JP5718170B2 - 非接触で充電される電子装置及び高周波整流器 - Google Patents
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Description
給電先装置では、受電した交流電力を整流器で直流電力に変換し、内蔵の充電池に充電する。このような電磁誘導方式では、互いのコイルの位置ずれにより、電力効率が低下したり、異物の進入により加熱されたり、電磁波やノイズの影響が出たりするという問題がある。
但し、SBDは、高周波帯において高耐電圧、高電流定格のものが殆ど無いために、使用周波数がギガヘルツ帯のような高周波になると、整流効率が低下する。複数のSBDを並列に接続することで高周波帯に対応させることができるが、複数のSBDの特性にバラツキ等があると電力分配が均一でなくなり、入力された交流電力が1つのSBDに集中して整流効率の低下や素子の破損が起きるという問題がある。また、電流定格の大きい高周波帯対応のSBDを特別に製作することもで高周波帯に対応することもできるが、コスト面で現実的ではない。
また、非特許文献1では、伝送線路とFETのゲート端子との間に出力フィルタが挿入されているために、回路の小型化が困難であり、携帯電話等のような小型の電子装置への採用には不適であった。
そのため、電磁界共鳴方式や電波受信方式による非接触充電は、容量の小さい充電池を小電力(数十[mW])で充電する用途に限られていた。
しかし、スマートフォン等のような携帯型の電子装置で必要とされる中電力(1〜4[W]程度)による急速充電を非接触充電で行うことへの要望は大きい。
これにより、携帯電話等のような小形の電子装置への非接触充電を大電力で安定的に行うことができ、急速充電や大容量の充電池への充電が容易になる。
図1Aは電磁界共鳴方式による充電システムの構成図である。給電元装置2から給電先装置1へは、コイル21、14を介して電力が給電される。また、図1Bは、電波受信方式による充電システムの構成図である。給電元装置2から給電先装置1へは、電波により電力が給電される。そのために図1Bでは、給電元装置2が電波を空間へ放射するための送信部22を有し、給電先装置1が給電元装置2から放射された電波を受信するための受信部15を有している。このように、図1A、Bの例では電力の受け渡し方式が異なるが、他の構成は、ほぼ同じである。
高周波整流器10は、給電元装置2から給電された高周波の交流電力を直流電力に整流する。高周波整流器10から出力される直流電力は、充電制御器11の制御により充電池12に充電される。充電制御器11は、充電池12の充電量等の充電状態の監視と、報知部13の制御をも行う。具体的には、充電池12の充電状態に見合った報知信号を生成し、この報知信号により、所定の色のライトの点灯、文字表示或いは音により外部へ報知する。
なお、伝送線路Lとは、入力された交流電力を整流した後、後段回路へ直流電力として伝達するための伝送線路である。
なお、接合型ではないMOS(Metal Oxide Semiconductor )型のFETでは、一般に高周波帯に対応し且つ電流定格の大きい寄生ダイオードを備えたものが殆ど無く、また大きな逆回復時間が生じるため、SBD同様に高周波の整流には不向きである。
FETのゲート端子G−ソース端子S間及びゲート端子G−ドレイン端子D間のキャパシタには、FET内に構成される真性キャパシタと、パッケージ、リード等のFETの使用環境によって生ずるキャパシタである寄生キャパシタとがある。ゲート端子G−ソース端子S間の真性キャパシタをCgs、寄生キャパシタをCgs’、ゲート端子G−ドレイン端子D間の真性キャパシタをCgd、寄生キャパシタをCgd’、ゲート端子GのボンディングワイヤやリードフレームのインダクタンスをLg、誘導性素子107のインダクタンスをL1とすると、使用周波数Fは、下記の式で与えられる。
F=1/[2π√{(Cgs+Cgs’)
+(Cgd+Cgd’)}
*(L1+Lg)]
このようなFETの場合、2つの内部ダイオードの特性が異なるために、整流効率の低下や電力配分が不均一になり、電流に偏りが生じて、半導体が破損することがある。このようなFETを用いる場合は、図3に示す高周波整流器10の変形例ように、2つのソース端子Sの両方を開放にするとともに、開放によるリアクタンス負荷の影響を低減するようにオープンスタブ106を付加することで、電流定格が低下するが整流効率の低下やFETの破損の可能性を低減させることができる。
ここで、ソース端子Sに代えてドレイン端子Dを開放することも可能である。しかし、前述の通り、一般にソース端子Sが2端子で構成されているために、高周波においてはインピーダンスの整合をとることが難しくなり、また、ドレイン端子Dと比べて耐電圧が低いものが多いため、ドレイン端子Dの開放は好適ではない。
オープンスタブ104は、整流された電力に含まれる交流成分、例えばFET101の歪みにより発生する高調波成分に対して、伝送線路Lの負荷が高インピーダンス負荷になるように形成する。これにより高調波電流の通電が抑えられる。スタブ長は、例えば二次高調波波長(λ)に対して1/4とする。
オープンスタブ105は、入力された電力の交流成分を全反射させ、整流後の電力の交流成分が出力側に流れこむのを防いで、チョークコイル102に再入力させる。スタブ長は、例えば整流前の交流電力の波長に対して略1/4とする。
図4Aは、厚さ1.0[mm]、縦横2[cm]×2[cm]のPPE(ポリフェニレンエーテル)製の基板108上に上記部品を形成した、いわゆる片面直付型の高周波整流器10の例である。この高周波整流器10は、整合回路100に入力される交流電力の周波数をF=1[GHz]に設定し、FET101にはGaAs製のものを用い、2つのソース端子Sの一方を伝送線路Lに接続し、他方を開放し、オープンスタブ106を接続している。すなわち、図2に対応したものとなっている。
これらに対して、本実施形態による高周波整流器10の整流効率(図中、図4Aに対応する特性が実線(A)で表され、図4Bに対応する特性が破線(B)で表され、図4Cに対応する特性が点線(C)で表される)は、最も効率が悪化する4[W]時でも50%程度あり、整流効率が格段に改善されている。本実施形態の高周波整流器10では、図4Aの例が最も高効率で整流を行っており、次いで、図4C、図4Bの順で、整流効率が高い。
また、伝送線路Lに、FET101のドレイン端子D及びソース端子S、あるいはドレイン端子Dが直接接続されるため、出力フィルタがゲート端子と伝送線路との間に挿入される従来のこの種の高周波整流器に比べて、回路全体の小型化を図ることができる。
そのため、給電先装置1の充電制御器11で、高周波整流器10で整流された電力を充電池に充電するための制御を行うことにより、携帯電話等のような小形の電子装置への非接触充電を高周波且つ大電力で行うことができ、急速充電や大容量の充電池への充電が容易になる。
Claims (5)
- 伝送線路上の高周波の交流電力を非同期整流する接合型の電界効果トランジスタと、
この電界効果トランジスタで整流された電力を後段回路へ導くチョークコイルと、
前記電界効果トランジスタの出力側と前記チョークコイルの入力側との間に接続され、整流後の電力に含まれる交流成分に対するインピーダンスを高める第1オープンスタブとを備え、
前記電界効果トランジスタは、そのゲート端子が寄生容量成分を相殺するための誘導性素子を介して接地されており、そのソース端子及びドレイン端子の少なくとも一方が前記伝送線路に接続されている、
高周波整流器。 - 前記チョークコイルの出力側に、交流電力を全反射させる第2オープンスタブが接続されている、
請求項1記載の高周波整流器。 - 前記電界効果トランジスタのソース端子に、当該ソース端子のリアクタンス負荷を大きくするための第3オープンスタブが接続されている、
請求項1または2記載の高周波整流器。 - 前記電界効果トランジスタの入力側に、容量性素子で構成された入力インピーダンス整合回路が設けられている、
請求項1乃至3のいずれか1項記載の高周波整流器。 - 請求項1〜4のいずれか1項記載の高周波整流器と、
この高周波整流器で整流された電力を充電池に充電するための制御を行う充電制御器と、を備えて成る、
非接触充電による給電を受ける電子装置。
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