WO2015063916A1 - 共振型高周波電源装置及び共振型高周波電源装置用スイッチング回路 - Google Patents

共振型高周波電源装置及び共振型高周波電源装置用スイッチング回路 Download PDF

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Definitions

  • a high frequency FET Field Effect Transistor
  • RF Radio Frequency
  • a transformer type drive circuit 101 and an RF power amplifier circuit 102 are used to drive the high-frequency FET, and a multi-output type power supply circuit 103 is used to drive the RF power amplifier circuit 102 (for example, non-patented). Reference 1).
  • the present invention has been made to solve the above-described problems. By driving a power element without using a transformer type drive circuit, high efficiency is achieved with low power consumption, and a high frequency exceeding 2 MHz. It is an object of the present invention to provide a resonance type high frequency power supply device and a switching circuit for the resonance type high frequency power supply device that can perform the above operations.
  • a resonance type high frequency power supply device is a resonance type high frequency power supply device including a power element that performs a switching operation, and sends a high-frequency pulsed voltage signal exceeding 2 MHz to the power element.
  • a high frequency pulse drive circuit to be driven is provided, and the voltage signal from the high frequency pulse drive circuit is partially resonated by the impedance of the signal line of the voltage signal and the parasitic capacitance of the power element.
  • 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 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. At this time, the voltage signal from the high-frequency pulse drive circuit 1 is partially resonated by the impedance Z1 of the signal line of the voltage signal and the parasitic capacitance (Cgs + Cgd) of the power element Q1, and then input 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 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 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.
  • the voltage Vg at the G terminal of the power element Q1 has a partial resonance waveform as shown in FIG. 2 due to the transient response due to the impedance Z1 and the parasitic capacitance (Cgs + Cgd), and its peak voltage is higher than the V1 voltage. Applied to the G terminal of Q1.
  • the driving frequency of the power element Q1 is the operating frequency of the resonant high frequency power supply device, and is determined by the setting of the oscillator circuit in the variable pulse signal generating circuit 2.
  • an element (resonance type high frequency power supply switching circuit) 4 in which each part is hybridized may be used.
  • 3 shows an element 4 in which the power element Q1, impedance Z1, and the high-frequency pulse drive circuit 1 are hybridized
  • FIG. 4 shows an element 4 in which the power element Q1, impedance Z1, and capacitor C1 are hybridized
  • FIG. 6 shows a hybrid of the element Q1, the impedance Z1, the capacitor C1, and the high-frequency pulse drive circuit 1
  • FIG. 6 shows the hybrid of the power element Q1, the impedance Z1, the capacitor C1, the high-frequency pulse drive circuit 1, and the variable pulse signal generation circuit 2.
  • 7 shows an element 4 in which power element Q1, impedance Z1 and capacitor C2 are hybridized
  • FIG. 1 shows the circuit in the case where the power element Q1 has a single configuration.
  • the present invention is not limited to this.
  • the present invention also applies to the case where the power element Q1 has a push-pull configuration. Is applicable.
  • the present invention can be modified with any component of the embodiment or omitted with any component of the embodiment.
  • High frequency pulse drive circuit 2. Variable pulse signal generation circuit, 3. Power supply circuit for bias, 4. Hybrid element (switching circuit for resonance type high frequency power supply device), 5. Resonance condition variable LC circuit, 6. Resonance condition variable circuit, 10. Resonant transmission antenna (power transmission antenna).

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Abstract

　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、パワー素子に２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該パワー素子を駆動させる高周波パルスドライブ回路１を備え、高周波パルスドライブ回路１からの電圧信号を、当該電圧信号の信号線のインピーダンス及びパワー素子の寄生容量で部分共振させる。

Description

共振型高周波電源装置及び共振型高周波電源装置用スイッチング回路
　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及び共振型高周波電源装置用スイッチング回路に関するものである。
　図１５に示す従来の共振型高周波電源装置では、パワー素子Ｑ１として、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）用の高周波ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いている。そして、この高周波ＦＥＴを駆動するためにトランス型ドライブ回路１０１及びＲＦパワーアンプ回路１０２を用い、さらに、ＲＦパワーアンプ回路１０２を駆動するために多出力型電源回路１０３を用いている（例えば非特許文献１参照）。
トランジスタ技術２００５年２月号１３章
　しかしながら、非特許文献１に開示された従来構成では、パワー素子Ｑ１を駆動するために、トランス型ドライブ回路１０１を使用して、パワー素子Ｑ１のＶｇｓドライブ信号として交流の正弦波電圧を印加している。そのため、パワー素子Ｑ１をＯＦＦさせている期間は、Ｖｇｓに負電圧が印加されているため、パワー素子Ｑ１の寄生容量であるＣｇｓ及びＣｇｄには当該負電圧に相当する電荷（Ｑ＝ＣＶ）が蓄積される。そして、次の期間でパワー素子Ｑ１をＯＮさせるためには、その蓄積された電荷を１度ディスチャージしてから正電圧でチャージしなくてはならない。そして、このような動作の繰り返しによってパワー素子Ｑ１をスイッチングさせているため、パワー素子Ｑ１をドライブさせるための大きな電力を必要とするという課題がある。
　また、上記ドライブ動作はパワー素子Ｑ１のスイッチングスピードを遅くする要因にもなる。そのため、パワー素子Ｑ１のスイッチング損失の増加に繋がっている。よって、高周波電源装置としての消費電力が大きくなり、電力変換効率の低下の原因となっているという課題がある。
　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、トランス型ドライブ回路を用いずにパワー素子を駆動することで、低消費電力で高効率化を図り、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及び共振型高周波電源装置用スイッチング回路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、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、パワー素子に２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該パワー素子を駆動させる高周波パルスドライブ回路を備え、高周波パルスドライブ回路からの電圧信号を、当該電圧信号の信号線のインピーダンス及びパワー素子の寄生容量で部分共振させるものである。
　この発明によれば、上記のように構成したので、トランス型ドライブ回路を用いずにパワー素子を駆動することで、低消費電力で高効率化を図り、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の場合）。 この発明の実施の形態１に係る共振型高周波電源装置によるＶ１波形とＶｇ波形との関係を示す図である。 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（ハイブリッド化した素子を用いた場合）。 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（ハイブリッド化した素子を用いた場合）。 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（ハイブリッド化した素子を用いた場合）。 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（ハイブリッド化した素子を用いた場合）。 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（ハイブリッド化した素子を用いた場合）。 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（ハイブリッド化した素子を用いた場合）。 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（ハイブリッド化した素子を用いた場合）。 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（ハイブリッド化した素子を用いた場合）。 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（ハイブリッド化した素子を用いた場合）。 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（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ＬＣ回路を設けた場合）。 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及びバイアス用電源回路３から構成されている。また、Ｃｇｓ及びＣｇｄはパワー素子Ｑ１の寄生容量であり、Ｚ１は高周波パルスドライブ回路１とパワー素子Ｑ１のＧ端子間の信号線（ワイヤ、基板上パターンなど）のインピーダンスである。
　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。この際、高周波パルスドライブ回路１からの電圧信号を、当該電圧信号の信号線のインピーダンスＺ１及びパワー素子Ｑ１の寄生容量（Ｃｇｓ＋Ｃｇｄ）で部分共振させた後、パワー素子Ｑ１のＧ端子に入力する。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。
　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。
　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Ｇ端子の電圧ＶｇはインピーダンスＺ１と寄生容量（Ｃｇｓ＋Ｃｇｄ）による過渡応答で図２に示すような部分共振波形となり、そのピーク電圧はＶ１電圧よりも高い電圧となり、パワー素子Ｑ１のＧ端子へ印加される。これにより、パワー素子Ｑ１を高速かつ低ＯＮ抵抗で駆動することを可能にしている。
　また、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に２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該パワー素子を駆動させる高周波パルスドライブ回路１を備え、高周波パルスドライブ回路１からの電圧信号を、当該電圧信号の信号線のインピーダンスＺ１及びパワー素子Ｑ１の寄生容量（Ｃｇｓ＋Ｃｇｄ）で部分共振させるように構成したので、部分共振によりパワー素子Ｑ１のＧ端子の電圧Ｖｇを電圧Ｖ１よりも高くすることができ、かつ当該電圧Ｖｇを半波正弦波状に成形することができるため、従来技術のトランス型ドライブ回路１０１を用いずに、２ＭＨｚを超える高周波数動作を行う共振型高周波電源装置において、低消費電力で９０％以上の高い電力変換効率特性を得ることができる。また、装置の簡易化、小型化、低コスト化を図ることができる。
　なお図１において、各部をハイブリッド化した素子（共振型高周波電源装置用スイッチング回路）４を用いてもよい。図３はパワー素子Ｑ１、インピーダンスＺ１及び高周波パルスドライブ回路１をハイブリッド化した素子４を示し、図４はパワー素子Ｑ１、インピーダンスＺ１及びコンデンサＣ１をハイブリッド化した素子４を示し、図５はパワー素子Ｑ１、インピーダンスＺ１、コンデンサＣ１及び高周波パルスドライブ回路１をハイブリッド化した素子４を示し、図６はパワー素子Ｑ１、インピーダンスＺ１、コンデンサＣ１、高周波パルスドライブ回路１及び可変型パルス信号発生回路２をハイブリッド化した素子４を示し、図７はパワー素子Ｑ１、インピーダンスＺ１及びコンデンサＣ２をハイブリッド化した素子４を示し、図８はパワー素子Ｑ１、インピーダンスＺ１、コンデンサＣ２及び高周波パルスドライブ回路１をハイブリッド化した素子４を示し、図９はパワー素子Ｑ１、インピーダンスＺ１及びコンデンサＣ１，Ｃ２をハイブリッド化した素子４を示し、図１０はパワー素子Ｑ１、インピーダンスＺ１、コンデンサＣ１，Ｃ２及び高周波パルスドライブ回路１をハイブリッド化した素子４を示し、図１１はパワー素子Ｑ１、インピーダンスＺ１、コンデンサＣ１，Ｃ２、高周波パルスドライブ回路１及び可変型パルス信号発生回路２をハイブリッド化した素子４を示している。
　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１２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（コンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ２）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１３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５を用いてもよい。また、例えば図１４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及び共振型高周波電源装置用スイッチング回路は、トランス型ドライブ回路を用いずにパワー素子を駆動することで、低消費電力で高効率化を図り、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及び共振型高周波電源装置用スイッチング回路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　ハイブリッド化素子（共振型高周波電源装置用スイッチング回路）、５　共振条件可変型ＬＣ回路、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 (14)

  1. 　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、
    　前記パワー素子に２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該パワー素子を駆動させる高周波パルスドライブ回路を備え、
    　前記高周波パルスドライブ回路からの電圧信号を、当該電圧信号の信号線のインピーダンス及び前記パワー素子の寄生容量で部分共振させる
    　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. 　前記共振回路素子は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. 　前記共振回路素子は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. 　前記共振回路素子は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。
  13. 　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に用いられる共振型高周波電源装置用スイッチング回路であって、
    　前記パワー素子と、
    　前記パワー素子に２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号を送り、当該パワー素子を駆動させる高周波パルスドライブ回路とを備え、
    　前記高周波パルスドライブ回路からの電圧信号を、当該電圧信号の信号線のインピーダンス及び前記パワー素子の寄生容量で部分共振させる
    　ことを特徴とする共振型高周波電源装置用スイッチング回路。
  14. 　電力伝送用送信アンテナとの間で共振条件を合わせるためのコンデンサを備えた
    　ことを特徴とする請求項１３記載の共振型高周波電源装置用スイッチング回路。
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