特許 6058222 電力伝送装置、高周波電源及び高周波整流回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6058222

(24)【登録日】2016年12月16日

(45)【発行日】2017年1月11日

(54)【発明の名称】電力伝送装置、高周波電源及び高周波整流回路

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/12 20160101AFI20161226BHJP

   H02J 50/40 20160101ALI20161226BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/12

   H02J50/40

【請求項の数】10

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-525618(P2016-525618)

(86)(22)【出願日】2016年1月22日

(86)【国際出願番号】JP2016051885

【審査請求日】2016年4月21日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】591036457

【氏名又は名称】三菱電機エンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100123434

【弁理士】

【氏名又は名称】田澤 英昭

(74)【代理人】

【識別番号】100101133

【弁理士】

【氏名又は名称】濱田 初音

(74)【代理人】

【識別番号】100199749

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 成

(74)【代理人】

【識別番号】100188880

【弁理士】

【氏名又は名称】坂元 辰哉

(74)【代理人】

【識別番号】100197767

【弁理士】

【氏名又は名称】辻岡 将昭

(74)【代理人】

【識別番号】100201743

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 和真

(72)【発明者】

【氏名】阿久澤 好幸

【審査官】 安井 雅史

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１５／０８１０６５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０２５２８７７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開昭５３−０２９５２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５３−０２９５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５２０１７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００３−５０６９４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２２３０４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１１０６６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ １９／００−１９／３２

Ｇ０５Ｆ １／１２− １／４４

１／４５− ７／００

Ｇ０６Ｋ １７／００−１９／１８

Ｈ０２Ｊ ３／００− ５／００

５０／００−５０／９０

Ｈ０２Ｍ ７／００− ７／９８

Ｈ０４Ｂ ５／００− ５／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

商用交流源から商用交流が入力され、当該商用交流を半波整流した電力及び当該電力に対して１８０度の位相差を持つ電力を出力する入力回路、及び前記入力回路からの出力毎に設けられ、当該入力回路から出力された対応する電力を前記商用交流の周波数よりも高い周波数の電力に変換するインバータを有する高周波電源と、
前記インバータ毎に設けられ、対応する前記インバータにより変換された電力を伝送する共振型送信アンテナと、
前記共振型送信アンテナ毎に設けられ、対応する前記共振型送信アンテナにより伝送された電力を受信する共振型受信アンテナと、
前記共振型受信アンテナ毎に設けられ、対応する前記共振型受信アンテナにより受信された電力を全波整流する全波整流回路、及び各々の前記全波整流回路により全波整流された電力を、一方の電力の極性を反転した上で合成する出力回路を有する高周波整流回路とを備え、
前記入力回路は、
互いのカソードが前記商用交流源の異なる端子に接続され、互いのアノードが接続された２系統の第１のダイオードと、
アノードが対応する系統の前記第１のダイオードのカソードに接続された２系統の第２のダイオードと、
一端が対応する系統の前記第２のダイオードのカソードに接続され、他端が対応する系統の前記第１のダイオードのアノードに接続された２系統の第１のコンデンサとを有し、
前記出力回路は、
ドレイン端子が一方の前記全波整流回路が有する正極側の出力端子に接続され、ソース端子が当該全波整流回路が有する負極側の出力端子に接続された第１のスイッチング素子と、
ドレイン端子が他方の前記全波整流回路が有する正極側の出力端子に接続され、ソース端子が当該全波整流回路が有する負極側の出力端子及び前記第１のスイッチング素子のソース端子に接続された第２のスイッチング素子とを有し、
前記高周波整流回路は、前記第１のスイッチング素子のドレイン端子に接続された端子、及び前記第２のスイッチング素子のドレイン端子に接続された端子から成る一対の出力端子を有する
ことを特徴とする電力伝送装置。

【請求項2】

各々の前記インバータは、リターンラインが共通化された
ことを特徴とする請求項１記載の電力伝送装置。

【請求項3】

前記インバータは、Ｅ級型のインバータである
ことを特徴とする請求項１記載の電力伝送装置。

【請求項4】

前記全波整流回路は、ブリッジ整流回路である
ことを特徴とする請求項１記載の電力伝送装置。

【請求項5】

前記共振型送信アンテナと前記共振型受信アンテナは、磁界共鳴、電界共鳴又は電磁誘導により電力伝送を行う
ことを特徴とする請求項１記載の電力伝送装置。

【請求項6】

前記共振型送信アンテナと前記共振型受信アンテナは等価的に１点接続された
ことを特徴とする請求項１記載の電力伝送装置。

【請求項7】

前記共振型送信アンテナ及び前記共振型受信アンテナの両方又はどちらか一方は２個以上のコイルから構成された
ことを特徴とする請求項１記載の電力伝送装置。

【請求項8】

前記共振型送信アンテナは固定部に設置され、
前記共振型受信アンテナは、停止した際又は移動中に前記固定部と対向する移動体に設置された
ことを特徴とする請求項１記載の電力伝送装置。

【請求項9】

商用交流源から商用交流が入力されて電力伝送を行って当該商用交流と同じ周波数の交流を出力する電力伝送装置に用いられる高周波電源であって、
前記商用交流が入力され、当該商用交流を半波整流した電力及び当該電力に対して１８０度の位相差を持つ電力を出力する入力回路と、
前記入力回路からの出力毎に設けられ、当該入力回路から出力された対応する電力を前記商用交流の周波数よりも高い周波数の電力に変換するインバータとを備え、
前記入力回路は、
互いのカソードが前記商用交流源の異なる端子に接続され、互いのアノードが接続された２系統の第１のダイオードと、
アノードが対応する系統の前記第１のダイオードのカソードに接続された２系統の第２のダイオードと、
一端が対応する系統の前記第２のダイオードのカソードに接続され、他端が対応する系統の前記第１のダイオードのアノードに接続された２系統の第１のコンデンサとを有する
ことを特徴とする高周波電源。

【請求項10】

商用交流が入力されて電力伝送を行って当該商用交流と同じ周波数の交流を出力する電力伝送装置に用いられる高周波整流回路であって、
入力された電力を全波整流する２系統の全波整流回路と、
各々の前記全波整流回路により全波整流された電力を、一方の電力の極性を反転した上で合成することで前記交流を得る出力回路とを備え、
前記出力回路は、
ドレイン端子が一方の前記全波整流回路が有する正極側の出力端子に接続され、ソース端子が当該全波整流回路が有する負極側の出力端子に接続された第１のスイッチング素子と、
ドレイン端子が他方の前記全波整流回路が有する正極側の出力端子に接続され、ソース端子が当該全波整流回路が有する負極側の出力端子及び前記第１のスイッチング素子のソース端子に接続された第２のスイッチング素子とを有し、
前記第１のスイッチング素子のドレイン端子に接続された端子、及び前記第２のスイッチング素子のドレイン端子に接続された端子から成る一対の出力端子を備えた
ことを特徴とする高周波整流回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、商用交流が入力されて電力伝送を行って当該商用交流と同じ周波数の交流を出力する電力伝送装置、高周波電源及び高周波整流回路に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来から、商用交流が入力されて無線電力伝送を行う電力伝送装置が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に開示された電力伝送装置（無接触給電設備）では、まず、ブリッジ接続された整流ダイオードを有するコンバータは、入力された商用交流を直流へ変換する。そして、インバータは、当該直流を高周波交流（１０ｋＨｚ）に変換する。この変換された高周波交流は、誘電線路（送受信アンテナ）によって無接触電力伝送される。そして、ブリッジ接続された整流ダイオードを有するコンバータは、当該伝送された高周波交流を直流へ変換する。そして、インバータは、当該直流を高周波交流に変換し、負荷となるモータに出力している。

【0003】

図８は、従来の電力伝送装置をより一般的な機能ブロックに変更し、負荷が商用交流で動作する機器である場合の構成を示した図である。
図８に示す電力伝送装置では、まず、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１は、入力された商用交流（図８では５０Ｈｚ）を直流へ変換する。そして、ＤＣ／ＡＣインバータ１０２は、当該直流を高周波交流（図８では６．７８ＭＨｚ）へ変換する。この変換された高周波交流は、共振型送受信アンテナ１０３，１０４によって非接触電力伝送される。そして、ＡＣ／ＤＣ整流回路１０５は、当該伝送された高周波交流を直流へ変換する。そして、ＤＣ／ＡＣインバータ１０６は、当該直流を上記商用交流と同じ周波数の交流（図８では５０Ｈｚ）に変換し、負荷へ出力している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平２００５−１６２１１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来の電力伝送装置では、図８に示すように、送信側にＡＣ／ＤＣコンバータ１０１を設け、受信側にＤＣ／ＡＣインバータ１０６を設ける必要がある。そのため、装置全体が大型化、重量化、高コスト化するという課題がある。
また、従来の構成では、入力された電力に対して直流への変換と周波数変換を繰り返すため、装置全体における入出力の電力伝送効率が低く、発熱量が多くなるため、その放熱のためのヒートシンク構造が大型化する。よって、これによっても、装置全体が大型化、重量化、高コスト化するという課題がある。

【0006】

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ＡＣ／ＤＣコンバータ及びＤＣ／ＡＣインバータを用いずに、商用交流が入力されて電力伝送を行って当該商用交流と同じ周波数の交流を出力することができる電力伝送装置、高周波電源及び高周波整流回路を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この発明に係る電力伝送装置は、商用交流源から商用交流が入力され、当該商用交流を半波整流した電力及び当該電力に対して１８０度の位相差を持つ電力を出力する入力回路、及び入力回路からの出力毎に設けられ、当該入力回路から出力された対応する電力を商用交流の周波数よりも高い周波数の電力に変換するインバータを有する高周波電源と、インバータ毎に設けられ、対応するインバータにより変換された電力を伝送する共振型送信アンテナと、共振型送信アンテナ毎に設けられ、対応する共振型送信アンテナにより伝送された電力を受信する共振型受信アンテナと、共振型受信アンテナ毎に設けられ、対応する共振型受信アンテナにより受信された電力を全波整流する全波整流回路、及び各々の全波整流回路により全波整流された電力を、一方の電力の極性を反転した上で合成する出力回路を有する高周波整流回路とを備え、入力回路は、互いのカソードが商用交流源の異なる端子に接続され、互いのアノードが接続された２系統の第１のダイオードと、アノードが対応する系統の第１のダイオードのカソードに接続された２系統の第２のダイオードと、一端が対応する系統の第２のダイオードのカソードに接続され、他端が対応する系統の第１のダイオードのアノードに接続された２系統の第１のコンデンサとを有し、出力回路は、ドレイン端子が一方の全波整流回路が有する正極側の出力端子に接続され、ソース端子が当該全波整流回路が有する負極側の出力端子に接続された第１のスイッチング素子と、ドレイン端子が他方の全波整流回路が有する正極側の出力端子に接続され、ソース端子が当該全波整流回路が有する負極側の出力端子及び前記第１のスイッチング素子のソース端子に接続された第２のスイッチング素子とを有し、高周波整流回路は、第１のスイッチング素子のドレイン端子に接続された端子、及び第２のスイッチング素子のドレイン端子に接続された端子から成る一対の出力端子を有するものである。

【発明の効果】

【0008】

この発明によれば、上記のように構成したので、ＡＣ／ＤＣコンバータ及びＤＣ／ＡＣインバータを用いずに、商用交流が入力されて電力伝送を行って当該商用交流と同じ周波数の交流を出力することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】この発明の実施の形態１に係る電力伝送装置の構成例を示す図である。

【図2】この発明の実施の形態１における送信装置の回路構成例を示す図である。

【図3】この発明の実施の形態１における受信装置の回路構成例を示す図である。

【図4】図４Ａ〜図４Ｃは、この発明の実施の形態１における送信装置の動作例を説明する図である。

【図5】図５Ａ〜図５Ｃは、この発明の実施の形態１における受信装置の動作例を説明する図である。

【図6】図６Ａ、図６Ｂは、この発明の実施の形態１に係る電力伝送装置の適用例を示す図であり、送信装置を固定部に設け、受信装置を移動体に設けた場合の側面図と、固定部の上面図である。

【図7】この発明の実施の形態１における共振型送信アンテナと共振型受信アンテナを有線接続した場合の構成例を示す図である。

【図8】従来の電力伝送装置の構成例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電力伝送装置の構成例を示す図である。
電力伝送装置は、商用交流が入力されて電力伝送を行って当該商用交流と同じ周波数の交流を出力するものである。なお、商用交流としては、国内外で使用されている標準の周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）の交流、工業用として使用されている周波数の交流等の、低周波数の交流が挙げられる。また以下では、電力伝送装置が無線電力伝送を行う場合を例に説明を行う。

【0011】

この電力伝送装置は、図１に示すように、送信側ＡＣ／ＡＣコンバータ（高周波電源）１、共振型送信アンテナ２ａ，２ｂ、共振型受信アンテナ３ａ，３ｂ及び受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ（高周波整流回路）４を備えている。なお、送信側ＡＣ／ＡＣコンバータ１及び共振型送信アンテナ２ａ，２ｂは送信装置５を構成し、共振型受信アンテナ３ａ，３ｂ及び受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ４は受信装置６を構成している。

【0012】

送信側ＡＣ／ＡＣコンバータ１は、上記商用交流（図１では５０Ｈｚ）が入力され、当該商用交流を、当該商用交流の周波数で電圧振幅が変化し且つ１８０度の位相差を持って交互に出力される当該商用交流の周波数よりも高い周波数（図１では６．７８ＭＨｚ）の２系統の電力に変換するものである。この送信側ＡＣ／ＡＣコンバータ１は、入力回路１１、インバータ１２ａ，１２ｂ及び共振整合回路１３ａ，１３ｂを有している。

【0013】

入力回路１１は、上記商用交流が入力され、当該商用交流を半波整流した電力、及び当該電力に対して１８０度の位相差を持つ電力を出力するものである。この入力回路１１により得らえた２系統の電力のうち、一方の電力はインバータ１２ａに出力され、他方の電力はインバータ１２ｂに出力される。

【0014】

インバータ１２ａは、入力回路１１から出力された一方の電力を、上記高い周波数でスイッチングすることで、当該高い周波数の電力に変換するものである。このインバータ１２ａにより変換された電力は、共振整合回路１３ａを介して共振型送信アンテナ２ａに出力される。
インバータ１２ｂは、入力回路１１から出力された他方の電力を、上記高い周波数でスイッチングすることで、当該高い周波数の電力に変換するものである。このインバータ１２ｂにより変換された電力は、共振整合回路１３ｂを介して共振型送信アンテナ２ｂに出力される。
なお、インバータ１２ａ，１２ｂは、スイッチング周波数が同一に設定されている。

【0015】

共振整合回路１３ａは、インバータ１２ａの出力インピーダンスと共振型送信アンテナ２ａの入力インピーダンスとの整合を取る（共振型送信アンテナ２ａとの間で共振条件を合わせる）ものである。なお、共振整合回路１３ａは、共振整合回路１３ａを構成する各素子の定数が固定である固定整合型、各素子の定数が可変である可変整合型、各素子の定数が自動で可変されて整合を取る自動整合型の何れであってもよい。
共振整合回路１３ｂは、インバータ１２ｂの出力インピーダンスと共振型送信アンテナ２ｂの入力インピーダンスとの整合を取る（共振型送信アンテナ２ｂとの間で共振条件を合わせる）ものである。なお、共振整合回路１３ｂは、共振整合回路１３ｂを構成する各素子の定数が固定である固定整合型、各素子の定数が可変である可変整合型、各素子の定数が自動で可変されて整合を取る自動整合型の何れであってもよい。
なお、インバータ１２ａ，１２ｂ及び共振整合回路１３ａ，１３ｂは、回路のリターンライン１４が共通化されている（図２参照）。

【0016】

共振型送信アンテナ２ａは、インバータ１２ａにより変換された電力を入力して共振動作を行い、非放射型の電磁界を近傍に発生させることで、共振型受信アンテナ３ａに対して電力伝送を行う共振型の電力送信アンテナである。
共振型送信アンテナ２ｂは、インバータ１２ｂにより変換された電力を入力して共振動作を行い、非放射型の電磁界を近傍に発生させることで、共振型受信アンテナ３ｂに対して電力伝送を行う共振型の電力送信アンテナである。

【0017】

共振型受信アンテナ３ａは、共振型送信アンテナ２ａからの非放射型の電磁界と共振結合動作を行うことで電力を受信する共振型の電力受信アンテナである。この共振型受信アンテナ３ａにより受信された電力は、受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ４の後述する共振整合回路４１ａを介して全波整流回路４２ａに出力される。
共振型受信アンテナ３ｂは、共振型送信アンテナ２ｂからの非放射型の電磁界と共振結合動作を行うことで電力を受信する共振型の電力受信アンテナである。この共振型受信アンテナ３ｂにより受信された電力は、受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ４の後述する共振整合回路４１ｂを介して全波整流回路４２ｂに出力される。

【0018】

なお、共振型送信アンテナ２ａ，２ｂと共振型受信アンテナ３ａ，３ｂとの間の電力の無線伝送方式は特に限定されるものではなく、磁界共鳴による方式、電界共鳴による方式、電磁誘導による方式の何れであってもよい。

【0019】

受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ４は、各共振型受信アンテナ３ａ，３ｂにより受信された電力を、上記商用交流と同じ周波数（図１では５０Ｈｚ）の単一の交流に変換するものである。この受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ４は、共振整合回路４１ａ，４１ｂ、全波整流回路４２ａ，４２ｂ及び出力回路４３を有している。

【0020】

共振整合回路４１ａは、共振型受信アンテナ３ａの出力インピーダンスと全波整流回路４２ａの入力インピーダンスとの整合を取る（共振型受信アンテナ３ａとの間で共振条件を合わせる）ものである。なお、共振整合回路４１ａは、共振整合回路４１ａを構成する各素子の定数が固定である固定整合型、各素子の定数が可変である可変整合型、各素子の定数が自動で可変されて整合を取る自動整合型の何れであってもよい。
共振整合回路４１ｂは、共振型受信アンテナ３ｂの出力インピーダンスと全波整流回路４２ｂの入力インピーダンスとの整合を取る（共振型受信アンテナ３ｂとの間で共振条件を合わせる）ものである。なお、共振整合回路４１ｂは、共振整合回路４１ｂを構成する各素子の定数が固定である固定整合型、各素子の定数が可変である可変整合型、各素子の定数が自動で可変されて整合を取る自動整合型の何れであってもよい。

【0021】

全波整流回路４２ａは、共振型受信アンテナ３ａにより受信された電力を全波整流するものである。この全波整流回路４２ａにより全波整流された電力は、出力回路４３に出力される。
全波整流回路４２ｂは、共振型受信アンテナ３ｂにより受信された電力を全波整流するものである。この全波整流回路４２ｂにより全波整流された電力は、出力回路４３に出力される。

【0022】

出力回路４３は、全波整流回路４２ａ，４２ｂにより全波整流された電力を、一方の電力の極性を反転した上で合成するものである。これにより、上記商用交流と同じ周波数の交流を得ることができる。この出力回路４３により得られた電力は、負荷（不図示）に出力される。

【0023】

次に、送信装置５の具体的な回路構成例について、図２を参照しながら説明する。
図２はこの発明の実施の形態１における送信装置５の回路構成例を示す図である。なお図２では、送信装置５の入力端に、商用交流を出力する商用交流源７が接続された場合を示している。また図２では、インバータ１２ａ，１２ｂとしてＥ級型のインバータを用いた場合を示している。

【0024】

まず、送信側ＡＣ／ＡＣコンバータ１の回路構成例について説明する。
図２では、送信側ＡＣ／ＡＣコンバータ１の入力回路１１は、ダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ２１，Ｄ２２、コンデンサＣ１１，Ｃ２１により構成されている。

【0025】

ダイオードＤ１１は、カソードが商用交流源７の一端（プラス端子）に接続され、アノードがダイオードＤ２１のアノードに接続されている。また、ダイオードＤ１２は、アノードが商用交流源７の一端に接続されている。また、コンデンサＣ１１は、一端がダイオードＤ１２のカソードに接続され、他端がダイオードＤ１１のアノードに接続されている。
同様に、ダイオードＤ２１は、カソードが商用交流源７の他端（マイナス端子）に接続され、アノードがダイオードＤ１１のアノードに接続されている。また、ダイオードＤ２２は、アノードが商用交流源７の他端に接続されている。また、コンデンサＣ２１は、一端がダイオードＤ２２のカソードに接続され、他端がダイオード２１のアノードに接続されている。

【0026】

また、送信側ＡＣ／ＡＣコンバータ１のインバータ１２ａは、インダクタＬ１１、共振回路素子（コンデンサＣ１２，Ｃ１３及びインダクタＬ１２）及びスイッチング素子Ｑ１１により構成されている。

【0027】

インダクタＬ１１は、入力回路１１から入力された電力を、スイッチング素子Ｑ１１の動作毎に一時的に保持する働きをするものである。このインダクタＬ１１は、一端がダイオードＤ１２のカソード及びコンデンサＣ１１の一端に接続されている。

【0028】

共振回路素子（コンデンサＣ１２，Ｃ１３及びインダクタＬ１２）は、スイッチング素子Ｑ１１のスイッチング動作を共振スイッチング動作とさせるものである。すなわち、この共振回路素子により、スイッチング素子Ｑ１１のスイッチング動作が、Ｉｄｓ電流とＶｄｓ電圧積によるスイッチング損失が最も小さくなるように、ＺＶＳ（ゼロボルテージスイッチング）が成立するように、スイッチング条件が設定されている。

【0029】

コンデンサＣ１２は、一端がインダクタＬ１１の他端に接続され、他端がダイオードＤ１１のアノードに接続されている。また、インダクタＬ１２は、一端がインダクタＬ１１の他端に接続されている。また、コンデンサＣ１３は、一端がインダクタＬ１２の他端に接続されている。

【0030】

スイッチング素子Ｑ１１は、上記高い周波数でスイッチング動作を行うものである。このスイッチング素子Ｑ１１は、ドレイン端子がインダクタＬ１１の他端に接続され、ソース端子がダイオードＤ１１のアノードに接続されている。

【0031】

また、送信側ＡＣ／ＡＣコンバータ１のインバータ１２ｂは、インダクタＬ２１、共振回路素子（コンデンサＣ２２，Ｃ２３及びインダクタＬ２２）及びスイッチング素子Ｑ２１により構成されている。

【0032】

インダクタＬ２１は、入力回路１１から入力された電力を、スイッチング素子Ｑ２１の動作毎に一時的に保持する働きをするものである。このインダクタＬ２１は、一端がダイオードＤ２２のカソード及びコンデンサＣ２１の一端に接続されている。

【0033】

共振回路素子（コンデンサＣ２２，Ｃ２３及びインダクタＬ２２）は、スイッチング素子Ｑ２１のスイッチング動作を共振スイッチング動作とさせるものである。すなわち、この共振回路素子により、スイッチング素子Ｑ２１のスイッチング動作が、Ｉｄｓ電流とＶｄｓ電圧積によるスイッチング損失が最も小さくなるように、ＺＶＳ（ゼロボルテージスイッチング）が成立するように、スイッチング条件が設定されている。

【0034】

コンデンサＣ２２は、一端がインダクタＬ２１の他端に接続され、他端がダイオードＤ２１のアノードに接続されている。また、インダクタＬ２２は、一端がインダクタＬ２１の他端に接続されている。また、コンデンサＣ２３は、一端がインダクタＬ２２の他端に接続されている。

【0035】

スイッチング素子Ｑ２１は、上記高い周波数でスイッチング動作を行うものである。このスイッチング素子Ｑ２１は、ドレイン端子がインダクタＬ２１の他端に接続され、ソース端子がダイオードＤ２１のアノードに接続されている。

【0036】

また、送信側ＡＣ／ＡＣコンバータ１の共振整合回路１３ａは、コンデンサＣ１４，Ｃ１５及びインダクタＬ１３により構成されている。
コンデンサＣ１４は、一端がコンデンサＣ１３の他端に接続され、他端がダイオードＤ１１のアノードに接続されている。また、インダクタＬ１３は、一端がコンデンサＣ１３の他端に接続されている。また、コンデンサＣ１５は、一端がインダクタＬ１３の他端に接続され、他端がダイオードＤ１１のアノードに接続されている。

【0037】

また、送信側ＡＣ／ＡＣコンバータ１の共振整合回路１３ｂは、コンデンサＣ２４，Ｃ２５及びインダクタＬ２３により構成されている。
コンデンサＣ２４は、一端がコンデンサＣ２３の他端に接続され、他端がダイオードＤ２１のアノードに接続されている。また、インダクタＬ２３は、一端がコンデンサＣ２３の他端に接続されている。また、コンデンサＣ２５は、一端がインダクタＬ２３の他端に接続され、他端がダイオードＤ２１のアノードに接続されている。

【0038】

次に、共振型送信アンテナ２ａ，２ｂの回路構成例について説明する。
図２では、共振型送信アンテナ２ａは、コンデンサＣ１６，Ｃ１７及びインダクタＬ１４により構成されている。このコンデンサＣ１６，Ｃ１７及びインダクタＬ１４は共振型送信アンテナ２ａの共振条件を設定するものである。なお、インダクタＬ１４は、共振型送信アンテナ２ａの共振条件を設定する機能の他、アンテナとしても兼用されている。

【0039】

コンデンサＣ１６は、一端がインダクタＬ１３の他端に接続されている。また、コンデンサＣ１７は、一端がダイオードＤ１１のアノードに接続されている。また、インダクタＬ１４は、一端がコンデンサＣ１６の他端に接続され、他端がコンデンサＣ１７の他端に接続されている。

【0040】

また、共振型送信アンテナ２ｂは、コンデンサＣ２６，Ｃ２７及びインダクタＬ２４により構成されている。このコンデンサＣ２６，Ｃ２７及びインダクタＬ２４は共振型送信アンテナ２ｂの共振条件を設定するものである。なお、インダクタＬ２４は、共振型送信アンテナ２ｂの共振条件を設定する機能の他、アンテナとしても兼用されている。

【0041】

コンデンサＣ２６は、一端がインダクタＬ２３の他端に接続されている。また、コンデンサＣ２７は、一端がダイオードＤ２１のアノードに接続されている。また、インダクタＬ２４は、一端がコンデンサＣ２６の他端に接続され、他端がコンデンサＣ２７の他端に接続されている。

【0042】

次に、受信装置６の具体的な回路構成例について、図３を参照しながら説明する。
図３はこの発明の実施の形態１における受信装置６の回路構成例を示す図である。なお図３では、全波整流回路４２ａ，４２ｂとしてブリッジ整流回路を用いた場合を示している。

【0043】

まず、共振型受信アンテナ３ａ，３ｂの回路構成例について説明する。
図３では、共振型受信アンテナ３ａは、インダクタＬ３１及びコンデンサＣ３１，Ｃ３２により構成されている。このインダクタＬ３１及びコンデンサＣ３１，Ｃ３２は共振型受信アンテナ３ａの共振条件を設定するものである。なお、インダクタＬ３１は、共振型受信アンテナ３ａの共振条件を設定する機能の他、アンテナとしても兼用されている。
インダクタＬ３１は、一端にコンデンサＣ３１が接続され、他端にコンデンサＣ３２が接続されている。

【0044】

また、共振型受信アンテナ３ｂは、インダクタＬ４１及びコンデンサＣ４１，Ｃ４２により構成されている。このインダクタＬ４１及びコンデンサＣ４１，Ｃ４２は共振型受信アンテナ３ｂの共振条件を設定するものである。なお、インダクタＬ４１は、共振型受信アンテナ３ｂの共振条件を設定する機能の他、アンテナとしても兼用されている。
インダクタＬ４１は、一端にコンデンサＣ４１が接続され、他端にコンデンサＣ４２が接続されている。

【0045】

次に、受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ４の回路構成例について説明する。
図３では、受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ４の共振整合回路４１ａは、インダクタＬ３２及びコンデンサＣ３３により構成されている。
インダクタＬ３２は、一端がコンデンサＣ３１の他端に接続されている。また、コンデンサＣ３３は、一端がインダクタＬ３２の他端に接続され、他端がコンデンサＣ３２の他端に接続されている。

【0046】

また、受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ４の共振整合回路４１ｂは、インダクタＬ４２及びコンデンサＣ４３により構成されている。
インダクタＬ４２は、一端がコンデンサＣ４１の他端に接続されている。また、コンデンサＣ４３は、一端がインダクタＬ４２の他端に接続され、他端がコンデンサＣ４２の他端に接続されている。

【0047】

また、受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ４の全波整流回路４２ａは、整流ダイオードＤ３１〜Ｄ３４及びコンデンサＣ３４により構成されている。

【0048】

整流ダイオードＤ３１〜Ｄ３４は、ブリッジ接続され、共振型受信アンテナ３ａから入力された電力を全波整流するものである。
整流ダイオードＤ３１〜Ｄ３４は、整流ダイオードＤ３１のカソード及び整流ダイオードＤ３３のアノードがインダクタＬ３２の他端に接続され、整流ダイオードＤ３２のカソード及び整流ダイオードＤ３４のアノードがコンデンサＣ３２の他端に接続されている。

【0049】

コンデンサＣ３４は、整流ダイオードＤ３１〜Ｄ３４により全波整流された電力を、交流成分（図５Ｂの上段に示す波形）を残しつつ平滑するものである。すなわち、コンデンサＣ３４の容量は、出力波形に交流成分（図の例は商用交流と同じ５０Ｈｚ）が残る程度の小さな値に設定されている。このコンデンサＣ３４は、一端が整流ダイオードＤ３３のカソード及び整流ダイオードＤ３４のカソードに接続され、他端が整流ダイオードＤ３１のアノード及び整流ダイオードＤ３２のアノードに接続されている。

【0050】

また、受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ４の全波整流回路４２ｂは、整流ダイオードＤ４１〜Ｄ４４及びコンデンサＣ４４により構成されている。

【0051】

整流ダイオードＤ４１〜Ｄ４４は、ブリッジ接続され、共振型受信アンテナ３ｂから入力された電力を全波整流するものである。
整流ダイオードＤ４１〜Ｄ４４は、整流ダイオードＤ４１のカソード及び整流ダイオードＤ４３のアノードがインダクタＬ４２の他端に接続され、整流ダイオードＤ４２のカソード及び整流ダイオードＤ４４のアノードがコンデンサＣ４２の他端に接続されている。

【0052】

コンデンサＣ４４は、整流ダイオードＤ４１〜Ｄ４４により全波整流された電力を、交流成分（図５Ｂの下段に示す波形）を残しつつ平滑するものである。すなわち、コンデンサＣ４４の容量は、出力波形に交流成分（図の例は商用交流と同じ５０Ｈｚ）が残る程度の小さな値に設定されている。このコンデンサＣ４４は、一端が整流ダイオードＤ４３のカソード及び整流ダイオードＤ４４のカソードに接続され、他端が整流ダイオードＤ４１のアノード及び整流ダイオードＤ４２のアノードに接続されている。

【0053】

また、受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ４の出力回路４３は、スイッチング素子Ｑ３１，Ｑ４１により構成されている。
ここで、スイッチング素子Ｑ３１は、ドレイン端子が整流ダイオードＤ３３のカソード及び整流ダイオードＤ３４のカソードに接続され、ソース端子が整流ダイオードＤ３１のアノード及び整流ダイオードＤ３２のアノードに接続されている。同様に、スイッチング素子Ｑ４１は、ドレイン端子が整流ダイオードＤ４３のカソード及び整流ダイオードＤ４４のカソードに接続され、ソース端子が整流ダイオードＤ４１のアノード及び整流ダイオードＤ４２のアノードに接続されている。また、スイッチング素子Ｑ３１のソース端子は、スイッチング素子Ｑ４１のソース端子にも接続されている。

【0054】

なお、受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ４の一対の出力端子のうち、ＨＯＴ端子はスイッチング素子Ｑ３１のドレイン端子に接続され、ＲＴＮ端子はスイッチング素子Ｑ４１のドレイン端子に接続されている。

【0055】

次に、上記のように構成された電力伝送装置の動作例について、図１〜５を参照しながら説明する。なお以下では、電力伝送装置に入力される上記商用交流の周波数を５０Ｈｚとし、電力伝送装置で用いる上記高い周波数を６．７８ＭＨｚとした場合を例に説明を行う。
まず、送信装置５では、送信側ＡＣ／ＡＣコンバータ１の入力回路１１は、商用交流源７から５０Ｈｚの商用交流Ｖｉｎ（ＡＣ）が入力されると（図４Ａ）、当該商用交流を２系統の電力（当該商用交流を半波整流した電力、及び当該電力に対して１８０度の位相差を持つ電力）に変換して出力する。

【0056】

そして、インバータ１２ａは、入力回路１１からの一方の電力を６．７８ＭＨｚの電力に変換する（図４Ｂの上段）。ここで、スイッチング素子Ｑ１１により６．７８ＭＨｚでスイッチングされたドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ（Ｑ１１）のピークは、５０Ｈｚのサイン波の半波状に変化する。同様に、インバータ１２ｂは、入力回路１１からの他方の電力を６．７８ＭＨｚの電力に変換する（図４Ｂの下段）。ここで、スイッチング素子Ｑ２１により６．７８ＭＨｚでスイッチングされたドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ（Ｑ２１）のピークは、５０Ｈｚのサイン波の半波状に変化する。なお、図４において、実線で示す波形（ハッチングされた部分に含まれる波形）は、インバータ１２ａ，１２ｂにより変換された電力（６．７８ＭＨｚ）の波形を示し、破線で示す波形は、当該電力のピークの軌跡（５０Ｈｚ）を示している。

【0057】

そして、共振型送信アンテナ２ａ，２ｂは、５０Ｈｚで電圧振幅が変化し且つ１８０度の位相差を持って交互に出力される６．７８ＭＨｚの２系統の電力（伝送波）を、伝送する（図４Ｃ）。なお、図４Ｃにおいて、実線で示す波形（ハッチングされた部分に含まれる波形）は、共振型送信アンテナ２ａ，２ｂにより伝送される電力（６．７８ＭＨｚ）の波形を示し、破線で示す波形は、当該電力のピークの軌跡（５０Ｈｚ）を示している。

【0058】

一方、受信装置６では、共振型受信アンテナ３ａ，３ｂは、共振型送信アンテナ２ａ，２ｂにより伝送された、５０Ｈｚで電圧振幅が変化し且つ１８０度の位相差を持って交互に出力される６．７８ＭＨｚの２系統の電力（伝送波）を、受信する（図５Ａ）。なお図５Ａに示す波形は、図４Ｃに示す波形と同一である。

【0059】

そして、受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ４の全波整流回路４２ａは、共振型受信アンテナ３ａにより受信された電力を全波整流する（図５Ｂの上段）。同様に、全波整流回路４２ｂは、共振型受信アンテナ３ｂにより受信された電力を全波整流する（図５Ｂの下段）。これにより、コンデンサＣ３４の電圧Ｖ（Ｃ３４）とコンデンサＣ４４の電圧Ｖ（Ｃ４４）は、５０Ｈｚのサイン波の半波状に整流された電力が１８０度の位相差を持って交互に出力される値となる。

【0060】

そして、出力回路４３は、全波整流回路４２ａ，４２ｂにより全波整流された電力を、一方の電力の極性を反転した上で合成する。この際、コンデンサＣ４４の電圧Ｖ（Ｃ４４）がＨｉｇｈのときにスイッチング素子Ｑ３１のドレイン−ソース間をオンさせ、コンデンサＣ３４の電圧Ｖ（Ｃ３４）がＨｉｇｈのときにスイッチング素子Ｑ４１のドレイン−ソース間をオンさせる。これにより、受信装置６の出力は、電力伝送装置に入力された商用電力の周波数である５０Ｈｚと同じ周波数のサイン波となる（図５Ｃ）。

【0061】

次に、実施の形態１に係る電力伝送装置の適用例について、図６を参照しながら説明する。なお図６では、固定部５１が道路面の場合を示し、送信装置５のうちの共振型送信アンテナ２ａ，２ｂ及び受信装置６のうちの共振型受信アンテナ３ａ，３ｂのみを図示している。
実施の形態１に係る電力伝送装置の適用例としては、共振型送信アンテナ２ａ，２ｂを道路面や駐車場等の固定部５１に設置し、共振型受信アンテナ３ａ，３ｂを、停止した際又は移動中に固定部５１と対向する車両等の移動体５２に設置することが可能である。なお、図６に示すように、固定部５１が道路面である場合には、共振型送信アンテナ２ａ，２ｂは、移動体５２の走行方向に沿って複数設けられる。これにより、移動体５２が固定部５１に対向して停止又は移動している際に共振型送信アンテナ２ａ，２ｂから共振型受信アンテナ３ａ，３ｂに電力伝送を行うことができ、移動体５２に電力を供給することができる。

【0062】

なお上記では、共振型送信アンテナ２ａを単一のコイルから構成し、共振型送信アンテナ２ｂを単一のコイルから構成した場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、共振型送信アンテナ２ａ，２ｂを、それぞれ２個以上のコイルで構成してもよく、例えばそれぞれ給電用コイル及び共鳴用コイルから構成してもよい。
同様に、上記では、共振型受信アンテナ３ａを単一のコイルから構成し、共振型受信アンテナ３ｂを単一のコイルから構成した場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、共振型受信アンテナ３ａ，３ｂを、それぞれ２個以上のコイルで構成してもよく、例えばそれぞれ給電用コイル及び共鳴用コイルから構成してもよい。

【0063】

また上記では、共振型送信アンテナ２ａ，２ｂと共振型受信アンテナ３ａ，３ｂとの間の電力の伝送方式が無線伝送方式であるとして説明を行った。しかしながら、これに限るものではなく、例えば図７に示すように、共振型送信アンテナ２ａと共振型受信アンテナ３ａとを等価的に１点接続となるよう導線８ａで接続し、共振型送信アンテナ２ｂと共振型受信アンテナ３ｂとを等価的に１点接続となるよう導線８ｂで接続した接触型の共振結合伝送としてもよい。なお図７では、送信装置５のうちの共振型送信アンテナ２ａ，２ｂ及び受信装置６のうちの共振型受信アンテナ３ａ，３ｂのみを図示している。

【0064】

また上記では、インバータ１２ａ，１２ｂとしてＥ級型のインバータを用いた場合を示した。しかしながら、これに限るものではなく、入力された電力を、上記高い周波数でスイッチングすることで、当該高い周波数の電力に変換するインバータであればよい。例えば、インバータ１２ａ，１２ｂとして、ブリッジ型のインバータ、Ｄ級型のインバータ、ＤＥ級型のインバータを用いてもよい。

【0065】

また上記では、全波整流回路４２ａ，４２ｂとしてダイオード型のブリッジ整流回路を用いた場合を示した。しかしながら、これに限るものではなく、入力された電力を全波整流する回路であればよい。例えば、整流ダイオードＤ３１〜Ｄ３４，Ｄ４１〜Ｄ４４に代えて電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いて全波整流回路４２ａ，４２ｂを構成してもよい。

【0066】

また上記では、インバータ１２ａの外部に共振整合回路１３ａを設け、インバータ１２ｂの外部に共振整合回路１３ｂを設けた場合を示した。しかしながら、これに限るものではなく、インバータ１２ａに共振整合回路１３ａを内蔵し、インバータ１２ｂに共振整合回路１３ｂを内蔵してもよい。例えば、共振整合回路１３ａ，１３ｂが固定整合型の場合にはインバータ１２ａ，１２ｂに内蔵し、可変整合型又は自動整合型の場合にはインバータ１２ａ，１２ｂの外部回路として設けてもよい。
また上記では、全波整流回路４２ａの外部に共振整合回路４１ａを設け、全波整流回路４２ｂの外部に共振整合回路４１ｂを設けた場合を示した。しかしながら、これに限るものではなく、全波整流回路４２ａに共振整合回路４１ａを内蔵し、全波整流回路４２ｂに共振整合回路４１ｂを内蔵してもよい。例えば、共振整合回路４１ａ，４１ｂが固定整合型の場合には全波整流回路４２ａ，４２ｂに内蔵し、可変整合型又は自動整合型の場合には全波整流回路４２ａ，４２ｂの外部回路として設けてもよい。

【0067】

以上のように、この実施の形態１によれば、商用交流が入力され、当該商用交流を半波整流した電力及び当該電力に対して１８０度の位相差を持つ電力を出力する入力回路１１、及び入力回路１１からの対応する電力を上記商用交流の周波数よりも高い周波数の電力に変換するインバータ１２ａ，１２ｂを有する送信側ＡＣ／ＡＣコンバータ１と、対応するインバータ１２ａ，１２ｂにより変換された電力を伝送する共振型送信アンテナ２ａ，２ｂと、対応する共振型送信アンテナ２ａ，２ｂにより伝送された電力を受信する共振型受信アンテナ３ａ，３ｂと、対応する共振型受信アンテナ３ａ，３ｂにより受信された電力を全波整流する全波整流回路４２ａ，４２ｂ、及び全波整流回路４２ａ，４２ｂにより全波整流された電力を、一方の電力の極性を反転した上で合成する出力回路４３を有する受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ４とを備えたので、ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１及びＤＣ／ＡＣインバータ１０６を用いずに、商用交流が入力されて電力伝送を行って当該商用交流と同じ周波数の交流を出力することができる。その結果、従来構成に対して装置全体を小型化、軽量化、低コスト化することができる。

【0068】

また、従来構成では送信側で電力の変換を２度（直流への変換及び周波数変換）行い、受信側で電力の変換を２度（直流への変換及び周波数変換）行っている。それに対し、実施の形態１に係る電力伝送装置では、送信側で、入力された商用交流のうち、正の電力に対して電力の変換を１度（周波数変換）行い、負の電力に対して電力の変換を１度（周波数変換）行っている。そのため、送信側では、全体として１度の電力変換となる。また、受信側についても同様に全体として１度の電力変換（整流）となる。よって、従来構成に対して変換効率は高くなり、装置全体における入出力の電力伝送効率を高めることができる。このように、実施の形態１に係る電力伝送装置では、従来構成に対して、装置全体における入出力の電力伝送効率を高めることができ、発熱量が小さくなるため、その放熱のためのヒートシンク構造を小型化できる。これによっても、従来構成に対して装置全体を小型化、軽量化、低コスト化することができる。
なお、実施の形態１に係る電力伝送装置は、電力伝送効率が高いため、大電力型の伝送装置への適用がより有効である。

【0069】

また、このように、装置全体の小型化、軽量化、低コスト化を図りつつ、商用交流の無線電力伝送が可能となるため、既存の商用交流で動作する機器（負荷）に対して、非接触電力伝送システムを容易に構成することができる。よって、非接触電力伝送用の受電機能を内蔵した機器の登場を待たずに非接触電力伝送の実用化と普及に効果がある。

【0070】

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0071】

この発明に係る電力伝送装置は、ＡＣ／ＤＣコンバータ及びＤＣ／ＡＣインバータを用いずに、商用交流が入力されて電力伝送を行って当該商用交流と同じ周波数の交流を出力することができるため、商用交流が入力されて電力伝送を行って当該商用交流と同じ周波数の交流を出力する電力伝送装置等に用いるのに適している。

【符号の説明】

【0072】

１ 送信側ＡＣ／ＡＣコンバータ（高周波電源）、２ａ，２ｂ 共振型送信アンテナ、３ａ，３ｂ 共振型受信アンテナ、４ 受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ（高周波整流回路）、５ 送信装置、６ 受信装置、７ 商用交流源、８ａ，８ｂ 導線、１１ 入力回路、１２ａ，１２ｂ インバータ、１３ａ，１３ｂ 共振整合回路、１４ リターンライン、４１ａ，４１ｂ 共振整合回路、４２ａ，４２ｂ 全波整流回路、４３ 出力回路、５１ 固定部、５２ 移動体。

【要約】

商用交流が入力され、当該商用交流を半波整流した電力及び当該電力に対して１８０度の位相差を持つ電力を出力する入力回路（１１）、及び入力回路（１１）からの対応する電力を上記商用交流の周波数よりも高い周波数の電力に変換するインバータ（１２ａ，１２ｂ）を有する送信側ＡＣ／ＡＣコンバータ（１）と、対応するインバータ（１２ａ，１２ｂ）により変換された電力を伝送する共振型送信アンテナ（２ａ，２ｂ）と、対応する共振型送信アンテナ（２ａ，２ｂ）により伝送された電力を受信する共振型受信アンテナ（３ａ，３ｂ）と、対応する共振型受信アンテナ（３ａ，３ｂ）により受信された電力を全波整流する全波整流回路（４２ａ，４２ｂ）、及び各全波整流回路（４２ａ，４２ｂ）により全波整流された電力を、一方の電力の極性を反転した上で合成する出力回路（４３）を有する受信側ＡＣ／ＡＣコンバータ（４）とを備えた。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】