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JP2002272020A - 非接触電力伝送装置及び非接触充電装置 - Google Patents

非接触電力伝送装置及び非接触充電装置

Info

Publication number
JP2002272020A
JP2002272020A JP2001067036A JP2001067036A JP2002272020A JP 2002272020 A JP2002272020 A JP 2002272020A JP 2001067036 A JP2001067036 A JP 2001067036A JP 2001067036 A JP2001067036 A JP 2001067036A JP 2002272020 A JP2002272020 A JP 2002272020A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
circuit
power transmission
transformer
resonance
secondary coil
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2001067036A
Other languages
English (en)
Inventor
Takafumi Nanbu
隆文 南部
Atsushi Koshiyama
篤 越山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2001067036A priority Critical patent/JP2002272020A/ja
Priority to US10/091,987 priority patent/US6697272B2/en
Publication of JP2002272020A publication Critical patent/JP2002272020A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/22—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC
    • H02M3/24—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/28—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC
    • H02M3/325—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 トランスを介して接続された送電回路及び受
電回路を備える非接触電力伝送装置において、電力伝送
効率を高くすることのできるものを得る。 【解決手段】 送電回路ＴＸには、所定周波数のスイッ
チング電源ＳＰが設けられ、受電回路ＲＸには、トラン
スＴＲの２次コイル１４に接続され、その２次コイル１
４の漏洩インダクタンスＬ２と共同して共振回路を構成
するコンデンサ１７と、フライバック方式の整流回路Ｒ
ＦＸとが設けられてなり、共振回路の共振周波数が所定
周波数と略等しくなるように、コンデンサ１７の容量を
設定したものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、非接触電力伝送装
置及び非接触充電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】携帯電話機に対する従来の非接触充電装
置（非接触電力伝送装置）は、漏洩インダクタンスの影
響を受けるため、電力伝送効率はあまり高くなかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】かかる点に鑑み、本発
明は、トランスを介して接続された送電回路及び受電回
路を備える非接触電力伝送装置において、電力伝送効率
を高くすることのできるものを提案しようとするもので
ある。
【０００４】又、本発明は、トランスを介して接続され
た送電回路及び受電回路を備える非接触充電装置におい
て、電力伝送効率を高くすることのできるものを提案し
ようとするものである。
【０００５】更に、本発明は、トランスを介して接続さ
れた送電回路及び受電回路を備える非接触電力伝送装置
において、電力伝送効率の高く、しかも、受電回路の整
流回路が無負荷の場合における、トランスの１次コイル
に流れる電流及びトランスの２次コイルの電圧を、それ
ぞれ受電回路の整流回路が有負荷の場合における、トラ
ンスの１次コイルに流れる電流及びトランスの２次コイ
ルの電圧に比べて大幅に低減することのできるものを提
案しようとするものである。
【０００６】更に、本発明は、トランスを介して接続さ
れた送電回路及び受電回路を備える非接触充電装置にお
いて、電力伝送効率の高く、しかも、受電回路の整流回
路に充電式電池が接続されていない場合における、トラ
ンスの１次コイルに流れる電流及びトランスの２次コイ
ルの電圧を、それぞれ受電回路の整流回路に充電式電池
が接続されている場合における、トランスの１次コイル
に流れる電流及びトランスの２次コイルの電圧に比べて
大幅に低減することのできるものを提案しようとするも
のである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、トランス
によって結合された送電回路及び受電回路を有する非接
触電力伝送装置において、送電回路には、所定周波数の
スイッチング電源が設けられ、受電回路には、トランス
の２次コイルに接続され、その２次コイルの漏洩インダ
クタンスと共同して共振回路を構成するコンデンサと、
フライバック方式の整流回路とが設けられてなり、共振
回路の共振周波数が所定周波数と略等しくなるように、
コンデンサの容量を設定した非接触電力伝送装置であ
る。
【０００８】第１の発明によれば、送電回路には、所定
周波数のスイッチング電源が設けられ、受電回路には、
トランスの２次コイルに接続され、その２次コイルの漏
洩インダクタンスと共同して共振回路を構成するコンデ
ンサと、フライバック方式の整流回路とが設けられ、共
振回路の共振周波数が所定周波数と略等しくなるよう
に、コンデンサの容量を設定する。
【０００９】第２の発明は、トランスによって結合され
た送電回路及び受電回路を有する非接触充電装置におい
て、送電回路には、所定周波数のスイッチング電源が設
けられ、受電回路には、トランスの２次コイルに接続さ
れ、その２次コイルの漏洩インダクタンスと共同して共
振回路を構成するコンデンサと、充電式電池に接続され
るフライバック方式の整流回路とが設けられてなり、共
振回路の共振周波数が所定周波数と略等しくなるよう
に、コンデンサの容量を設定した非接触充電装置であ
る。
【００１０】第３の発明は、第１の発明の非接触電力伝
送装置において、整流回路に負荷が接続されたとき及び
接続されないときの共振回路の共振周波数の差が大きく
なるように、トランスの１次コイル及び２次コイルの巻
線比を設定した非接触電力伝送装置である。
【００１１】第４の発明は、第２の発明の非接触充電装
置において、整流回路に充電式電池が接続されたとき及
び接続されないときの共振回路の共振周波数の差が大き
くなるように、トランスの１次コイル及び２次コイルの
巻線比を設定した非接触充電装置である。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下に、図１Ａを参照して、本発
明の実施の形態の非接触電力伝送装置（非接触充電装
置）の例を説明する。この非接触電力伝送装置（非接触
充電装置）は、送電回路ＴＸ及び受電回路ＲＸから構成
され、送電回路ＴＸからの電力を、トランスＴＲを介し
て、受電回路ＲＸに伝送し、その伝送された電力を整流
し、その得られた直流電圧を、負荷としての充電式電池
２０に印加して、充電を行うようにしている。
【００１３】先ず、送電回路ＴＸから説明する。商用交
流電源のアウトレットに接続されるプラグ１よりの一対
の導線がヒューズ２及びノイズ除去フィルタ３を通じ
で、整流回路ＲＦＴを構成するブリッジ整流器４の一対
の入力端子に接続される。整流器４の正側及び負側の出
力端子間に、整流回路ＲＦＴを構成する平滑用コンデン
サ（電解コンデンサ）５が接続されている。
【００１４】９はスイッチング回路（ＩＣ回路）で、発
振回路、コントロール回路及び出力回路から構成され
る。スイッチング回路９の一方の出力端は、トランスＴ
Ｒを構成する１次コイル１２を通じて、整流器４の正側
出力端子に接続され、スイッチング回路９の他方の出力
端は、整流器４の負側出力端子に接続される。
【００１５】６、７及び８は、トランスＴＲの１次コイ
ル１２に発生する逆起電圧を抑圧する抑圧回路を構成す
るコンデンサ、抵抗器及びダイオードである。ダイオー
ド８のカソードが、コンデンサ６及び抵抗器６の並列回
路を通じで、整流器４の正側出力端子に接続され、その
アノードがスイッチング回路９の一端に接続される。
【００１６】１０、１１及び１３は、発振制御用フィー
ドバック回路を構成するコンデンサ（電解コンデン
サ）、ダイオード及びトランスＴＲのフィードバック用
コイルである。フィードバック用コイル１３の一端が、
ダイオード１１のカソードに接続され、そのアノードが
スイッチング回路９のフィードバック入力端子に接続さ
れる。ダイオード１１のアノード及びフィードバック用
コイル１３の他端間に、コンデンサ１０が接続される。
【００１７】次に、受電回路ＲＸについて説明する。こ
の受電回路ＲＸは、フライバック方式の整流回路ＲＦＸ
を備えている。トランスＴＲの２次コイル１４の両端に
共振用コンデンサ１７が並列接続される。整流回路ＲＦ
Ｘを構成する整流用ダイオード１８のアノードが２次コ
イル１４の一端に接続され、そのカソードが、整流回路
ＲＦＸを構成する平滑用コンデンサ（電解コンデンサ）
１９を通じて、２次コイル１４の他端に接続される。そ
して、負荷としての充電式電池（例えば、携帯電話機に
内蔵されているリチウムイオン電池）２０の正極がダイ
オード１８のカソードに接続され、その負極が２次コイ
ル１４の他端に接続される。
【００１８】尚、トランスＴＲにおいて、１５、１６
は、それぞれ１次コイル１２及び２次コイル１４が巻装
されたコアである。コア１５には、フィードバック用コ
イル１５も巻装されている。
【００１９】図１Ｂは、トランスＴＲの１次コイル１２
側から見た、受電回路ＲＸの等価回路を示す。ｅは、ス
イッチング回路９が動作状態にあるときの交流逆起電圧
を示し、その周波数をｆとする。ｒは、コンデンサ６、
抵抗器７及びダイオード８から構成される逆起電圧抑圧
回路の等価抵抗を示す。Ｌ１は、１次コイル１２のイン
ダクタンスである。Ｌ２は、２次コイル１４の漏洩イン
ダクタンスである。Ｃは、コンデンサ１７の容量を、ト
ランスＴＲの１次側に換算した容量である。Ｒは、負荷
としての充電式電池２０の内部抵抗（負荷抵抗）を、ト
ランスＴＲの１次側に換算した抵抗である。
【００２０】図１Ｂの等価回路で、抵抗ｒ、インダクタ
ンスＬ１、コンデンサＣ及び抵抗Ｒからなる回路の共振
周波数を、交流逆起電圧ｅの周波数ｆに等しくなくよう
に、容量Ｃを選ぶと、２次コイル１４の漏洩インダクタ
ンスＬ２の存在を無視することができる。
【００２１】図１Ｂの等価回路において、共振周波数に
対する影響が少ないものと思われる抵抗ｒ及びインダク
タンスＬ１が無いものとして、図１Ｂの等価回路の共振
角周波数ωの２乗の値を求めると、次式のようになる。
【００２２】
【数１】ω2 ＝１／Ｌ２・Ｃ−１／２Ｃ2 Ｒ2
【００２３】この数１のω2 の式によれば、負荷抵抗Ｒ
が重い程、即ち、小さい程、共振角周波数ωは低くなる
ことが分かる。そこで、トランスＴＲの１次コイル１２
及び２次コイル１４の巻線比を、負荷抵抗Ｒが重いとき
と、軽いとき（充電式電池２０が整流回路ＲＦＸに接続
されていないとき）の共振角周波数の差及び負荷マッチ
ングの両方から最適に選ぶことにより、無負荷時におけ
る１次コイル１２に流れる電流の上昇及び２次コイル１
４の端子電圧の上昇を抑えることができる。これによ
り、無負荷時の無駄な電力消費を抑えることができると
共に、トランスＴＲの２次コイル１４側、即ち、受電回
路ＲＸ側で使用する回路部品として、低耐圧のものを使
用し得る。
【００２４】一例として、トランスＴＲの１次コイル１
２の巻回数が５０、２次コイル１４の巻回数が１０、フ
ィードバック用コイル１３の巻回数が８、コンデンサ１
７の容量が３３２ｐＦ（２次コイル側換算で０．０３９
μＦ）のとき、２次コイル１４側の共振回路の共振周波
数は、有負荷時は１００ｋＨｚ、無負荷時は５３０ｋＨ
ｚとなった。又、この条件において、負荷抵抗が１０Ω
のときの１次電流（１次コイル１２に流れる電流）が１
２４ｍＡ、２次電圧（２次コイル１４側の整流回路ＲＦ
Ｘの電圧）が８．６Ｖ、無負荷のときの１次電流が２７
ｍＡ、２次電圧が７．７Ｖとなった。
【００２５】又、受電回路ＲＸの整流回路ＲＦＸをフラ
イバック方式の整流回路にて構成しているので、コアギ
ャップが同じ場合において、フォワード方式の整流回路
に比べて、かなり高い電圧を取り出すことができる。
【００２６】図２の表図を参照して、図１の本発明の実
施の形態の非接触電力伝送装置（非接触充電装置）の例
（有負荷時の２次電圧が９．４Ｖで、トランスＴＲの１
次コイル１２及び２次コイル１４間のコアギャップ〈コ
ア１５、１６間の距離〉が３ｍｍの場合）の電力伝送効
率を、従来例１｛トランス結合で、有負荷時の２次電圧
が８Ｖで、コアギャップが０ｍｍで、２次コイル側が非
共振で、２次コイル側の共振回路がフォワード方式の場
合の非接触電力伝送装置（非接触充電装置）｝及び従来
例２｛トランス結合で、有負荷時の２次電圧が４．２Ｖ
で、コアギャップが３ｍｍで、２次コイル側が非共振２
次コイル側の共振回路がフォワード方式の場合の非接触
電力伝送装置（非接触充電装置）｝における各電力伝送
効率を比較して示す。尚、実施の形態、従来例１及び２
のいずれの場合も、スイッチング回路のスイッチング周
波数は１００ｋＨｚ、有負荷時の負荷抵抗は１０Ωであ
る。
【００２７】実施の形態の非接触電力伝送装置（非接触
充電装置）の場合の電力伝送効率は６６％で、コアギャ
ップ０ｍｍの従来例１の電力伝送効率７６％には及ばな
いが、略これに匹敵し、又、ギャップ３ｍｍの従来例２
の電力伝送効率２８％に比べて、十分電力伝送効率が高
くなっている。
【００２８】上述した本発明の実施の形態の非接触充電
装置の例では、携帯電話機に内蔵されている充電式電池
を充電する充電装置の場合について述べたが、コードレ
ス電気ポット、電気カミソリ等に内蔵する充電式電池を
充電する充電装置にも、適用することができる。
【００２９】上述した本発明の実施の形態の非接触電力
伝送装置は、携帯電話機に内蔵されている充電式電池を
充電する充電装置の場合について述べたが、非接触スイ
ッチング電源装置等にも適用することができる。
【００３０】
【発明の効果】第１の発明によれば、トランスによって
結合された送電回路及び受電回路を有する非接触電力伝
送装置において、送電回路には、所定周波数のスイッチ
ング電源が設けられ、受電回路には、トランスの２次コ
イルに接続され、その２次コイルの漏洩インダクタンス
と共同して共振回路を構成するコンデンサと、フライバ
ック方式の整流回路とが設けられてなり、共振回路の共
振周波数が所定周波数と略等しくなるように、コンデン
サの容量を設定したので、電力伝送効率を高くすること
のできる非接触電力伝送装置を得ることができる。
【００３１】第２の発明によれば、トランスによって結
合された送電回路及び受電回路を有する非接触充電装置
において、送電回路には、所定周波数のスイッチング電
源が設けられ、受電回路には、トランスの２次コイルに
接続され、その２次コイルの漏洩インダクタンスと共同
して共振回路を構成するコンデンサと、充電式電池に接
続されるフライバック方式の整流回路とが設けられてな
り、共振回路の共振周波数が所定周波数と略等しくなる
ように、コンデンサの容量を設定したので、電力伝送効
率を高くすることのできる非接触充電装置を得ることが
できる。
【００３２】第３の発明によれば、第１の発明の非接触
電力伝送装置において、整流回路に負荷が接続されたと
き及び接続されないときの共振回路の共振周波数の差が
大きくなるように、トランスの１次コイル及び２次コイ
ルの巻線比を設定したので、電力伝送効率の高く、しか
も、受電回路の整流回路が無負荷の場合における、トラ
ンスの１次コイルに流れる電流及びトランスの２次コイ
ルの電圧を、それぞれ受電回路の整流回路が有負荷の場
合における、トランスの１次コイルに流れる電流及びト
ランスの２次コイルの電圧に比べて大幅に低減すること
のできる非接触電力伝送装置を得ることができる。
【００３３】第４の発明によれば、第２の発明の非接触
充電装置において、整流回路に充電式電池が接続された
とき及び接続されないときの共振回路の共振周波数の差
が大きくなるように、トランスの１次コイル及び２次コ
イルの巻線比を設定したので、電力伝送効率の高く、し
かも、受電回路の整流回路が無負荷の場合における、ト
ランスの１次コイルに流れる電流及びトランスの２次コ
イルの電圧を、それぞれ受電回路の整流回路が有負荷の
場合における、トランスの１次コイルに流れる電流及び
トランスの２次コイルの電圧に比べて大幅に低減するこ
とのできる非接触充電装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ａ 本発明の実施の形態の非接触電力伝送装置
（非接触充電装置）の例を示す回路図である。Ｂ その
等価回路を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態の例及び従来例における電
力伝送効率の比較を示す表図である。
【符号の説明】
ＴＸ 送電回路、ＲＸ 受電回路、９ スイッチング回
路、ＴＲ トランス、１２ トランスＴＲの１次コイ
ル、１４ トランスＴＲの２次コイル、１７ コンデン
サ、ＲＦＸ 整流回路、１８ 整流用ダイオード、１９
平滑コンデンサ、２０ 充電式電池（負荷）。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 トランスによって結合された送電回路及
    び受電回路を有する非接触電力伝送装置において、 上記送電回路には、所定周波数のスイッチング電源が設
    けられ、 上記受電回路には、上記トランスの２次コイルに接続さ
    れ、該２次コイルの漏洩インダクタンスと共同して共振
    回路を構成するコンデンサと、フライバック方式の整流
    回路とが設けられてなり、 上記共振回路の共振周波数が上記所定周波数と略等しく
    なるように、上記コンデンサの容量を設定したことを特
    徴とする非接触電力伝送装置。
  2. 【請求項２】 トランスによって結合された送電回路及
    び受電回路を有する非接触充電装置において、 上記送電回路には、所定周波数のスイッチング電源が設
    けられ、 上記受電回路には、上記トランスの２次コイルに接続さ
    れ、該２次コイルの漏洩インダクタンスと共同して共振
    回路を構成するコンデンサと、充電式電池に接続される
    フライバック方式の整流回路とが設けられてなり、 上記共振回路の共振周波数が上記所定周波数と略等しく
    なるように、上記コンデンサの容量を設定したことを特
    徴とする非接触充電装置。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の非接触電力伝送装置に
    おいて、 上記整流回路に負荷が接続されたとき及び接続されない
    ときの上記共振回路の共振周波数の差が大きくなるよう
    に、上記トランスの１次コイル及び２次コイルの巻線比
    を設定したことを特徴とする非接触電力伝送装置。
  4. 【請求項４】 請求項２に記載の非接触充電装置におい
    て、 上記整流回路に充電式電池が接続されたとき及び接続さ
    れないときの上記共振回路の共振周波数の差が大きくな
    るように、上記トランスの１次コイル及び２次コイルの
    巻線比を設定したことを特徴とする非接触充電装置。
JP2001067036A 2001-03-09 2001-03-09 非接触電力伝送装置及び非接触充電装置 Pending JP2002272020A (ja)

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