(57)【要約】【課題】磁界共鳴を利用して無線で電力を供給する場合でも、幅広い領域で過渡的な電圧の上昇を抑え、電力の伝達効率の向上を図る無線給電装置を提供する。【解決手段】無線給電装置１０は、一対の送電コイル１１と受電コイル１２との間で磁界共鳴を利用して無線で電力を供給する。無線給電装置１０は、高周波生成部２２、整流部３２、２つ以上のスイッチング素子３８、３９、および制御部３３を備える。高周波生成部２２は、送電コイル１１へ高周波の電力を供給する。整流部３２は、２つ以上の整流素子３４、３５を有し、受電コイル１２において送電コイル１１から受け取った高周波の電力を整流する。スイッチング素子３８、３９は、整流素子３４、３５と並列に接続されている。制御部３３は、スイッチング素子３８、３９におけるスイッチングの時期をずらしてスイッチング素子３８、３９を駆動する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の送電コイル（１１）と受電コイル（１２）との間で無線で電力を供給する無線給電装置（１０）であって、
前記送電コイル（１１）へ高周波の電力を供給する高周波生成部（２２）と、
２つ以上の整流素子（３４、３５、６１、６２）を有し、前記受電コイル（１２）において前記送電コイル（１１）から受け取った高周波の電力を整流する整流部（３２）と、
前記整流素子（３４、３５、６１、６２）と並列に接続されている２つ以上のスイッチング素子（３８、３９）と、
２つ以上の前記スイッチング素子（３８、３９）におけるスイッチングの時期をずらして前記スイッチング素子（３８、３９）を駆動する制御部（３３）と、
を備える無線給電装置。
【請求項２】
前記制御部（３３）は、前記整流素子（３４、３５、６１、６２）の出力電流を用いて前記スイッチング素子（３８、３９）のスイッチングの時期を制御する請求項１記載の無線給電装置。
【請求項３】
前記制御部（３３）は、前記整流素子（３４、３５、６１、６２）の出力電流を検出するシャント抵抗（４４）を有する請求項２記載の無線給電装置。
【請求項４】
前記制御部（３３）は、前記整流素子（３４、３５、６１、６２）の出力電流を検出する電流センサ（５１）を有する請求項２記載の無線給電装置。
【請求項５】
前記制御部（３３）は、前記スイッチング素子（３８、３９）におけるスイッチングの時期のずらし量を予め記憶する記憶部（５２）を有し、前記記憶部（５２）に記憶している前記ずらし量に基づいて前記スイッチング素子（３８、３９）のスイッチングの時期を制御する請求項１記載の無線給電装置。
【請求項６】
前記整流部（３２）で整流された電流により充電されるバッテリ（４２）、または前記整流部（３２）で整流された電流によって駆動される負荷の少なくともいずれか一方をさらに備え、
前記制御部（３３）は、前記バッテリ（４２）または前記負荷に印加される電圧に基づいて、前記スイッチング素子（３８、３９）のスイッチングの時期を制御する請求項１記載の無線給電装置。
【請求項７】
前記整流素子（３４、３５、６１、６２）は、前記スイッチング素子（３８、３９）に含まれるボディダイオード（６１、６２）である請求項１から６のいずれか一項記載の無線給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界共鳴を利用して電力を無線で供給する無線給電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高周波の電力を制御する方式としてＰＷＭ制御が知られている。このＰＷＭ制御の場合、スイッチング時に過渡的な応答、すなわち瞬間的に大きな電圧が加わることがある。そこで、特許文献１のように、パルス幅が特定の条件にあるとき、コンデンサに電流を供給することにより、過渡的な応答の低減を図るなどの対策が必要となる。
【０００３】
無線給電装置において、出力変動が発生した場合、送電側と受電側との間のインピーダンス整合が崩れ、電力の伝達効率が低下するという問題がある。これに対し、受電側の整流回路における整流素子と並列にＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を配置することが考えられる。このようにスイッチング素子を配置することにより、整流回路を直接ＰＷＭ制御することができ、出力変動が発生しても、インピーダンス整合の悪化が回避される。
【０００４】
このような構成でも、動作時に瞬間的な大電圧が発生するという課題は解決できない。磁界共鳴を利用する無線給電装置は、高周波で駆動しており、かつ共振を動作原理とした駆動回路を用いている。そのため、特許文献１のような構成を用いても、過渡的な電圧の上昇は低減することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２３１５７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明の目的は、磁界共鳴を利用して無線で電力を供給する場合でも、幅広い領域で過渡的な電圧の上昇を抑え、電力の伝達効率の向上を図る無線給電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】
請求項１記載の発明では、スイッチング素子は、受電コイルによる高周波を整流する整流部の整流素子と並列に接続されている。そして、制御部は、この整流素子と並列に接続されている２つ以上のスイッチング素子のスイッチングの時期をずらして駆動する。このようにスイッチング素子におけるスイッチングの時期をずらすことにより、受電コイルに接続されている整流部における電圧および電流の急激な変化は低減される。そのため、共鳴する送電側の回路においても、電圧の過渡的な増加は低減される。したがって、磁界共鳴を利用して無線で電力を供給する場合でも、幅広い領域で過渡的な電圧の上昇を抑え、電力の伝達効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態による無線給電装置の電気的な構成を示す概略図
【図２】第１実施形態による無線給電装置におけるスイッチング素子のオンおよびオフの時期を示す概略図
【図３】第１実施形態による無線給電装置におけるスイッチング素子のオンおよびオフの時期と電圧との関係を示す概略図
【図４】スイッチング素子を同時にオンしたときの過渡電圧、並びに第１実施形態による無線給電装置の過渡電圧を示す概略図
【図５】第２実施形態による無線給電装置の電気的な構成を示す概略図
【図６】第３実施形態による無線給電装置の電気的な構成を示す概略図
【図７】その他の実施形態による無線給電装置の電気的な構成を示す概略図
【図８】その他の実施形態による無線給電装置の電気的な構成を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、無線給電装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、複数の実施形態において実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
（第１実施形態）
図１に第１実施形態による無線給電装置１０を示す。無線給電装置１０は、一対の送電コイル１１および受電コイル１２を備えている。第１実施形態の無線給電装置１０は、送電コイル１１に高周波の電力を供給することにより、磁界共鳴を利用して受電コイル１２へ無線で電力が伝達される。すなわち、第１実施形態の無線給電装置１０は、磁界共鳴を利用した無線の給電装置である。
【００１０】
送電コイル１１は、送電回路ユニット２０を構成している。送電回路ユニット２０は、送電コイル１１に加え、コンデンサ２１および高周波生成部２２を有している。送電コイル１１は、コンデンサ２１とともにＬＣ回路を構成している。高周波生成部２２は、スイッチング素子２３、スイッチング素子２４、コイル２５、コイル２６、コンデンサ２７およびコンデンサ２８を有するＥ級プッシュプル回路からなるインバータである。高周波生成部２２は、駆動信号出力部２９に接続している。駆動信号出力部２９は、高周波生成部２２のスイッチング素子２３およびスイッチング素子２４に、波長が半波長ずれた駆動信号を出力する。そのため、スイッチング素子２３およびスイッチング素子２４は、半波長ずれた状態で動作する。これにより、送電コイル１１には、スイッチング素子２３およびスイッチング素子２４で生成された高周波の電力が供給される。なお、Ｅ級プッシュプル回路からなるインバータは、高周波生成部２２の一例である。高周波生成部２２は、送電コイル１１に高周波の電力を供給可能であれば、Ｅ級プッシュプル回路のインバータに限らず任意の構成を採用することができる。
【００１１】
受電コイル１２は、受電回路ユニット３０を構成している。受電回路ユニット３０は、受電コイル１２に加え、コンデンサ３１、整流部３２および制御部３３を有している。受電コイル１２は、コンデンサ３１とともにＬＣ回路を構成している。整流部３２は、ダイオード３４、ダイオード３５、コンデンサ３６、コンデンサ３７、スイッチング素子３８およびスイッチング素子３９を有するＥ級プッシュプル回路からなる整流回路である。整流部３２は、コンデンサ４１およびバッテリ４２に接続している。これにより、受電コイル１２により受電した高周波の電力は、整流部３２のダイオード３４およびダイオード３５で整流され、コンデンサ４１に蓄電またはバッテリ４２に充電される。受電回路ユニット３０における整流素子であるダイオード３４とスイッチング素子３８とは、並列に接続されている。同様に、整流素子であるダイオード３５とスイッチング素子３９とは、並列に接続されている。受電回路ユニット３０の整流部３２は、コンデンサ４１およびバッテリ４２に限らず、整流された電力を消費する図示しない外部の負荷に接続してもよい。
【００１２】
制御部３３は、スイッチング素子３８およびスイッチング素子３９を駆動する。制御部３３は、Ａ／Ｄコンバータ４３に接続している。制御部３３は、電源としてのバッテリ４２からＡ／Ｄコンバータ４３を通して電力が供給される。制御部３３は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭで構成されるマイクロコンピュータを有している。制御部３３は、上記の２つのスイッチング素子３８およびスイッチング素子３９へ駆動信号を出力し、スイッチング素子３８およびスイッチング素子３９のスイッチングの時期をずらして駆動する。すなわち、制御部３３は、スイッチング素子３８およびスイッチング素子３８へ位相がずれた駆動信号を出力する。これにより、スイッチング素子３８およびスイッチング素子３９は、制御部３３から出力された駆動信号に基づいて、スイッチングの時期がずらされた状態でスイッチングつまりオンおよびオフする。
【００１３】
第１実施形態の場合、ダイオード３４およびダイオード３５から出力される出力電流Ｉｂを用いてスイッチング素子３８およびスイッチング素子３９のスイッチングの時期を制御する。図１に示す第１実施形態の場合、受電回路ユニット３０は、シャント抵抗４４、計装アンプ４５および比較器４６を有している。制御部３３は、この計装アンプ４５および比較器４６に接続している。シャント抵抗４４は、ダイオード３４およびダイオード３５の出力側においてバッテリ４２までの間に接続されている。計装アンプ４５は、このシャント抵抗４４において、出力電流Ｉｂを電圧波形に変換する。比較器４６は、計装アンプ４５で変換された電圧波形を既定の電圧Ｖｔと比較し、パルス信号として制御部３３へ出力する。制御部３３は、比較器４６から入力されたパルス信号、すなわち出力電流Ｉｂに相関するパルス信号に基づいて、スイッチング素子３８およびスイッチング素子３９を駆動するＰＷＭ信号のパルス幅を決定する。そして、制御部３３は、決定したパルス幅にしたがってＰＷＭ信号を出力し、スイッチング素子３８およびスイッチング素子３９を駆動する。
【００１４】
図２に示すように、スイッチング素子３８およびスイッチング素子３９は、制御部３３から出力されるＰＷＭ信号にしたがってオンおよびオフする。すなわち、スイッチング素子３８およびスイッチング素子３８は、オンとオンとの間がＰＷＭ周期である。このように、制御部３３は、ＰＷＭ信号のデューティ比を制御することにより、バッテリ４２に充電する充電電流ＩＢを、出力電流ＩｂからＩＢ＝２×Ｉｂに制御する。ここで、第１実施形態の場合、スイッチング素子３８がオンされる時期ｔ１と、スイッチング素子３９がオンされる時期ｔ２とは、わずかにずれている。すなわち、制御部３３からスイッチング素子３８およびスイッチング素子３９へ出力されるＰＷＭ信号は、出力電流Ｉｂに基づいてパルス幅が変更される。図２に示す第１実施形態の例では、スイッチング素子３８がオンされた後、スイッチング素子３９がオンされている。なお、当然ながら、スイッチング素子３９がオンされた後に、スイッチング素子３８をオンする構成でもよい。
【００１５】
このように制御部３３から出力されるＰＷＭ信号にしたがってスイッチング素子３８をオンすると、シャント抵抗４４の電圧つまりシャント抵抗４４の両端における電圧Ｖｂは図３に示すように変化する。すなわち、シャント抵抗４４の電圧Ｖｂは、スイッチング素子３８のオンによって一旦低下した後、大きく上昇する。比較器４６に入力される既定の電圧Ｖｔは、過渡応答周期の１／４〜１／３周器をとらえるように設定することにより、過渡周期が低減される。
【００１６】
図４は、図１に示す回路において出力電力を２５０Ｗとしたシミュレーション例である。図４から明らかなように、スイッチング素子３８とスイッチング素子３９とを同時にオンすると、過渡電圧は２５０Ｖを超えて２６０Ｖ程度となる。これに対し、第１実施形態のようにスイッチング素子３８とスイッチング素子３９とをずらしてオンすることにより、過渡電圧は７０Ｖ程度まで低減される。このように、スイッチング素子３８およびスイッチング素子３９をオンする時期をずらす第１実施形態は、過渡電圧の低減に効果的であることがわかる。
【００１７】
第１実施形態では、スイッチング素子３８は、受電コイル１２で受電した高周波を整流する整流部３２の整流素子であるダイオード３４と並列に接続されている。同様に、スイッチング素子３９は、受電コイル１２で受電した高周波を整流するダイオード３５と並列に接続されている。そして、制御部３３は、スイッチング素子３８のスイッチングの時期とスイッチング素子３９のスイッチングの時期とをずらして駆動する。このようにスイッチング素子３８とスイッチング素子３９におけるスイッチングの時期をずらすことにより、受電コイル１２に接続されている整流部３２における電圧および電流の急激な変化は低減される。そのため、共鳴する送電側の回路である送電回路ユニット２０においても、電圧の過渡的な増加は低減される。したがって、磁界共鳴を利用して無線で電力を供給する場合でも、幅広い領域で過渡的な電圧の上昇を抑え、電力の伝達効率の向上を図ることができる。
【００１８】
第１実施形態では、シャント抵抗４４および計装アンプ４５を用いて整流部３２おいて整流された電流は、電圧の波形に変換され、比較器４６において既定の電圧Ｖｔと比較される。制御部３３は、この既定の電圧Ｖｔに基づくＰＷＭ信号を駆動信号として生成して、スイッチング素子３８およびスイッチング素子３９へ出力する。このように、第１実施形態の場合、スイッチング素子３８およびスイッチング素子３９のオンの時期は、シャント抵抗４４における整流部３２からの出力電流Ｉｂを用いて設定される。したがって、シャント抵抗４４の挿入という簡単な構成でスイッチング素子３８およびスイッチング素子３９のオンの時期を容易に設定することができる。
【００１９】
（第２、第３実施形態）
第２実施形態による無線給電装置を図５に示す。
第２実施形態の場合、無線給電装置１０の制御部３３は、ダイオード３４およびダイオード３５から出力される出力電流Ｉｂを検出する電流センサ５１を有している。すなわち、第２実施形態の場合、制御部３３は、出力電流Ｉｂを電流センサ５１によって検出している。このように、制御部３３は、出力電流Ｉｂを電流センサ５１で検出してもよい。制御部３３は、電流センサ５１で検出した電流波形に基づく電圧を用いて、スイッチング素子３８およびスイッチング素子３９を駆動するためのＰＷＭ信号を出力する。
第２実施形態でも、第１実施形態と同様に簡単な構成でスイッチング素子３８およびスイッチング素子３９のオンの時期を容易に設定することができる。
【００２０】
第３実施形態による無線給電装置を図６に示す。
第３実施形態の場合、制御部３３は記憶部５２を有している。記憶部５２は、スイッチング素子３８とスイッチング素子３９とのオンの時期のずれを記憶している。この場合、記憶部５２は、スイッチング素子３８のオンの時期とスイッチング素子３９のオンの時期とのずれを、時間的な要素として記憶している。また、制御部３３は、記憶部５２に一定のずれを記憶し、タイマーを用いて常に一定のずれが生じるようにしてもよい。すなわち、記憶部５２は、制御部３３に設けられた記憶媒体でもよく、タイマーであってもよい。このような第３実施形態の場合、スイッチング素子３８のオンの時期とスイッチング素子３９のオンの時期とのずれは、既定の一定値として設定されている。
【００２１】
第３実施形態の場合、常に変動する負荷に用いると負荷の変動に対する無線給電装置１０の追従性が高くないものの、無線給電装置１０に接続される負荷が一定負荷であれば、過渡的な電圧の変化を低減することができる。このような第３実施形態では、一定負荷の無線給電装置１０において、出力電流Ｉｂを検出するための構成が不要となり、より簡単な構成で過渡的な電圧の変化を低減し、電力の伝達効率の向上を図ることができる。
【００２２】
（その他の実施形態）
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。
例えば図７に示すように、無線給電装置１０は、整流素子として、第１位実施形態におけるダイオード３４に代えてスイッチング素子３８に含まれるボディダイオード６１を用いてもよい。同様に、無線給電装置１０は、整流素子として、第１実施形態におけるダイオード３５に代えてスイッチング素子３９に含まれるボディダイオード６２を用いてもよい。制御部３３は、このスイッチング素子３８のボディダイオード６１およびスイッチング素子３９のボディダイオード６２から出力される出力電流Ｉｂを用いてスイッチング素子３８およびスイッチング素子３９をオンする時期を設定してもよい。
【００２３】
また、無線給電装置１０は、図８に示すように第１実施形態におけるＡＤコンバータ４３を除いてもよい。すなわち、図８に示す無線給電装置１０の場合、バッテリ４２の電圧Ｖｂを用いたＰＷＭ制御を行なわなくてもよい。このように図８に示す無線給電装置１０であっても、幅広い領域で過渡的な電圧の上昇を抑え、電力の伝達効率の向上を図ることができる。
【００２４】
さらに、制御部３３は、ダイオード３４およびダイオード３５から出力される出力電流Ｉｂに基づく電圧波形に代えて、バッテリ４２や図示しない負荷に印加される電圧に基づいてスイッチング素子３８およびスイッチング素子３９を駆動する構成としてもよい。この場合、制御部３３は、バッテリ４２や図示しない負荷における電圧を検出する電圧センサに接続される。
【００２５】
これらの複数の実施形態およびその他の実施形態は、個別に適用するだけでなく、複数を組み合わせて無線給電装置１０に適用することができる。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
【符号の説明】
【００２６】
図面中、１０は無線給電装置、１１は送電コイル、１２は受電コイル、２２は高周波生成部、３２は整流部、３３は制御部、３４、３５はダイオード（整流素子）、３８、３９はスイッチング素子、４２はバッテリ、４４はシャント抵抗、５１は電流センサ、５２は記憶部、６１、６２はボディダイオード（整流素子）を示す。
【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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