特許第6253808号(P6253808)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特許6253808無線送受電システムとそれを備えた電力変換装置および電力変換方法
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(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】6253808
(24)【登録日】2017年12月8日
(45)【発行日】2017年12月27日
(54)【発明の名称】無線送受電システムとそれを備えた電力変換装置および電力変換方法
(51)【国際特許分類】
   H02M 7/48 20070101AFI20171218BHJP
   H02J 50/12 20160101ALI20171218BHJP
   H02J 50/40 20160101ALI20171218BHJP
【FI】
   H02M7/48 Z
   H02M7/48 M
   H02M7/48 R
   H02J50/12
   H02J50/40
【請求項の数】12
【全頁数】17
(21)【出願番号】特願2016-562600(P2016-562600)
(86)(22)【出願日】2016年4月6日
(86)【国際出願番号】JP2016061192
【審査請求日】2016年10月13日
(73)【特許権者】
【識別番号】000005108
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
(74)【代理人】
【識別番号】100098660
【弁理士】
【氏名又は名称】戸田 裕二
(72)【発明者】
【氏名】杉山 由一
(72)【発明者】
【氏名】市川 勝英
(72)【発明者】
【氏名】乗松 泰明
【審査官】 柳下 勝幸
(56)【参考文献】
【文献】 特開2013−172466(JP,A)
【文献】 特開2015−126587(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02M 7/42−7/98
H02J 50/12
H02J 50/40
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
入力された直流電力の電圧を変換するDC/DCコンバータ部と、
前記DC/DCコンバータ部で変換された直流電力を変圧する変圧部と、
前記変圧部で変圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
前記インバータ部を駆動制御する制御部と、
無線給電により給電された電力を受電して制御部に供給する無線受電部と、
前記無線受電部に電力を送電する無線送電部と、
前記無線送電部に電力を供給する電源部と、
を備える電力変換装置であって、
前記無線送電部と前記DC/DCコンバータ部は、第1の基板に設けられ、
前記無線受電部と前記インバータ部は、第2の基板に設けられ、
前記第1の基板と前記第2の基板は、前記無線送電部と前記無線受電部が対向するように離間して設けられていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項2】
入力された直流電力の電圧を変換するDC/DCコンバータ部と、
前記DC/DCコンバータ部で変換された直流電力を変圧する変圧部と、
前記変圧部で変圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
前記インバータ部を駆動制御する制御部と、
無線給電により給電された電力を受電して制御部に供給する無線受電部と、
前記無線受電部に電力を送電する無線送電部と、
前記無線送電部に電力を供給する電源部と、
を備える電力変換装置であって、
前記無線送電部は、電力を給電する送電コイルと、前記送電コイルとの磁気共鳴により電力を送電する送電共鳴コイルと、を有し、
前記無線受電部は、前記送電共鳴コイルと磁気共鳴をする受電共鳴コイルと、前記受電共鳴コイルとの磁気共鳴により電力を受電する複数の受電コイルと、を有し、
前記送電共鳴コイルと前記受電共鳴コイルは、対向して配置されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項3】
請求項に記載の電力変換装置であって、
前記複数の受電コイルは、前記受電共鳴コイルと対向し、前記受電共鳴コイルの軸方向に離間して配置され、かつ、前記送電コイルから受電する電力が略同一となるように配置されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項4】
入力された直流電力の電圧を変換するDC/DCコンバータ部と、
前記DC/DCコンバータ部で変換された直流電力を変圧する変圧部と、
前記変圧部で変圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
前記インバータ部を駆動制御する制御部と、
無線給電により給電された電力を受電して制御部に供給する無線受電部と、
前記無線受電部に電力を送電する無線送電部と、
前記無線送電部に電力を供給する電源部と、
を備える電力変換装置であって、
前記インバータ部で変換された交流電力を出力する出力端子を介して当該電力変換装置を複数直列接続し、
第1の電力変換装置は、前記無線送電部と前記無線受電部とを有し、
第2の電力変換装置は、前記無線受電部を有し、
前記第1の電力変換装置の前記無線送電部は、前記第1の電力変換装置の前記無線受電部と前記第2の電力変換装置の前記無線受電部に電力を送電することを特徴とする電力変換装置。
【請求項5】
請求項に記載の電力変換装置であって、
第3の電力変換装置は、前記無線送電部と前記無線受電部とを有し、
第4の電力変換装置は、前記無線受電部を有し、
前記第1の電力変換装置の前記無線送電部は、前記第1の電力変換装置の前記無線受電部と前記第2の電力変換装置の前記無線受電部に第1の周波数で電力を送電し、
前記第3の電力変換装置の前記無線送電部は、前記第3の電力変換装置の前記無線受電部と前記第4の電力変換装置の前記無線受電部に第2の周波数で電力を送電することを特徴とする電力変換装置。
【請求項6】
入力された直流電力の電圧を変換するDC/DCコンバータ部と、
前記DC/DCコンバータ部で変換された直流電力を変圧する変圧部と、
前記変圧部で変圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
前記インバータ部を駆動制御する制御部と、
無線給電により給電された電力を受電して制御部に供給する無線受電部と、
前記無線受電部に電力を送電する無線送電部と、
前記無線送電部に電力を供給する電源部と、
を備える電力変換装置であって、
前記無線送電部は、電力波を出力する電源部と、
前記電源部から出力された電力波に変調をかける変調回路と、
前記変調回路で変調された電力波を磁気共鳴により送電する送電コイルと、
を有し、
前記無線受電部は、前記送電コイルから送電された電力波を磁気共鳴により受電する受電コイルと、
前記受電コイルで受電した電力波を復調する復調回路と、を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項7】
請求項に記載の電力変換装置であって、
前記インバータ部を制御するための制御信号を出力する制御信号出力部を有し、
前記変調回路は、前記電力波を変調して前記制御信号を前記電力波に含め、
前記複調回路は、前記電力波を復調して前記制御信号を取り出して前記制御部に出力することを特徴とする電力変換装置。
【請求項8】
電力を無線で送受電する無線送受電システムであって、少なくとも互いが磁気共鳴する送電コイルおよび送電共鳴コイルと、
少なくとも互いが磁気共鳴する受電コイルおよび受電共鳴コイルと、を備え、
前記受電コイルは、第1の受電コイルと第2の受電コイルと第3の受電コイルとを有し、
前記第1の受電コイルおよび前記第2の受電コイルおよび前記第3の受電コイルは、前記受電共鳴コイルと対向し、前記受電共鳴コイルの中心軸方向に順番に配列され、かつ、前記送電コイルから受電する電力量が略同一になるように配置されることを特徴とする無線送受電システム。
【請求項9】
請求項に記載の無線送受電システムであって、
前記第1の受電コイルおよび前記第3の受電コイルは、前記受電共鳴コイルの中心軸と略同一軸上に配置され、
前記第1の受電コイルは、前記受電共鳴コイルから最も遠くに配置され、
前記第2の受電コイルは、前記受電共鳴コイルの中心軸から半径方向に所定の距離ずらし、かつ、前記第1の受電コイルが配置された側の反対側に前記受電共鳴コイルから最も近くに配置され、
前記第3の受電コイルは、前記受電共鳴コイルからの距離が前記第1の受電コイルより近く、かつ、前記第2の受電コイルより遠い位置に配置されることを特徴とする無線送受電システム。
【請求項10】
請求項に記載の無線送受電システムであって、
前記受電コイルは、さらに第4の受電コイルを有し、
前記第1の受電コイルは、前記受電共鳴コイルの略中心軸上に対向するように離間して配置され、
前記第2の受電コイルは、前記第1の受電コイルと前記受電共鳴コイルとの間であって、前記受電共鳴コイルの中心軸から半径方向に所定の距離ずらして前記受電共鳴コイルと対向するように配置され、
前記第4の受電コイルは、前記受電共鳴コイルに対して前記第1の受電コイルを配置した側の逆側であって、前記第1の受電コイルの略中心軸上に前記受電共鳴コイルと対向するように離間して配置され、
前記第3の受電コイルは、前記受電共鳴コイルと前記第4の受電コイルとの間であって、前記第2の受電コイルの略中心軸上に前記受電共鳴コイルと対向するように配置されることを特徴とする無線送受電システム。
【請求項11】
入力された直流電力の電圧を変換し、
変換された直流電力を変圧し、
制御部の制御に基づいて、変圧された直流電力を交流電力に変換し、
電源部からの電力を無線送電部を介して送電し、
送電された電力を無線受電部で受電して制御部に供給することを特徴とする電力変換方法であって、
前記無線送電部で直流電力を交流電力に変換するための制御信号を電力波に変調をかけて出力し、
受電した前記電力波を復調して前記制御信号を取り出すことを特徴とする電力変換方法。
【請求項12】
請求項11に記載の電力変換方法であって、
変換された交流電力が出力される出力端子を複数直列接続することにより交流電力を出力することを特徴とする電力変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、無線送受電システムおよびそれを備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
本技術分野の背景技術として、特開2007−151224号公報(特許文献1)がある。特許文献1には、「スイッチング素子23がオン/オフすることによってトランス24の1次巻線24aに交流電圧が発生し、この交流電圧が昇圧され、整流・平滑され、DC/ACリンク部30へ出力される。DC/ACリンク部30は、ダイオード31およびコンデンサ32から構成され、コンデンサ32の両端電圧VdcがDC/ACインバータ部4へ加えられる。一方、トランス24の補助巻線24c〜24eの電圧がドライブ回路10a〜10cへ加えられ、ドライブ回路10a〜10cが駆動信号を生成し、DC/ACインバータ部4へ出力する。DC/ACインバータ部4においてPWM交流電圧が生成され、LCフィルタ5によって平滑され、負荷6へ出力される。」と記載されている(要約参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2007−151224号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
近年、太陽光発電した電力を電力会社の系統電力へ供給する電力変換装置においては、大電力化高電圧化が進んでいる。特許文献1記載の電力変換装置では、DC/DCコンバータにトランスを介してインバータが接続されている。また、DC/DCコンバータのトランスに設けられた複数の補助巻線の電圧が、ゲート制御回路電源へ加えられ、DC/ACインバータ動作が行われている。
【0005】
しかしながら、特許文献1記載の電力変換装置では、DC/DCコンバータに何らかの故障が起きた場合、補助巻線の電圧を用いたゲート制御回路は出力電圧を維持できず、インバータのMOSトランジスタのゲート電位は不定となる。
【0006】
このため、電力会社の系統へ接続しているMOSトランジスタのドレイン−ソース間がオンになり、系統接続点が短絡する可能性がある。
【0007】
そこで本発明は、短絡を防止することができる電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、入力された直流電力の電圧を変換するDC/DCコンバータ部と、DC/DCコンバータ部で変換された直流電力を変圧する変圧部と、変圧部で変圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、インバータ部を駆動制御する制御部と、無線給電により給電された電力を受電して制御部に供給する無線受電部と、無線受電部に電力を送電する無線送電部と、無線送電部に電力を供給する電源部と、を備える電力変換装置である。
【0009】
また、他の例を挙げるならば、電力を無線で送受電する無線送受電システムであって、少なくとも互いが磁気共鳴する送電コイルおよび送電共鳴コイルと、少なくとも互いが磁気共鳴する受電コイルおよび受電共鳴コイルと、を備え、受電コイルは、第1の受電コイルと第2の受電コイルと第3の受電コイルとを有し、第1の受電コイルおよび第2の受電コイルおよび第3の受電コイルは、受電共鳴コイルと対向し、受電共鳴コイルの中心軸方向に順番に配列され、かつ、送電コイルから受電する電力量が略同一になるように配置されることを特徴とする無線送受電システムである。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、短絡を防止することができる電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】本発明の第1実施形態に係る単位インバータの構成例を示した図である。
図2】本発明の第1実施形態に係る単位インバータの立体構造の構成例を示した図である。
図3】本発明の第2実施形態に係る多重インバータの構成例を示した図である。
図4】本発明の第3実施形態に係る多重インバータの構成例を示した図である。
図5】本発明の第3実施形態に係る多重インバータの立体構造の構成例を示した図である。
図6】本発明の第4実施形態に係る単位インバータの構成例を示した図である。
図7】本発明の第5実施形態に係る無線送受電システムのコイルの位置関係の一例を示した図である。
図8】本発明の第6実施形態に係る無線送受電システムのコイルの位置関係の一例を示した図である。
図9】本発明の第7実施形態に係る無線送受電システムのコイルの位置関係の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
[第1の実施の形態]
本発明の実施形態1について、図1〜2を用いて説明する。まず、図1を用い、本実施形態における電力変換装置の構成について説明する。図1は、本実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示した図である。
【0013】
本実施形態における電力変換装置は、単位インバータ1を複数有している。単位インバータ1は、無線送電部2と、無線受電部3と、DC/DCコンバータ部4と、インバータ部5と、制御部6と、太陽光パネル接続端子53、54(電力入力部)と、トランス11と、正極側インバータ出力端子51と、負極側インバータ出力端子52と、を有する。
【0014】
無線送電制御部2は、送電共鳴コイル31は、給電コイル32と、送信アンプ39と、発振器38と、送電部電源41と、を有する。DC/DCコンバータ部4は、スイッチングMOSトランジスタ12a、12b、12c、12dと、コンデンサ18と、DC/DC制御部21と、を有する。
【0015】
インバータ部5は、インバータMOSトランジスタ13a、13b、13c、13d(逆変換部)と、リンク電圧平滑コンデンサ14(平滑部)と、整流ダイオード15a、15b、15c、15d(順変換部)と、を有する。無線受電部3は、受電共鳴コイル33と、受電コイル34a、34b、34cと、ダイオードブリッジ35と、受電平滑コンデンサ36と、を有する。制御部6は、ゲート制御回路37a、37b、37cを有する。
【0016】
なお、図1においては、ダイオードブリッジ35と受電平滑コンデンサ36とを有する受電回路を簡略化し、ブロック図で記載している部分がある。
【0017】
次に、図1における構成の位置関係について図2を用いて説明する。図2は本実施形態における電力変換装置の構造の一例を立体的に示す図である。図2において、図1で示した図中の番号と同一の番号は、図1と同じ構成であることを示している。無線送電部2、無線受電部3、DC/DCコンバータ部4、及びインバータ部5は、プリント印刷基板に実装されている。
【0018】
無線送電部2は、無線受電部3へ送電できるように、無線受電部3に対し、離間して対向するように設けられている。
【0019】
さらに詳細に述べると、送電共鳴コイル31及び受電共鳴コイル33は、プリント印刷基板に銅箔パターンで形成されている。また、送電共鳴コイル31と受電共鳴コイル33は、それぞれのコイル中心が同一軸上に重なるように、離間して対向するように配置されている。
【0020】
送電コイル32は直径1.0mmの銅線を1ターン巻いてプリント印刷基板へはんだ付けされており、コイル中心は送電共鳴コイルの中心軸と重なる。受電コイル34a、34b、34cは、受電共鳴コイル33を介して受電する電力の大きさが同程度になるように配置されている。
【0021】
なお、銅線の直径は1.0mmに限定されるものではなく、送電したい電力等に応じて適宜変更するとよい。
【0022】
次に、図1を用いて、本実施形態の各構成について説明する。図1において、太陽光パネルが出力するDC電圧は、太陽光パネル接続端子53、54を介してDC/DCコンバータ部4に入力される。DC/DCコンバータ部4に入力されたDC電圧は、DC/DC制御部21に制御されるスイッチングMOSトランジスタ12a〜12dにより、電圧変換されてトランス11に出力される。
【0023】
DC/DCコンバータ部2から出力されたDC電圧は、トランス11により昇圧され、インバータ部5の順変換部に入力される。順変換部は、入力されたDC電圧を順変換して平滑部に出力する。平滑部は、順変換部で順変換されたDC電圧を平滑し、リンク電圧Vdcを逆変換部に出力する。
【0024】
なお、トランス11は、インバータ出力電圧とDC/DCコンバータ部4のGND電位との間での耐電圧を有する。
【0025】
ゲート制御回路37a〜37c(制御部)は、インバータMOSトランジスタ13a〜13cのゲートをPWM制御する。順変換部は、PWM制御されたインバータMOSトランジスタ13a〜13cのスイッチングによりリンク電圧Vdcを変換し、商用の交流電力を出力する。
【0026】
発振器38は、送電共鳴コイル31と受電共鳴コイル33との電磁界共鳴周波数Frで発振した電力を送信アンプ39へ出力する。送信アンプ39は、入力された電力を増幅して送電コイル32へ出力する。これらは、DC/DCコンバータ部4とは独立した別系統の送電部電源41により給電を受けている。
【0027】
送電コイル32から出力される電磁界(電力)は、送電共鳴コイル31と受電共鳴コイル33が電磁的に結同することで、受電コイル34a、34b、34cへ伝送される。受電された電磁界は、ダイオードブリッジ35と受電平滑コンデンサ36を有する受電回路により直流電圧に平滑され、ゲート制御回路37a、37b、37c(制御部6)の電源電圧となる。
【0028】
これにより、DC/DCコンバータ部4が故障したとしても、無線送電部2から制御部6に電力を供給し続けることができるため、順変換部のインバータMOSトランジスタ13a〜dの駆動制御が不安定になることを防止することができる。そのため、インバータMOSトランジスタ13a〜dの短絡を防止することができる。
【0029】
この点について従来技術と比較すると、従来では、DC/DCコンバータ部からトランスを介して供給した電力を順変換部のスイッチング素子の駆動制御に用いていたため、DC/DCコンバータ部が故障した場合、順変換部のスイッチング素子の駆動制御への電力供給も停止し、スイッチング素子のスイッチング動作が不安定になり短絡してしまう可能性があった。
【0030】
一方、本実施形態では、制御部6への電力系統をDC/DCコンバータ部4の電力供給系統とは別にしていることで、DC/DCコンバータ部4の故障時にも、インバータMOSトランジスタの短絡を予防している。
【0031】
また、DC/DCコンバータ部4とインバータ部5との間には、インバータ出力電圧に一致する絶縁耐電圧が必要である。例えば、電力会社の3相系統電圧では、絶縁耐電圧として6.6kVが要求される。この場合、DC/DCコンバータ部4とインバータ部5との間に空間を11.0mm以上確保すると、絶縁できる。
【0032】
一方、従来のように、DC/DCコンバータ部からトランスを介し、順変換部のスイッチング素子の駆動制御のための電力を供給する場合、トランスでの耐圧を確保するため、トランスを大型にする必要がある。また、この駆動制御のための電力の供給源を、DC/DCコンバータ部からの供給とは別系統とした場合でも、高耐圧を担保するための絶縁性の確保が難しい。
【0033】
これに対し、本実施形態では、図2に示すように、送電コイル32と受電コイル34a、34bとの間には基板間距離分(例えば60mm)離れており、6.6kVの絶縁耐圧を有する絶縁性は確保できている。
【0034】
以上、本実施形態によれば、DC/DCコンバータ部4のスイッチングMOSトランジスタ12a〜12dやDC/DC制御部21が故障し、トランス11の2次側に電流が発生しなくなったり、インバータ部5にリンク電圧Vdcが発生しなくなっても、別電源である送電部電源41により、ゲート制御回路37a〜37cの電源電圧は維持され、インバータMOS13a〜13dを制御して正極側インバータ出力端子51と負極側インバータ出力端子52間の出力を停止できる。
【0035】
また、インバータMOSトランジスタ13aとインバータMOSトランジスタ13cとの間、及びインバータMOSトランジスタ13aとインバータMOSトランジスタ13bとの間には、インバータ出力端子51と52間の電圧に一致する絶縁耐圧が必要であるのに対し、本実施形態では、受電コイル34aと34b、及び34bと34cとの間を各々離して空気により絶縁する事で、この絶縁耐圧も確保できる。
【0036】
なお、電力伝送を送受電用コイルと共鳴コイルとに分けた構成で説明したが、直列共振または並列共振により電磁界結合する送電側コイルと受電側コイルとを用いてもよい。
【0037】
また、本実施形態では、受電コイルが3個の場合を説明したが、これは3個に限定されるものではない。制御部側で受電コイルを共有することで受電コイルの数を1個または2個としてもよい。制御するインバータMOSトランジスタの数に応じて、受電コイルの数を変更してもよい。
【0038】
また、説明において受電された電磁界は、ゲート制御回路37a、37b、37cの電源電圧となると述べたが、その他に図示しない電圧センサ、電流センサ、マイコンなどへ電源供給してもよい。
【0039】
以上、本実施形態による電力変換装置では、絶縁耐性を確保するとともに短絡を防止することができる。
[第2の実施の形態]
次に、本実施形態における電力変換装置について、図3を用いて説明する。本実施形態は、第1の実施形態における単位インバータ1を複数直列に接続した多重インバータ7にかかるものである。図3は、本実施形態に係る多重インバータ7の構成例を示した図である。第1の実施形態における電力変換装置と説明が重複する部分については、説明を省略する。
【0040】
多重インバータ7は、複数の単位インバータ1と、中央制御装置300と、U相出力端子55と、V相出力端子56と、W相出力端子57と、を有する。
【0041】
単位インバータ1の負極側出力端子52は、別の単位インバータの正極側出力端子に接続される。この接続を多段直列にする事で、単位インバータ出力電圧±VdcをN倍してU相出力端子55へ出力できる。
【0042】
例えば、必要なU相出力電圧が6.6kVであり、直列段数Nが8段とすると、Vdc=6600÷2÷8=412.5Vとなる。従って、単位インバータ1の出力は±412.5Vで、6.6kVの多重インバータ出力を得られる。
【0043】
なお、これはV相とW相についても同様であるので、説明は省略する。
【0044】
本実施形態では、送電共鳴コイル31等から成る無線送電部と、受電共鳴コイル33等から成る無線受電部を有する単位インバータ1を各々直列接続している。中央制御装置300は、各単位インバータ内のDC/DC制御部を制御して各正極側出力端子51と負極側出力端子52間の出力電圧の和であるU相出力が正弦波となるように制御する。
【0045】
多重インバータ7はこの直列接続インバータを、他にV相、W相分も内蔵し、中央制御装置300が、U相出力端子55、V相出力端子56、W相出力端子57に3相交流を出力するように制御する。
【0046】
複数の単位インバータ1を有する多重インバータ7をこのように動作させることで、DC/DCコンバータ部4とインバータ部5との絶縁耐圧は6.6kV以上を確保しつつ、インバータMOSトランジスタ13a、13b、13c間の絶縁耐圧は412.5V以上を確保することができる。また、DC/DCコンバータ部4の故障時には、正極側出力端子51と負極側出力端子52の出力を制御して、U相出力端子55、V相出力端子56、W相出力端子57の各出力を安定して停止させることができる。
【0047】
以上、本実施形態によれば、絶縁耐性を確保しつつ短絡防止可能な多重インバータ7を提供することができる。
[第3の実施形態]
本実施形態について、図4を用いて説明する。図4は、本実施形態に係る多重インバータ7の構成例を示した図である。本実施形態の説明において、これまでの説明と重複する部分については省略する。
【0048】
図3との相違点を述べると、多重インバータ7は、無線受電部3を内蔵するが無線送電部2を内蔵しない単位インバータ44を有する。
【0049】
図5は、本実施形態に係る多重インバータ7の立体構造の構成例を示す。図5において、多重インバータは、多重インバータラック45と、無線送電部と無線受電部の両方を有する単位インバータ1、101と、無線受電部3のみを有する単位インバータ44、46、47とを有する。各無線受電部3の受電共鳴コイル33は、その中心が他の単位インバータの受電共鳴コイルの中心と同一軸となるように多重インバータラック45に配置されている。送電共鳴コイル31は、送電する無線受電部の受電共鳴コイルの中心と同一軸となるように多重インバータラック45に配置されている。
【0050】
なお、ここでいう同一軸とは、完全に同一軸上にあることだけでなく、同一軸の近傍にあることを含む。また、近傍とは、例えば最も効率がよい送電(受電)効率を100%とすると、送電(受電)効率が95%程度となる範囲であればよい。もっとも、この95%はあくまでも一例であり、必要とする送電(受電)効率に応じて、適宜変更してよい。
【0051】
単位インバータ1の無線送電部2が出力した周波数F1の電磁波は、隣の単位インバータ44の無線受電部3の受電共鳴コイル33まで到達し、単位インバータ44の無線受電部3に電力を送電する。無線受電部3で受電した電力は、整流されてゲート制御部電源電圧となる。
【0052】
一方、単位インバータ101の無線送電部42が出力した周波数F2の電磁波は、隣の単位インバータ47の無線受電部3に到達するとともにそこを通過し、さらに隣の単位インバータ44の受電共鳴コイル33まで到達する。これにより、単位インバータ44の無線受電部3は電力を受電し、受電した電力は整流されてゲート制御部電源電圧となる。
【0053】
このように単位インバータ44は、自らのDC/DCコンバータ部4に無線送電部2を持たずとも、他の単位インバータから周波数F1と周波数F2の電力を受電し、ゲート制御部を動作させられる。
【0054】
これにより、例えば図5の構成では、無線送電部2を持つ2台の単位インバータにより、5台の単位インバータが動作できることになり、部品点数削減による低コスト化の効果がある。
【0055】
なお、無線送電部2と無線受電部3をもつ単位インバータと無線受電部3のみをもつ単位インバータの比率は、上記の例に限定されるものではない。無線送電部2からの送電電力の大きさや、無線送電部2と無線受電部3との位置関係に応じてその比率を適宜変更できる。
【0056】
また、中央制御装置300は、無線送電部2がそれぞれの無線受電部3に同程度の電力を供給できるように制御する。これにより、例えば、二つの無線送電部2から電力を受電する無線受電部3の場合に、一方の無線送電部3からの送電出力が弱くなったとしても、他方の無線送電部2の送電出力を上げることができるので、無線受電部3は安定した電力の供給を受けることができる。
【0057】
また、上記の例において、単位インバータ1が送電する周波数F1と、単位インバータ101が送電する周波数F2は、同一の周波数である。但し、周波数F1と周波数F2とが異なっても本発明の一実施例である。
【0058】
以上、本実施形態によれば、絶縁耐性を確保しつつ短絡防止可能であり、低コストな多重インバータを提供することができる。
[第4の実施の形態]
本実施形態における単位インバータについて、図6を用いて説明する。図6は、本実施形態に係る単位インバータの構成例を示した図である。本実施形態の説明において、これまでの説明と重複する部分については省略する。
【0059】
図1との相違点を述べると、本実施形態における単位インバータ601は、PWMデータ生成部61と、変調回路62と、復調回路63と、PWM波形生成部64(制御信号出力部)と、を有する。復調回路63は、受電コイル34a、34b、34cのいずれかに接続されている。
【0060】
本実施形態では、インバータ部5のインバータMOSトランジスタ13a〜dをPWM(パルス幅変調)により制御して正弦波を出力するようにしている。
【0061】
図6において、PWMデータ生成部61は、インバータMOSトランジスタ13a〜13dのゲートに印加すべきPWM波形のデューティ比を計算してデューティ比データ(制御信号)として出力する。変調回路62は、PWMデータ生成部61にて出力されたデューティ比データに基づき、発振器38から出力された電力伝送波をMSK変調する。
【0062】
なお、この変調方法はMSKに限定されるものではなく、MSK以外にもFSK、QPSK、QAM等のデジタル変調であればよい。
【0063】
送電コイル32は、送電共鳴コイル31を介して受電コイル34a〜cへ変調された電力伝送波を送電する。受電コイル34cで受信されて変調された電力伝送波は、復調回路63へ入力され、MSK復調される。復調されたデューティ比データは、PWM波形生成部64で、インバータMOSトランジスタ13a〜13dのゲートに印加するPWM波形へ変換されて各々のゲート制御回路37a〜cへ出力される。ゲート制御回路37a〜cは、入力されたPWM波形に基づいて、インバータMOSトランジスタ13a〜13dを駆動制御する。
【0064】
このように動作する事で、インバータMOSトランジスタ13a〜13dを制御するためのデューティ比データを、無線による電力伝送回路を利用して伝送することができる。これにより、従来デューティ比データをゲート制御回路まで伝送するために用いていた高耐電圧フォトカプラや光ファイバが不要となり、単位インバータの低コスト化を達成することができる。
【0065】
以上、本実施形態によれば、単位インバータの絶縁耐性を維持しつつ短絡防止も可能である上、さらに、低コストな単位インバータを提供することができる。
[第5の実施形態]
本実施形態における単位インバータ1の無線送受電システムについて、図7を用いて説明する。図7は、本実施形態に係る無線送受電システムのコイルの位置関係の一例を示した図である。
【0066】
図7において、送電共鳴コイル31は、DC/DCコンバータ部4が搭載されているプリント基板400の面のうち、インバータ部5が搭載されたプリント基板500側の面に設けられている。また、受電共鳴コイル33は、インバータ部が搭載されたプリント基板500の面のうち、DC/DCコンバータ部4が搭載されたプリント基板400側の面に設けられている。送電共鳴コイル31及び受電共鳴コイル33はプリント基板の銅箔配線により形成されている。
【0067】
送電コイル32と受電コイル34a、bは、プリント基板400とプリント基板500の間に離間して設けられている。受電コイル34cは、受電コイルa、bと逆側に設けられている。受電コイル34a〜cは、それぞれ1ターンのコイルでありプリント基板400、500にはんだ付けなどで固定され、受電した電力を各インバータMOSトランジスタ13a〜cのゲート制御回路37a〜cへ供給する。
【0068】
ここで、各インバータトランジスタ13a〜cのゲート制御するために、一つの送電コイルから複数の受電コイルによりそれぞれ別々の回路へ電力供給する場合、各受電コイルの受電量は、ほぼ等しくなるようにする方が望ましい。
【0069】
これに対し、本実施形態の無線送受電システムでは、送電共鳴コイル31、及び受電共鳴コイル33の中心が略同一軸(以下、中心軸という。)になるように配置されている。また、受電コイル34aは、中心軸と略同一軸上に、受電共鳴コイル33から距離h1離れて配置されている。一方、受電コイル34bは、その中心が中心軸から距離d1ずれて、また、受電共鳴コイル33から距離h2離れて配置されている。また、受電コイル34cは、中心軸と略同一軸上に、受電共鳴コイルから距離h3離れて配置されている。
【0070】
これらの距離は、h2<h1<h3の関係にある。
【0071】
受電コイル34a〜cの受電量は、受電共鳴コイルとの距離が近い方が大きくなる。また、受電コイル34bは、中心軸がずれている分だけ受電量が減る。従って、距離がh3と最も離れている受電コイル34cの受電量が、最も小さくなる。受電コイル34aは、受電コイル34cより受電共鳴コイル33に近いので、その受電量は、通常であれば受電コイル34cの受電量より大きくなる。
【0072】
最も受電共鳴コイル33に近い受電コイル34bは、中心軸と同一軸上に配置されていれば、その受電量はもっとも大きくなる。しかし、本実施形態では、受電コイル34bは中心軸上からd1ずらして配置しているので、その分受電量は減少する。また、受電コイル34aは、h3より受電共鳴コイルに近いものの、受電コイル34bの影響を受けるため、受電量が減る。
【0073】
従って、最も受電量が少ない受電コイル34cの受電量と同程度となるように受電コイル34a、bの配置を同一軸上からずらす、または、受電コイル34a、bが互いに影響を及ぼす位置に配置するなどの工夫をして受電量を調整すれば、受電コイル34a〜cの受電量を同程度にすることができる。
【0074】
なお、以上の説明では、説明の簡単のために、受電コイル34b以外のコイルは、同一軸上にあるとして説明した。しかし、これに限定されるものではない。本実施形態での意図は、複数の受電コイルが一つの送電コイルに対向して順に並んで配置されている場合において、受電共鳴コイルからの距離、中心軸からのずれ、受電コイル同士の影響、等を考慮して各受電コイルの受電量が同程度になるように、それぞれを配置することにある。
[第6の実施形態]
本実施形態における単位インバータ1の無線送受電システムについて、図8を用いて説明する。図8は、本実施形態に係る無線送受電システムのコイルの位置関係の一例を示した図である。
【0075】
図8において、図7との相違点を述べると、送電コイル32と受電コイル34a、bは、プリント基板401とプリント基板501の間に離間して設けられている。受電コイル34c、dは、受電コイルa、bと逆側に設けられている。
【0076】
送電コイル32は、プリント基板401の銅箔配線で形成された1ターンのコイルであり、受電コイル34a〜dは、それぞれプリント基板501の銅箔配線で形成された1ターンのコイルである。ここで、各受電コイルの受電量は、 第5実施例同様に等しくなるようにする方が望ましい。
【0077】
これに対し、本実施形態における単位インバータ1の無線送受電システムでは、送電共鳴コイル31及び受電共鳴コイル33の中心が略同一軸(以下、中心軸という。)上になるように配置されている。また、受電コイル34a、34dは、中心軸と略同一軸上に、受電共鳴コイル33から距離h1、h4離れて配置されている。
【0078】
一方、受電コイル34bの中心は受電コイル34cの中心軸と一致して一対のコイル対を形成している。そして、コイル対の中心は、受電共鳴コイルの中心軸から距離d1ずれて、また、受電共鳴コイル33から各々距離h2、h3離れて配置されている。 これらの距離は、h2、h3<h1、h4の関係にある。
【0079】
受電コイル34a〜dの受電量を等しくするには、コイル対の距離h2と距離h3とを微調整し、かつコイル対の距離h1とh4とを微調整する事で実現できる。つまり、コイル対の中心軸を一致させて配置する事により、受電コイル34a〜dの受電量はh1、h2、h3、h4だけで決定できる。
【0080】
以上、本実施形態によれば、2組のコイル対の中心軸をずらすことで、各コイル対の受電共鳴コイル33からの距離を調整するだけで各コイルの受電量を同程度に調整することができる。
[第7の実施形態]
本実施形態における単位インバータ1の無線送受電システムについて、図9を用いて説明する。図9は、本実施形態に係る無線送受電システムのコイルの位置関係の一例を示した図である。
【0081】
本実施形態にかかる無線送受電システムでは、受電コイル数が4だった第6の実施形態の例において、受電コイルの数をn+1へ一般化した構成である。図8との相違点を述べると受電コイル34nは送電共鳴コイル31と受電共鳴コイル33との間に配置され、受電コイル34n+1は受電コイル34a、34b、34nと逆側に設けられている。
【0082】
受電コイル34nの中心は受電コイル34n+1の中心軸上に配置され、一対のコイル対を形成している。そして、このコイル対の中心は、受電共鳴コイルの中心軸から距離dN(>dn―1)ずれて、また、受電共鳴コイル33から各々距離hn、hn+1離れて配置されている。
【0083】
これらの距離は、d1<dn−1<dN及び、hn、hn+1<hn−1、hn−2<h2、h3<h1、h4の関係にある。
【0084】
受電コイル34a〜n+1の受電量を等しくするには、コイル対の距離hnと距離hn+1とを微調整し、コイル対の距離h2と距離h3とを微調整し、かつコイル対の距離h1とh4とを微調整する事で実現できる。
【0085】
つまり、コイル対の中心軸を一致させて配置する事により、受電コイル34a〜n+1の受電量はh1、h2、h3、h4、hn、hn+1だけで決定できる。
【0086】
以上、本実施形態によれば、一つの送電コイルから複数の受電コイルに対して、同程度の電力を送電することができる。
【0087】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施解体は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【0088】
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。
【0089】
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【0090】
1:単位インバータ
2:無線送電部
3:無線受電部
4:DC/DCコンバータ部
5:インバータ部
7:多重インバータ
53、54:太陽光パネル接続端子
11:トランス
12a、12b、12c、12d:スイッチングMOSトランジスタ
18:コンデンサ
13a、13b、13c、13d:インバータMOSトランジスタ
14:リンク電圧平滑コンデンサ
15a、15b、15c、15d:整流ダイオード
51:正極側インバータ出力端子
52:負極側インバータ出力端子
21:DC/DCコンバータ制御部
31:送電共鳴コイル
32:給電コイル
39:送信アンプ
38:発振器
41:送電部電源
33:受電共鳴コイル
34a、34b、34c:受電コイル
35:ダイオードブリッジ
36:受電平滑コンデンサ
37a、37b、37c:ゲート制御回路
【要約】
インバータ(5)に含まれるインバータMOSトランジスタ(13a−13d)の短絡を防止することができる電力変換装置(1)を提供する。
入力された直流電力の電圧を変換するDC/DCコンバータ部(4)と、DC/DCコンバータ部(4)で変換された直流電力を変圧する変圧部(11)と、変圧部(11)で変圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ部(5)と、インバータ部(5)を駆動制御する制御部(6)と、無線給電により給電された電力を受電して制御部(6)に供給する無線受電部(3)と、無線受電部(3)に電力を送電する無線送電部(2)と、無線送電部(2)に電力を供給する電源部(41)と、を備える。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9