JP2018174414A - 位相調整回路、インバータ回路及び給電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、対応すべき周波数の全域において高精度に周波数を調整することができる位相調整回路、インバータ回路及び給電装置を提供することを目的とする。
図1は、本発明の一実施形態の位相調整回路10、インバータ回路3及び給電装置1を示した模式的な回路図である。図2は、図1に示した位相調整回路10を拡大して示した図である。以下、給電装置1、インバータ回路3及び位相調整回路10について順に説明する。
(給電装置)
図1に示した給電装置1は、電界結合の非接触型の給電装置である。給電装置1は、インバータ回路3、位相調整回路10及び負荷5を備えている。
負荷5は、共振コイル51、52と、共振コンデンサ53、54及び抵抗素子55を備えている。負荷5の共振周波数は、共振コイル51、52のインダクタンス及び共振コンデンサ53、54の容量によって決まる。給電装置1の電力の供給は、抵抗素子55を通じて行われる。
共振コンデンサ53、54の容量は、負荷5が一定の条件の下にある場合、負荷5に流れる電流に応じて直線的に変化することが知られている。また、非接触型の給電装置である給電装置1では、共振コンデンサ53、54の値が給電装置1と被給電側の装置との接触状態によっても変化する。本実施形態の給電装置1は、このような各素子の機能の誤差に起因する以外の原因による共振周波数の変化にも高精度に追従して常に高いインバータ回路の変換効率を維持することが可能である。
インバータ回路3は、位相調整回路10を含んでいる。そして、位相調整回路10の他、インバータ回路電源31から供給された直流電力を高周波交流にするドライブ回路311、312、313、314と、ドライブ回路313、312、313、314を制御するPWM(Pulse Width Modulation)制御回路33と、を有している。なお、本実施形態では、インバータ回路電源31は直流電圧、直流電流を供給するものとする。
インバータ回路3は予め定められた範囲においてドライブ回路311、312、313、314による変換後の周波数(発振周波数)が変更可能な発振周波数可変の素子である。なお、本実施形態では、インバータ回路3を、例えば1.5MHzから2.0MHzまで変更可能な素子とする。
位相調整回路10は、図1、図2に示すように、基準信号(REF)Srを入力する基準信号入力端子13aと、帰還信号(F/B)Sfを入力する帰還信号入力端子13bと、基準信号と帰還信号との位相差に基づく出力信号(PLLout)Soを出力する出力端子13cと、を有する位相同期回路であるPLL(Phase Locked Loop)回路13を備えている。
また、位相調整回路10は、基準信号入力端子13a及び出力端子13cに接続され、PLL回路13を含む回路本体の発振周波数が第1レベルである場合に基準信号Srの位相を遅延させる第1回路であるフィルタ回路25を備えている。さらに、位相調整回路10は、出力端子13cに接続され、回路本体の発振周波数が第1レベルよりも低い第2レベルである場合に出力信号Soを遅延させる第2回路であるディレイ回路27を備えている。
上記構成において、「回路本体」とは、位相調整回路10が接続される被接続側の回路をいい、本実施形態では位相調整回路10を含むインバータ回路3を指す。上記したように、インバータ回路3は1.5MHzから2MHzの範囲で周波数が可変であるから、「第1レベル」は2MHz、「第2レベル」は1.5MHzである。
上記構成によれば、コイル素子15のインダクタンスLを一定にして可変抵抗素子17の抵抗値を変化させることにより、フィルタ回路25において基準信号Srの位相を任意に調整することができる。
また、上記容量素子、コイル素子及び可変抵抗素子の具体的な構成は、フィルタ回路25、ディレイ回路27が信号の位相を調整する機能を有する限りにおいて、どのようなものであってもよい。
また、出力信号Soは、ディレイ回路27を通過することにより、負荷5の共振周波数が1.5MHzに近い範囲(低領域)において遅延する。遅延した出力信号Soは、分岐されて基準信号入力端子13aからPLL回路13に基準信号Srとして入力する。
出力信号Soは、バッファ回路22から制御回路33に入力し、インバータ回路3による周波数の追従制御に利用される。インバータ回路3から負荷5に出力される信号は分岐され、NOT回路11において反転、パルス化された後、帰還信号Sfとして基準信号入力端子13aからPLL回路13に入力される。
以上の動作により、位相調整回路10は、負荷5に実際に出力される信号と制御回路33に出力した制御信号との差異に基づく出力信号Soを生成することができる。そして、両者の差異が小さくなるように制御回路33を繰り返しフィードバック制御することにより、出力信号Soの周波数を所望の周波数に合わせることができる。
図4(a)に示した波形は、インバータ回路3に擬似的な負荷を接続し、擬似的な負荷の共振周波数を1.5MHz(低領域)にして測定したものである。また、図4(b)に示した波形は、インバータ回路3に擬似的な負荷を接続し、擬似的な負荷の共振周波数を2.0MHz(高領域)にして測定したものである。図4(a)は、低領域において測定された信号を示し、図4(b)は、高領域において測定された信号を示している。
出力信号Soの位相を遅らせることは、ディレイ回路27の可変抵抗素子19の抵抗値を変更することによって行われる。本実施形態では、可変抵抗素子19の抵抗値を、図4(a)に示した基準信号Srと共振電流波形との差分d1が実質的に0になるように調整する。なお、差分d1は、出力信号Soの立ち上がりエッジと共振電流のゼロクロスポイントとの差分である。本実施形態のディレイ回路27による位相の調整は、出力信号Soの立ち上がりを共振電流のゼロクロスポイントに合わせ込むように行われる。
基準信号Srの位相を遅らせることは、フィルタ回路25の可変抵抗素子17の抵抗値を変更することによって行われる。本実施形態では、可変抵抗素子17の抵抗値を、図4(b)に示した帰還信号Sfと共振電流波形との差分d2が実質的に0になるように調整する。なお、差分d2は、基準信号Srの立ち上がりエッジと共振電流のゼロクロスポイントとの差分である。本実施形態のフィルタ回路25による調整は、基準信号Srの立ち上がりを共振電流のゼロクロスポイントに合わせ込むように行われる。
このように、低領域における位相のずれをディレイ回路27で調整し、高領域における位相のずれをフィルタ回路25で調整することは、ディレイ回路27及びフィルタ回路25のコイルのインダクタンスや容量素子の容量の選択及び可変抵抗素子の抵抗値の設定によって実現できる。
本実施形態では、例えば、図2に示した位相調整回路10において、可変抵抗素子17の抵抗値を100Ω、可変抵抗素子19の抵抗値を10Ω、コイル素子15のインダクタンスを120μH、容量素子21の容量を100pF、容量素子16の容量を22pFとした場合に低領域。高領域のいずれにおいても85%以上の周波数変換効率を得ることができた。
図7に示した直線Roは、位相調整回路70において実際に得られる共振周波数と発振周波数との関係を示している。また、直線Iは、理想的な共振周波数と発振周波数との関係を示している。位相調整回路70において可変抵抗素子75及び容量素子C76を中心周波数fMで調整することにより、共振周波数と発振周波数とが一点で交わるものの、低領域及び高領域における直線Iと直線Roとの誤差が発生する。
一方、本実施形態の位相調整回路10によれば、図8中に示したように実際の特性が直線R1の場合、可変抵抗素子19により低域周波数における誤差が小さくなるよう調整して直線R2の特性とし、さらに高域周波数の誤差が小さくなるよう可変抵抗素子17を調整する。これにより、低域周波数から高域周波数において従来型の位相調整回路70の特性より、理想特性Iに近づけることが可能になる。
具体的には、図9によれば、比較例の従来型の位相調整回路70は、発振周波数が1.57MHzにおいて85.5%の比較的高い周波数変換効率を得ることができるが、発振周波数が1.7MHzにおいては85.1%、発振周波数が1.7MHzにおいては85.1%、発振周波数が1.79MHzにおいては76.1%、発振周波数が1.93MHzにおいては63.6%と高領域に向かうにしたがって周波数変換効率が下がっている。一方、本実施形態の位相調整回路10は、発振周波数が1.62MHzにおいては周波数変換効率が89.2%、発振周波数が1.74MHzにおいては88%、発振周波数が1.83MHzにおいては86.5%、発振周波数が1.95MHzにおいては85%と、低領域から高領域まで高い周波数変換効率を得ることができる。
なお、以上の調整は、インバータ回路3または給電装置1を出荷する前の検査時に行われる。基準信号Srと帰還信号Sfとの間の位相のずれは、製品ごとに異なるため、可変抵抗素子17、19の調整量は製品ごとに異なっている。このため、可変抵抗素子17、19の調整は、製品ごとに行うことが望ましい。
(1) 基準信号を入力する基準信号入力端子と、帰還信号を入力する帰還信号入力端子と、前記基準信号と前記帰還信号との位相差に基づく出力信号を出力する出力端子と、を有する位相同期回路と、前記基準信号入力端子及び前記出力端子に接続され、前記位相同期回路を含む回路本体の発振周波数が第1レベルである場合に前記基準信号の位相を遅延させる第1回路と、前記出力端子に接続され、前記回路本体の発振周波数が前記第1レベルよりも低い第2レベルである場合に前記出力信号を遅延させる第2回路と、を備える、位相調整回路。
(2) 前記第1回路は、第1容量素子、コイル素子及び抵抗値が可変の第1抵抗素子を含むフィルタ回路である、(1)の位相調整回路。
(3) 前記第2回路は、第2容量素子及び抵抗値が可変の第2抵抗素子を含むディレイ回路である、(1)または(2)の位相調整回路。
(4) (1)から(3)のいずれか一つに記載の位相調整回路を含む、インバータ回路。
(5) (4)のインバータ回路を含む給電装置。
3・・・インバータ回路
5・・・負荷
10・・・位相調整回路
11・・・NOT回路
13・・・PLL回路
13a・・・基準信号入力端子
13b・・・帰還信号入力端子
13c・・・出力端子
15・・・コイル素子
16・・・容量素子
17、19・・・可変抵抗素子
21・・・容量素子
22・・・バッファ回路
25・・・フィルタ回路
27・・・ディレイ回路
33・・・PWM制御回路
31・・・インバータ回路電源
51、52・・・共振コイル
53、54・・・共振コンデンサ
311、312、313、314・・・ドライブ回路
Claims (5)
- 基準信号を入力する基準信号入力端子と、帰還信号を入力する帰還信号入力端子と、前記基準信号と前記帰還信号との位相差に基づく出力信号を出力する出力端子と、を有する位相同期回路と、
前記基準信号入力端子及び前記出力端子に接続され、前記位相同期回路を含む回路本体の発振周波数が第1レベルである場合に前記基準信号の位相を遅延させる第1回路と、
前記出力端子に接続され、前記回路本体の発振周波数が前記第1レベルよりも低い第2レベルである場合に前記出力信号を遅延させる第2回路と、
を備える、位相調整回路。 - 前記第1回路は、第1容量素子、コイル素子及び抵抗値が可変の第1抵抗素子を含むフィルタ回路である、請求項1に記載の位相調整回路。
- 前記第2回路は、第2容量素子及び抵抗値が可変の第2抵抗素子を含むディレイ回路である、請求項1または2に記載の位相調整回路。
- 請求項1から3のいずれか1項に記載の位相調整回路を含む、インバータ回路。
- 請求項4のインバータ回路を含む給電装置。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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