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平成 30 年電気学会全国大会

二次側複数コイルにおける非接触給電回路の解析
福島健太＊，金子裕良 (埼玉大学)

Analysis of Circuit for Wireless Power Transfer in Secondary Side Multiple Coils
Kenta Fukushima＊, Yasuyoshi Kaneko (Saitama University)

1. はじめに
近年，小型電子機器向け非接触給電が注目されている。
この用途ではコストや利便性の観点から，送電側は一台の電源およびインバータで駆動し，複数の機器に給電することが望ましい。このような複数の二次側コイルを有する非接触給電回路の理論的検討を行っている研究も多数存在す
る(1)(2)。また，非接触給電ではコンデンサ回路方式により得られる特性が変化することが知られている(3)。そこで本稿では，非接触給電で多く使用されている 3 つのコンデンサ回路方式において二次側複数コイルを有する非接触給電回路の理論解析を行い，給電実験によりその妥当性を検証した。
また，各方式での比較をし，最適な回路方式を検討した。

2. 理論解析
一次直列二次直列コンデンサ方式(SS 方式)での二次側複数非接触給電回路を図 1 に示す。本解析では式が容易になるよう二次側コイル間の相互結合はゼロ，二次側コイル・

図 1. 二次側複数コイル非接触給電回路負荷はすべて同一であるとした((1)式)。各コンデンサ式は

Fig 1. WPT circuit of secondary side multiple coils

各閉回路内で共振，あるいは入力力率が 1 となるよう決定

表 1. トランス定数(SS 方式 3 コイル)した。これにより，表 2 に示す特性解析結果が得られる。

 L21  L22    L2 n  L2
M  M  M  M
 12n

R
RRD2Dn  RD D1
 I D1  I D 2    I Dn  I DTable 1. Transformer parameters (SS topology 3coils)
f [kHz]100

r1 [Ω]

1.66

L1 [μH]513

r21 [Ω]0.560

L21 [μH]175

r22 [Ω]0.553

L22 [μH]175

r23 [Ω]0.551

L23 [μH]

174

CS1 [μF]

0.00494

次側 1 コイル対二次側 1 コイルと同様の結果となることか

k1_210.293

CS21 [μF]0.0145

ら，二次側 1 コイル時も含む拡張した記述であるといえる。

k1_220.302

CS22 [μF]0.0145出力電力一定(VD, ID 一定)とするには，入出力特性結果より

k1_230.303

CS23 [μF]0.0145

M [μH]

89.6

1

表 2 の n は二次側コイル個数を表し，n=1 では従来の一SS 方式および一次直列二次並列コンデンサ方式(SP 方式)では入力電圧 VIN を，一次並列二次直列コンデンサ方式(PS 方式)では入力電流 IIN を n 倍にすればよいとわかる。また，各コンデンサ決定式に注目すると，SS 方式のみ n が含まれないことから，SS 方式は同じ共振コンデンサ値で受電コイルの個数が変わっても入力力率がずれない。

トランスには円形空芯コイルを用いた。SS 方式二次側 3 コ
イル時での定数を表 1 に示す。図 2 にそのときの入出力電圧電流波形を示す。SS 方式では入力電圧 VIN と入力電流 IINは同相，出力電流 ID1～ID3 は入力電圧 VIN より 90°進相であ3. 給電実験

るが，実験においても同様の結果が得られた。また，各二表 2 に示す特性解析結果の妥当性を検証するため，給電2018/3/14～16実験を行った。給電実験時には整流器と電子負荷を使用し，

九州次側コイルの負荷抵抗に 50W 一定給電とする条件で二次側-207-©2018 IEE Japan

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表 2. 二次側複数コイルにおける非接触給電回路の特性解析結果
Table 2. The analysis result of wireless power transfer in secondary side multiple coils
SS 方式

CS 1 コンデンサ

入出力
特性

SP 方式(1)CS 1 2 L1
1CP  2
 L2

イミタンス変換器特性
入力インピn  M 

2ーダンスZIN

ηmax
最適負荷n  M

RDmax

2r2
r1

21

22
L r1r2  1   n  r12n  L1
M M rn  M 2  n   r1
 L1 2n

R1
m 1 RDm回路0 V DM I n   D L1 

11 r L L2 1   1  2 n r2  M n

負荷等価1
M2 
 2  L2  n L1 

22
L r1r2  2   n  r22n  L2
M 

1

二次側CP 1  L1    RDn M 211
 2 L1理想変圧器特性

1r1r2

CS 

 L1
VIN   M
I    IN   0M n    RD L2 1RD121n  M

最大効率M L2 2 Mn0VVIN   L2 D I   L2 I D  IN   0M 理想変圧器特性 n  jM  V  D 0 I D 

VIN   0
 I    j 1
 IN   M 2  L1  n 

1CS 2  2
 L2PS 方式

1m 1

Dm

―直列接続

並列接続

コイル数を増加させた際の入力電圧電流値の変化を図 3 に示す。特性解析結果と同様，入力電流 IIN は変化せず入力電圧 VIN のみが n 倍に変化することが確認できた。トランス効率 ηTr と入力インピーダンス ZIN の負荷変動特性給電実験結果と理論値との比較を図 4，5 に示す。ともに理論値と実験値はほぼ一致していることがわかる。これより SS 方式での理論値の妥当性が確認できた。また，SP・PS 方式においても給電実験では特性解析結果と同様の結果が得られたことから，3 方式の理論式すべての妥当性が確認できた。

4. まとめ図 2. 電圧電流波形

図 3. 出力電力一定時に

Fig 2. Voltage and current

おける入力電圧電流値waveformFig 3. Input voltage and current

本稿では，3 回路方式にて二次側複数コイルを有する非接value at constant output power

触給電回路の理論解析を行い，給電実験より妥当性を確認した。SS 方式が二次側コイル個数によらずコンデンサ値不変であることから，二次側複数コイルでは有利である。
文献(1) 金子他:電学論Ｄ Vol.128,No.7,pp.919-925 (2008)(2) 居村:電学論Ｄ Vol.134,No.6,pp.625-633 (2014)(3) 藤田他:電学論Ｄ Vol.127,No.2,pp.174-180 (2007)2018/3/14～16

九州-208-

図 4. 入力インピーダンス

図 5. トランス効率

Fig 4. Input impedanceFig 5. Transform efficiency©2018 IEE Japan