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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022105829
(43)【公開日】2022-07-15
(54)【発明の名称】無線給電装置および無線給電システム
(51)【国際特許分類】
H02J 50/12 20160101AFI20220708BHJP
H02J 7/00 20060101ALI20220708BHJP
【ＦＩ】
H02J50/12
H02J7/00 301D
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021000408
(22)【出願日】2021-01-05
(71)【出願人】
【識別番号】503420833
【氏名又は名称】学校法人常翔学園
(71)【出願人】
【識別番号】000000974
【氏名又は名称】川崎重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100104433
【弁理士】
【氏名又は名称】宮園 博一
(74)【代理人】
【識別番号】100202728
【弁理士】
【氏名又は名称】三森 智裕
(72)【発明者】
【氏名】大森 英樹
(72)【発明者】
【氏名】酒井 領太
(72)【発明者】
【氏名】岩永 太一
【テーマコード（参考）】
5G503
【Ｆターム（参考）】
5G503AA01
5G503BA01
5G503BB01
5G503GB08
(57)【要約】
【課題】装置の構成が複雑で高価になるのを抑制しながら、スイッチング損失が小さい零電圧スイッチングを維持して、伝送される電力の大きさを変化させることが可能な無線給電装置を提供する。
【解決手段】この無線給電装置１は、直流電源Ｅに直列に接続された伝送コイルＬ１およびスイッチング素子ＳＷと、共振コンデンサＣ１と、互いに直列に接続された補助スイッチング素子ＳＷＳおよび電圧制限コンデンサＣＳと、伝送コイルＬ１と共振コンデンサＣ１とによる共振電圧に基づいて、スイッチング素子ＳＷのターンオンの時期を制御するターンオン制御回路３１と、共振電圧に基づいて、補助スイッチング素子ＳＷＳのターンオンの時期を制御するターンオン制御回路３２と、を含む。そして、スイッチング素子ＳＷおよび補助スイッチング素子ＳＷＳが、零電圧スイッチング動作を行う。
【選択図】図１
【解決手段】この無線給電装置１は、直流電源Ｅに直列に接続された伝送コイルＬ１およびスイッチング素子ＳＷと、共振コンデンサＣ１と、互いに直列に接続された補助スイッチング素子ＳＷＳおよび電圧制限コンデンサＣＳと、伝送コイルＬ１と共振コンデンサＣ１とによる共振電圧に基づいて、スイッチング素子ＳＷのターンオンの時期を制御するターンオン制御回路３１と、共振電圧に基づいて、補助スイッチング素子ＳＷＳのターンオンの時期を制御するターンオン制御回路３２と、を含む。そして、スイッチング素子ＳＷおよび補助スイッチング素子ＳＷＳが、零電圧スイッチング動作を行う。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
１石式の無線給電装置であって、
受電ユニットに給電する給電ユニットと、
前記給電ユニットを制御する制御部と、を備え、
前記給電ユニットは、
直流電源に直列に接続された伝送コイルおよびスイッチング素子と、
前記伝送コイルと前記スイッチング素子とのうちの少なくとも一方に並列接続された共振コンデンサと、
前記伝送コイルまたは前記スイッチング素子に並列接続されるとともに、互いに直列に接続された補助スイッチング素子、および、前記伝送コイルと前記共振コンデンサとによる共振電圧を制限する電圧制限コンデンサと、を含み、
前記制御部は、
前記伝送コイルと前記共振コンデンサとによる前記共振電圧に基づいて、前記スイッチング素子のターンオンの時期を制御する第１ターンオン制御回路と、
前記スイッチング素子のゲート信号、または、前記伝送コイルと前記共振コンデンサとによる前記共振電圧に基づいて、前記補助スイッチング素子のターンオンの時期を制御する第２ターンオン制御回路と、を含み、
前記スイッチング素子および前記補助スイッチング素子が、零電圧スイッチング動作を行うように構成されている、無線給電装置。
受電ユニットに給電する給電ユニットと、
前記給電ユニットを制御する制御部と、を備え、
前記給電ユニットは、
直流電源に直列に接続された伝送コイルおよびスイッチング素子と、
前記伝送コイルと前記スイッチング素子とのうちの少なくとも一方に並列接続された共振コンデンサと、
前記伝送コイルまたは前記スイッチング素子に並列接続されるとともに、互いに直列に接続された補助スイッチング素子、および、前記伝送コイルと前記共振コンデンサとによる共振電圧を制限する電圧制限コンデンサと、を含み、
前記制御部は、
前記伝送コイルと前記共振コンデンサとによる前記共振電圧に基づいて、前記スイッチング素子のターンオンの時期を制御する第１ターンオン制御回路と、
前記スイッチング素子のゲート信号、または、前記伝送コイルと前記共振コンデンサとによる前記共振電圧に基づいて、前記補助スイッチング素子のターンオンの時期を制御する第２ターンオン制御回路と、を含み、
前記スイッチング素子および前記補助スイッチング素子が、零電圧スイッチング動作を行うように構成されている、無線給電装置。
【請求項2】
前記スイッチング素子の導通時間と、前記補助スイッチング素子の導通時間とは、前記伝送コイルから伝送される電力の周波数が所定の周波数範囲内となるように制御される、請求項１に記載の無線給電装置。
【請求項3】
前記周波数範囲は、８０ｋＨｚ以上９０ｋＨｚ以下である、請求項２に記載の無線給電装置。
【請求項4】
前記スイッチング素子の導通時間と前記補助スイッチング素子の導通時間との和が所定の時間範囲内となるように制御される、請求項１～３のいずれか１項に記載の無線給電装置。
【請求項5】
前記電圧制限コンデンサの容量は、前記共振コンデンサの容量よりも５倍以上大きい、請求項１～４のいずれか１項に記載の無線給電装置。
【請求項6】
前記給電ユニットは、前記伝送コイルと前記共振コンデンサとによる前記共振電圧を検出する第１共振電圧検出回路および第２共振電圧検出回路をさらに含み、
前記第１ターンオン制御回路は、前記第１共振電圧検出回路により検出された前記共振電圧に基づいて、前記スイッチング素子のターンオンの時期を制御し、
前記第２ターンオン制御回路は、前記第２共振電圧検出回路により検出された前記共振電圧に基づいて、前記補助スイッチング素子のターンオンの時期を制御する、請求項１～５のいずれか１項に記載の無線給電装置。
前記第１ターンオン制御回路は、前記第１共振電圧検出回路により検出された前記共振電圧に基づいて、前記スイッチング素子のターンオンの時期を制御し、
前記第２ターンオン制御回路は、前記第２共振電圧検出回路により検出された前記共振電圧に基づいて、前記補助スイッチング素子のターンオンの時期を制御する、請求項１～５のいずれか１項に記載の無線給電装置。
【請求項7】
前記給電ユニットは、前記伝送コイルと前記共振コンデンサとによる前記共振電圧を検出する共振電圧検出回路をさらに含み、
前記第１ターンオン制御回路は、前記共振電圧検出回路により検出された前記共振電圧に基づいて、前記スイッチング素子のゲート信号のターンオンの時期を制御し、
前記第２ターンオン制御回路は、前記スイッチング素子の前記ゲート信号に基づいて、前記補助スイッチング素子のターンオンの時期を制御する、請求項１～５のいずれか１項に記載の無線給電装置。
前記第１ターンオン制御回路は、前記共振電圧検出回路により検出された前記共振電圧に基づいて、前記スイッチング素子のゲート信号のターンオンの時期を制御し、
前記第２ターンオン制御回路は、前記スイッチング素子の前記ゲート信号に基づいて、前記補助スイッチング素子のターンオンの時期を制御する、請求項１～５のいずれか１項に記載の無線給電装置。
【請求項8】
１石式の無線給電システムであって、
給電ユニットと、
前記給電ユニットによって給電される受電ユニットと、
前記給電ユニットを制御する制御部と、を備え、
前記給電ユニットは、
直流電源に直列に接続された第１伝送コイルおよび第１スイッチング素子と、
前記第１伝送コイルと前記第１スイッチング素子とのうちの少なくとも一方に並列接続された第１共振コンデンサと、
前記第１伝送コイルまたは前記第１スイッチング素子に並列接続されるとともに、互いに直列に接続された第１補助スイッチング素子、および、前記第１伝送コイルと前記第１共振コンデンサとによる共振電圧を制限する第１電圧制限コンデンサと、を含み、
前記受電ユニットは、
第２伝送コイルと、
前記第２伝送コイルに並列にまたは直列に接続される第２共振コンデンサおよび整流回路と、
前記整流回路に接続される負荷と、を含み、
前記制御部は、
前記第１伝送コイルと前記第１共振コンデンサとによる共振電圧に基づいて、前記第１スイッチング素子のターンオンの時期を制御する第１ターンオン制御回路と、
前記第１スイッチング素子のゲート信号、または、前記第１伝送コイルと前記第１共振コンデンサとによる前記共振電圧に基づいて、前記第１補助スイッチング素子のターンオンの時期を制御する第２ターンオン制御回路と、を含み、
前記第１スイッチング素子および前記第１補助スイッチング素子が、零電圧スイッチング動作を行うように構成されている、無線給電システム。
給電ユニットと、
前記給電ユニットによって給電される受電ユニットと、
前記給電ユニットを制御する制御部と、を備え、
前記給電ユニットは、
直流電源に直列に接続された第１伝送コイルおよび第１スイッチング素子と、
前記第１伝送コイルと前記第１スイッチング素子とのうちの少なくとも一方に並列接続された第１共振コンデンサと、
前記第１伝送コイルまたは前記第１スイッチング素子に並列接続されるとともに、互いに直列に接続された第１補助スイッチング素子、および、前記第１伝送コイルと前記第１共振コンデンサとによる共振電圧を制限する第１電圧制限コンデンサと、を含み、
前記受電ユニットは、
第２伝送コイルと、
前記第２伝送コイルに並列にまたは直列に接続される第２共振コンデンサおよび整流回路と、
前記整流回路に接続される負荷と、を含み、
前記制御部は、
前記第１伝送コイルと前記第１共振コンデンサとによる共振電圧に基づいて、前記第１スイッチング素子のターンオンの時期を制御する第１ターンオン制御回路と、
前記第１スイッチング素子のゲート信号、または、前記第１伝送コイルと前記第１共振コンデンサとによる前記共振電圧に基づいて、前記第１補助スイッチング素子のターンオンの時期を制御する第２ターンオン制御回路と、を含み、
前記第１スイッチング素子および前記第１補助スイッチング素子が、零電圧スイッチング動作を行うように構成されている、無線給電システム。
【請求項9】
前記受電ユニットは、
前記整流回路として、互いに並列に接続されるスイッチング部と整流素子とを有する第２スイッチング素子をさらに含む、請求項８に記載の無線給電システム。
前記整流回路として、互いに並列に接続されるスイッチング部と整流素子とを有する第２スイッチング素子をさらに含む、請求項８に記載の無線給電システム。
【請求項10】
前記受電ユニットは、
前記第２伝送コイルまたは前記第２スイッチング素子に並列に接続され、互いに直列に接続される第２補助スイッチング素子、および、前記第２伝送コイルと前記第２共振コンデンサとによる共振電圧を制限する第２電圧制限コンデンサをさらに含む、請求項９に記載の無線給電システム。
前記第２伝送コイルまたは前記第２スイッチング素子に並列に接続され、互いに直列に接続される第２補助スイッチング素子、および、前記第２伝送コイルと前記第２共振コンデンサとによる共振電圧を制限する第２電圧制限コンデンサをさらに含む、請求項９に記載の無線給電システム。
【請求項11】
前記第２電圧制限コンデンサの容量は、前記第２共振コンデンサの容量よりも５倍以上大きい、請求項１０に記載の無線給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、無線給電装置および無線給電システムに関する（たとえば、特許文献１、特許文献２および非特許文献１参照）。
【背景技術】
【0002】
従来、電気自動車などのように電動機によって走行する移動車両は、充電のために給電装置と移動車両とを電力ケーブルにより接続する必要があった。このため、充電を行うユーザの手間がかかるという不都合があった。
【0003】
この不都合を解消するために、上記特許文献１では、電力ケーブルを用いることなく、コイルによる磁界の結合を利用して給電を行う双方向非接触給電装置が開示されている。上記特許文献１では、双方向非接触給電装置は、他のコイルと磁界結合する自己のコイルと、自己のコイルに直列に接続されるコンデンサと、インバータとを備えている。インバータは、複数の半導体スイッチング素子をフルブリッジ接続することにより構成されている。
【0004】
しかしながら、上記特許文献１では、インバータが複数の半導体スイッチング素子から構成されているため、双方向非接触給電装置の構成が複雑化（大型化）するという不都合がある。この不都合を解消するために、上記特許文献２では、伝送コイルと、伝送コイルに直列に接続されたスイッチング素子と、伝送コイルに並列に接続された共振コンデンサとを備える１石式（Ｓｉｎｇｌｅ－Ｅｎｄｅｄ）の無線給電装置が開示されている。上記特許文献２では、単一のスイッチング素子により装置が駆動されるので、無線給電装置の構成を簡略化することが可能である。また、上記特許文献２の１石式の無線給電装置では、伝送コイルと共振コンデンサとによる共振電圧が零の際に、スイッチング素子がターンオン（零電圧スイッチング動作）される。
【0005】
ここで、国際規格などにより伝送される電力の周波数が所定の周波数範囲とすることが求められる場合がある。また、ユーザにより、伝送される電力の大きさを可変にすることが望まれる場合がある。しかしながら、上記特許文献２に記載のような従来の１石式の無線給電装置において、伝送される電力の周波数を所定の周波数範囲にしながら、伝送される電力の大きさを変化させる場合、スイッチング素子のターンオンするタイミングを変化させる必要がある。このため、共振電圧が零でない状態でスイッチング素子がターンオンする場合があり、零電圧スイッチング動作ができない場合が生じるという不都合がある。
【0006】
この不都合を解消するために、上記非特許文献１では、インバータに供給される電圧を、ＤＣ－ＤＣコンバータにより変更することにより、伝送される電力の周波数を所定の周波数範囲にしながら、伝送される電力の大きさを変化させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特許第６０３８３８６号公報
【特許文献2】特開２０２０－７８２３２号公報
【非特許文献1】Ｔ． Ｔａｋａｈａｓｈｉ ａｎｄ Ｈ． Ｏｍｏｒｉ，“Ａ Ｎｅｗ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｏｎｅ－Ｓｗｉｔｃｈ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｖ２Ｈ ｗｉｔｈ ａ Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｓｅｌｅｃｔｏｒ ａｎｄ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｈａｎｇｅｒ”ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ ＯＮ ＲＥＮＥＷＡＢＬＥ ＥＮＥＲＧＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＡＮＤ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ（ＩＣＲＥＲＡ）２０１９．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、上記非特許文献１では、伝送される電力の周波数を所定の周波数範囲にしながら、伝送される電力の大きさを変化させるために、ＤＣ－ＤＣコンバータが設けられている。ＤＣ－ＤＣコンバータは、たとえば、スイッチング素子、チョークコイル、コンデンサおよびダイオードなどの比較的多くの素子により構成されている。このため、無線給電装置の構成が複雑で高価になるという問題点がある。
【0009】
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あり、この発明の１つの目的は、装置の構成が複雑で高価になるのを抑制しながら、スイッチング損失が小さい零電圧スイッチングを維持して、伝送される電力の大きさを変化させることが可能な無線給電装置および無線給電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による無線給電装置は、１石式の無線給電装置であって、受電ユニットに給電する給電ユニットと、給電ユニットを制御する制御部と、を備え、給電ユニットは、直流電源に直列に接続された伝送コイルおよびスイッチング素子と、伝送コイルとスイッチング素子とのうちの少なくとも一方に並列接続された共振コンデンサと、伝送コイルまたはスイッチング素子に並列接続されるとともに、互いに直列に接続された補助スイッチング素子、および、伝送コイルと共振コンデンサとによる共振電圧を制限する電圧制限コンデンサと、を含み、制御部は、伝送コイルと共振コンデンサとによる共振電圧に基づいて、スイッチング素子のターンオンの時期を制御する第１ターンオン制御回路と、スイッチング素子のゲート信号、または、伝送コイルと共振コンデンサとによる共振電圧に基づいて、補助スイッチング素子のターンオンの時期を制御する第２ターンオン制御回路と、を含み、スイッチング素子および補助スイッチング素子が、零電圧スイッチング動作を行うように構成されている。
【0011】
この発明の第１の局面による無線給電装置では、上記のように、給電ユニットは、伝送コイルまたはスイッチング素子に並列接続されるとともに、互いに直列に接続された補助スイッチング素子、および、伝送コイルと共振コンデンサとによる共振電圧を制限する電圧制限コンデンサと、を含む。これにより、スイッチング素子の導通時間を変更することにより、伝送される電力の大きさを変化させた場合でも、補助スイッチング素子の導通時間を調整することにより、共振電圧が零になるタイミングを調整することができるので、スイッチング素子の零電圧スイッチング動作を維持することができる。また、給電ユニットに、補助スイッチング素子および電圧制限コンデンサを設けるだけで、スイッチング素子が零電圧スイッチング動作を行いながら、伝送される電力の大きさを変化させることができるので、給電ユニットに比較的多くの素子により構成されているＤＣ－ＤＣコンバータを設けて伝送される電力の大きさを変化させる場合と異なり、無線給電装置の構成が複雑になるのを抑制することができる。その結果、無線給電装置の構成が複雑で高価になるのを抑制しながら、スイッチング損失が小さい零電圧スイッチングを維持して、伝送される電力の大きさを変化させることができる。
【0012】
また、伝送される電力の大きさが変化される範囲内の全ておいて、零電圧スイッチング動作が行われるので、スイッチング素子に電圧が印加された状態でスイッチング素子がスイッチングされることに起因するスイッチング素子の発熱を抑制することができる。これにより、スイッチング素子を冷却する冷却機構の構成を簡略化（小型化）することができる。
【0013】
この発明の第２の局面による無線給電システムは、１石式の無線給電システムであって、給電ユニットと、給電ユニットによって給電される受電ユニットと、給電ユニットを制御する制御部と、を備え、給電ユニットは、直流電源に直列に接続された第１伝送コイルおよび第１スイッチング素子と、第１伝送コイルと第１スイッチング素子とのうちの少なくとも一方に並列接続された第１共振コンデンサと、第１伝送コイルまたは第１スイッチング素子に並列接続されるとともに、互いに直列に接続された第１補助スイッチング素子、および、第１伝送コイルと第１共振コンデンサとによる共振電圧を制限する第１電圧制限コンデンサと、を含み、受電ユニットは、第２伝送コイルと、第２伝送コイルに並列にまたは直列に接続される第２共振コンデンサおよび整流回路と、整流回路に接続される負荷と、を含み、制御部は、第１伝送コイルと第１共振コンデンサとによる共振電圧に基づいて、第１スイッチング素子のターンオンの時期を制御する第１ターンオン制御回路と、第１スイッチング素子のゲート信号、または、第１伝送コイルと第１共振コンデンサとによる共振電圧に基づいて、第１補助スイッチング素子のターンオンの時期を制御する第２ターンオン制御回路と、を含み、第１スイッチング素子および第１補助スイッチング素子が、零電圧スイッチング動作を行うように構成されている。
【0014】
この発明の第２の局面による無線給電システムでは、上記のように、給電ユニットは、第１伝送コイルまたは第１スイッチング素子に並列接続されるとともに、互いに直列に接続された第１補助スイッチング素子、および、第１伝送コイルと第１共振コンデンサとによる共振電圧を制限する第１電圧制限コンデンサと、を含む。これにより、第１スイッチング素子の導通時間を変更することにより、伝送される電力の大きさを変化させた場合でも、第１補助スイッチング素子の導通時間を調整することにより、共振電圧が零になるタイミングを調整することができるので、第１スイッチング素子の零電圧スイッチング動作を維持することができる。また、給電ユニットに、第１補助スイッチング素子および第１電圧制限コンデンサを設けるだけで、第１スイッチング素子が零電圧スイッチング動作を行いながら、伝送される電力の大きさを変化させることができるので、給電ユニットに比較的多くの素子により構成されているＤＣ－ＤＣコンバータを設けて伝送される電力の大きさを変化させる場合と異なり、無線給電システムの構成が複雑になるのを抑制することができる。その結果、無線給電システムの構成が複雑で高価になるのを抑制しながら、スイッチング損失が小さい零電圧スイッチングを維持して、伝送される電力の大きさを変化させることが可能な無線給電システムを提供することができる。
【0015】
また、伝送される電力の大きさが変化される範囲内の全ておいて、零電圧スイッチング動作が行われるので、スイッチング素子に電圧が印加された状態でスイッチング素子がスイッチングされることに起因するスイッチング素子の発熱を抑制することができる。これにより、スイッチング素子を冷却する冷却機構の構成を簡略化（小型化、低騒音化）することが可能な無線給電システムを提供することができる。
【0016】
また、第２局面の構成では、受電ユニットで第２伝送コイルと第２共振コンデンサとによる共振動作が行われるので、磁気結合における共振作用により伝送電力を増大することができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、上記のように、装置の構成が複雑で高価になるのを抑制しながら、スイッチング損失が小さい零電圧スイッチングを維持して、伝送される電力の大きさを変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】第１実施形態による無線給電システム（無線給電装置）の構成を示すブロック図である。
【図2】第１実施形態による整流回路の構成を示す回路図である。
【図3】第１実施形態による負荷の構成を示す回路図である。
【図4】第１実施形態による無線給電システムの制御のタイミングチャートを示す図である。
【図5】第１実施形態による無線給電システムの、スイッチング素子の導通時間に対する、伝送される電力と周波数と補助スイッチング素子の導通時間との関係を示す図である。
【図6】第２実施形態による無線給電システムの構成を示すブロック図である。
【図7】第２実施形態による無線給電システムの制御のタイミングチャートを示す図である。
【図8】第３実施形態による無線給電システムの構成を示すブロック図である。
【図9】第４実施形態による無線給電システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、本発明を具体化した本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0020】
【0021】
無線給電システム１００は、１石式（Ｓｉｎｇｌｅ－Ｅｎｄｅｄ）の無線給電システムである。無線給電システム１００は、給電ユニット１０と、給電ユニット１０によって給電される受電ユニット２０とを備えている。また、無線給電システム１００は、給電ユニット１０を制御する制御部３０を備えている。なお、給電ユニット１０および制御部３０によって、無線給電装置１が構成されている。
【0022】
給電ユニット１０は、直流電源Ｅに直列に接続された伝送コイルＬ１およびスイッチング素子ＳＷを備えている。直流電源Ｅは、たとえば、家庭に設置された蓄電池である。なお、伝送コイルＬ１およびスイッチング素子ＳＷは、それぞれ、特許請求の範囲の「第１伝送コイル」および「第１スイッチング素子」の一例である。
【0023】
スイッチング素子ＳＷは、トランジスタＱと、トランジスタＱに逆並列に接続されたダイオードＤとを含む。トランジスタＱは、たとえば、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ－ｏｘｉｄｅ－ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ－ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。また、トランジスタＱは、ＭＯＳＦＥＴ以外の自己ターンオフ型のスイッチング素子（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒなど）から構成されていてもよい。
【0024】
また、給電ユニット１０は、伝送コイルＬ１とスイッチング素子ＳＷとのうちの少なくとも一方（第１実施形態では、伝送コイルＬ１）に並列接続された共振コンデンサＣ１を備えている。共振コンデンサＣ１は、たとえば、フィルムコンデンサから構成されている。なお、共振コンデンサＣ１をセラミックコンデンサから構成してもよい。また、共振コンデンサＣ１は、特許請求の範囲の「第１共振コンデンサ」の一例である。
【0025】
ここで、第１実施形態では、給電ユニット１０は、伝送コイルＬ１またはスイッチング素子ＳＷ（第１実施形態では、伝送コイルＬ１）に並列接続されるとともに、互いに直列に接続された補助スイッチング素子ＳＷＳ、および、伝送コイルＬ１と共振コンデンサＣ１とによる共振電圧を制限する電圧制限コンデンサＣＳと、を備える。なお、電圧制限コンデンサＣＳは、特許請求の範囲の「第１電圧制限コンデンサ」の一例である。また、補助スイッチング素子ＳＷＳは、特許請求の範囲の「第１補助スイッチング素子」の一例である。
【0026】
補助スイッチング素子ＳＷＳは、トランジスタＱＳと、トランジスタＱＳに逆並列に接続されたダイオードＤＳとを含む。トランジスタＱＳは、たとえば、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴである。また、トランジスタＱＳは、ＭＯＳＦＥＴ以外の自己ターンオフ型のスイッチング素子（ＩＧＢＴなど）から構成されていてもよい。
【0027】
また、第１実施形態では、電圧制限コンデンサＣＳの容量は、共振コンデンサＣ１の容量よりも５倍以上大きい。たとえば、共振コンデンサＣ１の容量は、０．１μＦである。また、電圧制限コンデンサＣＳの容量は、たとえば、０．５μＦ以上５μＦ以下である。経験則により、電圧制限コンデンサＣＳの容量が共振コンデンサＣ１の容量の５倍以上あればクランプ時に必要十分な電圧の安定性を得ることができる。
【0028】
また、給電ユニット１０において、直流電源Ｅの正側と、電圧制限コンデンサＣＳの正側と、共振コンデンサＣ１の正側と、伝送コイルＬ１の正側とが互いに電気的に接続されている。また、電圧制限コンデンサＣＳの負側と、補助スイッチング素子ＳＷＳのトランジスタＱＳのドレイン（ダイオードＤＳのカソード）とが互いに電気的に接続されている。補助スイッチング素子ＳＷＳのトランジスタＱＳのソース（ダイオードＤＳのアノード）と、共振コンデンサＣ１の負側と、伝送コイルＬ１の負側と、スイッチング素子ＳＷのトランジスタＱのドレイン（ダイオードＤのカソード）とが互いに電気的に接続されている。また、スイッチング素子ＳＷのトランジスタＱのソース（ダイオードＤのアノード）と、直流電源Ｅの負側とが互いに電気的に接続されている。
【0029】
また、第１実施形態では、給電ユニット１０は、給電ユニット１０を制御する制御部３０を備えている。制御部３０は、ターンオン制御回路３１とターンオン制御回路３２とを含む。なお、ターンオン制御回路３１およびターンオン制御回路３２は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１ターンオン制御回路」および「第２ターンオン制御回路」の一例である。
【0030】
第１実施形態では、ターンオン制御回路３１は、伝送コイルＬ１と共振コンデンサＣ１とによる共振電圧に基づいて、スイッチング素子ＳＷのターンオンの時期を制御する。具体的には、ターンオン制御回路３１は、共振電圧検出回路３１ａと、周期同期回路３１ｂとを含む。共振電圧検出回路３１ａは、伝送コイルＬ１（共振コンデンサＣ１）の両端の電圧ＶＬｉを測定することにより、伝送コイルＬ１と共振コンデンサＣ１とによる共振電圧を検出する。周期同期回路３１ｂは、共振電圧検出回路３１ａにより検出された共振電圧に基づいて、スイッチング素子ＳＷのターンオンの時期を制御する。具体的には、周期同期回路３１ｂは、スイッチング素子ＳＷが零電圧スイッチング動作を行うように、共振電圧に同期して、スイッチング素子ＳＷのターンオンを制御する。なお、共振電圧検出回路３１ａは、特許請求の範囲の「第１共振電圧検出回路」の一例である。
【0031】
また、第１実施形態では、ターンオン制御回路３２は、伝送コイルＬ１と共振コンデンサＣ１とによる共振電圧に基づいて、補助スイッチング素子ＳＷＳのターンオンの時期を制御する。具体的には、ターンオン制御回路３２は、共振電圧検出回路３２ａと、周期同期回路３２ｂとを含む。共振電圧検出回路３２ａは、伝送コイルＬ１（共振コンデンサＣ１）の両端の電圧ＶＬｉを測定することにより、伝送コイルＬ１と共振コンデンサＣ１とによる共振電圧を検出する。周期同期回路３２ｂは、共振電圧検出回路３２ａにより検出された共振電圧に基づいて、補助スイッチング素子ＳＷＳのターンオンの時期を制御する。具体的には、周期同期回路３２ｂは、補助スイッチング素子ＳＷＳが零電圧スイッチング動作を行うように、共振電圧に同期して、補助スイッチング素子ＳＷＳのターンオンを制御する。なお、共振電圧検出回路３２ａは、特許請求の範囲の「第２共振電圧検出回路」の一例である。
【0032】
また、第１実施形態では、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮと、補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳとは、伝送コイルＬ１から伝送される電力の周波数が所定の周波数範囲内となるように制御される。第１実施形態では、周波数範囲は、８０ｋＨｚ以上９０ｋＨｚ以下である。
【0033】
また、第１実施形態では、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮと補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳとの和が所定の時間範囲内となるように制御される。ここで、伝送される電力（交流）の１周期は、おおよそ、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮと、補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳと、共振電圧が変化（増加または減少）する時間との和によって表される。また、共振電圧が変化する時間は、伝送コイルＬ１のインダクタンスＬと共振コンデンサＣ１の容量Ｃとの積の１／２乗（√ＬＣ）で決まる値であり、略一定である。そこで、伝送される電力の１周期の逆数である周波数を８０ｋＨｚ以上９０ｋＨｚ以下にするように、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮと補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳとの和が所定の時間範囲内となるように制御される。
【0034】
また、第１実施形態では、受電ユニット２０は、伝送コイルＬ２と、伝送コイルＬ２に並列にまたは直列に（第１実施形態では、並列に）接続される共振コンデンサＣ２および整流回路２１（ＣＲ）と、整流回路２１に接続される負荷２２（Ｌｄ）とを含む。整流回路２１は、たとえば、図２の（ａ）に示すように、１つのダイオードＤ１により構成される半波整流回路である。また、整流回路２１は、たとえば、図２の（ｂ）に示すように、４つのダイオードＤ１により構成される全波整流回路でもよい。また、整流回路２１は、たとえば、図２の（ｃ）に示すように、２つのダイオードＤ１と、１つのコンデンサＣ３により構成される倍電圧整流回路でもよい。なお、伝送コイルＬ２は、特許請求の範囲の「第２伝送コイル」の一例である。また、共振コンデンサＣ２は、特許請求の範囲の「第２共振コンデンサ」の一例である。
【0035】
また、図３（ａ）に示すように、負荷２２は、たとえば、抵抗Ｒである。また、負荷２２は、図３（ｂ）に示すように、抵抗ＲとコンデンサＣ４とが並列に接続された回路でもよい。また、負荷２２は、図３（ｃ）に示すように、蓄電池Ｅ１でもよい。
【0036】
（無線給電装置の動作）
次に、図４を参照して、無線給電装置１の動作について説明する。図４（ａ）は、スイッチング素子ＳＷの両端電圧ＶＳＷの波形である。図４（ｂ）は、スイッチング素子ＳＷを流れる電流ｉＳＷの波形である。図４（ｃ）は、補助スイッチング素子ＳＷＳを流れる電流ｉＳＷＳの波形である。図４（ｄ）は、補助スイッチング素子ＳＷＳの両端電圧ＶＳＷＳの波形である。図４（ｅ）は、伝送コイルＬ１を流れる電流ｉＬ１の波形である。図４（ｆ）は、共振コンデンサＣ１を流れる電流ｉＣ１の波形である。図４（ｇ）は、伝送コイルＬ１の両端電圧ＶＬ１の波形である。図４（ｈ）は、補助スイッチング素子ＳＷＳのゲート電圧Ｖｇｓの波形である。図４（ｉ）は、スイッチング素子ＳＷのゲート電圧Ｖｇの波形である。
次に、図４を参照して、無線給電装置１の動作について説明する。図４（ａ）は、スイッチング素子ＳＷの両端電圧ＶＳＷの波形である。図４（ｂ）は、スイッチング素子ＳＷを流れる電流ｉＳＷの波形である。図４（ｃ）は、補助スイッチング素子ＳＷＳを流れる電流ｉＳＷＳの波形である。図４（ｄ）は、補助スイッチング素子ＳＷＳの両端電圧ＶＳＷＳの波形である。図４（ｅ）は、伝送コイルＬ１を流れる電流ｉＬ１の波形である。図４（ｆ）は、共振コンデンサＣ１を流れる電流ｉＣ１の波形である。図４（ｇ）は、伝送コイルＬ１の両端電圧ＶＬ１の波形である。図４（ｈ）は、補助スイッチング素子ＳＷＳのゲート電圧Ｖｇｓの波形である。図４（ｉ）は、スイッチング素子ＳＷのゲート電圧Ｖｇの波形である。
【0037】
時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間では、スイッチング素子ＳＷおよび補助スイッチング素子ＳＷＳが共にオフ状態である。スイッチング素子ＳＷの両端電圧ＶＳＷは、伝送コイルＬ１および共振コンデンサＣ１の共振により徐々に増加する。また、共振コンデンサＣ１に正方向の電流ｉＣ１が流れる。
【0038】
時刻ｔ３において、補助スイッチング素子ＳＷＳを構成するダイオードＤＳが自動的に導通し、補助スイッチング素子ＳＷＳが導通状態になる。これにより、補助スイッチング素子ＳＷＳを流れる電流ｉＳＷＳが負の方向に流れる。また、電圧制限コンデンサＣＳの容量が、共振コンデンサＣ１の容量よりも十分に大きいので、スイッチング素子ＳＷの両端電圧ＶＳＷ（伝送コイルＬ１の両端電圧ＶＬ１）は、略一定になる（クランプされる）。
【0039】
また、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間において、共振電圧検出回路３２ａが伝送コイルＬ１の両端電圧ＶＬ１のゼロクロス点（時刻ｔ２）を検出すると、ゼロクロス点（時刻ｔ２）に基づいて、時刻ｔ４において、補助スイッチング素子ＳＷＳのゲート電圧Ｖｇｓを、ＬレベルからＨレベルに切り替えて、補助スイッチング素子ＳＷＳを構成するトランジスタＱＳを導通させる。つまり、周期同期回路３２ｂは、補助スイッチング素子ＳＷＳが零電圧スイッチング動作を行うように補助スイッチング素子ＳＷＳをターンオンさせる。これにより、補助スイッチング素子ＳＷＳを流れる電流ｉＳＷＳが負から正に転流したときにスムーズに正方向の電流に切り替わる。
【0040】
なお、補助スイッチング素子ＳＷＳを零電圧スイッチング動作させるために、時刻ｔ３において補助スイッチング素子ＳＷＳをターンオンさせてもよい。一方、時刻ｔ３は、負荷２２の状態によってずれる可能性があるので、第１実施形態では、時刻ｔ３よりもから若干時間が経過した時刻ｔ４で補助スイッチング素子ＳＷＳをターンオンさせている。
【0041】
また、補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳの間では、補助スイッチング素子ＳＷＳに流れる電流ｉＳＷＳは、直線的に増加する。電流ｉＳＷＳが負から正に転流すると、逆並列に接続されているダイオードＤＳに流れていた電流がスムーズにトランジスタＱＳに流れるので、補助スイッチング素子ＳＷＳの導通状態は継続する。
【0042】
次に、時刻ｔ５において、ターンオン制御回路３２（周期同期回路３２ｂ）は、補助スイッチング素子ＳＷＳのゲート電圧Ｖｇｓを、ＨレベルからＬレベルに切り替えて、補助スイッチング素子ＳＷＳを構成するトランジスタＱＳをオフさせる。これにより、補助スイッチング素子ＳＷＳがターンオフ状態となり、補助スイッチング素子ＳＷＳの両端電圧ＶＳＷＳが徐々に増加する。一方、スイッチング素子ＳＷの両端電圧ＶＳＷは徐々に低下するとともに、伝送コイルＬ１の両端電圧ＶＬ１（共振電圧）は、徐々に増加する。
【0043】
なお、補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳは、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮに基づいて予め設定されている。具体的には、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮは、伝送コイルＬ１から伝送される電力の大きさに対応させて予め設定される。また、上記のように共振電圧が変化する時間（一定でない時間）は、伝送コイルＬ１のインダクタンスＬと共振コンデンサＣ１の容量Ｃとの積の１／２乗（√ＬＣ）で決まる値であり、略一定である。そして、伝送コイルＬ１から伝送される電力の周波数が所定の周波数範囲（８０ｋＨｚ以上９０ｋＨｚ以下）内となるように、補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳが予め設定される。
【0044】
スイッチング素子ＳＷの両端電圧ＶＳＷが徐々に低下して、時刻ｔ７において、スイッチング素子ＳＷを構成するダイオードＤが自動的に導通し、スイッチング素子ＳＷが導通状態になる。これにより、スイッチング素子ＳＷを流れる電流ｉＳＷが負の方向に流れる。
【0045】
また、伝送コイルＬ１の両端電圧ＶＬ１（共振電圧）が徐々に増加し、共振電圧検出回路３１ａが伝送コイルＬ１の両端電圧ＶＬ１のゼロクロス点（時刻ｔ６）を検出すると、ゼロクロス点（時刻ｔ６）に基づいて、時刻ｔ８において、スイッチング素子ＳＷのゲート電圧Ｖｇを、ＬレベルからＨレベルに切り替えて、スイッチング素子ＳＷを構成するトランジスタＱを導通させる。つまり、周期同期回路３１ｂは、スイッチング素子ＳＷが零電圧スイッチング動作を行うようにスイッチング素子ＳＷをターンオンさせる。これにより、スイッチング素子ＳＷを流れる電流ｉＳＷが負から正に転流したときにスムーズに正方向の電流に切り替わる。
【0046】
なお、スイッチング素子ＳＷを零電圧スイッチング動作させるために、時刻ｔ７においてスイッチング素子ＳＷをターンオンさせてもよい。一方、時刻ｔ７は、負荷２２の状態によってずれる可能性があるので、第１実施形態では、時刻ｔ７よりもから若干時間が経過した時刻ｔ８でスイッチング素子ＳＷをターンオンさせている。
【0047】
また、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮの間では、スイッチング素子ＳＷに流れる電流ｉＳＷは、直線的に増加する。電流ｉＳＷが負から正に転流すると、ダイオードＤに流れていた電流がスムーズにトランジスタＱに流れるので、スイッチング素子ＳＷの導通状態は継続する。
【0048】
次に、時刻ｔ９において、ターンオン制御回路３１（周期同期回路３１ｂ）は、スイッチング素子ＳＷのゲート電圧Ｖｇを、ＨレベルからＬレベルに切り替えて、補助スイッチング素子ＳＷＳを構成するトランジスタＱをオフさせる。これにより、スイッチング素子ＳＷがターンオフして、伝送コイルＬ１に蓄えられていた電流ｉＬ１が共振コンデンサＣ１に流れ込み、伝送コイルＬ１と共振コンデンサＣ１とが共振状態となる。つまり、伝送コイルＬ１の両端電圧ＶＬ１（共振電圧）は、負の方向に徐々に増加する。また、スイッチング素子ＳＷの両端電圧ＶＳＷは、正の方向に徐々に増加する。
【0049】
上記の動作により、時刻ｔ１から時刻ｔ９に亘って、伝送コイルＬ１に正弦波状の電流ｉＬ１が流れることにより、給電ユニット１０の伝送コイルＬ１から受電ユニット２０の伝送コイルＬ２に電力が供給される。
【0050】
次に、図５を参照して、第１実施形態の無線給電装置１の動作特性について説明する。
【0051】
無線給電装置１では、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮの長さを大きくすることにより、伝送コイルＬ１から伝送される電力（図５のＰ）が増加する。また、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮの長さを大きくするほど、補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳの長さを小さくする。すなわち、導通時間ＴＯＮと導通時間ＴＳとの和が所定の時間範囲内（略一定値）となるように、導通時間ＴＯＮの長さと導通時間ＴＳの長さとを調整する。これにより、スイッチング素子ＳＷと補助スイッチング素子ＳＷＳとが共に零電圧スイッチング動作を行いながら、伝送コイルＬ１から伝送される電力Ｐの周波数（図５のｆ）を略一定（８０ｋＨｚ以上９０ｋＨｚ以下の周波数範囲内）にした状態で、伝送される電力Ｐを増加（または減少）させることができる。また、伝送コイルＬ１から伝送される電力を一定に維持して、導通時間ＴＯＮの長さと導通時間ＴＳの長さとを調整することにより、スイッチング素子ＳＷと補助スイッチング素子ＳＷＳとが共に零電圧スイッチング動作を行いながら、伝送コイルＬ１から伝送される周波数を変化させることが可能になる。これにより、受電ユニット２０の特性に合わせて給電ユニット１０の動作周波数を調整することが可能になる。すなわち、受電ユニット２０に対する給電ユニット１０の互換性を向上させることが可能になる。また、動作周波数のピークをシフトすることで、輻射ノイズ対策の実施や、動作周波数を低下させることで無線給電装置からの発熱を低減することが可能になる。
【0052】
つまり、無線給電装置１は、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮと、補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳとの２つの制御自由度を有する。このため、無線給電装置１は、伝送コイルＬ１から伝送される電力の周波数と、伝送コイルＬ１から伝送される電力の大きさとを独立して制御することが可能になる。
【0053】
［第１実施形態の効果］
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【0054】
第１実施形態では、上記のように、給電ユニット１０は、伝送コイルＬ１またはスイッチング素子ＳＷに並列接続されるとともに、互いに直列に接続された補助スイッチング素子ＳＷＳ、および、伝送コイルＬ１と共振コンデンサＣ１とによる共振電圧を制限する電圧制限コンデンサＣＳと、を含む。これにより、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮを変更することにより、伝送される電力の大きさを変化させた場合でも、補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳを調整することにより、共振電圧が零になるタイミングを調整することができるので、スイッチング素子ＳＷの零電圧スイッチング動作を維持することができる。また、給電ユニット１０に、補助スイッチング素子ＳＷＳおよび電圧制限コンデンサＣＳを設けるだけで、スイッチング素子ＳＷが零電圧スイッチング動作を行いながら、伝送される電力の大きさを変化させることができるので、給電ユニット１０に比較的多くの素子により構成されているＤＣ－ＤＣコンバータを設けて伝送される電力の大きさを変化させる場合と異なり、無線給電装置１の構成が複雑になるのを抑制することができる。その結果、無線給電装置１の構成が複雑で高価になるのを抑制しながら、スイッチング損失が小さい零電圧スイッチングを維持して、伝送される電力の大きさを変化させることができる。
【0055】
また、伝送される電力の大きさが変化される範囲内の全ておいて、零電圧スイッチング動作が行われるので、スイッチング素子ＳＷに電圧が印加された状態でスイッチング素子ＳＷがスイッチングされることに起因するスイッチング素子ＳＷの発熱を抑制することができる。これにより、スイッチング素子ＳＷを冷却する冷却機構の構成を簡略化（小型化）することができる。
【0056】
また、第１実施形態では、上記のように、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮと、補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳとは、伝送コイルＬ１から伝送される電力の周波数が所定の周波数範囲内となるように制御される。これにより、伝送コイルＬ１から伝送される電力の周波数を所定の周波数範囲内に制限しながら、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮと補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳとを調整することにより、伝送される電力の大きさを変化させることができる。
【0057】
また、第１実施形態では、上記のように、周波数範囲は、８０ｋＨｚ以上９０ｋＨｚ以下である。これにより、電波法によって伝送される電力の周波数が８０ｋＨｚ以上９０ｋＨｚ以下に制限されている電気自動車用無線充電装置などに適用することができる。
【0058】
また、第１実施形態では、上記のように、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮと補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳとの和が所定の時間範囲内となるように制御される。ここで、伝送される電力（交流）の１周期は、おおよそ、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮと、補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳと、共振電圧が変化（増加、または、減少）する時間との和によって表され、共振電圧が変化する時間は、略一定であるので、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮと補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳとの和が所定の時間範囲内となるように制御することによって、伝送される電力（交流）の周期（周波数）を略一定にすることができる。
【0059】
また、第１実施形態では、上記のように、電圧制限コンデンサＣＳの容量は、共振コンデンサＣ１の容量よりも５倍以上大きい。これにより、伝送コイルＬ１と共振コンデンサＣ１とによる共振電圧が上昇している場合に、補助スイッチング素子ＳＷＳをオンさせることにより、共振電圧が容量の大きい電圧制限コンデンサＣＳの電圧と略同じ電圧に固定（クランプ）される。その結果、スイッチング素子ＳＷなどに比較的高い共振電圧のピーク電圧が印加されるのが抑制されるので、スイッチング素子ＳＷなどに対して低耐圧の素子を選択することができる。
【0060】
また、第１実施形態では、上記のように、給電ユニット１０は、伝送コイルＬ１と共振コンデンサＣ１とによる共振電圧を検出する共振電圧検出回路３１ａおよび共振電圧検出回路３２ａを含み、ターンオン制御回路３１は、共振電圧検出回路３１ａにより検出された共振電圧に基づいて、スイッチング素子ＳＷのターンオンの時期を制御し、ターンオン制御回路３２は、共振電圧検出回路３２ａにより検出された共振電圧に基づいて、補助スイッチング素子ＳＷＳのターンオンの時期を制御する。これにより、共振電圧検出回路３１ａおよび共振電圧検出回路３２ａにより共振電圧のゼロクロス点（共振電圧の大きさが零になる時点）を確実に検出することができるので、スイッチング素子ＳＷおよび補助スイッチング素子ＳＷＳが、共振電圧が零の状態で確実にターンオンする（確実に零電圧スイッチング動作を行う）ことができる。
【0061】
また、第１実施形態では、上記のように、受電ユニット２０で伝送コイルＬ２と共振コンデンサＣ２とによる共振動作が行われるので、磁気結合における共振作用により伝送電力を増大することができる。
【0062】
［第２実施形態］
図６を参照して、第２実施形態による無線給電システム２００の構成について説明する。無線給電システム２００では、２つの共振電圧検出回路３１ａおよび共振電圧検出回路３２ａが設けられていた上記第１実施形態と異なり、制御部２３０に共振電圧検出回路２３１ａが１つ設けられている。
図６を参照して、第２実施形態による無線給電システム２００の構成について説明する。無線給電システム２００では、２つの共振電圧検出回路３１ａおよび共振電圧検出回路３２ａが設けられていた上記第１実施形態と異なり、制御部２３０に共振電圧検出回路２３１ａが１つ設けられている。
【0063】
無線給電システム２００では、上記第１実施形態と同様に、ターンオン制御回路２３１は、共振電圧検出回路２３１ａにより検出された共振電圧に基づいて、スイッチング素子ＳＷのターンオンの時期を制御する。そして、ターンオン制御回路２３２は、共振電圧検出回路２３１ａにより検出された共振電圧に基づいてターンオンするスイッチング素子ＳＷのゲート信号（ゲート電圧Ｖｇ）に基づいて、補助スイッチング素子ＳＷＳのターンオンの時期を制御する。なお、ターンオン制御回路２３１およびターンオン制御回路２３２は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１ターンオン制御回路」および「第２ターンオン制御回路」の一例である。
【0064】
具体的には、図７に示すように、補助スイッチング素子ＳＷＳがターンオフ状態となり、伝送コイルＬ１の両端電圧ＶＬ１（共振電圧）が徐々に増加し、共振電圧検出回路２３１ａが伝送コイルＬ１の両端電圧ＶＬ１のゼロクロス点（時刻ｔ１１）を検出する。そして、共振電圧検出回路３１ａは、ゼロクロス点（時刻ｔ１１）に基づいて、時刻ｔ１２において、スイッチング素子ＳＷのゲート電圧Ｖｇを、ＬレベルからＨレベルに切り替える。そして、ターンオン制御回路２３２の周期同期回路２３２ｂは、スイッチング素子ＳＷのゲート電圧ＶｇがＨレベルからＬレベルに切り替えられた時刻ｔ１３から、予め設定された時間経過後、時刻ｔ１４において、補助スイッチング素子ＳＷＳのゲート電圧Ｖｇｓを、ＬレベルからＨレベルに切り替える。これにより、補助スイッチング素子ＳＷＳがターンオンされる。
【0065】
なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【0066】
［第２実施形態の効果］
第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【0067】
第２実施形態では、上記のように、給電ユニット１０は、伝送コイルＬ１と共振コンデンサＣ１とによる共振電圧を検出する共振電圧検出回路２３１ａを含み、ターンオン制御回路２３１は、共振電圧検出回路２３１ａにより検出された共振電圧に基づいて、スイッチング素子ＳＷのターンオンの時期を制御し、ターンオン制御回路２３２はスイッチング素子ＳＷのゲート信号に基づいて、補助スイッチング素子ＳＷＳのターンオンの時期を制御する。これにより、１つの共振電圧検出回路２３１ａにより検出された共振電圧に基づいてスイッチング素子ＳＷおよび補助スイッチング素子ＳＷＳの両方のターンオンの時期を制御することができるので、無線給電装置１の構成を簡略化（小型化）することができる。
【0068】
［第３実施形態］
図８を参照して、第３実施形態による無線給電システム３００の構成について説明する。無線給電システム３００は、給電ユニット１０と受電ユニット３２０との間で双方向に給電が可能な双方向無線給電システムである。
図８を参照して、第３実施形態による無線給電システム３００の構成について説明する。無線給電システム３００は、給電ユニット１０と受電ユニット３２０との間で双方向に給電が可能な双方向無線給電システムである。
【0069】
無線給電システム３００では、給電ユニット１０の構成は、上記第１実施形態（または、第２実施形態）と同様である。
【0070】
ここで、第３実施形態では、受電ユニット３２０は、整流回路として、互いに並列に接続されるトランジスタＱ２とダイオードＤ２とを有するスイッチング素子ＳＷ２を含む。なお、ダイオードＤ２は、トランジスタＱ２に逆並列に接続されている。トランジスタＱ２は、たとえば、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴである。また、トランジスタＱ２は、ＭＯＳＦＥＴ以外の自己ターンオフ型のスイッチング素子（ＩＧＢＴなど）から構成されていてもよい。また、スイッチング素子ＳＷ２の電流容量は、スイッチング素子ＳＷの電流容量と同等である。なお、トランジスタＱ２は、特許請求の範囲の「スイッチング部」の一例である。また、ダイオードＤ２は、特許請求の範囲の「整流素子」の一例である。また、スイッチング素子ＳＷ２は、特許請求の範囲の「第２スイッチング素子」の一例である。
【0071】
受電ユニット３２０において、伝送コイルＬ２の正側と、共振コンデンサＣ２の正側と、負荷２２の正側とが互いに電気的に接続されている。また、伝送コイルＬ２の負側と、共振コンデンサＣ２の負側と、トランジスタＱ２のドレイン（ダイオードＤ２のカソード）とが互いに電気的に接続されている。また、トランジスタＱ２のソース（ダイオードＤ２のアノード）と、負荷２２の負側とが互いに電気的に接続されている。
【0072】
また、受電ユニット３２０には、図示しないターンオン制御回路が設けられている。そして、ターンオン制御回路が、伝送コイルＬ２と共振コンデンサＣ２とによる共振電圧に基づいて、スイッチング素子ＳＷ２のターンオンの時期を制御することにより、スイッチング素子ＳＷ２は、零電圧スイッチング動作を行うように構成されている。
【0073】
なお、第３実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態（または、第２実施形態）と同様である。
【0074】
［第３実施形態の効果］
第３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【0075】
第３実施形態では、上記のように、受電ユニット３２０は、整流回路として、互いに並列に接続されるトランジスタＱ２とダイオードＤ２とを有するスイッチング素子ＳＷ２を含む。これにより、スイッチング素子ＳＷ２のオンオフを制御することにより、受電ユニット３２０から給電ユニット１０に電力を伝送することができる。すなわち、無線給電システム３００を双方無線給電システムとして構成することができる。
【0076】
［第４実施形態］
図９を参照して、第４実施形態による無線給電システム４００の構成について説明する。無線給電システム４００は、上記第３実施形態の無線給電システム３００に対して、補助スイッチング素子ＳＷＳ２と電圧制限コンデンサＣＳ２とが付加されている。また、無線給電システム４００は、給電ユニット１０と受電ユニット４２０との間で双方向に給電が可能な双方向無線給電システムである。なお、電圧制限コンデンサＣＳ２は、特許請求の範囲の「第２電圧制限コンデンサ」の一例である。また、補助スイッチング素子ＳＷＳ２は、特許請求の範囲の「第２補助スイッチング素子」の一例である。
図９を参照して、第４実施形態による無線給電システム４００の構成について説明する。無線給電システム４００は、上記第３実施形態の無線給電システム３００に対して、補助スイッチング素子ＳＷＳ２と電圧制限コンデンサＣＳ２とが付加されている。また、無線給電システム４００は、給電ユニット１０と受電ユニット４２０との間で双方向に給電が可能な双方向無線給電システムである。なお、電圧制限コンデンサＣＳ２は、特許請求の範囲の「第２電圧制限コンデンサ」の一例である。また、補助スイッチング素子ＳＷＳ２は、特許請求の範囲の「第２補助スイッチング素子」の一例である。
【0077】
無線給電システム４００では、給電ユニット１０の構成は、上記第１～第３実施形態と同様である。
【0078】
ここで、第４実施形態では、受電ユニット４２０は、伝送コイルＬ２またはスイッチング素子ＳＷ２（第４実施形態では、伝送コイルＬ２）に並列に接続され、互いに直列に接続される補助スイッチング素子ＳＷＳ２、および、伝送コイルＬ２と共振コンデンサＣ２とによる共振電圧を制限する電圧制限コンデンサＣＳ２を含む。
【0079】
補助スイッチング素子ＳＷＳ２は、トランジスタＱＳ２と、トランジスタＱＳ２に逆並列に接続されたダイオードＤＳ２とを含む。トランジスタＱＳ２は、たとえば、Ｎ型のＭＯＳＦＥＴである。また、トランジスタＱＳ２は、ＭＯＳＦＥＴ以外の自己ターンオフ型のスイッチング素子（ＩＧＢＴなど）から構成されていてもよい。
【0080】
また、第４実施形態では、電圧制限コンデンサＣＳ２の容量は、共振コンデンサＣ２の容量よりも５倍以上大きい。たとえば、共振コンデンサＣ２の容量は、０．１μＦである。また、電圧制限コンデンサＣＳ２の容量は、たとえば、０．５μＦ以上５μＦ以下である。
【0081】
受電ユニット４２０において、伝送コイルＬ２の正側と、共振コンデンサＣ２の正側と、電圧制限コンデンサＣＳ２の正側と、負荷２２の正側とが互いに電気的に接続されている。また、電圧制限コンデンサＣＳ２の負側と、補助スイッチング素子ＳＷＳ２のトランジスタＱＳ２のドレイン（ダイオードＤＳ２のカソード）とが互いに電気的に接続されている。また、伝送コイルＬ２の負側と、共振コンデンサＣ２の負側と、補助スイッチング素子ＳＷＳ２のトランジスタＱＳ２のソース（ダイオードＤＳ２のアノード）と、トランジスタＱ２のドレイン（ダイオードＤ２のカソード）とが互いに電気的に接続されている。また、トランジスタＱ２のソース（ダイオードＤ２のアノード）と、負荷２２の負側とが互いに電気的に接続されている。
【0082】
また、受電ユニット４２０には、上記第１実施形態（または、第２実施形態）と同様に、図示しないターンオン制御回路３１とターンオン制御回路３２とが設けられている。そして、ターンオン制御回路３１が、伝送コイルＬ２と共振コンデンサＣ２とによる共振電圧に基づいて、スイッチング素子ＳＷ２のターンオンの時期を制御し、ターンオン制御回路３２が、共振電圧に基づいて、補助スイッチング素子ＳＷＳ２のターンオンの時期を制御することにより、スイッチング素子ＳＷ２および補助スイッチング素子ＳＷＳ２が、零電圧スイッチング動作を行う。
【0083】
なお、第４実施形態のその他の構成は、上記第１～第３実施形態と同様である。
【0084】
［第４実施形態の効果］
第４実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第４実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【0085】
第４実施形態では、上記のように、受電ユニット４２０は、伝送コイルＬ２またはスイッチング素子ＳＷ２に並列に接続され、互いに直列に接続される補助スイッチング素子ＳＷＳ２、および、伝送コイルＬ２と共振コンデンサＣ２とによる共振電圧を制限する電圧制限コンデンサＣＳ２を含む。これにより、受電ユニット４２０から給電ユニット１０に電力を伝送する場合においても、スイッチング素子ＳＷ２および補助スイッチング素子ＳＷＳ２が零電圧スイッチング動作を行いながら、かつ、伝送される電力の周波数を所定の周波数範囲にしながら、伝送される電力の大きさを変化させることができる。
【0086】
また、第４実施形態では、上記のように、電圧制限コンデンサＣＳ２の容量は、共振コンデンサＣ２の容量よりも５倍以上大きい。これにより、伝送コイルＬ２と共振コンデンサＣ２とによる共振電圧が上昇している場合に、補助スイッチング素子ＳＷＳ２をオンさせることにより、共振電圧が容量の大きい電圧制限コンデンサＣＳ２の電圧に安定にクランプされる。その結果、スイッチング素子ＳＷ２などに比較的高い共振電圧のピーク電圧が印加されるのが抑制されるので、スイッチング素子ＳＷ２などに対して低耐圧の素子を選択することができる。
【0087】
［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
【0088】
たとえば、上記第１～第４実施形態では、共振コンデンサＣ１が、伝送コイルＬ１に並列に接続されている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、共振コンデンサＣ１が、スイッチング素子ＳＷに並列に接続されていてもよい。また、複数の共振コンデンサＣ１が、伝送コイルＬ１とスイッチング素子ＳＷとの両方に並列に接続されていてもよい。また、第４実施形態の共振コンデンサＣ２についても同様に、共振コンデンサＣ２がスイッチング素子ＳＷ２に並列に接続されていてもよい。または、複数の共振コンデンサＣ２が伝送コイルＬ２とスイッチング素子ＳＷ２との両方に並列に接続されていてもよい。
【0089】
また、上記第１～第４実施形態では、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮと、補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳとは、伝送コイルＬ１から伝送される電力の周波数が８０ｋＨｚ以上９０ｋＨｚ以下の範囲内となるように制御される例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、伝送される電力の周波数が８０ｋＨｚ以上９０ｋＨｚ以下の範囲とは異なる周波数範囲内となるように、導通時間ＴＯＮと導通時間ＴＳとが制御されていてもよい。また、伝送される電力の周波数が、８０ｋＨｚ以上９０ｋＨｚ以下の範囲よりも広範囲に変化するように、導通時間ＴＯＮと導通時間ＴＳとが制御されてもよい。また、第４実施形の受電ユニット４２０におけるスイッチング素子ＳＷ２の導通時間ＴＯＮと補助スイッチング素子ＳＷＳ２の導通時間ＴＳについても、スイッチング素子ＳＷの導通時間ＴＯＮと補助スイッチング素子ＳＷＳの導通時間ＴＳと同様に上記のように制御されてもよい。
【0090】
また、上記第１～第４実施形態では、電圧制限コンデンサＣＳの容量が、共振コンデンサＣ１の容量よりも５倍以上大きい例を示したが、本発明はこれに限られない。経験則として、電圧制限コンデンサＣＳの容量が共振コンデンサＣ１の容量の５倍以上あればクランプ時に必要十分な電圧安定性が得られるが、たとえば、許容される範囲でリプルを含んでもよければ、電圧制限コンデンサＣＳの容量が共振コンデンサＣ１の容量の５倍未満であってもよい。同様に、電圧制限コンデンサＣＳ２の容量が共振コンデンサＣ２の容量の５倍未満であってもよい。
【符号の説明】
【0091】
１ 無線給電装置
１０ 給電ユニット
２０、３２０、４２０ 受電ユニット
２１、２１ａ～２１ｃ 整流回路
２２、２２ａ～２２ｃ 負荷
３０ 制御部
３１ ターンオン制御回路（第１ターンオン制御回路）
３１ａ 共振電圧検出回路（第１共振電圧検出回路）
３１ｂ 共振電圧検出回路（第２共振電圧検出回路）
３２ ターンオン制御回路（第２ターンオン制御回路）
１００、２００、３００、４００ 無線給電システム
２３０ 制御部
２３１ ターンオン制御回路（第１ターンオン制御回路）
２３１ａ 共振電圧検出回路
２３２ ターンオン制御回路（第２ターンオン制御回路）
Ｃ１ 共振コンデンサ（第１共振コンデンサ）
Ｃ２ 共振コンデンサ（第２共振コンデンサ）
ＣＳ 電圧制限コンデンサ（第１電圧制限コンデンサ）
ＣＳ２ 電圧制限コンデンサ（第２電圧制限コンデンサ）
Ｄ２ ダイオード（整流素子）
Ｅ 直流電源
Ｌ１ 伝送コイル（第１伝送コイル）
Ｌ２ 伝送コイル（第２伝送コイル）
ＳＷ スイッチング素子（第１スイッチング素子）
ＳＷ２ スイッチング素子（第２スイッチング素子）
ＳＷＳ 補助スイッチング素子（第１補助スイッチング素子）
ＳＷＳ２ 補助スイッチング素子（第２補助スイッチング素子）
ＴＯＮ （スイッチング素子の）導通時間
ＴＳ （補助スイッチング素子の）導通時間
Ｑ２ トランジスタ（スイッチング部）
１０ 給電ユニット
２０、３２０、４２０ 受電ユニット
２１、２１ａ～２１ｃ 整流回路
２２、２２ａ～２２ｃ 負荷
３０ 制御部
３１ ターンオン制御回路（第１ターンオン制御回路）
３１ａ 共振電圧検出回路（第１共振電圧検出回路）
３１ｂ 共振電圧検出回路（第２共振電圧検出回路）
３２ ターンオン制御回路（第２ターンオン制御回路）
１００、２００、３００、４００ 無線給電システム
２３０ 制御部
２３１ ターンオン制御回路（第１ターンオン制御回路）
２３１ａ 共振電圧検出回路
２３２ ターンオン制御回路（第２ターンオン制御回路）
Ｃ１ 共振コンデンサ（第１共振コンデンサ）
Ｃ２ 共振コンデンサ（第２共振コンデンサ）
ＣＳ 電圧制限コンデンサ（第１電圧制限コンデンサ）
ＣＳ２ 電圧制限コンデンサ（第２電圧制限コンデンサ）
Ｄ２ ダイオード（整流素子）
Ｅ 直流電源
Ｌ１ 伝送コイル（第１伝送コイル）
Ｌ２ 伝送コイル（第２伝送コイル）
ＳＷ スイッチング素子（第１スイッチング素子）
ＳＷ２ スイッチング素子（第２スイッチング素子）
ＳＷＳ 補助スイッチング素子（第１補助スイッチング素子）
ＳＷＳ２ 補助スイッチング素子（第２補助スイッチング素子）
ＴＯＮ （スイッチング素子の）導通時間
ＴＳ （補助スイッチング素子の）導通時間
Ｑ２ トランジスタ（スイッチング部）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】