知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
特表2024-532492双方向電力伝送システム、その双方向電力伝送システムを動作させる方法、及び、ワイヤレス電力システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-09-05
(54)【発明の名称】双方向電力伝送システム、その双方向電力伝送システムを動作させる方法、及び、ワイヤレス電力システム
(51)【国際特許分類】
H02J 50/12 20160101AFI20240829BHJP
【ＦＩ】
H02J50/12
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024513978
(86)(22)【出願日】2022-08-31
(85)【翻訳文提出日】2024-04-19
(86)【国際出願番号】 CA2022051314
(87)【国際公開番号】W WO2023028704
(87)【国際公開日】2023-03-09
(31)【優先権主張番号】63/238,829
(32)【優先日】2021-08-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】524076671
【氏名又は名称】ソレイス パワー インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】タハヴォルガー、アミール
(57)【要約】
電力を伝送するための双方向ワイヤレス電力伝送システムは、電場及び／又は磁場のための、並びに、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するためのトランシーバ要素に電気的に接続される電力段を備える。電力段は、入力される電力信号を逆変換するための、及び、受信される電力信号を整流するためのものである。システムは、ワイヤレス電力伝送を同期させるためのトリガ回路と、クロック信号を発生させるためのクロック発生器とをさらに備える。システムは、電力段に電気的に接続される、並びに、トリガ回路及びクロック発生器に選択的に電気的に接続されるスイッチング要素であって、以て、スイッチング要素がクロック発生器を電力段に電気的に接続するときに、トランシーバ要素が、電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するように構成され、スイッチング要素がトリガ回路を電力段に電気的に接続するときに、トランシーバ要素が、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するように構成される、スイッチング要素をさらに備える。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力を伝送するための双方向ワイヤレス電力伝送システムであって、電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するための、並びに、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するためのトランシーバ要素と、
前記トランシーバ要素に電気的に接続される電力段であって、入力される電力信号を逆変換するための、及び、受信される電力信号を整流するための電力段と、
ワイヤレス電力伝送を同期させるためのトリガ回路と、
クロック信号を発生させるためのクロック発生器と、
前記電力段に電気的に接続される、並びに、前記トリガ回路及び前記クロック発生器に選択的に電気的に接続されるスイッチング要素であって、以て、
前記スイッチング要素が前記クロック発生器を前記電力段に電気的に接続するときに、前記トランシーバ要素が、電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するように構成され、
前記スイッチング要素が前記トリガ回路を前記電力段に電気的に接続するときに、前記トランシーバ要素が、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するように構成される、スイッチング要素と
を備える、システム。
【請求項2】
前記クロック発生器は、前記電力段を制御するために前記クロック信号を発生させる、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記電力段は、増幅器を備える、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項4】
前記増幅器は、Ｅ級電力増幅器である、請求項３に記載のシステム。
【請求項5】
前記電力段は、入力段を備える、請求項１から４までのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項6】
前記入力段は、整合ネットワークを備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項7】
前記整合ネットワークは、単一インピーダンス・インバータ又は二重インピーダンス・インバータを備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項8】
前記電力段は、前記電力段を制御するためのゲート・ドライバを備える、請求項１から７までのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項9】
前記クロック発生器は、発振器を備える、請求項１から８までのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項10】
前記トリガ回路は、前記トランシーバ要素により受信される電力信号を同期させるように、前記電力段の動作を制御するためのものである、請求項１から９までのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項11】
前記トリガ回路は、電流又は電圧をサンプリングするためのサンプリング回路を備える、請求項１から１０までのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項12】
前記サンプリング回路は、電流をサンプリングする、又は、電圧をサンプリングするように構成される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項13】
サンプリングされる前記電流は、負荷非依存である、請求項１２に記載のシステム。
【請求項14】
前記電圧は、負荷非依存である、請求項１２又は１３に記載のシステム。
【請求項15】
電力信号の電圧を変換するためのコンバータをさらに備える、請求項１から１４までのいずれか一項に記載のシステム。
【請求項16】
前記コンバータは、双方向バック・ブースト・コンバータである、請求項１５に記載のシステム。
【請求項17】
磁場及び／又は電場結合によって電力をワイヤレスで伝送するための送信機であって、電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するための、並びに、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するための第１のトランシーバ要素と、
前記第１のトランシーバ要素に電気的に接続される第１の電力段であって、順行電力流方向において、入力される電力信号を逆変換するための、及び、逆行電力流方向において、受信される電力信号を整流するための第１の電力段と、
ワイヤレス電力伝送を同期させるための第１のトリガ回路と、
クロック信号を発生させるための第１のクロック発生器と、
前記第１の電力段に電気的に接続される、並びに、前記第１のトリガ回路及び前記第１のクロック発生器に選択的に電気的に接続される第１のスイッチング要素であって、以て、
前記第１のスイッチング要素が前記第１のクロック発生器を前記第１の電力段に電気的に接続するときに、前記第１のトランシーバ要素が、電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するように構成され、
前記第１のスイッチング要素が前記第１のトリガ回路を前記第１の電力段に電気的に接続するときに、前記第１のトランシーバ要素が、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するように構成される、第１のスイッチング要素と
を備える、送信機、
磁場又は電場結合によって電力をワイヤレスで抽出するための受信機であって、
電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するための、並びに、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するための第２のトランシーバ要素と、
前記第２のトランシーバ要素に電気的に接続される第２の電力段であって、前記逆行電力流方向において、入力される電力信号を逆変換するための、及び、前記順行電力流方向において、受信される電力信号を整流するための第２の電力段と、
ワイヤレス電力伝送を同期させるための第２のトリガ回路と、
クロック信号を発生させるための第２のクロック発生器と、
前記第２の電力段に電気的に接続される、並びに、前記第２のトリガ回路及び前記第２のクロック発生器に選択的に電気的に接続される第２のスイッチング要素であって、以て、
前記第２のスイッチング要素が前記第２のクロック発生器を前記第２の電力段に電気的に接続するときに、前記第２のトランシーバ要素が、電場及び／又は磁場を発生させることにより、前記送信機に電力を伝送するように構成され、
前記スイッチング要素が前記第２のトリガ回路を前記第２の電力段に電気的に接続するときに、前記第２のトランシーバ要素が、前記送信機からの発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するように構成される、第２のスイッチング要素と
を備える、受信機
を備える、ワイヤレス電力伝送システム。
【請求項18】
双方向ワイヤレス電力伝送システムを動作させる方法であって、前記システムは、電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するための、並びに、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するためのトランシーバ要素と、
前記トランシーバ要素に電気的に接続される電力段であって、入力される電力信号を逆変換するための、及び、受信される電力信号を整流するための電力段と、
ワイヤレス電力伝送を同期させるためのトリガ回路と、
クロック信号を発生させるためのクロック発生器と、
前記電力段に電気的に接続される、並びに、前記トリガ回路及び前記クロック発生器に選択的に電気的に接続されるスイッチング要素であって、以て、
前記スイッチング要素が前記クロック発生器を前記電力段に電気的に接続するときに、前記トランシーバ要素が、電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するように構成され、
前記スイッチング要素が前記トリガ回路を前記電力段に電気的に接続するときに、前記トランシーバ要素が、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するように構成される、スイッチング要素と
を備え、
前記方法は、
電力を抽出するために前記電力段を前記トリガ回路に接続する、又は、
電力を伝送するために前記電力段を前記クロック発生器に接続するステップ
を含む、方法。
【請求項19】
前記電力段を前記トリガ回路又は前記クロック発生器に接続するステップは、前記スイッチング要素を動作させるステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
前記電力段を前記クロック発生器から切り離す、又は、前記電力段を前記トリガ回路から切り離すステップをさらに含む、請求項１８又は１９に記載の方法。
【請求項21】
前記電力段を前記トリガ回路又は前記クロック発生器から切り離すステップは、前記スイッチング要素を動作させるステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般的には、ワイヤレス電力伝送に、並びに特に、電力を伝送するための双方向ワイヤレス電力伝送システム、その双方向ワイヤレス電力伝送システムを動作させる方法、及び、ワイヤレス電力システムに関係する。
【背景技術】
【0002】
ワイヤレス充電器などのワイヤレス電力伝送システムが、次世代のデバイスを可能にするためのますます重要な技術になりつつある。その技術により供される潜在的な利益及び利点は、その技術に投資する製造者及び会社の増大する数により明白である。
【0003】
種々のワイヤレス電力伝送システムが知られている。典型的なワイヤレス電力伝送システムは、ワイヤレス電力送信機に電気的に接続される電力源と、負荷に電気的に接続されるワイヤレス電力受信機とを含んでいる。
【0004】
磁気誘導システムにおいて、送信機は、電気エネルギーを電力源から、ある決まったインダクタンスを伴う受信機コイルを有する受信機に伝送する、ある決まったインダクタンスを伴う送信機コイルを有する。電力伝送は、送信機及び受信機のコイル又はインダクタ同士の間の磁場の結合に起因して生起する。これらの磁気誘導システムのレンジは制限され、送信機及び受信機のコイル又はインダクタは、効率的な電力伝送のために、密接に結合され、すなわち、０．５よりも上の結合係数を有し、最適に整列していなければならない。
【0005】
さらには、電力が送信機及び受信機のコイル又はインダクタ同士の間の磁場の結合に起因して伝送される、共振磁気システムが実在する。送信機及び受信機インダクタは、緩く結合され、すなわち、０．５よりも下の結合係数を有し得る。しかしながら、共振磁気システムにおいて、インダクタは、少なくとも１つのコンデンサを使用して共振させられる。さらにまた、共振磁気システムにおいて、送信機は自己共振であり、受信機は自己共振である。共振磁気システムにおける電力伝送のレンジは、磁気誘導システムの電力伝送のレンジを超えて増大され、整列問題点が正される。電磁エネルギーが磁気誘導及び共振磁気システムにおいて生み出されるが、電力伝送の大部分は、磁場によって生起する。あるとしてもわずかな電力が、電気誘導又は共振電気誘導によって伝送される。
【0006】
電気誘導システムにおいて、送信機及び受信機は、容量性電極を有する。電力伝送は、送信機及び受信機の容量性電極同士の間の電場の結合に起因して生起する。共振磁気システムと同様に、送信機及び受信機の容量性電極が、少なくとも１つのインダクタを使用して共振にされる、共振電気システムが実在する。インダクタは、コイルであり得る。共振電気システムにおいて、送信機は自己共振であり、受信機は自己共振である。共振電気システムは、電気誘導システムの電力伝送のレンジと比較して、電力伝送の増大されるレンジを有し、整列問題点が正される。電磁エネルギーが電気誘導及び共振電気システムにおいて生み出されるが、電力伝送の大部分は、電場によって生起する。あるとしてもわずかな電力が、磁気誘導又は共振磁気誘導によって伝送される。
【0007】
いくつかのワイヤレス電力伝送システムが知られているが、改善が望まれる。それゆえに、新規のワイヤレス電力伝送送信機、受信機、システム、及び、電力をワイヤレスで伝送する方法を提供することが目途である。
【0008】
この背景技術は、単に、当業者が、後に続く発明の概要及び発明を実施するための形態をより良好に把握することを可能とするための舞台を設定する役目をするものである。それゆえに、上記の論考のどれも、必ずしも、その論考が、現況技術の一部である、又は、卑近な一般的な知識であるという自認と受け止められるべきではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】米国仮出願第６２／８９９，１６５号
【特許文献2】米国特許第９，６５３，９４８号
【特許文献3】米国特許第９，９７９，２０６号
【特許文献4】米国特許出願第１７／１９３，５３９号
【特許文献5】米国特許第１０，４２４，９４２号
【特許文献6】米国特許第１０，０３３，２２５号
【特許文献7】米国特許出願公開第２０２１／００２１１６０号
【特許文献8】米国特許出願公開第２０２０／０２２７９４１号
【特許文献9】米国特許出願公開第２０２０／０２０３９９７号
【特許文献10】米国特許出願公開第２０２０／０２０３９９８号
【特許文献11】米国特許出願公開第２０２０／００９９２５４号
【発明の概要】
【0010】
したがって、１つの態様において、電力を伝送するための双方向ワイヤレス電力伝送システムが提供される。
【0011】
システムは、順行（ｆｏｒｗａｒｄ）電力流方向における、及び、順行電力流方向と反対である、反対の逆行（ｒｅｖｅｒｓｅ）電力流方向におけるワイヤレス電力伝送を考慮し得る。
【0012】
システムは、電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するための、並びに、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するためのトランシーバ要素に電気的に接続される電力段であって、入力される電力信号を逆変換する（ｉｎｖｅｒｔ）ための、及び、受信される電力信号を整流するための電力段と、ワイヤレス電力伝送を同期させるためのトリガ回路と、クロック信号を発生させるためのクロック発生器と、電力段に電気的に接続される、並びに、トリガ回路及びクロック発生器に選択的に電気的に接続されるスイッチング要素であって、以て、スイッチング要素がクロック発生器を電力段に電気的に接続するときに、トランシーバ要素が、電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するように構成され、スイッチング要素がトリガ回路を電力段に電気的に接続するときに、トランシーバ要素が、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するように構成される、スイッチング要素とを備え得る。
【0013】
スイッチング要素の動作によって、トランシーバ要素が、電力を受信するために電力を抽出し、又は、電力を伝送するために場を発生させ得るような、双方向システムの制御された動作が可能となる。
【0014】
スイッチング要素は、手動で、又は自律的に動作させられ得る。スイッチング要素は、遠隔で動作させられ得る。スイッチング要素は、コントローラによって動作させられ得る。
【0015】
双方向電力伝送システムは、クロック発生器がスイッチング要素を介して電力段に電気的に接続されるときに、磁場及び／又は電場を発生させることにより電力を伝送するための送信機を形成する。双方向電力伝送システムは、トリガ回路がスイッチング要素を介して電力段に電気的に接続されるときに、発生させられた磁場及び／又は電場から電力を抽出するための受信機を形成する。
【0016】
システムは、トランシーバ要素を備え得る。
【0017】
クロック発生器は、電力段を制御するためにクロック信号を発生させ得る。クロック発生器は、発振器を備え得る。
【0018】
電力段は、増幅器を備え得る。増幅器は、Ｅ級電力増幅器であり得る。
【0019】
電力段は、負荷性能を最適化すること、電流又は負荷を調節すること、及び、高調波を低減することのうちの少なくとも１つのための入力段を備え得る。
【0020】
入力段は、整合ネットワークを備え得る。
【0021】
整合ネットワークは、単一インピーダンス・インバータ又は二重インピーダンス・インバータを備え得る。
【0022】
電力段は、電力段を制御するためのゲート・ドライバを備え得る。増幅器は、増幅器のメイン・スイッチに電気的に接続されるゲート・ドライバを備え得る。発振器によるゲート・ドライバの制御が、入力される電力信号を逆変換するために、増幅器のメイン・スイッチの動作を制御するために使用され得る。トリガ回路によるゲート・ドライバの制御が、受信される電力信号を抽出するために、増幅器のメイン・スイッチの動作を制御するために使用され得る。
【0023】
トリガ回路は、トランシーバ要素により受信される電力信号を同期させるように、電力段の動作を制御するためのものであり得る。
【0024】
トリガ回路は、電流又は電圧をサンプリングするためのサンプリング回路を備え得る。
【0025】
サンプリング回路は、電圧降下をサンプリングするように構成され得る。
【0026】
サンプリング回路は、電流をサンプリングする、又は、電圧をサンプリングするように構成され得る。
【0027】
サンプリングされる電流は、負荷非依存であり得る。負荷非依存は、電流が負荷変動に関して一定であることと定義され得る。
【0028】
サンプリングされる電圧は、負荷非依存であり得る。負荷非依存は、電圧が負荷変動に関して一定であることと定義され得る。
【0029】
システムは、電力信号の電圧を変換するためのコンバータをさらに備え得る。コンバータは、ＤＣ／ＤＣ（直流対直流（ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｏ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ））コンバータであり得る。コンバータは、バック・ブースト・コンバータであり得る。コンバータは、双方向バック・ブースト・コンバータであり得る。
【0030】
トランシーバ要素は、電力源から電力を伝送し得る。トランシーバ要素は、順行電力流方向において電力源から別のトランシーバ要素に電力を伝送し得る。別のトランシーバ要素に電力を伝送するように動作するときに、電力段は、スイッチング要素を介してクロック発生器に電気的に接続される。
【0031】
トランシーバ要素は、負荷に電力を伝送し得る。トランシーバ要素は、逆行電力流方向において別のトランシーバ要素から電力を抽出し得る。抽出された電力は、負荷に伝送され得る。別のトランシーバ要素から電力を抽出するように動作するときに、電力段は、スイッチング要素を介してトリガ回路に電気的に接続される。
【0032】
トランシーバ要素は、少なくとも１つの容量性又は誘導性要素を備え得る。
【0033】
容量性要素は、電極を備え得る。
【0034】
誘導性要素は、誘導性コイルを備え得る。
【0035】
別の態様にしたがって、磁場及び／又は電場結合によって電力をワイヤレスで伝送するための第１のトランシーバ又は送信機であって、電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するための、並びに、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するための第１のトランシーバ要素と、第１のトランシーバ要素に電気的に接続される第１の電力段であって、順行電力流において、入力される電力信号を逆変換するための、及び、逆行電力流において、受信される電力信号を整流するための第１の電力段と、ワイヤレス電力伝送を同期させるための第１のトリガ回路と、クロック信号を発生させるための第１のクロック発生器と、第１の電力段に電気的に接続される、並びに、第１のトリガ回路及び第１のクロック発生器に選択的に電気的に接続される第１のスイッチング要素であって、以て、第１のスイッチング要素が第１のクロック発生器を第１の電力段に電気的に接続するときに、第１のトランシーバ要素が、電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するように構成され、第１のスイッチング要素が第１のトリガ回路を第１の電力段に電気的に接続するときに、第１のトランシーバ要素が、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するように構成される、第１のスイッチング要素とを備える、送信機、磁場又は電場結合によって電力をワイヤレスで抽出するための第２のトランシーバ又は受信機であって、電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するための、並びに、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するための第２のトランシーバ要素と、第２のトランシーバ要素に電気的に接続される第２の電力段であって、逆行電力流方向において、入力される電力信号を逆変換するための、及び、順行電力流方向において、受信される電力信号を整流するための第２の電力段と、ワイヤレス電力伝送を同期させるための第２のトリガ回路と、クロック信号を発生させるための第２のクロック発生器と、第２の電力段に電気的に接続される、並びに、第２のトリガ回路及び第２のクロック発生器に選択的に電気的に接続される第２のスイッチング要素であって、以て、第２のスイッチング要素が第２のクロック発生器を第２の電力段に電気的に接続するときに、第２のトランシーバ要素が、電場及び／又は磁場を発生させることにより、送信機又は第１のトランシーバに電力を伝送するように構成され、スイッチング要素が第２のトリガ回路を第２の電力段に電気的に接続するときに、第２のトランシーバ要素が、送信機又は第１のトランシーバからの発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するように構成される、第２のスイッチング要素とを備える、受信機を備える、ワイヤレス電力伝送システムが提供される。
【0036】
第１のトランシーバ又は送信機は、順行電力流モードにおいて電力をワイヤレスで伝送するための、又は、逆行電力流モードにおいて、磁場及び／若しくは電場結合によって電力をワイヤレスで抽出するためのものであり得る。
【0037】
第２のトランシーバ又は受信機は、順行電力流モードにおいて電力をワイヤレスで抽出するための、又は、逆行電力流モードにおいて、磁場若しくは電場結合によって電力をワイヤレスで伝送するためのものであり得る。
【0038】
システムが順行電力流方向において動作しているときに、第１のトランシーバは、第２のトランシーバに電力を伝送する。順行電力流方向において動作するときに、第１のスイッチング要素は、第１のクロック発生器を第１の電力段に接続し、第２のスイッチング要素は、第２のトリガ回路を第２の電力段に接続する。
【0039】
システムが逆行電力流方向において動作しているときに、第２のトランシーバは、第１のトランシーバに電力を伝送する。逆行電力流方向において動作するときに、第１のスイッチング要素は、第１のトリガ回路を第１の電力段に接続し、第２のスイッチング要素は、第２のクロック発生器を第２の電力段に接続する。
【0040】
それぞれのスイッチング要素を動作させることは、順行電力流方向において動作することと、逆行電力流方向において動作することとの間でスイッチングすることをシステムに行わせ得る。
【0041】
送信機は、負荷及び／又は電力供給部をさらに備え得る。電力供給部は、直流（ＤＣ）電力供給部であり得る。負荷は、ＤＣ負荷であり得る。
【0042】
電力供給部は、ワイヤレス電力伝送のための入力電力信号を提供し得る。
【0043】
負荷は、ワイヤレス電力伝送によって抽出された電力信号によって給電され得る。
【0044】
受信機は、負荷及び／又は電力供給部をさらに備え得る。電力供給部は、ＤＣ電力供給部であり得る。負荷は、ＤＣ負荷であり得る。
【0045】
電力供給部は、ワイヤレス電力伝送のための入力電力信号を提供し得る。
【0046】
負荷は、ワイヤレス電力伝送によって抽出された電力信号によって給電され得る。
【0047】
システムは、双方向ワイヤレス電力伝送システムに関して説明された特徴及び／又は要素の任意のものを備え得る。
【0048】
別の態様にしたがって、双方向ワイヤレス電力伝送システムを動作させる方法であって、システムは、電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するための、並びに、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するためのトランシーバ要素と、トランシーバ要素に電気的に接続される電力段であって、入力される電力信号を逆変換するための、及び、受信される電力信号を整流するための電力段と、ワイヤレス電力伝送を同期させるためのトリガ回路と、クロック信号を発生させるためのクロック発生器と、電力段に電気的に接続される、並びに、トリガ回路及びクロック発生器に選択的に電気的に接続されるスイッチング要素であって、以て、スイッチング要素がクロック発生器を電力段に電気的に接続するときに、トランシーバ要素が、電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するように構成され、スイッチング要素がトリガ回路を電力段に電気的に接続するときに、トランシーバ要素が、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するように構成される、スイッチング要素とを備え、方法は、電力を抽出するために電力段をトリガ回路に接続する、又は、電力を伝送するために電力段をクロック発生器に接続するステップを含む、方法が提供される。
【0049】
反対のことが、ワイヤレス電力の伝送に関して、反する方向における動作として規定され得る。例えば、送信機は、受信機に電力を伝送し得るものであり、反対の方向において、受信機は、送信機に電力を伝送し得る。
【0050】
電力段をトリガ回路又はクロック発生器に接続するステップは、スイッチング要素を動作させるステップを含み得る。
【0051】
方法は、電力段をクロック発生器から切り離す、又は、電力段をトリガ回路から切り離すステップをさらに含み得る。
【0052】
電力段をトリガ回路又はクロック発生器から切り離すステップは、スイッチング要素を動作させるステップを含み得る。
【0053】
電力を抽出するために電力段をトリガ回路に接続する、又は、電力を伝送するために電力段をクロック発生器に接続するステップは、自動化され得る。この自動化された接続は、コントローラにより制御され得る。コントローラは、インピーダンス、抵抗、圧力、温度、その他などの検出された信号に応答して、要素を接続するように動作し得る。
【0054】
方法は、説明されたシステムに関して論考される利点の任意のものをもたらし得るものであり、逆もまたしかりである。
【0055】
別の態様において、プロセッサにより実行されるときに、説明された方法の任意のものを遂行する命令を含む、コンピュータ可読媒体が提供される。
【0056】
コンピュータ可読媒体は、非一時的であり得る。コンピュータ可読媒体は、伝搬する信号を除いた記憶媒体を含み得る。コンピュータ可読媒体は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ：ｒａｎｄｏｍ－ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）、スタティックＲＡＭ（ＳＲＡＭ：ｓｔａｔｉｃ ＲＡＭ）、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ：ｄｙｎａｍｉｃ ＲＡＭ）、不揮発性ＲＡＭ（ＮＶＲＡＭ：ｎｏｎ－ｖｏｌａｔｉｌｅ ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ：ｒｅａｄ－ｏｎｌｙ ｍｅｍｏｒｙ）、又はフラッシュ・メモリなどの、任意の適するメモリ又は記憶デバイスを含み得る。
【0057】
プロセッサは、シリコン、ポリシリコン、高誘電率誘電体、銅、等々などの、種々の材料から組成される単一コア・プロセッサ又は複数個のコア・プロセッサを有し得る。
【0058】
１つの態様、実例、又は実施例に関係して説明される任意の特徴は、さらには、本開示の任意の他の態様、実例、又は実施例に関係して使用され得るということが理解されるべきである。本開示の他の利点が、後に続く図面と関連している、発明を実施するための形態から、当業者に明らかになり得る。
【0059】
実施例が、今から、付随する図面を参照して、より十二分に説明されることになる。
【図面の簡単な説明】
【0060】
【図1】ワイヤレス電力伝送システムのブロック線図である。
【図2】本開示の態様にしたがう双方向ワイヤレス電力伝送システムのブロック線図である。
【図3A】本開示の態様にしたがう、順行電力流方向において動作するワイヤレス電力伝送システムのブロック線図である。
【図4】本開示の態様にしたがうワイヤレス電力伝送システムのブロック線図である。
【図23A】本開示の態様にしたがう双方向ワイヤレス電力伝送システムの一部分の平面視図である。
【図23B】本開示の態様にしたがう別の双方向ワイヤレス電力伝送システムの一部分の平面視図である。
【図24A】本開示の態様にしたがう、順行電力流方向において動作するワイヤレス電力伝送システムについての、負荷電流に関しての入力電力及び出力電力のグラフである。
【図24B】本開示の態様にしたがう、順行電力流方向において動作するワイヤレス電力伝送システムについての、負荷電流に関しての電力伝送効率のグラフである。
【図24C】本開示の態様にしたがう、順行電力流方向において動作するワイヤレス電力伝送システムについての、負荷電流に関しての電圧のグラフである。
【図25A】本開示の態様にしたがう、順行電力流方向において動作する、無負荷（ｎｏ－ｌｏａｄ）条件におけるワイヤレス電力伝送システムのスイッチ・ノード電圧のグラフである。
【図25B】本開示の態様にしたがう、順行電力流方向において動作する、全負荷条件におけるワイヤレス電力伝送システムのスイッチ・ノード電圧のグラフである。
【図26A】本開示の態様にしたがう、逆行電力流方向において動作するワイヤレス電力伝送システムについての、負荷電流に関しての入力電力及び出力電力のグラフである。
【図26B】本開示の態様にしたがう、逆行電力流方向において動作するワイヤレス電力伝送システムについての、負荷電流に関しての電力伝送効率のグラフである。
【図26C】本開示の態様にしたがう、逆行電力流方向において動作するワイヤレス電力伝送システムについての、負荷電流に関しての電圧のグラフである。
【図27A】本開示の態様にしたがう、逆行電力流方向において動作する、無負荷条件におけるワイヤレス電力伝送システムのスイッチ・ノード電圧のグラフである。
【図27B】本開示の態様にしたがう、逆行電力流方向において動作する、全負荷条件におけるワイヤレス電力伝送システムのスイッチ・ノード電圧のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0061】
上述の概要、及び、ある決まった実例の、後に続く発明を実施するための形態は、添付される図面と連関して読まれるときに、より良好に理解されることになる。本明細書において使用される際、単数形において紹介される、及び、単語「ａ」又は「ａｎ」により先導される、要素又は特徴は、要素又は特徴の複数形を必ずしも排除しないと理解されるべきである。さらに、「１つの実例」又は「１つの実施例」への言及は、さらには説明される要素又は特徴を組み込む追加的な実例又は実施例の実在を排除すると解釈されることを意図されない。その上、反するように明示的に説述されない限り、個別の特質を有する、要素若しくは特徴、又は、複数の要素若しくは特徴を、「備える・含む」又は「有する」又は「含んでいる」実例又は実施例は、その特質を有さない追加的な要素又は特徴を含んでいることもある。さらには、用語「備える・含む（三人称単数現在形）」、「有する（三人称単数現在形）」、「含んでいる（三人称単数現在形）」は、「～に制限はされないが、～を含む」を意味し、用語「備える・含む（現在分詞）」、「有する（現在分詞）」、及び「含んでいる（現在分詞）」は、同等の意味合いを有するということが把握されることになる。類する参照符号が、説明及び図面の全体を通して、類する要素を指すために使用されることになるということが、さらには把握されることになる。
【0062】
本明細書において使用される際、用語「適合させられる」及び「構成される」は、要素、構成要素、又は、他の主題が、所与の機能を遂行するように設計される、及び／又は、遂行することを意図されるということを意味する。そうして、用語「適合させられる」及び「構成される」の使用は、所与の要素、構成要素、又は、他の主題が、単純に所与の機能を遂行する「能力を秘めている」ということではなく、要素、構成要素、及び／又は、他の主題が、機能を遂行することの目的のために、特異的に選択、創出、実現、利用、及び／又は設計されるということを意味すると解されるべきである。個別の機能を遂行するように適合させられると説明される要素、構成要素、及び／又は、他の主題が、加えて、又は代わりに、その機能を遂行するように構成されると説明されることもあり、逆もまたしかりであるということは、さらには、本開示の範囲の中にあるものである。同様に、個別の機能を遂行するように構成されると説明される主題は、加えて、又は代わりに、その機能を遂行するように動作可能であると説明されることもある。
【0063】
ある要素が、別の要素「上にある」、別の要素に「取り付けられる」、別の要素に「接続される」、別の要素と「結合される」、別の要素と「接触している」、その他と言われるときに、そのある要素は、直接的に、その別の要素上にある、その別の要素に取り付けられる、その別の要素に接続される、その別の要素と結合される、若しくは、その別の要素と接触していることがあり、又は、介在する要素が、さらには存在することもあるということが理解されることになる。
【0064】
単語「例示的」の使用は、別段に説述されない限り、好まれる、又は最適な、設計又は実現形態を意味するよりもむしろ、「実例として」又は「１つの実例」を意味するということが理解されるべきである。
【0065】
今から図１に目を向けると、全体的に参照番号１００により識別されるワイヤレス電力伝送システムが示される。ワイヤレス電力伝送システム１００は、送信要素１１６に電気的に接続される電力源１１２を備える送信機１１０と、負荷１２８に電気的に接続される受信要素１２４を備える受信機１２０とを備える。電力は、電力源１１２から送信要素１１６に伝送される。電力は、次いで、共振又は非共振の電場又は磁場結合によって、送信要素１１６から受信要素１２４に伝送される。電力は、次いで、受信要素１２４から負荷１２８に伝送される。例示的なワイヤレス電力伝送システム１００は、本出願人の米国仮出願第６２／８９９，１６５号において説明されるような高周波数誘導性ワイヤレス電力伝送システム、又は、本出願人の米国特許第９，６５３，９４８号において説明されるような共振容量結合ワイヤレス電力伝送システムを含んでおり、それらの米国仮出願及び米国特許の、関連性のある一部分が、参照により本明細書に組み込まれている。
【0066】
ワイヤレス電力伝送システム１００において、電力は、送信要素１１６から受信要素１２４に伝送される。各それぞれの要素に、及び、各それぞれの要素から、すなわち、受信要素１２４から送信要素１１６に電力を伝送することができることが望ましくあり得る。今から図２に目を向けると、全体的に参照番号１３０により識別される双方向電力システムが示される。説明されることになるように、双方向電力システム１３０は、順行電力流方向において電力を伝送し、順行電力流方向と反対の逆行電力流方向において電力を抽出するように構成される。双方向電力システム１３０は、さらには、逆行電力流方向において電力を伝送し、順行電力流方向において電力を抽出し得る。本文脈において、順行及び逆行は、説明されることになるような、システム１３０の構成要素を参照してのものである。
【0067】
双方向電力システム１３０は、ワイヤレスで電力を伝送するためのものである。システム１３０は、トランシーバ要素１４０と、電力段１３８と、スイッチング要素１３６と、トリガ回路１３２と、クロック発生器１３４とを備える。
【0068】
トランシーバ要素１４０は、電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するための、並びに、発生させられた電場及び／又は発生させられた磁場から電力を抽出するためのものである。そうして、トランシーバ要素１４０は、本質的には、単一の構成要素において、磁場及び／又は電場を発生させることにより電力を伝送するための送信要素、並びに、発生させられた磁場及び／又は電場から電力を抽出するための受信要素を形成する。電場及び磁場の両方が説明されたが、トランシーバ要素１４０は、単一の場、電場又は磁場によって、電力を伝送又は抽出するように動作し得る。
【0069】
電磁エネルギーが生み出され得るが、電力伝送又は抽出の大部分は、電気誘導、すなわち電場結合によるもの、及び、磁気誘導、すなわち磁場結合のうちの単一の１つのみによって生起し得る。あるとしてもわずかな電力が、磁気誘導及び電気誘導のうちの他方の１つによって伝送される。さらに、誘導は、共振性、すなわち、共振磁気誘導又は共振電気誘導であり得る。
【0070】
トランシーバ要素１４０は、１つ又は複数の容量性電極及び誘導性要素、すなわちインダクタを備える。容量性電極は、横方向に間を空けられた細長の電極であり得るものであり、しかしながら、当業者は、同心、コプレーナ、円形、楕円形、円板、その他の電極を含んでいる、ただしそれらに制限されない、他の構成が可能であるということを把握することになる。他の適する電極構成が、本出願人の米国特許第９，９７９，２０６号において説明されており、その米国特許の、関連性のある一部分が、参照により本明細書に組み込まれている。誘導性要素は、１つ又は複数のコイルを備え得る。コイルは、本出願人の米国特許出願第１７／１９３，５３９号において説明されるようなブースタ又はシールド・コイルを含んでいることもあり、その米国特許出願の、関連性のある一部分が、参照により本明細書に組み込まれている。
【0071】
トランシーバ要素１４０は、電力段１３８に電気的に接続される。電力段１３８は、説明されることになるように、入力される電力信号を逆変換するための、及び、受信される電力信号を整流するためのものである。電力段１３８は、電力信号を逆変換し、磁場及び／又は電場を発生させることによる電力伝送のためのトランシーバ要素１４０に、逆変換された電力信号を入力する。さらに、電力段１３８は、発生させられた磁場及び／又は電場からの抽出により、トランシーバ要素１４０により受信される電力信号を整流する。
【0072】
スイッチング要素１３６は、電力段１４０に電気的に接続される。スイッチング要素１３６は、さらには、クロック発生器１３４及びトリガ回路１３２に選択的に電気的に接続される。スイッチング要素１３６は単一の要素と説明されるが、当業者は、スイッチング要素１３６が、複数個の要素を備え得るものであり、スイッチング・ネットワークを形成し得るということを把握することになる。
【0073】
トリガ回路１３２は、ワイヤレス電力伝送を同期させるためのものである。トリガ回路１３２は、説明されることになるように、トランシーバ要素１４０により受信される電力信号を同期させるように、電力段１３８の動作を制御する。
【0074】
クロック発生器１３４は、クロック信号を発生させるためのものである。この実施例において、クロック発生器１３４は、発振器を備える。クロック発生器１３４は、電力段１３８にクロック信号を提供するためのものである。クロック信号は、入力される電力信号を逆変換するように、電力段１３８の動作を制御する。逆変換された電力信号は、次いで、トランシーバ要素１４０においてワイヤレス電力伝送によって伝送され得る。
【0075】
スイッチング要素１３６の動作は、電力段１３８を、トリガ回路１３２に、又は、クロック発生器１３４に、のいずれかで電気的に接続することを、スイッチング要素１３６に行わせる。
【0076】
スイッチング要素１３６がクロック発生器１３４を電力段１３８に電気的に接続するときに、トランシーバ要素１４０は、先に説明されたように、電場及び／又は磁場を発生させることにより電力を伝送するように構成される。電力段１３８は、入力電力信号を逆変換することを、逆変換された電力信号を受信するトランシーバ要素１４０が電場及び／又は磁場を発生させ得るように行うためのものである。クロック発生器１３４は、入力電力信号を逆変換するための電力段１３８にクロック信号を提供する。
【0077】
スイッチング要素１３６がトリガ回路１３２を電力段１３８に電気的に接続するときに、トランシーバ要素１４０は、先に説明されたように、発生させられた電場及び／又は磁場から電力を抽出するように構成される。電力段１３８は、発生させられた電場及び／又は磁場から電力を抽出することにより、トランシーバ要素により受信される電力信号を整流するためのものである。トリガ回路１３２は、電力段１３８の動作を、トランシーバ要素１４０により受信される電力信号と同期させるように、電力段１３８の動作を制御する。
【0078】
電力段１３８をトリガ回路１３２に電気的に接続することは、トランシーバ要素１４０を、電力を抽出するように構成する。電力段１３８をクロック発生器１３４に電気的に接続することは、トランシーバ要素１４０を、電力を伝送するように構成する。
【0079】
双方向電力伝送システム１３０は、ワイヤレス電力伝送システムの一部を形成し得る。例示的なワイヤレス電力伝送システムが、図３Ａ及び図３Ｂにおいて示され、全体的に参照番号１５０により識別される。ワイヤレス電力伝送システム１５０は、第１の双方向電力伝送システム１５２を備える。
【0080】
第１の双方向電力伝送システム１５２は、図３Ａにおいて示されるように、システム１５０が順行電力流方向において動作しているときに、磁場及び／又は電場を発生させることにより電力を伝送するための送信機を形成する。第１の双方向電力伝送システム１５２は、図３Ｂにおいて示されるように、システム１５０が逆行電力流方向において動作しているときに、発生させられた磁場及び／又は電場から電力を抽出するための受信機を形成する。システム１５０は、第２の双方向電力伝送システム１５４をさらに備える。
【0081】
第２の双方向電力伝送システム１５４は、図３Ａにおいて示されるように、システム１５０が順行電力流方向において動作しているときに、第１の双方向電力伝送システム１５２（送信機）により発生させられた磁場及び／又は電場から電力を抽出するための受信機を形成する。第２の双方向電力伝送システム１５４は、図３Ｂにおいて示されるように、システム１５０が逆行電力流方向において動作しているときに、磁場及び／又は電場を発生させることにより、第１の双方向電力伝送システム１５２（受信機）に電力を伝送するための送信機を形成する。
【0082】
第１の双方向電力伝送システム１５２は、双方向電力伝送システム１３０の、先に説明された要素のすべてを備える。第２の双方向電力伝送システム１５４は、’が参照符号に追加された同じ要素、例えば、トランシーバ１４０’を備える。
【0083】
図３Ａにおいて、ワイヤレス電力伝送システム１５０は、電力が第１の双方向ワイヤレス電力伝送システム１５２から第２の双方向電力伝送システム１５４に伝送されるように、順行電力流方向において動作するように構成される。第１の双方向ワイヤレス電力伝送システム１５２のスイッチング要素１３６は、電力段１３８をクロック発生器１３４に電気的に接続する。第２の双方向電力伝送システム１５４のスイッチング要素１３６’は、電力段１３８’をトリガ回路１３２’に電気的に接続する。これらの接続及び後続の電力伝送は、破線において輪郭を描かれる。
【0084】
図３Ｂにおいて、ワイヤレス電力伝送システム１５０は、電力が第２の双方向電力伝送システム１５４から第１の双方向ワイヤレス電力伝送システム１５２に伝送されるように、逆行電力流方向において動作するように構成される。第２の双方向電力伝送システム１５４のスイッチング要素１３６’は、電力段１３８’をクロック発生器１３４’に電気的に接続する。第１の双方向電力伝送システム１５２のスイッチング要素１３６は、電力段１３８をトリガ回路１３２に電気的に接続する。これらの接続及び後続の電力伝送は、破線において輪郭を描かれる。
【0085】
【0086】
さらに、ワイヤレス電力伝送システム１５０は、２つの双方向電力伝送システム１５２、１５４を備えると説明されたが、当業者は、他の構成が可能であるということを把握することになる。例えば、ワイヤレス電力伝送システム１５０は、従来のワイヤレス電力伝送受信機に電力を伝送する、又は、従来のワイヤレス電力伝送送信機から電力を抽出する、単一の双方向電力伝送システムを備え得る。例示的な送信機及び受信機は、本出願人の米国特許第９，６５３，９４８号、第１０，４２４，９４２号、及び第１０，０３３，２２５号、並びに、米国特許出願公開第２０２１／００２１１６０号、第２０２０／０２２７９４１号、第２０２０／０２０３９９７号、第２０２０／０２０３９９８号、及び第２０２０／００９９２５４号において説明されており、それらの米国特許及び米国特許出願公開の、関連性のある一部分が、参照により本明細書に組み込まれている。
【0087】
今から図４に目を向けると、ワイヤレス電力伝送システムの別の実施例が、全体的に参照番号２００により識別されて示される。ワイヤレス電力伝送システムは、第１の双方向電力伝送システム２１０と、第２の双方向電力伝送システム２２０とを備える。
【0088】
順行電力流方向において、第１の双方向電力伝送システム２１０は、第２の双方向電力伝送システム２２０に電力を伝送するための送信機として動作し、その第２の双方向電力伝送システム２２０は、送信機により発生させられた磁場及び／又は電場から電力を抽出する受信機として動作する。逆行電力流方向において、第２の双方向電力伝送システム２２０は、第１の双方向電力伝送システム２１０に電力を伝送するための送信機として動作し、その第１の双方向電力伝送システム２１０は、送信機により発生させられた磁場及び／又は電場から電力を抽出する受信機として動作する。
【0089】
ワイヤレス電力伝送システム２００は、電力供給部２１２と、負荷２１３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４と、第１の双方向電力伝送システム２１０とを備える。第１の双方向電力伝送システム２１０は、回路網２１６と、トランシーバ要素２２２とを備える。電力供給部２１２及び負荷２１３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４は、回路網２１６に電気的に接続される。回路網２１６は、トランシーバ要素２２２に電気的に接続される。
【0090】
電力供給部２１２は、電力の送信のために入力電力信号を発生させるためのものである。この実施例において、入力電力信号は、ＤＣ電力信号である。この実施例において、負荷２１３は、ＤＣ負荷である。負荷２１３は、スタティック又は可変であり得る。電力供給部２１２及び負荷２１３は単一のブロックとして描写されるが、それらの電力供給部及び負荷は、２つの別個の電気構成要素を備える。
【0091】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４は、受信されるＤＣ電圧信号を、望まれる電圧レベルに変換するためのものである。受信されるＤＣ電圧は、説明されることになるように、回路網２１６又は電力供給部２１２からのものであり得る。第１の双方向電力伝送システム２１０はＤＣ／ＤＣコンバータ２１４を備えるが、当業者は、他の構成が可能であるということを把握することになる。別の実施例において、ＤＣ／ＤＣコンバータは存在しない。
【0092】
回路網２１６は、先に説明されたクロック発生器１３４と、トリガ回路１３２と、スイッチング要素１３６と、電力段１３８とを備える。
【0093】
トランシーバ要素２２２は、１つ又は複数の容量性電極及び誘導性要素、すなわちインダクタを備える。容量性電極は、横方向に間を空けられた細長の電極であり得るものであり、しかしながら、当業者は、同心、コプレーナ、円形、楕円形、円板、その他の電極を含んでいる、ただしそれらに制限されない、他の構成が可能であるということを把握することになる。他の適する電極構成が、前に述べられた米国特許第９，９７９２，０６号において説明されている。誘導性要素は、１つ又は複数のコイルを備え得る。コイルは、前に述べられた米国特許出願第１７／１９３，５３９号において説明されるようなブースタ又はシールド・コイルを含んでいることもある。
【0094】
順行電力流方向において動作するときに、電力源２１２は、ＤＣ入力電力信号をＤＣ／ＤＣコンバータ２１４に供給し、そのＤＣ／ＤＣコンバータ２１４は、信号を、望まれる電圧レベルに変換する。回路網２１６は、変換されたＤＣ電力信号を受信し、電力を伝送するために、トランシーバ要素２２２において磁場及び／又は電場を発生させるために、変換されたＤＣ電力信号を逆変換することにより、インバータとして機能する。回路網２１６におけるスイッチング要素１３６は、クロック発生器１３４を電力段１３８に電気的に接続する。順行電力流方向において、第１の双方向電力伝送システム２１０は、送信機として働く。
【0095】
逆行電力流方向において動作するときに、トランシーバ要素２２２は、トランシーバ要素２２９により発生させられた、発生させられた磁場及び／又は電場から電力を抽出する。回路網２１６は、同期整流器として働き、受信される電力信号を整流する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４は、整流された電力信号を、負荷２１３により受信される、望まれる電力レベルに変換する。回路網２１６におけるスイッチング要素１３６は、トリガ回路１３２を電力段１３８に電気的に接続する。逆行電力流方向において、第１の双方向電力伝送システム２１０は、受信機として働く。
【0096】
ワイヤレス電力伝送システム２００は、電力供給部２２７と、負荷２２８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６と、第２の双方向電力伝送システム２２０とを備える。第２の双方向電力伝送システム２２０は、回路網２２４と、トランシーバ要素２２９とを備える。電力供給部２２８及び負荷２２７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６に電気的に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６は、回路網２２４に電気的に接続される。回路網２２４は、トランシーバ要素２２９に電気的に接続される。
【0097】
電力供給部２２８は、電力の送信のために入力電力信号を発生させるためのものである。この実施例において、入力電力信号は、ＤＣ電力信号である。この実施例において、負荷２２７は、ＤＣ負荷である。負荷２２７は、スタティック又は可変であり得る。電力供給部２２８及び負荷２２７は単一のブロックとして描写されるが、それらの電力供給部及び負荷は、２つの別個の電気構成要素を備える。
【0098】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６は、受信されるＤＣ電圧信号を、望まれる電圧レベルに変換するためのものである。受信されるＤＣ電圧は、説明されることになるように、回路網２２４又は電力供給部２２７からのものであり得る。第２の双方向電力伝送システム２２０はＤＣ／ＤＣコンバータ２２６を備えるが、当業者は、他の構成が可能であるということを把握することになる。別の実施例において、ＤＣ／ＤＣコンバータは存在しない。
【0099】
この実施例において、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４、２２６は、双方向バック・ブースト・コンバータである。バック／ブースト・コンバータは、互換的に使用され得る、ＤＣ－ＤＣコンバータ入力及び出力を有し得る。
【0100】
回路網２２４は、先に説明されたクロック発生器１３４’と、トリガ回路１３２’と、スイッチング要素１３６’と、電力段１３８’とを備える。
【0101】
トランシーバ要素２２９は、１つ又は複数の容量性電極及び誘導性要素、すなわちインダクタを備える。容量性電極は、横方向に間を空けられた細長の電極であり得るものであり、しかしながら、当業者は、同心、コプレーナ、円形、楕円形、円板、その他の電極を含んでいる、ただしそれらに制限されない、他の構成が可能であるということを把握することになる。他の適する電極構成が、前に述べられた米国特許第９，９７９，２０６号において説明されている。誘導性要素は、１つ又は複数のコイルを備え得る。コイルは、前に述べられた米国特許出願第１７／１９３，５３９号において説明されるようなブースタ又はシールド・コイルを含んでいることもある。
【0102】
双方向電力伝送システム２１０、２２０のトランシーバ要素２２２、２２９は、ワイヤレス・リンク２３０を形成する。トランシーバ要素２２２、２２９は、ワイヤレス・ギャップにより分離される。ワイヤレス・ギャップは、大気、すなわち空気により形成され得る。電力は、共振又は非共振の磁場及び／又は電場結合、すなわち電気又は磁気誘導によって、ワイヤレス・リンク２３０を渡って、一方の要素から他方に伝送される。
【0103】
順行電力流方向において動作するときに、トランシーバ要素２２９は、トランシーバ要素２２２により発生させられた磁場及び／又は電場から電力を抽出する。回路網２２４は、同期整流（ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｒｅｃｔｉｆｉｅｓ）として働き、受信される電力信号を整流する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６は、整流された電力信号を、負荷２２８により受信される、望まれる電力レベルに変換する。回路網２２４におけるスイッチング要素１３６’は、トリガ回路１３２’を電力段１３８’に電気的に接続する。順行電力流方向において、第２の双方向電力伝送システム２２０は、受信機として働く。
【0104】
逆行電力流方向において動作するときに、電力源２２７は、ＤＣ入力電力信号をＤＣ／ＤＣコンバータ２２６に供給し、そのＤＣ／ＤＣコンバータ２２６は、信号を、望まれる電圧レベルに変換する。回路網２２４は、変換されたＤＣ電力信号を受信し、電力を伝送するために、トランシーバ要素２２９において磁場及び／又は電場を発生させるために、変換されたＤＣ電力信号を逆変換することにより、インバータとして機能する。回路網２２４におけるスイッチング要素１３６’は、クロック発生器１３４’を電力段１３８’に電気的に接続する。逆行電力流方向において、第２の双方向電力伝送システム２２０は、送信機として働く。
【0105】
今から図５に目を向けると、第１の双方向電力伝送システム２１０を含んでいるワイヤレス電力伝送システム２００の一部分が、さらに例解される。回路網２１６は、破線により包囲されて示される。先に説明されたように、第１の双方向電力伝送システム２１０が順行電力流方向において送信機として動作しているときに、回路網２１６の電力段１３８は、入力される電力信号を逆変換するためのものである。スイッチング要素１３６は、電力段１３８をクロック発生器１３４に電気的に接続する。
【0106】
この実施例において、回路網２１６は、増幅器２１５と、整合ネットワーク又は回路とを備える電力段１３８を備える。回路網２１６は、スイッチング要素１３６と、電力段１３８に電気的に接続されるクロック発生器１３４とをさらに備える。
【0107】
この実施例において、増幅器２１５は、Ｅ級増幅器である。増幅器２１５は、ゲート・ドライバ２１８と、メイン・スイッチとを備える。ゲート・ドライバ２１８は、増幅器２１５のメイン・スイッチを駆動する。この実施例において、メイン・スイッチは、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２１８Ａを備える。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２１８Ａが例解されているが、当業者は、他のＦＥＴ及びスイッチング・デバイスが使用され得るということを把握することになる。クロック発生器１３４は、スイッチング要素１３６を介してゲート・ドライバ２１８に電気的に接続される。クロック発生器１３４は、発振器を備える。当業者は、クロック発生器１３４が任意の制御不可能な信号発生器を備え得るということを把握することになる。
【0108】
先に説述されたように、電力段１３８は、整合ネットワーク又は回路を備える。様々な整合ネットワークが可能である。この実施例において、整合ネットワークは、単一段インピーダンス・インバータ２１９の形式をとる入力段を備える。単一段インピーダンス・インバータ２１９は、増幅器２１５に電気的に接続される。
【0109】
クロック発生器１３４は、（ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４を介する）電力源２１２からの入力される電力信号を、無線周波数（ＲＦ：ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）又は交流（ＡＣ：ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ）信号に逆変換するように、メイン・スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ２１８Ａ）に接続されるゲート・ドライバ２１８を制御するために、クロック信号を発生させるように構成される。単一段インバータ２１９の出力における電流は、負荷非依存である。
【0110】
回路網２１６は、個別の構成を有すると説明されたが、当業者は、他の設計がさらには可能であるということを把握することになる。例えば、クロック発生器１３４のクロック信号において１８０度位相差を伴う、追加的な段が、回路網２１６を差動回路にするために実現されることがある。
【0111】
図６Ａにおいて示されるように、電力供給部２１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４、及び、増幅器２１５と単一段インピーダンス・インバータ２１９とを含んでいる回路網２１６は、電流Ｉｓを発生させる電流源３０２を伴うノートン等価回路としてモデリングされることがあり、インピーダンス源３０４は、有限インピーダンスＺｓ１を有する。Ｉｓの値は、回路網２１６への入力ＤＣ電圧に依存する。トランシーバ要素２２２、２２９を含んでいるワイヤレス・リンク２３０は、Ｚインピーダンス行列３０６、並びに、それぞれ、第１の双方向電力伝送システム２１０の回路網２１６、及び、第２の双方向電力伝送システム２２０の回路網２２４におけるスイッチング周波数における共振を確実にする、値Ｚｔ及びＺｒを有するチューニング・インピーダンス３０８、３１０としてモデリングされ得る。
【0112】
第２の双方向電力伝送システム２２０の回路網２２４の観点から、電力供給部２１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４、回路２１６、及びワイヤレス・リンク２３０は、さらには、図６Ｂにおいて示されるように、テブナン等価回路としてモデリングされ得る。この等価回路は、電圧Ｖｏｃを有する依存電圧源３１２、及び、Ｚ（ｓ－ｒ）のインピーダンスを有する源インピーダンス３１４、並びに、インダクタンスＬｒを有する直列インダクタ３１８、及び、静電容量Ｃｒを有するコンデンサ３１６を含んでいる。インダクタ３１８及びコンデンサ３１６は、スイッチング周波数において共振する。Ｖｏｃ及びＺ（ｓ－ｒ）の値は、下記の式１及び式２において示されるように、Ｉｓ、Ｚｓ１、Ｚｔ、Ｚｒ、及び、ワイヤレス・リンク２３０のインピーダンス行列３０６（Ｚ）に基づいて算出されることがある。
【数1】
【0113】
例えば、２７．１２ＭＨｚのスイッチング又は共振周波数において、１００Ω共振器を使用する容量性（電場結合）ワイヤレス電力伝送システムは、Ｖｏｃ＝３６Ｖｒｍｓの電圧源、及び、Ｚｓ－ｒ＝２．５Ωの源インピーダンスを有することになる。
【0114】
今から図７に目を向けると、第２の双方向電力伝送システム２２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６、及び負荷２２８が、さらに例解される。回路網２２４は、破線により包囲されて示される。先に説明されたように、第２の双方向電力伝送システム２２０が順行電力流方向において受信機として動作しているときに、回路網２２４の電力段１３８’は、受信される電力信号を整流するためのものである。スイッチング要素１３６’は、電力段１３８’をトリガ回路１３２’に電気的に接続する。
【0115】
例解される配置構成において、回路網２２４は、増幅器２４０と、整合ネットワーク又は回路とを備える電力段１３８’を備える。回路網２２４は、スイッチング要素１３６’と、トリガ回路１３２’と、補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０とをさらに備える。増幅器２４０は、整合ネットワーク又は回路に電気的に接続される。
【0116】
この実施例において、増幅器２４０は、Ｅ級増幅器であるが、他の増幅器構成が可能である。増幅器２４０は、ゲート・ドライバ２６０と、メイン・スイッチとを備える。ゲート・ドライバ２６０は、増幅器２４０のメイン・スイッチを駆動する。この実施例において、メイン・スイッチは、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２４１を備える。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ２４１が例解されているが、当業者は、他のＦＥＴ及びスイッチング・デバイスが使用され得るということを把握することになる。
【0117】
さらに、Ｅ級増幅器が例解及び説明されたが、他の増幅器型が、当業者が把握することになるように可能である。
【0118】
補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０は、トリガ回路１３２’に電気的に接続される。トリガ回路１３２’は、スイッチ１３６’を介して増幅器２４０に電気的に接続される。トリガ回路１３２’は、トランシーバ２２９にさらに電気的に接続される。増幅器２４０の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６及び補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０に電気的に接続される。ＭＯＳＦＥＴ２４１のゲート端子が、ゲート・ドライバ２６０に電気的に接続される。
【0119】
ゲート・ドライバ２６０は、増幅器２４０が、説明されることになるように、ゲート・ドライバ２６０を介してトリガ回路１３２’により制御されるように、増幅器２４０のメイン・スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ２４１）に電気的に接続される。
【0120】
先に説述されたように、電力段１３８’は、整合ネットワーク又は回路を備える。様々な整合ネットワークが可能である。この実施例において、整合ネットワークは、二重段インピーダンス・インバータ２３１の形式をとる入力段を備える。
【0121】
一般的に、Ｅ級増幅器において、整流器の性能は、指定された出力負荷、すなわち、望まれる負荷について最適化される。動作中、出力負荷が、望まれる負荷から変動する際、増幅器ＤＣ電圧は、大幅に変動する。さらにまた、出力負荷が、望まれる負荷から変動するときに、増幅器２４０のメイン・スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ２４１）のゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ：ｚｅｒｏ－ｖｏｌｔａｇｅ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）動作が、損なわれた様態になり、その成り行きとして、動作は不安定になる。対照的に、負荷非依存Ｅ級増幅器は、無負荷条件、すなわちゼロ負荷から全負荷条件まで、増幅器２４０のスイッチのＺＶＳ動作を保持する。加えて、整流された電圧は、無負荷条件と全負荷条件との間で、相対的に一定である。無負荷条件から全負荷条件までのスイッチング損失は、近似的に一定であり、性能は安定したままである。
【0122】
Ｅ級増幅器設計は、入力ＲＦ電力をＤＣに変換するように適合させられる。増幅器２４０の動作又はスイッチング周波数は、例えば、６．７８ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、及び２７．１２ＭＨｚであり得る。増幅器２４０による電圧出力は、Ｖｒｅｃｔ－ｒである。二重段インピーダンス・インバータ２３０内へのＲＦ電圧入力は、Ｖｉｎである。この実施例において、ＤＣ電圧Ｖｒｅｃｔ－ｒは、無調節である。増幅器２４０は負荷非依存増幅器を備えるので、スイッチ・ノード波形は、先に説明されたように、負荷に関して有意に変動しない。そうして、電圧は、相対的に安定している。
【0123】
補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０は、トリガ回路１３２’に給電するために、増幅器２４０によるＶｒｅｃｔ－ｒ出力を、例えば５Ｖのレンジにおける、補助電圧レンジ、Ｖａｕｘ－ｒに変換するためのものである。補助信号Ｖａｕｘ－ｒは、トリガ回路１３２’に給電する。補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０が調節することができるまで、ＭＯＳＦＥＴ２４１はオフであり、増幅器２４０は、受動（ダイオード）整流器として働く。この実施例において、補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０は、低電力バック・コンバータを備える。
【0124】
トリガ回路１３２’は、補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０からの信号、例えばＶａｕｘ－ｒにより給電される。トリガ回路１３２’は、トランシーバ要素２２９により出力されたＲＦ電力Ｖｉｎをサンプリングし、適切にタイミングを図られたトリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｒを生み出す。トリガ電圧又は信号Ｖｔｒｉｇ－ｒは、ゲート・ドライバ２６０によるゲート駆動電圧又はゲート信号Ｖｇａｔｅ－ｒ出力が入力Ｖｉｎと同位相であるように、タイミングを図られる。トリガ回路１３２’は、ゲート・ドライバ２６０によるゲート駆動電圧又はゲート信号Ｖｇａｔｅ－ｒ出力の適正なタイミングを確実にするためのものである。説明されることになるように、トリガ回路１３２’は、入力信号Ｖｉｎを使用してタイミングを回復するトリガ信号Ｖｔｒｉｇ－ｒを提供するように構成される。例解される配置構成において、トリガ信号Ｖｔｒｉｇ－ｒは、パルス信号を含む。
【0125】
理想的には、増幅器２４０のメイン・スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ２４１）は、入来する電流が正であるときに開いており、入来する電流が負であるときに閉じられ、そのことによって、適正な整流が結果的に生じる。完璧なチューニングを想定すると、Ｖｇａｔｅ－ｒは、Ｖｉｎと同位相であるべきである。
【0126】
ゲート・ドライバ２６０は、ＭＯＳＦＥＴ２４１をスイッチングするために信号を出力する。特に、ゲート・ドライバ２６０は、増幅器２４０の動作を制御する、例えば、増幅器２４０のＭＯＳＦＥＴ２４１のスイッチングを制御するために、ゲート駆動電圧又はゲート信号Ｖｇａｔｅ－ｒを出力する。
【0127】
この実施例において、ゲート駆動電圧Ｖｇａｔｅ－ｒは、ゲート・ドライバ２６０内へのトリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｒ入力の、遅延させられた、及び、より強力な複製物である。
【0128】
ゲート・ドライバ２６０及びトリガ回路１３２’は、無視できない伝搬遅延を呈する。ゲート・ドライバ２６０及びトリガ回路１３２’からの無視できない伝搬遅延の難題に対処するために、トリガ回路１３２’は、Ｖｇａｔｅ－ｒがＶｉｎと同期させられるということを確実にするために、トリガ回路１３２’が出力信号Ｖｔｒｉｇ－ｒをさらに遅延させるように設計される。
【0129】
先に説述されたように、電力供給部２１２、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４、回路網２１６、及びワイヤレス・リンク２３０は、図６Ｂにおいて示されるように、テブナン等価回路としてモデリングされ得る。源インピーダンスＺｓ－ｒは、動作周波数において、小さく、抵抗性である。
【0130】
このモデルは、トランシーバ要素２２２、２２９の両方が、良好にチューニングされ、高い負荷無（ｕｎｌｏａｄｅｄ）品質係数を呈し、良好に結合され、そのことによって、ワイヤレス・リンク２３０を渡る、高い、すなわち９０％よりも大である、電力伝送効率が結果的に生じるということを想定する。結果として、入力電圧Ｖｉｎは、負荷が変化する際に相対的に一定である、すなわち、負荷非依存である、滑らかな正弦曲線である。
【0131】
第２の双方向電力伝送システム２２０の回路網２２４が負荷非依存であるためには、ＭＯＳＦＥＴ２４１をトリガするパルスの位相は、負荷２２８の値に非依存である。式（１）にしたがえば、Ｖｏｃの大きさは、Ｉｓを変化させて、そのことにより、回路網２１６上のＤＣ電圧を変化させることにより変化する。Ｚ（ｓ－ｒ）についての小さい値を想定すると、図６Ｂにおける電圧Ｖｉｎの位相は、その位相が負荷２２８の値に依存していないので、ＭＯＳＦＥＴ２４１のためのトリガ信号を発生させるために使用され得る。
【0132】
今から図８から図１３に目を向けての、より良好に例解される、第２の双方向電力伝送システム２２０の回路網２２４の要素。先に説述されたように、回路網２２４は、この配置構成において、入力段の形式をとる、整合ネットワーク又は回路を備える。入力段は、二重インピーダンス・インバータ２３１を備える。二重インピーダンス・インバータ２３１として実現される入力段の例示的な配置構成が、図８において描写される。二重インピーダンス・インバータ２３１は、回路網２２４の最適インピーダンスを、トランシーバ要素２２９におけるインピーダンスに対して整合するように構成される。この実施例において、二重インピーダンス・インバータ２３１は、増幅器２４０により発生させられる高調波内容物を低減するようにさらに構成される。
【0133】
図８において示されるように、二重インピーダンス・インバータ２３１は、ＬＣ「Ｔ」ネットワークの２つの段として実現される。個別の２つのＬＣ「Ｔ」ネットワークは、インダクタンスＬ２、Ｌ１＋Ｌ２、及びＬ１それぞれを有する、３つの直列接続されるインダクタ３２０、３２２、３２４を備える。静電容量Ｃ２を伴うコンデンサ３２６が、インダクタ３２０及び３２２の間に並列に接続される。静電容量Ｃ１を伴うコンデンサ３２８が、インダクタ３２２及び３２４の間に並列に接続される。インダクタ３２０及びコンデンサ３２６ペア、並びに、インダクタ３２４及びコンデンサ３２８ペアは、スイッチング周波数において共振する。二重インピーダンス・インバータ２３１から増幅器２４０への出力電圧は、Ｖｉｎ－ｒｘである。
【0134】
増幅器２４０の入力インピーダンスは、Ｚ（ｉｎ－ｒｘ）であり、順行電力流方向において電力を抽出するトランシーバ要素２２９のインピーダンスは、Ｚ（ｉｎ－ｒ）である。スイッチング周波数において、それらのインピーダンスは、下記に示されるような式３により関係付けられる。
【数2】
【0135】
個別のネットワーク・トポロジーが説明されたが、当業者は、「パイ」又は「Ｌ」ネットワークなどの、他の整合ネットワーク・トポロジーが可能であるということを把握することになる。
【0136】
今から図９に目を向けると、増幅器２４０の回路線図が示される。増幅器２４０は、入力段からのスイッチング周波数における入力ＲＦ信号Ｖｉｎ－ｒｘを、ＤＣ及び電圧信号Ｖｒｅｃｔ－ｒに変換する。この実施例において、増幅器２４０は、Ｅ級増幅器を備える。
【0137】
増幅器２４０は、すべてが直列に接続される、インダクタンスＬｆ－ｒ＋Ｌａ－ｒを有するインダクタ３３０と、静電容量Ｃｆ－ｒを有するコンデンサ３３２と、インダクタンスＬｚｖｓ－ｒを有するインダクタ３３４とを備える。増幅器２４０は、Ｄ１－ｒと指示されるダイオード３３６と、静電容量Ｃｚｖｓ－ｒを有するコンデンサ３３８と、コンデンサＣｒｅｃｔ－ｒを有するコンデンサ３４０とをさらに備える。メイン・スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ２４１）、コンデンサ３３８、及びダイオード３３６は、コンデンサ３３２とインダクタ３３４との間に並列に接続される。コンデンサ３４０は、Ｖｒｅｃｔ－ｒと接地との間にある。
【0138】
増幅器２４０入力電流の追加的なフィルタリングが、さらにはスイッチング周波数において共振性である、インダクタ３３０における追加的なインダクタンスＬ（ｆ－ｒ）、及び、静電容量Ｃ（ｆ－ｒ）を有するコンデンサ３３２によって達成される。入力電流は、正弦又は近似的に正弦であることを想定され、以て、下記の、後に続く設計式４及び式５が、ＭＯＳＦＥＴ２４１の５０％デューティ・サイクルにおける負荷非依存及びゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を達成するために適用されることがある。
Ｌａ－ｒ＝０．２６６３Ｌｚｖｓ－ｒ （式５）
【数3】
Ｌａ－ｒ＝０．２６６３Ｌｚｖｓ－ｒ （式５）
【0139】
ここで、ω０は、ラジアン・スイッチング周波数である。
【0140】
Ｃ（ｊ－ｒ）は、ダイオード３３６の接合静電容量である。
【0141】
Ｃｏｓｓ－ｒは、ドレイン端子Ｑ１－ｒにおけるＭＯＳＦＥＴ２４１の出力静電容量である。
【0142】
及び、Ｌａ－ｒは、適正なＺＶＳのために要されるインダクタ３３０の直列インダクタンスの一部分である。
【0143】
整流されたＤＣ電圧Ｖｒｅｃｔ－ｒは無調節であるが、負荷非依存トポロジーの実現形態は、スイッチ・ノード波形が負荷に関して有意に変動しないということを確実にする。そうして、整流された電圧は、相対的に安定しており、増幅器２４０は、負荷非依存である。
【0144】
Ｅ級増幅器が描写されるが、他の増幅器が可能である。例えば、同一の段が、描写される増幅器に追加され得る。この構成において、信号Ｖｇａｔｅ－ｒと比較され、信号Ｖｒｅｃｔ－ｒに接続される相補ゲート信号が、差動Ｅ級増幅器２４０段を作製するために追加されることがある。
【0145】
負荷は、個別の電圧を要し得るものであり、そうして、先に説明されたＤＣ／ＤＣコンバータ２２６が、望まれる出力電圧を提供するために使用され得る。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６は、Ｖｒｅｃｔ－ｒをＶｏｕｔ－ｒに変換する。
【0146】
トリガ回路１３２’は、ワイヤレス電力伝送を同期させるように構成される。トリガ回路１３２’は、増幅器２４０の動作を、トランシーバ要素２２９により受信される電力信号と同期させるように、ゲート・ドライバ２６０及びそれゆえに増幅器２４０の動作を制御する。
【0147】
タイミング回復が、ＭＯＳＦＥＴ２４１の適正なスイッチングを確実にするために要される。理想的には、同期ＭＯＳＦＥＴ２４１は、入来する電流が正であるときに開位置にあり、入来する電流が負であるときに閉じられ、そのことによって、整流が結果的に生じる。入力段２３０が完璧にチューニングされるということを想定すると、このことは、Ｖｇａｔｅ－ｒがＶｉｎと完璧に同位相であるべきであるということを意味する。このことを達成するために、トリガ回路１３２’は、Ｖｉｎをサンプリングし、ゲート・ドライバ２６０のために、適切にタイミングを図られたトリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｒを生み出す。
【0148】
ゲート・ドライバ２６０及びトリガ回路１３２’の両方は、無視できない伝搬遅延を呈する。これらの無視できない伝搬遅延に対処するために、トリガ回路１３２’は、Ｖｇａｔｅ－ｒがＶｉｎと同期させられるまで、そのトリガ回路１３２’が信号をさらに遅延させるように設計される。
【0149】
そうして、トリガ回路１３２’は、「ＲＸ時間回復トリガ回路」である。トリガ回路１３２’は、順行電力流方向において同期整流を達成するように動作する。
【0150】
今から図１０に目を向けると、トリガ回路１３２’、スイッチング要素１３６’、補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０、及び増幅器２４０のブロック線図が描写される。トリガ回路１３２’は、破線において輪郭を描かれ、トランシーバ要素２２９から入力電圧Ｖｉｎにおける抽出された電力信号を受信する。トリガ回路１３２’は、スイッチング要素１３６’を介して増幅器２４０に、及び、補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０に電気的に接続される。特に、トリガ回路１３２’は、図７において示されるように、スイッチング要素１３６’を介して増幅器２４０のゲート・ドライバ２６０に電気的に接続される。増幅器２４０は、補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０に電気的に接続される。
【0151】
増幅器２４０のゲート・ドライバ２６０は、ＭＯＳＦＥＴ２４１をオン又はオフにスイッチングするために、適切な波形を生み出す。関連付けられるゲート駆動電圧Ｖｇａｔｅ－ｒは、本質的には、入力トリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｒの、遅延させられた、及び、より強力な複製物である。
【0152】
先に説述されたように、補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０は、トリガ回路１３２’に給電する。
【0153】
トリガ回路１３２’は、サンプリング回路２７２と、遅延ライン２７４と、比較器回路２７６とを備える。サンプリング回路２７２は、電圧サンプリング回路である。この実施例において、電圧サンプリング回路は、電圧分割器である。サンプリングされた入力電圧Ｖｉｎは、電圧分割器から遅延ライン２７４に送り込まれる。遅延ライン２７４は、集中素子遅延回路を備える。比較器回路２７６は、遅延させられた信号Ｖｄ－ｒをＤＣレベルと比較することにより、クロック信号を発生させるために使用される。結果的に生じるトリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｒは、増幅器２４０に、特に、ゲート・ドライバ２６０に送り込まれ、そのゲート・ドライバ２６０は、増幅器２４０のＭＯＳＦＥＴ２４１を駆動するために、トリガ電圧を、適する波形Ｖｇａｔｅ－ｒに変換する。電圧サンプリング回路２７２、遅延ライン２７４、及び比較器回路２７６は、Ｖｇａｔｅ－ｒがＶｉｎと同期させられるように構成される。
【0154】
今から図１１に目を向けると、サンプリング回路２７２が、さらに例解される。サンプリング回路２７２は、電圧サンプリング回路である。サンプリング回路２７２は、比較器回路２７６に適するレンジまで電圧の振幅を低減するために、容量性電圧分割器ネットワークを使用して実現される。電圧分割器ネットワークは、静電容量Ｃｓ１－ｒを有するコンデンサ３４２と、インダクタンスＬｓ－ｒを有するインダクタ３４４と、静電容量Ｃｓ２－ｒを有するコンデンサ３４６とを備える。コンデンサ３４２は、インダクタ３４４に直列に接続される。コンデンサ３４６は、コンデンサ３４２とインダクタ３４４との間に並列に接続される。
【0155】
インダクタ３４４は、遅延ライン２７４の前の、関連付けられる容量性リアクタンスを相殺するように構成される。
【0156】
今から図１２に目を向けると、遅延ライン２７４の回路線図が示される。この実施例において、遅延ライン２７４は、多重段集中素子送信ライン回路として実現される。各集中素子は、ＬＣ要素を備える。例解される配置構成において、集中素子送信ライン回路は、ライン回路に沿って一様に分割されたヨン（４）個の集中素子段を備える。図１２は、一様に分けられた遅延ライン２７４を例解するが、各段における構成要素は、同一であることを必ずしも必要とせず、段の数は、４よりも少ない、又は多いことがある。
【0157】
受動インダクタ及びコンデンサの個別の集中素子が遅延ライン２７４について説明されたが、当業者は、集積アナログ又はデジタル遅延回路などの、他の構成の遅延回路が可能であるということを把握することになる。
【0158】
例解される配置構成において、集中素子送信ライン回路は、直列に配置構成されるヨン（４）個のインダクタ３５０、３５２、３５４、３５６と、インダクタ３５０、３５２、３５４、３５６、及び、抵抗値Ｚ０を有する抵抗器３６８の間に並列に配置構成されるヨン（４）個のコンデンサ３６０、３６２、３６４、３６６とを備える。Ｌｄｒ及びＣｄｒそれぞれにより表象される、遅延ライン２７４と関連付けられる総合的なインダクタンス及び静電容量は、インダクタ３５０、３５２、３５４、３５６、及び、コンデンサ３６０、３６２、３６４、３６６の間で分割される（Ｌｄ－ｒ及びＣｄ－ｒ構成要素）。
【0159】
遅延ライン２７４が整合終端されるということを想定すると、関連付けられる時間遅延は、下記の式６により与えられる。
【数4】
【0160】
遅延ライン２７４が無損失であるということがさらに想定されるならば、特性インピーダンスＺ０は、下記の式７により与えられ得る。
【数5】
【0161】
結果として、Ｚ０及びτｄが選択されると、例えば４段の一様に分けられた遅延ラインについての、インダクタのインダクタンスＬｄ－ｒ、及び、コンデンサの静電容量Ｃｄ－ｒは、下記の式８により与えられる。
【数6】
【0162】
遅延は、Ｚ０、すなわち特性インピーダンスの値を有する抵抗３６８によって終端させられ、この終端の両端間の電圧は、Ｖｄ－ｒにより表象される、Ｖｉｎのスケーリングされた、及び遅延させられたバージョンである。
【0163】
Ｖｉｎ及びＶｇａｔｅ－ｒを同期させるために、厳密な遅延を達成するために、遅延ライン２７４において、段のうちの１つにおける遅延を低減又は増大し、４つよりも多い、又は少ない段を有することが必要であり得る。段のうちの１つ又は複数における遅延を低減又は増大することは、任意の個別の段について、異なるインダクタンス又は静電容量値を使用することを要する。しかしながら、選定されたインダクタ及びコンデンサの値は、特性インピーダンスが同じでなければならないので、式７を満足させなければならない。
【0164】
今から図１３に目を向けると、トリガ回路１３２’の一部分、スイッチング要素１３６’、ゲート・ドライバ２６０、及び補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０の回路線図が示される。特に、トリガ回路１３２’の比較器回路２７６が例解される。比較器回路２７６は、遅延ライン２７４による遅延させられた信号Ｖｄ－ｒ出力をＤＣ信号と比較することにより、クロック信号を発生させるためのものである。図１３において示されるように、比較器回路２７６は、補助供給電圧Ｖａｕｘ－ｒを有する補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０から給電される比較器２７７（Ａ１－ｒ）を備える。
【0165】
比較器２７７の入力は、Ｖａｕｘ－ｒのおおよそ半分にバイアスされる。正比較器入力Ｖ＋ｒについて、このことは、Ｒ２の抵抗を各々伴う、２つの等しい値をもつ抵抗器３７２、３７６を使用して達成される。
【0166】
負比較器入力Ｖ－ｒは、Ｒ１の抵抗を各々伴う、２つの等しい値をもつ抵抗器３７０、３７４を使用して達成される。
【0167】
遅延ライン２７４による遅延させられた電圧信号Ｖｄ－ｒ出力は、静電容量Ｃｂ－ｒを有するＤＣ阻止コンデンサ３７１を介して、負比較器入力Ｖ－ｒに結合され、そうして、トリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｒは、遅延させられた電圧信号Ｖｄ－ｒに相対的に反転される（１８０°位相を異にする）ことになる。Ｖｇａｔｅ－ｒがＶｉｎと同位相であるということを確実にするために要される総合的な遅延の見地において、このことは、効果的にスイッチング期間の半分の因となり、そうして、遅延ライン２７４への負担を低減する。結果として、総合的な遅延（τｄｒ）は、下記の式９により与えられる。
【数7】
【0168】
ここで、Ｔｓは、スイッチング期間であり、τｃは、比較器２７７の伝搬遅延であり、τｇは、ゲート・ドライバ２６０の伝搬遅延である。
【0169】
ゲート・ドライバ２６０の出力は、ゲート信号Ｖｇａｔｅ－ｒをＭＯＳＦＥＴ２４１に提供するために、抵抗Ｒｇ－ｒを有する抵抗器３８０に接続される。
【0170】
スタート・アップのすぐ後は、出力電圧Ｖｏｕｔ－ｒは、補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０のターン・オン電圧未満であることになり、なぜならば、増幅器２４０のＭＯＳＦＥＴ２４１はオフであり、ダイオード３３６は整流を遂行しているからである。出力電圧Ｖｏｕｔ－ｒが補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０のこのターン・オンしきい値電圧を上回る際、Ｖａｕｘ－ｒが、その公称値まで立ち上がることを開始することになる。コンデンサ３７１の存在が、比較器２７７への負入力Ｖ－ｒの立ち上がり時間を遅らせることの効果を生出することになる。同様の容量性装荷が比較器２７７の正入力Ｖ＋ｒに付与されない限り、有意な時間区間であって、その間、その正入力Ｖ＋ｒが負入力Ｖ－ｒを上回り、そうして、トリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｒが高いことになる、有意な時間区間が存し得る。このことは、増幅器２４０を不安定化し、ＭＯＳＦＥＴ２４１への損傷を引き起こし得る。したがって、分路コンデンサ３７８、静電容量Ｃｓｔ－ｒを有する分路コンデンサ３７８が、負入力電圧Ｖ－ｒがスタート・アップ中に正入力電圧Ｖ＋ｒよりも大であるということを確実にするために、正入力Ｖ＋ｒに追加される。分路コンデンサ３７８のこの静電容量Ｃｓｔ－ｒは、阻止コンデンサ３７１の静電容量Ｃｂ－ｒの少なくとも２倍であるように選定される。例示的な配置構成において、Ｃｂ－ｒが２００ｎＦであるならば、Ｃｓｔ－ｒは、４７０ｎＦであり得る。
【0171】
先に説述されたように、順行電力流方向において動作するときに、第１の双方向電力伝送システム２１０は、送信機として動作する。電力供給部２１２は電圧を出力し、その電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４により、必要なレベルに変換される。電力段１３８の増幅器２１５は、変換された電圧を受信する。増幅器２１５のゲート・ドライバ２１８は、入力される電力信号（変換された電圧）を逆変換するために、スイッチング要素１３６を介する、クロック発生器１３４により発生させられたクロック信号の制御のもとで、増幅器２１５のメイン・スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ２１８Ａ）を駆動する。単一段インピーダンス・インバータ２１９は、負荷非依存である電流を出力するために、この信号を受信する。インピーダンス・インバータ２１９は、第２の双方向電力伝送システム２２０の第２のトランシーバ要素２２９に、ワイヤレス結合（電場及び／又は磁場結合）によって電力を伝送するために、第１の双方向電力伝送システム２１０の第１のトランシーバ要素２２２を駆動する。
【0172】
順行電力流方向において動作するときに、第２の双方向電力伝送システム２２０は、受信機として動作する。第２のトランシーバ要素２２９における受信される電圧Ｖｉｎは、第２の双方向電力伝送システム２２０のトリガ回路１３２’及び電力段１３４’（回路網２２４）に送り込まれる。回路網２２４の二重段インピーダンス・インバータ２３１は、電圧Ｖｉｎを受信し、電圧を回路網２２４の最適インピーダンスに対して整合する。トリガ回路１３２’は、スイッチング要素１３６’を介して、増幅器２４０のゲート・ドライバ２６０の動作を制御する。具体的には、トリガ回路１３２’は、入力電圧Ｖｉｎをサンプリングし、ゲート・ドライバ２６０のために、適切にタイミングを図られたトリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｒを生み出す。ゲート・ドライバ２６０は、トリガ回路１３２’からの受信されるトリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｒに基づいて、増幅器２４０の動作を制御する、例えば、増幅器２４０のＭＯＳＦＥＴ２４１のスイッチングを制御するために、ゲート駆動電圧又はゲート信号Ｖｇａｔｅ－ｒを出力する。増幅器２４０は、次いで、ＤＣ電圧Ｖｒｅｃｔ－ｒをＤＣ／ＤＣコンバータ２２６に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６は、負荷２２８のために、ＤＣ電圧Ｖｒｅｃｔ－ｒを、望まれるＶｏｕｔ－ｒに変換する。ＤＣ電圧Ｖｒｅｃｔ－ｒは、さらには、トリガ回路１３２’に給電するために、補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０により使用される。
【0173】
ワイヤレス電力伝送システムは、今から、逆行電力流方向において動作するときで説明されることになる。
【0174】
今から図１４に目を向けると、第２の双方向電力伝送システム２２０を含んでいるワイヤレス電力伝送システム２００の一部分が、さらに例解される。回路網２２４は、破線により包囲されて示される。先に説明されたように、第２の双方向電力伝送システム２２０が逆行電力流方向において送信機として動作しているときに、回路網２２４の電力段１３８’は、入力される電力信号を逆変換するためのものである。スイッチング要素１３６’は、電力段１３８’をクロック発生器１３４’に電気的に接続する。
【0175】
回路網２２４は、増幅器２４０と、整合ネットワーク又は回路とを備える電力段１３８’を備える。この実施例において、整合ネットワーク又は回路は、二重段インピーダンス・インバータ２３１の形式をとる。
【0176】
先に説明されたように、増幅器２４０は、Ｅ級増幅器であり、ゲート・ドライバ２６０と、ＭＯＳＦＥＴ２４１の形式をとるメイン・スイッチとを備える。クロック発生器１３４’は、スイッチング要素１３６’を介してゲート・ドライバ２６０に接続される。クロック発生器１３４’は、発振器を備える。当業者は、クロック発生器１３４’が任意の制御不可能な信号発生器を備え得るということを把握することになる。
【0177】
クロック発生器１３４’は、（ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６を介する）電力源２２７からの入力される電力信号を、ＲＦ又はＡＣ信号に逆変換するように、メイン・スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ２４１）に接続されるゲート・ドライバ２６０を制御するために、クロック信号を発生させるように構成される。二重段インバータ２３１の出力における電圧は、負荷非依存である。
【0178】
回路網２２４は、個別の構成を有すると説明されたが、当業者は、他の設計がさらには可能であるということを把握することになる。例えば、クロック発生器１３４’のクロック信号において１８０度位相差を伴う、追加的な段が、回路網２２４を差動回路にするために実現されることがある。
【0179】
電力供給部２２７、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６、及び、増幅器２４０と二重段インピーダンス・インバータ２３１とを含んでいる回路網２２４は、図１５Ａにおいて示されるように、テブナン等価回路としてモデリングされることがある。回路は、電圧Ｖｓを発生させる電圧源４０２と、インピーダンスＺｓ２を有するインピーダンス源４０４とを備える。Ｖｓの値は、回路網２２４への入力ＤＣ電圧に依存する。トランシーバ要素２２２、２２９を含んでいるワイヤレス・リンク２３０は、Ｚインピーダンス行列４０８、並びに、それぞれ、第２の双方向電力伝送システム２２０の回路網２２４、及び、第１の双方向電力伝送システム２１０の回路網２１６におけるスイッチング周波数における共振を確実にする、値Ｚｔ及びＺｒを有するチューニング・インピーダンス４１０、４０６としてモデリングされ得る。
【0180】
電力供給部２２７、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６、回路網２２４、及びワイヤレス・リンク２３０は、さらには、図１５Ｂにおいて示されるように、ノートン等価回路としてモデリングされ得る。この等価回路は、並列に接続される、電流Ｉｓｃを有する依存電流源４１２、及び、Ｚｓ－ｔの有限源インピーダンスを有する源インピーダンス４１４、並びに、インダクタンスＬｒを有する直列インダクタ４１８、及び、静電容量Ｃｒを有する直列コンデンサ４１６を含んでいる。インダクタ４１８及びコンデンサ４１６は、スイッチング周波数において共振する。Ｉｓｃ及びＺｓ－ｔの値は、下記の式１０及び式１１において示されるように、Ｖｓ、Ｚｓ２、Ｚｔ、Ｚｒ、及び、ワイヤレス・リンク２３０のインピーダンス行列（Ｚ）に基づいて算出されることがある。
【数8】
【0181】
今から図１６に目を向けると、第１の双方向電力伝送システム２１０を含んでいるワイヤレス電力伝送システム２００の一部分が、さらに例解される。回路網２１６は、破線により包囲されて示される。先に説明されたように、第１の双方向電力伝送システム２１０が逆行電力流方向において受信機として動作しているときに、回路網２１６の電力段１３８は、受信される電力信号を整流するためのものである。スイッチング要素１３６は、電力段１３８をトリガ回路１３２に電気的に接続する。
【0182】
先に説明されたように、回路網２１６は、増幅器２１５と、単一段インピーダンス・インバータ２１９の形式をとる整合ネットワーク又は回路とを備える電力段１３８を備える。回路網２１６は、スイッチング要素１３６を介して増幅器２１５のゲート・ドライバ２１８に電気的に接続されるトリガ回路１３２をさらに備える。回路網２１６は、トリガ回路１３２に電気的に接続される補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０’をさらに備える。
【0183】
先に説述されたように、増幅器２１５は、Ｅ級増幅器である。増幅器２１５は、ゲート・ドライバ２１８と、ＭＯＳＦＥＴ２１８Ａの形式をとるメイン・スイッチとを備える。
【0184】
一般的に、Ｅ級増幅器において、整流器の性能は、指定された出力負荷、すなわち、望まれる負荷について最適化される。動作中、出力負荷が、望まれる負荷から変動する際、増幅器ＤＣ電圧は、大幅に変動する。さらにまた、出力負荷が、望まれる負荷から変動するときに、増幅器２１５のメイン・スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ２１８Ａ）のゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）動作が、損なわれた様態になり、その成り行きとして、動作は不安定になる。対照的に、負荷非依存Ｅ級増幅器は、無負荷条件、すなわちゼロ負荷から全負荷条件まで、増幅器２１５のスイッチのＺＶＳ動作を保持する。加えて、整流された電圧は、無負荷条件と全負荷条件との間で、相対的に一定である。無負荷条件から全負荷条件までのスイッチング損失は、近似的に一定であり、性能は安定したままである。
【0185】
Ｅ級増幅器設計は、入力ＲＦ電力をＤＣに変換するように適合させられる。増幅器２１５の動作又はスイッチング周波数は、例えば、６．７８ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚ、及び２７．１２ＭＨｚであり得る。増幅器２１５による電圧出力は、Ｖｒｅｃｔ－ｔである。単一段インピーダンス・インバータ２１９内へのＲＦ電流入力は、Ｉｉｎである。この実施例において、ＤＣ電圧Ｖｒｅｃｔ－ｔは、無調節である。増幅器２１５は負荷非依存増幅器を備えるので、スイッチ・ノード波形は、先に説明されたように、負荷に関して有意に変動しない。そうして、電圧は、相対的に安定している。
【0186】
補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０’は、トリガ回路１３２に給電するために、増幅器２１５によるＶｒｅｃｔ－ｔ出力を、例えば５Ｖのレンジにおける、補助電圧レンジ、Ｖａｕｘ－ｔに変換するためのものである。補助信号Ｖａｕｘ－ｔは、トリガ回路１３２に給電する。補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０’が調節することができるまで、ＭＯＳＦＥＴ２１８Ａはオフであり、増幅器２１５は、受動（ダイオード）整流器として働く。この実施例において、補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０’は、低電力バック・コンバータを備える。
【0187】
トリガ回路１３２は、補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０’からの信号、例えばＶａｕｘ－ｔにより給電される。トリガ回路１３２は、トランシーバ要素２２２により出力されたＲＦ電力入力Ｉｉｎをサンプリングし、適切にタイミングを図られたトリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｔを生み出す。トリガ電圧又は信号Ｖｔｒｉｇ－ｔは、ゲート・ドライバ２１８によるゲート駆動電圧又はゲート信号Ｖｇａｔｅ－ｔ出力が入力電流Ｉｉｎと９０度位相を異にするように、タイミングを図られる。トリガ回路１３２は、ゲート・ドライバ２１８によるゲート駆動電圧又はゲート信号Ｖｇａｔｅ－ｔ出力の適正なタイミングを確実にするためのものである。説明されることになるように、トリガ回路１３２は、入力電流Ｉｉｎを使用してタイミングを回復するトリガ信号Ｖｔｒｉｇ－ｔを提供するように構成される。例解される配置構成において、トリガ信号Ｖｔｒｉｇ－ｔは、パルス信号を含む。
【0188】
理想的には、増幅器２１５のメイン・スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ２１８Ａ）は、入来する電流が正であるときに開いており、入来する電流が負であるときに閉じられ、そのことによって、適正な整流が結果的に生じる。完璧なチューニングを想定すると、Ｖｇａｔｅ－ｔは、Ｉｉｎと９０度位相を異にするべきである。
【0189】
ゲート・ドライバ２１８は、ＭＯＳＦＥＴ２１８Ａをスイッチングするために信号を出力する。特に、ゲート・ドライバ２１８は、増幅器２１５の動作を制御する、例えば、増幅器２１５のＭＯＳＦＥＴ２１８Ａのスイッチングを制御するために、ゲート駆動電圧又はゲート信号Ｖｇａｔｅ－ｔを出力する。
【0190】
この実施例において、ゲート駆動電圧Ｖｇａｔｅ－ｔは、ゲート・ドライバ２１８内へのトリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｔ入力の、遅延させられた、及び、より強力な複製物である。
【0191】
ゲート・ドライバ２１８及びトリガ回路１３２は、無視できない伝搬遅延を呈する。ゲート・ドライバ２１８及びトリガ回路１３２からの無視できない伝搬遅延の難題に対処するために、トリガ回路１３２は、Ｖｇａｔｅ－ｔがＶｉｎと同期させられるということを確実にするために、トリガ回路１３２が出力信号Ｖｔｒｉｇ－ｔをさらに遅延させるように設計される。
【0192】
今から図１７に目を向けると、単一インピーダンス・インバータ２１９は、ＬＣ「Ｔ」ネットワークの単一段として実現される。ＬＣ「Ｔ」ネットワークは、インダクタンスＬ３を各々有する、２つの直列接続されるインダクタ４２０、４２２を備える。静電容量Ｃ３を伴うコンデンサ４２４が、インダクタ４２０及び４２２の間に並列に接続される。インダクタ４２０、４２２、及びコンデンサ４２４は、スイッチング周波数において共振する。単一インピーダンス・インバータ２１９から増幅器２１５への出力電圧は、Ｖｉｎ－ｔｘである。
【0193】
増幅器２１５の入力インピーダンスは、Ｚｉｎ－ｔｘであり、逆行電力流方向において電力を抽出するトランシーバ要素２２２のインピーダンスは、Ｚｉｎ－ｔである。スイッチング周波数において、それらのインピーダンスは、下記の式１２により関係付けられる。
【数9】
【0194】
個別のネットワーク・トポロジーが説明されたが、当業者は、「パイ」又は「Ｌ」ネットワークなどの、他の整合ネットワーク・トポロジーが可能であるということを把握することになる。
【0195】
今から図１８に目を向けると、増幅器２１５の回路線図が例解される。増幅器２１５は、入力段からのスイッチング周波数における入力ＲＦ信号Ｖｉｎ－ｔｘを、ＤＣ及び電圧信号Ｖｒｅｃｔ－ｔに変換する。この実施例において、増幅器２１５は、Ｅ級増幅器を備える。
【0196】
増幅器２１５は、すべてが直列に接続される、インダクタンスＬｆ－ｔ＋Ｌａ－ｔを有するインダクタ４３０と、静電容量Ｃｆ－ｔを有するコンデンサ４３２と、インダクタンスＬｚｖｓ－ｔを有するインダクタ４３４とを備える。増幅器２１５は、Ｄ１－ｔと指示されるダイオード４３６と、静電容量Ｃｚｖｓ－ｔを有するコンデンサ４３８と、コンデンサＣｒｅｃｔ－ｔを有するコンデンサ４４０とをさらに備える。メイン・スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ２１８Ａ）、コンデンサ４３８、及びダイオード４３６は、コンデンサ４３２とインダクタ４３４との間に並列に接続される。コンデンサ４４０は、Ｖｒｅｃｔ－ｔと接地との間にある。
【0197】
増幅器２１５についての構成要素のサイズは、式４及び式５を参照してすでに解説された同様の式により左右される。
【0198】
順行電力流方向において動作するときのトリガ回路１３２’に関してのように、トリガ回路１３２は、逆行電力流方向において動作するときに、ワイヤレス電力伝送を、同期させて、同期させるように構成される。トリガ回路１３２は、増幅器２１５の動作を、トランシーバ要素２２２により受信される電力信号と同期させるように、電力段ゲート・ドライバ２１８及びそれゆえに増幅器２１５の動作を制御する。
【0199】
タイミング回復が、ＭＯＳＦＥＴ２１８Ａの適正なスイッチングを確実にするために要される。理想的には、ＭＯＳＦＥＴ２１８Ａは、入来する電流が正であるときに開位置にあり、入来する電流が負であるときに閉じられ、そのことによって、整流が結果的に生じる。入力段２１９すべてが完璧にチューニングされるということを想定すると、このことは、Ｖｇａｔｅ－ｔがＩｉｎと９０度位相を異にするべきであるということを意味する。このことを達成するために、トリガ回路１３２は、Ｉｉｎをサンプリングし、ゲート・ドライバ２１８のために、適切にタイミングを図られたトリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｔを生み出す。
【0200】
ゲート・ドライバ２１８及びトリガ回路１３２の両方は、無視できない伝搬遅延を呈する。これらの無視できない伝搬遅延に対処するために、トリガ回路１３２は、Ｖｇａｔｅ－ｔがＩｉｎと同期させられるまで、そのトリガ回路１３２が信号をさらに遅延させるように設計される。
【0201】
そうして、トリガ回路１３２は、「ＴＸ時間回復トリガ回路」である。トリガ回路１３２は、逆行電力流方向において同期整流を達成するように動作する。
【0202】
今から図１９に目を向けると、トランシーバ要素２２２、インピーダンス・インバータ２１９（インダクタ４２０、４２２と、コンデンサ４２４とを備える）、トリガ回路１３２、スイッチング要素１３６、補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０’、及び増幅器２１５のブロック線図が例解される。トリガ回路１３２は、破線において輪郭を描かれる。
【0203】
増幅器２１５のゲート・ドライバ２１８は、ＭＯＳＦＥＴ２１８Ａをオン又はオフにスイッチングするために、適切な波形を生み出す。関連付けられるゲート駆動電圧Ｖｇａｔｅ－ｔは、本質的には、入力トリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｔの、遅延させられた、及び、より強力な複製物である。
【0204】
先に説述されたように、補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０’は、トリガ回路１３２に給電する。
【0205】
トリガ回路１３２は、サンプリング回路２７２’と、遅延ライン２７４’と、比較器回路２７６’とを備える。トリガ回路１３２は、インピーダンス・インバータ２１９のインダクタ４２０の両端間の電圧をサンプリングする。特に、サンプリング回路２７２’は、電圧降下サンプリング回路である。インピーダンス・インバータ２１９のインダクタ４２０の両端間の電圧降下が、サンプリング回路２７２’によってサンプリングされ、集中素子遅延ライン回路２７４’に送り込まれる。遅延ライン２７４’は、集中素子遅延回路を備える。比較器２７６’は、次いで、遅延させられた信号Ｖｄ－ｔをＤＣレベルと比較することにより、クロック信号を発生させるために使用される。結果的に生じるトリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｔは、スイッチング要素１３６を介してゲート・ドライバ２１８に送り込まれる。ゲート・ドライバ２１８は、ＭＯＳＦＥＴ２１８Ａを駆動するために、トリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｔを、適する波形Ｖｇａｔｅ－ｔに変換する。
【0206】
サンプリング回路２７２’、遅延ライン回路２７４’、及び比較器回路２７６’は、すべて、電圧Ｖｇａｔｅ－ｔが、インダクタ４２０電流Ｉｉｎと９０度位相を異にする、又は、インダクタ４２０の両端間の電圧差ΔＶＬ３と同位相であるということを確実にするように設計される。
【0207】
今から図２０に目を向けると、トランシーバ要素２２２、単一段インピーダンス・インバータ２１９（インダクタ４２０、４２２と、コンデンサ４２４とを備える）、サンプリング回路２７２’、及び増幅器２１５が例解される。サンプリング回路２７２’は、破線において示される。サンプリング回路２７２’は、電圧降下サンプリング回路である。
【0208】
単一段インピーダンス・インバータ２１９は、トランシーバ要素２２２と増幅器２１５との間に接続される。入力電流Ｉｉｎ（トランシーバ要素２２２からの出力電流）は、インピーダンス・インバータ２１９のインダクタ４２０を通って流れる。
【0209】
電流Ｉｉｎは、サンプリングするのが困難であり得る。さらに、電流Ｉｉｎの位相は、トリガ回路１３２によりトリガ信号を発生させるために源信号として使用するために追跡するのが困難であり得る。そうであるから、単一段インピーダンス・インバータ２１９のインダクタ４２０の両端間の電圧降下が使用され得る。この信号は、回路網２２４のＭＯＳＦＥＴ２４１のトリガ信号を発生させるために源信号として使用されることがある。インダクタの両端間の電圧降下と、そのインダクタを通る電流との間の関係が、下記の式１３により与えられる。
ｖＬ＝ｊωＬ×ｉＬ （式１３）
ｖＬ＝ｊωＬ×ｉＬ （式１３）
【0210】
インピーダンス・インバータ２１９におけるインダクタ４２０の両端間の電圧降下が、トリガ信号を発生させるために源信号として使用されるならば、発生させられたトリガは、インダクタ４２０の両端間の電圧降下と同位相であることになる。当業者は、電流Ｉｉｎの位相をサンプリング及び追跡する他の方法が使用され得るということを認識することになる。
【0211】
サンプリング回路２７２’は、インダクタ４２０の両端間の電圧降下をスケール・ダウンする。サンプリング回路２７２’は、静電容量Ｃｓ１－ｔを各々伴うコンデンサ４５０、４５２と、静電容量Ｃｓ２－ｔを各々伴うコンデンサ４５６、４５８とを備える容量性分割器ネットワークを備える。コンデンサ４５０、４５２は、インダクタ２４０の各側に接続され、コンデンサ４５６、４５８は、コンデンサ４５０及び４５２それぞれと、本来の様態に向けて、接地との間に接続される。コンデンサ４５０、４５６は直列であり、コンデンサ４５２、４５８は直列である。インダクタンスＬｓ－ｔを各々伴うインダクタ４５４、４６０が、Ｃｓ２－ｔを補償するように位置を定められる。各インダクタ４５４、４６０は、コンデンサ・ペア４５０、４５６及び４５２、４５８それぞれの中間に接続される。インダクタ４５４、４６０は、出力電圧ＶＢを有するバラン４６２に入力を提供する。例解される配置構成において、バラン４６２は、不平衡－不平衡バランであり、しかしながら、バラン４６２は、不平衡－平衡であり得る。
【0212】
理想的には、バラン４６２の出力電圧ＶＢは、インダクタ４２０の両端間の電圧降下と同位相である。しかしながら、前もって予測するのが困難であり得る遅延が存し得る。遅延は、ＰＣＢ（プリント回路ボード（ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ））配線により、又は、バラン４６２により引き起こされ得る。
【0213】
コンデンサ分割器ネットワーク、及び、バラン４６２の巻数比の比率が、ＶＢの大きさを決定する。要素２２２、２２９の間の結合比が、さらには、静電容量Ｃｓ１－ｔ及びＣｓ２－ｔを決定するために顧慮される。
【0214】
スケール・ダウンされたサンプリングされた電圧は、図２０において示されるように、遅延ライン２７４’に送り込まれる。遅延ライン２７４’は、図２１において示される。遅延ライン２７４’は、第２の双方向電力伝送システム２２０の遅延ライン２７４と同じ様式において機能する。
【0215】
この実施例において、遅延ライン２７４’は、多重段集中素子送信ライン回路として実現される。各集中素子は、ＬＣ要素を備える。例解される配置構成において、集中素子送信ライン回路は、ライン回路に沿って一様に分割されたヨン（４）個の集中素子段を備える。図２１は、一様に分けられた遅延ライン２７４’を例解するが、各段における構成要素は、同一であることを必ずしも必要とせず、段の数は、４よりも少ない、又は多いことがある。
【0216】
受動インダクタ及びコンデンサの個別の集中素子が遅延ライン２７４’について説明されたが、当業者は、集積アナログ又はデジタル遅延回路などの、他の構成の遅延回路が可能であるということを把握することになる。
【0217】
例解される配置構成において、集中素子送信ライン回路は、直列に配置構成されるヨン（４）個のインダクタ４７０、４７２、４７４、４７６と、インダクタ４７０、４７２、４７４、４７６、及び、抵抗値Ｚ０を有する抵抗器４８８の間に並列に配置構成されるヨン（４）個のコンデンサ４８０、４８２、４８４、４８６とを備える。Ｌｄｔ及びＣｄｔそれぞれにより表象される、遅延ライン２７４’と関連付けられる総合的なインダクタンス及び静電容量は、インダクタ４７０、４７２、４７４、４７６、及び、コンデンサ４８０、４８２、４８４、４８６の間で分割される（Ｌｄ－ｔ及びＣｄ－ｔ構成要素）。
【0218】
時間遅延、並びに、遅延ライン２７４’のパラメータ、Ｌｄｔ及びＣｄｔは、先に論考された式６から式８により与えられる。
【0219】
遅延させられた電圧信号Ｖｄ－ｔは、次いで、図２２において例解される比較器回路２７６’に送り込まれる。比較器回路２７６’は、遅延ライン２７４’による遅延させられた信号Ｖｄ－ｔ出力をＤＣ信号と比較することにより、クロック信号を発生させるためのものである。図２２において示されるように、比較器回路２７６’は、補助供給電圧Ｖａｕｘ－ｔを有する補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０’から給電される比較器２７７’（Ａ１－ｔ）を備える。比較器回路２７６’は、図１３において例解される比較器回路２７６と同じである。
【0220】
比較器２７７’の入力は、Ｖａｕｘ－ｔのおおよそ半分にバイアスされる。正比較器入力Ｖ＋ｔについて、このことは、Ｒ２の抵抗を各々伴う、２つの等しい値をもつ抵抗器５０８、５１０を使用して達成される。
【0221】
負比較器入力Ｖ－ｔ、これは、Ｒ１の抵抗を各々伴う、２つの等しい値をもつ抵抗器５０４、５０６を使用して達成される。
【0222】
遅延ライン２７４’による遅延させられた電圧信号Ｖｄ－ｔ出力は、静電容量Ｃｂ－ｔを有するＤＣ阻止コンデンサ５０２を介して、負比較器入力Ｖ－ｔに結合され、そうして、トリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｔは、遅延させられた電圧信号Ｖｄ－ｔに相対的に反転される（１８０°位相を異にする）ことになる。
【0223】
ゲート・ドライバ２１８’の出力は、ゲート信号Ｖｇａｔｅ－ｔをＭＯＳＦＥＴ２１８Ａに提供するために、抵抗Ｒｇ－ｔを有する抵抗器５１４に接続される。
【0224】
先に説述されたように、逆行電力流方向において動作するときに、第２の双方向電力伝送システム２２０は、送信機として動作する。電力供給部２２７は電圧を出力し、その電圧は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６により、必要なレベルに変換される。回路網２２４は、変換された電圧を受信する。増幅器２４０のゲート・ドライバ２６０は、入力される電力信号（変換された電圧）を逆変換するために、クロック発生器１３４’により発生させられたクロック信号の制御のもとで、増幅器２４０のメイン・スイッチ（ＭＯＳＦＥＴ２４１）を駆動する。二重段インピーダンス・インバータ２３１は、負荷非依存である電圧を出力するために、この信号を受信する。インピーダンス・インバータ２３１は、第１の双方向電力伝送システム２１０の第１のトランシーバ要素２２２に、ワイヤレス結合（電場及び／又は磁場結合）によって電力を伝送するために、第２のトランシーバ要素２２９を駆動する。
【0225】
逆行電力流方向において動作するときに、第１の双方向電力伝送システム２１０は、受信機として動作する。本来の様態に向けて、第１の双方向電力伝送システム２１０のトリガ回路１３２及び回路網２１６により使用される、第１のトランシーバ要素２２２における受信される入力電流Ｉｉｎ。回路網２１６の単一段インピーダンス・インバータ２１９は、入力電流Ｉｉｎを受信し、電流を回路網２１６の最適インピーダンスに対して整合する。トリガ回路１３２は、スイッチング要素１３６を介して、増幅器２１５のゲート・ドライバ２１８の動作を制御する。具体的には、トリガ回路１３２は、電圧降下をサンプリングし、ゲート・ドライバ２１８のために、適切にタイミングを図られたトリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｔを生み出す。ゲート・ドライバ２１８は、トリガ回路１３２から受信されるトリガ電圧Ｖｔｒｉｇ－ｔに基づいて、増幅器２１５の動作を制御する、例えば、増幅器２１５のＭＯＳＦＥＴ２１８Ａのスイッチングを制御するために、ゲート駆動電圧又はゲート信号Ｖｇａｔｅ－ｔを出力する。増幅器２１５は、次いで、ＤＣ電圧Ｖｒｅｃｔ－ｔを出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４は、負荷２１３のために、ＤＣ電圧Ｖｒｅｃｔ－ｔを、望まれるＶｏｕｔ－ｔに変換する。ＤＣ電圧Ｖｒｅｃｔ－ｔは、さらには、トリガ回路１３２に給電するために、補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０’により使用される。
【0226】
実験的なワイヤレス電力伝送システム２００が、システム２００の性能を試験するために生み出された。今から図２３Ａに目を向けると、第１の双方向電力伝送システム２１０の一部分を含んでいるＰＣＢ６０２が示される。ＰＣＢ６０２は、区域１における増幅器２１５、区域２における単一段インピーダンス・インバータ２１９、区域３におけるサンプリング回路２７２’、区域４における遅延ライン２７４’、区域５における比較器回路２７６’、スイッチング要素１３６、ゲート・ドライバ２１８、区域６におけるクロック発生器１３４、及び、区域７における補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０’を形成する電気構成要素を備える。
【0227】
今から図２３Ｂに目を向けると、第２の双方向電力伝送システム２２０の一部分を含んでいるＰＣＢ６０４が示される。ＰＣＢ６０４は、区域１における増幅器２４０、区域２における二重段インピーダンス・インバータ２３１、区域３におけるサンプリング回路２７２、区域４における遅延ライン２７４、区域５における比較器回路２７６、スイッチング要素１３６’、及びゲート・ドライバ２６０、区域６におけるクロック発生器１３４’、並びに、区域７における補助ＤＣ／ＤＣコンバータ２５０を形成する電気構成要素を備える。
【0228】
システム２１０、２２０の試験が、図２３Ａ、図２３Ｂにおいて例解されるＰＣＢを使用して、トランシーバ要素２２２、２２９としての１００Ω容量性電極によって、２７．１２ＭＨｚスイッチング周波数のスイッチング周波数において遂行された。ソレノイダル空芯インダクタが、トランシーバ要素２２２、２２９における共振挙動を確立するために使用された。
【0229】
回路網２１６、２２４は、順行及び逆行電力流方向それぞれにおける電子ＤＣ負荷であるＤＣ負荷２２８、２１３に３５Ｗを送出するために、４０Ｗ電力外出のために設計された。
【0230】
システム２１０、２２０のスイッチング要素１３６、１３６’は、それぞれの電力段１３８、１３８’を、入力される電力信号を逆変換するためにクロック発生器１３４、１３４’に、又は、受信される電力信号を整流するためにトリガ回路１３２、１３２’に接続するように動作させられた。
【0231】
順行電力流方向において動作するときに、第１のシステム２１０のＰＣＢ６０２及び電力供給部２１２に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ２１４は、２４ＤＣ電力供給を供給され、第２のシステム２２０のＰＣＢ６０４に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ２２６は、調節された２４Ｖを電子負荷（ＤＣ負荷２２８）に出力した。
【0232】
今から図２４Ａから図２４Ｃに目を向けると、順行電力流方向における動作を描写する様々なグラフが示される。図２４Ａは、実験的なワイヤレス電力伝送システムが順行電力流方向において動作させられるときの、負荷電流に関しての、電力供給部２１２の入力電力、及び、負荷２２８に送出される出力電力を描写する。図２４Ａにおいて示されるように、出力負荷（ＤＣ負荷２２８）がない様態で、おおよそ２１Ｗが、ワイヤレス電力伝送システムに通電するために要される。３６．４８Ｗの公称出力電力が、負荷電流が１．５Ａであるときに達成される。
【0233】
図２４Ｂは、負荷電流に関しての、実験的なシステムについてのエンド・ツー・エンド電力伝送効率を描写する。電力伝送効率は、図２４Ａにおいて示される出力及び入力電力を除算することにより獲得される。ピーク電力伝送効率は、１．５Ａにおいておおよそ５５％である。
【0234】
図２４Ｃは、実験的なシステムの電圧安定性を描写する。特に、電力供給部２１２における入力電圧（入力電圧）、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６における出力電圧（Ｖｏｕｔ－ｒ）（出力電圧）、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４における出力電圧（ＴＸ ＤＣ電圧）、及び、負荷電流に関しての整流された電圧（Ｖｒｅｃｔ－ｒ）（ＲＸ上の整流された電圧）が描写される。
【0235】
電力供給部２１２における入力電圧、及び、出力電圧（Ｖｏｕｔ－ｒ）は、近似的に２４Ｖの電圧による電流レンジを通して全体的に安定している。ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４における入力電圧は、近似的に１７．２Ｖである。そうして、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１４は、入力電圧を２４Ｖから１７．２Ｖに変換する。整流された電圧（Ｖｒｅｃｔ－ｒ）は、無負荷（０Ａ）において近似的に２３．６Ｖであり、１．５Ａ負荷電流において近似的に１８．３Ｖに減少する。この電圧は、負荷２２８に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ２２６により２４Ｖに変換される。
【0236】
【0237】
逆行電力流方向において動作するときに、第２のシステム２２０のＰＣＢ６０４及び電力供給部２２７に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ２２６は、２４ＤＣ電力供給を供給され、第１のシステム２１０のＰＣＢ６０２に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ２１４は、調節された２４Ｖを電子負荷（ＤＣ負荷２１３）に出力した。
【0238】
今から図２６Ａから図２６Ｃに目を向けると、逆行電力流方向における動作を描写する様々なグラフが示される。図２６Ａは、実験的なワイヤレス電力伝送システムが順行電力流方向において動作させられるときの、負荷電流に関しての、電力供給部２２７の入力電力、及び、負荷２１３に送出される出力電力を描写する。図２６Ａにおいて示されるように、出力負荷（ＤＣ負荷２１３）がない様態で、おおよそ２２Ｗが、ワイヤレス電力伝送システムに通電するために要される。３６．４Ｗの公称出力電力が、負荷電流が１．５Ａであるときに達成される。
【0239】
図２６Ｂは、負荷電流に関しての、実験的なシステムについてのエンド・ツー・エンド電力伝送効率を描写する。電力伝送効率は、図２６Ａにおいて示される出力及び入力電力を除算することにより獲得される。ピーク電力伝送効率は、１．５Ａにおいておおよそ５２％である。
【0240】
図２６Ｃは、実験的なシステムの電圧安定性を描写する。特に、電力供給部２２７における入力電圧（入力電圧）、ＤＣ／ＤＣコンバータにおける出力電圧（Ｖｏｕｔ－ｔ）（出力（ｏｔｐｕｔ））電圧、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６における出力電圧（ＲＸ ＤＣ電圧）、及び、負荷電流に関しての整流された電圧（Ｖｒｅｃｔ－ｔ）（ＴＸ上の整流された電圧）が描写される。
【0241】
電力供給部２２７における入力電圧、及び、出力電圧（Ｖｏｕｔ－ｔ）は、近似的に２４Ｖの電圧による電流レンジを通して全体的に安定している。ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６における出力電圧は、近似的に２６．４Ｖである。そうして、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２６は、入力電圧を２４Ｖから２６．４Ｖに変換する。整流された電圧（Ｖｒｅｃｔ－ｔ）は、無負荷（０Ａ）において近似的に１４．５６Ｖであり、１．５Ａ負荷電流において近似的に１３．２Ｖに減少する。この電圧は、負荷２１３に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ２１４により２４Ｖに変換される。
【0242】
【0243】
実施例は、図を参照して上記で説明されたが、当業者は、変更及び修正が、本開示及び後に続く特許請求の範囲の、範囲から逸脱することなくなされ得るということを把握することになる。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15A】
【図15B】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23A】
【図23B】
【図24A】
【図24B】
【図24C】
【図25A】
【図25B】
【図26A】
【図26B】
【図26C】
【図27A】
【図27B】
【国際調査報告】