ワイヤレス給電装置およびワイヤレス電力伝送システム
【課題】磁場共振型のワイヤレス給電において、電力伝送効率への影響を抑制しつつ供給電力の位相を検出する。
【解決手段】給電コイルＬ２から受電コイルＬ２には磁気共振により電力が伝送される。電源回路２００は、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２を交互にオン・オフさせることにより、エキサイト回路１１０に交流電力を供給し、エキサイトコイルＬ１から給電コイルＬ２に交流電力が供給される。位相検出回路１５０は、電源回路２００のスイッチングトランジスタＱ２を対象として、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２とソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２の電流位相および電圧位相からその位相差を検出する。
【解決手段】給電コイルＬ２から受電コイルＬ２には磁気共振により電力が伝送される。電源回路２００は、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２を交互にオン・オフさせることにより、エキサイト回路１１０に交流電力を供給し、エキサイトコイルＬ１から給電コイルＬ２に交流電力が供給される。位相検出回路１５０は、電源回路２００のスイッチングトランジスタＱ２を対象として、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２とソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２の電流位相および電圧位相からその位相差を検出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレスにて電力を送るためのワイヤレス給電装置、および、ワイヤレス電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電源コードなしで電力を供給するワイヤレス給電技術が注目されつつある。現在のワイヤレス給電技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）、（Ｂ）電波を利用するタイプ（遠距離用）、（Ｃ）磁場の共振現象を利用するタイプ（中距離用）の３種類に大別できる。
【０００３】
電磁誘導を利用するタイプ（Ａ）は、電動シェーバーなどの身近な家電製品において一般的に利用されているが、数ｃｍ程度の近距離でしか使えないという課題がある。電波を利用するタイプ（Ｂ）は、遠距離で使えるが電力が小さいという課題がある。共振現象を利用するタイプ（Ｃ）は、比較的新しい技術であり、数ｍ程度の中距離でも高い電力伝送効率を実現できることから特に期待されている。たとえば、ＥＶ（Electric Vehicle）の車両下部に受電コイルを埋め込み、地中の給電コイルから非接触にて電力を送り込むという案も検討されている。以下、タイプ（Ｃ）を「磁場共振型」とよぶ。
【０００４】
磁場共振型は、マサチューセッツ工科大学が２００６年に発表した理論をベースとしている（特許文献１参照）。特許文献１では、４つのコイルを用意している。これらのコイルを給電側から順に「エキサイトコイル」、「給電コイル」、「受電コイル」、「ロードコイル」とよぶことにする。エキサイトコイルと給電コイルは近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。同様に、受電コイルとロードコイルも近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。これらの距離に比べると、給電コイルから受電コイルまでの距離は「中距離」であり、比較的大きい。このシステムの目的は、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電することである。
【０００５】
エキサイトコイルに交流電力を供給すると、電磁誘導の原理により給電コイルにも電流が流れる。給電コイルが磁場を発生させ、給電コイルと受電コイルが磁気的に共振すると、受電コイルには大きな電流が流れる。電磁誘導の原理によりロードコイルにも電流が流れ、ロードコイルと直列接続される負荷Ｒから電力が取り出される。磁場共振現象を利用することにより、給電コイルから受電コイルの距離が大きくても高い電力伝送効率を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国公開２００８／０２７８２６４号公報
【特許文献２】特開２００６−２３００３２号公報
【特許文献３】国際公開２００６／０２２３６５号公報
【特許文献４】米国公開２００９／００７２６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
磁場共振現象を発生させるためには、エキサイトコイルや給電コイルに交流電力を供給する際、電源回路の駆動周波数を共振周波数に一致させる必要がある。たとえば、特許文献２は、駆動周波数と共振周波数が一致しているか検出する技術を開示する。特許文献２では、給電コイルに相当する１次コイルＬ１の電圧位相を基準位相と比較することにより、共振状態にあるか否かを判定している（特許文献２の段落［００４３］、［００４４］、図１等参照）。しかし、特許文献２の場合、共振させるべき１次コイルＬ１の電圧波形そのものを計測対象としているため、計測行為によって共振特性（Ｑ値）が悪化しやすい。いいかえれば、「計測の影響」を受けやすいシステム構成となっている。
【０００８】
本発明は、上記課題に基づいて完成された発明であり、磁場共振型のワイヤレス給電において、共振特性への影響を抑制しつつ供給電力の位相を検出することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るワイヤレス給電装置は、給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、給電コイルから受電コイルにワイヤレス送電する。この装置は、電源回路と、給電コイルと、給電コイルと磁気結合して電源回路から供給される交流電力を給電コイルに供給するエキサイトコイルと、電源回路から供給される交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路を備える。電源回路は、第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、エキサイトコイルに交流電力を供給する。位相検出回路は、第１および第２のスイッチの双方または一方の通過電流の位相を計測することにより、交流電力の電流位相を計測する。
【００１０】
本発明の別の態様におけるワイヤレス給電装置も、給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、給電コイルから受電コイルにワイヤレス送電する。この装置は、給電コイルに駆動周波数にて交流電力を供給する電源回路と、給電コイルおよびキャパシタを含み共振周波数にて共振する給電コイル回路と、電源回路から供給される交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路を備える。電源回路は、第１および第２の電流経路を含み、第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、給電コイルに交流電力を供給する。位相検出回路は、第１および第２のスイッチの双方または一方の通過電流の位相を計測することにより、交流電力の電流位相を計測する。
【００１１】
給電コイルに対してスイッチング電源として動作する電源回路を用いることにより、電源回路から給電コイルへの電力供給効率を高めることができる。電源回路の駆動周波数を共振周波数と一致させれば、システム全体としての電力伝送効率が高くなる。電源回路に含まれるスイッチの通過電流から電流位相を計測するため、給電コイルに直接的な計測負荷がかからない。このため、給電コイルの共振特性への影響を抑制しつつ、電圧位相と電流位相の位相差（ずれ）を検出して共振状態が保たれているかを監視できる。
【００１２】
この装置は、検出された位相差が減少するように電源回路の駆動周波数を調整することにより、駆動周波数を共振周波数に追随させる駆動周波数追随回路を更に備えてもよい。共振周波数に駆動周波数を追随させることができるため、電力伝送効率を高い状態に維持しやすくなる。
【００１３】
第１および第２のスイッチは、電界効果トランジスタであってもよい。この場合、第１および第２のスイッチそれぞれのソース・グランド間に第１の抵抗を直列接続しておき、位相検出回路は第１の抵抗に印加される電圧の変化から電流位相を計測してもよい。また、位相検出回路は、第１および第２のスイッチの双方または一方のソース・ドレイン電圧の変化から電圧位相を計測してもよい。第１および第２のスイッチの双方または一方のソース・ドレイン間に第２の抵抗を並列接続しておき、位相検出回路は第２の抵抗の途中から取り出される中間電位の変化から電圧位相を計測してもよい。
【００１４】
この装置は、交流電力の電流波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第１波形整流器と、交流電力の電圧波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第２波形整流器を更に備えてもよい。そして、位相検出回路は、２種類のデジタル波形のエッジを比較することにより、位相差を検出してもよい。デジタル化により電流波形と電圧波形の位相を比較するときの基準点が明確になるため、位相検出回路が位相差を特定しやすくなる。
【００１５】
本発明におけるワイヤレス電力伝送システムは、上述したワイヤレス給電装置と、受電コイルと、受電コイルと磁気結合して、受電コイルが給電コイルから受電した電力を供給されるロードコイルと、を備える。
【００１６】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、磁場共振型のワイヤレス給電技術において、共振特性への影響を抑制しつつ供給電力の位相を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ワイヤレス電力伝送システムの基本システム構成図である。
【図２】第１のスイッチングトランジスタが導通するときの電流経路を示す図である。
【図３】第２のスイッチングトランジスタが導通するときの電流経路を示す図である。
【図４】２つのスイッチングトランジスタにおける共振時の電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。
【図５】給電コイル回路のインピーダンスと駆動周波数の関係を示すグラフである。
【図６】出力電力効率と駆動周波数の関係を示すグラフである。
【図７】駆動周波数＞共振周波数のときのスイッチングトランジスタにおける電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。
【図８】駆動周波数＜共振周波数のときのスイッチングトランジスタにおける電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。
【図９】駆動周波数の自動追随機能を備えるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。
【図１０】位相検出回路へ入力される各種電圧の変化過程を示すタイムチャートである。
【図１１】制御電圧と駆動周波数の関係を示すグラフである。
【図１２】駆動周波数の自動追随機能を備えるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図の別例である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム３００は、ワイヤレス給電機能だけでなく駆動周波数の自動追随機能も備える。最初に、ワイヤレス給電機能を実現するための基本構成について説明する。次に、駆動周波数の自動追随機能を追加したタイプのワイヤレス電力伝送システム３００を説明する。
【００２０】
図１は、駆動周波数の自動追随機能を有しないワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図である。ワイヤレス電力伝送システム１００は、電源回路２００と、エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０、受電コイル回路１３０、ロード回路１４０を含む。給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０の間には数ｍ程度の距離がある。ワイヤレス電力伝送システム１００の主目的は、給電コイル回路１２０から受電コイル回路１３０に電力を送ることである。
【００２１】
図１に示すワイヤレス電力伝送システム１００は、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）周波数帯にて動作させることを想定したシステムである。以下、給電コイル回路１２０や受電コイル回路１３０の共振周波数ｆｒはＩＳＭ周波数帯内の１３．５６ＭＨｚであるとして説明する。
【００２２】
エキサイト回路１１０は、エキサイトコイルＬ１とトランスＴ２二次コイルＬｉが直列接続された回路である。エキサイト回路１１０は、電源回路２００からトランスＴ２二次コイルＬｉを介して交流電力を供給される。トランスＴ２二次コイルＬｉは、電源回路２００のトランスＴ２一次コイルＬｄおよびトランスＴ２一次コイルＬｂと共に結合トランスＴ２を形成し、電磁誘導により交流電力を供給される。エキサイトコイルＬ１の巻き数は１回、導線の直径は３ｍｍ、エキサイトコイルＬ１自体の直径は２１０ｍｍである。エキサイト回路１１０を流れる電流Ｉ１は交流であり、同図矢印にて示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。
【００２３】
給電コイル回路１２０は、給電コイルＬ２とキャパシタＣ２が直列接続された回路である。エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２は互いに向かい合っている。エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２の距離は１０ｍｍ以下と比較的近い。このため、エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２は電磁気的に強く結合している。給電コイルＬ２の巻き数は７回、導線の直径は５ｍｍ、給電コイルＬ２自体の直径は２８０ｍｍである。エキサイトコイルＬ１に電流Ｉ１を流すと、給電コイル回路１２０に起電力が発生し、給電コイル回路１２０には電流Ｉ２が流れる。同図矢印にて示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流Ｉ１の向きと電流Ｉ２の向きは逆（逆相）である。電流Ｉ２は電流Ｉ１よりも格段に大きい。給電コイルＬ２とキャパシタＣ２それぞれの値は、給電コイル回路１２０の共振周波数ｆｒが１３．５６ＭＨｚとなるように設定される。
【００２４】
受電コイル回路１３０は、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３が直列接続された回路である。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は互いに向かい合っている。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の距離は、０．２ｍ〜１ｍ程度と比較的長い。受電コイルＬ３の巻き数は７回、導線の直径は５ｍｍ、受電コイルＬ３自体の直径は２８０ｍｍである。受電コイル回路１３０の共振周波数ｆｒも１３．５６ＭＨｚとなるように、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３それぞれの値が設定されている。給電コイル回路１２０が共振周波数ｆｒにて磁界を発生させることにより、給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０は磁気的に共振し、受電コイル回路１３０にも大きな電流Ｉ３が流れる。同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流Ｉ２の向きと電流Ｉ３の向きは逆（逆相）である。すなわち、電流Ｉ３は、電流Ｉ１と同相である。
【００２５】
ロード回路１４０は、ロードコイルＬ４と負荷Ｒが直列接続された回路である。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は互いに向かい合っている。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４の距離は１０ｍｍ以下と比較的近い。このため、受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は電磁的に強く結合している。ロードコイルＬ４の巻き数は１回、導線の直径は３ｍｍ、ロードコイルＬ４自体の直径は２１０ｍｍである。受電コイルＬ３に電流Ｉ３が流れることにより、ロード回路１４０に起電力が発生し、ロード回路１４０に電流Ｉ４が流れる。同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流Ｉ３の向きと電流Ｉ４の向きは逆（逆相）である。すなわち、電流Ｉ４は、電流Ｉ２と同相である。
【００２６】
電源回路２００から供給される交流電力は、エキサイト回路１１０と給電コイル回路１２０により送電され、受電コイル回路１３０とロード回路１４０により受電され、負荷Ｒから取り出される。エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０、受電コイル回路１３０およびロード回路１４０に流れる電流Ｉ１〜Ｉ４の周波数は同一である。
【００２７】
負荷Ｒを受電コイル回路１３０に直列接続すると、受電コイル回路１３０のＱ値が悪くなる。このため、受電用の受電コイル回路１３０と電力取り出し用のロード回路１４０を分離している。また、電力伝送効率を高めるためには、エキサイトコイルＬ１、給電コイルＬ２、受電コイルＬ３およびロードコイルＬ４の中心線を揃えることが好ましい。
【００２８】
電源回路２００は、駆動周波数ｆｏにて動作するプッシュプル型の回路であり、図１に示すように上下対称形である。エキサイト回路１１０は、駆動周波数ｆｏの交流電力を電源回路２００から供給される。この場合、エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０、受電コイル回路１３０およびロード回路１４０には、駆動周波数ｆｏの電流Ｉ１〜Ｉ４が流れる。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒが一致するとき、すなわち、駆動周波数ｆｏ＝１３．５６ＭＨｚとなるとき、給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０が磁場共振するため、電力伝送効率は最大となる。
【００２９】
電源回路２００に含まれるゲート駆動用トランスＴ１の一次側には、オシレータ２０２が接続される。オシレータ２０２は、駆動周波数ｆｏの交流電圧を発生させる。電圧波形は正弦波でもよいが、ここでは矩形波であるとして説明する。この交流電圧により、トランスＴ１一次コイルＬｈには正負の両方向に交互に電流が流れる。トランスＴ１一次コイルＬｈとトランスＴ１二次コイルＬｇ、トランスＴ１一次コイルＬｈはゲート駆動用の結合トランスＴ１を形成する。電磁誘導により、トランスＴ１二次コイルＬｇとトランスＴ１一次コイルＬｈにも正負の両方向に交互に電流が流れる。
【００３０】
トランスＴ１の二次コイルは中点接地される。すなわち、トランスＴ１二次コイルＬｆの一端とトランスＴ１二次コイルＬｇの一端は互いに接続され、そのまま接地される。トランスＴ１二次コイルＬｆの他端は、スイッチングトランジスタＱ１のゲートと接続され、トランスＴ１二次コイルＬｇの他端は、別のスイッチングトランジスタＱ２のゲートと接続される。スイッチングトランジスタＱ１のソースとスイッチングトランジスタＱ２のソースも接地されている。したがって、オシレータ２０２が駆動周波数ｆｏにて交流電圧を発生させると、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２の各ゲートには、電圧Ｖｘ（Ｖｘ＞０）が駆動周波数ｆｏにて交互に印加される。すなわち、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は駆動周波数ｆｏにて交互にオン・オフする。
【００３１】
スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は同一特性のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor）であるが、バイポーラトランジスタなど他のトランジスタでもよい。また、駆動周波数ｆｏを低く設定して動作させる場合には、トランジスタの代わりにリレースイッチ等、他のスイッチを用いてもよい。
【００３２】
スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間の電圧をソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間の電圧をソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２とよぶ。また、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間を流れる電流をソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間を流れる電流をソース・ドレイン電流ＩＤＳ２とする。同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。
【００３３】
スイッチングトランジスタＱ１のドレインは、インダクタＬｅ、キャパシタＣｂを介して、トランスＴ２一次コイルＬｄと直列接続される。同様に、スイッチングトランジスタＱ２のドレインは、インダクタＬｃ、キャパシタＣａを介して、トランスＴ２一次コイルＬｂと直列接続される。トランスＴ２一次コイルＬｄとトランスＴ２一次コイルＬｃの接続点には、平滑用のインダクタＬａが接続され、さらに、電源Ｖｄｄが接続される。また、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ１が並列接続され、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ２が並列接続される。インダクタＬｅとインダクタＬｃは同一特性のコイルである。キャパシタＣｂとキャパシタＣａは同一特性のキャパシタであり、キャパシタＣＱ１とキャパシタＣＱ２も同一特性のキャパシタである。
【００３４】
インダクタＬｅとキャパシタＣｂはソース・ドレイン電流ＩＤＳ１の電流波形を整形し、インダクタＬｃとキャパシタＣａはソース・ドレイン電流ＩＤＳ２の電流波形を整形するために挿入される。また、キャパシタＣＱ１はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の電圧波形を整形し、キャパシタＣＱ２はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２の電圧波形を整形するために挿入される。インダクタＬｃ、Ｌｅ、キャパシタＣａ、Ｃｂ、ＣＱ１、ＣＱ２を省略しても、電源回路２００によるワイヤレス給電は可能である。特に、駆動周波数ｆｏが低い場合には、これらのインダクタやキャパシタを省略しても電力伝送効率を維持しやすい。
【００３５】
エキサイト回路１１０の入力インピーダンスは５０（Ω）である。また、電源回路２００の出力インピーダンスがこの入力インピーダンス５０（Ω）と等しくなるようにトランスＴ２一次コイルＬｂおよびトランスＴ２一次コイルＬｄの巻き数を設定している。電源回路２００の出力インピーダンスとエキサイト回路１１０の入力インピーダンスが一致するとき、電源回路２００の出力は最大となる。
【００３６】
図２は、スイッチングトランジスタＱ１が導通するときの電流経路を示す図である。スイッチングトランジスタＱ１が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ２は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第１電流経路」とよぶ）は、電源Ｖｄｄから平滑用のインダクタＬａ、トランスＴ２一次コイルＬｄ、キャパシタＣｂ、インダクタＬｅ、スイッチングトランジスタＱ１を経由してグランドへ至る経路となる。スイッチングトランジスタＱ１は、第１電流経路の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００３７】
図３は、スイッチングトランジスタＱ２が導通するときの電流経路を示す図である。スイッチングトランジスタＱ２が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ１は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第２電流経路」とよぶ）は、電源Ｖｄｄから平滑用のインダクタＬａ、トランスＴ２一次コイルＬｂ、キャパシタＣａ、インダクタＬｃ、スイッチングトランジスタＱ２を経由してグランドへ至る経路となる。スイッチングトランジスタＱ２は、第２電流経路の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００３８】
図４は、スイッチングトランジスタＱ１およびスイッチングトランジスタＱ２の電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間(以下、「第１期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオン、スイッチングトランジスタＱ２がオフとなる期間である。時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間(以下、「第２期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオフ、スイッチングトランジスタＱ２がオンとなる期間、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間(以下、「第３期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオン、スイッチングトランジスタＱ２がオフとなる期間、時刻ｔ３〜時刻ｔ４の期間(以下、「第４期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオフ、スイッチングトランジスタＱ２がオンとなる期間である。図４は、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒは一致しており、給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０が共振状態にある場合の波形を示している。
【００３９】
スイッチングトランジスタＱ１のゲート・ソース電圧ＶＧＳ１が所定の閾値を超えると、スイッチングトランジスタＱ１は飽和状態となる。したがって、第１期間の開始タイミングである時刻ｔ０にスイッチングトランジスタＱ１がオン（導通）となると、図２に示した第１電流経路をソース・ドレイン電流ＩＤＳ１が流れ始める。第１電流経路に挿入されているインダクタＬｅとキャパシタＣｂが電流共振するため、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１の第１期間における電流波形は矩形波とはならず、立ち上がりと立ち下がりが緩やかになる。
【００４０】
第２期間の開始タイミングである時刻ｔ１にスイッチングトランジスタＱ１がオフ（非導通）となると、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は流れなくなる。スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ１が並列接続されているため、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の第２期間における電圧波形は矩形波とはならず、立ち上がりと立ち下がりが緩やかになる。
【００４１】
第１期間はスイッチングトランジスタＱ２のオフ期間であるから、第１期間におけるＶＧＳ２、ＩＤＳ２、ＶＤＳ２の変化は、第２期間におけるＶＧＳ１、ＩＤＳ１、ＶＤＳ１の変化と同様である。第２期間はスイッチングトランジスタＱ２のオン期間であるから、第２期間におけるＶＧＳ２、ＩＤＳ２、ＶＤＳ２の変化は、第１期間におけるＶＧＳ１、ＩＤＳ１、ＶＤＳ１の変化と同様である。第３期間、第４期間以降は、第１期間、第２期間と同様の波形を繰り返す。
【００４２】
図５は、給電コイル回路１２０のインピーダンスＺと駆動周波数ｆｏの関係を示すグラフである。縦軸は給電コイル回路１２０のインピーダンスＺを示す。横軸は駆動周波数ｆｏを示す。給電コイル回路１２０はＬＣ回路であるため、電源回路２００やエキサイト回路１１０から給電コイル回路１２０を見たときのインピーダンスＺは、共振時において最低値Ｚｍｉｎとなる。共振時にＺｍｉｎ＝０となるのが理想であるが、給電コイル回路１２０には若干の抵抗成分が含まれるため、Ｚｍｉｎは通常ゼロとはならない。
【００４３】
図５においては、駆動周波数ｆｏ＝１３．５６ＭＨｚ、すなわち、駆動周波数ｆｏ＝共振周波数ｆｒとなるとき、インピーダンスＺは最低となり、給電コイル回路１２０は共振状態となる。共振状態では、給電コイル回路１２０の容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスが互いに打ち消しあう。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒがずれると、インピーダンスＺにおける容量性リアクタンスまたは誘導性リアクタンスが優勢となるためインピーダンスＺも大きくなる。
【００４４】
まとめると、電源回路２００の駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒと一致するとき、エキサイト回路１１０には共振周波数ｆｒにて電流Ｉ１が流れる。これにより、給電コイル回路１２０には共振周波数ｆｒにて電流Ｉ２が流れ、受電コイル回路１３０にも共振周波数ｆｒにて電流Ｉ３が流れる。給電コイル回路１２０の給電コイルＬ２およびキャパシタＣ２と、受電コイル回路１３０の受電コイルＬ３およびキャパシタＣ３は、同一の共振周波数ｆｒにて共振するため、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３への電力伝送効率は最大となる。
【００４５】
電源回路２００の駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒがずれると、エキサイト回路１１０には非・共振周波数にて電流Ｉ１が流れる。このため、給電コイル回路１２０や受電コイル回路１３０は共振状態ではなくなるため、電力伝送効率は急速に悪化する。
【００４６】
図６は、出力電力効率と駆動周波数ｆｏの関係を示すグラフである。出力電力効率とは、給電コイル回路１２０から実際に給電される電力の最大出力値に対する割合を示す。駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒと一致するときには、電流位相と電圧位相の差がゼロとなり、電力伝送効率が最大となるので、出力電力効率＝１００（％）となる。出力電力効率は、負荷Ｒから取り出される電力の大きさによって計測できる。
【００４７】
図６に示すグラフによれば、共振周波数ｆｒ＝１３．５６ＭＨｚのときに駆動周波数ｆｏ＝１４．０６ＭＨｚに設定した場合には、出力電力効率は６５（％）程度まで低下している。すなわち、両者が１ＭＨｚずれることによって電力伝送効率は３５（％）も低下している。
【００４８】
図７は、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも大きい場合のスイッチングトランジスタＱ２の電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも大きい場合、給電コイル回路１２０のインピーダンスＺには誘導性リアクタンス成分が現れ、給電コイル回路１２０の電流Ｉ２の電流位相は電圧位相に対して遅れる。上述したように給電コイル回路１２０の電流Ｉ２とエキサイト回路１１０の電流Ｉ１はちょうど逆相である。また、エキサイト回路１１０の電流Ｉ１と、第２電流経路を流れるスイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン電流ＩＤＳ２とはちょうど逆相である。したがって、スイッチングトランジスタＱ２の通過電流であるソース・ドレイン電流ＩＤＳ２の電流波形を計測すれば、給電コイル回路１２０の電流Ｉ２の位相を検出できる。そして、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２の電流波形と、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２の電圧波形を比較すれば、供給電力における電流位相と電圧位相の位相差ｔｄを検出できることになる。
【００４９】
図４に示したように、駆動周波数ｆｏ＝共振周波数ｆｒのときには、第２期間の開始タイミングである時刻ｔ１からソース・ドレイン電流ＩＤＳ２が流れ始める。この場合には、位相差ｔｄ＝０である。駆動周波数ｆｏ＞共振周波数ｆｒの場合、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２は時刻ｔ１よりも遅い時刻ｔ５から流れ始めるため、位相差ｔｄ＝ｔ１−ｔ５＜０となる。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒがずれると、出力電力効率が悪化し、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２の自体も小さくなる。
【００５０】
図８は、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも小さい場合のスイッチングトランジスタＱ２の電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。駆動周波数ｆｏ＜共振周波数ｆｒとなると、インピーダンスＺに容量性リアクタンス成分が現れ、給電コイル回路１２０の電流Ｉ２の電流位相は電圧位相に対して進む。このため、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２は、時刻ｔ１よりも早い時刻ｔ６から流れ始める。位相差ｔｄ＝ｔ１−ｔ６＞０となる。ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２の振幅自体も共振時に比べて小さくなる。
【００５１】
位相差ｔｄの大きさと、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒのずれの大きさは比例する。したがって、位相差ｔｄを検出し、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒのずれが解消されるように駆動周波数ｆｏを適宜調整すれば、共振周波数ｆｒが変化しても共振状態を維持できる。
【００５２】
図９は、駆動周波数ｆｏの自動追随機能を備えるワイヤレス電力伝送システム３００のシステム構成図である。ワイヤレス電力伝送システム３００は、上述したワイヤレス電力伝送システム１００の「ワイヤレス給電機能」に加えて「駆動周波数ｆｏの自動追随機能」を備える。図１と同一の符号を付した構成は、図１で説明した構成と同一または同様の機能を有する。図１に追加する構成として、ワイヤレス電力伝送システム３００は、第１波形整流器１４２、第２波形整流器１４４、位相検出回路１５０および駆動周波数追随回路１５２を備える。また、電源回路２００の一部に抵抗Ｒ１〜Ｒ６が追加されている。
【００５３】
図１に示した基本構成としてのワイヤレス電力伝送システム１００は、所定の共振周波数ｆｒにて稼働することを想定している。したがって、給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０の設計によって定まる共振周波数ｆｒにより、電源回路２００の駆動周波数ｆｒも一意に確定する。
【００５４】
しかし、共振周波数ｆｒは、給電コイル回路１２０や受電コイル回路１３０の使用状態や使用環境によって微妙に変化する。また、給電コイル回路１２０や受電コイル回路１３０を交換した場合にも共振周波数ｆｒは変化する。あるいは、キャパシタＣ２やキャパシタＣ３の静電容量を可変とすることにより共振周波数ｆｒを積極的に変化させたい場合もあるかもしれない。このような場合でも、ワイヤレス電力伝送システム３００は、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒを自動的に一致させることができる。
【００５５】
ワイヤレス電力伝送システム３００においては、スイッチングトランジスタＱ１のソースとグランドとの間に抵抗Ｒ２、スイッチングトランジスタＱ２とグランドとの間に抵抗Ｒ１が直列接続される。これらの抵抗を「第１の抵抗」とよぶ。また、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレインと並列に抵抗Ｒ４とＲ６が接続され、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレインと並列に抵抗Ｒ３とＲ５が接続される。抵抗Ｒ４とＲ６の組み合わせ、あるいは、抵抗Ｒ３とＲ５の組み合わせを「第２の抵抗」とよぶ。抵抗Ｒ１＝Ｒ２、Ｒ３＝Ｒ４、Ｒ５＝Ｒ６である。
【００５６】
抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ５の接続点Ａの電位Ｖｐ１（第２の抵抗の中間電位）、スイッチングトランジスタＱ２のソースと抵抗Ｒ１の接続点Ｂの電位Ｖｑ１（第１の抵抗に印加される電圧値）に基づいて、位相差ｔｄが計測される。図７や図８に関連して説明したように、電圧位相はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２のアナログ波形から計測可能である。ワイヤレス電力伝送システム３００では、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２を抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ５により分圧し、その中間電位として電位Ｖｐ１を取り出している。ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２が大きくなる場合でも、分圧により扱いやすい電圧に降圧できる。ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２をそのまま取り扱えるのであれば、分圧は必須ではない。
【００５７】
電圧位相は、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２以外からも計測可能である。たとえば、ソース・ゲート電圧ＶＧＳ２を計測対象としてもよいし、トランスＴ１一次コイルの両端の電圧を計測対象としてもよい。
【００５８】
電流位相はソース・ドレイン電流ＩＤＳ２のアナログ波形から計測可能である。接続点Ｂの電位Ｖｑ１は、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２と同相であるため、電位Ｖｑ１のアナログ波形から電流位相を計測できる。電位Ｖｐ１および電位Ｖｑ１のアナログ波形を比較することにより、電圧位相と電流位相の位相差ｔｄを特定できる。
【００５９】
ワイヤレス電力伝送システム３００では、スイッチングトランジスタＱ２側から電流位相と電圧位相を計測しているが、スイッチングトランジスタＱ１側から計測しても同じである。また、電源回路２００の回路構成を上下対称形とするために、計測対象外のスイッチングトランジスタＱ１側にも抵抗Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６を接続しているが、これらの抵抗は省略してもよい。
【００６０】
電位Ｖｐ１と電位Ｖｑ１は、それぞれ、第１波形整流器１４２と第２波形整流器１４４によって２値化される。詳細については次の図１０に関連して後述するが、第１波形整流器１４２は、電位Ｖｐ１が所定の閾値、たとえば、０．１（Ｖ）より大きくなると飽和電圧Ｖｐ２＝５（Ｖ）を出力する増幅器である。このため、アナログ波形となる電位Ｖｐ１は、第１波形整流器１４２によってデジタル波形の電圧Ｖｐ２に変換される。第２波形整流器１４４も、電位Ｖｐ２が所定の閾値より大きくなると飽和電圧Ｖｑ２＝５（Ｖ）を出力する増幅器である。第２波形整流器１４４により、アナログ波形の電位Ｖｑ１はデジタル波形の電圧Ｖｑ２に変換される。
【００６１】
位相検出回路１５０は、電圧Ｖｐ２のデジタル波形と電圧Ｖｑ２のデジタル波形を比較し、位相差ｔｄを算出する。位相検出回路１５０は、位相差ｔｄに応じて制御電圧Ｖｔを変化させる。駆動周波数追随回路１５２は制御電圧Ｖｔに応じて、オシレータ２０２の駆動周波数ｆｏを調整する。
【００６２】
なお、駆動周波数追随回路１５２とオシレータ２０２を一体化し、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）として提供してもよい。また、ＶＣＯの後段に増幅器を設け、トランスＴ１一次コイルＬｈへ供給される電圧を増幅してもよい。
【００６３】
図１０は、位相検出回路１５０へ入力される各種電圧の変化過程を示すタイムチャートである。ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２は、スイッチングトランジスタＱ２のオン・オフに同期して変化する。このソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２を抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ５により分圧することにより、接続点Ａから電位Ｖｐ１が検出される。電位Ｖｐ１は、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２と同相であり、振幅（最大電圧値）が減少した波形となる。スイッチングトランジスタＱ２がオフとなる第１期間と第３期間において、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２＞０、すなわち、電位Ｖｐ１＞０となる。第１波形整流器１４２は、アナログ波形の電位Ｖｐ１を増幅することにより、デジタル波形の電圧Ｖｑ１を生成する。
【００６４】
接続点Ｂの電位Ｖｑ１は、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２に同期して変化する。同図は、駆動周波数ｆｏ＞共振周波数ｆｒとなり、電流位相が電圧位相よりも遅れた状態を示している。第２波形整流器１４４は、アナログ波形の電位Ｖｑ１を増幅し、デジタル波形の電圧Ｖｑ２を生成する。
【００６５】
位相検出回路１５０は、電圧Ｖｐ２の立ち下がりエッジ時刻ｔ１と、電圧Ｖｑ２の立ち上がりエッジ時刻ｔ５を比較し、ｔ１−ｔ５により位相差ｔｄを求める。第１波形整流器１４２と第２波形整流器１４４により、アナログ波形である電位Ｖｐ１と電位Ｖｑ１をデジタル波形に変換することにより、位相検出回路１５０は位相差ｔｄを検出しやすくなる。もちろん、位相検出回路１５０は、電位Ｖｐ１と電位Ｖｑ１を直接比較して位相差ｔｄを検出してもよい。
【００６６】
特許文献２のように、給電コイルＬ２に流れる電流Ｉ２を計測対象とすると、給電コイル回路１２０に新たな負荷がかかり、給電コイル回路１２０のインピーダンスＺが変化するため、Ｑ値が悪化してしまう。共振している給電コイルＬ２の電流経路に位相検出回路１５０を接続するのは、音叉を触りながらその振動を測定するようなものである。本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム３００では、電源回路２００中の電位Ｖｑ１に基づいて電流位相を計測している。エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０、受電コイル回路１３０、ロード回路１４０という４つの共振回路に計測負荷をかけないため、Ｑ値への影響を抑制しつつ電流位相を計測できる。
【００６７】
図１１は、制御電圧Ｖｔと駆動周波数ｆｏの関係を示すグラフである。図１１に示す関係は、駆動周波数追随回路１５２において設定されている。位相差ｔｄの大きさは、共振周波数ｆｒの変化量に比例する。そこで、位相検出回路１５０は、位相差ｔｄに応じて制御電圧Ｖｔの変化量を決定し、駆動周波数追随回路１５２は制御電圧Ｖｔに応じて駆動周波数ｆｏを決定する。
【００６８】
まず、初期状態では共振周波数ｆｒ＝１３．５６ＭＨｚなので、駆動周波数ｆｏ＝１３．５６ＭＨｚに設定される。制御電圧Ｖｔ＝３（Ｖ）に初期設定される。共振周波数ｆｒが１３．５６ＭＨｚから１２．５６ＭＨｚに変化した場合を想定する。駆動周波数ｆｏ（＝１３．５６ＭＨｚ）＞共振周波数ｆｏ（＝１２．５６ＭＨｚ）となるため、位相差ｔｄ＜０となる。位相差ｔｄは、共振周波数ｆｒの変化量（−１．０ＭＨｚ）に比例する。位相検出回路１５０は、位相差ｔｄに応じて制御電圧Ｖｔの変化量を決定する。上記設例では、位相検出回路１５０は制御電圧Ｖｔの変化量を−１（Ｖ）とし、新たな制御電圧Ｖｔ＝２（Ｖ）を出力する。駆動周波数追随回路１５２は、図１１のグラフに示す関係にしたがって、制御電圧Ｖｔ＝２（Ｖ）に対応する駆動周波数ｆｏ＝１２．５６ＭＨｚを出力する。このような処理により、共振周波数ｆｒが変化しても駆動周波数ｆｏを自動的に追随させることができる。
【００６９】
位相検出回路１５０と駆動周波数追随回路１５２、オシレータ２０２はワンチップとして回路構成されてもよい。また、位相検出回路１５０や駆動周波数追随回路１５２の処理はソフトウェアにより処理されてもよい。たとえば、位相差ｔｄと駆動周波数ｆｏの変化量とをあらかじめ対応づけた設定情報を保持しておき、検出された位相差ｔｄの大きさに応じて駆動周波数ｆｏを調整してもよい。
【００７０】
図１２は、駆動周波数ｆｏの自動追随機能を備えるワイヤレス電力伝送システム４００のシステム構成図の変形例である。ワイヤレス電力伝送システム４００では、電源回路２００がエキサイト回路１１０を介さずに、直接、給電コイル回路１２０を駆動する。図１や図９と同一の符号を付した構成は、図１や図９で説明した構成と同一または同様の機能を有する。
【００７１】
ワイヤレス電力伝送システム４００の給電コイル回路１２０は、給電コイルＬ２、キャパシタＣ２にトランスＴ２二次コイルＬｉが直列接続された回路である。トランスＴ２二次コイルＬｉは、トランスＴ２一次コイルＬｂ、トランスＴ２一次コイルＬｄと共に結合トランスＴ２を形成し、電磁誘導により電源回路２００から交流電力を供給される。このように、エキサイト回路１１０を介さず、電源回路２００から給電コイル回路１２０に直接交流電力を供給してもよい。
【００７２】
以上、実施形態に基づいてワイヤレス電力伝送システム３００を説明した。エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０、受電コイル回路１３０、ロード回路１４０は、いずれも同一の共振周波数ｆｒで共振するため、これらの回路になんらかの負荷を追加するとＱ値が敏感に反応してしまう。本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム３００の場合、給電コイルＬ２に流れる電流Ｉ２を計測対象とするのではなく、電源回路２００に含まれるスイッチングトランジスタＱ２の通過電流を計測対象とするため、給電コイル回路１２０のＱ値への影響を抑制しやすい。すなわち、システムの共振特性への計測による影響を抑制しつつ、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒが一致しているかを常時監視できる。
【００７３】
図５や図６に関連して説明したように、磁場共振型のワイヤレス給電の場合、共振周波数ｆｒと駆動周波数ｆｏの一致度が電力伝送効率に大きく影響する。位相検出回路１５０や駆動周波数追随回路１５２等を設ければ、共振周波数ｆｒが変化しても駆動周波数ｆｏを自動的に追随させることができるため、使用条件が変化しても、電力伝送効率を最大値に維持しやすくなる。
【００７４】
ワイヤレス電力伝送システム３００の場合、エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２の距離を給電コイルＬ２および受電コイルＬ３の直径と同一にして実験してみたところ、給電コイル回路１２０から送電された電力の約７０％をロード回路１４０から取り出すことができた。
【００７５】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【符号の説明】
【００７６】
１００、３００、４００ ワイヤレス電力伝送システム
１１０ エキサイト回路
１２０ 給電コイル回路
１３０ 受電コイル回路
１４０ ロード回路
１４２ 第１波形整流器
１４４ 第２波形整流器
１５０ 位相検出回路
１５２ 駆動周波数追随回路
２００ 電源回路
２０２ オシレータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワイヤレスにて電力を送るためのワイヤレス給電装置、および、ワイヤレス電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電源コードなしで電力を供給するワイヤレス給電技術が注目されつつある。現在のワイヤレス給電技術は、（Ａ）電磁誘導を利用するタイプ（近距離用）、（Ｂ）電波を利用するタイプ（遠距離用）、（Ｃ）磁場の共振現象を利用するタイプ（中距離用）の３種類に大別できる。
【０００３】
電磁誘導を利用するタイプ（Ａ）は、電動シェーバーなどの身近な家電製品において一般的に利用されているが、数ｃｍ程度の近距離でしか使えないという課題がある。電波を利用するタイプ（Ｂ）は、遠距離で使えるが電力が小さいという課題がある。共振現象を利用するタイプ（Ｃ）は、比較的新しい技術であり、数ｍ程度の中距離でも高い電力伝送効率を実現できることから特に期待されている。たとえば、ＥＶ（Electric Vehicle）の車両下部に受電コイルを埋め込み、地中の給電コイルから非接触にて電力を送り込むという案も検討されている。以下、タイプ（Ｃ）を「磁場共振型」とよぶ。
【０００４】
磁場共振型は、マサチューセッツ工科大学が２００６年に発表した理論をベースとしている（特許文献１参照）。特許文献１では、４つのコイルを用意している。これらのコイルを給電側から順に「エキサイトコイル」、「給電コイル」、「受電コイル」、「ロードコイル」とよぶことにする。エキサイトコイルと給電コイルは近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。同様に、受電コイルとロードコイルも近距離にて向かい合わされ、電磁結合する。これらの距離に比べると、給電コイルから受電コイルまでの距離は「中距離」であり、比較的大きい。このシステムの目的は、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電することである。
【０００５】
エキサイトコイルに交流電力を供給すると、電磁誘導の原理により給電コイルにも電流が流れる。給電コイルが磁場を発生させ、給電コイルと受電コイルが磁気的に共振すると、受電コイルには大きな電流が流れる。電磁誘導の原理によりロードコイルにも電流が流れ、ロードコイルと直列接続される負荷Ｒから電力が取り出される。磁場共振現象を利用することにより、給電コイルから受電コイルの距離が大きくても高い電力伝送効率を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国公開２００８／０２７８２６４号公報
【特許文献２】特開２００６−２３００３２号公報
【特許文献３】国際公開２００６／０２２３６５号公報
【特許文献４】米国公開２００９／００７２６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
磁場共振現象を発生させるためには、エキサイトコイルや給電コイルに交流電力を供給する際、電源回路の駆動周波数を共振周波数に一致させる必要がある。たとえば、特許文献２は、駆動周波数と共振周波数が一致しているか検出する技術を開示する。特許文献２では、給電コイルに相当する１次コイルＬ１の電圧位相を基準位相と比較することにより、共振状態にあるか否かを判定している（特許文献２の段落［００４３］、［００４４］、図１等参照）。しかし、特許文献２の場合、共振させるべき１次コイルＬ１の電圧波形そのものを計測対象としているため、計測行為によって共振特性（Ｑ値）が悪化しやすい。いいかえれば、「計測の影響」を受けやすいシステム構成となっている。
【０００８】
本発明は、上記課題に基づいて完成された発明であり、磁場共振型のワイヤレス給電において、共振特性への影響を抑制しつつ供給電力の位相を検出することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るワイヤレス給電装置は、給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、給電コイルから受電コイルにワイヤレス送電する。この装置は、電源回路と、給電コイルと、給電コイルと磁気結合して電源回路から供給される交流電力を給電コイルに供給するエキサイトコイルと、電源回路から供給される交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路を備える。電源回路は、第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、エキサイトコイルに交流電力を供給する。位相検出回路は、第１および第２のスイッチの双方または一方の通過電流の位相を計測することにより、交流電力の電流位相を計測する。
【００１０】
本発明の別の態様におけるワイヤレス給電装置も、給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、給電コイルから受電コイルにワイヤレス送電する。この装置は、給電コイルに駆動周波数にて交流電力を供給する電源回路と、給電コイルおよびキャパシタを含み共振周波数にて共振する給電コイル回路と、電源回路から供給される交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路を備える。電源回路は、第１および第２の電流経路を含み、第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、給電コイルに交流電力を供給する。位相検出回路は、第１および第２のスイッチの双方または一方の通過電流の位相を計測することにより、交流電力の電流位相を計測する。
【００１１】
給電コイルに対してスイッチング電源として動作する電源回路を用いることにより、電源回路から給電コイルへの電力供給効率を高めることができる。電源回路の駆動周波数を共振周波数と一致させれば、システム全体としての電力伝送効率が高くなる。電源回路に含まれるスイッチの通過電流から電流位相を計測するため、給電コイルに直接的な計測負荷がかからない。このため、給電コイルの共振特性への影響を抑制しつつ、電圧位相と電流位相の位相差（ずれ）を検出して共振状態が保たれているかを監視できる。
【００１２】
この装置は、検出された位相差が減少するように電源回路の駆動周波数を調整することにより、駆動周波数を共振周波数に追随させる駆動周波数追随回路を更に備えてもよい。共振周波数に駆動周波数を追随させることができるため、電力伝送効率を高い状態に維持しやすくなる。
【００１３】
第１および第２のスイッチは、電界効果トランジスタであってもよい。この場合、第１および第２のスイッチそれぞれのソース・グランド間に第１の抵抗を直列接続しておき、位相検出回路は第１の抵抗に印加される電圧の変化から電流位相を計測してもよい。また、位相検出回路は、第１および第２のスイッチの双方または一方のソース・ドレイン電圧の変化から電圧位相を計測してもよい。第１および第２のスイッチの双方または一方のソース・ドレイン間に第２の抵抗を並列接続しておき、位相検出回路は第２の抵抗の途中から取り出される中間電位の変化から電圧位相を計測してもよい。
【００１４】
この装置は、交流電力の電流波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第１波形整流器と、交流電力の電圧波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第２波形整流器を更に備えてもよい。そして、位相検出回路は、２種類のデジタル波形のエッジを比較することにより、位相差を検出してもよい。デジタル化により電流波形と電圧波形の位相を比較するときの基準点が明確になるため、位相検出回路が位相差を特定しやすくなる。
【００１５】
本発明におけるワイヤレス電力伝送システムは、上述したワイヤレス給電装置と、受電コイルと、受電コイルと磁気結合して、受電コイルが給電コイルから受電した電力を供給されるロードコイルと、を備える。
【００１６】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、磁場共振型のワイヤレス給電技術において、共振特性への影響を抑制しつつ供給電力の位相を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ワイヤレス電力伝送システムの基本システム構成図である。
【図２】第１のスイッチングトランジスタが導通するときの電流経路を示す図である。
【図３】第２のスイッチングトランジスタが導通するときの電流経路を示す図である。
【図４】２つのスイッチングトランジスタにおける共振時の電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。
【図５】給電コイル回路のインピーダンスと駆動周波数の関係を示すグラフである。
【図６】出力電力効率と駆動周波数の関係を示すグラフである。
【図７】駆動周波数＞共振周波数のときのスイッチングトランジスタにおける電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。
【図８】駆動周波数＜共振周波数のときのスイッチングトランジスタにおける電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。
【図９】駆動周波数の自動追随機能を備えるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図である。
【図１０】位相検出回路へ入力される各種電圧の変化過程を示すタイムチャートである。
【図１１】制御電圧と駆動周波数の関係を示すグラフである。
【図１２】駆動周波数の自動追随機能を備えるワイヤレス電力伝送システムのシステム構成図の別例である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム３００は、ワイヤレス給電機能だけでなく駆動周波数の自動追随機能も備える。最初に、ワイヤレス給電機能を実現するための基本構成について説明する。次に、駆動周波数の自動追随機能を追加したタイプのワイヤレス電力伝送システム３００を説明する。
【００２０】
図１は、駆動周波数の自動追随機能を有しないワイヤレス電力伝送システム１００のシステム構成図である。ワイヤレス電力伝送システム１００は、電源回路２００と、エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０、受電コイル回路１３０、ロード回路１４０を含む。給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０の間には数ｍ程度の距離がある。ワイヤレス電力伝送システム１００の主目的は、給電コイル回路１２０から受電コイル回路１３０に電力を送ることである。
【００２１】
図１に示すワイヤレス電力伝送システム１００は、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）周波数帯にて動作させることを想定したシステムである。以下、給電コイル回路１２０や受電コイル回路１３０の共振周波数ｆｒはＩＳＭ周波数帯内の１３．５６ＭＨｚであるとして説明する。
【００２２】
エキサイト回路１１０は、エキサイトコイルＬ１とトランスＴ２二次コイルＬｉが直列接続された回路である。エキサイト回路１１０は、電源回路２００からトランスＴ２二次コイルＬｉを介して交流電力を供給される。トランスＴ２二次コイルＬｉは、電源回路２００のトランスＴ２一次コイルＬｄおよびトランスＴ２一次コイルＬｂと共に結合トランスＴ２を形成し、電磁誘導により交流電力を供給される。エキサイトコイルＬ１の巻き数は１回、導線の直径は３ｍｍ、エキサイトコイルＬ１自体の直径は２１０ｍｍである。エキサイト回路１１０を流れる電流Ｉ１は交流であり、同図矢印にて示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。
【００２３】
給電コイル回路１２０は、給電コイルＬ２とキャパシタＣ２が直列接続された回路である。エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２は互いに向かい合っている。エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２の距離は１０ｍｍ以下と比較的近い。このため、エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２は電磁気的に強く結合している。給電コイルＬ２の巻き数は７回、導線の直径は５ｍｍ、給電コイルＬ２自体の直径は２８０ｍｍである。エキサイトコイルＬ１に電流Ｉ１を流すと、給電コイル回路１２０に起電力が発生し、給電コイル回路１２０には電流Ｉ２が流れる。同図矢印にて示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流Ｉ１の向きと電流Ｉ２の向きは逆（逆相）である。電流Ｉ２は電流Ｉ１よりも格段に大きい。給電コイルＬ２とキャパシタＣ２それぞれの値は、給電コイル回路１２０の共振周波数ｆｒが１３．５６ＭＨｚとなるように設定される。
【００２４】
受電コイル回路１３０は、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３が直列接続された回路である。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は互いに向かい合っている。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の距離は、０．２ｍ〜１ｍ程度と比較的長い。受電コイルＬ３の巻き数は７回、導線の直径は５ｍｍ、受電コイルＬ３自体の直径は２８０ｍｍである。受電コイル回路１３０の共振周波数ｆｒも１３．５６ＭＨｚとなるように、受電コイルＬ３とキャパシタＣ３それぞれの値が設定されている。給電コイル回路１２０が共振周波数ｆｒにて磁界を発生させることにより、給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０は磁気的に共振し、受電コイル回路１３０にも大きな電流Ｉ３が流れる。同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流Ｉ２の向きと電流Ｉ３の向きは逆（逆相）である。すなわち、電流Ｉ３は、電流Ｉ１と同相である。
【００２５】
ロード回路１４０は、ロードコイルＬ４と負荷Ｒが直列接続された回路である。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は互いに向かい合っている。受電コイルＬ３とロードコイルＬ４の距離は１０ｍｍ以下と比較的近い。このため、受電コイルＬ３とロードコイルＬ４は電磁的に強く結合している。ロードコイルＬ４の巻き数は１回、導線の直径は３ｍｍ、ロードコイルＬ４自体の直径は２１０ｍｍである。受電コイルＬ３に電流Ｉ３が流れることにより、ロード回路１４０に起電力が発生し、ロード回路１４０に電流Ｉ４が流れる。同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。電流Ｉ３の向きと電流Ｉ４の向きは逆（逆相）である。すなわち、電流Ｉ４は、電流Ｉ２と同相である。
【００２６】
電源回路２００から供給される交流電力は、エキサイト回路１１０と給電コイル回路１２０により送電され、受電コイル回路１３０とロード回路１４０により受電され、負荷Ｒから取り出される。エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０、受電コイル回路１３０およびロード回路１４０に流れる電流Ｉ１〜Ｉ４の周波数は同一である。
【００２７】
負荷Ｒを受電コイル回路１３０に直列接続すると、受電コイル回路１３０のＱ値が悪くなる。このため、受電用の受電コイル回路１３０と電力取り出し用のロード回路１４０を分離している。また、電力伝送効率を高めるためには、エキサイトコイルＬ１、給電コイルＬ２、受電コイルＬ３およびロードコイルＬ４の中心線を揃えることが好ましい。
【００２８】
電源回路２００は、駆動周波数ｆｏにて動作するプッシュプル型の回路であり、図１に示すように上下対称形である。エキサイト回路１１０は、駆動周波数ｆｏの交流電力を電源回路２００から供給される。この場合、エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０、受電コイル回路１３０およびロード回路１４０には、駆動周波数ｆｏの電流Ｉ１〜Ｉ４が流れる。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒが一致するとき、すなわち、駆動周波数ｆｏ＝１３．５６ＭＨｚとなるとき、給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０が磁場共振するため、電力伝送効率は最大となる。
【００２９】
電源回路２００に含まれるゲート駆動用トランスＴ１の一次側には、オシレータ２０２が接続される。オシレータ２０２は、駆動周波数ｆｏの交流電圧を発生させる。電圧波形は正弦波でもよいが、ここでは矩形波であるとして説明する。この交流電圧により、トランスＴ１一次コイルＬｈには正負の両方向に交互に電流が流れる。トランスＴ１一次コイルＬｈとトランスＴ１二次コイルＬｇ、トランスＴ１一次コイルＬｈはゲート駆動用の結合トランスＴ１を形成する。電磁誘導により、トランスＴ１二次コイルＬｇとトランスＴ１一次コイルＬｈにも正負の両方向に交互に電流が流れる。
【００３０】
トランスＴ１の二次コイルは中点接地される。すなわち、トランスＴ１二次コイルＬｆの一端とトランスＴ１二次コイルＬｇの一端は互いに接続され、そのまま接地される。トランスＴ１二次コイルＬｆの他端は、スイッチングトランジスタＱ１のゲートと接続され、トランスＴ１二次コイルＬｇの他端は、別のスイッチングトランジスタＱ２のゲートと接続される。スイッチングトランジスタＱ１のソースとスイッチングトランジスタＱ２のソースも接地されている。したがって、オシレータ２０２が駆動周波数ｆｏにて交流電圧を発生させると、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２の各ゲートには、電圧Ｖｘ（Ｖｘ＞０）が駆動周波数ｆｏにて交互に印加される。すなわち、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は駆動周波数ｆｏにて交互にオン・オフする。
【００３１】
スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２は同一特性のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field effect transistor）であるが、バイポーラトランジスタなど他のトランジスタでもよい。また、駆動周波数ｆｏを低く設定して動作させる場合には、トランジスタの代わりにリレースイッチ等、他のスイッチを用いてもよい。
【００３２】
スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間の電圧をソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間の電圧をソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２とよぶ。また、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間を流れる電流をソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間を流れる電流をソース・ドレイン電流ＩＤＳ２とする。同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。
【００３３】
スイッチングトランジスタＱ１のドレインは、インダクタＬｅ、キャパシタＣｂを介して、トランスＴ２一次コイルＬｄと直列接続される。同様に、スイッチングトランジスタＱ２のドレインは、インダクタＬｃ、キャパシタＣａを介して、トランスＴ２一次コイルＬｂと直列接続される。トランスＴ２一次コイルＬｄとトランスＴ２一次コイルＬｃの接続点には、平滑用のインダクタＬａが接続され、さらに、電源Ｖｄｄが接続される。また、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ１が並列接続され、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ２が並列接続される。インダクタＬｅとインダクタＬｃは同一特性のコイルである。キャパシタＣｂとキャパシタＣａは同一特性のキャパシタであり、キャパシタＣＱ１とキャパシタＣＱ２も同一特性のキャパシタである。
【００３４】
インダクタＬｅとキャパシタＣｂはソース・ドレイン電流ＩＤＳ１の電流波形を整形し、インダクタＬｃとキャパシタＣａはソース・ドレイン電流ＩＤＳ２の電流波形を整形するために挿入される。また、キャパシタＣＱ１はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の電圧波形を整形し、キャパシタＣＱ２はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２の電圧波形を整形するために挿入される。インダクタＬｃ、Ｌｅ、キャパシタＣａ、Ｃｂ、ＣＱ１、ＣＱ２を省略しても、電源回路２００によるワイヤレス給電は可能である。特に、駆動周波数ｆｏが低い場合には、これらのインダクタやキャパシタを省略しても電力伝送効率を維持しやすい。
【００３５】
エキサイト回路１１０の入力インピーダンスは５０（Ω）である。また、電源回路２００の出力インピーダンスがこの入力インピーダンス５０（Ω）と等しくなるようにトランスＴ２一次コイルＬｂおよびトランスＴ２一次コイルＬｄの巻き数を設定している。電源回路２００の出力インピーダンスとエキサイト回路１１０の入力インピーダンスが一致するとき、電源回路２００の出力は最大となる。
【００３６】
図２は、スイッチングトランジスタＱ１が導通するときの電流経路を示す図である。スイッチングトランジスタＱ１が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ２は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第１電流経路」とよぶ）は、電源Ｖｄｄから平滑用のインダクタＬａ、トランスＴ２一次コイルＬｄ、キャパシタＣｂ、インダクタＬｅ、スイッチングトランジスタＱ１を経由してグランドへ至る経路となる。スイッチングトランジスタＱ１は、第１電流経路の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００３７】
図３は、スイッチングトランジスタＱ２が導通するときの電流経路を示す図である。スイッチングトランジスタＱ２が導通（オン）するとき、スイッチングトランジスタＱ１は非導通（オフ）となる。このときのメインの電流経路(以下、「第２電流経路」とよぶ）は、電源Ｖｄｄから平滑用のインダクタＬａ、トランスＴ２一次コイルＬｂ、キャパシタＣａ、インダクタＬｃ、スイッチングトランジスタＱ２を経由してグランドへ至る経路となる。スイッチングトランジスタＱ２は、第２電流経路の導通・非導通を制御するスイッチとして機能する。
【００３８】
図４は、スイッチングトランジスタＱ１およびスイッチングトランジスタＱ２の電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間(以下、「第１期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオン、スイッチングトランジスタＱ２がオフとなる期間である。時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間(以下、「第２期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオフ、スイッチングトランジスタＱ２がオンとなる期間、時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間(以下、「第３期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオン、スイッチングトランジスタＱ２がオフとなる期間、時刻ｔ３〜時刻ｔ４の期間(以下、「第４期間」とよぶ）は、スイッチングトランジスタＱ１がオフ、スイッチングトランジスタＱ２がオンとなる期間である。図４は、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒは一致しており、給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０が共振状態にある場合の波形を示している。
【００３９】
スイッチングトランジスタＱ１のゲート・ソース電圧ＶＧＳ１が所定の閾値を超えると、スイッチングトランジスタＱ１は飽和状態となる。したがって、第１期間の開始タイミングである時刻ｔ０にスイッチングトランジスタＱ１がオン（導通）となると、図２に示した第１電流経路をソース・ドレイン電流ＩＤＳ１が流れ始める。第１電流経路に挿入されているインダクタＬｅとキャパシタＣｂが電流共振するため、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１の第１期間における電流波形は矩形波とはならず、立ち上がりと立ち下がりが緩やかになる。
【００４０】
第２期間の開始タイミングである時刻ｔ１にスイッチングトランジスタＱ１がオフ（非導通）となると、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は流れなくなる。スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間にはキャパシタＣＱ１が並列接続されているため、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の第２期間における電圧波形は矩形波とはならず、立ち上がりと立ち下がりが緩やかになる。
【００４１】
第１期間はスイッチングトランジスタＱ２のオフ期間であるから、第１期間におけるＶＧＳ２、ＩＤＳ２、ＶＤＳ２の変化は、第２期間におけるＶＧＳ１、ＩＤＳ１、ＶＤＳ１の変化と同様である。第２期間はスイッチングトランジスタＱ２のオン期間であるから、第２期間におけるＶＧＳ２、ＩＤＳ２、ＶＤＳ２の変化は、第１期間におけるＶＧＳ１、ＩＤＳ１、ＶＤＳ１の変化と同様である。第３期間、第４期間以降は、第１期間、第２期間と同様の波形を繰り返す。
【００４２】
図５は、給電コイル回路１２０のインピーダンスＺと駆動周波数ｆｏの関係を示すグラフである。縦軸は給電コイル回路１２０のインピーダンスＺを示す。横軸は駆動周波数ｆｏを示す。給電コイル回路１２０はＬＣ回路であるため、電源回路２００やエキサイト回路１１０から給電コイル回路１２０を見たときのインピーダンスＺは、共振時において最低値Ｚｍｉｎとなる。共振時にＺｍｉｎ＝０となるのが理想であるが、給電コイル回路１２０には若干の抵抗成分が含まれるため、Ｚｍｉｎは通常ゼロとはならない。
【００４３】
図５においては、駆動周波数ｆｏ＝１３．５６ＭＨｚ、すなわち、駆動周波数ｆｏ＝共振周波数ｆｒとなるとき、インピーダンスＺは最低となり、給電コイル回路１２０は共振状態となる。共振状態では、給電コイル回路１２０の容量性リアクタンスと誘導性リアクタンスが互いに打ち消しあう。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒがずれると、インピーダンスＺにおける容量性リアクタンスまたは誘導性リアクタンスが優勢となるためインピーダンスＺも大きくなる。
【００４４】
まとめると、電源回路２００の駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒと一致するとき、エキサイト回路１１０には共振周波数ｆｒにて電流Ｉ１が流れる。これにより、給電コイル回路１２０には共振周波数ｆｒにて電流Ｉ２が流れ、受電コイル回路１３０にも共振周波数ｆｒにて電流Ｉ３が流れる。給電コイル回路１２０の給電コイルＬ２およびキャパシタＣ２と、受電コイル回路１３０の受電コイルＬ３およびキャパシタＣ３は、同一の共振周波数ｆｒにて共振するため、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３への電力伝送効率は最大となる。
【００４５】
電源回路２００の駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒがずれると、エキサイト回路１１０には非・共振周波数にて電流Ｉ１が流れる。このため、給電コイル回路１２０や受電コイル回路１３０は共振状態ではなくなるため、電力伝送効率は急速に悪化する。
【００４６】
図６は、出力電力効率と駆動周波数ｆｏの関係を示すグラフである。出力電力効率とは、給電コイル回路１２０から実際に給電される電力の最大出力値に対する割合を示す。駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒと一致するときには、電流位相と電圧位相の差がゼロとなり、電力伝送効率が最大となるので、出力電力効率＝１００（％）となる。出力電力効率は、負荷Ｒから取り出される電力の大きさによって計測できる。
【００４７】
図６に示すグラフによれば、共振周波数ｆｒ＝１３．５６ＭＨｚのときに駆動周波数ｆｏ＝１４．０６ＭＨｚに設定した場合には、出力電力効率は６５（％）程度まで低下している。すなわち、両者が１ＭＨｚずれることによって電力伝送効率は３５（％）も低下している。
【００４８】
図７は、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも大きい場合のスイッチングトランジスタＱ２の電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも大きい場合、給電コイル回路１２０のインピーダンスＺには誘導性リアクタンス成分が現れ、給電コイル回路１２０の電流Ｉ２の電流位相は電圧位相に対して遅れる。上述したように給電コイル回路１２０の電流Ｉ２とエキサイト回路１１０の電流Ｉ１はちょうど逆相である。また、エキサイト回路１１０の電流Ｉ１と、第２電流経路を流れるスイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレイン電流ＩＤＳ２とはちょうど逆相である。したがって、スイッチングトランジスタＱ２の通過電流であるソース・ドレイン電流ＩＤＳ２の電流波形を計測すれば、給電コイル回路１２０の電流Ｉ２の位相を検出できる。そして、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２の電流波形と、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２の電圧波形を比較すれば、供給電力における電流位相と電圧位相の位相差ｔｄを検出できることになる。
【００４９】
図４に示したように、駆動周波数ｆｏ＝共振周波数ｆｒのときには、第２期間の開始タイミングである時刻ｔ１からソース・ドレイン電流ＩＤＳ２が流れ始める。この場合には、位相差ｔｄ＝０である。駆動周波数ｆｏ＞共振周波数ｆｒの場合、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２は時刻ｔ１よりも遅い時刻ｔ５から流れ始めるため、位相差ｔｄ＝ｔ１−ｔ５＜０となる。駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒがずれると、出力電力効率が悪化し、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２の自体も小さくなる。
【００５０】
図８は、駆動周波数ｆｏが共振周波数ｆｒよりも小さい場合のスイッチングトランジスタＱ２の電圧および電流の変化過程を示すタイムチャートである。駆動周波数ｆｏ＜共振周波数ｆｒとなると、インピーダンスＺに容量性リアクタンス成分が現れ、給電コイル回路１２０の電流Ｉ２の電流位相は電圧位相に対して進む。このため、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２は、時刻ｔ１よりも早い時刻ｔ６から流れ始める。位相差ｔｄ＝ｔ１−ｔ６＞０となる。ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２の振幅自体も共振時に比べて小さくなる。
【００５１】
位相差ｔｄの大きさと、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒのずれの大きさは比例する。したがって、位相差ｔｄを検出し、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒのずれが解消されるように駆動周波数ｆｏを適宜調整すれば、共振周波数ｆｒが変化しても共振状態を維持できる。
【００５２】
図９は、駆動周波数ｆｏの自動追随機能を備えるワイヤレス電力伝送システム３００のシステム構成図である。ワイヤレス電力伝送システム３００は、上述したワイヤレス電力伝送システム１００の「ワイヤレス給電機能」に加えて「駆動周波数ｆｏの自動追随機能」を備える。図１と同一の符号を付した構成は、図１で説明した構成と同一または同様の機能を有する。図１に追加する構成として、ワイヤレス電力伝送システム３００は、第１波形整流器１４２、第２波形整流器１４４、位相検出回路１５０および駆動周波数追随回路１５２を備える。また、電源回路２００の一部に抵抗Ｒ１〜Ｒ６が追加されている。
【００５３】
図１に示した基本構成としてのワイヤレス電力伝送システム１００は、所定の共振周波数ｆｒにて稼働することを想定している。したがって、給電コイル回路１２０と受電コイル回路１３０の設計によって定まる共振周波数ｆｒにより、電源回路２００の駆動周波数ｆｒも一意に確定する。
【００５４】
しかし、共振周波数ｆｒは、給電コイル回路１２０や受電コイル回路１３０の使用状態や使用環境によって微妙に変化する。また、給電コイル回路１２０や受電コイル回路１３０を交換した場合にも共振周波数ｆｒは変化する。あるいは、キャパシタＣ２やキャパシタＣ３の静電容量を可変とすることにより共振周波数ｆｒを積極的に変化させたい場合もあるかもしれない。このような場合でも、ワイヤレス電力伝送システム３００は、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒを自動的に一致させることができる。
【００５５】
ワイヤレス電力伝送システム３００においては、スイッチングトランジスタＱ１のソースとグランドとの間に抵抗Ｒ２、スイッチングトランジスタＱ２とグランドとの間に抵抗Ｒ１が直列接続される。これらの抵抗を「第１の抵抗」とよぶ。また、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレインと並列に抵抗Ｒ４とＲ６が接続され、スイッチングトランジスタＱ２のソース・ドレインと並列に抵抗Ｒ３とＲ５が接続される。抵抗Ｒ４とＲ６の組み合わせ、あるいは、抵抗Ｒ３とＲ５の組み合わせを「第２の抵抗」とよぶ。抵抗Ｒ１＝Ｒ２、Ｒ３＝Ｒ４、Ｒ５＝Ｒ６である。
【００５６】
抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ５の接続点Ａの電位Ｖｐ１（第２の抵抗の中間電位）、スイッチングトランジスタＱ２のソースと抵抗Ｒ１の接続点Ｂの電位Ｖｑ１（第１の抵抗に印加される電圧値）に基づいて、位相差ｔｄが計測される。図７や図８に関連して説明したように、電圧位相はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２のアナログ波形から計測可能である。ワイヤレス電力伝送システム３００では、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２を抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ５により分圧し、その中間電位として電位Ｖｐ１を取り出している。ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２が大きくなる場合でも、分圧により扱いやすい電圧に降圧できる。ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２をそのまま取り扱えるのであれば、分圧は必須ではない。
【００５７】
電圧位相は、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２以外からも計測可能である。たとえば、ソース・ゲート電圧ＶＧＳ２を計測対象としてもよいし、トランスＴ１一次コイルの両端の電圧を計測対象としてもよい。
【００５８】
電流位相はソース・ドレイン電流ＩＤＳ２のアナログ波形から計測可能である。接続点Ｂの電位Ｖｑ１は、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２と同相であるため、電位Ｖｑ１のアナログ波形から電流位相を計測できる。電位Ｖｐ１および電位Ｖｑ１のアナログ波形を比較することにより、電圧位相と電流位相の位相差ｔｄを特定できる。
【００５９】
ワイヤレス電力伝送システム３００では、スイッチングトランジスタＱ２側から電流位相と電圧位相を計測しているが、スイッチングトランジスタＱ１側から計測しても同じである。また、電源回路２００の回路構成を上下対称形とするために、計測対象外のスイッチングトランジスタＱ１側にも抵抗Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６を接続しているが、これらの抵抗は省略してもよい。
【００６０】
電位Ｖｐ１と電位Ｖｑ１は、それぞれ、第１波形整流器１４２と第２波形整流器１４４によって２値化される。詳細については次の図１０に関連して後述するが、第１波形整流器１４２は、電位Ｖｐ１が所定の閾値、たとえば、０．１（Ｖ）より大きくなると飽和電圧Ｖｐ２＝５（Ｖ）を出力する増幅器である。このため、アナログ波形となる電位Ｖｐ１は、第１波形整流器１４２によってデジタル波形の電圧Ｖｐ２に変換される。第２波形整流器１４４も、電位Ｖｐ２が所定の閾値より大きくなると飽和電圧Ｖｑ２＝５（Ｖ）を出力する増幅器である。第２波形整流器１４４により、アナログ波形の電位Ｖｑ１はデジタル波形の電圧Ｖｑ２に変換される。
【００６１】
位相検出回路１５０は、電圧Ｖｐ２のデジタル波形と電圧Ｖｑ２のデジタル波形を比較し、位相差ｔｄを算出する。位相検出回路１５０は、位相差ｔｄに応じて制御電圧Ｖｔを変化させる。駆動周波数追随回路１５２は制御電圧Ｖｔに応じて、オシレータ２０２の駆動周波数ｆｏを調整する。
【００６２】
なお、駆動周波数追随回路１５２とオシレータ２０２を一体化し、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）として提供してもよい。また、ＶＣＯの後段に増幅器を設け、トランスＴ１一次コイルＬｈへ供給される電圧を増幅してもよい。
【００６３】
図１０は、位相検出回路１５０へ入力される各種電圧の変化過程を示すタイムチャートである。ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２は、スイッチングトランジスタＱ２のオン・オフに同期して変化する。このソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２を抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ５により分圧することにより、接続点Ａから電位Ｖｐ１が検出される。電位Ｖｐ１は、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２と同相であり、振幅（最大電圧値）が減少した波形となる。スイッチングトランジスタＱ２がオフとなる第１期間と第３期間において、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２＞０、すなわち、電位Ｖｐ１＞０となる。第１波形整流器１４２は、アナログ波形の電位Ｖｐ１を増幅することにより、デジタル波形の電圧Ｖｑ１を生成する。
【００６４】
接続点Ｂの電位Ｖｑ１は、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２に同期して変化する。同図は、駆動周波数ｆｏ＞共振周波数ｆｒとなり、電流位相が電圧位相よりも遅れた状態を示している。第２波形整流器１４４は、アナログ波形の電位Ｖｑ１を増幅し、デジタル波形の電圧Ｖｑ２を生成する。
【００６５】
位相検出回路１５０は、電圧Ｖｐ２の立ち下がりエッジ時刻ｔ１と、電圧Ｖｑ２の立ち上がりエッジ時刻ｔ５を比較し、ｔ１−ｔ５により位相差ｔｄを求める。第１波形整流器１４２と第２波形整流器１４４により、アナログ波形である電位Ｖｐ１と電位Ｖｑ１をデジタル波形に変換することにより、位相検出回路１５０は位相差ｔｄを検出しやすくなる。もちろん、位相検出回路１５０は、電位Ｖｐ１と電位Ｖｑ１を直接比較して位相差ｔｄを検出してもよい。
【００６６】
特許文献２のように、給電コイルＬ２に流れる電流Ｉ２を計測対象とすると、給電コイル回路１２０に新たな負荷がかかり、給電コイル回路１２０のインピーダンスＺが変化するため、Ｑ値が悪化してしまう。共振している給電コイルＬ２の電流経路に位相検出回路１５０を接続するのは、音叉を触りながらその振動を測定するようなものである。本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム３００では、電源回路２００中の電位Ｖｑ１に基づいて電流位相を計測している。エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０、受電コイル回路１３０、ロード回路１４０という４つの共振回路に計測負荷をかけないため、Ｑ値への影響を抑制しつつ電流位相を計測できる。
【００６７】
図１１は、制御電圧Ｖｔと駆動周波数ｆｏの関係を示すグラフである。図１１に示す関係は、駆動周波数追随回路１５２において設定されている。位相差ｔｄの大きさは、共振周波数ｆｒの変化量に比例する。そこで、位相検出回路１５０は、位相差ｔｄに応じて制御電圧Ｖｔの変化量を決定し、駆動周波数追随回路１５２は制御電圧Ｖｔに応じて駆動周波数ｆｏを決定する。
【００６８】
まず、初期状態では共振周波数ｆｒ＝１３．５６ＭＨｚなので、駆動周波数ｆｏ＝１３．５６ＭＨｚに設定される。制御電圧Ｖｔ＝３（Ｖ）に初期設定される。共振周波数ｆｒが１３．５６ＭＨｚから１２．５６ＭＨｚに変化した場合を想定する。駆動周波数ｆｏ（＝１３．５６ＭＨｚ）＞共振周波数ｆｏ（＝１２．５６ＭＨｚ）となるため、位相差ｔｄ＜０となる。位相差ｔｄは、共振周波数ｆｒの変化量（−１．０ＭＨｚ）に比例する。位相検出回路１５０は、位相差ｔｄに応じて制御電圧Ｖｔの変化量を決定する。上記設例では、位相検出回路１５０は制御電圧Ｖｔの変化量を−１（Ｖ）とし、新たな制御電圧Ｖｔ＝２（Ｖ）を出力する。駆動周波数追随回路１５２は、図１１のグラフに示す関係にしたがって、制御電圧Ｖｔ＝２（Ｖ）に対応する駆動周波数ｆｏ＝１２．５６ＭＨｚを出力する。このような処理により、共振周波数ｆｒが変化しても駆動周波数ｆｏを自動的に追随させることができる。
【００６９】
位相検出回路１５０と駆動周波数追随回路１５２、オシレータ２０２はワンチップとして回路構成されてもよい。また、位相検出回路１５０や駆動周波数追随回路１５２の処理はソフトウェアにより処理されてもよい。たとえば、位相差ｔｄと駆動周波数ｆｏの変化量とをあらかじめ対応づけた設定情報を保持しておき、検出された位相差ｔｄの大きさに応じて駆動周波数ｆｏを調整してもよい。
【００７０】
図１２は、駆動周波数ｆｏの自動追随機能を備えるワイヤレス電力伝送システム４００のシステム構成図の変形例である。ワイヤレス電力伝送システム４００では、電源回路２００がエキサイト回路１１０を介さずに、直接、給電コイル回路１２０を駆動する。図１や図９と同一の符号を付した構成は、図１や図９で説明した構成と同一または同様の機能を有する。
【００７１】
ワイヤレス電力伝送システム４００の給電コイル回路１２０は、給電コイルＬ２、キャパシタＣ２にトランスＴ２二次コイルＬｉが直列接続された回路である。トランスＴ２二次コイルＬｉは、トランスＴ２一次コイルＬｂ、トランスＴ２一次コイルＬｄと共に結合トランスＴ２を形成し、電磁誘導により電源回路２００から交流電力を供給される。このように、エキサイト回路１１０を介さず、電源回路２００から給電コイル回路１２０に直接交流電力を供給してもよい。
【００７２】
以上、実施形態に基づいてワイヤレス電力伝送システム３００を説明した。エキサイト回路１１０、給電コイル回路１２０、受電コイル回路１３０、ロード回路１４０は、いずれも同一の共振周波数ｆｒで共振するため、これらの回路になんらかの負荷を追加するとＱ値が敏感に反応してしまう。本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム３００の場合、給電コイルＬ２に流れる電流Ｉ２を計測対象とするのではなく、電源回路２００に含まれるスイッチングトランジスタＱ２の通過電流を計測対象とするため、給電コイル回路１２０のＱ値への影響を抑制しやすい。すなわち、システムの共振特性への計測による影響を抑制しつつ、駆動周波数ｆｏと共振周波数ｆｒが一致しているかを常時監視できる。
【００７３】
図５や図６に関連して説明したように、磁場共振型のワイヤレス給電の場合、共振周波数ｆｒと駆動周波数ｆｏの一致度が電力伝送効率に大きく影響する。位相検出回路１５０や駆動周波数追随回路１５２等を設ければ、共振周波数ｆｒが変化しても駆動周波数ｆｏを自動的に追随させることができるため、使用条件が変化しても、電力伝送効率を最大値に維持しやすくなる。
【００７４】
ワイヤレス電力伝送システム３００の場合、エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２の距離を給電コイルＬ２および受電コイルＬ３の直径と同一にして実験してみたところ、給電コイル回路１２０から送電された電力の約７０％をロード回路１４０から取り出すことができた。
【００７５】
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【符号の説明】
【００７６】
１００、３００、４００ ワイヤレス電力伝送システム
１１０ エキサイト回路
１２０ 給電コイル回路
１３０ 受電コイル回路
１４０ ロード回路
１４２ 第１波形整流器
１４４ 第２波形整流器
１５０ 位相検出回路
１５２ 駆動周波数追随回路
２００ 電源回路
２０２ オシレータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
電源回路と、
前記給電コイルと、
前記給電コイルと磁気結合し、前記電源回路から供給される交流電力を前記給電コイルに供給するエキサイトコイルと、
前記電源回路から供給される前記交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路と、を備え、
前記電源回路は、第１および第２の電流経路を含み、前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、前記エキサイトコイルに前記交流電力を供給し、
前記位相検出回路は、前記第１および第２のスイッチの双方または一方の通過電流の位相を計測することにより、前記交流電力の電流位相を計測することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項２】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
前記給電コイルに駆動周波数にて交流電力を供給する電源回路と、
前記給電コイルおよびキャパシタを含み、前記共振周波数にて共振する給電コイル回路と、
前記電源回路から供給される前記交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路と、を備え、
前記電源回路は、第１および第２の電流経路を含み、前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、前記給電コイルに前記交流電力を供給し、
前記位相検出回路は、前記第１および第２のスイッチの双方または一方の通過電流の位相を計測することにより、前記交流電力の電流位相を計測することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項３】
前記電源回路に含まれる一次側コイルと前記給電コイルに含まれる二次側コイルにより結合トランスを形成し、前記結合トランスを介して、前記電源回路から前記給電コイル回路に交流電力を供給することを特徴とする請求項２に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項４】
前記検出された位相差が減少するように前記電源回路の駆動周波数を調整することにより、前記駆動周波数を前記共振周波数に追随させる駆動周波数追随回路、を更に備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項５】
前記第１および第２のスイッチは、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から４のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項６】
前記第１および第２のスイッチそれぞれのソースとグランドとの間には第１の抵抗が直列接続されており、
前記位相検出回路は、前記第１の抵抗に印加される電圧の変化から前記電流位相を計測することを特徴とする請求項５に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項７】
前記位相検出回路は、前記第１および第２のスイッチの双方または一方のソース・ドレイン電圧の変化から前記電圧位相を計測することを特徴とする請求項５または６に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項８】
前記第１および第２のスイッチの双方または一方のソースとドレインとの間には第２の抵抗が並列接続されており、
前記位相検出回路は、前記第２の抵抗の途中から取り出される中間電位の変化から前記電圧位相を計測することを特徴とする請求項７に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項９】
前記交流電力の電流波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第１波形整流器と、
前記交流電力の電圧波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第２波形整流器と、を更に備え、
前記位相検出回路は、２種類のデジタル波形のエッジを比較することにより、前記位相差を検出することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載のワイヤレス給電装置と、
前記受電コイルと、
前記受電コイルと磁気結合し、前記受電コイルが前記給電コイルから受電した電力を供給されるロードコイルと、を備えることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
【請求項１】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
電源回路と、
前記給電コイルと、
前記給電コイルと磁気結合し、前記電源回路から供給される交流電力を前記給電コイルに供給するエキサイトコイルと、
前記電源回路から供給される前記交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路と、を備え、
前記電源回路は、第１および第２の電流経路を含み、前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、前記エキサイトコイルに前記交流電力を供給し、
前記位相検出回路は、前記第１および第２のスイッチの双方または一方の通過電流の位相を計測することにより、前記交流電力の電流位相を計測することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項２】
給電コイルと受電コイルの共振周波数にて、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電するための装置であって、
前記給電コイルに駆動周波数にて交流電力を供給する電源回路と、
前記給電コイルおよびキャパシタを含み、前記共振周波数にて共振する給電コイル回路と、
前記電源回路から供給される前記交流電力の電圧位相と電流位相の位相差を検出する位相検出回路と、を備え、
前記電源回路は、第１および第２の電流経路を含み、前記第１および第２の電流経路それぞれに直列に接続される第１および第２のスイッチを交互に導通させることにより、前記給電コイルに前記交流電力を供給し、
前記位相検出回路は、前記第１および第２のスイッチの双方または一方の通過電流の位相を計測することにより、前記交流電力の電流位相を計測することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項３】
前記電源回路に含まれる一次側コイルと前記給電コイルに含まれる二次側コイルにより結合トランスを形成し、前記結合トランスを介して、前記電源回路から前記給電コイル回路に交流電力を供給することを特徴とする請求項２に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項４】
前記検出された位相差が減少するように前記電源回路の駆動周波数を調整することにより、前記駆動周波数を前記共振周波数に追随させる駆動周波数追随回路、を更に備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項５】
前記第１および第２のスイッチは、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から４のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項６】
前記第１および第２のスイッチそれぞれのソースとグランドとの間には第１の抵抗が直列接続されており、
前記位相検出回路は、前記第１の抵抗に印加される電圧の変化から前記電流位相を計測することを特徴とする請求項５に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項７】
前記位相検出回路は、前記第１および第２のスイッチの双方または一方のソース・ドレイン電圧の変化から前記電圧位相を計測することを特徴とする請求項５または６に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項８】
前記第１および第２のスイッチの双方または一方のソースとドレインとの間には第２の抵抗が並列接続されており、
前記位相検出回路は、前記第２の抵抗の途中から取り出される中間電位の変化から前記電圧位相を計測することを特徴とする請求項７に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項９】
前記交流電力の電流波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第１波形整流器と、
前記交流電力の電圧波形と同相となるアナログ波形をデジタル波形に整形する第２波形整流器と、を更に備え、
前記位相検出回路は、２種類のデジタル波形のエッジを比較することにより、前記位相差を検出することを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載のワイヤレス給電装置と、
前記受電コイルと、
前記受電コイルと磁気結合し、前記受電コイルが前記給電コイルから受電した電力を供給されるロードコイルと、を備えることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−７８２９９（Ｐ２０１１−７８２９９Ａ）
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４７５３８（Ｐ２０１０−１４７５３８）
【出願日】平成２２年６月２９日（２０１０．６．２９）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年４月１４日（２０１１．４．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２９日（２０１０．６．２９）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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