JP2018152988A - キャパシタ絶縁型電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャパシタ絶縁型電源装置の出力ゲインを１よりも大きく設定する。
【解決手段】キャパシタ絶縁型電源装置１は、入力電圧Ｖｉｎの入力を受け付けるスイッチ出力段（トランジスタＱ１及びＱ２）を備えた一次側回路１０と、出力電圧Ｖｏｕｔを負荷Ｒｏｕｔに出力する二次側回路２０と、一次側回路１０の第１出力端１１と二次側回路２０の第１入力端２１との間に接続された第１キャパシタＣ１と、一次側回路１０の第２出力端１２と二次側回路２０の第２入力端２２との間に接続された第２キャパシタＣ２と、一次側回路１０と第１キャパシタＣ１（または第２キャパシタＣ２）との間に接続された第１コイルＬ１と、第１キャパシタＣ１の一次側端子と第２キャパシタＣ２の一次側端子との間に接続された第３キャパシタＣ３と、を有する。
【選択図】図１

Description

本明細書中に開示されている発明は、キャパシタ絶縁型電源装置に関する。

図７は、キャパシタ絶縁型電源装置の一従来例を示す図である。本従来例のキャパシタ絶縁型電源装置１００は、絶縁トランスではなく、キャパシタＣ１１及びＣ１２を用いて一次側回路１１０と二次側回路１２０との間を直流的に絶縁しつつ、入力電圧Ｖｉｎから所望の出力電圧Ｖｏｕｔを生成して負荷Ｒｏｕｔに供給する。

なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献１及び特許文献２を挙げることができる。

特許第４３６６７１３号 国際公開第２００５／０６２４５２号

しかしながら、上記従来例のキャパシタ絶縁型電源装置では、その回路構成上、２次側回路１２０に昇圧回路を含めない限り、出力ゲインＧ（＝Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）を１よりも大きく設定することができなかった。

本明細書中に開示されている発明は、本願の発明者らにより見出された上記の課題に鑑み、出力ゲインを１よりも大きく設定することのできるキャパシタ絶縁型電源装置を提供することを目的とする。

本明細書中に開示されているキャパシタ絶縁型電源装置は、入力電圧の入力を受け付けるスイッチ出力段を備えた一次側回路と、出力電圧を負荷に出力する二次側回路と、前記一次側回路の第１出力端と前記二次側回路の第１入力端との間に接続された第１キャパシタと、前記一次側回路の第２出力端と前記二次側回路の第２入力端との間に接続された第２キャパシタと、前記一次側回路と前記第１キャパシタまたは前記第２キャパシタとの間に接続された第１コイルと、前記第１キャパシタの一次側端子と前記第２キャパシタの一次側端子との間に接続された第３キャパシタを有する構成（第１の構成）とされている。

第１の構成から成るキャパシタ絶縁型電源装置において、前記第３キャパシタは、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタそれぞれの一次側に配置されている構成（第２の構成）にするとよい。

第１の構成から成るキャパシタ絶縁型電源装置において、前記第３キャパシタは、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタそれぞれの二次側に配置されている構成（第３の構成）にするとよい。

第１〜第３いずれかの構成から成るキャパシタ絶縁型電源装置は、前記第３キャパシタに対して直列接続された第２コイルをさらに有する構成（第４の構成）にするとよい。

第４の構成から成るキャパシタ絶縁型電源装置は、前記第３キャパシタと前記第２コイルに対して直列接続された抵抗をさらに有する構成（第５の構成）にするとよい。

第５の構成から成るキャパシタ絶縁型電源装置は、前記第３キャパシタ、前記第２コイル、及び、前記抵抗に対して並列接続された第４キャパシタをさらに有する構成（第６の構成）にするとよい。

第１〜第６いずれかの構成から成るキャパシタ絶縁型電源装置において、前記二次側回路は、昇圧回路を含む構成（第７の構成）にするとよい。

第１〜第７いずれかの構成から成るキャパシタ絶縁型電源装置において、前記スイッチ出力段は、前記入力電圧の印加端と前記第１出力端との間に接続された第１スイッチ素子と、前記第１出力端と前記第２出力端との間に接続された第２スイッチ素子と、含む構成（第８の構成）にするとよい。

第８の構成から成るキャパシタ絶縁型電源装置において、前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子は、それぞれ、ＧＡＮデバイスまたはＳｉＣデバイスである構成（第９の構成）にするとよい。

また、本明細書中に開示されている非接触給電システムは、上記第１〜第９いずれかの構成から成るキャパシタ絶縁型電源装置を有する構成（第１０の構成）とされている。

本明細書中に開示されている発明によれば、出力ゲインを１よりも大きく設定することのできるキャパシタ絶縁型電源装置を提供することが可能となる。

キャパシタ絶縁型電源装置の第１実施形態を示す図 キャパシタ絶縁型電源装置の第２実施形態を示す図 キャパシタ絶縁型電源装置の第３実施形態を示す図 キャパシタ絶縁型電源装置の第４実施形態を示す図 キャパシタ絶縁型電源装置の第５実施形態を示す図 キャパシタ絶縁型電源装置の第６実施形態を示す図 キャパシタ絶縁型電源装置の一従来例を示す図

＜第１実施形態＞
図１は、キャパシタ絶縁型電源装置の第１実施形態を示す図である。本実施形態のキャパシタ絶縁型電源装置１は、一次側回路１０と、二次側回路２０と、キャパシタＣ１〜Ｃ３と、コイルＬ１と、を有する。なお、キャパシタ絶縁型電源装置１は、例えば、一次回路系１ｐと二次回路系１ｓとの間を電気的に絶縁しつつ、一次回路系１ｐから二次回路系１ｓへの電力供給を非接触で行う非接触給電システムに好適に用いることができる。

一次側回路１０は、一次回路系１ｐに設けられており、入力電圧Ｖｉｎの入力を受け付けるスイッチ出力段として、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２（本図ではいずれもＮＭＯＳＦＥＴ［N-channel type metal oxide semiconductor field effect transistor］）を含む。

スイッチ素子Ｑ１は、入力電圧Ｖｉｎの印加端と一次側回路１０の第１出力端１１との間に接続されており、スイッチ素子Ｑ２は、一次側回路１０の第１出力端１１と第２出力端１２との間に接続されている。これらのスイッチ素子Ｑ１及びＱ２は、それぞれ、所定のスイッチング周波数ｆｓｗで相補的にオン／オフされる。

なお、本明細書中において、「相補的」という文言は、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２のオン／オフ状態が完全に逆転している場合のほか、貫通電流防止のためにスイッチ素子Ｑ１及びＱ２の同時オフ時間（いわゆるデッドタイム）が設けられている場合も含む。

また、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２には、それぞれ、図示の極性でボディダイオードＤ１及びＤ２が付随している。

なお、スイッチング周波数ｆｓｗが高い場合（例えば、ｆｓｗ＝数百ｋＨｚ〜数十ＭＨｚである場合、ワイヤレス給電の規格ではｆｓｗ＝１３．５６ＭＨｚ）には、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２として、それぞれ、高周波駆動が可能なＧＡＮデバイスまたはＳｉＣデバイスを用いることが望ましい。一方、スイッチング周波数ｆｓｗがそれほど高くない場合には、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２として、それぞれ、Ｓｉデバイスを用いても構わない。

二次側回路２０は、二次回路系１ｓに設けられており、一次側回路１０からキャパシタＣ１及びＣ２を介して交流電力（＝パルス電流）の供給を受け、これを整流及び平滑することにより、出力電圧Ｖｏｕｔを生成して負荷Ｒｏｕｔに出力する。なお、二次側回路２０には、交流電力の整流平滑手段として、不図示のダイオードブリッジや平滑キャパシタなどが含まれている。

キャパシタＣ１は、一次側回路１０の第１出力端１１と二次側回路２０の第１入力端２１との間に接続されており、一次側回路１０と二次側回路２０との間を直流的に絶縁する第１カップリングキャパシタとして機能する。

キャパシタＣ２は、一次側回路１０の第２出力端１２と二次側回路２０の第２入力端２２との間に接続されており、一次側回路１０と二次側回路２０との間を直流的に絶縁する第２カップリングキャパシタとして機能する。

このように、一次回路系１ｐと二次回路系１ｓとの絶縁手法として、キャパシタ絶縁型を採用することにより、トランス絶縁型と比べて回路規模の縮小やコストダウンを図ることができる上、高周波駆動時の変換効率を高めることも可能となる。

コイルＬ１は、一次側回路１０の第１出力端１１とキャパシタＣ１との間に接続されている。なお、コイルＬ１は、一次側回路１０の第２出力端とキャパシタＣ２との間に接続しても構わない。このように接続されたコイルＬ１は、キャパシタＣ１及びＣ２（さらにはキャパシタＣ３）と共にＬＣ共振回路を形成する。

キャパシタＣ３の第１端は、キャパシタＣ１の一次側端子（＝コイルＬ１との接続ノード）に接続されている。キャパシタＣ３の第２端は、キャパシタＣ２の一次側端子（＝第１出力端１２との接続ノード）に接続されている。

このように、コイルＬ１と共にＬＣ共振回路を形成するキャパシタとして、キャパシタＣ３を追加することにより、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２のオン／オフ駆動時には、キャパシタＣ１及びＣ２の充放電だけでなく、キャパシタＣ３の充放電が行われることになる。その結果、キャパシタＣ３に蓄えられた電気エネルギーを足し合わせて二次回路系１ｓに伝送することができるので、出力ゲインＧを高めることが可能となる。

特に、スイッチング周波数ｆｓｗやキャパシタＣ１〜Ｃ３それぞれの容量値を適宜調整することにより、出力ゲインＧを１以上に設定することができる。例えば、Ｖｉｎ＝１００Ｖ、ｆｓｗ＝２２２ｋＨｚ、Ｌ１＝１０μＨ、Ｃ１＝２３５ｎＦ、Ｃ２＝２３５ｎＦ、Ｃ３＝５０ｎＦ、及び、Ｒｏｕｔ＝５００Ωというシミュレーション条件では、Ｖｏｕｔ≒１ｋＶとなり、Ｇ≒１０となる。

なお、本実施形態のキャパシタ絶縁型電源装置１において、キャパシタＣ３は、一次回路系１ｐ（＝キャパシタＣ１及びＣ２それぞれの一次側）に配置されている。このような配置レイアウトを採用することにより、キャパシタＣ３を介する低インピーダンスの電流経路を二次回路系１ｓに引き回さずに済む。従って、キャパシタＣ３を介する電流が二次回路系１ｓに流れ込む危険性を引き下げることができるので、二次回路系１ｓでの感電事故を未然に防止することが可能となる。

＜第２実施形態＞
図２は、キャパシタ絶縁型電源装置の第２実施形態を示す図である。本実施形態のキャパシタ絶縁型電源装置１は、先の第１実施形態（図１）をベースとしつつ、キャパシタＣ３が二次回路系１ｓ（＝キャパシタＣ１及びＣ２それぞれの二次側）に配置されている。このように、キャパシタＣ３を設ける位置は、何ら一次回路系１ｐに限定されない。ただし、上記の配置レイアウトを採用する場合には、二次回路系１ｓでの感電防止に十分留意すべきである。

＜第３実施形態＞
図３は、キャパシタ絶縁型電源装置の第３実施形態を示す図である。本実施形態のキャパシタ絶縁型電源装置１は、先出の第１実施形態（図１）をベースとしつつ、キャパシタＣ３に対して直列接続されたコイルＬ２をさらに有する。このような構成とすることにより、第１実施形態の効果を享受しつつ、キャパシタＣ３に流れる瞬時的な電流を抑えて、一次回路系１ｐにおける導通損失を低減することが可能となる。

なお、本実施形態のキャパシタ絶縁型電源装置１において、Ｖｉｎ＝１００Ｖ、ｆｓｗ＝２２２ｋＨｚ、Ｌ１＝１０μＨ、Ｃ１＝２３５ｎＦ、Ｃ２＝２３５ｎＦ、Ｃ３＝５０ｎＦ、Ｌ２＝１μＨ、及び、Ｒｏｕｔ＝５００Ωというシミュレーション条件では、Ｖｏｕｔ≒６００Ｖとなり、Ｇ≒６となる。

＜第４実施形態＞
図４は、キャパシタ絶縁型電源装置の第４実施形態を示す図である。本実施形態のキャパシタ絶縁型電源装置１は、先出の第３実施形態（図３）をベースとしつつ、キャパシタＣ３とコイルＬ２に対して直列接続された抵抗Ｒ１をさらに有する。このような構成とすることにより、第３実施形態の効果を享受しつつ、キャパシタＣ３とコイルＬ２とのＬＣ共振を打ち消すことが可能となる。

なお、本実施形態のキャパシタ絶縁型電源装置１において、Ｖｉｎ＝１００Ｖ、ｆｓｗ＝２２２ｋＨｚ、Ｌ１＝１０μＨ、Ｃ１＝２３５ｎＦ、Ｃ２＝２３５ｎＦ、Ｃ３＝５０ｎＦ、Ｌ２＝１μＨ、Ｒ１＝１Ω、及び、Ｒｏｕｔ＝５００Ωというシミュレーション条件では、Ｖｏｕｔ≒２５０Ｖとなり、Ｇ≒２．５となる。

＜第５実施形態＞
図５は、キャパシタ絶縁型電源装置の第５実施形態を示す図である。本実施形態のキャパシタ絶縁型電源装置１は、先出の第４実施形態（図４）をベースとしつつ、キャパシタＣ３、コイルＬ２、及び、抵抗Ｒ１に対して並列接続されたキャパシタＣ４をさらに有する。なお、キャパシタＣ４は、一次回路系１ｐに配置されている。このような構成とすることにより、第４実施形態の効果を享受しつつ、キャパシタＣ４の導入により、一次回路系１ｐの電流が意図せずに二次回路系１ｓに流れ込む危険性を引き下げることができる。

なお、本実施形態のキャパシタ絶縁型電源装置１において、Ｖｉｎ＝１００Ｖ、ｆｓｗ＝２２２ｋＨｚ、Ｌ１＝１０μＨ、Ｃ１＝２３５ｎＦ、Ｃ２＝２３５ｎＦ、Ｃ３＝５０ｎＦ、Ｌ２＝１μＨ、Ｒ１＝１Ω、Ｃ４＝１０ｎＦ、及び、Ｒｏｕｔ＝５００Ωというシミュレーション条件では、Ｖｏｕｔ≒２００Ｖとなり、Ｇ≒２となる。

＜第６実施形態＞
図６は、キャパシタ絶縁型電源装置の第６実施形態を示す図である。本実施形態のキャパシタ絶縁型電源装置１は、先出の第１実施形態（図１）をベースとしつつ、二次側回路２０が昇圧回路を含む。このような構成とすることにより、出力電圧Ｖｏｕｔの可変範囲（延いては出力ゲインＧの設定範囲）をさらに広げることが可能となる。

＜その他の変形例＞
なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本明細書中に開示されているキャパシタ絶縁型電源装置は、例えば、非接触給電システムに利用することが可能である。

１ キャパシタ絶縁型電源装置
１ｐ 一次回路系
１ｓ 二次回路系
１０ 一次側回路
１１ 第１出力端
１２ 第２出力端
２０ 二次側回路
２１ 第１入力端
２２ 第２入力端
Ｒｏｕｔ 負荷
Ｑ１、Ｑ２ スイッチ素子（Ｎチャネル型ＭＯＳ電界効果トランジスタ）
Ｄ１、Ｄ２ ボディダイオード
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ キャパシタ
Ｌ１、Ｌ２ コイル
Ｒ１ 抵抗

Claims (10)

1. 入力電圧の入力を受け付けるスイッチ出力段を備えた一次側回路と、
   出力電圧を負荷に出力する二次側回路と、
   前記一次側回路の第１出力端と前記二次側回路の第１入力端との間に接続された第１キャパシタと、
   前記一次側回路の第２出力端と前記二次側回路の第２入力端との間に接続された第２キャパシタと、
   前記一次側回路と前記第１キャパシタまたは前記第２キャパシタとの間に接続された第１コイルと、
   前記第１キャパシタの一次側端子と前記第２キャパシタの一次側端子との間に接続された第３キャパシタと、
   を有することを特徴とするキャパシタ絶縁型電源装置。
2. 前記第３キャパシタは、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタそれぞれの一次側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のキャパシタ絶縁型電源装置。
3. 前記第３キャパシタは、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタそれぞれの二次側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のキャパシタ絶縁型電源装置。
4. 前記第３キャパシタに対して直列接続された第２コイルをさらに有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のキャパシタ絶縁型電源装置。
5. 前記第３キャパシタと前記第２コイルに対して直列接続された抵抗をさらに有することを特徴とする請求項４に記載のキャパシタ絶縁型電源装置。
6. 前記第３キャパシタ、前記第２コイル、及び、前記抵抗に対して並列接続された第４キャパシタをさらに有することを特徴とする請求項５に記載のキャパシタ絶縁型電源装置。
7. 前記二次側回路は、昇圧回路を含むことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のキャパシタ絶縁型電源装置。
8. 前記スイッチ出力段は、
   前記入力電圧の印加端と前記第１出力端との間に接続された第１スイッチ素子と、
   前記第１出力端と前記第２出力端との間に接続された第２スイッチ素子と、
   を含むことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のキャパシタ絶縁型電源装置。
9. 前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子は、それぞれ、ＧＡＮデバイスまたはＳｉＣデバイスであることを特徴とする請求項８に記載のキャパシタ絶縁型電源装置。
10. 請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載のキャパシタ絶縁型電源装置を有することを特徴とする非接触給電システム。

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