(57)【要約】      （修正有）【課題】受電側で整流平滑された直流電圧から安定した直流電圧を作るのではなく、交流の位相を制御することによって高周波電流から安定した交流電流又は直流電流を作る技術を提供する。【解決手段】非接触電力伝送装置の送電側は、交流電流を直接スイッチングして高周波電流を作り、受電側は、高周波電流から取り出される交流の包絡線としきい値との比較によってパルスを作り、そのパルスを論理回路を介して双方向スイッチをオン・オフさせて負荷に加わる電圧又は電流を安定化させる。【選択図】図１
2017011980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と前記交流電源が供給する交流電流をオン・オフすることによって高周波電流に変換するインバータと前記インバータが出力する高周波電流を電磁界エネルギとして空中に放出する第１の空中線と前記第１の空中線が放出する電磁界エネルギを受電する第２の空中線と前記第２の空中線に生じる高周波電流が供給される負荷を備えた非接触電力伝送装置において、前記第２の空中線と前記負荷を接続する一方の線に第１の双方向スイッチを直列に挿入し、前記第２の空中線と前記負荷を接続する他方の線に第２の双方向スイッチを直列に挿入し、前記第１の双方向スイッチの前記第２の空中線側端子と前記第２の双方向スイッチの前記負荷側端子の間に第３の双方向スイッチを接続し、前記第１の双方向スイッチの前記負荷側端子と前記第２の双方向スイッチの前記第２の空中線側端子の間に第４の双方向スイッチを接続し、前記第２の空中線に生じる高周波電流の交流包絡線を取り出す整流平滑回路と、前記整流平滑回路の出力電圧がしきい値を越えている期間だけパルスを発生させて前記第１ないし第４の双方向スイッチをいずれも正方向に導通させ、かつ前記パルスの次に発生するパルスで前記第１ないし第４の双方向スイッチをいずれも負方向に導通させ、これを繰り返して前記負荷に交流電流を供給する論理回路と、前記負荷に加わる交流電圧を安定させるために前記しきい値を制御する制御回路を付加したことを特徴とする非接触電力伝送装置。
【請求項２】
前記論理回路が前記第１ないし第４の双方向スイッチを毎パルス正方向にだけ導通させることを繰り返して負荷に直流電流を供給し、前記制御回路が前記負荷に加わる直流電圧を安定させるために前記しきい値を制御することを特徴とする前記請求項１記載の発明。
【請求項３】
前記第２の双方向スイッチと前記第４の双方向スイッチをいずれもコンデンサに置換えたことを特徴とする前記請求項１ないし２記載の発明。
【請求項４】
前記第２の双方向スイッチと前記第４の双方向スイッチをいずれもダイオードに置き換えたことを特徴とする前記請求項２記載の発明。
【請求項５】
前記双方向スイッチを各々１つのＭＯＳＦＥＴと１つのダイオードを直列に接続した片方向スイッチに置き換えたことを特徴とする前記請求項２ないし４記載の発明。
【請求項６】
前記制御回路が負荷に加わる電流を安定化させるために前記しきい値を制御することを特徴とする前記請求項１ないし請求項５記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明はスイッチング電源に関し、特に非接触電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来の非接触電力伝送装置の中で交流電流を直接オン・オフして行う方法として、本出願人が特許登録した特許第４８３５９８５がある。その実施例の１つを図８に示す。【０００３】  図８において、１１１は交流電源、１１２〜１２０は交流電流をオン・オフして高周波電流を作るインバータである。高周波電流は送電コイル１２１と受電コイル１２２によって伝送され、整流器１２３によって直流に変換される。直流電圧が不安定であるため定電圧回路１２４によって安定化されて負荷１２５に供給される。
図８に示した従来方式は受電側に定電圧回路を付加することによって負荷に加わる電圧を安定させているが、軽負荷時に定電圧回路に加わる電圧が大きくなるため定電圧回路の入力電圧を広くしなければならず、それがコストを上げ、また効率を下げる原因になっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  本発明は受電側で整流平滑された直流電圧から安定した直流電圧を作るのではなく交流の位相を制御することによって高周波電流から安定した交流電流または直流電流を作る技術を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  請求項１記載の発明は交流電源と、交流電流を高周波電流に変換するインバータと、高周波電流を電磁界エネルギとして空中に放出する第１の空中線と、その電磁界エネルギを受電する第２の空中線と、第２の空中線に生じる高周波電流を供給する負荷からなる非接触電力伝送装置において、第２の空中線と負荷を接続する一方の線に第１の双方向スイッチを直列に挿入し、第２の空中線と負荷を接続する他方の線に第２の双方向スイッチを直列に挿入し、第１の双方向スイッチの第２の空中線側端子と第２の双方向スイッチの負荷側端子の間に第３の双方向スイッチを接続し、第１の双方向スイッチの負荷側端子と第２の双方向スイッチの第２の空中線端子側の間に第４の双方向スイッチを接続し、第２の空中線に生じる高周波電流の交流包絡線を取り出す整流回路と、その整流回路の出力電圧がしきい値を越えている期間だけパルスを発生して第１ないし第４の双方向スイッチをいずれも正方向に導通させ、かつ、そのパルスの次に発生するパルスで第１ないし第４の双方向スイッチをいずれも負方向に導通させることを繰り返して負荷に交流電流を供給する論理回路と、負荷に加わる交流電圧を安定させるためにそのしきい値を制御する制御回路を付加した。【０００６】  請求項２記載の発明は、論理回路が第１ないし第４の双方向スイッチを毎パルス正方向にだけ導通させることを繰り返して負荷に直流電流を供給し、制御回路が負荷に加わる直流電圧を安定させるためにしきい値を制御する。【０００７】  請求項３記載の発明は、第２の双方向スイッチと第４の双方向スイッチをコンデンサに置き換えた。【０００８】  請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明において第２の双方向スイッチと第４の双方向スイッチをいずれもダイオードに置き換えた。【０００９】  請求項５記載の発明は、請求項２ないし請求項４記載の発明において、双方向スイッチを各々１つのＭＯＳＦＥＴと１つのダイオードを直列接続した片方向スイッチに置き換えた。【００１０】  請求項６記載の発明は、請求項１ないし請求項５記載の発明において、制御回路が負荷に加わる電流を安定させるためにしきい値を制御する。
【発明の効果】
【００１１】  本発明の非接触電力伝送装置は、従来装置の受電側に備えられていた整流用のダイオードと定電圧回路を双方向スイッチまたは片方向スイッチに替えることにより、電力損失が増えることなく負荷に安定した電圧または電流を供給することができるのでコストの削減に効果がでる。【００１２】  受電側は、車輌に応用するのであれば軽量化が重要な課題になるが、回路部品が削減されることと電力損失が小さくなることで軽量化に貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】  本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【実施例】
【００１４】  図１は請求項１記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
図２は図１に示した回路図上の各部の波形を示す図である。
図１において、１は交流電源、２はインバータ、３はコンデンサ、４は第１の空中線、５は第２の空中線、６はコンデンサ、７は負荷である。１１と１２はＭＯＳＦＥＴで、２つ１組で第１の双方向スイッチを構成している。２１と２２、３１と３２、４１と４２はいずれもＭＯＳＦＥＴでそれぞれの組が第２ないし第４の双方向スイッチを構成している。１３と１４、２３と２４、３３と３４、４３と４４はいずれもＭＯＳＦＥＴを駆動するための絶縁ドライバである。【００１５】  図１において、５１〜５５は整流平滑回路で、５１のダイオードの入力には図２の（１）に示した波形の電圧が加わり、５５の絶縁アンプからは図２の（２）に示した波形の電圧が出力する。図２の（２）に示されている１０１はしきい値を示し、次に説明する制御回路５７によって与えられる。【００１６】  図１において、負荷７に加わる電圧は抵抗５８と５９によって分圧され、制御回路５７の帰還制御端子に加えられ、絶縁アンプ５５の出力電圧は制御回路５７のフィードフォワード制御端子に加えられる。制御回路５７からは図２（３）の波形の信号が出力される。５６は論理回路で、その端子Ａに入力される図２の（３）の信号は（４）と（５）に示した１つおきの信号に変換されて各々論理回路５６の端子ＢとＣから出力される。論理回路５６の端子Ｇは端子ＢとＣに対するグランド端子である。【００１７】  また、図１の回路上のＵとＶは説明のために設けた回路上の点で、Ｕは第１の双方向スイッチと第３の双方向スイッチの接続点にあり、Ｖは第４の双方向スイッチと第２の双方向スイッチの接続点にある。【００１８】  図２の（２）に示されているしきい値１０１の値が変わることにより制御回路５７から出力される信号のパルス幅が変わる。バルス幅が変わると双方向スイッチをオン・オフする位相が変わり、出力電圧が変わる。【００１９】  すなわち、負荷に加わる電圧が基準値に対して高くなると、しきい値が上がり制御回路５７の信号のパルスが短くなり、双方向スイッチのオン幅が短くなるので負荷に加わる電圧が下がる。【００２０】  図２において時刻Ｔ１の状態を調べると、図１のＵ−Ｖ間には正負に振れる高周波電圧が加わっている。論理回路５６のＢには図２の（４）の信号が出力しており、Ｃには信号が出力していないので、ＭＯＳＦＥＴ１１、２１、３１、４１がオン状態になっており、ＭＯＳＦＥＴ１２、２２、３２、４２はオフ状態になっている。この状態で高周波の電圧が正のとき、電流はＭＯＳＦＥＴ１１、ＭＯＳＦＥＴ１２のボディダイオード、負荷７、ＭＯＳＦＥＴ２１、ＭＯＳＦＥＴ２２のボディダイオードの順に流れる。また、同じ状態で高周波電圧が負のときは電流はＭＯＳＦＥＴ４１、ＭＯＳＦＥＴ４２のボディダイオード、負荷７、ＭＯＳＦＥＴ３１、ＭＯＳＦＥＴ３２のボディダイオードの順に流れる。すなわち、高周波電圧の正負には関係なく、負荷７には図の上から下に向かう電流が流れる。【００２１】  図２において、時刻Ｔ２の状態を調べると、論理回路５６のＣに信号が出力しておりＢには信号が出力していないので、上記と同様に電流を追うと、高周波電圧の正負に関係なく、負荷７には図の下から上に向かう電流が流れる。すなわち、負荷には入力交���電圧に同期した交流が流れる。【００２２】  図１において、双方向スイッチを２つのＭＯＳＦＥＴを互いに逆に直列接続して構成しているので、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを利用している。ＩＧＢＴのようにボディダイオードを持たないスイッチ素子を図１の実施例に用いる場合は図７（ａ）に示したように各１ＧＢＴにダイオードを並列接続することで可能である。【００２３】  図３は請求項２記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
図において、論理回路５６の端子Ｄからは、図２の（３）の波形の信号が出力されて、ＭＯＳＦＥＴ１１、２１、３１、４１がオン・オフを繰り返している。ＭＯＳＦＥＴ１２、２２、３２、４２はゲートを駆動する信号がオフ状態なのでボディダイオードだけが働き、負荷７には一方方向の直流電流が流れる。【００２４】  図４は請求項３記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
図において、２５と４５は各々コンデンサである。論理回路５６の端子ＢとＣから図１の場合と同じ信号が出力されている。図４における図２の時刻Ｔ１の状態はＭＯＳＦＥＴ１１と３１がオン状態になっているので、Ｕ−Ｖ間の高周波電圧は、正に振れたとき電流はＭＯＳＦＥＴ１１、ＭＯＳＦＥＴ１２のボディダイオード、コンデンサ４５の順に流れてコンデンサ４５を充電する。負に振れたとき電流はコンデンサ２５、ＭＯＳＦＥＴ３１、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードの順に流れてコンデンサ２５を充電する。負荷７には２つのコンデンサの電圧をたした電圧が図の上がプラスとなって加わる。【００２５】  図４における図２の時刻Ｔ２の状態はＭＯＳＦＥＴ１２と３２がオン状態になっているので、Ｕ−Ｖ間の高周波電圧はコンデンサ４５と２５は逆方向に充電され、負荷７には２つのコンデンサの電圧をたした電圧が図の下がプラスになって加わる。【００２６】  図５は請求項４記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
図において、２６と４６は各々ダイオードである。論理回路５６の端子Ｄから図３と同じ信号が出力されて、ＭＯＳＦＥＴ１１と３１がオン・オフを繰り返している。【００２７】  図６は請求項５記載の発明の実施例を示す回路図である。
図において、１５と３５は各々ダイオードである。【００２８】  図７は請求項６記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
図において６１は電流を検出する抵抗であり、この抵抗両端の電圧が安定するようにしきい値が制御される。【００２９】  図１及び図３〜５の各々の回路において、双方向スイッチが２つのＮチャンネルのＭＯＳＦＥＴをソースをコモンにして互いに向きを合わせて構成しているが、アノードをコモンにして互いに向き合わせて構成しても良い。図６においてダイオードのアノードをＭＯＳＦＥＴのソースに接続して直列接続を構成しているが、ダイオードのカソードとＭＯＳＦＥＴのドレインを接続して直列接続を構成しても良い。【００３０】  図１及び図３〜５の各々の回路において、双方向スイッチはＭＯＳＦＥＴによって構成されているが、図７（ａ）に示したようなＩＧＢＴとダイオードを用いて構成しても良い。また、図７（ｂ）のようにＭＯＳＦＥＴにボディダイオードより順方向ドロップ電圧の小さいショットキバリアダイオードを並列接続して構成しても良い。【００３１】  図１〜７の各々の回路において、空中線をコイルで表現しているが、コイルの線長は電力の伝送が最も効率よく行われるように高周波電流の波長に応じて求められる。実際の線長が求められた値に満たない場合は図９（１）に示したようにインダクタを直列に挿入して空中線の等価的な線長を伸ばしても良い。図９（２）に示したようにコンデンサを並列に接続して空中線の等価的な線長を伸ばしても良い。図９（３）に示したようにインダクタとコンデンサを混ぜて用いて等価的な線長を伸ばしても良い。【００３２】  空中線としてループ状や渦巻状に巻いたものを用いても良い。
【産業上の利用の可能性】
【００３３】  従来の非接触電力伝送装置の多くは送電側で直流をスイッチングして高周波電流を作っていたので受電側で負荷に供給する電圧または電流を安定化するためにコストのかかる効率の良くない定電圧回路に依存しなければならなかった。本発明では送電側で交流を直接スイッチングすることにより、受電側で交流の位相を利用して制御することができ、シンプルなハードウェア構成と低速なデジタル処理で安定化が可能になった。また、負荷に流れる電流が大きいとき程双方向スイッチの導通角が広がり、送電側の電流が電圧に比例する。その結果、力率が良くなるので力率改善回路を省略できることがわかった。これらによって産業上の利用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】請求項１記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
【図２】図１の回路の波形を示す図である。
【図３】請求項２記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
【図４】請求項３記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
【図５】請求項４記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
【図６】請求項５記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
【図７】請求項６記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
【図８】双方向スイッチの構成例を示す回路図である。
【図９】従来方式の１例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００３５】１  交流電源
２  高周波インバータ
３、６  コンデンサ
４、５  空中線
７  負荷
１１、１２、２１、２２、３１、３２、４１、４２  ＭＯＳＦＥＴ
１３、１４、２３、２４、３３、３４、４３、４４  絶縁ドライバ
１５、３５  ダイオード
２５、４５  コンデンサ
２６、４６  ダイオード
５１  ダイオード
５２  コンデンサ
５３，５４  抵抗
５５  絶縁アンプ
５６  論理回路
５７  制御回路
５８、５９  抵抗
６１、６２  ＩＧＢＴ
６３、６４  ダイオード
７１、７２  ＭＯＳＦＥＴ
７３、７４  ショットキバリアダイオード
【図１】
2017011980.tif 000003
【図２】
2017011980.tif 000004
【図３】
2017011980.tif 000005
【図４】
2017011980.tif 000006
【図５】
2017011980.tif 000007
【図６】
2017011980.tif 000008
【図７】
2017011980.tif 000009
【図８】
2017011980.tif 000010
【図９】
2017011980.tif 000011
【図１０】
2017011980.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成27年7月31日(2015.7.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
【図１】請求項１記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
【図２】図１の回路の波形を示す図である。
【図３】請求項２記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
【図４】請求項３記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
【図５】請求項４記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
【図６】請求項５記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
【図７】請求項６記載の発明に関わる実施例を示す回路図である。
【図８】双方向スイッチの構成例を示す回路図である。
【図９】空中線の等価的線長を伸ばす例を示す回路図である。
【図１０】従来方式の１例を示す回路図である。
【符号の簡単な説明】