(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6180548
(24)【登録日】2017年7月28日
(45)【発行日】2017年8月16日
(54)【発明の名称】高周波電源用整流回路
(51)【国際特許分類】
H02M 7/10 20060101AFI20170807BHJP
H02M 7/21 20060101ALI20170807BHJP
H01Q 1/50 20060101ALI20170807BHJP
【FI】
H02M7/10 B
H02M7/21 A
H01Q1/50
【請求項の数】12
【全頁数】12
(21)【出願番号】特願2015-554393(P2015-554393)
(86)(22)【出願日】2013年12月26日
(86)【国際出願番号】JP2013084828
(87)【国際公開番号】WO2015097803
(87)【国際公開日】20150702
【審査請求日】2015年12月15日
(73)【特許権者】
【識別番号】591036457
【氏名又は名称】三菱電機エンジニアリング株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100123434
【弁理士】
【氏名又は名称】田澤 英昭
(74)【代理人】
【識別番号】100101133
【弁理士】
【氏名又は名称】濱田 初音
(74)【代理人】
【識別番号】100199749
【弁理士】
【氏名又は名称】中島 成
(74)【代理人】
【識別番号】100156351
【弁理士】
【氏名又は名称】河村 秀央
(74)【代理人】
【識別番号】100188880
【弁理士】
【氏名又は名称】坂元 辰哉
(74)【代理人】
【識別番号】100197767
【弁理士】
【氏名又は名称】辻岡 将昭
(72)【発明者】
【氏名】阿久澤 好幸
(72)【発明者】
【氏名】酒井 清秀
(72)【発明者】
【氏名】江副 俊裕
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 有基
【審査官】
柳下 勝幸
(56)【参考文献】
【文献】
特開2012−135127(JP,A)
【文献】
特開2006−304391(JP,A)
【文献】
特開2012−023949(JP,A)
【文献】
特開2009−290950(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02M 7/10
H01Q 1/50
H02M 7/21
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電力伝送用受信アンテナが接続される一対の入力端子と、
前記一対の入力端子のうちの一方の端子である、前記電力伝送用受信アンテナから2MHzを超える高周波における交流電圧が入力される端子に、一端が接続された第1のインダクタと、
一端が前記第1のインダクタの他端に接続され、他端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第1のコンデンサと、
一端が前記第1のインダクタの他端に接続された第2のコンデンサと、
第1の寄生容量を有し、一端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、他端が前記第2のコンデンサの他端に接続された第1の整流素子と、
第2の寄生容量を有し、一端が前記第1の整流素子の他端に接続された第2の整流素子と、
一端が前記第2の整流素子の他端に接続され、他端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第3のコンデンサとを備え、
前記第1のインダクタ、前記第1,2の寄生容量及び前記第1,2のコンデンサにより、前記第1,2の整流素子の整流の際のスイッチング動作を部分共振スイッチングさせる
ことを特徴とする高周波電源用整流回路。
【請求項2】
電力伝送用受信アンテナが接続される一対の入力端子と、
前記一対の入力端子のうちの一方の端子である、前記電力伝送用受信アンテナから2MHzを超える高周波における交流電圧が入力される端子に、一端が接続された第1のインダクタと、
一端が前記第1のインダクタの他端に接続され、他端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第1のコンデンサと、
一端が前記第1のインダクタの他端に接続された第2のコンデンサと、
第1の寄生容量を有し、一端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、他端が前記第2のコンデンサの他端に接続された第1の整流素子と、
第2の寄生容量を有し、一端が前記第1の整流素子の他端に接続された第2の整流素子と、
一端が前記第2の整流素子の他端に接続され、他端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第3のコンデンサと、
前記第1の整流素子に並列接続された第4のコンデンサと、
前記第2の整流素子に並列接続された第5のコンデンサとを備え、
前記第1のインダクタ、前記第1,2の寄生容量及び前記第1,2,4,5のコンデンサにより、前記第1,2の整流素子の整流の際のスイッチング動作を部分共振スイッチングさせる
ことを特徴とする高周波電源用整流回路。
【請求項3】
電力伝送用受信アンテナが接続される一対の入力端子と、
前記一対の入力端子のうちの一方の端子である、前記電力伝送用受信アンテナから2MHzを超える高周波における交流電圧が入力される端子に、一端が接続され、当該一対の入力端子のうちの他方の端子に他端が接続された第1のコンデンサと、
一端が前記第1のコンデンサの一端に接続された第1のインダクタと、
一端が前記第1のインダクタの他端に接続された第2のコンデンサと、
第1の寄生容量を有し、一端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、他端が前記第2のコンデンサの他端に接続された第1の整流素子と、
第2の寄生容量を有し、一端が前記第1の整流素子の他端に接続された第2の整流素子と、
一端が前記第2の整流素子の他端に接続され、他端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第3のコンデンサとを備え、
前記第1,2の寄生容量及び前記第2のコンデンサにより、前記第1,2の整流素子の整流の際のスイッチング動作を部分共振スイッチングさせる
ことを特徴とする高周波電源用整流回路。
【請求項4】
電力伝送用受信アンテナが接続される一対の入力端子と、
前記一対の入力端子のうちの一方の端子である、前記電力伝送用受信アンテナから2MHzを超える高周波における交流電圧が入力される端子に、一端が接続され、当該一対の入力端子のうちの他方の端子に他端が接続された第1のコンデンサと、
一端が前記第1のコンデンサの一端に接続された第1のインダクタと、
一端が前記第1のインダクタの他端に接続された第2のコンデンサと、
第1の寄生容量を有し、一端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、他端が前記第2のコンデンサの他端に接続された第1の整流素子と、
第2の寄生容量を有し、一端が前記第1の整流素子の他端に接続された第2の整流素子と、
一端が前記第2の整流素子の他端に接続され、他端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第3のコンデンサと、
前記第1の整流素子に並列接続された第4のコンデンサと、
前記第2の整流素子に並列接続された第5のコンデンサとを備え、
前記第1,2の寄生容量及び前記第2,4,5のコンデンサにより、前記第1,2の整流素子の整流の際のスイッチング動作を部分共振スイッチングさせる
ことを特徴とする高周波電源用整流回路。
【請求項5】
前記第1の整流素子は、アノードが前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、カソードが前記第2のコンデンサの他端に接続された第1のダイオードであり、
前記第2の整流素子は、アノードが前記第1のダイオードの他端に接続された第2のダイオードである
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の高周波電源用整流回路。
【請求項6】
前記第1,2のダイオードは、高周波用のダイオード以外のダイオードである
ことを特徴とする請求項5記載の高周波電源用整流回路。
【請求項7】
前記第1の整流素子は、ソース端子が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、ドレイン端子が前記第2のコンデンサの他端に接続された第1の電界効果トランジスタであり、
前記第2の整流素子は、ソース端子が前記第1の電界効果トランジスタの他端に接続された第2の電界効果トランジスタである
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の高周波電源用整流回路。
【請求項8】
前記第1の整流素子は、
アノードが前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、カソードが前記第2のコンデンサの他端に接続された第1のダイオードと、
ソース端子が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、ドレイン端子が前記第2のコンデンサの他端に接続された第1の電界効果トランジスタとを有し、
前記第2の整流素子は、
アノードが前記第1のダイオードの他端に接続された第2のダイオードと、
ソース端子が前記第1の電界効果トランジスタの他端に接続された第2の電界効果トランジスタとを有する
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の高周波電源用整流回路。
【請求項9】
前記第1のインダクタ及び前記第1のコンデンサは、磁界共鳴による前記電力伝送用受信アンテナとの間で共振条件を合わせる
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の高周波電源用整流回路。
【請求項10】
前記第1のインダクタ及び前記第1のコンデンサは、電界共鳴による前記電力伝送用受信アンテナとの間で共振条件を合わせる
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の高周波電源用整流回路。
【請求項11】
前記第1のインダクタ及び前記第1のコンデンサは、電磁誘導による前記電力伝送用受信アンテナとの間で共振条件を合わせる
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の高周波電源用整流回路。
【請求項12】
前記第1のインダクタ及び前記第1のコンデンサは共振条件を可変とする
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の高周波電源用整流回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は、高周波における交流電源の整流を行う高周波電源用整流回路に関するものである。
【背景技術】
【0002】
図13に従来技術による倍電圧整流回路を示す。この倍電圧整流回路では、入力された100kHz程度の交流電圧Vinを整流し、直流電圧へ変換して出力している(例えば特許文献1参照)。この倍電圧整流回路は、100kHz程度の周波数帯を前提にした技術であるが、2MHz以下の周波数帯に対して適用可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2008−104295号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、従来構成では、2MHzを超える高周波における整流に適用した場合、電力変換効率が良くないという課題がある。特に入力側に共振型受信アンテナなどの出力インピーダンスに高周波特性をもつ回路が繋がる場合、自身の倍電圧整流回路の動作へ影響を及ぼし、本来の目的とする高効率な電力変換動作を維持することができない。
そして、整流動作時に発生する回路の電力損失は、熱エネルギーとなって回路基板の温度上昇に繋がる。これは、回路基板の動作環境温度を上げることになり、使用部品の寿命を短くすることになる。そのため、排熱装置を備えるなどの対策が必要となり、コスト増、大型化、質量増の原因にもなっている。
【0005】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、2MHzを超える高周波における交流電圧の整流において、高い電力変換効率特性を得ることができる高周波電源用整流回路を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0006】
この発明に係る高周波電源用整流回路は、
電力伝送用受信アンテナが接続される一対の入力端子と、一対の入力端子のうちの一方の端子である、電力伝送用受信アンテナから2MHzを超える高周波における交流電圧が入力される端子に、一端が接続された第1のインダクタと、一端が第1のインダクタの他端に接続され、他端が一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第1のコンデンサと、一端が第1のインダクタの他端に接続された第2のコンデンサと、第1の寄生容量を有し、一端が一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、他端が第2のコンデンサの他端に接続された第1の整流素子と、第2の寄生容量を有し、一端が第1の整流素子の他端に接続された第2の整流素子と、一端が第2の整流素子の他端に接続され、他端が一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第3のコンデンサとを備え、第1のインダクタ、第1,2の寄生容量及び第1,2のコンデンサにより、第1,2の整流素子の整流の際のスイッチング動作を部分共振スイッチングさせるものである。
【発明の効果】
【0007】
この発明によれば、上記のように構成したので、2MHzを超える高周波における交流電圧の整流において、高い電力変換効率特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【
図1】この発明の実施の形態1に係る高周波電源用整流回路の構成を示す図である。
【
図2】この発明の実施の形態1に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である。
【
図3】この発明の実施の形態1に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である。
【
図4】この発明の実施の形態1に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である。
【
図5】この発明の実施の形態1に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である。
【
図6】この発明の実施の形態1に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である。
【
図7】この発明の実施の形態1に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である。
【
図8】この発明の実施の形態1に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である。
【
図9】この発明の実施の形態1に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である。
【
図10】この発明の実施の形態1に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である(共振条件可変型LC回路を設けた場合)。
【
図11】この発明の実施の形態2に係る高周波電源用整流回路の構成を示す図である(ダイオードに代えてFETを用いた場合)。
【
図12】この発明の実施の形態2に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である(ダイオードとFETを用いた場合)。
【
図13】従来の高周波電源用整流回路の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る高周波電源用整流回路の構成を示す図である。
高周波電源用整流回路は、2MHzを超える高周波における交流電圧Vinの整流を行うものである。この高周波電源用整流回路は、
図1に示すように、ダイオードD1,D2、コンデンサC1,C2,C3,C11、インダクタL11及びコンデンサC21から構成されている。
なお、共振型受信アンテナ(電力伝送用受信アンテナ)10は、LC共振特性を持つ電力伝送用の共振型アンテナである(非接触型のみに限定されない)。この共振型受信アンテナ10は、磁界共鳴型、電界共鳴型、電磁誘導型のいずれであってもよい。
【0010】
ダイオードD1,D2及びコンデンサC3は、共振型受信アンテナ10から入力された2MHzを超える高周波における交流電圧Vinを直流電圧に変換するための倍電圧整流回路を構成するものである。ダイオードD1,D2は、入力された交流電圧Vinを直流電圧に変換する整流素子である。また、コンデンサC3は、ダイオードD1,D2とともに入力された交流電圧Vinを直流電圧に変換する際に、倍電圧に電圧増幅する動作を行うものである。ダイオードD1,D2としては、高周波(RF;Radio Frequency)用のダイオードに限らず、例えばSi型やSiC型、GaN型などのダイオード又はショットキーバリアダイオードなどの素子を用いることが可能である。また、コンデンサC3としては、セラミックコンデンサやフィルムコンデンサなどを用いることが可能である。
【0011】
コンデンサC1,C2,C3,C11及びインダクタL11は、複合機能によりダイオードD1,D2における整流動作のための部分共振回路を構成するものである。この部分共振回路により、ダイオードD1,D2の整流の際のスイッチング動作を部分共振スイッチングさせる。コンデンサC1,C2は、ダイオードD1,D2の寄生容量又はディスクリート素子との複合容量により構成された定数である。また、コンデンサC11としては、セラミックコンデンサやタンタルコンデンサ、フィルムコンデンサなどを用いることが可能である。また、インダクタL11としては、空芯コイルや磁性体コイルなどを用いることが可能である。
【0012】
コンデンサC21は、ダイオードD1,D2により整流されたリップル電圧を直流電圧に平滑するための平滑機能回路を構成する素子である。このコンデンサC21としては、セラミックコンデンサやタンタルコンデンサ、フィルムコンデンサなどの素子を用いることが可能である。
【0013】
インダクタL11及びコンデンサC11は、入力側の共振型受信アンテナ10とのインピーダンス整合を取る(共振型受信アンテナ10との間で共振条件を合わせる)機能、及びコンデンサC1,C2,C3,C11及びインダクタL11による部分共振回路とのインピーダンス整合を取る(部分共振回路との間で共振条件を合わせる)機能を有する整合機能回路を構成する素子である。このインダクタL11としては、空芯コイルや磁性体コイルなどを用いることが可能である。このインダクタL11及びコンデンサC11によりダイオードD1,D2の共振スイッチング動作を図ることができる。
【0014】
このように、本発明の高周波電源用整流回路では、3つの機能(整合機能、倍電圧整流機能、平滑機能)を1つの回路構成の中に有し、それぞれを切り分けた回路設計では成立しない構成となっている。そして、インダクタL11とコンデンサC11による複合機能により、共振型受信アンテナ10の出力インピーダンスとの整合及びコンデンサC1,C2,C3,C11とインダクタL11による部分共振回路のインピーダンスとの整合を取る働きを持ち、また、部分共振回路により、ダイオードD1,D2の整流の際のスイッチング動作を部分共振スイッチングさせる機能を合わせ持つ。これにより、ダイオードD1,D2のスイッチング損失を低減する。
【0015】
次に、上記のように構成された高周波電源用整流回路の動作について説明する。
まず、共振型受信アンテナ10から2MHzを超える高周波の交流電圧Vinが入力されると、インダクタL11とコンデンサC11による複合機能により、共振型受信アンテナ10の出力インピーダンスとの整合と、コンデンサC1,C2,C3,C11とインダクタL11による部分共振回路とのインピーダンス整合が図られる。そして、その整合状態を維持しながら、ダイオードD1,D2により、入力された交流電圧Vinが片側電位(正電位)のリップル電圧に整流される。このとき、ダイオードD1,D2によるスイッチング動作は、コンデンサC1,C2,C3,C11とインダクタL11による複合機能により部分共振スイッチング動作となり、ZVS(ゼロボルテージスイッチング)状態となる。この状態がスイッチング損失の最も少ない整流動作となる。そして、整流されたリップル電圧は、コンデンサC21により直流電圧へ平滑され出力される。
以上の一連の動作により、入力された高周波の交流電圧Vinを高い電力変換効率(90%以上)で直流電圧へ整流し出力することが可能である。
【0016】
以上のように、この実施の形態1によれば、共振型受信アンテナ10などの出力インピーダンスに高周波特性をもつ回路とのインピーダンス整合を図り、自身の倍電圧整流回路の部分共振動作の一部として動作する機能を設けるように構成したので、2MHzを超える高周波における整流動作時の損失を大幅に改善することができ、高い電力変換効率(効率90%以上)を達成することができる。
また、整流動作時に発生する回路の電力損失が少ないため、発生する熱エネルギーも少なく回路基板の温度上昇を低く抑えられることから、動作環境温度が使用部品の寿命に与える影響を少なくできる。そのため、従来の排熱装置を備えるなどの対策が不要となり、コストの削減、小型、軽量化及び低消費電力化を図ることができる。
【0017】
なお
図1では、ダイオードD1,D2、コンデンサC1,C2,C3,C11、インダクタL11及びコンデンサC21を用いて高周波電源用整流回路を構成した場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば
図2〜9に示すような構成としてもよい。ここで、高周波電源用整流回路は、共振型受信アンテナ10の構成(出力インピーダンス)と、高周波電源用整流回路の出力(DCoutput)側に繋がる装置の入力インピーダンスとに応じて、
図1〜9の構成のうち最適なものが選定される。
【0018】
また
図1では、整合機能回路を構成するインダクタL11とコンデンサC11の定数が固定であり、共振条件が固定であるとして説明を行ったが、これに限るものではなく、例えば
図10に示すように、共振条件を可変とする共振条件可変型LC回路1を用いてもよい。なお
図10は、
図1〜9に示す構成のうち部品点数が最も多い
図8の構成に対して共振条件可変型LC回路1を適用したものであり、共振条件可変範囲が最も広くなる。
図10の例では、共振条件可変型LC回路1は、インダクタL11,L12,L13及びコンデンサC3,C11,C12の定数を可変としている。
図1〜7,9についても同様に共振条件可変型LC回路1を適用可能である。
【0019】
実施の形態2.
図11はこの発明の実施の形態2に係る高周波電源用整流回路の構成を示す図である。
図11に示す実施の形態2に係る高周波電源用整流回路は、
図1に示す実施の形態1に係る高周波電源用整流回路のダイオードD1,D2をパワー素子Q1,Q2に変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。
【0020】
パワー素子Q1,Q2は、共振型受信アンテナ10から入力された2MHzを超える高周波における交流電圧Vinを直流電圧に変換するための倍電圧整流回路を構成する整流素子である。このパワー素子Q1,Q2としては、RF用の電界効果トランジスタ(FET;Field Effect Transistor)に限らず、例えばSi−MOSFETやSiC−MOSFET、GaN−FETなどの素子を用いることが可能である。なお、コンデンサC1,C2は、パワー素子Q1,Q2の寄生容量又はディスクリート素子との複合容量により構成される。
このように、ダイオードD1,D2に代えてパワー素子Q1,Q2を用いて高周波電源用整流回路を構成するようにしても、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
【0021】
なお
図11では、
図1のダイオードD1,D2をパワー素子Q1,Q2で置き換えた構成について示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば
図2〜9のダイオードD1,D2をパワー素子Q1,Q2で置き換えた構成としてもよい。ここで、高周波電源用整流回路は、共振型受信アンテナ10の構成(出力インピーダンス)と、高周波電源用整流回路の出力(DCoutput)側に繋がる装置の入力インピーダンスとに応じて、
図1〜9のダイオードD1,D2をパワー素子Q1,Q2で置き換えた構成のうち最適なものが選定される。
【0022】
また
図11では、整合機能回路を構成するインダクタL11とコンデンサC11の定数が固定であり、共振条件が固定であるとして説明を行ったが、これに限るものではなく、共振条件を可変とする共振条件可変型LC回路1を用いてもよい。また、
図2〜9のダイオードD1,D2をパワー素子Q1,Q2で置き換えた構成についても同様に、共振条件可変型LC回路1を適用可能である。
【0023】
また、実施の形態1では整流素子としてダイオードD1,D1を用い、実施の形態2では整流素子としてパワー素子Q1,Q2を用いた場合について示した。それに対して、
図12に示すように、整流素子としてダイオードD1,D2及びパワー素子Q1,Q2を両方用いるようにしてもよい。なお
図12は、
図1に示す整流素子を、ダイオードD1,D2及びパワー素子Q1,Q1を用いた整流素子に置き換えたものであるが、これに限るものではなく、例えば
図2〜9の整流素子を、ダイオードD1,D2及びパワー素子Q1,Q2を用いた整流素子に置き換えてもよい。さらに、これらの構成に共振条件可変型LC回路1を適用してもよい。
【0024】
また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【産業上の利用可能性】
【0025】
この発明に係る高周波電源用整流回路は、2MHzを越える高周波における交流電圧の整流において、高い電力変換効率特性を得ることができ、高周波における交流電源の整流を行う高周波電源用整流回路等に用いるのに適している。
【符号の説明】
【0026】
1 共振条件可変型LC回路、10 共振型受信アンテナ(電力伝送用受信アンテナ)。