(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力を無線でリモート装置に供給する無線電源システムであって、
コントローラと、
前記コントローラに電気的に接続された第１ハーフブリッジ回路と、
前記コントローラに電気的に接続された第２ハーフブリッジ回路と、
を備え、
前記第１ハーフブリッジ回路及び前記第２ハーフブリッジ回路は、一次コイル及びコンデンサを含むタンク回路に電気的に接続され、
前記コントローラは、前記第１ハーフブリッジ回路及び前記第２ハーフブリッジ回路を制御することにより、動作の際に前記無線電源システムを複数の異なるブリッジトポロジーの間において選択的に構成し、
前記コントローラは、前記第１ハーフブリッジ回路及び前記第２ハーフブリッジ回路の少なくとも一方の特性を調節することにより、前記複数の異なるブリッジトポロジーの各々において前記リモート装置に供給される電力の量の微細調整を行う前記無線電源システムを選択的に構成する無線電源システム。
【請求項２】
前記特性の調節の決定は、選択したブリッジトポロジーに基づいて変化する請求項１に記載の無線電源システム。
【請求項３】
前記第１ハーフブリッジ回路及び前記第２ハーフブリッジ回路の少なくとも一方の特性は、前記第１ハーフブリッジ回路及び前記第２ハーフブリッジ回路の少なくとも一方の動作周波数、レール電圧、デューティサイクル及び位相の少なくとも一つを含む請求項１に記載の無線電源システム。
【請求項４】
前記異なるブリッジトポロジーは、フルブリッジと、ハーフブリッジと、を含む請求項１に記載の無線電源システム。
【請求項５】
前記コントローラは、前記無線電源システムに近接して配置されるとともに電力を所望するリモート装置に応答して、前記無線電源システムを複数の異なるブリッジトポロジーの間において選択的に構成する請求項１に記載の無線電源システム。
【請求項６】
電力を無線でリモート装置に供給する無線電源であって、
一次インダクタ及びコンデンサを含むタンク回路であって、前記タンク回路は、第１端子及び第２端子を有するタンク回路と、
第１ノードを第１電圧源に選択的に結合する第１スイッチと、前記第１ノードを第１基準電圧に選択的に結合する第２スイッチと、を含む第１インバータであって、前記第１ノードは、前記タンク回路の前記第１端子に電気的に接続されている、第１インバータと、
第２ノードを第２電圧源に選択的に結合する第１スイッチと、前記第２ノードを第２基準電圧に選択的に結合する第２スイッチと、を含む第２インバータであって、前記第２ノードは、前記タンク回路の前記第２端子に電気的に接続されている、第２インバータと、
前記第１インバータの前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを制御することにより、且つ、前記第２インバータの前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを制御することにより、前記無線電源を複数の異なるブリッジトポロジーの間において構成するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記第１インバータ及び前記第２インバータの少なくとも一方の特性を調節することにより、前記複数の異なるブリッジトポロジーの各々において前記リモート装置に供給される電力の量の微細調整を行う前記無線電源を選択的に構成する無線電源。
【請求項７】
前記第１ノードは、一つ以上のコンデンサを通じて前記タンク回路の前記第１端子に電気的に接続されており、前記第２ノードは、一つ以上のコンデンサを通じて前記タンク回路の前記第２端子に電気的に接続されている請求項６に記載の無線電源。
【請求項８】
前記第１電圧源及び前記第２電圧源は、同一の電圧源である請求項６に記載の無線電源。
【請求項９】
前記特性の調節の決定は、選択したブリッジトポロジーに基づいて変化する請求項６に記載の無線電源。
【請求項１０】
前記特性は、前記第１インバータ及び前記第２インバータの少なくとも一方の動作周波数、レール電圧、デューティサイクル及び位相の少なくとも一つを含む請求項６に記載の無線電源。
【請求項１１】
前記異なるブリッジトポロジーは、フルブリッジと、ハーフブリッジと、を含む請求項６に記載の無線電源。
【請求項１２】
前記コントローラは、前記無線電源に近接して配置されるとともに電力を所望するリモート装置に応答して、前記無線電源を複数の異なるブリッジトポロジーの間において選択的に構成する請求項６に記載の無線電源。
【請求項１３】
前記コントローラは、
前記第１インバータの前記第１スイッチ及び前記第１インバータの前記第２スイッチを交互に動作させることによって前記コントローラが前記第１インバータをスイッチング回路として駆動することにより、且つ、
前記第２インバータの前記第１スイッチを開路状態で駆動すると共に前記第２インバータの前記第２スイッチを閉路状態で駆動することによって前記コントローラが前記第２インバータをＤＣ基準として動作させることにより、
前記無線電源をフルブリッジに構成する請求項６に記載の無線電源。
【請求項１４】
前記コントローラは、
前記第１インバータの前記第１スイッチ及び前記第１インバータの前記第２スイッチを交互に動作させることによって前記コントローラが前記第１インバータをスイッチング回路として駆動することにより、且つ、
前記第２インバータの前記第１スイッチを開路状態で駆動すると共に前記第２インバータの前記第２スイッチを閉路状態で駆動することによって前記コントローラが前記第２インバータをＤＣ基準として動作させることにより、
前記無線電源をハーフブリッジに構成する請求項６に記載の無線電源。
【請求項１５】
電力を無線でリモート装置に供給する無線電源システムであって、
コントローラと、
前記コントローラに電気的に接続された第１ハーフブリッジ回路と、
前記コントローラに電気的に接続された第２ハーフブリッジ回路と、
を備え、
前記第１ハーフブリッジ回路及び前記第２ハーフブリッジ回路は、一次コイル及びコンデンサを含むタンク回路に電気的に接続されており、
前記コントローラは、前記第１ハーフブリッジ回路及び前記第２ハーフブリッジ回路を制御することにより、前記無線電源システムをハーフブリッジトポロジーとフルブリッジトポロジーの間において選択的に構成し、
前記コントローラは、第１の特性を調節することにより、前記ハーフブリッジトポロジーにおける構成の間に前記リモート装置に供給される電力の量の微細調整を選択的に行い、
前記コントローラは、第２の特性を調節することにより、前記フルブリッジトポロジーにおける構成の間に前記リモート装置に供給される電力の量の微細調整を選択的に行う無線電源システム。
【請求項１６】
前記第１の特性は、前記第１ハーフブリッジ回路及び前記第２ハーフブリッジ回路の少なくとも一方の動作周波数、レール電圧、デューティサイクル及び位相の少なくとも一つを含み、前記第２の特性は、前記第１ハーフブリッジ回路及び前記第２ハーフブリッジ回路の少なくとも一方の動作周波数、レール電圧、デューティサイクル及び位相の少なくとも一つを含む請求項１５に記載の無線電源システム。
【請求項１７】
前記コントローラは、デューティサイクル及び動作周波数の少なくとも一方を調節することにより、前記ハーフブリッジトポロジーにおける構成の間に前記リモート装置に供給される電力の量の微細調整を選択的に行い、前記コントローラは、デューティサイクル及び動作周波数の少なくとも一方を調節することにより、前記フルブリッジトポロジーにおける構成の間に前記リモート装置に供給される電力の量の微細調整を選択的に行う請求項１５に記載の無線電源システム。
【請求項１８】
前記コントローラは、動作周波数を調節することにより、前記ハーフブリッジトポロジーにおける構成の間に前記リモート装置に供給される電力の量の微細調整を選択的に行い、前記コントローラは、デューティサイクルを調節することにより、前記フルブリッジトポロジーにおける構成の間に前記リモート装置に供給される電力の量の微細調整を選択的に行う請求項１５に記載の無線電源システム。
【請求項１９】
前記コントローラは、動作周波数を調節することにより、前記ハーフブリッジトポロジーにおける構成の間に前記リモート装置に供給される電力の量の微細調整を選択的に行い、前記コントローラは、位相を調節することにより、前記フルブリッジトポロジーにおける構成の間に前記リモート装置に供給される電力の量の微細調整を選択的に行う請求項１５に記載の無線電源システム。
【請求項２０】
前記コントローラは、前記無線電源システムに近接して配置されるとともに電力を所望するリモート装置に応答して、前記無線電源システムを異なるブリッジトポロジー対して選択的に構成する請求項１５に記載の無線電源システム。
【請求項２１】
前記第１の特性の調節の段階サイズは、前記第２の特性の調節の段階サイズの決定と異なる請求項１５に記載の無線電源システム。
【請求項２２】
前記第１ハーフブリッジ回路及び前記第２ハーフブリッジ回路はそれぞれ、少なくとも一つのコンデンサを通じて前記一次コイルに電気的に接続されている請求項１５に記載の無線電源システム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
いくつかの電源は、ＡＣ電力をインバータブリッジに跨って印加することによって動作している。ハーフブリッジトポロジーとフルブリッジトポロジーが、例示用の２つのブリッジトポロジーである。
【０００２】
図１には、ハーフブリッジトポロジーが誘導型電源システムの一部分として示されている。ハーフブリッジトポロジーは、コントローラ１０２と、タンク回路１０４と、インバータ１０６と、を含む。インバータ１０６は、スイッチの、即ち、電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）の、ペアとして実装される。コントローラ１０２は、ＤＣ電圧源（Ｖ＋）又は基準電圧（接地）をタンク回路１０４に選択的に結合するために両方のスイッチに電気的に接続されている。動作の際には、スイッチのタイミングにより、生成されるＡＣ信号の様々な特性が決定される。
【０００３】
図２には、フルブリッジトポロジーが誘導型電源システムの一部分として示されている。フルブリッジトポロジーは、コントローラ２０２と、タンク回路２０４と、２つのインバータ２０６、２０７と、を含む。それぞれのインバータは、スイッチの、即ち、ＦＥＴの、ペアによって実装される。コントローラは、ＤＣ電圧源（Ｖ＋）又は基準電圧（接地）をタンク回路に選択的に結合するために、すべてのスイッチに電気的に結合されている。動作の際には、スイッチのタイミングにより、生成されるＡＣ信号の様々な特性が決定される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
動作の際に複数の異なるブリッジトポロジーを提供するように、マルチブリッジトポロジーを有する電源を構成することができる。電源は、コントローラと、コントローラに電気的に接続された第１ハーフブリッジ回路と、コントローラに電気的に結合された第２ハーフブリッジ回路と、を含む。コントローラは、第１ハーフブリッジ回路内のスイッチ及び第２ハーフブリッジ回路内のスイッチを制御することにより、電源を複数の異なるブリッジトポロジーの間において選択的に構成することができる。
【０００５】
動作の際にコントローラによって構成することができるトポロジーは、ハーフブリッジ回路が電気的に接続されている方式によって左右される。一実施形態においては、第１ハーフブリッジ回路は、第１コンデンサを通じて一次コイルの第１端子に電気的に接続されており、且つ、第２ハーフブリッジ回路は、第２コンデンサを通じて一次インダクタの第１端子に電気的に接続されている。この実施形態においては、電源のコントローラは、スイッチの駆動方式を変更することにより、マルチブリッジトポロジーをハーフブリッジとして又は容量性ディバイダを有するハーフブリッジとして動作させることができる。
【０００６】
別の実施形態においては、第１ハーフブリッジ回路は、第１コンデンサを通じて一次インダクタの第１端子に電気的に結合されており、且つ、第２ハーフブリッジ回路は、一次インダクタの第２端子に電気的に接続されている。この実施形態においては、電源のコントローラは、マルチブリッジトポロジーをフルブリッジ又はハーフブリッジとして動作させることができる。
【０００７】
コントローラは、スイッチング回路として、ＤＣ源として、基準電圧として、又は開路としてそれぞれを駆動することにより、第１ハーフブリッジ回路及び第２ハーフブリッジ回路を制御することができる。それぞれのハーフブリッジ回路のスイッチが駆動される方式により、ブリッジトポロジーが決定される。従って、動作の際にコントローラがスイッチを駆動する方式を変更することにより、動作の際にブリッジトポロジーを変更することができる。
【０００８】
更なるハーフブリッジ回路により、切り替え対象の更なるブリッジトポロジーが利用可能となる。一実施形態においては、電源は、コントローラに電気的に接続された第３ハーフブリッジ回路を含む。コントローラは、第１ハーフブリッジ回路、第２ハーフブリッジ回路、及び第３ハーフブリッジ回路を制御することにより、動作の際に電源を複数の異なるブリッジトポロジーの間において選択的に構成することができる。
【０００９】
一実施形態においては、コントローラは、共振周波数を調節するように、ハーフブリッジ回路を選択的に構成することができる。コンデンサの静電容量とハーフブリッジ回路の駆動方式に応じて、コンデンサは、電源に対して異なる効果を有することができる。２つのハーフブリッジ回路が、いずれも、コンデンサを通じて一次インダクタの端子に電気的に接続されている場合に、２つのハーフブリッジ回路が互いに同相でスイッチング回路として駆動されると、コンデンサは、基本的に並列接続状態となる。ハーフブリッジ回路の一方が基準電圧として駆動され、且つ、他方がスイッチング回路として駆動された場合には、基準電圧として駆動されているハーフブリッジに電気的に接続されたコンデンサは、電圧ディバイダとして機能することになる。又、利用可能な様々なブリッジトポロジーは、コンデンサがバランスしているのか又はバランスしていないのかに応じても変化する。バランスしたコンデンサは、共通共振周波数を有する更なるブリッジトポロジーを提供する。バランスしていないコンデンサは、異なる共振周波数を有する更なるブリッジトポロジーを提供する。構成されたタンク回路の共振周波数を調節するために、他の回路部品を同様に使用してもよい。例えば、これらの部品は、コンデンサ、インダクタ、非線形半導体コンポーネント、又は抵抗器を含むであろう。これらの部品は、ブリッジ構成と直列に又は並列に含まれることになろう。
【００１０】
一実施形態においては、電源は、コントローラに電気的に接続された第４ハーフブリッジ回路を含む。コントローラは、第１ハーフブリッジ回路、第２ハーフブリッジ回路、第３ハーフブリッジ回路、及び第４ハーフブリッジ回路を制御することにより、動作の際に電源を複数の異なるブリッジトポロジーの間において選択的に制御することができる。第１ハーフブリッジ及び第２ハーフブリッジ回路が、それぞれ、別個のコンデンサを通じて一次インダクタの一方の端子に電気的に接続されており、且つ、第３ハーフブリッジ及び第４ハーフブリッジ回路が、別個のコンデンサを通じて一次インダクタの他方の端子に電気的に接続されている場合には、複数の異なるブリッジトポロジーは、対称型フルブリッジと容量性ディバイダを有する対称型フルブリッジを含む。
【００１１】
電源は、電力を無線でリモート装置に供給する無線電源内において実装することができる。コントローラは、新しいリモート装置が無線電源の近傍に配置されるか、リモート装置が更に多くの又は更に少ない電力を所望するか、又は入力電力の変化に応答して、電源を複数の異なるブリッジトポロジーの間において選択的に構成することができる。
【００１２】
一実施形態においては、マルチブリッジトポロジーは、一次インダクタと、第１インバータと、第２インバータと、コントローラと、を含む。第１インバータは、第１ノードを第１電圧源に選択的に結合する第１スイッチと、第１ノードを第１基準電圧に選択的に結合する第２スイッチと、を含む。第１ノードは、第１コンデンサを通じて一次インダクタの第１端子に電気的に接続されている。第２インバータは、第２ノードを第２電圧源に選択的に結合する第１スイッチと、第２ノードを第２基準電圧に選択的に結合する第２スイッチと、を含む。第２ノードは、第２コンデンサを通じて一次インダクタの第１端子に電気的に接続されている。コントローラは、第１インバータの第１スイッチ及び第２スイッチを制御することにより、且つ、第２インバータの第１スイッチ及び第２スイッチを制御することにより、マルチブリッジトポロジーを複数の異なるブリッジトポロジーの間において構成することができる。
【００１３】
マルチブリッジトポロジーは、第３ノードを第３電圧源に選択的に結合する第１スイッチと、第３ノードを第３基準電圧に選択的に結合する第２スイッチと、を有する第３インバータを含むことができる。第３ノードは、一次インダクタの第２端子に電気的に結合することができる。
【００１４】
第１電圧源、第２電圧源、及び第３電圧源は、同一の電圧源であってもよく、且つ、第１基準電圧、第２基準電圧、及び第３基準電圧は、接地などの同一の基準電圧であってもよい。
【００１５】
コントローラは、マルチブリッジトポロジーを等価フルブリッジトポロジー、等価ハーフブリッジトポロジー、容量性ディバイダを有するフルブリッジトポロジー、及び容量性ディバイダを有するハーフブリッジトポロジーのうちの少なくとも１つに構成するように、第１インバータの第１スイッチ、第１インバータの第２スイッチ、第２インバータの第１スイッチ、第２インバータの第２スイッチ、第３インバータの第１スイッチ、及び第３インバータの第２スイッチを制御することができる。
【００１６】
コントローラは、マルチブリッジトポロジーを複数の異なるブリッジトポロジーの間において構成するように、第１インバータの第１スイッチ、第１インバータの第２スイッチ、第２インバータの第１スイッチ、第２インバータの第２スイッチ、第３インバータの第１スイッチ、及び第３インバータの第２スイッチを制御することが可能であり、この場合に、複数の異なるブリッジトポロジーのそれぞれは、同一の共振周波数を有する。
【００１７】
コントローラは、第１インバータの第１スイッチ及び第１インバータの第２スイッチを交互に動作させることによって第１インバータをスイッチング回路として駆動することにより、第２インバータの第１スイッチ及び第２インバータの第２スイッチを交互に第１インバータと同相で動作させることによってコントローラが第２インバータをスイッチング回路として駆動することにより、且つ、第３インバータの第１スイッチ及び第２インバータの第２スイッチを交互に第１及び第２インバータとは位相がずれた状態で動作させることによってコントローラが第３インバータをスイッチング回路として駆動することにより、マルチブリッジトポロジーを等価フルブリッジに構成することができる。
【００１８】
コントローラは、第１インバータの第１スイッチ及び第１インバータの第２スイッチを交互に動作させることによって第１インバータをスイッチング回路として駆動することにより、第２インバータの第１スイッチ及び第２インバータの第２スイッチを交互に第１インバータと同相で動作させることによってコントローラが第２インバータをスイッチング回路として駆動することにより、且つ、第２インバータの第１スイッチを開路状態で駆動すると共に第３インバータの第２スイッチを閉路状態で駆動してＤＣ基準電圧を供給することによってコントローラが第３インバータを基準電圧として駆動することにより、マルチブリッジトポロジーを等価ハーフブリッジに構成することができる。或いは、コントローラは、第３インバータの第１スイッチを閉路状態で駆動すると共に第３インバータの第２スイッチを開路状態で駆動して異なるＤＣ基準電圧を供給してもよい。
【００１９】
コントローラは、第１インバータの第１スイッチ及び第１インバータの第２スイッチを交互に動作させることによってコントローラが第１インバータをスイッチング回路として駆動することにより、第２インバータの第１スイッチを開路状態で駆動すると共に第２インバータの第２スイッチを閉路状態で駆動することによってコントローラが第２インバータをＤＣ基準として動作させることにより、或いは、第２インバータの第１スイッチを閉路状態で駆動すると共に第２インバータの第２スイッチを開路状態で駆動することにより、マルチブリッジトポロジーを、容量性ディバイダを有するフルブリッジに構成することができる。コントローラは、第３インバータの第１スイッチ及び第３インバータの第２スイッチを交互に第１インバータとは位相がずれた状態で動作させることにより、第３インバータをスイッチング回路として駆動する。
【００２０】
コントローラは、第１インバータの第１スイッチ及び第１インバータの第２スイッチを交互に動作させることによってコントローラが第１インバータをスイッチング回路として駆動することにより、第２インバータの第１スイッチを開路状態で駆動すると共に第２インバータの第２スイッチを閉路状態で駆動することによってコントローラが第２インバータをＤＣ基準として動作させることにより、且つ、第３インバータの第１スイッチを開路状態で駆動すると共に第３インバータの第２スイッチを閉路状態で駆動することによってコントローラが第３インバータをＤＣ基準として駆動することにより、マルチブリッジトポロジーを、容量性ディバイダを有するハーフブリッジに構成することができる。或いは、第２及び第３インバータの両方の第１スイッチを閉路状態で駆動してもよく、且つ、第２及び第３インバータの両方の第２スイッチを開路状態で駆動してもよい。
【００２１】
一実施形態においては、無線電源用のマルチブリッジトポロジーは、一次インダクタと、第１インバータと、第２インバータと、コントローラと、を含む。第１インバータは、第１ノードを電圧源に選択的に結合する第１スイッチと、第１ノードを基準電圧に選択的に結合する第２スイッチと、を含み、第１ノードは、第１コンデンサを通じて一次インダクタの第１端子に電気的に接続されている。第２インバータは、第２ノードを電圧源に選択的に結合する第１スイッチと、第２ノードを基準電圧に選択的に結合する第２スイッチと、を含み、第２ノードは、一次インダクタの第２端子に電気的に接続されている。コントローラは、第１インバータの第１スイッチ及び第２スイッチを制御すると共に第２インバータの第１スイッチ及び第２スイッチを制御することにより、マルチブリッジトポロジーを複数の異なるブリッジトポロジーの間において構成することができる。
【００２２】
マルチブリッジトポロジーを利用することにより、トランスミッタは、様々な異なるブリッジトポロジーを提供することができる。例えば、いくつかの実施形態は、フルブリッジトポロジーとハーフブリッジトポロジーの間において切り替わることができる。いくつかの実施形態は、容量性分圧器を含むトポロジーとこれを実行しないトポロジーの間において切り替わることができる。複数のブリッジトポロジーの間において切り替わる能力により、動作の際に異なるレベルにおいて電力を迅速に供給するように電源を構成することができる。即ち、電源は、フルブリッジトポロジーにおいて、特定範囲の電力を供給することが可能であり、且つ、ハーフブリッジトポロジー又は容量性ディバイダを有するフルブリッジトポロジーにおいては、異なる範囲の電力を供給することができる。更には、特定の構成においては、電源は、その電源用の一定の共振周波数を維持しつつ、これらの異なる電力範囲を供給することができる。
【００２３】
本発明のこれらの及びその他の目的、利点、及び特徴については、現時点における実施形態の説明及び添付図面を参照することにより、更に十分に理解及び認識することができよう。
【００２４】
本発明の実施形態について詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明に記述されているか又は添付図面に示されている動作の詳細又は部品の構造及び構成の詳細に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は、様々なその他の実施形態において実装してもよく、且つ、本明細書において明示的に開示されてはいない代替方法によって実施又は実行してもよい。又、本明細書において使用されている語法及び用語は、説明を目的としたものであり、且つ、限定として見なすべきではないことをも理解されたい。「含む」及び「有する」、並びに、これらの変形の使用は、その後に列挙されている項目及びその均等物のみならず、更なる項目及びその均等物をも、包含することを意味している。更には、様々な実施形態の説明において列挙が使用されている場合がある。列挙の使用は、そうではないと明示的に記述されていない限り、本発明を部品の任意の特定の順序又は数に限定するものと解釈してはならない。列挙の使用は、列挙されているステップ又は部品と組み合わせることができる又はこれらに組み合わせることができる任意の更なるステップ又は部品を本発明の範囲から排除するものと解釈してはならない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】ハーフブリッジ回路トポロジーを利用した無線電源を示す。
【図２】フルブリッジ回路トポロジーを利用した無線電源を示す。
【図３】マルチブリッジ回路トポロジーを有する無線電源の一実施形態を示す。
【図４】マルチブリッジ回路トポロジーの等価フルブリッジトポロジー構成を示す。
【図５】マルチブリッジ回路トポロジーの等価ハーフブリッジトポロジー構成を示す。
【図６】マルチブリッジ回路トポロジーの容量性ディバイダ構成を有する等価フルブリッジトポロジーを示す。
【図７】マルチブリッジ回路トポロジーの容量性ディバイダ構成を有する等価ハーフブリッジトポロジーを示す。
【図８】マルチブリッジトポロジーの４つの構成を示す。
【図９】図８に示されているそれぞれの個々の構成の受け取った電力とコイル電流を示す。
【図１０】対称駆動マルチブリッジ回路トポロジーを有する無線電源の一実施形態を示す。
【図１１】容量性ディバイダを有する対称駆動マルチブリッジ回路トポロジーを有する無線電源の一実施形態を示す。
【図１２】それぞれのインバータのコンデンサがバランスしていない３つのフルブリッジ構成を示す。
【図１３】図１２に示されているそれぞれの個々の構成の受け取った電力とコイル電流を示す。それぞれの構成は、異なる共振点を有しており、その理由は、それぞれの構成が異なる有効静電容量を有するからである。
【図１４】それぞれのインバーティング「スイッチ」場所におけるバックツーバックＦＥＴを示す。
【図１５】下段のスイッチング場所のみにおけるバックツーバックＦＥＴを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本開示は、動作の際に複数の異なるブリッジトポロジーを提供するように構成することができるマルチブリッジトポロジーを有する電源に関する。図３には、マルチブリッジトポロジー及び二次コンデンサ３０１を有する電源３００の一実施形態が示されている。電源３００は、コントローラ３０２と、３つのハーフブリッジ回路３０６、３０７、３０８又はインバータと、一次インダクタ３０４と、を含む。３つのハーフブリッジ回路は、いずれも、コントローラ３０２との電気通信状態にある。コントローラ３０２は、それぞれのハーフブリッジ回路３０６、３０７、３０８内のスイッチを制御することにより、動作の際に電源を複数の異なるブリッジトポロジーの間において選択的に構成することができる。
【００２７】
複数のブリッジトポロジーの間においてスワップすることにより、電源は、異なる範囲の電力を供給することができる。例えば、電源が構成される方式に応じて、図３の電源は、４つの異なるレベルの電力を供給することができる。図８には、図３の電源を使用して構成可能な４つの異なるブリッジトポロジーを示す４つの異なる等価回路８０２、８０４、８０６、８０８が示されている。示されているブリッジトポロジーは、フルブリッジ８０２と、容量性ディバイダを有するフルブリッジ８０４と、ハーフブリッジ８０６と、容量性ディバイダを有するハーフブリッジ８０８と、を含む。それぞれのブリッジトポロジーの詳細な説明は、図４〜図７との関連において後述する。
【００２８】
次に、図４について詳細に説明することとする。図４は、第１インバータ３０６（Ｑ１、Ｑ２）及び第２インバータ３０７（Ｑ３、Ｑ４）が同相で駆動されると共に第３インバータ３０８（Ｑ５、Ｑ６）が１８０度だけ位相がずれた状態で駆動された際に図３の電源によって生成される有効回路４００を示している。これは、事実上、フルブリッジトポロジーを生成する。
【００２９】
このブリッジトポロジーを構成するために、コントローラ３０２は、第１インバータの第１スイッチ（Ｑ１）及び第１インバータの第２スイッチ（Ｑ２）を交互に動作させることにより、第１インバータ３０６（Ｑ１、Ｑ２）をスイッチング回路として駆動する。又、コントローラ３０２は、第２インバータの第１スイッチ（Ｑ３）及び第２インバータの第２スイッチ（Ｑ４）を交互に第１インバータと同相で動作させることにより、第２インバータ３０７（Ｑ３、Ｑ４）をスイッチング回路として駆動する。最後に、コントローラは、第３インバータの第１スイッチ（Ｑ５）及び第３インバータの第２スイッチ（Ｑ６）を交互に第１及び第２インバータとは位相がずれた状態で動作させることにより、第３インバータ３０８（Ｑ５、Ｑ６）をスイッチング回路として駆動する。明瞭性を目的として、図４には、第２インバータが示されてはおらず、むしろ、この構成における等価回路４００が示されている。
【００３０】
次に、図５について詳細に説明することとする。図５は、第１インバータ３０６（Ｑ１、Ｑ３）及び第２インバータ３０７（Ｑ３、Ｑ４）が同相で駆動されると共に第３インバータ３０８（Ｑ５、Ｑ６）が基準電圧に結び付けられている際に図３の電源によって生成される有効回路５００を示している。これは、事実上、ハーフブリッジトポロジーを生成する。このブリッジトポロジーを構成するために、コントローラは、第１インバータの第１スイッチ（Ｑ１）及び第１インバータの第２スイッチ（Ｑ２）を交互に動作させることにより、第１インバータ３０６（Ｑ１、Ｑ２）をスイッチング回路として駆動する。又、コントローラは、第２インバータの第１スイッチ（Ｑ３）及び第２インバータの第２スイッチ（Ｑ４）を交互に第１インバータと同相で動作させることにより、第２インバータ３０７（Ｑ３、Ｑ４）をスイッチング回路として駆動する。最後に、コントローラ３０２は、第３インバータの第１スイッチ（Ｑ５）を開路状態で駆動すると共に第３インバータの第２スイッチ（Ｑ６）を閉路状態で駆動してＤＣ基準電圧を供給することにより、第３インバータ３０８（Ｑ５、Ｑ６）を基準電圧として駆動する。或いは、コントローラは、第３インバータの第１スイッチ（Ｑ５）を閉路状態で駆動すると共に第３インバータの第２スイッチ（Ｑ６）を開路状態で駆動し、ＤＣ基準電圧を供給してもよい。明瞭性を目的として、図５には、第２及び第３インバータが示されておらず、むしろ、この構成における等価回路５００が示されている。
【００３１】
駆動という用語は、動作するようにスイッチに対してコントローラが指示する方式を意味するために利用されている。いくつかの状況においては、スイッチは、信号の存在ではなく信号の不存在によって駆動される場合がある。例えば、０Ｖ信号がスイッチに印加される場合には、これによってスイッチを開路状態に「駆動」してもよい。異なるスイッチ又はトランジスタは、異なる制御信号に対して異なる方式で反応してもよい。
【００３２】
次に、図６について詳細に説明することとする。図６は、第１インバータ３０６（Ｑ１、Ｑ２）及び第３インバータ３０８（Ｑ５、Ｑ６）がいずれも互いに１８０度だけ位相がずれた状態で駆動されると共に第２インバータ３０７が基準電圧に駆動された際に図３の電源によって生成される有効回路を示している。これは、容量性分圧器が上段において使用されているフルブリッジ駆動システムを生成する。このブリッジトポロジーを構成するために、コントローラ３０２は、第１インバータ３０６の第１スイッチ（Ｑ１）及び第１インバータ３０６の第２スイッチ（Ｑ２）を交互に動作させることにより、且つ、第３インバータ３０８の第１スイッチ（Ｑ５）及び第３インバータ３０８の第２スイッチ（Ｑ６）を交互に、但し、第１インバータ３０６と位相が１８０度だけずれた状態で動作させることにより、第１インバータ３０６（Ｑ１、Ｑ２）及び第３インバータ３０８（Ｑ５、Ｑ６）をスイッチング回路として駆動する。最後に、コントローラ３０２は、第２インバータ３０７の第１スイッチ（Ｑ３）を開路状態で駆動すると共に第２インバータ３０８の第２スイッチ（Ｑ４）を閉路状態で駆動することにより、第２インバータ３０７（Ｑ３、Ｑ４）を基準電圧として駆動する。或いは、コントローラ３０２は、第２インバータ３０７の第１スイッチ（Ｑ３）を閉路状態で駆動すると共に第２インバータ３０７の第２スイッチ（Ｑ４）を開路状態で駆動し、基準電圧を供給してもよい。明瞭性を目的として、図６には、第２インバータ３０７が示されておらず、むしろ、この構成における等価回路６００が示されている。
【００３３】
次に、図７について詳細に説明することとする。図７は、第２インバータ３０７及び第３インバータ３０８が基準電圧に駆動されている間に第１インバータ３０６（Ｑ１、Ｑ２）がスイッチング回路として駆動された際に図３の電源によって生成される有効回路７００を示している。これは、容量性分圧器が上段において使用されているハーフブリッジ回路を生成する。このブリッジトポロジーを構成するために、コントローラ３０２は、第１インバータの第１スイッチ（Ｑ１）及び第１インバータの第２スイッチ（Ｑ２）を交互に動作させることにより、第１インバータ３０６（Ｑ１、Ｑ２）をスイッチング回路として駆動する。又、コントローラ３０２は、基準電圧に対する接続が実施されるように、第２インバータ３０７及び第３インバータ３０８の第１スイッチ（Ｑ３、Ｑ５）を開路状態で駆動すると共に第２インバータ３０７及び第３インバータ３０８の第２スイッチ（Ｑ４、Ｑ６）を閉路状態で駆動することにより、第２インバータ３０７（Ｑ３、Ｑ４）及び第３インバータ３０８（Ｑ５、Ｑ６）を基準電圧として駆動する。或いは、コントローラ３０２は、基準電圧に対する接続が実施されるように、第２インバータ３０７及び第３インバータ３０８の第１スイッチ（Ｑ３、Ｑ５）を閉路状態で駆動すると共に第２インバータ３０７及び第３インバータ３０８の第２スイッチ（Ｑ４、Ｑ６）を開路状態で駆動してもよい。明瞭性のために、図７には、第２インバータ３０７及び第３インバータ３０８が示されてはおらず、むしろ、この構成における等価回路７００が示されている。
【００３４】
図９は、これらのブリッジトポロジーのそれぞれにおける一次インダクタを通じた電流とリモート装置内の負荷に供給される電力を示している。フルブリッジのグラフ９０２は、電源が一次コイルを通じた約１０アンペアの電流を伴って約２００ワットの範囲において電力を供給することができることを示している。容量性ディバイダを有するフルブリッジのグラフ９０４は、電源が一次インダクタを通じた約７アンペアの電流を伴って約１００ワットの範囲において電力を供給することができることを示している。ハーフブリッジのグラフ９０６は、電源が一次インダクタを通じた約５アンペアの電流を伴って約５０ワットの電力を負荷に供給することができることを示している。電圧ディバイダを有するハーフブリッジのグラフ９０８は、電源が一次インダクタを通じた約３アンペアの電流を伴って約１０ワットの電力を負荷に供給することができることを示している。
【００３５】
又、図９は、これら４つの構成のそれぞれにおいて、電源の共振周波数が同一の約１００ＫＨｚであることをも示している。このタイプのマルチブリッジトポロジーが無線電源内において実装されている際には、同一の共振点において異なる範囲の電力を供給する複数のトポロジーを有することが有用であろう。
【００３６】
異なるブリッジトポロジーの間において切り替えることにより、電源は、電力を異なるレベルにおいて供給することができる。電力は、それらのレベルにおいて更にチューニングすることができる。即ち、ブリッジトポロジーは、電源が所定の範囲の電力を供給できるようにするマクロ調節であってもよく、且つ、更なる調節を微調整又はマイクロ調節として利用することができる。それぞれのブリッジトポロジーは、所与の入力信号（即ち、所与の動作周波数、デューティサイクル、及びレール電圧）において負荷に供給することができる最大量の電力を有する。この量は、様々な異なる方法によって下方に調節することができる。ブリッジトポロジーを選択した後に微細調節を実行するべく使用可能な特性のいくつかの例は、ハーフブリッジの動作周波数、レール電圧、デューティサイクル、又は位相を含む。例えば、図９において、適切なインバータを約９０ＫＨｚにおいて駆動した場合には、相対的に小さな電力が負荷に供給されることになる。
【００３７】
調節の段階サイズ（即ち、特性の変化当たりの出力電力の変化）は、それぞれの特徴ごとに、且つ、それぞれのブリッジトポロジーごとに、同一ではないことがある。例えば、フルブリッジ構成において数ヘルツだけ動作周波数を調節することにより、その同一の数ヘルツの調節をハーフブリッジトポロジーにおいて実施した場合よりも、大きな出力電力に対する調節が結果的に得られる場合がある。
【００３８】
動作の際にオンザフライで異なるブリッジトポロジーを提供する能力は、巻回数又はタップの変更により、費用を所要する一次インダクタの再構成の代替肢となりうる。更には、これは、出力電力の範囲を調節するためにいくつかの電源において使用される費用を所要するインダクタ及び／又はコンデンサのバンクの追加の代替肢にもなりうる。
【００３９】
容量性ディバイダを使用する能力により、電源は、更なる電力範囲を提供することができる。例えば、所与の動作周波数、レール電圧、デューティサイクルについてフルブリッジトポロジーとハーフブリッジトポロジーの間において切り替わった際に、電力は、約４分の１に削減される。但し、フルブリッジとの関連において容量性ディバイダを利用することにより、電力は、約２分の１に削減される。更には、ハーフブリッジとの関連において容量性ディバイダを利用することにより、電力を（フルブリッジと比較した際）約１０分の１に削減することができる。追加のハーフブリッジ回路を利用することにより、更なる電力の範囲を提供する能力を電源に付与することができる。例えば、別個のコンデンサを通じて一次インダクタの端子にそれぞれが電気的に接続された３つのハーフブリッジ回路が存在する場合には、それぞれ、ハーフブリッジ回路のうちの１つ又は２つが基準電圧として駆動されているのかどうかに応じて、最大電力出力を１／３又は２／３だけ削減することができる。
【００４０】
図３を再度参照すれば、この実施形態は、３つのハーフブリッジ回路を使用して無線電力システムを駆動するマルチブリッジインバーティングトポロジーである。第１インバータ３０６（Ｑ１、Ｑ２）及び第３インバータ３０８（Ｑ５、Ｑ６）は、協働してフルブリッジシステムを形成することができる。第２インバータ３０７（Ｑ３、Ｑ４）は、フルブリッジトポロジー及びハーフブリッジトポロジーにおいて構成される選択肢を電源に対して提供しており、且つ、伝送される電力を低減するために容量性ディバイダを含む能力をも提供している。
【００４１】
ハーフブリッジ回路及びインバータという用語は、本開示の全体を通じて、共通ノードを共有するスイッチのペアを意味するべく相互交換可能に使用されており、それぞれのスイッチは、制御信号によって駆動される。スイッチは、ＭＯＳＦＥＴなどの電界効果トランジスタ、ＢＪＴ、又はその他のタイプのトランジスタ又はスイッチであってもよい。
【００４２】
ハーフブリッジ回路は、電圧源又は基準電圧を共通ノードに選択的に結合することができる。図３に示されているように、上段のスイッチ（Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５）は、いずれも、図示の実施形態においては、電圧源Ｖ＋と関連付けられており、且つ、下段のスイッチ（Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６）は、いずれも、図示の実施形態においては接地である基準電圧と関連付けられている。それぞれのハーフブリッジ回路は、スイッチング回路として、ＤＣ基準電圧として、ＤＣ電圧源として、又は開路として、という少なくとも４つの方法によって構成することできる。ハーフブリッジをスイッチング回路として動作させるためには、下段のＦＥＴと上段のＦＥＴが交互に駆動される。ハーフブリッジをＤＣ電圧源として動作させるためには、下段のＦＥＴが、共通ノードと基準電圧の間において開路を生成するようにオフに駆動され、且つ、上段のＦＥＴが、ＤＣレール電圧Ｖ＋に対する接続を生成するように、オンに駆動される。ハーフブリッジを基準電圧として動作させるためには、下段のＦＥＴが、基準電圧に対する接続を生成するように、オンに駆動され、且つ、上段のＦＥＴが、ノードと電圧源の間において開路を生成するように、オフに駆動される。ハーフブリッジ回路を開路として動作させるためには、両方のＦＥＴが、共通ノードと電圧源及び基準電圧の両方の間において開路を生成するように、オフに駆動される。ハーフブリッジ回路を構成することにより、フルブリッジトポロジー（図４を参照されたい）、容量性ディバイダを有するフルブリッジトポロジー（図６）、ハーフブリッジトポロジー（図５）、及び容量性ディバイダを有するハーフブリッジトポロジー（図７）を含む様々な異なるブリッジトポロジーを実装することができる。更なるハーフブリッジ回路により、対称型フルブリッジ及び容量性ディバイダを有する対称型フルブリッジなどの更なるブリッジトポロジーを可能にすることができる。
【００４３】
図４〜図７は、特定の構成における等価回路を示している。明瞭性を目的として、余分なインバータコンポーネントは、適宜、これらの図から除去されている。例えば、図７においては、Ｃ２によって生成された容量性ディバイダが生成されており、その理由は、インバータ（図示されてはいない）が、基準電圧に対する接続を生成するように駆動される一方のＦＥＴと、インバータノードと電圧源の間に開路を生成するように駆動される他方のＦＥＴと、を有しているからである。
【００４４】
それぞれの構成において、電源の共振周波数（Ｆ）は、ほぼ次式のように規定される。
【００４５】
【数１】
0006298193.tif 000002
【００４６】
コンデンサがバランスしている実施形態においては、Ｃ１及びＣ２は、ほぼ等しい。コンデンサがバランスしていない実施形態においては、Ｃ１及びＣ２は、等しくない。
【００４７】
一実施形態においては、コンデンサＣ１、Ｃ２は、バランスしている。従って、フルブリッジ、容量性ディバイダを有するフルブリッジ、ハーフブリッジ、及び容量性ディバイダを有するハーフブリッジというブリッジトポロジーの間において切り替わった際に、電源は、その共振周波数を維持する。
【００４８】
図３に示されている同一のマルチブリッジトポロジーを使用した別の実施形態においては、システムは、ハーフブリッジ回路のうちの１つを開路構成において構成することにより、その共振周波数を変更することができる。この実施形態においては、電源回路は、図２と基本的に同様の外観を有するが、この場合には、Ｃ２が回路に含まれていない。即ち、第２インバータは、開路に構成されており、従って、第２インバータの両方のスイッチ（Ｑ３、Ｑ４）は、オフに駆動され、且つ、電圧源も、基準電圧も、コンデンサＣ２の隣の共通ノードに接続されてはいない。この結果、Ｃ２は、もはや、回路内に存在しておらず、且つ、システムの共振周波数は、（Ｃ１＋Ｃ２）及びＬｃｏｉｌの代わりに、Ｃ１とＬｃｏｉｌによってのみ規定されることになる。
【００４９】
電源がハーフブリッジ回路を開路構成に構成している実施形態においては、ボディダイオード接続を防止するための追加のＦＥＴを実装することができる。図１４は、上段及び下段のスイッチにおけるバックツーバックＦＥＴを示している。図１５は、バックツーバックＦＥＴが下段のスイッチにおいてのみ含まれている代替構造を示している。これらの構造は、ボディダイオード伝導を防止するのに有用である。
【００５０】
いくつかの実施形態は、更なるハーフブリッジ回路を含むことができる。一実施形態は、一次インダクタのそれぞれの側部に２つずつという４つのハーフブリッジ回路を含む。この結果、事実上、コイルの駆動が対称的なものとなり、これにより、電磁干渉を低減することが可能であり、電磁的互換性の懸念を低減することが可能であり、且つ、通信信号強度の利益を享受することができる。対称型の駆動の利益を享受するために、一次インダクタをフルブリッジ又は容量性ディバイダを有するフルブリッジとして駆動することができる。即ち、図１０に示されているように、すべての４つのハーフブリッジ回路１００２、１００４、１００６、１００８を駆動することにより、１つの電力レベルを実現することができる。或いは、図１１に示されているように、一次インダクタのそれぞれの側部のＦＥＴの一方の組１１０４、１１０８を接地すると共に他方のＦＥＴ１００２、１００６を駆動することにより、第２電力レベルを実現することができる。又、この構成は、一定の共振周波数を維持する。
【００５１】
その他の代替実施形態においては、４つを上回る数のハーフブリッジ回路を利用することができる。図示の実施形態のそれぞれは、一次インダクタの端子に接続された１つ又は２つのハーフブリッジ回路を示しているが、基本的に任意の数のハーフブリッジ回路を別個のコンデンサを通じて一次インダクタの端子に接続することができる。コンデンサの値は、望ましい共振周波数を維持するように調節することができる。又、コンデンサの値は、図１２及び図１３に示されているものなどのように、倍増又は半減以外の特定の電力段階を許容するために、バランスしていない又は整合していない状態とすることもできる。
【００５２】
図１２は、それぞれのインバータのコンデンサがバランスしていない３つのフルブリッジ構成１２２０、１２２２、１２２４を示している。これらの構成においては、トランスミッタ又は電源は、インバータ１２０２、１２０４の両方を駆動することにより、両方のコンデンサを選択することも可能であり（１２２０）、或いは、第１インバータ１２０２（１２２２）又は第２インバータ１２０４（１２２４）を選択すると共に（１つをオンに且つ１つのオフに残すのではなく）駆動されてはいないインバータのＥＦＴの両方をオフに維持することにより、いずれか１つを選択することもできる。
【００５３】
図１３は、３つの異なる有効静電容量値を選択できることから、３つの異なる共振点が存在している様子を示している。フルブリッジ構成１２２０は、グラフ１３２０に対応しており、フルブリッジ構成１２２２は、グラフ１３２２に対応しており、且つ、フルブリッジ構成１２２４は、グラフ１３２４に対応している。有効電力転送量は、トランスミッタの共振周波数がレシーバの共振周波数（この場合には、１００ｋＨｚ）から遠く離れるように移動するのに伴って低減されている。いくつかの実施形態においては、レシーバの共振周波数が変化してもよく、或いは、異なるレシーバが異なる共振周波数を有してもよい。
【００５４】
ＥＭＣやＥＭＩの懸念との関係において、共振に近接した状態における且つ上段及び下段のスイッチの両方が５０％のデューティサイクルにおいて稼働する状態における動作は、干渉を低減する傾向を有する。これは、充電が実行された又はスタンバイ状態にある装置による電力を低減するという課題をもたらす可能性がある。駆動トポロジーを切り替えることにより、共振の近傍に留まると共に相対的に高いデューティサイクルにおいて動作しつつ、出力電力を低減することが可能となり、これにより、干渉特性が改善される。
【００５５】
「垂直の」、「水平の」、「最上部の」、「最下部の」、「上部の」、「下部の」、「内側の」、「内側に」、「外側の」、「外側に」などの方向に関する用語は、図に示されている実施形態の向きに基づいて本発明の説明を支援するべく使用されている。方向に関する用語の使用は、任意の特定の１つ又は複数の向きに本発明を限定するものとして解釈してはならない。
【００５６】
以上の説明は、本発明の現時点における実施形態に関するものである。均等論を含む特許法の原理に従って解釈することを要する添付の請求項に規定されている本発明の精神及び広範な態様を逸脱することなしに、様々な変更及び変形を実施することができる。本開示は、例示を目的として提示されたものであり、且つ、本発明のすべての実施形態を網羅した説明として、又はこれらの実施形態との関連において図示又は記述されている特定の要素に請求項の範囲を限定するものとして、解釈してはならない。例えば、且つ、限定を伴うことなしに、記述されている発明の任意の１つ又は複数の個々の要素は、実質的に類似の機能を提供するか又はさもなければ十分な動作を提供する代替要素によって置換してもよい。これは、例えば、現時点において当業者に既知であるものなどの現時点において既知の代替要素と、開発された際に当業者が代替肢として認識しうるものなどの将来において開発される代替要素と、を含む。更には、開示されている実施形態は、協働状態において記述されていると共に利益の集合体を協働して提供しうる複数の特徴を含む。本発明は、添付の請求項に明示的に記述されているものを除き、これらの特徴のすべてを含む又は記述されている利益のすべてを提供する実施形態にのみ限定されるものではない。例えば、「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、又は「ｓａｉｄ」という冠詞を使用した単数形における請求項の要素のすべての参照は、その要素を単数形に限定するものとして解釈してはならない。
【図１】
0006298193.tif 000003
【図２】
0006298193.tif 000004
【図３】
0006298193.tif 000005
【図４】
0006298193.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
0006298193.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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