(57)【要約】【課題】送電側の装置の送信コイルと受電側の装置の受信コイルとの間に異物が混入しても異常が発生することを抑制できる非接触給電装置を提供する。【解決手段】非接触給電装置１の送電装置（２、４−７）は、受電装置３へ電力を供給する送信コイル１４と、直流電源（１１、１２）と送信コイル１４との間にフルブリッジ状またはハーフブリッジ状に接続される複数のスイッチング素子（１３−１〜１３−４，７２−１〜７２−２）を有し、複数のスイッチング素子のオンとオフとがスイッチング周波数にて切り替えられることで直流電源から供給される直流電力を、スイッチング周波数を持つ交流電力に変換して送信コイルへ供給する電力供給回路（１０、７１）と、送信コイル１４の両端に接続されるＬＣ直列回路（１６−１、１６−２）を少なくとも一つ有する位相制御回路（１６、５６、６６、７３）とを有する。【選択図】図１
2020092472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送電装置と、前記送電装置から非接触で電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置であって、
前記送電装置は、
前記受電装置へ電力を供給する送信コイルと、
直流電源と前記送信コイルとの間にフルブリッジ状またはハーフブリッジ状に接続される複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子のオンとオフとがスイッチング周波数にて切り替えられることで前記直流電源から供給される直流電力を、前記スイッチング周波数を持つ交流電力に変換して前記送信コイルへ供給する電力供給回路と、
前記送信コイルの両端に接続されるＬＣ直列回路を少なくとも一つ有する位相制御回路と、
を有する非接触給電装置。
【請求項２】
前記位相制御回路の前記少なくとも一つのＬＣ直列回路のそれぞれは、コイルと、前記コイルと直列に接続され、かつ、互いに並列に接続される第１のコンデンサ及び第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサと直列に接続され、オンとなると前記第２のコンデンサを前記コイルに接続し、オフとなると前記第２のコンデンサを前記コイルから切り離すスイッチング素子とを有し、
前記送電装置は、
前記複数のスイッチング素子に流れる電流量の測定値を求める電流検出回路と、
前記電力供給回路の前記複数のスイッチング素子の何れかがターンオフされるときの前記電流量の測定値が所定の許容範囲に含まれるように、前記少なくとも一つのＬＣ直列回路のそれぞれの前記スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御回路とをさらに有する、
請求項１に記載の非接触給電装置。
【請求項３】
前記位相制御回路の前記少なくとも一つのＬＣ直列回路のそれぞれは、コイルと、前記コイルと直列に接続され、かつ、互いに並列に接続される第１のコンデンサ及び第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサと直列に接続され、オンとなると前記第２のコンデンサを前記コイルに接続し、オフとなると前記第２のコンデンサを前記コイルから切り離すスイッチング素子とを有し、
前記送電装置は、
前記電力供給回路の前記複数のスイッチング素子のオンとオフとを切り替える前記スイッチング周波数を制御するとともに、前記非接触給電装置が定電圧出力動作しているときの前記電力供給回路から前記送信コイルに供給される交流電力の前記スイッチング周波数に応じて、前記少なくとも一つのＬＣ直列回路のそれぞれの前記スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御回路とをさらに有する、
請求項１に記載の非接触給電装置。
【請求項４】
前記制御回路は、前記少なくとも一つのＬＣ直列回路のそれぞれの共振周波数が前記スイッチング周波数よりも高くなるように、前記少なくとも一つのＬＣ直列回路のそれぞれの前記スイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する、請求項３に記載の非接触給電装置。
【請求項５】
前記位相制御回路の前記少なくとも一つのＬＣ直列回路のそれぞれは、オンとなると当該ＬＣ直列回路を前記送信コイルに接続し、オフとなると当該ＬＣ直列回路を前記送信コイルから切り離すスイッチング素子を有し、
前記送電装置は、
前記電力供給回路の前記複数のスイッチング素子のオンとオフとを切り替える前記スイッチング周波数を制御するとともに、前記非接触給電装置が定電圧出力動作しているときの前記電力供給回路から前記送信コイルに供給される交流電力の前記スイッチング周波数または電圧に応じて、前記少なくとも一つのＬＣ直列回路のそれぞれのスイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御回路をさらに有する、請求項１に記載の非接触給電装置。
【請求項６】
前記受電装置は、
前記送電装置の前記送信コイルを介して電力を受信する受信コイルと、前記受信コイルとともに共振する共振コンデンサとを有する共振回路と、
前記共振回路から出力される電力を整流する整流回路と、
前記整流回路から出力される電力の出力電圧を測定して当該出力電圧の測定値を求める電圧検出回路と、
前記出力電圧の測定値に基づいて、前記非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否かを判定する判定回路と、
前記非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否かを表す判定情報を含む信号を前記送電装置へ送信する第１の通信器とを有し、
前記送電装置は、
前記判定情報を含む信号を受信する第２の通信器をさらに有し、
前記制御回路は、前記判定情報が前記非接触給電装置が定電圧出力動作していないことを表す場合、前記受電装置の前記整流回路と接続される負荷回路の抵抗が変化しても前記出力電圧の測定値が変化しなくなるように、前記スイッチング周波数を制御する、請求項５に記載の非接触給電装置。
【請求項７】
前記少なくとも一つのＬＣ直列回路の一端は前記送信コイルの一端と接続され、他端は前記送信コイルの他端と接続される、請求項１〜６の何れか一項に記載の非接触給電装置。
【請求項８】
前記少なくとも一つのＬＣ直列回路は、一端が前記送信コイルの一端と接続され、他端が接地される第１のＬＣ直列回路と、一端が前記送信コイルの他端と接続され、他端が接地される第２のＬＣ直列回路とを有する、請求項１〜６の何れか一項に記載の非接触給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触給電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、金属の接点などを介さずに、空間を通じて電力を伝送する、いわゆる非接触給電（ワイヤレス給電とも呼ばれる）技術が研究されている。
【０００３】
このような非接触給電技術の一つとして、二次（受電）側コイルのみに共振回路を構成し、共振回路に流れる共振電流の位相情報を検出し、この位相情報に基づいて、一次（送電）コイルに流れる駆動電流の電流位相が電圧位相よりもわずかに遅延するように駆動周波数を定めて一次コイルを駆動する技術が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。またこの技術では、また、二次コイルの漏れインダクタンスと共振コンデンサのキャパシタンスと等価負荷抵抗で決定されるQ値が、Q=2/k2(kは結合係数)で定まる値以上の値に設定される。この技術によれば、一次コイルでの発熱が抑制されるとともに、一次コイルの側から見た力率の最も良い周波数を駆動周波数として自動的に選択可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１５／１７３８５０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の技術では、専ら受電側の共振回路にて共振が生じるため、受電側のコイルの近傍に磁束が集中してしまう。そのため、受電側のコイルの近傍に小さな金属片が混入した場合でも、異常発熱を生じ、その結果として、火災が発生するおそれがあった。また上記のように高いQ値を設定するためには、受電側のコイルが大型化する。
【０００６】
そこで、本発明は、送電側の装置の送信コイルと受電側の装置の受信コイルとの間に異物が混入しても異常が発生することを抑制することが可能な非接触給電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一つの形態として、送電装置と、送電装置から非接触で電力伝送される受電装置とを有する非接触給電装置が提供される。この非接触給電装置において、送電装置は、受電装置へ電力を供給する送信コイルと、直流電源と送信コイルとの間にフルブリッジ状またはハーフブリッジ状に接続される複数のスイッチング素子を有し、複数のスイッチング素子のオンとオフとがスイッチング周波数にて切り替えられることで直流電源から供給される直流電力を、スイッチング周波数を持つ交流電力に変換して送信コイルへ供給する電力供給回路と、送信コイルの両端に接続されるＬＣ直列回路を少なくとも一つ有する位相制御回路とを有する。
係る構成を有することにより、この非接触給電装置は、送電装置の送信コイルと受電装置の受信コイルとの間に異物が混入しても異常が発生することを抑制することができる。
【０００８】
この非接触給電装置において、送電装置の位相制御回路の少なくとも一つのＬＣ直列回路のそれぞれは、コイルと、そのコイルと直列に接続され、かつ、互いに並列に接続される第１のコンデンサ及び第２のコンデンサと、第２のコンデンサと直列に接続され、オンとなると第２のコンデンサをコイルに接続し、オフとなると第２のコンデンサをコイルから切り離すスイッチング素子とを有することが好ましい。そして送電装置は、電力供給回路の複数のスイッチング素子の何れかを流れる電流量の測定値を求める電流検出回路と、電力供給回路の複数のスイッチング素子の何れかがターンオフされるときの電流量の測定値が所定の許容範囲に含まれるように、少なくとも一つのＬＣ直列回路のそれぞれのスイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御回路とをさらに有することが好ましい。
係る構成を有することで、この非接触給電装置は、電力供給回路の各スイッチング素子に印可される電圧の位相に対する、電力供給回路の各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量を、電力供給回路の各スイッチング素子のスイッチングロス及び導通ロスを軽減するよう調整できる。
【０００９】
あるいは、この非接触給電装置において、送電装置の位相制御回路の少なくとも一つのＬＣ直列回路のそれぞれは、コイルと、そのコイルと直列に接続され、かつ、互いに並列に接続される第１のコンデンサ及び第２のコンデンサと、第２のコンデンサと直列に接続され、オンとなると第２のコンデンサをコイルに接続し、オフとなると第２のコンデンサをコイルから切り離すスイッチング素子とを有することが好ましい。そして送電装置は、電力供給回路の複数のスイッチング素子のオンとオフとを切り替えるスイッチング周波数を制御するとともに、非接触給電装置が定電圧出力動作しているときの電力供給回路から送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数に応じて、少なくとも一つのＬＣ直列回路のそれぞれのスイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御回路とをさらに有することが好ましい。
係る構成を有することで、この非接触給電装置は、電力供給回路から送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数が変動しても、電力供給回路の各スイッチング素子に印可される電圧の位相に対する、電力供給回路の各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量を、電力供給回路の各スイッチング素子のスイッチングロスを軽減するよう調整できる。
【００１０】
この場合において、送電装置の制御回路は、少なくとも一つのＬＣ直列回路のそれぞれの共振周波数が電力供給回路から送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数よりも高くなるように、少なくとも一つのＬＣ直列回路のそれぞれのスイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御することが好ましい。
係る構成を有することで、この非接触給電装置は、電力供給回路から送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数に応じて、電力供給回路の各スイッチング素子のスイッチングロスを軽減できる。
【００１１】
あるいはまた、この非接触給電装置において、送電装置の位相制御回路の少なくとも一つのＬＣ直列回路のそれぞれは、オンとなるとそのＬＣ直列回路を送信コイルに接続し、オフとなるとそのＬＣ直列回路を送信コイルから切り離すスイッチング素子を有することが好ましい。そして送電装置は、電力供給回路の複数のスイッチング素子のオンとオフとを切り替えるスイッチング周波数を制御するとともに、非接触給電装置が定電圧出力動作しているときの電力供給回路から送信コイルに供給される交流電力のスイッチング周波数または電圧に応じて、少なくとも一つのＬＣ直列回路のそれぞれのスイッチング素子のオンとオフとの切り替えを制御する制御回路をさらに有することが好ましい。
係る構成を有することにより、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の結合度が低下しても、電力供給回路の各スイッチング素子のスイッチングロスを軽減できる。
【００１２】
この場合において、受電装置は、送電装置の送信コイルを介して電力を受信する受信コイルと、受信コイルとともに共振する共振コンデンサとを有する共振回路と、共振回路から出力される電力を整流する整流回路と、整流回路から出力される電力の出力電圧を測定して出力電圧の測定値を求める電圧検出回路と、出力電圧の測定値に基づいて、非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否かを判定する判定回路と、非接触給電装置が定電圧出力動作しているか否かを表す判定情報を含む信号を送電装置へ送信する第１の通信器とを有することが好ましい。そして送電装置は、判定情報を含む信号を受信する第２の通信器をさらに有し、制御回路は、判定情報が、非接触給電装置が定電圧出力動作していないことを表す場合、受電装置の整流回路と接続される負荷回路の抵抗が変化しても出力電圧の測定値が変化しなくなるように、スイッチング周波数を制御することが好ましい。
係る構成を有することにより、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の結合度が変化しても定電圧出力動作を継続することが可能になるとともに、定電圧出力動作時のスイッチング周波数に応じて位相制御回路のオン／オフの切り替えを可能にできるので、送信コイルと受信コイル間の結合度が変化しても、電力供給回路の各スイッチング素子のスイッチングロスを軽減できる。
【００１３】
さらに、この非接触給電装置において、送電装置の位相制御回路の少なくとも一つのＬＣ直列回路の一端は送信コイルの一端と接続され、他端は送信コイルの他端と接続されることが好ましい。
係る構成を有することにより、位相制御回路のＬＣ直列回路の数は一つでよいので、送電装置が小型化される。
【００１４】
あるいは、この非接触給電装置において、送電装置の少なくとも一つのＬＣ直列回路は、一端が送信コイルの一端と接続され、他端が接地される第１のＬＣ直列回路と、一端が送信コイルの他端と接続され、他端が接地される第２のＬＣ直列回路とを有することが好ましい。
係る構成を有することにより、各ＬＣ直列回路のオン／オフの切り替え、または各ＬＣ直列回路の共振周波数の制御が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一つの実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、送信コイルに流れる電流の波形のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図３】本実施形態による、磁界の強度分布の一例を示すシミュレーション結果を表す図である。
【図４】比較例による、磁界の強度分布の一例を示すシミュレーション結果を表す図である。
【図５】変形例による、送電装置の概略構成図である。
【図６】他の変形例による送電装置の概略構成図である。
【図７】さらに他の変形例による送電装置の概略構成図である。
【図８】さらに他の変形例による送電装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の一つの実施形態による非接触給電装置を、図を参照しつつ説明する。
本発明による非接触給電装置では、送電側の装置（以下、単に送電装置と呼ぶ）の送電用のコイル（以下、送信コイルと呼ぶ）の両端のそれぞれとグラウンドとの間に、ＬＣ直列回路が接続される。これにより、この非接触給電装置は、送信コイルに交流電力を供給する電力供給回路の各スイッチング素子に印可される電圧の位相に対する、電力供給回路の各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量を制御して、受電側の装置（以下、単に受電装置と呼ぶ）の共振回路のQ値を高くしなくても、電力供給回路のスイッチングロスを軽減する。その結果として、受電装置の共振回路が有するコイル（以下、受信コイルと呼ぶ）の巻き数を減らすことができる。そのため、送信コイルに供給される交流電力に対して受電装置の共振回路が主として共振することで電力伝送される場合でも、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間での磁束の偏りを軽減して、送信コイルと受信コイル間に異物が混入しても、異常発熱といった異常が発生することを抑制する。
さらに、この非接触給電装置は、電力供給回路から送信コイルへ供給される交流電力のスイッチング周波数を制御することで、定電圧出力動作することを可能とするとともに、電力供給回路から送信コイルへ供給される交流電力の電圧を制御することで、定電圧出力動作時における、受電装置の共振回路からの出力電圧が所定の許容範囲に含まれるようにする。なお、定電圧出力動作とは、受電装置に接続される負荷回路の抵抗値が変化しても、共振回路からの出力電圧が略一定となる動作をいう。
【００１７】
また、以下の実施形態に示されるように、送信コイルとＬＣ直列回路の間に、送信コイルと直列に接続されるコンデンサが存在する場合も、ＬＣ直列回路による位相の遅れ量の制御には影響がない。そのため、ＬＣ直列回路が送信コイルの一端と接続されることには、ＬＣ直列回路がコンデンサを介して送信コイルの一端と接続されることも含まれる。
【００１８】
図１は、本発明の一つの実施形態に係る非接触給電装置の概略構成図である。図１に示されるように、非接触給電装置１は、送電装置２と、送電装置２から空間を介して非接触で電力伝送される受電装置３とを有する。送電装置２は、電力供給回路１０と、送信コイル１４と、コンデンサ１５と、位相制御回路１６と、電流検出回路１７と、通信器１８と、制御回路１９とを有する。一方、受電装置３は、受信コイル２１及び共振コンデンサ２２を有する共振回路２０と、整流平滑回路２３と、負荷回路２６と、電圧検出回路２７と、スイッチング素子２８と、判定回路２９と、通信器３０とを有する。
【００１９】
先ず、送電装置２について説明する。
電力供給回路１０は、調節可能なスイッチング周波数、及び、調節可能な電圧を持つ交流電力を送信コイル１４へ供給する。そのために、電力供給回路１０は、電源１１と、力率改善回路１２と、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４とを有する。
【００２０】
電源１１は、所定の脈流電圧を持つ電力を供給する。そのために、電源１１は、商用の交流電源と接続され、その交流電源から供給された交流電力を整流するための全波整流回路を有する。
【００２１】
力率改善回路１２は、電源１１から出力された電力の電圧を、制御回路１９からの制御に応じた電圧を持つ直流電力に変換して出力する。そのために、力率改善回路１２の構成は、制御回路１９からの制御によって出力電圧を調整可能な様々な力率改善回路の何れかと同様の構成、例えば、特許第６３９０８０８号に記載された送電装置の力率改善回路と同様の構成とすることができる。なお、電源１１と力率改善回路１２とは、直流電源を構成する。
【００２２】
４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。本実施形態では、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４は、電源１１及び力率改善回路１２と、送信コイル１４との間に、フルブリッジ状に接続されるフルブリッジ回路を構成する。すなわち、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４のうち、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−２は、電源１１の正極側端子と負極側端子との間に、力率改善回路１２を介して直列に接続される。また本実施形態では、電源１１の正極側に、スイッチング素子１３−１が接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１３−２が接続される。そしてスイッチング素子１３−１のドレイン端子は、力率改善回路１２を介して電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１３−１のソース端子は、スイッチング素子１３−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１３−２のソース端子は、力率改善回路１２を介して電源１１の負極側端子と接続される。さらに、スイッチング素子１３−１のソース端子、及び、スイッチング素子１３−２のドレイン端子は、コンデンサ１５を介して送信コイル１４の一端に接続され、スイッチング素子１３−２のソース端子は、スイッチング素子１３−４を介して送信コイル１４の他端に接続される。
【００２３】
同様に、４個のスイッチング素子１３−１〜１３−４のうち、スイッチング素子１３−３とスイッチング素子１３−４は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−２と並列に、かつ、力率改善回路１２を介して電源１１の正極側端子と負極側端子との間に直列に接続される。また、電源１１の正極側に、スイッチング素子１３−３が接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子１３−４が接続される。そしてスイッチング素子１３−３のドレイン端子は、力率改善回路１２を介して電源１１の正極側端子と接続され、スイッチング素子１３−３のソース端子は、スイッチング素子１３−４のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子１３−４のソース端子は、力率改善回路１２を介して電源１１の負極側端子と接続される。さらに、スイッチング素子１３−３のソース端子、及び、スイッチング素子１３−４のドレイン端子は、送信コイル１４の他端に接続される。
【００２４】
また、スイッチング素子１３−１〜１３−４のゲート端子は、制御回路１９と接続される。さらに、スイッチング素子１３−１〜１３−４のゲート端子は、オンとなる電圧が印加されたときにそのスイッチング素子がオンとなることを保証するために、それぞれ、抵抗を介して自素子のソース端子と接続されてもよい。そしてスイッチング素子１３−１〜１３−４は、制御回路１９からの制御信号にしたがって、調整可能なスイッチング周波数にてオン／オフが切り替えられる。本実施形態では、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−４とがオンとなっている間、スイッチング素子１３−２とスイッチング素子１３−３とがオフとなり、逆に、スイッチング素子１３−２とスイッチング素子１３−３とがオンとなっている間、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−４とがオフとなるように、スイッチング素子１３−１とスイッチング素子１３−４の組と、スイッチング素子１３−２とスイッチング素子１３−３との組について交互にオン／オフが切り替えられる。これにより、電源１１から力率改善回路１２を介して供給された直流電力は、各スイッチング素子のスイッチング周波数を持つ交流電力に変換されて、送信コイル１４に供給される。
【００２５】
そして送信コイル１４は、電力供給回路１０から供給された交流電力を、空間を介して受電装置３の共振回路２０へ伝送する。
【００２６】
コンデンサ１５は、送信コイル１４と直列に接続され、送信コイル１４に流れる直流電流を遮断する。本実施形態では、コンデンサ１５は、送信コイル１４の一端と、スイッチング素子１３−１のソース端子、及び、スイッチング素子１３−２のドレイン端子との間に接続される。なお、コンデンサ１５の静電容量は、送信コイル１４とコンデンサ１５とにより形成される共振回路の共振周波数が、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数の調整範囲に含まれる周波数と異なるように、すなわち、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力に対して送信コイル１４とコンデンサ１５とにより形成される共振回路が共振しないように設定されることが好ましい。また、コンデンサ１５は省略されてもよい。
【００２７】
位相制御回路１６は、送信コイル１４の両端のそれぞれにおいて、一端が送信コイル１４（またはコンデンサ１５）と接続され、他端が、電源１１の負極側端子と接続される、すなわち、接地される二つのＬＣ直列回路１６−１、１６−２を有する。ＬＣ直列回路１６−１、１６−２は、それぞれ、コイルL1,L2と、コイルL1,L2と直列、かつ、互いに並列に接続されるｎ個（ｎは２以上の整数、図１では、ｎ＝３）のコンデンサC1k,C2k(k=1,..,n)と、ｎ個のコンデンサC1k,C2kのうちの(n-1)個のコンデンサのそれぞれと直列に接続される、MOSFETといったスイッチング素子S1j,S2j(j=1,..,n-1)とを有する。スイッチング素子S1j,S2jは、制御回路１９によりオン／オフが制御される。そしてスイッチング素子S1j,S2jのうち、オンになるスイッチング素子の数が増えるほど、ＬＣ直列回路１６−１、１６−２の静電容量は増加するので、ＬＣ直列回路１６−１、１６−２の共振周波数は低下する。したがって、スイッチング素子S1j,S2jのうち、オンになるスイッチング素子の数に応じて、電力供給回路１０のスイッチング素子１３−１〜１３−４に印可される電圧の位相に対する、スイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流の位相の遅れ量が制御される。そのため、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度が変化し、その変化に伴って、送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧が変化しても、送電装置２は、電力供給回路１０及び送信コイル１４によるソフトスイッチング動作を継続させることができるとともに、電力供給回路１０のスイッチング素子１３−１〜１３−４のスイッチングロスを軽減できる。さらに、各ＬＣ直列回路の一端は接地されるので、各ＬＣ直列回路のスイッチング素子について基準となる電圧が一定となるので、各ＬＣ直列回路の制御が簡単化される。
【００２８】
また、ＬＣ直列回路１６−１、１６−２において、コイルL1,L2のインダクタンスは大きいほど好ましい。これは、コイルL1,L2のインダクタンスが大きいほど、ＬＣ直列回路１６−１、１６−２に流れる電流が減少するためである。例えば、コイルL1,L2のインダクタンスは、送信コイル１４に流れる電流のうちの共振回路２０に接続される負荷回路２６の負荷に依存しない励磁電流成分よりもＬＣ直列回路１６−１、１６−２に流れる電流が小さくなるように、想定される結合度の最大値kmaxに、送信コイル１４と受信コイル２１とが電磁結合する場合の送電側の自己インダクタンスL1を乗じた値よりも大きいことが好ましい。
【００２９】
電流検出回路１７は、電力供給回路１０が有するスイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流量を測定する。電流検出回路１７は、例えば、直流電流を測定できる公知の様々な電流検出回路の何れかとすることができる。本実施形態では、電流検出回路１７は、スイッチング素子１３−２のソース端子及びスイッチング素子１３−４のソース端子と、電源１１の負極側端子との間に接続される。そして電流検出回路１７は、非接触給電装置１が電力伝送を実施している間、スイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流量を測定し、測定した電流量を表す信号を制御回路１９へ出力する。
【００３０】
通信器１８は、受電装置３の通信器３０から無線信号を受信する度に、その無線信号から、非接触給電装置１が定電圧出力動作しているか否かなどを表す判定情報を取り出して、制御回路１９へ出力する。そのために、通信器１８は、例えば、所定の無線通信規格に準じて無線信号を受信するアンテナと、その無線信号を復調する通信回路とを有する。なお、所定の無線通信規格は、例えば、ISO/IEC 15693、ZigBee（登録商標）、あるいはBluetooth（登録商標）とすることができる。
【００３１】
制御回路１９は、例えば、不揮発性のメモリ回路及び揮発性のメモリ回路と、演算回路と、他の回路と接続するためのインターフェース回路と、各スイッチング素子への制御信号を出力するための駆動回路とを有する。そして制御回路１９は、通信器１８から判定情報を受け取る度に、その判定情報に応じて、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する。
【００３２】
そのために、本実施形態では、制御回路１９は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組とが交互にオンとなり、かつ、スイッチング周波数に対応する１周期内でスイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組がオンとなっている期間とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組がオンとなっている期間とが等しくなるように、スイッチング素子１３−１〜１３−４を制御する。なお、制御回路１９は、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組が同時にオンとなり、電源１１が短絡されることを防止するために、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４の組とスイッチング素子１３−２及びスイッチング素子１３−３の組のオン／オフを切り替える際に、両方のスイッチング素子の組がオフとなるデッドタイムを設けてもよい。
【００３３】
また、制御回路１９は、スイッチング周波数に応じて、非接触給電装置１が定電圧出力動作するための電圧を持つ交流電力が電力供給回路１０から出力されるように、力率改善回路１２を制御する。例えば、制御回路１９は、特許第６３９０８０８号に記載された送電装置の力率改善回路の制御と同様の制御を行えばよい。
【００３４】
さらに、制御回路１９は、電流検出回路１７により検出された電流量に応じて、位相制御回路１６のＬＣ直列回路１６−１、１６−２の共振周波数を制御する。
【００３５】
なお、制御回路１９による、位相制御回路１６のＬＣ直列回路１６−１、１６−２の共振周波数の制御、及び、スイッチング周波数及び送信コイル１４への印加電圧の制御の詳細については後述する。
【００３６】
次に、受電装置３について説明する。
共振回路２０は、受信コイル２１と共振コンデンサ２２とが直列に接続されるＬＣ共振回路である。そして共振回路２０が有する受信コイル２１の一端が、共振コンデンサ２２を介して整流平滑回路２３の一方の入力端子に接続される。また、受信コイル２１の他端が、整流平滑回路２３の他方の入力端子に接続される。
【００３７】
受信コイル２１は、送電装置２の送信コイル１４に流れる交流電流と共振することで、送信コイル１４から電力を受信する。そして受信コイル２１は、共振コンデンサ２２を介して、受信した電力を整流平滑回路２３へ出力する。なお、受信コイル２１の巻き数と、送電装置２の送信コイル１４の巻き数は同一でもよく、あるいは、異なっていてもよい。
【００３８】
共振コンデンサ２２は、その一端で受信コイル２１の一端と接続されるとともに、他端で整流平滑回路２３と接続される。そして共振コンデンサ２２は、受信コイル２１とともに、送信コイル１４に流れる電流に対して共振することで電力を受電し、受電した電力を整流平滑回路２３へ出力する。
【００３９】
整流平滑回路２３は、整流回路の一例であり、ブリッジ接続された４個のダイオードを有する全波整流回路２４と平滑コンデンサ２５とを有し、共振回路２０から出力された電力を整流し、かつ、平滑化して、直流電力に変換する。そして整流平滑回路２３は、その直流電力を、負荷回路２６に出力する。
【００４０】
電圧検出回路２７は、整流平滑回路２３の両端子間の出力電圧を測定する。整流平滑回路２３の両端子間の出力電圧は、共振回路２０の出力電圧と１対１に対応するので、整流平滑回路２３の両端子間の出力電圧の測定値は、間接的に共振回路２０の出力電圧の測定値となる。電圧検出回路２７は、例えば、直流電圧を検出できる公知の様々な電圧検出回路の何れかとすることができる。そして電圧検出回路２７は、その出力電圧の測定値を表す電圧検出信号を判定回路２９へ出力する。
【００４１】
スイッチング素子２８は、例えば、MOSFETであり、整流平滑回路２３と負荷回路２６との間に接続される。スイッチング素子２８は、オフとなると整流平滑回路２３から負荷回路２６へ電流が流れないようにし（すなわち、負荷回路２６の交流等価抵抗値Rac=∞）、一方、オンとなると整流平滑回路２３から負荷回路２６へ電流が流れるようにする。
【００４２】
判定回路２９は、電圧検出回路２７から受け取った出力電圧の測定値に基づいて、非接触給電装置１が定電圧出力動作しているか否か、及び、出力電圧の測定値が、定電圧出力動作が行われているときの電圧の許容範囲内に含まれているか否か判定する。そして判定回路２９は、その判定結果を通信器３０へ通知する。そのために、判定回路２９は、例えば、電圧の許容範囲を記憶するメモリ回路と、出力電圧の測定値と電圧の許容範囲とを比較する演算回路と、スイッチング素子２８のオン／オフを制御するための制御回路を有する。
【００４３】
判定回路２９は、出力電圧の測定値が、電圧の許容範囲から外れている間、所定の周期でスイッチング素子２８のオン／オフを切り替える。これにより、その所定の周期で、整流平滑回路２３と接続される、負荷回路２６を含む回路全体の抵抗値が変化する。したがって、判定回路２９は、スイッチング素子２８のオン／オフを切り替えながら、出力電圧の測定値が略一定となるか否かを判定することで、非接触給電装置１が定電圧出力動作しているか否かを判定できる。そこで、判定回路２９は、所定の周期でスイッチング素子２８のオン／オフを切り替えても出力電圧の測定値が略一定となっている間、非接触給電装置１が定電圧出力動作していることを通信器３０へ通知する。
【００４４】
また、判定回路２９は、出力電圧の測定値が所定の周期よりも長い一定期間の間、非接触給電装置１が定電圧出力動作している場合、スイッチング素子２８のオン／オフの切り替えを停止して、オンとなる状態を維持する。そして判定回路２９は、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれるか否か判定し、その判定結果を通信器３０へ通知する。
【００４５】
その際、判定回路２９は、出力電圧の測定値が所定の周期よりも長い一定期間の間、電圧の許容範囲に含まれる場合、非接触給電装置１が定電圧出力動作しており、かつ、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲内であることを表す判定結果を通信器３０へ通知する。
【００４６】
なお、変形例によれば、受電装置３は、整流平滑回路２３に対して、負荷回路２６と並列に接続される抵抗を有していてもよい。この場合、スイッチング素子２８は、その抵抗と直列、かつ、負荷回路２６と並列となるように設けられてもよい。この場合には、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれる間、判定回路２９は、スイッチング素子２８をオフにする。一方、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲から外れると、上記の実施形態と同様に、判定回路２９は、所定の周期でスイッチング素子２８のオン／オフを切り替えればよい。この変形例によれば、非接触給電装置１が定電圧出力動作していない場合にも、負荷回路２６への電力供給が継続される。
【００４７】
さらに他の変形例によれば、上記の抵抗と並列、かつ、負荷回路２６と直列に、MOSFETといった第２のスイッチング素子が設けられてもよい。この場合、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれる間、判定回路２９は、第２のスイッチング素子をオンにして、負荷回路２６への電力供給を可能とする。一方、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲から外れると、判定回路２９は、第２のスイッチング素子をオフにして、負荷回路２６への電力供給を停止してもよい。これにより、送電装置２においてスイッチング周波数が調整されている間に、受電した電力の電圧が過度に高くなっても、その過度に高い電圧が負荷回路２６に印加されることが防止される。
【００４８】
通信器３０は、所定の送信周期ごとに、判定回路２９から受け取った判定結果に応じて、非接触給電装置１が定電圧出力動作しているか否か、及び、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれるか否かを表す判定情報を含む無線信号を生成し、その無線信号を送電装置２の通信器１８へ向けて送信する。そのために、通信器３０は、例えば、所定の無線通信規格に準じて無線信号を生成する通信回路と、その無線信号を出力するアンテナとを有する。なお、所定の無線通信規格は、通信器１８と同様に、例えば、ISO/IEC 15693、ZigBee（登録商標）、あるいはBluetooth（登録商標）とすることができる。
【００４９】
以下、非接触給電装置１の動作の詳細について説明する。
【００５０】
本実施形態では、送電装置２の制御回路１９は、通信器１８から受け取った判定情報に基づいて、非接触給電装置１が定電圧出力動作を継続するように、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する。さらに、制御回路１９は、電力供給回路１０のスイッチング素子１３−１〜１３−４のスイッチングロスが軽減されるように、電流検出回路１７により検出された電流量に基づいて、位相制御回路１６のＬＣ直列回路１６−１、１６−２が有するスイッチング素子S1j,S2jのオン／オフを制御して、スイッチング素子１３−１〜１３−４に印可される電圧の位相に対する、スイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流の位相の遅れ量を制御する。
【００５１】
最初に、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧の制御について説明する。上述したように、本実施形態による非接触給電装置１は、送電側における共振を利用しないものの、いわゆる一次直列二次直列コンデンサ方式（ＳＳ方式）と同様の構成を有する。このことから、非接触給電装置１の出力電圧の周波数特性は、ＳＳ方式の非接触給電装置の出力電圧の周波数特性と類似したものとなる。
【００５２】
そこで、制御回路１９は、定電圧出力動作を達成するために、下記のように送信コイル１４に印加される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を制御する。
【００５３】
通信器１８から出力電圧の測定値が許容範囲から外れていることを表す判定情報を受け取ると、制御回路１９は、交流電力のスイッチング周波数を所定の周波数領域内で変化させる。所定の周波数領域は、例えば、送電装置２から受電装置３への給電が行われる場合における、送信コイル１４と受信コイル２１間の想定される結合度の最小値において定電圧出力となる周波数を下限とし、送信コイル１４と受信コイル２１間の想定される結合度の最大値において定電圧出力となる周波数を上限とする周波数領域とすることができる。
【００５４】
制御回路１９は、スイッチング周波数を変化させる際、所定の周波数領域の下限から上限まで順にスイッチング周波数を高くしてもよく、あるいは、逆に、所定の周波数領域の上限から下限まで順にスイッチング周波数を低くしてもよい。その際、制御回路１９は、受電装置３の判定回路２９が、出力電圧の測定値が略一定となったか否かを調べることができるように、判定回路２９がスイッチング素子２８のオンとオフを切り替える周期よりも長い期間、同じスイッチング周波数を保つように、ステップ状にスイッチング周波数を変化させることが好ましい。
【００５５】
制御回路１９は、受電装置３から通信器１８を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲には含まれないものの、負荷回路２６の抵抗が変化しても略一定となることが示されていると、それ以降、スイッチング周波数を一定に保つ。そして次に、制御回路１９は、スイッチング周波数と、そのスイッチング周波数において結合度によらず、負荷回路２６に対して略一定の電圧が出力されるように、力率改善回路１２から出力される直流電圧を制御する。これにより、共振回路２０からの出力電圧が電圧の許容範囲に含まれるように、すなわち、結合度によらずに略一定の電圧が出力されるように、送信コイル１４に印加される電圧が調整される。そして制御回路１９は、受電装置３から通信器１８を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれることが示されると、送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数及び電圧を一定に保つ。
【００５６】
なお、制御回路１９は、受電装置３から通信器１８を介して受けとった無線信号に含まれる判定情報において、出力電圧の測定値が電圧の許容範囲に含まれることが示されるようになるまで、力率改善回路１２から出力される電圧が徐々に高くなるように、力率改善回路を制御してもよい。
【００５７】
次に、位相制御回路１６の制御について説明する。エネルギー伝送効率を向上するためには、送電装置２の電力供給回路１０のスイッチング素子１３−１〜１３−４が継続してソフトスイッチング（誘導性）動作することが好ましい。スイッチング素子１３−１〜１３−４がソフトスイッチング動作するためには、スイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相に対して、スイッチング素子１３−１〜１３−４を流れる電流の位相が遅れることが好ましい。これにより、例えば、スイッチング素子１３−１及びスイッチング素子１３−４がオンとなる際に、スイッチング素子１３−１のソース端子からドレイン端子へ向かって電流が流れることになるので、電力供給回路１０のスイッチング素子１３−１〜１３−４がソフトスイッチング動作することとなる。
【００５８】
さらに、スイッチング素子１３−１〜１３−４がオンからオフに切り替わるとき（すなわち、ターンオフされるとき）の送信コイル１４に流れる電流の波高値が小さいほど、スイッチング素子１３−１〜１３−４におけるスイッチングロスが軽減される。
【００５９】
図２（ａ）〜図２（ｃ）は、それぞれ、スイッチング素子１３−１〜１３−４の何れかに流れる電流の波形のシミュレーション結果の一例を示す図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）のそれぞれにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は電流量を表す。このシミュレーションにおいて、送信コイル１４のインダクタンスLp及び受信コイル２１のインダクタンスLsを220μHとした。また、コンデンサ１５の静電容量を440nFとし、共振コンデンサ２２の静電容量を16.5nFとした。さらに、負荷回路２６の抵抗値Roを8Ωとし、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度kを0.15とした。そして送信コイル１４に印加される交流電力のスイッチング周波数を84.5kHzとし、その交流電力の電圧を270Vとした。
【００６０】
図２（ａ）に示される波形２０１は、比較例として、位相制御回路１６が接続されていない場合における、スイッチング素子１３−１〜１３−４の何れかに流れる電流の波形である。また、図２（ｂ）に示される波形２０２は、位相制御回路１６の各ＬＣ直列回路のコイルのインダクタンスを220μHとし、そのＬＣ直列回路のコンデンサの静電容量を11nFとした場合（すなわち、ＬＣ直列回路の共振周波数＝102kHz）における、送信コイル１４に流れる電流の波形である。さらに、図２（ｃ）に示される波形２０３は、位相制御回路１６の各ＬＣ直列回路のコイルのインダクタンスを220μHとし、そのＬＣ直列回路のコンデンサの静電容量を8nFとした場合（すなわち、ＬＣ直列回路の共振周波数＝120kHz）における、送信コイル１４に流れる電流の波形である。
【００６１】
図２（ａ）〜図２（ｃ）において、時刻toffは、電力供給回路１０のスイッチング素子１３−１〜１３−４のうちの同時にオンとなる組について、ターンオフされるタイミングである。図２（ａ）に示される比較例では、タイミングtoffにおける電流量は3.75Aであり、スイッチング素子１３−１〜１３−４のうちの着目するスイッチング素子に流れる電流の実効値は1.65Aである。また、図２（ｂ）に示される例では、タイミングtoffにおける電流量は0.95Aであり、着目するスイッチング素子に流れる電流の実効値は0.68Aである。そして図２（ｃ）に示される例では、タイミングtoffにおける電流量は2.6Aであり、着目するスイッチング素子に流れる電流の実効値は1.05Aである。波形２０１〜２０３に示されるように、位相制御回路１６が設けられることで、電力供給回路１０のスイッチング素子１３−１〜１３−４がターンオフする際の電流波高値が低下する。また、着目するスイッチング素子に流れる電流の実効値も低下する。そのため、各スイッチング素子におけるスイッチングロス及び導通ロスの両方が軽減される。また、波形２０１〜２０３に示されるように、位相制御回路１６の各ＬＣ直列回路の共振周波数は、送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数よりも高いことが好ましく、特に、そのスイッチング周波数の2倍未満であることが好ましい。
【００６２】
これは以下の理由による。すなわち、スイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流量は、送信コイル１４に流れる電流量と位相制御回路１６の各ＬＣ直列回路に流れる電流量の和となる。そして送信コイル１４に流れる電流の位相は、スイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相よりも遅れる。一方、位相制御回路１６の各ＬＣ直列回路の共振周波数が、送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数よりも高いと、各ＬＣ直列回路に流れる電流の位相は、スイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相よりも進む。特に、各ＬＣ直列回路の共振周波数が、送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数の2倍未満であれば、スイッチング素子１３−１〜１３−４において、送信コイル１４に流れる電流と位相制御回路１６の各ＬＣ直列回路に流れる電流とが互いに打ち消し合い、その結果として、スイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流の実効値も低下することになる。
【００６３】
したがって、制御回路１９は、スイッチング素子１３−１〜１３−４のうちの同時にオンとなる組の何れか（例えば、スイッチング素子１３−１と１３−４）について、ターンオフされるタイミングtoffにおける、電流検出回路１７により検出された電流量の測定値を所定の許容範囲と比較する。そして制御回路１９は、電流量の測定値が許容範囲から外れている場合に、ＬＣ直列回路１６−１、１６−２のスイッチング素子S1j,S2jのオン／オフを切り替える。なお、許容範囲の下限値は、例えば、0に所定のオフセットを加えた値とすることができる。これにより、スイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流の位相がスイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相よりも進んで、スイッチング素子１３−１〜１３−４のスイッチングがハードスイッチングとなることが防止される。また、許容範囲の上限値は、位相制御回路１６が無い場合における、タイミングtoffにおける、電流検出回路１７よる電流量の測定値よりも小さい値に設定される。
【００６４】
制御回路１９は、スイッチング素子S1j,S2jのオン／オフの切り替えに関して、二つのＬＣ直列回路１６−１、１６−２について同じ処理を実行すればよい。そこで以下では、ＬＣ直列回路１６−１における、スイッチング素子S1jのオン／オフの切り替えについて説明する。
【００６５】
例えば、制御回路１９は、スイッチング素子S1jの全てがオフとなっている場合において、電流量の測定値が許容範囲から外れていると、スイッチング素子S1jの何れかをオンにする。また、制御回路１９は、スイッチング素子S1jの全てがオンとなっている場合において、電流量の測定値が許容範囲から外れていると、スイッチング素子S1jの何れかをオフにする。さらに、スイッチング素子S1jのうちの何れかがオンとなり、その他のスイッチング素子がオフとなっている場合において、電流量の測定値が許容範囲から外れていると、スイッチング素子S1jのうちのオフとなっているものの何れかをオンにする。そしてオンとなるスイッチング素子が増えても、電流量の測定値が許容範囲から外れたままとなっている場合には、制御回路１９は、直前にオンしたスイッチング素子とともに、それ以前にオンとなっているスイッチング素子をオフにする。また、スイッチング素子S1jが２個以上ある場合には、制御回路１９は、電流量の測定値が許容範囲に含まれるまで、スイッチング素子S1jを一つずつ順にオンにする。そして全てのスイッチング素子S1jがオンとなっても、電流量の測定値が許容範囲から外れたままである場合には、制御回路１９は、電流量の測定値が許容範囲に含まれるまで、スイッチング素子S1jを一つずつ順にオフにすればよい。
【００６６】
また、タイミングtoffにおける電流量の測定値が所定の許容範囲に含まれる場合には、制御回路１９は、スイッチング素子S1jのオン／オフの切り替えを行わない。
【００６７】
これにより、制御回路１９は、位相制御回路１６の各ＬＣ直列回路の共振周波数を調整して、スイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相に対する、スイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流の位相の遅れ量を、スイッチング素子１３−１〜１３−４によるスイッチングロス及び導通ロスを軽減するように調整できる。
【００６８】
図３は、本実施形態による、磁界の強度分布の一例を示すシミュレーション結果を表す図である。図３のシミュレーションは、図２（ｂ）のシミュレーションと同じ条件を用いて実行した。図３に示される磁界の強度分布３００において、黒いところほど、磁界が強いことが表される。強度分布３００に示されるように、送信コイル１４の近傍に生じる磁界の強さと、受信コイル２１の近傍に生じる磁界の強さとは、ほぼ等しいことが分かる。
なお、このシミュレーションにおいて、送信コイル１４の巻き線１４ａが巻き付けられるコア１４ｂの受信コイル２１側の表面に、厚さ0.5mm、幅10mmのアルミ片が位置する場合、99.9mWのロスが生じる。一方、受信コイル２１の巻き線２１ａが巻き付けられるコア２１ｂの送信コイル１４側の表面に、厚さ0.5mm、幅10mmのアルミ片が位置する場合、100.1mWのロスが生じる。このように、異物の位置が送電側または受電側の何れに近い場合でも、異物により生じるロスは同程度となる。
【００６９】
図４は、比較例による、磁界の強度分布の一例を示すシミュレーション結果を表す図である。図４のシミュレーションは、位相制御回路１６が無い条件、すなわち、図２（ａ）のシミュレーションと同じ条件を用いて実行した。図４に示される磁界の強度分布４００において、黒いところほど、磁界が強いことが表される。強度分布４００に示されるように、送信コイル１４の近傍に生じる磁界と比較して、受信コイル２１の近傍に生じる磁界の方が強く、送信コイル１４と受信コイル２１間の磁界の強さに偏りが生じていることが分かる。
このシミュレーションにおいて、送信コイル１４の巻き線１４ａが巻き付けられるコア１４ｂの受信コイル２１側の表面に、厚さ0.5mm、幅10mmのアルミ片が位置する場合、28mWのロスが生じる。一方、受信コイル２１の巻き線２１ａが巻き付けられるコア２１ｂの送信コイル１４側の表面に、厚さ0.5mm、幅10mmのアルミ片が位置する場合、302mWのロスが生じる。
【００７０】
このように、比較例では、生じる磁界が強い受信コイル２１の近傍に異物が混入すると大きなロスが生じ、その結果、異物において発熱量が大きくなるのに対して、本実施形態では、送信コイル１４と受信コイル２１間に異物が混入しても、比較的ロスが小さく、異物による発熱が抑制されることが分かる。
【００７１】
以上に説明してきたように、この非接触給電装置は、送電装置の送信コイルの両端に接続されたＬＣ直列回路を有する。そしてこの非接触給電装置は、送信コイルに交流電力を供給する電力供給回路の各スイッチング素子がターンオフされるタイミングにおける、各スイッチング素子に流れる電流に応じてＬＣ直列回路のコンデンサの容量を調節することで、そのＬＣ直列回路の共振周波数を制御して、各スイッチング素子に印加される電圧の位相に対する、各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量を適切に制御する。これにより、この非接触給電装置は、受電装置の共振回路のQ値を高くしなくても、電力供給回路の各スイッチング素子のスイッチングロス及び導通ロスを軽減することができる。その結果として、この非接触給電装置は、受電装置の共振回路が有する受信コイルの巻き数を減らすことができるとともに、受信コイル及び共振コンデンサに要求される耐圧を低減できる。そのため、送信コイルに供給される交流電力に対して受電装置の共振回路が主として共振することで電力伝送される場合でも、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間に生じる磁束の偏りを軽減して、送信コイルと受信コイル間に異物が混入しても、異常発熱といった異常が発生することを抑制する。さらに、この非接触給電装置は、受信コイルの巻き数を減らすことができるので、受信コイルを小型化でき、その結果として、受電装置全体を小型化できる。さらに、この非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の結合度が低い場合でも、電力供給回路の各スイッチング素子のスイッチングロスを低減できるので、電力伝送時の送電装置と受電装置間の距離、すなわち送電距離を長くすることができる。
【００７２】
変形例によれば、位相制御回路１６の各ＬＣ直列回路は、互いに並列に接続されるｎ個（ｎは２以上の整数）のコイルと、ｎ個のコイルのうちの(n-1)個のコイルのそれぞれと直列に接続される、MOSFETといったスイッチング素子を有していてもよい。なお、各ＬＣ直列回路において、一つのコンデンサが、各コイルと直列に接続されてもよく、あるいは、ｎ個のコンデンサのそれぞれが、互いに異なるコイルと直列に接続されてもよい。この場合も、各ＬＣ直列回路のスイッチング素子のうち、オンとなるスイッチング素子の数に応じて、各ＬＣ直列回路の共振周波数が変化する。そのため、各ＬＣ直列回路のスイッチング素子のうち、オンとなるスイッチング素子の数に応じて、電力供給回路１０のスイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相に対する、スイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流の位相の遅れ量が制御される。そこで制御回路１９は、上記の実施形態と同様に、電力供給回路１０のスイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流量に応じて、各ＬＣ直列回路のスイッチング素子のオン／オフを制御すればよい。
【００７３】
なお、上記のように、位相制御回路１６の各ＬＣ直列回路の共振周波数は、送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数よりも高いことが好ましい。そこで変形例によれば、送電装置２の制御回路１９は、定電圧出力動作時において電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数に応じて、位相制御回路１６の各ＬＣ直列回路の共振周波数がそのスイッチング周波数よりも高くなるように、各ＬＣ直列回路のスイッチング素子S1j,S2jのうち、オンとなるものを決定してもよい。この場合には、制御回路１９は、例えば、送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数と、位相制御回路１６の各ＬＣ直列回路のスイッチング素子S1j,S2jのうちのオンとなるものの組み合わせを表す参照テーブルを予め記憶しておけばよい。そして制御回路１９は、その参照テーブルを参照して、送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数に対応する、各ＬＣ直列回路のスイッチング素子S1j,S2jのうちのオンとなるものの組み合わせを決定し、決定した組み合わせに含まれる各スイッチング素子をオンとなるように制御すればよい。
この変形例でも、送電装置２の制御回路１９は、各ＬＣ直列回路の共振周波数を調整して、電力供給回路の各スイッチング素子に印加される電圧の位相に対する、電力供給回路の各スイッチング素子に流れる電流の位相の遅れ量を適切に制御できる。そのため、制御回路１９は、電力供給回路の各スイッチング素子のスイッチングロス及び導通ロスを軽減できる。またこの変形例によれば、電流検出回路１７は省略されてもよい。
【００７４】
また、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度が高くなると、位相制御回路が無くても、電力供給回路１０のスイッチング素子１３−１〜１３−４に印加される電圧の位相に対する、スイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流の位相の遅れ量が、スイッチング素子１３−１〜１３−４のスイッチングロスが小さくなる遅れ量となる。そこで他の変形例によれば、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度に応じて、位相制御回路の各ＬＣ直列回路のオン／オフが切り替えられてもよい。
【００７５】
図５は、この変形例による、送電装置４の概略構成図である。図５では、簡単化のために、通信器１８の図示は省略される。この変形例による送電装置４は、図１に示される送電装置２と比較して、位相制御回路１６のＬＣ直列回路１６−１、１６−２が有するコンデンサ及びスイッチング素子の数がそれぞれ一つである点と、電流検出回路１７を有さない点と、制御回路１９による位相制御回路１６の制御について相違する。そこで以下では、これらの相違点について説明する。送電装置４のその他の構成要素については、上記の実施形態における対応する構成要素の説明を参照されたい。
【００７６】
この変形例では、制御回路１９は、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度が所定値以上となった場合にＬＣ直列回路１６−１、１６−２のスイッチング素子S1,S2をオフにして、ＬＣ直列回路１６−１、１６−２を送信コイル１４から切り離し、ＬＣ直列回路１６−１、１６−２が位相の遅れ量に対して影響しないようにする。一方、制御回路１９は、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度が所定値未満となった場合にＬＣ直列回路１６−１、１６−２のスイッチング素子S1,S2をオンにして、電力供給回路１０のスイッチング素子１３−１〜１３−４によるスイッチングロスが軽減されるような位相の遅れ量に調整する。
【００７７】
具体的に、送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度が高くなるほど、非接触給電装置１が定電圧出力動作する、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数は高くなるとともに、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力の電圧は低下する。そこで、制御回路１９は、非接触給電装置１が定電圧出力動作する際の、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数が結合度の所定値に対応する周波数閾値以上となると、ＬＣ直列回路１６−１、１６−２のスイッチング素子S1,S2をオフにする。一方、制御回路１９は、非接触給電装置１が定電圧出力動作する際の、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力のスイッチング周波数がその周波数閾値未満になると、ＬＣ直列回路１６−１、１６−２のスイッチング素子S1,S2をオンにする。
【００７８】
あるいは、制御回路１９は、非接触給電装置１が定電圧出力動作する際の、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力の電圧が結合度の所定値に対応する電圧閾値以下となると、ＬＣ直列回路１６−１、１６−２のスイッチング素子S1,S2をオフにしてもよい。一方、制御回路１９は、非接触給電装置１が定電圧出力動作する際の、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力の電圧がその電圧閾値よりも高くなると、ＬＣ直列回路１６−１、１６−２のスイッチング素子S1,S2をオンにしてもよい。なお、制御回路１９は、電力供給回路１０から送信コイル１４に供給される交流電力の電圧を、例えば、電力供給回路１０が有する力率改善回路の制御パラメータ（例えば、力率改善回路が有するスイッチング素子のオン／オフのデューティ比）により推定することができる。
【００７９】
この変形例によれば、位相制御回路の構成が簡単化されるので、送電装置が小型化される。また、送電装置の制御回路による位相制御回路の制御も簡単化できる。さらに、この変形例においても、非接触給電装置は、送信コイルと受信コイル間の結合度が変化しても、特に、その結合度が低下しても、電力供給回路の各スイッチング素子のスイッチングロスを軽減できる。
【００８０】
さらに他の変形例によれば、位相制御回路のＬＣ直列回路は、送信コイル１４と並列に接続されてもよい。
【００８１】
図６は、さらに他の変形例による送電装置５の概略構成図である。図６では、簡単化のために、通信器１８の図示は省略される。この変形例による送電装置５は、図５に示される送電装置４と比較して、位相制御回路５６の構成が異なる。そこで以下では、位相制御回路５６及びその関連部分について説明する。送電装置５のその他の構成要素については、上記の実施形態または変形例における対応する構成要素の説明を参照されたい。
【００８２】
位相制御回路５６は、一つのＬＣ直列回路を有し、そのＬＣ直列回路の一端は、コンデンサ１５を介して送信コイル１４の一端と接続され、そのＬＣ直列回路の他端は、送信コイル１４の他端と接続される。また、ＬＣ直列回路と直列に接続されるスイッチング素子S1は、nチャネル型のMOSFETを有する。この変形例では、ＬＣ直列回路の両端の電位は変動する。そこで、図４に示される変形例と同様にＬＣ直列回路のスイッチング素子S1のオン／オフを制御できるようにするために、位相制御回路５６は、負極側が接地される定電圧源と、定電圧源によりバイアスされるダイオードＤと、ＬＣ直列回路の他端及び送信コイル１４の他端に対して一端が接続され、他端がダイオードDのカソード端子と接続されるコンデンサCとを有する。これにより、位相制御回路５６のスイッチング素子S1のMOSFETのゲート端子の電圧がソース端子よりも一定以上高くなり、制御回路１９は、スイッチング素子S1のオン／オフを、図４に示される変形例と同様に制御することができる。なお、この変形例においても、送電装置２と同様に、スイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流量を測定する電流検出回路を設けてもよい。この場合、制御回路１９は、電力供給回路の何れかのスイッチング素子がターンオフされるタイミングにおける、スイッチング素子１３−１〜１３−４に流れる電流量の測定値が所定の閾値以上となる場合に、スイッチング素子S1をオンにし、その電流量の測定値が所定の閾値未満となる場合に、スイッチング素子S1をオフにしてもよい。
【００８３】
この変形例によれば、位相制御回路が有するＬＣ直列回路は一つでよいので、送電装置がより小型化される。
【００８４】
なお、送電装置５では、位相制御回路５６のスイッチング素子S1がオフにされる際に、位相制御回路５６のＬＣ直列回路が有するコイルに生じる逆起電力により、送信コイル１４に意図しない電流が流れるおそれがある。そこで他の変形例によれば、位相制御回路５６のＬＣ直列回路が有するコイルに生じる逆起電力により流れる電流をバイパスさせるバイパス回路がさらに設けられてもよい。また、スイッチング素子S1がオフされている間、スイッチング素子S1に印可される電圧を下げるために、スイッチング素子S1に対して並列に接続されるコンデンサがさらに設けられてもよい。
【００８５】
図７は、さらに他の変形例による送電装置６の概略構成図である。図７では、簡単化のために、通信器１８の図示は省略される。この変形例による送電装置６は、図６に示される送電装置５と比較して、位相制御回路６６がバイパス回路６７を有する点で異なる。そこで以下では、位相制御回路６６及びその関連部分について説明する。送電装置６のその他の構成要素については、上記の実施形態または変形例における対応する構成要素の説明を参照されたい。
【００８６】
この変形例では、位相制御回路６６は、ＬＣ直列回路のコイルが接続されていない方のコンデンサの一端と、電力供給回路１０のスイッチング素子１３−１のソース端子との間に接続されるバイパス回路６７を有する。バイパス回路６７は、ＬＣ直列回路のコンデンサに対してアノード端子が接続されるダイオードと、そのダイオードとスイッチング素子１３−１のソース端子との間に接続されるコンデンサと、そのコンデンサと並列に接続される抵抗とを有する。
【００８７】
位相制御回路６６のスイッチング素子S1がオンからオフに切り替えられると、位相制御回路６６のＬＣ直列回路のコイルの逆起電力により生じる電流は、バイパス回路６７のダイオードを経由してバイパス回路６７のコンデンサへ流れる。また、スイッチング素子S1は、その逆起電力により生じる電流に対しては逆バイアスされているので、その電流はスイッチング素子S1を介しては流れない。そのため、その逆起電力により生じる電流が送信コイル１４へ流れることが防止される。なお、バイパス回路６７のコンデンサに充電された電荷は、そのコンデンサと並列に接続された抵抗により消費される。
【００８８】
この変形例によれば、位相制御回路のＬＣ直列回路が有するコイルに生じる逆起電力により、送信コイルに意図しない電流が流れることが防止される。
【００８９】
さらに他の変形例によれば、電力供給回路は、力率改善回路から出力される直流電力を、複数のスイッチング素子がハーフブリッジ状に接続されるハーフブリッジ回路を用いて交流電力に変換してもよい。
【００９０】
図８は、さらに他の変形例による送電装置７の概略構成図である。図８では、簡単化のために、通信器１８の図示は省略される。この変形例による送電装置７は、図６に示される送電装置５と比較して、電力供給回路７１が、ハーフブリッジ回路となる二つのスイッチング素子７２−１、７２−２を有する点と、位相制御回路７３の構成が相違する。そこで以下では、電力供給回路７１、位相制御回路７３及びその関連部分について説明する。送電装置７のその他の構成要素については、上記の実施形態または変形例における対応する構成要素の説明を参照されたい。
【００９１】
この変形例でも、二つのスイッチング素子７２−１、７２−２は、例えば、nチャネル型のMOSFETとすることができる。スイッチング素子７２−１とスイッチング素子７２−２は、電源１１の正極側端子と負極側端子との間に、力率改善回路１２を介して直列に接続される。また、電源１１の正極側に、スイッチング素子７２−１が接続され、一方、電源１１の負極側に、スイッチング素子７２−２が接続される。そしてスイッチング素子７２−１のドレイン端子は、電源１１の正極側端子と力率改善回路１２を介して接続され、スイッチング素子７２−１のソース端子は、スイッチング素子７２−２のドレイン端子と接続される。また、スイッチング素子７２−２のソース端子は、電源１１の負極側端子と力率改善回路１２を介して接続される。さらに、スイッチング素子７２−１のソース端子、及び、スイッチング素子７２−２のドレイン端子は、コンデンサ１５を介して送信コイル１４の一端に接続され、スイッチング素子７２−２のソース端子は、送信コイル１４の他端に接続される。また、各スイッチング素子のゲート端子は、制御回路１９と接続される。
【００９２】
この変形例では、制御回路１９は、スイッチング素子７２−１とスイッチング素子７２−２のオン／オフを交互に切り替えればよい。すなわち、スイッチング素子７２−１がオンとなり、スイッチング素子７２−２がオフとなる場合には、電源１１から力率改善回路１２及びスイッチング素子７２−１を介して流れる電流によりコンデンサ１５が充電されるとともに、送信コイル１４にも電流が流れる。一方、スイッチング素子７２−１がオフとなり、スイッチング素子７２−２がオンとなる場合には、コンデンサ１５が放電して、コンデンサ１５から送信コイル１４を介して電流が流れる。したがって、この変形例では、制御回路１９が、受電装置３から受信した判定情報に応じて、スイッチング素子７２−１とスイッチング素子７２−２のオン／オフを切り替えるスイッチング周波数を制御すればよい。
【００９３】
また、この変形例では、位相制御回路７３のＬＣ直列回路は、送信コイル１４と並列に接続される。具体的に、ＬＣ直列回路の一端は、スイッチング素子７２−１のソース端子、及び、スイッチング素子７２−２のドレイン端子と、コンデンサ１５との間に接続され、ＬＣ直列回路の他端は、送信コイル１４のコンデンサ１５と反対側の端子及び電源１１の負極側端子に接続される。すなわち、この変形例では、ＬＣ直列回路の他端は接地される。さらに、位相制御回路７３は、ＬＣ直列回路のコンデンサの送信コイル１４の他端との間にアノード端子が接続され、カソード端子が電源１１の正極側端子と接続されるダイオードを有する。これにより、ＬＣ直列回路がターンオフされたときにＬＣ直列回路のコイルに生じる逆起電力により流れる電流は、そのダイオード及びスイッチング素子７２−１を介してコンデンサ１５の充電に利用され、送信コイルに意図しない電流が流れることが防止される。そのため、制御回路１９は、送電装置２の位相制御回路１６の各ＬＣ直列回路のスイッチング素子と同様に、位相制御回路７３のＬＣ直列回路のスイッチング素子のオン／オフを制御できる。
【００９４】
なお、上記の実施形態または各変形例において、位相制御回路のＬＣ直列回路のコンデンサ１５側に接続される一端は、コンデンサ１５と送信コイル１４の間に接続されてもよい。
【００９５】
また、上記の実施形態または各変形例において、送信コイルと受信コイル間の結合度が略一定であると想定される場合、例えば、送電装置と受電装置との位置関係が略一定となるように送電装置と受電装置とが設置される場合、送電装置の制御回路は、電力供給回路から送信コイルへ供給される交流電力のスイッチング周波数を一定としてもよい。この場合には、送電装置の位相制御回路のＬＣ直列回路は、スイッチング素子を有さなくてもよい。すなわち、送電装置の制御回路は、位相制御回路のＬＣ直列回路のオン／オフまたはＬＣ直列回路の共振周波数を制御しなくてもよい。そしてＬＣ直列回路の共振周波数がスイッチング周波数よりも高くなるように、ＬＣ直列回路のコイルのインダクタンス及びコンデンサの静電容量が設定されればよい。この場合には、送信装置の通信器１８、及び、受電装置の電圧検出回路２７、スイッチング素子２８、判定回路２９及び通信器３０は省略されてもよい。さらに、送電装置の電力供給回路は、力率改善回路を有さなくてよい。さらにまた、送電装置の電力供給回路は、力率改善回路の代わりに、電源１１の全波整流回路からの出力電圧を平滑化する平滑コンデンサを有してもよく、さらに、送電装置の電力供給回路は、送信コイル１４に印加される電圧が、負荷回路２６の仕様、及び送信コイル１４と受信コイル２１間の結合度に応じた電圧となるように、ＤＣ−ＤＣコンバータを有してもよい。
【００９６】
さらに、上記の実施形態または各変形例において、受電装置の共振回路では、受信コイルと共振コンデンサとが並列に接続されてもよい。このように、受電装置の共振回路がＬＣ並列共振回路である場合には、Ｑ値を大きくするためには、負荷回路の抵抗値を大きくすることが求められる。しかし、上記の実施形態または各変形例の非接触給電装置によれば、受電装置の共振回路がＬＣ並列共振回路であっても、Ｑ値を大きくする必要が無いので、抵抗値が小さい負荷回路が接続されても、送電装置の電力供給回路のスイッチングロスを軽減することができる。
【００９７】
このように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００９８】
１    非接触給電装置
２、４−７    送電装置
１０、７１    電力供給回路
１１    電源
１２    力率改善回路
１３−１〜１３−４、７２−１〜７２−２    スイッチング素子
１４    送信コイル
１５    コンデンサ
１６、５６、６６、７３    位相制御回路
１６−１、１６−２    ＬＣ直列回路
６７    バイパス回路
１７    電流検出回路
１８    通信器
１９    制御回路
３    受電装置
２０    共振回路
２１    受信コイル
２２    共振コンデンサ
２３    整流平滑回路
２４    全波整流回路
２５    平滑コンデンサ
２６    負荷回路
２７    電圧検出回路
２８    スイッチング素子
２９    判定回路
３０    通信器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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