JP6545104B2 - 共振型電力伝送装置 - Google Patents

Description

この発明は、高周波数で電力伝送を行う共振型電力伝送装置に関するものである。

図３に従来技術による共振型電力伝送装置を示す。この共振型電力伝送装置では、Ｅ級型送信電源の出力に、インダクタ（コイル）Ｌ１１からなる送信アンテナ１０１を接続して構成されている（例えば非特許文献１参照）。

２０１３年電子情報通信学会総合大会ＢＣＳ−１−１６

上述したように、非特許文献１に開示された従来技術では、Ｅ級型送信電源の出力に送信アンテナ１０１を接続することにより共振型電力伝送装置を構成している。そのため、使用するコイル部品による実装スペースが広く必要となり、装置の小型化、軽量化及び低コスト化の妨げとなっているという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、装置の小型化、軽量化及び低コスト化を図ることができ、２ＭＨｚ以上の高周波数の動作が可能な共振型電力伝送装置を提供することを目的としている。

この発明に係る共振型電力伝送装置は、インダクタと、一端がインダクタに接続され、直流電圧がインダクタを通して当該一端に印加され、２ＭＨｚ以上の高周波数でスイッチング動作を行うパワー素子と、出力部がトーテンポール回路構成であり、パワー素子に２ＭＨｚ以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該パワー素子を駆動させる高周波パルスドライブ回路と、高周波パルスドライブ回路に２ＭＨｚ以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該高周波パルスドライブ回路を駆動させる可変型パルス信号発生回路と、可変型パルス信号発生回路及び高周波パルスドライブ回路に駆動電力を供給するバイアス用電源回路と、ゼロボルテージスイッチングが成立するようにパワー素子を共振スイッチングさせるコンデンサ及びコイルからなる共振回路素子と、パワー素子のスイッチング動作により出力された電力を伝送する電力伝送用送信アンテナとを備え、共振回路素子を構成するコイルは、電力伝送用送信アンテナを兼ね、共振回路素子を構成するコンデンサは、一端がパワー素子の一端に接続され、他端が電力伝送用送信アンテナの一端に接続された第１のコンデンサ、及び、一端が当該パワー素子の他端に接続され、他端が当該電力伝送用送信アンテナの他端に接続された第２のコンデンサを含むものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、装置の小型化、軽量化及び低コスト化を図ることができ、２ＭＨｚ以上の高周波数の動作が可能となる。

この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の別の構成を示す図である。 従来の共振型電力伝送装置の構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る共振型電力伝送装置の構成を示す図である。
共振型電力伝送装置は、図１に示すように、パワー素子Ｑ１、共振回路素子（コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ１１及びインダクタＬ１１）、コンデンサＣ１１及びインダクタＬ１１からなる共振型送信アンテナ（電力伝送用送信アンテナ）１、インダクタＬ１、高周波パルスドライブ回路２、可変型パルス信号発生回路３及びバイアス用電源回路４から構成されている。

パワー素子Ｑ１は、入力の直流電圧Ｖｉｎを交流に変換するためにスイッチング動作を行うスイッチング素子である。このパワー素子Ｑ１としては、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）用の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ；Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に限らず、例えばＳｉ−ＭＯＳＦＥＴやＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮ−ＦＥＴなどの素子を用いることが可能である。

共振回路素子（コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ１１及びインダクタＬ１１）は、パワー素子Ｑ１のスイッチング動作を共振スイッチングさせるための素子である。このコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ１１及びインダクタＬ１１からなる共振回路素子により、共振型送信アンテナ１との間で共振条件を合わせることができる。また、コンデンサＣ２は容量値可変型の素子である。そして、コンデンサＣ２の容量値を可変することで、共振型電力伝送装置の共振周波数の調整を行うことができる。

コンデンサＣ１１及びインダクタＬ１１からなる共振型送信アンテナ１は、パワー素子Ｑ１のスイッチング動作により出力された電力を伝送するものであり、ＬＣ共振特性を持つ電力伝送用の共振型アンテナである（非接触型のみに限定されない）。この共振型送信アンテナ１は、磁界共鳴型、電界共鳴型、電磁誘導型のいずれであってもよい。ここで、インダクタＬ１１は、共振型送信アンテナ１と共振回路素子（共振器）として兼用される。

インダクタＬ１は、入力の直流電圧Ｖｉｎのエネルギーを、パワー素子Ｑ１のスイッチング動作ごとに一時的に保持する働きをするものである。

高周波パルスドライブ回路２は、パワー素子Ｑ１のＧ端子に２ＭＨｚ以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送り、パワー素子Ｑ１を駆動させる回路である。この高周波パルスドライブ回路２は、出力部をＦＥＴ素子などでトーテンポール回路構成にして高速のＯＮ／ＯＦＦ出力ができるように構成した回路である。

可変型パルス信号発生回路３は、高周波パルスドライブ回路２にロジック信号などの２ＭＨｚ以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送り、高周波パルスドライブ回路２を駆動させる回路である。この可変型パルス信号発生回路３は、周波数設定用のオシレータとフリップフロップやインバータなどのロジックＩＣで構成され、パルス幅の変更や反転パルス出力などの機能を持つ。

バイアス用電源回路４は、可変型パルス信号発生回路３及び高周波パルスドライブ回路２への駆動電力の供給を行うものである。

次に、上記のように構成された共振型電力伝送装置の動作について説明する。
まず、入力の直流電圧ＶｉｎはインダクタＬ１を通してパワー素子Ｑ１のＤ端子に印加される。そして、パワー素子Ｑ１は、その電圧をＯＮ／ＯＦＦのスイッチング動作により正電圧の交流状電圧へ変換する。この変換動作のときに、インダクタＬ１は一時的にエネルギーを保持する働きをして、直流を交流へ電力変換する手助けを行う。

ここで、パワー素子Ｑ１のスイッチング動作は、Ｉｄｓ電流とＶｄｓ電圧積によるスイッチング損失が最も小さくなるように、ＺＶＳ（ゼロボルテージスイッチング）が成立するようコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ１１及びインダクタＬ１１からなる共振回路素子で共振スイッチング条件が設定されている。この共振スイッチング動作により、共振型送信アンテナ１にはＲＴＮ電圧を軸にした交流電圧が入力される。また、可変型のコンデンサＣ２の容量値を調整することで、共振型電力伝送装置の共振周波数の調整を行うことができる。
そして、共振型送信アンテナ１は、パワー素子Ｑ１のスイッチング動作により出力された電力を伝送する。

パワー素子Ｑ１の駆動は、可変型パルス信号発生回路３からの任意のパルス状の電圧信号を受けた高周波パルスドライブ回路２が出力する、パルス状の電圧信号をパワー素子Ｑ１のＧ端子へ入力することで行っている。このとき、パワー素子Ｑ１の駆動周波数は共振型電力伝送装置の動作周波数となり、可変型パルス信号発生回路３内部のオシレータ回路の設定により決まる。

以上のように、この実施の形態１によれば、共振型電力伝送装置のコイルを、共振型送信アンテナ１と共振回路素子（共振器）として兼用させるように構成したので、従来必要とするコイルを１つ不要とすることができ、従来構成に対して装置の小型化、軽量化及び低コスト化を図ることができる。また、従来のコイルによる電力損失を低減できるため、装置全体としての電力損失の低減を図ることができる。

また図１では、パワー素子Ｑ１を駆動させるため、高周波パルスドライブ回路２、可変型パルス信号発生回路３及びバイアス用電源回路４を用いた場合について示したが、これに限るものではなく、例えばトランス型ドライブ回路、ＲＦパワーアンプ回路及び多出力型電源回路を用いるようにしてもよい。

また図１に示すような構成の共振型電力伝送装置に限るものではなく、例えば図２に示すような構成としてもよい。なお図２に示す共振型電力伝送装置において、コンデンサＣ２，Ｃ３は可変型のコンデンサであり、当該コンデンサＣ２，Ｃ３の容量値を可変することで共振周波数の調整を行うことができる。

また、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係る共振型電力伝送装置は、装置の小型化、軽量化及び低コスト化を図ることができ、２ＭＨｚ以上の高周波数の動作が可能となり、高周波数で電力伝送を行う共振型電力伝送装置等に用いるのに適している。

１ 共振型送信アンテナ（電力伝送用アンテナ）、２ 高周波パルスドライブ回路、３ 可変型パルス信号発生回路、４ バイアス用電源回路。

Claims (5)

1. インダクタと、
   一端が前記インダクタに接続され、直流電圧が前記インダクタを通して当該一端に印加され、２ＭＨｚ以上の高周波数でスイッチング動作を行うパワー素子と、
   出力部がトーテンポール回路構成であり、前記パワー素子に２ＭＨｚ以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該パワー素子を駆動させる高周波パルスドライブ回路と、
   前記高周波パルスドライブ回路に２ＭＨｚ以上の高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該高周波パルスドライブ回路を駆動させる可変型パルス信号発生回路と、
   前記可変型パルス信号発生回路及び前記高周波パルスドライブ回路に駆動電力を供給するバイアス用電源回路と、
   ゼロボルテージスイッチングが成立するように前記パワー素子を共振スイッチングさせるコンデンサ及びコイルからなる共振回路素子と、
   前記パワー素子のスイッチング動作により出力された電力を伝送する電力伝送用送信アンテナとを備え、
   前記共振回路素子を構成するコイルは、前記電力伝送用送信アンテナを兼ね、
   前記共振回路素子を構成するコンデンサは、一端が前記パワー素子の一端に接続され、他端が前記電力伝送用送信アンテナの一端に接続された第１のコンデンサ、及び、一端が当該パワー素子の他端に接続され、他端が当該電力伝送用送信アンテナの他端に接続された第２のコンデンサを含む
   ことを特徴とする共振型電力伝送装置。
2. 前記パワー素子は、ＲＦ用の電界効果トランジスタ以外の電界効果トランジスタである
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
3. 前記電力伝送用送信アンテナは、磁界共鳴により電力伝送を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
4. 前記電力伝送用送信アンテナは、電界共鳴により電力伝送を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。
5. 前記電力伝送用送信アンテナは、電磁誘導により電力伝送を行う
   ことを特徴とする請求項１記載の共振型電力伝送装置。

Images