特許 6485198 共振インバータおよび共振型電源装置

(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】6485198

(24)【登録日】2019年3月1日

(45)【発行日】2019年3月20日

(54)【発明の名称】共振インバータおよび共振型電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20190311BHJP

   H02M 3/28 20060101ALI20190311BHJP

   H02M 3/337 20060101ALI20190311BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 P

   H02M3/28 Q

   H02M3/337 D

【請求項の数】14

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-96989(P2015-96989)

(22)【出願日】2015年5月12日

(65)【公開番号】特開2016-213995(P2016-213995A)

(43)【公開日】2016年12月15日

【審査請求日】2017年12月27日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】今井 克憲

【審査官】 栗栖 正和

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６１−２８４０８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５４５０３０５（ＵＳ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／１５６６８９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｍ ３／２８

Ｈ０２Ｍ ３／３３７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

交互にオンオフする第１のスイッチ及び第２のスイッチと、
第１のコンデンサは、前記第１のスイッチと並列に接続され、
第２のコンデンサは、前記第２のスイッチと並列に接続され、
第１のコイルは、前記第１のスイッチと第１の入力端子との間に備え、
第２のコイルは、前記第２のスイッチと前記第１の入力端子との間に備え、
前記第１のスイッチを含み、前記第１のコイルと前記第１のコンデンサによる第１の共振回路を備えた第１のインバータと、
前記第２のスイッチを含み、前記第２のコイルと前記第２のコンデンサによる第２の共振回路を備えた第２のインバータと、を備え、
第３のコンデンサは、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとの間に備えられると共に、直列に接続された前記第１のコイルと前記第２のコイルに対して並列に接続され、
前記第１のコイルと前記第２のコイルと前記第３のコンデンサにより第３の共振回路が構成され、
前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとの間に備えられ、第４の共振回路を形成する第４のコンデンサ及び第３のコイルを有することを特徴とする共振インバータ。

【請求項2】

交互にオンオフする第１のスイッチ及び第２のスイッチと、
第１のコンデンサは、前記第１のスイッチと並列に接続され、
第２のコンデンサは、前記第２のスイッチと並列に接続され、
第１のコイルは、前記第１のスイッチと第１の入力端子との間に備え、
第２のコイルは、前記第２のスイッチと前記第１の入力端子との間に備え
前記第１のスイッチを含み、前記第１のコイルと前記第１のコンデンサによる第１の共振回路を備えた第１のインバータと、
前記第２のスイッチを含み、前記第２のコイルと前記第２のコンデンサによる第２の共振回路を備えた第２のインバータと、
を備え、
第３のコンデンサは、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとの間に備えられると共に、直列に接続された前記第１のコイルと前記第２のコイルに対して並列に接続され、
前記第１のコイルと前記第２のコイルと前記第３のコンデンサにより第３の共振回路が構成され、
前記第１のスイッチと並列に設けられた第５のコイル及び第５のコンデンサの直列接続を備える第５の共振回路と、前記第２のスイッチと並列に設けられた第６のコイル及び第６のコンデンサの直列接続を備える第６の共振回路を有することを特徴とする共振インバータ。

【請求項3】

交互にオンオフし第１のスイッチ及び第２のスイッチと、１次側の第１巻線と第２巻線を有するトランスと、
第１のコンデンサは、前記第１のスイッチと並列に接続され、
第２のコンデンサは、前記第２のスイッチと並列に接続され、
第１のコイルは、前記第１のスイッチと前記トランスの前記第１巻線の一端に接続され、
第２のコイルは、前記第２のスイッチと前記トランスの前記第２巻線の一端に接続され、
前記第１のスイッチを含み、前記第１のコイルと前記第１のコンデンサによる第１の共振回路を備えた第１のインバータと、
前記第２のスイッチを含み、前記第２のコイルと前記第２のコンデンサによる第２の共振回路を備えた第２のインバータと、を備え、
第３のコンデンサは、前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとの間に備えられ、
前記第１のコイルと前記第２のコイルと前記第３のコンデンサにより第３の共振回路が構成さることを特徴とする共振インバータ。

【請求項4】

前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとの間に備えられ、第４の共振回路を形成する第４のコンデンサ及び第３のコイルを有することを特徴とする請求項３に記載の共振インバータ。

【請求項5】

前記第１のスイッチと並列に設けられた第５のコイル及び第５のコンデンサの直列接続を備える第５の共振回路と、前記第２のスイッチと並列に設けられた第６のコイル及び第６のコンデンサの直列接続を備える第６の共振回路を有することを特徴とする請求項３に記載の共振インバータ。

【請求項6】

前記第１のコイルと、前記第２のコイルと、前記トランスの第１巻線と、前記トランスの第２巻線と、前記第３のコンデンサを備える第７の共振回路を有することを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の共振インバータ。

【請求項7】

前記第１のコイルと、前記第２のコイルは、前記トランスのリーケージインダクタンスにより構成することを特徴とする請求項３〜６のいずれか一項に記載の共振インバータ。

【請求項8】

前記トランスの前記第１巻線と前記第２巻線との間に設けられた中間タップは、入力電圧が印加される入力端子と接続されていることを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載の共振インバータ。

【請求項9】

前記第３のコンデンサの容量Ｃｆは、前記第１のコイルまたは前記第２のコイルのインダクタンスをＬｆとし、前記第１のスイッチまたは前記第２のスイッチを駆動する駆動周波数をＦｓとすると、以下（１）式を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載の共振インバータ。

【数1】

【請求項10】

前記第１のコンデンサ、前記第２のコンデンサ、及び前記第３のコンデンサは、可変容量コンデンサであることを特徴とする請求項１、２又は９に記載の共振インバータ。

【請求項11】

前記第３のコンデンサの容量Ｃｆは、前記第１のコイルまたは前記第２のコイルのインダクタンスをＬｆとし、前記第１のスイッチまたは前記第２のスイッチを駆動する駆動周波数をＦｓとすると、以下（１）式を満たすことを特徴とする請求項３〜８のいずれか一項に記載の共振インバータ。

【数1】

【請求項12】

前記第１のコンデンサ、前記第２のコンデンサ、及び前記第３のコンデンサは、可変容量コンデンサであることを特徴とする請求項３〜８及び１１のいずれか一項に記載の共振インバータ。

【請求項13】

請求項１〜１２のいずれか一項に記載の共振インバータと、前記共振インバータと接続される共振整流器を含むことを特徴とする共振型電源装置。

【請求項14】

請求項３〜７及び１１〜１２のいずれか一項に記載の共振インバータと、前記共振インバータと接続される共振整流器を含み、
前記共振整流器は、複数の共振整流回路を備え
前記第１のスイッチと前記トランスの第１巻線との間、及び前記第２のスイッチと前記トランスの第２巻線との間に、前記共振整流回路をそれぞれ備えることを特徴とする共振型電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スイッチの動作電圧を容易に低減できる共振インバータおよび共振型電源装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

下記特許文献１には、絶縁型共振コンバータが開示されている。これは、共振インバータ出力を絶縁して負荷に供給する際に、共振整流器側に絶縁トランスを設けたものである。また、特許文献２には、非絶縁共振コンバータが開示されている。これは、１８０度の位相差を持った２つのスイッチが交互にオン、オフし、負荷に電力供給するものである。開示された共振コンバータ技術を用いることで、スイッチ電圧が低く、電力の大きな、共振コンバータを作成することが可能である。また、特許文献１、特許文献２ともに、スイッチのドレイン−ソースインピーダンスを駆動周波数と駆動周波数の３倍のときに最大にし、駆動周波数の約２倍のときに最低にすることによって、スイッチ電圧を低減することが開示されている。また、下記非特許文献１には、ＤＥ級コンバータにおいて、負荷抵抗に電力を供給する為に、スイッチのドレイン−ソース間容量を最適化する方法が開示されている。

【0003】

開示されている共振インバータは、シングルエンドのインバータを２つ結合したものであり、単純にシングルエンドインバータの２倍の電力を扱うことが可能になる。また、一般的に高周波のインバータに於いて、ブリッジ回路等のハイサイドスイッチを高周波で駆動することは、短い時間のデッドタイムを保証しなければならず、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの貫通電流防止の観点で難しい。これに対して、開示されている共振インバータはローサイドスイッチのみを駆動する為、高周波駆動のインバータの電力範囲を拡大するのに有効な方法である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許第７８８９５１９号明細書

【特許文献2】米国特許第７９２４５８０号明細書

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】電子通信情報学会技術報告ＥＥｖｏｌ．１０７（３３０），ｐ５１〜５６，２００７

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、例えば上記非特許文献１に開示されている方法で共振インバータを構成すると、負荷抵抗を最初に決定してドレイン−ソース間容量を決める場合、負荷抵抗が大きいとドレイン−ソース間容量が小さくなるため、スイッチの動作電圧が大きくなってしまう問題がある。これは、スイッチの動作電圧を低減する為にドレイン−ソース間容量を大きくし、ドレイン−ソース間容量を基に各共振器を設定してしまうと、結果的に最適動作となる負荷抵抗値が下がることになり、抵抗値が大きい条件では、最適動作点を外れてしまうからである。この為、負荷抵抗によってスイッチのドレイン−ソース間容量を決定したときに、スイッチのドレイン−ソース間容量に影響を与えずに、スイッチの動作電圧を低減することが課題となる。

【0007】

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、どのような負荷抵抗であっても、スイッチの動作電圧を低減でき、かつ装置の小型化や低コスト化が可能な共振インバータおよび共振型電源装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記問題を解決する為に、本発明に係る共振インバータは、交互にオンオフする第１のスイッチ及び第２のスイッチと、第１のスイッチを含み、第１のコイルと第１のコンデンサによる第１の共振回路を備えた第１のインバータと、第２のスイッチを含み、第２のコイルと第２のコンデンサによる第２の共振回路を備えた第２のインバータと、を備え、第１のコイルと第２のコイルと第３のコンデンサにより第３の共振回路が構成される。これにより、スイッチオフ時に設定した共振周波数でドレイン−ソースインピーダンスを下げる事ができるので、スイッチの動作電圧を低減することができる。

【0009】

また、本発明に係る共振インバータは、第１のコンデンサは、第１のスイッチと並列に接続され、第２のコンデンサは、第２のスイッチと並列に接続され、第１のコイルは、第１のスイッチと第１の入力端子との間に備え、第２のコイルは、第２のスイッチと第１の入力端子との間に備え、第３のコンデンサは、第１のスイッチと第２のスイッチとの間に備えられると共に、直列に接続された前記第１のコイルと前記第２のコイルに対して並列に接続されていてもよい。これにより、スイッチの動作電圧を低減することができる。

【0010】

また、本発明に係る共振インバータは、第１のスイッチと第２のスイッチとの間に備えられ、第４の共振回路を形成する第４のコンデンサ及び第３のコイルを有していてもよい。これにより、スイッチの動作電圧を低減することができると共に、第４の共振回路が第１のインバータと第２のインバータで共有できるので、装置の小型化や低コスト化に寄与する。

【0011】

また、本発明に係る共振インバータは、第１のスイッチと並列に設けられた第５のコイル及び第５のコンデンサの直列接続を備える第５の共振回路と、第２のスイッチと並列に設けられた第６のコイル及び第６のコンデンサの直列接続を備える第６の共振回路を有していてもよい。これにより、スイッチの動作電圧を低減することができる。

【0012】

また、本発明に係る共振インバータは、交互にオンオフする第１のスイッチ及び第２のスイッチと、１次側の第１巻線と第２巻線を有するトランスとを備え、第１のスイッチを含み、第１のコイルと第１のコンデンサによる第１の共振回路を備えた第１のインバータと、第２のスイッチを含み、第２のコイルと第２のコンデンサによる第２の共振回路を備えた第２のインバータと、を備え、第１のコイルと第２のコイルと第３のコンデンサにより第３の共振回路が構成される。これによりトランスを備える形態の場合においても、スイッチの動作電圧を低減することができる。

【0013】

また、本発明に係る共振インバータは、第１のコンデンサは、第１のスイッチと並列に接続され、第２のコンデンサは、第２のスイッチと並列に接続され、第１のコイルは、第１のスイッチとトランスの第１巻線の一端に接続され、第２のコイルは、第２のスイッチとトランスの第２巻線の一端に接続され、第３のコンデンサは、第１のスイッチと第２のスイッチとの間に備えられていてもよい。これによりスイッチの動作電圧を低減することができる。

【0014】

また、本発明に係る共振インバータは、第１のスイッチと第２のスイッチとの間に備えられ、第４の共振回路を形成する第４のコンデンサ及び第３のコイルを有していてもよい。これにより、スイッチの動作電圧を低減することができると共に、第４の共振回路が第１のインバータと第２のインバータで共有できるので、装置の小型化や低コスト化に寄与する。

【0015】

また、本発明に係る共振インバータは、第１のスイッチと並列に設けられた第５のコイル及び第５のコンデンサの直列接続を備える第５の共振回路と、第２のスイッチと並列に設けられた第６のコイル及び第６のコンデンサの直列接続を備える第６の共振回路を有していてもよい。これによりスイッチの動作電圧を低減することができる。

【0016】

また、本発明に係る共振インバータは、第１のコイルと、第２のコイルと、トランスの第１巻線と、トランスの第２巻線と、第３のコンデンサを備える第７の共振回路を有していてもよい。これによりスイッチの動作電圧を低減することができる。

【0017】

また、本発明に係る共振インバータは、第１のコイルと、第２のコイルは、前記トランスのリーケージインダクタンスにより構成してもよい。これにより、スイッチの動作電圧を低減することができると共に、第１の共振回路や第７の共振回路を構成するコイルを減らせるので、装置の小型化や低コスト化に寄与する。

【0018】

また、本発明に係る共振インバータは、トランスの第１巻線と第２巻線との間に設けられた中間タップは、入力電圧が印加される入力端子と接続されていてもよい。これによりスイッチの動作電圧を低減することができると共に、２次側の整流器に依存することなくトランスの巻数比を決定できるので、容易に出力電圧の調整が可能となる。

【0019】

また、本発明に係る共振インバータは、第３のコンデンサの容量Ｃｆが、第１のコイルまたは第２のコイルのインダクタンスをそれぞれＬｆとし、スイッチの駆動周波数をＦｓとすると、以下（１）式を満たしていてもよい。

【0020】

【数1】

【0021】

これにより、スイッチの動作電圧を低減することができる。

【0022】

また、本発明に係る共振インバータは、第１のコンデンサ、第２のコンデンサ、及び第３のコンデンサは、可変容量コンデンサであってもよい。これにより、例えば第１のコンデンサ及び第２のコンデンサは、負荷抵抗が大きくなるほど小さく、負荷抵抗が小さくなるほど大きくなるように調節し、第５のコンデンサＣｆは負荷抵抗が大きくなるほど大きく、負荷抵抗が小さくなるほど小さくする。これにより、負荷抵抗が変化した場合でもスイッチの動作電圧を低減することができる。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、どのような負荷抵抗であっても、スイッチの動作電圧を低減でき、かつ、装置の小型化、コスト低減が可能な共振インバータおよび共振型電源装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】図１は、本発明の第１の実施形態に係る共振インバータおよび共振コンバータ（共振型電源装置）である。

【図2】図２は、本発明の第２の実施形態に係る共振インバータおよび共振コンバータ（共振型電源装置）である。

【図3】図３は、本発明の第３の実施形態に係る絶縁型共振インバータおよび共振コンバータ（共振型電源装置）である。

【図4】図４は、本発明の第４の実施形態に係る絶縁型共振インバータおよび共振コンバータ（共振型電源装置）である。

【図5】図５は、本発明の第５の実施形態に係る絶縁型共振インバータおよび共振コンバータ（共振型電源装置）である。

【図6】図６は、本発明による共振インバータにおいて、第３の共振器の共振周波数とスイッチの動作電圧の関係を示した説明図である。

【図7】図７は、従来の共振型インバータの波形を表し、直列共振点、並列共振点を同じにしてもスイッチの並列容量によってスイッチの動作電圧が変化することを示した説明図である。

【図8】図８は、本発明による共振インバータの波形を表し、スイッチの並列容量が小さいときでも、スイッチの動作電圧を低く抑えられることを示した説明図である。

【図9】図９は、負荷抵抗と理想ドレインソース間スイッチ容量、スイッチ動作電圧を示した説明図である。

【図10】図１０は、従来の共振インバータの例を示した説明図である。

【図11】図１１は、従来のＤＥ級共振インバータの例を示した説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明の対象は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれると共に、その構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。

【0026】

発明の実施の形態を図面を参照し、詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

【0027】

（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態に係る共振コンバータ１ａ（共振型電源装置）の構成を示す回路図である。図１に示す共振コンバータ１ａは、一対の入力端子である第１の入力端子２ａと、第２の入力端子２ｂ（以下、特に指定しないときは入力端子２ともいう）、一対の出力端子である第１の出力端子３ａと、第２の出力端子３ｂ（以下、特に指定しないときは出力端子３ともいう）、共振インバータ４ａ、共振整流器５ａを備え、入力端子２に入力される入力電圧（直流電圧）Ｖ１を出力電圧（直流電圧）Ｖ２に変換して出力端子３から出力する。共振コンバータ１ａは、入力端子２に入力電圧Ｖ１、入力電流ｉ１を入力して、出力端子３から出力電圧Ｖ２、負荷電流ｉ２を出力する。

【0028】

共振インバータ４ａは、各インバータ回路に１つずつ、スイッチと入力コンデンサを備える。スイッチは、スイッチ１１（第１のスイッチ）、スイッチ１５（第２のスイッチ）であり、入力コンデンサは、入力コンデンサ６、入力コンデンサ１２である。また、第１のコイル７、第２のコイル１３、第１のコンデンサ８、第２のコンデンサ１４を備え、さらに第５のコイル９、第５のコンデンサ１０、第６のコイル１６、第６のコンデンサ１７を備えている。共振コンバータ１ａの一例として、共振降圧型コンバータの回路方式で構成されており、入力端子２から入力される入力電圧Ｖ１を交流電圧に変換する。

【0029】

ここでいう各インバータ回路とは、入力コンデンサ６と、スイッチ１１と、第１のコンデンサ８と、第１のコイル７と、第５のコンデンサ１０と、第５のコイル９とを含む第１のインバータ回路と、入力コンデンサ１２と、スイッチ１５と、第２のコンデンサ１４と、第２のコイル１３と、第６のコンデンサ１７と、第６のコイル１６とを含む第２のインバータ回路をいう。第１のスイッチ１１と、第２のスイッチ１５は、同一周波数で１８０度の位相差をもって相互にオンオフする。

【0030】

第１の入力端子２ａは、入力コンデンサ６の一端と第１のコイル７の一端と接続されている。第１のコイル７の他端は、第１のスイッチ１１のドレイン及び第１のコンデンサ８の一端、第５のコイル９の一端と接続されている。第１のスイッチ１１のソースは、第１のコンデンサ８の他端、入力コンデンサ６の他端、第５のコンデンサ１０の一端及び入力端子２ｂと接続されている。第５のコイル９の他端は第５のコンデンサ１０の他端と接続されている。従って、第１のスイッチ１１と第１のコンデンサ８は並列に接続され、第５のコイル９と第５のコンデンサ１０の直列接続は、第１のスイッチ１１及び第１のコンデンサ８と並列に接続されている。第１のスイッチ１１は、ボディーダイオードを有し、そのカソードが第１のスイッチ１１のドレインと接続され、アノードは第１のスイッチ１１のソースと接続されている。第１のスイッチ１１のゲートは、図示しない制御回路と接続されている。

【0031】

入力端子２ａは、入力コンデンサ１２の一端と第２のコイル１３の一端と接続されている。第２のコイルの他端は、第２のスイッチ１５のドレイン及び第２のコンデンサ１４の一端、第６のコイル１６の一端と接続されている。第２のスイッチ１５のソースは、第２のコンデンサ１４の他端、入力コンデンサ１２の他端、第５のコンデンサ１７の一端及び入力端子２ｂと接続されている。第６のコイル１６の他端は、第６のコンデンサ１７の他端が接続されている。従って、第２のスイッチ１５と第２のコンデンサ１４は並列に接続され、第６のコイル１６と第６のコンデンサ１７の直列接続は、第２のスイッチ１５及び第２のコンデンサ１４と並列に接続されている。第２のスイッチ１５は、ボディーダイオードを有し、そのカソードが第２のスイッチ１５のドレインと接続され、アノードは第２のスイッチ１５のソースと接続されている。第２のスイッチ１５のゲートは、図示しない制御回路と接続されている。

【0032】

また、第３のコンデンサ１８は、第１のインバータ回路と第２のインバータ回路にまたがって挿入されており、第１のスイッチ１１と第２のスイッチ１５のそれぞれのドレイン端子間に接続され、第１のコイル７と第２のコイル１３の直列接続に対して、並列に接続されている。

【0033】

第１のコイル７と第１のコンデンサ８により第１の共振回路を構成し、第２のコイル１３と第２のコンデンサ１４により第２の共振回路を構成する。第５のコイル９の一端と、第５のコンデンサ１０の一端は、直列に接続されている。第５のコイル９の他端は、第１のコイル７の一端、第１のスイッチ１１のドレイン及び第１のコンデンサ８の一端と接続される。第５のコンデンサ１０の他端は、第１のスイッチ１１のソース及び第１のコンデンサ８の他端及び入力端子２ｂと接続される。同様に第６のコイル１６の一端と、第６のコンデンサ１７の一端は、直列に接続されている。第６のコイル１６の他端は、第２のコイル１３の一端、第２のスイッチ１５のドレイン及び第２のコンデンサ１４の一端と接続される。第６のコンデンサ１７の他端は、第２のスイッチ１５のソースおよび、第２のコンデンサ１４の他端及び入力端子２ｂと接続される。第５のコイル９と、第５のコンデンサ１０により第５の共振回路を構成し、第６のコイル１６と、第６のコンデンサ１７によって第６の共振回路を構成する。また、第１のスイッチ１１と第２のスイッチ１５のドレイン間には、第３のコンデンサ１８が備えられている。この第３のコンデンサ１８は、第１のコイル７と第２のコイル１３と共に第３の共振回路を構成する。

【0034】

この時、スイッチ１１、１５には、それぞれ入力端子２ｂから２ａの方向に逆方向導通ダイオードと２ｂ−２ａ間端子間容量が含まれるが、前記端子間容量については、それぞれコンデンサ８、コンデンサ１４に含まれるものとして考慮する。

【0035】

共振整流器５ａは、各インバータ回路に１つずつ共振整流回路を構成する整流ダイオード２６、３３、共振コイル２２、２９、共振コンデンサ２３、３０、共振コイル２４、３１、共振コンデンサ２１、２８を備えている。共振コンデンサ２５、３２には、整流ダイオード２６、３３の接合容量を含むものとする。各インバータ回路は、出力平滑コンデンサ２７、３４を経由して出力端子３ａ、３ｂに結合される。共振整流器５ａは、共振インバータ４ａで生成された交流電圧を入力し出力電圧Ｖ２に変換して出力端子３に出力する。共振インバータ４ａに接続される整流器も共振型とすることで、共振型電源装置全体を小型化することができる。

【0036】

第１の実施形態では、各インバータ回路間に第３のコンデンサ１８を設け、スイッチ１１、１５の駆動周波数をＦｓとし、第１のコイル、第２のコイルのインダクタンスをＬｆとし、第３のコンデンサの容量をＣｆとした場合に、Ｃｆは（１）式を満たす。第３の共振周波数を駆動周波数Ｆｓの２倍以上、３倍以下に設定することでスイッチの動作電圧が低減された共振インバータを提供することができる。

【0037】

図１１に示されている共振インバータ回路は、Ｓ１、Ｓ２の２つのスイッチが交互にオンオフすることで、供給電圧源ＶＤＤの電圧を交流に変換し、出力にコイルＬａｌｌと容量Ｃｏによる共振回路を設け、共振した交流電圧を負荷Ｒに供給するＤＥ級インバータ回路である。第１の共振容量Ｃｄｓ１は、次のように求められる。ＭＯＳＦＥＴのゲート拡散電位をＶｂｉとし、理想的な共振フィルタを実現するインダクタンス、容量をそれぞれＬｏ、Ｃｏとすると、角周波数ωは以下のように表される。

【0038】

【数2】

【0039】

出力に接続されるトータルのインダクタンスＬａｌｌは次の式で表される。このときＱは共振の鋭さを表す。

【0040】

【数3】

【0041】

また、スイッチ印加電圧をｖｓとし、ｖｓ＝０Ｖのときのスイッチの出力容量Ｃｊｏは次の式で与えられる。

【0042】

【数4】

【0043】

スイッチの出力容量Ｃｄｓは、スイッチ印加電圧ｖｓによって非線形となることが知られている。スイッチに印加される電圧をｖｓとし、MOSFET内のＰＮ接合部の不純物濃度をｍとすると、スイッチの出力容量Ｃｄｓは次の式で表される。

【0044】

【数5】

【0045】

上記（５）式から不純物濃度ｍによって、電圧の上昇とともにスイッチの出力容量が減っていくことがわかる。ここでは、Ｃｄｓの非線形性を議論しないので、ｍ＝０としてスイッチ容量が印加電圧に依存しないものとすると、

【0046】

【数6】

【0047】

となる。

【0048】

以上のように（４）式から、負荷Ｒと印加電圧ＶＤＤが決まるとスイッチ容量Ｃｄｓが一意に求まる。また、負荷Ｒが大きいとき（軽負荷のとき）にスイッチ容量Ｃｄｓが小さくなることがわかる。しかし、図７に示すように、上記式から求められた容量値において、必ずしもスイッチの動作電圧を低減できるとは限らない。この例では、スイッチ容量を４倍大きく設定した方が、スイッチの動作電圧を低減できることがわかる。しかし、（４）式からわかるように、スイッチ容量Ｃｄｓを大きくした場合、負荷抵抗Ｒを小さくしないと（重負荷にしないと）動作電圧を低減させることはできない。図９は、この関係を示した模式図である。

【0049】

第１の実施形態では、スイッチ容量Ｃｄｓを（４）式から求めた定数のまま、スイッチの動作電圧を低減することができる。具体的には、スイッチ１１とスイッチ１５のオフ期間に第１のコイル７と第２のコイル１３に蓄積されたエネルギーを第３のコンデンサ１８との間で共振させることでスイッチ１１、１５のドレイン波形を整形する。これにより、スイッチ容量Ｃｄｓに影響を与えることなく、負荷抵抗Ｒが大きい軽負荷のときでも、スイッチの動作電圧を低減させることができる。図６において、第１のコンデンサ８と第２のコンデンサ１４の共振容量を最適値に設定した場合を考える。図１では、第１のコイル７と第２のコイル１３と第３のコンデンサ１８による第３の共振器による共振周波数は、スイッチの動作電圧を入力電圧Ｖ１の２．４倍に制限した場合、インバータ駆動周波数Ｆｓの３倍以下で効果あることがわかった。また、前記共振周波数を２倍未満に設定した場合、スイッチがＺＶＳ（ゼロボルトスイッチ）条件から外れて、スイッチング損失が増加する為、この動作条件を避ける必要がある。図８に示したように、同じスイッチ容量Ｃｄｓであっても第３のコンデンサ１８を付加し、且つ、第１のコイル７と第２のコイル１３と第３のコンデンサ１８による第３の共振器による共振周波数を駆動周波数Ｆｓの２倍にしたところ、スイッチの耐圧を低減できることがわかった。

【0050】

このように、第１の実施形態では、共振インバータ回路が、軽負荷時に第１のコンデンサ８、第２のコンデンサ１４を調整することなく、スイッチ動作電圧を容易に低減できる。図６より、第３のコンデンサ１８と第１のコイル７と第２のコイル１３による直列共振周波数を駆動周波数Ｆｓの２倍以上３倍以下に設定することで、スイッチの寿命にできるだけ悪影響を及ぼさない信頼性のある共振インバータを実現できる。

【0051】

（実施形態２）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る共振コンバータである。第１の実施形態と第２の実施形態との相違点は、共振インバータ４ａにおいて、第１の実施形態で示した第５、第６の共振回路を第３のコイル１９と第４のコンデンサ２０をインバータ回路間で共有している第４の共振回路を備えることである。他の構成は、第１の実施形態と共通である。第５、第６の共振回路を構成する第５、第６のコイル、第５、第６のコンデンサをそれぞれ一つずつにできるので、実装部品を減らすことができるとともに、第４の共振回路の共振周波数のインバータ回路間ばらつきを抑えることができる。第２の実施形態では、第４の共振回路の共振回路を構成している第３のコイル１９と第４のコンデンサ２０がインバータ回路間に挿入され、さらに各インバータ回路で共有されている為、第４の共振周波数の調整は１ヶ所で良い。従って、よりバラツキの小さい共振インバータを実現できる。

【0052】

具体的には、同一周波数で１８０度の位相差をもって交互にオンオフする第１のスイッチ１１及び第２のスイッチ１５と、第１のスイッチ１１及び第２のスイッチ１５のそれぞれに並列接続された第１のコンデンサ８及び第２のコンデンサ１４と、第１のスイッチ１１と入力電圧端子２ａとの間に設けられた第１のコイル７と、第２のスイッチ１５と入力電圧端子２ａとの間に設けられた第２のコイル１３と、第１のコイル７と第２のコイル１３の直列回路と並列に接続されると共に、互いに直列に接続された第３のコイル１９及び第４のコンデンサ２０と、第１のコイル７と第２のコイル１３の直列回路と並列に接続された第３のコンデンサ１８を備え、第１のコイル７と第１のコンデンサ８による第１の共振回路と第２のコイル１３と第２のコンデンサ１４による第２の共振回路と、第３のコイル１９及び第４のコンデンサ２０による第４の共振回路を構成し、第１のコイル７、第２のコイル１３、第３のコンデンサ１８によって第３の共振回路を構成する。

【0053】

これにより、各インバータ回路の第５、第６の共振回路を第４の共振回路１つにすることで、共振回路を構成するコイル素子、コンデンサが減らせるため、装置の小型化、コスト低減が可能であると共に共振周波数のバラツキが排除される共振インバータを提供することができる。したがって、スイッチの電圧ストレスを低減し、スイッチの寿命に悪影響を及ぼすことがない共振インバータを提供することができる。また、第３の共振回路の共振周波数を駆動周波数の２倍以上、３倍以下に設定することで、効果的にスイッチの動作電圧を低減できる。

【0054】

（実施形態３）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る共振コンバータである。第１の実施形態と第３の実施形態との相違点は、絶縁型インバータを構成しており、共振整流器５ａ側にトランス４０を付加した点である。他の構成は、第１の実施形態と共通である。

【0055】

共振整流器５ａは、共振整流回路を構成している共振コンデンサ２１と共振コイル２２の直列回路を、トランス４０の１次側第１巻線と第１のスイッチ１１のドレインとの間に設けている。また、共振整流回路を構成している共振コンデンサ２８と共振コイル２９の直列回路を、トランス４０の１次側第２巻線と第２のスイッチ１５のドレインとの間に設けている。つまり、トランス４０とスイッチ１１、１５の間には、複数の共振整流回路が備えられている。

【0056】

これにより、トランス４０を用いた場合であっても、共振条件を維持したまま、絶縁型共振インバータを実現できる。

【0057】

（実施形態４）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る共振コンバータである。第１の実施形態と第４の実施形態との相違点は、第１の実施形態で示した第１のコイル７と第２のコイル１３の間に絶縁トランス４０を設け、絶縁トランス４０の１次側第１巻線と１次側第２巻線の間に設けられた中間タップを入力端子２ａに接続した点である。また、共振整流器５ａを絶縁トランス４０の２次側に付加している。他の構成は、第１の実施形態と共通である。

【0058】

第１のコイル７は、一端が第３のコンデンサ１８と接続し、他端がトランス４０の１次側第１巻線の一端と接続される。第３のコンデンサ１８の他端は、第２のコイル１３の一端と接続する。第２のコイルの他端は、トランス４０の１次側第２巻線の一端と接続する。トランス４０の第１巻線と第２巻線間の中間タップは、第１の入力端子２ａに接続する。また、第１のコイル７と第２のコイル１３とトランス４０の１次側巻線の第１巻線と第２巻線の直列接続と第３のコンデンサ１８によって、一つの第７の共振回路が構成されている。

【0059】

これにより、トランス４０の第１巻線と第２巻線との間に設けられた中間タップが、入力電圧が印加される入力端子と接続されている場合であっても、共振条件を維持したまま、絶縁型共振インバータを実現できる。

【0060】

（実施形態５）
図５は、本発明の第５の実施形態に係る共振コンバータである。第４の実施形態と第５の実施形態との相違点は、第４の実施形態で示した第１のコイル７、第２のコイル１３をトランス４０の第１巻線、第２巻線のリーケージインダクタンスとして構成したものである。他の構成は、第４の実施形態と共通である。トランス４０のリーケージインダクタンスが第１のコイル７と第２のコイル１３の作用をする。

【0061】

図５は、同一周波数で１８０度の位相差をもって交互にオンオフする第１のスイッチ１１及び第２のスイッチ１５と、第１のスイッチ１１及び第２のスイッチ１５のそれぞれに並列接続された第１のコンデンサ８及び第２のコンデンサ１４と、第１のスイッチ１１と入力電圧端子２ａとの間に設けられた第１のコイル成分を含むトランス４０の１次側第１巻線と、第２のスイッチ１５と入力電圧端子２ａとの間に設けられた第２のコイル成分を含むトランス４０の１次側第２巻線と、互いに直列に接続された第３のコイル１９及び第４のコンデンサ２０と、トランス４０の１次側第１巻線と第２巻線の直列接続と並列に接続された第３のコンデンサ１８を備え、第１のコンデンサ８とトランス４０の１次側第１巻線のリーケージインダクタンスによって、第９の共振回路を構成し、第２のコンデンサ１４と、トランス４０の１次側第２巻線のリーケージインダクタンスによって、第１０の共振回路を構成し、第３のコイル１９及び第４のコンデンサ２０により第４の共振回路を構成し、トランス４０の１次側第１巻線と第２巻線のリーケージインダクタンスと、第３のコンデンサ１８によって第８の共振回路を構成する。第８の共振回路は、第３の共振回路と機能的に同一である。また、第９の共振回路及び第１０の共振回路は、それぞれ第１の共振回路及び第２の共振回路と機能的に同一である。

【0062】

これにより、第１の共振回路、第２の共振回路、第３の共振回路を構成するコイル素子が減らせるため、装置の小型化、コスト低減が可能な共振インバータを提供することができる。また、第３共振周波数のバラツキが排除されることによりインバータ回路間のスイッチの波形アンバランスが排除されるので、スイッチの電圧ストレスを低減し、スイッチの寿命に悪影響を及ぼすことがない共振インバータを提供することができる。また、第８の共振回路の共振周波数を駆動周波数Ｆｓの２倍以上、３倍以下に設定することで、効果的にスイッチの動作電圧を低減できる。

【0063】

（実施形態６）
図１〜図５全ての共振インバータに於いて、負荷抵抗Ｒから第１のコンデンサ８、第２のコンデンサ１４の容量を求めた場合、ある負荷抵抗１点のみでの最適動作点を求めることができる。負荷抵抗Ｒを可変した場合、最適動作点を決定する第１のコンデンサ８、第２のコンデンサ１４の容量も可変しなければならない。この為、（４）式から、可変範囲のＲに対応したＣｄｓ（ここではＣｊｏと同じとして扱う）を求め、この範囲を満足するような可変容量コンデンサを第１のコンデンサ８、第２のコンデンサ１４に選択する。可変容量コンデンサは、機械的に電極間の距離を可変させて容量を可変させるバリアブルコンデンサや、機械的に対向する電極面積を可変させるトリマーコンデンサ等である。第３の共振回路によるスイッチの動作電圧最低点は、第１のコンデンサ８と、第２のコンデンサ１４を可変容量にしてしまうと、スイッチの最低動作電圧となる第３の共振回路の最適値も変化する。ドレイン−ソース電圧を最低とする共振点は、第１、第２の共振容量を小さくすると、第３の共振回路の共振周波数が低くなり、第１、第２の共振容量を大きくすると、第３の共振回路の共振周波数が大きくなる。以上から、第１のコンデンサ８、第２のコンデンサ１４を変化させた際にこれに対応するように第３のコンデンサＣｆを変化させることで、スイッチの動作電圧を低減できる。具体的には、負荷抵抗Ｒが小さくなり、第１のコンデンサ８、第２のコンデンサ１４を大きくした場合、第３の共振回路の共振周波数を高くするために、第３のコンデンサ１８の容量Ｃｆを小さくし、負荷抵抗Ｒが大きくなり、第１のコンデンサ８、第２のコンデンサ１４を小さくした場合、第３の共振回路の共振周波数を低くする為に第３のコンデンサＣｆの容量を大きくする。図６の場合、負荷抵抗Ｒを可変して、メインスイッチの動作電圧を入力電圧の２．２倍にしたい場合は、最適値のときに、第３の共振回路の共振周波数を２．３倍に設定し、負荷の下限で、共振周波数を２倍に、負荷の上限で共振周波数の３倍に設定することでスイッチの動作電圧を一定に保つことができる。

【0064】

以上、本発明の一実施形態の共振インバータおよび共振型電源装置について説明したが、上記実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。

【0065】

例えば、第１のスイッチ１１と第２のスイッチ１５は、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）について説明したが、これに限らずバイポーラトランジスタ等の他のスイッチにも適用できる。

【0066】

また例えば、共振インバータは降圧型のものについて説明したが、これに限らず昇圧型の共振インバータにも適用することができる。

【符号の説明】

【0067】

１ａ 共振コンバータ
２ａ 入力端子（正極）
２ｂ 入力端子（負極）
３ａ 出力端子（正極）
３ｂ 出力端子（負極）
４ａ 共振インバータ
５ａ 共振整流器
６、１２ 入力コンデンサ
７ 第１のコイル
８ 第１のコンデンサ（スイッチ１１のドレイン−ソース間容量を含む）
９ 第５のコイル
１０ 第５のコンデンサ
１１ 第１のスイッチ
１３ 第２のコイル
１４ 第２のコンデンサ（スイッチ１５のドレイン−ソース間容量を含む）
１５ 第２のスイッチ
１６ 第６のコイル
１７ 第６のコンデンサ
１８ 第３のコンデンサ
１９ 第３のコイル
２０ 第４のコンデンサ
４０ トランス
２１、２８ 共振コンデンサ
２２、２９ 共振コイル
２３、３０ 共振コンデンサ
２４、３１ 共振コイル
２５、３２ 共振コンデンサ（整流ダイオード２６、３３のアノード−カソード間接合容量を含む）
２６、３３ 整流ダイオード
２７、３４ 出力容量

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】