JP6188824B2

JP6188824B2 - 高周波電源用整流回路

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Publication number: JP6188824B2
Application number: JP2015554374A
Authority: JP
Inventors: 阿久澤　好幸; 好幸阿久澤; 酒井　清秀; 清秀酒井; 俊裕江副; 有基伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: JPWO2015097801A1; US20160248339A1; WO2015097801A1; US9742307B2

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１０に従来技術による倍電流整流回路を示す。この倍電流整流回路では、入力された３０ｋＨｚ前後の交流電圧Ｖｉｎを整流し、直流電圧へ変換して出力している（例えば特許文献１参照）。

特開２００８−１２５１９８号公報

しかしながら、従来構成では、３０ｋＨｚ前後の周波数帯を前提にした技術であるため、ＭＨｚ帯以上の高周波における整流に適用した場合、電力変換効率が良くないという課題がある。特に入力側に共振型受信アンテナなどの出力インピーダンスに高周波特性をもつ回路が繋がる場合、自身の倍電流整流回路の動作へ影響を及ぼし、本来の目的とする高効率な電力変換動作を維持することができない。
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以上の高周波における交流電圧が入力される端子に、一端が接続された第１のインダクタと、一端が第１のインダクタの他端に接続され、他端が一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第１のコンデンサと、一端が第１のインダクタの他端に接続され、他端が一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第２のインダクタと、第１の寄生容量を有し、一端が第２のインダクタの一端に接続された第１の整流素子と、第２の寄生容量を有し、一端が一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、他端が第１の整流素子の他端に接続された第２の整流素子と、一端が第１の整流素子の他端に接続された第３のインダクタと、一端が第３のインダクタの他端に接続され、他端が一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第２のコンデンサとを備え、第２，３のインダクタ、第１，２の寄生容量及び第１のコンデンサにより、第１，２の整流素子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（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２に係る高周波電源用整流回路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）。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別の構成を示す図である（ダイオードと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以上の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、ダイオードＤ１，Ｄ２、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ１２、インダクタＬ１，Ｌ２１、コンデンサＣ２１及びインダクタＬ１１から構成されている。
なお、共振型受信アンテナ（電力伝送用受信アンテナ）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，Ｄ２は、共振型受信アンテナ１０から入力された２ＭＨｚ以上の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倍電流整流回路を構成する整流素子である。このダイオードＤ１，Ｄ２としては、高周波（ＲＦ；ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）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又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Ｃ１，Ｃ２，Ｃ１２及びインダクタＬ１，Ｌ２１は、複合機能によりダイオードＤ１，Ｄ２における整流動作のための部分共振回路を構成するものである。この部分共振回路により、ダイオードＤ１，Ｄ２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。コンデンサＣ１，Ｃ２は、ダイオードＤ１，Ｄ２の寄生容量又は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。また、コンデンサＣ１２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を用いることが可能である。また、インダクタＬ１，Ｌ２１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Ｃ２１は、ダイオードＤ１，Ｄ２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。このコンデンサＣ２１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。

インダクタＬ１１及びコンデンサＣ１２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）機能、及びコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ１２及びインダクタＬ１，Ｌ２１による部分共振回路とのインピーダンス整合を取る（部分共振回路との間で共振条件を合わせる）機能を有する整合機能回路を構成する素子である。このインダクタＬ１１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。このインダクタＬ１１及びコンデンサＣ１２によりダイオードＤ１，Ｄ２の整流の際の部分共振スイッチング動作を図ることができる。

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、倍電流整流機能、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Ｌ１１とコンデンサＣ１２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及びコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ１２とインダクタＬ１，Ｌ２１による部分共振回路のインピーダンスとの整合を取る働きを持ち、また、部分共振回路により、ダイオードＤ１，Ｄ２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，Ｄ２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以上の高周波の交流電圧Ｖｉｎが入力されると、インダクタＬ１１とコンデンサＣ１２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と、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ１２とインダクタＬ１，Ｌ２１による部分共振回路とのインピーダンス整合が図られる。そして、その整合状態を維持しながら、ダイオードＤ１，Ｄ２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，Ｄ２によるスイッチング動作は、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ１２とインダクタＬ１，Ｌ２１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）状態となる。この状態がスイッチング損失の最も少ない整流動作となる。そして、整流されたリップル電圧は、コンデンサＣ２１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、共振型受信アンテナ１０などの出力インピーダンスに高周波特性をもつ回路とのインピーダンス整合を図り、自身の倍電流整流回路の部分共振動作の一部として動作する機能を設けるように構成したので、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を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、ダイオードＤ１，Ｄ２、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ１２、インダクタＬ１，Ｌ２１、コンデンサＣ２１及びインダクタＬ１１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２〜６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１〜６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Ｌ１１とコンデンサＣ１２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７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１を用いてもよい。なお図７は、図１〜６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１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７の例では、共振条件可変型ＬＣ回路１は、インダクタＬ１，Ｌ１１，Ｌ１２及びコンデンサＣ１１，Ｃ１２の定数を可変としている。
図１〜５についても同様に共振条件可変型ＬＣ回路１を適用可能である。

実施の形態２．
図８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８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，Ｄ２をパワー素子Ｑ１，Ｑ２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，Ｑ２は、共振型受信アンテナ１０から入力された２ＭＨｚ以上の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倍電流整流回路を構成する整流素子である。このパワー素子Ｑ１，Ｑ２としては、ＲＦ用の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ；ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）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。なお、コンデンサＣ１，Ｃ２は、パワー素子Ｑ１，Ｑ２の寄生容量又はディスクリート素子との複合容量により構成される。
このように、ダイオードＤ１，Ｄ２に代えてパワー素子Ｑ１，Ｑ２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８では、図１のダイオードＤ１，Ｄ２をパワー素子Ｑ１，Ｑ２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２〜６のダイオードＤ１，Ｄ２をパワー素子Ｑ１，Ｑ２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（ＤＣｏｕｔｐｕｔ）側に繋がる装置の入力インピーダンスとに応じて、図１〜６のダイオードＤ１，Ｄ２をパワー素子Ｑ１，Ｑ２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８では、整合機能回路を構成するインダクタＬ１１とコンデンサＣ１２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１を用いてもよい。また、図２〜６のダイオードＤ１，Ｄ２をパワー素子Ｑ１，Ｑ２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１を適用可能である。

また、実施の形態１では整流素子としてダイオードＤ１，Ｄ２を用い、実施の形態２では整流素子としてパワー素子Ｑ１，Ｑ２を用いた場合について示した。それに対して、図９に示すように、整流素子としてダイオードＤ１，Ｄ２及びパワー素子Ｑ１，Ｑ２を両方用いるようにしてもよい。なお図９は、図１に示す整流素子を、ダイオードＤ１，Ｄ２及びパワー素子Ｑ１，Ｑ２を用いた整流素子に置き換えたものであるが、これに限るものではなく、例えば図２〜６の整流素子を、ダイオードＤ１，Ｄ２及びパワー素子Ｑ１，Ｑ２を用いた整流素子に置き換えてもよい。さらに、これらの構成に共振条件可変型ＬＣ回路１を適用してもよい。

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。

１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

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、
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以上の高周波における交流電圧が入力される端子に、一端が接続された第１のインダクタと、
一端が前記第１のインダクタの他端に接続され、他端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第１のコンデンサと、
一端が前記第１のインダクタの他端に接続され、他端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第２のインダクタと、
第１の寄生容量を有し、一端が前記第２のインダクタの一端に接続された第１の整流素子と、
第２の寄生容量を有し、一端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、他端が前記第１の整流素子の他端に接続された第２の整流素子と、
一端が前記第１の整流素子の他端に接続された第３のインダクタと、
一端が第３のインダクタの他端に接続され、他端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第２のコンデンサとを備え、
前記第２，３のインダクタ、前記第１，２の寄生容量及び前記第１のコンデンサにより、前記第１，２の整流素子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。
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、
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以上の高周波における交流電圧が入力される端子に、一端が接続された第１のインダクタと、
一端が前記第１のインダクタの他端に接続され、他端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第１のコンデンサと、
一端が前記第１のインダクタの他端に接続され、他端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第２のインダクタと、
第１の寄生容量を有し、一端が前記第２のインダクタの一端に接続された第１の整流素子と、
第２の寄生容量を有し、一端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、他端が前記第１の整流素子の他端に接続された第２の整流素子と、
一端が前記第１の整流素子の他端に接続された第３のインダクタと、
一端が第３のインダクタの他端に接続され、他端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第２のコンデンサと、
前記第１の整流素子に並列接続された第３のコンデンサと、
前記第２の整流素子に並列接続された第４のコンデンサとを備え、
前記第２，３のインダクタ、前記第１，２の寄生容量及び前記第１，３，４のコンデンサにより、前記第１，２の整流素子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。
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、
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以上の高周波における交流電圧が入力される端子に、一端が接続され、当該一対の入力端子の他方の端子に他端が接続された第１のコンデンサと、
一端が前記第１のコンデンサの一端に接続された第１のインダクタと、
一端が前記第１のインダクタの他端に接続され、他端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第２のインダクタと、
第１の寄生容量を有し、一端が前記第２のインダクタの一端に接続された第１の整流素子と、
第２の寄生容量を有し、一端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、他端が前記第１の整流素子の他端に接続された第２の整流素子と、
一端が前記第１の整流素子の他端に接続された第３のインダクタと、
一端が第３のインダクタの他端に接続され、他端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第２のコンデンサとを備え、
前記第２，３のインダクタ及び前記第１，２の寄生容量により、前記第１，２の整流素子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。
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、
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以上の高周波における交流電圧が入力される端子に、一端が接続され、当該一対の入力端子の他方の端子に他端が接続された第１のコンデンサと、
一端が前記第１のコンデンサの一端に接続された第１のインダクタと、
一端が前記第１のインダクタの他端に接続され、他端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第２のインダクタと、
第１の寄生容量を有し、一端が前記第２のインダクタの一端に接続された第１の整流素子と、
第２の寄生容量を有し、一端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、他端が前記第１の整流素子の他端に接続された第２の整流素子と、
一端が前記第１の整流素子の他端に接続された第３のインダクタと、
一端が第３のインダクタの他端に接続され、他端が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続された第２のコンデンサと、
前記第１の整流素子に並列接続された第３のコンデンサと、
前記第２の整流素子に並列接続された第４のコンデンサとを備え、
前記第２，３のインダクタ、前記第１，２の寄生容量及び前記第３，４のコンデンサにより、前記第１，２の整流素子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。
前記第１の整流素子は、アノードが前記第２のインダクタの一端に接続された第１のダイオードであり、
前記第２の整流素子は、アノードが前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、カソードが前記第１の整流素子の他端に接続された第２のダイオードである
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の高周波電源用整流回路。
前記第１，２のダイオードは、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５記載の高周波電源用整流回路。
前記第１の整流素子は、ソース端子が前記第２のインダクタの一端に接続された第１の電界効果トランジスタであり、
前記第２の整流素子は、ソース端子が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、ドレイン端子が前記第１の整流素子の他端に接続された第２の電界効果トランジスタである
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の高周波電源用整流回路。
前記第１の整流素子は、
アノードが前記第２のインダクタの一端に接続された第１のダイオードと、
ソース端子が前記第２のインダクタの一端に接続された第１の電界効果トランジスタとを有し、
前記第２の整流素子は、
アノードが前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、カソードが前記第１の整流素子の他端に接続された第２のダイオードと、
ソース端子が前記一対の入力端子のうちの他方の端子に接続され、ドレイン端子が前記第１の整流素子の他端に接続された第２の電界効果トランジスタとを有する
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の高周波電源用整流回路。
前記第１のインダクタ及び前記第１のコンデンサは、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から請求項４のうちのいずれか１項記載の高周波電源用整流回路。
前記第１のインダクタ及び前記第１のコンデンサは、電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から請求項４のうちのいずれか１項記載の高周波電源用整流回路。
前記第１のインダクタ及び前記１のコンデンサは、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から請求項４のうちのいずれか１項記載の高周波電源用整流回路。
前記第１のインダクタ及び前記第１のコンデンサは共振条件を可変とする
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の高周波電源用整流回路。