JP7635061B2 - Power transmission device and wireless power supply system - Google Patents
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Description
本発明は送電装置及びワイヤレス給電システムに関わる。 The present invention relates to a power transmission device and a wireless power supply system.
負荷と電源とを直接接続することなく、電源が出力する電力を非接触で負荷に伝送する技術が開発されている。このような技術は、ワイヤレス給電と呼ばれており、無人搬送機などの給電に応用されている。無人搬送機を給電する場合、無人搬送機に搭載されているバッテリなどの直流負荷を給電することが多いため、従来のワイヤレス給電システムは、商用交流電源からの交流電力を直流電力に変換し、この直流電力を送電していた。一方、無人搬送機に搭載されているバッテリなどの直流負荷に加えて、無人搬送機に搭載されているロボットアームなどの交流負荷にも給電する需要が増加している。このような交流負荷を給電するには、ワイヤレス給電システムの送電装置から送電される直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を受電装置に設ける必要がある。ところが、インバータ回路を受電装置に設けると、受電装置の重量増大、寸法拡大、及びコスト増大などの課題が生じる。このような課題を解決するため、特許文献1は、交流電力を送電できるワイヤレス給電システムを提案している。
A technology has been developed that transmits the power output by a power source to a load in a non-contact manner without directly connecting the load and the power source. This technology is called wireless power supply and is applied to power supply to unmanned transport vehicles and the like. When powering an unmanned transport vehicle, it is often the case that a DC load such as a battery mounted on the unmanned transport vehicle is powered, so a conventional wireless power supply system converts AC power from a commercial AC power source into DC power and transmits this DC power. On the other hand, there is an increasing demand for power supply to AC loads such as a robot arm mounted on the unmanned transport vehicle in addition to DC loads such as a battery mounted on the unmanned transport vehicle. To power such AC loads, it is necessary to provide an inverter circuit in the power receiving device that converts the DC power transmitted from the power transmitting device of the wireless power supply system into AC power. However, providing an inverter circuit in the power receiving device causes problems such as an increase in the weight, size, and cost of the power receiving device. In order to solve such problems,
しかし、特許文献1に記載のワイヤレス給電システムでは、直流電力を受電装置から出力することができない。また、特許文献1に記載のワイヤレス給電システムでは、交流電力を受電装置から出力することはできるものの、出力される交流電圧の大きさを交流負荷の種別(例えば、100V用の交流負荷や200V用の交流負荷などの種別)に応じて任意に調整することができない。
However, in the wireless power supply system described in
そこで、本発明は、直流電力及び交流電力を選択的に送電できる送電装置及びワイヤレス給電システムを提案することを課題とする。また、本発明は、受電装置から出力される交流電圧の大きさを任意に調整可能な送電装置及びワイヤレス給電システムを提案することを課題とする。 The present invention aims to propose a power transmission device and a wireless power supply system that can selectively transmit DC power and AC power. It also aims to propose a power transmission device and a wireless power supply system that can arbitrarily adjust the magnitude of the AC voltage output from the power receiving device.
上述の課題を解決するため、本発明に関わる送電装置は、電力を受電装置にワイヤレス送電する送電装置であって、スイッチング素子を備える力率改善整流回路であって、交流電源から供給される交流信号を、一定のPWM幅でスイッチング素子をスイッチングすることにより、全波整流信号に変換し、受電装置に接続する負荷が直流負荷である場合に、交流電源から供給される交流信号を、可変のPWM幅でスイッチング素子をスイッチングすることにより、直流信号に変換する力率改善整流回路と、全波整流信号又は直流信号を高周波信号に変換するインバータ回路と、高周波信号を電磁誘導により受電装置にワイヤレス送電する送電コイルとを備える。斯かる構成によれば、直流電力及び交流電力を選択的に受電装置に送電することができる。 In order to solve the above-mentioned problems, the power transmission device according to the present invention is a power transmission device that wirelessly transmits power to a power receiving device, and is equipped with a power factor correction rectifier circuit having a switching element, which converts an AC signal supplied from an AC power source into a full-wave rectified signal by switching the switching element at a constant PWM width, and when a load connected to the power receiving device is a DC load, the power factor correction rectifier circuit converts the AC signal supplied from the AC power source into a DC signal by switching the switching element at a variable PWM width, an inverter circuit that converts the full-wave rectified signal or the DC signal into a high-frequency signal, and a power transmission coil that wirelessly transmits the high-frequency signal to the power receiving device by electromagnetic induction. With this configuration, DC power and AC power can be selectively transmitted to the power receiving device.
力率改善整流回路は、一定のPWM幅の値を別の一定の値に変更することにより、受電装置から出力される交流電圧の大きさを調整してもよい。 The power factor correction rectifier circuit may adjust the magnitude of the AC voltage output from the power receiving device by changing the value of the constant PWM width to another constant value.
本発明に関わるワイヤレス給電システムは、送電装置と受電装置とを備える。送電装置は、スイッチング素子を備える力率改善整流回路であって、受電装置に接続する負荷が交流負荷である場合に、交流電源から供給される第1の交流信号を、一定のPWM幅でスイッチング素子をスイッチングすることにより、第1の全波整流信号に変換し、受電装置に接続する負荷が直流負荷である場合に、交流電源から供給される第1の交流信号を、可変のPWM幅でスイッチング素子をスイッチングすることにより、第1の直流信号に変換する力率改善整流回路と、第1の全波整流信号又は第1の直流信号を高周波信号に変換する第1のインバータ回路と、高周波信号を送電する送電コイルと、を備える。受電装置は、高周波信号を受電する受電コイルと、受電装置に接続する負荷が交流負荷である場合に、高周波信号を第2の全波整流信号に整流し、受電装置に接続する負荷が直流負荷である場合に、高周波信号を第2の直流信号に整流する整流回路と、受電装置に接続する負荷が交流負荷である場合に、第2の全波整流信号を第2の交流信号に変換するとともに、第2の交流信号記交流負荷に供給し、受電装置に接続する負荷が直流負荷である場合に、第2の直流信号を直流負荷に供給する第2のインバータ回路とを備える。斯かる構成によれば、直流電力及び交流電力を選択的に受電装置に送電することができる。 The wireless power supply system according to the present invention includes a power transmitting device and a power receiving device. The power transmitting device includes a power factor correcting rectifier circuit including a switching element, which converts a first AC signal supplied from an AC power source into a first full-wave rectified signal by switching the switching element at a constant PWM width when a load connected to the power receiving device is an AC load, and converts the first AC signal supplied from the AC power source into a first DC signal by switching the switching element at a variable PWM width when a load connected to the power receiving device is a DC load, a first inverter circuit that converts the first full-wave rectified signal or the first DC signal into a high-frequency signal, and a power transmitting coil that transmits the high-frequency signal. The power receiving device includes a power receiving coil that receives a high-frequency signal, a rectifier circuit that rectifies the high-frequency signal into a second full-wave rectified signal when the load connected to the power receiving device is an AC load, and rectifies the high-frequency signal into a second DC signal when the load connected to the power receiving device is a DC load, and a second inverter circuit that converts the second full-wave rectified signal into a second AC signal and supplies the second AC signal to the AC load when the load connected to the power receiving device is an AC load, and supplies the second DC signal to the DC load when the load connected to the power receiving device is a DC load. With this configuration, DC power and AC power can be selectively transmitted to the power receiving device.
受電装置は、第2の全波整流信号の電圧から第2の全波整流信号のゼロクロスポイント付近を検出する検出回路を備えてもよい。第2のインバータ回路は、ゼロクロスポイント付近の検出結果に応じて第2の全波整流信号を第2の交流信号に変換してもよい。斯かる構成によれば、電流センサを用いることなく、第2の全波整流信号の電圧から第2の全波整流信号のゼロクロスポイント付近を検出することができる。 The power receiving device may include a detection circuit that detects the vicinity of a zero crossing point of the second full-wave rectified signal from the voltage of the second full-wave rectified signal. The second inverter circuit may convert the second full-wave rectified signal into a second AC signal according to the detection result of the vicinity of the zero crossing point. With this configuration, the vicinity of a zero crossing point of the second full-wave rectified signal can be detected from the voltage of the second full-wave rectified signal without using a current sensor.
検出回路は、第2の全波整流信号の電圧に応じて発光制御される発光素子と、発光素子の発光状態に応じて通電状態が制御される受光素子とを備えてもよく、検出回路は、受光素子の通電状態がオンからオフに切り替わるタイミングでクロスポイントを検出してもよい。斯かる構成によれば、高精度かつ高コストの電流センサを用いることなく、第2の全波整流信号のゼロクロスポイント付近を精度よく検出することができる。 The detection circuit may include a light-emitting element whose light emission is controlled according to the voltage of the second full-wave rectified signal, and a light-receiving element whose energization state is controlled according to the light-emitting state of the light-emitting element, and the detection circuit may detect the cross point at the timing when the energization state of the light-receiving element switches from on to off. With this configuration, it is possible to accurately detect the vicinity of the zero cross point of the second full-wave rectified signal without using a high-precision and high-cost current sensor.
受電装置は、例えば、無人搬送機などの移動体に搭載されてもよい。これにより、受電装置は、無人搬送機などの移動体に搭載されているロボットアームなどの交流負荷に交流信号を供給することができる。 The power receiving device may be mounted on a moving body such as an unmanned carrier vehicle. This allows the power receiving device to supply an AC signal to an AC load such as a robot arm mounted on a moving body such as an unmanned carrier vehicle.
本発明によれば、直流電力及び交流電力を選択的に受電装置に送電できる。また、受電装置から出力される交流電圧の大きさを任意に調整することができる。 According to the present invention, DC power and AC power can be selectively transmitted to a power receiving device. In addition, the magnitude of the AC voltage output from the power receiving device can be adjusted as desired.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の構成要素を示すものとし、重複する説明は省略する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the same reference numerals indicate the same components, and duplicated explanations will be omitted.
図1は本発明の実施形態に関わるワイヤレス給電システム10の構成の一例を示す説明図である。ワイヤレス給電システム10は、商用交流電源50からの電力を高周波信号に変換し、これをワイヤレス送電する送電装置20と、送電装置20からの高周波信号を電磁誘導により受電し、これを負荷41に供給する受電装置30とを備える。受電装置30は、移動体40に搭載されている。負荷41は、移動体40に搭載されているバッテリなどの直流負荷、又は移動体40に搭載されているロボットアームなどの交流負荷である。移動体40は、例えば、無人搬送機である。
Fig. 1 is an explanatory diagram showing an example of the configuration of a wireless
図2は送電装置20の回路構成の一例を示す説明図である。送電装置20は、力率改善整流回路21と、フィルタ回路22と、インバータ回路23と、送電コイル24と、送電制御回路25とを備える。送電制御回路25は、力率改善整流回路21及びインバータ回路23のスイッチング動作を制御する。
Figure 2 is an explanatory diagram showing an example of the circuit configuration of the
力率改善整流回路21は、整流回路211と、整流回路211の出力側に接続する昇圧チョッパ212とを備える。整流回路211は、ブリッジ接続された複数のダイオードD5,D6,D7,D8から構成される単相全波整流回路である。整流回路211は、商用交流電源50からの交流信号を整流する。昇圧チョッパ212は、平滑用リアクトルL1,逆流防止ダイオードD9,及びスイッチング素子Tr5から構成される。昇圧チョッパ212は、平滑用リアクトルL1を流れる入力電流を電圧と同相の全波整流波形と同一に制御することにより、入力電流を電圧と同相の信号波形にする。
The power factor
受電装置30に接続する負荷41が交流負荷である場合、力率改善整流回路21は、商用交流電源50から供給される交流信号を、一定のPWM(Pulse Wide Modulation)幅でスイッチング素子Tr5をスイッチングすることにより、全波整流信号に変換する。このとき、一定のPWM幅の値は、受電装置30から出力される交流電圧の大きさに応じて決定される。力率改善整流回路21は、一定のPWM幅の値を別の一定の値に変更することにより、受電装置30から出力される交流電圧の大きさを調整することができる。一方、受電装置30に接続する負荷41が直流負荷である場合、力率改善整流回路21は、商用交流電源50から供給される交流信号を、可変のPWM幅でスイッチング素子Tr5をスイッチングすることにより、直流信号に変換する。即ち、力率改善整流回路21は、力率改善整流回路21からの出力電圧が一定となるように、PWM幅を可変制御する。
When the
なお、スイッチング素子Tr5は、送電制御回路25からの駆動信号に応答してスイッチング制御される。スイッチング素子Tr5のスイッチング周波数は、商用交流電源50の周波数と同一である必要はなく、異なっていてもよい。
The switching element Tr5 is switched in response to a drive signal from the power
フィルタ回路22は、キャパシタC1,C2及びリアクトルL2から構成されるπ型LCフィルタである。力率改善整流回路21からの出力信号(全波整流信号又は直流信号)には、力率改善整流回路21のスイッチング素子Tr5のスイッチングに伴う高周波成分が重畳されている。フィルタ回路22は、力率改善整流回路21からの出力信号に重畳されている不要な高周波成分を除去する。
The
インバータ回路23は、複数のスイッチング素子を備えている。インバータ回路23は、フィルタ回路22を通じて力率改善整流回路21から出力される出力信号(全波整流信号又は直流信号)を入力し、インバータ回路23内の各スイッチング素子のスイッチング制御により、この出力信号を正負に切り分けられた高周波信号に変換する。インバータ回路23内の各スイッチング素子は、送電ユニット30と受電ユニット40との間で電磁誘導による電力のワイヤレス送電が行われるように、送電制御回路25からの駆動信号に応答してスイッチング制御される。インバータ回路23内の各スイッチング素子のスイッチング周波数は、力率改善整流回路21内のスイッチング素子Tr5のスイッチング周波数と同一である必要はなく、異なっていてもよい。
The
送電コイル24は、インバータ回路23から出力される高周波信号を高周波磁束に変換する。これにより、送電コイル24は、電磁誘導を通じて、高周波信号を受電装置30にワイヤレス送電することができる。送電コイル24は、例えば、コイル単体でもよく、或いはコイルとキャパシタとが直列接続されている直列共振回路でもよく、コイルとキャパシタとが並列接続されている並列共振回路でもよい。
The
図3は受電装置30の回路構成の一例を示す説明図である。受電装置30は、受電コイル31と、整流回路32と、フィルタ回路33と、インバータ回路34と、受電制御回路35とを備える。受電制御回路35は、インバータ回路34のスイッチング動作を制御する。
Figure 3 is an explanatory diagram showing an example of the circuit configuration of the
受電コイル31は、送電コイル24からの高周波磁束を高周波信号に変換する。これにより、受電コイル31は、電磁誘導を通じて、高周波信号を受電することができる。受電コイル31は、例えば、コイル単体でもよく、或いはコイルとキャパシタとが直列接続されている直列共振回路でもよく、コイルとキャパシタとが並列接続されている並列共振回路でもよい。
The receiving
整流回路32は、ブリッジ接続された複数のダイオードD10,D11,D12,D13から構成される単相全波整流回路である。受電装置30に接続する負荷41が交流負荷である場合、整流回路32は、受電コイル31から出力される高周波信号を全波整流信号に整流する。受電装置30に接続する負荷41が直流負荷である場合、整流回路32は、受電コイル31から出力される高周波信号を直流信号に整流する。
The
フィルタ回路33は、リアクトルL3及びキャパシタC3から構成されるLCフィルタである。インバータ回路23から出力される高周波信号には、インバータ回路23内のスイッチング素子のスイッチングに伴う高周波成分が重畳されており、整流回路32から出力される信号(全波整流信号又は直流信号)にもこの高周波成分が重畳されている。フィルタ回路33は、整流回路32から出力される信号(全波整流信号又は直流信号)に重畳されている不要な高周波成分を除去する。
The
インバータ回路34は、複数のスイッチング素子を備えている。受電装置30に接続する負荷41が交流負荷である場合、インバータ回路34は、フィルタ回路33を通じて整流回路32から出力される全波整流信号の電圧がゼロになるタイミングで信号波形の正負が切り替わるように、インバータ回路34内の各スイッチング素子を商用交流電源50の周波数と同じ周波数でスイッチング制御することにより、全波整流信号を交流信号に変換し、この交流信号を負荷41に供給する。受電装置30に接続する負荷41が直流負荷である場合、インバータ回路34は、フィルタ回路33を通じて整流回路32から出力される直流信号を、インバータ回路34内の複数のスイッチング素子のうち特定のスイッチング素子を常時オンにすることにより、そのまま負荷41に供給する。なお、インバータ回路34内の各スイッチング素子は、受電制御回路35からの駆動信号に応答してスイッチング制御される。
The
図4はインバータ回路34及び受電制御回路35の回路構成の一例を示す説明図である。インバータ回路34は、第1のレグ341と、第2のレグ342とを備える。第1のレグ341は、スイッチング素子Tr1及びこれに逆並列に接続されている帰還ダイオードD1から構成される上アームと、スイッチング素子Tr2及びこれに逆並列に接続されている帰還ダイオードD2から構成される下アームとが直列に接続されている。第2のレグ342は、スイッチング素子Tr3及びこれに逆並列に接続されている帰還ダイオードD3から構成される上アームと、スイッチング素子Tr4及びこれに逆並列に接続されている帰還ダイオードD4から構成される下アームとが直列に接続されている。
Figure 4 is an explanatory diagram showing an example of the circuit configuration of the
第1のレグ341の上アームと第2のレグ342の上アームとの接続点343、及び第1のレグ341の下アームと第2のレグ342の下アームとの接続点344は、それぞれ、インバータ回路34の入力端子である。第1のレグ341の上アームと下アームとの接続点345、及び第2のレグ342の上アームと下アームとの接続点346は、それぞれ、インバータ回路34の出力端子である。インバータ回路34の出力端子は、負荷41に接続している。
A
受電制御回路35は、検出回路351と、駆動信号生成回路352と、駆動回路353とを備える。受電装置30に接続する負荷41が交流負荷である場合、インバータ回路34には、フィルタ回路33を通じて整流回路32から全波整流信号が入力される。検出回路351は、この全波整流信号の電圧から全波整流信号のゼロクロスポイント付近を検出する。ここで、全波整流信号のゼロクロスポイントとは、全波整流信号の電圧値がゼロになるタイミング(時刻)を意味する。また、全波整流信号のゼロクロスポイント付近とは、全波整流信号の電圧値が閾値電圧未満(すなわち、ゼロ以上かつ閾値電圧未満)になるタイミング(時刻)を意味する。閾値電圧は、例えば、全波整流信号の最大値の数%(例えば、2~3%)程度でよい。
The power
検出回路351は、インバータ回路34の入力端子(接続点343,344)に印加される全波整流信号の電圧を分圧する抵抗R1,R2と、抵抗R1,R2により分圧された電圧に応じて発光制御される発光ダイオード(発光素子)D14と、発光ダイオードD14の発光状態に応じて通電状態が制御されるフォトトラジスタ(受光素子)Tr6を備える。発光ダイオードD14のアノードには、抵抗R1,R2により分圧された電圧が印加される。発光ダイオードD14のカソードは、グランドに接続している。フォトトラジスタTr6のコレクタは、抵抗R3を通じて電源Vccに接続している。フォトトラジスタTr6のエミッタは、グランドに接続している。インバータ回路34の入力端子(接続点343,344)に印加される全波整流信号のゼロクロスポイント付近では、発光ダイオードD14のアノードに印加される電圧は、発光ダイオードD14の発光状態がオンからオフになる程度にまで低下する。発光ダイオードD14のアノードに印加される電圧の低下に伴い、発光ダイオードD14の発光状態がオンからオフになると、フォトトラジスタTr6の導通状態は、オンからオフに切り替わる。検出回路351は、フォトトラジスタTr6の通電状態がオンからオフに切り替わるタイミングで全波整流信号のクロスポイントを検出する。フォトトラジスタTr6の通電状態がオンからオフに切り替わると、検出回路351から駆動信号生成回路352に出力される検出信号DETは、ローレベルからハイレベルに切り替わる。なお、フォトトラジスタTr6の通電状態がオンである場合、検出信号DETは、ローレベルにある。フォトトラジスタTr6の通電状態がオフである場合、検出信号DETは、ハイレベルにある。
The
駆動信号生成回路352は、スイッチング素子Tr1,Tr4を駆動する駆動信号VG14と、スイッチング素子Tr2,Tr3を駆動する駆動信号VG23とをそれぞれ検出信号DETから生成する。駆動回路353は、スイッチング素子Tr1を駆動する駆動信号VG1と、スイッチング素子Tr4を駆動する駆動信号VG4とをそれぞれ駆動信号VG14から生成するとともに、スイッチング素子Tr2を駆動する駆動信号VG2と、スイッチング素子Tr3を駆動する駆動信号VG3とをそれぞれ駆動信号VG23から生成する。
The drive
図5は駆動回路353の回路構成の一例を示す図である。駆動回路353は、スイッチング素子Tr1の駆動信号VG1を生成する絶縁駆動回路3531と、スイッチング素子Tr2の駆動信号VG2を生成する絶縁駆動回路3532と、スイッチング素子Tr3の駆動信号VG3を生成する絶縁駆動回路3533と、スイッチング素子Tr4の駆動信号VG4を生成する絶縁駆動回路3534とを備える。
Figure 5 is a diagram showing an example of the circuit configuration of the
絶縁駆動回路3531は、抵抗R4を通じて入力される駆動信号VG14の電圧により発光制御される発光ダイオード(発光素子)D15と、発光ダイオードD15の発光状態に応じて通電状態が制御されるフォトトラジスタ(受光素子)Tr15を備える。発光ダイオードD15のカソードは、グランドに接続している。フォトトラジスタTr15のコレクタは、電源Vccに接続している。フォトトラジスタTr15のエミッタは、グランドに接続している。フォトトラジスタTr15のコレクタ電圧が抵抗R5,R6により分圧された電圧が駆動信号VG1として絶縁駆動回路3531からスイッチング素子Tr1のゲートに出力される。
The
絶縁駆動回路3532は、抵抗R7を通じて入力される駆動信号VG23の電圧により発光制御される発光ダイオード(発光素子)D16と、発光ダイオードD16の発光状態に応じて通電状態が制御されるフォトトラジスタ(受光素子)Tr16を備える。発光ダイオードD16のカソードは、グランドに接続している。フォトトラジスタTr16のコレクタは、電源Vccに接続している。フォトトラジスタTr16のエミッタは、グランドに接続している。フォトトラジスタTr16のコレクタ電圧が抵抗R8,R9により分圧された電圧が駆動信号VG2として絶縁駆動回路3532からスイッチング素子Tr2のゲートに出力される。
The
絶縁駆動回路3533は、抵抗R10を通じて入力される駆動信号VG23の電圧により発光制御される発光ダイオード(発光素子)D17と、発光ダイオードD17の発光状態に応じて通電状態が制御されるフォトトラジスタ(受光素子)Tr17を備える。発光ダイオードD17のカソードは、グランドに接続している。フォトトラジスタTr17のコレクタは、電源Vccに接続している。フォトトラジスタTr17のエミッタは、グランドに接続している。フォトトラジスタTr17のコレクタ電圧が抵抗R11,R12により分圧された電圧が駆動信号VG3として絶縁駆動回路3533からスイッチング素子Tr3のゲートに出力される。
The
絶縁駆動回路3534は、抵抗R13を通じて入力される駆動信号VG14の電圧により発光制御される発光ダイオード(発光素子)D18と、発光ダイオードD18の発光状態に応じて通電状態が制御されるフォトトラジスタ(受光素子)Tr18を備える。発光ダイオードD18のカソードは、グランドに接続している。フォトトラジスタTr18のコレクタは、電源Vccに接続している。フォトトラジスタTr18のエミッタは、グランドに接続している。フォトトラジスタTr18のコレクタ電圧が抵抗R14,R15により分圧された電圧が駆動信号VG4として絶縁駆動回路3534からスイッチング素子Tr4のゲートに出力される。
The
次に、負荷41が交流負荷である場合に、ワイヤレス給電システム10を通じて商用交流電源50からの電力を負荷41に送電する過程におけるワイヤレス給電システム10の各部の電圧信号の遷移について、図6乃至図9を参照しながら説明する。
Next, the transition of voltage signals in each part of the wireless
図6において、符号901は、商用交流電源50からの交流信号を整流回路211により全波整流することにより得られる電圧信号を示す。符号902は、力率改善整流回路21からの出力信号に重畳されている不要な高周波成分をフィルタ回路22により除去することにより得られる電圧信号を示す。符号903は、商用交流電源50の半周期に相当する期間を示す。
In FIG. 6,
図7において、符号101は、インバータ回路23から出力される高周波信号の電圧波形を示す。符号102は、商用交流電源50の半周期に相当する期間を示す。
In FIG. 7, reference numeral 101 indicates the voltage waveform of the high-frequency signal output from the
図8において、符号121は、整流回路32からの出力信号に重畳されている不要な高周波成分をフィルタ回路33により除去することにより得られる電圧信号を示す。符号122は、商用交流電源50の半周期に相当する期間を示す。
In FIG. 8,
図9において、符号131は、インバータ回路34から出力される交流信号の電圧波形を示す。符号132は、商用交流電源50の一周期に相当する期間を示す。
In FIG. 9,
次に、負荷41が直流負荷である場合に、ワイヤレス給電システム10を通じて商用交流電源50からの電力を負荷41に送電する過程におけるワイヤレス給電システム10の各部の電圧信号の遷移について、図12乃至図14を参照しながら説明する。
Next, the transition of voltage signals in each part of the wireless
図10において、符号141は、商用交流電源50からの交流信号の電圧波形を示す。符号142は、商用交流電源50からの交流信号を整流回路211により全波整流することにより得られる電圧信号を示す。
In FIG. 10,
図11において、符号151は、力率改善整流回路21から出力される電圧信号を示す。符号152は、力率改善整流回路21からの出力信号に重畳されている不要な高周波成分をフィルタ回路22により除去することにより得られる電圧信号を示す。
In FIG. 11, reference numeral 151 denotes a voltage signal output from the power factor
図12において、符号181は、受電コイル31から出力される高周波信号を整流回路32により全波整流することにより得られる電圧信号を示す。符号191は、整流回路32からの出力信号に重畳されている不要な高周波成分をフィルタ回路33により除去することにより得られる電圧信号を示す。インバータ回路34は、フィルタ回路33を通じて整流回路32から出力される直流信号を、インバータ回路34内の複数のスイッチング素子のうち特定のスイッチング素子(例えば、スイッチング素子Tr1,Tr4)を常時オンにすることにより、そのまま負荷41に供給する。
In FIG. 12, reference numeral 181 denotes a voltage signal obtained by full-wave rectifying the high-frequency signal output from the receiving
なお、上述のスイッチング素子Tr1~Tr5,Tr15~Tr18は、例えば、IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor)、バイポーラトランジスタ、MOSトランジスタ(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor)などの半導体スイッチである。 The switching elements Tr1 to Tr5 and Tr15 to Tr18 are semiconductor switches such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), bipolar transistors, and MOS transistors (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors).
力率改善整流回路21は、入力電源電圧よりも高い電圧を出力する昇圧チョッパ方式に限られるものではなく、例えば、入力電源電圧よりも低い電圧を出力する降圧コンバータ方式、又は入力電源電圧よりも高い電圧或いは低い電圧を出力する昇降圧コンバータ方式でもよい。力率改善整流回路21は、整流回路211を備えるものに限られるものではなく、例えば、ブリッジレス方式でもよい。
The power factor
力率改善整流回路21のスイッチングノイズを除去する必要がない場合、フィルタ回路22は、キャパシタのみでもよい。インバータ回路23の回路構成として、例えば、フルブリッジ回路、ハーフブリッジ回路、E級インバータ、プッシュプル方式などを用いることができる。整流回路32は、ダイオードブリッジ整流回路に限られるものではなく、スイッチング素子を用いた同期整流回路、或いはセンタータップを用いた整流回路でもよい。
When it is not necessary to remove the switching noise of the power factor
全波整流信号の電圧から全波整流信号のゼロクロスポイント付近を検出する検出回路351は、上述のフォトカプラ方式に限られるものではなく、例えば、デジタルアイソレータを用いる方式、又は全波整流信号の電圧と基準電圧とを比較するコンパレータを用いる方式でもよい。
The
本発明の実施形態によれば、負荷41に応じて直流電力及び交流電力を選択的に送電することができる。また、本発明の実施形態によれば、受電装置30から出力される交流電圧の大きさを、力率改善整流回路21のスイッチング制御により、任意に調整することができる。また、本発明の実施形態によれば、インバータ装置34の出力電圧の正負の切り替えタイミングを精度よくかつ低コストで決定することができる。
According to an embodiment of the present invention, DC power and AC power can be selectively transmitted depending on the
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更又は改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。すなわち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも、本発明の特徴を含む限り、本発明の範囲に包含される。 The above-described embodiments are intended to facilitate understanding of the present invention, and are not intended to limit the present invention. The present invention may be modified or improved without departing from the spirit of the invention, and equivalents are also included in the present invention. In other words, designs modified by a person skilled in the art as appropriate are also included within the scope of the present invention as long as they include the characteristics of the present invention. Furthermore, the elements of the embodiments can be combined to the extent technically possible, and combinations of these are also included within the scope of the present invention as long as they include the characteristics of the present invention.
10…ワイヤレス給電システム 20…送電装置 21…力率改善整流回路 22…フィルタ回路 23…インバータ回路 24…送電コイル 25…送電制御回路 30…受電装置 31…受電コイル 32…整流回路 33…フィルタ回路 34…インバータ回路 35…受電制御回路 40…移動体 41…負荷 50…商用交流電源
10...Wireless
Claims (5)
スイッチング素子を備える力率改善整流回路であって、交流電源から供給される交流信号を、一定のPWM幅で前記スイッチング素子をスイッチングすることにより、全波整流信号に変換し、前記受電装置に接続する負荷が直流負荷である場合に、前記交流電源から供給される前記交流信号を、可変のPWM幅で前記スイッチング素子をスイッチングすることにより、直流信号に変換する力率改善整流回路と、
前記全波整流信号又は前記直流信号を高周波信号に変換するインバータ回路と、
前記高周波信号を電磁誘導により前記受電装置にワイヤレス送電する送電コイルと、
を備える送電装置。 A power transmitting device that wirelessly transmits power to a power receiving device,
a power factor correction rectifier circuit including a switching element, which converts an AC signal supplied from an AC power source into a full-wave rectified signal by switching the switching element at a constant PWM width, and when a load connected to the power receiving device is a DC load, converts the AC signal supplied from the AC power source into a DC signal by switching the switching element at a variable PWM width;
an inverter circuit that converts the full-wave rectified signal or the DC signal into a high-frequency signal;
a power transmitting coil that wirelessly transmits the high-frequency signal to the power receiving device by electromagnetic induction;
A power transmission device comprising:
前記力率改善整流回路は、前記一定のPWM幅の値を別の一定の値に変更することにより、前記受電装置から出力される交流電圧の大きさを調整する、送電装置。 The power transmitting device according to claim 1 ,
The power factor correction rectifier circuit adjusts the magnitude of the AC voltage output from the power receiving device by changing the value of the constant PWM width to another constant value.
前記送電装置は、
スイッチング素子を備える力率改善整流回路であって、前記受電装置に接続する負荷が交流負荷である場合に、交流電源から供給される第1の交流信号を、一定のPWM幅で前記スイッチング素子をスイッチングすることにより、第1の全波整流信号に変換し、前記受電装置に接続する負荷が直流負荷である場合に、前記交流電源から供給される前記第1の交流信号を、可変のPWM幅で前記スイッチング素子をスイッチングすることにより、第1の直流信号に変換する力率改善整流回路と、
前記第1の全波整流信号又は前記第1の直流信号を高周波信号に変換する第1のインバータ回路と、
前記高周波信号を送電する送電コイルと、を備え、
前記受電装置は、
前記高周波信号を受電する受電コイルと、
前記受電装置に接続する負荷が交流負荷である場合に、前記高周波信号を第2の全波整流信号に整流し、前記受電装置に接続する負荷が直流負荷である場合に、前記高周波信号を第2の直流信号に整流する整流回路と、
前記受電装置に接続する負荷が交流負荷である場合に、前記第2の全波整流信号を第2の交流信号に変換するとともに、前記第2の交流信号を前記交流負荷に供給し、前記受電装置に接続する負荷が直流負荷である場合に、前記第2の直流信号を前記直流負荷に供給する第2のインバータ回路とを備えるワイヤレス給電システム。 A wireless power supply system including a power transmitting device and a power receiving device,
The power transmitting device is
a power factor correction rectifier circuit including a switching element, which, when a load connected to the power receiving device is an AC load, converts a first AC signal supplied from an AC power source into a first full-wave rectified signal by switching the switching element at a constant PWM width, and, when a load connected to the power receiving device is a DC load, converts the first AC signal supplied from the AC power source into a first DC signal by switching the switching element at a variable PWM width;
a first inverter circuit that converts the first full-wave rectified signal or the first DC signal into a high-frequency signal;
a power transmission coil for transmitting the high-frequency signal,
The power receiving device is
a receiving coil for receiving the high frequency signal;
a rectifier circuit that rectifies the high-frequency signal into a second full-wave rectified signal when a load connected to the power receiving device is an AC load, and rectifies the high-frequency signal into a second DC signal when the load connected to the power receiving device is a DC load;
a second inverter circuit that converts the second full-wave rectified signal into a second AC signal when a load connected to the power receiving device is an AC load, and supplies the second AC signal to the AC load, and that supplies the second DC signal to the DC load when the load connected to the power receiving device is a DC load.
前記受電装置は、前記第2の全波整流信号の電圧から前記第2の全波整流信号のゼロクロスポイント付近を検出する検出回路を更に備え、
前記第2のインバータ回路は、前記ゼロクロスポイント付近の検出結果に応じて前記第2の全波整流信号を第2の交流信号に変換する、ワイヤレス給電システム。 The wireless power supply system according to claim 3,
The power receiving device further includes a detection circuit that detects a vicinity of a zero cross point of the second full-wave rectified signal from a voltage of the second full-wave rectified signal,
The second inverter circuit converts the second full-wave rectified signal into a second AC signal in response to a detection result near the zero crossing point.
前記検出回路は、前記第2の全波整流信号の電圧に応じて発光制御される発光素子と、前記発光素子の発光状態に応じて通電状態が制御される受光素子とを備え、
前記検出回路は、前記受光素子の通電状態がオンからオフに切り替わるタイミングで前記クロスポイントを検出する、ワイヤレス給電システム。 The wireless power supply system according to claim 4,
the detection circuit includes a light-emitting element whose light emission is controlled in response to a voltage of the second full-wave rectified signal, and a light-receiving element whose conduction state is controlled in response to a light-emitting state of the light-emitting element,
The detection circuit detects the cross point at a timing when a power supply state of the light receiving element switches from on to off.
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