JP2015130750A - 回路定数可変回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な回路構成で回路定数を可変することができる回路定数可変回路を提供する。【解決手段】回路定数可変回路1は、コンデンサC1と第1双方向スイッチQ1が直列に接続され、その直列回路に対して第2双方向スイッチQ2が並列に接続されている。その並列回路の両端子P1,P2間には、交流電流が供給されるようになっている。制御回路10は、第1及び第2双方向スイッチQ1,Q2を制御することによって、コンデンサC1の電荷の蓄積量を制御して、コンデンサC1の見かけ上の静電容量(回路定数)を可変する。【選択図】図1

Description

本発明は、回路定数可変回路に関するものである。
共振型双方向コンバータには、電磁誘導結合された1次コイルと2次コイルに1次側及び2次側駆動回路が設けられ、それら1次側及び2次側駆動回路には、それぞれ4個のスイッチング素子にて構成されたフルブリッジ回路が備えられている(特許文献1)。そして、1次側から2次側の負荷に電力を出力する場合、1次側駆動回路のフルブリッジ回路をスイッチング回路として使用し、2次側駆動回路のフルブリッジ回路を整流回路として使用する。反対に、2次側から1次側の負荷に電力を出力する場合、2次側駆動回路のフルブリッジ回路をスイッチング回路として使用し、1次側駆動回路のフルブリッジ回路を整流回路として使用している。
そして、第1側駆動回路のフルブリッジ回路をスイッチング回路として使用した場合、及び、第2次側駆動回路フルブリッジ回路をスイッチング回路として使用した場合、いずれの場合にも共振周波数が同じになるようにしている。そこで、1次コイルに対して共振パラメータが可変する共振回路を直列に接続している。
つまり、1次側駆動回路をスイッチング回路として使用する場合と、2次側駆動回路をスイッチング回路として使用する場合とで、共振回路を構成している複数のコンデンサやコイルを適宜選択して共振周波数を同じにするようにしている。
特開2012−70491号公報
ところで、上記共振回路は、複数のコンデンサやコイルが必要であった。しかも、共振回路の共振パラメータは2通りしか選択できなかった。
従って、回路構成をより簡単にしつつ、1つのコンデンサについてその静電容量(回路定数)を電気的制御で可変させることのできる回路が望まれていた。同様に、1つのコイルについてそのインダクタンス(回路定数)を電気的に可変させることのできる回路が望まれていた。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡単な回路構成で回路定数を可変することができる回路定数可変回路を提供することにある。
上記課題を解決するための回路定数可変回路は、交流電流の周波数によってそのインピーダンスが変わる受動素子の回路定数を変更する回路定数可変回路であって、前記受動素子と第1双方向スイッチとを直列に接続し、その直列回路に対して第2双方向スイッチを並列に接続したことを特徴とする。
また、上記構成において、前記第1及び第2双方向スイッチは、共に、ダブルゲートを有したGaN双方向スイッチングデバイスであることが好ましい。
また、上記構成において、前記第1及び第2双方向スイッチは、共に、ダイオードとIGBTの直列回路を、その直列回路の2つを互いに極性の向きを変えて並列に接続して構成されていることが好ましい。
また、上記構成において、前記第1及び第2双方向スイッチは、共に、MOSトランジスタを2個直列に接続して構成されていることが好ましい。
また、上記構成において、前記受動素子は、コンデンサ又はコイルであることが好ましい。
また、上記構成において、前記受動素子は、コンデンサとコイルとからなり、そのコンデンサとコイルが直列又は並列に接続されていることが好ましい。
また、上記構成において、前記交流電流の1周期の間に、少なくとも1回、前記第2双方向スイッチを両方向に非導通にさせ状態、第1双方向スイッチを一方向に導通させ、続いて、他方向に導通させた後に、前記第1及び第2双方向スイッチを両方向に導通にさせる制御回路を設けたことが好ましい。
また、上記構成において、前記制御回路は、前記第1双方向スイッチを一方に導通させる時間、及び、前記第1双方向スイッチを他方に導通させる時間を制御することが好ましい。
上記課題を解決するための回路定数可変回路は、交流電流の周波数によってそのインピーダンスが変わる受動素子の回路定数を変更する回路定数可変回路であって、前記受動素子と第1双方向スイッチとを直列に接続し、前記受動素子に対して第2双方向スイッチを並列に接続したことを特徴とする。
また、上記構成において、前記第1及び第2双方向スイッチは、共に、ダブルゲートを有したGaN双方向スイッチングデバイスであることが好ましい。
また、上記構成において、前記第1及び第2双方向スイッチは、共に、ダイオードとIGBTの直列回路を、その直列回路の2つを互いに極性の向きを変えて並列に接続して構成されていることが好ましい。
また、上記構成において、前記第1及び第2双方向スイッチは、共に、MOSトランジスタを2個直列に接続して構成されていることが好ましい。
また、上記構成において、前記受動素子は、コンデンサ又はコイルであることが好ましい。
また、上記構成において、前記受動素子は、コンデンサとコイルとからなり、そのコンデンサとコイルが直列又は並列に接続されていることが好ましい。
また、上記構成において、前記交流電流の1周期の間に、少なくとも1回、前記第2双方向スイッチを両方向に非導通にさせ状態、第1双方向スイッチを一方向に導通させ、続いて、他方向に導通させた後に、前記第1及び第2双方向スイッチを両方向に導通にさせる制御回路を設けたことが好ましい。
また、上記構成において、前記制御回路は、前記第1双方向スイッチを一方に導通させる時間、及び、前記第1双方向スイッチを他方に導通させる時間を制御することが好ましい。
本発明によれば、簡単な回路構成で回路定数を可変することができる。
第1実施形態の回路定数可変回路の電気回路図。 第2実施形態の回路定数可変回路の電気回路図。 回路定数可変回路の応用例を示す電気回路図。 回路定数可変回路の応用例を示す電気回路図。 双方向スイッチの別例を示す電気回路図。 双方向スイッチの別例を示す電気回路図。
(第1実施形態)
以下、回路定数可変回路の第1実施形態を図1に従って説明する。
図1に示すように、回路定数可変回路1は、受動素子としてのコンデンサC1と第1双方向スイッチQ1が直列に接続され、その直列回路に対して第2双方向スイッチQ2が並列に接続されている。そして、その並列回路の両端子P1,P2間に、交流電流が供給されるようになっている。
第1及び第2双方向スイッチQ1,Q2は、第1ゲート端子G1及び第2ゲート端子G2からなるダブルゲートを有したGaN(窒化ガリウム)双方向スイッチングデバイスにて構成されている。
この第1双方向スイッチQ1(第2双方向スイッチQ2も同様)は、第1ゲート端子G1及び第2ゲート端子G2に入力されるオン・オフ信号によって4つのモードを有する。
第1モードは、第1双方向スイッチQ1(第2双方向スイッチQ2)おいて、第1ゲート端子G1にオン信号、第2ゲート端子G2にオフ信号が入力されたとき、端子P1から端子P2に向かって導通可能となるモードである。
第2モードは、第1双方向スイッチQ1(第2双方向スイッチQ2)おいて、第1ゲート端子G1にオフ信号、第2ゲート端子G2にオン信号が入力されたとき、端子P2から端子P1に向かって導通可能となるモードである。
第3モードは、第1双方向スイッチQ1(第2双方向スイッチQ2)において、第1及び第2ゲート端子G1,G2に共にオン信号が入力されたとき、端子P1と端子P2の間においていずれの方向にも導通可能(全導通)となるモードである。
第4モードは、第1双方向スイッチQ1(第2双方向スイッチQ2)において、第1及び第2ゲート端子G1,G2に共にオフ信号が入力されたとき、端子P2と端子P1の間においていずれに方向にも非導通(全非導通)となるモードである。
そして、第1及び第2双方向スイッチQ1,Q2の第1ゲート端子G1及び第2ゲート端子G2には、制御回路10が接続されている。制御回路10は、第1双方向スイッチQ1を予め定めたタイミングで第1〜第4モードのいずれかのモードにするために同第1双方向スイッチQ1の第1及び第2ゲート端子G1,G2にオン・オフ信号を出力する。同様に、制御回路10は、第2双方向スイッチQ2を予め定めたタイミングで第1〜第4モードのいずれかのモードにするための同第2双方向スイッチQ2の第1及び第2ゲート端子G1,G2にオン・オフ信号を出力する。
つまり、第1及び第2双方向スイッチQ1,Q2を制御することによって、コンデンサC1の静電容量(回路定数)を制御する。
次に、上記のように構成した回路定数可変回路1の作用について説明する。
制御回路10は、以下のステップ1〜ステップ4を繰り返すことによって回路定数可変回路1を制御する。
(ステップ1)
まず、制御回路10は、第1双方向スイッチQ1を第4モードにするとともに、第2双方向スイッチQ2を第3モードにする。
すなわち、制御回路10は、第1双方向スイッチQ1の第1及び第2ゲート端子G1,G2に共にオフ信号を出力して同第1双方向スイッチQ1をオフ状態(全非導通)にする。一方、制御回路10は、第2双方向スイッチQ2の第1及び第2ゲート端子G1,G2に共にオン信号を出力して同第2双方向スイッチQ2をオン状態(全導通)にする。
これによって、端子P1,P2間は第2双方向スイッチQ2を介して短絡された状態になる。
(ステップ2:チャージ可能時間制御)
次に、制御回路10は、第1双方向スイッチQ1を第1モードにするとともに、第2双方向スイッチQ2を第4モードにする。
すなわち、制御回路10は、第1双方向スイッチQ1の第1ゲート端子G1にオフ信号からオン信号(第2ゲート端子G2はオフ信号のまま)を出力して同第1双方向スイッチQ1を端子P1から端子P2に向かって導通可能な状態にする。一方、制御回路10は、第2双方向スイッチQ2の第1及び第2ゲート端子G1,G2に共にオフ信号を出力して同第2双方向スイッチQ2をオフ状態(全非導通)にする。
これによって、第1双方向スイッチQ1を介して端子P1からコンデンサC1に向かって電流が流れる状態になり,コンデンサC1はチャージが可能な状態となる。
(ステップ3:逆チャージ可能時間制御)
予め定めたチャージ可能時間が経過すると、制御回路10は、第1双方向スイッチQ1を第2モードするとともに、第2双方向スイッチQ2を第4モードにする。
すなわち、制御回路10は、第1双方向スイッチQ1の第1ゲート端子G1にオン信号からオフ信号に出力するとともに、第2ゲート端子G2にオフ信号からオン信号を出力して同第1双方向スイッチQ1を端子P2から端子P1に向かって導通可能な状態にする。一方、制御回路10は、第2双方向スイッチQ2の第1及び第2ゲート端子G1,G2に共にオフ信号を出力したままして同第2双方向スイッチQ2をオフ状態(全非導通)にする。
これによって、第1双方向スイッチQ1を介してコンデンサC1から端子P1に向かって電流が流れる状態になり、コンデンサC1は逆チャージ(放電)が可能な状態となる。
(ステップ4:残留電荷放電)
そして、予め定めた逆チャージにてコンデンサC1の端子間電圧が0ボルトになると、制御回路10は、第1双方向スイッチQ1を第3モードにするとともに、第2双方向スイッチQ2も第3モードにする。ここで、コンデンサC1の端子間電圧の0ボルトは、電圧検出センサによる検出、または、予め試験、実験、計算等で求めた0ボルトになる時間に基づいて、制御回路10はステップ4にするタイミングを決めてもよい。
すなわち、制御回路10は、第1双方向スイッチQ1の第1及び第2ゲート端子G1,G2に共にオン信号を出力して同第1双方向スイッチQ1をオン状態(全導通)にする。一方、制御回路10は、第2双方向スイッチQ2の第1及び第2ゲート端子G1,G2に共にオン信号を出力して同第1双方向スイッチQ1をオン状態(全導通)にする。
これによって、第1及び第2双方向スイッチQ1,Q2が共に全導通状態となり、コンデンサC1の残留電荷が完全に放電される。
そして、制御回路10は、ステップ1の動作に戻り、再びステップ1〜ステップ4の動作を繰り返す。
そして、制御回路10は、予め試験、実験、計算等で求めたデータに基づいて、ステップ1からステップ4の動作時間を、即ち、コンデンサC1に対するチャージ時間と逆チャージ(放電)時間を制御する。すると、コンデンサC1の電荷の蓄積量が制御され、コンデンサC1の見かけ上の静電容量(回路定数)を可変させることができる。
以上の動作を、交流電流の1周期の間に、1回又は複数回行うとともにチャージ時間と逆チャージ時間を制御する。これによって、さらに、コンデンサC1の見かけ上の静電容量(回路定数)をこまかく可変制御することができる。
本実施形態は、以下の効果を有する。
(1)本実施形態によれば、1つのコンデンサC1について、その見かけ上の静電容量(回路定数)を連続的に広範囲に可変させることができる。
(2)本実施形態によれば、第1及び第2双方向スイッチQ1,Q2にてコンデンサC1に対するチャージ時間と逆チャージ(放電)時間を制御するといった簡単な構成にて、コンデンサC1の見かけ上の静電容量(回路定数)を可変させることができる。
(第2実施形態)
次に、回路定数可変回路の第2実施形態を図2に従って説明する。
図2に示すように、回路定数可変回路1は、コンデンサC1と第1双方向スイッチQ1が並列に接続され、その並列回路に対して第2双方向スイッチQ2が直列に接続されている。そして、その並列回路の両端子P1,P2間に、交流電流が供給されるようになっている。
第1及び第2双方向スイッチQ1,Q2は、第1実施形態と同じ第1ゲート端子G1及び第2ゲート端子G2からなるダブルゲートを有したGaN(窒化ガリウム)双方向スイッチングデバイスにて構成されている。
従って、この第1及び第2双方向スイッチQ1,Q2は、第1実施形態と同様に、第1ゲート端子G1及び第2ゲート端子G2に入力されるオン・オフ信号によって4つのモードを有する。
そして、第1及び第2双方向スイッチQ1,Q2の第1ゲート端子G1及び第2ゲート端子G2には、第1実施形態と同様に、制御回路10が接続されている。つまり、制御回路10は、第1及び第2双方向スイッチQ1,Q2を制御することによって、コンデンサC1の静電容量(回路定数)を制御する。
次に、上記のように構成した回路定数可変回路1の作用について説明する。
なお、本実施形態は、第1実施形態と同様に、ステップ1〜ステップ4を繰り返すことによって回路定数可変回路1を制御する。そして、各ステップにおいて、制御回路10が、第1及び第2双方向スイッチQ1,Q2の第1及び第2ゲート端子G1,G2に出力するオン・オフ信号も第1実施形態と同じである。
従って、本実施形態では、ステップ1において、端子P1,P2間は第2双方向スイッチQ2を介して遮断された状態にある点が第1実施形態と相異するだけなので、その説明は省略する。
そして、本実施形態においても、制御回路10は、予め試験、実験、計算等で求めたデータに基づいて、その時々でステップ2とステップ3の動作時間、即ち、コンデンサC1に対するチャージ時間と逆チャージ(放電)時間を制御する。すると、コンデンサC1の電荷の蓄積量が制御され、コンデンサC1の見かけ上の静電容量(回路定数)を可変させることができる。
以上の動作を、交流電流の1周期の間に、1回又は複数回行うとともに充放電時間を制御する。これによって、さらに、コンデンサC1の見かけ上の静電容量(回路定数)をこまかく可変制御することができる。
本実施形態は、以下の効果を有する。
(1)本実施形態によれば、1つのコンデンサC1について、その見かけ上の静電容量(回路定数)を連続的に広範囲に可変させることができる。
(2)本実施形態によれば、第1及び第2双方向スイッチQ1,Q2にてコンデンサC1に対するチャージ時間と逆チャージ(放電)時間を制御するといった簡単な構成にて、コンデンサC1の見かけ上の静電容量(回路定数)を可変させることができる。
尚、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○上記第1及び第2実施形態の回路定数可変回路1を、非接触給電装置等の電磁誘導結合回路に使用される共振回路に具体化してもよい。
例えば、図3に示すように、1次側回路11の1次コイルL1は、2次側回路12の2次コイルと電磁誘導結合している。1次コイルL1は、共振回路としての回路定数可変回路1が接続されている。
そして、回路定数可変回路1は、コンデンサC1と第1双方向スイッチQ1の直列回路を、複数個並列接続し、その並列回路に対して第2双方向スイッチQ2を並列に接続して構成している。
そして、各直列回路の第1双方向スイッチQ1と、それら直列回路に対して並列に接続した第2双方向スイッチQ2を各モードに制御することで、回路定数可変回路1の静電容量、すなわち、共振回路の静電容量(共振パラメータ)を可変させることができる。
なお、図3では、コンデンサC1と第1双方向スイッチQ1の直列回路を、複数個並列接続したが、直列回路が1つであって、第1実施形態で示した回路定数可変回路1で実施してもよい。
さらに、図4に示すように、コンデンサC1と第1双方向スイッチQ1の直列回路20を複数個ラダー状に第3双方向スイッチQ3を介して接続して構成した回路定数可変回路1を、1次側回路11の共振回路として使用してもよい。
そして、各直列回路20の第1双方向スイッチQ1と、それらをつなぐ第3双方向スイッチQ3を各モードに制御することで、回路定数可変回路1の静電容量、すなわち、共振回路の静電容量(共振パラメータ)を可変させることができる。
なお、図3及び図4において、1次側回路11の共振回路として回路定数可変回路1を用いたが、2次側回路12の共振回路として回路定数可変回路1を用いてもよい。
○上記各実施形態の回路定数可変回路1は、受動素子としてコンデンサC1で構成した。これを受動素子としてコイルに置き換えて実施してもよい。これによって、1つのコイルについて、その見かけ上のインダクタンス(回路定数)を連続的に広範囲に可変させることができる。しかも、第1及び第2双方向スイッチQ1,Q2を制御するといった簡単な構成にて、コイルの見かけ上のインダクタンス(回路定数)を可変させることができる。
○上記各実施形態おいて、受動素子をコンデンサとコイルで構成し、そのコンデンサとコイルを直列に接続して実施したり、そのコンデンサとコイルを並列に接続して実施したりしてもよい。この場合にも、コンデンサの静電容量(回路定数)やコイルのインダクタンス(回路定数)を可変させることができる。
○上記実施形態では、第1及び第2双方向スイッチQ1,Q2を、第1ゲート端子G1及び第2ゲート端子G2からなるダブルゲートを有したGaN(窒化ガリウム)双方向スイッチングデバイスにて構成した。
これを、図5に示すように、これら双方向性スイッチを、ダイオードD1と絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)Qaの直列回路を、2つそれぞれ互いに極性の向きを変えて並列に接続して構成してもよい。
また、図6に示すように、これら双方向性スイッチを、NチャネルパワーMOSトランジスタQx1とPチャネルパワーMOSトランジスタQx2を直列に接続して構成してもよい。
1…回路定数可変回路、10…制御回路、11…1次回路、12…2次回路、20…直列回路、C1…コンデンサ、Q1,Q2…第1及び第2双方向スイッチ、G1,G2…第1及び第2ゲート端子、L1,L2…1次及び2次コイル、Qa…絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、Qx1…NチャネルパワーMOSトランシスタ、Qx2…PチャネルパワーMOSトランシスタ、D1…ダイオード、P1,P2…端子。

Claims (16)

  1. 交流電流の周波数によってそのインピーダンスが変わる受動素子の回路定数を変更する回路定数可変回路であって、
    前記受動素子と第1双方向スイッチとを直列に接続し、その直列回路に対して第2双方向スイッチを並列に接続したことを特徴とする回路定数可変回路。
  2. 請求項1に記載の回路定数可変回路において、
    前記第1及び第2双方向スイッチは、共に、ダブルゲートを有したGaN双方向スイッチングデバイスであることを特徴とする回路定数可変回路。
  3. 請求項1に記載の回路定数可変回路において、
    前記第1及び第2双方向スイッチは、共に、ダイオードとIGBTの直列回路を、その直列回路の2つを互いに極性の向きを変えて並列に接続して構成されていることを特徴とする回路定数可変回路。
  4. 請求項1に記載の回路定数可変回路において、
    前記第1及び第2双方向スイッチは、共に、MOSトランジスタを2個直列に接続して構成されていることを特徴とする回路定数可変回路。
  5. 請求項1〜4のいずれか1つに記載の回路定数可変回路において、
    前記受動素子は、コンデンサ又はコイルであることを特徴とする回路定数可変回路。
  6. 請求項1〜4のいずれか1つに記載の回路定数可変回路において、
    前記受動素子は、コンデンサとコイルとからなり、そのコンデンサとコイルが直列又は並列に接続されていることを特徴とする回路定数可変回路。
  7. 請求項1〜6のいずれか1つに記載の回路定数可変回路において、
    前記交流電流の1周期の間に、少なくとも1回、前記第2双方向スイッチを両方向に非導通にさせ状態、第1双方向スイッチを一方向に導通させ、続いて、他方向に導通させた後に、前記第1及び第2双方向スイッチを両方向に導通にさせる制御回路を設けたことを特徴とする回路定数可変回路。
  8. 請求項7に記載の回路定数可変回路において、
    前記制御回路は、前記第1双方向スイッチを一方に導通させる時間、及び、前記第1双方向スイッチを他方に導通させる時間を制御することを特徴とする回路定数可変回路。
  9. 交流電流の周波数によってそのインピーダンスが変わる受動素子の回路定数を変更する回路定数可変回路であって、
    前記受動素子と第1双方向スイッチとを直列に接続し、前記受動素子に対して第2双方向スイッチを並列に接続したことを特徴とする回路定数可変回路。
  10. 請求項9に記載の回路定数可変回路において、
    前記第1及び第2双方向スイッチは、共に、ダブルゲートを有したGaN双方向スイッチングデバイスであることを特徴とする回路定数可変回路。
  11. 請求項9に記載の回路定数可変回路において、
    前記第1及び第2双方向スイッチは、共に、ダイオードとIGBTの直列回路を、その直列回路の2つを互いに極性の向きを変えて並列に接続して構成されていることを特徴とする回路定数可変回路。
  12. 請求項9に記載の回路定数可変回路において、
    前記第1及び第2双方向スイッチは、共に、MOSトランジスタを2個直列に接続して構成されていることを特徴とする回路定数可変回路。
  13. 請求項9〜12のいずれか1つに記載の回路定数可変回路において、
    前記受動素子は、コンデンサ又はコイルであることを特徴とする回路定数可変回路。
  14. 請求項9〜12のいずれか1つに記載の回路定数可変回路において、
    前記受動素子は、コンデンサとコイルとからなり、そのコンデンサとコイルが直列又は並列に接続されていることを特徴とする回路定数可変回路。
  15. 請求項9〜14のいずれか1つに記載の回路定数可変回路において、
    前記交流電流の1周期の間に、少なくとも1回、前記第2双方向スイッチを両方向に非導通にさせ状態、第1双方向スイッチを一方向に導通させ、続いて、他方向に導通させた後に、前記第1及び第2双方向スイッチを両方向に導通にさせる制御回路を設けたことを特徴とする回路定数可変回路。
  16. 請求項15に記載の回路定数可変回路において、
    前記制御回路は、前記第1双方向スイッチを一方に導通させる時間、及び、前記第1双方向スイッチを他方に導通させる時間を制御することを特徴とする回路定数可変回路。
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