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平成 25 年電気学会全国大会

非接触給電システムに用いる倍電流整流回路のリアクトルの電流リップル
工藤貴広＊，遠井敬大，金子裕良，阿部茂 (埼玉大学)

Reactor Current Ripple in Current Doubler Rectifier circuit using Contactless Power Transfer System
Takahiro Kudo＊， Takahiro Tohi， Yasuyoshi Kaneko， Shigeru Abe (Saitama University)

１．はじめに非接触給電は利便性・保守性に優れた給電方式であり，すでに電動歯ブラシや携帯電話で実用化が進んでいる。また蓄電装置として急速充電が可能な電気二重層キャパシタ(EDLC)が注目されており，非接触給電による低電圧大電流

図1での高効率な充電法が必要とされている。低電圧の EDLC

EDLC 非接触給電システム

Fig.1. Contactless power transfer system for EDLC charging

を高効率で充電するため，一次直列二次直列コンデンサ方式(SS 方式)(1)の非接触給電装置と倍電流整流回路(2)(3)を組み合わせたシステム(図 1)を用いた(4)。SS 方式の非接触給電装
置はイミタンス変換器特性となるため，定電圧で駆動すると出力が定電流となり，EDLC の定電流充電に適している。
また倍電流整流回路には 2 つのリアクトルが含まれるが，インダクタンスの値が小さいとリアクトルの電流リップルが大きくなり，整流回路の出力電流が低下する。 反対に，インダクタンスの値が大きすぎるとリアクトルの寸法が大きくなってしまう。
本論文では，SS 方式の非接触給電装置を定電圧で駆動した場合のリアクトルの電流リップルとインダクタンスの関係を明らかにする。EDLC への給電実験を行い，電流リップルの計算式の精度を検証する。なお，EDLC の充電電流(a) SS 方式非接触給電(定電圧駆動)
図2のリップルは LC フィルタを用いることで十分小さくできるため今回は検討しない。

Fig.2.

2．倍電流整流回路の動作原理と電流リップルの関係
SS 方式の非接触給電では一次側を定電圧で駆動すると二次側は定電流となるため，倍電流整流回路の入力は正弦波の定電流源と見なしてよい。図 2 に SS 方式の非接触給電装置を定電圧駆動した場合と正弦波定電流源を用いた場合の倍電流整流回路の各部の電圧電流波形を示す。

(b) 正弦波定電流源

倍電流整流回路の各部電圧電流波形
Wave forms of voltage and current

リアクトルのインダクタンスが小さいとリアクトル電流にリップルが含まれ，出力電流 iL の平均値 IL が低下するため，IL は実際には 2 2 倍よりも小さくなる。電流リップルが大きくなるほど IL の値は低下する。

3.リアクトルの電流リップルの算出

倍電流整流回路の動作を説明する。図 2 の電圧電流波形

電流連続モードの倍電流整流回路におけるリアクトルのを整流動作により A~D の 4 つのモードに分ける。ここでリ電流リップル ΔIpp とインダクタンスの値 L1 (= L2)の関係をアクトル電流経路に注目すると，リアクトル L1 のみを考え明らかにし，リアクトルの電流リップルを算出する。正弦た場合，iL1 の電流経路は図 3 となる。同様に L2 のみを考え波定電流源を用いた場合の電流波形とリップルの関係を図ると iL2 の電流経路は図 4 となる。図の RL は EDLC を抵抗2 (b)に示す。リップルを求めるため，電流波形を検討する。

負荷としてみなした値である。倍電流整流回路では，図 3

まず入力電流 i2 を余弦波としその振幅を I0 とすると i2 は(1)と図 4 の動作が同時に行われるため出力電流 iL は常にリア式で表される。

クトル電流 iL1，iL2 の和となり一定の値をとる。理想的には

i2=I0cos(ωt) ································ (1)

入力電流実効値の 2 2 倍の値が出力電流 iL となる。しかし，2013/3/20～22 名古屋-55( 第 4 分冊 )©2013 IEE Japan

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次にリアクトル電流 iL1 について検討する。Vf は VL とほぼ同じ値となるため Vf  VL とする。図 3 の A→C の範囲では，リアクトル L1 に入力電圧 vd が印加されないため， L1にかかる電圧 VL1 は－VL と近似することができ，iL1 は(2)式で表される。

iL1  VLt  I 0 ···························· (2)L1(a) A→C の時(1)式と(2)式の交点を t1(t1>0)とすると(3)式が成り立つ。

I 0 cos t1  (b) D の時

図 3 リアクトル電流 iL1 の電流経路
Fig.3. Current paths of iL1VLt1  I 0 ······················ (3)L1

ここで，A=cosωt1 とすると，リアクトルの電流リップルのpeak to peak 値は(4)式で表される。
I pp  I 0 (1  A) ························· (4)(3)，(4)式より t1 は(5)式で表される。

t1 L1cos 1 A
I pp (  cos 1 A  2 ) ····· (5)VL(a) B の時
図4(5)式より，ΔIpp を L1 を用いて表すと(6)式で表される。
I pp VL cos 1 A ························· (6)L1

Table 1. Experimental results.

流リップル ΔIpp を用いて(7)式で求められる。

I L  2( I 0 2

リアクトル電流 iL2 の電流経路
Fig.4. Current paths of iL2

リアクトルの電流リップル ΔIpp の比較

表1

また出力電流 IL は IL1，IL2 の和であるため，リアクトルの電I pp(b) C→A の時) ·························· (7)

I0[A]

VL[V]

IL[A]

測定値 ΔIpp [A]

計算値 ΔIpp [A]

46.9

24.0

75.0

19.1

20.6

51.1

42.0

70.0

30.7

34.5

以上 (1)式～(7)式をまとめると①～④の手順でリアクトルの電流リップル ΔIpp と出力電流 IL が求まる。

電流リップル ΔIpp について測定値と(6)式より算出した計算① イミタンス変換器特性より，一次側のインバータ電圧値を比較した。結果を表 1 に示す。表 1 から ΔIpp の測定値vin を決めると，出力が定電流となるため I0 が決まる。と計算値の誤差は最大で 11%となり，(6)式の有用性を確認② EDLC 充電開始時の電圧 VL は既知なので，インダクタすることができた。また ΔIpp を(7)式に代入し出力電流 IL のンス L1 の値を決め，(3)式に代入すると t 1 が得られる。

計算値を求めると，測定値との誤差は最大で 3.3%という結③ A=cosωt1 として(6)式に代入するとリアクトルの電流リ果が得られた。誤差の原因は Vf  VL として近似したことや，
図 2(a)のように i2 の電流波形が完全な正弦波ではないこと

ップル ΔIpp の値が求まる。

が影響していると考えられる。

④ リアクトルの電流リップル ΔIpp の値を (7)式に代入す
ると出力電流 IL の値が求まる。

5．まとめ

逆に，目標の出力電流 IL とリアクトルの電流リップル ΔIpp

SS 方式の非接触給電装置を定電圧で駆動した場合の，倍を決定すれば，その値を満たす L1 の最小値(=L2)が決まり，電流整流回路のリアクトルの電流リップルとインダクタン一次側のインバータ電圧 vin も決定することができる。

スの値の関係を明らかにし，リアクトルの電流リップル ΔIpp

4．給電実験による評価の算出方法について示した。
文献(6)式の有用性を確認するため，図 1 の回路で EDLC への給電実験を行った。EDLC の充電電流のリップルによる発熱を避けるため，整流出力に LC フィルタを接続し ，Cf=108μF，Lf=16μH とした。
電源周波数 f0=9.8kHz，倍電流整流回路のリアクトル L1，(3)中野・樋口・平地：電学論 D,Vol.116,No.10 pp.1081-1082 (1996)(4) 遠井・工藤・金子・阿部：電学半導体電力変換研資, SPC13-013(2013)

L2=100μH，出力電圧 VL=24，42V とした時のリアクトルの2013/3/20～22 名古屋(1) 遠井・金子・阿部：電学半導体電力変換研資, SPC11-179(2011)(2) 山路・金・石原・戸高・坂口・内藤・橋口：電子情報通信学会
技術研究報告. EE, 電子通信エネルギー技術 106(337), 19-24, (2006)-56( 第 4 分冊 )©2013 IEE Japan