电力传输装置、非接触电力传输系统和信号生成方法与流程

本公开涉及一种非接触电力传输系统，其以非接触的方式传输电力，以及一种非接触电力传输装置，一种信号生成方法。

背景技术：
在非接触电力传输(所谓的无线给电)中，有必要从电力传输装置中输出高功率正弦波信号。产生这种正弦波信号的装置被称为高频电源。例如，很容易改变从音频功率放大器等的高频电源中输出的正弦波信号的信号电平，所述音频功率放大器等不要求需要在低频率和低功耗下从高频电源到正弦波信号的高功率转换效率。然而，在要求在高频率和高功率下的高功率转换效率的用于无线给电的高频电源中，难以改变输出电功率。因此，通常使用逆变器，其通过执行切换操作来产生矩形波，在该操作中，可以用简单的电路结构获得高效率。例如，可以应用到非接触电力传输系统的高效的高频电源，包括E类放大器(E类逆变器)、半桥式逆变器和全桥式逆变器(所谓的H桥电路)。将参照图1描述使用一般的高频电源的电力传输装置的概要。图1是示意性示出了使用半桥式逆变器的一般的高频电源的电路图。作为最简单构成的一个例子，图1所示的电力传输装置包括例如高频电源101、以及具有电力传输线圈102和谐振电容103的谐振电路104(串 联谐振电路)。高频电源101使用半桥式逆变器作为信号发生器。因为半桥式逆变器的结构是众所周知的，所以省略了其详细的电路结构。高频电源101产生矩形波信号作为高频输出信号，并且将矩形波信号提供给谐振电路104。然而，所有高频电源都是使用切换方法产生矩形波的逆变器。作为输出信号的矩形波包括大量的谐波，并涉及来自电力传输装置的不必要的辐射。日本末经审查专利申请公开第2011-120216号公开了一种天线驱动装置，其包括：梯形波信号产生电路，其基于预定频率的矩形波信号生成梯形波信号；以及梯形波信号放大电路，其放大梯形波信号，并将该放大后的梯形波信号提供给天线负载。在该天线驱动装置中，梯形波信号放大电路将相位彼此颠倒的正相输出信号和反相输出信号提供给天线负载的两端，并且将施加到负载的电压加倍。

技术实现要素：
如果包含谐波分量的AC信号被提供到电力传输装置的电力传输线圈，会发生不必要的辐射。因此，例如，即使当在辐射极限值高的水平的工业科学医疗(ISM)频带选择基波时，也存在谐波超出标准值的情况。ISM频带是由国际电信联盟(ITU)为了将电波作为高频能量源只用于工业、科学和医疗用途而不是无线通信而指定的频带。例如，美国的ISM频带是6.78MHz、13.56MHz和27.12MHz。如果给电信号被设置为6.78MHz，那么第三次谐波是非ISM频带的20.34MHz。在日本未经审查专利申请公开第2011-120216号公开的技术中，难以选择性地控制包括在基波中的上述的特定谐波分量。需要提供一种可以选择性地控制特定谐波分量的高频电源。根据本公开的一个实施方式，第一信号生成单元使用切换方法生成包括一个或多个谐波分量的第一高频信号，而第二信号生成单元使用切换方法生成包括特定谐波分量的第二高频信号。此外，通过差分驱动第一高频信号和第二高频信号来产生合成信号。根据本公开的实施方式，第二高频信号的频率和振幅是通过适当地调整第一高频信号的频率和振幅而获得的，从而当合成第一高频信号和第二高频信号时，特定的谐波分量被消除(cancel，抵消)或减少。根据本公开的实施方式，可以在使用通常的切换方法的情况下选择性地消除或减少来自第一高频信号的特定的谐波分量。附图说明图1是示意性示出了使用半桥式逆变器的通常的高频电源电路图；图2是示意性示出了根据本公开的一个实施方式的高频电源的电路图；图3是示出了根据本公开实施方式的高频电源的一个详细例子的电路图；图4A示出了第一高频信号的电压的图，图4B示出了消除第二高频信号的电压，而图4C示出了被施加到负载上的信号的电压的波形；图5A示出了对第一高频信号进行快速傅立叶变换后各个频率的绝对值的图，而图5B是示出了对被施加到负载上的信号执行快速傅立叶变换后各自的频率的绝对值的图；图6是示意性示出了使用根据本公开实施方式的高频电源的非接触电力传输系统的电路图。具体实施方式在下文中，将说明实施本公开的形式的例子(在下文中，称为实施方式)。此外，在本说明书和附图中，使用相同的参考标号来表示基本上具有相同的功能和构成的组件，从而省略多余的说明。说明会按以下顺序进行：1.电力传输装置的构成例2.信号波形和频率分量的说明3.非接触电力传输系统的构成例4.变形例在根据本公开的一个实施方式的电力传输装置(高频电源)中，使用切换方法产生高频率交流电(AC)信号(高频信号)的信号发生器被用在包括电力传输线圈的谐振电路的一端，并且高频信号被提供给谐振电路的所述一端。另一方面，产生谐波消除高频信号的信号发生器被连接到谐振电路的另一端，对通过差分驱动两个高频电源而提供给两端的高频信号执行减法处理，从而特定的谐波分量(和奇数次(oddorder)谐波分量)被消除或减少。1.电力传输装置的构成例电力传输装置的概要图2是示意性示出了根据本公开实施方式的高频电源的电路图。电力传输装置10包括高频电源10A和谐振电路14(负载的一个例子)，从高频电源lOA输出的AC信号被提供给该谐振电路。高频电源10A包括信号发生器11(第一信号生成单元的一个例子)和信号发生器15(第二信号生成单元的一个例子)，其被用来提供用于消除谐波的高频AC信号(高频信号)。信号发生器11基于切换操作产生大致矩形波信号(第一高频信号)，并将第一高频信号提供给谐振电路14的一端。在稍后将描述的控制单元16(参考图3)的控制下，信号发生器11生成第一高频信号，其具有指定的频率(例如MHz级)和振幅。信号发生器15产生具有大致矩形波的第二高频信号，其振幅和频率与由信号发生器11产生的第一高频信号的振幅和频率相差指定量，并且将第二高频信号提供给谐振电路14的一端。例如，与信号发生器11相同的构成被用于信号发生器15。谐振电路14是电力传输线圈(初级侧线圈)12与谐振电容(也被称为电容)13串联的串联谐振电路。谐振电路14以预定的频率f(＝1/(2π√(LC)})谐振，该频率是利用电力传输线圈12的电感值和谐振电容13的电容值确定的。从信号发生器11输出第一高频信号的和从信号发生器15输出的第二高频信号，分别被提供给谐振电路14的一端14-1和另一端14-2。因此，通过合成被施加到一端14-1的第一高频信号(电压Vo)与被施加到另一端14-2的第二高频信号(电压Vc)而获得的信号(电压Vo-Vc)被施加到谐振电路14。同时，上述第一高频信号和第二高频信号可以是使用切换方法生成并且包括特定的谐波分量的高频信号。例如，可以使用矩形波信号作为包括多个谐波分量的信号的例子。在这种情况下，矩形波信号可以是具有大致矩形波的高频信号，而且可以是被认为实质上是矩形波的高频信号。例如，包括具有钝的矩形波波形的信号或具有大致梯形波形的信号。也就是说， 当具有变形的大致矩形波的第一高频信号和具有与第一高频信号的振幅和频率相差指定量的第二高频信号被提供给负载(本例中的谐振电路)时，如果获得与本公开以下描述的那些相同或相似的操作和优势，则这些高频信号被认为实质上为矩形波。此外，作为负载的一个例子的谐振电路14的构成并不限于本实例。作为谐振电路，例如，谐振电容可以相对于电力传输线圈串联、并联地电气配置，或配置为结合串联连接和并联连接的连接。例如，谐振电容可以是连接到电力传输线圈12以电平行于电力传输线圈12的电容，或连接到电力传输线圈12以结合串联和并联构成而电结合到电力传输线圈12的电容。电力传输装置的详细实例图3是示出了图2中的电力传输装置10的高频电源l0A的一个详细实例的电路图。这个实例中，半桥式逆变器被用作信号发生器11和15，此二者被包括在高频电源l0A中。高频电源l0A包括生成第一高频信号的信号发生器11、生成第二高频信号的信号发生器15，以及控制信号发生器11和信号发生器15的驱动的控制单元16。控制单元16响应于输入信号(控制信号)产生驱动信号，并且将驱动信号提供给信号发生器11和15，并且控制由信号发生器11和15执行的信号生成。例如，算术处理单元(诸如微型计算机或CPU)被应用到控制单元16。例如，输入信号是基于预定的设定值或执行程序自动生成的，或者是基于用户执行的操作而生成的。信号发生器11是半桥式逆变器，其包括串联连接的开关元件11S1(第一开关单元的一个例子)和开关元件11S2(第二开关单元的一个例子)，并且电源电压Vccl供给信号发生器11。开关元件1lS1和开关元件11S2之间的连接中间点被连接到谐振电路14的一端14-1。信号发生器15是半桥式逆变器，其包括串联连接的开关元件15S1(第三开关单元的一个例子)和开关元件15S2(第四开关单元的一个例子)，并且供电电压Vcc2供给信号发生器15。开关元件15S1和开关元件15S2之间的连接中间点被连接到谐振电路14的另一端14-2。例如，可以使用发电用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为开关元件1lSl、l1S2、15S1和15S2。发电用MOSFET也被称为功率MOSFET。例如，在这个例子中，使用P沟道MOSFET作为开关元件llSl和15S1，而N沟道MOSFET用作开关元件11S2和15S2。信号发生器11在控制单元16的控制下，以期望生成的第一高频信号的高区间(highinterval，高时间间隔)和低区间(lowinteIval，低时间间隔)接通或关断开关元件1lS1和开关元件11S2来生成第一高频信号。同时，信号发生器15在控制单元16的控制下，以期望生成的第二高频信号的高区间和低区间接通或关断开关元件15S1和开关元件15S2来生成第二高频信号。此时，为第二高频信号的高区间和低区间的总时间的周期是第一高频信号的周期的预定数之一，即，第二高频信号的频率是第一高频信号的预定数目的频率的倍数。此外，第二高频信号的振幅是第一高频信号的振幅的预定数分之一。在这个例子中，因为由信号发生器15产生的第二高频信号的振幅小于第一高频信号的振幅，所以，例如，供电电压Vcc2低于供电电压Vcc1。如上所述，控制单元16使信号发生器11生成具有预定频率和振幅的第一高频信号，并使信号发生器15产生第二高频信号，该信号是通过适当地调整第一高频信号的频率和振幅而得到的。此外，第一高频信号和第二高频信号的相位相结合，并分别被施加到谐振电路14的两端14-1和14-2，并且合成信号，也就是，操作信号(电压Vo-Vc)被提供给两端之间。在本实施方式中，由信号发生器15产生的第二高频信号的频率和振幅是以如下方式获得的值：将由信号发生器11产生的第一高频信号的频率增加到预定数的倍数，并将振幅降低到预定数分之一。此外，通过使用第一高频信号和第二高频信号之间的差分生成合成信号，第一高频信号中包含的谐波分量的至少一种谐波分量被消除或减少。更优选的是，第二次谐波信号的频率和振幅分别被调整为第一高频信号的频率的k倍(k为自然数)和振幅的k分之一。此外，对第一高频信号和第二高频信号执行减法处理，结果，使用第二高频信号的基波抵消或减少第一高频信号的第k次谐波，由此可以从合成信号消除或减少至少第一高频信号的至少第k次谐波。同时，在根据本实施方式的高频电源l0A中，可以使向谐振电路14提供第一和第二高频信号的末级的构成具有与全桥逆变器的相同的形式。高频电源lOA的这些电路可以用集成电路(例如所谓的微控制器(MCU))构成。2.信号波形和频率分量的说明随后，将参考图4A至图5B描述由信号发生器11产生的第一高频信号Vo(主信号)，由信号发生器15产生的第二高频信号Vc(消除信号)，以及其合成信号Vo-Vc(差分信号)。图4A示出了在谐振电路14的一端14-1测量的第一高频信号Vo的电压，图4B示出了在谐振电路14的另一端14-2测量的第二高频信号Vc的电压，而图4C示出了电压被施加到负载的信号Vo-Vc的波形。在图4A至4C的波形图中，横轴表示时间(秒)，纵轴表示信号(电压)的振幅值，并且每个信号的振幅值表示通过设定第一个高频信号Vo的振幅值为1而归一化的值。在图5A和图5B中，波形图中横轴和纵轴的定义是相同的。如图4A所示，第一高频信号Vo的周期为1秒，占空比为50%，并且振幅值为1。另一方面，如图4B所示，第二高频信号Vc是通过将第一高频信号Vo的频率增加至三倍并将其振幅电平减少为三分之一而获得的。第一高频信号Vo和第二高频信号Vc的合成信号Vo-Vc的波形均具有图4C所示的形状。图5A示出了对第一高频信号Vo进行快速傅立叶变换后各个频率的绝对值，而图5B示出了对被施加到负载上的信号Vo-Vc进行快速傅立叶变换后各个频率的绝对值。在图5A和5B中，横轴表示频率(Hz)，而纵轴表示进行快速傅立叶变换后得到的绝对值。使用基波的频率f表示频率。例如，在第五次谐波的情况下，可以将频率表示为5f。如图5A所示，在对第一高频信号Vo进行快速傅立叶变换后各个频率的绝对值中，检测到奇数次谐波分量(第一次、第三次、第五次、第七次、第九次，…)。另一方面，在对第一高频信号Vo和的第二高频信号Vc的合成信号Vo-Vc进行快速傅立叶变换后各个频率的绝对值中，未检测到对应3的倍数的谐波分量。其原因是对应3的倍数的谐波分量被抵消或减少(抑制)，通过合成(减去)第一高频信号Vo和频率和振幅被适当地调整的第二高频信号Vc。对于这种现象，将使用表达式描述作为例子的第三谐波被抑制的情况。表达式1中表示具有50%的占空比的第一高频信号Vo的傅立叶级数展开。表达式1另一方面，表达式2中表示第二高频信号Vc的傅里叶级数展开，第二高频信号Vc是通过将第一高频信号Vo频率增加至三倍并将第一高频信号Vo的振幅电平减少为三分之一而获得的。表达式2此外，表达式3中表示合成信号Vo-Vc的傅立叶级数展开，合成信号采用第一高频信号Vo和第二高频信号Vc之间的差分。表达式3正如从表达式1到3中可以看出，当频率增加至三倍并且振幅电平被降低到三分之一时，第三次谐波和对应3的倍数的谐波在理论上被抵消，从而能够抑制合成信号Vo-Vc的第三次谐波和对应3的倍数的谐波。同时，在抑制第三次谐波以外的谐波的情况下，可以以相同的方式设置频率和振幅水平。例如，当抑制第五次谐波和对应5的倍数的谐波时，第二高频信号Vc是通过将第一高频信号Vo的频率增加至五倍并将第一高频信号Vo的振幅电平减少为五分之一而获得的。根据上述实施方式，第二高频信号的频率和振幅是通过适当地调整第一高频信号的频率和振幅而获得的，因此当第一高频信号与第二高频信号合成时，能够抵消或减少所需谐波。例如，由信号发生器15产生的第二高频信号的频率和振幅是通过以下方式获得的：将由信号发生器11产生的第一高频信号的频率增加到预定数k的倍数，并将第一高频信号的振幅降低到预定数k分之一。在这里，通过设定预定数k为所需数，可以产生抑制了期望的谐波的谐波信号。因此，例如，当6.78MHz被设置为基波的频率时，通过设置k为3，能够抑制第次三谐波(20.34MHz)，并能够生成符合与ISM频带相关的标准的高频信号。如上所述，根据该实施方式，可以选择性地抑制由主信号的谐波引起的不必要辐射，例如，不符合与电信有关的标准的不必要辐射。3.非接触电力传输系统的构成例图6是示意性示出了使用根据本公开实施方式的高频电源的非接触电力传输系统的电路图。非接触电力传输系统1包括以非接触方式使用磁场传输电力(进行非接触给电)的电力传输装置10，以及接收从电力传输装置10(从磁通量)传输的电力的电力接收装置20。电力传输装置10包括高频电源10A、被提供从高频电源10A输出的高频信号的谐振电路14(负载的一个例子)、控制高频电源10A的驱动的控制单元16。因为已经参考图2至图5B描述了电力传输装置10的内部结构和操作，所以其详细描述被省略。另一方面，电力接收装置20包括以非接触的方式从电力传输装置10接收电力的电力接收线圈21、与电力接收线圈21一起被包括在谐振电路23中的谐振电容22、将从谐振电路23提供的AC信号转换成直流电(DC)信号的整流电路24、以及负载25。负载25包括例如电池(二次电池)，其未在附图中示出。除了整流处理以外，整流电路24还可以被构成为执行平滑处理。在谐振电路23中，电力接收线圈21被连接到谐振电容22以形成串联谐振电路，并且电力接收线圈21的电感值和谐振电容22的电容值被调整使得以给电频率进行共振。从电力传输装置10传输的电力(初级侧)越高，可以由电力接收装置20接收的电力(二次侧)越大。同时，谐振电路23的构成并不限于本实例，与电力传输装置10的谐振电路14的情况一样可以采用各种构成。在无线给电系统(非接触电力传输系统)中，为了以非接触的方式将电力从电力传输装置传输到电力接收装置，从谐振电路的线圈中发出的磁通量(磁场)大。因此，容易增加不必要的辐射。相反，按照根据该实施方式的非接触电力传输系统，电力传输装置具有这样构成：第一高频信号和第二高频信号之间的差分被采用，并且特定的谐波分量被抵消或减少。因此，可以从由电力传输装置输出的电力传输信号中移除特定的谐波分量，并且可以抑制不必要的频率分量的辐射。同时，在磁场谐振型非接触电力传输系统中，在电力传输装置侧的负载是谐振电路，并具有抑制谐波分量的恒定滤波效果。然而，该效果是有限的。通过应用本公开的技术，能够进一步有效地从由电力传输装置输出的电力传输信号中除去谐波分量，并能够抑制不必要的辐射。此外，磁场谐振型非接触电力传输系统有能够高效率地进行电力传输的特性。就这一点来说，不使用效率容易恶化的正弦波信号的本公开技术可适用于磁场谐振型非接触电力传输系统。4.变形例与第一信号生成单元(例如，信号发生器11)相比，生成消除第二高频信号的第二信号生成单元(例如，信号发生器15)具有高的操作频率和低的操作电源电压(例如，供电电压Vcc2)。因此，第二信号生成单元可以使用对其行为最佳的不同种类的器件来构成。也就是说，第一信号发生单元和第二信号发生单元的规格可以不是完全相同或对称的。当实施上述高频电源(例如，在高频电源10A)时，存在每个信号生成单元的输出波形不是理想的矩形的情况。在这种情况下，可以通过微调整由第二信号生成单元生成的第二高频信号的振幅、相位或占空比，进行抑制量的优化。例如，当将第二高频信号的振幅减小到1/3时，振幅可能无法被准确地减少到1/3(＝0.33…)，可以根据实施装置设置为0.3。此外，虽然半桥式逆变器是用于上述实施方式中的第一和第二信号生成单元，但是本公开的技术可以适用于输出矩形波的不同类型的信号发生器。同时，本公开可以包括如下的构成：(1)一种电力传输装置，包括:谐振电路，其用于非接触电力传输；第一信号生成单元，其被连接到谐振电路的一端，并且被构成为使用切换 方法生成包括一个或多个谐波分量的第一高频信号;以及第二信号生成单元，其被连接到谐振电路的另一端，并且被构成为使用切换方法生成包括特定的谐波分量的第二高频信号，其中，第一高频信号被输入谐振电路的一端，而第二高频信号被输入到谐振电路的另一端。(2)在(1)的电力传输装置中，由第二信号生成单元生成的第二高频信号的频率和振幅是通过将第一高频信号的频率增加到预定数的倍数并通过将第一高频信号的振幅减少到预定数分之一而得到的值。(3)在(1)或(2)的电力传输装置中，被包括在第二高频信号中的谐波分量对应于被包括在第一高频信号的谐波分量的至少一种谐波分量。(4)在(2)或(3)的电力传输装置中，第二高频信号的频率和振幅是通过将第一高频信号的频率增加到k倍(k为自然数)并将第一高频信号的振幅降低为k分之一而分别得到的。(5)在(1)至(4)任一项的电力传输装置中，第一高频信号和第二高频信号中实质上为矩形波。(6)一种非接触电力传输系统，包括：电力传输装置，其以非接触的方式传输电力；以及电力接收装置，其从电力传输装置接收电力，电力传输装置包括:谐振电路，其用于非接触电力传输;第一信号生成单元，其使用切换方法生成包括一个或多个谐波分量的第一高频信号;以及第二信号生成单元，其使用切换方法生成包括特定的谐波分量的第二高频信号，第一高频信号被输入到谐振电路的一端，而第二高频信号被输入到谐振电路的另一端。(7)一种信号生成方法，包括：由第一信号生成单元使用切换方法生成包括一个或多个谐波分量的第一高频信号;由第二信号生成单元使用 切换方法生成包括特定的谐波分量的第二高频信号;以及通过差分驱动第一高频信号和第二高频信号生成合成信号。根据实施方式的各个上述实例的一系列处理可以使用硬件来执行，还可以使用软件来执行。当一系列处理是用软件执行时，一系列处理可以通过在包括在软件中的程序被嵌入在专用硬件中的计算机，或在安装了用于执行各种功能的程序的计算机来执行。例如，可以在通用个人计算机中安装并执行包括在所需软件中的程序。此外，在本说明书中，在按时间处理描述的处理步骤，包括沿着所述顺序按时间顺序执行的处理，以及不一定是按时间顺序处理并且其是并行或单独执行的处理(例如，并行处理或基于对象的处理)。在上文中，本公开不限于各个上述实施方式，显然，在不脱离权利要求中公开的主旨的情况下，可以包括不同类型的多种其他变形例和应用例。也就是说，因为各个上述实施方式的例子都是本公开的适当的详细例子，所以进行了技术上优选的各种限制。然而，本公开的技术范围并不限于该实施方式，如果没有特别说明对每个描述的本公开的限制的主旨。例如，在下面描述中提及的所使用的材料、其使用量、处理时间、处理顺序、以及每个参数的数值条件只是优选的例子，并且用于描述的每个附图的尺寸、形状以及排列关系均为大致的。本公开包含的主题涉及于2012年4月18日提交至日本专利局的日本在先专利申请JP2012-094895中所公开的主题，其全部内容通过引用结合于此。本领域技术人员应当理解，根据设计需求和其他因素，在所附权利要求或其等价方案范围内，可以进行各种修改、组合、子组合以及更改。