WO2015063921A1 - 共振型高周波電源装置 - Google Patents

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酒井　清秀
俊裕 江副
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Definitions

  • the present invention relates to a resonance type high frequency power supply device that performs power transmission at a high frequency.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and can maintain a resonant switching condition with respect to a load impedance variation and perform waveform control of an output voltage.
  • An object of the present invention is to provide a resonance type high frequency power supply device capable of operating at a frequency.
  • a resonance type high frequency power supply apparatus is a resonance type high frequency power supply apparatus including a power element that performs a switching operation at a high frequency exceeding 2 MHz, and performs resonance control for controlling the switching voltage of the power element and the output voltage of the apparatus.
  • a matched filter is provided.
  • the present invention since it is configured as described above, it is possible to maintain the resonant switching condition against the impedance fluctuation of the load and to control the waveform of the output voltage, and to operate at a high frequency exceeding 2 MHz. It becomes.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a resonance type high frequency power supply device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 shows a circuit when the power element Q1 has a single configuration.
  • the resonance type high frequency power supply device includes a power element Q1, a resonance circuit element (capacitors C1, C2 and an inductor L2), an inductor L1, a high frequency pulse drive circuit 1, a variable pulse signal generation circuit 2, and a bias circuit.
  • the power supply circuit 3 and the resonance matching filter 4 are configured.
  • the resonant transmitting antenna (power transmitting transmitting antenna) 10 is a power transmitting resonant antenna having LC resonance characteristics (not limited to a non-contact type).
  • the resonant transmission antenna 10 may be any of a magnetic field resonance type, an electric field resonance type, and an electromagnetic induction type.
  • the power element Q1 is a switching element that performs a switching operation in order to convert the input DC voltage Vin into AC.
  • the power element Q1 is not limited to an RF FET, and for example, an element such as Si-MOSFET, SiC-MOSFET, or GaN-FET can be used.
  • the resonant circuit elements are elements for resonant switching of the switching operation of the power element Q1. Resonance conditions can be matched with the resonant transmission antenna 10 by the resonant circuit element including the capacitors C1 and C2 and the inductor L2.
  • the inductor L1 functions to temporarily hold the energy of the input DC voltage Vin for each switching operation of the power element Q1.
  • the high-frequency pulse drive circuit 1 is a circuit for driving the power element Q1 by sending a high-frequency pulsed voltage signal exceeding 2 MHz to the G terminal of the power element Q1.
  • the high-frequency pulse drive circuit 1 is a circuit configured so that a high-speed ON / OFF output can be performed by using an FET element or the like as an output portion and a totem pole circuit configuration.
  • the variable pulse signal generation circuit 2 is a circuit that drives the high-frequency pulse drive circuit 1 by sending a high-frequency pulsed voltage signal exceeding 2 MHz, such as a logic signal, to the high-frequency pulse drive circuit 1.
  • the variable pulse signal generation circuit 2 includes a frequency setting oscillator and a logic IC such as a flip-flop or an inverter, and has functions such as a pulse width change and an inverted pulse output.
  • the bias power supply circuit 3 supplies drive power to the variable pulse signal generation circuit 2 and the high-frequency pulse drive circuit 1.
  • the resonance matching filter 4 performs waveform control of the switching voltage Vds of the power element Q1 and the output voltage Vout of the resonance type high frequency power supply device.
  • the output impedance of the resonant circuit elements can be matched with the input impedance of the resonant transmission antenna 10 on the load side.
  • the input DC voltage Vin is applied to the D terminal of the power element Q1 through the inductor L1.
  • the power element Q1 converts the voltage into a positive AC voltage by an ON / OFF switching operation.
  • the inductor L1 temporarily holds energy to assist in converting power from direct current to alternating current.
  • the switching operation of the power element Q1 is a resonance circuit element including capacitors C1 and C2 and an inductor L2 so that ZVS (zero voltage switching) is established so that the switching loss due to the Ids current and the Vds voltage product is minimized.
  • Resonant switching conditions are set.
  • the resonance switching condition of the internal circuit is not changed by the impedance fluctuation on the load side.
  • the constants of the resonant matched filter 4 are set so that the voltage waveforms of Vds and Vout meet the conditions as shown in FIG. In FIG. 2A, ON-Duty operates within a range of 30 to 80%.
  • the power element Q1 is driven by inputting a pulsed voltage signal output from the high-frequency pulse drive circuit 1 that receives an arbitrary pulsed voltage signal from the variable pulse signal generation circuit 2 to the G terminal of the power element Q1. Is going on. At this time, the drive frequency of the power element Q1 becomes the operating frequency of the resonance type high frequency power supply device and is determined by the setting of the oscillator circuit in the variable pulse signal generation circuit 2.
  • the resonance matching filter 4 that controls the waveforms of the switching voltage Vds and the output voltage Vout of the power element Q1 is provided. Therefore, in operation at a high frequency exceeding 2 MHz. In addition, it is possible to maintain the resonant switching condition against the load impedance fluctuation (without destroying the resonant switching condition by 50% or more) and to control the waveform of the output voltage Vout. As a result, even if an impedance element with resonance conditions such as an antenna for wireless power transmission is approached or moved away as a load, heat is not generated due to a sudden power loss, and heat is exhausted from a heat sink for heat generation protection. There is no need to overdesign. Therefore, cost reduction, small size, light weight, and high efficiency can be achieved.
  • FIG. 1 shows the case where the resonance matching filter 4 including the capacitors C3 and C4 is used
  • the present invention is not limited to this.
  • the resonance matching filter 4 having a configuration as shown in FIGS. .
  • FIG. 1 shows the case where the high-frequency pulse drive circuit 1, the variable pulse signal generation circuit 2, and the bias power supply circuit 3 are used to drive the power element Q1, but the present invention is not limited to this.
  • a type drive circuit, an RF power amplifier circuit, and a multi-output type power supply circuit may be used.
  • the present invention shows a circuit in the case where the power element Q1 has a single configuration, but the present invention is not limited to this.
  • the present invention also applies to a case where the power element Q1 has a push-pull configuration. Is applicable.
  • the resonance condition variable type for varying the resonance condition by the resonance circuit element.
  • the resonance matching filter 5 may be used.
  • a resonance condition variable circuit 6 that varies the resonance condition by the resonance circuit elements (capacitors C1, C2 and inductor L2) may be provided separately.
  • the present invention can be modified with any component of the embodiment or omitted with any component of the embodiment.
  • the resonance type high frequency power supply device can maintain the condition of resonance switching with respect to the impedance fluctuation of the load, can control the waveform of the output voltage, and can operate at a high frequency exceeding 2 MHz. It is suitable for use in a resonance type high frequency power supply device that performs power transmission at a frequency.
  • High frequency pulse drive circuit 2. Variable pulse signal generation circuit, 3. Power supply circuit for bias, 4. Resonance matching filter, 5. Resonance condition variable resonance matching filter, 6. Resonance condition variable circuit, 10. Resonance transmission antenna (Transmission for power transmission) antenna).

Abstract

　２ＭＨｚを超える高周波数のスイッチング動作を行うパワー素子を備えた共振型高周波電源装置であって、パワー素子のスイッチング電圧共振レベル調整及び出力電圧の波形制御を行う共振整合フィルタ４を備えた。

Description

共振型高周波電源装置
　この発明は、高周波数で電力伝送を行う共振型高周波電源装置に関するものである。
　図８に示す従来の共振型高周波電源装置では、パワー素子（ＦＥＴ）１０１のドレイン・ソース間に並列接続したインダクタ１０２及びキャパシタ１０３により、ＦＥＴ１０１の寄生容量１０４が大きい場合でもＦＥＴ１０１の共振スイッチングの条件を維持できるように構成している（例えば特許文献１参照）。
特開２０１３－３０９７３号公報
　しかしながら、特許文献１に開示された従来技術では、ＦＥＴ１０１の寄生容量１０４に対して共振スイッチングの条件を維持できるように設定しているため、出力に繋がる負荷のインピーダンス変動に対しては補償することができない。よって、負荷としてワイヤレス電力伝送用のアンテナなど、共振条件を持つインピーダンス素子が近づいたり遠ざかったりすると、共振スイッチングの条件が崩れてしまうという課題がある。そして、共振スイッチングの条件が崩れるとＦＥＴなどの電力損失が急激に増えるため、その対策のための排熱装置を備える必要がある。また、従来技術では、出力電圧の波形制御についても考慮されておらず、電力伝送の高効率化を図ることができないという課題もある。
　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、負荷のインピーダンス変動に対して共振スイッチングの条件を維持し、かつ出力電圧の波形制御を行うことができ、２ＭＨｚを超える高周波数の動作が可能な共振型高周波電源装置を提供することを目的としている。
　この発明に係る共振型高周波電源装置は、２ＭＨｚを超える高周波数のスイッチング動作を行うパワー素子を備えた共振型高周波電源装置であって、パワー素子のスイッチング電圧及び装置出力電圧の波形制御を行う共振整合フィルタを備えたものである。
　この発明によれば、上記のように構成したので、負荷のインピーダンス変動に対して共振スイッチングの条件を維持し、かつ出力電圧の波形制御を行うことができ、２ＭＨｚを超える高周波数の動作が可能となる。
この発明の実施の形態１に係る共振型高周波電源装置の構成を示す図である（パワー素子がシングル構成）。 この発明の実施の形態１に係る共振型高周波電源装置のＶｄｓ波形とＶｏｕｔ波形を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る共振型高周波電源装置の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る共振型高周波電源装置の別の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る共振型高周波電源装置の別の構成を示す図である（パワー素子がプッシュプル構成）。 この発明の実施の形態１に係る共振型高周波電源装置の別の構成を示す図である（共振条件可変型共振整合フィルタを設けた場合）。 この発明の実施の形態１に係る共振型高周波電源装置の別の構成を示す図である（共振条件可変回路を設けた場合）。 従来の共振型高周波電源装置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に係る共振型高周波電源装置の構成を示す図である。なお図１では、パワー素子Ｑ１がシングル構成の場合の回路を示している。
　共振型高周波電源装置は、図１に示すように、パワー素子Ｑ１、共振回路素子（コンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ２）、インダクタＬ１、高周波パルスドライブ回路１、可変型パルス信号発生回路２、バイアス用電源回路３及び共振整合フィルタ４から構成されている。
　なお、共振型送信アンテナ（電力伝送用送信アンテナ）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）。この共振型送信アンテナ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。
　パワー素子Ｑ１は、入力の直流電圧Ｖｉｎを交流に変換するためにスイッチング動作を行うスイッチング素子である。このパワー素子Ｑ１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。
　共振回路素子（コンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ２）は、パワー素子Ｑ１のスイッチング動作を共振スイッチングさせるための素子である。このコンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ２からなる共振回路素子により、共振型送信アンテナ１０との間で共振条件を合わせることができる。
　インダクタＬ１は、入力の直流電圧Ｖｉｎのエネルギーを、パワー素子Ｑ１のスイッチング動作ごとに一時的に保持する働きをするものである。
　高周波パルスドライブ回路１は、パワー素子Ｑ１のＧ端子に２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号を送り、パワー素子Ｑ１を駆動させる回路である。この高周波パルスドライブ回路１は、出力部をＦＥＴ素子などでトーテンポール回路構成にして高速のＯＮ／ＯＦＦ出力ができるように構成した回路である。
　可変型パルス信号発生回路２は、高周波パルスドライブ回路１にロジック信号などの２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号を送り、高周波パルスドライブ回路１を駆動させる回路である。この可変型パルス信号発生回路２は、周波数設定用のオシレータとフリップフロップやインバータなどのロジックＩＣで構成され、パルス幅の変更や反転パルス出力などの機能を持つ。
　バイアス用電源回路３は、可変型パルス信号発生回路２及び高周波パルスドライブ回路１への駆動電力の供給を行うものである。
　共振整合フィルタ４は、パワー素子Ｑ１のスイッチング電圧Ｖｄｓ及び共振型高周波電源装置の出力電圧Ｖｏｕｔの波形制御を行うものである。これにより、共振回路素子（コンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ２）の出力インピーダンスと負荷側の共振型送信アンテナ１０の入力インピーダンスとの整合を取ることができる。
　次に、上記のように構成された共振型高周波電源装置の動作について説明する。
　まず、入力の直流電圧ＶｉｎはインダクタＬ１を通してパワー素子Ｑ１のＤ端子に印加される。そして、パワー素子Ｑ１は、その電圧をＯＮ／ＯＦＦのスイッチング動作により正電圧の交流状電圧へ変換する。この変換動作のときに、インダクタＬ１は一時的にエネルギーを保持する働きをして、直流を交流へ電力変換する手助けを行う。
　ここで、パワー素子Ｑ１のスイッチング動作は、Ｉｄｓ電流とＶｄｓ電圧積によるスイッチング損失が最も小さくなるように、ＺＶＳ（ゼロボルテージスイッチング）が成立するようコンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ２からなる共振回路素子で共振スイッチング条件が設定されている。この共振スイッチング動作により、出力電圧ＶｏｕｔにはＲＴＮ電圧を軸にした交流電圧が出力される。
　このとき、パワー素子Ｑ１のスイッチング電圧Ｖｄｓと出力電圧Ｖｏｕｔとの関係は共振整合フィルタ４によって設定されるため、負荷側のインピーダンス変動によって内部回路の共振スイッチング条件が変化することはない。なお、共振整合フィルタ４の定数は、Ｖｄｓ及びＶｏｕｔの電圧波形が図２に示すような条件に合うように設定する。図２（ａ）において、ＯＮ－Ｄｕｔｙは３０～８０％の範囲内で動作する。
　パワー素子Ｑ１の駆動は、可変型パルス信号発生回路２からの任意のパルス状の電圧信号を受けた高周波パルスドライブ回路１が出力する、パルス状の電圧信号をパワー素子Ｑ１のＧ端子へ入力することで行っている。このとき、パワー素子Ｑ１の駆動周波数は共振型高周波電源装置の動作周波数となり、可変型パルス信号発生回路２内部のオシレータ回路の設定により決まる。
　以上のように、この実施の形態１によれば、パワー素子Ｑ１のスイッチング電圧Ｖｄｓ及び出力電圧Ｖｏｕｔの波形制御を行う共振整合フィルタ４を備えるように構成したので、２ＭＨｚを超える高周波数の動作において、負荷のインピーダンス変動に対して共振スイッチングの条件を維持し（共振スイッチングの条件を５０％以上崩してしまうことがなく）、かつ出力電圧Ｖｏｕｔの波形制御を行うことができる。
　その結果、負荷としてワイヤレス電力伝送用のアンテナなど、共振条件を持つインピーダンス素子が近づいたり、遠ざかったりしても、急激な電力損失による発熱を起こすことはなく、発熱保護用のヒートシンクなどの排熱設計を過剰に行う必要はない。そのため、コストの削減、小型、軽量化及び高効率化を図ることができる。
　なお図１では、コンデンサＣ３，Ｃ４からなる共振整合フィルタ４を用いる場合について示したが、これに限るものではなく、例えば図３，４に示すような構成の共振整合フィルタ４を用いてもよい。
　また図１では、パワー素子Ｑ１を駆動させるため、高周波パルスドライブ回路１、可変型パルス信号発生回路２及びバイアス用電源回路３を用いた場合について示したが、これに限るものではなく、例えばトランス型ドライブ回路、ＲＦパワーアンプ回路及び多出力型電源回路を用いるようにしてもよい。
　また図１では、パワー素子Ｑ１がシングル構成の場合の回路について示したが、これに限るものではなく、例えば図５に示すように、パワー素子Ｑ１がプッシュプル構成の場合にも同様に本発明を適用可能である。
　また図１では、共振回路素子による共振条件が固定の場合について説明を行ったが、これに限るものではなく、例えば図６に示すように、共振回路素子による共振条件を可変させる共振条件可変型共振整合フィルタ５を用いるようにしてもよい。また、例えば図７に示すように、上記共振回路素子（コンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ２）による共振条件を可変させる共振条件可変回路６を別途設けるようにしてもよい。
　また、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
　この発明に係る共振型高周波電源装置は、負荷のインピーダンス変動に対して共振スイッチングの条件を維持し、かつ出力電圧の波形制御を行うことができ、２ＭＨｚを超える高周波数の動作が可能となり、高周波数で電力伝送を行う共振型高周波電源装置等に用いるのに適している。
　１　高周波パルスドライブ回路、２　可変型パルス信号発生回路、３　バイアス用電源回路、４　共振整合フィルタ、５　共振条件可変型共振整合フィルタ、６　共振条件可変回路、１０　共振型送信アンテナ（電力伝送用送信アンテナ）。

Claims (12)

  1. 　２ＭＨｚを超える高周波数のスイッチング動作を行うパワー素子を備えた共振型高周波電源装置であって、
    　前記パワー素子のスイッチング電圧及び装置出力電圧の波形制御を行う共振整合フィルタを備えた
    　ことを特徴とする共振型高周波電源装置。
  2. 　前記パワー素子は、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）用のＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）以外のＦＥＴである
    　ことを特徴とする請求項１記載の共振型高周波電源装置。
  3. 　前記パワー素子は、プッシュプル構成又はシングル構成である
    　ことを特徴とする請求項１記載の共振型高周波電源装置。
  4. 　磁界共鳴による電力伝送用送信アンテナとの間で共振条件を合わせるコンデンサ及びインダクタからなる共振回路素子を備えた
    　ことを特徴とする請求項１記載の共振型高周波電源装置。
  5. 　電界共鳴による電力伝送用送信アンテナとの間で共振条件を合わせるコンデンサ及びインダクタからなる共振回路素子を備えた
    　ことを特徴とする請求項１記載の共振型高周波電源装置。
  6. 　電磁誘導による電力伝送用送信アンテナとの間で共振条件を合わせるコンデンサ及びインダクタからなる共振回路素子を備えた
    　ことを特徴とする請求項１記載の共振型高周波電源装置。
  7. 　前記共振整合フィルタは、前記共振回路素子の共振条件を可変とする
    　ことを特徴とする請求項４記載の共振型高周波電源装置。
  8. 　前記共振整合フィルタは、前記共振回路素子の共振条件を可変とする
    　ことを特徴とする請求項５記載の共振型高周波電源装置。
  9. 　前記共振整合フィルタは、前記共振回路素子の共振条件を可変とする
    　ことを特徴とする請求項６記載の共振型高周波電源装置。
  10. 　前記共振回路素子の共振条件を可変とする共振条件可変回路を備えた
    　ことを特徴とする請求項４記載の共振型高周波電源装置。
  11. 　前記共振回路素子の共振条件を可変とする共振条件可変回路を備えた
    　ことを特徴とする請求項５記載の共振型高周波電源装置。
  12. 　前記共振回路素子の共振条件を可変とする共振条件可変回路を備えた
    　ことを特徴とする請求項６記載の共振型高周波電源装置。
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