(57)【要約】【課題】装置内の素子の破損を防止できるワイヤレス給電装置および該ワイヤレス給電装置を使用したワイヤレス電力伝送装置を提供すること。【解決手段】ワイヤレス給電装置１００は、複数のスイッチング素子よりなるブリッジ型回路２０と、給電コイルＬ１とコンデンサＣ１の直列回路よりなるＬＣ共振回路３０と、を含むワイヤレス給電装置１００において、ブリッジ型回路２０とＬＣ共振回路３０との間に、直列接続されるコンデンサ４０を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスイッチング素子よりなるブリッジ型回路と、給電コイルとコンデンサの直列回路よりなるＬＣ共振回路と、を含むワイヤレス給電装置において、前記ブリッジ型回路と前記ＬＣ共振回路との間に、直列接続されるコンデンサを備えたワイヤレス給電装置。
【請求項２】
前記ＬＣ共振回路を構成するコンデンサの容量値をＣ１とし、前記ブリッジ型回路と前記ＬＣ共振回路との間に直列接続されるコンデンサの容量値をＣ０としたとき、容量比Ｃ０／Ｃ１が１０以上である請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項３】
前記ブリッジ型回路と前記ＬＣ共振回路との間に、直列接続されるリアクトルを備えた請求項１または２に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項４】
ワイヤレス給電装置と、これと離間して配置されたワイヤレス受電装置よりなるワイヤレス電力伝送装置において、前記ワイヤレス給電装置は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のワイヤレス電力伝送装置。
【請求項５】
前記ワイヤレス受電装置は、受電コイルとコンデンサよりなる受電ＬＣ共振回路と、ダイオードおよびコンデンサよりなる整流回路を有する負荷回路と、を備え、
前記受電ＬＣ共振回路と前記負荷回路との間に、直列接続されるリアクトルを備えた請求項４に記載のワイヤレス電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレス給電装置及びワイヤレス電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スマートフォンに代表される携帯型端末や、ノートブック型パーソナルコンピュータの普及に伴い、これら携帯機器に非接触で電力を供給できるワイヤレス電力伝送装置の開発が活発である。この種のものとして、電磁誘導方式を用いたものが一部実用化されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、電力送信機として、電力送信用コイルと、この電力送信用コイルと直列に接続されたコンデンサとからなる直列共振回路と、直流を交流に変換して直列共振回路を駆動するためのフルブリッジ回路を含み、電力受信機として、電力送信機の電力送信用コイルと磁気結合される電力受信用コイル（平面コイル）と、この電力受信用のコイルの両端に並列に接続されたコンデンサからなる並列共振回路を含む電力伝送装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１４１３９号公報
【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、特許文献１に開示される技術のように、高周波電源として例えばフルブリッジ型の電源回路を用いると、フルブリッジ型回路を構成するスイッチング素子のスイッチング特性ばらつきによって、高周波電源の出力電圧は正負非対称となる。そのため、スイッチング素子にかかる負荷に偏りが発生し、フルブリッジ型回路を構成するスイッチング素子が破損してしまう場合もあり、実用上問題である。
【０００６】
よって、本発明の目的は、装置内の素子の破損を防止できるワイヤレス給電装置および該ワイヤレス給電装置を使用したワイヤレス電力伝送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係るワイヤレス給電装置は、複数のスイッチング素子よりなるブリッジ型回路と、給電コイルとコンデンサの直列回路よりなるＬＣ共振回路と、を含むワイヤレス給電装置において、ブリッジ型回路とＬＣ共振回路との間に、直列接続されるコンデンサを備えたワイヤレス給電装置である。
【０００８】
このような構成とすることにより、スイッチング素子の特性ばらつきによるブリッジ回路の出力電圧の正負非対称性を改善することができる。その結果、装置内の素子の破損を防止することができる。
【０００９】
好ましくは、ＬＣ共振回路を構成するコンデンサの容量値をＣ１とし、ブリッジ型回路とＬＣ共振回路との間に直列接続されるコンデンサの容量値をＣ０としたとき、容量比Ｃ０／Ｃ１が１０以上である。こうすることにより、コンデンサ容量Ｃ０を挿入しても、ＬＣ共振回路の共振周波数変化を５％以内に抑えることができ、本発明に係るワイヤレス給電装置を用いたワイヤレス電力伝送装置の伝送効率を高く維持することができる。
【００１０】
好ましくは、ブリッジ型回路とＬＣ共振回路との間に、直列接続されるリアクトルを備える。このように、ブリッジ型回路とＬＣ共振回路との間にリアクトルを挿入することにより、ブリッジ型回路の複数のスイッチング素子がスイッチングする際に、スイッチング素子に流れる電流の向きを正の方向にすることができ、ノイズの発生を低減できるという利点がある。また、共振周波数付近では電流が流れ易くなるので、不要なサージ電流を抑制する効果もある。
【００１１】
本発明に係るワイヤレス電力伝送装置は、ワイヤレス給電装置と、これと離間して配置されたワイヤレス受電装置よりなるワイヤレス電力伝送装置において、ワイヤレス給電装置は、上記記載のものである。この場合、装置内の素子の破損を防止することができるワイヤレス電力伝送装置を得ることができる。
【００１２】
好ましくは、ワイヤレス受電装置は、受電コイルとコンデンサよりなる受電ＬＣ共振回路と、ダイオードおよびコンデンサよりなる整流回路を有する負荷回路と、を備え、受電ＬＣ共振回路と負荷回路との間に、直列接続されるリアクトルを備える。このように、受電ＬＣ共振回路と負荷回路で構成されるダイオードおよびコンデンサから成る整流回路との間にリアクトルを挿入することにより、この整流回路のコンデンサに流れるリップル電流を軽減できる利点がある。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、装置内の素子の破損を防止できるワイヤレス給電装置および該ワイヤレス給電装置を用いたワイヤレス電力伝送装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るワイヤレス給電装置の第１の実施形態を説明する概略回路図である。
【図２】本発明に係るワイヤレス給電装置の第２の実施形態を説明する概略回路図である。
【図３】本発明に係るワイヤレス給電装置の第２の実施形態の変形例を説明する概略回路図である。
【図４】本発明に係るワイヤレス給電装置の作用を説明するための特性図である。
【図５】共振周波数変化の割合を示した図である。
【図６】本発明に係るワイヤレス伝送装置を説明する概略回路図である。
【図７】本発明に係るワイヤレス伝送装置の変形例を説明する概略回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る第１の実施形態によるワイヤレス給電装置１００を説明する概略回路図である。
【００１７】
図１において、１０は直流電源であり、２０は４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４よりなるフルブリッジ型回路である。直流電源１０により供給される直流電圧が、フルブリッジ型回路２０により高周波電圧へと変換され、給電共振回路側へと供給される。給電コイルＬ１にはコンデンサＣ１が直列接続されＬＣ共振回路３０を構成する。フルブリッジ型回路２０からＬＣ共振回路３０へと接続される線路上にはコンデンサ４０（Ｃ０）が直列に接続されている。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には、ＭＯＳＦＥＴ半導体素子を用いたが、特にこれに限定されない。ＭＯＳＦＥＴ半導体素子には、スイッチング時間やＯＮ抵抗のばらつきなどの、スイッチング特性のばらつきがあり、本実施例のようなブリッジ型回路を構成すると、高周波電圧が非対称、すなわち、正負電圧半周期時間、もしくは正負電圧振幅が非対称となり易いが、本発明では、この非対称を高周波電源であるフルブリッジ型回路２０とＬＣ共振回路３０との間に直列接続したコンデンサ４０（Ｃ０）により解消させる。
【００１８】
ＬＣ共振回路３０の共振周波数は、本実施形態では７５ｋＨｚとしたが、この共振周波数は、用途に応じ適宜設定されるべきものである。本実施形態においては、ＬＣ共振回路の共振コイルＬ１は、インダクタンス値を９２ｕＨとし、直列コンデンサＣ１は大電力を通過させる観点から温度特性の良いセラミックコンデンサを用い、その容量値は７２．６ｎＦとした。
【００１９】
フルブリッジ型回路２０とＬＣ共振回路３０との間に直列接続するコンデンサ４０は、大電力用途および低損失の観点からフィルムコンデンサを用い、その容量値は、ＬＣ共振回路のコンデンサＣ１との比で、Ｃ０／Ｃ１＝１００となるように設定した。このとき、コンデンサ４０を挿入してもＬＣ共振回路３０の共振周波数は殆ど変化しないこと、よって電力伝送効率の劣化をきたさないことを確認した。本実施形態では、フルブリッジ型回路２０とＬＣ共振回路３０との間に直列に挿入されるコンデンサ４０を、上記のようにフィルムコンデンサとしたが、本発明はこれに限定されない。
【００２０】
［第２の実施形態］
図２は、本発明に係る第２の実施形態によるワイヤレス給電装置１１０を説明する概略回路図である。
【００２１】
直流電源１０、フルブリッジ型回路２０およびＬＣ共振回路３０の構成は、第１の実施形態と同一とした。第２の実施形態においては、フルブリッジ型回路２０とＬＣ共振回路３０との間に直列接続されるコンデンサ４０の位置を、第１の実施形態における接続線上とは異なる他方の接続線上とした。このように構成しても、第１の実施形態と同様の効果が得られることを確認した。
【００２２】
［第２の実施形態の変形例］
図３は、本発明に係る第２の実施形態の変形例であるワイヤレス給電装置１１１を説明する概略回路図である。
【００２３】
直流電源１０、フルブリッジ型回路２０、ＬＣ共振回路３０およびフルブリッジ型回路２０とＬＣ共振回路３０との間に直列接続されるコンデンサ４０の構成は、第２の実施形態と同一である。ここでは、コンデンサ４０とＬＣ共振回路３０との間に、さらに直列接続されるリアクトル５０を挿入したことが、上記第２の実施形態とは異なる構成となっている。リアクトル５０は、フェライトなどの磁性体コアを有する。このように、フルブリッジ型回路２０とＬＣ共振回路３０との間にリアクトル５０を挿入することにより、フルブリッジ型回路２０のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４がスイッチングする際に、スイッチング素子Ｑに流れる電流の向きを正の方向にすることができ、ノイズの発生を低減できるという利点がある。また、共振周波数付近では電流が流れ易くなるので、不要なサージ電流を抑制する効果もある。
【００２４】
一方、高周波電源であるフルブリッジ型回路２０の出力に、磁気回路素子であるリアクトル５０を挿入すると、フルブリッジ型回路を構成するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング特性ばらつき、即ちスイッチング時間あるいはＯＮ抵抗などのばらつきにより、リアクトル５０を非対称電流で励磁してしまい、よって一方側の電流値が過度に増加し、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が破損してしまう可能性がある。ところが、本発明に係る実施形態では、フルブリッジ型回路２０とリアクトル５０（ＬＣ共振回路３０）との間に直列にコンデンサ４０を接続しているので、この高周波電圧の非対称が解消され、よってスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が保護される。
【００２５】
また、非対称の高周波電圧でＬＣ共振回路３０を駆動した場合は、励磁電流が増大し、或いは電圧波形に歪が生じ、高調波ノイズが増えるが、フルブリッジ型回路２０とリアクトル５０（ＬＣ共振回路３０）との間に直列にコンデンサ４０を接続しているので、この高調波電圧の非対称が解消され、高調波ノイズの増加を抑制することができる。
【００２６】
ここで、コンデンサ容量比Ｃ０／Ｃ１による共振周波数の変化について詳細に説明する。図４は、本発明に係る第２の実施形態の変形例において、コンデンサ容量比Ｃ０／Ｃ１が２、１０、２０、３０、５０、１００となるように設定した場合の共振周波数に対するリアクタンスの特性図である。なお、Ｃ０＝ＳＨＯＲＴはコンデンサ４０が接続されていないときの特性である。図５は、本発明に係る第２実施形態の変形例において、リアクタンスが０であるコンデンサが接続されていないときの周波数に対する容量比ごとの共振周波数変化の割合を示した図である。
【００２７】
図４に示されるように、コンデンサ容量比Ｃ０／Ｃ１が１０、２０、３０、５０、１００となるようにコンデンサ４０（Ｃ０）の容量値を変化させると、コンデンサ４０が接続されていないとき（Ｃ０＝ＳＨＯＲＴ）の周波数に、限りなく近づくことが解る。このように、コンデンサ容量比Ｃ０／Ｃ１が１０、２０、３０、５０、１００の場合は、図５に示されるように、ＬＣ共振回路の共振周波数変化を５％以内に抑えることができる。すなわち、ＬＣ共振回路３０の共振周波数変化は僅かであり、受電側共振回路と組み合わせた場合、ワイヤレス電力伝送が効率良く行われる。
【００２８】
一方、コンデンサ容量比Ｃ０／Ｃ１が２となるようにコンデンサ４０（Ｃ０）の容量値を変化させると、コンデンサ４０が接続されていないとき（Ｃ０＝ＳＨＯＲＴ）の周波数に対して、著しく変化してしまう。すなわち、コンデンサ容量比Ｃ０／Ｃ１が２の場合は、図５に示されるように、ＬＣ共振回路の共振周波数変化が５％を超えるため、受電共振回路と組み合わせた場合、ワイヤレス電力伝送の効率が著しく劣化してしまうこととなる。
【００２９】
［第３の実施形態］
図６は、第３の実施形態である本発明に係るワイヤレス給電装置１１１を用いたワイヤレス電力伝送装置２００を説明する概略回路図である。
【００３０】
ワイヤレス電力伝送装置２００における、ワイヤレス給電装置１１１の構成は前述と同様である。ワイヤレス電力伝送装置２００におけるワイヤレス受電装置１２０は、受電ＬＣ共振回路６０と負荷回路７０とを含む。受電ＬＣ共振回路６０は、受電コイルＬ２とこれに並列接続されるコンデンサＣ２と、さらには受電コイルＬ２とコンデンサＣ２の並列回路に直列に接続されるコンデンサＣ３よりなる。負荷回路７０は、受電ＬＣ共振回路６０に接続される。負荷回路７０は、例えばダイオードおよびコンデンサから成る整流回路と二次電池及びその充電回路などである。
【００３１】
［第３の実施形態の変形例］
図７は、本発明に係る第３の実施形態の変形例であるワイヤレス受電装置１２１を用いたワイヤレス電力伝送装置２１０を説明する概略回路図である。
【００３２】
ワイヤレス電力伝送装置２１０における、ワイヤレス給電装置１１１の構成は前述と同様である。また、受電コイルＬ２とこれに並列接続されるコンデンサＣ２と、さらには受電コイルＬ２とコンデンサＣ２の並列回路に直列に接続されるコンデンサＣ３の構成は第３の実施形態と同一である。ここでは、受電ＬＣ共振回路６０と負荷回路７０との間に、さらに直列接続されるリアクトル８０を挿入したことが、上記第３の実施形態とは異なる構成となっている。このように、受電ＬＣ共振回路６０と負荷回路７０で構成されるダイオードおよびコンデンサから成る整流回路との間にリアクトル８０を挿入することにより、この整流回路のコンデンサに流れるリップル電流を軽減できる利点がある。
【００３３】
図７に示すワイヤレス電力伝送装置においては、ワイヤレス給電装置として高周波電源であるフルブリッジ型回路２０と給電コイルＬ１を含むＬＣ共振回路との間に直列にコンデンサ４０を接続させているので、長時間の使用においても、ＬＣ共振回路３０の共振周波数の変化もなく、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の破損もないので、高効率で安定したワイヤレス電力伝送が可能となる。
【００３４】
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、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。
【００３５】
例えば、給電コイルから受電コイルへの電力伝送手段としては、いかなる方式にも適用可能である。すなわち、給電コイルが電磁誘導によって電力を送電し、受電コイルが電磁誘導によって給電コイルからの電力を受電する方式であってもよい。また、給電コイルが磁界共鳴によって電力を送電し、受電コイルが磁界共鳴によって給電コイルからの電力を受電する方式であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明に係るワイヤレス給電装置およびワイヤレス電力伝送装置は、携帯端末等のワイヤレス充電あるいは電気自動車等へのワイヤレス充電に適用できる。
【符号の説明】
【００３７】
１０    直流電源
２０    フルブリッジ型回路
３０    ＬＣ共振回路
４０    コンデンサ
５０    リアクトル
６０    受電ＬＣ共振回路
７０    負荷回路
８０    リアクトル
１００、１１０、１１１    ワイヤレス給電装置
１２０、１２１    ワイヤレス受電装置
２００、２１０    ワイヤレス電力伝送装置
【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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