特許ウォッチ

公開番号2025048587
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-03
出願番号2023157483
出願日2023-09-22
発明の名称インバータ、整流回路、及び非接触給電システム
出願人株式会社パワーウェーブ
代理人個人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20250327BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】負荷の抵抗値が変動する場合であっても高効率の理想動作が行えるDE級インバータ及びDE級同期整流回路、及び非接触給電システムを提供すること。
【解決手段】インバータ2は、スイッチング回路11と負荷5との間に、スイッチング回路11の出力への入力インピーダンスZを変換するための受動回路20を備える。受動回路20は、第一スイッチング素子12及び第二スイッチング素子13のスイッチング電圧が、デッドタイムの時間長さτにおいてZVS及びZVDSを達成するときの入力インピーダンスZを基準インピーダンスZ₀として、負荷5が所定の抵抗値R_l0である場合に入力インピーダンスZが基準インピーダンスZ₀となるように変換し、負荷5の抵抗値R_lが所定の抵抗値R_l0から変動する場合に、デッドタイムの時間長さτにおいてスイッチング電圧がZVSを達成する範囲内となるように入力インピーダンスZを変換するよう構成される。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
負荷に供給する交流電圧又は交流電流を直流電圧又は直流電流より生成して出力するインバータであって、
第一スイッチング素子が並列接続された第一コンデンサと、第二スイッチング素子が並列接続された第二コンデンサとが直列接続された直列回路を有し、前記直流電圧又は前記直流電流に前記直列回路が接続された状態で前記第一スイッチング素子と前記第二スイッチング素子とを交互にオンすることで、前記第一コンデンサと前記第二コンデンサとの接続点にて発生する電圧又は電流に基づく交流電圧又は交流電流を出力するように構成されたスイッチング回路と、
そのスイッチング回路と前記負荷との間に設けられ、前記スイッチング回路の出力への入力インピーダンスを変換するための受動回路と、を備え、
前記スイッチング回路は、
所定のデューティ比にて前記第一スイッチング素子のオン／オフを制御するオン信号及びオフ信号により構成される第一制御信号と、前記所定のデューティ比にて前記第二スイッチング素子のオン／オフを制御するオン信号及びオフ信号により構成される第二制御信号と、が入力され、
前記第一制御信号の前記オン信号と前記第二制御信号の前記オン信号とは時間的に交互に発生し、前記第一制御信号の前記オン信号と前記第二制御信号の前記オン信号との間には、前記第一制御信号及び前記第二制御信号共に前記オフ信号となるデッドタイムが設けられており、
前記受動回路は、
前記スイッチング回路と前記負荷を含む前記スイッチング回路に接続される回路とに設けられる各素子の構成及び設定値並びに前記デッドタイムの時間長さに基づき決定される前記第一スイッチング素子及び前記第二スイッチング素子のスイッチング電圧が、前記デッドタイムの時間長さにおいてゼロ電圧スイッチング及びゼロ電圧微分スイッチングを達成するときの前記入力インピーダンスを基準インピーダンスとして、
前記負荷が所定の抵抗値である場合に、前記入力インピーダンスが前記基準インピーダンスとなるように変換し、
前記負荷の抵抗値が前記所定の抵抗値から変動する場合に、前記デッドタイムの時間長さにおいて前記スイッチング電圧が前記ゼロ電圧スイッチングを達成する範囲内となるように前記入力インピーダンスを変換するよう構成されることを特徴とするインバータ。
続きを表示（約 2,400 文字）【請求項２】
前記受動回路は、前記負荷の抵抗値の変動をスミスチャート上に描いた実軸負荷変動測地線から、前記デッドタイムの時間長さにおいて前記ゼロ電圧スイッチングを達成する前記入力インピーダンスを前記スミスチャート上に描いたゼロ電圧スイッチング測地線へ、インピーダンス変換を行うことができるインピーダンスパラメータを求めた場合の、そのインピーダンスパラメータを満たす回路として構成されたものであることを特徴とする請求項１記載のインバータ。
【請求項３】
前記実軸負荷変動測地線から前記ゼロ電圧スイッチング測地線へのインピーダンス変換が、縦軸がリアクタンス成分、横軸が抵抗成分で示されるインピーダンス平面上において、拡大・縮小、回転、及び縦軸方向への平行移動の少なくとも１つを用いたメビウス変換により行われるように、前記受動回路の前記インピーダンスパラメータが求められることを特徴とする請求項２記載のインバータ。
【請求項４】
前記受動回路は、インダクタとコンデンサとにより構成されることを特徴とする請求項１記載のインバータ。
【請求項５】
交流電圧又は交流電流を整流して、負荷に対して直流電圧又は直流電流を出力する整流回路であって、
第一スイッチング素子が並列接続された第一コンデンサと、第二スイッチング素子が並列接続された第二コンデンサとが直列接続された直列回路を有し、前記第一コンデンサと前記第二コンデンサとの接続点に前記交流電圧又は前記交流電流に基づく電圧又は電流が供給される状態で、所定の条件にて前記第一スイッチング素子と前記第二スイッチング素子とを交互にオンすることで、前記直流電圧又は前記直流電流を出力するスイッチング回路と、
前記交流電圧又は前記交流電流が入力される前記整流回路の入力端と前記スイッチング回路との間に設けられ、前記スイッチング回路の入力への出力インピーダンスを変換するための受動回路と、
所定のデューティ比にて前記第一スイッチング素子のオン／オフを制御するオン信号及びオフ信号により構成される第一制御信号と、前記所定のデューティ比と同一のデューティ比にて前記第二スイッチング素子のオン／オフを制御するオン信号及びオフ信号により構成される第二制御信号と、を生成し、前記スイッチング回路に出力する制御部と、を備え、
その制御部は、
前記第一制御信号の前記オン信号と前記第二制御信号の前記オン信号とが時間的に交互に発生し、前記第一制御信号の前記オン信号と前記第二制御信号の前記オン信号との間に前記第一制御信号及び前記第二制御信号共に前記オフ信号となるデッドタイムが設けられ、且つ、前記第一制御信号及び前記第二制御信号と前記整流回路に入力される前記交流電圧又は前記交流電流とが所定の位相差となるように、前記第一制御信号及び前記第二制御信号を生成し、
前記受動回路は、
前記スイッチング回路と前記負荷を含む前記スイッチング回路に接続される回路とに設けられる各素子の構成及び設定値並びに前記デッドタイムの時間長さに基づき決定される前記第一スイッチング素子及び前記第二スイッチング素子のスイッチング電圧が、前記デッドタイムの時間長さにおいてゼロ電圧スイッチング及びゼロ電圧微分スイッチングを達成するときの前記出力インピーダンスを基準インピーダンスとして、
前記負荷が所定の抵抗値である場合に前記出力インピーダンスが前記基準インピーダンスとなるように変換し、
前記負荷の抵抗値が前記所定の抵抗値から変動する場合に、前記デッドタイムの時間長さにおいて前記スイッチング電圧が前記ゼロ電圧スイッチングを達成する範囲内となるように前記出力インピーダンスを変換するよう構成されることを特徴とする整流回路。
【請求項６】
前記所定の位相差は、前記整流回路への入力が定電圧及び定電流のいずれであるか、と、前記負荷への出力が定電圧及び定電流のいずれであるか、と、前記受動回路を示すＺパラメータの非対角成分又はＹパラメータの非対角成分が正の数であるか負の数であるかと、によって定められることを特徴とする請求項５記載の整流回路。
【請求項７】
前記制御部は、前記整流回路に入力された前記交流電圧又は前記交流電流を検出し、その検出結果に基づいて、前記第一制御信号及び前記第二制御信号と前記整流回路に入力される前記交流電圧又は前記交流電流との位相差が前記所定の位相差となるように、前記第一制御信号及び前記第二制御信号を生成することを特徴とする請求項５記載の整流回路。
【請求項８】
前記制御部は、前記整流回路に入力された前記交流電圧又は前記交流電流を検出して前記第一制御信号及び前記第二制御信号を生成し、且つ、前記直流電圧又は前記直流電流が所定目標値となるように前記第一制御信号及び前記第二制御信号の位相を調整することを特徴とする請求項５記載の整流回路。
【請求項９】
前記制御部は、前記整流回路に入力された前記交流電圧又は前記交流電流を検出して前記第一制御信号及び前記第二制御信号を生成し、且つ、前記交流電圧と前記直流電圧との比、前記交流電圧と前記直流電流との比、前記交流電流と前記直流電流との比、又は、前記交流電流と前記直流電圧との比が所定目標値となるように、前記第一制御信号及び前記第二制御信号の位相を調整することを特徴とする請求項５記載の整流回路。
【請求項１０】
請求項１から４のいずれかに記載のインバータを給電側に有し、結合器を介して整流回路に結合させてなることを特徴とする非接触給電システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ、整流回路、及び非接触給電システムに関する。
続きを表示（約 2,300 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車や、無人で自動的に活動する電動モビリティが注目され、種々の研究開発がなされている。このような電気自動車等を普及させるために、搭載されるバッテリのコストや重量、給電時間の長さ、リサイクルの難度、人的コストの増加等が課題となっている。このような課題を解決するための方法の１つとして、無人かつ非接触（ワイヤレス）で給電する技術が検討されている。
【０００３】
このような非接触による給電方式として、例えば磁界結合方式や電界結合方式等がある。磁界結合方式は、送電コイルと受電コイルとの間に形成される磁界の結びつきによって電力が磁界エネルギーとして空間を伝わることで、非接触で電力を伝送する。電界結合方式は、送電電極と受電電極との間に形成されるコンデンサによって電力が電界エネルギーとして空間を伝わることで、非接触で電力を伝送する。
【０００４】
電力を非接触にて伝送するためには高周波電力が必要となる。そのため、非接触給電システムには、例えば直流電圧又は直流電流より交流電圧又は交流電流を生成するインバータが用いられる。使用されるインバータは、損失が小さく高効率であることが好ましい。
【０００５】
理論効率が１００％になるインバータのトポロジとして、例えばＥ級インバータが知られている（特許文献１）。Ｅ級インバータは、スイッチング素子におけるスイッチング電圧を、ゼロ電圧スイッチング（ＺｅｒｏＶｏｌｔａｇｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇ：ＺＶＳ）及びゼロ電圧微分スイッチング（ＺｅｒｏＶｏｌｔａｇｅＤｅｒｉｖａｔｉｖｅＳｗｉｔｃｈｉｎｇ：ＺＶＤＳ）とすることで、スイッチング素子における損失の発生を抑え、高効率化を図っている。
【０００６】
ただし、Ｅ級インバータは、その回路構成上、スイッチング素子を半導体の耐電圧及び耐電流以下で動作させる必要があり、出力可能な電力が限られる。また、Ｅ級インバータは、スイッチング素子より出力される電圧又は電流を、共振フィルタにより基本波のみ通過させて正弦波に成形した上で負荷に出力するが、スイッチング素子においてＺＶＳ及びＺＶＤＳを達成させながら正弦波を負荷に供給するために、負荷と直列に負荷インダクタを設ける必要がある。Ｅ級インバータは、その負荷Ｑ（＝ωＬ
０
／Ｒ
ｌ
。ωは角周波数、Ｌ
０
は負荷インダクのインダクタンス、Ｒ
ｌ
は負荷の抵抗値。）を１．１５３までしか小さくできない。そのため、Ｅ級インバータは、インダクタンスＬ
０
の大きな負荷インダクタを必要とし、その負荷インダクタにおける損失を抑えることができない。
【０００７】
一方、インバータの別のトポロジとしてＤＥ級インバータが知られている（非特許文献１）。ここで、図３１及び図３２を参照して、ＤＥ級インバータの概略を説明する。図３１（ａ）は、ＤＥ級インバータを示す回路図である。図３１（ｂ）は、ＤＥ級インバータを構成する第一スイッチング素子１２（第一制御信号Ｑ
１
）及び第二スイッチング素子１３（第二制御信号Ｑ
２
）のスイッチング状態と、第一スイッチング素子１２（第一スイッチング素子１２と並列接続された第一コンデンサ１４）に印加される電圧ｖ
１
の時間推移を示した図である。図３２は、ＤＥ級インバータにおける、第一スイッチング素子１２及び第二スイッチング素子１３のデューティ比に対する負荷Ｑ特性を示した図である。
【０００８】
ＤＥ級インバータは、図３１（ａ）に示す通り、直列に接続された２つのスイッチング素子（第一スイッチング素子１２及び第二スイッチング素子１３）が直流電源（図３１（ａ）の例では、直流電圧Ｖ
ＤＣ
）に接続させて構成される。ＤＥ級インバータは、この２つのスイッチング素子（第一スイッチング素子１２及び第二スイッチング素子１３）が同時にオフされるデッドタイムを設けて、所定のデューティ比で第一スイッチング素子１２及び第二スイッチング素子１３を交互にオンするように、第一スイッチング素子１２に対して第一制御信号Ｑ
１
を印加し、第二スイッチング素子１３に対して第二制御信号Ｑ
２
を印加する。
【０００９】
これにより、第一スイッチング素子１２の両端には、図３１（ｂ）に示すような電圧ｖ
１
が発生する。ＤＥ級インバータは、電圧ｖ
１
を共振コンデンサ１６（キャパシタンスＣ
ｒ
）及び共振インダクタ１７（インダクタンスＬ
ｒ
）が直列接続されて構成された共振フィルタにて正弦波に成形したうえで、交流電圧として負荷５（抵抗値Ｒ
ｌ
）に出力する。
【００１０】
ここで、ＤＥ級インバータは、接続される負荷５の抵抗値Ｒ
ｌ
が所定の抵抗値Ｒ
ｌ０
であるときに、第一スイッチング素子１２及び第二スイッチング素子１３それぞれのスイッチング電圧がＺＶＳ及びＺＶＤＳを達成できるように設計される。これにより、ＤＥ級インバータも、Ｅ級インバータと同様に、スイッチング素子における損失の発生が抑えられ、高効率化を図ることができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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