送受電側にフライングキャパシタコンバータを用いた非接触給電システムの電流高調波低減
楠居琳太郎＊，日下佳祐，伊東淳一 (長岡技術科学大学)

Current harmonics reduction for WPT systemwith flying-capacitor converter on both primary and secondary side
Rintaro Kusui, Keisuke Kusaka, Jun-ichi Itoh (Nagaoka University of Technology)

１．まえがきC1

非接触給電システムにおける漏洩磁界低次高調波の原因となる電流高調波を低減するために，1 次側電源にフライン

C2M

I1グキャパシタコンバータ(FCC)を適用する手法が提案され

L1V1L2V2ている[1]。しかし，2 次側に単なるダイオード整流器を接続すると 2 次側コイルに方形波電圧が印加される。その影響により十分な高調波の低減ができない。

図 1 S-S 方式の非接触給電システムの等価回路
Fig. 1. Equivalent circuit of S-S compensated WPT system

本論文では 2 次側整流回路の後段にも FCC を接続し，コイルに印加される電圧高調波を低減する手法を提案する。
提案システムによる電流高調波の低減効果をシミュレーシ

ifc1 1

S11ifc1 2ifc 21

S12ifc 22

ョンによって確認したので報告する。
ifc 1(n-1 )２．提案する非接触給電システム構成
VDC1 Cfc 11 Cfc 12Cfc1 (n-1)＜2・1＞提案システム

S1 (n-1)

ifc 2(n-1)

S1nCfc 2(n-1 )Cfc 22 Cfc 21 VDC2S2n

図 1 に 1 次 2 次コイルに直列に共振キャパシタを接続しC1M

た，いわゆる S-S 方式の非接触給電システムの等価回路を示す。1 次側電圧 V1，2 次側電圧 V2 として，1 次 2 次電流

C2i1

L1va c1

I1 =1jC2i2vac2
S2 2

I1，I2 を導出すると(1)，(2)式となる。
j L2 +S2(n-1 )L2S21V1 −j M
V2(1)

図 2 送受電側にフライングキャパシタコンバータが接続された非接触給電システム
Fig. 2. Proposed WPT system with the flying capacitor converteron both primary and secondary side.

1j L1 +j M
jC1
I2 = −
V1 +V2(2)
ここで，L1, L2 は 1 次側 2 次側伝送コイルの自己インダクダイオード整流器と FCC を接続している。本論文では，伝タンス，C1, C2 は 1 次側 2 次側共振キャパシタンス，M は伝全波整流電圧を出力し，極性切替回路によって極性を切り送コイル間の相互インダクタンスを示す。また，はインピ替えることで伝送コイルに低次高調波の少ない階段状の正ーダンス行列の行列を示し，(3)式で表される。

弦波電圧を印加する。2 次側では電流位相を検出し，FFC の
1 
1 
22
 =  j L1 + j L2 ++ M
jC1 jC2 


送コイルには S-S 方式を適用した。1 次側 FCC は階段状の入力は電流の同位相の階段状の全波整流波形となるように(3)(1)，(2)式より 1 次 2 次電流はそれぞれの電圧高調波が相互に作用して通流している。そのため，それぞれに流れる電流高調波を低減するためには，1 次側だけでなく，2 次側電源高調波を低減する必要がある。

スイッチングを行う。したがって，提案構成では，1 次 2 次側ともに伝送コイルには低次高調波成分の少ない階段状の電圧が印加されるため，電流高調波を低減可能である。

３．シミュレーション結果
本章では，シミュレーションにより 9 レベル FCC 適用し

図 2 に提案システムの構成を示す。提案システムは 1 次た提案システムの動作をシミュレーションにて検証する。

側電源として FCC と極性切替回路を，2 次側整流器として，シミュレーションの条件として定格電力を 1kW とし，定格直流電圧は FCC を接続した場合は 380V，インバータ，ダイオード整流器を接続した場合は 300V とした。これはコイルに印加される電圧の基本波成分を等しくするためである。
＜3・1＞回路動作
図 3 に一次側に FCC，2 次側にダイオード整流器を接続した従来構成の動作波形を示す。一次側の FCC 出力電圧とWPT primary and secondary side voltage vac1, vac2 [V]vac1

4002000-200-4005

コイル電流の力率が 1 となっており，共振条件を満足して0いることが確認できる。一方でダイオード整流器によって-5vac2
WPT primary and secondary side current iac1, iac2 [V]iac1iac210ms

方形波電圧が印加される 2 次側は電流高調波が残存しており，歪んでいることが確認できる。
図 4 に 1 次側 2 次側ともに FCC を接続した提案構成の動作波形を示す。従来構成同様に 1 次側の力率は 1 であることから共振条件を満足していることがわかる。更に，2 次側は PLL によって電流位相と同期した電圧が出力できていることが確認できる。さらに FCC によって電圧高調波が低減

4002000-200-4005されたため，従来構成と比較し電流ひずみが低減できてい10ms
図 4 提案システムの動作波形
Fig. 4. Operation waveform of proposed system

電流高調波解析は 1 次側に 2 レベルインバータと 2 次側にダイオード整流器，1 次側に FCC と 2 時側にダイオード整り，変化していないことが確認できる。図 5 より，1 次側にFCC を適用すること 1 次電流高調波を 5~10dB 程度，特に 3次成分に関しては 9.1dB 低減したことが確認できる。一方

40

Primeay side current [dBA]

いても，1 次 2 次電流の基本波成分は 11.4dB(3.73 Arms)であ

iac1iac2

図 5，6 に 1 次 2 次電流の電流高調波解析の結果を示す。

9kHz~30MHz までである。図 5，6 より，いずれの方式におWPT primary and secondary side current iac1, iac2 [A]-5＜3・2＞高調波解析

解 析 し た 周 波数 の 範 囲は ，CSIPR11 で定 め ら れて い る

vac1vac20ることがわかる。

流器，
1 次 2 次に FCC を接続した構成をそれぞれ比較した。

図 3 従来システムの動作波形
Fig. 3. Operation waveform of proposed system
WPT primary and secondary side voltage vac1, vac2 [V]011.4dB(3.73Arms)-40

53.3dB-80-120-160
0.01で，図 6 より 2 次電流高調波に関しては一次側に FCC を適Conventional method (Inverter - Diode Rec.)
Conventional method (FCC - Diode Rec.)
Proposed method (FCC – FCC)
9.1dB
16.3dB
27.9dB
25.4dB

0.1

用するのみではインバータを適用した場合と比較して大きな変化がない。そこで，提案構成とすることで 2 次電流高この結果に関して，1 次電流高調波は 1 次側電圧の高調波により発生する電流 I1h と二次側電圧の高調波により発生する電流 I2h に分けられる。一次側に FCC を接続すると I1h は大幅に低減し，I2h が支配的になる。そこでさらに，二次側を FCC にすることで，I2h も大幅に低減することができ，このときの電流を I2h_fcc とする。このとき，I2h / I1h >> I2h _fcc/ I2h40

Secondary side current [dBA]側のみならず 1 次側の高調波電流も 20dB 以上に低減した。

10図 5 1 次側コイル電流の高調波解析
Fig. 5. Harmonics analysis of primary current

調波を 30dB 以上低減，特に 3 次高調波に関しては 37.2dB低減していることがわかる。さらに，提案構成によって 2 次

1Frequency [MHz]11.4dB(3.73Arms)
0-40

53.2dB-80-120-1600.01であるため，FCC を二次側に接続したときの方が一次電流

Conventional method (Inverter – Diode Rec.)
Conventional method (FCC - Diode Rec.)
Proposed method (FCC – FCC)
16.3dB 37.2dB
16.0dB

0.1

110Frequency [MHz]

高調波の低減率が大きい。
図 6 2 次側コイル電流の高調波解析
Fig. 6. Harmonics analysis of secondary current

以上のシミュレーションと電流高調波解析の結果から，提案構成により非接触給電システムにおける漏洩磁界高調波の原因である電流高調波を低減可能であることが確認で

文

きた。
(1)

献

楠居 他, 2022 年 D 部門大会 Vol. 1, No. 24, pp. 127-130(2022)