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JP7504145B2 - 電力制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力制御装置に関する。
従来、地球環境上の悪影響を軽減するために、電動車両への関心が高まっており、電動車両の走行時等に外部から非接触で電力を供給するシステムが検討されている。
従来、パルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によって電力変換を制御する受電側の電力変換器での短絡モードと整流モードとの切り換えによって、電力伝送の効率及び受電電力を制御する受電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
従来、パルス幅変調によって電力変換を制御する送電側のインバータ及び受電側のブリッジ整流回路の各々のスイッチング素子をソフトスイッチングで制御する非接触給電装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２０１７－９３０９４号公報 特開２０１７－１１８７５号公報
ところで、上記したような装置では、電力変換の際にソフトスイッチングを行うことによって損失を低減することが望まれている。しかしながら、最大出力等の高出力領域での同期整流ではソフトスイッチングを維持することはできるが、低出力領域ではソフトスイッチングを維持することができずにハードスイッチングが発生して、損失が増大するおそれがある。
本発明は、損失を低減することができる電力制御装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係る電力制御装置（例えば、実施形態での電力制御装置１０）は、送電装置（例えば、実施形態での送電装置２）から非接触で伝送される交流電力を受け取るコイル（例えば、実施形態での二次側コイル３１ａ）を有する受電部（例えば、実施形態での受電部３１）と、前記コイルに接続される複数のスイッチング素子（例えば、実施形態でのトランジスタ３２ａ，３２ｂ、各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４）を有するとともに、前記受電部が受け取る前記交流電力を直流電力に変換する電力変換部（例えば、実施形態での電力変換部３２）と、前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御装置（例えば、実施形態での制御装置１６）とを備え、前記制御装置は、目標出力が所定値以上である場合、前記複数のスイッチング素子を同期的に駆動することによって前記交流電力を整流する同期整流動作を実行し、前記目標出力が前記所定値未満である場合、前記同期整流動作と、前記複数のスイッチング素子によって前記コイルを短絡する短絡動作とを、パルス周波数変調によって制御する。
（２）上記（１）に記載の電力制御装置では、前記複数のスイッチング素子は複数相でブリッジ接続され、前記制御装置は、前記短絡動作にて、ハイサイドアームの前記複数相の前記スイッチング素子（例えば、実施形態での各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ３）で前記同期整流動作を継続しつつローサイドアームの前記複数相の前記スイッチング素子（例えば、実施形態での各スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ４）をオンに設定してもよい。
上記（１）によれば、電力変換部の低出力領域で複数のスイッチング素子のスイッチング損失による効率低下が生じる場合であっても、パルス周波数変調によって、損失の増大を抑制することができる。
電力変換部の低出力領域での電流減少に伴って、各スイッチング素子の出力容量の放電完了に要する時間が長くなる場合であっても、パルス周波数変調による周波数の低減でオフ時間を増大させることによって放電完了を確保することができ、ゼロ電圧スイッチングのソフトスイッチングを維持することができる。
上記（２）の場合、ハイサイドアームで同期整流動作を継続しつつローサイドアームのみオフにすることで、受電部のコイルに流れる電流の大きさ及び位相に応じて同期整流動作を維持することができる。ローサイドアームによる受電部のコイルの短絡によって、コイルの電圧及び電流がほぼゼロになることで、送電側から見たときの受電側のインピーダンスを大きくすることができ、送電装置での電流を絞ることができる。二次側の電力変換部によって一次側の送電装置での電流を制御することができ、二次側での独立した電力制御を行うことができる。
本発明の実施形態での電力制御装置を備える非接触電力伝送システムの構成を示す図。 本発明の実施形態での非接触電力伝送システムの送電部及び受電部の構成を示す図。 本発明の実施形態での受電装置の同期整流動作でのパルス幅変調制御のオン及びオフの例を示す図。 本発明の実施形態での受電装置の短絡動作でのパルス周波数変調制御のオン及びオフの例を示す図。 本発明の実施形態での受電装置の同期整流動作の状態例を示す図。 本発明の実施形態での受電装置の同期整流動作での各スイッチング素子のオン及びオフの状態、二次側コイルの両端間の電圧、二次側コイルに流れる電流並びに一次側コイルの両端間の電圧を示す図。 本発明の実施形態での受電装置の短絡動作の状態例を示す図。 本発明の実施形態の電力制御装置及び比較例の電力制御装置の各々での各相の電流の変化を示す図。
以下、本発明の実施形態に係る電力制御装置について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、実施形態での電力制御装置１０を備える非接触電力伝送システム１の構成を示す図である。図２は、実施形態での非接触電力伝送システム１の送電部８及び受電部３１の構成を示す図である。
実施形態の電力制御装置１０は車両に搭載されている。電力制御装置１０を備える非接触電力伝送システム１は、非接触での電力伝送により車両の外部から車両に電力を供給する。
（非接触電力伝送システム）
図１に示すように、実施形態の非接触電力伝送システム１は、例えば、車両の走行路等に設置される送電装置２と、車両に搭載される駆動制御装置３及び電力制御装置１０とを備える。
送電装置２は、例えば、電源部５と、キャパシタ（コンデンサ）６と、電力変換部７と、送電部８とを備える。
電源部５は、例えば、商用電源等の交流電源と、交流電力を直流電力に変換するＡＣ－ＤＣコンバータとを備える。電源部５は、交流電源から供給される交流電力をＡＣ－ＤＣコンバータによって直流電力に変換する。
キャパシタ６は、電源部５に並列に接続されている。キャパシタ６は、電源部５から出力される直流電力を平滑化する。
電力変換部７は、例えば、直流電力を交流電力に変換するインバータを備える。電力変換部７は、２相でブリッジ接続される複数のスイッチング素子及び整流素子によって形成されるブリッジ回路を備える。各スイッチング素子は、例えば、ＳｉＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ）のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉ－ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のトランジスタである。複数のスイッチング素子は、各相で対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームのトランジスタ７ａ，７ｂである。ハイサイドアームのトランジスタ７ａのコレクタは電源部５の正極に接続されている。ローサイドアームのトランジスタ７ｂのエミッタは電源部５の負極に接続されている。ハイサイドアームのトランジスタ７ａのエミッタとローサイドアームのトランジスタ７ｂのコレクタとは送電部８に接続されている。整流素子は、例えば、各トランジスタ７ａ，７ｂのコレクタ－エミッタ間でエミッタからコレクタに向けて順方向に並列に接続される還流ダイオードである。
送電部８は、例えば、磁界共鳴又は電磁誘導等の磁界結合により、高周波の磁界の変化によって電力を送る。図２に示すように、送電部８は、例えば、直列に接続される一次側コイル８ａ、一次側抵抗８ｂ及び一次側キャパシタ８ｃによって形成される共振回路を備える。
図１に示すように、車両の駆動制御装置３は、例えば、蓄電装置１１と、第１電力変換装置１２と、回転電機１３とを備える。
車両の電力制御装置１０は、例えば、受電装置１４と、第２電力変換装置１５と、制御装置１６とを備える。
蓄電装置１１は、車両の外部の送電装置２から非接触で伝送される電力によって充電される。蓄電装置１１は、第１電力変換装置１２を介して回転電機１３との間で電力を授受する。
蓄電装置１１は、例えば、リチウムイオンバッテリ等のバッテリと、昇圧及び降圧の双方向の電圧変換等を行う電圧制御器とを備える。蓄電装置１１は、バッテリの充電及び放電時に電圧制御器によって入力電力及び出力電力を変換する。蓄電装置１１は、後述する第１電力変換装置１２の一次側の正極端子１２ａ及び負極端子１２ｃに接続されている。
第１電力変換装置１２は、例えば、昇圧及び降圧の双方向の電圧変換を行う電圧変換器と、直流電力と交流電力との変換を行う電力変換器とを備える。第１電力変換装置１２は、例えば、１対のリアクトル２１と、第１素子モジュール２２と、抵抗２３及びスイッチング素子２４と、第２素子モジュール２５と、第１キャパシタ２６及び第２キャパシタ２７とを備える。
１対のリアクトル２１は、相互に逆極性に磁気結合されることによって複合型リアクトルを形成する。１対のリアクトル２１は、一次側の正極端子１２ａと第１素子モジュール２２とに接続されている。
第１素子モジュール２２は、例えば、２相でブリッジ接続される複数のスイッチング素子及び整流素子によって形成されるブリッジ回路を備える。各スイッチング素子は、例えば、ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタである。複数のスイッチング素子は、各相で対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームのトランジスタ２２ａ，２２ｂである。ハイサイドアームのトランジスタ２２ａのコレクタは二次側の正極端子１２ｂに接続されている。ローサイドアームのトランジスタ２２ｂのエミッタは一次側と二次側とで共通の負極端子１２ｃに接続されている。ハイサイドアームのトランジスタ２２ａのエミッタとローサイドアームのトランジスタ２２ｂのコレクタとはリアクトル２１に接続されている。整流素子は、例えば、各トランジスタ２２ａ，２２ｂのコレクタ－エミッタ間でエミッタからコレクタに向けて順方向に並列に接続される還流ダイオードである。
１対のリアクトル２１及び第１素子モジュール２２は、いわゆる２相のインターリーブによって電圧変換を行う。２相のインターリーブでは、１対のリアクトル２１に接続される２相のトランジスタ２２ａ，２２ｂのうちで第１の相のトランジスタ２２ａ，２２ｂのスイッチング制御の１周期と、第２の相のトランジスタ２２ａ，２２ｂのスイッチング制御の１周期とは、相互に半周期だけずらされる。
抵抗２３及びスイッチング素子２４は直列に接続されている。スイッチング素子２４は、例えば、ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタである。抵抗２３は、二次側の正極端子１２ｂとスイッチング素子２４のコレクタとに接続され、スイッチング素子２４のエミッタは負極端子１２ｃに接続されている。
第２素子モジュール２５は、例えば、３相でブリッジ接続される複数のスイッチング素子及び整流素子によって形成されるブリッジ回路を備える。各スイッチング素子は、例えば、ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタである。複数のスイッチング素子は、各相で対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームのトランジスタ２５ａ，２５ｂである。ハイサイドアームのトランジスタ２５ａのコレクタは二次側の正極端子１２ｂに接続されている。ローサイドアームのトランジスタ２５ｂのエミッタは負極端子１２ｃに接続されている。ハイサイドアームのトランジスタ２５ａのエミッタとローサイドアームのトランジスタ２５ｂのコレクタとは交流端子１２ｄを介して回転電機１３のステータ巻線に接続されている。整流素子は、例えば、各トランジスタ２５ａ，２５ｂのコレクタ－エミッタ間でエミッタからコレクタに向けて順方向に並列に接続される還流ダイオードである。
第１キャパシタ２６は、一次側の正極端子１２ａと負極端子１２ｃとに接続されている。第２キャパシタ２７は、第１素子モジュール２２及び第２素子モジュール２５の間で二次側の正極端子１２ｂと負極端子１２ｃとに接続されている。各キャパシタ２６は、各スイッチング素子のオン（導通）及びオフ（遮断）の切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。
第２素子モジュール２５は、電力の授受によって回転電機１３の動作を制御する。第２素子モジュール２５は、例えば回転電機１３の力行時には、正極端子及び負極端子から入力される直流電力を３相交流電力に変換して、３相交流電力を回転電機１３に供給する。第２素子モジュール２５は、回転電機１３の３相のステータ巻線への通電を順次転流させることによって回転駆動力を発生させる。
第２素子モジュール２５は、例えば回転電機１３の回生時には、回転電機１３の回転に同期がとられた各相のスイッチング素子のオン（導通）及びオフ（遮断）の駆動によって、３相のステータ巻線から入力される３相交流電力を直流電力に変換する。第２素子モジュール２５は、３相交流電力から変換された直流電力を、１対のリアクトル２１及び第１素子モジュール２２を介して蓄電装置１１に供給することが可能である。
回転電機１３は、例えば、３相交流のブラシレスＤＣモータである。回転電機１３は、界磁用の永久磁石を有する回転子と、回転子を回転させる回転磁界を発生させる３相のステータ巻線を有する固定子とを備える。３相のステータ巻線は、第１電力変換装置１２の３相の交流端子１２ｄに接続されている。
回転電機１３は、第１電力変換装置１２から供給される電力により力行動作することによって回転駆動力を発生させる。回転電機１３は、例えば、車両の車輪に連結可能である場合、第１電力変換装置１２から供給される電力により力行動作することによって走行駆動力を発生させる。回転電機１３は、車両の車輪側から入力される回転動力により回生動作することによって発電電力を発生させてもよい。回転電機１３は、車両の内燃機関に連結可能である場合、内燃機関の動力によって発電してもよい。
受電装置１４は、例えば、受電部３１と、電力変換部３２と、キャパシタ３３とを備える。
図２に示すように、受電部３１は、例えば、磁界共鳴又は電磁誘導などの磁界結合によって送電部８から伝えられる高周波の磁界の変化によって電力を受け取る。受電部３１は、例えば、直列に接続される二次側コイル３１ａ、二次側抵抗３１ｂ及び二次側キャパシタ３１ｃによって形成される共振回路を備える。
図１に示すように、電力変換部３２は、交流電力を直流電力に変換する、いわゆるフルブリッジレス型（又はブリッジレス及びトーテムポール型）の力率改善（ＰＦＣ：Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路を備える。いわゆるブリッジレスＰＦＣは、ブリッジ接続される複数のダイオードによるブリッジ整流器を備えていないＰＦＣであって、いわゆるトーテムポールＰＦＣは、同方向に直列に接続（トーテムポール接続）される同一導電型の一対のスイッチング素子を備えるＰＦＣである。
電力変換部３２は、例えば、２相でブリッジ接続される複数のスイッチング素子及び整流素子によって形成されるブリッジ回路を備える。各スイッチング素子は、例えば、ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタである。複数のスイッチング素子は、各相で対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームのトランジスタ３２ａ，３２ｂである。ハイサイドアームのトランジスタ３２ａのコレクタは二次側の正極端子１４ａに接続されている。ローサイドアームのトランジスタ３２ｂのエミッタは二次側の負極端子１４ｂに接続されている。ハイサイドアームのトランジスタ３２ａのエミッタとローサイドアームのトランジスタ３２ｂのコレクタとは受電部３１に接続されている。整流素子は、例えば、各トランジスタ３２ａ，３２ｂのコレクタ－エミッタ間でエミッタからコレクタに向けて順方向に並列に接続される還流ダイオードである。
キャパシタ３３は、二次側の正極端子１４ａと負極端子１４ｂとに接続されている。キャパシタ３３は、各スイッチング素子のオン（導通）及びオフ（遮断）の切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。
第２電力変換装置１５は、受電装置１４から出力される直流電力を変換することによって任意の直流電力を出力する。第２電力変換装置１５は、例えば、降圧の電圧変換を行う電圧変換器を備える。第２電力変換装置１５は、例えば、１対のリアクトル４１と、素子モジュール４２と、キャパシタ４３とを備える。
１対のリアクトル４１は、相互に逆極性に磁気結合されることによって複合型リアクトルを形成する。１対のリアクトル４１は、二次側の正極端子１５ａと素子モジュール４２とに接続されている。
素子モジュール４２は、２相でブリッジ接続される複数のスイッチング素子及び整流素子によって形成されるブリッジ回路を備える。各スイッチング素子は、例えば、ＳｉＣのＭＯＳＦＥＴ等のトランジスタである。複数のスイッチング素子は、各相で対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームのトランジスタ４２ａ，４２ｂである。ハイサイドアームのトランジスタ４２ａのコレクタは一次側の正極端子１５ｂに接続されている。ローサイドアームのトランジスタ４２ｂのエミッタは一次側と二次側とで共通の負極端子１５ｃに接続されている。ハイサイドアームのトランジスタ４２ａのエミッタとローサイドアームのトランジスタ４２ｂのコレクタとはリアクトル４１に接続されている。整流素子は、例えば、各トランジスタ４２ａ，４２ｂのコレクタ－エミッタ間でエミッタからコレクタに向けて順方向に並列に接続される還流ダイオードである。
１対のリアクトル４１及び素子モジュール４２は、いわゆる２相のインターリーブによって電圧変換を行う。２相のインターリーブでは、１対のリアクトル４１に接続される２相のトランジスタ４２ａ，４２ｂのうちで第１の相のトランジスタ４２ａ，４２ｂのスイッチング制御の１周期と、第２の相のトランジスタ４２ａ，４２ｂのスイッチング制御の１周期とは、相互に半周期だけずらされる。
キャパシタ４３は、二次側の正極端子１５ａと負極端子１５ｃとに接続されている。キャパシタ４３は、各スイッチング素子のオン（導通）及びオフ（遮断）の切換動作に伴って発生する電圧変動を平滑化する。
第２電力変換装置１５の一次側の正極端子１５ｂは、受電装置１４の二次側の正極端子１４ａに接続されている。
第２電力変換装置１５の二次側の正極端子１５ａは、第１電力変換装置１２の二次側の正極端子１２ｂに接続されている。
第２電力変換装置１５の負極端子１５ｃは、受電装置１４の二次側の負極端子１４ｂ及び第１電力変換装置１２の負極端子１２ｃに接続されている。
制御装置１６は、例えば、車両の駆動制御装置３及び電力制御装置１０を統合的に制御する。制御装置１６は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサによって所定のプログラムが実行されることにより機能するソフトウェア機能部である。ソフトウェア機能部は、ＣＰＵなどのプロセッサ、プログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びタイマーなどの電子回路を備えるＥＣＵである。なお、制御装置１６の少なくとも一部は、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）などの集積回路であってもよい。
制御装置１６は、例えば、各スイッチング素子をオン（導通）及びオフ（遮断）に駆動するタイミングを示す制御信号を生成するとともに、制御信号に基づいて各スイッチング素子を実際にオン（導通）及びオフ（遮断）に駆動するためのゲート信号を生成する。
例えば、制御装置１６は、受電装置１４の各スイッチング素子のスイッチングを制御することによって、送電装置２から受け取る交流電力を直流電力に整流しつつ、入力電圧及び入力電流の力率改善を行う。
図３は、実施形態の受電装置１４の同期整流動作でのパルス幅変調制御のオン及びオフの例を示す図である。図４は、実施形態の受電装置１４の短絡動作でのパルス周波数変調制御のオン及びオフの例を示す図である。
例えば、制御装置１６は、受電装置１４の目標出力が所定値以上である場合、受電装置１４の複数のスイッチング素子を同期的にオン（導通）及びオフ（遮断）に駆動する同期整流動作を、図３に示すようにパルス幅変調（ＰＷＭ）によって制御する。制御装置１６は、パルス幅変調（ＰＷＭ）では、所定の一定のスイッチング周期ＳＣでのオン時間を変化させることによって目標出力に応じた出力を制御する。
例えば、制御装置１６は、受電装置１４の目標出力が所定値未満である場合、同期整流動作と、二次側コイル３１ａを短絡する短絡動作とを、図４に示すようにパルス周波数変調（ＰＦＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）によって制御する。パルス周波数変調（ＰＦＭ）は、例えば、固定オン時間タイプである。制御装置１６は、同期整流動作が実行されるオン時間を一定にして、短絡動作が実行されるオフ時間を変化させるように周波数を変化させることで、目標出力に応じた出力を制御する。
図５は、実施形態の受電装置１４の同期整流動作の状態例を示す図である。図６は、実施形態の受電装置１４の同期整流動作での各スイッチング素子のオン及びオフの状態、二次側コイル３１ａの両端間の電圧Ｖｒ、二次側コイル３１ａに流れる電流Ｉｒ並びに一次側コイル８ａの両端間の電圧Ｖｔを示す図である。
制御装置１６は、送電部８から送られる電力によって受電部３１に発生する電流、つまり二次側コイル３１ａに流れる電流Ｉｒを検出し、電流Ｉｒの大きさ及び位相に応じて同期整流動作を制御する。
図５及び図６に示すように、制御装置１６は、同期整流動作では、いわゆる位相シフト型のパルス幅変調（ＰＷＭ）によって各スイッチング素子のオン及びオフを制御する。なお、以下では、第１の相で対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームのトランジスタ３２ａ，３２ｂを第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２とし、第２の相で対を成すハイサイドアーム及びローサイドアームのトランジスタ３２ａ，３２ｂを第３スイッチング素子ＳＷ３及び第４スイッチング素子ＳＷ４とする。
制御装置１６は、受電装置１４の最大出力等の高出力領域では、各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を、いわゆるゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ：Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）のソフトスイッチングで制御する。制御装置１６は、高周波のスイッチングを行うことによるスイッチング損失を低減するために、一次側コイル８ａと二次側コイル３１ａとの間の距離に関連する車高条件及び車両の電気特性等に応じてデッドタイム補正値を設定することによりソフトスイッチングを行う。ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）では、各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４は、各相のデッドタイム期間のオフ状態での出力容量（寄生容量）の放電によって両端電圧がゼロにされてからターンオン（オフ状態からオン状態への切り換え）が実行される。
例えば図６に示す時刻ｔ１から時刻ｔ２は第３スイッチング素子ＳＷ３のゼロ電圧スイッチングの期間であり、時刻ｔ３から時刻ｔ４は第２スイッチング素子ＳＷ２のゼロ電圧スイッチングの期間であり、時刻ｔ５から時刻ｔ６は第４スイッチング素子ＳＷ４のゼロ電圧スイッチングの期間であり、時刻ｔ７から時刻ｔ８は第１スイッチング素子ＳＷ１のゼロ電圧スイッチングの期間である。各ゼロ電圧スイッチングの期間は、各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４の還流ダイオードが導通していることで、例えばＭＯＳＦＥＴでのドレイン－ソース間電圧がほぼゼロになっている状態である。
図７は、実施形態での受電装置１４の短絡動作の状態例を示す図である。
図７に示すように、制御装置１６は、短絡動作では、各相のハイサイドアームではゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）での同期整流動作を継続させつつ、各相のローサイドアームのみオフにすることで二次側コイル３１ａを短絡する。各相のローサイドアームのトランジスタ３２ｂである第２スイッチング素子ＳＷ２及び第４スイッチング素子ＳＷ４がオフに設定されると、二次側コイル３１ａと直列の二次側キャパシタ３１ｃに貯まった電流がハイサイドアームの還流ダイオードを通じて平滑用のキャパシタ３３へ流出する。これにより、二次側コイル３１ａの両端間の電圧Ｖｒは低下してゼロとなり、二次側コイル３１ａは電位差が生じないことによりコイルとして機能しなくなるため、送電部８との磁界発生による電流Ｉｒはごくわずかになる。このとき、一次側の送電装置２から二次側の受電装置１４を見ると、二次側のインピーダンスは非常に大きな値となり、一次側のインピーダンスも大きくなるため、一次側の電流（送電電流：一次側コイル８ａに流れる電流Ｉｔ）が絞られる。つまり、二次側の受電装置１４によって一次側の送電装置２での電流が制御される。また、二次側コイル３１ａに流れる電流Ｉｒに応じて同期整流動作を行う各相のハイサイドアームのトランジスタ３２ａである第１スイッチング素子ＳＷ１及び第３スイッチング素子ＳＷ３は、スレッショルド電流を超えないため同期整流動作のスイッチングを停止し、二次側キャパシタ３１ｃと切り離された状態となる。
図２に示すように、送電部８の一次側コイル８ａと受電部３１の二次側コイル３１ａとは逆極性に設定されている。制御装置１６は、例えば、送電装置２の電力変換部７でのスイッチング制御の１周期に対して、受電装置１４の電力変換部３２でのスイッチング制御の１周期を相対的に半周期だけずらす、いわゆる位相差スイッチングによって受電装置１４の各スイッチング素子のスイッチングを制御する。
図８は、実施形態の電力制御装置１０及び比較例の電力制御装置の各々での各相の電流の変化を示す図である。図８に示す実施形態の電力制御装置１０の構成と比較例の電力制御装置の構成とは同一であり、実施形態の受電装置１４は位相差スイッチングによって制御されることに対して、比較例の受電装置１４は同相スイッチングによって制御される。同相スイッチングでは、送電装置２の電力変換部７及び受電装置１４の電力変換部３２の相互のスイッチング制御は同位相である。
実施形態の電力制御装置１０では、受電装置１４の位相差スイッチングによって、送電部８の一次側コイル８ａ及び受電部３１の二次側コイル３１ａの相互に鎖交する磁束のうち、直流成分は相殺されるが交流成分は残る。一方、比較例の電力制御装置では、受電装置１４の同相スイッチングによって、送電部８の一次側コイル８ａ及び受電部３１の二次側コイル３１ａの相互に鎖交する磁束の全てが打ち消される。実施形態では一次側コイル８ａ及び二次側コイル３１ａでのインダクタンスと漏れインダクタンスとが残ることに対して、比較例では漏れインダクタンスのみが残ることによって相対的にインダクタンスが小さくなる。
図８に示すように、インダクタンスの大きさの差に起因して、実施形態での電流リップルＲｐは比較例での電流リップルＲｐ１よりも小さく、実施形態での損失は比較例での損失よりも小さいことが認められる。
上述したように、実施形態の電力制御装置１０によれば、受電装置１４の低出力領域で複数のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４のスイッチング損失による効率低下が生じるパルス幅変調（ＰＷＭ）制御から、パルス周波数変調（ＰＦＭ）制御に移行することによって、損失の増大を抑制することができる。
受電装置１４の低出力領域での電流減少に伴って、各スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４の出力容量の放電完了に要する時間が長くなる場合であっても、パルス周波数変調（ＰＦＭ）制御による周波数の低減でオフ時間を増大させることによって放電完了を確保することができ、ゼロ電圧スイッチングのソフトスイッチングを維持することができる。
受電装置１４の短絡動作では、ハイサイドアームで同期整流動作を継続しつつローサイドアームのみオフにすることで、二次側コイル３１ａに流れる電流Ｉｒの大きさ及び位相に応じて同期整流動作を維持することができる。ローサイドアームによる二次側コイル３１ａの短絡によって、二次側コイル３１ａの電圧Ｖｒ及び電流Ｉｒがほぼゼロになることで、送電側から見たときの受電側のインピーダンスを大きくすることができ、送電装置２での電流を絞ることができる。二次側の受電装置１４によって一次側の送電装置２での電流（送電電流：一次側コイル８ａに流れる電流Ｉｔ）を制御することができ、二次側での独立した電力制御を行うことができる。
本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
１…非接触電力伝送システム、２…送電装置、３…駆動制御装置、１０…電力制御装置、１１…蓄電装置、１２…第１電力変換装置、１３…回転電機、１４…受電装置、１５…第２電力変換装置、１６…制御装置、３１ａ…二次側コイル（コイル）、３２…電力変換部、３２ａ，３２ｂ…トランジスタ（スイッチング素子）、ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４…スイッチング素子。

Claims (2)

  1. 送電装置から非接触で伝送される交流電力を受け取るコイルを有する受電部と、
    前記コイルに接続される複数のスイッチング素子を有するとともに、前記受電部が受け取る前記交流電力を直流電力に変換する電力変換部と、
    前記複数のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御装置と
    を備え、
    前記制御装置は、
    目標出力が所定値以上である場合、前記複数のスイッチング素子を同期的に駆動することによって前記交流電力を整流する同期整流動作をパルス幅変調によって制御し、
    前記目標出力が前記所定値未満である場合、前記同期整流動作と、前記複数のスイッチング素子によって前記コイルを短絡する短絡動作とを、パルス周波数変調によって制御する
    ことを特徴とする電力制御装置。
  2. 前記複数のスイッチング素子は複数相でブリッジ接続され、
    前記制御装置は、前記短絡動作にて、ハイサイドアームの前記複数相の前記スイッチング素子で前記同期整流動作を継続しつつローサイドアームの前記複数相の前記スイッチング素子をオンに設定する
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力制御装置。
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