JP5847336B2 - 高周波電源用整流回路 - Google Patents

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Description

この発明は、高周波における交流電源の整流を行う高周波電源用整流回路に関するものである。
図１１に従来技術によるＭＨｚ帯の整流におけるブリッジ整流回路を示す。このブリッジ整流回路は、５０／６０Ｈｚの低周波で使用されるブリッジ整流回路と構成は同じであり、ダイオードＤ１〜Ｄ４のみ高速動作用の素子に置き換えている。そして、図１１に示すブリッジ整流回路と平滑回路により、共振型受信アンテナ１０から入力される交流電圧Ｖｉｎを直流電圧へ整流し変換している（例えば非特許文献１参照）。
２０１３年電子情報通信学会総合大会ＢＣＳ−１−１８
しかしながら、従来構成では、低周波で使用されるブリッジ整流回路の構成をそのまま適用している。そのため、ＭＨｚ帯以上の高周波における整流において、ダイオードＤ１〜Ｄ４のスイッチング損失が増加し、電力変換効率が低下するという課題がある（一般的に電力変換効率は８５％以下と言われている）。
そして、整流動作時に発生する回路の電力損失は、熱エネルギーとなって回路基板の温度上昇に繋がる。これは、回路基板の動作環境温度を上げることになり、使用部品の寿命を短くすることになる。そのため、排熱装置を備えるなどの対策が必要となり、コスト増、大型化、質量増の原因にもなっている。
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、２ＭＨｚ以上の高周波における交流電圧の整流において、高い電力変換効率特性を得ることができる高周波電源用整流回路を提供することを目的としている。
この発明に係る高周波電源用整流回路は、電力伝送用受信アンテナが接続される一対の入力端子と、一対の出力端子と、一対の入力端子のうちの一方の端子である、電力伝送用受信アンテナから２ＭＨｚを超える高周波の交流電圧が入力される端子に、一端が接続されたインダクタと、寄生容量を有し、インダクタの他端と、一対の入力端子のうちの他方の端子とに接続されたブリッジ整流回路と、ブリッジ整流回路と一対の出力端子との間で、当該一対の出力端子のうちの一方の端子に一端が接続され、他方の端子に他端が接続された平滑コンデンサとを備え、インダクタ、寄生容量及び平滑コンデンサにより、ブリッジ整流回路の整流の際のスイッチング動作を部分共振スイッチングさせるものである。
この発明によれば、上記のように構成したので、２ＭＨｚ以上の高周波における交流電圧の整流において、高い電力変換効率特性を得ることができる。
この発明の実施の形態１に係る高周波電源用整流回路の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である（共振条件可変型ＬＣ回路を設けた場合）。 この発明の実施の形態１に係る高周波電源用整流回路の別の構成を示す図である（ダイオードに代えてＦＥＴを用いた場合）。 従来の高周波電源用整流回路の構成を示す図である。
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る高周波電源用整流回路の構成を示す図である。
高周波電源用整流回路は、２ＭＨｚを超える高周波における交流電圧Ｖｉｎの整流を行うものである。この高周波電源用整流回路は、図１に示すように、共振型受信アンテナ（電力伝送用受信アンテナ）１０が接続される一対の入力端子と、一対の出力端子との間に、ダイオードＤ１〜Ｄ４、コンデンサＣ１０〜Ｃ４０、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１００を備えている。
なお、共振型受信アンテナ１０は、ＬＣ共振特性を持つ電力伝送用の共振型アンテナである（非接触型のみに限定されない）。この共振型受信アンテナ１０は、磁界共鳴型、電界共鳴型、電磁誘導型のいずれであってもよい。
ダイオードＤ１〜Ｄ４は、共振型受信アンテナ１０から入力された２ＭＨｚを超える高周波における交流電圧Ｖｉｎを直流電圧に変換するためのブリッジ整流回路を構成する整流素子である。ブリッジ整流回路は、一対の入力端子のうちの共振型受信アンテナ１０から交流電圧Ｖｉｎが入力される端子に一端が接続されたインダクタの他端と、当該一対の入力端子のうちの他方の端子とに接続されている。このダイオードＤ１〜Ｄ４としては、高周波（ＲＦ；Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）用のダイオードに限らず、例えばＳｉ型やＳｉＣ型、ＧａＮ型などのダイオードまたはショットキーバリアダイオードなどの素子を用いることが可能である。
コンデンサＣ１０〜Ｃ４０は、ダイオードＤ１〜Ｄ４の寄生容量またはダイオードＤ１〜Ｄ４に並列接続されたディスクリート素子との複合容量により構成された定数である。
インダクタＬ１は、入力側の共振型受信アンテナ１０とのインピーダンス整合を取る（共振型受信アンテナ１０との間で共振条件を合わせる）ための整合機能回路を構成する素子である。このインダクタＬ１としては、空芯コイルや磁性体コイルなどを用いることが可能である。
コンデンサＣ１００は、ダイオードＤ１〜Ｄ４により整流されたリップル電圧を直流電圧に平滑するための平滑機能回路を構成する素子である。コンデンサＣ１００は、ブリッジ整流回路と一対の出力端子との間で、当該一対の出力端子のうちの一方の端子に一端が接続され、他方の端子に他端が接続されている。このコンデンサＣ１００としては、セラミックコンデンサやタンタルコンデンサ、フィルムコンデンサなどの素子を用いることが可能である。
このように、本発明の高周波電源用整流回路では、３つの機能（整合機能、整流機能、平滑機能）を１つの回路構成の中に有し、それぞれを切り分けた回路設計では成立しない構成となっている。そして、インダクタＬ１とコンデンサＣ１０〜Ｃ４０とコンデンサＣ１００による複合機能により、共振型受信アンテナ１０の出力インピーダンスとの整合を取る働きを持ち、また、ダイオードＤ１〜Ｄ４の整流の際のスイッチング動作を部分共振スイッチングさせる機能を合わせ持つ。これにより、ダイオードＤ１〜Ｄ４のスイッチング損失を低減する。
次に、上記のように構成された高周波電源用整流回路の動作について説明する。
まず、共振型受信アンテナ１０から２ＭＨｚを超える高周波の交流電圧Ｖｉｎが入力されると、インダクタＬ１とコンデンサＣ１０〜Ｃ４０とコンデンサＣ１００による複合機能により、共振型受信アンテナ１０の出力インピーダンスとの整合が図られる。そして、その整合状態を維持しながら、ダイオードＤ１〜Ｄ４により、入力された交流電圧Ｖｉｎが片側電位（正電位）のリップル電圧に整流される。このとき、ダイオードＤ１〜Ｄ４によるスイッチング動作は、インダクタＬ１とコンデンサＣ１０〜Ｃ４０とコンデンサＣ１００による複合機能により部分共振スイッチング動作となり、ＺＶＳ（ゼロボルテージスイッチング）状態に近づくため、スイッチング損失の少ない動作が図られる。そして、整流されたリップル電圧は、コンデンサＣ１００により直流電圧へ平滑され出力される。
以上の一連の動作により、入力された高周波の交流電圧Ｖｉｎを高い電力変換効率（９０％以上）で直流電圧へ整流し出力することが可能である。
以上のように、この実施の形態１によれば、ブリッジ整流回路に整合回路及び平滑回路の機能を設け、ブリッジ整流回路の整流の際のスイッチング動作を部分共振スイッチングさせるように構成したので、整流動作の特性としてこれらの機能も有し、入力側の共振型受信アンテナ１０の出力インピーダンス特性との整合、また、出力側の負荷インピーダンス特性との整合を取った整流動作を可能とする。これにより、ＭＨｚ帯以上の高周波における整流動作時の損失を大幅に改善することができ、高い電力変換効率（効率９０％以上）を達成することができる。
また、整流動作時に発生する回路の電力損失が少ないため、発生する熱エネルギーも少なく回路基板の温度上昇も低く抑えられることから、動作環境温度が使用部品の寿命に与える影響を少なくできる。そのため、従来の排熱装置を備えるなどの対策が不要となり、コストの削減、小型、軽量化及び低消費電力化を図ることができる。
なお図１では、コンデンサＣ１０〜Ｃ４０、ダイオードＤ１〜Ｄ４、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１００を用いて高周波電源用整流回路を構成した場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば図２〜８に示すような構成としてもよい。ここで、高周波電源用整流回路は、共振型受信アンテナ１０の構成（出力インピーダンス）と、高周波電源用整流回路の出力（ＤＣｏｕｔｐｕｔ）側に繋がる装置の入力インピーダンスとに応じて、図１〜８の構成のうち最適なものが選定される。
また図１では、整合機能回路を構成するインダクタＬ１の定数が固定であり、共振条件が固定であるとして説明を行ったが、これに限るものではなく、例えば図９に示すように、共振条件を可変とする共振条件可変型ＬＣ回路（第１，２の共振条件可変型ＬＣ回路１ａ，１ｂ）を用いてもよい。なお図９は、図１〜８に示す構成のうち部品点数が最も多い図６の構成に対して共振条件可変型ＬＣ回路を適用したものであり、共振条件可変範囲が最も広くなる。図９の例では、第１の共振条件可変型ＬＣ回路１ａは、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１，Ｃ２の定数を可変とし、第２の共振条件可変型ＬＣ回路１ｂは、インダクタＬ１００及びコンデンサＣ１００，Ｃ２００の定数を可変としている。
図１〜５，７，８についても同様に共振条件可変型ＬＣ回路を適用可能である。ここで、図１の場合には、インダクタＬ１の定数を可変とする共振条件可変型ＬＣ回路を設ける。また、図２の場合には、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１の定数を可変とする共振条件可変型ＬＣ回路を設ける。また、図３の場合には、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１，Ｃ２の定数を可変とする共振条件可変型ＬＣ回路を設ける。また、図４の場合には、コンデンサＣ１００の定数を可変とする共振条件可変型ＬＣ回路を設ける。また、図５の場合には、インダクタＬ１００及びコンデンサＣ２００の定数を可変とする共振条件可変型ＬＣ回路を設ける。また、図７の場合には、インダクタＬ１及びコンデンサＣ１の定数を可変とする共振条件可変型ＬＣ回路を設ける。また、図８の場合には、インダクタＬ１の定数を可変とする共振条件可変型ＬＣ回路を設ける。
実施の形態２．
図１０はこの発明の実施の形態２に係る高周波電源用整流回路の構成を示す図である。図１０に示す実施の形態２に係る高周波電源用整流回路は、図１に示す実施の形態１に係る高周波電源用整流回路のダイオードＤ１〜Ｄ４をパワー素子Ｑ１〜Ｑ４に変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。
パワー素子Ｑ１〜Ｑ４は、共振型受信アンテナ１０から入力された２ＭＨｚを超える高周波における交流電圧Ｖｉｎを直流電圧に変換するためのブリッジ整流回路を構成する素子である。なお、パワー素子Ｑ１〜Ｑ４のボディダイオードの方向は、実施の形態１のダイオードＤ１〜Ｄ４と同じ方向となるように配置する。このパワー素子Ｑ１〜Ｑ４としては、ＲＦ用のＦＥＴに限らず、例えばＳｉ−ＭＯＳＦＥＴやＳｉＣ−ＭＯＳＦＥＴ、ＧａＮ−ＦＥＴなどの素子を用いることが可能である。
このように、ダイオードＤ１〜Ｄ４に代えてパワー素子Ｑ１〜Ｑ４を用いて高周波電源用整流回路を構成するようにしても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
なお図１０では、図１のダイオードＤ１〜Ｄ４をパワー素子Ｑ１〜Ｑ４で置き換えた構成について示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば図２〜８のダイオードＤ１〜Ｄ４をパワー素子Ｑ１〜Ｑ４で置き換えた構成としてもよい。ここで、高周波電源用整流回路は、共振型受信アンテナ１０の構成（出力インピーダンス）と、高周波電源用整流回路の出力（ＤＣ ｏｕｔｐｕｔ）側に繋がる装置の入力インピーダンスとに応じて、図１〜８のダイオードＤ１〜Ｄ４をパワー素子Ｑ１〜Ｑ４で置き換えた構成のうち最適なものが選定される。
また図１０では、整合機能回路を構成するインダクタＬ１の定数が固定であり、共振条件が固定であるとして説明を行ったが、これに限るものではなく、共振条件を可変とする共振条件可変型ＬＣ回路を用いてもよい。また、図２〜８のダイオードＤ１〜Ｄ４をパワー素子Ｑ１〜Ｑ４で置き換えた構成についても同様に、共振条件可変型ＬＣ回路を適用可能である。
また、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。
この発明に係る高周波電源用整流回路は、２ＭＨｚ以上の高周波における交流電圧の整流において、高い電力変換効率特性を得ることができ、高周波における交流電源の整流を行う高周波電源用整流回路等に用いるのに適している。
１ａ，１ｂ 共振条件可変型ＬＣ回路、１０ 共振型受信アンテナ（電力伝送用受信アンテナ）。

Claims (8)

  1. 電力伝送用受信アンテナが接続される一対の入力端子と、
    一対の出力端子と、
    前記一対の入力端子のうちの一方の端子である、前記電力伝送用受信アンテナから２ＭＨｚを超える高周波の交流電圧が入力される端子に、一端が接続されたインダクタと、
    寄生容量を有し、前記インダクタの他端と、前記一対の入力端子のうちの他方の端子とに接続されたブリッジ整流回路と、
    前記ブリッジ整流回路と前記一対の出力端子との間で、当該一対の出力端子のうちの一方の端子に一端が接続され、他方の端子に他端が接続された平滑コンデンサとを備え、
    前記インダクタ、前記寄生容量及び前記平滑コンデンサにより、前記ブリッジ整流回路の整流の際のスイッチング動作を部分共振スイッチングさせる
    ことを特徴とする高周波電源用整流回路。
  2. 電力伝送用受信アンテナが接続される一対の入力端子と、
    一対の出力端子と、
    前記一対の入力端子のうちの一方の端子である、前記電力伝送用受信アンテナから２ＭＨｚを超える高周波の交流電圧が入力される端子に、一端が接続されたインダクタと、
    寄生容量を有し、前記インダクタの他端と、前記一対の入力端子のうちの他方の端子とに接続されたブリッジ整流回路と、
    前記ブリッジ整流回路と前記一対の出力端子との間で、当該一対の出力端子のうちの一方の端子に一端が接続され、他方の端子に他端が接続された平滑コンデンサと、
    前記ブリッジ整流回路を構成する各素子に並列接続されたコンデンサとを備え、
    前記インダクタ、前記寄生容量、前記コンデンサ及び前記平滑コンデンサにより、前記ブリッジ整流回路の整流の際のスイッチング動作を部分共振スイッチングさせる
    ことを特徴とする高周波電源用整流回路。
  3. 前記ブリッジ整流回路は、ダイオードを用いて構成された
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の高周波電源用整流回路。
  4. 前記ダイオードは、高周波用のダイオード以外のダイオードである
    ことを特徴とする請求項３記載の高周波電源用整流回路。
  5. 前記ブリッジ整流回路は、電界効果トランジスタを用いて構成された
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の高周波電源用整流回路。
  6. 前記インダクタは、磁界共鳴による前記電力伝送用受信アンテナとの間で共振条件を合わせる
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の高周波電源用整流回路。
  7. 前記インダクタは、電磁誘導による前記電力伝送用受信アンテナとの間で共振条件を合わせる
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の高周波電源用整流回路。
  8. 前記インダクタは共振条件を可変とする
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の高周波電源用整流回路。
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