特許 5901636 ＡＣ電源のための過電圧保護

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5901636

(24)【登録日】2016年3月18日

(45)【発行日】2016年4月13日

(54)【発明の名称】ＡＣ電源のための過電圧保護

(51)【国際特許分類】

   H02H 9/04 20060101AFI20160331BHJP

   H02J 50/00 20160101ALI20160331BHJP

【ＦＩ】

   H02H9/04 B

   H02J17/00 B

【請求項の数】9

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2013-527267(P2013-527267)

(86)(22)【出願日】2011年8月31日

(65)【公表番号】特表2013-537034(P2013-537034A)

(43)【公表日】2013年9月26日

(86)【国際出願番号】US2011049969

(87)【国際公開番号】WO2012030963

(87)【国際公開日】20120308

【審査請求日】2014年8月27日

(31)【優先権主張番号】12/873,053

(32)【優先日】2010年8月31日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】390020248

【氏名又は名称】日本テキサス・インスツルメンツ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】507107291

【氏名又は名称】テキサス インスツルメンツ インコーポレイテッド

(74)【上記1名の代理人】

【識別番号】100098497

【弁理士】

【氏名又は名称】片寄 恭三

(72)【発明者】

【氏名】スティーブン シー テリー

(72)【発明者】

【氏名】ポール エル ブローリン

【審査官】 猪瀬 隆広

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−０９７６０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１０８４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０７８２４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０８７８４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１０８４８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２０１０８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１４５９８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０１５３３００（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−２０６９３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１６３０７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第００／００４５６４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−１８１２５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１８４７０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１７０５８１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０６Ｋ １９／００−１９／１８

Ｈ０２Ｈ ９／００−９／０８

Ｈ０２Ｊ ５０／００−５０／９０

Ｈ０２Ｍ ７／００−７／４０

Ｈ０３Ｋ １７／００−１７／０４

１７／０６−１７／０８

１７／１０−１７／６０

１７／６１−１７／６８７

１７／６９３−１７／７０

Ｈ０４Ｂ ５／００−５／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

出力過電圧保護回路であって、
第２の信号に変換するため交流信号を第１のキャパシタを介して受信するように構成される第１の端子と、
前記交流信号に基づいて前記第２の信号を受信するように構成される第２の端子と、
前記交流信号の直流信号への変換の前の、前記第１の端子を有する回路内の第２のキャパシタと、
前記第２のキャパシタと前記第１の端子とを有する回路内のスイッチであって、前記第２の信号上の過電圧を低減するために、過電圧検出信号に基づいて前記第２のキャパシタを前記第１の端子に選択的に電気的に結合するように構成される、前記スイッチと、
前記第２の端子と前記スイッチとを有する回路内の過電圧検出器であって、前記第２の信号の信号レベルを判定するように構成され、更に、前記第２の信号の前記信号レベルがしきい値より高い旨の判定に応答して、出力での過電圧を低減するために、前記スイッチに前記第１の端子と基準との間で前記第２のキャパシタを電気的に結合するようにさせるように、前記過電圧検出信号を出力するように構成される、前記過電圧検出器と、
前記第１及び第２の端子と前記第１のキャパシタと前記スイッチとを有する回路内の整流回路であって、前記第２の信号を生成するように構成される、前記整流回路と、
第３の端子上の電気信号レベルが第２のしきい値よりも小さいときに、前記過電圧検出信号に基づいて第３のキャパシタを前記第３の端子と前記基準との間で選択的に結合するように構成されている、第２のスイッチと、
を含む、過電圧保護回路。

【請求項2】

請求項１に記載の回路であって、
前記過電圧検出器が、前記第２の信号を前記しきい値と比較するように、及び、前記第２の信号が前記しきい値より大きいときに前記過電圧検出信号を生成するように構成される、コンパレータを含む、回路。

【請求項3】

請求項１に記載の回路であって、
前記過電圧検出器が、プルダウンレジスタと、前記しきい値にほぼ等しい降伏電圧を有する降伏ダイオードとを含み、前記降伏ダイオードが、前記第２の信号上の電圧が前記降伏電圧を超えるときに前記過電圧検出信号を出力するように構成される、回路。

【請求項4】

請求項１に記載の回路であって、
整流された信号を平滑化するように構成される整流器キャパシタを更に含む、回路。

【請求項5】

過電圧保護回路であって、
第２の信号への変換のために交流信号を第１のキャパシタを介して受信するように構成される第１の端子と、
前記交流信号に基づいて前記第２の信号を受信する第２の端子と、
前記第１の端子を有する回路内の第２のキャパシタと、
前記第２のキャパシタと前記第１の端子とを有する回路内のスイッチであって、前記第２の端子上の過電圧を低減するために過電圧検出信号に基づいて前記第２のキャパシタを前記第１の端子に選択的に電気的に結合するように構成される、前記スイッチと、
前記第２の端子と前記スイッチとを有する回路内の過電圧検出器であって、前記第２の信号の信号レベルを判定するように構成され、前記第２の信号の前記信号レベルがしきい値よりも大きいと判定することに応答して、前記スイッチに前記第２のキャパシタを前記第１の端子と基準との間で電気的に結合させるように前記過電圧検出信号を出力する、前記過電圧検出器と、
前記過電圧検出信号を受信するように、及び、前記スイッチに前記第２のキャパシタを前記第１の端子に電気的に結合させるためにクランプ信号を選択的に出力するように構成される、スイッチドライバと、
を含み、
前記スイッチドライバが、前記過電圧検出信号を前記しきい値と比較して前記比較に基づいて前記クランプ信号を出力するように構成される比較器と、前記交流信号が第２のしきい値よりも小さいときに前記クランプ信号を前記スイッチに出力するように構成されるラッチとを含む、回路。

【請求項6】

請求項５に記載の回路であって、
前記スイッチドライバが、前記交流信号を前記第２のしきい値と比較するように構成される第２のコンパレータを含む、回路。

【請求項7】

請求項５に記載の回路であって、
前記スイッチドライバが、前記交流信号がほぼニュートラル信号レベルにあるときに前記クランプ信号を出力する、回路。

【請求項8】

過電圧をクランプするための方法であって、
第１の電源端子で交流信号を受信することと、
整流された信号を生成するために、前記交流信号を整流することと、
前記整流された信号をしきい値信号レベルと比較することと、
前記整流された信号が前記しきい値信号レベルより大きいときにクランプキャパシタを前記第１の電源端子に結合することと、
を含み、
クランプキャパシタを前記第１の電源端子に結合することが、前記クランプキャパシタを前記第１の電源端子と第２の電源端子との間で結合することを含み、前記クランプキャパシタを前記第１の電源端子と第２の電源端子との間で結合することが、前記第１の電源端子での第１の電源信号がほぼニュートラル信号レベルであるときに第１のキャパシタを前記第１の電源端子と基準との間で結合することと、前記第２の電源端子での第２の電源信号がほぼニュートラル信号レベルであるときに第２のキャパシタを前記第２の電源端子と前記基準との間で結合することとを含む、方法。

【請求項9】

過電圧保護を有する誘導性電力伝達システムであって、
第１及び第２の端子を有する受信コイルであって、送信コイルの電圧と電流と周波数とに基づいて、前記第１及び第２の端子上に交流信号を生成するように構成される、前記受信コイルと、
前記交流信号を整流するように、及び整流された信号を出力するように構成される、整流器と、
過電圧保護回路と、
を含み、
前記過電圧保護回路が、
第１のクランプキャパシタ及び第２のクランプキャパシタと、
第１のクランプ信号に基づいて前記整流された信号の過電圧を低減するために、前記第１の端子と基準との間で前記第１のクランプキャパシタを選択的に電気的に結合するように構成される、第１のスイッチと、
第２のクランプ信号に基づいて前記過電圧を低減するために、前記第２の端子と前記基準との間で前記第２のクランプキャパシタを選択的に電気的に結合するように構成される、第２のスイッチと、
前記整流された信号の信号レベルを判定するように構成される過電圧検出器であって、前記整流された信号の前記信号レベルが第１のしきい値より高い旨の判定に応答して、
過電圧検出信号を出力するように構成される、前記過電圧検出器と、
前記過電圧検出信号を受信するように構成される第１のスイッチドライバであって、前記第１の端子での第１の電力信号が第２のしきい値より低いときに、前記第１のスイッチに前記第１の端子を前記基準に選択的に電気的に結合させるために前記第１のクランプ信号を出力するように構成される、前記第１のスイッチドライバと、
前記過電圧検出信号を受信するように構成される第２のスイッチドライバであって、前記第２の端子での第２の電力信号が前記第２のしきい値より低いときに、前記第２のスイッチに前記第２の端子を前記基準に選択的に電気的に結合させるために前記第２のクランプ信号を出力するように構成される、前記第２のスイッチドライバと、
を含む、誘導性電力伝達システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願は、一般にクランプ回路に関し、より具体的には、ＡＣ電源及び調整システムに関する過電圧をクランプするための方法及び装置に関する。

【背景技術】

【0002】

誘導性電力伝達システムは、一般に、送信ユニットと受信ユニットとの間で電力をワイヤレスで伝達するために用いられる。送信ユニットは、誘導コイルを介して磁界を生成する。別の誘導コイルを含む受信ユニットが磁界内に配置された場合、磁界は送信ユニットによって生成される磁界に比例する電流を受信ユニットに生成させる。受信ユニットで生成される電流は交流電流であり、受信ユニット内で生成される電流をフィルタリングするために用いることができる誘導性容量性フィルタ回路の共振周波数で電流を交番することによって、送信ユニットから受信ユニットへの電力伝達の効率は向上する可能性がある。

【発明の概要】

【0003】

説明される例において、過電圧保護回路が、第２の信号に変換するため交流信号を受信するように構成される第１の端子、交流信号に基づいて第２の信号を受信するための第２の端子、第１の端子を備える回路内のキャパシタ、第２の信号上の過電圧を低減するために過電圧検出信号に基づいてキャパシタを第１の端子に選択的に電気的に結合するように構成される、キャパシタ及び第１の端子を備える回路内のスイッチ、並びに、第２の信号の信号レベルを判定するように構成され、更に、第２の信号の信号レベルがしきい値より高い旨の判定に応答して、スイッチに、第１の端子と第２の端子との間でキャパシタを電気的に結合させるために過電圧検出信号を出力するように構成される、第２の端子及びスイッチを備える回路内の過電圧検出器を含む。

【0004】

記述される例において、過電圧をクランプするための方法が、第１の電源端子で交流信号を受信すること、整流信号を生成するために交流信号を整流すること、整流信号をしきい値信号レベルと比較すること、及び、整流信号がしきい値信号レベルより高い場合、キャパシタを第１の電源端子に結合することを含む。

【図面の簡単な説明】

【0005】

【図1】誘導性電力伝達システムの概略図である。

【0006】

【図2】キャパシタを用いるクランプ回路を含む、例示の誘導性電力伝達システムの概略図である。

【0007】

【図3A】複数のキャパシタを用いて実装されるクランプ回路を含む、別の例示の誘導性電力伝達システムの概略図である。

【0008】

【図3B】スイッチドライバを用いずに実装されるクランプ回路を含む、別の例示の誘導性電力伝達システムの概略図である。

【0009】

【図4】図２及び図３Ａにおけるスイッチドライバの実装に用い得る、例示のスイッチドライバの概略図である。

【0010】

【図5】例示のクランプコンパレータ及び整流器の出力電圧を示すグラフである。

【0011】

【図6】例示の整流器出力、交流信号、及びクランプ信号電圧を示すグラフである。

【0012】

【図7】図２のクランプキャパシタの周波数及び値の関数としてシミュレートされた整流器出力電圧を示すグラフである。

【0013】

【図8】図１〜図３Ｂの誘導性電力伝達システムに関する負荷及び周波数の関数として測定された整流器出力電圧を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

図１は、誘導性電力伝達システム１００を示す。誘導性電力伝達システム１００は、送信器回路１０２から受信器回路１０４に電力を伝達する。受信器回路１０４は電力を調整し、調整された電力を出力デバイス１０６に提供することができる。図１の例において、出力デバイス１０６は、受信器回路１０４によって充電されるバッテリ１０８である。

【0015】

送信器回路１０２は、スイッチングネットワーク１１４を介して直流（ＤＣ）電源１１２から交流電流を受け取る送信コイル１１０を含む。コントローラ１１８が、送信コイル１１０を通してＡＣ電流を流すために電源１１２に対して送信コイル１１０を結合及び分離するように、スイッチングネットワーク１１４を制御する。送信コイル１１０は、送信コイル１１０を通して流れるＡＣ電流に起因し、磁界を生成する。いくつかの例では、送信コイル１１０は３０巻きコイルである。

【0016】

送信器回路１０２及び受信器回路１０４は、送信器回路１０２と受信器回路１０４との間の電力伝達をそれぞれ活性化及び／又は非活性化するように、物理的に結合及び／又は分離され得る。受信器回路１０４は受信コイル１２０を含み、受信コイル１２０は、送信コイル１１０によって生成される磁界内に置かれると送信コイル１１０との組み合せで変圧器となる。受信器回路１０４は直列キャパシタ１２２をさらに含み、直列キャパシタ１２２は、受信コイル１２０との組み合わせで誘導性容量性（ＬＣ）フィルタ及び共振周波数を確立する。動作周波数（例えば、送信コイル１１０及び／又は受信コイル１２０内のＡＣ信号の周波数）が受信器回路１０４の共振周波数に近付くと、受信コイル１２０は電流源と同様に動作する。

【0017】

受信器回路１０４が送信コイル１１０の磁界内に置かれると、磁界はＡＣ電流を受信コイル１２０内に誘導する。受信コイル１２０は誘導された電流を同期整流器１２４に送り、同期整流器１２４は受け取ったＡＣ電流をＤＣ電流に変換する。同期整流器１２４は、ＤＣ電流を平滑化する整流器キャパシタ１２６にＤＣ電流を出力する。整流器出力又は整流器電圧という用語は、本明細書で用いるように、同期整流器１２４の出力端子１２５でのＤＣ信号の電圧を指す。さらに例示の受信器回路１０４は、出力デバイス１０６への出力用の線形電圧及び／又は電流を生成するための線形充電器１２８を含む。

【0018】

同期整流器１２４は、受信コイル１２０からＡＣ入力信号を受信するための２つの入力端子１３０及び１３２を含む。端子１３０及び１３２のそれぞれは、それぞれの端子１３０又は１３２がその間に受信コイル１２０から電流を受け取る（すなわち電流をシンクする）ＡＣ位相を有するとみなし得、受信コイル１２０は整流器出力端子１２５で電流を提供する（すなわち電流をソースする）ために用いられる。同期整流器１２４は、一度に１方の端子１３０（例えば、同期整流器１２４に電流を提供している端子）を同期整流器１２４の出力端子１２５に結合する一方で、他方の端子１３２を基準端子（例えば接地又は別のニュートラル端子）に結合することによって動作する。端子１３０の信号レベルが低下し、他方の端子１３２が電流をソースし始めると、同期整流器１２４は他方の端子１３２を整流器出力端子１２５に結合する一方で、端子１３０を基準に結合するように切り替える。このように、各端子１３０又は１３２のいずれかが、任意の所与の時間で電流を受信コイル１２０から同期整流器１２４に向けるか又は基準端子に結び付けられる。

【0019】

システム１００の整流器出力電流電圧ラインは、整流器の動作周波数が例示の受信器回路１０４の共振周波数に近付くにつれて定電流に近付き、それ故に電流ソース挙動に近付く。そのため、同期整流器１２４、整流器キャパシタ１２６、及び線形充電器１２８は、損傷を発生させるのに充分に高い電圧及び電力を受け得る。

【0020】

図２は、クランプキャパシタ２０４を用いるクランプ回路２０２を含む、例示の誘導性電力伝達システム２００の概略図である。例示の誘導性電力伝達システム２００は、例示の送信器回路１０２、例示の受信コイル１２０、例示の直列キャパシタ１２２、端子１３０及び１３２、並びに整流器出力端子１２５を有する例示の同期整流器１２４、例示の整流器キャパシタ１２６、及び、図１の例示のバッテリ１０８に充電するための図１の例示の線形充電器１２８を含む。図２の例示の受信コイル１２０は１８巻きコイルであり、例示のキャパシタ１２２は１００ナノファラッド（ｎＦ）のキャパシタンスを有する。したがって、例示の受信器回路１０４の共振周波数は約１００キロヘルツ（ｋＨｚ）である。例示のシステム２００では、受信コイル１２０は、送信器回路１０２によって提供される電力量に起因して、たとえ電圧がより高く、共振周波数に近い場合であっても、１アンペア（Ａ）を超える電流は生成しない。もちろん、他のキャパシタ値又は巻き数を用いることもできる。

【0021】

さらに例示の容量性クランプ２０２は、同期整流器１２４の入力端子１３０と１３２との間でクランプキャパシタ２０４を選択的に結合するための、スイッチング素子２０６及びスイッチドライバ２０８を含む。例示のスイッチング素子２０６は、図２ではｎチャネル金属酸化物半導体（ＮＭＯＳ）電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）として示されている。しかしながら、ｐチャネル金属酸化物半導体（ＰＭＯＳ）ＦＥＴ、バイポーラ接合トランジスタ、及び／又は他のタイプの電気的及び／又は電気機械的スイッチを含む、他のタイプのスイッチングデバイスを用いることもできる。スイッチング素子２０６は、スイッチドライバ２０８によって（例えばＮＭＯＳのゲート端子を介して）制御される。

【0022】

過電圧状況によって発生し得る受信器回路１０４への損傷を防ぐために、例示の誘導性電力伝達システム２００は、クランプ回路２０２及び過電圧検出器２１０を備えている。一般に、クランプ回路２０２は、整流器出力端子１２５に過電圧状況が存在する又は存在し得る旨の判定に応答して、端子１３０と１３２との間の電圧をクランプすることにより、整流器出力端子１２５での過電圧状況を防止又は軽減する。過電圧検出器２１０は、整流器出力端子１２５及びクランプ回路２０２と通信して整流器電圧を監視する。

【0023】

例示の過電圧検出器２１０は、降伏（例えばツェナー）ダイオード２１２、プルダウンレジスタ２１４、及びキャパシタ２１６を含む。過電圧検出器２１０は、同期整流器１２４の出力に過電圧状況が存在するか否かを示す過電圧検出信号を、スイッチドライバ２０８に提供する。降伏ダイオード２１２は、整流器電圧の上限しきい値となるように選択し得る降伏電圧を有する。図示された例において、整流器電圧は、典型的に、接地に関して１０Ｖ未満であり、同期整流器１２４及び／又は線形充電器１２８は２０Ｖの電圧でも損傷を受ける可能性がある。したがって、例示の降伏ダイオード２１２は、１２Ｖから１６Ｖの間で選択された降伏電圧を有する。例示のレジスタ２１４は１０キロオーム（ｋΩ）の抵抗を有し、例示のキャパシタ２１６は１マイクロファラッド（μＦ）のキャパシタンスを有する。もちろん、降伏電圧、抵抗、及び／又はキャパシタンスの値は、特定の応用例に従って調節できる。抵抗及びキャパシタンスの値は、過電圧状況に対する過電圧検出器２１０の反応時間を判定することができる。

【0024】

過電圧状況が存在しない場合、降伏ダイオード２１２は電流を導通しないため、レジスタ２１４によって過電圧検出信号は基準電圧（例えば接地、０Ｖ）まで引き下げられる。しかしながら、過電圧状況が発生した場合（例えば、整流器出力電圧が降伏電圧を上回って上昇する場合）、降伏ダイオード２１２はアバランシェ降伏を有する。結果として、電流は、レジスタ２１４を通して流れ、過電圧検出信号電圧を上昇させる。

【0025】

スイッチドライバ２０８は、過電圧検出信号電圧が論理１（例えば論理高）であるとみなすのに充分高い場合、過電圧状況を検出する。しかしながら、スイッチドライバ２０８は、ＡＣ信号レベルに基づき、クランプキャパシタ２０４の回路内への結合又は分離を遅延又は防止することができる。スイッチドライバ２０８は、端子１３０及び１３２でのＡＣ信号が端子１３０と１３２との間でクランプキャパシタ２０４を結合するのに充分低いか否かを判定する。端子１３０及び１３２でのＡＣ信号が高過ぎであり、クランプキャパシタ２０４が放電された場合、端子１３０と１３２との間でクランプキャパシタ２０４が接続されたとき、大きな突入電流が発生する可能性がある。同様に、クランプキャパシタ２０４が充電されたとき端子１３０と１３２との間でクランプキャパシタ２０４が切断された場合、大きなキャパシタ放電電流が発生する可能性がある。突入電流又は放電電流は、スイッチング素子２０６に大きな電圧を発生させる可能性がある。このような場合、スイッチング素子２０６が突入を処理するのに充分ロバストである（例えばＮＭＯＳのサイズを大きくする）必要があるか、又はスイッチ２０６が損傷を受ける可能性がある。より大きなＮＭＯＳは、超小型回路の応用例では一般に望ましくない。以下でより詳細に説明するように、より小さなスイッチング素子２０６を用いるため及びスイッチング素子２０６への損傷を防ぐために、スイッチドライバ２０８は、ＡＣ信号が充分低い電圧を有するとき、クランプキャパシタ２０４を端子１３０及び１３２に対し結合及び分離する。その代わりとしてスイッチドライバ２０８は、より小さなより廉価な回路構成要素を用いながら、システム２０の動作周波数期間の半分以内でスイッチング素子２０６を過電圧状況の有り及び／又は無しに応答させることができる。より大きな電圧及び／又は電力を処理するためにより大きな構成要素を用いることはできるが、誘導性電力伝達システム２００が極めて高価になる可能性がある。

【0026】

図３Ａは別の例示の誘導性電力伝達システム３００の概略図であり、キャパシタ３０４ａ及び３０４ｂを用いて実装されるクランプ回路３０２を含む。さらに例示のクランプ回路３０２は、同期整流器１２４の入力端子１３０及び１３２と基準（例えば接地、ニュートラル）との間でクランプキャパシタ３０４ａ及び３０４ｂのうちのそれぞれを選択的に結合するために、スイッチング素子３０６ａ及び３０６ｂ並びにスイッチドライバ３０８ａ及び３０８ｂを含む。さらに例示の誘導性電力伝達システム３００は、図２に示された例示の過電圧検出器２１０を含む。

【0027】

例示のクランプキャパシタ３０４ａ、例示のスイッチング素子３０６ａ、及び例示のスイッチドライバ３０８ａは、図２を参照して上述した、クランプキャパシタ２０４、スイッチング素子２０６、及びスイッチドライバ２０８のそれぞれと同様又は同一に動作可能である。しかしながらクランプキャパシタ３０４ａは、端子１３０と基準との間で選択的に結合される。同様に、例示のクランプキャパシタ３０４ｂ、例示のスイッチング素子３０６ｂ、及び例示のスイッチドライバ３０８ｂは、クランプキャパシタ３０４ａが端子１３２と基準との間で選択的に結合されることを除けば、クランプキャパシタ２０４、スイッチング素子２０６、及びスイッチドライバ２０８のそれぞれと同様又は同一に動作可能である。スイッチング素子３０６ａ及び３０６ｂの両方がオンに切り換えられ、端子１３０及び１３２のうちのそれぞれと基準との間でクランプキャパシタ３０４ａ及び３０４ｂを結合するとき、端子１３０及び１３２は、スイッチング素子３０６ａ及び３０６ｂ並びに基準を介して効果的に結合される。

【0028】

スイッチドライバ３０８ａ及び３０８ｂは、端子１３０及び１３２でのそれぞれのＡＣ信号に基づいて、それぞれのスイッチング素子３０６ａ及び３０６ｂの切り替えを制限する。したがってスイッチドライバ３０８ａは、端子１３０でのＡＣ信号が所定のしきい値より低いとき、スイッチング素子３０６ａのみが端子１３０と基準との間でクランプキャパシタ３０４ａを結合及び分離できるようにする。同様に、スイッチドライバ３０８ｂは、端子１３２でのＡＣ信号が所定のしきい値より低いとき、スイッチング素子３０６ｂのみが端子１３２と基準との間でクランプキャパシタ３０４ｂを結合及び分離できるようにする。

【0029】

図３Ｂは、スイッチドライバなしで実装されるクランプ回路３１２を含む、別の例示の誘導性電力伝達システム３１０の概略図である。例示のクランプ回路３１２は、図３Ａのクランプキャパシタ３０４ａ及び３０４ｂ並びにスイッチング素子３０６ａ及び３０６ｂを含む。しかしながら、図３Ａのスイッチドライバ３０８ａ又は３０８ｂは含まない。その代わりに、スイッチング素子３０６ａ及び３０６ｂの入力端子（例えばＦＥＴのゲート端子）は、例示の降伏ダイオード２１２の陽極端子に結合される。動作において、整流器出力端子１２５で過電圧状況が発生したとき、降伏ダイオード２１２は電流を導通し始め、それが、端子１３０及び１３２を基準に結合するスイッチング素子３０６ａ及び３０６ｂの入力端子での電圧を増加させる。逆に、過電圧状況がもはや存在しない場合、降伏ダイオード２１２は電流の導通を停止し、レジスタ２１４は、電圧を引き下げ、スイッチング素子３０６ａ及び３０６ｂに端子１３０及び１３２を基準から分離させる。

【0030】

図３Ｂの例示のクランプ回路３１２はスイッチドライバ３０８ａ及び３０８ｂを含まないため、端子１３０及び１３２でのＡＣ電圧とは無関係に、過電圧検出器２１０によってスイッチング素子３０６ａ及び３０６ｂをオンにする（例えば端子１３０及び１３２を基準に結合する）ことができる。したがっていくつかの例では、スイッチング素子３０６ａ及び３０６ｂは、スイッチング素子３０６ａ及び３０６ｂ又は誘導性電力伝達システム３１０に損傷を発生させることなく、スイッチング素子３０６ａ及び３０６ｂが突入電流及び／又はキャパシタ放電電流を処理できるようにするために、比較的大きな外部スイッチング素子を用いて実装可能である。

【0031】

図２、図３Ａ、及び図３Ｂの例示のシステム２００、３００、及び３１０において、動作周波数が共振周波数に近付くにつれて、送信器回路１０２から受信器回路１０４へのエネルギー伝達の効率性が向上するため、受信器回路１０４の共振周波数又は近似共振周波数は有利な動作周波数である。したがって、整流器出力端子１２５での整流器電圧は、共振周波数で非常に高くなる可能性がある。

【0032】

図４は、図２及び図３Ａのスイッチドライバ２０８、３０８ａ、及び３０８ｂを実装するために用いることができる例示のスイッチドライバ４００の概略図である。明確及び簡潔にするために、図４は図３Ａの例示のスイッチドライバ３０８ａを実装しているものとして説明する。例示のスイッチドライバ４００は、ゲートＤラッチ４０２、並びに２つのコンパレータ４０４及び４０６を含む。ゲートＤラッチ４０２は、Ｄ端子で入力信号を、Ｅ端子でイネーブル信号を受信し、Ｑ端子からクランプ信号を出力する。Ｅ端子は、入力信号がクランプ信号として通過するか否かを制御する。コンパレータ４０６は、端子１３０でのＡＣ信号（ＡＣ ＳＩＧＮＡＬ）をしきい値（ＡＣしきい値）と比較し、ＡＣ信号が、端子１３２と基準との間でクランプキャパシタ３０４ａを結合及び／又は分離するのに充分低い信号レベルを有するか否かを判定する。したがって、ＡＣ信号がしきい値より低い場合、コンパレータ４０６は、ゲートＤラッチ４０２をイネーブルにする（例えば、Ｄ端子で受信した入力信号をＱ端子から出力する）ために論理高信号を出力する。

【0033】

コンパレータ４０４は、整流器電圧（ＶＲＥＣ）を整流器電圧しきい値（ＶＲＥＣしきい値）と比較する。整流器電圧がしきい値より大きい（例えば過電圧状況が存在する）場合、コンパレータはゲートＤラッチ４０２のＤ端子に高論理信号を出力する。ラッチ４０２のＥ端子がイネーブルされる（例えば、ＡＣ信号がＡＣしきい値より小さい）場合、Ｄ端子への入力がＱ端子から出力される（例えばクランプ信号）。クランプ信号は、スイッチング素子３０６ａのスイッチ入力（例えばＮＭＯＳのゲート端子）に入力される。したがって、ラッチ４０２のＥ端子がイネーブルされ、整流器電圧が過電圧状況である場合、Ｑ端子は論理高クランプ信号を出力して、スイッチング素子３０６ａに端子１３２と基準との間でクランプキャパシタ３０４ａを結合させる。同様に、ラッチ４０２のＥ端子がイネーブルされ、整流器電圧が過電圧状況にない場合、Ｑ端子は、スイッチング素子をオフにする論理低クランプ信号を出力して、クランプキャパシタ３０４ａを端子１３２及び基準から分離する。しかしながら、ラッチ４０２のＥ端子がディスエーブルされる場合、クランプ信号は過電圧状況にかかわらず一定に維持される。

【0034】

いくつかの例において、ゲートＤラッチ４０２はＤフリップフロップを用いて実装可能である。そうした場合、Ｄフリップフロップは、エッジセンシティブ（edge-sensitive）であり、コンパレータ４０６からの出力が低から高に変化するとき（例えば、ＡＣ信号がＡＣしきい値を下回って下がるとき）のみ、その出力を変更することができる（例えば、過電圧状況の有り及び／又は無しに基づいて、スイッチング素子３０６ａの状態を変更することができる）。

【0035】

図５は、例示のクランプ信号５０２（例えば、図２及び図３Ａのスイッチドライバ２０８、３０８ａ、及び３０８ｂの出力）及び整流器出力５０４の電圧を示すグラフ５００である。整流器出力５０４がしきい値（例えば約１４Ｖ）を超えるとき、クランプ信号５０２はアクティブになる（例えばスイッチング素子２０６をオンにする）。クランプ信号５０２がアクティブにされる間、クランプキャパシタ２０４は、整流器出力５０４を低減させるために端子１３０及び１３２でＡＣ信号をクランプする。整流器出力５０４がしきい値５０６を下回って低下するとき、クランプ信号５０２は論理低へ低下し、これによってスイッチング素子２０６がオフになり、端子１３０及び１３２からクランプキャパシタ２０４を分離する。

【0036】

図６は、例示の整流器出力６０２、ＡＣ信号６０４、及びクランプ信号電圧６０６を示すグラフ６００である。例示のグラフ６００は、例示のグラフ５００よりも小さな時間基準を有し、整流器電圧における上昇をより詳細に示す。

【0037】

第１の時間期間６０８の間、整流器出力６０２は過電圧しきい値より小さく（例えば、整流器出力６０２は過電圧状況になく）、ＡＣ信号６０４は同相であり（例えば、図１の同期整流器１２４の端子１３０は電流をシンクしている）、クランプ信号６０６は論理高である（例えば、クランプキャパシタ２０４は端子１３０と１３２との間で結合される）。整流器出力６０２は過電圧しきい値より小さいが、ＡＣ信号６０４がしきい値６１０より高い間、スイッチドライバ２０８はクランプ信号６０６を変化させないため、クランプ信号６０６は論理高のままである。

【0038】

第１の時間期間６０８の終わりに、ＡＣ信号６０４はしきい値６１０を下回って下がり、この時点で、整流器出力６０２も過電圧しきい値より小さいため、クランプ信号６０６は低下する。第２の時間期間６１２の間、整流器出力６０２は過電圧しきい値を上回って上昇する。ＡＣ信号６０４が同相でない（例えば端子１３２が電流をシンクする）間、図１の受信コイル１２０及び直列キャパシタ１２２を含むＬＣフィルタに起因して、ＡＣ信号６０４の電圧は依然として上昇し得る。したがって、スイッチドライバ２０８は、過電圧状況に応答して、クランプ信号６０６が、クランプキャパシタ２０４を結合するために上昇すことを防止する。ＡＣ信号６０４がしきい値６１０を下回って下がるとき、スイッチドライバ２０８は、クランプ信号６０６を論理高まで上昇させて、クランプキャパシタ２０４を端子１３０に結合する。そのため、第３の時間期間６１４の間、クランプキャパシタ２０４はＡＣ信号６０４をクランプして整流器出力６０２を低下させる。結果として、整流器出力６０２は低下し、ＡＣ信号６０４は、ＡＣ信号６０４がクランプされていない場合よりもゆっくりと上昇する。

【0039】

図７は、図１の例示の誘導性電力伝達システム１００に関する周波数と並列キャパシタンスの関数としてシミュレートされた整流器出力電圧を示すグラフ７００である。例示の周波数線７０２及び７０４は、それぞれ共振周波数の倍数として示される。図７に示されるように、図１の整流器出力は、約１４０ｎＦより大きいキャパシタンス値を有するクランプキャパシタを用いて、任意の周波数で２０Ｖ未満にクランプすることができる。図２の例示のクランプキャパシタ２０４は、２００ｎＦのキャパシタンス値を有する。図３の例示のクランプキャパシタ３０４ａ及び３０４ｂは、それぞれ４５０ｎＦのキャパシタンス値を有する。したがって、図３Ａのクランプキャパシタ３０４ａ及び３０４ｂがどちらもそれぞれの整流器端子１３０及び１３２を基準に結合する場合、端子１３０と１３２との間の有効キャパシタンスは約４５０ｎＦである。

【0040】

図８は、図１〜図３Ｂの誘導性電力伝達システム１００、２００、３００、及び３１０に関する負荷と周波数の関数として測定された整流器出力電圧８０２、８０４、８０６を示すグラフ８００である。前述のように、図１〜図３Ｂの例示の受信器回路１０４は約１００ｋＨｚの共振周波数を有する。図８に示されるように、同期整流器１２４の出力電圧１２５（例えば整流器キャパシタ１２６での電圧）は、同期整流器１２４の負荷にほぼ比例して上昇する。加えて整流器電圧は、動作周波数が受信器回路１０４の共振周波数に近付くにつれて、単位抵抗（オーム）当たりより高いレートで上昇する。例えば、４０オーム（Ω）負荷に対する１０４ｋＨｚの８０２での整流器電圧は約２１．５ボルト（Ｖ）であるが、４０Ω負荷に対する１０６ｋＨｚの８０４での整流器電圧は約２０Ｖである。整流器電圧８０２及び８０４が危険電圧８０８まで上昇すると、同期整流器１２４、整流器キャパシタ１２６、及び／又は線形充電器１２８は損傷を受ける可能性がある。

【0041】

例示の誘導性電力伝達システム２００、３００、及び３１０は、例示の整流器電圧８０６が過電圧しきい値（例えば１８Ｖ）を上回って上昇することを防ぐ。システム１００に損傷を与える可能性のある危険電圧８０８を受け得る図１の誘導性電力伝達システム１００とは対照的に、例示の誘導性電力伝達システム２００、３００は過電圧しきい値までに制限される。前述のように、整流器出力電圧８０６がしきい値電圧を上回って上昇すると、クランプ回路２０２、３０２、及び３１２は整流器出力電圧８０６を制限する。このように、例示の誘導性電力伝達システム２００、３００、及び３１０は、より小さくより廉価な回路構成要素を保護するためにクランプ回路２０２、３０２、及び３１２を含めることによって、図１の誘導性電力伝達システム１００よりも少ない製造コストで実装可能である。

【0042】

当業者であれば、説明した例示の実施形態及び特許請求の範囲内に存する他の実施形態に対し改変が成され得ることが理解されよう。

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】