CN106165284A - 谐振型高频电源装置及谐振型高频电源装置用开关电路 - Google Patents

谐振型高频电源装置及谐振型高频电源装置用开关电路 Download PDF

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Abstract

谐振型高频电源装置包括进行开关动作的功率元件，所述谐振型高频电源装置包括：为了实现功率元件及自身的寄生电容的优化而与该功率元件并联连接的至少1个以上的第2功率元件；以及向功率元件及第2功率元件传送超过2MHz的高频的脉冲状电压信号以使该功率元件及第2功率元件驱动的高频脉冲驱动电路(1)。

Description

谐振型高频电源装置及谐振型高频电源装置用开关电路
技术领域
本发明涉及在高频下进行电力传输的谐振型高频电源装置及谐振型高频电源装置用开关电路。
背景技术
在图17所示的现有的谐振型高频电源装置中，利用电容器C1的电容值来调整功率元件Q1的谐振开关的定时(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：晶体管技术2005年2月号13章
发明内容
发明所要解决的技术问题
在非专利文献1所公开的现有结构中，采用利用电容器C1的电容值来调整功率元件Q1的谐振开关的定时的电路结构，因此，一旦进行调整，之后动作时就无法进行调整。然而，功率元件Q1的寄生电容(Cds+Cgd)在动作时变动。此外，电容器C1存在内部电阻。因此，由于电容器C1的内部电阻所引起的功率损耗、功率元件Q1动作时的寄生电容(Cds+Cgd)的变动，谐振开关的定时有偏差，开关损耗变大。其结果是，存在如下问题：作为高频电源装置的功耗增加，成为功率转换效率下降的原因。
本发明为了解决上述问题而完成，其目的在于提供一种谐振型高频电源装置及谐振型高频电源装置用开关电路，能调整功率元件的谐振开关的定时而不使用电容器，从而在低功耗下实现高效化，实现超过2MHz的高频的动作。
解决技术问题的技术方案
本发明所涉及的谐振型高频电源装置包括进行开关动作的功率元件，所述谐振型高频电源装置包括：为了实现功率元件及自身的寄生电容的优化而与该功率元件并联连接的至少1个以上的第2功率元件；以及向功率元件及第2功率元件传送超过2MHz的高频的脉冲状电压信号以使该功率元件及第2功率元件驱动的高频脉冲驱动电路。
此外，本发明所涉及的谐振型高频电源装置包括进行开关动作的功率元件，所述谐振型高频电源装置包括：为了实现功率元件及自身的寄生电容的优化而与该功率元件并联连接的至少1个以上的二极管；以及向功率元件传送超过2MHz的高频的脉冲状电压信号以使该功率元件驱动的高频脉冲驱动电路。
发明效果
根据本发明，由于采用上述结构，因此，能调整功率元件的谐振开关的定时而不使用电容器，从而在低功耗下实现高效化，实现超过2MHz的高频的动作。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的结构的图(功率元件为单个结构)。
图2是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的Vds波形的图。
图3是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其它结构的图(利用混合化后的元件的情况)。
图4是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其它结构的图(利用混合化后的元件的情况)。
图5是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其它结构的图(利用混合化后的元件的情况)。
图6是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其它结构的图(利用混合化后的元件的情况)。
图7是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其它结构的图(利用混合化后的元件的情况)。
图8是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其它结构的图(利用混合化后的元件的情况)。
图9是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其它结构的图(利用混合化后的元件的情况)。
图10是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其它结构的图(利用混合化后的元件的情况)。
图11是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其它结构的图(利用混合化后的元件的情况)。
图12是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其它结构的图(功率元件为推挽结构)。
图13是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其它结构的图(设置有谐振条件可变型LC电路的情况)。
图14是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其它结构的图(设置有谐振条件可变型电路的情况)。
图15是表示本发明的实施方式2所涉及的谐振型高频电源装置的结构的图(功率元件为单个结构)。
图16是表示本发明的实施方式2所涉及的谐振型高频电源装置的Vds波形的图。
图17是表示现有的谐振型高频电源装置的结构的图。
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是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的结构的图。另外，图1中示出功率元件Q1为单个结构的情况的电路。
如图1所示，谐振型高频电源装置由功率元件Q1、功率元件(第2功率元件)Q2、谐振电路元件(电容器C1、C2及电感器L2)、电感器L1、高频脉冲驱动电路1、可变型脉冲信号产生电路2及偏置用电源电路3构成。Cds及Cgd为功率元件Q1的寄生电容，Z1为高频脉冲驱动电路1与功率元件Q1的G端子之间以及与功率元件Q2的G端子之间的信号线(引线、基板上图案等)的阻抗。另外，功率元件Q2也存在同样的寄生电容，但此处并未图示。
此外，谐振型发送天线(电力传输用发送天线)10为具有LC谐振特性的电力传输用的谐振型天线(并不仅限于非接触型)。该谐振型发送天线10可以是磁场共振型、电场共振型、电磁感应型中的任一种。
功率元件Q1是为了将输入的直流电压Vin转换成交流而进行开关动作的开关元件。作为该功率元件Q1，并不限于RF用的FET，例如可利用Si-MOSFET或SiC-MOSFET、GaN-FET等元件。
功率元件Q2是与功率元件Q1并联连接的至少1个以上以实现功率元件Q1及自身的寄生电容(Cds+Cgd)的优化的开关元件。作为该功率元件Q2，并不限于RF用的FET，例如可利用Si-MOSFET或SiC-MOSFET、GaN-FET等元件。
另外，如图2所示，对于功率元件Q1及功率元件Q2，选择Vds的谐振电压的最大值为Vin的3～5倍的元件。此外，该选择根据寄生电容(Cds+Cgd)及Vgs的下降时间来实现优化。
谐振电路元件(电容器C1、C2及电感器L2)为用于使功率元件Q1及功率元件Q2的开关动作进行谐振开关的元件。利用由该电容器C1、C2及电感器L2构成的谐振电路元件，能进行与谐振型发送天线10之间的谐振条件的匹配。另外，电容器C1由比功率元件Q1及功率元件Q2的电容(功率元件Q1及功率元件Q2的输出电容Coss的总计等)要小的值构成。
电感器L1起到在功率元件Q1及功率元件Q2每次进行开关动作时暂时将输入的直流电压Vin的能量进行保持的作用。
高频脉冲驱动电路1是向功率元件Q1的G端子及功率元件Q2的G端子传送超过2MHz的高频的脉冲状的电压信号以使功率元件Q1及功率元件Q2驱动的电路。该高频脉冲驱动电路1是构成为利用FET元件等使输出部为图腾柱电路结构从而能进行高速的接通/关断输出的电路。
可变型脉冲信号产生电路2是向高频脉冲驱动电路1传送逻辑信号等超过2MHz的高频的脉冲状的电压信号以使高频脉冲驱动电路1驱动的电路。该可变型脉冲信号产生电路2由频率设定用的振荡器、触发器或逆变器等逻辑IC构成，具有变更脉冲宽度、输出反转脉冲等功能。
偏置用电源电路3向可变型脉冲信号产生电路2及高频脉冲驱动电路1提供驱动电力。
接下来，对如上构成的谐振型高频电源装置的动作进行说明。
首先，将输入的直流电压Vin通过电感器L1施加到功率元件Q1的D端子及功率元件Q2的D端子。然后，功率元件Q1及功率元件Q2通过对该电压进行接通/关断的开关动作，从而将其转换成正电压的交流状电压。在该转换动作时，电感器L1起到暂时保持能量的作用，辅助将直流向交流进行功率转换。
此处，对于功率元件Q1及功率元件Q2的开关动作，利用电容器C1、C2及电感器L2所构成的谐振电路元件来设定谐振开关条件，使得ZVS(零电压开关)成立，从而使Ids电流和Vds电压之积所产生的开关损耗最小。利用该谐振开关动作，向输出电压Vout输出以RTN电压为轴的交流电压。
功率元件Q1及功率元件Q2的驱动通过以下方式来进行：将接收到来自可变型脉冲信号产生电路2的任意脉冲状电压信号的高频脉冲驱动电路1所输出的、脉冲状的电压信号输入到功率元件Q1的G端子及功率元件Q2的G端子。
此时，功率元件Q1的D端子电压及功率元件Q2的D端子电压的Vds根据各寄生电容(Cds+Cgd)、以及电容器C1、C2及电感器L2所决定的谐振开关条件，而成为图2所示的谐振波形，并以其峰值电压在Vin的3～5倍的范围内的方式进行动作。由此，功率元件Q1及功率元件Q2可进行开关损耗较少的动作。
此外，功率元件Q1及功率元件Q2的驱动频率为谐振型高频电源装置的动作频率，由可变型脉冲信号产生电路2内部的振荡电路的设定来决定。
如上所述，根据本实施方式1，为了实现功率元件Q1及自身的寄生电容(Cds+Cgd)的优化，构成为包括与功率元件Q1并联连接的至少1个以上的功率元件Q2，因此，调整功率元件Q1及功率元件Q2的谐振开关的定时，而不使电容器C1可变，从而在超过2MHz的高频的动作中，能在低功耗下获得90％以上的高功率转换效率特性。
另外，在图1中，也可以利用将各部混合化后的元件(谐振型高频电源装置用开关电路)4。图3表示将功率元件Q1及功率元件Q2混合化后的元件4(也存在包含阻抗Z1的情况)，图4表示将功率元件Q1、功率元件Q2及电容器C1混合化后的元件4(也存在包含阻抗Z1的情况)，图5表示将功率元件Q1、功率元件Q2、阻抗Z1、电容器C1及高频脉冲驱动电路1混合化后的元件4，图6表示将功率元件Q1、功率元件Q2、阻抗Z1、电容器C1、高频脉冲驱动电路1及可变型脉冲信号产生电路2混合化后的元件4，图7表示将功率元件Q1、功率元件Q2及电容器C2混合化后的元件4(也存在包含阻抗Z1的情况)，图8表示将功率元件Q1、功率元件Q2、阻抗Z1、电容器C2及高频脉冲驱动电路1混合化后的元件4，图9表示将功率元件Q1、功率元件Q2及电容器C1、C2混合化后的元件4(也存在包含阻抗Z1的情况)，图10表示将功率元件Q1、功率元件Q2、阻抗Z1、电容器C1、C2及高频脉冲驱动电路1混合化后的元件4，图11表示将功率元件Q1、功率元件Q2、阻抗Z1、电容器C1、C2、高频脉冲驱动电路1及可变型脉冲信号产生电路2混合化后的元件4。
图1中示出了功率元件Q1为单个结构的情况的电路，但并不限于此，例如也可以如图12所示，在功率元件Q1及功率元件Q2为推挽结构的情况下也同样适用本发明。
此外，图1中，设谐振电路元件(电容器C1、C2及电感器L2)的常数固定且谐振条件固定而进行了说明，但并不限于此，例如也可以如图13所示，利用使谐振条件可变的谐振条件可变型LC电路5。此外，例如也可以如图14所示，另外设置使上述谐振电路元件(电容器C1、C2及电感器L2)的谐振条件可变的谐振条件可变电路6。
实施方式2.
实施方式1中示出将至少1个以上的功率元件Q2与功率元件Q1并联连接的情况，但并不限于此，例如也可以如图15所示，为了实现功率元件Q1及自身的寄生电容(Cds+Cgd)的优化，构成为包括与该功率元件Q1并联连接的至少1个以上的二极管D1，能获得同样的效果。此时的Vds波形例如为图16所示。另外，如图16所示，对于功率元件Q1及二极管D1，选择Vds的谐振电压的最大值为Vin的3～5倍的元件。此外，该选择根据功率元件Q1的寄生电容(Cds+Cgd)、二极管D1的寄生电容C及Vgs的下降时间来实现优化。
此外，在利用肖特基势垒二极管作为二极管D1的情况下，能进一步降低功耗。此外，利用二极管D1时的各部的混合化可构成为与图3～图11相同。
此外，在实施方式1中示出将至少1个以上的功率元件Q2与功率元件Q1并联连接的情况，在实施方式2中示出将至少1个以上的二极管D1与功率元件Q1并联连接的情况，但也可以将它们进行组合。
此外，本发明申请可以在该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
本发明所涉及的谐振型高频电源装置及谐振型高频电源装置用开关电路调整功率元件的谐振开关的定时而不使用电容器，从而能在低功耗下实现高效化，实现超过2MHz的高频的动作，可适用于在高频下进行电力传输的谐振型高频电源装置及谐振型高频电源装置用开关电路等。
符号说明
1 高频脉冲驱动电路
2 可变型脉冲信号产生电路
3 偏置用电源电路
4 混合化元件(谐振型高频电源装置用开关电路)
5 谐振条件可变型LC电路
6 谐振条件可变电路
10 谐振型发送天线(电力传输用发送天线)

Claims (29)

1.一种谐振型高频电源装置，该谐振型高频电源装置包括进行开关动作的功率半导体元件，所述谐振型高频电源装置的特征在于，包括：
为了实现所述功率半导体元件及自身的寄生电容的优化而与该功率半导体元件并联连接的至少1个以上的第2功率半导体元件；以及
向所述功率半导体元件及所述第2功率半导体元件传送超过2MHz的高频的脉冲状电压信号以使该功率半导体元件及第2功率半导体元件驱动的高频脉冲驱动电路。
2.如权利要求1所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
包括为了实现所述功率半导体元件的寄生电容的优化而与该功率半导体元件并联连接的至少1个以上的二极管。
3.一种谐振型高频电源装置，该谐振型高频电源装置包括进行开关动作的功率半导体元件，所述谐振型高频电源装置的特征在于，包括：
为了实现所述功率半导体元件及自身的寄生电容的优化而与该功率半导体元件并联连接的至少1个以上的二极管；及
向所述功率半导体元件传送超过2MHz的高频的脉冲状电压信号以使该功率半导体元件驱动的高频脉冲驱动电路。
4.如权利要求1所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
所述功率半导体元件为RF(Radio Frequency：射频)用的FET(FieldEffectTransistor：场效应晶体管)以外的FET。
5.如权利要求3所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
所述功率半导体元件为RF(Radio Frequency：射频)用的FET(FieldEffectTransistor：场效应晶体管)以外的FET。
6.如权利要求1所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
所述功率半导体元件为推挽结构或单个结构。
7.如权利要求3所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
所述功率半导体元件为推挽结构或单个结构。
8.如权利要求1所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
包括谐振电路元件，该谐振电路元件在与利用磁场共振的电力传输用发送天线之间使谐振条件匹配，且由电容器及电感器构成。
9.如权利要求3所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
包括谐振电路元件，该谐振电路元件在与利用磁场共振的电力传输用发送天线之间使谐振条件匹配，且由电容器及电感器构成。
10.如权利要求1所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
包括谐振电路元件，该谐振电路元件在与利用电场共振的电力传输用发送天线之间使谐振条件匹配，且由电容器及电感器构成。
11.如权利要求3所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
包括谐振电路元件，该谐振电路元件在与利用电场共振的电力传输用发送天线之间使谐振条件匹配，且由电容器及电感器构成。
12.如权利要求1所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
包括谐振电路元件，该谐振电路元件在与利用电磁感应的电力传输用发送天线之间使谐振条件匹配，且由电容器及电感器构成。
13.如权利要求3所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
包括谐振电路元件，该谐振电路元件在与利用电磁感应的电力传输用发送天线之间使谐振条件匹配，且由电容器及电感器构成。
14.如权利要求8所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
所述谐振电路元件使谐振条件可变。
15.如权利要求9所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
所述谐振电路元件使谐振条件可变。
16.如权利要求10所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
所述谐振电路元件使谐振条件可变。
17.如权利要求11所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
所述谐振电路元件使谐振条件可变。
18.如权利要求12所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
所述谐振电路元件使谐振条件可变。
19.如权利要求13所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
所述谐振电路元件使谐振条件可变。
20.如权利要求8所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
包括使所述谐振电路元件的谐振条件可变的谐振条件可变电路。
21.如权利要求9所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
包括使所述谐振电路元件的谐振条件可变的谐振条件可变电路。
22.如权利要求10所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
包括使所述谐振电路元件的谐振条件可变的谐振条件可变电路。
23.如权利要求11所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
包括使所述谐振电路元件的谐振条件可变的谐振条件可变电路。
24.如权利要求12所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
包括使所述谐振电路元件的谐振条件可变的谐振条件可变电路。
25.如权利要求13所述的谐振型高频电源装置，其特征在于，
包括使所述谐振电路元件的谐振条件可变的谐振条件可变电路。
26.一种谐振型高频电源装置用开关电路，该谐振型高频电源装置用开关电路用于包括进行开关动作的功率半导体元件的谐振型高频电源装置，所述谐振型高频电源装置用开关电路的特征在于，包括：
所述功率半导体元件；
为了实现所述功率半导体元件及自身的寄生电容的优化而与该功率半导体元件并联连接的至少1个以上的第2功率半导体元件；以及
向所述功率半导体元件及所述第2功率半导体元件传送超过2MHz的高频的脉冲状电压信号以使该功率半导体元件及第2功率半导体元件驱动的高频脉冲驱动电路。
27.一种谐振型高频电源装置用开关电路，该谐振型高频电源装置用开关电路用于包括进行开关动作的功率半导体元件的谐振型高频电源装置，所述谐振型高频电源装置用开关电路的特征在于，包括：
所述功率半导体元件；
为了实现所述功率半导体元件及自身的寄生电容的优化而与该功率半导体元件并联连接的至少1个以上的二极管；以及
向所述功率半导体元件传送超过2MHz的高频的脉冲状电压信号以使该功率半导体元件驱动的高频脉冲驱动电路。
28.如权利要求26所述的谐振型高频电源装置用开关电路，其特征在于，
包括用于在与电力传输用发送天线之间使谐振条件匹配的电容器。
29.如权利要求27所述的谐振型高频电源装置用开关电路，其特征在于，
包括用于在与电力传输用发送天线之间使谐振条件匹配的电容器。
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