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】磁気共振型のワイヤレス給電における電力伝送効率を高める。
【解決手段】ワイヤレス給電装置２００は、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２を共振させることにより、給電コイルＬ２と受電コイルＬ２を磁気共振させる。このときの共振周波数をｆとする。ワイヤレス給電装置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、給電コイルＬ２に共振周波数ｆの交流電力を供給する。
【解決手段】ワイヤレス給電装置２００は、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２を共振させることにより、給電コイルＬ２と受電コイルＬ２を磁気共振させる。このときの共振周波数をｆとする。ワイヤレス給電装置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、給電コイルＬ２に共振周波数ｆの交流電力を供給する。
【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、数１０ｍＷ程度の微小な電力しか伝送できな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程度の遠距離でも比較的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「磁気共振型」とよぶ。
【０００４】
磁気共振型は、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３参照）。二つのコイルを向かい合わせ、一方のコイルに交流電流を流すと、他方のコイルにも交流電流が流れる。給電コイルを受電コイルの固有振動数と共振させると、給電コイルから受電コイルに特に高い効率にて電力を送り込むことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２３００３２号公報
【特許文献２】国際公開２００６／０２２３６５号公報
【特許文献３】米国公開２００８／０２７８２６４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】
【０００６】
図１０は、磁気共振型のワイヤレス電力伝送システムの一般的な構成図である。図１０は、特許文献３のＦＩＧ．１４を模式的に示したものである。このシステムには、４つのコイルが含まれる。それぞれ、「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」とよぶことにする。エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２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Ｌ３とロードコイルＬ４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Ｌ２から受電コイルＬ３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Ｌ２から受電コイルＬ３にワイヤレス給電することである。
【０００７】
エキサイトコイルＬ１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Ｌ２にも電流が流れる。給電コイルＬ２が磁場を発生させ、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３が磁気的に共振すると、受電コイルＬ３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Ｌ４にも電流が流れ、ロードコイルＬ４と直列接続される負荷Ｒから電力が取り出される。磁気共振現象を利用することにより、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３の距離が大きくても高い電力伝送効率を実現できる。
【０００８】
現在、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３への電力伝送についてはさまざまな検討がなされている。しかし、給電コイルＬ２自体に電力を効率的に供給する方法については、あまり提案がなされていないのが現状である。特許文献４も磁気共振型のワイヤレス給電技術を開示するが、こちらも受電コイルＬ３へ電力伝送効率の向上を目的としている。
【０００９】
本発明は、上記課題に基づいて完成された発明であり、磁気共振型のワイヤレス給電技術における給電コイルへの電力伝送効率、特に、高周波数帯における電力伝送効率を高めることを主たる目的とする。また、別の目的は、ワイヤレス給電に必要なコイルの数を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明におけ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ための装置である。この装置は、コイルおよびキャパシタが直列接続された共振周波数にて共振する共振回路と、共振回路への第１の方向からの電流の供給を制御する第１のスイッチングトランジスタと、共振回路への第２の方向からの電流の供給を制御する第２のスイッチングトランジスタと、を備える。第１および第２のスイッチングトランジスタを共振周波数にて交互に導通させることにより共振回路を共振させ、コイルを給電コイルとして、コイルから受電コイルにワイヤレス送電する。
【００１１】
給電コイルにいわゆるスイッチング電源を用いることにより、給電コイルへの電力供給効率を高めることができる。また、この装置は、共振周波数にて動作するため、システム全体としての電力伝送効率が高くなる。さらに、この装置は、エキサイトコイルを用いることなく、直接給電コイルを駆動できる。したがって、製造コストを抑え構成をコンパクトにしやすい。
【００１２】
第１および第２のスイッチングトランジスタそれぞれに対して第１および第２のキャパシタを並列接続してもよい。このような構成によれば、ワイヤレス給電装置を高周波数帯で動作させるときにもスイッチング損失を効果的に抑制できる。また、共振回路のコイルを給電コイルとして動作させるのではなく、エキサイトコイルとして動作させ、別のコイルとして設けられる給電コイルに電力を供給させてもよい。
【００１３】
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。
【００１４】
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】
【００１５】
本発明によれば、磁気共振型のワイヤレス給電技術における電力伝送効率を高めることができる。また、そのために必要なコイルの数を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態におけ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】調整キャパシタを取り除いたときの電流電圧波形のタイムチャートである。
【図６】調整キャパシタを取り除いたときの第２期間におけるソース・ドレイン間の電圧および電流の関係を示すタイムチャートである。
【図７】調整キャパシタを取り付けたときの第２期間におけるソース・ドレイン間の電圧および電流の関係を示すタイムチャートである。
【図８】受電コイル回路等における電流の変化過程を示すタイムチャートである。
【図９】変形例におけ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】磁気共振型のワイヤレス電力伝送システムの一般的な構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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について詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本実施形態における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、ワイヤレス給電装置２００と、受電コイル回路１３０およびロード回路１４０を含む。ワイヤレス給電装置２００は、その一部に給電コイルＬ２を含む。給電コイルＬ２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Ｌ２から受電コイル回路１３０に電力を送ることである。また、本実施の形態における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。本実施の形態においては、ワイヤレス給電装置２００をＩＳＭ周波数帯内の１３．５６ＭＨｚにて動作させる。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の共振周波数ｆも１３．５６ＭＨｚに設定される。
【００１９】
ワイヤレス給電装置２００は、エキサイトコイルＬ１を介すことなく、共振周波数ｆにて給電コイルＬ２に交流電力を直接供給するハーフブリッジ型の電源制御回路である。給電コイルＬ２を流れる電流ＩＳ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。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。
【００２０】
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ｆ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。したがって、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は同一形状である必要はない。給電コイルＬ２が共振周波数ｆにて磁界を発生させると、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３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ＩＳの向きと電流Ｉ３の向きは逆（逆相）である。
【００２１】
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ＩＳと同相である。こうして、ワイヤレス給電装置２００が供給する電力は、給電コイルＬ２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により取り出される。
【００２２】
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、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。
【００２３】
ワイヤレス給電装置２００の各回路パラメータは、共振周波数ｆでの動作を想定して値設定されている。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、共振周波数ｆにて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Ｌｆ、トランスＴ１二次コイルＬｇ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ＬｆとトランスＴ１一次コイルＬｇにも正負の両方向に交互に電流が流れる。
【００２４】
トランスＴ１二次コイルＬｆの一端は、スイッチングトランジスタＱ１のゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタＱ１のソースと接続される。トランスＴ１二次コイルＬｇの一端は、別のスイッチングトランジスタＱ２のゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタＱ２のソースと接続される。オシレータ２０２が共振周波数ｆ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）が共振周波数ｆにて交互に印加される。このため、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は共振周波数ｆにて交互にオン・オフする。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（Negative-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。
【００２５】
スイッチングトランジスタＱ１のドレインは、電源Ｖｄｄ１の正極に接続される。電源Ｖｄｄ１の負極は、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２を介して、スイッチングトランジスタＱ１のソースに接続される。電源Ｖｄｄ１の負極の電位は接地電位である。スイッチングトランジスタＱ２のソースは、電源Ｖｄｄ２の負極に接続される。電源Ｖｄｄ２の正極は、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２を介して、スイッチングトランジスタＱ２のドレインに接続される。電源Ｖｄｄ２の正極の電位は接地電位である。
【００２６】
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。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。以下、キャパシタＣＱ１とキャパシタＣＱ２をまとめていうときには「調整キャパシタ」とよぶ。
【００２７】
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。
【００２８】
ワイヤレス給電装置２００は、図１に示すように上下対称形の電気回路である。キャパシタＣ１と給電コイルＬ２は共振周波数ｆにて電流共振するように値設定される。いいかえれば、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２は、共振周波数ｆの「共振回路」を形成している。キャパシタＣ１と給電コイルＬ２はソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、ＩＤＳ２の電流波形を変化させる。
【００２９】
キャパシタＣＱ１はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の電圧波形を変化させ、キャパシタＣＱ２はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２の電圧波形を変化させるために挿入される。詳細については後述する。
【００３０】
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Ｖｄｄ１からスイッチングトランジスタＱ１、給電コイルＬ２、キャパシタＣ１を経由して帰還する経路となる。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。
【００３１】
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Ｖｄｄ２からキャパシタＣ１、給電コイルＬ２、スイッチングトランジスタＱ２を経由して帰還する経路となる。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。
【００３２】
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。
【００３３】
電源Ｖｄｄ１の値は、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Ｖｘを超えたとき、スイッチングトランジスタＱ１が飽和状態となるように設定されている。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、Ｖｘによって決まる一定値のソース・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共振回路（給電コイルＬ２とキャパシタＣ１）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。このためには、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１が第１期間の中間地点で最大値となり、第１期間の終了時点（時刻ｔ１）でローレベルに戻るように、給電コイルＬ２とキャパシタＣ１の値をあらかじめ適切に設定しておく必要がある。具体的には、ワイヤレス給電装置２００の動作中にソース・ドレイン電流ＩＤＳ１の電流波形を計測し、給電コイルＬ２とキャパシタＣ１の最適値を求めればよい。
【００３４】
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。このためには、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１が第２期間の中間地点で最大値となり、第２期間の終了時点（時刻ｔ２）でローレベルに戻るように、キャパシタＣＱ１の値をあらかじめ適切に設定しておく必要がある。具体的には、ワイヤレス給電装置２００の動作中にソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の電圧波形を計測し、キャパシタＣＱ１の最適値を求めればよい。
【００３５】
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期間以降についても同様である。
【００３６】
次に、調整キャパシタＣＱ１、ＣＱ２の役割を明確にするため、調整キャパシタを取り除いた場合の電流電圧特性について説明し、その問題点を指摘する。
【００３７】
図５は、調整キャパシタを取り除いた場合の電流電圧波形のタイムチャートである。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の動作は基本的に同じであるため、ここでは、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１およびソース・ドレイン電流ＩＤＳ１に注目して説明する。スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間に並列接続されるキャパシタＣＱ１を取り除くと、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の電圧波形は矩形波となる。
【００３８】
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、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１はローレベルとなる。キャパシタＣＱ１を取り除いているため、スイッチングトランジスタＱ１のオン・オフに連動して、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１はハイレベルとローレベルの間を急峻に変化する。ただし、スイッチングトランジスタＱ１の内部的な遅延により、スイッチングトランジスタＱ１がオンとなっても、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１はすぐにローレベルにはならない。時刻ｔ０から所定の遅延時間が経過してからソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１はローレベルとなる。
【００３９】
第１期間の終了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、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１はハイレベルとなる。この場合にも、スイッチングトランジスタＱ１の内部的な遅延によりソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１はすぐにハイレベルには至らない。したがって、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の電圧波形は台形状となる。
【００４０】
図６は、調整キャパシタを取り除いたときの第２期間（時刻ｔ１〜ｔ２）におけるＶＤＳ１とＩＤＳ１の関係を示すタイムチャートである。同図では、わかりやすさのため、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１とソース・ドレイン電流ＩＤＳ１を重ねて描いている。ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２とソース・ドレイン電流ＩＤＳ２の関係も基本的に同じであるため、ここでは、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１とソース・ドレイン電流ＩＤＳ１の関係に注目して説明する。第２期間の開始タイミングである時刻ｔ１に至り、スイッチングトランジスタＱ１がオフとなると、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１は増加し始め、所定の遅延時間ＴＳ後にハイレベルに安定する。一方、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は、給電コイルＬ１とキャパシタＣ１の電流共振により、時刻ｔ１に至る前に減少し始める。時刻ｔ１に、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１はローレベルに到達するのが理想である。しかし、実際には時刻ｔ１が経過したあとにもわずかながらソース・ドレイン電流ＩＤＳ１が流れる可能性がある。したがって、遅延時間ＴＳ中に「ＶＤＳ１＞０、かつ、ＩＤＳ１＞０」となる期間が存在する。この期間においては、スイッチングトランジスタＱ１において無駄な電力Ｐ（＝ＩＤＳ１×ＶＤＳ１）が消費される。すなわち、スイッチング損失が発生している。
【００４１】
第２期間の終了タイミングである時刻ｔ２に至り、スイッチングトランジスタＱ１がオンとなるとソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１は減少し始め、所定の遅延時間ＴＥ後にローレベルに安定する。一方、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は増加し始め、遅延時間ＴＥ後にハイレベルに安定する。遅延時間ＴＥ中には、「ＶＤＳ１＞０、かつ、ＩＤＳ１＞０」となるため、ここでもスイッチング損失が発生する。
【００４２】
以上のように、スイッチングトランジスタＱ１のオン・オフを切り換えるごとに、スイッチングトランジスタＱ１からはわずかながら電力が消費される。ＩＳＭ周波数帯のような高周波数帯でワイヤレス給電装置２００を動作させる場合には、スイッチング損失の影響が特に大きくなる。
【００４３】
一般的には、周波数が高くなると、スイッチング損失の影響が大きくなる。スイッチング損失を抑制するためには、スイッチングトランジスタＱ１やスイッチングトランジスタＱ２の遅延時間ＴＳ、ＴＥを短くするための工夫が必要であるが物理的な限界もあるため遅延時間をゼロにするのは難しい。本実施の形態では、ワイヤレス給電装置２００に調整キャパシタＣＱ１、ＣＱ２を挿入し、いわゆるソフトスイッチング方式に基づいてスイッチング損失を抑制している。
【００４４】
図７は、調整キャパシタを取り付けたときの第２期間（時刻ｔ１〜ｔ２）におけるＶＤＳ１とＩＤＳ１の関係を示すタイムチャートである。この図でも、わかりやすさのため、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１とソース・ドレイン電流ＩＤＳ１を重ねている。ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２とソース・ドレイン電流ＩＤＳ２の関係も基本的に同じであるため、ここでは、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１とソース・ドレイン電流ＩＤＳ１の関係に注目して説明する。第１期間（時刻ｔ０〜ｔ１）の後半に、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は減少し始め、時刻ｔ１に到達するときにはローレベル近辺まで到達している。時刻ｔ１にスイッチングトランジスタＱ１がオフとなると、ソースドレイン電圧ＶＤＳ１は徐々に増加し、第２期間の途中でハイレベルに到達する。図８に示した場合に比べてソースドレイン電圧ＶＤＳ１の増加が緩やかであるため、スイッチング損失を抑制できる。
【００４５】
時刻ｔ２に至り、スイッチングトランジスタＱ１がオンとなるとき、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１はローレベル近辺まで減少している。一方、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は徐々に増加する。したがって、オフからオンへの切り換え時において「ＶＤＳ１＞０、かつ、ＩＤＳ１＞０」となる期間がほとんど存在しなくなる。また、この期間におけるソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１とソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は図８に示した場合に比べて十分に小さくなる。調整キャパシタを接続することにより、スイッチングトランジスタＱ１をオフからオンに切り換えるときのスイッチング損失を特に抑制しやすくなる。
【００４６】
図８は、電流ＩＳ、Ｉ３およびＩ４の変化過程を示すタイムチャートである。第１期間においては、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１が流れ、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２は流れない。このため、給電コイルＬ２には電流ＩＳが正方向に流れる。第２期間においては、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は流れず、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２が流れる。このため、給電コイルＬ２には、電流ＩＳが負方向に流れる。受電コイル回路１３０には電流ＩＳの逆相の電流Ｉ３が流れる。ロード回路１４０には、電流ＩＳと同相、電流Ｉ３と逆相の電流Ｉ４が流れる。
【００４７】
以上、実施形態に基づいてワイヤレス電力伝送システム１００を説明した。ワイヤレス電力伝送システム１００は、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３を共振させた状態でワイヤレス送電するためのシステムである。ワイヤレス給電装置２００は、ハーフブリッジ型の電源制御回路であり、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３への電力伝送効率を高めるために共振周波数ｆにて動作する。トランジスタにバイアスをかけた状態を動作点とする、いわゆるリニア・アンプ（Ａ級、ＡＢ級等）などにより電力を供給する場合、電源から供給された電力のうち、給電コイルＬ２に実際に供給される電力はその４０％にも満たないため、全体としての電力供給効率は１５％程度にすぎない（特許文献３参照）。これに対して、本実施形態におけるワイヤレス給電装置２００の場合には８０〜９０％程度の電力を給電コイルＬ２に供給できる。特に、調整キャパシタＣＱ１、ＣＱ２を挿入することにより、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のオン・オフを切り換えるときのスイッチング損失を効果的に抑制できる。
【００４８】
本実施の形態におけるワイヤレス給電装置２００では、エキサイトコイルＬ１が不要化するためにハーフブリッジ型の電源制御回路としている。これにより、図１０に示した従来のシステムと異なり、ワイヤレス給電装置２００にて給電コイルＬ２を直接駆動できる。エキサイトコイルＬ１が不要であることから、システムに必要なコイル数を削減できることになる。これにより、ワイヤレス電力伝送システム１００、特に給電側の製造コストやサイズを抑制する上で有効である。
【００４９】
図９は、変形例におけ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１のワイヤレス電力伝送システム１００では、ワイヤレス給電装置２００が給電コイルＬ２と直接駆動したが、変形例におけるワイヤレス給電装置２０４は給電コイルＬ２ではなくエキサイトコイルＬ１を駆動する。ワイヤレス給電装置２０４の基本的な構造は図１と同様である。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。
【００５０】
ワイヤレス給電装置２０４は、エキサイトコイルＬ１に共振周波数ｆにて交流電力を供給する。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程度と比較的近い。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。エキサイトコイルＬ１に電流ＩＳ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ＩＳの向きと電流Ｉ２の向きは逆（逆相）である。電流Ｉ２は電流ＩＳ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ｆが１３．５６ＭＨｚとなるように設定すればよい。
【００５１】
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】
【００５２】
１００、１０２ ワイヤレス電力伝送システム
１２０ 給電コイル回路
１３０ 受電コイル回路
１４０ ロード回路
２００、２０４ ワイヤレス給電装置
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、数１０ｍＷ程度の微小な電力しか伝送できな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程度の遠距離でも比較的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「磁気共振型」とよぶ。
【０００４】
磁気共振型は、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３参照）。二つのコイルを向かい合わせ、一方のコイルに交流電流を流すと、他方のコイルにも交流電流が流れる。給電コイルを受電コイルの固有振動数と共振させると、給電コイルから受電コイルに特に高い効率にて電力を送り込むことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２３００３２号公報
【特許文献２】国際公開２００６／０２２３６５号公報
【特許文献３】米国公開２００８／０２７８２６４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】
【０００６】
図１０は、磁気共振型のワイヤレス電力伝送システムの一般的な構成図である。図１０は、特許文献３のＦＩＧ．１４を模式的に示したものである。このシステムには、４つのコイルが含まれる。それぞれ、「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」とよぶことにする。エキサイトコイルＬ１と給電コイルＬ２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Ｌ３とロードコイルＬ４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Ｌ２から受電コイルＬ３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Ｌ２から受電コイルＬ３にワイヤレス給電することである。
【０００７】
エキサイトコイルＬ１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Ｌ２にも電流が流れる。給電コイルＬ２が磁場を発生させ、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３が磁気的に共振すると、受電コイルＬ３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Ｌ４にも電流が流れ、ロードコイルＬ４と直列接続される負荷Ｒから電力が取り出される。磁気共振現象を利用することにより、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３の距離が大きくても高い電力伝送効率を実現できる。
【０００８】
現在、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３への電力伝送についてはさまざまな検討がなされている。しかし、給電コイルＬ２自体に電力を効率的に供給する方法については、あまり提案がなされていないのが現状である。特許文献４も磁気共振型のワイヤレス給電技術を開示するが、こちらも受電コイルＬ３へ電力伝送効率の向上を目的としている。
【０００９】
本発明は、上記課題に基づいて完成された発明であり、磁気共振型のワイヤレス給電技術における給電コイルへの電力伝送効率、特に、高周波数帯における電力伝送効率を高めることを主たる目的とする。また、別の目的は、ワイヤレス給電に必要なコイルの数を抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明におけ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ための装置である。この装置は、コイルおよびキャパシタが直列接続された共振周波数にて共振する共振回路と、共振回路への第１の方向からの電流の供給を制御する第１のスイッチングトランジスタと、共振回路への第２の方向からの電流の供給を制御する第２のスイッチングトランジスタと、を備える。第１および第２のスイッチングトランジスタを共振周波数にて交互に導通させることにより共振回路を共振させ、コイルを給電コイルとして、コイルから受電コイルにワイヤレス送電する。
【００１１】
給電コイルにいわゆるスイッチング電源を用いることにより、給電コイルへの電力供給効率を高めることができる。また、この装置は、共振周波数にて動作するため、システム全体としての電力伝送効率が高くなる。さらに、この装置は、エキサイトコイルを用いることなく、直接給電コイルを駆動できる。したがって、製造コストを抑え構成をコンパクトにしやすい。
【００１２】
第１および第２のスイッチングトランジスタそれぞれに対して第１および第２のキャパシタを並列接続してもよい。このような構成によれば、ワイヤレス給電装置を高周波数帯で動作させるときにもスイッチング損失を効果的に抑制できる。また、共振回路のコイルを給電コイルとして動作させるのではなく、エキサイトコイルとして動作させ、別のコイルとして設けられる給電コイルに電力を供給させてもよい。
【００１３】
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。
【００１４】
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】
【００１５】
本発明によれば、磁気共振型のワイヤレス給電技術における電力伝送効率を高めることができる。また、そのために必要なコイルの数を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態におけ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】調整キャパシタを取り除いたときの電流電圧波形のタイムチャートである。
【図６】調整キャパシタを取り除いたときの第２期間におけるソース・ドレイン間の電圧および電流の関係を示すタイムチャートである。
【図７】調整キャパシタを取り付けたときの第２期間におけるソース・ドレイン間の電圧および電流の関係を示すタイムチャートである。
【図８】受電コイル回路等における電流の変化過程を示すタイムチャートである。
【図９】変形例におけ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】磁気共振型のワイヤレス電力伝送システムの一般的な構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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について詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本実施形態における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、ワイヤレス給電装置２００と、受電コイル回路１３０およびロード回路１４０を含む。ワイヤレス給電装置２００は、その一部に給電コイルＬ２を含む。給電コイルＬ２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Ｌ２から受電コイル回路１３０に電力を送ることである。また、本実施の形態における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。本実施の形態においては、ワイヤレス給電装置２００をＩＳＭ周波数帯内の１３．５６ＭＨｚにて動作させる。給電コイルＬ２と受電コイルＬ３の共振周波数ｆも１３．５６ＭＨｚに設定される。
【００１９】
ワイヤレス給電装置２００は、エキサイトコイルＬ１を介すことなく、共振周波数ｆにて給電コイルＬ２に交流電力を直接供給するハーフブリッジ型の電源制御回路である。給電コイルＬ２を流れる電流ＩＳ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。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。
【００２０】
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ｆ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。したがって、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３は同一形状である必要はない。給電コイルＬ２が共振周波数ｆにて磁界を発生させると、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３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ＩＳの向きと電流Ｉ３の向きは逆（逆相）である。
【００２１】
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ＩＳと同相である。こうして、ワイヤレス給電装置２００が供給する電力は、給電コイルＬ２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により取り出される。
【００２２】
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、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。
【００２３】
ワイヤレス給電装置２００の各回路パラメータは、共振周波数ｆでの動作を想定して値設定されている。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、共振周波数ｆにて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Ｌｆ、トランスＴ１二次コイルＬｇ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ＬｆとトランスＴ１一次コイルＬｇにも正負の両方向に交互に電流が流れる。
【００２４】
トランスＴ１二次コイルＬｆの一端は、スイッチングトランジスタＱ１のゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタＱ１のソースと接続される。トランスＴ１二次コイルＬｇの一端は、別のスイッチングトランジスタＱ２のゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタＱ２のソースと接続される。オシレータ２０２が共振周波数ｆ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）が共振周波数ｆにて交互に印加される。このため、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は共振周波数ｆにて交互にオン・オフする。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（Negative-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。
【００２５】
スイッチングトランジスタＱ１のドレインは、電源Ｖｄｄ１の正極に接続される。電源Ｖｄｄ１の負極は、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２を介して、スイッチングトランジスタＱ１のソースに接続される。電源Ｖｄｄ１の負極の電位は接地電位である。スイッチングトランジスタＱ２のソースは、電源Ｖｄｄ２の負極に接続される。電源Ｖｄｄ２の正極は、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２を介して、スイッチングトランジスタＱ２のドレインに接続される。電源Ｖｄｄ２の正極の電位は接地電位である。
【００２６】
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。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。以下、キャパシタＣＱ１とキャパシタＣＱ２をまとめていうときには「調整キャパシタ」とよぶ。
【００２７】
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。
【００２８】
ワイヤレス給電装置２００は、図１に示すように上下対称形の電気回路である。キャパシタＣ１と給電コイルＬ２は共振周波数ｆにて電流共振するように値設定される。いいかえれば、キャパシタＣ１と給電コイルＬ２は、共振周波数ｆの「共振回路」を形成している。キャパシタＣ１と給電コイルＬ２はソース・ドレイン電流ＩＤＳ１、ＩＤＳ２の電流波形を変化させる。
【００２９】
キャパシタＣＱ１はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の電圧波形を変化させ、キャパシタＣＱ２はソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２の電圧波形を変化させるために挿入される。詳細については後述する。
【００３０】
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Ｖｄｄ１からスイッチングトランジスタＱ１、給電コイルＬ２、キャパシタＣ１を経由して帰還する経路となる。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。
【００３１】
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Ｖｄｄ２からキャパシタＣ１、給電コイルＬ２、スイッチングトランジスタＱ２を経由して帰還する経路となる。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。
【００３２】
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。
【００３３】
電源Ｖｄｄ１の値は、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Ｖｘを超えたとき、スイッチングトランジスタＱ１が飽和状態となるように設定されている。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、Ｖｘによって決まる一定値のソース・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共振回路（給電コイルＬ２とキャパシタＣ１）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。このためには、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１が第１期間の中間地点で最大値となり、第１期間の終了時点（時刻ｔ１）でローレベルに戻るように、給電コイルＬ２とキャパシタＣ１の値をあらかじめ適切に設定しておく必要がある。具体的には、ワイヤレス給電装置２００の動作中にソース・ドレイン電流ＩＤＳ１の電流波形を計測し、給電コイルＬ２とキャパシタＣ１の最適値を求めればよい。
【００３４】
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。このためには、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１が第２期間の中間地点で最大値となり、第２期間の終了時点（時刻ｔ２）でローレベルに戻るように、キャパシタＣＱ１の値をあらかじめ適切に設定しておく必要がある。具体的には、ワイヤレス給電装置２００の動作中にソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の電圧波形を計測し、キャパシタＣＱ１の最適値を求めればよい。
【００３５】
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期間以降についても同様である。
【００３６】
次に、調整キャパシタＣＱ１、ＣＱ２の役割を明確にするため、調整キャパシタを取り除いた場合の電流電圧特性について説明し、その問題点を指摘する。
【００３７】
図５は、調整キャパシタを取り除いた場合の電流電圧波形のタイムチャートである。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の動作は基本的に同じであるため、ここでは、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１およびソース・ドレイン電流ＩＤＳ１に注目して説明する。スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン間に並列接続されるキャパシタＣＱ１を取り除くと、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の電圧波形は矩形波となる。
【００３８】
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、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１はローレベルとなる。キャパシタＣＱ１を取り除いているため、スイッチングトランジスタＱ１のオン・オフに連動して、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１はハイレベルとローレベルの間を急峻に変化する。ただし、スイッチングトランジスタＱ１の内部的な遅延により、スイッチングトランジスタＱ１がオンとなっても、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１はすぐにローレベルにはならない。時刻ｔ０から所定の遅延時間が経過してからソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１はローレベルとなる。
【００３９】
第１期間の終了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、スイッチングトランジスタＱ１のソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１はハイレベルとなる。この場合にも、スイッチングトランジスタＱ１の内部的な遅延によりソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１はすぐにハイレベルには至らない。したがって、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１の電圧波形は台形状となる。
【００４０】
図６は、調整キャパシタを取り除いたときの第２期間（時刻ｔ１〜ｔ２）におけるＶＤＳ１とＩＤＳ１の関係を示すタイムチャートである。同図では、わかりやすさのため、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１とソース・ドレイン電流ＩＤＳ１を重ねて描いている。ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２とソース・ドレイン電流ＩＤＳ２の関係も基本的に同じであるため、ここでは、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１とソース・ドレイン電流ＩＤＳ１の関係に注目して説明する。第２期間の開始タイミングである時刻ｔ１に至り、スイッチングトランジスタＱ１がオフとなると、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１は増加し始め、所定の遅延時間ＴＳ後にハイレベルに安定する。一方、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は、給電コイルＬ１とキャパシタＣ１の電流共振により、時刻ｔ１に至る前に減少し始める。時刻ｔ１に、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１はローレベルに到達するのが理想である。しかし、実際には時刻ｔ１が経過したあとにもわずかながらソース・ドレイン電流ＩＤＳ１が流れる可能性がある。したがって、遅延時間ＴＳ中に「ＶＤＳ１＞０、かつ、ＩＤＳ１＞０」となる期間が存在する。この期間においては、スイッチングトランジスタＱ１において無駄な電力Ｐ（＝ＩＤＳ１×ＶＤＳ１）が消費される。すなわち、スイッチング損失が発生している。
【００４１】
第２期間の終了タイミングである時刻ｔ２に至り、スイッチングトランジスタＱ１がオンとなるとソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１は減少し始め、所定の遅延時間ＴＥ後にローレベルに安定する。一方、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は増加し始め、遅延時間ＴＥ後にハイレベルに安定する。遅延時間ＴＥ中には、「ＶＤＳ１＞０、かつ、ＩＤＳ１＞０」となるため、ここでもスイッチング損失が発生する。
【００４２】
以上のように、スイッチングトランジスタＱ１のオン・オフを切り換えるごとに、スイッチングトランジスタＱ１からはわずかながら電力が消費される。ＩＳＭ周波数帯のような高周波数帯でワイヤレス給電装置２００を動作させる場合には、スイッチング損失の影響が特に大きくなる。
【００４３】
一般的には、周波数が高くなると、スイッチング損失の影響が大きくなる。スイッチング損失を抑制するためには、スイッチングトランジスタＱ１やスイッチングトランジスタＱ２の遅延時間ＴＳ、ＴＥを短くするための工夫が必要であるが物理的な限界もあるため遅延時間をゼロにするのは難しい。本実施の形態では、ワイヤレス給電装置２００に調整キャパシタＣＱ１、ＣＱ２を挿入し、いわゆるソフトスイッチング方式に基づいてスイッチング損失を抑制している。
【００４４】
図７は、調整キャパシタを取り付けたときの第２期間（時刻ｔ１〜ｔ２）におけるＶＤＳ１とＩＤＳ１の関係を示すタイムチャートである。この図でも、わかりやすさのため、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１とソース・ドレイン電流ＩＤＳ１を重ねている。ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ２とソース・ドレイン電流ＩＤＳ２の関係も基本的に同じであるため、ここでは、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１とソース・ドレイン電流ＩＤＳ１の関係に注目して説明する。第１期間（時刻ｔ０〜ｔ１）の後半に、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は減少し始め、時刻ｔ１に到達するときにはローレベル近辺まで到達している。時刻ｔ１にスイッチングトランジスタＱ１がオフとなると、ソースドレイン電圧ＶＤＳ１は徐々に増加し、第２期間の途中でハイレベルに到達する。図８に示した場合に比べてソースドレイン電圧ＶＤＳ１の増加が緩やかであるため、スイッチング損失を抑制できる。
【００４５】
時刻ｔ２に至り、スイッチングトランジスタＱ１がオンとなるとき、ソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１はローレベル近辺まで減少している。一方、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は徐々に増加する。したがって、オフからオンへの切り換え時において「ＶＤＳ１＞０、かつ、ＩＤＳ１＞０」となる期間がほとんど存在しなくなる。また、この期間におけるソース・ドレイン電圧ＶＤＳ１とソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は図８に示した場合に比べて十分に小さくなる。調整キャパシタを接続することにより、スイッチングトランジスタＱ１をオフからオンに切り換えるときのスイッチング損失を特に抑制しやすくなる。
【００４６】
図８は、電流ＩＳ、Ｉ３およびＩ４の変化過程を示すタイムチャートである。第１期間においては、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１が流れ、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２は流れない。このため、給電コイルＬ２には電流ＩＳが正方向に流れる。第２期間においては、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ１は流れず、ソース・ドレイン電流ＩＤＳ２が流れる。このため、給電コイルＬ２には、電流ＩＳが負方向に流れる。受電コイル回路１３０には電流ＩＳの逆相の電流Ｉ３が流れる。ロード回路１４０には、電流ＩＳと同相、電流Ｉ３と逆相の電流Ｉ４が流れる。
【００４７】
以上、実施形態に基づいてワイヤレス電力伝送システム１００を説明した。ワイヤレス電力伝送システム１００は、給電コイルＬ２と受電コイルＬ３を共振させた状態でワイヤレス送電するためのシステムである。ワイヤレス給電装置２００は、ハーフブリッジ型の電源制御回路であり、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３への電力伝送効率を高めるために共振周波数ｆにて動作する。トランジスタにバイアスをかけた状態を動作点とする、いわゆるリニア・アンプ（Ａ級、ＡＢ級等）などにより電力を供給する場合、電源から供給された電力のうち、給電コイルＬ２に実際に供給される電力はその４０％にも満たないため、全体としての電力供給効率は１５％程度にすぎない（特許文献３参照）。これに対して、本実施形態におけるワイヤレス給電装置２００の場合には８０〜９０％程度の電力を給電コイルＬ２に供給できる。特に、調整キャパシタＣＱ１、ＣＱ２を挿入することにより、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のオン・オフを切り換えるときのスイッチング損失を効果的に抑制できる。
【００４８】
本実施の形態におけるワイヤレス給電装置２００では、エキサイトコイルＬ１が不要化するためにハーフブリッジ型の電源制御回路としている。これにより、図１０に示した従来のシステムと異なり、ワイヤレス給電装置２００にて給電コイルＬ２を直接駆動できる。エキサイトコイルＬ１が不要であることから、システムに必要なコイル数を削減できることになる。これにより、ワイヤレス電力伝送システム１００、特に給電側の製造コストやサイズを抑制する上で有効である。
【００４９】
図９は、変形例におけ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１のワイヤレス電力伝送システム１００では、ワイヤレス給電装置２００が給電コイルＬ２と直接駆動したが、変形例におけるワイヤレス給電装置２０４は給電コイルＬ２ではなくエキサイトコイルＬ１を駆動する。ワイヤレス給電装置２０４の基本的な構造は図１と同様である。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。
【００５０】
ワイヤレス給電装置２０４は、エキサイトコイルＬ１に共振周波数ｆにて交流電力を供給する。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程度と比較的近い。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。エキサイトコイルＬ１に電流ＩＳ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ＩＳの向きと電流Ｉ２の向きは逆（逆相）である。電流Ｉ２は電流ＩＳ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ｆが１３．５６ＭＨｚとなるように設定すればよい。
【００５１】
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】
【００５２】
１００、１０２ ワイヤレス電力伝送システム
１２０ 給電コイル回路
１３０ 受電コイル回路
１４０ ロード回路
２００、２０４ ワイヤレス給電装置
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、
直列接続された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共振回路と、
前記共振回路への第１の方向からの電流の供給を制御する第１のスイッチングトランジスタと、
前記共振回路への第２の方向からの電流の供給を制御する第２のスイッチングトランジスタと、
前記第１および第２のスイッチングトランジスタそれぞれに対して並列接続され、前記第１および第２のスイッチングトランジスタのソース・ドレイン電圧の周期が前記第１および第２のスイッチングトランジスタのオフ期間に対応するように調整された第１および第２のキャパシタと、を備え、
前記第１および第２のスイッチングトランジスタを前記共振周波数にて交互に導通させることにより前記共振回路を共振させ、前記コイルを前記給電コイルとして、前記コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項２】
前記共振回路を構成するコイルとキャパシタは、前記第１および第２のスイッチングトランジスタを流れる半波交流電流のライズエッジおよびフォールエッジが曲線となるように調整されていることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項３】
前記共振周波数は、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）周波数帯に設定されることを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項４】
前記第１および第２のスイッチングトランジスタを前記共振周波数にて交互に導通させることにより前記共振回路を共振させ、前記コイルから、前記コイルとは別のコイルである前記給電コイルに前記共振周波数の交流電力と供給す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】
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、
直列接続された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共振回路と、
前記共振回路への第１の方向からの電流の供給を制御する第１のスイッチングトランジスタと、
前記共振回路への第２の方向からの電流の供給を制御する第２のスイッチングトランジスタと、
前記第１および第２のスイッチングトランジスタそれぞれに対して並列接続され、前記第１および第２のスイッチングトランジスタのソース・ドレイン電圧の周期が前記第１および第２のスイッチングトランジスタのオフ期間に対応するように調整された第１および第２のキャパシタと、を備え、
前記第１および第２のスイッチングトランジスタを前記共振周波数にて交互に導通させることにより前記共振回路を共振させ、前記コイルを前記給電コイルとして、前記コイルから前記受電コイルにワイヤレス送電することを特徴とするワイヤレス給電装置。
【請求項２】
前記共振回路を構成するコイルとキャパシタは、前記第１および第２のスイッチングトランジスタを流れる半波交流電流のライズエッジおよびフォールエッジが曲線となるように調整されていることを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項３】
前記共振周波数は、ＩＳＭ（Industry-Science-Medical）周波数帯に設定されることを特徴とする請求項１または２に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項４】
前記第１および第２のスイッチングトランジスタを前記共振周波数にて交互に導通させることにより前記共振回路を共振させ、前記コイルから、前記コイルとは別のコイルである前記給電コイルに前記共振周波数の交流電力と供給す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】
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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−９５９２（Ｐ２０１３−９５９２Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１８０７２２（Ｐ２０１２−１８０７２２）
【出願日】平成２４年８月１７日（２０１２．８．１７）
【分割の表示】特願２００９−１８５０６２（Ｐ２００９−１８５０６２）の分割
【原出願日】平成２１年８月７日（２００９．８．７）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年８月１７日（２０１２．８．１７）
【分割の表示】特願２００９−１８５０６２（Ｐ２００９−１８５０６２）の分割
【原出願日】平成２１年８月７日（２００９．８．７）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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