JP6076057B2 - 整流回路 - Google Patents

Description

本発明は、高周波電力を直流電力に変換する整流回路に関する。

移動体に無線で電力を供給したり、宇宙空間または上空で太陽光発電した電力を地上に無線で電送する技術の開発が行われている。無線電力伝送では、エネルギーハーベスティングを目的とした受電装置にレクテナ装置が用いられる。レクテナ装置は、アンテナ部と整流回路から構成される。レクテナ装置では、整流回路の変換効率を高めることが求められる。

例えば、ミリ波等の高周波においても高効率なレクテナ装置の技術が特許文献２に記載されている。特許文献２のレクテナ装置は、電波を受信する受信手段と、受信手段が受信した電波を整流する整流手段と、整流手段で整流された電波の偶数次高調波ではインピーダンスが零、奇数次高調波ではインピーダンスが無限大となる共振回路とを備える。

整流回路に用いられるダイオードの技術に関して、例えば特許文献１には、調整方法が明確で、マイクロ波帯においてダイオードの持つ特性を引き出すダイオード回路が記載されている。特許文献１のダイオード回路は、伝送線路に長さが１／２波長のインピーダンス変換ラインを挿入し、インピーダンス変換ラインの中心にダイオードを並列接続し、ダイオードのアノード側とカソード側にダイオードのリアクタンス成分を打ち消す調整スタブを設けている。インピーダンス変換ラインの特性インピーダンスはダイオードのインピーダンスと伝送線路の特性インピーダンスとが整合するように設定したものである。

特開平０３−８９７０１号公報 特開２０１２−７５２２７号公報

整流回路に用いられるダイオードは、ベアチップ状態または樹脂モールドやセラミックによる封止状態のパッケージ品で市販されている。信頼性が求められる環境下ではパッケージ品が使用される場合が多い。パッケージ品には、ベアチップと基板へのワイヤボンド特性とリードフレームによる寄生インダクタンス成分と、端子間および実装端子面積による寄生キャパシタンス成分が存在する。これら寄生インダクタンス成分と寄生キャパシタンス成分を併せて、寄生リアクタンス成分と称する。

整流回路のように、高周波電力から直流電力への変換効率（以下、ＲＦ−ＤＣ変換効率と称する）に高い性能が求められる場合には、逆方向電圧印加時の大信号動作時における寄生リアクタンス成分を除去する必要がある。また、さらなる効率化のためには、整流回路の入力対象である高周波電力の基本波に加えて、奇数次高調波において、ダイオードの寄生リアクタンス成分を除去する必要がある。

特許文献１の技術はダイオードを用いた高速スイッチングを目的としたものであり、カソード側に設けた扇形の先端開放形スタブは、ダイオード実装部のカソード側を高周波的に短絡させる目的を有している。しかしながら、直流に対して短絡経路とはならないため、整流回路には特許文献１の調整スタブを用いることはできない。

この発明は、上術のような問題点を解決するためになされたものであり、大電力入力において整流動作するような場合であっても、高いＲＦ−ＤＣ変換効率を有する整流回路を得ることを目的とする。

本発明の第１の観点に係る整流回路は、入力端子から高周波電力が入力される入力側高調波処理回路と、出力端子から直流電力を出力する出力側高調波処理回路と、入力側高調波処理回路の出力端子と出力側高調波処理回路の入力端子の接続点に一端が接続され、他端が地導体に接続されたダイオードと、を備える。入力側高調波処理回路は、整流回路が入力対象とする高周波電力の基本波以外の奇数次高調波に対して、接続点からみたインピーダンスが開放とみなされ、出力側高調波処理回路は、接続点からみたインピーダンスが、整流回路が入力対象とする高周波電力の基本波および奇数次高調波に対して開放とみなされて、かつ、偶数次高調波に対して短絡とみなされる。そして、整流回路が入力対象とする高周波電力の奇数次高調波の周波数における、ダイオードの寄生リアクタンス成分を打ち消す第１のリアクタンス回路を、ダイオードに並列に備える。

本発明によれば、大電力入力において整流動作するような場合であっても、高いＲＦ−ＤＣ変換効率を有する整流回路を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る整流回路の構成を表すブロック図である。 実施の形態１に係る第１のリアクタンス回路がない場合のインピーダンスの軌跡を示す図である。 実施の形態１に係る第１のリアクタンス回路がある場合のインピーダンスの軌跡を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る整流回路の構成を表すブロック図である。 実施の形態２に係るインピーダンスの第１の軌跡を示す図である。 実施の形態２に係るインピーダンスの第２の軌跡を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、図中、同一または同等の部分に同じ符号を付す。

実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係る整流回路の構成を表すブロック図である。本実施の形態１では、基本波の寄生リアクタンス成分を並列共振によって打ち消す回路構成を示す。

本実施の形態１における整流回路は、信号源１から入力される高周波電力を直流に変換して、負荷抵抗６に供給する。整流回路は、整合回路２、入力側高調波処理回路３、出力側高調波処理回路４、ダイオード５、およびリアクタンス回路１１（第１のリアクタンス回路）から構成される。

ダイオード５のカソード側が高周波線路１０に、アノード側が地導体２０に接続される。ダイオード５の信号源１側に入力側高調波処理回路３、さらにその信号源１側に整合回路２が設けられる。ダイオード５の負荷抵抗６側には、出力側高調波処理回路４が実装される。

整合回路２は、信号源１と整流回路をインピーダンス整合するために挿入されている。整合回路２は、例えば、高周波線路２１および先端開放形スタブ２２から構成される。

入力側高調波処理回路３は、整流回路が入力対象とする高周波電力の基本波以外の奇数次高調波に対して、ダイオード５の接続点３０からみたインピーダンスが開放とみなされる。出力側高調波処理回路４は、接続点３０からみたインピーダンスが、整流回路が入力対象とする高周波電力の基本波および奇数次高調波に対して、開放とみなされて、かつ、偶数次高調波に対して短絡とみなされる。

整流回路の構成要素である入力側高調波処理回路３および出力側高調波処理回路４の具体的な構成は、特に制限はない。ここでは、入力側高調波処理回路３として、例えば、接続点３０から信号源１側に、整流回路が入力対象とする高周波電力の基本波で１／４波長（高周波線路３１）離れたところに、２次高調波と３次高調波で１／４波長となる先端開放形スタブ３２、３３をそれぞれ配置し、基本波に対する整合回路を有するものとする。また、出力側高調波処理回路４として、接続点３０から負荷抵抗側に、整流回路が入力対象とする高周波電力の基本波で１／４波長（高周波線路４１）離れたところに、整流回路が入力対象とする高周波電力の基本波および２次高調波で１／４波長となる先端開放形スタブ４２、４３を配置する。入力側高調波処理回路３および出力側高調波処理回路４に、先端開放形スタブ以外の回路要素を用いてもよい。また、抑圧する高調波の次数は３次までに限らない。

リアクタンス回路１１（第１のリアクタンス回路）は、整流回路が入力対象とする高周波電力高周波電力の奇数次高調波の周波数における、ダイオード５の寄生リアクタンス成分を打ち消すものである。リアクタンス回路１１は、ダイオード５に並列に接続される。図１のような整流回路により、信号源１から入力される高周波信号を、負荷抵抗６で直流電力として取り出すことが可能となる。

リアクタンス回路１１は、例えば、整流回路が入力対象とする高周波電力の基本波において、電気長が１／２波長以下の先端開放形スタブである。あるいは、リアクタンス回路１１を、例えば、整流回路が入力対象とする高周波電力の基本波において、電気長が１／２波長以下の直流遮断を備える先端短絡形スタブとしてもよい。

図１のＺｄは、高周波線路１０のダイオード５の接続点から、ダイオード５を含んで負荷抵抗６側を見た基本波におけるインピーダンスを示す。Ｚｄ’はリアクタンス回路１１を含んで負荷抵抗６側を見た基本波におけるインピーダンスを示す。Ｚｆは入力側高調波処理回路３を含んで負荷抵抗６側を見た基本波におけるインピーダンスを示し、Ｚｒｅｃは整合回路２を含んで負荷抵抗６側を見た基本波におけるインピーダンスを示す。

ここで、整流回路動作の一例を挙げる。図２は、実施の形態１に係る第１のリアクタンス回路がない場合のインピーダンスの軌跡を示す図である。インピーダンスＺｄが点Ａにある場合、入力側高調波処理回路３の内部にある高周波線路３１と２倍波で１／４波長となる先端開放形スタブ３２と３倍波で１／４波長となる先端開放形スタブ３３により、インピーダンスＺｆは点Ｂに移る。また、整合回路２を構成する高周波線路２１と先端開放形スタブ２２によって、点Ｃを経てＺｒｅｃは点Ｄに移る。なお、ここは全て基本波におけるインピーダンスを示す。

しかしながら、インピーダンスが点Ａからスミスチャート上を大きく回転して点Ｄの整合点に至るため、現実にはばらつきの影響を受け易い傾向にある。例えば、基板上に配置した高周波線路や先端開放形スタブの導体幅、銅体長、または基板の誘電率、基板厚等のばらつきによりインピーダンスの軌跡が変化しやすく、軌跡が長いことから反射整合の誤差が大きくなる傾向にある。その結果、整流回路のＲＦ−ＤＣ変換効率が低下しやすい。

図３は、実施の形態１に係る第１のリアクタンス回路がある場合のインピーダンスの軌跡を示す図である。インピーダンスＺｄが点Ａにある状態から、リアクタンス回路１１により、点Ａ’（インピーダンスＺｄ’）まで移動する。入力側高調波処理回路３によりインピーダンスＺｆは点Ｂ’に移り、さらに整合回路２によって点Ｃ’を経てインピーダンスＺｒｅｃは点Ｄ’に移る。なお、ここは図２と同じく全て基本波のインピーダンスを示す。

インピーダンスＺｄ’がリアクタンス成分を持たない点Ａ’にあることで、ダイオード端で無効電力を発生させず、ダイオード素子そのものの特性を発揮することが可能となる。また、点Ｂ’、点Ｃ’、点Ｄ’は５０Ωを中心としてインピーダンスの変化量が少ないため、図２に示すインピーダンスの軌跡と異なり、基板上に配置した高周波線路や先端開放形スタブの導体幅、銅体長、または基板の誘電率等のばらつきによるＲＦ−ＤＣ変換効率への影響は小さい。すなわち、ダイオード５に並列にリアクタンス回路１１を接続することにより、整流回路のばらつき要因に対してロバスト性を向上させることが可能である。

実施の形態１の整流回路によれば、ダイオード５の寄生リアクタンス成分を、第１のリアクタンス回路１１により打ち消すことで、ダイオード５に印加される高周波電力が整流される際に、リアクタンス成分における無効電力が発生しない。その結果、負荷抵抗６に消費される直流電力のみが取り出せることになり、入力側の反射整合を確保することで、高いＲＦ−ＤＣ変換効率が見込まれる。

実施の形態２
本実施の形態２では、整流回路が入力対象とする高周波電力の基本波および３次高調波における、ダイオードのリアクタンス成分を打ち消す回路構成を示す。

図４は、本発明の実施の形態２に係る整流回路の構成を表すブロック図である。本実施の形態２における整流回路では、ダイオード５のアノード側は地導体２０に接続され、カソード側はリアクタンス回路１２（第２のリアクタンス回路）が接続される。リアクタンス回路１２の他端は高周波線路１０に接続される。リアクタンス回路１１は、接続点３０においてダイオード５とリアクタンス回路１２からなる直列回路に並列に接続される。接続点３０から信号源１側に、入力側高調波処理回路３、さらに信号源１側には整合回路２が設けられる。接続点３０から負荷抵抗６側には、出力側高調波処理回路４が実装される。整合回路２、入力側高調波処理回路３および出力側高調波処理回路４は、実施の形態１と同様である。

リアクタンス回路１２（第２のリアクタンス回路）は、整流回路が入力対象とする高周波電力の奇数次高調波の周波数における、ダイオード５の寄生リアクタンス成分を打ち消す。リアクタンス回路１１（第１のリアクタンス回路）は、実施の形態１と同様である。これにより、信号源１から入力される高周波信号を、負荷抵抗６で直流電力として取り出すことが可能となる。なお、リアクタンス回路１１を設けずに、リアクタンス回路１２単独で用いてもよい。

図４のＺｄ１、Ｚｄ３はリアクタンス回路１２を含んで負荷抵抗６側を見た基本波および３倍波におけるインピーダンスを示す。Ｚｄ１’、Ｚｄ３’はリアクタンス回路１１を含んで負荷抵抗６側を見た基本波および３倍波におけるインピーダンスを示す。Ｚｆ１、Ｚｆ３は入力側高調波処理回路３を含んで負荷抵抗６側を見た基本波および３倍波におけるインピーダンスを示し、Ｚｒｅｃ１、Ｚｒｅｃ３は整合回路２を含んで負荷抵抗６側を見た基本波および３倍波におけるインピーダンスを示す。

ここで、整流回路動作の一例を挙げる。図５は、実施の形態２に係るインピーダンスの第１の軌跡を示す図である。基本波のインピーダンスＺｄ１および３次高調波のインピーダンスＺｄ３は、それぞれ点Ａおよび点Ｘに位置する。ダイオード５が有する寄生リアクタンス成分を打ち消すため、リアクタンス回路１２との直列共振を用いる。リアクタンス回路１２によって、図２または図３の点Ａ（インピーダンスＺｄ）は、図５の点Ａのように、リアクタンス成分が小さくなっている。

但し、１つの共振回路では、ダイオードの寄生リアクタンス成分Ｚｄ１およびＺｄ３を同時に打ち消すことは容易でない。さらに、リアクタンス回路１１との並列共振との組合せにより、寄生リアクタンス成分を打ち消すことが可能となる。リアクタンス回路１１によって、インピーダンスＺｄ１’、Ｚｄ３’は、それぞれ点Ａ’、点Ｙに移動する。

図６は、実施の形態２に係るインピーダンスの第２の軌跡を示す図である。入力側高調波処理回路３により、基本波のインピーダンスＺｆ１は点Ｂ’に移動する。３次高調波は入力側から漏れ出ることが無くなるため、Ｚｆ３は点Ｚに位置する。図６には軌跡を記載しないが、整合回路２によって基本波のインピーダンスＺｒｅｃ１は５０Ω中心に移動する。

以上説明したように、実施の形態２の整流回路によれば、ダイオード５に直列にリアクタンス回路１２を接続することにより、整流回路のばらつき要因に対してロバスト性を向上させることが可能である。さらに、ダイオード５に並列にリアクタンス回路１１を接続することにより、ダイオード５の寄生リアクタンスの影響をより小さくできる。その結果、負荷抵抗に消費される直流電力のみが取り出せることになり、入力側の反射整合を確保することで、高いＲＦ−ＤＣ変換効率が見込まれる。

１ 信号源、２ 整合回路、３ 入力側高調波処理回路、４ 出力側高調波処理回路、５ ダイオード、６ 負荷抵抗、１０ 高周波線路、１１ リアクタンス回路（第１のリアクタンス回路）、１２ リアクタンス回路（第２のリアクタンス回路）、２０ 地導体、２１ 高周波線路、２２ 先端開放形スタブ、３０ 接続点、３１ 高周波線路、３２ 先端開放形スタブ、３３ 先端開放形スタブ、４１ 高周波線路、４２ 先端開放形スタブ、４３ 先端開放形スタブ。

Claims (5)

1. 入力端子から高周波電力が入力される入力側高調波処理回路と、
   出力端子から直流電力を出力する出力側高調波処理回路と、
   前記入力側高調波処理回路の出力端子と前記出力側高調波処理回路の入力端子の接続点に一端が接続され、他端が地導体に接続されたダイオードと、
   を備える整流回路であって、
   前記入力側高調波処理回路は、前記整流回路が入力対象とする高周波電力の基本波以外の奇数次高調波に対して、前記接続点からみたインピーダンスが開放とみなされ、
   前記出力側高調波処理回路は、前記接続点からみたインピーダンスが、前記整流回路が入力対象とする高周波電力の基本波および奇数次高調波に対して開放とみなされて、かつ、偶数次高調波に対して短絡とみなされ、
   前記整流回路が入力対象とする高周波電力の奇数次高調波の周波数における、前記ダイオードの寄生リアクタンス成分を打ち消す第１のリアクタンス回路を、前記ダイオードに並列に備える、整流回路。
2. 前記第１のリアクタンス回路は、前記整流回路が入力対象とする高周波電力の基本波において、電気長が１／２波長以下の先端開放形スタブである、請求項１に記載の整流回路。
3. 前記第１のリアクタンス回路は、前記整流回路が入力対象とする高周波電力の基本波において、電気長が１／２波長以下の直流遮断を備える先端短絡形スタブである、請求項１に記載の整流回路。
4. 入力端子から高周波電力が入力される入力側高調波処理回路と、
   出力端子から直流電力を出力する出力側高調波処理回路と、
   一端が地導体に接続されたダイオードと、
   前記入力側高調波処理回路の出力端子と前記出力側高調波処理回路の入力端子の接続点に一端が接続され、他端が前記ダイオードの他端に接続された第２のリアクタンス回路と、
   を備える整流回路であって、
   前記入力側高調波処理回路は、前記整流回路が入力対象とする高周波電力の基本波以外の奇数次高調波に対して、前記接続点からみたインピーダンスが開放とみなされ、
   前記出力側高調波処理回路は、前記接続点からみたインピーダンスが、前記整流回路が入力対象とする高周波電力の基本波および奇数次高調波に対して開放とみなされて、かつ、偶数次高調波に対して短絡とみなされ、
   前記第２のリアクタンス回路は、前記整流回路が入力対象とする高周波電力の奇数次高調波の周波数における、前記ダイオードの寄生リアクタンス成分を打ち消す、整流回路。
5. 前記接続点に、前記整流回路が入力対象とする高周波電力の奇数次高調波の周波数における前記ダイオードの寄生リアクタンス成分を打ち消す、第１のリアクタンス回路を、前記第２のリアクタンス回路と前記ダイオードからなる直列回路に並列に備える、請求項４に記載の整流回路。

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