KR20160101958A

KR20160101958A - 고주파 전원용 자동 정합 회로

Info

Publication number: KR20160101958A
Application number: KR1020167018359A
Authority: KR
Inventors: 요시유키 아쿠자와; 기요히데 사카이; 도시히로 에조에; 유키 이토
Original assignee: 미쓰비시 덴끼 엔지니어링 가부시키가이샤
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2016-08-26
Also published as: JP6177351B2; JPWO2015097804A1; US20160268846A1; CN105850006A; WO2015097804A1; DE112013007719T5

Abstract

고주파 전원(10)의 출력 임피던스와 공진형 송신 안테나(11)의 입력 임피던스의 사이의 2㎒ 이상의 고주파수의 임피던스 정합을 행하기 위한, 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품에 의해 인덕턴스 값을 가변으로 하는 가변형 인덕터와, 임피던스 정합을 행하기 위한, 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품에 의해 용량값을 가변으로 하는 가변형 콘덴서와, 임피던스 정합을 행하도록 가변형 인덕터 및 가변형 콘덴서의 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품을 제어하는 가변 제어 회로(1)를 구비했다.

Description

고주파 전원용 자동 정합 회로{AUTOMATIC MATCHING CIRCUIT FOR HIGH-FREQUENCY POWER SUPPLY}

본 발명은, 고주파 전원의 출력 임피던스와 전력 전송용 송신 안테나의 입력 임피던스의 사이의 임피던스 정합을 자동으로 조정하는 고주파 전원용 자동 정합 회로에 관한 것이다.

종래로부터, 입력측의 전원과 출력측의 일차 코일(송신 안테나)의 사이의 임피던스 정합을 조정하기 위해, 정합 회로가 마련되어 있다(예컨대 특허 문헌 1 참조). 이 정합 회로에서는, 스위치를 이용한 접점 전환에 의해 인덕턴스 값을 가변으로 하는 가변 인덕터와, 용량값을 가변으로 하는 가변 콘덴서(배리어블 콘덴서)를 이용하는 것에 의해, 임피던스 정합의 조정 범위를 넓히고 있다.

(선행 기술 문헌)

(특허 문헌)

(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 2013-5614호 공보

그렇지만, 종래 구성의 가변 콘덴서 및 가변 인덕터는, 종래로부터 알려져 있는 소자를 전제로 하고 있기 때문에, 기계적 접점을 가진 소자 구조로 되어 있다. 그 때문에, 기계적 접점의 마모 때문에 소자의 수명이 짧고, 시스템의 수명을 제한하여 버린다고 하는 과제가 있다. 또한, 고속의 상수 전환을 할 수 없기 때문에, 시스템의 기동 속도가 느리다고 하는 과제가 있다. 또한, 통전 상태에서 상수 전환을 행한 경우, 소자 내부의 기계적 접점에서 방전이 발생하고, 용단ㆍ용착ㆍ탄화ㆍ고전압 노이즈 등에 의한 부품 고장을 유발한다고 하는 과제가 있다.

또한, 종래 구성에서는, 송신 안테나의 입력 임피던스가 변화하는 경우를 상정하고 있지 않다. 그 때문에, 와이어리스 전력 전송 시스템에 있어서의 송신 안테나와 수신 안테나의 거리가 변동하는 이동체에 대해서는, 유효한 임피던스 정합을 도모할 수 없다고 하는 과제가 있다.

본 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 기계적 접점을 갖지 않는 소자를 이용하여, 고주파 전원의 출력 임피던스와 전력 전송용 송신 안테나의 입력 임피던스의 사이의 임피던스 정합을 자동 조정할 수 있는 고주파 전원용 자동 정합 회로를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명과 관련되는 고주파 전원용 자동 정합 회로는, 고주파 전원의 출력 임피던스와 전력 전송용 송신 안테나의 입력 임피던스의 사이의 2㎒ 이상의 고주파수의 임피던스 정합을 행하기 위한, 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품에 의해 인덕턴스 값을 가변으로 하는 가변형 인덕터와, 임피던스 정합을 행하기 위한, 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품에 의해 용량값을 가변으로 하는 가변형 콘덴서와, 임피던스 정합을 행하도록 가변형 인덕터 및 가변형 콘덴서의 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품을 제어하는 가변 제어 회로를 구비한 것이다.

본 발명에 의하면, 상기와 같이 구성했으므로, 기계적 접점을 갖지 않는 소자를 이용하여, 고주파 전원의 출력 임피던스와 전력 전송용 송신 안테나의 입력 임피던스의 사이의 임피던스 정합을 자동 조정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1과 관련되는 고주파 전원용 자동 정합 회로의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 가변형 인덕터의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 가변형 인덕터의 다른 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 가변형 인덕터의 다른 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 가변형 콘덴서의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시의 형태 1과 관련되는 고주파 전원용 자동 정합 회로의 다른 구성을 나타내는 도면이다(공진 조건 가변형 자동 정합 회로를 마련한 경우).

이하, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

실시의 형태 1.

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1과 관련되는 고주파 전원용 자동 정합 회로의 구성을 나타내는 도면이다.

고주파 전원용 자동 정합 회로는, 고주파 전원(10)의 출력 임피던스와 공진형 송신 안테나(전력 전송용 송신 안테나)(11)의 입력 임피던스(부하 임피던스)의 사이의 2㎒ 이상의 고주파수의 임피던스 정합을 자동으로 조정하는 것이다. 이 고주파 전원용 자동 정합 회로는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 가변형 인덕터 L1, 가변형 콘덴서 C1, C2 및 가변 제어 회로(1)로 구성되어 있다.

또, 고주파 전원(10)은, 2㎒ 이상의 고주파에 있어서의 교류 전압의 공급을 행하는 것이다. 또한, 공진형 송신 안테나(11)는, LC 공진 특성을 갖는 전력 전송용의 공진형 안테나이다(비접촉형으로만 한정되지 않는다). 이 공진형 송신 안테나(11)는, 자계 공명형, 전계 공명형, 전자기 유도형의 어느 것이더라도 좋다.

가변형 인덕터 L1은, 고주파 전원(10)의 출력 임피던스와 공진형 송신 안테나(11)의 입력 임피던스의 사이의 2㎒ 이상의 고주파수의 임피던스 정합을 행하기 위한 소자이다. 이 가변형 인덕터 L1은, 가변 제어 회로(1)에 의한 제어에 따라, 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품에 의해 인덕턴스 값(L값)이 가변으로 구성되어 있다. 즉, 가변형 인덕터 L1은, 인덕턴스 값을 가변하는 구성으로서 기계적 접점을 갖지 않는 소자이다. 이 가변형 인덕터 L1의 상세에 대해서는 후술한다.

가변형 콘덴서 C1, C2는, 고주파 전원(10)의 출력 임피던스와 공진형 송신 안테나(11)의 입력 임피던스의 사이의 2㎒ 이상의 고주파수의 임피던스 정합을 행하기 위한 소자이다. 이 가변형 콘덴서 C1, C2는, 가변 제어 회로(1)에 의한 제어에 따라, 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품에 의해 용량값이 가변으로 구성되어 있다. 즉, 가변형 콘덴서 C1, C2는, 용량값을 가변하는 구성으로서 기계적 접점을 갖지 않는 소자이다. 이 가변형 콘덴서 C1, C2의 상세에 대해서는 후술한다.

가변 제어 회로(1)는, 고주파 전원(10)의 출력 임피던스와 공진형 송신 안테나(11)의 입력 임피던스의 사이에서 2㎒ 이상의 고주파수의 임피던스 정합을 행하도록, 가변형 인덕터 L1 및 가변형 콘덴서 C1, C2의 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품을 제어하는 것이다. 즉, 이 가변 제어 회로(1)에 의해, 가변형 인덕터 L1의 인덕턴스 값과 가변형 콘덴서 C1, C2의 용량값을 가변시켜, 임피던스 정합의 자동 조정을 행한다. 이 가변 제어 회로(1)는, 소프트웨어에 근거하는 CPU를 이용한 프로그램 처리에 의해 실행되는 구성의 것, 또는, 공진형 송신 안테나(11)에 중첩되는 전압과 전류에 의한 검출 신호를 이용한 피드백 제어에 의해 실행된다.

다음으로, 가변형 인덕터 L1의 구성예에 대하여, 도 2~4를 참조하면서 설명한다.

도 2는 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품으로서 모터 제어 회로(22)를 이용하고, 이 모터 제어 회로(22)에 의해 코일(21)의 자로(magnetic path) 길이를 자동으로 가변시키는 타입의 가변형 인덕터 L1이다. 이 구성에서는, 가변 제어 회로(1)에 의해, 모터 제어 회로(22)를 구동시켜 코일(21)의 자로 길이를 물리적으로 가변시키는 것에 의해, 인덕턴스 값을 가변시킨다. 또 도 2(a), (b)에 있어서, 코일(21)의 턴수(number of turns)는 동일하다.

또한 도 3은 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품으로서 전계 효과 트랜지스터(FET; Field effect transistor)(23)를 이용하고, 이 FET(23)에 의해 코일(21)의 턴수를 자동으로 조정하는 타입의 가변형 인덕터 L1이다. 이 구성에서는, 임의의 턴수를 갖는 코일(21)의 각 점에 FET(23)를 접속하고, 가변 제어 회로(1)에 의해 각 FET(23)의 ON/OFF를 전환하거나, 또는 펄스 폭 변조(PWM) 등을 전환하여, 코일(21)의 턴수를 가변시키는 것에 의해, 인덕턴스 값을 가변시킨다. 또 FET(23)는, Si-MOSFET, SiC-MOSFET, GaN-FET, RF(Radio Frequency)용 FET 등의 소자, 또는, 이들 소자를 직렬 접속하여 보디 다이오드(body-diode)를 OFF형으로 구성한 것이다.

또한 도 4는 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품으로서 FET(23)를 이용하고, 이 FET(23)에 의해 코일(21)의 병렬 접속 수를 자동으로 가변하는 타입의 가변형 인덕터 L1이다. 이 구성에서는, 병렬 접속된 각 코일(21)에 FET(23)를 접속하고, 가변 제어 회로(1)에 의해 각 FET(23)의 ON/OFF를 전환하거나, 또는 펄스 폭 변조(PWM) 등을 전환하여, 코일(21)의 병렬 접속 수를 가변시키는 것에 의해, 인덕턴스 값을 가변시킨다. 또 FET(23)는, Si-MOSFET, SiC-MOSFET, GaN-FET, RF용 FET 등의 소자, 또는, 이들 소자를 직렬 접속하여 보디 다이오드를 OFF형으로 구성한 것이다.

다음으로, 가변형 콘덴서 C1, C2의 구성예에 대하여, 도 5를 참조하면서 설명한다.

도 5는 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품으로서 FET(32)를 이용하고, 이 FET(32)에 의해 콘덴서(31)의 병렬 접속 수를 자동으로 가변하는 타입의 가변형 콘덴서 C1, C2이다. 이 구성에서는, 병렬 접속된 각 콘덴서(31)에 FET(32)를 접속하고, 가변 제어 회로(1)에 의해 각 FET(32)의 ON/OFF를 전환하거나, 또는 펄스 폭 변조(PWM) 등을 전환하여, 콘덴서(31)의 병렬 접속 수를 가변시키는 것에 의해, 용량값을 가변시킨다. 또 FET(32)는, Si-MOSFET, SiC-MOSFET, GaN-FET, RF용 FET 등의 소자, 또는, 이들 소자를 직렬 접속하여 보디 다이오드를 OFF형으로 구성한 것이다.

이상과 같이, 본 실시의 형태 1에 의하면, 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품에 의해 인덕턴스 값을 가변으로 하는 가변형 인덕터 L1과, 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품에 의해 용량값을 가변으로 하는 가변형 콘덴서 C1, C2와, 고주파 전원(10)의 출력 임피던스와 공진형 송신 안테나(11)의 입력 임피던스의 사이의 2㎒ 이상의 고주파수의 임피던스 정합을 행하도록, 가변형 인덕터 L1 및 가변형 콘덴서 C1, C2의 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품을 제어하는 가변 제어 회로(1)를 구비했으므로, 기계적 접점을 갖지 않는 소자를 이용하여, 상기 임피던스 정합을 자동 조정할 수 있고, 낮은 비용 및 작은 사이즈로 신뢰성이 높은 동작을 가능하게 할 수 있다. 그 결과, 와이어리스 전력 전송 시스템에 있어서의 송신측 장치의 송신 코일(송신 안테나)과 수신측 장치의 수신 코일(수신 안테나)의 거리가 변동하는 이동체에 대해서도, 유효한 임피던스 정합을 자동적으로 도모하는 것이 가능하다.

또한, 기계적 접점을 갖지 않는 소자에 의한 회로 구성이기 때문에, 소자 내부의 기계적 마모가 발생하지 않고, 종래와 같은 운용 수명의 제한이 없어진다. 또한, 고속으로 상수 전환을 할 수 있고, 시스템 기동이 빨라진다. 또한, 통전 상태에서의 상수 전환이 가능하고, 그때의 소자 내부의 방전 등이 발생하지 않기 때문에, 부품 고장을 유발하는 일이 없어진다.

또, 도 1에 나타내는 구성에 대하여, 도 6에 나타내는 바와 같이, 가변형 콘덴서 C3을 추가하여, 가변 제어 회로(1)에 의해 가변형 인덕터 L1의 인덕턴스 값 및 가변형 콘덴서 C1, C2, C3의 용량값을 가변시켜 공진형 송신 안테나(11)의 공진 조건을 가변하는 공진 조건 가변형 자동 정합 회로(2)를 마련하도록 하더라도 좋다. 또, 가변형 콘덴서 C3의 구성은, 가변형 콘덴서 C1, C2와 동일하다. 또한, 도 6의 구성에 대하여 소자의 추가나 생략을 행하더라도 좋다.

또한, 본원 발명은 그 발명의 범위 내에 있어서, 실시의 형태의 임의의 구성 요소의 변형, 또는 실시의 형태의 임의의 구성 요소의 생략이 가능하다.

(산업상 이용가능성)

본 발명과 관련되는 고주파 전원용 자동 정합 회로는, 기계적 접점을 갖지 않는 소자를 이용하고, 고주파 전원의 출력 임피던스와 전력 전송용 송신 안테나의 입력 임피던스의 사이의 임피던스 정합을 자동 조정할 수 있고, 임피던스 정합을 조정하는 고주파 전원용 자동 정합 회로 등에 이용하는데 적합하다.

1 : 가변 제어 회로
2 : 공진 조건 가변형 자동 정합 회로
10 : 고주파 전원
11 : 공진형 송신 안테나
21 : 코일
22 : 모터 제어 회로
23 : FET
31 : 콘덴서
32 : FET

Claims

고주파 전원의 출력 임피던스와 전력 전송용 송신 안테나의 입력 임피던스의 사이의 2㎒ 이상의 고주파수의 임피던스 정합을 행하기 위한, 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품에 의해 인덕턴스 값을 가변으로 하는 가변형 인덕터와,
상기 임피던스 정합을 행하기 위한, 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품에 의해 용량값을 가변으로 하는 가변형 콘덴서와,
상기 임피던스 정합을 행하도록 상기 가변형 인덕터 및 상기 가변형 콘덴서의 계속적인 접점 전환을 포함하는 접점 전환을 전기적으로 행하는 전자 부품을 제어하는 가변 제어 회로
를 구비한 고주파 전원용 자동 정합 회로.
제 1 항에 있어서,
상기 가변 제어 회로는, 자계 공명에 의한 상기 전력 전송용 송신 안테나의 공진 조건을 가변으로 하는 것을 특징으로 하는 고주파 전원용 자동 정합 회로.
제 1 항에 있어서,
상기 가변 제어 회로는, 전계 공명에 의한 상기 전력 전송용 송신 안테나의 공진 조건을 가변으로 하는 것을 특징으로 하는 고주파 전원용 자동 정합 회로.
제 1 항에 있어서,
상기 가변 제어 회로는, 전자기 유도에 의한 상기 전력 전송용 송신 안테나의 공진 조건을 가변으로 하는 것을 특징으로 하는 고주파 전원용 자동 정합 회로.