CN105745829B - 高频电源用整流电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高频电源用整流电路，该高频电源用整流电路是对从功率传输用接收天线提供来的2MHz以上的交流电压转换成直流电压的转换器，其包括：具有对所述功率传输用接收天线进行阻抗匹配的电感器的匹配电路；具有对所述交流电压进行整流的整流元件的桥式整流电路；具有将由所述桥式整流电路整流后的电压滤波为所述直流电压的电容器的滤波功能电路；以及利用所述电感器、所述整流元件的寄生电容及所述电容器来使所述整流元件进行部分谐振开关的部分谐振电路。

Description

高频电源用整流电路
技术领域
本发明涉及一种高频电源用整流电路 ，该高频电源用整流电路 是对从功率传输用接收天线提供来的2MHz以上的交流电压转换成直流电压的转换器。
背景技术
图11表示现有技术所涉及的MHz频带的整流中的桥式整流电路。该桥式整流电路与50/60Hz的低频下所使用的桥式整流电路的结构相同，仅将二极管D1～D4置换成高速动作用的元件。并且，通过图11所示的桥式整流电路和滤波电路，将从谐振型接收天线10输入的交流电压Vin整流并转换成直流电压(例如参照非专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：2013年电子信息通信学会综合大会BCS-1-18
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，现有结构中，直接应用低频下所使用的桥式整流电路的结构。因此，在MHz频带以上的高频下的整流中，具有二极管D1～D4的开关损耗增加、功率转换效率降低的问题(一般而言功率转换效率为85％以下)。
并且，进行整流动作时产生的电路的功率损耗成为热能，导致电路基板的温度上升。这导致电路基板的动作环境温度上升，使用元器件的寿命缩短。因此，需要具备排热装置等对策，成为成本增加、大型化、质量增加的原因。
本发明是为了解决上述技术问题而完成的，其目的在于，提供一种高频电源用整流电路，该高频电源用整流电路在2MHz以上的高频下的交流电压的整流中，能获得较高的功率转换效率特性。
解决技术问题的技术方案
本发明所涉及的高频电源用整流电路是在超过2MHz的高频下进行交流电压的整流的高频电源用整流电路，该高频电源用整流电路包括：对从功率传输用接收天线输入的交流电压进行整流的桥式整流电路；使谐振条件在与功率传输用接收天线之间相一致的匹配功能电路；以及将由桥式整流电路整流后的电压滤波为直流电压的滤波功能电路，利用匹配功能电路及滤波功能电路在桥式整流电路进行整流时使开关动作进行部分谐振开关。
发明效果
根据本发明，由于采用上述结构，因此在2MHz以上的高频下的交流电压的整流中，能获得较高的功率转换效率特性。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1所涉及的高频电源用整流电路的结构的图。
图2是表示本发明实施方式1所涉及的高频电源用整流电路的其他结构的图。
图3是表示本发明实施方式1所涉及的高频电源用整流电路的其他结构的图。
图4是表示本发明实施方式1所涉及的高频电源用整流电路的其他结构的图。
图5是表示本发明实施方式1所涉及的高频电源用整流电路的其他结构的图。
图6是表示本发明实施方式1所涉及的高频电源用整流电路的其他结构的图。
图7是表示本发明实施方式1所涉及的高频电源用整流电路的其他结构的图。
图8是表示本发明实施方式1所涉及的高频电源用整流电路的其他结构的图。
图9是表示本发明实施方式1所涉及的高频电源用整流电路的其他结构的图(设有谐振条件可变型LC电路的情况)。
图10是表示本发明实施方式2所涉及的高频电源用整流电路的其他结构的图(用FET取代二极管的情况)。
图11是表示现有的高频电源用整流电路的结构的图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。
实施方式1.
图1是表示本发明实施方式1所涉及的高频电源用整流电路的结构的图。
高频电源用整流电路是在超过2MHz的高频下对交流电压Vin进行整流的电路。如图1所示，该高频电源用整流电路包括二极管D1～D4、电容器C10～C40、电感器L1及电容器C100。
另外，谐振型接收天线(功率传输用接收天线)10是具有LC谐振特性的功率传输用谐振型天线(不仅局限于非接触型)。该谐振型接收天线10可以是磁场共鸣型、电场共鸣型、电磁感应型中的任一种。
二极管D1～D4是构成用于在从谐振型接收天线10输入的超过2MHz 的高频下将交流电压Vin转换成直流电压的桥式整流电路的整流元件。该二极管D1～D4并不限于高频(RF；Radio Frequency(射频))用的二极管，也能使用例如Si型、SiC型、GaN型等二极管或肖特基势垒二极管等元件。
电容器C10～C40是由二极管D1～D4的寄生电容或寄生电容与分立元件的复合电容构成的常数。
电感器L1是构成用于取得与输入侧的谐振型接收天线10之间的阻抗匹配(与谐振型接收天线10之间使谐振条件相一致)的匹配功能电路的元件。该电感器L1能使用空芯线圈、磁性体线圈等。
电容器C100是构成用于将经二极管D1～D4整流后的纹波电压滤波为直流电压的滤波功能电路的元件。该电容器C100能使用陶瓷电容器、钽电容器、薄膜电容器等元件。
由此，本发明的高频电源用整流电路中，在一个电路结构中具有三个功能(匹配功能、整流功能、滤波功能)，成为各自分离的电路设计下无法成立的结构。并且，通过电感器L1、电容器C10～C40和电容器C100构成的复合功能，具有取得与谐振型接收天线10的输出阻抗之间的匹配的作用，此外，同时具有在二极管D1～D4整流时使开关动作进行部分谐振开关的功能。由此，降低二极管D1～D4的开关损耗。
接着，对具有上述结构的高频电源用整流电路的动作进行说明。
首先，若从谐振型接收天线10输入有超过2MHz的高频的交流电压 Vin，则通过电感器L1、电容器C10～C40与电容器C100所形成的复合功能来实现与谐振型接收天线10的输出阻抗之间的匹配。并且，在维持该匹配状态的同时，利用二极管D1～D4将所输入的交流电压Vin整流成单侧电位(正电位)的纹波电压。此时，二极管D1～D4所进行的开关动作因电感器L1、电容器C10～C40与电容器C100所形成的复合功能而成为部分谐振开关动作，由于接近ZVS(零电压开关)状态，因此能实现开关损耗较少的动作。然后，利用电容器C100将整流后的纹波电压滤波为直流电压，并进行输出。
通过以上一系列的动作，能以较高的功率转换效率(90％以上)将输入的高频的交流电压Vin整流为直流电压并进行输出。
如上所述，根据本实施方式1，构成为在桥式整流电路中设置匹配电路及滤波电路的功能，在桥式整流电路进行整流时，使开关动作进行部分谐振开关，因此作为整流动作的特性也具有匹配及滤波的功能，能进行取得了与输入侧的谐振型接收天线10的输出阻抗特性之间的匹配、还有与输出侧的负载阻抗特性之间的匹配的整流动作。由此，能大幅度改善MHz 频带以上的高频下进行整流动作时的损耗，能达到较高的功率转换效率(效率90％以上)。
进行整流动作时产生的电路的功率损耗较小，因此产生的热能也较小，也可以将电路基板的温度上升抑制得较低，因此能减少动作环境温度对使用元器件的寿命的影响。因此，无需现有的具备排热装置等对策，能实现成本的削减、小型化、轻量化及低功耗化。
另外，图1中，示出了利用电容器C10～C40、二极管D1～D4、电感器L1及电容器C100来构成高频电源用整流电路的情况。然而，并不限于此，也可以采用例如图2～8所示那样的结构。这里，高频电源用整流电路根据谐振型接收天线10的结构(输出阻抗)和与高频电源用整流电路的输出(DC output：直流输出)侧相连接的装置的输入阻抗，来选择图1～8的结构中最适合的结构。
图1中，对构成匹配功能电路的电感器L1的常数固定、谐振条件固定的情况进行了说明，但并不限于此，例如可以如图9所示那样，使用将谐振条件设为可变的谐振条件可变型LC电路(第1、2谐振条件可变型LC 电路1a、1b)。图9是对图1～8所示的结构中元器件个数最多的图6的结构应用谐振条件可变型LC电路而得的结构，谐振条件可变范围最宽。图 9的示例中，第1谐振条件可变型LC电路1a将电感器L1及电容器C1、 C2的常数设为可变，第2谐振条件可变型LC电路1b将电感器L100及电容器C100、C200的常数设为可变。
也能对图1～5、7、8同样地应用谐振条件可变型LC电路。这里，在图1的情况下，设置将电感器L1的常数设为可变的谐振条件可变型LC电路。在图2的情况下，设置将电感器L1及电容器C1的常数设为可变的谐振条件可变型LC电路。在图3的情况下，设置将电感器L1及电容器C1、 C2的常数设为可变的谐振条件可变型LC电路。在图4的情况下，设置将电容器C100的常数设为可变的谐振条件可变型LC电路。在图5的情况下，设置将电感器L100及电容器C200的常数设为可变的谐振条件可变型LC 电路。在图7的情况下，设置将电感器L1及电容器C1的常数设为可变的谐振条件可变型LC电路。在图8的情况下，设置将电感器L1的常数设为可变的谐振条件可变型LC电路。
实施方式2.
图10是表示本发明实施方式2所涉及的高频电源用整流电路的结构的图。图10所示的实施方式2所涉及的高频电源用整流电路将图1所示的实施方式1所涉及的高频电源用整流电路的二极管D1～D4变更为功率半导体元件Q1～Q4。其他的结构相同，标注相同的标号并仅对不同部分进行说明。
功率半导体元件Q1～Q4是构成用于在从谐振型接收天线10输入的超过2MHz的高频下将交流电压Vin转换成直流电压的桥式整流电路的元件。另外，将功率半导体元件Q1～Q4的体二极管的方向配置为与实施方式1的二极管D1～D4相同的方向。该功率半导体元件Q1～Q4并不限于RF用的FET，例如也能使用Si-MOSFET、SiC-MOSFET、GaN-FET等元件。
由此，即使用功率半导体元件Q1～Q4取代二极管D1～D4来构成高频电源用整流电路，也能获得与实施方式1同样的效果。
图10中示出了以功率半导体元件Q1～Q4来置换图1的二极管D1～ D4的结构。然而，并不限于此，也可以采用例如以功率半导体元件Q1～Q4来置换图2～8的二极管D1～D4的结构。这里，高频电源用整流电路根据谐振型接收天线10的结构(输出阻抗)和与高频电源用整流电路的输出 (DC output：直流输出)侧相连接的装置的输入阻抗，来选择以功率半导体元件Q1～Q4置换图1～8的二极管D1～D4的结构中最适合的结构。
图10中，对构成匹配功能电路的电感器L1的常数固定、谐振条件固定的情况进行了说明，但并不限于此，也可以使用将谐振条件设为可变的谐振条件可变型LC电路。对于以功率半导体元件Q1～Q4置换图2～8二极管D1～D4的结构，也同样能应用谐振条件可变型LC电路。
另外，本发明申请可以在其发明的范围内对各实施方式进行自由组合，或对各实施方式的任意构成要素进行变形，或在各实施方式中省略任意的构成要素。
工业上的实用性
本发明所涉及的高频电源用整流电路在2MHz以上的高频下的交流电压的整流中，能获得较高的功率转换效率特性，适用于在高频下进行交流电源的整流的高频电源用整流电路等。
标号说明
1a、1b 谐振条件可变型LC电路
10 谐振型接收天线(功率传输用接收天线)

Claims (3)

1.一种高频电源用整流电路，该高频电源用整流电路是对从功率传输用接收天线提供来的2MHz以上的交流电压转换成直流电压的高频电源用整流电路，其特征在于，包括：
具有对所述功率传输用接收天线进行阻抗匹配的电感器的匹配电路；
具有对所述交流电压进行整流的整流元件的桥式整流电路；
具有将由所述桥式整流电路整流后的电压滤波为所述直流电压的电容器的滤波功能电路；以及
利用所述电感器、所述整流元件的寄生电容及所述电容器来使所述整流元件进行部分谐振开关的部分谐振电路。
2.如权利要求1所述的高频电源用整流电路，其特征在于，
所述电感器是可变型电感器。
3.如权利要求1所述的高频电源用整流电路，其特征在于，
所述整流元件是二极管或场效应晶体管。
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