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(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】6604352
(24)【登録日】2019年10月25日
(45)【発行日】2019年11月13日
(54)【発明の名称】ワイヤレス送電装置およびワイヤレス電力伝送システム
(51)【国際特許分類】
H02J 50/10 20160101AFI20191031BHJP
H01F 38/14 20060101ALI20191031BHJP
H02M 3/28 20060101ALI20191031BHJP
H02M 7/48 20070101ALI20191031BHJP
【ＦＩ】
H02J50/10
H01F38/14
H02M3/28 Q
H02M7/48 P
【請求項の数】5
【全頁数】14
(21)【出願番号】特願2017-64529(P2017-64529)
(22)【出願日】2017年3月29日
(65)【公開番号】特開2018-170819(P2018-170819A)
(43)【公開日】2018年11月1日
【審査請求日】2018年10月16日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100115738
【弁理士】
【氏名又は名称】鷲頭 光宏
(74)【代理人】
【識別番号】100121681
【弁理士】
【氏名又は名称】緒方 和文
(74)【代理人】
【識別番号】100130982
【弁理士】
【氏名又は名称】黒瀬 泰之
(72)【発明者】
【氏名】花房 一義
【審査官】
阿部 陽
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１２−１５２０４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１０−２００５７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
中国特許出願公開第１０４９５３６６７（ＣＮ，Ａ）
【文献】
国際公開第２０１４／１２６１８１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
国際公開第２０１６／０８００４５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
中国特許出願公開第１０３８２５３７２（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０２Ｊ ５０／００−５０／９０
Ｈ０２Ｊ ７／００
Ｈ０１Ｆ ３８／１４
Ｈ０２Ｍ ３／２８
Ｈ０２Ｍ ７／４８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力伝送を行う送電コイルを含み、一対の直流入力端子間に印加される直流電圧を交流電圧に変換して前記送電コイルに供給する自励発振回路を備え、
前記自励発振回路は、
前記送電コイルと共に共振回路を構成する共振コンデンサと、
前記送電コイルの一端に接続される第１のスイッチ素子と、
前記送電コイルの他端に接続される第２のスイッチ素子と、
前記送電コイルの一端と前記一対の直流入力端子の一方との間に接続される第１のインダクタと、
前記送電コイルの他端と前記一対の直流入力端子の一方との間に接続される第２のインダクタと、
前記第１のスイッチ素子の制御電極と前記送電コイルの他端との間に接続される第１のインピーダンス素子と、
前記第２のスイッチ素子の制御電極と前記送電コイルの一端との間に接続される第２のインピーダンス素子とを含み、
前記第１のインピーダンス素子は、第１の抵抗および第１のコンデンサの少なくとも一方を有し、
前記第２のインピーダンス素子は、第２の抵抗および第２のコンデンサの少なくとも一方を有し、
前記送電コイルが単一のコイルで構成されていることを特徴とするワイヤレス送電装置。
前記自励発振回路は、
前記送電コイルと共に共振回路を構成する共振コンデンサと、
前記送電コイルの一端に接続される第１のスイッチ素子と、
前記送電コイルの他端に接続される第２のスイッチ素子と、
前記送電コイルの一端と前記一対の直流入力端子の一方との間に接続される第１のインダクタと、
前記送電コイルの他端と前記一対の直流入力端子の一方との間に接続される第２のインダクタと、
前記第１のスイッチ素子の制御電極と前記送電コイルの他端との間に接続される第１のインピーダンス素子と、
前記第２のスイッチ素子の制御電極と前記送電コイルの一端との間に接続される第２のインピーダンス素子とを含み、
前記第１のインピーダンス素子は、第１の抵抗および第１のコンデンサの少なくとも一方を有し、
前記第２のインピーダンス素子は、第２の抵抗および第２のコンデンサの少なくとも一方を有し、
前記送電コイルが単一のコイルで構成されていることを特徴とするワイヤレス送電装置。
【請求項2】
前記第１のインピーダンス素子は、前記送電コイルの他端にカソードが接続される第１のダイオードをさらに有し、
前記第２のインピーダンス素子は、前記送電コイルの一端にカソードが接続される第２のダイオードをさらに有する、請求項１に記載のワイヤレス送電装置。
前記第２のインピーダンス素子は、前記送電コイルの一端にカソードが接続される第２のダイオードをさらに有する、請求項１に記載のワイヤレス送電装置。
【請求項3】
前記送電コイルの巻数は１ターンである、請求項１または２に記載のワイヤレス送電装置。
【請求項4】
前記送電コイルは、磁性体と、前記磁性体の主面に渦巻き状に巻回された導線とを有する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のワイヤレス送電装置。
【請求項5】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載のワイヤレス送電装置と、
前記ワイヤレス送電装置から送電される電力をワイヤレスにて受電するワイヤレス受電装置と、を備え、
前記ワイヤレス受電装置は、
前記送電コイルと磁気結合する受電コイルと、
前記受電コイルに発生した交流電圧を直流電圧に変換する整流回路とを含むことを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
前記ワイヤレス送電装置から送電される電力をワイヤレスにて受電するワイヤレス受電装置と、を備え、
前記ワイヤレス受電装置は、
前記送電コイルと磁気結合する受電コイルと、
前記受電コイルに発生した交流電圧を直流電圧に変換する整流回路とを含むことを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電力をワイヤレスで伝送するワイヤレス送電装置およびワイヤレス電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【0002】
電源ケーブルや電源コードを用いずに電力を供給するワイヤレス電力伝送技術が注目されている。ワイヤレス電力伝送技術は、送電側から受電側にワイヤレスで電力を供給できることから、電車、電気自動車等の輸送機器、家電製品、電子機器、無線通信機器、玩具、産業機器といった様々な製品への応用が期待されている。
【0003】
ワイヤレス電力伝送技術においては、他の電子機器と同様に、簡素な構成で低コスト且つ高効率のものが求められている。この要求を実現するため、簡単な回路で構成できる自励発振回路を用いたものが提案されている。
【0004】
例えば、特許文献１には、送電側共振部からトランスを介して受電側共振部に非接触で電力供給を行う非接触給電装置において、送電側共振部が自励式発振回路を備えることが記載されている。この自励式発振回路は、トランスのリファレンスを確保するために当該トランスの送電側一次コイルの中点端子に直流電圧を印加するリファレンス回路と、第１、第２のスイッチング素子と、送電側一次コイルに並列接続されるコンデンサとを有している。送電側一次コイルの両端には送電側一次コイルとコンデンサとの共振回路が有する共振周波数の電圧が生成され、この電圧をもとに送電側二次コイルに発生した誘導電圧を第１、第２のスイッチング素子のゲート側にフィードバックで印加することにより、この誘起電圧を増幅させたドレイン電圧を送電側一次コイルの両端に印加し、このような動作を繰り返すことにより、自励発振が行われる。
【0005】
また、特許文献２には、自励発振を行うプッシュプル式共振型コンバータが記載されている。この共振型コンバータは、励磁コイルＬ0とコンデンサＣ0の並列回路と、この並列回路に並列接続される２つのトランジスタＱ1，Ｑ2の直列回路とを備えている。２つのトランジスタＱ1，Ｑ2のベースは、抵抗Ｒ1，Ｒ2をそれぞれ介して、ＤＣ入力のマイナス端子に接続されており、また、一方のトランジスタＱ1のベースは、コンデンサＣ1と抵抗Ｒ3の並列回路を介して、他方のトランジスタＱ2のコレクタに接続され、他方のトランジスタＱ2のベースは、コンデンサＣ2と抵抗Ｒ4の並列回路を介して、一方のトランジスタＱ1のコレクタに接続されている。また、２つのトランジスタＱ1，Ｑ2のエミッタが共通接続されて、ＤＣ入力のマイナス端子に接続され、ＤＣ入力のプラス端子は、コイルＬ1を介して励磁コイルＬ0の中間接続点に接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２０１２−１７５８８０号公報
【特許文献2】特開平９−１９０７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、中点端子を介して直列接続される２つのコイルによって送電側一次コイルが形成され、さらに帰還巻線としての送電側二次コイルを有することから、送電コイル部の構成が複雑になり、コストアップとなってしまうという課題があった。加えて、２つのコイルで形成されている送電側一次コイルは、同一のインダクタンス値で結合係数が１となるのが理想であるが、実際には構造上、それぞれのコイルのインダクタンス値は異なり、さらに結合係数も理想より小さくなる。従って、自励発振している第１、第２のスイッチング素子の電流波形は非対称となり、スイッチング損失が増え、効率が低下する課題があった。
【0008】
また、特許文献２に開示された技術は、帰還巻線を用いないものの、中点接続点を介して直列接続される２つのコイルによって励磁コイルＬ0が形成されており、送電コイル部の構成が複雑となり、コストアップとなってしまうという課題があった。加えて、２つのコイルで形成されている励磁コイルＬ0は、同一のインダクタンス値で結合係数が1となるのが理想であるが、実際には構造上、２つのコイルのインダクタンス値が異なり、さらに結合係数も理想よりも小さくなる。従って、自励発振している２つのトランジスタＱ1，Ｑ2の電流波形は非対称となり、スイッチング損失が増え、効率が低下する課題があった。
【0009】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡素な回路構成であって、低コスト、高品質、且つ高効率な自励発振回路を備えたワイヤレス送電装置およびワイヤレス電力伝送システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記課題を解決するため、本発明によるワイヤレス送電装置は、電力伝送を行う送電コイルを含み、一対の直流入力端子間に印加される直流電圧を交流電圧に変換して前記送電コイルに供給する自励発振回路を備え、前記送電コイルが単一のコイルで構成されていることを特徴とする。
【0011】
本発明によれば、帰還巻線や中間タップを介して接続される２つのコイルからなる送電コイルを使用しなくてよいので、高品質且つ高効率な自励発振回路を備えたワイヤレス送電装置を低コストで実現することができる。
【0012】
本発明において、前記自励発振回路は、前記送電コイルと共に共振回路を構成する共振コンデンサと、前記送電コイルの一端に接続される第１のスイッチ素子と、前記送電コイルの他端に接続される第２のスイッチ素子と、前記送電コイルの一端と前記一対の直流入力端子の一方との間に接続される第１のインダクタと、前記送電コイルの他端と前記一対の直流入力端子の一方との間に接続される第２のインダクタとを含むことが好ましい。この構成によれば、高品質且つ高効率な自励発振回路を備えたワイヤレス送電装置を低コストで実現することができる。なお、第１および第２のスイッチ素子は、送電コイルの一端および他端にそれぞれ直接接続されてもよく、共振回路を構成する素子等を介して間接的に接続されてもよい。
【0013】
本発明において、前記自励発振回路は、前記第１のスイッチ素子の制御電極と前記送電コイルの他端との間に接続される第１のインピーダンス素子と、前記第２のスイッチ素子の制御電極と前記送電コイルの一端との間に接続される第２のインピーダンス素子とをさらに含むことが好ましい。この場合において、前記第１のインピーダンス素子は、第１の抵抗および第１のコンデンサの少なくとも一方を有し、前記第２のインピーダンス素子は、第２の抵抗および第２のコンデンサの少なくとも一方を有することが好ましい。さらに、前記第１のインピーダンス素子は、前記送電コイルの他端にカソードが接続される第１のダイオードをさらに有し、前記第２のインピーダンス素子は、前記送電コイルの一端にカソードが接続される第２のダイオードをさらに有することが好ましい。これにより、スイッチ素子の損失の低減が可能となるため、一層高効率の自励発振回路を実現できる。なお、第１および第２のインピーダンス素子は、送電コイルの他端および一端にそれぞれ直接接続されてもよく、共振回路を構成する素子等を介して間接的に接続されてもよい。
【0014】
本発明において、前記送電コイルの巻数は１ターンであることが好ましい。これにより、送電コイルの構成の一層の簡素化を図ることができる。
【0015】
本発明において、前記送電コイルは、磁性体と、前記磁性体の主面に渦巻き状に巻回された導線とを有することが好ましい。これにより、高効率且つ低ノイズの送電が可能となる。
【0016】
また、本発明によるワイヤレス電力伝送システムは、上記特徴を有する本発明によるワイヤレス送電装置と、前記ワイヤレス送電装置から送電される電力をワイヤレスにて受電するワイヤレス受電装置と、を備え、前記ワイヤレス受電装置は、前記送電コイルと磁気結合する受電コイルと、前記受電コイルに発生した交流電圧を直流電圧に変換する整流回路とを含むことを特徴とする。本発明によれば、簡素な回路構成であって、低コスト、高品質、且つ高効率な自励発振回路を用いたワイヤレス送電装置を備えたワイヤレス電力伝送システムを提供することができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、簡素な回路構成であって、低コスト、高品質、且つ高効率な自励発振回路を備えたワイヤレス送電装置およびワイヤレス電力伝送システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【0020】
図１は、本発明の第１の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムの構成を示す回路図である。
【0021】
図１に示すように、ワイヤレス電力伝送システム１は、ワイヤレス送電装置１０とワイヤレス受電装置２０とを組み合わせてなり、ワイヤレス送電装置１０からワイヤレス受電装置２０に電力をワイヤレス伝送するものである。
【0022】
ワイヤレス送電装置１０は、電力伝送を行う送電コイルＬTXを含み、一対の直流入力端子１２ａ，１２ｂ間に印加される直流電圧を交流電圧に変換して送電コイルＬTXに供給する自励発振回路１５と、一対の直流入力端子１２ａ，１２ｂ間に接続される入力コンデンサＣinとを備えている。
【0023】
送電コイルＬTXは、単一のコイルで構成されている。なお、単一のコイルとは、端子が２つであり、中間タップを有しないことを意味している。図２に示すように、本実施形態による送電コイルＬTXは、平板状の磁性体１３の主面に一本の導線１１が渦巻き状に巻回されてなるスパイラルコイルであることが好ましい。この構成より、高効率且つ低ノイズの送電が可能となる。送電コイルＬTXのターン数は特に限定されず、約１ターンであってもよい。送電コイルＬTXを１ターンとする場合には、送電コイルの構成の一層の簡素化を図ることができる。
【0024】
自励発振回路１５は、送電コイルＬTXに並列接続される共振コンデンサＣp1と、送電コイルＬTXの一端１１ａと一対の直流入力端子のプラス端子１２ａとの間に接続される第１のインダクタＬ1と、送電コイルＬTXの他端１１ｂと一対の直流入力端子のプラス端子１２ａとの間に接続される第２のインダクタＬ2と、送電コイルＬTXの一端１１ａに接続される第１のスイッチ素子Ｑ1と、送電コイルＬTXの他端１１ｂに接続される第２のスイッチ素子Ｑ2と、第１のスイッチ素子Ｑ1のゲートと送電コイルＬTXの他端１１ｂとの間に接続される第１のインピーダンス素子Ｚ1と、第２のスイッチ素子Ｑ2のゲートと送電コイルＬTXの一端１１ａとの間に接続される第２のインピーダンス素子Ｚ2とを備えている。
【0025】
共振コンデンサＣp1は、送電コイルＬTXおよび第１および第２のインダクタＬ1，Ｌ2と共に共振回路を構成している。また詳細は後述するが、共振コンデンサＣp1は送電コイルＬTXに直列接続されるものであってもよく、２つ以上のコンデンサが直並列接続されるものであってもよい。
【0026】
本実施形態において第１および第２のスイッチ素子Ｑ1，Ｑ2はNMOSトランジスタである。第１のスイッチ素子Ｑ1のドレインは第１のインダクタＬ1を介して一対の直流入力端子の一方であるプラス端子１２ａに接続されており、第２のスイッチ素子Ｑ2のドレインは第２のインダクタＬ2を介して一対の直流入力端子のプラス端子１２ａに接続されている。また第１および第２のスイッチ素子Ｑ1，Ｑ2のソースは一対の直流入力端子の他方であるマイナス端子１２ｂに接続されている。さらに第１のスイッチ素子Ｑ1のゲート（制御電極）は第２のインダクタＬ2を介して一対の直流入力端子のプラス端子１２ａに接続されており、第２のスイッチ素子Ｑ2のゲートは第１のインダクタＬ1を介して一対の直流入力端子のプラス端子１２ａに接続されている。
【0027】
第１および第２のインピーダンス素子Ｚ1，Ｚ2の構成は特に限定されないが、例えば図示のように、ダイオード、キャパシタおよび抵抗の並列回路を用いることができる。このように、第１のインピーダンス素子Ｚ1は、抵抗またはコンデンサを有することが好ましく、送電コイルＬTXの他端１１ｂ側にカソード（第１のスイッチ素子Ｑ1のゲート側にアノード）が接続されるダイオードを有することがさらに好ましい。第２のインピーダンス素子Ｚ2もまた、抵抗またはコンデンサを有することが好ましく、送電コイルＬTXの一端１１ａ側にカソード（第２のスイッチ素子Ｑ2のゲート側にアノード）が接続されるダイオードを有することがさらに好ましい。
【0028】
ワイヤレス受電装置２０の構成は特に限定されないが、例えば、電力伝送時に送電コイルＬTXと磁気結合する受電コイルＬRXと、受電コイルＬRXに直列接続される共振コンデンサＣs1と、受電コイルＬRXに発生した交流電圧を直流電圧に変換して負荷２２に出力する整流回路２１と、整流回路２１の一対の出力端子間に接続される平滑コンデンサＣoutとを備えている。また詳細は後述するが、共振コンデンサＣs1は、受電コイルＬRXに並列接続されるものであってもよく、２つ以上のコンデンサが直並列接続されるものであってもよい。
【0030】
まず一対の直流入力端子１２ａ，１２ｂ間に直流電圧が印加されると、第１のインダクタＬ1および第２のインピーダンス素子Ｚ2を介して第２のスイッチ素子Ｑ2がオンになるか、第２のインダクタＬ2および第１のインピーダンス素子Ｚ1を介して第１のスイッチ素子Ｑ1がオンになる。通常、電子部品の特性のばらつきにより回路の対称性が崩れているため、スイッチ素子Ｑ1，Ｑ2のどちらか一方が先にオンになる。回路の非対称性を確保するため、意図的に第１のインピーダンス素子Ｚ1のインピーダンスを第２のインピーダンス素子Ｚ2よりも小さく設定し、スイッチ素子Ｑ1を先にオンさせてもよい。
【0031】
図３（ａ）に示すように、例えば第１のスイッチ素子Ｑ1がオンになると、第１のインダクタＬ1から第１のスイッチ素子Ｑ1に電流Ｉ1が流れる。また、第２のインダクタＬ2から送電コイルＬTXおよび共振コンデンサＣp1の並列回路を通って第１のスイッチ素子Ｑ1に電流Ｉ2が流れる。さらに第１のスイッチ素子Ｑ1がオンになると、第１のスイッチ素子Ｑ1のドレイン電圧Ｖds1と共に第２のスイッチ素子Ｑ2のゲート電圧Ｖgs2がほぼゼロ［Ｖ］になるので、第２のスイッチ素子Ｑ2のオフ状態が維持される。
【0032】
電流Ｉ2が流れることによって第２のスイッチ素子Ｑ2のドレイン電圧Ｖds2は上昇していくが、送電コイルＬTXおよび共振コンデンサＣp1を含む共振回路の動作により、ある電圧レベルまで達すると、降下していく。そして第２のスイッチ素子Ｑ2のドレイン電圧Ｖds2がゼロ［Ｖ］付近まで降下すると、第１のスイッチ素子Ｑ1のゲート電圧Ｖgs1もほぼゼロ［Ｖ］となり、第１のスイッチ素子Ｑ1がオフになる。
【0033】
こうして図３（ｂ）に示すように第１および第２のスイッチ素子Ｑ1，Ｑ2は共にオフになるが、第１のインダクタＬ1が電流Ｉ1を流し続けようとし、また送電コイルＬTXも電流Ｉ2を流し続けようとするので、第１のスイッチ素子Ｑ1のドレイン電圧Ｖds1および第２のスイッチ素子Ｑ2のゲート電圧Ｖgs2が上昇し、これにより第２のスイッチ素子Ｑ2がオンになる。
【0034】
図４（ａ）に示すように、第２のスイッチ素子Ｑ2がオンになると、第２のインダクタＬ2から第２のスイッチ素子Ｑ2に電流Ｉ2が流れる。また、第１のインダクタＬ1から送電コイルＬTXおよび共振コンデンサＣp1の並列回路を通って第２のスイッチ素子Ｑ2に電流Ｉ1が流れる。さらに第２のスイッチ素子Ｑ2がオンになると、第２のスイッチ素子Ｑ2のドレイン電圧Ｖds2と共に第１のスイッチ素子Ｑ1のゲート電圧Ｖgs1がほぼゼロ［Ｖ］になるので、第１のスイッチ素子Ｑ1のオフ状態が維持される。
【0035】
電流Ｉ1が流れることによって第１のスイッチ素子Ｑ1のドレイン電圧Ｖds1は上昇していくが、送電コイルＬTXおよび共振コンデンサＣp1を含む共振回路の動作により、ある電圧レベルまで達すると、降下していく。そして第１のスイッチ素子Ｑ1のドレイン電圧Ｖds1がゼロ［Ｖ］付近まで降下すると、第２のスイッチ素子Ｑ2のゲート電圧Ｖgs2もほぼゼロ［Ｖ］となり、第２のスイッチ素子Ｑ2がオフになる。
【0036】
こうして図４（ｂ）に示すように第１および第２のスイッチ素子Ｑ1，Ｑ2は共にオフになるが、第２のインダクタＬ2が電流Ｉ2を流し続けようとし、また送電コイルＬTXが電流Ｉ1を流し続けようとするので、第２のスイッチ素子Ｑ2のドレイン電圧Ｖds2および第１のスイッチ素子Ｑ1のゲート電圧Ｖgs1が上昇し、これにより第１のスイッチ素子Ｑ1が再びオンになる（図２（ａ）参照）。
【0037】
第１および第２のスイッチ素子Ｑ1，Ｑ2は以上のオンオフ動作を繰り返しながら定常状態となり、送電コイルＬTXには互いに逆向きで同じ大きさの電流Ｉ1、Ｉ2が交互に流れ、送電コイルＬTXの両端には所定の発振周波数の交流電圧が発生する。
【0038】
図５は、自励発振回路１５の動作を説明するための電圧波形図である。
【0039】
図５に示すように、第１および第２のスイッチ素子Ｑ1，Ｑ2は交互にオンオフ動作を繰り返すが、第１のスイッチ素子Ｑ1のドレイン電圧Ｖds1は、第１のスイッチ素子Ｑ1がオンのときにはゼロ［Ｖ］となり、オフのときに半周期の正弦波となる。第２のスイッチ素子Ｑ2のドレイン電圧Ｖds2もまた、第２のスイッチ素子Ｑ2がオンのときにはゼロ［Ｖ］となり、オフのときには半周期の正弦波となる。
【0040】
また、第１のスイッチ素子Ｑ1のゲート電圧Ｖgs1は、第１のスイッチ素子Ｑ1がオンのときには半周期の正弦波となり、特に第１のインピーダンス素子Ｚ1の電圧降下分だけ第２のスイッチ素子Ｑ2のドレイン電圧Ｖds2よりも小さいピークレベルとなる。第１のスイッチ素子Ｑ1がオフのときにはほぼゼロ［Ｖ］となる。同様に、第２のスイッチ素子Ｑ2のゲート電圧Ｖgs2は、第２のスイッチ素子Ｑ2がオンのときには半周期の正弦波となり、特に第２のインピーダンス素子Ｚ2の電圧降下分だけ第１のスイッチ素子Ｑ1のドレイン電圧Ｖds1よりも小さいピークレベルとなる。第２のスイッチ素子Ｑ2がオフのときにはほぼゼロ［Ｖ］となる。
【0041】
したがって、送電コイルＬTXの両端の電圧Ｖoutは、第１のスイッチ素子Ｑ1のドレイン電圧Ｖds1と第２のスイッチ素子Ｑ2のドレイン電圧Ｖds2とが合成された交流出力電圧となり、Ｖout＝Ｖds1−Ｖds2として示すことができる。
【0042】
送電コイルの中間タップ（中点端子）から取り出した出力電圧を帰還させることによって発振動作を行う従来の自励発振回路においては、中間タップを介して接続される２つのコイルの非対称性によってスイッチ素子Ｑ1，Ｑ2の電流波形も非対称となり、スイッチング損失が増えることにより効率が低下していた。しかし本実施形態においては、送電コイルＬTXが単一のコイルで構成されており、自励発振回路１５が中間タップから取り出した出力電圧を用いることなく発振動作を行うので、スイッチ素子Ｑ1，Ｑ2の電流波形の対称性を高めることができ、スイッチング損失を低減して電力変換効率を高めることができる。
【0043】
以上説明したように、本実施形態によるワイヤレス電力伝送システム１は、ワイヤレス送電装置１０とワイヤレス受電装置２０とを備え、ワイヤレス送電装置１０は、送電コイルＬTXと、送電コイルＬTXに交流電圧を供給する自励発振回路１５とを備え、送電コイルＬTXは中間タップを有しない単一のコイルで構成されているので、自励発振回路１５を構成する第１および第２のスイッチ素子Ｑ1，Ｑ2の電流波形が非対称となることによるスイッチング損失を低減して電力変換効率を高めることができる。また、本実施形態による自励発振回路１５は、送電コイルＬTXが単一のコイルで構成されており、帰還巻線などを有しない簡素な回路構成であるため、高品質且つ高効率なワイヤレス送電装置１０およびワイヤレス電力伝送システム１を低コストで実現することができる。
【0044】
図６は、本発明の第２の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムの構成を示す回路図である。
【0045】
図６に示すように、このワイヤレス電力伝送システム２の特徴は、自励発振回路１５を構成する第１および第２のスイッチ素子Ｑ1，Ｑ2としてNMOSトランジスタではなくPMOSトランジスタを用いた点にある。そのため、送電コイルＬTXの一端１１ａは、第１のインダクタＬ1を介して一対の直流入力端子の一方であるマイナス端子１２ｂに接続されており、送電コイルＬTXの他端１１ｂは、第２のインダクタＬ2を介して一対の直流入力端子のマイナス端子１２ｂに接続されている。
【0046】
本実施形態において、第１および第２のスイッチ素子Ｑ1，Ｑ2のドレインは一対の直流入力端子の他方であるプラス端子１２ａに接続されており、第１のスイッチ素子Ｑ1のソースは第１のインダクタＬ1を介して一対の直流入力端子のマイナス端子１２ｂに接続されており、第２のスイッチ素子Ｑ2のソースは第２のインダクタＬ2を介して一対の直流入力端子のマイナス端子１２ｂに接続されている。さらに第１のスイッチ素子Ｑ1のゲートは第１のインピーダンス素子Ｚ1および第２のインダクタＬ2を介してマイナス端子１２ｂに接続されており、第２のスイッチ素子Ｑ2のゲートは第２のインピーダンス素子Ｚ2および第１のインダクタＬ2を介してマイナス端子１２ｂに接続されている。
【0047】
以上の構成を有するワイヤレス電力伝送システム２は、第１の実施の形態と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、本実施形態による自励発振回路１５は、送電コイルＬTXが単一のコイルで構成されており、帰還巻線などを有しない簡素な回路構成であるため、高品質且つ高効率なワイヤレス送電装置１０およびワイヤレス電力伝送システム２を低コストで実現することができる。
【0048】
図７および図８は、ワイヤレス送電装置１０の変形例を示す回路図である。なお、図７および図８では、第１の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システム１におけるワイヤレス送電装置１０の変形例を示しているが、第２の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システム２におけるワイヤレス送電装置１０にも適用可能である。
【0049】
図７（ａ）に示すワイヤレス送電装置１０の特徴は、送電コイルＬTXおよび第１および第２のインダクタＬ1，Ｌ2と共に共振回路を構成する共振コンデンサＣp1が送電コイルＬTXと直列接続されている点にある。また図７（ｂ）に示すワイヤレス送電装置１０の特徴は、送電コイルＬTXおよび第１および第２のインダクタＬ1，Ｌ2と共に共振回路を構成する２つの共振コンデンサＣp1，Ｃp2を備え、第１の共振コンデンサＣp1が送電コイルＬTXの一端１１ａ側に直列接続されており、第２の共振コンデンサＣp2が送電コイルＬTXの他端１１ｂ側に直列接続されている点にある。
【0050】
図８（ａ）および（ｂ）に示すワイヤレス送電装置１０の特徴は、送電コイルＬTXおよび第１および第２のインダクタＬ1，Ｌ2と共に共振回路を構成する３つの共振コンデンサＣp1，Ｃp2，Ｃp3を備え、第１の共振コンデンサＣp1が送電コイルＬTXに並列接続されており、第２の共振コンデンサＣp2が送電コイルＬTXの一端１１ａ側に直列接続されており、第３の共振コンデンサＣp3が送電コイルＬTXの他端１１ｂ側に直列接続されている点にある。
【0051】
このうち、図８（ａ）に示すワイヤレス送電装置１０における第２および第３の共振コンデンサＣp2，Ｃp3は、第１および第２のスイッチ素子Ｑ1，Ｑ2それぞれの接続点よりも送電コイルＬTX寄りに設けられている。そのため、第１のスイッチ素子Ｑ1のドレインは、第２の共振コンデンサＣp2を介して送電コイルＬTXの一端１１ａに接続されており、第２のスイッチ素子Ｑ2のドレインは、第３の共振コンデンサＣp3を介して送電コイルＬTXの他端１１ｂに接続されている。このように、第１および第２のスイッチ素子Ｑ1，Ｑ2は、共振回路の構成素子等を介して送電コイルＬTXの一端１１ａおよび他端１１ｂに間接的に接続されていてもよい。
【0052】
また、図８（ｂ）に示すワイヤレス送電装置１０における第２および第３の共振コンデンサＣp2，Ｃp3は、第１および第２のスイッチ素子Ｑ1，Ｑ2それぞれの接続点よりも直流入力端子寄り（第１および第２のインダクタＬ1，Ｌ2寄り）に設けられている。そのため、第１のスイッチ素子Ｑ1のドレインは、送電コイルＬTXの一端１１ａに直接接続されており、第２のスイッチ素子Ｑ2のドレインは、送電コイルＬTXの他端１１ｂに直接接続されている。このように、第１および第２のスイッチ素子Ｑ1，Ｑ2は、送電コイルＬTXの一端１１ａおよび他端１１ｂに直接接続されていてもよい。さらに、第１および第２のスイッチ素子Ｑ1，Ｑ2は、共振回路の構成素子等を介して第１および第２のインダクタＬ1，Ｌ2に間接的に接続されていてもよい。
【0053】
図９は、ワイヤレス受電装置２０の変形例を示す回路図である。
【0054】
図９（ａ）に示すワイヤレス受電装置２０の特徴は、受電コイルＬRXと共に共振回路を構成する共振コンデンサＣs1が受電コイルＬRXに並列接続されている点にある。また図９（ｂ）に示すワイヤレス受電装置２０の特徴は、受電コイルＬRXと共に共振回路を構成する２つの共振コンデンサＣs1，Ｃs2を備え、第１の共振コンデンサＣs1は受電コイルＬRXに直列接続されており、第２の共振コンデンサＣs2は受電コイルＬRXに並列接続されている点にある。さらに図９（ｃ）に示すワイヤレス受電装置２０の特徴は、共振コンデンサを省略した点にある。このように、ワイヤレス受電装置２０には様々な構成の共振回路を採用することができる。
【0055】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【0056】
例えば、上記実施形態においては、一対の直流入力端子１２ａ，１２ｂ間の直流電圧が自励発振回路１５に直接供給されているが、自励発振回路１５の前段に昇圧コンバータや降圧コンバータなどの電源回路を設けてもよい。
【符号の説明】
【0057】
１，２ ワイヤレス電力伝送システム１０ ワイヤレス送電装置
１１ 渦巻き状の導線
１１ａ 送電コイルＬTXの一端（導線の一端）
１１ｂ 送電コイルＬTXの他端（導線の他端）
１２ａ 直流入力のプラス端子
１２ｂ 直流入力のマイナス端子
１３ 磁性体
１５ 自励発振回路
２０ ワイヤレス受電装置
２１ 整流回路
２２ 負荷
Ｃin 入力コンデンサ
Ｃout 平滑コンデンサ
Ｃp1，Ｃp2，Ｃp3 共振コンデンサ
Ｃs1，Ｃs2 共振コンデンサ
Ｉ1 第１の電流
Ｉ2 第２の電流
Ｌ1 第１のインダクタ
Ｌ2 第２のインダクタ
ＬRX 受電コイル
ＬTX 送電コイル
Ｑ1 第１のスイッチ素子（トランジスタ）
Ｑ2 第２のスイッチ素子（トランジスタ）
Ｖds1 第１のスイッチ素子Ｑ1のドレイン電圧
Ｖds2 第２のスイッチ素子Ｑ2のドレイン電圧
Ｖgs1 第１のスイッチ素子Ｑ1のゲート電圧
Ｖgs2 第２のスイッチ素子Ｑ2のゲート電圧
Ｖout 送電コイルＬTXの両端の電圧
Ｚ1 第１のインピーダンス素子
Ｚ2 第２のインピーダンス素子