JP7568269B2 - High frequency inverter, rectifier circuit and wireless power transmission system - Google Patents
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Description
本発明は、負荷抵抗が変動する場合においても定電圧または定電流を出力し得る高周波インバータおよび整流回路と、これらを使用する無線電力伝送システムに関するものである。 The present invention relates to a high-frequency inverter and rectifier circuit that can output a constant voltage or current even when the load resistance fluctuates, and a wireless power transmission system that uses them.
高周波インバータは、その高効率および高電力により、誘導加熱器、プラズマ発生器またはワイヤレス電力伝送に採用されている。高出力かつ高効率のインバータにあっては、E級インバータのように、ゼロ電圧スイッチング(Zero Voltage Switching:ZVS)およびゼロ電圧微分スイッチング(Zero Voltage Derivative Switching:ZVDS)を達成することに起因するものであるが、E級インバータは、上記ZVSおよびZVDSが想定された負荷抵抗において実現されるものであるため、負荷抵抗が変動すると、ZVSが達成されず、効率の低下を招来させるものとなっていた。そこで、定電圧(Constant Voltage:CV)出力におけるZVSを達成するインバータ方式が開発されている(非特許文献1参照)。 High-frequency inverters are used in induction heaters, plasma generators, and wireless power transmission due to their high efficiency and high power. Inverters with high output and high efficiency, such as class E inverters, achieve zero voltage switching (ZVS) and zero voltage derivative switching (ZVDS). However, class E inverters achieve the above ZVS and ZVDS at a load resistance that is assumed. Therefore, if the load resistance fluctuates, ZVS is not achieved, resulting in a decrease in efficiency. Therefore, an inverter method that achieves ZVS at a constant voltage (CV) output has been developed (see non-patent document 1).
前掲の非特許文献1に開示される技術は、定電圧によるインバータ出力においてZVSを達成するものではあるが、その設計理論が煩雑であり、また、直流電圧源から高周波電圧への変換に際して、電圧変換比が大きくならざるを得ないものとなっていた。そのため実用的なものとなっていなかった。そこで、二つのスイッチング素子を使用し、一方のスイッチング素子がオフ状態から他方のスイッチング素子がオン状態となるまでのデッドタイムを補正することにより、高周波スイッチング回路においてZVSを達成させる方法が提案されている(特許文献1参照)。
The technology disclosed in the above-mentioned
特許文献1に開示される技術は、充放電可能なキャパシタを備える制御回路を設け、キャパシタ電圧が上限設定電圧となる場合には二つのスイッチング素子をオフ状態とし、キャパシタ電圧が下限設定電圧となった場合に一方又は他方のスイッチング素子を交互にオン状態とするものであり、そのための制御部を必要とするものであった。また、キャパシタを放電させる放電期間における単位時間当たりの放電量を増加させてキャパシタ電圧を速やかに下限設定電圧とさせる補正部をも必要とするものであった。しかしながら、上記のスイッチング回路は、負荷抵抗が変動した場合のZVSを達成させるところに至ったものではなかった。
The technology disclosed in
他方、負荷の種類によっては、定電圧による電力供給または定電流による電力供給が望まれるところ、定電圧出力を得ることができるスイッチング電源装置が開発されており(特許文献2参照)、また、定電流電源装置も開発されている(特許文献3参照)。 On the other hand, depending on the type of load, a constant voltage or constant current power supply is desired, and switching power supplies capable of obtaining a constant voltage output have been developed (see Patent Document 2), and constant current power supplies have also been developed (see Patent Document 3).
特許文献2に開示される技術は、昇圧コンバータの出力電圧を制御するものであり、入力電圧を所定電圧に変換する際、その入力電圧と出力電圧の測定値(検出信号)の誤差を補正することにより、所定の出力電圧に変換させる構成であった。従って、上記技術は、昇圧コンバータを含むスイッチング電源装置であって、E級インバータまたは整流回路に応用できるものではなかった。
The technology disclosed in
また、特許文献3に開示される技術は、スイッチ素子を有する定電流回路において、スイッチ素子のドレイン電流に応じてスイッチ素子を制御部によって制御するものであり、出力電流リップルを抑えることを目的とするものである。従って、上記技術についてもE級インバータまたは整流回路に応用できるものではなかった。 The technology disclosed in Patent Document 3 is a constant current circuit having a switch element, in which the switch element is controlled by a control unit according to the drain current of the switch element, and the purpose is to suppress output current ripple. Therefore, the above technology is also not applicable to class E inverters or rectifier circuits.
本発明は、上記諸点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、負荷抵抗が変化する場合においても定電圧または定電流を出力できるインバータ回路および整流回路を提供するとともに、これらを使用する無線電力伝送システムを提供することである。 The present invention has been made in consideration of the above points, and its purpose is to provide an inverter circuit and a rectifier circuit that can output a constant voltage or a constant current even when the load resistance changes, and to provide a wireless power transmission system that uses these.
そこで、高周波インバータ回路に係る本発明は、負荷抵抗の変動する負荷に対して定電圧または定電流により電力供給する高周波インバータ回路であって、所定のデューティ比によってスイッチングされるスイッチング素子と、このスイッチング素子に並列に接続される出力コンデンサとを備えるスイッチング回路と、前記スイッチング回路の出力インピーダンスを変換する受動回路を備え、前記受動回路は、前記スイッチング回路および実負荷を含む出力側回路に設けられる各素子の構成および設定値に基づき決定されるスイッチング電圧が、ZVSおよびZVDSを達成するときの出力インピーダンスを基準インピーダンスとし、実負荷における出力インピーダンスを前記基準インピーダンスに変換し、かつ、変動する前記負荷の範囲内において、スイッチング電圧がZVSを達成する範囲内となるように出力インピーダンスを変換するものであることを特徴とする。 The present invention, which relates to a high-frequency inverter circuit, is a high-frequency inverter circuit that supplies power at a constant voltage or constant current to a load whose load resistance varies, and includes a switching circuit having a switching element that is switched at a predetermined duty ratio and an output capacitor connected in parallel to the switching element, and a passive circuit that converts the output impedance of the switching circuit, and the passive circuit uses the output impedance when the switching voltage, which is determined based on the configuration and setting values of each element provided in the output side circuit including the switching circuit and the actual load, achieves ZVS and ZVDS as a reference impedance, converts the output impedance at the actual load to the reference impedance, and converts the output impedance so that the switching voltage falls within the range in which ZVS is achieved within the range of the varying load.
上記構成によれば、スイッチング素子の作動により、直流電圧を高周波交流電圧に変換して出力することができるものであるが、このときのスイッチング電圧は、スイッチがオフ状態において上昇した後に下降するため、スイッチがオンに切り替わる瞬間にゼロ(V)となっていること(ZVSを達成すること)が好ましく、しかも電圧変化曲線の傾きがゼロとなっていること(ZVDSを達成すること)がさらに好適である。これは、負荷抵抗が変化した場合、その変動負荷に応じてスイッチング電圧が変化する場合であっても同様である。そのため、受動回路を設けることにより、負荷抵抗が変動する場合において、少なくともZVSを達成させることができるものとなる。 According to the above configuration, the DC voltage can be converted into a high-frequency AC voltage by the operation of the switching element, and then output. At this time, the switching voltage rises when the switch is in the off state and then falls, so it is preferable that the voltage is zero (V) at the moment the switch is turned on (achieving ZVS), and it is even more preferable that the slope of the voltage change curve is zero (achieving ZVDS). This is also true when the load resistance changes and the switching voltage changes according to the fluctuating load. Therefore, by providing a passive circuit, it is possible to at least achieve ZVS when the load resistance fluctuates.
受動回路は、予め実負荷(最適負荷)を含む出力側回路の構成において、スイッチング電圧がZVSおよびZVDSを達成するようなインバータ(以下、E級インバータと称する場合がある)を想定し、そのときの出力インピーダンスを基準インピータンスとし、実負荷における出力インピーダンスを前記基準インピーダンスに変換するとともに、変動する前記負荷の範囲内における出力インピーダンスがZVSを達成する範囲内となるように変換するものである。これにより、負荷抵抗が変動した場合であってもZVSを達成させることができる。このとき、受動回路によるインピーダンスの変換に好適なインピーダンスパラメータを求め、当該インピーダンスパラメータを満たすように構築されるものである。 The passive circuit assumes an inverter (hereinafter sometimes referred to as a class E inverter) in which the switching voltage achieves ZVS and ZVDS in the configuration of the output side circuit including the actual load (optimum load), and uses the output impedance at that time as a reference impedance. The output impedance at the actual load is converted to the reference impedance, and the output impedance within the range of the fluctuating load is converted so that it is within a range that achieves ZVS. This makes it possible to achieve ZVS even if the load resistance fluctuates. At this time, impedance parameters suitable for impedance conversion by the passive circuit are found, and the passive circuit is constructed to satisfy those impedance parameters.
このように、負荷を含む出力側回路に対するインピーダンスが変換されることにより、負荷抵抗の変動時においてもZVSが達成されることとなるから、スイッチング素子がオフ状態からオン状態に切り替わるタイミングにおいてスイッチング電圧はゼロ(V)となり、スイッチング損失を著しく低減させることができる。そして、スイッチング損失が僅少となることにより、交流電圧源として出力する場合には定電圧源となり、また、交流電流として出力する場合には定電流源となり得るものである。 In this way, by converting the impedance of the output circuit including the load, ZVS is achieved even when the load resistance fluctuates, so the switching voltage becomes zero (V) when the switching element switches from the off state to the on state, and switching losses can be significantly reduced. And because switching losses are so minimal, it can become a constant voltage source when outputting as an AC voltage source, and a constant current source when outputting as an AC current.
上記構成の発明にあっては、前記受動回路は、スミスチャート上に描かれる負荷の実軸変動測地線から該スミスチャート上に描かれるZVSを達成するZVS測地線へインピーダンス変換することができるインピーダンスパラメータを求め、該インピーダンスパラメータを満たす回路として構築されたものとすることができる。 In the invention of the above configuration, the passive circuit can be constructed as a circuit that obtains impedance parameters that can perform impedance conversion from the load real axis variation geodesic curve drawn on the Smith chart to the ZVS geodesic curve that achieves ZVS drawn on the Smith chart, and satisfies the impedance parameters.
ここで、測地線とは、2点の最短距離(非ユークリッド幾何学を用いたポアンカレ計測による幾何学的長さ)を結ぶ線であり、直線の場合もあれば、円または弧の場合もある。また、インピーダンス変換は、メビウス変換とすることができ、円から円へ変換するものであるが、直線は半径∞の円とみなして変換することが可能となる。そして、負荷の実軸変動測地線は、最適負荷においてZVSおよびZVDSを達成させるインピーダンスを含む0Ω~∞Ωの範囲のインピーダンス値において、定電圧を出力させる場合は、0Ω~∞ΩをZVS測地線へ、定電流を出力させる場合は、∞Ω~0ΩをZVS測地線へ、それぞれ変換するためのインピーダンスパラメータを求めることとなる。従って、定電圧出力の場合と定電流出力の場合とではインピーダンスパラメータは異なるが、これらをそれぞれ満たす回路構成による受動回路が設けられることとなる。 Here, a geodesic line is a line that connects the shortest distance between two points (geometric length by Poincaré measurement using non-Euclidean geometry), and may be a straight line, a circle, or an arc. Furthermore, the impedance transformation can be a Möbius transformation, which transforms from circle to circle, but a straight line can be transformed by considering it as a circle with a radius of ∞. The real axis fluctuation geodesic line of the load is calculated by calculating the impedance parameters for transforming 0 Ω to ∞ Ω into a ZVS geodesic line when a constant voltage is output, and ∞ Ω to 0 Ω into a ZVS geodesic line when a constant current is output, in the impedance values in the range of 0 Ω to ∞ Ω, including the impedance that achieves ZVS and ZVDS in the optimal load. Therefore, although the impedance parameters differ between the case of constant voltage output and the case of constant current output, a passive circuit with a circuit configuration that satisfies each of these is provided.
上記のような構成によれば、定電圧または定電流のいずれかを一方を選択的に出力させる場合、その選択された出力に応じて適宜な受動回路を設けることができる。なお、定電流出力に関し、スイッチング電流に着目する場合には、ゼロ電流スイッチング(Zero Current Switching:ZCS)によるスイッチ損失の軽減が知られているが、ここでは、定電流を出力させる目的から、スイッチ電圧に着目しつつZVSを達成させるインピーダンスパラメータを求めることとしている。これにより、負荷が変動する場合においても定電流を出力させることができるものである。 According to the above configuration, when selectively outputting either a constant voltage or a constant current, an appropriate passive circuit can be provided according to the selected output. With regard to constant current output, when focusing on the switching current, it is known that zero current switching (ZCS) can reduce switch loss. However, in this case, in order to output a constant current, we will determine impedance parameters that achieve ZVS while focusing on the switch voltage. This makes it possible to output a constant current even when the load fluctuates.
整流回路に係る本発明は、定電圧または定電流により供給される交流電力を整流するとともに、負荷抵抗の変動する負荷に対して定電圧または定電流として直流出力する整流回路であって、交流電圧源から入力される交流電圧との位相を調整しつつ所定のデューティ比によってスイッチングされるスイッチング素子と、このスイッチング素子に並列に接続される出力コンデンサとを備えるスイッチング回路と、前記スイッチング回路に対する入力インピーダンスを変換する受動回路を備え、前記受動回路は、前記スイッチング回路および実負荷を含む出力側回路に設けられる各素子の構成および設定値に基づき決定されるスイッチング電圧の立ち上がり電圧が、ZVSおよびZVDSを達成するときの入力インピーダンスを基準インピーダンスとし、実負荷における入力インピーダンスを前記基準インピーダンスに変換し、かつ、変動する前記負荷の範囲内において、スイッチング電圧の立ち下がり電圧がZVSを達成する範囲内となるように入力インピーダンスを変換するものであることを特徴とする。 The present invention relates to a rectifier circuit that rectifies AC power supplied by a constant voltage or a constant current and outputs DC as a constant voltage or a constant current to a load whose load resistance varies. The rectifier circuit includes a switching element that is switched at a predetermined duty ratio while adjusting the phase with the AC voltage input from an AC voltage source, and an output capacitor connected in parallel to the switching element, and a passive circuit that converts the input impedance to the switching circuit. The passive circuit converts the input impedance at the actual load to the reference impedance, and converts the input impedance so that the fall voltage of the switching voltage, which is determined based on the configuration and setting value of each element provided in the output side circuit including the switching circuit and the actual load, falls within a range in which ZVS and ZVDS are achieved.
上記構成によれば、供給される交流電圧源に対して、好適なデューティ比によりスイッチング素子を作動させることによって整流することができる。このとき、スイッチ電圧の立ち下がり電圧は、出力側回路の負荷の変動により、ZVSを達成しないこととなるため、その立ち下がり電圧について、少なくともZVSを達成させるように受動回路を設けている。受動回路の構成は、前述の高周波インバータ回路における受動回路と同様の手法であるが、基本的には、スイッチング素子、出力コンデンサ、および、受動回路内の構成についても、インバータ回路と対称な構成となるように構築される。これは、インバータ回路におけるZVSの達成が、スイッチング電圧がゼロ(V)に収束する際の事象であったのに対し、整流回路にあっては、スイッチング電圧の立ち下がり電圧における事象に対するものだからである。このように構成された受動回路を備えることにより、整流された電圧または電流は、定電圧または定電流となるものである。 According to the above configuration, the AC voltage source supplied can be rectified by operating the switching element with a suitable duty ratio. At this time, the falling voltage of the switch voltage does not achieve ZVS due to fluctuations in the load of the output side circuit, so a passive circuit is provided to achieve at least ZVS for that falling voltage. The configuration of the passive circuit is the same as that of the passive circuit in the high-frequency inverter circuit described above, but the switching element, output capacitor, and configuration within the passive circuit are basically constructed to be symmetrical to the inverter circuit. This is because the achievement of ZVS in the inverter circuit is an event when the switching voltage converges to zero (V), whereas in the rectifier circuit, it is an event at the falling voltage of the switching voltage. By providing a passive circuit configured in this way, the rectified voltage or current becomes a constant voltage or constant current.
そして、上記構成の発明において、前記受動回路は、スミスチャート上に描かれる負荷の実軸変動測地線から該スミスチャート上に描かれるZVSを達成するZVS測地線へインピーダンス変換することができるインピーダンスパラメータを求め、該インピーダンスパラメータを満たす回路として構築されたものとすることができる。これは、インバータ回路における場合と同様であり、整流後において定電圧または定電流のいずれかを一方を選択的に直流出力させる場合、その選択された出力に応じて適宜な受動回路を設けることができる。 In the invention having the above configuration, the passive circuit can be constructed as a circuit that obtains an impedance parameter that can perform impedance conversion from the load real axis variation geodesic line drawn on the Smith chart to the ZVS geodesic line that achieves ZVS drawn on the Smith chart, and satisfies the impedance parameter. This is similar to the case of an inverter circuit, and when selectively outputting either a constant voltage or a constant current as a direct current after rectification, an appropriate passive circuit can be provided according to the selected output.
上記各構成の発明においては、さらに、前記スイッチング素子のスイッチング作動を制御する制御部を備えるものとし、前記制御部は、前記受動回路によって入力インピーダンスが変換されるとき入力電圧または入力電流の周期との間で生じる位相差を是正しつつスイッチング作動を制御するものとすることができる。 The invention of each of the above configurations may further include a control unit that controls the switching operation of the switching element, and the control unit may control the switching operation while correcting a phase difference that occurs with the period of the input voltage or input current when the input impedance is converted by the passive circuit.
上記構成によれば、スイッチング素子に入力される電力は、前記受動回路などによる作用によって位相が変化することとなるため、その位相差を制御部によって是正することができる。。 According to the above configuration, the power input to the switching element changes in phase due to the action of the passive circuit, etc., and the phase difference can be corrected by the control unit.
無線電力伝送システムに係る本発明は、上記各構成のいずれによる高周波インバータ回路を給電側とし、上記各構成のいずれかによる整流回路を受電側として、前記両回路の間に設けられた結合器を備えることを特徴とする。 The present invention, which relates to a wireless power transmission system, is characterized in that it has a high-frequency inverter circuit having any of the above configurations as the power supply side, a rectifier circuit having any of the above configurations as the power receiving side, and a coupler provided between the two circuits.
上記構成によれば、直流電圧源をインバータ回路によって高周波の定電圧または定電流として出力させることができ、これを供給側として結合器を介して受電側に伝送することができる。他方、受電側においては、高周波の定電圧または定電流として供給される電力を定電圧または定電流によって整流し、負荷に供給することができる。なお、結合器としては磁界結合方式または電界結合方式などを使用することができ、トランスまたはジャイレータを構築させたものを使用することができるが、ここでは、その種類・構成等を問うものではない。 According to the above configuration, the DC voltage source can be output as a high-frequency constant voltage or constant current by the inverter circuit, and this can be transmitted as the supply side to the receiving side via the coupler. On the other hand, on the receiving side, the power supplied as a high-frequency constant voltage or constant current can be rectified as a constant voltage or constant current and supplied to the load. Note that the coupler can be a magnetic field coupling type or an electric field coupling type, and a transformer or gyrator can be constructed, but the type and configuration are not important here.
本発明によれば、高周波インバータ回路および整流回路のいずれにおいても、負荷抵抗が変化する場合であっても、スイッチング電圧は少なくともZVSを達成するものとなることから、出力電圧または出力電流が安定し、定電圧または定電流として出力させることができる。 According to the present invention, in both the high-frequency inverter circuit and the rectifier circuit, even if the load resistance changes, the switching voltage at least achieves ZVS, so the output voltage or output current is stable and can be output as a constant voltage or constant current.
また、これらを使用する無線電力伝送システムは、直流電圧源を定電圧または定電流に変換しつつ無線伝送を可能にするものであり、整流回路において位相調整されたスイッチング素子の作動により、効率のよい電力伝送が実現されるものとなる。 In addition, a wireless power transmission system that uses these devices enables wireless transmission while converting a DC voltage source into a constant voltage or constant current, and efficient power transmission is achieved by the operation of a phase-adjusted switching element in the rectifier circuit.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
<高周波インバータ回路の構成>
図1は、高周波インバータ回路に係る本発明の実施形態の概略を示すものである。この図1に示す高周波インバータ回路100は、スイッチング回路10と、負荷側回路20との間に受動回路(回路網)30を構成したものである。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Configuration of high frequency inverter circuit>
Fig. 1 shows an outline of a high-frequency inverter circuit according to an embodiment of the present invention. The high-
スイッチング回路10は、直流電圧源11のプラス側に接続された入力インダクタ12と、直流電圧源11に並列に接続され、所定のデューティ比によってスイッチングされるスイッチング素子13と、このスイッチング素子13に並列に接続される出力コンデンサ14と、送電側配線に接続された直列LC共振フィルタ15とを備える構成である。
The switching
スイッチング素子13は、PWMによって制御される周期により、オン状態とオフ状態とが操作されるものであり、代表的なデューティ比は、周期Tの1/2とされることから、本実施形態においてもデューティ比を周期Tの1/2と設定している。このスイッチング素子13には、トランジスタまたはMOS-FETなどを使用することができる。
The switching
直流電圧源11に接続される入力インダクタ12は、スイッチング素子以降の回路に直流電流を供給する。また、直列LC共振フィルタ15は、送電側配線の出力を共振させるLC共振回路であり、基本波のみを通過させ、高調波を抑制するためのローパスフィルタとして接続されている。なお、受動回路にローパス効果を持たせる場合には、この直列LC共振フィルタ15を省略することができる。
The
出力コンデンサ14は、スイッチング素子13がオフ状態において電荷を蓄積し、オン状態で電荷を放出するものであるが、スイッチング素子13がオフ状態からオン状態に移行する前に蓄積した電荷を全て放出することで、ZVSを達成することができる。このとき、時間の経過によって変化する電荷の放出、すなわち電圧(スイッチング電圧)の変化量(グラフ上の傾き)が、ゼロとなるように設計することによりZVDSを達成させることができる。ZVSを達成させる場合にはスイッチング損失が低減され、併せてZVDSを達成させる場合には、さらにスイッチング電圧の高調波低減が見込まれるものであり、ZVSおよびZVDSの双方を達成させるインバータ回路をE級と称して他のインバータ回路と区別されている。
The
このような出力コンデンサ14の電圧(スイッチング電圧)がZVSおよびZVDSを達成させるためには、スイッチング回路10における出力インピーダンスZ0を所定値に設定しなければならない。その際、負荷21が最適負荷である場合を前提として出力インピーダンスZ0を設定することになるか、または、スイッチング回路10の構成により設定される出力インピーダンスZ0の値に応じて、最適負荷を算出し、その値による負荷21を使用することになる。
In order for the voltage (switching voltage) of the
ところが、上記のいずれの場合においても、負荷21の抵抗値が変動する場合には、ZVSおよびZVDSを達成させることができないものとなっていた。それは、負荷21の抵抗値が最適値よりも小さい場合、出力コンデンサ14に蓄積された電荷の放出が早くなり、スイッチング素子13がオン状態となる時には出力電圧(スイッチング電圧)がマイナスとなり、逆に負荷21の抵抗値が最適値よりも大きい場合には電荷が全て放出されず、出力電圧(スイッチング電圧)がプラスの状態となるためである。
However, in either of the above cases, if the resistance value of the
そこで、本実施形態においては、スイッチング回路10と負荷側回路20との間に受動回路(回路網・ネットワーク)30を設け、この受動回路30によって、負荷21が変動する場合であっても、出力コンデンサ14の電圧(スイッチング電圧)が、スイッチング素子13のオン状態となる時点でゼロ(V)となるように、出力コンデンサ14に蓄積された電荷を全て放出させるように、ZVSを達成させるものとしている。
Therefore, in this embodiment, a passive circuit (circuit network) 30 is provided between the switching
<回路設計手法>
受動回路30の回路網を設計するための手法を以下に説明する。
まず、図2(a)に示すような一般的なE級インバータにおいて、出力電流(i1(t))と出力コンデンサ(シャントコンデンサ)の電圧(v1(t))は、下式で表すことができる。
<Circuit design method>
A technique for designing the network of
First, in a typical class E inverter as shown in FIG. 2(a), the output current (i 1 (t)) and the voltage (v 1 (t)) of the output capacitor (shunt capacitor) can be expressed by the following equation.
ここで、上記式に基づいてハーモニックバランス解析により下式を得ることができる。 Now, based on the above equation, the following equation can be obtained by harmonic balance analysis.
そして、t=T/2によるZVSおよびZVDSの条件下では次式を得ることができる。 And under ZVS and ZVDS conditions with t = T/2, the following equation can be obtained:
ここで、上記式(6)を上記式(4)、(5)に代入し、θを削除すると、下式(7)および(8)を得ることができる。 Now, by substituting the above formula (6) into the above formulas (4) and (5) and deleting θ, we obtain the following formulas (7) and (8).
このときの上記(7)および(8)を満たすインピーダンス(Z0=R0+jX0)は、図2(b)に示すように、スミスチャート上において、二つの円弧状の曲線となり、両曲線はZ00の点で交差する。この交差する点Z00は下式で示される。なお、上記のような円弧状の曲線は、双曲幾何学において測地点と称される。ここで、上式(7)はZVS測地線を、上式(8)はZVDS測地線を表すものとなる。 In this case, the impedance ( Z0 = R0 + jX0 ) that satisfies the above (7) and (8) appears as two arc-shaped curves on the Smith chart as shown in FIG. 2(b), and the two curves intersect at the point Z00 . This intersecting point Z00 is expressed by the following equation. Note that the above-mentioned arc-shaped curve is called a geodesic point in hyperbolic geometry. Here, the above equation (7) represents the ZVS geodesic curve, and the above equation (8) represents the ZVDS geodesic curve.
このようなスミスチャート上に円弧状となる曲線(ZVS測地線またはZVDS測地線)は、実負荷変動により変化するものであるが、その際、実軸負荷変動測地線からZVS測地線へ変換することができる。このときの変換は、メビウス変換によるものである。メビウス変換は、円から円に写像可能であり、直線は半径∞の円とみなすことができることから、直線を円(または円弧状の曲線)に変換が可能である。 Such arc-shaped curves on the Smith chart (ZVS geodesic or ZVDS geodesic) change due to actual load fluctuations, and in this case, it is possible to convert the real axis load fluctuation geodesic to a ZVS geodesic. This conversion is done using a Möbius transformation. A Möbius transformation can map from a circle to a circle, and a straight line can be considered to be a circle of radius ∞, so it is possible to convert a straight line into a circle (or an arc-shaped curve).
ここで、図3(a)に示すような2端子対回路において、負荷が変動する場合における一般的なブラックボックスモデルを想定する。このブラックボックスは、負荷インピーダンスZLを入力インピーダンスZ0に変換するものとしている。このときのブラックボックスにおけるインピーダンスパラメータZ11,Z12,Z21,Z22によって変換される入力インピーダンスZ0は下式で示すことができる。 Here, let us assume a typical black box model in which the load fluctuates in a two-terminal pair circuit as shown in Fig. 3(a). This black box converts the load impedance ZL to an input impedance Z0 . The input impedance Z0 converted by the impedance parameters Z11 , Z12 , Z21 , and Z22 in the black box at this time can be expressed by the following formula.
さらに、ブラックボックスが無損失であり、逆数成分で構成される場合には、上式(10)は下式のように表すことができる。 Furthermore, if the black box is lossless and consists of reciprocal components, the above equation (10) can be expressed as the following equation:
そして、上記のように変換される入力インピーダンスZ0は、図3(b)に示すように、負荷インピーダンスZLを実軸負荷変動測地線からZVS測地線へ変換するものとなり、それぞれの測地線から3点のインピーダンスを抽出すると、各インピーダンスは下式となる。 The input impedance Z0 converted as described above converts the load impedance ZL from a real axis load variation geodesic curve to a ZVS geodesic curve as shown in FIG. 3(b). When impedances at three points are extracted from each geodesic curve, each impedance is expressed by the following formula.
上記の方程式を解くことにより、ブラックボックスのインピーダンスパラメータを構成する個々のパラメータ(Z11,Z22,Z21(=Z12))を得ることができる。この個々のパラメータは下式で表すことができる。 By solving the above equation, the individual parameters (Z 11 , Z 22 , Z 21 (=Z 12 )) constituting the impedance parameters of the black box can be obtained. These individual parameters can be expressed by the following equations.
上記に示されるブラックボックスのインピーダンスパラメータについて、各値を代入することによりによって個々のパラメータ(Z11,Z22,Z21(=Z12))が判明し、具体的な受動回路30の回路網を設計することができる。
By substituting the respective values for the impedance parameters of the black box shown above, the individual parameters (Z 11 , Z 22 , Z 21 (=Z 12 )) are determined, and a specific network of the
<定電圧(CV)出力のための受動回路設計>
次に、上記の設計法を参照しつつ、定電圧出力(以下、CV出力と略称する場合がある)とする受動回路30の設計方法を説明する。上記のとおり、ZVS測地線を表す式は、上式(7)に示すとおりであった。この式(7)において、R0=0のとき、X0は下式(18)となり、Z0aおよびZ0bを表す下式(19)および下式(20)となる。なお、ZVS測地線とZVDS測地線の交点(Z00)は、前記の式(9)である。
<Passive circuit design for constant voltage (CV) output>
Next, a method for designing the
他方、図4(a)に示すように、実軸上の負荷ZLa、ZLb、ZL0について、スミスチャートの横軸は負荷抵抗RLを示すものであるところ、これを負荷抵抗の測地線とみなすことができ、両端は0と∞となる。そして、負荷抵抗RLは0から∞の範囲の任意な点となり、それぞれZLa=0、ZLb=∞、ZL0=RL0とすることにより、定電圧出力のためのインピーダンスパラメータを得ることができる。これらの計算式を上式(15)~(17)に代入することにより、個々のパラメータ(Z11,Z22,Z21(=Z12))が得られる。その結果は下式のとおりとなる。 On the other hand, as shown in FIG. 4(a), for the loads Z La , Z Lb , and Z L0 on the real axis, the horizontal axis of the Smith chart indicates the load resistance R L , which can be regarded as a geodesic line of the load resistance, with both ends being 0 and ∞. The load resistance R L is an arbitrary point in the range from 0 to ∞, and impedance parameters for constant voltage output can be obtained by setting Z La = 0, Z Lb = ∞, and Z L0 = R L0, respectively. By substituting these calculation formulas into the above formulas (15) to (17), the individual parameters (Z 11 , Z 22 , Z 21 (= Z 12 )) can be obtained. The result is as shown in the following formula.
また、Z11=jX11、Z22=jX22、Z21=jX21であるから、それぞれのリアクタンスX11、X21、X22は下式で示すことができる。 Furthermore, since Z 11 =jX 11 , Z 22 =jX 22 , and Z 21 =jX 21 , the respective reactances X 11 , X 21 , and X 22 can be expressed by the following equations.
そして、図4(b)に示すT型回路を構成する場合、図4(b)のリアクタンス値に上式(22)~(24)を代入すると、X21の極性と、RL0の範囲によって、4つの異なる回路を構成することができる。また、RL0の範囲は、ωCsによって左右される。このような4種類の回路構成を下表に示す。 When configuring the T-type circuit shown in Figure 4(b), by substituting the above equations (22) to (24) into the reactance values in Figure 4(b), four different circuits can be configured depending on the polarity of X21 and the range of R L0 . The range of R L0 is also influenced by ωC s . These four types of circuit configurations are shown in the table below.
従って、上記4種類の回路構成により、負荷抵抗RLがいかなる場合においてもZVSを達成することができる。そして、負荷抵抗RL=RL0である場合には、ZVSおよびZVDSを達成するものとなる。
さらに、上式(22)~(24)を上式(11)に代入すると、下式を得ることができる。
Therefore, with the above four types of circuit configurations, ZVS can be achieved regardless of the load resistance R L. When the load resistance R L =R L0 , ZVS and ZVDS are achieved.
Furthermore, by substituting the above expressions (22) to (24) into the above expression (11), the following expression can be obtained.
そこで、上式(25)および前述の式(3)~(5)により、電流共振幅I1を求めることができ、下式のとおりとなる。 Therefore, the current resonance width I1 can be calculated from the above equation (25) and the previously described equations (3) to (5), as shown below.
さらに、上式(25)とインピーダンスパラメータから、出力電圧の電圧共振幅V2を求めれば下式となる。 Furthermore, if the voltage resonance width V2 of the output voltage is calculated from the above equation (25) and the impedance parameters, the following equation is obtained.
上式(27)から明らかなとおり、負荷抵抗RLに関係なく出力電圧の電圧振幅幅V2は一定となることから、定電圧出力を達成することができるものである。 As is clear from the above equation (27), the voltage amplitude width V2 of the output voltage is constant regardless of the load resistance R L , so that a constant voltage output can be achieved.
<定電流(CC)出力のための受動回路設計>
次に、定電流出力(以下、CC出力と略称する場合がある)とする受動回路30の設計方法を説明する。定電流出力のための設計方法も定電圧出力におけると場合と同様であり、X0は前記式(18)であり、Z0aおよびZ0bは前記式(19)および(20)であり、ZVS測地線とZVDS測地線の交点(Z00)は、前記式(9)である。
<Passive circuit design for constant current (CC) output>
Next, a method for designing the
定電流出力の場合においても、図5(a)に示すように、実軸上の負荷ZLa、ZLb、ZL0について、スミスチャートの横軸は負荷抵抗RLを示すものである。これは、定電圧出力の場合と同様に負荷抵抗の測地線とみなされ、両端は0と∞となる。 5A, in the case of constant current output, the horizontal axis of the Smith chart indicates the load resistance R L for the loads Z La , Z Lb , and Z L0 on the real axis. This is regarded as a geodesic curve of the load resistance, as in the case of constant voltage output, and both ends are 0 and ∞.
ここで、負荷抵抗RLは0から∞の範囲の任意な点となるものであるが、定電流出力の場合のインピーダンスパラメータを求めるときは、負荷抵抗の測地線の両端「0」および「∞」は定電圧出力とは逆の値となる。すなわち、ZLa=∞、ZLb=0、ZL0=RL0とすることによって、定電流出力のためのインピーダンスパラメータを得ることができる。これらの計算式を前記式(15)~(17)に代入することにより、個々のパラメータ(Z11,Z22,Z21(=Z12))が得られる。その結果は下式のとおりとなる。 Here, the load resistance R L is an arbitrary point in the range from 0 to ∞, but when determining the impedance parameters for constant current output, the two ends of the geodesic line of the load resistance, "0" and "∞", are the opposite values to those for constant voltage output. In other words, the impedance parameters for constant current output can be obtained by setting Z La = ∞, Z Lb = 0, and Z L0 = R L0 . By substituting these calculation formulas into the above formulas (15) to (17), the individual parameters (Z 11 , Z 22 , Z 21 (=Z 12 )) can be obtained. The result is as shown in the following formula.
また、Z11=jX11、Z22=jX22、Z21=jX21であるから、それぞれのリアクタンスX11、X21、X22は下式で示すことができる。 Furthermore, since Z 11 =jX 11 , Z 22 =jX 22 , and Z 21 =jX 21 , the respective reactances X 11 , X 21 , and X 22 can be expressed by the following equations.
上記のリアクタンスは、定電圧出力の場合と同様に、図5(b)に示すT型回路を構成する場合、当該図中のリアクタンスに上式(29)~(31)を代入すると、やはり、X21の極性と、RL0の範囲によって、4つの異なる回路を構成することができる。RL0の範囲は、ωCsによって左右されることについても同様である。このような4種類の回路構成を下表に示す。 As with the constant voltage output, when configuring the T-type circuit shown in Fig. 5(b), substituting the above equations (29) to (31) for the reactance in the figure, four different circuits can be configured depending on the polarity of X21 and the range of R L0 . The range of R L0 is also influenced by ωC s . These four types of circuit configurations are shown in the table below.
上記4種類の回路構成による場合、負荷抵抗RLがいかなる場合においてもZVSを達成することができる。そして、負荷抵抗RL=RL0である場合には、ZVSおよびZVDSを達成するものとなる。この点、定電圧出力の場合と同様である。 In the above four types of circuit configurations, ZVS can be achieved regardless of the load resistance R L. When the load resistance R L =R L0 , ZVS and ZVDS are achieved. This is the same as in the case of constant voltage output.
さらに、上式(22)~(24)を上式(11)に代入すると、下式(32)を得ることができ、当該式(32)および前述の式(3)~(5)により、電流共振幅I1を下式(33)として得ることができる。さらに、当該式(33)とインピーダンスパラメータから、出力電流の電流共振幅I2を求めれば下式(34)となる。 Furthermore, by substituting the above formulas (22) to (24) into the above formula (11), the following formula (32) can be obtained, and the current resonance width I1 can be obtained as the following formula (33) from this formula (32) and the above formulas (3) to (5). Furthermore, by calculating the current resonance width I2 of the output current from this formula (33) and the impedance parameters, the following formula (34) is obtained.
上式(34)から明らかなとおり、負荷抵抗RLに関係なく出力電流の電流振幅幅I2は一定となることから、定電流出力を達成することができるものである。 As is clear from the above equation (34), the current amplitude width I2 of the output current is constant regardless of the load resistance R L , so that a constant current output can be achieved.
<高周波インバータ回路のまとめ>
以上のとおり、最適負荷におけるZVSおよびZVDSを達成するE級のスイッチング回路10を構成するとともに、当該最適負荷に対する出力インピーダンスを基本とし、変動する実負荷に対する出力インピーダンスを基本のインピーダンスに変換することにより、実負荷の負荷抵抗RLが種々変更された場合であっても定電圧出力または定電流出力を達成することができる。このとき、上記のような設計法により、定電圧出力の場合、または定電流出力の場合のそれぞれについて、所望のインピーダンスパラメータを有する受動回路30を設けることができる。
<Summary of high frequency inverter circuit>
As described above, a class
<整流回路>
図6は、整流回路に係る本発明の実施形態の概略を示すものである。この図6に示す整流回路200は、前述した高周波インバータ回路(図1)を反転させた構成としている。すなわち、入力側回路(電源回路)40と、整流用のスイッチング回路50との間に受動回路(回路網)30を設けた構成としている。
<Rectification circuit>
Fig. 6 shows an outline of an embodiment of the present invention relating to a rectifier circuit. The
スイッチング回路50は、スイッチング素子53と、これに並列に接続された出力コンデンサ(シャントコンデンサ)を備え、送電側配線には直列LC共振フィルタ55が設けられている。また、負荷60には出力インダクタ52が直列に設けられている。なお、整流回路220においても、受動回路にローパス効果を持たせる場合には、直列LC共振フィルタ55を省略することができる。
The switching
スイッチング素子53は、PWMによって制御される周期により、オン状態とオフ状態とが操作されるものであり、代表的なデューティ比は、周期Tの1/2とされることから、本実施形態においてもデューティ比を周期Tの1/2と設定している。ただし、後述のように、電源電圧との間に位相差を生じさせる場合があるため、その位相を調整するように制御されるものとしている。なお、スイッチング素子53は、トランジスタまたはMOS-FETなどを使用することができる。
The switching
スイッチング素子53を用いた整流回路においては、スイッチング素子53によるスイッチング操作により、交流電圧源から供給される交流を直流に変換するものである。そして、スイッチング素子53がオン状態からオフ状態に切り替わるタイミングにおいて、スイッチング電圧が上昇するものである。このときの立ち上がり電圧は、ZVSおよびZVDSを達成する場合には、0(V)から立ち上がることとなる。
In a rectifier circuit using a
そこで、スイッチング素子53を使用する整流回路200にあっては、上記インバータ回路の場合と同様に、所定のインピーダンスパラメータによって構成される受動回路30を設けることにより、負荷が変動する場合であってもZVSを達成させることができる。そして、インピーダンスパラメータを調整することにより定電圧または定電流を出力させることができるものである。
In the
<整流回路の設計手法>
整流回路の設計手法は、前述の高周波インバータ回路における場合と同様である。すなわち、図6に示したように、整流回路200を構成する各素子の構成は、インバータ回路を反転させた逆構成とする。このような逆構成により、各要素(素子等)における電圧はインバータ回路の場合と同様と考えることができる。その際の各インピーダンスまたはリアクタンス等は、同様に計算することができる。測地線の各点の移動についても同様である。従って、同様の設計手法により、インピーダンスパラメータを得ることができる。
<Rectifier circuit design method>
The design method of the rectifier circuit is the same as that of the high-frequency inverter circuit described above. That is, as shown in FIG. 6, the configuration of each element constituting the
ここで、負荷条件や出力条件がインバータ回路と同じである場合には、受動回路30の内部構成についても反転させた逆構成とすることができる。例えば、T型回路としてLLC回路を採用する場合には、左右反転したCLL回路を構成させることができるのである。その際の各素子のインダクタンスまたはキャパシタンスも同様に設定することができる。他方、負荷条件等が異なる場合には、同様の設計手法を用いつつ、異なる回路構成とすることもできる。例えば、インバータ回路がCV出力であったが、整流回路をCC出力するように場合などは、受動回路30は必然的に異なる構成となる。この場合においても、設計手法は、上述のインバータ回路と同様とすることができる。
Here, if the load conditions and output conditions are the same as those of the inverter circuit, the internal configuration of the
従って、設計方法については同じ説明となるため、ここで再度説明することは省略するが、定電圧出力の場合、定電流出力の場合、ともに同様の手法によりインピーダンスパラメータを求め、受動回路を構成するものとなる。ただし、入力電圧とスイッチング素子の駆動信号に位相差が生ずるため、この位相差を適正値に固定化する必要がある。この位相差は、受動回路におけるインピーダンスパラメータを個々のパラメータのうち、特定のリアクタンスX21の極性によって定まる。なお、このリアクタンスX21はインバータ回路におけるリアクタンスと同様とする。 Therefore, the design method is the same, so it will not be described again here, but in the case of constant voltage output and constant current output, the impedance parameters are obtained by the same method to configure a passive circuit. However, since a phase difference occurs between the input voltage and the drive signal of the switching element, this phase difference must be fixed to an appropriate value. This phase difference is determined by the polarity of a specific reactance X21 among the individual parameters of the impedance parameters in the passive circuit. Note that this reactance X21 is the same as the reactance in the inverter circuit.
例えば、交流定電圧を入力し、DC電圧CV出力の場合、X21>0のときの位相差は+180°であり、X21<0のときの位相差は0°である。また、DC電圧CC出力の場合、X21>0のときの位相差は-90°であり、X21<0のときの位相差は+90°である。 For example, in the case of inputting a constant AC voltage and outputting a DC voltage CV, the phase difference is +180° when X21 >0 and the phase difference is 0° when X21 <0. In addition, in the case of outputting a DC voltage CC, the phase difference is -90° when X21 >0 and the phase difference is +90° when X21 <0.
<無線電力伝送システム>
次に、無線電力伝送システムについて説明する。上述の高周波インバータ回路および整流回路を用いることにより、個々の回路において、それぞれZVSを達成しつつCV出力またはCC出力させ得る無線電力伝送システムを構築することができる。
<Wireless power transmission system>
Next, a wireless power transmission system will be described. By using the above-mentioned high-frequency inverter circuit and rectifier circuit, it is possible to construct a wireless power transmission system that can achieve ZVS and CV output or CC output in each circuit.
図7に無線電力伝送システムの実施形態を例示する。この図に示されるように、無線電力伝送システムは、高周波インバータ回路は、スイッチング回路と受動回路とで構成され、整流回路も同様に、スイッチング回路と受動回路とで構成される。これらの高周波インバータ回路と整流回路とは、結合器によって無線結合されるものである。 Figure 7 shows an example of an embodiment of a wireless power transmission system. As shown in this figure, in the wireless power transmission system, the high-frequency inverter circuit is composed of a switching circuit and a passive circuit, and the rectifier circuit is also composed of a switching circuit and a passive circuit. The high-frequency inverter circuit and the rectifier circuit are wirelessly coupled by a coupler.
結合器は、電界結合器または磁界結合器などが使用され、これらには、トランス方式やジャイレータ方式などがある。トランス方式は、CV入力をCV出力する場合、またはCC入力をCC出力する場合に使用し、ジャイレータ方式は、CV入力をCC出力する場合、またはCC入力をCV出力する場合に使用する。 The coupler used may be an electric field coupler or a magnetic field coupler, and these include the transformer type and the gyrator type. The transformer type is used when CV input is to be a CV output, or when CC input is to be a CC output, and the gyrator type is used when CV input is to be a CC output, or when CC input is to be a CV output.
ここで構成される高周波インバータ回路および整流回路は、前述のとおりであり、具体的には、両者は相互に対象に構成される。すなわち、結合器を中心に、それぞれ高周波インバータ回路および整流回路の構成を反転させて(対称な位置関係として)それぞれ配置したものである。従って、例えば、高周波インバータ回路は、図1に示す構成とし、整流回路は図6に示す構成として、結合器によって結合させる構成とするものがある。 The high-frequency inverter circuit and rectifier circuit configured here are as described above, and specifically, the two are configured symmetrically to each other. In other words, the high-frequency inverter circuit and rectifier circuit are arranged with the configurations of the high-frequency inverter circuit and rectifier circuit inverted (symmetrically positioned) around the coupler. Therefore, for example, the high-frequency inverter circuit may be configured as shown in Figure 1, and the rectifier circuit may be configured as shown in Figure 6, and they may be coupled by a coupler.
ところで、高周波インバータ回路は、直流を高周波に変換し、結合器は高周波を変換せずに無線伝送し、整流回路は高周波を直流に変換するものであるが、これらの変換において、CV入力をCV出力する場合、またはCC入力をCC出力する場合はトランス特性と認識される。他方、CV入力をCC出力する場合、またはCC入力をCV出力する場合にはジャイレータ特性と認識される。そこで、高周波インバータ回路と整流回路がともにトランス特性とする場合、またはともにジャイレータ特性とする場合には、受動回路のインピーダンスパラメータを同様に構成し、各素子を反転させた(対称とした)ものとすることができる。これに対し、一方をトランス特性としつつ他方をジャイレータ特性とする場合には、受動回路のインピーダンスパラメータは異なるため、個別の受動回路が構成されることとなる。 Now, a high-frequency inverter circuit converts DC to high-frequency, a coupler transmits high-frequency wirelessly without converting it, and a rectifier circuit converts high-frequency to DC; in these conversions, when a CV input is converted to a CV output, or when a CC input is converted to a CC output, it is recognized as a transformer characteristic. On the other hand, when a CV input is converted to a CC output, or when a CC input is converted to a CV output, it is recognized as a gyrator characteristic. Therefore, when the high-frequency inverter circuit and the rectifier circuit both have transformer characteristics, or when both have gyrator characteristics, the impedance parameters of the passive circuits can be configured similarly, and each element can be inverted (symmetrical). On the other hand, when one has transformer characteristics and the other has gyrator characteristics, the impedance parameters of the passive circuits are different, and separate passive circuits are configured.
なお、高周波インバータ回路と整流回路を反転させた(対称に配置させた)構成とした場合においても、高周波インバータによる出力電圧(整流回路に対する入力電圧)と整流回路におけるスイッチング素子の駆動信号に位相差が生ずるため、この位相差を適正値に固定化しなければならないことは前述のとおりである。そのため、整流回路のスイッチング素子の駆動信号を制御するために図7(a)~図8(b)に例示するような手段により位相を制御することとなる。 Even if the high-frequency inverter circuit and rectifier circuit are inverted (symmetrically arranged), a phase difference occurs between the output voltage from the high-frequency inverter (input voltage to the rectifier circuit) and the drive signal for the switching element in the rectifier circuit, and as mentioned above, this phase difference must be fixed to an appropriate value. Therefore, in order to control the drive signal for the switching element of the rectifier circuit, the phase is controlled by the means shown in Figures 7(a) to 8(b).
上記に示すような構成により、CV出力特性またはCC出力特性を発揮し得るものであることを実証するため、具体的な回路を構成したものについて実験を行った。実験は、シミュレータを使用したシミュレーションであり、各構成および実験結果は次のとおりであった。 To demonstrate that the above configuration can achieve CV output characteristics or CC output characteristics, experiments were conducted on specific circuit configurations. The experiments were conducted using a simulator, and the configurations and experimental results were as follows.
<高周波インバータ回路の実施例>
高周波インバータにおいてCV出力のための回路として、図8(a)に示すような構成を設計した。この場合のスイッチング回路の諸元は下表のとおりであり、受動回路は、T型のLLC回路とし、下表に示すように設定した。なお、負荷抵抗は50Ωとしているが、これは受動回路を設けないE級のインバータ回路においてZVSおよびZVDSを達成する最適負荷に該当するものである。
<Example of high frequency inverter circuit>
A circuit for CV output in a high-frequency inverter was designed with the configuration shown in Fig. 8(a). The specifications of the switching circuit in this case are as shown in the table below, and the passive circuit is a T-type LLC circuit, set as shown in the table below. The load resistance is set to 50 Ω, which corresponds to the optimal load for achieving ZVS and ZVDS in a class E inverter circuit without a passive circuit.
また、高周波インバータにおいてCC出力のための回路として、図8(b)に示すような構成を設計した。この場合のスイッチング回路の諸元はCV出力と同様であり、受動回路は、T型のLCL回路とし、下表に示すように設定した。 In addition, the configuration shown in Figure 8(b) was designed as a circuit for CC output in the high-frequency inverter. The specifications of the switching circuit in this case are the same as for CV output, and the passive circuit is a T-type LCL circuit, set as shown in the table below.
上記のCV出力用の高周波インバータ回路とCC出力用の高周波インバータ回路について、負荷抵抗を最適負荷(50Ω)の場合と、変更した場合(25Ωおよび100Ω)について、それぞれスイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)、出力電圧および出力電流について、スイッチング素子のオフ状態からオン状態までの1周期分について、時間経過による変化を検出した。なお、参考のため、受動回路を設けない単なるE級インバータについても同様に各電圧および電流を検出した。 For the high-frequency inverter circuit for CV output and the high-frequency inverter circuit for CC output described above, the changes over time were detected for the switching voltage (shunt capacitor voltage), output voltage, and output current for one cycle from the OFF state to the ON state of the switching element when the load resistance was the optimal load (50 Ω) and when it was changed (25 Ω and 100 Ω). For reference, the voltages and currents were also detected in the same way for a simple E-class inverter without a passive circuit.
これらの結果を図9に示す。なお、(a)はE級インバータのみ、(b)はCV出力を可能とするための受動回路を設けた高周波インバータ回路、(c)はCC出力を可能にするための受動回路を設けた高周波インバータ回路による結果を示す。これらの図に示されるように、スイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)によれば、負荷抵抗が最適負荷(50Ω)の場合には、各構成の回路においてZVSおよびZVDSが達成されている。そして、E級インバータのみの場合には負荷抵抗が変動するとZVSは達成されないが、CV出力用およびCC出力用の高周波インバータ回路においては、ZVSが達成される結果となった。 These results are shown in Figure 9. (a) shows the results for only the class E inverter, (b) shows the results for a high-frequency inverter circuit equipped with a passive circuit to enable CV output, and (c) shows the results for a high-frequency inverter circuit equipped with a passive circuit to enable CC output. As shown in these figures, according to the switching voltage (shunt capacitor voltage), when the load resistance is the optimal load (50 Ω), ZVS and ZVDS are achieved in each circuit configuration. Furthermore, when only the class E inverter is used, ZVS is not achieved when the load resistance fluctuates, but ZVS is achieved in the high-frequency inverter circuits for CV output and CC output.
さらに、CV出力用のインバータ回路においては、負荷抵抗が変更した場合であっても出力電圧の振幅に変化はなく、定電圧が出力されている。他方、CC出力用のインバータ回路においては、負荷抵抗が変更した場合であっても出力電流の振幅に変化はなく、定電流が出力されている。 Furthermore, in an inverter circuit for CV output, even if the load resistance is changed, there is no change in the amplitude of the output voltage, and a constant voltage is output. On the other hand, in an inverter circuit for CC output, even if the load resistance is changed, there is no change in the amplitude of the output current, and a constant current is output.
なお、負荷抵抗が5Ω~500Ω(最適負荷の1/10~10倍)の範囲において、ZVSが達成状況を確認するため、上記3種の回路について、スイッチング素子がオフ状態からオン状態に切り替わるタイミングにおけるスイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)を測定した。その結果を図10に示す。なお、図中「G2G」とは、上述の受動回路を設けた構成であることを示し、「Conventional」は従来構成としてのE級のインバータ回路を示している。 To confirm the achievement of ZVS in the load resistance range of 5Ω to 500Ω (1/10 to 10 times the optimal load), the switching voltage (shunt capacitor voltage) at the timing when the switching element switches from the OFF state to the ON state was measured for the above three types of circuits. The results are shown in Figure 10. In the figure, "G2G" indicates a configuration in which the above-mentioned passive circuit is provided, and "Conventional" indicates an E-class inverter circuit with a conventional configuration.
この図10に示される結果から明らかなとおり、理論上のZVS状況に合致するように、CV出力用およびCC出力用の各回路では、いずれの負荷抵抗においても、スイッチング素子がオン状態となるタイミングにおいて、スイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)が0(V)を示している。この結果を参照すれば、この実施例のように構成された高周波インバータ回路は、上記のような25Ωおよび100Ωに限定されることなく、広い範囲においてCV出力またはCC出力を可能にするものと判断することができる。 As is clear from the results shown in Figure 10, in each circuit for CV output and CC output, the switching voltage (shunt capacitor voltage) is 0 (V) at the timing when the switching element is turned on for each load resistance, which matches the theoretical ZVS situation. In reference to this result, it can be determined that the high-frequency inverter circuit configured as in this embodiment enables CV output or CC output over a wide range, without being limited to the above-mentioned 25 Ω and 100 Ω.
<整流回路の実施例>
整流回路においてCV出力のための回路として、図11(a)に示すような構成を設計した。この図に示される回路は、前述のインピーダンスパラメータX21の極性が正の場合であり、インピーダンスパラメータX21の極性が正の場合における諸元は下表のとおりである。下表のとおり、入力高周波電圧振幅を51.6V(6.78MHz)とし、出力電圧を48Vにて設計し、最適負荷は86.6Ωとして設計した。この場合の受動回路は、T型のCLL回路とし、各素子は下表に示すように設定した。なお、入力電圧は、周波数6.78MHzの高周波(RF)電圧であるため、スイッチング素子によるスイッチング周波数を6.78MHzとし、位相差180°に固定した。
<Example of rectifier circuit>
As a circuit for CV output in a rectifier circuit, a configuration as shown in FIG. 11(a) was designed. The circuit shown in this figure is a case where the polarity of the impedance parameter X21 described above is positive, and the specifications when the polarity of the impedance parameter X21 is positive are as shown in the table below. As shown in the table below, the input high frequency voltage amplitude was set to 51.6 V (6.78 MHz), the output voltage was designed to be 48 V, and the optimal load was designed to be 86.6 Ω. The passive circuit in this case was a T-type CLL circuit, and each element was set as shown in the table below. Since the input voltage was a high frequency (RF) voltage with a frequency of 6.78 MHz, the switching frequency of the switching element was set to 6.78 MHz, and the phase difference was fixed to 180°.
上記構成の整流回路にかかる実験結果を図11(b)に示す。この図のように、高周波(RF)入力電圧に対し180°の位相に固定しつつスイッチング素子を作動させることにより、スイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)の立ち下がり電圧は、ZVSを達成させるものとなった。その結果、DC出力電圧は定電圧となった。 The experimental results for the rectifier circuit configured as above are shown in Figure 11 (b). As shown in this figure, by operating the switching element while fixing the phase at 180° with respect to the radio frequency (RF) input voltage, the falling voltage of the switching voltage (shunt capacitor voltage) achieved ZVS. As a result, the DC output voltage became a constant voltage.
次に、CV出力用として、インピーダンスパラメータX21の極性が負の場合における整流回路を設計した。その構成を図12(a)に示す。この場合のスイッチング回路の諸元は上記表5と同様であり、受動回路についてのみ変更した。受動回路は、T型のLCL回路とし、下表に示すように設定した。 Next, a rectifier circuit was designed for CV output when the polarity of the impedance parameter X21 is negative. The configuration is shown in Fig. 12(a). The specifications of the switching circuit in this case are the same as those in Table 5 above, and only the passive circuit was changed. The passive circuit was a T-type LCL circuit, and was set as shown in the table below.
上記構成の整流回路にかかる実験結果を図12(b)に示す。インピーダンスパラメータX21の極性が負の場合には、高周波(RF)入力電圧に対する位相差を生じないため、図示のように、位相の調整は行うことなくスイッチング素子を作動させた状態により、スイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)の立ち下がり電圧は、ZVSを達成させるものとなった。その結果、DC出力電圧は定電圧となった。 The experimental results for the rectifier circuit of the above configuration are shown in Fig. 12(b). When the polarity of the impedance parameter X21 is negative, no phase difference occurs with respect to the radio frequency (RF) input voltage, so that as shown in the figure, the falling voltage of the switching voltage (shunt capacitor voltage) achieves ZVS by operating the switching element without adjusting the phase. As a result, the DC output voltage becomes a constant voltage.
他方、CC出力のための回路として、図13(a)に示すような構成を設計した。これは、インピーダンスパラメータX21の極性が正の場合を図示している。この回路における諸元は下表のとおりである。入力高周波電圧振幅を51.6V(6.78MHz)とし、最適負荷は86.6Ωとして設計したことはCV出力の場合と同様であり、出力電流を0.55Aにて設計した。この場合の受動回路は、T型のLCL回路とし、各素子は下表に示すように設定した。なお、スイッチング素子によるスイッチング周波数を6.78MHzとし、位相差-90°に固定した。 On the other hand, a configuration as shown in FIG. 13(a) was designed as a circuit for CC output. This illustrates the case where the polarity of the impedance parameter X21 is positive. The specifications of this circuit are as shown in the table below. The input high frequency voltage amplitude was set to 51.6 V (6.78 MHz), the optimum load was set to 86.6 Ω, as in the case of CV output, and the output current was designed to be 0.55 A. The passive circuit in this case was a T-type LCL circuit, and each element was set as shown in the table below. The switching frequency of the switching element was set to 6.78 MHz, and the phase difference was fixed to -90°.
上記構成の整流回路にかかる実験結果を図13(b)に示す。この図のように、高周波(RF)入力電圧に対し-90°の位相に固定しつつスイッチング素子を作動させることにより、スイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)の立ち下がり電圧は、ZVSを達成させるものとなった。その結果、DC出力電流は定電流となった。 The experimental results for the rectifier circuit configured as above are shown in Figure 13(b). As shown in this figure, by operating the switching element while fixing the phase at -90° with respect to the radio frequency (RF) input voltage, the falling voltage of the switching voltage (shunt capacitor voltage) achieved ZVS. As a result, the DC output current became a constant current.
次に、CC出力用として、インピーダンスパラメータX21の極性が負の場合における整流回路を設計した。その構成を図14(a)に示す。この場合のスイッチング回路の諸元は上記表7と同様であり、受動回路についてのみ変更した。受動回路は、T型のCLC回路とし、下表に示すように設定した。 Next, a rectifier circuit was designed for CC output when the polarity of the impedance parameter X21 is negative. The configuration is shown in Fig. 14(a). The specifications of the switching circuit in this case are the same as those in Table 7 above, and only the passive circuit was changed. The passive circuit was a T-type CLC circuit, and was set as shown in the table below.
上記構成の整流回路にかかる実験結果を図14(b)に示す。インピーダンスパラメータX21の極性が負の場合には、高周波(RF)入力電圧に対し+90°の位相を修正しつつスイッチング素子を作動させることにより、スイッチング電圧(シャントコンデンサ電圧)の立ち下がり電圧は、ZVSを達成させるものとなった。その結果、DC出力電流は定電流となった。 The experimental results for the rectifier circuit of the above configuration are shown in Fig. 14(b). When the polarity of the impedance parameter X21 is negative, the falling voltage of the switching voltage (shunt capacitor voltage) achieves ZVS by operating the switching element while correcting the phase of the switching voltage by +90° with respect to the radio frequency (RF) input voltage. As a result, the DC output current becomes a constant current.
<無線電力伝送システムの実施例>
無線電力伝送システムを構築するための回路として、図15に示すような構成を設計した。基本的には、インバータ回路、結合回路、整流回路によって構成され、インバータ回路の諸元は次の表9のとおりであり、整流回路は次の表10のとおりである。また、結合器については、図15に示すような構成とし、諸元を次の表11に示す。なお、入力電圧は、定電圧源による100Vとし、これをインバータ回路により定電圧出力とした。結合器は、ジャイレータ方式を採用し、定電圧による入力を定電流で出力するものとした。さらに整流回路は、定電流による入力を定電圧で出力するものとした。このとき、想定する出力電圧を100Vによる定電圧として設計したものであり、その結果を図16に示す。
As a circuit for constructing a wireless power transmission system, a configuration as shown in FIG. 15 was designed. Basically, it is composed of an inverter circuit, a coupling circuit, and a rectifier circuit. The specifications of the inverter circuit are as shown in Table 9 below, and the rectifier circuit is as shown in Table 10 below. The coupler is configured as shown in FIG. 15, and the specifications are shown in Table 11 below. The input voltage is 100V from a constant voltage source, and this is made into a constant voltage output by the inverter circuit. The coupler adopts a gyrator method, and is configured to output a constant current from a constant voltage input. Furthermore, the rectifier circuit is configured to output a constant voltage from a constant current input. In this case, the assumed output voltage is designed to be a constant voltage of 100V, and the result is shown in FIG. 16.
この図16における結果から、インバータ回路からの出力は、300Vの高周波定電圧となり、結合器を介して整流回路に対し600mAの高周波定電流が入力されていることが判明した。さらに、整流回路において、高周波定電流600mAは、整流され100Vの直流定電圧が出力されることが判明した。 From the results in Figure 16, it was found that the output from the inverter circuit was a high-frequency constant voltage of 300V, and that a high-frequency constant current of 600mA was input to the rectifier circuit via the coupler. Furthermore, it was found that the high-frequency constant current of 600mA was rectified in the rectifier circuit, and a constant DC voltage of 100V was output.
<まとめ>
以上のとおり、高周波インバータ回路および整流回路のいずれについても、受動回路の構成を適宜なものとすることにより、負荷が変動した場合であっても、CV出力またはCC出力させることが可能である。さらに、これらを使用しつつ結合器で結合させることにより無線電力伝送システムを構築することができ、この無線電力伝送システムにあっては、高周波インバータ回路においてCV出力またはCC出力を実現したうえ、ワイヤレス結合器により無線伝送し、さらに整流器によって最終的には、いかなる負荷であっても、直流によるCV出力またはCC出力を可能とするものとなる。
<Summary>
As described above, for both the high frequency inverter circuit and the rectifier circuit, by appropriately configuring the passive circuit, it is possible to achieve CV output or CC output even when the load fluctuates. Furthermore, by using these and coupling them with a coupler, a wireless power transmission system can be constructed, in which CV output or CC output is realized in the high frequency inverter circuit, wireless transmission is performed by a wireless coupler, and finally, CV output or CC output by DC is possible regardless of the load by a rectifier.
従って、各種の負荷に対して所望の電力を供給することができることとなる。つまり、定電圧供給を必要とする負荷に対しても、定電流供給を必要とする負荷に対しても、安定した電力供給が可能であり、予め最適負荷を設定したうえで、受動回路を設けることにより、あらゆる負荷変動に対してもスイッチング損失を低減させることができるものとなる。 As a result, it is possible to supply the desired power to various loads. In other words, it is possible to provide a stable power supply to loads that require a constant voltage supply and loads that require a constant current supply, and by setting the optimal load in advance and providing a passive circuit, it is possible to reduce switching losses for any load fluctuation.
なお、本発明の実施形態および実施例は上記のとおりであるが、本発明がこれらの実施形態または実施例に限定されるものではない。従って、上記実施形態等の構成を変更し、または他の構成を追加することも可能である。例えば、受動回路の構成については、代表的なものを例示したが、受動回路が備えるべきインピーダンスパラメータを得られる回路構成であればよく、他の構成としてもよい。また、結合器については、実施例において一例を示したが、他の構成であってよい。 Although the embodiments and examples of the present invention are as described above, the present invention is not limited to these embodiments or examples. Therefore, it is possible to change the configuration of the above embodiments, etc., or to add other configurations. For example, a representative passive circuit configuration is shown, but other configurations may be used as long as the circuit configuration can obtain the impedance parameters that the passive circuit should have. Also, although one example of the coupler is shown in the example, other configurations may be used.
10,50 スイッチング回路
11 直流電圧源
12 入力インダクタ
13,53 スイッチング素子
14,54 出力コンデンサ(シャントコンデンサ)
15,55 直列LC共振フィルタ
20 負荷回路(出力側回路)
21,60 負荷
30 受動回路
40 電源回路(入力側回路)
52 出力インダクタ
100 高周波インバータ回路
200 整流回路
10, 50
15, 55 Series LC
21, 60
52
Claims (8)
所定のデューティ比によってスイッチングされるスイッチング素子と、このスイッチング素子に並列に接続される出力コンデンサとを備えるスイッチング回路と、
前記スイッチング回路の出力インピーダンスを変換する受動回路を備え、
前記受動回路は、前記スイッチング回路および実負荷を含む出力側回路に設けられる各素子の構成および設定値に基づき決定されるスイッチング電圧が、ZVSおよびZVDSを達成するときの出力インピーダンスを基準インピーダンスとし、実負荷における出力インピーダンスを前記基準インピーダンスに変換し、かつ、変動する前記負荷の範囲内において、スイッチング電圧がZVSを達成する範囲内となるように出力インピーダンスを変換するものである
ことを特徴とする高周波インバータ回路。 A high-frequency inverter circuit that supplies power at a constant voltage or a constant current to a load whose load resistance varies,
a switching circuit including a switching element that is switched on and off at a predetermined duty ratio and an output capacitor that is connected in parallel to the switching element;
a passive circuit for converting an output impedance of the switching circuit;
The passive circuit uses an output impedance when a switching voltage, which is determined based on the configuration and setting values of each element provided in an output side circuit including the switching circuit and an actual load, achieves ZVS and ZVDS as a reference impedance, converts an output impedance at an actual load to the reference impedance, and converts the output impedance so that the switching voltage falls within a range in which ZVS is achieved within a fluctuating load range.
交流電圧源から入力される交流電圧との位相を調整しつつ所定のデューティ比によってスイッチングされるスイッチング素子と、このスイッチング素子に並列に接続される出力コンデンサとを備えるスイッチング回路と、
前記スイッチング回路に対する入力インピーダンスを変換する受動回路を備え、
前記受動回路は、前記スイッチング回路および実負荷を含む出力側回路に設けられる各素子の構成および設定値に基づき決定されるスイッチング電圧の立ち上がり電圧が、ZVSおよびZVDSを達成するときの入力インピーダンスを基準インピーダンスとし、実負荷における入力インピーダンスを前記基準インピーダンスに変換し、かつ、変動する前記負荷の範囲内において、スイッチング電圧の立ち下がり電圧がZVSを達成する範囲内となるように入力インピーダンスを変換するものである
ことを特徴とする整流回路。 A rectifier circuit that rectifies AC power supplied at a constant voltage or a constant current and outputs DC power as a constant voltage or a constant current to a load whose load resistance varies,
a switching circuit including a switching element which is switched at a predetermined duty ratio while adjusting a phase with an AC voltage input from an AC voltage source, and an output capacitor which is connected in parallel with the switching element;
a passive circuit for converting an input impedance of the switching circuit;
The passive circuit is characterized in that it uses an input impedance when the rise voltage of the switching voltage, which is determined based on the configuration and setting values of each element provided in an output side circuit including the switching circuit and an actual load, achieves ZVS and ZVDS as a reference impedance, converts the input impedance in the actual load to the reference impedance, and converts the input impedance so that, within the fluctuating range of the load, the fall voltage of the switching voltage falls within a range where ZVS is achieved.
前記制御部は、前記受動回路によって入力インピーダンスが変換されるとき入力電圧または入力電流の周期との間で生じる位相差を是正しつつスイッチング作動を制御するものである請求項3または4に記載の整流回路。 Further, a control unit is provided for controlling the switching operation of the switching element,
5. The rectifier circuit according to claim 3, wherein the control unit controls switching operation while correcting a phase difference that occurs between the input voltage or input current period when the input impedance is converted by the passive circuit.
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