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JP5640783B2 - Wireless power feeding device, wireless power receiving device, and wireless power transmission system - Google Patents

Wireless power feeding device, wireless power receiving device, and wireless power transmission system Download PDF

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JP5640783B2 JP2011021953A JP2011021953A JP5640783B2 JP 5640783 B2 JP5640783 B2 JP 5640783B2 JP 2011021953 A JP2011021953 A JP 2011021953A JP 2011021953 A JP2011021953 A JP 2011021953A JP 5640783 B2 JP5640783 B2 JP 5640783B2
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Description

本発明は、ワイヤレス給電に関し、特に、そのパワー制御に関する。   The present invention relates to wireless power feeding, and more particularly to power control thereof.

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。   Wireless power supply technology that supplies power without a power cord is drawing attention. Current wireless power transfer technologies are (A) a type that uses electromagnetic induction (for short distance), (B) a type that uses radio waves (for long distance), and (C) a type that uses magnetic field resonance (medium distance). Can be roughly divided into three types.

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、距離を大きくすると電力伝送効率が急激に低下してしまうため数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。磁場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。ワイヤレスであるため完全に絶縁されたシステム構成が可能であり、特に、雨天時の給電に効果的であると考えられる。以下、タイプ(C)を「磁場共振型」とよぶ。   The type (A) using electromagnetic induction is generally used in household appliances such as an electric shaver. However, if the distance is increased, the power transmission efficiency is drastically reduced, so that the short distance is about several centimeters. There is a problem that can only be used in. The type (B) using radio waves can be used at a long distance, but has a problem that power is small. The type (C) using the magnetic field resonance phenomenon is a relatively new technology, and is particularly expected from the fact that high power transmission efficiency can be realized even at a middle distance of about several meters. For example, a proposal has been studied in which a receiving coil is embedded in the lower part of an EV (Electric Vehicle) and electric power is sent in a non-contact manner from a power feeding coil in the ground. Since it is wireless, a completely insulated system configuration is possible, and it is considered to be particularly effective for power supply in rainy weather. Hereinafter, the type (C) is referred to as “magnetic field resonance type”.

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。   The magnetic resonance type is based on a theory published by Massachusetts Institute of Technology in 2006 (see Patent Document 1). In Patent Document 1, four coils are prepared. These coils are called “exciting coil”, “power feeding coil”, “power receiving coil”, and “load coil” in order from the power feeding side. The exciting coil and the feeding coil face each other at a short distance and are electromagnetically coupled. Similarly, the power receiving coil and the load coil are also faced at a short distance and are electromagnetically coupled. Compared to these distances, the distance from the feeding coil to the receiving coil is a “medium distance”, which is relatively large. The purpose of this system is to wirelessly feed power from the feeding coil to the receiving coil.

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から交流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までの距離が大きくても高い電力伝送効率を実現できる。   When AC power is supplied to the exciting coil, current also flows through the feeding coil due to the principle of electromagnetic induction. When the power feeding coil generates a magnetic field and the power feeding coil and the power receiving coil resonate magnetically, a large current flows through the power receiving coil. Due to the principle of electromagnetic induction, a current also flows through the load coil, and AC power is extracted from a load connected in series with the load coil. By using the magnetic field resonance phenomenon, high power transmission efficiency can be realized even if the distance from the feeding coil to the receiving coil is large.

米国公開2008/0278264号公報US Publication No. 2008/0278264 特開2006−230032号公報JP 2006-230032 A 国際公開2006/022365号公報International Publication No. 2006/022365 米国公開2009/0072629号公報US Publication No. 2009/0072629 米国公開2009/0015075号公報US Publication No. 2009/0015075 特開2006−74848号公報JP 2006-74848 A 特開2008−288889号公報JP 2008-288889 A

本発明者は、ワイヤレス給電の利用可能性を拡げるためには、給電電力を自動制御して出力を安定させる仕組みが必要であると考える。特許文献6が開示する非接触電力伝送装置は、上記タイプ(A)ではあるが、受電側の2次側ユニットが出力電圧の大きさを送電側の1次側ユニットに伝え、1次側ユニットは出力電圧に応じて給電電力を制御している。具体的には、コイルL4(2次側ユニット)からコイルL3(1次側ユニット)に、出力電圧の大きさを示す電磁波信号を送信している。   The present inventor considers that in order to expand the availability of wireless power feeding, a mechanism for automatically controlling the power feeding power and stabilizing the output is necessary. The non-contact power transmission device disclosed in Patent Document 6 is of the above type (A), but the secondary side unit on the power reception side transmits the magnitude of the output voltage to the primary side unit on the power transmission side. Controls the power supply according to the output voltage. Specifically, an electromagnetic wave signal indicating the magnitude of the output voltage is transmitted from the coil L4 (secondary unit) to the coil L3 (primary unit).

磁場共振型の場合には、給電コイルと受電コイルの間に発生する強力な電磁場が信号に大きな影響を及ぼす。このため、特許文献6の仕組みを磁場共振型にそのまま応用することはできない。なお、特許文献7では、信号磁場に対する電力磁場の影響を抑制するため、平面略8字形状や平面2重フープ形状等のコイルが提案されているが、形状が複雑であるため製造が困難となりやすい。また、通信感度を向上させるためには複数のコイルを組み合わせる必要があるため、更に、製造が困難となりやすいという欠点がある(特許文献6の段落[0028]等参照)。   In the case of the magnetic field resonance type, a strong electromagnetic field generated between the power feeding coil and the power receiving coil greatly affects the signal. For this reason, the mechanism of Patent Document 6 cannot be applied to the magnetic field resonance type as it is. In Patent Document 7, in order to suppress the influence of the electric power magnetic field on the signal magnetic field, a coil having a plane shape of approximately 8 characters or a plane double hoop shape has been proposed. However, since the shape is complicated, manufacturing becomes difficult. Cheap. Moreover, since it is necessary to combine a plurality of coils in order to improve the communication sensitivity, there is a further disadvantage that manufacturing is likely to be difficult (see paragraph [0028] etc. of Patent Document 6).

本発明は、磁場共振型のワイヤレス給電において、給電電力を効率的に制御することを主たる目的とする。   The main object of the present invention is to efficiently control power supply in a magnetic field resonance type wireless power supply.

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磁場共振現象に基づき、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電するための装置である。この装置は、給電コイルと、給電コイルに駆動周波数にて交流電力を供給する送電制御回路と、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、交流電力の受電側から、信号周波数の大きさにより出力を示す出力信号を受信する受信コイルと、信号周波数に応じて出力信号を直流変換する信号調整回路を備える。送電制御回路は、位相差が減少するように駆動周波数を調整する。位相検出回路は、電圧位相および電流位相の双方または一方について検出された位相値を直流変換された出力信号の信号レベルに応じて事後調整する。   The wireless power feeder according to the present invention is a device for wirelessly feeding power from a power feeding coil to a power receiving coil based on a magnetic field resonance phenomenon between the power feeding coil and the power receiving coil. This device includes a power supply coil, a power transmission control circuit that supplies AC power to the power supply coil at a driving frequency, a phase detection circuit that detects a phase difference between the voltage phase and current phase of AC power, and a AC power receiving side. A receiving coil that receives an output signal that indicates an output depending on the magnitude of the signal frequency, and a signal adjustment circuit that converts the output signal into direct current according to the signal frequency. The power transmission control circuit adjusts the drive frequency so that the phase difference decreases. The phase detection circuit post-adjusts the phase value detected for both or one of the voltage phase and the current phase according to the signal level of the output signal that has been DC converted.

交流電力の電流位相と電圧位相を比較してその位相差を検出し、位相差が減少するように駆動周波数を調整すれば、共振周波数に駆動周波数を追随させることができる。この結果、共振周波数が変化しても、電力伝送効率を一定に維持しやすくなる。また、出力電圧等が変化したとき、その変化量に応じて電圧位相や電流位相を事後調整すれば、調整後の位相差に応じて駆動周波数が変化する。駆動周波数をパラメータとして給電電力をフィードバック制御できるので、出力を安定させやすくなる。   The drive frequency can be made to follow the resonance frequency by comparing the current phase and the voltage phase of the AC power, detecting the phase difference, and adjusting the drive frequency so that the phase difference is reduced. As a result, even if the resonance frequency changes, the power transmission efficiency can be easily maintained constant. Further, when the output voltage or the like changes, if the voltage phase or the current phase is adjusted afterwards according to the amount of change, the drive frequency changes according to the adjusted phase difference. Since the feed power can be feedback controlled using the drive frequency as a parameter, the output is easily stabilized.

位相検出回路は、交流電力の電圧レベルが第1の基準値となるタイミングである第1の位相値と交流電力の電流レベルが第2の基準値となるタイミングである第2の位相値を比較することにより位相差を検出し、出力信号により第1および第2の基準値の双方または一方を変更することにより第1および第2の位相値の双方または一方を事後調整してもよい。   The phase detection circuit compares the first phase value, which is the timing when the voltage level of the AC power becomes the first reference value, and the second phase value, which is the timing when the current level of the AC power becomes the second reference value. Thus, the phase difference may be detected, and both or one of the first and second phase values may be post-adjusted by changing both or one of the first and second reference values according to the output signal.

受信コイルは1回巻きのコイルであってもよい。また、受信コイルのコイル平面は給電コイルのコイル平面と略同一であってもよい。   The receiving coil may be a one-turn coil. Further, the coil plane of the receiving coil may be substantially the same as the coil plane of the feeding coil.

信号調整回路は、受信コイルにおいて検出される交流電圧から、バンドパスフィルタを介して出力信号成分を抽出してもよい。   The signal adjustment circuit may extract an output signal component from an AC voltage detected in the receiving coil via a band pass filter.

送電制御回路は、給電側の回路要素とは実質的に非共振の状態の給電コイルから、受電コイルに交流電力を給電させてもよい。ここでいう「実質的に非共振」とは、給電コイルの共振をワイヤレス給電の必須構成要件としないことを意味する。給電コイルがなんらかの回路要素と偶発的に共振することまでも排除する意味ではない。給電コイルが、給電側の回路要素とは受電コイルの共振周波数を共振点とする共振回路を形成しない構成であってもよい。給電コイルに対して直列または並列にキャパシタが挿入されない構成であってもよい。   The power transmission control circuit may feed AC power to the power receiving coil from a power feeding coil that is substantially non-resonant with a circuit element on the power feeding side. Here, “substantially non-resonant” means that resonance of the power feeding coil is not an essential component for wireless power feeding. It does not mean that the feeding coil accidentally resonates with some circuit element. The power supply coil may be configured not to form a resonance circuit whose resonance point is the resonance frequency of the power reception coil with the circuit element on the power supply side. A configuration in which a capacitor is not inserted in series or in parallel with the power feeding coil may be employed.

本発明に係るワイヤレス受電装置は、上述のワイヤレス給電装置からワイヤレス給電される交流電力を受電コイルにて受電する装置である。この装置は、受電コイルとキャパシタを含む受電コイル回路と、受電コイルと磁気結合することにより受電コイルから交流電力を受電するロードコイルとロードコイルから電力を供給される負荷とを含むロード回路と、ロード回路の一部に印加される出力電圧を信号周波数により示す出力信号を生成する信号生成回路と、出力信号をワイヤレス給電装置に送信する送信コイルを備える。   A wireless power receiving device according to the present invention is a device that receives AC power wirelessly fed from the above-described wireless power feeding device using a power receiving coil. This device includes a power receiving coil circuit including a power receiving coil and a capacitor, a load circuit including a load coil that receives AC power from the power receiving coil by magnetic coupling with the power receiving coil, and a load that is supplied with power from the load coil; A signal generation circuit that generates an output signal indicating an output voltage applied to a part of the load circuit by a signal frequency, and a transmission coil that transmits the output signal to the wireless power feeder.

信号生成回路は、出力電圧と基準電圧の差分値を信号周波数により示す信号として、出力信号を生成してもよい。   The signal generation circuit may generate the output signal as a signal indicating a difference value between the output voltage and the reference voltage by a signal frequency.

送信コイルは1回巻きのコイルであってもよい。また、送信コイルのコイル平面は、受電コイルのコイル平面と略同一であってもよい。   The transmission coil may be a one-turn coil. The coil plane of the transmission coil may be substantially the same as the coil plane of the power receiving coil.

本発明に係るワイヤレス電力伝送システムは、給電コイルと受電コイルの磁場共振現象に基づき、給電コイルから受電コイルにワイヤレス給電するためのシステムである。このシステムは、給電コイルに駆動周波数にて交流電力を供給する送電制御回路と、受電コイルと磁気結合することにより受電コイルから交流電力を受電するロードコイルとロードコイルから電力を供給される負荷とを含むロード回路と、ロード回路の一部に印加される出力電圧を信号周波数により示す出力信号を生成する信号生成回路と、生成された出力信号を給電側に送信する送信コイルと、送信された出力信号を受信する受信コイルと、信号周波数に応じて、受信された出力信号を直流変換する信号調整回路と、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。
送電制御回路は、位相差が減少するように駆動周波数を調整する。位相検出回路は、電圧位相および電流位相の双方または一方について検出された位相値を直流変換された出力信号の信号レベルに応じて事後調整する。
The wireless power transmission system according to the present invention is a system for wirelessly feeding power from a power feeding coil to a power receiving coil based on a magnetic field resonance phenomenon between the power feeding coil and the power receiving coil. This system includes a power transmission control circuit that supplies AC power to a power feeding coil at a driving frequency, a load coil that receives AC power from a power receiving coil by being magnetically coupled to the power receiving coil, and a load that is supplied with power from the load coil. Including a load circuit, a signal generation circuit for generating an output signal indicating an output voltage applied to a part of the load circuit by a signal frequency, a transmission coil for transmitting the generated output signal to the power feeding side, and A receiving coil that receives the output signal, a signal adjustment circuit that converts the received output signal into DC according to the signal frequency, and a phase detection circuit that detects the phase difference between the voltage phase and the current phase of AC power are provided.
The power transmission control circuit adjusts the drive frequency so that the phase difference decreases. The phase detection circuit post-adjusts the phase value detected for both or one of the voltage phase and the current phase according to the signal level of the output signal that has been DC converted.

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。   It should be noted that any combination of the above-described constituent elements and a representation of the present invention converted between a method, an apparatus, a system, and the like are also effective as an aspect of the present invention.

本発明によれば、磁場共振型のワイヤレス給電において、給電電力を効率的に制御しやすくなる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in magnetic field resonance type wireless electric power feeding, it becomes easy to control electric power feeding efficiently.

第1実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの原理図である。1 is a principle diagram of a wireless power transmission system according to a first embodiment. 第1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。1 is a system configuration diagram of a wireless power transmission system according to a first embodiment. 各コイルの構造図である。It is a structural diagram of each coil. 負荷電流と負荷電圧の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between load current and load voltage. コイル間距離と負荷電圧の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the distance between coils, and load voltage. 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。It is a graph which shows the relationship between the impedance of a feeding coil circuit, and a drive frequency. 信号生成回路の回路図である。It is a circuit diagram of a signal generation circuit. VF変換器における信号周波数とT0信号の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the signal frequency in a VF converter, and a T0 signal. T1、T2およびT3信号の関係を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the relationship of T1, T2, and T3 signal. 給電コイルと受電コイルの間において発生する電磁場の波形を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the waveform of the electromagnetic field which generate | occur | produces between a feeding coil and a receiving coil. 電圧整形回路および信号調整回路の回路図である。It is a circuit diagram of a voltage shaping circuit and a signal adjustment circuit. FV変換器における信号周波数とT6信号の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the signal frequency and T6 signal in an FV converter. T9、T10、T6信号の関係を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the relationship between T9, T10, and T6 signals. T6、T7、T8信号の関係を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the relationship between T6, T7, and T8 signals. S1信号とT8信号の関係を示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the relationship between S1 signal and T8 signal. 第2実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの原理図である。It is a principle figure of the wireless power transmission system in 2nd Embodiment. 第2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。It is a system block diagram of the wireless power transmission system in 2nd Embodiment.

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。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

[第1実施形態]
図1は、第1実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム100の原理図である。第1実施形態におけ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116とワイヤレス受電装置118を含む。ワイヤレス給電装置116は給電LC共振回路300を含む。ワイヤレス受電装置118は、受電コイル回路130とロード回路140を含む。そして、受電コイル回路130により受電LC共振回路302が形成される。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a principle diagram of a wireless power transmission system 100 according to the first embodiment. The wireless power transmission system 100 in the first embodiment includes a wireless power feeder 116 and a wireless power receiver 118. The wireless power feeder 116 includes a power feeding LC resonance circuit 300. The wireless power receiving apparatus 118 includes a power receiving coil circuit 130 and a load circuit 140. Then, a power receiving LC resonance circuit 302 is formed by the power receiving coil circuit 130.

給電LC共振回路300は、キャパシタC2と給電コイルL2を含む。受電LC共振回路302は、キャパシタC3と受電コイルL3を含む。給電コイルL2と受電コイルL3の磁場結合を無視できるほど両者が充分に離れた状態において給電LC共振回路300および受電LC共振回路302それぞれの共振周波数が同一となるように、キャパシタC2、給電コイルL2、キャパシタC3、受電コイルL3が設定される。この共通の共振周波数をfr0とする。   The feeding LC resonance circuit 300 includes a capacitor C2 and a feeding coil L2. The power receiving LC resonance circuit 302 includes a capacitor C3 and a power receiving coil L3. The capacitor C2 and the feeding coil L2 are set so that the resonance frequencies of the feeding LC resonance circuit 300 and the receiving LC resonance circuit 302 are the same in a state in which the magnetic coupling between the feeding coil L2 and the receiving coil L3 is sufficiently distant from each other. , Capacitor C3 and power receiving coil L3 are set. Let this common resonance frequency be fr0.

給電コイルL2と受電コイルL3を充分に磁場結合できる程度に近づけた状態では、給電LC共振回路300、受電LC共振回路302およびその間に発生する相互インダクタンスにより新たな共振回路が形成される。この新共振回路は、相互インダクタンスの影響により2つの共振周波数fr1、fr2を有する(fr1<fr0<fr2)。ワイヤレス給電装置116が、給電源VGから共振周波数fr1にて交流電力を給電LC共振回路300に供給すると、新共振回路の一部である給電LC共振回路300は共振点1(共振周波数fr1)で共振する。給電LC共振回路300が共振すると、給電コイルL2は共振周波数fr1の交流磁場を発生させる。同じく新共振回路の一部である受電LC共振回路302もこの交流磁場により共振する。給電LC共振回路300と受電LC共振回路302が同一の共振周波数fr1にて共振するとき、給電コイルL2から受電コイルL3に最大の電力伝送効率にてワイヤレス給電がなされる。ワイヤレス受電装置118の負荷LDから受電電力が出力電力として取り出される。なお、新共振回路は、共振点1(共振周波数fr1)だけでなく共振点2(共振周波数fr2)でも共振可能である。   In a state in which the feeding coil L2 and the receiving coil L3 are close enough to be sufficiently magnetically coupled, a new resonance circuit is formed by the feeding LC resonance circuit 300, the receiving LC resonance circuit 302, and the mutual inductance generated therebetween. This new resonance circuit has two resonance frequencies fr1 and fr2 due to the influence of mutual inductance (fr1 <fr0 <fr2). When the wireless power feeder 116 supplies AC power from the power supply VG at the resonance frequency fr1 to the power supply LC resonance circuit 300, the power supply LC resonance circuit 300 that is a part of the new resonance circuit is at the resonance point 1 (resonance frequency fr1). Resonates. When the feeding LC resonance circuit 300 resonates, the feeding coil L2 generates an alternating magnetic field having a resonance frequency fr1. Similarly, the power receiving LC resonance circuit 302 which is a part of the new resonance circuit also resonates due to this AC magnetic field. When the feeding LC resonance circuit 300 and the receiving LC resonance circuit 302 resonate at the same resonance frequency fr1, wireless feeding is performed from the feeding coil L2 to the receiving coil L3 with the maximum power transmission efficiency. The received power is taken out as output power from the load LD of the wireless power receiving apparatus 118. The new resonance circuit can resonate not only at the resonance point 1 (resonance frequency fr1) but also at the resonance point 2 (resonance frequency fr2).

図2は、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116とワイヤレス受電装置118を含む。ワイヤレス給電装置116は、基本構成として、送電制御回路200、給電コイル回路120、信号調整回路112、位相検出回路114を含む。ワイヤレス受電装置118は、基本構成として、受電コイル回路130、ロード回路140および信号生成回路122を含む。本実施形態におけるワイヤレス給電装置116は、エキサイトコイルを介さずに、給電コイルL2を直接駆動する構成となっている。   FIG. 2 is a system configuration diagram of the wireless power transmission system 100. The wireless power transmission system 100 includes a wireless power feeder 116 and a wireless power receiver 118. The wireless power feeder 116 includes a power transmission control circuit 200, a power feeding coil circuit 120, a signal adjustment circuit 112, and a phase detection circuit 114 as a basic configuration. The wireless power receiving apparatus 118 includes a power receiving coil circuit 130, a load circuit 140, and a signal generation circuit 122 as a basic configuration. The wireless power feeder 116 according to the present embodiment is configured to directly drive the power feeding coil L2 without using an exciting coil.

給電コイル回路120が有する給電コイルL2と、受電コイル回路130が有する受電コイルL3の間には0.2〜1.0m程度の距離(以下、「コイル間距離」とよぶ)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L3にワイヤレスにて交流電力を送ることである。本実施形態においては共振周波数fr1=100kHzであるとして説明する。なお、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムは、たとえば、ISM(Industry-Science-Medical)周波数帯のような高周波数帯にて動作させることも可能である。低周波数帯には、スイッチングトランジスタ(後述)のコストおよびスイッチング損失を抑制しやすい、電波法の規制が緩いといったメリットがある。   There is a distance of about 0.2 to 1.0 m (hereinafter referred to as “inter-coil distance”) between the feeding coil L2 included in the feeding coil circuit 120 and the receiving coil L3 included in the receiving coil circuit 130. The main purpose of the wireless power transmission system 100 is to send AC power wirelessly from the feeding coil L2 to the receiving coil L3. In the present embodiment, the resonance frequency fr1 is assumed to be 100 kHz. Note that the wireless power transmission system according to the present embodiment can be operated in a high frequency band such as an ISM (Industry-Science-Medical) frequency band. The low frequency band has an advantage that the cost and switching loss of a switching transistor (described later) can be easily suppressed, and regulations of the Radio Law are loose.

給電コイル回路120は、給電コイルL2とキャパシタC2、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と共に結合トランスT2を形成し、電磁誘導により送電制御回路200から交流電力を供給される。電源電圧が大きいときには、送電制御回路200には大きな電流が流れる可能性がある。そこで、トランスT2では、トランスT2二次コイルLbの巻き数>トランスT2二次コイルLiの巻き数となるように設定されている。   The feeding coil circuit 120 is a circuit in which a feeding coil L2, a capacitor C2, and a transformer T2 secondary coil Li are connected in series. The transformer T2 secondary coil Li forms a coupling transformer T2 together with the transformer T2 primary coil Lb, and is supplied with AC power from the power transmission control circuit 200 by electromagnetic induction. When the power supply voltage is large, a large current may flow through the power transmission control circuit 200. Therefore, the transformer T2 is set so that the number of turns of the transformer T2 secondary coil Lb> the number of turns of the transformer T2 secondary coil Li.

給電コイルL2の巻き数は7回、導体直径は5mm、給電コイルL2自体の形状は280mm×280mmの正方形である。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fr1が100kHzとなるように設定される。図2では、わかりやすさのため、給電コイルL2を円形に描いている。他のコイルについても同様である。図2に示す各コイルの材質はいずれも銅である。給電コイル回路120には交流電流I2が流れる。   The number of turns of the feeding coil L2 is seven, the conductor diameter is 5 mm, and the shape of the feeding coil L2 itself is a square of 280 mm × 280 mm. The values of the feeding coil L2 and the capacitor C2 are set so that the resonance frequency fr1 of the feeding coil circuit 120 is 100 kHz. In FIG. 2, the feeding coil L <b> 2 is drawn in a circle for easy understanding. The same applies to the other coils. All the coils shown in FIG. 2 are made of copper. An alternating current I2 flows through the feeding coil circuit 120.

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。受電コイルL3の巻き数は7回、導体直径は5mm、受電コイルL3自体の形状は280mm×280mmの正方形である。受電コイル回路130の共振周波数fr1も100kHz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fr1=100kHz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にも交流電流I3が流れる。   The power receiving coil circuit 130 is a circuit in which a power receiving coil L3 and a capacitor C3 are connected in series. The power feeding coil L2 and the power receiving coil L3 face each other. The number of turns of the power receiving coil L3 is seven, the conductor diameter is 5 mm, and the shape of the power receiving coil L3 itself is a square of 280 mm × 280 mm. The values of the receiving coil L3 and the capacitor C3 are set so that the resonance frequency fr1 of the receiving coil circuit 130 is also 100 kHz. The feeding coil L2 and the receiving coil L3 do not have to have the same shape. When the feeding coil L2 generates a magnetic field at the resonance frequency fr1 = 100 kHz, the feeding coil L2 and the receiving coil L3 are magnetically resonated, and an alternating current I3 also flows through the receiving coil circuit 130.

ロード回路140は、ロードコイルL4が整流回路124と計測回路126を介して負荷LDと接続される回路である。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。本実施形態においては、受電コイルL3のコイル平面とロードコイルL4のコイル平面は略同一である。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、導体直径は5mm、ロードコイルL4自体の形状は300mm×300mmの正方形である。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に交流電流I4が流れる。交流電流I4は整流回路124により直流電流に整流される。一部は計測回路126を流れるが、大部分は直流電流I5として負荷LDを流れる。整流回路124は、ダイオードD1とキャパシタC5により構成される一般的な回路である。計測回路126については後述する。   The load circuit 140 is a circuit in which the load coil L4 is connected to the load LD via the rectifier circuit 124 and the measurement circuit 126. The power receiving coil L3 and the load coil L4 face each other. In the present embodiment, the coil plane of the power receiving coil L3 and the coil plane of the load coil L4 are substantially the same. For this reason, the receiving coil L3 and the load coil L4 are strongly coupled electromagnetically. The number of turns of the load coil L4 is 1, the conductor diameter is 5 mm, and the shape of the load coil L4 itself is a square of 300 mm × 300 mm. When the current I3 flows through the power receiving coil L3, an electromotive force is generated in the load circuit 140, and an alternating current I4 flows through the load circuit 140. The alternating current I4 is rectified into a direct current by the rectifying circuit 124. A part flows through the measurement circuit 126, but most flows through the load LD as a direct current I5. The rectifier circuit 124 is a general circuit including a diode D1 and a capacitor C5. The measurement circuit 126 will be described later.

ワイヤレス給電装置116の給電コイルL2から送電された交流電力は、ワイヤレス受電装置118の受電コイルL3により受電され、負荷LDから直流電力として取り出される。負荷LDに印加される電圧を「負荷電圧V5」とよぶ。   The AC power transmitted from the power feeding coil L2 of the wireless power feeding device 116 is received by the power receiving coil L3 of the wireless power receiving device 118, and is taken out as DC power from the load LD. The voltage applied to the load LD is referred to as “load voltage V5”.

負荷LDを受電コイル回路130に直接接続すると、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。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。   When the load LD is directly connected to the power receiving coil circuit 130, the Q value of the power receiving coil circuit 130 is deteriorated. For this reason, the receiving coil circuit 130 for receiving power and the load circuit 140 for extracting power are separated. In order to increase the power transmission efficiency, it is preferable to align the center lines of the feeding coil L2, the receiving coil L3, and the load coil L4.

計測回路126は、抵抗R1、R2、制御電源VSおよびコンパレータ132を含む。負荷電圧V5は、抵抗R1、R2により分圧される。抵抗R2の両端に印加される電圧を「出力電圧」とよぶ。抵抗R1と抵抗R2の接続点Fの電位は「計測電位」としてコンパレータ132の負極端子に入力される。コンパレータ132の正極端子には制御電源VSが接続される。制御電源VSによる正極端子の入力電位を「基準電位」とよぶ。   The measurement circuit 126 includes resistors R1 and R2, a control power supply VS, and a comparator 132. The load voltage V5 is divided by resistors R1 and R2. The voltage applied across the resistor R2 is referred to as “output voltage”. The potential at the connection point F between the resistors R1 and R2 is input to the negative terminal of the comparator 132 as a “measurement potential”. A control power supply VS is connected to the positive terminal of the comparator 132. The input potential of the positive terminal by the control power supply VS is called “reference potential”.

コンパレータ132は、計測電位と基準電位の差分(以下、「補正電圧」とよぶ)を増幅し、その増幅後の値をT0信号として出力する。T0信号は直流電圧信号であり、補正電圧の大きさを示す。いいかえれば、T0信号は負荷電圧V5の変化量を示す信号である。詳しくは後述するが、ワイヤレス電力伝送システム100は、この補正電圧が所定値となるように給電電力を制御することにより、出力電圧(負荷電圧V5)を安定させている。本実施形態においては負荷電圧V5が目標値の24(V)となるとき、補正電圧が2.5(V)となるように抵抗R1、R2および基準電位を設定する。制御電源VSは、可変直流電圧源であり任意に電圧調整可能である。   The comparator 132 amplifies the difference between the measurement potential and the reference potential (hereinafter referred to as “correction voltage”), and outputs the amplified value as the T0 signal. The T0 signal is a DC voltage signal and indicates the magnitude of the correction voltage. In other words, the T0 signal is a signal indicating the amount of change in the load voltage V5. As will be described in detail later, the wireless power transmission system 100 stabilizes the output voltage (load voltage V5) by controlling the feed power so that the correction voltage becomes a predetermined value. In the present embodiment, the resistors R1 and R2 and the reference potential are set so that the correction voltage is 2.5 (V) when the load voltage V5 is the target value of 24 (V). The control power supply VS is a variable DC voltage source and can be arbitrarily adjusted in voltage.

信号生成回路122は、直流電圧信号のT0信号を交流電圧信号のT4信号に変換する。T4信号は、出力電圧の大きさを示す「出力信号」であり、オペアンプ110により増幅されたあと、送信コイルL6から受信コイルL5にT11信号として送信される。T11信号により、給電側は補正電圧の大きさを認識できる。信号生成回路122の回路構成および処理内容は、図7、図8、図9に関連して後述する。   The signal generation circuit 122 converts the DC voltage signal T0 signal into an AC voltage signal T4 signal. The T4 signal is an “output signal” indicating the magnitude of the output voltage, and after being amplified by the operational amplifier 110, is transmitted from the transmission coil L6 to the reception coil L5 as the T11 signal. From the T11 signal, the power supply side can recognize the magnitude of the correction voltage. The circuit configuration and processing contents of the signal generation circuit 122 will be described later with reference to FIGS. 7, 8, and 9.

次に、送電制御回路200の構成を説明する。まず、ゲート駆動用トランスT1の一次側にVCO(Voltage Controlled Oscillator)202が接続される。VCO202は、駆動周波数foの交流電圧VOを発生させる「オシレータ」として機能する。交流電圧VOの波形は正弦波でもよいが、ここでは矩形波(デジタル波形)であるとして説明する。交流電圧VOにより、トランスT1一次コイルLhには正負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T1二次コイルLgにも正負の両方向に交互に電流が流れる。   Next, the configuration of the power transmission control circuit 200 will be described. First, a VCO (Voltage Controlled Oscillator) 202 is connected to the primary side of the gate driving transformer T1. The VCO 202 functions as an “oscillator” that generates an AC voltage VO having a drive frequency fo. Although the waveform of the AC voltage VO may be a sine wave, it will be described here as a rectangular wave (digital waveform). Due to the AC voltage VO, current flows alternately through the transformer T1 primary coil Lh in both positive and negative directions. The transformer T1 primary coil Lh, the transformer T1 secondary coil Lf, and the transformer T1 secondary coil Lg form a coupling transformer T1 for driving a gate. Due to the electromagnetic induction, current flows alternately in both the positive and negative directions in the transformer T1 secondary coil Lf and the transformer T1 secondary coil Lg.

本実施形態におけるVCO202は、モトローラ社:製品番号MC14046Bの内蔵ユニットを利用している。VCO202は、位相比較回路150から出力される位相差指示電圧SC(後述)に基づいて駆動周波数foを動的に変化させる機能も備える。   The VCO 202 in this embodiment uses a built-in unit of Motorola: product number MC14046B. The VCO 202 also has a function of dynamically changing the drive frequency fo based on a phase difference indicating voltage SC (described later) output from the phase comparison circuit 150.

駆動周波数foの最小値はfo1=101kHz、最大値はfo2=110kHzであるとして説明する。位相差指示電圧SCの適正範囲は、1.0〜4.0(V)である。位相差指示電圧SCと駆動周波数foは正比例する。すなわち、位相差指示電圧SC=1.0(V)のとき駆動周波数fo=fo1=101kHzであり、SC=4.0(V)のときfo=fo2=110kHzとなる。   The description will be made assuming that the minimum value of the drive frequency fo is fo1 = 101 kHz and the maximum value is fo2 = 110 kHz. The appropriate range of the phase difference indicating voltage SC is 1.0 to 4.0 (V). The phase difference indicating voltage SC and the drive frequency fo are directly proportional. That is, when the phase difference indicating voltage SC = 1.0 (V), the drive frequency fo = fo1 = 101 kHz, and when SC = 4.0 (V), fo = fo2 = 110 kHz.

送電制御回路200の電源となるのは、直流電源VDDにより充電されるキャパシタCA、CBである。キャパシタCAは図2に示す点Cと点Eの間、キャパシタCBは点Eと点Dの間に設けられる。キャパシタCAの電圧(CE間の電圧)をVA、キャパシタCBの電圧(ED間の電圧)をVBとすると、VA+VB(CD間の電圧)が入力電圧となる。キャパシタCAおよびCBは直流電圧源として機能する。   The power sources of the power transmission control circuit 200 are capacitors CA and CB that are charged by the DC power source VDD. The capacitor CA is provided between the points C and E shown in FIG. 2 and the capacitor CB is provided between the points E and D. When the voltage of the capacitor CA (voltage between CE) is VA and the voltage of the capacitor CB (voltage between ED) is VB, VA + VB (voltage between CD) is the input voltage. Capacitors CA and CB function as a DC voltage source.

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Qのゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタQ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Qのゲートと接続され、他端はスイッチングトランジスタQのソースと接続される。VCO202が駆動周波数foにて交流電圧VOを発生させると、スイッチングトランジスタQとスイッチングトランジスタQ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。このため、スイッチングトランジスタQとスイッチングトランジスタQは駆動周波数foにて交互にオン・オフする。スイッチングトランジスタQとスイッチングトランジスタQ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。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。 One end of the transformer T1 secondary coil Lf is connected to the gate of the switching transistor Q 1, and the other end is connected to the source of a switching transistor Q 1. One end of the transformer T1 secondary coil Lg is connected to the other gate of the switching transistor Q 2, the other end is connected to the source of a switching transistor Q 2. When VCO202 generates AC voltage VO at drive frequency fo, to the gates of the switching transistors Q 1, a switching transistor Q 2, voltage Vx (Vx> 0) is alternately applied at the drive frequency fo. Therefore, the switching transistor Q 1, a switching transistor Q 2 is turned on and off alternately at the drive frequency fo. While the switching transistor Q 1, a switching transistor Q 2 is an enhancement-type MOSFET having the same characteristics (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) , it may be other transistors such as a bipolar transistor. Other switches such as a relay switch may be used instead of the transistor.

スイッチングトランジスタQのドレインは、キャパシタCAの正極に接続される。キャパシタCAの負極は、トランスT2一次コイルLbを介してスイッチングトランジスタQのソースに接続される。スイッチングトランジスタQのソースは、キャパシタCBの負極に接続される。キャパシタCBの正極は、トランスT2一次コイルLbを介して、スイッチングトランジスタQのドレインに接続される。 The drain of the switching transistor Q 1 is, is connected to the positive electrode of the capacitor CA. The negative electrode of the capacitor CA is connected to the source of the switching transistor Q 1 via the transformer T2 primary coil Lb. The source of the switching transistor Q 2 are connected to the negative electrode of the capacitor CB. The positive electrode of the capacitor CB through the transformer T2 primary coil Lb, is connected to the drain of the switching transistor Q 2.

スイッチングトランジスタQ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Q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Q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Q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。ソース・ドレイン電流IDS1、IDS2については、同図矢印に示す方向を正方向、反対方向を負方向とする。 The switching transistor to Q 1 source-drain voltage source-drain voltage V DS1 of, referred to as a switching transistor Q source-drain voltage V DS2 a voltage between the source and drain of 2. Further, the switching transistor to Q 1 source the current flowing between drain source drain current I DS1, the switching transistor Q 2 of the source-drain source-drain current the current flowing through the I DS2. For the source / drain currents I DS1 and I DS2 , the direction indicated by the arrow in the figure is the positive direction, and the opposite direction is the negative direction.

スイッチングトランジスタQが導通(オン)するとき、スイッチングトランジスタQ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、キャパシタCAの正極から点C、スイッチングトランジスタQ、トランスT2一次コイルLb、点Eを経由して負極に帰還する経路となる。スイッチングトランジスタQ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。 When the switching transistor Q 1 is turned conductive (ON), the switching transistor Q 2 is turned non-conductive (OFF). The main current path at this time (hereinafter referred to as “first current path”) returns from the positive electrode of the capacitor CA to the negative electrode via the point C, the switching transistor Q 1 , the transformer T2 primary coil Lb, and the point E. It becomes a route. The switching transistor Q 1 is, functions as a switch for controlling conduction and non-conduction of the first current path.

スイッチングトランジスタQが導通(オン)するとき、スイッチングトランジスタQ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、キャパシタCBの正極から点E、トランスT2一次コイルLb、スイッチングトランジスタQ、点Dを経由して負極に帰還する経路となる。スイッチングトランジスタQ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。 When the switching transistor Q 2 is turned conductive (ON), the switching transistor Q 1 is turned non-conductive (OFF). The main current path at this time (hereinafter referred to as “second current path”) returns from the positive electrode of the capacitor CB to the negative electrode via the point E, the transformer T2 primary coil Lb, the switching transistor Q 2 , and the point D. It becomes a route. The switching transistor Q 2 is, functions as a switch for controlling conduction and non-conduction of the second current path.

送電制御回路200においてトランスT2一次コイルLbを流れる電流を「電流IS」とよぶ。電流ISは交流電流であり、第1電流経路を流れるときを正方向、第2電流経路を流れるときを負方向とよぶ。   In the power transmission control circuit 200, the current flowing through the transformer T2 primary coil Lb is referred to as “current IS”. The current IS is an alternating current, and the time when it flows through the first current path is called the positive direction, and the time when it flows through the second current path is called the negative direction.

VCO202が駆動周波数foにて交流電圧VOを供給すると、第1電流経路と第2電流経路が駆動周波数foにて交互に切り替わる。駆動周波数foの交流電流ISがトランスT2一次コイルLbを流れるため、給電コイル回路120にも駆動周波数foにて交流電流I2が流れる。駆動周波数foが共振周波数fr1に近いほど、電力伝送効率は高くなる。駆動周波数fo=共振周波数fr1であれば、給電コイル回路120の給電コイルL2とキャパシタC2は共振状態となる。受電コイル回路130も共振周波数fr1の共振回路の一部であるから、給電コイルL2と受電コイルL3は磁気的に共振する。このとき、電力伝送効率は最大となる。   When the VCO 202 supplies the AC voltage VO at the drive frequency fo, the first current path and the second current path are alternately switched at the drive frequency fo. Since the alternating current IS having the driving frequency fo flows through the transformer T2 primary coil Lb, the alternating current I2 also flows through the power feeding coil circuit 120 at the driving frequency fo. The closer the drive frequency fo is to the resonance frequency fr1, the higher the power transmission efficiency. If driving frequency fo = resonance frequency fr1, the feeding coil L2 and the capacitor C2 of the feeding coil circuit 120 are in a resonance state. Since the receiving coil circuit 130 is also a part of the resonance circuit having the resonance frequency fr1, the feeding coil L2 and the receiving coil L3 are magnetically resonated. At this time, the power transmission efficiency is maximized.

ただし、本実施形態の場合、駆動周波数foの動作範囲には共振周波数fr1は含まれないため、電力伝送効率が最大となることはない。これは電力伝送効率を最大化するよりも、負荷電圧V5の安定を優先しているためである。負荷電圧V5の変化は補正電圧により検出できるため、ワイヤレス給電装置116は補正電圧がゼロとなるように駆動周波数foを自動調整する。詳細については後述する。   However, in the case of the present embodiment, the resonance frequency fr1 is not included in the operating range of the drive frequency fo, so that the power transmission efficiency does not become maximum. This is because the stability of the load voltage V5 is given priority over maximizing the power transmission efficiency. Since the change in the load voltage V5 can be detected by the correction voltage, the wireless power feeder 116 automatically adjusts the drive frequency fo so that the correction voltage becomes zero. Details will be described later.

共振周波数fr1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。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fr1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fr1を積極的に変化させたい場合もあるかもしれない。また、本発明者の実験により、給電コイルL2と受電コイルL3のコイル間距離をある程度近づけると共振周波数fr1が低下し始めることがわかっている。共振周波数fr1と駆動周波数foの差が変化すると電力伝送効率が変化する。電力伝送効率が変化すると、負荷電圧V5が変化する。したがって、負荷電圧V5を安定させるためには、共振周波数fr1が変化したときでも、共振周波数fr1と駆動周波数foの差を一定に保つ必要がある。   The resonance frequency fr1 slightly changes depending on the use state and use environment of the power feeding coil circuit 120 and the power receiving coil circuit 130. The resonance frequency fr1 also changes when the feeding coil circuit 120 and the receiving coil circuit 130 are replaced. Alternatively, there may be a case where it is desired to positively change the resonance frequency fr1 by making the capacitances of the capacitors C2 and C3 variable. Further, it has been found from the experiment by the present inventor that the resonance frequency fr1 starts to decrease when the distance between the feeding coil L2 and the receiving coil L3 is reduced to some extent. When the difference between the resonance frequency fr1 and the drive frequency fo changes, the power transmission efficiency changes. When the power transmission efficiency changes, the load voltage V5 changes. Therefore, in order to stabilize the load voltage V5, it is necessary to keep the difference between the resonance frequency fr1 and the drive frequency fo constant even when the resonance frequency fr1 changes.

給電コイル回路120には検出コイルLSSが設けられる。検出コイルLSSは、貫通孔を有するコア154(トロイダルコア)にNS回巻き付けられたコイルである。コア154の材質はフェライト、珪素鋼板、パーマロイ(permalloy)等の既知材料である。本実施形態における検出コイルLSSの巻き数NSは100回である。 Detection coil L SS is provided on the feeding coil circuit 120. The detection coil L SS is a coil wound NS times around a core 154 (toroidal core) having a through hole. The material of the core 154 is a known material such as ferrite, a silicon steel plate, or permalloy. Turns NS of the detection coil L SS in this embodiment is 100 times.

給電コイル回路120の電流経路の一部もコア154の貫通孔を貫通している。これは、コア154に対する給電コイル回路120の巻き数NPが1回であることを意味する。このような構成により、検出コイルLSSと給電コイルL2は結合トランスを形成する。給電コイルL2の交流電流I2が発生させる交流磁界により、検出コイルLSSには同相の誘導電流ISSが流れる。等アンペア・ターンの法則により、誘導電流ISSの大きさは、I2・(NP/NS)となる。 A part of the current path of the feeding coil circuit 120 also passes through the through hole of the core 154. This means that the number of turns NP of the feeding coil circuit 120 with respect to the core 154 is one. With such a configuration, the detection coil LSS and the feeding coil L2 form a coupling transformer. An in-phase induction current I SS flows through the detection coil L SS due to the AC magnetic field generated by the AC current I2 of the feeding coil L2. According to the equal ampere-turn law, the magnitude of the induced current I SS is I 2 · (NP / NS).

検出コイルLSSの両端には抵抗R4が接続される。抵抗R4の一端Bは接地され、他端Aはオペアンプ142等を介して位相比較回路150に接続される。 Resistor R4 is connected to both ends of the detection coil L SS. One end B of the resistor R4 is grounded, and the other end A is connected to the phase comparison circuit 150 via the operational amplifier 142 or the like.

電位VSSは、オペアンプ142とダイオードD2によって2値化され、S1信号となる。オペアンプ142は電位VSSが第1の閾値、たとえば、0.1(V)より大きくなると飽和電圧3.0(V)を出力し、第2の閾値、たとえば、−0.1(V)より小さくなると飽和電圧−3.0(V)を出力する。ダイオードD2によって負成分をカットすることにより、電位VSSはデジタル波形のS1信号に変換される。電流I2と誘導電流ISSは同相であり、誘導電流ISSと電位VSSは同相である。また、送電制御回路200を流れる交流電流ISは電流I2と同相である。したがって、S1信号の波形を観察することにより交流電流ISの電流位相を計測できる。 The potential VSS is binarized by the operational amplifier 142 and the diode D2, and becomes the S1 signal. Operational amplifier 142 and the potential V SS is the first threshold value, for example, and outputs the 0.1 increase the saturation voltage from (V) 3.0 (V), a second threshold value, for example, from -0.1 (V) When it becomes smaller, a saturation voltage of -3.0 (V) is output. By cutting the negative component by the diode D2, the potential VSS is converted into a digital waveform S1 signal. The current I2 and the induced current I SS are in phase, and the induced current I SS and the potential V SS are in phase. The alternating current IS flowing through the power transmission control circuit 200 is in phase with the current I2. Therefore, the current phase of the alternating current IS can be measured by observing the waveform of the S1 signal.

共振周波数fr1と駆動周波数foが一致するときには電流位相と電圧位相も一致する。共振周波数fr1と駆動周波数foのずれは、電流位相と電圧位相の位相差から計測できる。本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム100は、この位相差に基づいて、共振周波数fr1と駆動周波数foのずれを計測することにより、共振周波数fr1の変化に対して駆動周波数foを自動的に追随させる。   When the resonance frequency fr1 and the drive frequency fo coincide, the current phase and the voltage phase also coincide. The deviation between the resonance frequency fr1 and the drive frequency fo can be measured from the phase difference between the current phase and the voltage phase. The wireless power transmission system 100 according to the present embodiment automatically follows the drive frequency fo with respect to the change in the resonance frequency fr1 by measuring the difference between the resonance frequency fr1 and the drive frequency fo based on this phase difference. .

位相検出回路114は、電圧整形回路144、位相比較回路150およびローパスフィルタ152を含む。ローパスフィルタ152は、既知の回路であり、位相差指示電圧SCの高周波数成分をカットするために挿入される。本実施形態における位相比較回路150は、VCO202と同じくモトローラ社:製品番号MC14046Bの内蔵ユニット(Phase Comparator)を利用している。したがって、位相比較回路150とVCO202は、ワンチップにて実現可能である。   The phase detection circuit 114 includes a voltage shaping circuit 144, a phase comparison circuit 150, and a low pass filter 152. The low-pass filter 152 is a known circuit and is inserted to cut a high frequency component of the phase difference indicating voltage SC. The phase comparison circuit 150 in the present embodiment uses a built-in unit (Phase Comparator) of Motorola: product number MC14046B, similar to the VCO 202. Therefore, the phase comparison circuit 150 and the VCO 202 can be realized with one chip.

電流位相を示すS1信号は位相比較回路150に入力される。また、VCO202が発生させる交流電圧VOは、電圧整形回路144によりその電圧波形を整形されたあと(後述)、電圧位相を示すT8信号として位相比較回路150に入力される。位相比較回路150は、S1、T8信号から電流位相と電圧位相のずれ(位相差)を検出し、位相差の大きさを示す位相差指示電圧SCを生成する。位相差の検出により、共振周波数fr1と駆動周波数foのずれの大きさを検出する。位相差指示電圧SCにしたがって駆動周波数foを制御することにより、駆動周波数foと共振周波数fr1の位相差を一定に保つことができる。   The S1 signal indicating the current phase is input to the phase comparison circuit 150. Further, the AC voltage VO generated by the VCO 202 is shaped into a voltage waveform by the voltage shaping circuit 144 (described later), and then input to the phase comparison circuit 150 as a T8 signal indicating a voltage phase. The phase comparison circuit 150 detects a deviation (phase difference) between the current phase and the voltage phase from the S1 and T8 signals, and generates a phase difference indicating voltage SC indicating the magnitude of the phase difference. By detecting the phase difference, the magnitude of the deviation between the resonance frequency fr1 and the drive frequency fo is detected. By controlling the drive frequency fo according to the phase difference indicating voltage SC, the phase difference between the drive frequency fo and the resonance frequency fr1 can be kept constant.

たとえば、駆動周波数foと共振周波数fr1が乖離すると位相差が大きくなるため、位相比較回路150はこの位相差を小さくするように位相差指示電圧SCを発生させればよい。したがって、共振周波数fr1が変化しても、電力伝送効率を一定に保ち、負荷電圧V5を安定させることができる。電圧整形回路144および信号調整回路112の回路構成については図11、S1信号とT8信号の関係については図15に関連して後に詳述する。   For example, since the phase difference increases when the drive frequency fo and the resonance frequency fr1 deviate, the phase comparison circuit 150 may generate the phase difference indicating voltage SC so as to reduce this phase difference. Therefore, even if the resonance frequency fr1 changes, the power transmission efficiency can be kept constant and the load voltage V5 can be stabilized. The circuit configurations of the voltage shaping circuit 144 and the signal adjustment circuit 112 will be described later in detail with reference to FIG. 11, and the relationship between the S1 signal and the T8 signal will be described in detail with reference to FIG.

なお、トランスT1一次コイルLhの両端に抵抗を並列接続し、交流電圧VOを分圧してS2信号としてもよい。分圧により、VCO202の発生させる交流電圧VOが大きい場合でも、扱いやすい電圧に降圧できる。ソース・ドレイン電圧VDS1、VDS2や、ソース・ゲート電圧VGS1、VGS2などから電圧位相を計測してもよい。 A resistor may be connected in parallel to both ends of the transformer T1 primary coil Lh, and the AC voltage VO may be divided into the S2 signal. Even if the AC voltage VO generated by the VCO 202 is large, the voltage can be lowered to a manageable voltage by dividing the voltage. The voltage phase may be measured from the source / drain voltages V DS1 and V DS2 and the source / gate voltages V GS1 and V GS2 .

また、たとえ共振周波数fr1が一定であっても、負荷電圧V5が変化することがある。たとえば、負荷LDが可変抵抗器であるときや負荷LD自体を取り替えたときに負荷電圧V5は変化する。本実施形態では、負荷電圧V5の変化を補正電圧の変化として検出し、補正電圧がゼロとなるように駆動周波数foを自動調整することにより、負荷電圧V5を安定させる。   Further, even if the resonance frequency fr1 is constant, the load voltage V5 may change. For example, the load voltage V5 changes when the load LD is a variable resistor or when the load LD itself is replaced. In the present embodiment, a change in the load voltage V5 is detected as a change in the correction voltage, and the drive frequency fo is automatically adjusted so that the correction voltage becomes zero, thereby stabilizing the load voltage V5.

補正電圧の大きさは、T11信号(交流磁場信号)として、送信コイルL6から受信コイルL5に伝達される。受信コイルL5は、交流磁場信号であるT11信号を交流電圧信号T5として検出し、信号調整回路112に供給する。信号調整回路112は、交流電圧信号T5を直流電圧信号T6に変換する。T6信号の信号レベルと負荷電圧V5には正相関関係がある。T5信号からT6信号への変換過程については、図13に関連して後に詳述する。   The magnitude of the correction voltage is transmitted from the transmission coil L6 to the reception coil L5 as a T11 signal (AC magnetic field signal). The receiving coil L5 detects the T11 signal, which is an AC magnetic field signal, as an AC voltage signal T5 and supplies it to the signal adjustment circuit 112. The signal adjustment circuit 112 converts the AC voltage signal T5 into a DC voltage signal T6. There is a positive correlation between the signal level of the T6 signal and the load voltage V5. The conversion process from the T5 signal to the T6 signal will be described later in detail with reference to FIG.

コンパレータ128の正極端子には電圧整形回路144から出力されるT7信号(電圧位相)が入力され、負極端子には信号調整回路112から出力されるT6信号(補正電圧を示す信号)が入力される。コンパレータ128により、T7信号はT6信号により位相調整され、補正電圧位相としてのT8信号(交流電圧信号)が出力される。   The T7 signal (voltage phase) output from the voltage shaping circuit 144 is input to the positive terminal of the comparator 128, and the T6 signal (signal indicating the correction voltage) output from the signal adjustment circuit 112 is input to the negative terminal. . The comparator 128 adjusts the phase of the T7 signal with the T6 signal, and outputs a T8 signal (AC voltage signal) as a correction voltage phase.

負荷電圧V5が所望値である24(V)のとき、すなわち、補正電圧が2.5(V)のとき、T6信号は所定値(以下、「平衡値」とよぶ)となる。T8信号の位相は平衡値により補正され、T7信号の位相よりも遅れる。位相比較回路150は、交流電力の電圧位相と電流位相の位相差をS1信号とT8信号(=T7信号)に基づいて検出し、位相差指示電圧SCを出力する。VCO202は、位相差指示電圧SCに基づいて、駆動周波数foを調整する。より具体的には、VCO202は交流電圧VOのパルス幅を変化させることにより、駆動周波数foを変化させる。   When the load voltage V5 is a desired value of 24 (V), that is, when the correction voltage is 2.5 (V), the T6 signal has a predetermined value (hereinafter referred to as “balanced value”). The phase of the T8 signal is corrected by the equilibrium value and is delayed from the phase of the T7 signal. The phase comparison circuit 150 detects the phase difference between the voltage phase and the current phase of the AC power based on the S1 signal and the T8 signal (= T7 signal), and outputs the phase difference indicating voltage SC. The VCO 202 adjusts the drive frequency fo based on the phase difference indicating voltage SC. More specifically, the VCO 202 changes the drive frequency fo by changing the pulse width of the AC voltage VO.

補正電圧が2.5(V)でないときにも、位相比較回路150は、交流電力の電圧位相と電流位相の位相差をS1信号とT8信号に基づいて検出し、位相差指示電圧SCを出力する。補正電圧が2.5(V)よりも高いときには、T8信号の位相は更に遅れる。一方、補正電圧が2.5(V)よりも低いときには、T8信号の位相は進む。いずれにしても、T8信号は、T7信号をT6信号に応じて位相調整した信号であるため、実際の電圧位相を示す信号ではない。補正電圧に基づく調整ロジックについては、図15に関連して更に詳述する。   Even when the correction voltage is not 2.5 (V), the phase comparison circuit 150 detects the phase difference between the voltage phase and the current phase of the AC power based on the S1 signal and the T8 signal, and outputs the phase difference indicating voltage SC. To do. When the correction voltage is higher than 2.5 (V), the phase of the T8 signal is further delayed. On the other hand, when the correction voltage is lower than 2.5 (V), the phase of the T8 signal advances. In any case, since the T8 signal is a signal obtained by adjusting the phase of the T7 signal according to the T6 signal, it is not a signal indicating the actual voltage phase. The adjustment logic based on the correction voltage will be described in more detail with reference to FIG.

図3は、各コイルの構造図である。まず、給電側においては、実際には、給電コイルL2の内側に受信コイルL5が収められている。いいかえれば、給電コイルL2のコイル平面と受信コイルL5のコイル平面は一致している。給電コイルL2は受電コイルL3に向けて給電電力を送出するためのコイルであり、受信コイルL5は送信コイルL6からT11信号を受信するためのコイルである。受信コイルL5の巻き数は1回、導体直径は5mm、受信コイルL5自体の形状は260mm×260mmの正方形である。   FIG. 3 is a structural diagram of each coil. First, on the power feeding side, the receiving coil L5 is actually housed inside the power feeding coil L2. In other words, the coil plane of the feeding coil L2 and the coil plane of the receiving coil L5 coincide. The feeding coil L2 is a coil for sending feeding power toward the receiving coil L3, and the receiving coil L5 is a coil for receiving the T11 signal from the sending coil L6. The number of turns of the receiving coil L5 is one, the conductor diameter is 5 mm, and the shape of the receiving coil L5 itself is a square of 260 mm × 260 mm.

受電側においては、受電コイルL3の内側に送信コイルL6が収められる。また、受電コイルL3の外側にロードコイルL4が設置される。すなわち、受電コイルL3、ロードコイルL4、送信コイルL6のコイル平面は同一である。受電コイルL3は給電電力を受電するためのコイルであり、送信コイルL6はT11信号を送信するためのコイルである。送信コイルL6の巻き数は1回、導体直径は5mm、送信コイルL6自体の形状は260mm×260mmの正方形である。   On the power reception side, the transmission coil L6 is housed inside the power reception coil L3. A load coil L4 is installed outside the power receiving coil L3. That is, the coil planes of the power reception coil L3, the load coil L4, and the transmission coil L6 are the same. The receiving coil L3 is a coil for receiving the supplied power, and the transmitting coil L6 is a coil for transmitting the T11 signal. The number of turns of the transmission coil L6 is 1, the conductor diameter is 5 mm, and the shape of the transmission coil L6 itself is a square of 260 mm × 260 mm.

このように、本実施形態においては、給電コイルL2、受信コイルL5、ロードコイルL4、受電コイルL3、送信コイルL6は互いに中心軸が一致している。受信コイルL5は形状が単純であり、給電コイルL2と一体的かつコンパクトに形成できる。同様に、送信コイルL6も形状が単純であり、受電コイルL3やロードコイルL4と一体的かつコンパクトに形成できる。   Thus, in the present embodiment, the central axes of the power feeding coil L2, the receiving coil L5, the load coil L4, the power receiving coil L3, and the transmitting coil L6 coincide with each other. The receiving coil L5 has a simple shape and can be formed integrally and compactly with the feeding coil L2. Similarly, the transmitting coil L6 has a simple shape and can be formed integrally and compactly with the power receiving coil L3 and the load coil L4.

図4は、負荷電流I5と負荷電圧V5の関係を示すグラフである。横軸は負荷LDを流れる負荷電流I5(直流)の大きさを示し、縦軸は負荷電圧V5を示す。非調整時特性134は、補正電圧に基づく調整をしない場合の電流・電圧特性を示す。非調整時特性134の場合、負荷LDが大きくなると負荷電流I5は減少し、負荷電圧V5は増加する。反対に負荷LDが小さくなると負荷電流I5は増加し、負荷電圧V5は減少する。このように、給電電力が一定であっても負荷LDを変更すると負荷電圧V5も変化する。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between the load current I5 and the load voltage V5. The horizontal axis indicates the magnitude of the load current I5 (direct current) flowing through the load LD, and the vertical axis indicates the load voltage V5. The non-adjustment characteristic 134 indicates a current / voltage characteristic when the adjustment based on the correction voltage is not performed. In the case of the non-adjustment characteristic 134, when the load LD increases, the load current I5 decreases and the load voltage V5 increases. Conversely, when the load LD becomes smaller, the load current I5 increases and the load voltage V5 decreases. In this way, even if the supplied power is constant, when the load LD is changed, the load voltage V5 also changes.

非調整時特性134の場合、負荷電流I5が0(A)のときには、負荷電圧V5が60(V)程度まで上昇する可能性があり、場合によっては負荷LDの定格値を超えてしまう可能性がある。   In the case of the non-adjustment characteristic 134, when the load current I5 is 0 (A), the load voltage V5 may increase to about 60 (V), and in some cases, the rated value of the load LD may be exceeded. There is.

本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム100は、調整時特性136に示す電流・電圧特性を実現する。具体的には、補正電圧に基づいてT8信号を調整することにより、電力伝送効率を変化させ、負荷電圧V5を安定させる。   The wireless power transmission system 100 according to the present embodiment realizes the current / voltage characteristics indicated by the characteristics 136 at the time of adjustment. Specifically, by adjusting the T8 signal based on the correction voltage, the power transmission efficiency is changed and the load voltage V5 is stabilized.

図5は、コイル間距離dと負荷電圧V5の関係を示すグラフである。横軸は給電コイルL2と受電コイルL3のコイル間距離d、縦軸は負荷電圧V5を示す。非調整時特性146は、補正電圧に基づく調整をしない場合の電圧・距離特性を示す。先述したように、コイル間距離dによって共振周波数fr1が変化する。共振周波数fr1が変化し、駆動周波数foと共振周波数fr1の差が変化すると、電力伝送効率が変化する。共振周波数fr1に駆動周波数foを追随させても、負荷電圧V5はコイル間距離dによって多少変化する。   FIG. 5 is a graph showing the relationship between the inter-coil distance d and the load voltage V5. The horizontal axis represents the inter-coil distance d between the power feeding coil L2 and the power receiving coil L3, and the vertical axis represents the load voltage V5. The non-adjustment characteristic 146 indicates a voltage / distance characteristic when adjustment based on the correction voltage is not performed. As described above, the resonance frequency fr1 varies depending on the inter-coil distance d. When the resonance frequency fr1 changes and the difference between the drive frequency fo and the resonance frequency fr1 changes, the power transmission efficiency changes. Even if the drive frequency fo is made to follow the resonance frequency fr1, the load voltage V5 slightly changes depending on the inter-coil distance d.

本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム100は、調整時特性148に示す電圧・距離特性を実現する。補正電圧に基づいてT8信号を調整することにより、電力伝送効率を変化させ、負荷電圧V5を安定させる。   The wireless power transmission system 100 according to the present embodiment realizes the voltage / distance characteristic indicated by the adjustment characteristic 148. By adjusting the T8 signal based on the correction voltage, the power transmission efficiency is changed and the load voltage V5 is stabilized.

図6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(キャパシタC2と給電コイルL2の直列回路)のインピーダンスZを示す。横軸は駆動周波数foを示す。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。 FIG. 6 is a graph showing the relationship between the impedance Z of the feeding coil circuit 120 and the drive frequency fo. The vertical axis represents the impedance Z of the feeding coil circuit 120 (a series circuit of the capacitor C2 and the feeding coil L2). The horizontal axis indicates the drive frequency fo. The impedance Z becomes the minimum value Z min during resonance. Ideally, Z min = 0 at the time of resonance, but since the feed coil circuit 120 includes some resistance component, Z min is not normally zero.

駆動周波数fo=共振周波数fr1となるとき、インピーダンスZは最低となり、キャパシタC2と給電コイルL2は共振状態となる。駆動周波数foが共振周波数fr1よりも小さくなると容量性リアクタンスが優勢となるため、インピーダンスZが大きくなり、電流位相は電圧位相に対して進む。反対に駆動周波数foが共振周波数fr1よりも大きくなると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が大きくなり、電流位相は電圧位相に対して遅れる。   When the drive frequency fo = the resonance frequency fr1, the impedance Z is the lowest, and the capacitor C2 and the feeding coil L2 are in a resonance state. When the drive frequency fo becomes lower than the resonance frequency fr1, the capacitive reactance becomes dominant, so that the impedance Z increases and the current phase advances with respect to the voltage phase. On the contrary, when the drive frequency fo becomes higher than the resonance frequency fr1, the inductive reactance becomes dominant, so that the impedance Z increases and the current phase is delayed with respect to the voltage phase.

駆動周波数foと共振周波数fr1が乖離するほどインピーダンスZは大きくなり、電力伝送効率は低下する。したがって、駆動周波数foと共振周波数fr1の差を変化させることにより、電力伝送効率を変化させることができる。   The impedance Z increases as the drive frequency fo and the resonance frequency fr1 deviate, and the power transmission efficiency decreases. Therefore, the power transmission efficiency can be changed by changing the difference between the drive frequency fo and the resonance frequency fr1.

図7は、信号生成回路122の回路図である。信号生成回路122は、合成回路168、VF変換器170および基準信号発生回路172を含む。計測回路126は、補正電圧を示すT0信号(直流電圧信号)をVF変換器170に送る。VF変換器170は、デューティ比50%のパルス信号であるT1信号(交流電圧信号)を発生させる。T1信号の信号周波数fs1は、T0信号(補正電圧)に応じて0.9〜1.1kHzの範囲で変化する。図8は、VF変換器170における信号周波数fs1とT0信号の関係を示すグラフである。   FIG. 7 is a circuit diagram of the signal generation circuit 122. The signal generation circuit 122 includes a synthesis circuit 168, a VF converter 170, and a reference signal generation circuit 172. The measurement circuit 126 sends a T0 signal (DC voltage signal) indicating the correction voltage to the VF converter 170. The VF converter 170 generates a T1 signal (AC voltage signal) that is a pulse signal with a duty ratio of 50%. The signal frequency fs1 of the T1 signal changes in the range of 0.9 to 1.1 kHz according to the T0 signal (correction voltage). FIG. 8 is a graph showing the relationship between the signal frequency fs1 and the T0 signal in the VF converter 170.

基準信号発生回路172は、基準周波数fs2の交流電圧信号T2を発生させる。本実施形態における基準周波数fs2は10MHzであり、共振周波数fr1や信号周波数fs1に比べると格段に高く設定される。合成回路168は、基準周波数fs2のT2信号と信号周波数fs1のT1信号に基づいて、交流電圧信号T4を発生させる。T4信号は、受電側における出力の大きさを示す「出力信号」である。T4信号は、オペアンプ110により増幅された後、送信コイルL6によりワイヤレス給電装置116に向けて送信される。T4信号により、給電側は補正電圧の大きさ、いいかえれば負荷電圧V5の変動量を認識できる。   The reference signal generation circuit 172 generates an AC voltage signal T2 having a reference frequency fs2. The reference frequency fs2 in the present embodiment is 10 MHz, and is set to be significantly higher than the resonance frequency fr1 and the signal frequency fs1. The synthesis circuit 168 generates an AC voltage signal T4 based on the T2 signal having the reference frequency fs2 and the T1 signal having the signal frequency fs1. The T4 signal is an “output signal” indicating the magnitude of output on the power receiving side. The T4 signal is amplified by the operational amplifier 110 and then transmitted to the wireless power feeder 116 by the transmission coil L6. From the T4 signal, the power feeding side can recognize the magnitude of the correction voltage, in other words, the amount of change in the load voltage V5.

図9は、T1、T2およびT3信号の関係を示すタイムチャートである。T1信号はデューティ比50パーセント、信号周波数fs1のパルス信号であり、t0〜t1、t1〜t2、・・・を単位期間とする。信号周波数fs1は、T0信号のレベルによって可変である。いいかえれば、T0信号によって単位期間の長さが変化する。T1信号がハイレベルの期間を「有効期間」、ローレベルの期間を「無効期間」とよぶ。T2信号は、デューティ比50パーセント、基準周波数fs2=10MHzという高周波数の交流電圧信号である。T2信号は正弦波でもよいが、ここでは矩形波(デジタル波形)であるとして説明する。合成回路168は、有効期間中に限り、T2信号をT4信号として通過させる。すなわち、T1信号とT2信号の論理積がT4信号である。したがって、T4信号は信号周波数fs1成分と基準周波数fs2成分を含む交流電圧信号となる。   FIG. 9 is a time chart showing the relationship between the T1, T2 and T3 signals. The T1 signal is a pulse signal having a duty ratio of 50% and a signal frequency fs1, and t0 to t1, t1 to t2,. The signal frequency fs1 is variable depending on the level of the T0 signal. In other words, the length of the unit period is changed by the T0 signal. A period when the T1 signal is at a high level is referred to as an “effective period”, and a period at which the T1 signal is at a low level is referred to as an “invalid period”. The T2 signal is a high-frequency AC voltage signal having a duty ratio of 50% and a reference frequency fs2 = 10 MHz. The T2 signal may be a sine wave, but here it will be described as a rectangular wave (digital waveform). The synthesis circuit 168 passes the T2 signal as the T4 signal only during the valid period. That is, the logical product of the T1 signal and the T2 signal is the T4 signal. Therefore, the T4 signal is an AC voltage signal including a signal frequency fs1 component and a reference frequency fs2 component.

T4信号は、オペアンプ110により増幅され、送信コイルL6からT11信号として受信コイルL5に向けて送出される。有効期間と無効期間のデューティ比は変わらないが、単位期間の長さは補正電圧によって変化する。補正電圧が低いほど(負荷電圧V5が高いほど)信号周波数fs1は高くなる(図7参照)。   The T4 signal is amplified by the operational amplifier 110 and sent from the transmission coil L6 to the reception coil L5 as the T11 signal. The duty ratio between the valid period and the invalid period does not change, but the length of the unit period varies depending on the correction voltage. The lower the correction voltage (the higher the load voltage V5), the higher the signal frequency fs1 (see FIG. 7).

図10は、給電コイルL2と受電コイルL3の間において発生する電磁場の波形を模式的に示す図である。電力波形138は、給電コイルL2から受電コイルL3へ給電される交流電力の波形を示す。電力波形138の周波数は、共振周波数fr1=100kHzの近辺となる。信号波形156は、送信コイルL6から受信コイルL5へ送信されるT11信号の波形を示す。信号波形156の周波数は、信号周波数fs1=約1.0kHzと基準周波数fs2=10MHzである。ただし、T11信号は有効期間においてのみ基準周波数fs2の信号成分を含む。   FIG. 10 is a diagram schematically showing a waveform of an electromagnetic field generated between the feeding coil L2 and the receiving coil L3. A power waveform 138 shows a waveform of AC power fed from the feeding coil L2 to the receiving coil L3. The frequency of the power waveform 138 is in the vicinity of the resonance frequency fr1 = 100 kHz. The signal waveform 156 shows the waveform of the T11 signal transmitted from the transmission coil L6 to the reception coil L5. The frequency of the signal waveform 156 is the signal frequency fs1 = about 1.0 kHz and the reference frequency fs2 = 10 MHz. However, the T11 signal includes a signal component of the reference frequency fs2 only in the effective period.

このように、給電コイルL2と受電コイルL3の間には、電力波形138と信号波形156が重畳された電磁場が発生している。したがって、受信コイルL5が受信した電圧信号から出力信号(T11信号)のみを抽出する必要がある。   Thus, an electromagnetic field in which the power waveform 138 and the signal waveform 156 are superimposed is generated between the feeding coil L2 and the receiving coil L3. Therefore, it is necessary to extract only the output signal (T11 signal) from the voltage signal received by the receiving coil L5.

図11は、電圧整形回路144および信号調整回路112の回路図である。まず、交流電圧VOは、電圧整形回路144によりノコギリ波状のT7信号に整形される。電圧整形回路144においては、経路上に抵抗R5が間挿され、抵抗R5にはダイオードD4が並列接続される。また、経路は、キャパシタC6を介してグランド接地される。T7信号はコンパレータ128の正極端子に入力される。T7信号は本来の電圧位相を示す信号である。   FIG. 11 is a circuit diagram of the voltage shaping circuit 144 and the signal adjustment circuit 112. First, the AC voltage VO is shaped into a sawtooth T7 signal by the voltage shaping circuit 144. In the voltage shaping circuit 144, a resistor R5 is inserted on the path, and a diode D4 is connected in parallel to the resistor R5. The path is grounded via the capacitor C6. The T7 signal is input to the positive terminal of the comparator 128. The T7 signal is a signal indicating the original voltage phase.

電力波形138と信号波形156が重畳された状態にあるT5信号は、バンドパスフィルタ158により基準周波数fs1成分のみが抽出され、ダイオードD3で負成分をカットされて、T9信号となる。バンドパスフィルタ158は、機械的共振を利用したセラミックフィルタとして構成される。   In the T5 signal in which the power waveform 138 and the signal waveform 156 are superimposed, only the reference frequency fs1 component is extracted by the band pass filter 158, the negative component is cut by the diode D3, and becomes the T9 signal. The bandpass filter 158 is configured as a ceramic filter using mechanical resonance.

T9信号は、抵抗R6とキャパシタC7を含む平滑回路160により平滑され、オペアンプ162により増幅されてT10信号となる。T10信号は、デューティ比50%、信号周波数fs1にて変化するパルス状の電圧信号である。T10信号は、FV変換器164により直流電圧信号T6になる。図12は、FV変換器164における信号周波数fs1とT6信号の関係を示すグラフである。信号周波数fs1が高いほど、T6信号の電圧レベルは高く設定される。   The T9 signal is smoothed by a smoothing circuit 160 including a resistor R6 and a capacitor C7, and amplified by an operational amplifier 162 to become a T10 signal. The T10 signal is a pulsed voltage signal that changes at a duty ratio of 50% and a signal frequency fs1. The T10 signal is converted into a DC voltage signal T6 by the FV converter 164. FIG. 12 is a graph showing the relationship between the signal frequency fs1 and the T6 signal in the FV converter 164. The higher the signal frequency fs1, the higher the voltage level of the T6 signal.

図13は、T9、T10、T6信号の関係を示すタイムチャートである。T9信号は、T5信号から基準周波数fs2成分を抽出し、負成分をカットした信号である。T9信号は、T4信号を再現した信号波形を有する。ただし、送信ロス等により、T4信号に比べて振幅が小さくなっている。   FIG. 13 is a time chart showing the relationship between the T9, T10, and T6 signals. The T9 signal is a signal obtained by extracting the reference frequency fs2 component from the T5 signal and cutting the negative component. The T9 signal has a signal waveform that reproduces the T4 signal. However, the amplitude is smaller than that of the T4 signal due to transmission loss or the like.

平滑回路160は、T9信号を平滑化してT10信号を生成する。T10信号はT1信号を再現した信号である。更に、FV変換器164は、T10信号の信号周波数fs1に応じて直流電圧信号T6を生成する。T10信号の信号周波数fs1が大きいほど、T6信号の信号レベルが高くなる(図12参照)。   The smoothing circuit 160 smoothes the T9 signal and generates a T10 signal. The T10 signal is a signal that reproduces the T1 signal. Further, the FV converter 164 generates a DC voltage signal T6 according to the signal frequency fs1 of the T10 signal. The higher the signal frequency fs1 of the T10 signal, the higher the signal level of the T6 signal (see FIG. 12).

まとめると、負荷電圧V5が高くなると補正電圧が高くなるため、コンパレータ132の負極端子に入力される電圧レベルが高くなる。この結果、T0信号(直流電圧信号)の信号レベルは低くなる。T0信号の信号レベルが低くなると、T1信号の信号周波数fs1が高くなる。この結果、T10信号の信号周波数fs1が高くなり、T6信号(直流電圧信号)の信号レベルも高くなる。   In summary, since the correction voltage increases as the load voltage V5 increases, the voltage level input to the negative terminal of the comparator 132 increases. As a result, the signal level of the T0 signal (DC voltage signal) is lowered. When the signal level of the T0 signal decreases, the signal frequency fs1 of the T1 signal increases. As a result, the signal frequency fs1 of the T10 signal is increased, and the signal level of the T6 signal (DC voltage signal) is also increased.

図14は、T6、T7、T8信号の関係を示すタイムチャートである。デジタル信号のVO信号は、電圧整形回路144によりノコギリ波状のT7信号に整形される。T7信号は駆動周波数foの交流電圧信号であり、電圧位相を示すための信号である。T7信号は時刻t10から上昇し、時刻t11に急落する。この時刻t10〜t11までの期間がT7信号(VO信号)の単位期間である。駆動周波数foは101〜109kHzなので、単位期間の長さは0.01(msec)程度である。   FIG. 14 is a time chart showing the relationship between the T6, T7, and T8 signals. The digital VO signal is shaped by the voltage shaping circuit 144 into a sawtooth T7 signal. The T7 signal is an AC voltage signal having a driving frequency fo, and is a signal for indicating a voltage phase. The T7 signal rises from time t10 and drops sharply at time t11. The period from time t10 to t11 is a unit period of the T7 signal (VO signal). Since the drive frequency fo is 101 to 109 kHz, the length of the unit period is about 0.01 (msec).

T6信号は、補正電圧に応じて電圧レベルが変化する直流電圧信号である。コンパレータ128は、T6信号とT7信号を比較し、T7>T6信号となるときハイレベル、T7≦T6信号のときローレベルのT8信号を発生させる。t10〜t11の単位期間のうち、t10〜t14においてT8信号はローレベル、t14〜t11においてT8信号はハイレベルとなる。補正電圧によってT6信号のレベルが変化することにより、T8信号のデューティ比が変化する。上述したように、負荷電圧V5が高くなると、T6信号の信号レベルが高くなる。この結果、T8信号のデューティ比は小さくなり、T8信号の立ち上がり時刻が遅くなる。   The T6 signal is a DC voltage signal whose voltage level changes according to the correction voltage. The comparator 128 compares the T6 signal and the T7 signal, and generates a T8 signal having a high level when T7> T6 signal and a low level when T7 ≦ T6 signal. In the unit period from t10 to t11, the T8 signal is at the low level from t10 to t14, and the T8 signal is at the high level from t14 to t11. When the level of the T6 signal changes according to the correction voltage, the duty ratio of the T8 signal changes. As described above, when the load voltage V5 increases, the signal level of the T6 signal increases. As a result, the duty ratio of the T8 signal becomes small and the rising time of the T8 signal is delayed.

図15は、S1信号とT8信号の関係を示すタイムチャートである。時刻t10〜時刻t11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Qがオン、スイッチングトランジスタQがオフとなる期間である。時刻t11〜時刻t12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Qがオフ、スイッチングトランジスタQがオンとなる期間、時刻t12〜時刻t13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Qがオン、スイッチングトランジスタQがオフとなる期間、時刻t13〜時刻t16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Qがオフ、スイッチングトランジスタQがオンとなる期間であるとする。 FIG. 15 is a time chart showing the relationship between the S1 signal and the T8 signal. Period from time t10~ time t11 (hereinafter, referred to as "first period"), the switching transistor Q 1 is turned on, a period in which the switching transistor Q 2 is turned off. Period time t11~ time t12 (hereinafter, referred to as "second period"), the switching transistor Q 1 is off, a period of time during which the switching transistor Q 2 is turned on, the period of time t12~ time t13 (hereinafter, "third called a period "), the switching transistor Q 1 is turned on, a period of time during which the switching transistor Q 2 is turned off, the period of time t13~ time t16 (hereinafter, referred to as" fourth period "), the switching transistor Q 1 is turned off , and a period in which the switching transistor Q 2 is turned on.

時刻t10において交流電圧VO(S2信号)は最低値から最大値に変化する。第1期間が終了する時刻t11に交流電圧VO(S2信号)は最大値から最低値に変化する。以下、時刻t10のようにS2信号が立ち上がるタイミングを「電圧位相値」とよぶ。   At time t10, the AC voltage VO (S2 signal) changes from the minimum value to the maximum value. At time t11 when the first period ends, the AC voltage VO (S2 signal) changes from the maximum value to the minimum value. Hereinafter, the timing at which the S2 signal rises at time t10 is referred to as “voltage phase value”.

駆動周波数foが共振周波数fr1よりも大きい場合、給電コイル回路120(LC共振回路)のインピーダンスZに誘導性リアクタンス成分が現れ、電流ISの電流位相は電圧位相に対して遅れる。電流位相を示すS1信号は時刻t10よりも遅い時刻t18に立ち上がる。以下、時刻t18のようにS1信号が立ち上がるタイミングを「電流位相値」とよぶ。図13の場合、t10−t18が位相差を示す。t10−t18<0なので電流位相が電圧位相に対して遅れている。   When the drive frequency fo is higher than the resonance frequency fr1, an inductive reactance component appears in the impedance Z of the feeding coil circuit 120 (LC resonance circuit), and the current phase of the current IS is delayed with respect to the voltage phase. The S1 signal indicating the current phase rises at time t18 later than time t10. Hereinafter, the timing at which the S1 signal rises at time t18 is referred to as “current phase value”. In the case of FIG. 13, t10-t18 indicates the phase difference. Since t10-t18 <0, the current phase is delayed with respect to the voltage phase.

時刻t10にS2信号が立ち上がると、T7信号のレベルも上昇し始める。S2信号がローレベルになる時刻t11に、T7信号も急降下する。   When the S2 signal rises at time t10, the level of the T7 signal also begins to rise. At time t11 when the S2 signal becomes low level, the T7 signal also drops rapidly.

T6信号は補正電圧の大きさによってレベルが変化する直流電圧信号である。T7信号とT6信号は、それぞれ、コンパレータ128の正極端子と負極端子に入力され、その出力がT8信号となる。T7>T6のときにはT8はハイレベル、T7≦T6のときにはT8はローレベルとなる。図15では、時刻t10よりも後の時刻t14(以下、このようなタイミングを「補正後の電圧位相値」ともよぶ)にT7>T6となっている。T6信号の電圧レベルが、補正後の電圧位相値を決定する「基準値」となる。   The T6 signal is a DC voltage signal whose level changes depending on the magnitude of the correction voltage. The T7 signal and the T6 signal are input to the positive terminal and the negative terminal of the comparator 128, respectively, and the output is the T8 signal. When T7> T6, T8 is at a high level, and when T7 ≦ T6, T8 is at a low level. In FIG. 15, T7> T6 at time t14 after time t10 (hereinafter, such timing is also referred to as “corrected voltage phase value”). The voltage level of the T6 signal becomes a “reference value” that determines the corrected voltage phase value.

位相比較回路150は、S1信号の立ち上がり時刻t18とT8信号の立ち上がり時刻t14を比較して位相差tdを検出する。実際の位相差はt10−t18(<0)であるが、位相比較回路150によって認識される位相差はt14−t18(>0)である。位相比較回路150はt14−t18に応じた位相差指示電圧SCを出力する。VCO202は、実際には電流位相が遅れているにも関わらず、位相差tdに基づいて電流位相が電圧位相より進んでいると判断する。いいかえれば、駆動周波数foが共振周波数fr1よりも小さいと判断し、駆動周波数foを上昇させて位相差を解消しようとする。この結果、電力伝送効率が低下し、負荷電圧V5が抑制され、T6信号のレベルが低下し、位相差が解消されるようにフィードバック制御される。   The phase comparison circuit 150 compares the rising time t18 of the S1 signal and the rising time t14 of the T8 signal to detect the phase difference td. The actual phase difference is t10-t18 (<0), but the phase difference recognized by the phase comparison circuit 150 is t14-t18 (> 0). The phase comparison circuit 150 outputs a phase difference indicating voltage SC corresponding to t14-t18. The VCO 202 determines that the current phase is ahead of the voltage phase based on the phase difference td although the current phase is actually delayed. In other words, it is determined that the drive frequency fo is smaller than the resonance frequency fr1, and the drive frequency fo is increased to try to eliminate the phase difference. As a result, the power transmission efficiency is lowered, the load voltage V5 is suppressed, the level of the T6 signal is lowered, and feedback control is performed so that the phase difference is eliminated.

たとえば、負荷LDの抵抗値が高くなると負荷電流I5は減少し、負荷電圧V5は上昇する(図4参照)。負荷電圧V5が上昇すると計測電位が上昇し、T0信号(直流電圧信号)の電圧レベルが低下する。   For example, when the resistance value of the load LD increases, the load current I5 decreases and the load voltage V5 increases (see FIG. 4). When the load voltage V5 increases, the measurement potential increases and the voltage level of the T0 signal (DC voltage signal) decreases.

T0信号の電圧レベルが低下すると、信号周波数fs1が大きくなる(図8参照)。信号周波数fs1が大きくなると、T6信号(直流電圧信号)の電圧レベルが高くなり、T8信号の位相(補正後の電圧位相)が遅れる。S1信号の立ち上がり時刻(電流位相)がT8信号の立ち上がり時刻(補正後の電圧位相)よりも早いため、位相比較回路150は電流位相が電圧位相よりも進んでいると認識する。電流位相を遅らせるため、位相比較回路150は位相差指示電圧SCにより、VCO202に駆動周波数foの上昇を指示する。共振周波数fr1と駆動周波数foの乖離がいっそう大きくなり、電力伝送効率が低下するため(図6参照)、負荷電圧V5が低下する。このようなフィードバック制御により、負荷電圧V5を一定値に維持することができる。負荷電圧V5が低下したときにも同様のフィードバック制御がなされる。   When the voltage level of the T0 signal decreases, the signal frequency fs1 increases (see FIG. 8). When the signal frequency fs1 increases, the voltage level of the T6 signal (DC voltage signal) increases and the phase of the T8 signal (corrected voltage phase) is delayed. Since the rise time (current phase) of the S1 signal is earlier than the rise time (corrected voltage phase) of the T8 signal, the phase comparison circuit 150 recognizes that the current phase is ahead of the voltage phase. In order to delay the current phase, the phase comparison circuit 150 instructs the VCO 202 to increase the drive frequency fo by the phase difference indicating voltage SC. Since the difference between the resonance frequency fr1 and the drive frequency fo is further increased and the power transmission efficiency is decreased (see FIG. 6), the load voltage V5 is decreased. By such feedback control, the load voltage V5 can be maintained at a constant value. Similar feedback control is also performed when the load voltage V5 decreases.

負荷電圧V5が目標値の24(V)のときには、補正電圧は2.5(V)となる。このため、負荷電圧V5が目標値と一致しているときにも補正後の電圧位相値は実際の電圧位相値よりも遅れる。補正電圧の増減により、位相遅れの大きさが増減する。   When the load voltage V5 is the target value of 24 (V), the correction voltage is 2.5 (V). For this reason, even when the load voltage V5 coincides with the target value, the corrected voltage phase value is delayed from the actual voltage phase value. As the correction voltage increases or decreases, the magnitude of the phase delay increases or decreases.

なお、T6信号の信号レベルが低下しても、補正後の電圧位相値が補正前の電圧位相値よりも進むことはない。このため、駆動周波数foは、常に、共振周波数fr1よりも高い範囲で制御されるため、安定的に制御しやすくなっている。   Even if the signal level of the T6 signal is lowered, the voltage phase value after correction does not advance beyond the voltage phase value before correction. For this reason, since the drive frequency fo is always controlled in a range higher than the resonance frequency fr1, it is easy to control stably.

[第2実施形態]
図16は、第2実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム100の原理図である。第2実施形態におけるワイヤレス電力伝送システム100も、ワイヤレス給電装置116とワイヤレス受電装置118を含む。ただし、ワイヤレス受電装置118は受電LC共振回路302を含むが、ワイヤレス給電装置116は給電LC共振回路300を含まない。すなわち、給電コイルL2は、LC共振回路の一部とはなっていない。より具体的には、給電コイルL2は、ワイヤレス給電装置116に含まれる他の回路要素とは共振回路を形成しない。給電コイルL2に対しては、直列・並列のいずれにもキャパシタが挿入されない。したがって、電力を伝送するときの周波数においては、給電コイルL2は非共振となる。
[Second Embodiment]
FIG. 16 is a principle diagram of the wireless power transmission system 100 according to the second embodiment. The wireless power transmission system 100 in the second embodiment also includes a wireless power feeder 116 and a wireless power receiver 118. However, the wireless power receiving apparatus 118 includes the power receiving LC resonance circuit 302, but the wireless power feeding apparatus 116 does not include the power feeding LC resonance circuit 300. That is, the feeding coil L2 is not a part of the LC resonance circuit. More specifically, the power feeding coil L2 does not form a resonance circuit with other circuit elements included in the wireless power feeding device 116. No capacitor is inserted into the feeding coil L2 either in series or in parallel. Therefore, the feeding coil L2 is non-resonant at the frequency at which power is transmitted.

給電源VGは、共振周波数fr1の交流電流を給電コイルL2に供給する。給電コイルL2は共振しないが、共振周波数fr1の交流磁場を発生させる。受電LC共振回路302は、この交流磁場により共振する。この結果、受電LC共振回路302には大きな交流電流が流れる。本発明者の検討により、ワイヤレス給電装置116においては必ずしもLC共振回路を形成する必要がないことが判明した。給電コイルLSは、給電LC共振回路の一部ではないため、ワイヤレス給電装置116としては共振周波数fr1にて共振状態には移らない。一般的には、磁場共振型のワイヤレス給電は、給電側と受電側双方に共振回路を形成し、それぞれの共振回路を同一の共振周波数fr1(=fr0)で共振させることにより、大電力の送電が可能となると解釈されている。しかし、給電LC共振回路300を含まないワイヤレス給電装置116であっても、ワイヤレス受電装置118が受電LC共振回路302を含んでさえいれば、磁場共振型のワイヤレス給電を実現可能であることがわかった。   The power supply VG supplies an alternating current having a resonance frequency fr1 to the power supply coil L2. The feeding coil L2 does not resonate, but generates an alternating magnetic field having a resonance frequency fr1. The power receiving LC resonance circuit 302 resonates due to this alternating magnetic field. As a result, a large alternating current flows through the power receiving LC resonance circuit 302. According to the study by the present inventor, it has been found that it is not always necessary to form an LC resonance circuit in the wireless power feeder 116. Since the feeding coil LS is not a part of the feeding LC resonance circuit, the wireless feeding device 116 does not shift to the resonance state at the resonance frequency fr1. In general, in the magnetic field resonance type wireless power feeding, a resonance circuit is formed on both the power feeding side and the power receiving side, and each resonance circuit is resonated at the same resonance frequency fr1 (= fr0), thereby transmitting a large amount of power. Is interpreted as possible. However, even if the wireless power feeding device 116 does not include the power feeding LC resonance circuit 300, it is understood that the magnetic field resonance type wireless power feeding can be realized as long as the wireless power receiving device 118 includes the power receiving LC resonance circuit 302. It was.

給電コイルL2と受電側コイルL3とが磁場結合しても、キャパシタC2が省略されているため新たな共振回路(共振回路同士の結合による新たな共振回路)が形成されない。この場合、給電コイルL2と受電側コイルL3との磁場結合は、その結合が強くなればなるほど受電LC共振回路302の共振周波数に影響を及ぼす。この共振周波数、すなわち共振周波数fr1近傍の周波数の交流電流を給電コイルL2に供給することにより、磁場共振型のワイヤレス給電が実現可能となる。また、キャパシタC2が不要であるためサイズやコスト面でも有利となる。   Even if the feeding coil L2 and the power receiving coil L3 are magnetically coupled, a new resonance circuit (a new resonance circuit by coupling of resonance circuits) is not formed because the capacitor C2 is omitted. In this case, the magnetic field coupling between the power feeding coil L2 and the power receiving coil L3 affects the resonance frequency of the power receiving LC resonance circuit 302 as the coupling becomes stronger. By supplying an alternating current of this resonance frequency, that is, a frequency in the vicinity of the resonance frequency fr1, to the feeding coil L2, magnetic field resonance type wireless power feeding can be realized. Further, since the capacitor C2 is unnecessary, it is advantageous in terms of size and cost.

図17は、第2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。第2実施形態のワイヤレス電力伝送システム100においては、キャパシタC2が省略されている。その他の点は、第1実施形態と同様である。   FIG. 17 is a system configuration diagram of the wireless power transmission system 100 according to the second embodiment. In the wireless power transmission system 100 of the second embodiment, the capacitor C2 is omitted. Other points are the same as in the first embodiment.

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。磁場共振型のワイヤレス給電の場合、共振周波数fr1と駆動周波数foの差により電力伝送効率を制御できる。共振周波数fr1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、電力伝送効率を一定に維持しやすくなる。また、負荷LDやコイル間距離dが変化したときも、補正電圧に基づくフィードバック制御により負荷電圧V5を一定に保つことができる。補正電圧に基づいてT8信号を変化させることにより、電力伝送効率を事後調整できる。本発明者の実験によれば、T6信号のレベル調整によって、有意な電力損失の発生は認められなかった。   The wireless power transmission system 100 has been described above based on the embodiment. In the case of magnetic field resonance type wireless power feeding, the power transmission efficiency can be controlled by the difference between the resonance frequency fr1 and the drive frequency fo. Even if the resonance frequency fr1 changes, the drive frequency fo can be automatically followed. Therefore, even if the use conditions change, the power transmission efficiency can be easily maintained constant. Even when the load LD or the distance d between the coils changes, the load voltage V5 can be kept constant by feedback control based on the correction voltage. By changing the T8 signal based on the correction voltage, the power transmission efficiency can be adjusted afterwards. According to the experiment of the present inventor, no significant power loss was observed by adjusting the level of the T6 signal.

受信コイルL5は、出力信号であるT11信号だけでなく、給電電力の一部も受電する(図9参照)。信号調整回路112は、バンドパスフィルタ158により、受信コイルL5が受電した交流電圧から、信号成分だけを抽出する。基準周波数fs=10MHzと共振周波数fr1=100kHzは、周波数帯域が大きく異なるため、両周波数を分離しやすくなっている。また、受信コイルL5や送信コイルL6は、単純な、円形や四角形の1回巻きコイルとして形成可能である。   The receiving coil L5 receives not only the T11 signal as an output signal but also a part of the supplied power (see FIG. 9). The signal adjustment circuit 112 extracts only the signal component from the AC voltage received by the receiving coil L5 by the band pass filter 158. Since the frequency band of the reference frequency fs = 10 MHz and the resonance frequency fr1 = 100 kHz are greatly different, it is easy to separate the two frequencies. The reception coil L5 and the transmission coil L6 can be formed as a simple circular or square one-turn coil.

なお、受電側において基準電位を手動調整してもよい。計測電位が変化したときだけでなく基準電圧が変化したときにも補正電圧が検出され、結果として、電力伝送効率が調整される。たとえば、基準電位を低下させると、計測電位を低下させるようなフィードバック制御がなされ、負荷電圧V5も低下する。すなわち、受電側にて給電電力を制御できる。   Note that the reference potential may be manually adjusted on the power receiving side. The correction voltage is detected not only when the measurement potential changes but also when the reference voltage changes, and as a result, the power transmission efficiency is adjusted. For example, when the reference potential is lowered, feedback control is performed to lower the measurement potential, and the load voltage V5 is also lowered. That is, the power supply can be controlled on the power receiving side.

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、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。   The present invention has been described based on the embodiments. It will be understood by those skilled in the art that the embodiments are illustrative, and that various modifications and changes are possible within the scope of the claims of the present invention, and that such modifications and changes are also within the scope of the claims of the present invention. By the way. Accordingly, the description and drawings herein are to be regarded as illustrative rather than restrictive.

送電制御回路200はハーフブリッジ型の回路であるが、MOS−FETを4個用いたフルブリッジ型の回路、あるいは、プッシュプル型の回路により形成されてもよい。電圧整形回路144が発生させるT7信号は、ノコギリ波に限らず、三角波や正弦波など、所定期間において電圧値が漸増減する交流信号であればよい。本実施形態においては、電圧位相を調整するとして説明したが、電流位相をT0信号により調整してもよい。また、出力電圧に限らず電流や電力等に基づいてフィードバック制御してもよい。   The power transmission control circuit 200 is a half-bridge type circuit, but may be formed of a full-bridge type circuit using four MOS-FETs or a push-pull type circuit. The T7 signal generated by the voltage shaping circuit 144 is not limited to a sawtooth wave, but may be an AC signal whose voltage value gradually increases or decreases during a predetermined period, such as a triangular wave or a sine wave. In the present embodiment, the voltage phase is adjusted, but the current phase may be adjusted by the T0 signal. Further, feedback control may be performed based on current, power, and the like without being limited to the output voltage.

本実施形態においては、T11信号の信号周波数fs1が補正電圧を示すとして説明したが、T11信号の振幅やデューティ比等により補正電圧を表現してもよい。あるいは、補正電圧を示す数値情報をデジタル信号として送信してもよい。また、T11信号は、赤外線などの光信号であってもよい。いずれにしても、駆動周波数foや共振周波数frなどの周波数帯から十分に離れた周波数帯の信号であればよい。   In the present embodiment, the signal frequency fs1 of the T11 signal has been described as indicating the correction voltage. However, the correction voltage may be expressed by the amplitude, duty ratio, or the like of the T11 signal. Alternatively, numerical information indicating the correction voltage may be transmitted as a digital signal. Further, the T11 signal may be an optical signal such as infrared rays. In any case, a signal in a frequency band sufficiently separated from a frequency band such as the driving frequency fo and the resonance frequency fr may be used.

ワイヤレス電力伝送システム100において伝送される「交流電力」は、エネルギーに限らず、信号として伝送されてもよい。アナログ信号やデジタル信号をワイヤレスにて送電する場合にも、本発明におけるワイヤレス電力伝送方法を適用可能である。   “AC power” transmitted in the wireless power transmission system 100 is not limited to energy, and may be transmitted as a signal. The wireless power transmission method of the present invention can also be applied when an analog signal or a digital signal is transmitted wirelessly.

100 ワイヤレス電力伝送システム、110 オペアンプ、112 信号調整回路、114 位相検出回路、116 ワイヤレス給電装置、118 ワイヤレス受電装置、120 給電コイル回路、122 信号生成回路、124 整流回路、126 計測回路、128 コンパレータ、130 受電コイル回路、132 コンパレータ、134 非調整時特性、136 調整時特性、138 電力波形、140 ロード回路、142 オペアンプ、144 電圧整形回路、146 非調整時特性、148 調整時特性、150 位相比較回路、152 ローパスフィルタ、154 コア、156 信号波形、158 バンドパスフィルタ、160 平滑回路、162 オペアンプ、164 FV変換器、168 合成回路、170 VF変換器、172 基準信号発生回路、200 送電制御回路、202 VCO、L2 給電コイル、L3 受電コイル、L4 ロードコイル、L5 受信コイル、L6 送信コイル、VS 制御電源、LSS 検出コイル、LD 負荷。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Wireless power transmission system, 110 Operational amplifier, 112 Signal adjustment circuit, 114 Phase detection circuit, 116 Wireless power supply apparatus, 118 Wireless power reception apparatus, 120 Power supply coil circuit, 122 Signal generation circuit, 124 Rectification circuit, 126 Measurement circuit, 128 Comparator, 130 power receiving coil circuit, 132 comparator, 134 non-adjustment characteristic, 136 adjustment characteristic, 138 power waveform, 140 load circuit, 142 operational amplifier, 144 voltage shaping circuit, 146 non-adjustment characteristic, 148 adjustment characteristic, 150 phase comparison circuit , 152 low pass filter, 154 core, 156 signal waveform, 158 band pass filter, 160 smoothing circuit, 162 operational amplifier, 164 FV converter, 168 synthesis circuit, 170 VF converter, 172 reference signal generation circuit, 200 transmission Control circuit, 202 VCO, L2 feeding coil, L3 receiving coil, L4 loading coil, L5 receiver coil, L6 transmission coil, VS control power supply, L SS detection coil, LD load.

Claims (13)

給電コイルと受電コイルの磁場共振現象に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス給電するための装置であって、
前記給電コイルと、
前記給電コイルに駆動周波数にて交流電力を供給することにより、前記給電コイルから前記受電コイルに前記交流電力を給電させる送電制御回路と、
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、
前記交流電力の受電側から、信号周波数の大きさにより出力を示す出力信号を受信する受信コイルと、
前記信号周波数に応じて前記出力信号を直流変換する信号調整回路と、を備え、
前記送電制御回路は、前記位相差を一定に保つように前記駆動周波数を調整し、
更に、前記位相検出回路は、前記電圧位相および前記電流位相の双方または一方について整形された位相値を前記直流変換された出力信号の信号レベルに応じて事後調整することを特徴とするワイヤレス給電装置。
Based on the magnetic field resonance phenomenon of the power feeding coil and the power receiving coil, an apparatus for wireless power feeding from the power feeding coil to the power receiving coil,
The feeding coil;
A power transmission control circuit that feeds the AC power from the power supply coil to the power receiving coil by supplying AC power to the power supply coil at a driving frequency;
A phase detection circuit for detecting a phase difference between a voltage phase and a current phase of the AC power;
A receiving coil that receives an output signal indicating an output depending on the magnitude of the signal frequency from the AC power receiving side;
A signal adjustment circuit for DC-converting the output signal according to the signal frequency,
The power transmission control circuit adjusts the drive frequency so as to keep the phase difference constant ,
Further, the phase detection circuit performs post-adjustment of a phase value shaped for both or one of the voltage phase and the current phase according to a signal level of the DC-converted output signal. .
前記位相検出回路は、前記交流電力の電圧レベルが第1の基準値となるタイミングである第1の位相値と前記交流電力の電流レベルが第2の基準値となるタイミングである第2の位相値を比較することにより前記位相差を検出し、前記出力信号により前記第1および第2の基準値の双方または一方を変更することにより前記第1および第2の位相値の双方または一方を事後調整す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。   The phase detection circuit includes a first phase value that is a timing when the voltage level of the AC power becomes a first reference value, and a second phase that is a timing when the current level of the AC power becomes a second reference value. The phase difference is detected by comparing values, and both or one of the first and second phase values is changed by changing the first or second reference value by the output signal. The wireless power feeding apparatus according to claim 1, wherein the wireless power feeding apparatus is adjusted. 前記受信コイルは、1回巻きのコイルであ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。   The wireless power feeding apparatus according to claim 1, wherein the receiving coil is a one-turn coil. 前記受信コイルのコイル平面は、前記給電コイルのコイル平面と略同一であ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。   The wireless power feeding apparatus according to claim 1, wherein a coil plane of the receiving coil is substantially the same as a coil plane of the feeding coil. 前記信号調整回路は、前記受信コイルにおいて検出される交流電圧から、バンドパスフィルタを介して前記出力信号成分を抽出す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。   5. The wireless power feeder according to claim 1, wherein the signal adjustment circuit extracts the output signal component from an AC voltage detected in the receiving coil through a band-pass filter. 前記送電制御回路は、給電側の回路要素とは実質的に非共振の状態の前記給電コイルから、前記受電コイルに前記交流電力を給電させることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。   The power transmission control circuit feeds the AC power to the power receiving coil from the power feeding coil that is substantially non-resonant with a circuit element on a power feeding side. The wireless power supply apparatus described. 前記給電コイルは、給電側の回路要素とは前記受電コイルの共振周波数を共振点とする共振回路を形成しないことを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。   The wireless power feeder according to any one of claims 1 to 5, wherein the feeding coil does not form a resonance circuit having a resonance frequency of the receiving coil as a resonance point with a circuit element on a feeding side. 前記給電コイルに対して直列または並列にキャパシタが挿入されない構成であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のワイヤレス給電装置。   6. The wireless power feeder according to claim 1, wherein a capacitor is not inserted in series or in parallel with the power feeding coil. 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からワイヤレス給電される交流電力を受電コイルにて受電する装置であって、
前記受電コイルとキャパシタを含む受電コイル回路と、
前記受電コイルと磁気結合することにより前記受電コイルから前記交流電力を受電するロードコイルと、前記ロードコイルから電力を供給される負荷とを含むロード回路と、
前記ロード回路の一部に印加される出力電圧を信号周波数により示す出力信号を生成する信号生成回路と、
前記出力信号を前記ワイヤレス給電装置に送信する送信コイルと、を備えることを特徴とするワイヤレス受電装置。
A device for receiving AC power wirelessly fed from the wireless power feeding device according to any one of claims 1 to 8 by a power receiving coil,
A receiving coil circuit including the receiving coil and a capacitor;
A load circuit including a load coil that receives the AC power from the power receiving coil by magnetic coupling with the power receiving coil, and a load that is supplied with power from the load coil;
A signal generation circuit for generating an output signal indicating an output voltage applied to a part of the load circuit by a signal frequency;
A wireless power receiving apparatus comprising: a transmission coil that transmits the output signal to the wireless power supply apparatus.
前記信号生成回路は、前記出力電圧と基準電圧の差分値を前記信号周波数により示す信号として、前記出力信号を生成することを特徴とする請求項9に記載のワイヤレス受電装置。   The wireless power receiving device according to claim 9, wherein the signal generation circuit generates the output signal as a signal indicating a difference value between the output voltage and a reference voltage by the signal frequency. 前記送信コイルは、1回巻きのコイルであることを特徴とする請求項9または10に記載のワイヤレス受電装置。   The wireless power receiving apparatus according to claim 9 or 10, wherein the transmission coil is a one-turn coil. 前記送信コイルのコイル平面は、前記受電コイルのコイル平面と略同一であることを特徴とする請求項9から11のいずれかに記載のワイヤレス受電装置。   The wireless power receiving device according to claim 9, wherein a coil plane of the transmission coil is substantially the same as a coil plane of the power receiving coil. 給電コイルと受電コイルの磁場共振現象に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルにワイヤレス給電するためのシステムであって、
前記給電コイルに駆動周波数にて交流電力を供給する送電制御回路と、
前記受電コイルと磁気結合することにより前記受電コイルから前記交流電力を受電するロードコイルと、前記ロードコイルから電力を供給される負荷とを含むロード回路と、
前記ロード回路の一部に印加される出力電圧を信号周波数により示す出力信号を生成する信号生成回路と、
前記生成された出力信号を給電側に送信する送信コイルと、
前記送信された出力信号を受信する受信コイルと、
前記信号周波数に応じて、前記受信された出力信号を直流変換する信号調整回路と、
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、
前記送電制御回路は、前記位相差を一定に保つように前記駆動周波数を調整し、
更に、前記位相検出回路は、前記電圧位相および前記電流位相の双方または一方について整形された位相値を前記直流変換された出力信号の信号レベルに応じて事後調整することを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
Based on the magnetic field resonance phenomenon of the power feeding coil and the power receiving coil, a system for wireless power feeding from the power feeding coil to the power receiving coil,
A power transmission control circuit for supplying AC power to the power supply coil at a driving frequency;
A load circuit including a load coil that receives the AC power from the power receiving coil by magnetic coupling with the power receiving coil, and a load that is supplied with power from the load coil;
A signal generation circuit for generating an output signal indicating an output voltage applied to a part of the load circuit by a signal frequency;
A transmission coil for transmitting the generated output signal to the power supply side;
A receiving coil for receiving the transmitted output signal;
A signal conditioning circuit for direct-converting the received output signal according to the signal frequency;
A phase detection circuit for detecting a phase difference between a voltage phase and a current phase of the AC power,
The power transmission control circuit adjusts the drive frequency so as to keep the phase difference constant ,
Further, the phase detection circuit performs post-adjustment of a phase value shaped for both or one of the voltage phase and the current phase according to a signal level of the DC-converted output signal. system.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5510670B2 (en) * 2010-11-29 2014-06-04 株式会社エクォス・リサーチ Power transmission system
FR2984032B1 (en) * 2011-12-13 2014-01-10 Renault Sa METHOD FOR NON-CONTACT CHARGING OF A BATTERY OF AN ELECTRIC MOTOR VEHICLE
JP2013240246A (en) * 2012-05-17 2013-11-28 Toshiba Corp Wireless power supply relay device
CN103051071A (en) * 2013-01-09 2013-04-17 哈尔滨工业大学 Desktop load power supply device based on wireless energy transmission
WO2016051484A1 (en) * 2014-09-30 2016-04-07 富士機械製造株式会社 Non-contact power feeding device
JP6565858B2 (en) 2016-10-11 2019-08-28 Tdk株式会社 Wireless power transmission equipment
CN106374636B (en) * 2016-10-28 2019-11-12 天津工业大学 Apart from resonance type wireless method of electric energy transfer and device in one kind
JP2021057960A (en) * 2019-09-27 2021-04-08 オムロン株式会社 Non-contact power supply device

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2659315B2 (en) * 1992-11-13 1997-09-30 株式会社ピーエフユー Non-contact IC memory card system
JP3493537B2 (en) * 1995-04-10 2004-02-03 オムロン株式会社 Wireless power transmission device
JPH10225129A (en) * 1997-02-13 1998-08-21 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Non-contact power supply facility
JP2009201211A (en) * 2008-02-20 2009-09-03 Asyst Technologies Japan Inc Power supply system
JP5241381B2 (en) * 2008-08-25 2013-07-17 株式会社日立製作所 Power receiver

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