非接触給電 ～電界結合と言う第三の道～

宇都宮大学大学院 工学研究科 電気電子ステム工学専攻

准教授 船渡 寛人

非接触給電―従来技術とその問題点

磁界による結合部 電界による結合部

並列共振間

磁界結合方式

　　 （MIT）

電磁誘導方式

電界結合

Long

Distance

接合部

•充電器を内蔵したモバイル機器 •電気自動車

非接触給電 安全性・保守性を考えた充電方法

2011-11-4

もうひとつ 電磁波伝送

非接触給電―従来技術とその問題点 現在電磁誘導方式が主流

•位置ずれによる効率の低下 •異物進入時の過熱 •電磁波・高調波の対策 •結合部が大きく、重い

問題点

電界結合方式

•結合部が軽量・安価 •位置合わせに自由度が高い •高周波対応性あり

利点 接合部の容量が低く、伝送密度が小さい

磁界結合と電界結合

負荷 電流 磁界 電流

電流によって磁界が作られる→大電流が必要 相互誘導作用により伝達

相互インダクタンス、結合率が重要

磁界結合と電界結合 電界

電圧

電圧

負荷

電圧によって電界が作られる→高電圧が必要 容量結合により伝達 キャパシタンスが重要

2012-2-28

磁界結合→漏れインダクタンスが問題となる。 例：漏れインダクタンス 100μH、周波数100kHz インピーダンス 62.8Ω 10A流すために600V以上必要 電界結合→結合キャパシタンスが小さいことが問題となる。 例：結合キャパシタンス20nF、周波数100kHz インピーダンス 79.6Ω 10A流すために800V以上必要

磁界結合と電界結合の送電電力限界

整流器方形波電圧源（インバータ）

非接触

接合部

静電容量小

→

インピーダンス大

→

電流小

vs

is

Cj

Cj

vCj

負荷

vL

整流器方形波電圧源（インバータ）

非接触

接合部

vs

is

Cj

Cj

vCjLr

vseq

負荷

vL

整流器方形波電圧源（インバータ）

非接触

接合部

vs→大

is

Cj

Cj

vCj

負荷

vL負荷

整流器方形波電圧源（インバータ）

非接触

接合部

vs

is

Cj

Cj

vCj

vL

OPSAC

vseq

Cs

同期信号

(a) 電界結合非接触給電（無補償）

(b) 電圧振幅大

(c) 共振の利用

(d) アクティブキャパシタの利用

電界結合の研究例 • Auckland大学 電界結合非接触給電研究のパイオニア。 サッカーロボットや照明器具などに実績

• カリフォルニア大学バークレー校(UCB) 空気結合で3.7W伝送に成功。

• 村田製作所 実用レベルモジュール開発。日立マクセルiPad用充電装置「エアボルテージ」に適用。

• 竹中工務店 住宅・事務所における壁面・床面からの非接触給電を目指して独自研究

いずれも、LC共振を使用して伝送電力を向上されている。

他の電界結合技術とその問題点

既存の電界結合研究では、すべてLC共振による電力伝送能力向上が使用されている。 →インダクタンスの設計が難しい。 →性能向上の限界。（直列抵抗、表皮効果） →共振点からのずれに弱い。

新技術の特徴・従来技術との比較

• 従来技術の問題点であった、周波数依存性をゼロにすることに成功した。

• 構造が簡単で制御が容易。 • 使用条件の変化や、負荷短絡等の突発条件に強い。

ワンパルススイッチアクティブキャパシタ回路 OPSAC

OPSACを使用した電界結合非接触給電回路の原理 （シミュレーション）

0

-40

40

0

-40

40

0

-100

100

0

-40

40

0

-4

4

0123

20μs

Vs

Vaac

V1

Vcj1

Icj

Iload

Vacc

OPSAC

E Vs

L

R

Icj

Vout

Iload

Df

Vcj1

Cj1

Cj2

Vcj2

V1

Capacitive coupling

Cs

Source side load side

ワンパルススイッチアクティブキャパシタ ＝One-Pulse Switching Active Capacitor (OPSAC)

2011-11-4

0123

0

-40

40

0

-40

40

0

-100

100

0

-40

40

0

-4

4

Vs

Vaac

V1

Vcj1

Icj

Iload 20μs

0

-40

40

0

-40

40

0

-100

100

0

-40

40

0

-4

4

0123

Vs

Vaac

V1

Vcj1

Icj

Iload 20μs

アクティブキャパシタ有無の比較

アクティブキャパシタ 接続前

アクティブキャパシタ 接続後

①90度遅れ

②振幅倍

Vacc Active

Capacitor

E Vs

L

R

Icj

Vout

Iload

Df

Vcj1

Cj1

Cj2

Vcj2

V1

Capacitive coupling

Cs

0-40

40

Vs

0-40

40

Vaac

0-40

40Vacc2

0.0047 0.00471 0.00472 0.00473Time (s)

0-120

120V1

0-40

40

Vcj

0-2

2

Icj

0.0047 0.00471 0.00472 0.00473Time (s)

0123

Iload

アクティブキャパシタ２個接続時のシミュレーション波形 ①

②

アクティブキャパシタ２個接続時のスイッチングパターンの条件 ① 電源電圧Vsの立下りが各アクティブ

キャパシタのオン期間の中心に来る ② インバータ合成電圧V1の切り替わりの

間隔が一定である

Vcj

Vs

2accVaccV

Icj

1V outV

loadI

多段化も容易

0-40

40

0-40

40

0-40

40

0

-4

4 Ics

Vs

Vacc

Vcj

0-40

40

0-40

40

0-40

40

0

-4

4 Ics

Vs

Vacc

Vcj

0-40

40

0-40

40

0-40

40

0

-4

4 Ics

Vs

Vacc

Vcj

0 0.002 0.004 0.006Time (s)

0

20

40VacVcs

平均電流が正 Vcs 増加 Vcs 減少 定常状態

(a) Vcs<E (c) Vcs >E

平均電流が零 平均電流が負

アクティブキャパシタ部の直流キャパシタの電圧維持及び初期充電

Vcs=0の条件でも電圧維持の

メカニズムは働き、自動的に

E=Vcsまで充電される

(b) Vcs = E

Vcs Ics

Cj Cs

Vacc

Vcj

回路構造が簡単で制御が容易 →電圧・電流センサー類不要

実験報告

Cj L

R E

Gate Drive

FPGA

Gate Drive

Cj

Cs

40V

20μF

230nF

1mH

9.8Ω

250nF

MOSFET: IRFB4110

Capacitive coupling

Df

Clamp diode IRFB4110

bridge diode C3D10060G

Switching Frequency： 50kHz Dead time: 400ns

アクティブキャパシタ 実験装置

接合部を開いた写真

Vacc Active Capacitor

E Vs

L

R

Icj

Vout

Iload

Df

Vcj1

Cj1

Cj2

Vcj2

V1

Capacitive coupling

Cs

Iload 2A

Icj 2A

20V

40V

Vcj

V1

Vacc 40V

Vs 40V Vcs

40V

シミュレーション同様の波形を観測

アクティブキャパシタ接続前 アクティブキャパシタ接続後

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 50 100 150

Loa

d cu

rren

t（A

)

Junction capacitance（nF）

without active capacitor(theory)with active capacitor(theory)with active capacitor(experiment)without active capacitor(experiment)

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150

Loa

d po

wer（

W）

Junction capacitance（nF）

without active capacitor(theory)with active capacitor(theory)with active capacitor(experiment)without active capacitor(experiment)

60

65

70

75

80

85

0 50 100 150

effic

ienc

y（％）

Junction capacitance（nF）

with active capacitor(experiment)

without active capacitor(experiment)

接合容量変動に対する諸特性

60

65

70

75

80

85

0 20 40 60 80

effic

ienc

y(%

)

load power(W)

with active capacitor (experiment)without active capacitor (experiment)

R=9.8Ω f=50kHz固定

パラメータ変動に対する特性検証

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

5 10 15 20 25 30 35

Loa

d cu

rren

t（A

)

Load resistance(Ω)

without active capacitor(theory)with active capacitor(theory)with active capacitor(experiment)without active capacitor(experiment)

0102030405060708090

5 10 15 20 25 30 35

Loa

d po

wer（

W)

Load resistance(Ω)

without active capacitor(theory)with active capacitor(theory)with active capacitor(experiment)without active capacitor(experiment)

75

80

85

90

95

5 10 15 20 25 30 35

effic

ienc

y（％）

Load resistance (Ω)

with active capacitor(experiment)

without active capacitor(experiment)

DCM CCM

DCM CCM

DCM CCM

DCM CCM

DCM CCM

DCM CCM

負荷変動に対する諸特性

CCM：continuous current mode DCM: discontinuous current mode ＊ただし今回はアクティブキャパシタ接続時に限る

f=50kHz Cｊ＝120nF固定

40V

40V

40V

40V

40V

40V

40V

40V 1A

1A

Vs

Vacc

Vacc2

Vacc3

V1

Vcj

Vout

Vcs Icj

Iload cjI

cjV

1VoutVSVE R

L

accV 2accV 3accV

csV

OPSAC３段の実験波形例 •V1 は5levelとなる

•電流通流回数が8回となる •電流通流時間が増える

負荷電流の増加

多段化も検討中

実用化に向けた課題

• 現在、50kHzスイッチングで5段、70W伝送まで実験検証済み。

• 出力電圧調整および実機への実装について、小型搬送車をモデルとして今後検討して行く。

• 伝送電力の向上に向けて高周波化検討する必要がある。

• 実用化に向けて、低損失化、回路の改良、回路と制御の一体化、回路の集積化が課題。

企業への期待

• 高周波化については、SiCデバイスの適用により克服できると考えている。

• 電力変換技術、電気電子機器開発製造技術を持つ、企業との共同研究を希望。

• また、集積化に関しては、回路実装や半導体製造技術が活用可能だと考える。

• 携帯機器への充電設備を開発中の企業には本技術の導入が有効と思われる。

本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：電界結合非接触給電シス テム

• 出願番号 ：特願2010-169825 • 出願人 ：宇都宮大学、竹中工務店 • 発明者 ：船渡寛人、原川健一

産学連携の経歴

• 2003年-2006年 関東特機(株)社と共同研究実施 • 2004年-2005年 経済産業省地域新生コンソーシ

アム事業に採択 • 2009年 JSTシーズ発掘試験に採択 • 2009年-2010年 JST, A-STEPシーズ顕在化採択

（竹中工務店と共同受託） • 2011年-2012年 JST, A-STEPフィージブルスタデ

ィ採択

お問い合わせ先

宇都宮大学知的財産センター

特任教授 近藤三雄（弁理士）

ＴＥＬ ０２８－６８９－ ６３２５

ＦＡＸ ０２８－６８９－ ６３２０

e-mail ｋｏｎｄｏｕ＠ｃｃ．ｕｔｓｕｎｏｍｉｙａ−ｕ.ａｃ.ｊｐ