(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
第１および第２の電流経路を含み、前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、前記第１および第２の電流経路の双方に含まれる第１のコイルに交流電力を供給する送電制御回路と、
前記給電コイルと、
前記第１のコイルと磁気結合する第２のコイルと前記給電コイルと磁気結合するエキサイトコイルが接続されたエキサイト回路と、を備え、
前記送電制御回路は、ダイオードをブリッジ接続したブリッジ整流回路と、前記ブリッジ整流回路の４つの接続点のうち第１接続点と第２接続点の間に接続される交流電源と、前記４つの接続点のうち第３接続点と第４接続点の間に接続され、前記交流電源により充電されるキャパシタを含み、前記キャパシタを直流電圧源として、前記第１のコイルに交流電力を供給し、
前記エキサイト回路は、前記第２のコイルにより前記送電制御回路から交流電力を供給され、前記エキサイトコイルにより前記給電コイルに前記交流電力を供給することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項２】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
第１および第２の電流経路を含み、前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、前記第１および第２の電流経路の双方に含まれる第１のコイルに交流電力を供給する送電制御回路と、
前記給電コイル、キャパシタおよび第２のコイルが接続され、前記共振周波数にて共振する給電コイル回路と、を備え、
前記送電制御回路は、ダイオードをブリッジ接続したブリッジ整流回路と、前記ブリッジ整流回路の４つの接続点のうち第１接続点と第２接続点の間に接続される交流電源と、前記４つの接続点のうち第３接続点と第４接続点の間に接続され、前記交流電源により充電されるキャパシタを含み、前記キャパシタを直流電圧源として、前記第１のコイルに交流電力を供給し、
前記給電コイル回路は、前記第１のコイルと磁気結合する前記第２のコイルにより前記送電制御回路から交流電力を供給されることを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項３】
前記第３接続点と前記第４接続点の間に２つのキャパシタを直列接続し、それらキャパシタの中点を前記第１接続点または前記第２接続点のいずれかに接続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。
【請求項４】
前記中点から前記第１接続点および前記第２接続点のいずれか一方に至る経路の導通を制御するためのスイッチを設けたことを特徴とする請求項３に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項５】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
第１および第２の電流経路を含み、前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、前記第１および第２の電流経路の双方に含まれる第１のコイルに交流電力を供給する送電制御回路と、
前記給電コイルと、
前記第１のコイルと磁気結合する第２のコイルと前記給電コイルと磁気結合するエキサイトコイルが接続されたエキサイト回路と、を備え、
前記第１のコイルの巻き数は、前記第２のコイルの巻き数よりも多く、
前記エキサイト回路は、前記第２のコイルにより前記送電制御回路から交流電力を供給され、前記エキサイトコイルにより前記給電コイルに前記交流電力を供給することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項６】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
第１および第２の電流経路を含み、前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、前記第１および第２の電流経路の双方に含まれる第１のコイルに交流電力を供給する送電制御回路と、
前記給電コイル、キャパシタおよび第２のコイルが接続され、前記共振周波数にて共振する給電コイル回路と、を備え、
前記第１のコイルの巻き数は、前記第２のコイルの巻き数よりも多く、
前記給電コイル回路は、前記第１のコイルと磁気結合する前記第２のコイルにより前記送電制御回路から交流電力を供給されることを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項７】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
第１および第２の電流経路を含み、前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、前記第１および第２の電流経路の双方に含まれる第１のコイルに交流電力を供給する送電制御回路と、
前記給電コイルと、
前記第１のコイルと磁気結合する第２のコイルと前記給電コイルと磁気結合するエキサイトコイルが接続されたエキサイト回路と、を備え、
前記送電制御回路の入力電圧は、前記第１のコイルと前記第１のスイッチから成る直列回路か、前記第１のコイルと前記第２のスイッチから成る直列回路のいずれかに印加され、
前記エキサイト回路は、前記第２のコイルにより前記送電制御回路から交流電力を供給され、前記エキサイトコイルにより前記給電コイルに前記交流電力を供給することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項８】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
第１および第２の電流経路を含み、前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、前記第１および第２の電流経路の双方に含まれる第１のコイルに交流電力を供給する送電制御回路と、
前記給電コイル、キャパシタおよび第２のコイルが接続され、前記共振周波数にて共振する給電コイル回路と、を備え、
前記送電制御回路の入力電圧は、前記第１のコイルと前記第１のスイッチから成る直列回路か、前記第１のコイルと前記第２のスイッチから成る直列回路のいずれかに印加され、
前記給電コイル回路は、前記第１のコイルと磁気結合する前記第２のコイルにより前記送電制御回路から交流電力を供給されることを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載のワイヤレス給電装置と、
前記受電コイルと、
前記受電コイルと磁気結合し、前記受電コイルが前記給電コイルから受電した電力を供給されるロードコイルと、を備えることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレスにて電力を送るためのワイヤレス給電装置、および、ワイヤレス電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電源コードなしで電力を供給するワイヤレス給電技術が注目されつつある。現在のワイヤレス給電技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）、（Ｂ）電波を利用するタイプ（遠距離用）、（Ｃ）磁場の共振現象を利用するタイプ（中距離用）の３種類に大別できる。
【０００３】
電磁誘導を利用するタイプ（Ａ）は、電動シェーバーなどの身近な家電製品において一般的に利用されているが、距離を大きくすると電力伝送効率が急激に低下してしまうため数ｃｍ程度の近距離でしか使えないという課題がある。電波を利用するタイプ（Ｂ）は、遠距離で使えるが電力が小さいという課題がある。共振現象を利用するタイプ（Ｃ）は、比較的新しい技術であり、数ｍ程度の中距離でも高い電力伝送効率を実現できることから特に期待されている。たとえば、ＥＶ（Electric Vehicle）の車両下部に受電コイルを埋め込み、地中の給電コイルから非接触にて電力を送り込むという案も検討されている。ワイヤレスであるため完全に絶縁されたシステム構成が可能であり、特に、雨天時の給電に効果的であると考えられる。以下、タイプ（Ｃ）を「磁場共振型」とよぶ。
【０００４】
磁場共振型は、マサチューセッツ工科大学が２００６年に発表した理論をベースとしている（特許文献１参照）。特許文献１では、４つのコイルを用意している。これらのコイルを給電側から順に「エキサイトコイル」、「給電コイル」、「受電コイル」、「ロードコイル」とよぶことにする。エキサイトコイルと給電コイルは近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。同様に、受電コイルとロードコイルも近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。これらの距離に比べると、給電コイルから受電コイルまでの距離は「中距離」であり、比較的大きい。このシステムの目的は、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電することである。
【０００５】
エキサイトコイルに交流電力を供給すると、電磁誘導の原理により給電コイルにも電流が流れる。給電コイルが磁場を発生させ、給電コイルと受電コイルが磁気的に共振すると、受電コイルには大きな電流が流れる。電磁誘導の原理によりロードコイルにも電流が流れ、ロードコイルと直列接続される負荷から交流電力が取り出される。磁場共振現象を利用することにより、給電コイルから受電コイルの距離が大きくても高い電力伝送効率を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国公開２００８／０２７８２６４号公報
【特許文献２】特開２００６−２３００３２号公報
【特許文献３】国際公開２００６／０２２３６５号公報
【特許文献４】米国公開２００９／００７２６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２の図１に示す回路の場合、ＭＯＳＦＥＴＱ１、Ｑ４がＯＮ状態、ＭＯＳＦＥＴＱ２、Ｑ３がＯＦＦ状態となるときには、直流電源Ｖ１の電圧は、ＭＯＳＦＥＴＱ１、１次コイルＬ１、コンデンサ（キャパシタ）Ｃ１、ＭＯＳＦＥＴＱ４の４つの素子から成る直列回路に印加される。１次コイルＬ１とコンデンサＣ１の直列回路部分は１次側直列共振回路を形成するため（特許文献２の段落［００３０］参照）、そのインピーダンスは低くなる。この結果、直流電源Ｖ１の電圧のほとんどは、２つのＭＯＳＦＥＴに印加される。ＭＯＳＦＥＴに過度に大きな電圧を印加すると素子が破壊されてしまうため、直流電源Ｖ１として大電圧源を利用しにくい構成となっている。特許文献２の場合、直流電源Ｖ１の電源電圧は５（Ｖ）に設定されている。
【０００８】
ワイヤレス給電の入力電源として商用電源の利用を想定する場合、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ素子に高電圧が印加されないように対策する必要がある。１つの方法としては、商用電源電圧をＡＣアダプタによって降圧してから利用する方法が考えられるが、ＡＣアダプタは電力損失要因やコストアップ要因となるため好ましくない。
【０００９】
また、商用電源電圧は国や地域によってさまざまである。たとえば、日本や台湾は１００（Ｖ）、米国は１２０（Ｖ）、中国は１１０または２２０（Ｖ）、インドは１１５〜２４０（Ｖ）である。したがって、商用電源電圧の違いにも対応できるシステムであることが好ましい。
【００１０】
本発明は、上記課題に基づいて完成された発明であり、入力電圧が大きい場合であっても安全に駆動可能な磁場共振型のワイヤレス給電を実現することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るワイヤレス給電装置は、給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、給電コイルから受電コイルにワイヤレス送電するための装置である。この装置は、送電制御回路と給電コイル、エキサイト回路を含む。送電制御回路は、第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、第１および第２の電流経路の双方に含まれる第１のコイルに交流電力を供給する。エキサイト回路は、第１のコイルと磁気結合する第２のコイルと給電コイルと磁気結合するエキサイトコイルが接続された回路である。エキサイト回路は、第２のコイルにより送電制御回路から交流電力を供給され、エキサイトコイルにより給電コイルに交流電力を供給する。
【００１２】
本発明に係る別のワイヤレス給電装置は、給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、給電コイルから受電コイルにワイヤレス送電するための装置である。この装置は、第１および第２の電流経路を含み、第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、第１および第２の電流経路の双方に含まれる第１のコイルに交流電力を供給する送電制御回路と、給電コイル、キャパシタおよび第２のコイルが接続され、共振周波数にて共振する給電コイル回路を備える。給電コイル回路は、第１のコイルと磁気結合する第２のコイルにより送電制御回路から交流電力を供給される。
【００１３】
第１のコイルに双方向から交互に電流を流すことにより、送電制御回路の第１のコイルからエキサイト回路や給電コイル回路の第２のコイルに交流電力を供給できる。このような構成によれば、送電制御回路自体に共振回路を有する必要がないため、第１のコイルにキャパシタを直列接続する必要がない。この結果、第１のコイルに大きな電圧をかけやすくなるため、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチにかかる電圧を抑制しやすくなる。また、第１のコイルと第２のコイルの巻き数比を調整すれば、第２のコイルに供給される電圧の大きさを調整できる。
【００１４】
送電制御回路は、ダイオードをブリッジ接続したブリッジ整流回路と、ブリッジ整流回路の４つの接続点のうち第１接続点と第２接続点の間に接続される交流電源と、４つの接続点のうち第３接続点と第４接続点の間に接続され、交流電源により充電されるキャパシタを含み、キャパシタを直流電圧源として、第１のコイルに交流電力を供給してもよい。
【００１５】
交流電圧を整流回路で整流するため、交流電源によりキャパシタを充電できる。そして、このキャパシタを直流電圧源として利用することにより、交流電源の電源電圧を最大限利用しやすくなる。この結果、大きな入力電圧を設定しやすくなる。
【００１６】
第３接続点と第４接続点の間に２つのキャパシタを直列接続し、それらキャパシタの中点を第１接続点または第２接続点のいずれかに接続してもよい。この場合には、交流電源の最大電圧値により２つのキャパシタをそれぞれ充電しやすくなるため、入力電圧をいっそう大きく設定できる。また、この中点から第１接続点および第２接続点のいずれか一方に至る経路の導通を制御するためのスイッチを設けてもよい。
【００１７】
第１のコイルの巻き数は、第２のコイルの巻き数よりも多くてもよい。この場合には、入力電圧が大きな場合でも、エキサイト回路に供給される電圧値を適度な大きさまで降圧できる。
【００１８】
送電制御回路の入力電圧は、第１のコイルと第１のスイッチから成る直列回路か、第１のコイルと第２のスイッチから成る直列回路のいずれかに印加されるとしてもよい。第１のコイルのインダクタンスを大きく設定してやれば、第１のスイッチや第２のスイッチに過度に大きな電圧が印加されるのを防ぎやすくなる。
【００１９】
本発明におけるワイヤレス電力伝送システムは、上述したワイヤレス給電装置と、受電コイルと、受電コイルと磁気結合して、受電コイルが給電コイルから受電した電力を供給されるロードコイルを備える。
【００２０】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、磁場共振型のワイヤレス給電を、入力電圧が大きい場合であっても安全動作させやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。
【図２】電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。
【図３】結合トランスＴ２における二次巻線の巻き数と二次電圧の関係を示すグラフである。
【図４】ワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図の変形例である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。
【００２４】
図１は、ワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図である。ワイヤレス電力伝送システム１００は、ワイヤレス給電装置１１６とワイヤレス受電装置１１８を含む。ワイヤレス給電装置１１６は、基本構成として、送電制御回路２００、エキサイト回路１１０および給電コイル回路１２０を含む。ワイヤレス受電装置１１８は、受電コイル回路１３０とロード回路１４０を含む。
【００２５】
給電コイル回路１２０が有する給電コイルＬ２と、受電コイル回路１３０が有する受電コイルＬ３の間には数ｍ程度の距離がある。ワイヤレス電力伝送システム１００の主目的は、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３にワイヤレスにて交流電力を送ることである。本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムは、１００ｋＨｚ以下の共振周波数ｆｒにて動作させることを想定したシステムである。以下、共振周波数ｆｒ＝５０ｋＨｚであるとして説明する。なお、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムは、たとえば、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）周波数帯のような高周波数帯にて動作させることも可能である。
【００２６】
エキサイト回路１１０は、エキサイトコイルＬ１とトランスＴ２二次コイルＬｉが直列接続された回路である。トランスＴ２二次コイルＬｉは、トランスＴ２一次コイルＬｂと共に結合トランスＴ２を形成し、電磁誘導により送電制御回路２００から交流電力を供給される。エキサイトコイルＬ１の巻き数は１回、コイル導体断面形状は０．６ｍｍ×６．０ｍｍの長方形、エキサイトコイルＬ１自体の形状は２１０ｍｍ×２１０ｍｍの正方形である。図１では、わかりやすさのため、エキサイトコイルＬ１を円形に描いている。他のコイルについても同様である。図１に示す各コイルの材質はいずれも銅である。エキサイト回路１１０を流れる電流Ｉ１は交流であり、同図矢印にて示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。
【００２７】
給電コイル回路１２０は、給電コイルＬ２とキャパシタＣ２が直列接続された回路である。エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２は互いに向かい合っている。エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２の距離は１０ｍｍ以下と比較的近い。このため、エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２は電磁気的に強く結合している。給電コイルＬ２の巻き数は７回、コイル導体断面形状は０．６ｍｍ×６．０ｍｍの長方形、給電コイルＬ２自体の形状は２８０ｍｍ×２８０ｍｍの正方形である。エキサイトコイルＬ１に交流電流Ｉ１を流すと、電磁誘導の原理により給電コイルＬ２に起電力が発生し、給電コイル回路１２０には交流電流Ｉ２が流れる。同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流Ｉ２の向きと電流Ｉ１の向きは同じ（同相）である。交流電流Ｉ２は交流電流Ｉ１よりも格段に大きい。給電コイルＬ２とキャパシタＣ２それぞれの値は、給電コイル回路１２０の共振周波数ｆｒが５０ｋＨｚとなるように設定される。
【００２８】
受電コイル回路１３０は、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３が直列接続された回路である。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は互いに向かい合っている。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の距離は、０．２ｍ〜１ｍ程度と比較的長い。受電コイルＬ３の巻き数は７回、コイル導体断面形状は０．６×６．０ｍｍの長方形、受電コイルＬ３自体の形状は２８０ｍｍ×２８０ｍｍの正方形である。受電コイル回路１３０の共振周波数ｆｒも５０ｋＨｚとなるように、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３それぞれの値が設定されている。したがって、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は同一形状である必要はない。給電コイルＬ２が共振周波数ｆｒにて磁界を発生させると、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は磁気的に共振し、受電コイル回路１３０にも大きな電流Ｉ３が流れる。同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流Ｉ２の向きと電流Ｉ３の向きは同じ（同相）である。
【００２９】
ロード回路１４０は、ロードコイルＬ４と負荷ＬＤが直列接続された回路である。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は互いに向かい合っている。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４の距離は１０ｍｍ以下と比較的近い。このため、受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は電磁的に強く結合している。ロードコイルＬ４の巻き数は１回、コイル導体断面形状は０．６×６．０ｍｍの長方形、ロードコイルＬ４自体の形状は３００ｍｍ×３００ｍｍである。受電コイルＬ３に電流Ｉ３が流れることにより、ロード回路１４０に起電力が発生し、ロード回路１４０に電流Ｉ４が流れる。同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流Ｉ３の向きと電流Ｉ４の向きは同じ（同相）である。すなわち、電流Ｉ４は、電流Ｉ２とも同相である。こうして、ワイヤレス給電装置１１６の給電コイルＬ２から送電された交流電力は、ワイヤレス受電装置１１８の受電コイルＬ３により受電され、負荷ＬＤから取り出される。
【００３０】
負荷ＬＤを受電コイル回路１３０に直列接続すると、受電コイル回路１３０のＱ値が悪くなる。このため、受電用の受電コイル回路１３０と電力取り出し用のロード回路１４０を分離している。また、電力伝送効率を高めるためには、エキサイトコイルＬ１、給電コイルＬ２、受電コイルＬ３およびロードコイルＬ４の中心線を揃えることが好ましい。
【００３１】
次に、送電制御回路２００の構成を説明する。送電制御回路２００はハーフブリッジ型の電子回路であり、その構成は、電源部１０２と制御部１０４に大別される。電源部１０２においては、図１に示す点Ａと点Ｃの間にキャパシタＣ５、点Ｃと点Ｂの間にキャパシタＣ６が接続される。これらのキャパシタは、交流電源１０６の電圧によって充電される。キャパシタＣ５の電圧（ＡＣ間の電圧）をＶＡ、キャパシタＣ６の電圧（ＣＢ間の電圧）をＶＢ、ＶＡ＋ＶＢ（ＡＢ間の電圧）を入力電圧Ｖｉｎとよぶ。
【００３２】
交流電源１０６は通常の商用電源である。交流電源１０６の交流電圧は整流回路１０８により整流され、直流電圧に変換される。整流回路１０８は、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４がブリッジ接続された回路である。交流電源１０６の一端はダイオードＤ１とダイオードＤ２の接続点Ｐ１と接続され、他端はダイオードＤ３とダイオードＤ４の接続点Ｐ２と接続される。ダイオードＤ１とダイオードＤ３の接続点Ｐ３は、キャパシタＣ６の負極側である点Ｂと接続され、ダイオードＤ２とダイオードＤ４の接続点Ｐ４は、キャパシタＣ５の正極側である点Ａと接続される。また、接続点Ｐ２は、スイッチＳＷを介して点Ｃと接続される。変形例として、接続点Ｐ２の代わりに接続点Ｐ１を点Ｃと接続してもよい。
【００３３】
交流電源１０６から流れる電流を「電流ＩＲ」とする。電流ＩＲは交流電流であり、同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。
【００３４】
スイッチＳＷがオンとなると、キャパシタＣ５の負極およびキャパシタＣ６の正極が接続点Ｐ２と導通する。電流ＩＲは、正方向に流れるときには、交流電源１０６から接続点Ｐ１、ダイオードＤ２、接続点Ｐ４、点Ａ、キャパシタＣ５、点Ｃ、スイッチＳＷを経由して交流電源１０６に帰還する。負方向に流れるときには、スイッチＳＷ、点Ｃ、キャパシタＣ６、点Ｂ、接続点Ｐ３、ダイオードＤ１、接続点Ｐ１を経由して交流電源１０６に帰還する。電流ＩＲの向きは、交流電源１０６の周波数、たとえば、５０Ｈｚにて変化する。
【００３５】
このように、スイッチＳＷがオンとなるときには、交流電源１０６の正電圧はキャパシタＣ５のみに印加され、負電圧はキャパシタＣ６のみに印加される。たとえば、交流電源１０６の実効電圧が１００（Ｖ）のときには、最大電圧値である約１４１（Ｖ）がキャパシタＣ５、Ｃ６それぞれに印加される。この結果、入力電圧Ｖｉｎ＝１４１＋１４１＝２８２（Ｖ）となる。すなわち、キャパシタＣ５、Ｃ６は、それぞれ１４１（Ｖ）の直流電圧源となる。
【００３６】
スイッチＳＷがオフとなると、電流ＩＲの経路が変化する。電流ＩＲは、正方向に流れるときには、交流電源１０６から接続点Ｐ１、ダイオードＤ２、接続点Ｐ４、点Ａ、キャパシタＣ５、点Ｃ、キャパシタＣ６、点Ｂ、接続点Ｐ３、ダイオードＤ３、接続点Ｐ２を経由して交流電源１０６に帰還する。負方向に流れるときには、接続点Ｐ２、ダイオードＤ４、接続点Ｐ４、点Ａ、キャパシタＣ５、点Ｃ、キャパシタＣ６、点Ｂ、接続点Ｐ３、ダイオードＤ１、接続点Ｐ１を経由して交流電源１０６に帰還する。
【００３７】
このように、スイッチＳＷがオフとなるときには、交流電源１０６の正電圧も負電圧もＡＢ間に印加される。たとえば、交流電源１０６の実効電圧が２００（Ｖ）のときには、最大電圧値である約２８２（Ｖ）がキャパシタＣ５、Ｃ６の直列回路に印加される。すなわち、入力電圧Ｖｉｎ＝２８２（Ｖ）となる。キャパシタＣ５、Ｃ６は、それぞれ１４１（Ｖ）の直流電圧源となる。
【００３８】
交流電源１０６の実効電圧が１００（Ｖ）か２００（Ｖ）かに関わらず、スイッチＳＷを制御することにより、入力電圧Ｖｉｎ＝２８４（Ｖ）に維持できる。ただし、スイッチＳＷのオン・オフによって入力電圧Ｖｉｎを常に一定値に維持できるわけではない。たとえば、交流電源１０６の実効電圧が、１００（Ｖ）と１２０（Ｖ）のいずれかである場合には、入力電圧Ｖｉｎも別々の値になる。この場合でも、後述するように結合トランスＴ２の巻き数比を調整することにより、エキサイト回路１１０へ供給される電圧の大きさを任意に設定できる。
【００３９】
制御部１０４は図１に示すように上下対称形の電子回路である。制御部１０４においては、ゲート駆動用トランスＴ１の一次側にオシレータ２０２が接続される。オシレータ２０２は、駆動周波数ｆｏの交流電圧Ｖｏを発生させる。交流電圧Ｖｏの波形は正弦波でもよいが、ここでは矩形波であるとして説明する。駆動周波数ｆｏは、通常、共振周波数ｆｒと等しい５０ｋＨｚであり、交流電源１０６の周波数に比べると格段に大きい。また、オシレータ２０２の電圧は、通常、交流電源１０６の電圧に比べると格段に低い。
【００４０】
駆動周波数ｆｏの交流電圧Ｖｏにより、トランスＴ１一次コイルＬｈには正負両方向に交互に電流が流れる。トランスＴ１一次コイルＬｈとトランスＴ１二次コイルＬｆ、トランスＴ１二次コイルＬｇはゲート駆動用の結合トランスＴ１を形成する。電磁誘導により、トランスＴ１二次コイルＬｆとトランスＴ１二次コイルＬｇにも正負の両方向に交互に電流が流れる。
【００４１】
トランスＴ１二次コイルＬｆの一端は、スイッチングトランジスタＱ１のゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタＱ１のソースと接続される。トランスＴ１二次コイルＬｇの一端は、別のスイッチングトランジスタＱ２のゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタＱ２のソースと接続される。オシレータ２０２が駆動周波数ｆｏにて交流電圧Ｖｏを発生させると、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２の各ゲートには、電圧Ｖｘ（Ｖｘ＞０）が駆動周波数ｆｏにて交互に印加される。このため、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は駆動周波数ｆｏにて交互にオン・オフする。スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は同一特性のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であるが、バイポーラトランジスタなど他のトランジスタでもよい。トランジスタの代わりにリレースイッチ等、他のスイッチを用いてもよい。
【００４２】
スイッチングトランジスタＱ１のドレインは、キャパシタＣ５の正極に接続される。キャパシタＣ５の負極は、トランスＴ２一次コイルＬｂを介してスイッチングトランジスタＱ１のソースに接続される。キャパシタＣ５の負極の電位は接地電位であるとする。スイッチングトランジスタＱ２のソースは、キャパシタＣ６の負極に接続される。キャパシタＣ６の正極は、トランスＴ２一次コイルＬｂを介して、スイッチングトランジスタＱ２のドレインに接続される。キャパシタＣ６の正極の電位は接地電位である。
【００４３】
スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間の電圧をソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間の電圧をソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２とよぶ。また、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間を流れる電流をソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間を流れる電流をソース・ドレイン電流ＩＤＳ２とする。ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、ＩＤＳ２については、同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。
【００４４】
スイッチングトランジスタＱ１が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ２は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第１電流経路」とよぶ）は、キャパシタＣ５の正極から点Ａ、スイッチングトランジスタＱ１、トランスＴ２一次コイルＬｂ、点Ｃを経由して負極に帰還する経路となる。スイッチングトランジスタＱ１は、第１電流経路の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００４５】
スイッチングトランジスタＱ２が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ１は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第２電流経路」とよぶ）は、キャパシタＣ６の正極から点Ｃ、トランスＴ２一次コイルＬｂ、スイッチングトランジスタＱ２、点Ｂを経由して負極に帰還する経路となる。スイッチングトランジスタＱ２は、第２電流経路の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００４６】
送電制御回路２００においてトランスＴ２一次コイルＬｂを流れる電流を「電流ＩＳ」とよぶ。電流ＩＳは交流電流であり、第１電流経路を流れるときを正方向、第２電流経路を流れるときを負方向とよぶ。
【００４７】
オシレータ２０２が共振周波数ｆｒと等しい駆動周波数ｆｏにて交流電圧Ｖｏを供給すると、第１電流経路と第２電流経路が共振周波数ｆｒにて交互に切り替わる。共振周波数ｆｒの交流電流ＩＳがトランスＴ２一次コイルＬｂを流れるため、エキサイト回路１１０にも共振周波数ｆｒにて交流電流Ｉ１が流れ、更に、給電コイル回路１２０にも共振周波数ｆｒの交流電流Ｉ２が流れる。給電コイル回路１２０の給電コイルＬ２とキャパシタＣ２は共振状態となる。受電コイル回路１３０も共振周波数ｆｒの共振回路であるから、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は磁気的に共振する。このとき、電力伝送効率は最大となる。
【００４８】
第１電流経路においては、キャパシタＣ５が直流電圧源として機能する。トランスＴ２一次コイルＬｂの両端電圧Ｖ１とすると、キャパシタＣ５の電圧ＶＡ（＝Ｖｉｎ／２）＝ＶＤＳ１＋Ｖ１となる。トランスＴ２一次コイルＬｂは、他のキャパシタとＬＣ共振する必要がないため、そのインダクタンスとして大きな値を設定できる。したがって、入力電圧Ｖｉｎが大電圧となる場合でも、トランスＴ２一次コイルＬｂのインダクタンスが十分に大きければＶＤＳ１は小さくなる。この結果、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間に過大な電圧が印加されにくくなる。
【００４９】
第２電流経路においては、キャパシタＣ６が直流電圧源として機能する。キャパシタＣ６の電圧ＶＢ＝ＶＤＳ２＋Ｖ１となる。この場合にも、トランスＴ２一次コイルＬｂのインダクタンスが十分に大きければスイッチングトランジスタＱ２が破壊されにくくなる。
【００５０】
まとめると、交流電源１０６の電源電圧が大きいときには入力電圧Ｖｉｎも大きくなるが、これらの入力電圧ＶｉｎのほとんどはトランスＴ２一次コイルＬｂに印加されるため、スイッチングトランジスタＱ１、Ｑ２に過大な電圧が印加されにくい構成となっている。これが可能となるのは、送電制御回路２００においてトランスＴ２一次コイルＬｂをＬＣ共振させる必要がないためである。
【００５１】
トランスＴ２一次コイルＬｂの巻き数をＮ１、トランスＴ２二次コイルＬｉの巻き数をＮ２とする。トランスＴ２一次コイルＬｂの交流電流ＩＳが発生させる交流磁界により、トランスＴ２二次コイルＬｉには同相の誘導電流Ｉ１が流れる。結合トランスＴ２は、たとえば、フェライトコアを利用した小型トランス（トロイダル、ＥＥ型、ＥＩ型等）である。等アンペア・ターンの法則により、電流Ｉ１の大きさは、ＩＳ・（Ｎ１／Ｎ２）となる。また、トランスＴ２二次コイルＬｉの電圧Ｖ２とトランスＴ２一次コイルＬｂの電圧Ｖ１の関係は、Ｖ２＝Ｖ１・（Ｎ２／Ｎ１）である。本実施形態においては、Ｎ１＞Ｎ２である。したがって、結合トランスＴ２により電圧Ｖ１は電圧Ｖ２に降圧される。Ｎ１とＮ２の巻き数比を調整することにより、エキサイト回路１１０に供給される電圧Ｖ２を調整できる。このように、交流電源１０６の実効電圧の違いは、スイッチＳＷのオン・オフとＮ１とＮ２の巻き数比により調整できる。
【００５２】
図２は、電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間(以下、「第１期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオン、スイッチングトランジスタＱ２がオフとなる期間である。時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間(以下、「第２期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオフ、スイッチングトランジスタＱ２がオンとなる期間、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間(以下、「第３期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオン、スイッチングトランジスタＱ２がオフとなる期間、時刻ｔ３〜時刻ｔ４の期間(以下、「第４期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオフ、スイッチングトランジスタＱ２がオンとなる期間であるとする。
【００５３】
スイッチングトランジスタＱ１のゲート・ソース電圧ＶＧＳ１が所定の閾値Ｖｘを超えたとき、スイッチングトランジスタＱ１は飽和状態となる。したがって、第１期間の開始タイミングである時刻ｔ０にスイッチングトランジスタＱ１がオン（導通）となると、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１が流れ始める。いいかえれば、正方向（第１電流経路）に電流ＩＳが流れ始める。このとき、トランスＴ２一次コイルＬｂの両端には正方向の電圧Ｖ１が印加される。また、トランスＴ２二次コイルＬｉの両端には正方向の電圧Ｖ２が印加される。Ｎ１＞Ｎ２であるため、Ｖ１＞Ｖ２である。
【００５４】
エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０、受電コイル回路１３０、ロード回路１４０には、それぞれ同相の電流Ｉ１〜Ｉ４が流れ始める。
【００５５】
第２期間の開始タイミングである時刻ｔ１にスイッチングトランジスタＱ１がオフ（非導通）となると、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は流れなくなる。代わりに、スイッチングトランジスタＱ２がオン（導通）となり、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２が流れはじめる。すなわち、負方向（第２電流経路）に電流ＩＳが流れ始める。このとき、トランスＴ２一次コイルＬｂの両端には負方向の電圧Ｖ１が印加される。また、トランスＴ２二次コイルＬｉの両端には負方向の電圧Ｖ２が印加される。第３期間、第４期間以降は、第１期間、第２期間と同様の波形を繰り返す。
【００５６】
図３は、結合トランスＴ２における二次巻線の巻き数と二次電圧Ｖ２の関係を示すグラフである。縦軸は入力電圧Ｖｉｎ（Ｖ）、横軸はトランスＴ２二次コイルＬｉの巻き数Ｎ２（回）を示す。図３に示すグラフは、２０（Ｗ）の交流電力をワイヤレス給電する場合を想定している。また、トランスＴ２一次コイルＬｂの巻き数Ｎ１＝２３（回）であるとする。
【００５７】
入力電圧Ｖｉｎ＝２８２（Ｖ）のときには、Ｎ２＝４（回）となる。上述したように、交流電源１０６の実効電圧が１００（Ｖ）のときにはスイッチＳＷをオンに設定すれば入力電圧Ｖｉｎ＝２８２（Ｖ）となる。このとき、Ｎ２＝４に設定すれば、２０（Ｗ）の交流電力を送電できる。交流電源１０６の実効電圧が２００（Ｖ）のときにはスイッチＳＷをオフ、Ｎ２＝４に設定すればよい。
【００５８】
入力電圧Ｖｉｎ＝１４１（Ｖ）となるときには、Ｎ２＝８（回）となる。交流電源１０６の実効電圧が１００（Ｖ）のときにはスイッチＳＷをオフ、Ｎ２＝８に設定すれば、２０（Ｗ）の交流電力を送電できる。入力電圧Ｖｉｎ＝１６１（Ｖ）となるときには、Ｎ２＝７（回）とすればよい。
【００５９】
図４は、ワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図の変形例である。変形例においては、送電制御回路２００がエキサイト回路１１０を介さずに、直接、給電コイル回路１２０を駆動する。図１と同一の符号を付した構成は、図１で説明した構成と同一または同様の機能を有する。
【００６０】
変形例における給電コイル回路１２０は、給電コイルＬ２、キャパシタＣ２にトランスＴ２二次コイルＬｉが直列接続された回路である。トランスＴ２二次コイルＬｉは、トランスＴ２一次コイルＬｂと共に結合トランスＴ２を形成し、電磁誘導により送電制御回路２００から交流電力を供給される。このように、エキサイト回路１１０を介さず、送電制御回路２００から給電コイル回路１２０に直接交流電力を供給してもよい。
【００６１】
以上、実施形態に基づいてワイヤレス電力伝送システム１００を説明した。第１電流経路において、スイッチングトランジスタＱ１と直列に接続されるのはトランスＴ２一次コイルＬｂのみであるため、ＶＡ（＝Ｖｉｎ／２）＝ＶＤＳ１＋Ｖ１となる。Ｖ１がＶＤＳ１に比べて十分に大きければ、Ｖｉｎが大きい場合でもスイッチングトランジスタＱ１に大電圧が印加されるのを防ぐことができる。第２電流経路についても同様である。
【００６２】
特許文献２の場合には、１次コイルＬ１（トランスＴ２一次コイルＬｂに相当）とコンデンサＣ１を直列共振させるため、この直列回路部分のインピーダンスが小さくなってしまう。この結果、ＭＯＳＦＥＴＱ１等に大きな電圧が印加されてしまう可能性がある。これに対して、送電制御回路２００ではトランスＴ２一次コイルＬｂを共振させる必要がないため、トランスＴ２一次コイルＬｂのインダクタンスによりスイッチングトランジスタＱ１、Ｑ２を保護しやすい構成となっている。
【００６３】
送電制御回路２００では、交流電源１０６の交流電流ＩＲを整流回路１０８により整流し、キャパシタＣ５、Ｃ６をそれぞれ充電している。充電後のキャパシタＣ５、Ｃ６は直流電圧源として機能する。したがって、電源部１０２では交流電源１０６によりキャパシタＣ５、Ｃ６の充電しつつ、制御部１０４ではオシレータ２０２により共振周波数ｆｒの交流電流ＩＳを生成することにより、交流電源１０６の大電圧をそのまま利用しつつ交流電力を送電できる。電源部１０２において、ＡＣアダプタ等により入力電圧を降下させる必要がなくなる。
【００６４】
ＡＣアダプタ等を電源部１０２に設ける場合、ＡＣアダプタの損失が発生してしまう。本実施形態におけるワイヤレス給電装置１１６では商用電源をそのまま交流電源１０６として利用できるため、高効率な電力伝送が可能となる。また、スイッチＳＷにより入力電圧Ｖｉｎを調整できる。更に、結合トランスＴ２の巻き数比により、エキサイト回路１１０への供給電圧を調整できる。このため、さまざまな商用電源の電源電圧に対応したシステム構成が可能となる。
【００６５】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。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合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。
【符号の説明】
【００６６】
１００  ワイヤレス電力伝送システム、１０２  電源部、１０４  制御部、１０６  交流電源、１０８  整流回路、１１０  エキサイト回路、１１６  ワイヤレス給電装置、１１８  ワイヤレス受電装置、１２０  給電コイル回路、１３０  受電コイル回路、１４０  ロード回路、２００  送電制御回路、２０２  オシレータ、Ｄ１〜Ｄ４  ダイオード、ＳＷ  スイッチ、Ｌ１  エキサイトコイル、Ｌ２  給電コイル、Ｌ３  受電コイル、Ｌ４  ロードコイル、ＬＤ  負荷、Ｑ１、Ｑ２  スイッチングトランジスタ。
【図１】
0005577896.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005577896.tif 000004
【図４】
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