JP6406623B2 - 回路定数可変回路 - Google Patents

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Description

本発明は、回路定数可変回路に関するものである。
共振型双方向コンバータには、電磁誘導結合された１次コイルと２次コイルに１次側及び２次側駆動回路が設けられ、それら１次側及び２次側駆動回路には、それぞれ４個のスイッチング素子にて構成されたフルブリッジ回路が備えられている（特許文献１）。そして、１次側から２次側の負荷に電力を出力する場合、１次側駆動回路のフルブリッジ回路をスイッチング回路として使用し、２次側駆動回路のフルブリッジ回路を整流回路として使用する。反対に、２次側から１次側の負荷に電力を出力する場合、２次側駆動回路のフルブリッジ回路をスイッチング回路として使用し、１次側駆動回路のフルブリッジ回路を整流回路として使用している。
そして、第１側駆動回路のフルブリッジ回路をスイッチング回路として使用した場合、及び、第２次側駆動回路フルブリッジ回路をスイッチング回路として使用した場合、いずれの場合にも共振周波数が同じになるようにしている。そこで、１次コイルに対して共振パラメータが可変する共振回路を直列に接続している。
つまり、１次側駆動回路をスイッチング回路として使用する場合と、２次側駆動回路をスイッチング回路として使用する場合とで、共振回路を構成している複数のコンデンサやコイルを適宜選択して共振周波数を同じにするようにしている。
特開２０１２−７０４９１号公報
ところで、上記共振回路は、複数のコンデンサやコイルが必要であった。しかも、共振回路の共振パラメータは２通りしか選択できなかった。
従って、回路構成をより簡単にしつつ、１つのコンデンサについてその静電容量（回路定数）を電気的制御で可変させることのできる回路が望まれていた。同様に、１つのコイルについてそのインダクタンス（回路定数）を電気的に可変させることのできる回路が望まれていた。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡単な回路構成で回路定数を可変することができる回路定数可変回路を提供することにある。
上記課題を解決するための回路定数可変回路は、交流電流の周波数によってそのインピーダンスが変わる受動素子の回路定数を変更する回路定数可変回路であって、前記受動素子と第１双方向スイッチとを直列に接続し、その直列回路に対して第２双方向スイッチを並列に接続したことを特徴とする。
また、上記構成において、前記第１及び第２双方向スイッチは、共に、ダブルゲートを有したＧａＮ双方向スイッチングデバイスであることが好ましい。
また、上記構成において、前記第１及び第２双方向スイッチは、共に、ダイオードとＩＧＢＴの直列回路を、その直列回路の２つを互いに極性の向きを変えて並列に接続して構成されていることが好ましい。
また、上記構成において、前記第１及び第２双方向スイッチは、共に、ＭＯＳトランジスタを２個直列に接続して構成されていることが好ましい。
また、上記構成において、前記受動素子は、コンデンサ又はコイルであることが好ましい。
また、上記構成において、前記受動素子は、コンデンサとコイルとからなり、そのコンデンサとコイルが直列又は並列に接続されていることが好ましい。
また、上記構成において、前記交流電流の１周期の間に、少なくとも１回、前記第２双方向スイッチを両方向に非導通にさせ状態、第１双方向スイッチを一方向に導通させ、続いて、他方向に導通させた後に、前記第１及び第２双方向スイッチを両方向に導通にさせる制御回路を設けたことが好ましい。
また、上記構成において、前記制御回路は、前記第１双方向スイッチを一方に導通させる時間、及び、前記第１双方向スイッチを他方に導通させる時間を制御することが好ましい。
上記課題を解決するための回路定数可変回路は、交流電流の周波数によってそのインピーダンスが変わる受動素子の回路定数を変更する回路定数可変回路であって、前記受動素子と第１双方向スイッチとを直列に接続し、前記受動素子に対して第２双方向スイッチを並列に接続したことを特徴とする。
また、上記構成において、前記第１及び第２双方向スイッチは、共に、ダブルゲートを有したＧａＮ双方向スイッチングデバイスであることが好ましい。
また、上記構成において、前記第１及び第２双方向スイッチは、共に、ダイオードとＩＧＢＴの直列回路を、その直列回路の２つを互いに極性の向きを変えて並列に接続して構成されていることが好ましい。
また、上記構成において、前記第１及び第２双方向スイッチは、共に、ＭＯＳトランジスタを２個直列に接続して構成されていることが好ましい。
また、上記構成において、前記受動素子は、コンデンサ又はコイルであることが好ましい。
また、上記構成において、前記受動素子は、コンデンサとコイルとからなり、そのコンデンサとコイルが直列又は並列に接続されていることが好ましい。
また、上記構成において、前記交流電流の１周期の間に、少なくとも１回、前記第２双方向スイッチを両方向に非導通にさせ状態、第１双方向スイッチを一方向に導通させ、続いて、他方向に導通させた後に、前記第１及び第２双方向スイッチを両方向に導通にさせる制御回路を設けたことが好ましい。
また、上記構成において、前記制御回路は、前記第１双方向スイッチを一方に導通させる時間、及び、前記第１双方向スイッチを他方に導通させる時間を制御することが好ましい。
本発明によれば、簡単な回路構成で回路定数を可変することができる。
第１実施形態の回路定数可変回路の電気回路図。 第２実施形態の回路定数可変回路の電気回路図。 回路定数可変回路の応用例を示す電気回路図。 回路定数可変回路の応用例を示す電気回路図。 双方向スイッチの別例を示す電気回路図。 双方向スイッチの別例を示す電気回路図。
（第１実施形態）
以下、回路定数可変回路の第１実施形態を図１に従って説明する。
図１に示すように、回路定数可変回路１は、受動素子としてのコンデンサＣ１と第１双方向スイッチＱ１が直列に接続され、その直列回路に対して第２双方向スイッチＱ２が並列に接続されている。そして、その並列回路の両端子Ｐ１，Ｐ２間に、交流電流が供給されるようになっている。
第１及び第２双方向スイッチＱ１，Ｑ２は、第１ゲート端子Ｇ１及び第２ゲート端子Ｇ２からなるダブルゲートを有したＧａＮ（窒化ガリウム）双方向スイッチングデバイスにて構成されている。
この第１双方向スイッチＱ１（第２双方向スイッチＱ２も同様）は、第１ゲート端子Ｇ１及び第２ゲート端子Ｇ２に入力されるオン・オフ信号によって４つのモードを有する。
第１モードは、第１双方向スイッチＱ１（第２双方向スイッチＱ２）おいて、第１ゲート端子Ｇ１にオン信号、第２ゲート端子Ｇ２にオフ信号が入力されたとき、端子Ｐ１から端子Ｐ２に向かって導通可能となるモードである。
第２モードは、第１双方向スイッチＱ１（第２双方向スイッチＱ２）おいて、第１ゲート端子Ｇ１にオフ信号、第２ゲート端子Ｇ２にオン信号が入力されたとき、端子Ｐ２から端子Ｐ１に向かって導通可能となるモードである。
第３モードは、第１双方向スイッチＱ１（第２双方向スイッチＱ２）において、第１及び第２ゲート端子Ｇ１，Ｇ２に共にオン信号が入力されたとき、端子Ｐ１と端子Ｐ２の間においていずれの方向にも導通可能（全導通）となるモードである。
第４モードは、第１双方向スイッチＱ１（第２双方向スイッチＱ２）において、第１及び第２ゲート端子Ｇ１，Ｇ２に共にオフ信号が入力されたとき、端子Ｐ２と端子Ｐ１の間においていずれに方向にも非導通（全非導通）となるモードである。
そして、第１及び第２双方向スイッチＱ１，Ｑ２の第１ゲート端子Ｇ１及び第２ゲート端子Ｇ２には、制御回路１０が接続されている。制御回路１０は、第１双方向スイッチＱ１を予め定めたタイミングで第１〜第４モードのいずれかのモードにするために同第１双方向スイッチＱ１の第１及び第２ゲート端子Ｇ１，Ｇ２にオン・オフ信号を出力する。同様に、制御回路１０は、第２双方向スイッチＱ２を予め定めたタイミングで第１〜第４モードのいずれかのモードにするための同第２双方向スイッチＱ２の第１及び第２ゲート端子Ｇ１，Ｇ２にオン・オフ信号を出力する。
つまり、第１及び第２双方向スイッチＱ１，Ｑ２を制御することによって、コンデンサＣ１の静電容量（回路定数）を制御する。
次に、上記のように構成した回路定数可変回路１の作用について説明する。
制御回路１０は、以下のステップ１〜ステップ４を繰り返すことによって回路定数可変回路１を制御する。
（ステップ１）
まず、制御回路１０は、第１双方向スイッチＱ１を第４モードにするとともに、第２双方向スイッチＱ２を第３モードにする。
すなわち、制御回路１０は、第１双方向スイッチＱ１の第１及び第２ゲート端子Ｇ１，Ｇ２に共にオフ信号を出力して同第１双方向スイッチＱ１をオフ状態（全非導通）にする。一方、制御回路１０は、第２双方向スイッチＱ２の第１及び第２ゲート端子Ｇ１，Ｇ２に共にオン信号を出力して同第２双方向スイッチＱ２をオン状態（全導通）にする。
これによって、端子Ｐ１，Ｐ２間は第２双方向スイッチＱ２を介して短絡された状態になる。
（ステップ２：チャージ可能時間制御）
次に、制御回路１０は、第１双方向スイッチＱ１を第１モードにするとともに、第２双方向スイッチＱ２を第４モードにする。
すなわち、制御回路１０は、第１双方向スイッチＱ１の第１ゲート端子Ｇ１にオフ信号からオン信号（第２ゲート端子Ｇ２はオフ信号のまま）を出力して同第１双方向スイッチＱ１を端子Ｐ１から端子Ｐ２に向かって導通可能な状態にする。一方、制御回路１０は、第２双方向スイッチＱ２の第１及び第２ゲート端子Ｇ１，Ｇ２に共にオフ信号を出力して同第２双方向スイッチＱ２をオフ状態（全非導通）にする。
これによって、第１双方向スイッチＱ１を介して端子Ｐ１からコンデンサＣ１に向かって電流が流れる状態になり，コンデンサＣ１はチャージが可能な状態となる。
（ステップ３：逆チャージ可能時間制御）
予め定めたチャージ可能時間が経過すると、制御回路１０は、第１双方向スイッチＱ１を第２モードするとともに、第２双方向スイッチＱ２を第４モードにする。
すなわち、制御回路１０は、第１双方向スイッチＱ１の第１ゲート端子Ｇ１にオン信号からオフ信号に出力するとともに、第２ゲート端子Ｇ２にオフ信号からオン信号を出力して同第１双方向スイッチＱ１を端子Ｐ２から端子Ｐ１に向かって導通可能な状態にする。一方、制御回路１０は、第２双方向スイッチＱ２の第１及び第２ゲート端子Ｇ１，Ｇ２に共にオフ信号を出力したままして同第２双方向スイッチＱ２をオフ状態（全非導通）にする。
これによって、第１双方向スイッチＱ１を介してコンデンサＣ１から端子Ｐ１に向かって電流が流れる状態になり、コンデンサＣ１は逆チャージ（放電）が可能な状態となる。
（ステップ４：残留電荷放電）
そして、予め定めた逆チャージにてコンデンサＣ１の端子間電圧が０ボルトになると、制御回路１０は、第１双方向スイッチＱ１を第３モードにするとともに、第２双方向スイッチＱ２も第３モードにする。ここで、コンデンサＣ１の端子間電圧の０ボルトは、電圧検出センサによる検出、または、予め試験、実験、計算等で求めた０ボルトになる時間に基づいて、制御回路１０はステップ４にするタイミングを決めてもよい。
すなわち、制御回路１０は、第１双方向スイッチＱ１の第１及び第２ゲート端子Ｇ１，Ｇ２に共にオン信号を出力して同第１双方向スイッチＱ１をオン状態（全導通）にする。一方、制御回路１０は、第２双方向スイッチＱ２の第１及び第２ゲート端子Ｇ１，Ｇ２に共にオン信号を出力して同第１双方向スイッチＱ１をオン状態（全導通）にする。
これによって、第１及び第２双方向スイッチＱ１，Ｑ２が共に全導通状態となり、コンデンサＣ１の残留電荷が完全に放電される。
そして、制御回路１０は、ステップ１の動作に戻り、再びステップ１〜ステップ４の動作を繰り返す。
そして、制御回路１０は、予め試験、実験、計算等で求めたデータに基づいて、ステップ１からステップ４の動作時間を、即ち、コンデンサＣ１に対するチャージ時間と逆チャージ（放電）時間を制御する。すると、コンデンサＣ１の電荷の蓄積量が制御され、コンデンサＣ１の見かけ上の静電容量（回路定数）を可変させることができる。
以上の動作を、交流電流の１周期の間に、１回又は複数回行うとともにチャージ時間と逆チャージ時間を制御する。これによって、さらに、コンデンサＣ１の見かけ上の静電容量（回路定数）をこまかく可変制御することができる。
本実施形態は、以下の効果を有する。
（１）本実施形態によれば、１つのコンデンサＣ１について、その見かけ上の静電容量（回路定数）を連続的に広範囲に可変させることができる。
（２）本実施形態によれば、第１及び第２双方向スイッチＱ１，Ｑ２にてコンデンサＣ１に対するチャージ時間と逆チャージ（放電）時間を制御するといった簡単な構成にて、コンデンサＣ１の見かけ上の静電容量（回路定数）を可変させることができる。
（第２実施形態）
次に、回路定数可変回路の第２実施形態を図２に従って説明する。
図２に示すように、回路定数可変回路１は、コンデンサＣ１と第１双方向スイッチＱ１が並列に接続され、その並列回路に対して第２双方向スイッチＱ２が直列に接続されている。そして、その並列回路の両端子Ｐ１，Ｐ２間に、交流電流が供給されるようになっている。
第１及び第２双方向スイッチＱ１，Ｑ２は、第１実施形態と同じ第１ゲート端子Ｇ１及び第２ゲート端子Ｇ２からなるダブルゲートを有したＧａＮ（窒化ガリウム）双方向スイッチングデバイスにて構成されている。
従って、この第１及び第２双方向スイッチＱ１，Ｑ２は、第１実施形態と同様に、第１ゲート端子Ｇ１及び第２ゲート端子Ｇ２に入力されるオン・オフ信号によって４つのモードを有する。
そして、第１及び第２双方向スイッチＱ１，Ｑ２の第１ゲート端子Ｇ１及び第２ゲート端子Ｇ２には、第１実施形態と同様に、制御回路１０が接続されている。つまり、制御回路１０は、第１及び第２双方向スイッチＱ１，Ｑ２を制御することによって、コンデンサＣ１の静電容量（回路定数）を制御する。
次に、上記のように構成した回路定数可変回路１の作用について説明する。
なお、本実施形態は、第１実施形態と同様に、ステップ１〜ステップ４を繰り返すことによって回路定数可変回路１を制御する。そして、各ステップにおいて、制御回路１０が、第１及び第２双方向スイッチＱ１，Ｑ２の第１及び第２ゲート端子Ｇ１，Ｇ２に出力するオン・オフ信号も第１実施形態と同じである。
従って、本実施形態では、ステップ１において、端子Ｐ１，Ｐ２間は第２双方向スイッチＱ２を介して遮断された状態にある点が第１実施形態と相異するだけなので、その説明は省略する。
そして、本実施形態においても、制御回路１０は、予め試験、実験、計算等で求めたデータに基づいて、その時々でステップ２とステップ３の動作時間、即ち、コンデンサＣ１に対するチャージ時間と逆チャージ（放電）時間を制御する。すると、コンデンサＣ１の電荷の蓄積量が制御され、コンデンサＣ１の見かけ上の静電容量（回路定数）を可変させることができる。
以上の動作を、交流電流の１周期の間に、１回又は複数回行うとともに充放電時間を制御する。これによって、さらに、コンデンサＣ１の見かけ上の静電容量（回路定数）をこまかく可変制御することができる。
本実施形態は、以下の効果を有する。
（１）本実施形態によれば、１つのコンデンサＣ１について、その見かけ上の静電容量（回路定数）を連続的に広範囲に可変させることができる。
（２）本実施形態によれば、第１及び第２双方向スイッチＱ１，Ｑ２にてコンデンサＣ１に対するチャージ時間と逆チャージ（放電）時間を制御するといった簡単な構成にて、コンデンサＣ１の見かけ上の静電容量（回路定数）を可変させることができる。
尚、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○上記第１及び第２実施形態の回路定数可変回路１を、非接触給電装置等の電磁誘導結合回路に使用される共振回路に具体化してもよい。
例えば、図３に示すように、１次側回路１１の１次コイルＬ１は、２次側回路１２の２次コイルと電磁誘導結合している。１次コイルＬ１は、共振回路としての回路定数可変回路１が接続されている。
そして、回路定数可変回路１は、コンデンサＣ１と第１双方向スイッチＱ１の直列回路を、複数個並列接続し、その並列回路に対して第２双方向スイッチＱ２を並列に接続して構成している。
そして、各直列回路の第１双方向スイッチＱ１と、それら直列回路に対して並列に接続した第２双方向スイッチＱ２を各モードに制御することで、回路定数可変回路１の静電容量、すなわち、共振回路の静電容量（共振パラメータ）を可変させることができる。
なお、図３では、コンデンサＣ１と第１双方向スイッチＱ１の直列回路を、複数個並列接続したが、直列回路が１つであって、第１実施形態で示した回路定数可変回路１で実施してもよい。
さらに、図４に示すように、コンデンサＣ１と第１双方向スイッチＱ１の直列回路２０を複数個ラダー状に第３双方向スイッチＱ３を介して接続して構成した回路定数可変回路１を、１次側回路１１の共振回路として使用してもよい。
そして、各直列回路２０の第１双方向スイッチＱ１と、それらをつなぐ第３双方向スイッチＱ３を各モードに制御することで、回路定数可変回路１の静電容量、すなわち、共振回路の静電容量（共振パラメータ）を可変させることができる。
なお、図３及び図４において、１次側回路１１の共振回路として回路定数可変回路１を用いたが、２次側回路１２の共振回路として回路定数可変回路１を用いてもよい。
○上記各実施形態の回路定数可変回路１は、受動素子としてコンデンサＣ１で構成した。これを受動素子としてコイルに置き換えて実施してもよい。これによって、１つのコイルについて、その見かけ上のインダクタンス（回路定数）を連続的に広範囲に可変させることができる。しかも、第１及び第２双方向スイッチＱ１，Ｑ２を制御するといった簡単な構成にて、コイルの見かけ上のインダクタンス（回路定数）を可変させることができる。
○上記各実施形態おいて、受動素子をコンデンサとコイルで構成し、そのコンデンサとコイルを直列に接続して実施したり、そのコンデンサとコイルを並列に接続して実施したりしてもよい。この場合にも、コンデンサの静電容量（回路定数）やコイルのインダクタンス（回路定数）を可変させることができる。
○上記実施形態では、第１及び第２双方向スイッチＱ１，Ｑ２を、第１ゲート端子Ｇ１及び第２ゲート端子Ｇ２からなるダブルゲートを有したＧａＮ（窒化ガリウム）双方向スイッチングデバイスにて構成した。
これを、図５に示すように、これら双方向性スイッチを、ダイオードＤ１と絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）Ｑａの直列回路を、２つそれぞれ互いに極性の向きを変えて並列に接続して構成してもよい。
また、図６に示すように、これら双方向性スイッチを、ＮチャネルパワーＭＯＳトランジスタＱｘ１とＰチャネルパワーＭＯＳトランジスタＱｘ２を直列に接続して構成してもよい。
１…回路定数可変回路、１０…制御回路、１１…１次回路、１２…２次回路、２０…直列回路、Ｃ１…コンデンサ、Ｑ１，Ｑ２…第１及び第２双方向スイッチ、Ｇ１，Ｇ２…第１及び第２ゲート端子、Ｌ１，Ｌ２…１次及び２次コイル、Ｑａ…絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、Ｑｘ１…ＮチャネルパワーＭＯＳトランシスタ、Ｑｘ２…ＰチャネルパワーＭＯＳトランシスタ、Ｄ１…ダイオード、Ｐ１，Ｐ２…端子。

Claims (12)

  1. 交流電流の周波数によってそのインピーダンスが変わる受動素子の回路定数を変更する回路定数可変回路であって、
    前記受動素子と第１双方向スイッチとを直列に接続し、その直列回路に対して第２双方向スイッチを並列に接続し、
    前記交流電流の１周期の間に複数回、前記第２双方向スイッチを両方向に非導通にさせ状態で、第１双方向スイッチを一方向に導通させ、続いて、他方向に導通させた後に、前記第１及び第２双方向スイッチを両方向に導通にさせる制御回路を設け、
    前記制御回路は、前記第１双方向スイッチを一方に導通させる時間、及び、前記第１双方向スイッチを他方に導通させる時間を制御するように構成され、非接触給電装置における１次側回路の共振回路として用いられることを特徴とする回路定数可変回路。
  2. 請求項１に記載の回路定数可変回路において、
    前記第１及び第２双方向スイッチは、共に、ダブルゲートを有したＧａＮ双方向スイッチングデバイスであることを特徴とする回路定数可変回路。
  3. 請求項１に記載の回路定数可変回路において、
    前記第１及び第２双方向スイッチは、共に、ダイオードとＩＧＢＴの直列回路を、その直列回路の２つを互いに極性の向きを変えて並列に接続して構成されていることを特徴とする回路定数可変回路。
  4. 請求項１に記載の回路定数可変回路において、
    前記第１及び第２双方向スイッチは、共に、ＭＯＳトランジスタを２個直列に接続して構成されていることを特徴とする回路定数可変回路。
  5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の回路定数可変回路において、
    前記受動素子は、コンデンサ又はコイルであることを特徴とする回路定数可変回路。
  6. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の回路定数可変回路において、
    前記受動素子は、コンデンサとコイルとからなり、そのコンデンサとコイルが直列又は並列に接続されていることを特徴とする回路定数可変回路。
  7. 交流電流の周波数によってそのインピーダンスが変わる受動素子の回路定数を変更する回路定数可変回路であって、
    前記受動素子と第１双方向スイッチとを直列に接続し、前記受動素子に対して第２双方向スイッチを並列に接続し、
    前記交流電流の１周期の間に複数回、前記第２双方向スイッチを両方向に非導通にさせ状態で、第１双方向スイッチを一方向に導通させ、続いて、他方向に導通させた後に、前記第１及び第２双方向スイッチを両方向に導通にさせる制御回路を設け、
    前記制御回路は、前記第１双方向スイッチを一方に導通させる時間、及び、前記第１双方向スイッチを他方に導通させる時間を制御するように構成され、非接触給電装置における１次側回路の共振回路として用いられることを特徴とする回路定数可変回路。
  8. 請求項７に記載の回路定数可変回路において、
    前記第１及び第２双方向スイッチは、共に、ダブルゲートを有したＧａＮ双方向スイッチングデバイスであることを特徴とする回路定数可変回路。
  9. 請求項７に記載の回路定数可変回路において、
    前記第１及び第２双方向スイッチは、共に、ダイオードとＩＧＢＴの直列回路を、その直列回路の２つを互いに極性の向きを変えて並列に接続して構成されていることを特徴とする回路定数可変回路。
  10. 請求項７に記載の回路定数可変回路において、
    前記第１及び第２双方向スイッチは、共に、ＭＯＳトランジスタを２個直列に接続して構成されていることを特徴とする回路定数可変回路。
  11. 請求項７〜１０のいずれか１つに記載の回路定数可変回路において、
    前記受動素子は、コンデンサ又はコイルであることを特徴とする回路定数可変回路。
  12. 請求項７〜１０のいずれか１つに記載の回路定数可変回路において、
    前記受動素子は、コンデンサとコイルとからなり、そのコンデンサとコイルが直列又は並列に接続されていることを特徴とする回路定数可変回路。
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