素子（例えば、スイッチング素子Ｑ１）と、前記半導体スイッチング素子において発生するリンギングを検出するリンギング検出回路（例えば、リンギング検出回路２）と、前記リンギング検出回路の検出結果に基づき、前記電源および前記半導体スイッチング素子の少なくとも何れかを制御する制御回路（例えば、制御回路部５）とを備えている。前記リンギング検出回路は、前記半導体スイッチング素子と並列に接続され、前記半導体スイッチング素子に負極性の電圧が生じた場合に導通するダイオード（例えば、ダイオード３）と、前記半導体スイッチング素子と並列に接続され、前記ダイオードと直列に接続された抵抗（例えば、抵抗４）とを有している。
　また、上述の本開示の一局面にかかる送電装置において、前記制御回路は、前記リンギング検出回路の検出結果に基づき、前記半導体スイッチング素子の駆動デューティを変更してもよい。
　また、上述の本開示の一局面にかかる送電装置において、前記制御回路は、前記リンギング検出回路の検出結果に基づき、前記半導体スイッチング素子のスイッチング動作を停止させてもよい。
　また、上述の本開示の一局面にかかる送電装置において、前記制御回路は、前記リンギング検出回路の検出結果に基づき、前記電源の電源電圧を低下させてもよい。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。また、本明細書で説明した異なる実施形態の構成を互いに組み合わせて得られる構成についても、本発明の範疇に含まれる。

Claims (12)

  1. 　電源と、
    　前記電源と接続された半導体スイッチング素子と、
    　前記半導体スイッチング素子において発生するリンギングを検出するリンギング検出回路と、
    　前記リンギング検出回路の検出結果に基づき、前記電源および前記半導体スイッチング素子の少なくとも何れかを制御する制御回路と
    を備え、
    　前記リンギング検出回路は、
    　前記半導体スイッチング素子と並列に接続され、前記半導体スイッチング素子に負極性の電圧が生じた場合に導通するダイオードと、
    　前記半導体スイッチング素子と並列に接続され、前記ダイオードと直列に接続された抵抗と
    を有している、送電装置。
  2. 　前記リンギング検出回路は、所定の期間内に極性が負の電圧を２回以上検出した場合に、リンギング発生の有無を検出結果として前記制御回路に送信する、請求項１に記載の送電装置。
  3. 　前記制御回路は、前記リンギング検出回路の検出結果に基づき、前記半導体スイッチング素子の駆動デューティを変更する、請求項１または２に記載の送電装置。
  4. 　前記制御回路は、前記リンギング検出回路の検出結果に基づき、前記半導体スイッチング素子の駆動デューティを変更し、前記スイッチング素子のオン期間よりもオフ期間を長くする、請求項３に記載の送電装置。
  5. 　前記制御回路は、前記リンギング検出回路の検出結果に基づき、前記半導体スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる、請求項１または２に記載の送電装置。
  6. 　前記制御回路は、前記リンギング検出回路の検出結果に基づき、前記電源の電源電圧を低下させる、請求項１から５の何れか１項に記載の送電装置。
  7. 　電源と、
    　前記電源と接続された半導体スイッチング素子と、
    　前記電源と接続され、前記半導体スイッチング素子と並列に接続されたコイルと、
    　前記電源と前記コイルの間で前記コイルと直列に接続され、前記半導体スイッチング素子と並列に接続されたキャパシタと、
    　前記半導体スイッチング素子において発生するリンギングを検出するリンギング検出回路と、
    　前記リンギング検出回路の検出結果に基づき、前記電源および前記半導体スイッチング素子の少なくとも何れかを制御する制御回路と
    を備え、
    　前記リンギング検出回路は、
    　前記半導体スイッチング素子と並列に接続され、前記半導体スイッチング素子に負極性の電圧が生じた場合に導通するダイオードと、
    　前記半導体スイッチング素子と並列に接続され、前記ダイオードと直列に接続された抵抗と、
    を有している、非接触送電装置。
  8. 　前記リンギング検出回路は、所定の期間内に極性が負の電圧を２回以上検出した場合に、リンギング発生の有無を検出結果として前記制御回路に送信する、請求項７に記載の非接触送電装置。
  9. 　前記制御回路は、前記リンギング検出回路の検出結果に基づき、前記半導体スイッチング素子の駆動デューティを変更する、請求項７または８に記載の送電装置。
  10. 　前記制御回路は、前記リンギング検出回路の検出結果に基づき、前記半導体スイッチング素子の駆動デューティを変更し、前記スイッチング素子のオン期間よりもオフ期間を長くする、請求項９に記載の送電装置。
  11. 　前記制御回路は、前記リンギング検出回路の検出結果に基づき、前記半導体スイッチング素子のスイッチング動作を停止させる、請求項７または８に記載の送電装置。
  12. 　前記制御回路は、前記リンギング検出回路の検出結果に基づき、前記電源の電源電圧を低下させる、請求項７から１１の何れか１項に記載の送電装置。
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