革新的小型軽量高速充電回路を低コストに-革新的高周波電源-

千葉大学

大学院工学研究院
教授 関屋 大雄
2023年12月21日

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本発明の概要
本発明は、複雑な制御を用いずに電力負荷変動に依存することなく定電流給電と定電圧給電の双方が可能な、高周波インバータ回路および電源回路を提供することを目的としている。
本発明は、スイッチを切り替えることによって、複雑な制御を用いずに電力負荷非依存な定電流給電と定電圧給電の双方の給電を高周波動作において可能としたものである。
一つのインバータ回路構成で電力負荷変動に依存することなく定電流給電と定電圧給電とが可能となるように、インバータ回路素子の定数が適正化されているため、負荷変動に対応した複雑な制御回路構成を簡素化することができるという大きな特徴を持つ。
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Outline
 研究背景 WPTシステムの小型高効率化
 リチウムイオンバッテリーの充電特性
 従来研究における問題点
 提案回路 CC/CVの切替機能を有するハイブリッド型E/EF級インバータ
 定電流動作 定電圧動作 回路設計と実験
 サマリーおよび共同研究開発に向けて
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研究対象

電源回路
コンバータ
VVVF

Inverter

DC
太陽光発電

AC
AC-ACConverter

DC-DCConverter

DC
電気自動車

固体変圧器
(Solid-stateTransformer)

周波数変換器AC
モーター駆動Rectifier

民生機器• 技術課題:IH ヒーター

無線給電

1. 小型化

車載充電器

エネルギー
ハーベスティング

2. 高効率化

4高周波化の利点と課題
C1 C2 受動素子の小型化

F
EFTE
T
高周波数(MHz 領域)

FET
低周波数 (kHz 領域)
L(矩形波(PWM)コンバータ)
電圧電流• 電流と電圧が同時に存在！

(共振型コンバータ)
電圧電流𝑃𝑆𝑤 ∝𝒇𝒔t• スイッチング損失• 電波干渉t• ソフトスイッチング Zero-Voltage Switching (ZVS)• 高周波においても高効率
5２次電池非接触充電に伴う
研究課題

負荷変動時のインバータ波形例

負荷変動・コイルの位置ずれによりスイッチング条件・出力が変動
負荷変動に対して常にソフトスイッチング・定電圧・電流出力を達成するインバータの必要性
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従来の無線電力伝送システム• 高周波動作において無線通信の遅延による影響大• 一定電圧・電流出力およびソフトスイッチングの同時保証が困難、システムが複雑化• 高周波で使用可能な周波数帯域が狭く、周波数制御が使えない。
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リチウムイオンバッテリーの充電特性8Outline
 研究背景 WPTシステムの小型高効率化
 リチウムイオンバッテリーの充電特性
 従来研究における問題点
 提案回路 CC/CVの切替機能を有するハイブリッド型E/EF級インバータ
 定電流動作 定電圧動作 回路設計と実験
 サマリーおよび共同研究開発に向けて9負荷非依存E級インバータ [1]• 制御用いず定電圧出力を達成• ZVS[1] R. E. Zulinski, and K. J. Grady, “Load-independent class E power inverters: part I. theoretical development",
IEEE Trans. Circ. Syst. -I, vol. 37, no. 8, pp. 1010-1018, Aug. 1990
10負荷非依存E/F級インバータ [2]

高調波共振回路vs (V) vg (V)ZVSi1 (A)Infinitechoke

5010050050100500v1 (V)• 制御用いず定電流出力を達成• ZVS

RL=RLE
RL=1/2RLEF
RL=1/10RLEF

20-21000

一定出力電流1.0Time (μS)

20-25002.0

一定0定電流モ ード
[2] S. Aldhaher, D. C. Yates, and P. D. Mitcheson, “Load independent class E/EF inverters and rectifiers for MHz switching
applications,", IEEE Trans. Power Electron., vol.33, no.10, pp.8270-8287, Oct. 2018.

T定11

研究のアイデア

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提案回路
VI

LC iCi0i2

L2 S1

S2C2 vGvS

入力インダクタンス(Infinite choke)

VIi0i2

L2 S1

S2

C2 vG

C1vS

高調波共振回路CS

CSv1i1

RL

入力インダクタンス(Finite choke)
LC
C1 L1 i1i0

L1 i1v1

L1• S2 is ON (負荷非依存E級):• S2 is OFF (負荷非依存E/F級):
LC iC

C1RL

出力電流一定

VIi2

S2

L2 S1
C2 vGvS

CSv1

RL

出力電圧一定13

等価モデルとしてインバータに帰着VI

コンバータへの展開

LC iCi0i2

L2 S1

S2

C2 vGvS

C1

L1CS

v1

i1

RL

インピーダンス変換

SがON 一定電圧
SがOFF 一定電流

一定電流一定電圧• トポロジーが簡単、小型・軽量化に有利• ZVSを達成するため、高周波に高効率• 動作周波数一定のため、ISM周波数で動作可能

一定出力電流一定出力電圧14

Outline
 研究背景 WPTシステムの小型高効率化
 リチウムイオンバッテリーの充電特性
 従来研究における問題点
 提案回路 CC/CVの切替機能を有するハイブリッド型E/EF級インバータ
 定電流動作 定電圧動作 回路設計と実験
 サマリーおよび共同研究開発に向けて
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設計手順

𝛾𝑆 = 𝜔𝐶𝑆 𝑅𝐿• 設計結果𝜆𝐵 = 𝜔𝐿𝐵 /𝑅𝐿

CC/CVモードに対し、同時に条件を満足するための設計(1)負荷非依存EF級インバータの設計
𝛾𝑆 = 𝜔𝐶𝑆 𝑅𝐿 𝜆𝐵 = 𝜔𝐿𝐵 /𝑅𝐿𝜔2∗ = 1/(𝜔 𝐿2 𝐶2 )𝐷𝐸𝐹

(2) 負荷非依存E級の時比率を決める
16実験検証
VI

LC iC

i0i2

L2 S1

S2

C2 vG

試作回路vS

C1

L1

CSv1i1

RL

素子値

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実験結果
VI

LC iCi0i2

L2 S1

S2

C2 vGvS

C1

L1CSv1i1

RL

出力電流一定出力電圧一定

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VI

性能比較

LC iC

i0i2

L2 S1

S2

C2 vGvS

C1

L1

CSv1i1

RL

トポロジー

動作周波数

スイッチ個数[1]

Class-D (中継回路有り)

一定

6(中継回路含み)[2]Class-D

一定

7

[3]

Class-D変化

4[4]Class-D変化

4

本研究Class-E/F

一定

2• 無線通信が不要で、小型・軽量化に有利• ZVSを達成するため、高周波に高効率• 動作周波数一定のため、ISM周波数で動作可能[1] Y. Li et al., “Reconfigurable Intermediate Resonant Circuit Based WPT System With Load-Independent Constant Output Current and Voltage for ChargingBattery,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 34, no. 3, pp. 1988-1992, March 2019,[2]X. Qu, H. Han, S. Wong, C. K. Tse and W. Chen, “Hybrid IPT Topologies With Constant Current or Constant Voltage Output for Battery Charging Applications,”
IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 11, pp. 6329-6337, Nov. 2015,[3]X. Qu, H. Chu, S. Wong, and C. K. Tse, “An IPT Battery Charger With Near Unity Power Factor and Load-Independent Constant Output Combating DesignConstraints of Input Voltage and Transformer Pa- rameters,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 34, no. 8, pp. 7719-7727, Aug. 2019,[4]S. Li, W. Li, J. Deng, T. D. Nguyen and C. C. Mi, “A Double-Sided LCC Compensation Network and Its Tuning Method for Wireless Power Transfer,” IEEE Trans.
Veh. Technol., vol. 64, no. 6, pp. 2261-2273, June 2015,19

Outline
 研究背景 WPTシステムの小型高効率化
 リチウムイオンバッテリーの充電特性
 従来研究における問題点
 提案回路 CC/CVの切替機能を有するハイブリッド型E/EF級インバータ
 定電流動作 定電圧動作 回路設計と実験
 サマリーおよび共同研究開発に向けて
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従来技術とその問題点
既に実用化されているリチウムイオンバッテ
リー充電器には、CC/CV切り替えと高効率化の両立制御機構が必須
それに伴む高周波化の限界等の問題があり、小型・軽量化のボトルネックとなっていた。
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本発明の概要
本発明は、複雑な制御を用いずに電力負荷変動に依存することなく定電流給電と定電圧給電の双方が可能な、インバータ回路および電源回路を提供することを目的としている。
本発明は、スイッチを切り替えることによって、複雑な制御を用いずに電力負荷非依存な定電流給電と定電圧給電の双方の給電を高周波において可能としたものである。
一つのインバータ回路構成で電力負荷変動に依存することなく定電流給電と定電圧給電とが可能となるように、インバータ回路素子の定数が適正化されているため、負荷変動に対応した複雑な制御回路構成を簡素化することができるという大きな特徴を持つ。
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想定される用途• 小型モバイル端末のバッテリー充電アダプ
タに応用が第一に挙げられる。
• 負荷変動、位置ずれに対するロバスト性を活かし、ドローンなどモビリティを持つものへの無線充電・給電への応用を目指す。
• 逆にモビリティを持つもの「から」の充電も可能と考えている。
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今度の課題・共同研究への期待• 社会実装に向けたアプリケーションの提案とその共同研究開発について企業との協働を希望。
• 高周波電源や無線電力伝送システムを開発中の企業との共同研究を希望。
• 千葉大学として不十分であるシステム実装技術を有する企業との共同研究により、実用化への道が拓くことを希望。
• 小型モバイル機器等へのバッテリー充電器向けとして、本技術の導入が有効と思われる。
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：インバータ回路および無線電力伝送回路• 出願番号：特願2022-079500(2022-5-13 出願)• 出願人：国立大学法人千葉大学• 発明者：関屋 大雄、朱 聞起
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産学連携の経歴• 2010年-2014年 JST A-STEP フィージビリ
ティスタディ（探索タイプ(2010・2011)・シーズ顕在化タイプ(2012-2014)）事業に採択• 2010年通信・電機メーカー・自動車関連企業と共同研究実施

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お問い合わせ先
千葉大学
学術研究・イノベーション推進機構(IMO)
産学官連携推進部
ＴＥＬ 043-290-3048
ＦＡＸ 043-290-3519
e-mail ccrcu＠faculty.chiba-u.jp

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