JPWO2019012923A1 - 高周波電源装置 - Google Patents
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Abstract
Description
直流電源に接続され、ローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子を有し、前記ローサイドスイッチ素子および前記ハイサイドスイッチ素子のスイッチングにより高周波電力を発生する高周波電力発生回路と、
前記ローサイドスイッチ素子の両端間に接続されたローサイドスナバ回路と、
前記ハイサイドスイッチ素子の両端間に接続されたハイサイドスナバ回路と、を備え、
前記ローサイドスナバ回路は、第1キャパシタと第1インピーダンス素子との直列回路を有し、
前記ハイサイドスナバ回路は、第2キャパシタと第2インピーダンス素子との直列回路を有し、
前記第1キャパシタの第1端および前記第2キャパシタの第1端は、前記ローサイドスイッチ素子と前記ハイサイドスイッチ素子との接続点に接続され、
前記第1キャパシタの第2端と前記第2キャパシタの第2端との間に接続された第3キャパシタを更に備える、ことを特徴とする。
前記ハイサイドスイッチ素子は、当該ハイサイドスイッチ素子に並列接続されたダイオードを備え、
前記第1キャパシタおよび前記第2キャパシタは、
前記ローサイドスイッチ素子および前記ハイサイドスイッチ素子に流れる高周波電流が、前記ハイサイドスイッチ素子および前記ローサイドスイッチ素子が出力する高周波電圧より遅れる条件においては、ゼロ電圧スイッチング動作を達成しながら、前記高周波電圧である台形波電圧の立ち上がりの傾きまたは立ち下がりの傾きを緩やかにし、
前記高周波電流が前記高周波電圧より進む条件においては、非ゼロ電圧スイッチング動作となりながらも、前記台形波電圧の立ち上がりの傾きまたは立ち下がりの傾きを緩やかにする、キャパシタンスに設定されていることが好ましい。
直流電源に接続され、ローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子を有し、前記ローサイドスイッチ素子および前記ハイサイドスイッチ素子のスイッチングにより高周波電力を発生する高周波電力発生回路と、
前記ローサイドスイッチ素子の両端間または、前記ハイサイドスイッチ素子の両端間の少なくともいずれかに接続されたスナバ回路と、を備え、
前記スナバ回路は、キャパシタとインダクタとの直列回路、またはキャパシタと抵抗との直列回路と、前記インダクタまたは抵抗に、前記キャパシタを充電する電流を流す向きに並列に接続されたダイオードと、を有することが好ましい。
前記ハイサイドスイッチ素子は、当該ハイサイドスイッチ素子に並列接続されたダイオードを備え、
前記スナバ回路に備えた前記キャパシタは、
前記ローサイドスイッチ素子および前記ハイサイドスイッチ素子に流れる高周波電流が、前記ハイサイドスイッチ素子および前記ローサイドスイッチ素子が出力する高周波電圧より遅れる条件においては、ゼロ電圧スイッチング動作を達成しながら、前記高周波電圧である台形波電圧の立ち上がりの傾きまたは立ち下がりの傾きを緩やかにし、
前記高周波電流が前記高周波電圧より進む条件においては、非ゼロ電圧スイッチング動作となりながらも、前記台形波電圧の立ち上がりの傾きまたは立ち下がりの傾きを緩やかにする、キャパシタンスに設定されていることが好ましい。
図1は本発明の第1の実施形態である高周波電源装置を備える電力伝送システムの回路図である。
先ず、ダイオードDds1が導通する。ダイオードDds1の導通期間においてスイッチ素子Q1をターンオンすることでZVS動作が行われ、スイッチ素子Q1が導通する。
寄生キャパシタCds1は充電され、寄生キャパシタCds2は放電される。電圧Vds1が直流電源Viの電圧Vi、電圧Vds2が0Vになると、ダイオードDds2が導通して状態3となる。すなわち、Vgs1が“L”になって後、デッドタイムtdが経過してからVgs2は“H”になる。
ダイオードDds2の導通期間においてスイッチ素子Q2をターンオンすることでZVS動作が行われ、スイッチ素子Q2が導通する。
寄生キャパシタCds1が放電され、寄生キャパシタCds2が充電される。電圧Vds1が0V、電圧Vds2がViになると、ダイオードDds1が導通して再び状態1となる。
前式より、第3キャパシタCsb3のキャパシタンスCsb3は、第1キャパシタCsb1や第2キャパシタCsb2のキャパシタンス以上とすればよく、この場合、第3キャパシタCsb3の電圧は直流電源Viの電圧まで変化する。さらに、第3キャパシタCsb3のキャパシタンスを第1キャパシタCsb1や第2キャパシタCsb2のキャパシタンスに比べて十分大きく設定すれば、第3キャパシタCsb3の電圧変動を抑制でき、スイッチング回路から発生する高調波電流を有効に抑制できることが分かる。
第2の実施形態では、スナバ回路の構成が第1の実施形態とは異なる高周波電源装置について示す。
第3の実施形態では、スナバ回路の構成が第1、第2の実施形態とは異なる高周波電源装置について示す。
Rac=10Ω
Cds=6.5pF
Csb=30pF
Csb3=30pF
Lsb=50nH
ここで、スナバ回路の共振周波数fssは、
fss = 1/(2π√ Lsb・Csb)
= 130MHz
スイッチ素子Q1,Q2のスイッチング周波数fsは6.78MHzとし、共振キャパシタCrのキャパシタンスをCrで表すと、図8(A)(B)、図12(A)(B)に示す例では、Cr=2500pFとして共振周波数を5.37MHzに定めている。また、図9(A)(B)、図13(A)(B)に示す例では、Cr=1300pFとして共振周波数を7.44MHzに定めている。
第4の実施形態では、スイッチング回路の構成が第1〜第3の実施形態とは異なる高周波電源装置について示す。
Cds11,Cds21…キャパシタ
Cds12,Cds22…キャパシタ
Co…平滑キャパシタ
Cr…共振キャパシタ
Crs…共振キャパシタ
Csb1,Csb11,Csb12…第1キャパシタ
Csb2,Csb21,Csb22…第2キャパシタ
Csb3,Csb31,Csb32…第3キャパシタ
D3,D4…整流ダイオード
Dds1,Dds2…ダイオード
Dds11,Dds21…ダイオード
Dds12,Dds22…ダイオード
Dsb1,Dsb2…ダイオード
Dsb11,Dsb21…ダイオード
Dsb12,Dsb22…ダイオード
Lp…送電コイル
Ls…受電コイル
Lsb1,Lsb2…インダクタ
Lsb11,Lsb21…インダクタ
Lsb12,Lsb22…インダクタ
PRU…電力受電装置
PTU…電力送電装置
Q1,Q11,Q12…ローサイドスイッチ素子
Q2,Q21,Q22…ハイサイドスイッチ素子
Rsb1,Rsb2…抵抗素子
Ro…負荷
S1,S11,S12…ローサイドスイッチ回路
S2,S21,S22…ハイサイドスイッチ回路
SB1,SB11,SB12…ローサイドスナバ回路
SB2,SB21,SB22…ハイサイドスナバ回路
SC,SC1,SC2…スイッチング回路
Vi…直流電源
111,121,122,131,141…電力伝送システム
Claims (10)
- 直流電源に接続され、ローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子を有し、前記ローサイドスイッチ素子および前記ハイサイドスイッチ素子のスイッチングにより高周波電力を発生する高周波電力発生回路と、
前記ローサイドスイッチ素子の両端間に接続されたローサイドスナバ回路と、
前記ハイサイドスイッチ素子の両端間に接続されたハイサイドスナバ回路と、を備え、
前記ローサイドスナバ回路は、第1キャパシタと第1インピーダンス素子との直列回路を有し、
前記ハイサイドスナバ回路は、第2キャパシタと第2インピーダンス素子との直列回路を有し、
前記第1キャパシタの第1端および前記第2キャパシタの第1端は、前記ローサイドスイッチ素子と前記ハイサイドスイッチ素子との接続点に接続され、
前記第1キャパシタの第2端と前記第2キャパシタの第2端との間に接続された第3キャパシタを更に備える、高周波電源装置。 - 前記第3キャパシタは、前記第1キャパシタの両端電圧が変化する時間割合と前記第2キャパシタの両端電圧が変化する時間割合とを等しくするキャパシタンスに設定された、請求項1に記載の高周波電源装置。
- 前記第1インピーダンス素子または前記第2インピーダンス素子は抵抗素子である、請求項1または2に記載の高周波電源装置。
- 前記第1インピーダンス素子または前記第2インピーダンス素子はインダクタである、請求項1または2に記載の高周波電源装置。
- 前記第1インピーダンス素子の両端間に、前記第1キャパシタを充電する電流を流す向きに並列に接続された第1ダイオード、または、前記第2インピーダンス素子の両端間に、前記第2キャパシタを充電する電流を流す向きに並列に接続された第2ダイオード、を有する、請求項1から4のいずれかに記載の高周波電源装置。
- 前記ローサイドスイッチ素子は、当該ローサイドスイッチ素子に並列接続されたダイオードを備え、
前記ハイサイドスイッチ素子は、当該ハイサイドスイッチ素子に並列接続されたダイオードを備え、
前記第1キャパシタおよび前記第2キャパシタは、
前記ローサイドスイッチ素子および前記ハイサイドスイッチ素子に流れる高周波電流が、前記ハイサイドスイッチ素子および前記ローサイドスイッチ素子が出力する高周波電圧より遅れる条件においては、ゼロ電圧スイッチング動作を達成しながら、前記高周波電圧である台形波電圧の立ち上がりの傾きまたは立ち下がりの傾きを緩やかにし、
前記高周波電流が前記高周波電圧より進む条件においては、非ゼロ電圧スイッチング動作となりながらも、前記台形波電圧の立ち上がりの傾きまたは立ち下がりの傾きを緩やかにする、キャパシタンスに設定された、請求項1から5のいずれかに記載の高周波電源装置。 - 直流電源に接続され、ローサイドスイッチ素子およびハイサイドスイッチ素子を有し、前記ローサイドスイッチ素子および前記ハイサイドスイッチ素子のスイッチングにより高周波電力を発生する高周波電力発生回路と、
前記ローサイドスイッチ素子の両端間または、前記ハイサイドスイッチ素子の両端間の少なくともいずれかに接続されたスナバ回路と、を備え、
前記スナバ回路は、
キャパシタとインダクタとの直列回路、またはキャパシタと抵抗との直列回路と、
前記インダクタまたは抵抗に、前記キャパシタを充電する電流を流す向きに並列に接続されたダイオードと、を有する、
高周波電源装置。 - 前記ローサイドスイッチ素子は、当該ローサイドスイッチ素子に並列接続されたダイオードを備え、
前記ハイサイドスイッチ素子は、当該ハイサイドスイッチ素子に並列接続されたダイオードを備え、
前記スナバ回路に備えた前記キャパシタは、
前記ローサイドスイッチ素子および前記ハイサイドスイッチ素子に流れる高周波電流が、前記ハイサイドスイッチ素子および前記ローサイドスイッチ素子が出力する高周波電圧より遅れる条件においては、ゼロ電圧スイッチング動作を達成しながら、前記高周波電圧である台形波電圧の立ち上がりの傾きまたは立ち下がりの傾きを緩やかにし、
前記高周波電流が前記高周波電圧より進む条件においては、非ゼロ電圧スイッチング動作となりながらも、前記台形波電圧の立ち上がりの傾きまたは立ち下がりの傾きを緩やかにする、キャパシタンスに設定された、請求項7に記載の高周波電源装置。 - 前記ローサイドスイッチ素子および前記ハイサイドスイッチ素子は、構造的に構成される寄生ダイオードを含むMOS−FETである、請求項1から8のいずれかに記載の高周波電源装置。
- 前記ローサイドスイッチ素子および前記ハイサイドスイッチ素子は、化合物半導体素子である、請求項1から9のいずれかに記載の高周波電源装置。
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