JP2017112784A

JP2017112784A - 高周波整流回路

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Publication number: JP2017112784A
Application number: JP2015247224A
Authority: JP
Inventors: 隆二稲垣; Ryuji Inagaki; 津留　正臣; Masaomi Tsuru; 正臣津留; 谷口　英司; Eiji Taniguchi; 英司谷口; 伊東　健治; Kenji Ito; 健治伊東
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2017-06-22

Abstract

【課題】実装コストを下げ、かつ、ダイオードの放熱性を上げることができる全波整流形の高周波整流回路を得ることを目的とする。
【解決手段】アノード端子が単相入力端子１と接続されているダイオード４と、カソード端子が単相入力端子１と接続されているダイオード５と、カソード端子がダイオード４のカソード端子と接続され、アノード端子が接地されているダイオード６と、アノード端子がダイオード５のアノード端子と接続され、カソード端子が接地されているダイオード７と、接続点８と接続点９との間に接続され、高周波に含まれている交流成分である正弦波を短絡するキャパシタ１０と、キャパシタ１０と並列に接続されている直流負荷１１とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、高周波信号を直流信号に変換する高周波整流回路に関するものである。

高周波を直流に変換する高周波整流回路として、高周波である正弦波の正の半サイクルだけでなく、負の半サイクルについても整流を行う全波整流回路が知られている。
全波整流回路は、半サイクルだけを整流する半波整流回路と比較して変換効率が高い整流回路である。

以下の非特許文献１に開示されている高周波整流回路は全波整流回路であり、高周波源から出力された単相の高周波である正弦波を差動の正弦波に変換するトランスと、そのトランスと接続されている整流回路とから構成されている。この整流回路は、４つのダイオードＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄから構成されている。
ダイオードＡは、アノード端子がトランスの差動出力端子Ｏ_１と接続され、カソード端子が直流負荷の一端と接続されている。
ダイオードＢは、アノード端子が直流負荷の他端と接続され、カソード端子がトランスの差動出力端子Ｏ_２と接続されている。
また、ダイオードＣは、アノード端子がダイオードＢのアノード端子及び直流負荷の他端と接続され、カソード端子がトランスの差動出力端子Ｏ_１及びダイオードＡのアノード端子と接続されている。
さらに、ダイオードＤは、アノード端子がトランスの差動出力端子Ｏ_２及びダイオードＢのカソード端子と接続され、カソード端子がダイオードＡのカソード端子及び直流負荷の一端と接続されている。

入力された正弦波の正の半サイクル期間では、ダイオードＡ及びダイオードＢが順方向バイアスとなり、正弦波の負の半サイクル期間では、ダイオードＣ及びダイオードＤが順方向バイアスとなる。ダイオードの非線形性により直流成分と高調波が生成され、高調波処理用のキャパシタにより平滑化され、直流負荷から直流成分が出力される。

電子情報技術学会２０１１信学全大Ｃ−２−４１, ２０１１−３．

従来の高周波整流回路は以上のように構成されているので、半サイクルだけを整流する半波整流回路と比較して変換効率を高めることができる。しかし、この高周波整流回路の構成では、配線に交差する部分が生じる。配線が交差する部分は、ダイオードＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの配置によって変わるが、例えば、トランスの差動出力端子Ｏ_２とダイオードＢのカソード端子及びダイオードＤのアノード端子とを結ぶ配線と、直流負荷の他端とダイオードＢ，Ｃのアノード端子とを結ぶ配線との間で交差する場合などが考えられる。
このとき、例えば、マイクロ波帯の高周波を扱う高周波整流回路では、配線がマイクロストリップラインで形成されている表面実装用の基板が用いられることがある。配線の交差部分は、ワイヤーでマイクロストリップラインを跨いだり、マイクロストリップライン基板の多層化を行ったりする必要がある。このため、実装工程の増加や、多層化により基板製造コストが増加するという課題があった。また、高周波整流回路では、伝送損失を小さくするため、ダイオードＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの配置をなるべく近接して配置し、配線の長さを短くする必要がある。このため、ダイオードの自己発熱によって、他の近接しているダイオードの温度が上昇してしまうという課題があった。

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あり、実装コストを下げ、かつ、ダイオードの放熱性を上げることができる全波整流形の高周波整流回路を得ることを目的とする。

この発明に係る高周波整流回路は、アノード端子が高周波の単相入力端子と接続されている第１のダイオードと、カソード端子が単相入力端子と接続されている第２のダイオードと、カソード端子が第１のダイオードのカソード端子と接続され、アノード端子が接地されている第３のダイオードと、アノード端子が第２のダイオードのアノード端子と接続され、カソード端子が接地されている第４のダイオードとを有し、第１のダイオードのカソード端子と第３のダイオードのカソード端子とを接続している第１の接続点と、第２のダイオードのアノード端子と第４のダイオードのアノード端子とを接続している第２の接続点との間に接続され、単相入力端子から入力された高周波を短絡するキャパシタと、キャパシタと並列に接続されている直流負荷とを備えるようにしたものである。

この発明によれば、アノード端子が高周波の単相入力端子と接続されている第１のダイオードと、カソード端子が単相入力端子と接続されている第２のダイオードと、カソード端子が第１のダイオードのカソード端子と接続され、アノード端子が接地されている第３のダイオードと、アノード端子が第２のダイオードのアノード端子と接続され、カソード端子が接地されている第４のダイオードとを有し、第１のダイオードのカソード端子と第３のダイオードのカソード端子とを接続している第１の接続点と、第２のダイオードのアノード端子と第４のダイオードのアノード端子とを接続している第２の接続点との間に接続され、単相入力端子から入力された高周波を短絡するキャパシタと、キャパシタと並列に接続されている直流負荷とを備えるように構成したので、実装コストを下げ、かつ、ダイオードの放熱性を上げることができる全波整流形の高周波整流回路が得られる効果がある。
即ち、高周波の入力を単相とし、整流素子として用いる第３のダイオードのアノード端子と第４のダイオードのカソード端子を接地することにより、配線の交差部分が生じない回路構成で全波整流を実現することができ、基板にワイヤー実装や、多層基板を必要としないため、実装コストを下げる効果がある。また、接地するための基板のグランド面は、一般的にレイアウト面積が広く十分に熱抵抗が低い。このため、第３のダイオードと第４のダイオードの一端を熱抵抗が低い接地面に接続することで、第３の第ダイオードと第４のダイオードの放熱性が高くなり、ダイオードを近接に配置した場合においてダイオードの温度上昇を下げる効果がある。

この発明の実施の形態１による高周波整流回路を示す構成図である。正弦波の正の半サイクル期間での信号の流れを示す説明図である。正弦波の負の半サイクル期間での信号の流れを示す説明図である。この発明の実施の形態４による高周波整流回路を示す構成図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による高周波整流回路を示す構成図である。
図１において、単相入力端子１は不平衡アンテナ端子として、単相の高周波を入力する端子である。
入力フィルタ回路２は単相入力端子１と接続点３の間に接続されており、単相入力端子１のインピーダンスＺ_１と接続点３から出力側を見たインピーダンスＺ_Ｌとの整合を図る整合回路である。整合回路の回路構成自体は公知であるため、入力フィルタ回路２の具体的な構成の説明は省略する。

ダイオード４はアノード端子が接続点３と接続され、カソード端子が接続点８と接続されている第１のダイオードである。
ダイオード５はカソード端子が接続点３と接続され、アノード端子が接続点９と接続されている第２のダイオードである。
ダイオード６はカソード端子が接続点８と接続され、アノード端子が接地されている第３のダイオードである。
ダイオード７はアノード端子が接続点９と接続され、カソード端子が接地されている第４のダイオードである。

接続点８はダイオード４のカソード端子とダイオード６のカソード端子とを接続している第１の接続点である。
接続点９はダイオード５のアノード端子とダイオード７のアノード端子とを接続している第２の接続点である。
接続点３はダイオード４のアノード端子とダイオード５のカソード端子とを接続している第３の接続点である。
キャパシタ１０は接続点８と接続点９の間に接続され、高周波を短絡する。
直流負荷１１はキャパシタ１０と並列に接続されている。直流負荷１１はＤＣ／ＤＣコンバータや充電回路などであってもよい。

次に動作について説明する。
単相入力端子１からダイオード４、５、６および７に正弦波が入力されると、ダイオードの整流動作により直流に変換される。例えば、ダイオードに順方向バイアスがかけられた場合、導通状態になって電流が流れ、逆方向バイアスがかけられた場合、電流が流れにくい非導通状態となるため電流が流れない。

図２は正弦波の正の半サイクル期間での信号の流れを示す説明図であり、また、図３は正弦波の負の半サイクル期間での信号の流れを示す説明図である。

単相入力端子１から高周波である正弦波が入力されると、その正弦波の正の半サイクルの期間では、ダイオード４，７が順方向バイアスになり、ダイオード５，６が逆方向バイアスになる。
このとき、整流動作により生成された直流成分は、ダイオード４、直流負荷１１、ダイオード７、グランドに至る経路を流れ、整流動作により生成された高調波成分は、ダイオード４、キャパシタ１０、ダイオード７、グランドに至る経路を流れ、直流負荷１１から直流成分が取り出される。
一方、正弦波の負の半サイクルの期間では、ダイオード５，６が順方向バイアスになり、ダイオード４，７が逆方向バイアスになる。
このとき、整流動作により生成された直流成分は、グランド、ダイオード６、直流負荷１１、ダイオード５に至る経路を流れ、整流動作により生成された高調波成分は、グランド、ダイオード６、キャパシタ１０、ダイオード５に至る経路を流れ、直流負荷１１から直流成分が取り出される。
なお、キャパシタ１０は、平滑コンデンサの役割もあり、直流成分のリップルも抑圧する。

これにより、図１の高周波整流回路は、高周波に含まれている正弦波の正の半サイクルだけでなく、負の半サイクルについても整流を行う全波整流回路として動作することが分かるが、整流動作をするダイオード４〜７に対して、高周波の入力を単相とし、ダイオード６とダイオード７の一端を接地することにより、配線の交差部分を無くすことができる。したがって、配線の交差部分をワイヤーで跨ぐようにしたり、マイクロストリップライン基板の多層化を行ったりする必要がない。また、マイクロストリップラインで形成されている表面実装用の基板を用いた場合、接地するための基板のグランド面は、一般的にレイアウト面積が広く十分に熱抵抗が低い。このため、ダイオード６とダイオード７の一端を熱抵抗が低い接地面に接続することで、ダイオード6とダイオード７の放熱性が高くなる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、アノード端子が単相入力端子１と接続されているダイオード４と、カソード端子が単相入力端子１と接続されているダイオード５と、カソード端子がダイオード４のカソード端子と接続され、アノード端子が接地されているダイオード６と、アノード端子がダイオード５のアノード端子と接続され、カソード端子が接地されているダイオード７とを有し、ダイオード４のカソード端子とダイオード６のカソード端子とを接続している接続点８と、ダイオード５のアノード端子とダイオード７のアノード端子とを接続している接続点９との間に接続され、高周波に含まれている交流成分である正弦波を短絡するキャパシタ１０と、キャパシタ１０と並列に接続されている直流負荷１１とを備えるように構成したので、配線の交差部分が生じない回路構成で全波整流を実現することができ、基板にワイヤー実装や、多層基板を必要としないため実装コストを下げる効果がある。

また、ダイオード６及びダイオード７の一端を接地することにより、放熱性を高くすることで、ダイオードを近接して配置した場合においてダイオードの温度上昇を下げる効果がある。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、ダイオード４〜７の各々が単一のダイオードであるものを示したが、ダイオード４〜７の各々が、複数のダイオードが直列に接続されているダイオード群で構成されているものであってもよい。
複数のダイオードが直列に接続されている構成でも、上記実施の形態１と同様の効果を奏するほか、ダイオードを直列化することで整流回路の耐電圧を高めることができる効果を奏する。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、ダイオード４〜７の各々が単一のダイオードであるものを示したが、ダイオード４〜７の各々が、複数のダイオードが並列に接続されているダイオード群で構成されているものであってもよい。
複数のダイオードが並列に接続されている構成でも、上記実施の形態１と同様の効果を奏するほか、ダイオードを並列化することで整流回路の許容電流を高めることができる効果を奏する。

実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４による高周波整流回路を示す構成図であり、図４において、図１と同一符号は同一または相当部分を示している。
上記実施の形態１〜３では、ダイオード４とダイオード６を対向に配置するとともに、ダイオード５とダイオード７を対向に配置しているものを示したが、図４に示すように、ダイオード４〜７を一列に並ぶ位置に配置するようにしてもよい。ただし、図１と図４の回路構成自体は同じである。
このように、ダイオード４〜７を一列に並ぶ位置に配置することで、上記実施の形態１〜３よりも、更に実装性を高めることができる効果を奏する。

なお、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。

１単相入力端子、２入力フィルタ回路、３接続点（第３の接続点）、４ダイオード（第１のダイオード）、５ダイオード（第２のダイオード）、６ダイオード（第３のダイオード）、７ダイオード（第４のダイオード）、８接続点（第１の接続点）、９接続点（第２の接続点）、１０キャパシタ、１１直流負荷。

Claims

アノード端子が高周波の単相入力端子と接続されている第１のダイオードと、
カソード端子が前記単相入力端子と接続されている第２のダイオードと、
カソード端子が前記第１のダイオードのカソード端子と接続され、アノード端子が接地されている第３のダイオードと、
アノード端子が前記第２のダイオードのアノード端子と接続され、カソード端子が接地されている第４のダイオードとを有し、
前記第１のダイオードのカソード端子と前記第３のダイオードのカソード端子とを接続している第１の接続点と、前記第２のダイオードのアノード端子と前記第４のダイオードのアノード端子とを接続している第２の接続点との間に接続され、前記単相入力端子から入力された前記高周波を短絡するキャパシタと、
前記キャパシタと並列に接続されている直流負荷とを備えることを特徴とする高周波整流回路。
前記第１のダイオードのアノード端子と前記第２のダイオードのカソード端子とを接続している第３の接続点と、前記単相入力端子との間に接続されており、前記単相入力端子のインピーダンスと前記第３の接続点から前記第１及び第２のダイオード側を見たインピーダンスとの整合を図る入力フィルタ回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の高周波整流回路。
前記第１から第４のダイオードは、それぞれ複数のダイオードが直列に接続されているダイオード群で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波整流回路。
前記第１から第４のダイオードは、それぞれ複数のダイオードが並列に接続されているダイオード群で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の高周波整流回路。
前記第１から第４のダイオードが、一列に並ぶ位置に配置されてい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項記載の高周波整流回路。