WO2018190117A1 - 電源制御装置 - Google Patents

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    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Definitions

  • the present invention relates to a power supply control device that performs power conversion by switching operation at a high frequency.
  • FIG. 14A is a circuit diagram of a class E inverter
  • FIG. 14B shows a voltage waveform.
  • the class E inverter eliminates voltage and current applied to the transistor at the moment of switching by soft switching, thereby reducing switching loss and realizing high efficiency.
  • the peak of the voltage value is high in this circuit, so that a transistor with high withstand voltage needs to be used.
  • FIG. 15 a technique for reducing the peak of the voltage value by injecting a harmonic component into the switch current is disclosed (see FIG. 15).
  • the circuit shown in FIG. 15A is known as a ⁇ class inverter (VHF converter) and operates at a switching frequency in the VHF band (30 MHz to 300 MHz).
  • VHF converter ⁇ class inverter
  • FIG. 15B this circuit can use a transistor with a low withstand voltage by reducing the peak voltage by making the voltage waveform concave, and this switching circuit can be used to reduce the size of the AC adapter. Is to realize.
  • the technique shown in FIG. 15 uses resonance, it is difficult to adjust the peak voltage, and it may be difficult to optimize the peak value. If the peak is shifted even a little, the voltage value becomes high and unstable, and a large load is applied to the element.
  • Non-Patent Document 1 Based on the technology of the switching circuit operating at a high frequency as described above, the technology disclosed in Non-Patent Document 1 is disclosed by the inventors.
  • the technology shown in Non-Patent Document 1 enables the realization of a switching circuit using a transistor with extremely low withstand voltage by dividing a voltage by connecting a plurality of switches in series and reducing the voltage applied per transistor. This is a technique that enables further miniaturization than the AC adapter using the switching circuit of FIG.
  • Non-Patent Document 1 In order to realize a high-efficiency switching operation, it is desirable to make the vicinity of the peak of the voltage value as flat as possible. However, in the technique shown in Non-Patent Document 1, it becomes a relatively sharp peak, and from the viewpoint of high efficiency. There is a problem that it is not sufficient technology. The technique shown in Non-Patent Document 1 can realize an ultra-compact switching power supply using high frequency, but does not correspond to a non-contact power feeding technique.
  • the present invention provides a power supply control device using an ultra-small switching circuit that makes the vicinity of the peak of the voltage value as flat as possible and enables power supply by contact and non-contact.
  • the power supply control device includes a first conversion unit that converts AC power into DC power, an inverter circuit that operates at a high frequency with respect to the DC power, and a primary transformer connected to the inverter circuit.
  • a secondary transformer that is magnetically coupled to the primary transformer, and a second converter that converts AC power voltage-converted by the secondary transformer into DC power
  • the inverter circuit includes a plurality of switching elements.
  • a plurality of switching elements connected in series to divide the input voltage, each switching element has a harmonic resonance circuit, and has a control means for controlling each voltage peak value in each switching element. is there.
  • the first conversion means for converting AC power into DC power, the inverter circuit operating at a high frequency with respect to the DC power, and the inverter circuit are connected.
  • a primary-side transformer, a secondary-side transformer magnetically coupled to the primary-side transformer, and second conversion means for converting AC power voltage-converted by the secondary-side transformer into DC power, the inverter circuit comprising: Control that has a plurality of switching elements, the plurality of switching elements are connected in series to divide the input voltage, each switching element has a harmonic resonance circuit, and controls each voltage peak value in each switching element Because it has means, even if the voltage resistance of each element is low by dividing the input voltage, switching operation at high frequency is possible In addition, it is possible to easily control the voltage waveform so as to improve the energy efficiency while controlling the waveform for each element by controlling the voltage peak value using the harmonic component and lowering the peak value. There is an effect.
  • the power supply control device includes a secondary coil that is magnetically coupled to a non-contact power source that supplies power from the outside without contact, and the second conversion means is an AC power that is voltage-converted by the secondary high-frequency transformer. And / or converting AC power induced by the secondary coil into DC power.
  • the power supply control device includes a secondary coil that is magnetically coupled to a non-contact power source that supplies power from the outside without contact, and the second conversion unit converts the voltage with the secondary high-frequency transformer.
  • the secondary side coil supplies power from the inverter under high frequency and externally without contact. There is an effect that both power feeding can be realized.
  • each of the primary-side transformer, the secondary-side high-frequency transformer, and the secondary-side coil is formed by being spirally wound in the plane of each layer.
  • a secondary high-frequency transformer is laminated adjacently, and the secondary high-frequency transformer and the secondary coil are laminated via a magnetic shield.
  • each of the primary-side transformer, the secondary-side high-frequency transformer, and the secondary-side coil is formed by being spirally wound in the plane of each layer, Since the primary side transformer and the secondary side high frequency transformer are stacked adjacent to each other, and the secondary side high frequency transformer and the secondary side coil are stacked via a magnetic shield, the primary side transformer, the secondary side The high-frequency transformer and the secondary coil can be formed in a thin film, and the entire apparatus can be formed as thin as a card, for example, and the portability can be greatly improved.
  • the power supply control device includes a first conversion unit that converts AC power into DC power, an inverter circuit that operates at a high frequency with respect to the DC power, and a primary transformer connected to the inverter circuit.
  • a secondary high-frequency transformer magnetically coupled to the primary transformer, a secondary coil magnetically coupled to a non-contact power source that supplies power from the outside, and AC power that has been voltage-converted by the secondary high-frequency transformer, And / or second conversion means for converting AC power induced by the secondary coil into DC power.
  • the first conversion means for converting AC power into DC power, the inverter circuit operating at a high frequency with respect to the DC power, and the inverter circuit are connected.
  • And / or the second conversion means for converting the AC power induced by the secondary side coil into DC power, and the secondary side coil supplies power at a high frequency from the inverter.
  • each of the primary-side transformer, the secondary-side high-frequency transformer, and the secondary-side coil is formed by being spirally wound in the plane of each layer.
  • a secondary high-frequency transformer is laminated adjacently, and the secondary high-frequency transformer and the secondary coil are laminated via a magnetic shield.
  • each of the primary-side transformer, the secondary-side high-frequency transformer, and the secondary-side coil is formed by being spirally wound in the plane of each layer, Since the primary side transformer and the secondary side high frequency transformer are stacked adjacent to each other, and the secondary side high frequency transformer and the secondary side coil are stacked via a magnetic shield, the primary side transformer, the secondary side The high-frequency transformer and the secondary coil can be formed in a thin film, and the entire apparatus can be formed as thin as a card, for example, and the portability can be greatly improved.
  • FIG. 4 It is a block diagram which shows the structure of the power supply control apparatus which concerns on 1st Embodiment. It is a schematic diagram which shows the structure of the primary side transformer in the power supply control device which concerns on 1st Embodiment, a secondary side high frequency transformer, and a secondary side coil. It is a figure which shows the laminated structure of the primary side transformer in the power supply control device which concerns on 1st Embodiment, a secondary side high frequency transformer, and a secondary side coil. It is a circuit diagram of the power supply control device which concerns on 2nd Embodiment. In the circuit diagram of FIG. 4, it is a figure which shows the waveform of the switch voltage at the time of turning on / off simultaneously the switch from which two waveforms differ.
  • FIG. 4 it is a figure which shows the waveform of a switch voltage at the time of turning on / off the switch from which two waveforms differ at different timings.
  • It is the 1st circuit diagram used by simulation. It is a 1st figure which shows a simulation result. It is the 2nd circuit diagram utilized by simulation.
  • It is a figure which shows the conventional circuit used for simulation. It is a figure which shows the simulation result at the time of using the conventional circuit. It is a figure which shows the simulation result at the time of using the circuit which concerns on this invention. It is a figure which shows the experimental result at the time of using the circuit which concerns on this invention.
  • It is a figure which shows the class E inverter known conventionally.
  • It is a figure which shows the (PHI) class inverter known conventionally.
  • the power supply control device enables non-contact power feeding from the outside while realizing a switching operation at a high frequency.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a power supply control device according to the present embodiment.
  • a power supply control device 1 includes a rectifier diode 3 that converts AC power supplied from an AC power supply 2 into DC power, an inverter circuit 4 that converts power efficiently at high frequency by soft switching, and an inverter circuit 4, a primary-side transformer 5 connected to 4, a secondary-side high-frequency transformer 6 that is magnetically coupled to the primary-side transformer 5, and a power transmission device 10 that is connected in parallel to the secondary-side high-frequency transformer 6 and that feeds power from outside.
  • the AC power converted by the secondary side coil 7 and the secondary side high-frequency transformer 6 and / or the AC power induced by the secondary side coil 7 are converted into DC power and supplied to the load 9.
  • a rectifier 8 is a rectifier 8.
  • the inverter circuit 4 is an inverter circuit capable of realizing high efficiency at a high frequency (several tens to several hundreds of MHz).
  • a high frequency severe tens to several hundreds of MHz
  • an inverter circuit as shown in FIG. 14, FIG. 15, or Non-Patent Document 1 is used. Can do.
  • the AC power converted by the inverter circuit 4 is voltage-converted by the primary transformer 5 and the secondary high-frequency transformer 6, and the converted AC power is converted to DC power by the rectifier 8, and appropriate power is supplied to the load.
  • the secondary coil 7 is magnetically coupled to an external power transmission device 10 to generate high frequency (several tens to several hundreds of MHz) AC power, which is converted into DC power by the rectifier 8 and is Electric power is supplied to the load 9.
  • the power supply control device 1 includes a function as an AC adapter that converts power supplied from the AC power supply 2 and a function of contactless power feeding that feeds power from the external power transmission device 10 in a contactless manner.
  • the rectifier 8 can be used as a common configuration regardless of whether it functions as an AC adapter or non-contact power supply, thereby realizing downsizing of the device.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing structures of a primary side transformer, a secondary side high frequency transformer, and a secondary side coil in the power supply control device according to the present embodiment.
  • These transformers and coils have a thin multilayer structure, and an inductor can be formed by wiring or via using a three-dimensional mounting technique instead of arranging electronic components such as an inductor.
  • the primary side transformer 5, the secondary side high frequency transformer 6, and the secondary side coil 7 are laminated in this order.
  • the primary-side transformer 5 and the secondary-side high-frequency transformer 6 are formed in a state capable of magnetic coupling, and the primary-side transformer 5 and the secondary-side high-frequency transformer 6 and the secondary-side coil 7 have a magnetic shield 11 therebetween. In this state, magnetic coupling is impossible.
  • the primary side transformer 5 and the secondary side high frequency transformer 6 are magnetically coupled to perform voltage conversion.
  • the coil of the power transmission device 10 is brought closer to the external power transmission device 10 by bringing the surface on which the secondary coil 7 is formed closer. And the secondary coil 7 are magnetically coupled, and power is supplied to the load 9 side.
  • the power transmission device 10 and the power supply control device 1 are fed in a non-contact state.
  • the current generated in the secondary side harmonic transformer 6 and the current generated in the secondary side coil 7 are converted into direct current by the common rectifier 8 and supplied to the load 9.
  • FIG. 3 is a diagram showing a laminated structure of a primary side transformer, a secondary side high-frequency transformer, and a secondary side coil in the power supply control device according to the present embodiment.
  • a primary transformer 5 and a secondary high-frequency transformer 6 are laminated via an insulating layer 12, and a magnetic shield 11 is disposed so as to cover the primary-side transformer 5, the secondary high-frequency transformer 6, and the insulating layer 12.
  • the secondary coil 7 is laminated on the lower layer of the magnetic shield 11, and the magnetic shield 11 and the secondary coil 7 are housed in the housing 13.
  • the housing 13 can be thinly formed into a flat plate shape, for example, a card shape.
  • the power supply control device it is possible to realize non-contact power supply from the outside while functioning as an AC adapter at a high frequency.
  • the primary-side transformer 5, the secondary-side high-frequency transformer 6 and the secondary-side coil 7 are each formed by being spirally wound in the plane of each layer, and the primary-side transformer 5 and the secondary-side high-frequency transformer 6 are adjacent to each other. Since the secondary side high-frequency transformer 6 and the secondary side coil 7 are laminated via the magnetic shield 11, each layer can be formed in a thin film shape, and the entire device is like a card shape, for example. Therefore, portability can be greatly improved.
  • the power supply control apparatus uses a split type inverter shown in Non-Patent Document 1. Further, the peak value as shown in FIG. 15 is controlled by arranging a harmonic resonance circuit for each transistor.
  • FIG. 4 is a circuit diagram of the power supply control device according to the present embodiment.
  • a circuit is shown in which two transistors 41a and 41b are connected in series, and each constitutes a switch 40a and 40b.
  • Each switch 40a, 41b has a harmonic resonance circuit 42a, 42b.
  • the harmonic resonance circuits 42a and 42b inject a harmonic component into the switch current to make the peak value of the switch voltage into a concave waveform as shown in FIG.
  • the switches 40a and 40b The switching operation can be performed, and the peak value of the switch voltage is lowered by the harmonic resonance circuits 42a and 42b, so that the switching operation can be performed even with the transistors 41a and 41b having lower withstand voltage.
  • the power supply control device can control the waveform of the switching voltage according to the use state and the use environment by individually controlling the switching operations of the switches 40a and 40b in the circuit of FIG. It becomes possible.
  • FIG. 5 is a diagram showing a waveform of a switch voltage when two switches having different waveforms are simultaneously turned on / off in the circuit diagram of FIG. 5A shows a voltage waveform of the switch 40a
  • FIG. 5B shows a voltage waveform of the switch 40b
  • FIG. 5C shows an output waveform obtained by synthesizing them.
  • the waveform of the switch voltage is formed by adjusting the parameters of the harmonic resonance circuits 42a and 42b for each of the switches 40a and 40b.
  • the waveform of the switch 40a is adjusted so that the right peak of the two peaks becomes larger, and the waveform of the switch 40b is as shown in FIG. 5B.
  • the waveform is adjusted so that the left peak of the two peaks becomes larger.
  • a substantially trapezoidal waveform can be formed as shown in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a waveform of a switch voltage when a switch having two different waveforms is turned on / off at different timings in the circuit diagram of FIG. 6A shows a voltage waveform of the switch 40a
  • FIG. 6B shows a voltage waveform of the switch 40b
  • FIG. 6C shows an output waveform obtained by synthesizing them.
  • the waveform of the switch voltage is formed by adjusting the parameters of the harmonic resonance circuits 42a and 42b for each of the switches 40a and 40b.
  • the waveform of the switch 40a is adjusted to a waveform having one peak value as shown in FIG. 6 (A), and the waveform of the switch 40b has almost two peaks as shown in FIG. 6 (B).
  • the waveform is adjusted to be the same. By synthesizing these waveforms, a substantially trapezoidal waveform can be formed as shown in FIG. By synthesizing such a voltage waveform, it is possible to increase the energy efficiency while suppressing the peak value of the voltage and enabling the use of the transistors 41a and 41b having a low withstand voltage.
  • the voltage waveform can be controlled relatively easily, so that an optimum voltage waveform is obtained by a feedback function according to the impedance of the load. Can be controlled. By doing so, it is possible to suppress fluctuations in peak voltage due to load fluctuations.
  • the plurality of switching elements have harmonic resonance circuits, and the voltage peak value in each switching element is controlled. Even with an element having a low peak value and low withstand voltage, a switching operation at a high frequency can be realized.
  • FIG. 7 is a circuit diagram used in the simulation.
  • 7A is a circuit diagram in the case of functioning as an AC adapter (AC adapter mode)
  • FIG. 7B is a circuit diagram in the case of performing non-contact power feeding (non-contact power feeding mode).
  • the number of switching elements is one, and simulation was performed regarding whether or not both power feeding in an AC adapter mode at a high frequency and non-contact power feeding by an external power transmission device can be achieved.
  • FIG. 8 is a diagram showing a simulation result.
  • FIG. 8A shows a simulation result in the AC adapter mode
  • FIG. 8B shows a simulation result in the non-contact power supply mode.
  • the upper waveform of each result shows the waveform of the voltage value of the rectifier diode (point a in FIG. 7), and the lower waveform shows the waveform of the output voltage (point b in FIG. 7).
  • the power supply control device functions as an AC adapter by switching operation at a high frequency, and can realize non-contact power supply from an external power transmission device with a common rectifier. became.
  • FIG. 9 is a circuit diagram used in simulations and experiments. Here, four transistors are connected in series, and each constitutes a switch. Each switch has a harmonic resonance circuit.
  • FIG. 11A shows the waveform of the voltage value (V s ) of the switch
  • FIG. 11B shows the waveform of the output (V 0 ).
  • FIG. 11A the sharp peak voltage is reduced, but the waveform is distorted (because it is not symmetrical about the original peak value), and the maximum effect cannot be obtained. .
  • the element value was adjusted as shown in the literature, it was very difficult to adjust the element value, and only a waveform as shown in FIG. 11A was obtained. That is, since the circuit design method of FIG. 10 has only cut-and-error, it is very difficult to adjust the elements, and it is difficult to use.
  • the output a beautiful waveform is output as shown in FIG.
  • FIG. 12 is a diagram showing a simulation result when the circuit shown in FIG. 9 is used
  • FIG. 13 is a diagram showing an experimental result when the circuit shown in FIG. 9 is used.
  • 12A and 13A show waveforms when the switch voltage values (V S1 to V S4 ) are synthesized
  • FIGS. 12B and 13B show the output (V 0 ). ).
  • FIG. 12A when the voltages (V S1 to V S4 ) of the respective switches in the circuit of FIG. 9 are synthesized, a waveform similar to the waveform shown in FIG. 11A can be obtained.
  • FIG. 12B an output similar to that in FIG. 11B is obtained. This is because the voltage is divided by connecting a plurality of transistors in series, and the voltage applied to each transistor is lowered, so that even a transistor with low withstand voltage can perform the switching operation of each switch. In addition, since the peak value of the switch voltage is lowered by the harmonic resonance circuit, it is clear that even a transistor having a lower withstand voltage can perform a switching operation.

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Abstract

電圧値のピーク近傍をできるだけ平らにすると共に、接触及び非接触による給電を可能とする超小型のスイッチング回路を用いた電源制御装置を提供する。 交流電力を直流電力に変換する整流ダイオード３と、前記直流電力に対して高周波数下で動作するインバータ回路４と、前記インバータ回路４に接続される一次側トランス５と、前記一次側トランス５と磁気結合する二次側高周波トランス６と、前記二次側高周波トランス６で電圧変換された交流電力を直流電力に変換する整流器８とを備え、インバータ回路４が複数のスイッチング素子を有し、当該複数のスイッチング素子が直列接続して入力電圧を分割し、各スイッチング素子が高調波共振回路を有し、当該各スイッチング素子おけるそれぞれの電圧ピーク値を制御する制御手段を有する。

Description

電源制御装置
　本発明は、高周波数でスイッチング動作して電力変換を行う電源制御装置に関する。
　近年における情報処理端末等の小型化に伴い、直流電力を供給するＡＣアダプタの小型が望まれているが、ＡＣアダプタの小型化が追い付かず比較的大型のものがほとんどである。また、電力供給のためにはケーブルやコネクタ等が必須であり、これらは機械的に脆く、劣化するのが早いといった問題があることから、非接触で給電する技術の開発が進んでいる。しかし、非接触給電における周波数は高周波数であるため、スイッチング周波数が高い共振型電源を用いる必要があり、トランジスタに耐圧が高いデバイスを用いる必要
がある。
　高周波のスイッチングを高効率に実現する技術として、図１４に示すようなＥ級インバータが知られている。図１４（Ａ）はＥ級インバータの回路図、図１４（Ｂ）は電圧波形を示す。Ｅ級インバータは、ソフトスイッチングによりスイッチングの瞬間にトランジスタに掛かる電圧及び電流をなくすことで、スイッチング損失を低減し、高効率を実現するものである。しかしながら、図１４（Ｂ）に示すように、この回路では電圧値のピークが高くなるため、耐圧性が高いトランジスタを用いる必要がある。
　そこで、高調波成分をスイッチ電流に注入することで、電圧値のピークを下げる技術が開示されている（図１５を参照）。図１５（Ａ）に示す回路は、Φ級インバータ（ＶＨＦコンバータ）として知られており、ＶＨＦ帯（３０ＭＨｚ－３００ＭＨｚ）のスイッチング周波数で動作する。この回路は、図１５（Ｂ）に示すように、電圧波形を凹んだ形にしてピーク電圧を下げることで、耐圧が低いトランジスタを用いることを可能とし、このスイッチング回路を用いてＡＣアダプタの小型化を実現するものである。しかしながら、この図１５に示す技術は、共振を利用しているため、ピーク電圧の調整が難しく、ピーク値を最適化するのに困難性を有する場合がある。また、少しでもピークがずれてしまうと、電圧値が高く不安定な状態となり、素子に大きな負荷が掛かってしまう。
　上記のような高周波で動作するスイッチング回路の技術を踏まえて、非特許文献１に示す技術が発明者により開示されている。非特許文献１に示す技術は、複数のスイッチを直列接続することで電圧を分割し、１つのトランジスタあたりにかかる電圧を下げることで、耐圧性が極めて低いトランジスタを用いたスイッチング回路の実現を可能にする技術であり、上記図１５のスイッチング回路を用いたＡＣアダプタよりもさらに小型化すること
を可能とするものである。
Tadashi Suetsugu, Shotaro Kuga, and Xiuqin Wei, "A Method for Dividing Voltage Stress of High Voltage Class E Inverter," 2015 IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), pp. 437-440, 2015/Oct/20, DOI:10.1109/INTLEC.2015.7572438
　高効率なスイッチング動作を実現するためには、電圧値のピーク近傍をできるだけ平らにすることが望ましいが、非特許文献１に示す技術では、比較的鋭いピークになってしまい、高効率という観点では十分な技術ではないという課題を有する。また非特許文献１に示す技術は、高周波による超小型のスイッチング電源を実現できるものの、非接触による給電技術には対応していない。
　本発明は、電圧値のピーク近傍をできるだけ平らにすると共に、接触及び非接触による給電を可能とする超小型のスイッチング回路を用いた電源制御装置を提供する。
　本発明に係る電源制御装置は、交流電力を直流電力に変換する第１変換手段と、前記直流電力に対して高周波数下で動作するインバータ回路と、前記インバータ回路に接続される一次側トランスと、前記一次側トランスと磁気結合する二次側トランスと、前記二次側トランスで電圧変換された交流電力を直流電力に変換する第２変換手段とを備え、前記インバータ回路が複数のスイッチング素子を有し、当該複数のスイッチング素子が直列接続して入力電圧を分割し、各スイッチング素子が高調波共振回路を有し、当該各スイッチング素子おけるそれぞれの電圧ピーク値を制御する制御手段を有するものである。
　このように、本発明に係る電源制御装置においては、交流電力を直流電力に変換する第１変換手段と、前記直流電力に対して高周波数下で動作するインバータ回路と、前記インバータ回路に接続される一次側トランスと、前記一次側トランスと磁気結合する二次側トランスと、前記二次側トランスで電圧変換された交流電力を直流電力に変換する第２変換手段とを備え、前記インバータ回路が複数のスイッチング素子を有し、当該複数のスイッチング素子が直列接続して入力電圧を分割し、各スイッチング素子が高調波共振回路を有し、当該各スイッチング素子おけるそれぞれの電圧ピーク値を制御する制御手段を有するため、入力電圧を分圧することで各素子の耐圧性が低い場合であっても高周波数でのスイッチング動作を可能にすると共に、高調波成分を利用して電圧ピーク値を制御することで各素子ごとの波形を制御してピーク値を下げつつ、エネルギー効率を向上させるように電圧波形を容易に制御することができるという効果を奏する。
　本発明に係る電源制御装置は、外部から非接触で給電する非接触電源と磁気結合する二次側コイルを備え、前記第２変換手段が、前記二次側高周波トランスで電圧変換された交流電力、及び／又は前記二次側コイルで誘導された交流電力を直流電力に変換するものである。
　このように、本発明に係る電源制御装置においては、外部から非接触で給電する非接触電源と磁気結合する二次側コイルを備え、第２変換手段が、前記二次側高周波トランスで電圧変換された交流電力、及び／又は前記二次側コイルで誘導された交流電力を直流電力に変換するため、二次側コイルにより、インバータからの高周波数下での給電と外部からの非接触での給電との双方を実現することができるという効果を奏する。
　本発明に係る電源制御装置は、前記一次側トランス、前記二次側高周波トランス及び前記二次側コイルのそれぞれが、各層の面内に渦状に巻回されて形成され、前記一次側トランスと前記二次側高周波トランスとが隣接して積層され、前記二次側高周波トランスと前記二次側コイルとが磁気シールドを介して積層されているものである。
　このように、本発明に係る電源制御装置においては、前記一次側トランス、前記二次側高周波トランス及び前記二次側コイルのそれぞれが、各層の面内に渦状に巻回されて形成され、前記一次側トランスと前記二次側高周波トランスとが隣接して積層され、前記二次側高周波トランスと前記二次側コイルとが磁気シールドを介して積層されているため、一次側トランス、二次側高周波トランス及び二次側コイルを薄膜状に形成することが可能となり、装置全体を例えばカード状のような薄型に形成することができ、携帯性を格段に向上させることができるという効果を奏する。
　本発明に係る電源制御装置は、交流電力を直流電力に変換する第１変換手段と、前記直流電力に対して高周波数下で動作するインバータ回路と、前記インバータ回路に接続される一次側トランスと、前記一次側トランスと磁気結合する二次側高周波トランスと、外部から非接触で給電する非接触電源と磁気結合する二次側コイルと、前記二次側高周波トランスで電圧変換された交流電力、及び／又は前記二次側コイルで誘導された交流電力を直流電力に変換する第２変換手段とを備えるものである。
　このように、本発明に係る電源制御装置においては、交流電力を直流電力に変換する第１変換手段と、前記直流電力に対して高周波数下で動作するインバータ回路と、前記インバータ回路に接続される一次側トランスと、前記一次側トランスと磁気結合する二次側高周波トランスと、外部から非接触で給電する非接触電源と磁気結合する二次側コイルと、前記二次側高周波トランスで電圧変換された交流電力、及び／又は前記二次側コイルで誘導された交流電力を直流電力に変換する第２変換手段とを備えるため、二次側コイルにより、インバータからの高周波数下での給電と外部からの非接触での給電との双方を実現することができるという効果を奏する。
　本発明に係る電源制御装置は、前記一次側トランス、前記二次側高周波トランス及び前記二次側コイルのそれぞれが、各層の面内に渦状に巻回されて形成され、前記一次側トランスと前記二次側高周波トランスとが隣接して積層され、前記二次側高周波トランスと前記二次側コイルとが磁気シールドを介して積層されているものである。
　このように、本発明に係る電源制御装置においては、前記一次側トランス、前記二次側高周波トランス及び前記二次側コイルのそれぞれが、各層の面内に渦状に巻回されて形成され、前記一次側トランスと前記二次側高周波トランスとが隣接して積層され、前記二次側高周波トランスと前記二次側コイルとが磁気シールドを介して積層されているため、一次側トランス、二次側高周波トランス及び二次側コイルを薄膜状に形成することが可能となり、装置全体を例えばカード状のような薄型に形成することができ、携帯性を格段に向上させることができるという効果を奏する。
第１の実施形態に係る電源制御装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る電源制御装置における一次側トランス、二次側高周波トランス及び二次側コイルの構造を示す模式図である。 第１の実施形態に係る電源制御装置における一次側トランス、二次側高周波トランス及び二次側コイルの積層構造を示す図である。 第２の実施形態に係る電源制御装置の回路図である。 図４の回路図において、２つの波形が異なるスイッチを同時にオン／オフさせた場合のスイッチ電圧の波形を示す図である。 図４の回路図において、２つの波形が異なるスイッチを異なるタイミングでオン／オフさせた場合のスイッチ電圧の波形を示す図である。 シミュレーションで利用した第１の回路図である。 シミュレーション結果を示す第１の図である。 シミュレーションで利用した第２の回路図である。 シミュレーションに用いた従来の回路を示す図である。 従来の回路を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。 本発明に係る回路を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。 本発明に係る回路を用いた場合の実験結果を示す図である。 従来知られているＥ級インバータを示す図である。 従来知られているΦ級インバータを示す図である。
　以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
　　（本発明の第１の実施形態）
　本実施形態に係る電源制御装置について、図１ないし図３を用いて説明する。本実施形態に係る電源制御装置は、高周波数でのスイッチング動作を実現しつつ、外部からの非接触給電を可能とするものである。
　図１は、本実施形態に係る電源制御装置の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る電源制御装置１は、交流電源２から供給される交流電力を直流電力に変換する整流ダイオード３と、ソフトスイッチングにより高周波数において高効率に電力変換するインバータ回路４と、インバータ回路４に接続される一次側トランス５と、一次側トランス５に磁気結合する二次側高周波トランス６と、この二次側高周波トランス６に並列に接続され、外部から給電する送電デバイス１０と磁気結合する二次側コイル７と、二次側高周波トランス６で電圧変換された交流電力、及び／又は二次側コイル７で誘導された交流電力を直流電力に変換し、負荷９に対して供給する整流器８とを備える。
　インバータ回路４は、高周波数（数十ＭＨｚ～数百ＭＨｚ）において高効率を実現することができるインバータ回路であり、例えば図１４、図１５又は非特許文献１に示すようなインバータ回路を用いることができる。このインバータ回路４で変換された交流電力は一次側トランス５と二次側高周波トランス６で電圧変換され、変換後の交流電力を整流器８で直流電力に変換し、適正な電力が負荷に供給される。また、二次側コイル７は、外部の送電デバイス１０と磁気結合することで、高周波数（数十ＭＨｚ～数百ＭＨｚ）の交流電力を発生し、整流器８で直流電力に変換し、適正な電力が負荷９に供給される。
　つまり、電源制御装置１は、交流電源２から供給される電力を変換するＡＣアダプタとしての機能と、外部の送電デバイス１０からの電力を非接触で給電する非接触給電の機能とを備える。また、整流器８は、ＡＣアダプタとして機能する場合であっても、非接触給電として機能する場合であっても、共通の構成として利用することができ、装置の小型化を実現している。
　図２は、本実施形態に係る電源制御装置における一次側トランス、二次側高周波トランス及び二次側コイルの構造を示す模式図である。これらのトランス及びコイルは薄型の多層構造となっており、インダクタ等の電子部品を配置するのではなく、３次元実装技術を利用して配線やビアでインダクタを形成することができる。図２に示すように、一次側トランス５、二次側高周波トランス６及び二次側コイル７がこの順に積層されている。一次側トランス５と二次側高周波トランス６とは磁気結合が可能な状態で形成され、一次側トランス５及び二次側高周波トランス６と、二次側コイル７とは、間に磁気シールド１１を介することで磁気結合が不可能な状態で形成されている。
　交流電源２から供給される交流電力に対してＡＣアダプタとして機能する場合は、一次側トランス５と二次側高周波トランス６とが磁気結合することで電圧変換が行われる。これに対して、外部の送電デバイス１０から供給される電力を給電する場合は、外部の送電デバイス１０に二次側コイル７が形成されている側の面を近づけることで、送電デバイス１０のコイルと二次側コイル７とが磁気結合し、負荷９側に電力が供給される。このとき、送電デバイス１０と電源制御装置１は非接触の状態で給電が行われる。二次側高調波トランス６に発生する電流と、二次側コイル７に発生する電流とは、共通の整流器８で直流に変換されて負荷９に供給される。
　図３は、本実施形態に係る電源制御装置における一次側トランス、二次側高周波トランス及び二次側コイルの積層構造を示す図である。一次側トランス５と二次側高周波トランス６とが絶縁層１２を介して積層されており、一次側トランス５、二次側高周波トランス６及び絶縁層１２を覆うように磁気シールド１１が配設される。磁気シールド１１の下層には二次側コイル７が積層されており、磁気シールド１１及び二次側コイル７が筐体１３に収納された状態となる。筐体１３は平板状に薄く形成することが可能であり、例えば、カード状にすることが可能である。
　このように、本実施形態に係る電源制御装置においては、高周波数でＡＣアダプタとして機能しつつ、外部からの非接触での給電を実現することが可能となる。また、
一次側トランス５、二次側高周波トランス６及び二次側コイル７のそれぞれが、各層の面内に渦状に巻回されて形成され、一次側トランス５と二次側高周波トランス６とが隣接して積層され、二次側高周波トランス６と二次側コイル７とが磁気シールド１１を介して積層されているため、各層を薄膜状に形成することが可能となり、装置全体を例えばカード状のような薄型に形成することができ、携帯性を格段に向上させることができる。
　　（本発明の第２の実施形態）
　本実施形態に係る電源制御装置について、図４ないし図６を用いて説明する。本実施形態に係る電源制御装置は、非特許文献１に示す分割型のインバータを用いたものである。また、各トランジスタごとに高調波共振回路を配設することで、図１５に示すようなピーク値の制御を行うものである。
　図４は、本実施形態に係る電源制御装置の回路図である。ここでは、トランジスタ４１ａ，４１ｂが直列に２つ連続して接続され、それぞれがスイッチ４０ａ，４０ｂを構成する場合の回路を示している。また、各スイッチ４０ａ，４１ｂは、高調波共振回路４２ａ，４２ｂを有している。高調波共振回路４２ａ，４２ｂは、高調波成分をスイッチ電流に注入することで、スイッチ電圧のピーク値を図１５に示すような凹んだ波形にする。すなわち、トランジスタ４１ａ，４１を複数直列に接続することで電圧を分割して、１つのトランジスタ当たりに印加される電圧を下げることで、耐圧性が低いトランジスタ４１ａ，４１ｂであってもスイッチ４０ａ，４０ｂのスイッチング動作を可能にすると共に、高調波共振回路４２ａ，４２ｂによりスイッチ電圧のピーク値が下げることで、より低い耐圧性のトランジスタ４１ａ，４１ｂであってもスイッチング動作することが可能となる。
　また、本実施形態に係る電源制御装置は、図４の回路において各スイッチ４０ａ，４０ｂのスイッチング動作を個々に制御することで、使用状態や使用環境に応じたスイッチング電圧の波形制御を行うことが可能となる。
　図５は、図４の回路図において、２つの波形が異なるスイッチを同時にオン／オフさせた場合のスイッチ電圧の波形を示す図である。図５（Ａ）はスイッチ４０aの電圧波形、図５（Ｂ）はスイッチ４０ｂの電圧波形、図５（Ｃ）はそれらを合成した出力波形を示している。なお、ここでは、各スイッチ４０ａ，４０ｂごとに高調波共振回路４２ａ，４２ｂのパラメータを調整することでスイッチ電圧の波形を形成している。スイッチ４０ａの波形は、図５（Ａ）に示すように、２つのピークのうち右側のピークが大きくなるような波形に調整されており、スイッチ４０ｂの波形は、図５（Ｂ）に示すように、２つのピークのうち左側のピークが大きくなるような波形に調整されている。これらの波形が合成されることで、図５（Ｃ）に示すように、略台形状の波形を形成することが可能となる。このような電圧波形を合成することで、電圧のピーク値を抑えて耐圧性が低いトランジスタ４１ａ，４１ｂの使用を可能としつつ、エネルギー効率を上げることができる。
　また、前述したように、高調波共振回路４２ａ，４２ｂによるピーク値の安定化には困難性を有する場合があるが、本実施形態のように、複数のスイッチ４０ａ，４０ｂの電圧波形を合成する場合は、仮にいずれかのスイッチにおいてピーク値のずれが生じた場合であっても、他のスイッチとの関係で比較的安定した電圧波形を形成することが可能となる。
　図６は、図４の回路図において、２つの波形が異なるスイッチを異なるタイミングでオン／オフさせた場合のスイッチ電圧の波形を示す図である。図６（Ａ）はスイッチ４０ａの電圧波形、図６（Ｂ）はスイッチ４０ｂの電圧波形、図６（Ｃ）はそれらを合成した出力波形を示している。なお、ここでも、各スイッチ４０ａ，４０ｂごとに高調波共振回路４２ａ，４２ｂのパラメータを調整することでスイッチ電圧の波形を形成している。スイッチ４０ａの波形は、図６（Ａ）に示すように、１つのピーク値を有する波形に調整されており、スイッチ４０ｂの波形は、図６（Ｂ）に示すように、２つのピークがほぼ同じになるような波形に調整されている。これらの波形が合成されることで、図６（Ｃ）に示すように、略台形状の波形を形成することが可能となる。このような電圧波形を合成することで、電圧のピーク値を抑えて耐圧性が低いトランジスタ４１ａ，４１ｂの使用を可能としつつ、エネルギー効率を上げることができる。
　また、図６の場合も図５の場合と同様に、仮にいずれかのスイッチにおいてピーク値のずれが生じた場合であっても、他のスイッチとの関係で比較的安定した電圧波形を形成することが可能となる。
　さらに、図５及び図６に示したように、本実施形態においては電圧波形を比較的容易に制御することが可能であることから、負荷のインピーダンスに応じて、フィードバック機能により最適な電圧波形に制御することができる。そうすることで、負荷変動によるピーク電圧の変動を抑えることが可能となる。
　このように、本実施形態に係る電源制御装置においては、複数のスイッチング素子が高調波共振回路を有し、各スイッチング素子おけるそれぞれの電圧ピーク値を制御するため、高調波成分を利用して電圧ピーク値を下げ、耐圧性が低い素子であっても高周波数でのスイッチング動作を実現することができる。
　また、各スイッチ素子ごとに電圧ピーク値やオン／オフのタイミングを個別に調整することで、より効率的なスイッチング動作を実現することが可能になる。
　本発明に係る電源制御装置について、ＡＣアダプタとして機能した場合、及び非接触給電を行った場合のそれぞれでシミュレーションを行った。図７は、シミュレーションで利用した回路図である。図７（Ａ）はＡＣアダプタとして機能した場合（ＡＣアダプタモード）における回路図、図７（Ｂ）は非接触給電を行った場合（非接触給電モード）における回路図である。ここでは、スイッチング素子は１つとし、高周波数におけるＡＣアダプタモードでの給電、及び外部の送電デバイスによる非接触給電の両立の可否についてシミュレーションした。
　図８は、シミュレーション結果を示す図である。図８（Ａ）はＡＣアダプタモードのシミュレーション結果、図８（Ｂ）は非接触給電モードのシミュレーション結果を示している。それぞれの結果の上の波形は、整流ダイオードの電圧値の波形（図７のａ点）を示し、下の波形は出力電圧の波形（図７のｂ点）を示している。これらの波形から明らかなように、ＡＣアダプタモードと非接触給電モードとのいずれのモードにおいても、電源からの電圧が適正に変換され、共通の整流器により適正に整流されていることがわかる。
　以上のシミュレーション結果から、本発明に係る電源制御装置は、高周波数でのスイッチング動作によりＡＣアダプタとして機能し、また、外部の送電デバイスからの非接触による給電を共通の整流器で実現できることが明らかとなった。
　本発明に係る電源制御装置について、分割型のインバータを用いた場合のピーク電圧の制御についてシミュレーション及び実験を行った。図９は、シミュレーション及び実験で利用した回路図である。ここでは、トランジスタを４つ直列に接続し、それぞれがスイッチを構成している。また、各スイッチは、高調波共振回路を有している。
　ここで、まず従来の回路図を用いてピーク電圧を制御するシミュレーションを行った。従来の回路図として、図１０に示す回路（参考文献：ＵＳ　７，８８９，５１９　Ｂ２のＦＩＧ．２Ａを参照）を用い、そのシミュレーション結果を図１１に示す。図１１（Ａ）がスイッチの電圧値（Ｖｓ）の波形であり、図１１（Ｂ）が出力（Ｖ０）の波形である。
　図１１（Ａ）において、鋭いピーク電圧が低減されているが、波形が歪になっており（本来のピーク値を中心に左右対称になっていないため）、最大限の効果を得ることができない。これはシミュレーションにおいて、文献に示すように素子値の調整を行ったところ、この素子値の調整が非常に難しく、図１１（Ａ）に示すような波形しか得られなかったためである。つまり、図１０の回路の設計方法はｃｕｔ－ａｎｄ－ｅｒｒｏｒしかないため、素子の調整等が極めて難しく、使いにくいものとなっている。出力については、図１１（Ｂ）に示すように綺麗な波形が出力されている。
　これに対して、図１２は、図９に示す回路を用いた場合のシミュレーション結果を示す図、図１３は、図９に示す回路を用いた場合の実験結果を示す図である。図１２（Ａ）及び図１３（Ａ）が、スイッチの電圧値（ＶＳ１～ＶＳ４）を合成した場合の波形であり、図１２（Ｂ）及び図１３（Ｂ）が、出力（Ｖ０）の波形である。
　図１２（Ａ）に示すように、図９の回路におけるそれぞれのスイッチの電圧（ＶＳ１～ＶＳ４）を合成すると図１１（Ａ）に示す波形と同様の波形を得ることができると共に、図１２（Ｂ）に示すように図１１（Ｂ）と同様の出力が得られている。これは、トランジスタを複数直列に接続することで電圧を分割し、１つのトランジスタ当たりに印加される電圧を下げることで、耐圧性が低いトランジスタであっても、それぞれのスイッチのスイッチング動作を可能にすると共に、高調波共振回路によりスイッチ電圧のピーク値が下がることで、より低い耐圧性のトランジスタであってもスイッチング動作することが可能であることが明らかである。
　また、図１３に示すように、実際に試作した回路を用いて実験を行った場合も、得られた波形から上記と同様のことが明らかである。
　　１　電源制御装置
　　２　交流電源
　　３　整流ダイオード
　　４　インバータ回路
　　５　一次側トランス
　　６　二次側高周波トランス
　　７　二次側コイル
　　８　整流器
　　９　負荷
　　１０　送電デバイス
　　１１　磁気シールド
　　１２　絶縁層
　　１３　筐体
　　４０ａ，４０ｂ　スイッチ
　　４１ａ，４１ｂ　トランジスタ
　　４２ａ，４２ｂ　高調波共振回路

 

Claims (5)

  1. 　交流電力を直流電力に変換する第１変換手段と、
    　前記直流電力に対して高周波数下で動作するインバータ回路と、
    　前記インバータ回路に接続される一次側トランスと、
    　前記一次側トランスと磁気結合する二次側トランスと、
    　前記二次側トランスで電圧変換された交流電力を直流電力に変換する第２変換手段とを備え、
    　前記インバータ回路が複数のスイッチング素子を有し、当該複数のスイッチング素子が直列接続して入力電圧を分割し、各スイッチング素子が高調波共振回路を有し、当該各スイッチング素子おけるそれぞれの電圧ピーク値を制御する制御手段を有することを特徴とする電源制御装置。
  2. 　請求項１に記載の電源制御装置において、
    　外部から非接触で給電する非接触電源と磁気結合する二次側コイルを備え、
    　前記第２変換手段が、前記二次側高周波トランスで電圧変換された交流電力、及び／又は前記二次側コイルで誘導された交流電力を直流電力に変換することを特徴とする電源制御装置。
  3. 　請求項２に記載の電源制御装置において、
    　前記一次側トランス、前記二次側高周波トランス及び前記二次側コイルのそれぞれが、各層の面内に渦状に巻回されて形成され、前記一次側トランスと前記二次側高周波トランスとが隣接して積層され、前記二次側高周波トランスと前記二次側コイルとが磁気シールドを介して積層されていることを特徴とする電源制御装置。
  4. 　交流電力を直流電力に変換する第１変換手段と、
    　前記直流電力に対して高周波数下で動作するインバータ回路と、
    　前記インバータ回路に接続される一次側トランスと、
    　前記一次側トランスと磁気結合する二次側高周波トランスと、
    　外部から非接触で給電する非接触電源と磁気結合する二次側コイルと、
    　前記二次側高周波トランスで電圧変換された交流電力、及び／又は前記二次側コイルで誘導された交流電力を直流電力に変換する第２変換手段とを備えることを特徴とする電源制御装置。
  5. 　請求項４に記載の電源制御装置において、
    　前記一次側トランス、前記二次側高周波トランス及び前記二次側コイルのそれぞれが、各層の面内に渦状に巻回されて形成され、前記一次側トランスと前記二次側高周波トランスとが隣接して積層され、前記二次側高周波トランスと前記二次側コイルとが磁気シールドを介して積層されていることを特徴とする電源制御装置。

     
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