CN111886776A - 谐振匹配电路 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种即使在与并联谐振电路进行了连接的情况下也不会使电压型逆变电路的传输效率下降的谐振调整电路。本发明所涉及的使用于通过电场耦合方式供给电力的供电系统(100)的谐振匹配电路(1)构成为包括作为电压源发挥功能的逆变电路(10)、与逆变电路(10)并联连接且传输从逆变电路(10)供给的电流的并联变压器装置(30、40)以及处于逆变电路(10)与并联变压器装置(30、40)之间且调整逆变电路(10)供给的脉冲电流的输入定时的定时调整电路(20)。

Description

谐振匹配电路

技术领域

本发明涉及一种谐振匹配电路。

背景技术

逆变电路是将直流的电力转换为交流的设备。逆变电路包括电压型的逆变电路和电流型的逆变电路。电压型的逆变电路针对负载作为电压源进行动作，电流型的逆变电路针对负载作为电流源进行动作。例如在非专利文献1中记载了这样的逆变电路。

在非专利文献1中记载了如下内容：将电压型逆变电路、电流型逆变电路与谐振电路进行组合，作为电压逆变电路的谐振电路，优选串联谐振电路，作为电流型逆变电路的谐振电路，优选并联谐振电路。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：久本正昭、伊藤丰、野村年弘、“高周波電源加熱回路(高频电源加热电路)”、富士时报、p 266-273、vol.71、No5,1998.

发明内容

发明要解决的问题

然而，在便携式终端设备、机器人、电动车等便携式、行进式的电气设备的领域中，考虑在以非接触的方式进行充电的充电装置中使用电压型逆变电路。已知在使用电压型逆变电路并且在负载的一侧设置有串联谐振电路的情况下，与负载连接的电场耦合部容易受到环境变化的影响。此外，在该情况下，电场耦合部的环境是指作为负载的电气设备与电场耦合部之间的接触状况、或者便携式终端设备等的充电状态。具体地说，如果电气设备与电场耦合部之间的接触状况不适当，则可能会成为无负载，在电气设备等的充电量非常多的情况下可能会成为过载。

基于上述记载，考虑在与电压型逆变电路连接的负载的一侧设置并联谐振电路。但是，电压型逆变电路当与并联谐振电路连接时，发生了无法进行过零动作而传输效率下降的问题。此外，过零动作是指在负载侧的电流变为零的定时使逆变器开关元件接通、断开的动作，有利于提高逆变器转换效率、抑制噪声的产生。

本发明是鉴于上述的点而完成的，涉及一种即使在与并联谐振电路进行了连接的情况下也不会使电压型逆变电路的传输效率下降的谐振调整电路。

用于解决问题的方案

本发明的谐振匹配电路的一个方式是一种使用于通过电场耦合方式供给电力的供电系统的谐振匹配电路，包括：逆变电路，其作为电压源发挥功能；并联变压器装置，其与所述逆变电路并联连接，并且传输从所述逆变电路供给的电流；以及定时调整电路，其处于所述逆变电路与所述并联变压器装置之间，并且调整所述逆变电路供给的脉冲电流的输入定时。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种即使在与并联谐振电路进行了连接的情况下也不会使电压型逆变电路的传输效率下降的谐振调整电路。

附图说明

图1是用于说明应用了本发明的一个实施方式的谐振匹配电路的供电系统的图。

图2是用于说明图1所示的谐振匹配电路的图。

具体实施方式

下面，基于附图来说明本发明的一个实施方式。此外，在全部的附图中，对同样的构成要素标注同样的标记，适当省略重复的说明。另外，本实施方式所示的电路是将本实施方式具体化后的一例，在不脱离本发明的构思的范围内允许适当进行电路元件的追加、替换。

[概要]

图1是用于说明应用了本实施方式的谐振匹配电路的供电系统100的图。其中，图1所示的供电系统100并不包括负载7。

供电系统100具有谐振匹配电路1、匹配单元3、电场耦合部101以及负载匹配电路102。在这样的结构中，逆变电路10和匹配单元3构成本实施方式的谐振匹配电路1。

电场耦合部101和负载匹配电路102处于谐振匹配电路1与负载7之间的用于从谐振匹配电路1向负载7供电的部位。电场耦合部101包括彼此串联连接的电容元件111、112。另外，负载匹配电路102包括与电容元件111、112一同构成LC电路的初级线圈113、与初级线圈113构成变压器装置的次级线圈114以及与次级线圈114一同构成LC电路的电容元件115。

谐振匹配电路1是使用于通过电场耦合方式供给电力的供电系统的电路。电场耦合方式是指无线且非接触地从供给电力侧的设备向被供给电力侧的设备供给电力的方式。例如，在便携式的通信终端、自走式的机器人等领域中以这样的方式进行供电。

图2是用于说明图1所示的谐振匹配电路1的图，示出图1所示的供电系统100中的除了电场耦合部101和负载匹配电路102以外的结构。下面，对上述结构进行说明。

另外，谐振匹配电路1具有逆变电路10以及与逆变电路10连接的匹配单元3。匹配单元3与逆变电路10并联连接，匹配单元3包括并联变压器装置30、40以及第一电容元件21、第二电容元件22，所述并联变压器装置30、40传输从逆变电路10供给的电流，所述第一电容元件21、第二电容元件22处于逆变电路10与并联变压器装置30、40之间，是调整逆变电路10供给的电流脉冲电流的输入定时的串联电容元件。第一电容元件21、第二电容元件22作为本实施方式的定时调整电路20发挥功能。

下面，依次说明上述结构。

[逆变电路]

如图1、图2所示，本实施方式的谐振匹配电路1具有逆变电路10。逆变电路10输入来自未图示的电源的直流电压(Vin)，将该直流电压转换为脉冲电流并输出。脉冲电流的生成是通过电压信号的接通、断开来控制的。逆变电路10是作为电压源发挥功能的电压开关/电流谐振型的逆变电路。

[并联变压器装置]

并联变压器装置30具有初级线圈31(第一初级线圈)、次级线圈32。当初级线圈31中流过电流时，产生磁场，在次级线圈32中通过互感产生电动势。初级线圈31、次级线圈32卷绕于介电常数高的芯材33，根据它们的匝数比来使电压升压。另外，并联变压器装置40具有初级线圈41(第二初级线圈)、次级线圈42。当初级线圈41中流过电流时，产生磁场，在次级线圈42中通过互感产生电动势。初级线圈41、次级线圈42卷绕于介电常数高的芯材44，根据它们的匝数比来使电压升压。

这样的并联变压器装置30、40需要使匹配单元3中维持高电压。本实施方式从耐压性的观点出发，将并联变压器装置设为并联变压器装置30、40的两个系统。

也就是说，本实施方式构成为，逆变电路10具备用于输出电力的第一端子11和第二端子12，并且将上述的并联变压器装置30、40和定时调整电路20设为两个系统。而且，将上述的作为串联电容元件的第一电容元件21、初级线圈31以及次级线圈32设为第一端子11侧的系统，在第二端子12侧也同样地连接有作为串联电容元件的第二电容元件22及并联变压器装置40。在本实施方式中，将这样的第二电容元件22和并联变压器装置40设为第二端子12的系统。此外，在此，谐振匹配电路1形成了以逆变电路10为电压源的并联电路，因此第一端子11与第二端子12电连接。本实施方式将从逆变电路10到负载7的电路部分划分为第一端子11侧和第二端子12侧，并且分别记述为“系统”。

根据以上记载，本实施方式的定时调整电路20具备与第一端子11串联连接的第一电容元件21以及与第二端子12串联连接的第二电容元件22。另外，并联变压器装置30具备与第一电容元件21串联连接的初级线圈31。并联变压器装置40具备初级线圈41，该初级线圈41处于初级线圈31与第二电容元件22之间，且与初级线圈31及第二电容元件22串联连接。另外，与并联变压器装置30同样地，并联变压器装置40具有与初级线圈41互感的次级线圈42。并联变压器装置40的初级线圈41和次级线圈42均卷绕于芯材43。

[调整用线圈]

另外，在本实施方式中，如图2所示，在初级线圈31、初级线圈41之间设置有调整用线圈35。调整用线圈35为根据包括次级线圈32、42以及与次级线圈并联的并联电容器5的谐振电路B的谐振频率来调整包括作为串联电容器的第一电容元件21、第二电容元件22以及初级线圈31、41的谐振电路A的谐振频率的线圈。

此外，在此，调整用线圈35“调整”谐振频率是指使包括调整用线圈35的情况下和不包括调整用线圈35的情况下的谐振电路A的谐振频率不同。在本实施方式中，调整谐振电路A的谐振频率以使逆变电路10的效率提高。

也就是说，在本实施方式将匹配单元3中，将与电压源直接连接的一侧的电路设为谐振电路A，将与谐振电路A磁连接的电路设为谐振电路B。在谐振电路A中，第一电容元件21、第二电容元件22、初级线圈31、调整用线圈35以及初级线圈41构成LC电路，谐振电路A以由构成LC电路的各元件的特性等决定的规定的谐振频率进行谐振。另一方面，在谐振电路B中，次级线圈32、次级线圈42以及并联电容器5构成LC电路，谐振电路B以规定的谐振频率进行谐振。设置不对互感带来影响的调整用线圈35，以根据谐振电路B的谐振频率来调整谐振电路A的谐振频率。

进行谐振频率的调整，以使逆变电路10的传输效率提高。逆变电路10当以电流的相位相比于电压的相位超前的、所谓的超前相位进行动作时，传输效率提高，因此是优选的。调整用线圈35调整谐振电路A的谐振频率，以成为逆变电路10的电流的相位比逆变电路10的电压的相位超前的状态。

在使逆变电路10以超前相位进行动作的情况下，将谐振匹配电路1的谐振电路A的谐振频率设计为比目标频率稍低，将谐振电路B的谐振频率设计为比目标频率稍高。这样的设计例如能够通过在初级线圈31与初级线圈41之间设置调整用线圈35来实现。

根据本实施方式的调整用线圈35，相对于目标谐振频率2MHz，例如能够将谐振电路A的谐振频率设为1.95MHz至1.97MHz。此时，谐振电路B的谐振频率优选为2.01MHz左右。

此外，本实施方式并不限定为通过调整用线圈35将谐振电路A、谐振电路B的谐振频率设为上述的数值。例如也可以进行谐振频率的调整，以使谐振电路A的谐振频率成为从目标频率减少了10％的频率，更优选的是，可以进行谐振频率的调整，以使谐振电路A的谐振频率成为从目标频率减少了5％的频率。

另外，调整用线圈并不限定于如调整用线圈35那样设置于初级线圈31与初级线圈41之间。调整用线圈例如能够设置于初级线圈31与初级线圈41之间、第一电容元件21与初级线圈31之间以及初级线圈41与第二电容元件22之间中的至少一个位置。作为调整用线圈，例如能够使用公知的扼流线圈。

本实施方式的谐振电路A、谐振电路B如以下那样对逆变器产生作用。也就是说，在负载7重的情况(＝负载Z低的情况)下，谐振电路B的并联谐振Q下降，谐振电路A的串联谐振Q变高，因此逆变器作为串联谐振负载进行动作。因此，电压型逆变器能够进行过零开关动作驱动，能够实现高的转换效率。另外，在负载7轻的情况(＝负载Z高的情况)下，谐振电路B的并联谐振Q值变高，谐振电路A的串联谐振Q值下降，因此逆变器作为并联谐振负载进行动作。在该情况下，虽然电压型逆变器不进行过零开关动作，但流过逆变器的电流也低，因此不会有大的电力损失。

[动作]

接着，对本实施方式的谐振匹配电路1的动作进行说明。

在图2所示的谐振匹配电路1中，逆变电路10输入来自未图示的直流电源的直流电压。逆变电路10将输入的直流电压转换为矩形波的脉冲电流。朝向脉冲电流的转换是以脉冲电流的频率与谐振电路A的谐振频率一致的方式进行的。

脉冲电流输入至匹配单元3的定时调整电路20。此时，在定时调整电路20中，第一电容元件21、第二电容元件22通过从逆变电路10供给的电流来重复进行充放电，在充电期间电压提高，在放电期间电压下降。由此，逆变电路10通过使脉冲电流的输出定时(接通定时)与第一电容元件21、第二电容元件22的放电时(即将开始充电前)一致来进行过零动作，从而能够抑制开关动作噪声、浪涌电流的产生，能够高效地进行动作。

第一电容元件21、第二电容元件22释放的电荷作为电流流入初级线圈31、调整用线圈35以及初级线圈41。与第一电容元件21、第二电容元件22的充放电相应地，该电流间歇地流动，因此在初级线圈31、调整用线圈35以及初级线圈41中以阻碍电流的变化的方式产生磁场，通过磁场在次级线圈32、次级线圈42中产生电动势。谐振电路B在谐振频率下的电压最高，因此并联变压器装置30、40能够得到高的升压效果。

通过并联变压器装置30、40而被升压后的电压以非接触的方式供给至负载7。

[实验结果]

本发明的发明人使用谐振匹配电路1所示的供电系统100进行了用于确认低负载时和高负载时的传输效率的实验。下面，说明实验的结果。

表1是表示过载时的供电系统100的传输效率的表。表2是表示无负载时的供电系统100的传输效率的表。

在表1、表2中，“频率”为逆变电路10输出的脉冲电流的频率F(MHz)。“逆变电路输入”为从未图示的直流电源输入至逆变电路10的电压DCV(V)和电流DCI(A)。输出电力Pout(W)为从供电系统100输出的电力，输入电力Pin(W)为输入至供电系统100的电力。

[表1]

[表2]

根据表1可知，本实施方式的供电系统100在负载7比较大的情况下能够得到92.6％至93.1％的传输效率。将并联变压器装置30、40直接连接于电压型的逆变电路10后的电路的传输效率为70％左右。由此，明确可知的是，具备定时调整电路20的本实施方式的谐振匹配电路1具有提高逆变电路10的动作效率的效果。

另外，根据表2可知，供电系统100在无负载的情况下传输效率为0。但是，在这样的区域中本来输出电力就少，因此传输效率的下降不会成为问题。

如以上所说明的那样，本实施方式能够使用电压型逆变电路和并联变压器装置来实现能够进行不易受负载变动的影响的电场耦合的谐振匹配电路。另外，本实施方式在这样的结构中不会使电压型逆变电路的效率下降，能够维持与组合了串联谐振线圈的情况下的电压型逆变电路相同的效率。

上述实施方式和实施例包含以下的技术构思。

(1)一种谐振匹配电路，使用于通过电场耦合方式供给电力的供电系统，该谐振匹配电路包括：逆变电路，其作为电压源发挥功能；并联变压器装置，其与所述逆变电路并联连接，传输从所述逆变电路供给的电流；以及定时调整电路，其处于所述逆变电路与所述并联变压器装置之间，调整所述逆变电路供给的脉冲电流的输入定时。

(2)根据(1)的谐振匹配电路，所述定时调整电路包括与所述逆变电路串联连接的串联电容元件。

(3)根据(2)的谐振匹配电路，所述并联变压器装置包括初级线圈和次级线圈，所述谐振匹配电路还包括调整用线圈，所述调整用线圈根据包括所述次级线圈以及与所述次级线圈并联的并联电容器的第二电路的谐振频率，来调整包括所述串联电容元件和所述初级线圈的第一电路的谐振频率。

(4)根据(3)的谐振匹配电路，所述调整用线圈调整所述第一电路的谐振频率，以成为所述逆变电路的电流的相位比所述逆变电路的电压的相位超前的状态。

(5)根据(3)或(4)的谐振匹配电路，所述逆变电路具备用于输出电力的第一端子和第二端子，所述定时调整电路具备与所述第一端子串联连接的第一电容元件以及与所述第二端子串联连接的第二电容元件来作为所述串联电容元件，所述并联变压器装置具备与所述第一电容元件串联连接的第一所述初级线圈、以及处于第一所述初级线圈与所述第二电容元件之间且与第一所述初级线圈及所述第二电容元件串联连接的第二所述初级线圈。

(6)根据(5)的谐振匹配电路，所述调整用线圈设置于所述第一电容元件与第一所述初级线圈之间、第一所述初级线圈与第二所述初级线圈之间以及第二所述初级线圈与所述第二电容元件之间中的至少一个位置。

Claims (6)

1.一种谐振匹配电路，使用于通过电场耦合方式供给电力的供电系统，所述谐振匹配电路包括：

逆变电路，其作为电压源发挥功能；

并联变压器装置，其与所述逆变电路并联连接，传输从所述逆变电路供给的电流；以及

定时调整电路，其处于所述逆变电路与所述并联变压器装置之间，调整所述逆变电路供给的脉冲电流的输入定时。

2.根据权利要求1所述的谐振匹配电路，其特征在于，

所述定时调整电路包括与所述逆变电路串联连接的串联电容元件。

3.根据权利要求2所述的谐振匹配电路，其特征在于，

所述并联变压器装置包括初级线圈和次级线圈，

所述谐振匹配电路还包括调整用线圈，所述调整用线圈根据包括所述次级线圈以及与所述次级线圈并联的并联电容器的第二电路的谐振频率，来调整包括所述串联电容元件和所述初级线圈的第一电路的谐振频率。

4.根据权利要求3所述的谐振匹配电路，其特征在于，

所述调整用线圈调整所述第一电路的谐振频率，以成为所述逆变电路的电流的相位比所述逆变电路的电压的相位超前的状态。

5.根据权利要求3或4所述的谐振匹配电路，其特征在于，

所述逆变电路具备用于输出电力的第一端子和第二端子，

所述定时调整电路具备与所述第一端子串联连接的第一电容元件以及与所述第二端子串联连接的第二电容元件来作为所述串联电容元件，所述并联变压器装置具备与所述第一电容元件串联连接的第一所述初级线圈、以及处于第一所述初级线圈与所述第二电容元件之间且与第一所述初级线圈及所述第二电容元件串联连接的第二所述初级线圈。

6.根据权利要求5所述的谐振匹配电路，其特征在于，

所述调整用线圈设置于所述第一电容元件与第一所述初级线圈之间、第一所述初级线圈与第二所述初级线圈之间以及第二所述初级线圈与所述第二电容元件之间中的至少一个位置。

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