專利名稱：無線供電裝置及無線供電系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線供電技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年來，無線(非接觸式)電力傳輸作為針對(duì)手機(jī)和筆記本電腦等電子設(shè)備、或電動(dòng)汽車的供電技術(shù)而受到關(guān)注。無線電力傳輸主要分為:電磁感應(yīng)式、電磁波接收式、電場/磁場諧振式這三種。電磁感應(yīng)式用于在短距離(數(shù)厘米以內(nèi))內(nèi)供給電力，并能夠在數(shù)百kHz以下的頻帶內(nèi)傳輸數(shù)百瓦特的電力。電力的利用效率為60% 98%左右。在數(shù)米以上的比較長的距離內(nèi)供給電力的情況下，采用電磁波接收式。電磁波接收式能夠在中波和微波之間的頻帶內(nèi)傳輸數(shù)瓦特以下的電力，但電力的利用效率低。電場/磁場諧振式作為在數(shù)米左右的中等距離內(nèi)、以比較高的效率供給電力的方法而受到關(guān)注(參見非專利文獻(xiàn)I)。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)1:A.Karalis, J.D.Joannopoulos, M.Sol jacic, “Efficientwireless non-radiative mid-range energy transfer，，，ANNALS of PHYSICSVol.323, pp.34-48, 2008, Jan.

發(fā)明內(nèi)容

作為在電場/磁場諧振式的電力傳輸中的重要的參數(shù)，例舉出Q值。圖1 (a)是表示無線供電系統(tǒng)之一例的圖。無線供電系統(tǒng)1100包括:無線供電裝置1200和無線電力接收裝置1300。無線供電裝置1200包括:發(fā)送線圈Ln、諧振用電容器Ct以及交流電源10。交流電源10產(chǎn)生具有發(fā)送頻率fl的電信號(hào)(驅(qū)動(dòng)信號(hào))S2。諧振用電容器Ct和發(fā)送線圈Ln構(gòu)成諧振電路，其諧振頻率被調(diào)諧成電信號(hào)S2的頻率。從發(fā)送線圈Ln發(fā)送出電力信號(hào)SI。無線電力接收裝置1300包括:接收線圈Lk1、諧振用電容器(^以及負(fù)載電路20。諧振用電容器Ck、接收線圈Lki以及負(fù)載電路20構(gòu)成諧振電路，其諧振頻率被調(diào)諧成電力信號(hào)SI的頻率。為了將無線供電裝置1200和無線電力接收裝置1300調(diào)諧成電信號(hào)S2的頻率，諧振用電容器CT、CK由圖1 (b)所示的可變電容器構(gòu)成?？勺冸娙萜靼?多個(gè)電容器C、用于切換這些電容器的多個(gè)開關(guān)SW。圖1 (b)的可變電容器在增大電容值的切換級(jí)數(shù)時(shí)，其電容器以及開關(guān)等部件個(gè)數(shù)將會(huì)增加，并存在電路面積、成本增大這樣的問題。本發(fā)明是鑒于上述問題而做出的，其一個(gè)實(shí)施方式的示例性的目的在于，提供一種抑制部件個(gè)數(shù)增加的無線供電系統(tǒng)。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式是無線供電裝置，其發(fā)送包括電場、磁場和電磁場中的任一種的電力信號(hào)。該無線供電裝置包括:包含多個(gè)開關(guān)的橋式電路、控制部和諧振天線，所述控制部以發(fā)送頻率即第一頻率對(duì)橋式電路的多個(gè)開關(guān)進(jìn)行開關(guān)控制；所述諧振天線與橋式電路連接，并且包括用于發(fā)送電力信號(hào)的發(fā)送線圈以及與發(fā)送線圈串聯(lián)設(shè)置的諧振用電容器，該諧振天線的諧振頻率是大于等于第一頻率的第二頻率。控制部能夠調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間的長度，該死區(qū)時(shí)間是多個(gè)開關(guān)全部同時(shí)斷開的時(shí)間。根據(jù)該實(shí)施方式，即使不改變諧振天線的諧振頻率，也能通過優(yōu)化死區(qū)時(shí)間的長度，來實(shí)現(xiàn)諧振狀態(tài)。即、由于不需要用于改變諧振天線的諧振頻率的結(jié)構(gòu)，因此能夠消減部件個(gè)數(shù)?？刂撇靠梢栽O(shè)定死區(qū)時(shí)間的長度，以使得流過發(fā)送線圈的線圈電流與諧振天線發(fā)生部分諧振。在流過發(fā)送線圈的線圈電流為零的定時(shí),控制部可以斷開多個(gè)開關(guān)。橋式電路可以包括半橋式電路。橋式電路還可以包括全橋式電路。本發(fā)明的另一實(shí)施方式是無線供電系統(tǒng)，該無線供電系統(tǒng)包括:上述任一種實(shí)施方式的無線供電裝置；和用于接收從無線供電裝置發(fā)送的電力信號(hào)的無線電力接收裝置。此外，將以上結(jié)構(gòu)要素的任意組合、本發(fā)明的結(jié)構(gòu)要素、表現(xiàn)方式在方法、裝置、系統(tǒng)等之間相互轉(zhuǎn)換后的實(shí)施方式，作為本發(fā)明的實(shí)施方式也是有效的。采用本發(fā)明的某一實(shí)施方式，能夠消減電路面積。


圖1 (a)、圖1 (b)是表示無線供電系統(tǒng)之一例的圖。圖2是表示實(shí)施方式涉及的無線供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖3是表示圖2的無線供電裝置的動(dòng)作的波形圖。圖4是表示橋式電路的結(jié)構(gòu)例的電路圖。圖5是表示使用圖4的橋式電路時(shí)的動(dòng)作的波形圖。圖6是表示變形例涉及的無線供電裝置的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖7是表示圖6的無線供電裝置的動(dòng)作的波形圖。圖8是表示第二實(shí)施方式涉及的無線供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖9 (a)、圖9 (b)是表示圖8的無線電力接收裝置的動(dòng)作的電路圖。圖10是表示圖8的無線電力接收裝置的動(dòng)作的波形圖。圖11是表示作為比較技術(shù)的同步整流電路的動(dòng)作的波形圖。圖12是表示第一變形例涉及的無線電力接收裝置的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖13是表示第二變形例涉及的無線電力接收裝置的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖14是圖8的無線供電系統(tǒng)的等效電路圖。圖15是表示第三變形例涉及的無線供電系統(tǒng)的動(dòng)作的時(shí)序圖。圖16是表示第四變形例涉及的無線電力接收裝置的結(jié)構(gòu)的電路圖。附圖標(biāo)記說明100:無線供電系統(tǒng)；200:無線供電裝置；300:無線電力接收裝置；10:交流電源；12:控制部；14:橋式電路；20:負(fù)載電路；Lt:發(fā)送線圈；CT、CK:諧振用電容器；Lk:接收線圈；
SI:電力信號(hào)；S2:電信號(hào)；SW1:高端開關(guān)；SW2:低端開關(guān)。
具體實(shí)施例方式下面，參照附圖并基于優(yōu)選實(shí)施方式來說明本發(fā)明。在各圖中表示的相同或等同的結(jié)構(gòu)要素、部件及處理，用相同的附圖標(biāo)記，并適當(dāng)?shù)厥÷灾貜?fù)說明。而且，實(shí)施方式只是示例，并非用來限定本發(fā)明，在實(shí)施方式中描述的所有特征或其組合，并不一定是本發(fā)明的本質(zhì)內(nèi)容。在本說明書中，所謂“部件A與部件B連接的狀態(tài)”，除了包括部件A和部件B在物理上直接連接的情況；還包括部件A和部件B通過不影響電連接狀態(tài)的其他部件而進(jìn)行間接連接的情況。同樣，所謂“部件C設(shè)置在部件A和部件B之間的狀態(tài)”，除了包括部件A和部件C直接連接、或者部件B和部件C直接連接的情況；還包括通過不影響電連接狀態(tài)的其他部件而進(jìn)行間接連接的情況。(第一實(shí)施方式)圖2是表示第一實(shí)施方式涉及的無線供電系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)的電路圖。無線供電系統(tǒng)100包括:無線供電裝置200和無線電力接收裝置300。首先，說明無線電力接收裝置300的結(jié)構(gòu)。無線電力接收裝置300接收從無線供電裝置200發(fā)送的電力信號(hào)SI。無線電力接收裝置300包括:接收線圈Lk、諧振用電容器Ck、負(fù)載電路20。諧振用電容器Ck與接收線圈Lk 一起形成諧振電路。將諧振電路的諧振頻率調(diào)諧為電力信號(hào)SI。接收線圈Lk接收來自無線供電裝置200的電力信號(hào)SI。對(duì)應(yīng)于電力信號(hào)SI的感應(yīng)電流(諧振電流)Ik流過接收線圈Lk，無線電力接收裝置300從該感應(yīng)電流中獲得電力。負(fù)載電路20是從無線供電裝置200中接受電力供給而進(jìn)行動(dòng)作的電路，其用途、結(jié)構(gòu)并未限定。無線供電裝置200向無線電力接收裝置300發(fā)送電力信號(hào)SI。無線供電系統(tǒng)100利用電磁波的近場(電場、磁場或電磁場)作為電力信號(hào)SI,所述電磁波未變成無線電波。無線供電裝置200包括:交流電源10、發(fā)送線圈Lt和諧振用電容器CT。交流電源10產(chǎn)生電信號(hào)S2，該電信號(hào)S2具有預(yù)定頻率，或者經(jīng)頻率調(diào)制、相位調(diào)制、振幅調(diào)制等。為了簡化說明和便于理解，在本實(shí)施方式中將說明電信號(hào)S2是具有恒定頻率的交流信號(hào)的情況。交流電源10包括:橋式電路14及其控制部12。圖2的橋式電路14是包括高端開關(guān)SWl和低端開關(guān)SW2的半橋式電路。交流電源10的控制部12用于控制高端開關(guān)SWl和低端開關(guān)SW2的接通、斷開的狀態(tài)。當(dāng)電力信號(hào)SI的發(fā)送頻率是第一頻率時(shí)，高端開關(guān)SWl和低端開關(guān)SW2的開關(guān)頻率、即電信號(hào)S2的頻率也設(shè)定為與第一頻率相同。諧振用電容器Ct和發(fā)送線圈Lt形成諧振天線。發(fā)送線圈Lt將交流電源10產(chǎn)生的電信號(hào)S2作為近場(電力信號(hào))SI而向空間發(fā)射,該近場包括電場、磁場或者電磁場的任一種。將諧振用電容器Ct設(shè)置為與發(fā)送線圈Lt串聯(lián)，并與低端開關(guān)SW2 —起形成閉合回路。在一般的無線供電裝置中，諧振用電容器Ct和發(fā)送線圈Ln形成的諧振天線的諧振頻率被調(diào)諧為電信號(hào)S2的第一頻率f\。而在實(shí)施方式涉及的無線供電系統(tǒng)100中，將無線供電裝置200的諧振天線的諧振頻率設(shè)定為，大于等于第一頻率的第二頻率f2。在將電力信號(hào)SI進(jìn)行頻率調(diào)制、相位調(diào)制、或者發(fā)送頻率是多個(gè)值可切換的情況下，將諧振天線的諧振頻率f2設(shè)定為，比發(fā)送頻率可取得的頻率中的最高一個(gè)頻率還要高、或者與其相等。在實(shí)施方式涉及的無線供電裝置200中，控制部12對(duì)橋式電路14的多個(gè)開關(guān)SffU SW2全部同時(shí)斷開的死區(qū)時(shí)間的長度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而代替將諧振天線的諧振頻率f2調(diào)諧為電信號(hào)S2的第一頻率f\。具體而言，控制部12設(shè)定死區(qū)時(shí)間的長度，以使得流過發(fā)送線圈Lt的線圈電流込，與諧振天線LT、CT發(fā)生部分諧振。在流過發(fā)送線圈Lt的線圈電流k成為零的定時(shí)，控制部12斷開多個(gè)開關(guān)SW1、SW2。圖3是表示圖2的無線供電裝置200的動(dòng)作的波形圖。本說明書中的波形圖、時(shí)序圖的縱軸和橫軸是為了容易理解而適當(dāng)進(jìn)行了放大、縮小，另外所表示的各波形，也是為了容易理解而進(jìn)行了簡化。在圖3的波形圖上，按從上開始的順序，示出了高端開關(guān)SW1、低端開關(guān)SW2的接通斷開狀態(tài)、諧振用電容器Ct的兩端之間的電壓Vrc、電信號(hào)(驅(qū)動(dòng)信號(hào))S2的電壓Vdr、線圈電流Il。高端開關(guān)SW1、低端開關(guān)SW2由第一頻率進(jìn)行開關(guān)。即、各自的周期ST1=IZf115在高端開關(guān)SWl的接通期間Tonl和低端開關(guān)SW2的接通期間Ton2之間設(shè)有死區(qū)時(shí)間Td。死區(qū)時(shí)間Td的長度設(shè)定為Tonl=Ton2=l/ (2Xf2)。在接通期間Tonl,對(duì)諧振天線LT、CT施加驅(qū)動(dòng)電壓Vdr=VIN。在此期間，線圈電流Ilj實(shí)質(zhì)上成為與諧振天線LT、CT的諧振頻率f2相對(duì)應(yīng)的半波波形。諧振用電容器Ct由線圈電流込進(jìn)行充電，電壓Vrc隨著時(shí)間增大。當(dāng)線圈電流込變?yōu)榱銜r(shí)，轉(zhuǎn)變成死區(qū)時(shí)間Td。由于在死區(qū)時(shí)間Td的期間，線圈電流込不流動(dòng)，因此電壓Vcr保持恒定。另外，橋式電路14的輸出端子成為高阻抗，驅(qū)動(dòng)電壓Vdr待定。當(dāng)死區(qū)時(shí)間Td結(jié)束后，成為接通期間Ton2，驅(qū)動(dòng)電壓Vdr變?yōu)榱?GND:接地電壓)。由此諧振用電容器Ct被放電，線圈電流L成為半波波形。當(dāng)線圈電流L變?yōu)榱愫?，再次轉(zhuǎn)變?yōu)樗绤^(qū)時(shí)間Td。無線供電裝置200反復(fù)進(jìn)行以上的動(dòng)作。這樣，在無線供電裝置200中，可以將諧振天線LT、Ct的諧振頻率f2保持為恒定，同時(shí)根據(jù)發(fā)送頻率來調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間Td的長度，由此能夠在接通期間Ton1、Ton2使得流過的線圈電流k發(fā)生部分諧振。采用該無線供電裝置200，由于使諧振頻率變化，因此不需要可變電容器、可變電感器，從而能夠消減部件個(gè)數(shù)、電路面積。圖4是表不橋式電路14的結(jié)構(gòu)例的電路圖。聞端開關(guān)SWl、低端開關(guān)SW2由FET(Field Effect Transistor:場效應(yīng)晶體管)M1、M2構(gòu)成。在晶體管M1、M2的背柵和漏極之間，存在有本體二極管(body diode) Db1、Db2。在晶體管Ml截止的狀態(tài)下，為了防止電流經(jīng)本體二極管Dbi流動(dòng)，從而設(shè)置了相對(duì)于本體二極管Dbi為相反方向的二極管D1?；谕瑯拥睦碛桑c晶體管M2串聯(lián)并以相反的方向而設(shè)置二極管D2。此外，也可以用N溝道MOSFET作為高端開關(guān)SWl。
圖5是表示使用圖4的橋式電路14時(shí)的動(dòng)作的波形圖。在使用圖4的橋式電路14的情況下，雖然與圖3所示的圖2的無線供電裝置200的動(dòng)作波形不同，但通過調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間Td，也能取得與圖2相同的效果。此外，也可以代替二極管Dl而使用具有與晶體管Ml相反的導(dǎo)電性的FET，同樣，還可以代替二極管D2而使用具有與晶體管M2相反的導(dǎo)電性的FET?；蛘呖梢允÷远O管D1、D2。以上基于實(shí)施方式說明了本發(fā)明。該實(shí)施方式僅僅是示例，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)然了解:這些各結(jié)構(gòu)要素、各處理過程的組合可以有各種變形例，這些變形例也屬于本發(fā)明的范圍。以下將說明這些變形例。在本實(shí)施方式中，說明了使用半橋式電路作為橋式電路14的情況，但也可以取而代之，而使用全橋式電路(H型橋式電路)。圖6是表示變形例涉及的無線供電裝置200a的結(jié)構(gòu)的電路圖。全橋式電路包括開關(guān)SWl SW4?？刂撇?2在開關(guān)SWl的接通期間Tonl，接通了開關(guān)SW4。另外，在開關(guān)SW2的接通期間Ton2，接通了開關(guān)SW3。在接通期間Tonl、Ton2之間，設(shè)置死區(qū)時(shí)間Td，并調(diào)節(jié)其長度。圖7是表示圖6的無線供電裝置200a的動(dòng)作的波形圖。即使在使用H型橋式電路的情況下，與使用半橋式電路的情況相同，能夠使線圈電流k發(fā)生部分諧振，從而取得與圖2的電路相同的效果。在諧振式的無線電力傳輸中，供電(發(fā)送)側(cè)和電力接收(接收)側(cè)的耦合度過高時(shí)，有時(shí)傳輸效率會(huì)惡化。如果采用上述的利用死區(qū)時(shí)間Td的頻率調(diào)節(jié)技術(shù)，則具有如下優(yōu)點(diǎn):不改變發(fā)送頻率，就能夠防止有意使諧振狀態(tài)惡化、耦合度降低、效率惡化的情況。(第二實(shí)施方式)在第一實(shí)施方式中，對(duì)有關(guān)供電裝置進(jìn)行了說明。在第二實(shí)施方式中，說明了能夠與第一實(shí)施方式涉及的供電裝置進(jìn)行組合、或單獨(dú)利用的電力接收裝置。圖8是表示第二實(shí)施方式涉及的無線供電系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)的電路圖。該電路圖中雖然例示了電路常數(shù)，但這些數(shù)值并不會(huì)限定本發(fā)明。無線供電系統(tǒng)100包括無線供電裝置200和無線電力接收裝置300。首先，說明無線供電裝置200的結(jié)構(gòu)。無線供電裝置200向無線電力接收裝置300發(fā)送電力信號(hào)。無線供電系統(tǒng)100利用電磁波的近場(電場、磁場或電磁場)作為電力信號(hào)SI,所述電磁波未變成無線電波。無線供電裝置200包括交流電源10、發(fā)送線圈LI和電容器C2。交流電源10產(chǎn)生電信號(hào)S2，該電信號(hào)S2具有預(yù)定頻率，或者經(jīng)頻率調(diào)制、相位調(diào)制、振幅調(diào)制等。為了簡化說明和便于理解，在本實(shí)施方式中說明電信號(hào)S2是具有恒定頻率的交流信號(hào)的情況。例如，電信號(hào)S2的頻率是在數(shù)百kHz和數(shù)MHz之間進(jìn)行適當(dāng)選擇。發(fā)送線圈LI是向空間發(fā)射由交流電源10產(chǎn)生的電信號(hào)S2的天線，該電信號(hào)S2作為近場(電力信號(hào))SI,該近場包括電場、磁場或者電磁場中的任一種。發(fā)送電容器C2被設(shè)置成與發(fā)送線圈LI串聯(lián)。電阻Rl表示與發(fā)送線圈LI串聯(lián)的電阻分量。上述是無線供電裝置200的結(jié)構(gòu)。接下來說明無線電力接收裝置300的結(jié)構(gòu)。無線電力接收裝置300接收從無線供電裝置200發(fā)送出的電力信號(hào)SI。接收線圈20接收來自發(fā)送線圈LI的電力信號(hào)SI。對(duì)應(yīng)于電力信號(hào)SI的感應(yīng)電流(諧振電流)Icoil流過接收線圈L2。無線電力接收裝置300通過該感應(yīng)電流獲得電力。
無線電力接收裝置300包括接收線圈L2、諧振用電容器C1、H型橋式電路12、控制部14和電力存儲(chǔ)用電容器C3。諧振用電容器Cl與接收線圈L2 —起形成諧振電路。電力存儲(chǔ)用電容器C3的第一端子接地，且其電位被固定。H型橋式電路12包括第一開關(guān)SWl到第四開關(guān)SW4。第一開關(guān)SWl和第二開關(guān)SW2依次串聯(lián)連接并與接收線圈L2和諧振用電容器Cl形成閉合回路。第一開關(guān)SWl和第二開關(guān)SW2的連接點(diǎn)NI與電力存儲(chǔ)用電容器C3的第二端子連接。損耗電阻R2表示在無線電力接收裝置300中的損耗。負(fù)載電阻R3表示由存儲(chǔ)在電力存儲(chǔ)用電容器C3中的電力所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載，并不表示作為電路元件的電阻。在電力存儲(chǔ)用電容器C3中產(chǎn)生的電壓Vpwk供給到負(fù)載電阻R3。依次串聯(lián)設(shè)置第三開關(guān)SW3和第四開關(guān)SW4，以便形成與第一開關(guān)SWl和第二開關(guān)SW2的路徑并聯(lián)的路徑。第三開關(guān)SW3和第四開關(guān)SW4的連接點(diǎn)N2接地，且其電位被固定?？梢钥刂曝?fù)載電阻R3，以使得在電力存儲(chǔ)用電容器C3中的電壓Vpwk變?yōu)樽顑?yōu)值，用以提聞Q值。構(gòu)成H型橋式電路12的第一開關(guān)SWl到第四開關(guān)SW4，可以用MOSFET (MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor:金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)、雙極型晶體管、或者IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor:絕緣柵雙極型晶體管)等半導(dǎo)體元件構(gòu)成?？刂撇?4控制第一開關(guān)SWl到第四開關(guān)SW4。具體而言，控制部14的構(gòu)成為，第一狀態(tài)0 I和第二狀態(tài)￠2可切換的狀態(tài)。在第一狀態(tài)0 I下，第一開關(guān)SWl和第四開關(guān)SW4接通，且第二開關(guān)S W2和第三開關(guān)SW3斷開。在第二狀態(tài)￠2下，第一開關(guān)SWl和第四開關(guān)SW4斷開，且第二開關(guān)SW2和第三開關(guān)SW3接通。接收線圈L2中產(chǎn)生的感應(yīng)電流Iam具有交流波形?？刂撇?4調(diào)節(jié)第一狀態(tài)小I和第二狀態(tài)￠2的切換定時(shí)(相位)，以使得感應(yīng)電流Iam的振幅接近于最大值。上述是無線供電系統(tǒng)100的結(jié)構(gòu)。接下來說明其動(dòng)作。圖9 (a)、圖9 (b)是表示圖8的無線電力接收裝置300的動(dòng)作的電路圖。圖9 (a)表示第一狀態(tài)$ I下的各開關(guān)的狀態(tài)和電流的情形，圖9 (b)表示第二狀態(tài)￠2下的各開關(guān)的狀態(tài)和電流的情形。圖10是表示圖8的無線電力接收裝置300的動(dòng)作的波形圖。按從上到下的順序，圖10表示在電力存儲(chǔ)用電容器C3中產(chǎn)生的電壓VPWE、流入電力存儲(chǔ)用電容器C3的電流Ic3、第二開關(guān)SW2和第三開關(guān)SW3的狀態(tài)、第一開關(guān)SWl和第四開關(guān)SW4的狀態(tài)和接收線圈L2中的感應(yīng)電流
Icoilo在圖10中，第二開關(guān)SW2和第三開關(guān)SW3均對(duì)應(yīng)于電壓為+IV時(shí)的完全接通狀態(tài)、以及電壓為OV時(shí)的斷開狀態(tài)。另外，第一開關(guān)SWl和第四開關(guān)SW4均對(duì)應(yīng)于電壓為-1V時(shí)的完全接通狀態(tài)、以及電壓為OV時(shí)的斷開狀態(tài)。表示開關(guān)狀態(tài)的電壓電平是為方便而設(shè)的。另外，電流波形是以圖8的箭頭方向?yàn)檎较?。首先，從圖8的無線供電裝置200發(fā)送交流的電力信號(hào)SI。根據(jù)該電力信號(hào)SI，接收線圈L2上流過的感應(yīng)電流Iam是交流電流?？刂撇?4與電力信號(hào)SI同步并控制第一開關(guān)SWl到第四開關(guān)SW4的接通/斷開狀態(tài)。如圖9 (a)所示，在第一狀態(tài)I下，電流Ira從接地端子經(jīng)過第四開關(guān)SW4、接收線圈L2、諧振用電容器Cl和第一開關(guān)SWl流出。如圖9 (b)所示，在第二狀態(tài)￠2下，電流Ic3從接地端子經(jīng)過第三開關(guān)SW3、接收線圈L2、諧振用電容器Cl和第二開關(guān)SW2流出?？刂撇?4可以監(jiān)控感應(yīng)電流Iam或者供給于負(fù)載電阻R3的電力，并且可以優(yōu)化H型橋式電路12的切換定時(shí)(相位)，以使得其振幅接近于最大值。在電力存儲(chǔ)用電容器C3具有足夠大的電容量來充當(dāng)電壓源的情況下，可以用作諧振電路的驅(qū)動(dòng)電壓。因此，通過H型橋式電路12和控制部14，以相對(duì)于感應(yīng)電流(諧振電流)Iam的過零點(diǎn)相移90度的相位而使電力存儲(chǔ)用電容器C3與接收線圈L2相耦合，由此通過充當(dāng)電源的電力存儲(chǔ)用電容器C3，能夠補(bǔ)償由于接收線圈L2的電阻分量等引起的損耗。諧振電路的Q值與電阻R成反比。然而，如果電力存儲(chǔ)用電容器C3可以完全補(bǔ)償由電阻R引起的損耗，則電阻R可以視為零，從而成為與Q值無窮大(⑴)的諧振電路等效的電路。 如上所述，根據(jù)實(shí)施方式涉及的無線電力接收裝置300，通過優(yōu)化H型橋式電路12中的第一狀態(tài)Φ1和第二狀態(tài)Φ2的切換定時(shí)(相位)，就能夠在適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)將電力存儲(chǔ)用電容器C3中產(chǎn)生的電壓施加到接收線圈L2，從而極大地提高有效的Q值。圖14是圖8的無線供電系統(tǒng)100的等效電路圖。在圖8的無線供電系統(tǒng)100中，以耦合系數(shù)k耦合的發(fā)送線圈LI和接收線圈L2，可以視為與T型電路20等效，該T型電路20包括電感器L5到電感器L7。當(dāng)L1=L2=L時(shí)，電感器L5和電感器L6的各自的電感均由LX (Ι-k)表示，電感器L7的電感由LXk表示。通過優(yōu)化H型橋式電路12中的第一狀態(tài)Φ I和第二狀態(tài)Φ 2的切換定時(shí)，等效于優(yōu)化交流電源10和負(fù)載電阻R3之間的阻抗匹配。也就是說，H型橋式電路12可以視為切換模式的阻抗匹配電路。當(dāng)交流電源10的輸出阻抗或者耦合系數(shù)k變化時(shí)，則阻抗匹配的條件也會(huì)改變?？刂艸型橋式電路12的切換操作的相位，以得到優(yōu)化的阻抗匹配。一直以來,諧振用電容器Cl或C2由可變電容器(variable condenser)構(gòu)成,通過電動(dòng)機(jī)而機(jī)械地控制該可變電容器，并進(jìn)行了阻抗匹配。而根據(jù)本實(shí)施方式，通過控制H型橋式電路12的切換狀態(tài)，能夠通過電的方式而非機(jī)械的方式實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。通過機(jī)械方式的阻抗匹配，不能進(jìn)行高速控制，在無線電力接收裝置300移動(dòng)的情況下，不能得到阻抗匹配，從而導(dǎo)致供電效率惡化這樣的問題。而本實(shí)施方式能夠得到比以往高速的阻抗匹配，即使無線電力接收裝置300移動(dòng)，或者即使無線供電裝置200的供電狀態(tài)被高速切換，也可以提供高效率的供電。當(dāng)無線電力接收裝置300的Q值增高時(shí)，即使發(fā)送線圈LI和接收線圈L2之間的耦合系數(shù)k較小，即無線電力接收裝置300和無線供電裝置200之間的距離較長，也能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的電力傳輸。此外，第一開關(guān)SWl到第四開關(guān)SW4的接通/斷開的切換定時(shí)，并不限于用圖10所說明的。通過控制接通/斷開的切換定時(shí)，能夠控制諧振電路的Q值。因此，在有意想實(shí)現(xiàn)低Q值的情況下，也可以有意地將接通/斷開的切換定時(shí)從圖10所示的接通/斷開的切換定時(shí)移開。另外，根據(jù)圖8的結(jié)構(gòu)，用于增大Q值的H型橋式電路12作為整流電路而起作用，因此還具有如下優(yōu)點(diǎn):如后述的變形例那樣，不需要具有二極管等的整流電路。此外，上述H型橋式電路12不能混同為通常的同步整流電路。圖11是表示作為比較技術(shù)的同步整流電路的動(dòng)作的波形圖。在同步整流電路中，在諧振電流Iam的過零點(diǎn)的定時(shí)，切換第一狀態(tài)Φ1和第二狀態(tài)Φ2。在這種情況下，流入電力存儲(chǔ)用電容器C3的電流込具有經(jīng)全波整流后的波形。但是，與基于二極管的整流不同，不會(huì)存在電壓損耗。這種同步整流電路不能補(bǔ)償諧振電路的損耗，也不能提高Q值。以上，基于實(shí)施方式說明了本發(fā)明。該實(shí)施方式僅僅是示例，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)然了解:這些各結(jié)構(gòu)要素、各處理過程的組合可以有各種變形例，這些變形例也屬于本發(fā)明的范圍。以下將說明這些變形例。圖12是表示第一變形例涉及的無線電力接收裝置300a的結(jié)構(gòu)的電路圖。應(yīng)當(dāng)注意，省略了與圖8重復(fù)的一部分電路。圖12的無線電力接收裝置300a與圖8的無線電力接收裝置300的不同點(diǎn)在于負(fù)載的位置。具體地，在圖12中，電阻R6充當(dāng)負(fù)載，而不是電阻R3。與電力存儲(chǔ)用電容器C3并聯(lián)的電阻R3可以忽略。圖12的無線電力接收裝置300a，除了包括圖8的無線電力接收裝置300，還包括輔助線圈L3、整流電路16和電感器L4。輔助線圈L3與接收線圈L2緊密耦合。整流電路16對(duì)流過輔助線圈L3的電流Iu進(jìn)行全波整流。電感器L4設(shè)置在整流電路16的輸出側(cè)并且與負(fù)載電阻R6串聯(lián)。根據(jù)圖12的結(jié)構(gòu)，通過Q值放大電路提高諧振電路的Q值，其中，該諧振電路包括接收線圈L2和諧振用電容器Cl，該Q值放大電路包括H型橋式電路12和電力存儲(chǔ)用電容器C3。其結(jié)果是，在與接收線圈L2緊密耦合的輔助線圈L3中也感應(yīng)較大的電流Iu，從而能夠向負(fù)載電阻R6提供大量的電力。圖13是表示第二變形例涉及的無線電力接收裝置300b的結(jié)構(gòu)的電路圖。無線電力接收裝置300b包括與接收線圈L2緊密耦合的輔助線圈L3。而且，H型橋式電路12b被連接到輔助線圈L3，而不是接收線圈L2。并聯(lián)連接的電感器L4和電阻R5被設(shè)置在H型橋式電路12b和電力存儲(chǔ)用電容器C3之間。整流電路16b對(duì)流過諧振電路的電流進(jìn)行全波整流，該諧振電路包括接收線圈L2和諧振用電容器Cl。電力存儲(chǔ)用電容器C4設(shè)置在整流電路16b的輸出側(cè)，并使由整流電路16b進(jìn)行了全波整流后的電流平滑。在電力存儲(chǔ)用電容器C4中產(chǎn)生的電壓，提供給負(fù)載電阻R6。根據(jù)圖13的結(jié)構(gòu)，包括H型橋式電路12b和電力存儲(chǔ)用電容器C3的Q值放大電路，經(jīng)由輔助線圈L3，能夠使諧振電路的Q值提高，該諧振電路包括接收線圈L2和諧振用電容器Cl。其結(jié)果是，能夠高效率地接收電力。在實(shí)施方式中，已經(jīng)說明了 H型橋式電路12可以切換第一狀態(tài)Φ I和第二狀態(tài)Φ2，以及控制這些切換相位的情況。在第三變形例中，進(jìn)行以下控制來代替相位控制；或者除了相位控制之外還進(jìn)行以下控制。在第三變形例中，控制部14除了切換至第一狀態(tài)Φ I和第二狀態(tài)Φ 2之外，還能夠切換為第三狀態(tài)Φ3，該第三狀態(tài)Φ3為，第一開關(guān)SWl到第四開關(guān)SW4全部斷開?？刂撇?4在從第一狀態(tài)Φ I轉(zhuǎn)變到第二狀態(tài)Φ2的半途中、或者從第二狀態(tài)Φ2轉(zhuǎn)變到第一狀態(tài)Φ1的半途中的至少一種切換中，插入第三狀態(tài)Φ 3，并調(diào)節(jié)第三狀態(tài)Φ 3的期間長度(也稱為死區(qū)時(shí)間Td)，以使得流過接收線圈L2的感應(yīng)電流Iam的振幅接近于最大值。圖15是表示第三變形例涉及的無線供電系統(tǒng)100的動(dòng)作的時(shí)序圖。接收線圈L2、諧振用電容器Cl、H型橋式電路12構(gòu)成的諧振電路的諧振頻率，并不一定要與無線供電裝置200產(chǎn)生的電力信號(hào)SI的頻率一致。在這種情況下，通過調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間Td的長度，在第一狀態(tài)0 I和第二狀態(tài)￠2下流動(dòng)的感應(yīng)電流Iam能夠使無線電力接收裝置300的諧振電路發(fā)生部分諧振。也就是說，能夠使無線供電裝置200的諧振頻率調(diào)諧為電力信號(hào)SI的頻率，從而提高供電效率。實(shí)施方式中已經(jīng)說明了將H型橋式電路12用作切換模式的阻抗匹配電路的情況，但也可以采用半橋式電路。圖16是表示第四變形例涉及的無線電力接收裝置300c的結(jié)構(gòu)的電路圖。圖16的無線電力接收裝置300c具有:將圖13的無線電力接收裝置300b的H型橋式電路12b替換為半橋式電路12c的結(jié)構(gòu)。半橋式電路12c包括第五開關(guān)SW5和第六開關(guān)SW6。第五開關(guān)SW5與電力存儲(chǔ)用電容器C3和輔助線圈L3連接，以形成閉合回路。第六開關(guān)SW6設(shè)置在輔助線圈L3的兩端之間。根據(jù)第四變形例，通過控制切換第五開關(guān)SW5和第六開關(guān)SW6的接通、斷開的相位，能夠得到阻抗匹配。此外，通過調(diào)節(jié)第五開關(guān)SW5、第六開關(guān)SW6同時(shí)斷開的死區(qū)時(shí)間的長度，能夠利用部分諧振以提高傳輸效率。基于實(shí)施方式說明了本發(fā)明，但本實(shí)施方式僅僅示出了本發(fā)明的原理、應(yīng)用。在不脫離權(quán)利要求所限定的本發(fā)明思想的范圍內(nèi)，實(shí)施方式可以有多個(gè)變形例或配置變更。[工業(yè)上的可利用 性]本發(fā)明的實(shí)施方式能夠用于無線電力傳輸。
權(quán)利要求
1.一種無線供電裝置，其發(fā)送包括電場、磁場和電磁場中的任一種的電力信號(hào)，其特征在于， 所述無線供電裝置包括: 包含多個(gè)開關(guān)的橋式電路； 控制部，其以發(fā)送頻率即第一頻率，對(duì)所述橋式電路的所述多個(gè)開關(guān)進(jìn)行開關(guān)控制； 諧振天線，其與所述橋式電路連接，并且包括用于發(fā)送電力信號(hào)的發(fā)送線圈以及與所述發(fā)送線圈串聯(lián)設(shè)置的諧振用電容器，所述諧振天線的諧振頻率是大于等于所述第一頻率的第二頻率， 所述控制部能夠調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間的長度，所述死區(qū)時(shí)間是所述多個(gè)開關(guān)全部同時(shí)斷開的時(shí)間。
2.如權(quán)利要求1所述的無線供電裝置，其特征在于， 所述控制部設(shè)定所述死區(qū)時(shí)間的長度，以使得流過所述發(fā)送線圈的線圈電流與所述諧振天線發(fā)生部分諧振。
3.如權(quán)利要求1或2所述的無線供電裝置，其特征在于， 在流過所述發(fā)送線圈的線圈電流為零的定時(shí)，所述控制部斷開所述多個(gè)開關(guān)。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的無線供電裝置，其特征在于， 所述橋式電路包括半橋式電路。
5.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的無線供電裝置，其特征在于， 所述橋式電路包括全橋式電路。
6.一種無線供電系統(tǒng)，其特征在于，包括: 如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的無線供電裝置； 用于接收從所述無線供電裝置發(fā)送的電力信號(hào)的無線電力接收裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種無線供電裝置。該無線供電裝置(200)發(fā)送包括電場、磁場和電磁場中的任一種的電力信號(hào)S1。橋式電路(14)包含多個(gè)開關(guān)SW1、SW2?？刂撇?12)以發(fā)送頻率即第一頻率f1，對(duì)橋式電路(14)的多個(gè)開關(guān)SW1、SW2進(jìn)行開關(guān)控制。發(fā)送線圈LT和諧振用電容器CT構(gòu)成諧振天線，并與橋式電路(14)連接，其諧振頻率是大于等于第一頻率f1的第二頻率f2?？刂撇?12)能夠調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間Td的長度，該死區(qū)時(shí)間是多個(gè)開關(guān)SW1、SW2全部同時(shí)斷開的時(shí)間。
文檔編號(hào)H02J17/00GK103141008SQ20118004461
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2011年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月16日
發(fā)明者圓道祐樹, 古川靖夫 申請(qǐng)人:株式會(huì)社愛德萬測試