JP4815499B2

JP4815499B2 - 非接触電力伝送回路

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Publication number: JP4815499B2
Application number: JP2009045477A
Authority: JP
Inventors: 秀樹小島
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: JP2010200571A; US8212415B2; US20100219696A1

Description

本発明は、非接触電力伝送回路に関し、送電側のスイッチング発振周波数、送電側ＬＣ共振周波数、受電側ＬＣ共振周波数の関係を明確し、必要な特性を容易に得られる設計方法に関する。

従来の非接触電力伝送回路は、ＤＣ低入力において、無接点で高効率の非接触電力伝送回路に共振型フルブリッジ回路方式が一般的に用いられている。

共振型フルブリッジ回路方式は、制御ＩＣ等の発振周波数によりスイッチング回路を駆動（他励式）する、即ち、発振周波数はスイッチング回路のスイッチング周波数となる。送電側では、スイッチング回路を駆動する制御ＩＣの発振周波数と、ＬＣ直列共振回路またはＬＣ並列共振回路による送電側共振周波数がある。受電側では、ＬＣ並列共振回路による受電側共振周波数がある。特許文献１、２には、送電側ＬＣ共振周波数と受電側ＬＣ共振周波数を同じにすることにより、共振点で最大電力が伝送されることが記載されている。このことから、この３つの周波数（発振周波数、送電側ＬＣ共振周波数、受電側ＬＣ共振周波数）が同じ周波数近辺の時に最適な特性が得られると考えられていた。

しかし、この３つの周波数を同じにした時の出力特性（出力電圧／出力電流）を確認してみると、図２の出力特性（ａ）に示すように、必要とする特性が得られなかった。また、３つの共振点から外れると急激に出力電圧が下がり、不安定な状態となり、安定した出力特性が得られなかった。さらにまた、現状で必要な出力特性を得ようとすると、その都度、送電側発振周波数、送電側共振周波数となるインダクタンス値（Ｌ）またはコンデンサの容量値（Ｃ）、および、受電側共振周波数となるインダクタンス値（Ｌ）またはコンデンサの容量値（Ｃ）を選定していた。このため、設計に多大な時間を要していた。

特開２００１―１０３６８５号公報特表平８−５０２６４０号公報

本発明は、上記問題に鑑み、非接触電力伝送回路の送電側発振周波数、送電側ＬＣ共振周波数、受電側ＬＣ共振周波数の関係を明確にし、最適な伝送効率を得るとともに、設計における時間短縮を目的とする。

前記課題を解決する手段として、送電側の他励式または自励式のスイッチング回路と送電コイルから電磁誘導により受電側の受電コイルに非接触で電力伝送する非接触電力伝送回路において、スイッチング回路と、スイッチング回路を駆動する制御ＩＣと、送電コイルと直列に接続したＬＣ直列共振回路または送電コイルと並列に接続したＬＣ並列共振回路と、受電コイルと並列に接続したＬＣ並列共振回路からなる。
該制御ＩＣの発振周波数（Fosc）と該送電側のＬＣ直列共振回路またはＬＣ並列共振回路の共振周波数（Fpr）と該受電側のＬＣ並列共振回路の共振周波数（Fsr）の関係が Fpr＜Fosc＜Fsr であることを特徴とする。
そして、前記制御ＩＣの発振周波数（Fosc）と前記送電側のＬＣ直列共振回路またはＬＣ並列共振回路の共振周波数（Fpr）との差の比率が１５〜３５％以内であり、かつ、前記受電側のＬＣ並列共振回路の共振周波数（Fsr）と前記スイッチング回路のスイッチング周波数（Fosc）との差の比率が１５〜３５％以内であることを特徴とする。

本発明は、送電側の他励式または自励式のスイッチング回路と送電コイルから電磁誘導により受電側の受電コイルに非接触で電力伝送する非接触電力伝送回路において、スイッチング回路と、スイッチング回路を駆動する制御ＩＣと、送電コイルと直列に接続したＬＣ直列共振回路または送電コイルと並列に接続したＬＣ並列共振回路と、受電コイルと並列に接続したＬＣ並列共振回路からなり、制御ＩＣの発振周波数（Fosc）と送電側のＬＣ直列共振回路またはＬＣ並列共振回路の共振周波数（Fpr）と受電側のＬＣ並列共振回路の共振周波数（Fsr）の関係を Fpr＜Fosc＜Fsr と、することにより、非接触電力伝送回路に最適な伝送効率を得ることができ、設計における時間短縮を可能にできる。

本願発明に用いた非接触電力伝送回路。従来の出力電圧／出力電流特性を示す。実験例における出力電圧／出力電流特性を示す。他の実験例における出力電圧／出力電流特性を示す。（１００*（Fosc−Fpr）／Fosc）及び（１００*（Fsr−Fosc）／Fosc）を１０％〜４０％に対する効率（％）を示す。（１００*（Fosc−Fpr）／Fosc）＝１０％〜４０％と（１００*（Fsr−Fosc）／Fosc）＝４０％〜１０％に対する効率（％）を示す。

送電側の他励式または自励式のスイッチング回路と送電コイルから電磁誘導により受電側の受電コイルに非接触で電力伝送する非接触電力伝送回路において、スイッチング回路と、スイッチング回路を駆動する制御ＩＣと、送電コイルと直列に接続したＬＣ直列共振回路または送電コイルと並列に接続したＬＣ並列共振回路と、受電コイルと並列に接続したＬＣ並列共振回路からなり、制御ＩＣの発振周波数（Fosc）と送電側のＬＣ直列共振回路またはＬＣ並列共振回路の共振周波数（Fpr）と受電側のＬＣ並列共振回路の共振周波数（Fsr）の関係を Fpr＜Fosc＜Fsr とすることにより、非接触電力伝送回路に最適な伝送効率を得ることができ、設計における時間短縮を可能にできる。。
そして、前記制御ＩＣの発振周波数（Fosc）と前記送電側のＬＣ直列共振回路またはＬＣ並列共振回路の共振周波数（Fpr）との差の比率が１５〜３５％以内であり、かつ、前記受電側のＬＣ並列共振回路の共振周波数（Fsr）と前記スイッチング回路のスイッチング周波数（Fosc）との差の比率が１５〜３５％以内であることを特徴とする。

図１は、非接触電力伝送回路に他励式スイッチング回路としてフルブリッジ回路を用いた非接触電力伝送回路図を示す。

図１に示すように、送電側回路１０において、１は入力となる直流電源、２はスイッチング回路を形成するフルブリッジ回路、Ｑ１〜Ｑ４はフルブリッジ回路を構成するスイッチング素子、Ｌｐは送電コイル、Ｃｐは送電コイルＬｐと直列共振回路を形成する共振コンデンサ、３はフルブリッジ回路のスイッチングを制御する制御ＩＣ、で構成されている。そして、受電側回路３０において、Ｌｓは送電コイルＬｐから電磁誘導作用で電力を非接触で受電する受電コイル、Ｃｓは受電コイルＬｓと並列共振回路を形成する共振コンデンサ、３１は整流平滑回路、の構成である。

実験例として、送電側１０は送電コイルＬｐと共振コンデンサＣｐを直列に接続した直列共振回路とし、受電側３０は受電コイルＬｓと共振コンデンサＬｓを並列に接続した並列共振回路とした。ここで、送電側１０の送電コイルＬｐと受電側３０の受電コイルＬｓの間隔（ギャップ）は一般的な３ｍｍ〜６ｍｍ程度とする。また、本回路において、送電側の共振回路に送電コイルと直列に接続した直列共振回路を用いたが送電コイルと並列に接続した並列共振回路を用いてもよい。

そして、送電側回路１０は、フルブリッジ回路２をスイッチングするスイッチング周波数は制御ＩＣの発振周波数Ｆoscで制御される。ＬＣ直列共振回路の共振周波数は、Ｆｐｒ＝１／（２π√（Ｌ１×Ｃ１））であり、受電側のＬＣ並列共振回路の共振周波数は、Ｆｓｒ＝１／（２π√（Ｌ２×Ｃ２））で計算される。

図１の回路における出力特性を図２に示す。図２の出力電圧／出力電流における出力特性ａは、送電側の直列共振回路および受電側の並列共振回路を入れた時の出力特性で、発振周波数、送電側共振周波数、受電側共振周波数を同じにしたときの出力特性である。そして、出力特性ｂは、送電側の直列共振回路および受電側の並列共振回路を入れないときの出力特性を示す。

図２の出力電圧／出力電流に示すように、発振周波数（Fosc）と送電側共振周波数（Fpr）と受電側共振周波数（Fsr）を一致させたときの出力特性（ｂ）は送電側の直列共振回路および受電側の並列共振回路を入れないときの出力特性（ａ）と比較し、同じ電流であっても出力電圧（共振点Ａにより）が高くなる傾向にある。この特性は、一般の電源として必要な出力とはならず、このまま使用することができない。そのため、送電側共振周波数及び受電側共振周波数を個々に調整する必要があった。さらに、調整のバランスが悪いと効率が悪化する場合も有り、設計の難易度が高く、時間を要していた。

次に、図３、図４の出力電圧／出力電流から、本発明の実施例であるＬＣ共振回路を用いた設計例を具体的な共振周波数を用いて説明する。ここで、斜線部分は非接触電力伝送回路において必要とする出力特性Ｘを示す。

図３、図４における出力特性は、制御ＩＣの発振周波数（Ｆosc）を１２０ＫＨｚに固定した時の条件で説明する。
ここで、出力特性（ｃ）は、送電側直列共振周波数（Ｆpr）＝Ｆosc−３０KHｚ＝９０KHz、受電側共振周波数（Ｆsr）＝Ｆosc＋３０KHｚ＝１５０KHzに設定したときの出力特性を示す。このときの出力特性は、必要とする出力特性Ｘを満足する。

次に、送電側共振周波数（Ｆpr）＝Ｆosc−２０KHz＝１００KHz、受電側共振周波数（Ｆsr）＝Fosc＋４０KHz＝１６０KHz に設定したときの出力特性（ｄ）を示す。この時の出力特性（ｄ）は必要とする出力特性Ｘを満足することができない。これは、送電側共振周波数（Ｆpr）が必要とする出力特性Ｘより高くなるため、送電側共振コンデンサＣｐの容量値が小さくなり、特性インピーダンス（Ｚpr）が大きくなる。また、受電側共振周波数（Fsr）は必要とする出力特性Ｘより高くなるため、受電側共振コンデンサＣｒの容量値も小さくなり、特性インピーダンス（Ｚsr）も大きくなる。よって、送電側の電圧が大きくなり受電側の電流が小さくなる。

次に、送電側共振周波数（Ｆpr）＝Ｆosc−４０KHz＝８０KHz、受電側共振周波数（Ｆsr）＝Fosc＋２０KHz＝１４０KHz に設定したときの出力特性（ｅ）を示す。この時の出力特性（ｅ）は必要とする出力特性Ｘを満足することができない。これは、送電側共振周波数（Ｆpr）が必要とする出力特性Ｘより低くなるため、送電側共振コンデンサＣｐの容量値が大きくなり、特性インピーダンス（Ｚpr）が小さくなる。また、受電側共振周波数（Fsr）は必要とする出力特性Ｘより低くなるため、受電側共振コンデンサＣｒの容量値も大きくなり、特性インピーダンス（Ｚsr）も小さくなる。よって、送電側の電圧が低くなり受電側の電流が大きくなる。

次に図４の出力特性について説明する。図４においても必要とする出力特性Ｘを斜線部で示す。また、図３で示した最適条件の出力特性（ｃ）も記載した。
送電側共振周波数（Ｆpr）＝Ｆosc−２０KHz＝１００KHz、受電側共振周波数（Ｆsr）＝Fosc＋２０KHz＝１４０KHz に設定したときの出力特性（ｆ）を示す。この時の出力特性（ｆ）は必要とする出力特性Ｘを満足することができない。これは、送電側共振周波数（Ｆpr）が必要とする出力特性Ｘより高くなるため、送電側共振コンデンサＣｐの容量値が小さくなり、特性インピーダンス（Ｚpr）が大きくなる。また、受電側共振周波数（Fsr）は必要とする出力特性Ｘより低くなるため、受電側共振コンデンサＣｒの容量値も大きくなり、特性インピーダンス（Ｚsr）も小さくなる。よって、送電側の電圧が大きくなり受電側の電流が小さくなる。しかし、電力制限により送電側の電圧が高いため受電側の電流がさほど大きくならない。

次に、送電側共振周波数（Ｆpr）＝Ｆosc−４０KHz＝８０KHz、受電側共振周波数（sr）＝Fosc＋４０KHz＝１６０KHz に設定したときの出力特性（ｇ）を示す。この時の出力特性（ｇ）は必要とする出力特性Ｘを満足することができない。これは、送電側共振周波数Ｆprが必要とする出力特性Ｘより低くなるため、送電側共振コンデンサＣｐの容量値が大きくなり、特性インピーダンス（Ｚpr）が小さくなる。また、受電側共振周波数（Fsr）は必要とする出力特性Ｘより高くなるため、受電側共振コンデンサＣｒの容量値も小さくなり、特性インピーダンス（Ｚsr）も大きくなる。よって、送電側の電圧が低くなり受電側の電流が大きくなる。しかし、電力制限により送電側の電圧が低いため受電側の電流がさほど小さくならない。

上記の結果より、発振周波数（Fosc）＝１２０ＫＨｚ−２５％＝９０KHｚ、（Fosc）＝１２０ＫＨｚ＋２５％＝１５０KHｚの時の出力特性がベストと考えられる。

図５は、発振周波数（Fosc）、送電側共振周波数（Fpr）、受電側共振周波数（Ｆsr）との関係において、Fosc−Fpr≒Fsr−Fosc の条件における、発振周波数と送電側共振周波数との差の比率（１００*（Fosc−Fpr）／Fosc）、および、受電側共振周波数と発振周波数との差の比率（１００*（Fsr−Fosc）／Fosc）、をずらしたときの効率特性を示したものである。図５からわかるように、２５％の時の効率が最大となることがわかる。好ましくは、（１００*（Fosc−Fpr）／Fosc）及び（１００*（Fsr−Fosc）／Fosc）を１５％〜３５％以内とすることが安定した効率を得ることができる。

図６は、発振周波数（Fosc）と送電側共振周波数（Fpr）と受電側共振周波数（Ｆsr）の関係において、（１００*（Fosc−Fpr）／Fosc）＋（１００*（Fsr−Fosc）／Fosc）≒５０％の条件において、発振周波数と送電側共振周波数の差の比率（１００*（Fosc−Fpr）／Fosc）、および、受電側共振周波数と発振周波数との差の比率（１００*（Fsr−Fosc）／Fosc）、をずらしたときの効率特性を示したものである。図６からわかるように、（１００*（Fosc−Fpr）／Fosc）＝（１００*（Fsr−Fosc）／Fosc）＝２５％の時の効率が最大となることがわかる。このことから、好ましくは、（１００*（Fosc−Fpr）／Fosc）を１５％〜３５％に、及び、（１００*（Fsr−Fosc）／Fosc）を３５％〜１５％以内とすることが安定した効率を得ることができる。

上記実施例では、送電側がＬＣ直列共振回路を用いたがＬＣ並列共振回路を用いてもよい。また、送電側のフルブリッジ回路を用いて示したが、ハーフブリッジ回路、プッシュプル回路を用いてもよい。さらに、発振周波数と共振周波数との差の比率が１５％〜３５％以内であれば、自励方式の回路、ＲＣＣ共振回路、ロイヤー共振回路、コレクタ同調回路（ハートレー回路）を用いてもよい。さらにまた、受電側の整流回路はブリッジ回路で示したが半波整流回路を用いてもよい。

１０送電側回路
１直流入力
２フルブリッジ回路
３制御ＩＣ
Ｌｐ送電側コイル
Ｃｐ、Ｃｓ共振コンデンサ
Ｑ１〜Ｑ４スイッチング素子
３０受電側回路
Ｌｓ受電側コイル
３１整流平滑回路

Claims

送電側の他励式または自励式のスイッチング回路と送電コイルから電磁誘導により受電側の受電コイルに非接触で電力伝送する非接触電力伝送回路において、
該スイッチング回路と、該スイッチング回路を駆動する制御ＩＣと、該送電コイルと直列に接続したＬＣ直列共振回路または送電コイルと並列に接続したＬＣ並列共振回路と、該受電コイルと並列に接続したＬＣ並列共振回路からなり、
該制御ＩＣの発振周波数（Fosc）と該送電側のＬＣ直列共振回路またはＬＣ並列共振回路の共振周波数（Fpr）と該受電側のＬＣ並列共振回路の共振周波数（Fsr）の関係が Fpr＜Fosc＜Fsr であるとともに、
該制御ＩＣの発振周波数（Fosc）と該送電側のＬＣ直列共振回路またはＬＣ並列共振回路の共振周波数（Fpr）との差の比率が１５〜３５％以内であり、かつ、該受電側のＬＣ並列共振回路の共振周波数（Fsr）と該スイッチング回路のスイッチング周波数（Fosc）との差の比率が１５〜３５％以内であることを特徴とする非接触電力伝送回路。