(57)【要約】【課題】入力インピーダンスの変動を抑制することができる整流器を提供する。【解決手段】整流器１は、順方向に直列に接続される第１、第２ダイオードＤ１，Ｄ２と、第１、第２ダイオードＤ１，Ｄ２に直列に接続される第１コイルＬ１と、で構成される第１整流部２１と、順方向に直列に接続される第３、第４ダイオードＤ３，Ｄ４と、第３、第４ダイオードＤ３，Ｄ４に直列に接続される第２コイルＬ２と、で構成される第２整流部２２と、を有するブリッジ回路２０を備える。第１整流部２１と第２整流部２２とが負荷３０に並列に接続され、交流電源１０の第１電極１１が第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２との間に接続され、かつ、交流電源１０の第２電極１２が第３ダイオードＤ３と第４ダイオードＤ４との間に接続される。第１コイルＬ１および第２コイルＬ２のインダクタンス値Ｌは、Ｖｏｕｔ／Ｉｏｕｔ＞ωＬ／πを満たす。【選択図】図１
2018078725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
順方向に直列に接続される第１および第２ダイオードと、前記第１および第２ダイオードに直列に接続される第１インダクタと、で構成される第１整流部と、
順方向に直列に接続される第３および第４ダイオードと、前記第３および第４ダイオードに直列に接続される第２インダクタと、で構成される第２整流部と、を有するブリッジ回路を備え、
前記ブリッジ回路は、
前記第１整流部と前記第２整流部とが負荷に対して並列に接続され、
交流電力が出力される第１電極が前記第１ダイオードと前記第２ダイオードとの間に接続され、かつ、前記第１電極とは異なる第２電極が前記第３ダイオードと前記第４ダイオードとの間に接続され、
前記第１および第２インダクタは、互いに同一のインダクタンス値Ｌを有し、
前記インダクタンス値Ｌは、前記ブリッジ回路から前記負荷に出力される出力電圧の実効値をＶｏｕｔ、出力電流の実効値をＩｏｕｔとすると、以下の式（１）を満たす
ことを特徴とする整流器。
【数１】
2018078725.tif 000012
【請求項２】
前記ブリッジ回路の入力電圧の実効値Ｖｉｎは、以下の式（２）を満たす
請求項１に記載の整流器。
【数２】
2018078725.tif 000013
【請求項３】
前記第１および第２インダクタは、前記インダクタンス値Ｌが調整可能に構成される
請求項１または２に記載の整流器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、整流器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の整流器には、４つのダイオードがブリッジ接続された整流回路を備えるものがある。例えば、特許文献１に記載された非接触給電システムは、２つのダイオードと２つの容量性素子部がＨ−ブリッジ形に接続された整流回路を備え、負荷部の大きさに応じて二次側回路の特性インピーダンスが調整されるように、２つダイオードに並列に接続された２つの容量性素子部のキャパシタンスを調整するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２１１８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載の整流回路は、いわゆる倍電圧整流回路であることから、出力電圧を一定とした場合、低負荷への給電時に整流器へ入力される電流値が増加し、整流器前段の損失や回路規模の増大を招くため、改善の余地がある。
【０００５】
本発明は、入力インピーダンスの変動を抑制することができる整流器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る整流器は、順方向に直列に接続される第１および第２ダイオードと、前記第１および第２ダイオードに直列に接続される第１インダクタと、で構成される第１整流部と、順方向に直列に接続される第３および第４ダイオードと、前記第３および前記第４ダイオードに直列に接続される第２インダクタと、で構成される第２整流部と、を有するブリッジ回路を備え、前記ブリッジ回路は、前記第１整流部と前記第２整流部とが負荷に対して並列に接続され、交流電力が出力される第１電極が前記第１ダイオードと前記第２ダイオードとの間に接続され、かつ、前記第１電極とは異なる第２電極が前記第３ダイオードと前記第４ダイオードとの間に接続され、前記第１および第２インダクタは、互いに同一のインダクタンス値Ｌを有し、前記インダクタンス値Ｌは、前記ブリッジ回路から前記負荷に出力される出力電圧の実効値をＶｏｕｔ、出力電流の実効値をＩｏｕｔとすると、以下の式（１）を満たすことを特徴とする。
【０００７】
【数１】
2018078725.tif 000003
【０００８】
上記整流器において、前記ブリッジ回路の入力電圧の実効値Ｖｉｎは、以下の式（２）を満たすことが好ましい。
【０００９】
【数２】
2018078725.tif 000004
【００１０】
上記整流器において、前記第１および第２インダクタは、前記インダクタンス値Ｌが調整可能に構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る整流器によれば、入力インピーダンスの変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施形態に係る整流器の概略構成を示す回路図である。
【図２】図２は、実施形態に係る整流器の２つのコイルを流れる電流の波形を示す図である。
【図３】図３は、実施形態に係る整流器の２つのコイルを流れる電流の波形を示す図である。
【図４】図４は、実施形態に係る整流器が適用された非接触給電システムの概略構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明に係る整流器の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、下記の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、いわゆる当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。また、下記の実施形態における構成要素は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
【００１４】
［実施形態］
本実施形態に係る整流器について説明する。図１は、実施形態に係る整流器の概略構成を示す回路図である。図２は、実施形態に係る整流器の２つのコイルを流れる電流の波形を示す図である。図３は、実施形態に係る整流器の２つのコイルを流れる電流の波形を示す図である。なお、図２および図３は、整流器１の第１コイルＬ１および第２コイルＬ２の各インダクタンス値Ｌを変動させたときの電流の波形であり、縦軸が第１コイルＬ１および第２コイルＬ２を流れる電流であり、横軸が時間ｔである。
【００１５】
本実施形態に係る整流器１は、例えば、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）などを含む車両に搭載されるものであり、交流電力を全波整流して直流電力に変換する、いわゆる全波整流器である。整流器１は、図１に示すように、交流電源１０と、ブリッジ回路２０と、負荷３０とを含んで構成される。
【００１６】
交流電源１０は、例えば正弦波の交流電力を供給する電源であり、ブリッジ回路２０に接続されている。交流電源１０は、第１電極１１と、第２電極１２とを備える。第１電極１１は、交流電力が出力され、ブリッジ回路２０の接続点ａに接続されている。第２電極１２は、交流電力が出力され、ブリッジ回路２０の接続点ｂに接続されている。
【００１７】
ブリッジ回路２０は、交流電源１０から交流電力が供給される。ブリッジ回路２０は、第１整流部２１と、第２整流部２２とを有する。第１整流部２１は、順方向に直列に接続される第１ダイオードＤ１および第２ダイオードＤ２と、第１および第２ダイオードＤ１，Ｄ２に直列に接続される第１コイルＬ１と、で構成される。第２整流部２２は、順方向に直列に接続される第３ダイオードＤ３および第４ダイオードＤ４と、第３および第４ダイオードＤ３，Ｄ４に直列に接続される第２コイルＬ２と、で構成される。ブリッジ回路２０は、第１整流部２１と第２整流部２２とが負荷３０に対して並列に接続されている。また、ブリッジ回路２０は、交流電力が出力される第１電極１１が第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２との間の接続点ａに接続され、かつ、第１電極１１とは異なる第２電極１２が第３ダイオードＤ３と第４ダイオードＤ４との間の接続点ｂに接続される。
【００１８】
第１ダイオードＤ１〜第４ダイオードＤ４は、いわゆる整流素子である。第１ダイオードＤ１は、カソード側に第１コイルＬ１が接続され、アノード側に接続点ａが接続される。第２ダイオードＤ２は、カソード側に接続点ａが接続され、アノード側に接続点ｄが接続される。第３ダイオードＤ３は、カソード側に第２コイルＬ２が接続され、アノード側に接続点ｂが接続される。第４ダイオードＤ４は、カソード側に接続点ｂが接続され、アノード側に接続点ｄが接続される。
【００１９】
第１コイルＬ１および第２コイルＬ２は、いわゆるインダクタであり、例えば空芯コイル等で構成される。第１コイルＬ１は、一端が接続点ｃに接続され、他端が第１ダイオードＤ１のカソード側に接続される。第２コイルＬ２は、一端が接続点ｃに接続され、他端が第３ダイオードＤ３のカソード側に接続される。第１コイルＬ１は、インダクタンス値Ｌａを有する。第２コイルＬ２は、インダクタンス値Ｌｂを有する。本実施形態においては、第１コイルＬ１および第２コイルＬ２は、互いに同一のインダクタンス値Ｌを有する。すなわち、第１コイルＬ１のインダクタンス値Ｌａ＝第２コイルＬ２のインダクタンス値Ｌｂ＝インダクタンス値Ｌとなる。本実施形態におけるインダクタンス値Ｌが互いに同一とは、実質的に同一を含むものであり、製造誤差などの違いは許容される。
【００２０】
負荷３０は、例えば、車両に搭載される走行用モータやライトなどの電装品である。負荷３０は、ブリッジ回路２０の出力端子３１，３２に接続され、ブリッジ回路２０からの出力電流が流れる。また、負荷３０は、ブリッジ回路２０から出力される出力電圧が印加される。
【００２１】
次に、整流器１における第１コイルＬ１および第２コイルＬ２の各インダクタンス値Ｌについて説明する。
【００２２】
整流器１では、入力電圧ｖ（ｔ）を以下の式（３）、ブリッジ回路２０から出力される出力電圧の実効値をＶｏｕｔ、出力電流の実効値をＩｏｕｔ、交流（正弦波交流）の周期Ｔｓとすると、第１コイルＬ１のインダクタンス値Ｌａ（Ｌ）および第２コイルＬ２のインダクタンス値Ｌｂ（Ｌ）は以下の条件式（１）を満たす。
【００２３】
【数３】
2018078725.tif 000005
【００２４】
【数４】
2018078725.tif 000006
【００２５】
整流器１において、第１コイルＬ１および第２コイルＬ２の各インダクタンス値Ｌを調整して上記条件式（１）を満たすようにすると、第１コイルＬ１、第２コイルＬ２を流れる各電流の波形は、図２に示すようになる。第１コイルＬ１および第２コイルＬ２に流れる各電流値が０となる期間がある。例えば、第１コイルＬ１（または第２コイルＬ２）に流れる電流値が０となる時刻をｔ１とすると、ｔ１＜Ｔｓ／２の関係となる。そして、ｔ＝ｔ１〜Ｔｓ／２の期間ｆでは、第１コイルＬ１に流れる電流値が０となる一方、第２コイルＬ２に流れる電流値がＩｏｕｔとなる。このように、第１コイルＬ１、第２コイルＬ２に流れる各電流値が０となる期間を交互に繰り返す。
【００２６】
一方、第１コイルＬ１および第２コイルＬ２の各インダクタンス値Ｌを調整して上記条件式（１）を満たさないようにすると、第１コイルＬ１、第２コイルＬ２を流れる各電流の波形は、図３に示すようになる。すなわち、第１コイルＬ１および第２コイルＬ２に流れる各電流値が０にならず、常に電流が流れる状態になる。この状態では、整流器１は倍電流整流回路と略等しくなる。
【００２７】
また、整流器１では、ブリッジ回路２０の入力電圧の実効値をＶｉｎとすると、上記条件式（１）を満たす場合、Ｖｉｎは以下の特性式（２）を満たす。
【００２８】
【数５】
2018078725.tif 000007
【００２９】
整流器１では、上述したように、上記条件式（１）を満たすとｔ１＜Ｔｓ／２の関係となる。すなわち、整流器１は、ｔ＝０〜ｔ１の期間ｅと、ｔ＝ｔ１〜Ｔｓ／２の期間ｆとで二つの動作モードを有する。期間ｅでは、第１コイルＬ１、第２コイルＬ２にそれぞれ加わる電圧平均ＶＬと出力電圧Ｖｏｕｔとは略等しく、出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ／２となる。一方、期間ｆでは、出力電圧Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎとなる。このような特徴から、入力電流ｉ（ｔ）に関して、ｔ＝０〜ｔ１のときに以下の式（４）が成り立つ。更に、出力電圧Ｖｏｕｔに関して、式（６）が成り立つ。
【００３０】
【数６】
2018078725.tif 000008
【００３１】
ここで、図２に示すように、ｉ（ｔ１）＝Ｉｏｕｔであることから、上式（４）より、以下の式（５）が成り立つ。
【００３２】
【数７】
2018078725.tif 000009
【００３３】
また、出力電圧（＝Ｐｏｕｔ/Ｉｏｕｔ、Ｐｏｕｔ：出力電力）は、整流器出力電圧の平均値と略同一になるため、以下の式（６）が成りたつ。
【００３４】
【数８】
2018078725.tif 000010
【００３５】
上記式（５）および式（６）より、上記特性式（２）を導出することができる。ここで、整流器１が二つの動作モードを有するための条件は、ｔ１＜Ｔｓ／２の関係であるため、上記式（５）より、以下の式（７）が成り立つ。式（７）に上記特性式（２）を代入して計算すると、上記条件式（１）を導出することができる。なお、本実施形態では、説明を簡略化するために、第１ダイオードＤ１〜第４ダイオードＤ４のそれぞれの電圧降下については考慮していない。
【００３６】
【数９】
2018078725.tif 000011
【００３７】
次に、整流器１の動作について説明する。整流器１において、交流電源１０からの入力電圧が正（＋）の場合、第１ダイオードＤ１と第４ダイオードＤ４が順方向バイアスとなるので、交流電源１０から第１電極１１、接続点ａ、第１ダイオードＤ１、第１コイルＬ１、接続点ｃ、出力端子３１、負荷３０、出力端子３２、接続点ｄ、第４ダイオードＤ４、接続点ｂ、第２電極１２、交流電源１０の経路で電流が流れる。一方、交流電源１０からの入力電圧が負（−）の場合、第３ダイオードＤ３と第２ダイオードＤ２が順方向バイアスとなるので、交流電源１０から第２電極１２、接続点ｂ、第３ダイオードＤ３、第２コイルＬ２、接続点ｃ、出力端子３１、負荷３０、出力端子３２、接続点ｄ、第２ダイオードＤ２、接続点ａ、第１電極１１、交流電源１０の経路で電流が流れる。
【００３８】
上述した整流器１は、４つの第１ダイオードＤ１〜第４ダイオードＤ４と２つの第１コイルＬ１〜第２コイルＬ２とで構成されるブリッジ回路２０を有し、第１コイルＬ１と第２コイルＬ２の各インダクタンス値Ｌが上記条件式（１）を満たす。また、昇流型整流器であるため、負荷３０の値（＝Ｖｏｕｔ/Ｉｏｕｔ）が小さく、大きな出力電流が流れる場合であっても、入力電流を小さく抑えることが可能となる。
【００３９】
以上説明した整流器１は、順方向に直列に接続される第１ダイオードＤ１および第２ダイオードＤ２と、第１ダイオードＤ１および第２ダイオードＤ２に直列に接続される第１コイルＬ１と、で構成される第１整流部２１と、順方向に直列に接続される第３ダイオードＤ３および第４ダイオードＤ４と、第３ダイオードＤ３および第４ダイオードＤ４に直列に接続される第２コイルＬ２と、で構成される第２整流部２２と、を有するブリッジ回路２０を備える。ブリッジ回路２０は、第１整流部２１と第２整流部２２とが負荷３０に対して並列に接続され、交流電力が出力される第１電極１１が第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２との間に接続され、かつ、第１電極１１とは異なる第２電極１２が第３ダイオードＤ３と第４ダイオードＤ４との間に接続される。第１コイルＬ１および第２コイルＬ２は、互いに同一のインダクタンス値Ｌを有する。インダクタンス値Ｌは、ブリッジ回路２０から負荷３０に出力される出力電圧の実効値をＶｏｕｔ、出力電流の実効値をＩｏｕｔとすると、上記条件式（１）を満たす。これにより、負荷３０の値が小さく、大きな出力電流が流れる場合であっても、整流器の入力電流の増加を抑えて、整流器前段の損失を低減することができる。
【００４０】
また、以上説明した整流器１は、ブリッジ回路２０の入力電圧の実効値Ｖｉｎが上記特性式（２）を満たすので、負荷３０の値（＝Ｖｏｕｔ／Ｉｏｕｔ）が増加（Ｖｏｕｔ増、Ｉｏｕｔ減）又は減少（Ｖｏｕｔ減、Ｉｏｕｔ増）した場合でも、Ｖｉｎの変動が抑えられて、入力インピーダンスの変動を抑制することができる。
【００４１】
図４は、実施形態に係る整流器が適用された非接触給電システムの概略構成を示す回路図である。非接触給電システム１００は、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）などを含む車両に搭載され、インバータやモータなどへの電力の供給、各種電子機器への電気信号の供給に使用される。非接触給電システム１００は、図１に示す整流器１に対して、送電コイル１５と、受電コイル１６とを備える点で異なる。送電コイル１５は、例えば、渦巻き状に巻かれた導体コイルによって構成され、非接触で電力を送電するものであり、交流電源１０に接続される。受電コイル１６は、送電コイル１５と同様に、例えば、渦巻き状に巻かれた導体コイルによって構成され、非接触で電力を受電するものである。受電コイル１６は、第１電極１１と、第２電極１２とを備える。第１電極１１は、交流電力が出力され、ブリッジ回路２０の接続点ａに接続されている。第２電極１２は、交流電力が出力され、ブリッジ回路２０の接続点ｂに接続されている。
【００４２】
以上のように非接触給電システム１００は、交流電源１０に接続され、非接触で電力を送電する送電コイル１５と、送電コイル１５から非接触で電力を受電する受電コイル１６と、順方向に直列に接続される第１ダイオードＤ１および第２ダイオードＤ２と、第１ダイオードＤ１および第２ダイオードＤ２に直列に接続される第１コイルＬ１と、で構成される第１整流部２１と、順方向に直列に接続される第３ダイオードＤ３および第４ダイオードＤ４と、第３ダイオードＤ３および第４ダイオードＤ４に直列に接続される第２コイルＬ２と、で構成される第２整流部２２と、を有するブリッジ回路２０を備える。ブリッジ回路２０は、第１整流部２１と第２整流部２２とが負荷３０に対して並列に接続され、交流電力が出力される第１電極１１が第１ダイオードＤ１と第２ダイオードＤ２との間に接続され、かつ、第１電極１１とは異なる第２電極１２が第３ダイオードＤ３と第４ダイオードＤ４との間に接続される。第１コイルＬ１および第２コイルＬ２は、互いに同一のインダクタンス値Ｌを有する。インダクタンス値Ｌは、ブリッジ回路２０から負荷３０に出力される出力電圧の実効値をＶｏｕｔ、出力電流の実効値をＩｏｕｔとすると、整流器に入力される電圧が正弦波に近い場合、上記条件式（１）を満たす。
【００４３】
上記構成を有する非接触給電システム１００によれば、上述したように、負荷３０の値が小さくても整流器の入力電流の増加・損失を低減することができる。また、特性式（２）を満たすので、負荷３０の値が変動しても、Ｖｉｎの変動が抑えられて、入力インピーダンスの変動を抑制することができる。
【００４４】
なお、以上の説明において、整流器１および非接触給電システム１００は、平滑コンデンサＣが負荷３０に並列に接続されていてもよい。平滑コンデンサＣは、ブリッジ回路２０に並列に接続され、ブリッジ回路２０により整流された電流（脈流）を平滑化して負荷３０に出力する。具体的に、平滑コンデンサＣは、第１整流部２１および第２整流部２２に並列に接続され、かつ、負荷３０に並列に接続される。
【００４５】
また、以上の説明において、整流器１および非接触給電システム１００は、第１コイルＬ１および第２コイルＬ２がいずれもインダクタンス値Ｌ（＝Ｌａ＝Ｌｂ）に固定された空芯コイル等で構成されているが、インダクタンス値Ｌの調整が可能な可変コイル（可変インダクタ）であってもよい。可変コイルは、例えば、内部のコア（磁芯）をスライドさせて巻き線位置をずらすことで透磁率を変化させ、インダクタンス値を変更できる素子である。第１コイルＬ１および第２コイルＬ２は、インダクタンス値Ｌが調整可能に構成されるので、負荷３０の変動に応じてインダクタンス値Ｌを調整することが可能となり、より高精度なインピーダンス整合ができる。なお、第１コイルＬ１および第２コイルＬ２に可変コイルを用いた場合、各インダクタンス値Ｌａ，Ｌｂは、上記条件式（１）を必ずしも満たす必要はない。
【００４６】
また、以上の説明において、負荷３０は、バッテリ等の充放電可能な二次電池であってもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１  整流器
１０  交流電源
１１  第１電極
１２  第２電極
１５  送電コイル
１６  受電コイル
２０  ブリッジ回路
２１  第１整流部
２２  第２整流部
３０  負荷
３１，３２  出力端子
１００  非接触給電システム
ａ，ｂ，ｃ，ｄ  接続点
ｅ，ｆ  期間
Ｃ  平滑コンデンサ
Ｄ１  第１ダイオード
Ｄ２  第２ダイオード
Ｄ３  第３ダイオード
Ｄ４  第４ダイオード
Ｌ１  第１コイル
Ｌ２  第２コイル
【図１】
2018078725.tif 000014
【図２】
2018078725.tif 000015
【図３】
2018078725.tif 000016
【図４】
2018078725.tif 000017