小容量向け商用周波数出力の電界型ワイヤレス給電システムにおける非線形負荷特性の解析
徳力

学生員

フェロー

雅也
山本正員

日下佳祐

(長岡技術科学大学)

俊二 (東京電力ホールディングス)Analysis of Non-Linear Load Characteristics in Utility-Frequency Output
Capacitive Wireless Power Transfer System for Low-Power Devices
Masaya Tokuriki, Student member, Keisuke Kusaka, Member (Nagaoka University of Technology)
Shunji Yamamoto, Fellow (Tokyo Electric Power Company Holdings, Inc.)

This paper proposes a capacitive wireless power transfer system for low-power devices, enabling utility-frequency output.
Furthermore, the characteristics of the proposed system are evaluated when non-linear loads are connected. The proposedsystem transmits power by directly injecting high-frequency waves into full-wave rectified sine waves. Therefore, this isachieved by eliminating the capacitor in the DC link. On the secondary side, the waveform is regenerated to a full-wave rectified
sine wave through a diode rectifier and a filter. The utility-frequency output is obtained with the unfolder on the secondary side
without PWM. In addition, the proposed system aims to be able to operate with any load connected. Therefore, a capacitorinput diode rectifier circuit was connected as the load in the experiment. The results showed that the current THD is reducedby connecting them to the proposed system. In the high-crest factor range, input/output current THD could be reduced to 18.0%.
キーワード：電界型ワイヤレス給電, 高周波重畳方式, 非線形負荷, クレストファクタ
Keywords：Capacitive Wireless Power Transfer, High-Frequency Injection Method, Non-Linear Load, Crest Factor.

１． はじめに

本論文では，提案するワイヤレス給電システムに様々な非近年，スマートフォンやノート PC のようなバッテリを搭載線形負荷が接続された場合における動作について，実機検証したモバイル端末の普及が拡大している。これらモバイル端を行った。小容量の製品では，PFC 回路を含まない，非線形・末の充電には，コンセントにプラグを差し込む有線の充電器低力率な負荷も多く存在する。提案システムでは，上記アプが多く用いられてきた。しかし，有線充電器では電源プラグリケーションにおいても動作可能であることを確認するたが露出しているため，劣化や感電などの危険性がある。そこ

めに，非線形負荷を接続した際の動作をシミュレーション及

で，端子を露出せずに電力供給が可能なワイヤレス給電シス

び実機検証により確認した。これにより，提案システムに非テムが注目を集めている。

線形負荷が接続された場合においても，動作が可能であるここれらバッテリへの充電アプリケーションとして利用されとを確認し，その特性を取得したため報告する。

るワイヤレス給電システムは，電力伝送時に高周波の交流を２． 提案する WPT システム構成必要とする。一般的に，ワイヤレス給電システムは電力系統〈2･1〉に接続され，低周波の交流入力から変換するため，一度直流

図 1 に提案する AC-AC 変換を有するワイヤレス給電システ

平滑してから高周波の交流を与える。受電側では反対に，高ムの回路構成を示す。従来手法では，整流器後段の平滑用コ周波の交流を直流平滑してから商用周波数で出力する。このンデンサに大容量の電解コンデンサが採用されており，これ直流平滑部では，大容量の電解コンデンサが用いられており，によって交流を直流へと変換した後，電力伝送が行われる。

回路全体の大型化や低寿命化の要因となりえる(1)。

一方，本提案システムでは，インバータ直流側電圧を平滑せこれら問題を解決するために，これまでに様々な手法で対ずに全波整流波形とし，高周波を重畳して電力伝送を行う。

高周波重畳方式策が報告されてきた。しかし，先行研究では提示されているシステムは，特定のバッテリ電圧に合わせてワイヤレス給電システムが設計されており，既存のアプリケーションへ適用することが困難である(2)。既存のアプリケーションへワイヤレス給電システムを適用するためには，商用周波数出力が必須となる。そこで著者らは，商用周波数出力を可能とする，小容量向けのワイヤレス給電システムについて提案してきた(3)。

Fig. 1. Proposed system capable of utility-frequency.

受電側は整流器により共振周波数成分を除去し，極性切り替接続されていない機器も多く存在する(5)(6)。

え回路(duty 比:0.5)によって商用周波数の正弦波を生成する。

本論文では，提案システムにおいても小容量で非線形・低力

よって，理論上平滑用の大容量コンデンサを必要としないた率な負荷が接続された場合においても，同様に動作可能であめ，商用周波数出力を行いつつ，回路全体の小型化や長寿命るかを確認する。また，この時の高調波が負荷単体時よりも化が見込める。しかし，実験ではスイッチングによるサージ悪化していないことを確認する。なお，本論文では負荷としの吸収を目的とした小容量のスナバコンデンサを接続してて，図 3 に示すようなコンデンサインプット型のダイオードいる。これに合わせて，シミュレーション上でも同様に DC整流器を使用した。

リンク部にコンデンサを接続している。
〈2･2〉

電界型電力伝送方式

３． シミュレーション結果〈3･1〉

非線形負荷接続時の動作波形

本提案システムでは，モバイル端末等の充電アプリケーシ

表 1 に実行したシミュレーション条件をまとめる。また，ョンを想定している。そのため，システム出力は小容量であ

図 4(a)に入出力電圧，1 次側及び 2 次側のコンデンサ両端電り，小型化が可能であることが望ましい。そこで，小電力用圧，システムの入出力電流を示す。ただし，システムの入出途で使用され，回路の小型化が実現可能な電界型のワイヤレ

力電流波形には，合わせて非線形負荷単体動作時の入力電流

ス給電システムに注目した。

も示している。図 4(b)には，この時の 1 次及び 2 次側の伝送

電界型のワイヤレス給電システムは，結合部に金属の平行電圧を示す。シミュレーションでは，負荷に非線形負荷とし平板が用いられ，電界結合することで電力伝送が行われる。て，クレストファクタが 3.0 となるようにコンデンサを調整

このシステムの特徴として，磁気結合による電力伝送を行うして接続した。

磁界型に比べ，低コストで軽量化が可能なことが挙げられる。

入出力の電圧を見ると，低力率な負荷を接続した場合，入そのため，近年ではモバイル端末のような小容量のアプリケ

力電圧は正常に正弦波出力がされていることが確認できる。

ーションへ適用する際は電界型のシステムを用いる研究が一方で，出力電圧はゼロクロス周辺で急峻な変化が見られ，増加している(4)。

接続している負荷の影響が大きく表れていることがわかる。

図 2 に提案システムにおける電力伝送及び共振補償回路を

また，電流は非線形負荷単体で動作させた場合よりもピーク示す。本回路では，1 次側インバータの出力電圧 vp を Cf1，Lf1が抑えられていることが確認できる。の共振回路によって昇圧し，相受電間で生じる電位差を低減

この時の電流 THD は，ダイオード整流器単体動作時はさせる。また，共振方式には共振インダクタ L1，L2 を直列に57.2%，提案システム接続時の入力電流が 42.7%，出力電流は接続する直列共振方式を採用した。

46.2%という結果になった。この結果より，提案システムを〈2･2〉既存の小容量製品を想定した負荷の検証通すことで電流 THD を改善することがわかる。これは，提本提案システムは，既存のアプリケーションへの接続を想案システムの共振補償回路や DC リンクのスナバコンデンサ定している。そのため，あらゆる状態の負荷が接続された場等の受動素子により，高調波成分が吸収された結果と考えら合でも動作が可能であることを確認する必要がある。

れる。

100 W よりも大容量の製品では，製品への入力部に PFC 回以上より，提案システムを通して負荷を接続しても異常な路が用いられる。これは，力率の改善あるいは交流から直流く動作が可能であることを確認した。また，このシステムにへの変換時に生じる高調波成分を抑制する目的で用いられる。特に，コンデンサインプット型のダイオード整流平滑回路や位相制御回路を含む製品は，高調波を多く含む電源電流が流れるため，PFC 回路は必須となっている。
しかし，100W 以下の小容量機器においてはこの限りではない。実際に，高調波電流の限度について記された IEC610003-2 ではある条件に当てはまるいくつかの機器については規制対象から除外されている。例えば，「定格 5 W 未満の照明機器」や「有効入力電力 75 W 以下の照明機器以外の機器」については限度が定められていない。そのため，PFC 回路がFig. 2. Applied capacitive power transmission circuit.

Fig. 3. Connectionof theproposed system
and non-linear load.
Table
1. Simulation
condition.

(a) Comparison of Crest Factor at different capacitance.

(a)Voltage and current waveform with non-linear load.

(b) Comparison of THD at different capacitance.
Fig. 5. Non-linear load and the proposed system characteristics forvarying load capacitance.
60 F であり，これ以上の容量では提案システムの入出力電流は共に大きくは変わらない。これは，負荷の整流器に対して提案システムの出力インピーダンスが高いからだと考えられる。したがって，電源から見て負荷のインピーダンスを(b) Primary and secondary transmit and receive voltages.
Fig. 4. Operating waveform of the proposed system with nonlinear load.
より電源系統へ流入する高調波成分が抑制できていることを確認した。
〈3･2〉 提案システムの有無による THD の変化〈3･1〉の結果より，提案システムを通すことで電流 THD が改善されることを確認した。この特性がほかのクレストファクタで与えられる負荷においても同様の特性となるかを検証する。
ダイオード整流器の DC コンデンサ容量を変動させることでクレストファクタを変動させ，この時の THD を比較する。
このシミュレーション結果を図 5 に示す。図 5(a)では，負無視することができる。以上の理由から，ダイオード整流器を単体で動作させる場合と比較して，クレストファクタが高い負荷を接続した時ほど提案システムにより THD の改善割合が大きくなる。

４． 実機検証〈4･1〉

非線形負荷接続時のシステム動作

図 6 に，ダイオード整流器の DC コンデンサ 53.3 F のコンデンサを用いた負荷を単体動作させた時の電源電圧及び電流波形を示す。この時のクレストファクタは 1.87，電流 THDは 52.9%となった。この負荷を提案システムの出力に接続し動作させる。
図 7 に上記負荷を提案システムに接続した際の入出力の電圧及び電流波形を示す。この結果より，システムの入出力の荷のキャパシタを変更した際のクレストファクタを，(b)ではTHD をダイオード整流器単体で動作させた時，提案システムを接続した際の入出力で描画している。
この結果より，ダイオード整流器単体で動作させた場合，負荷のキャパシタを変動させることでクレストファクタが上昇し，それに応じて THD も高くなることがわかる。一方，提案システムを間に接続すると，低クレストファクタの領域
ではクレストファクタの上昇に合わせてシステム入出力電流 THD も同様に上昇するが，ある点から飽和して THD が概ね変わらなくなることがわかる。この時のコンデンサ容量はFig. 6. Diode Rectifier Operation (CF = 1.87).

Fig. 9. Connection of the proposed system and non-linear load.
Fig. 7. Operating waveform of the system when a nonlinear load
is connected.

り確認した。これが実機においても同様の特性が得られることを確認するために，計 10 点のクレストファクタにおける電流 THD を測定した。本結果を図 9 に示す。結果より，システム接続時の入出力電流 THD の絶対値はシミュレーションと乖離しているものの，シミュレーションと同様の特性が得られていることが確認できる。この時の THD は 18.0%程度で飽和しており，飽和開始がみられる点(Cl =150 F)でのTHD の差は 82.6%である。また，低クレストファクタの領域においても，提案システムの入出力電流が負荷単体での動作時のほうが低い THD で得られている。したがって，本提案システムの適用により，入力電流 THD をそもそもの THD と比較して悪化させることがないことを実証した。

(a) Comparison of Crest Factor at different capacitance.

５． まとめ
本論文では商用周波数出力が可能な小容量向け電界型ワイヤレス給電システムを提案し，非線形・低力率負荷が接続された際の特性について，シミュレーションと実機試験により評価した。この結果より，提案システムが非線形・低力率負荷を接続した場合でも動作が可能であることを確認した。また，高クレストファクタの機器に接続された場合でも，THDは 18.0%よりも悪化しないことがわかった。以上より，本提案システムは既存の小容量製品を接続した場合でも，問題なく動作できるといえる。

(b) Comparison of THD at different capacitance.
Fig. 8. Non-linear load and the proposed system characteristics forvarying load capacitance.
電流がひずんでしまっていることがわかる。しかし，図 6 の謝辞
本研究は東京電力ホールディングス株式会社との共同研究により実施したものである。

文(1).

負荷単体で動作させた場合と比較すると，電流ピーク値は抑えられており，ひずみも少ないことがわかる。また，図 8 にこの時の伝送電圧波形の商用周波数の商用周波数成分と共(2).

振周波数成分を示す。この結果より，2 次側受電電圧は出力電圧の影響が表れていることがわかる。一方で 1 次側送電電圧は入力電圧の商用周波数を包絡線にとり，高周波が重畳されていることがわかる。以上より，本提案システムに非線形・低力率な負荷が接続された場合にも動作が可能であることを確認した。
〈4･2〉

(3).
(4).
(5).

クレストファクタ変動に伴う THD の抑制効果

先述したように，提案システムは高クレストファクタの領域において，THD が変動しないことをシミュレーションによ

(6).

献

S. Zhang, C. Wang and D. Chen : "A Single-Stage Wireless Power
Transfer Converter With Hybrid Compensation Topology in AC
Input," IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 71, no. 8,
pp. 8266-8279, 2022.
J. Liu, F. Xu, C. Sun and K. H. Loo : "A Compact Single-Phase AC–
DC Wireless Power Transfer Converter With Active Power Factor
Correction," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 70, no.
4, pp. 3685-3696, 2023.
徳力雅也，和田翔生，日下佳祐，黒田敏行，No. 4-084，pp. 140141，電気学会全国大会, 2024.
M. Z. Erel, K. C. Bayindir, M. T. Aydemir, S. K. Chaudhary and J. M.
Guerrero, IEEE Access, vol. 10, pp. 3116-3143, 2022.
IEC 61000-3-2:2018, Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 32: Limits – Limits for harmonic current emissions (equipment inputcurrent ≤ 16 A per phase)
JIS C 61000-3-2:2019, 電磁両立性 – 第 3-2 部:限度値 – 高調波電流発生限度値