谐振振荡电路及非接触供电系统

摘要

本发明提供谐振振荡电路及非接触供电系统，该谐振振荡电路用于进行非接触供电，不需要复杂的控制，该非接触供电系统使用该谐振振荡电路。本发明涉及的谐振振荡电路具备：第一振荡器，包括LC谐振电路和放大元件，通过使输出电压的相位以规定的相位差相移并反馈到所述放大元件而进行振荡；以及第二振荡器，使用所述放大元件作为开关元件，并使用所述第一振荡器作为反馈电路，通过产生与所述输出电压同一频率且使所述输出电压的相位以所述相位差相移来驱动所述放大元件的栅极信号并反馈到所述放大元件的输入端而进行振荡。所述相位差是实质上不依赖于被施加所述输出电压的LC谐振电路的电感及负载的值。

说明书

技术领域

本发明涉及谐振振荡电路和使用所述谐振振荡电路的非接触供电系统。

背景技术

目前，无线搬运车(AGV(Automatic Guided Vehicle：自动导引车))等移动体搭载有锂离子电池等充电电池。在对该充电电池进行充电时，将AGV移动到充电站之后，使搭载于AGV上的受电线圈与充电站的送电线圈电磁耦合，在非接触充电系统中进行非接触充电。

在先技术文献

非专利文献1：Mohammad Mahdi Ahmadi,et al.,"A Self-Tuned Class-E PowerOscillator,"IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,VOL.34,NO.5,MAY 2019.

非专利文献2：小泽祐太等，“不依赖负载的E

然而，在所述非接触充电系统中，如图9A所示，存在以下两个技术问题。

(技术问题1)当送电线圈与受电线圈之间的位置关系发生了变化时，电感会发生变化，谐振频率f

(技术问题2)负载根据充电电池的剩余量发生变动，结果充电电路的输出电压、输出电流等输出特性发生变动。由此，用于满足充电电池的充电规则(profile)的电路设计和控制变得复杂。

因此，需要用于解决上述两个技术问题的复杂的控制及伴随着控制而引起的机构的增加，存在电力转换效率降低的问题点、体积、重量或成本增加的问题点。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题点，提供用于解决上述两个技术问题的不需要复杂的控制的用于进行非接触供电的谐振振荡电路和使用所述谐振振荡电路的非接触供电系统。

本发明所涉及的谐振振荡电路具备：第一振荡器，包括第一LC谐振电路和放大元件，所述第一振荡器通过使输出电压的相位以规定的相位差相移并反馈到所述放大元件而进行振荡；以及第二振荡器，使用所述放大元件作为开关元件，并使用所述第一振荡器作为反馈电路，通过产生与所述输出电压同一频率且使所述输出电压的相位以所述相位差相移来驱动所述放大元件的栅极信号并反馈到所述放大元件的输入端而进行振荡，所述相位差是实质上不依赖于被施加所述输出电压的第一LC谐振电路的电感及负载的值。

发明效果

因此，根据本发明所涉及的谐振振荡电路，谐振振荡电路的输出电压不依赖于负载及第一LC谐振电路的电感，因此能够提供用于解决上述两个技术问题的不需要复杂控制的用于进行非接触供电的谐振振荡电路。

附图说明

图1是示出实施方式1所涉及的非接触供电系统的构成例的框图。

图2是示出实施方式2所涉及的非接触供电系统的构成例的框图。

图3是示出实施方式3所涉及的非接触供电系统的构成例的框图。

图4是示出实施方式4所涉及的非接触供电系统的构成例的框图。

图5是示出比较例所涉及的E

图6是示出图5的E

图7A是示出实施例1所涉及的谐振振荡电路12-1的构成例的电路图。

图7B是示出实施例1的变形例所涉及的谐振振荡电路12-1A的构成例的电路图。

图8是示出图7A的谐振振荡电路12-1的动作的各电压的波形图。

图9A是示出相对于表示使用比较例的振荡器时的动作的频率的输出电压特性的图表。

图9B是示出相对于表示使用图7A的谐振振荡电路12-1时的动作的频率的输出电压特性的图表。

图10是示出比较例所涉及的E

图11A是示出图7A的谐振振荡电路12-1的模拟结果的输出电压Vo的波形图。

图11B是示出图7A的谐振振荡电路12-1的模拟结果的源电流Is的波形图。

图11C是示出图7A的谐振振荡电路12-1的模拟结果的反馈电压Vf的波形图。

图12是示出实施例2所涉及的谐振振荡电路12-2的构成例的电路图。

图13是示出实施例3所涉及的谐振振荡电路12-3的构成例的电路图。

图14A是示出图13的谐振振荡电路12-3的模拟结果的输出电压Vo的波形图。

图14B是示出图13的谐振振荡电路12-3的模拟结果的源电流Is的波形图。

图14C是示出图13的谐振振荡电路12-3的模拟结果的反馈电压Vf的波形图。

图15是示出实施例4所涉及的谐振振荡电路12-4的构成例的电路图。

图16是示出实施例5所涉及的谐振振荡电路12-5的构成例的电路图。

图17是示出实施例6所涉及的谐振振荡电路12-6的构成例的电路图。

图18是示出变形例1所涉及的谐振振荡电路12A的构成例的框图。

图19是示出图18的恒流输出电路16的构成例的电路图。

图20是示出变形例2所涉及的DC/DC转换器23的构成例的框图。

附图标记说明

10功率因数改善电路控制部(PFC控制部)；11功率因数改善电路(PFC电路)；12、12A、12-1～12-6、12-1A谐振振荡电路；13送电LC谐振电路(LC谐振电路)；14整流电路；15无线通信电路；15A天线；16恒流输出电路；17运算放大器；20受电控制部；21受电LC谐振电路(LC谐振电路)；22整流电路；23DC/DC转换器；24负载；25无线通信电路；25A天线；31、31A直流偏置电路；32科耳皮兹型振荡器；32A哈特莱型振荡器；32B反向耦合型振荡器；33E

具体实施方式

以下，参照附图对本发明所涉及的实施方式进行说明。需要指出，对于相同或同样的构成要素标注相同的附图标记。

(比较例的问题点)

如上所述，为了解决技术问题1，例如需要控制为送电装置的开关频率f

(比较例的E

图5是示出非专利文献1中公开的比较例所涉及的E级振荡器90的构成例的电路图，图6是示出图5的E级振荡器90的动作的各电压的波形图。

在图5中，E级振荡器90构成为具备：直流偏置电路31A，由分压电阻R

在图5的E级振荡器90中，电源电压V

在如上构成的非专利文献1所涉及的E级振荡器90中，由于栅电压Vf的相位相对于输出电压Vo的波形只能移动140度，因此不能解决技术问题2，从而存在需要进行用于应对谐振电路的电感及负载变动的控制的问题点。

因此，下面在本发明所涉及的实施方式中，对能够一并解决技术问题1及2的谐振振荡电路以及使用所述谐振振荡电路的非接触供电系统进行说明。

(实施方式1)

图1是示出实施方式1所涉及的非接触供电系统的构成例的框图。

在图1中，实施方式1所涉及的非接触供电系统具备送电装置100和受电装置200而构成。这里，送电装置100具备功率因数改善电路(以下称为PFC电路)11、控制PFC电路11的动作的PFC控制部10、具有送电LC谐振电路13的谐振振荡电路12以及具有天线15A的无线通信电路15而构成。另一方面，受电装置200具备受电LC谐振电路21、整流电路22、DC/DC转换器23、负载24、控制DC/DC转换器23等的动作的受电控制部20以及具有天线25A的无线通信电路25而构成。这里，送电装置100和受电装置200例如为了充电等电源供给而相互位于附近。由此，送电LC谐振电路13与受电LC谐振电路21例如电磁耦合，另外，无线通信电路15与无线通信电路25通过分别使用天线15A、25A进行无线通信，从而收发所需的信息数据。

在图1的送电装置100中，PFC电路11例如将来自商用交流电源等交流电源的交流电压即输入电压Vin转换为直流电压，并采用规定的功率因数改善方法对输入电压进行功率因数改善处理，将输出电压作为输入电压V

在图1的受电装置200中，受电LC谐振电路21接收来自送电LC谐振电路13的交流电力，并将该交流电力的交流电压输出到整流电路22。整流电路22将所输入的交流电压整流为直流电压并输出到DC/DC转换器23。DC/DC转换器23在受电控制部20的控制下，将所输入的直流电压转换为规定电压的直流电压后，输出到负载24。受电控制部20检测对负载24的输出电压及输出电流，将包含这些信息的负载信息经由无线通信电路25、15发送到PFC控制部10。受电控制部20还基于负载信息，例如产生规定的栅极信号来控制DC/DC转换器23中包括的逆变电路，从而控制DC/DC转换器23以成为规定的负载电压。

需要指出，整流电路22例如也可以是半波整流电路、双波整流电路、全桥整流电路、半有源(日语表述：ハーフアクティブ)整流电路、倍压整流电路、或倍流整流电路等整流电路。

图7A是示出实施例1所涉及的谐振振荡电路12-1的构成例的电路图，图8是示出图7A的谐振振荡电路12-1的动作的各电压的波形图。图7A的谐振振荡电路12-1例如是能够应用于图1的实施方式1所涉及的非接触供电系统的谐振振荡电路。

在图7A中，谐振振荡电路12-1具备：

(1)科耳皮兹(Colpitts)型振荡器32，包括送电LC谐振电路13和作为放大元件的MOS晶体管Q1，通过使输出电压的相位以规定的相位差相移并反馈到MOS晶体管Q1而进行振荡；

(2)E

(3)直流偏置电路31，基于输入电压V

(4)所述相位差是被设定为实质上不依赖于被施加输出电压Vo的负载电阻R

(5)送电LC谐振电路(以下称为LC谐振电路)13由电感器Lo和电容器C

在图7A中，科耳皮兹型振荡器32具备MOS晶体管Q1、分压电阻R

这里，输入电压V

这里，

(1)C

(2)C

(3)Lo是自感器(self inductor)或送电受电线圈之间的激磁电感器。

图7A的科耳皮兹型振荡器32的振荡频率(谐振频率)f

[数学式1]

在所述科耳皮兹型振荡器32中，由于能够将电容器C

在如上构成的谐振振荡电路12-1中，如图8所示，检测为谐振波形的输出电压Vo，保持同一频率移相(相移)180度(即反转)，生成栅极信号的栅电压Vf。由此，即使因电感器Lo的电感变化而谐振频率f

关于这一点，以下使用非专利文献2中公开的图10的比较例所涉及的E

图10是示出构成比较例所涉及的逆变电路的E

V

这里，φ是对作为开关元件的MOS晶体管Q1的栅电压v

在E

Ic

这里，k

[数学式2]

这里，q由下式表示。

[数学式3]

通过输入电压V

[数学式4]

这里，为了使输出电压v

[数学式5]

根据式(5)，求解k

sinφ＝0 (6)

在图10的电路图中，输出电压v

图11A是示出图7A的谐振振荡电路12-1的模拟结果的输出电压Vo的波形图，图11B是示出图7A的谐振振荡电路12-1的模拟结果的源电流Is的波形图，图11C是示出图7A的谐振振荡电路12-1的模拟结果的反馈电压Vf的波形图。

由图11A～图11C可知，谐振振荡电路12-1的输出电压Vo与负载电阻R

图7B是示出实施例1的变形例所涉及的谐振振荡电路12-1A的构成例的电路图。在图7A中，仅使用了输入电压V

(1)不具备直流偏置电路31，电源电压V

(2)输入电压V

如上面所说明的，根据实施方式1及变形例，通过具备科耳皮兹型振荡器32、E

此外，与负载电阻R

进而，例如在将图7A的谐振振荡电路12-1应用于非接触供电系统的情况下，由于不需要将负载电流及负载电压的负载信息从受电装置200发送到送电装置100，因此不再需要根据谐振频率f

此外，例如在将图7A的谐振振荡电路12-1等谐振振荡电路应用于非接触供电系统的情况下，上述的不依赖负载的相位差被设定为不依赖于LC谐振电路13的电感器Lo的电感、受电LC谐振电路21的电感及负载电阻R

接着，下面对作为图1的实施方式1所涉及的非接触供电系统的其它实施方式的实施方式2～4进行说明。

(实施方式2)

图2是示出实施方式2所涉及的非接触供电系统的构成例的框图。图2的实施方式2所涉及的非接触供电系统与图1的实施方式1所涉及的非接触供电系统相比，在以下方面不同。

(1)具备受电装置200A来代替受电装置200。

(2)受电装置200A与受电装置200相比，不具备DC/DC转换器23。因此，来自整流电路22的直流电压被输出到负载24。此外，受电控制部20不再需要控制DC/DC转换器23。

除了上述差别之外，如上构成的实施方式2所涉及的非接触供电系统具有与实施方式1所涉及的非接触供电系统同样的作用效果。

(实施方式3)

图3是示出实施方式3所涉及的非接触供电系统的构成例的框图。图3的实施方式3所涉及的非接触供电系统与图1的实施方式1所涉及的非接触供电系统相比，在以下方面不同。

(1)具备送电装置100A来代替送电装置100。

(2)送电装置100A与送电装置100相比，具备整流电路14来代替PFC电路11，并且不具备PFC控制部10及无线通信电路15。整流电路14将来自交流电源的交流电压整流为直流电压，并输出到谐振振荡电路12。

(3)具备受电装置200B来代替受电装置200。

(4)受电装置200B与受电装置200相比，不具备无线通信电路25。这里，受电控制部20基于对负载24的负载信息，仅控制DC/DC转换器23的动作。

除了上述差别之外，如上构成的实施方式3所涉及的非接触供电系统具有与实施方式1所涉及的非接触供电系统同样的作用效果。

(实施方式4)

图4是示出实施方式4所涉及的非接触供电系统的构成例的框图。图4的实施方式4所涉及的非接触供电系统与图1的实施方式1所涉及的非接触供电系统相比，在以下方面不同。

(1)具备与实施方式3同样的送电装置100A来代替送电装置100。

(2)具备受电装置200C来代替受电装置200。

(3)受电装置200C与受电装置200相比，不具备DC/DC转换器23、受电控制部20及无线通信电路25。因此，来自整流电路22的直流电压被输出到负载24。

除了上述差别之外，如上构成的实施方式4所涉及的非接触供电系统具有与实施方式1所涉及的非接触供电系统同样的作用效果。

接着，下面对可应用于实施方式1～4的谐振振荡电路12的与实施例1不同的实施例2～6所涉及的谐振振荡电路12-2～12-6进行说明。

(实施例2)

图12是示出实施例2所涉及的谐振振荡电路12-2的构成例的电路图。图12的实施例2所涉及的谐振振荡电路12-2与图7A的实施例1所涉及的谐振振荡电路12-1相比，在以下方面不同。

(1)具备哈特莱(Hartley)型振荡器32A来代替科耳皮兹型振荡器32。以下，对该不同点进行详细说明。

在图12中，哈特莱型振荡器32A具备MOS晶体管Q1、分压电阻R

这里，输入电压V

与科耳皮兹型振荡器32同样地，哈特莱型振荡器32A也包括LC谐振电路13和MOS晶体管Q1，通过将输出电压的相位反转并反馈到MOS晶体管Q1而进行振荡。图12的哈特莱型振荡器32A的振荡频率(谐振频率)f

[数学式6]

在所述哈特莱型振荡器32A中，能够将电感器Lo、L

在如上构成的谐振振荡电路12-2中，如图12所示，检测为谐振波形的输出电压Vo，保持同一频率以180度移相(相移)(即反转)，生成栅极信号的栅电压Vf。由此，即使因电感器Lo的电感变化而谐振频率f

(实施例3)

图13是示出实施例3所涉及的谐振振荡电路12-3的构成例的电路图。图13的实施例3所涉及的谐振振荡电路12-3与图7A的实施例1所涉及的谐振振荡电路12-1相比，在以下方面不同。

(1)具备反向耦合型振荡器32B来代替科耳皮兹型振荡器32。以下，对该不同点进行详细说明。

在图13中，谐振振荡电路12-3具备：

(1)反向耦合型振荡器32B，包括LC谐振电路13和作为放大元件的MOS晶体管Q1，通过使输出电压的相位以规定的相位差相移并反馈到MOS晶体管Q1而进行振荡；

(2)E

(3)直流偏置电路31，基于输入电压V

(4)所述相位差是被设定为实质上不依赖于被施加输出电压Vo的负载电阻R

(5)LC谐振电路13具备电感器Lo和电容器C

在图13中，反向耦合型振荡器32B具备MOS晶体管Q1、分压电阻R

这里，输入电压V

图14A是示出图13的谐振振荡电路12-3的模拟结果的输出电压Vo的波形图，图14B是示出图13的谐振振荡电路12-3的模拟结果的源电流Is的波形图，图14C是示出图13的谐振振荡电路12-3的模拟结果的反馈电压Vf的波形图。

由图14A～图14C可知，谐振振荡电路12-3的输出电压Vo与负载电阻R

在如上构成的谐振振荡电路12-3中，如图13所示，检测为谐振波形的输出电压Vo，保持同一频率移相(相移)180°(即反转)，生成栅极信号的栅电压Vf。由此，即使因电感器Lo的电感变化而谐振频率f

(实施例4)

图15是示出实施例4所涉及的谐振振荡电路12-4的构成例的电路图。实施例4所涉及的谐振振荡电路12-4与图7A的实施例1所涉及的谐振振荡电路12-1相比，在以下方面不同。

(1)具备E级振荡器33A来代替E

在图15中，科耳皮兹型振荡器32具备MOS晶体管Q1、分压电阻R

在如上构成的谐振振荡电路12-4中，如图15所示，检测为谐振波形的输出电压Vo，保持同一频率移相(相移)180°(即反转)，生成栅极信号的栅电压Vf。由此，即使因电感器Lo的电感变化而谐振频率f

(实施例5)

图16是示出实施例5所涉及的谐振振荡电路12-5的构成例的电路图。实施例5所涉及的谐振振荡电路12-5与图12的实施例2所涉及的谐振振荡电路12-2相比，在以下方面不同。

(1)具备E级振荡器33A来代替E

在图16中，哈特莱型振荡器32A具备MOS晶体管Q1、分压电阻R

在如上构成的谐振振荡电路12-5中，如图16所示，检测为谐振波形的输出电压Vo，保持同一频率移相(相移)180°(即反转)，生成栅极信号的栅电压Vf。由此，即使因电感器Lo的电感变化而谐振频率f

(实施例6)

图17是示出实施例6所涉及的谐振振荡电路12-6的构成例的电路图。实施例6所涉及的谐振振荡电路12-6与图13的实施例3所涉及的谐振振荡电路12-3相比，在以下方面不同。

(1)具备E级振荡器33A来代替E

在图17中，反向耦合型振荡器32B具备MOS晶体管Q1、分压电阻R

在如上构成的谐振振荡电路12-6中，如图17所示，检测为谐振波形的输出电压Vo，保持同一频率移相(相移)180°(即反转)，生成栅极信号的栅电压Vf。由此，即使因电感器Lo的电感变化而谐振频率f

(变形例1)

图18是示出变形例1所涉及的谐振振荡电路12A的构成例的框图，图19是示出图18的恒流输出电路16的构成例的电路图。如图18所示，上述各实施方式所涉及的谐振振荡电路12也可以是在送电LC谐振电路13的前级具备恒流输出电路16的谐振振荡电路12A，该恒流输出电路16基于输入电压，与负载电阻R

在图19的构成例中，恒流输出电路16具备运算放大器17和MOS晶体管Q2而构成。在图19中，例如来自谐振振荡电路12-1的输出电压被施加到运算放大器17的非反相输出端及反相输入端，来自运算放大器17的输出电压被输出到MOS晶体管Q2的栅极。这里，运算放大器17的正电源端例如与输入电压V

如上构成的恒流输出电路16构成公知的恒流电路，基于输入电压，与负载电阻R

(变形例2)

图20是示出变形例2所涉及的DC/DC转换器23的构成例的框图。如图20所示，也可以在DC/DC转换器23的后级，在与负载24之间具备图19的恒流输出电路16。因此，通过使用变形例2所涉及的恒流输出电路16，即使负载24变动，也能够将输出到负载24的输出电流控制为规定的一定值。

(其它变形例1)

在以上实施方式及变形例中，构成了组合两个振荡器并使用将输出电压Vo反转后的信号作为栅极信号Vgs来进行振荡的谐振振荡电路12等，但本发明并不限于此，也可以如下构成组合两个振荡器并使用将输出电压Vo相移规定的相位差后的信号作为栅极信号Vgs来进行振荡的谐振振荡电路12、12-1、12-1A、12-2～12-6(以下称为谐振振荡电路12等)。

在以实施方式或变形例构成作为模拟电路的谐振振荡电路12等之后，将该相位差保存在规定的存储器中，检测成为谐振波形的零交叉点或dVo/dt的动作点，从而能够不依赖于电感及负载电阻R

(1)根据谐振振荡电路和栅极信号Vgs的占空比的条件求出输出电压Vo(或输出电流Io)的下式，在该式中包括唯一确定相位差φ及负载电阻R

Vo＝φ×R

(2)在上述式(6)中，为了不管负载电阻R

根据上述式(7)及式(8)，不依赖负载的相位差φ

φ＝φ

即，也可以构成组合两个振荡器并使用将输出电压Vo相移不依赖于负载的相位差后的信号作为栅极信号Vgs来进行振荡的谐振振荡电路12等。

(其它变形例2)

关于送电LC谐振电路13及受电LC谐振电路21，至少也可以是以下结构来代替以上例示的LC谐振电路。

(1)送电装置100、100A的送电LC谐振电路13也可以具备至少一个电感器和至少一个电容器而构成。即，送电LC谐振电路13也可以具备一个或多个电感器和一个或多个电容器，并将它们串联、并联、串并联地连接而构成。

(2)受电装置200、200A、200B、200C的受电LC谐振电路21也可以具备至少一个电感器和至少一个电容器而构成。即，受电LC谐振电路21也可以具备一个或多个电感器和一个或多个电容器，并将它们串联、并联、串并联地连接而构成。

需要指出，送电LC谐振电路13与受电LC谐振电路21之间的耦合并不限于磁场耦合，只要是电解耦合、电磁场耦合等非接触的无线耦合即可。

(实施方式及变形例的效果)

如上所述，根据本实施方式及变形例，通过将本发明电路应用于送电装置的LC谐振电路，从而具有能够削减用于控制输出特性的一部分(例如控制逆变电路的开关频率fsw的部分、受电装置的DC/DC转换器等)的特有的效果。

工业实用性

以上实施方式所涉及的非接触供电系统例如能够应用于针对AGV、EV等移动体的供电系统以及针对生产线的托盘的供电系统。此外，在送电受电间距离不变化的应用中，本实施方式也是有效的，例如能够应用于代替机械臂等所使用的滑环(旋转体)而使用的非接触供电装置的非接触滑环。

进而，以上实施例所涉及的谐振振荡电路能够应用于利用LC谐振电路的电源装置等，即使由于产品偏差等而使电感器、电容器的值不符合设计，也能够在实际设备中使谐振频率对应于电感器值及/或电容器值的偏差而与规定值一致。