(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に直流電圧が印加されるインダクタと、
前記インダクタの他端にドレイン端子が接続されたＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と、
前記ＦＥＴに並列接続されたコンデンサ、及び電力伝送用アンテナが接続される一対の端子のうちの交流電圧が出力される端子と当該ＦＥＴのドレイン端子とを接続する直列接続されたインダクタ及びコンデンサを有する共振回路素子と、
２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号を出力する高周波パルスドライブ回路と、
前記高周波パルスドライブ回路の前記電圧信号が出力される端子と前記ＦＥＴのゲート端子とを接続し、インピーダンスが、当該ＦＥＴのゲート−ソース間の寄生容量及びゲート−ドレイン間の寄生容量とにより、当該ＦＥＴのゲート端子に印加される電圧波形を半波正弦波状とし、且つ、当該ゲート端子に印加されるピーク電圧を当該電圧信号よりも高い電圧とする定数に設定された信号線と
を備えた共振型高周波電源装置。
【請求項２】
前記ＦＥＴは、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）用のＦＥＴ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。
【請求項３】
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１記載の共振型高周波電源装置。
【請求項４】
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１記載の共振型高周波電源装置。
【請求項５】
１次側巻線及び２次側巻線を有するプッシュプル用のトランスと、
一端に直流電圧が印加され、前記１次側巻線の中点の端子に他端が接続されたインダクタと、
ソース端子が接地された第１のＦＥＴと、
ソース端子が接地された第２のＦＥＴと、
前記第１のＦＥＴに並列接続されたコンデンサ、及び前記１次側巻線の一端の端子と当該第１のＦＥＴのドレイン端子とを接続する直列接続されたインダクタ及びコンデンサを有する第１の共振回路素子と、
前記第２のＦＥＴに並列接続されたコンデンサ、及び前記１次側巻線の他端の端子と当該第２のＦＥＴのドレイン端子とを接続する直列接続されたインダクタ及びコンデンサを有する第２の共振回路素子と、
２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号及び当該電圧信号に対して逆位相の電圧信号をそれぞれ出力する高周波パルスドライブ回路と、
前記高周波パルスドライブ回路の一方の前記電圧信号が出力される端子と前記第１のＦＥＴのゲート端子とを接続し、インピーダンスが、当該第１のＦＥＴのゲート−ソース間の寄生容量及びゲート−ドレイン間の寄生容量とにより、当該第１のＦＥＴのゲート端子に印加される電圧波形を半波正弦波状とし、且つ、当該ゲート端子に印加されるピーク電圧を当該電圧信号よりも高い電圧とする定数に設定された第１の信号線と、
前記高周波パルスドライブ回路の他方の前記電圧信号が出力される端子と前記第２のＦＥＴのゲート端子とを接続し、インピーダンスが、当該第２のＦＥＴのゲート−ソース間の寄生容量及びゲート−ドレイン間の寄生容量とにより、当該第２のＦＥＴのゲート端子に印加される電圧波形を半波正弦波状とし、且つ、当該ゲート端子に印加されるピーク電圧を当該電圧信号よりも高い電圧とする定数に設定された第２の信号線と
を備えた共振型高周波電源装置。
【請求項６】
前記第１のＦＥＴ及び前記第２のＦＥＴは、ＲＦ用のＦＥＴ以外のＦＥＴである
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。
【請求項７】
前記第１の共振回路素子及び前記第２の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。
【請求項８】
前記第１の共振回路素子の共振条件を可変とする第１の共振条件可変回路と、
前記第２の共振回路素子の共振条件を可変とする第２の共振条件可変回路とを備えた
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。
【請求項９】
ドレイン端子に直流電圧が印加されるＦＥＴと、
２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号を出力する高周波パルスドライブ回路と、
前記高周波パルスドライブ回路の前記電圧信号が出力される端子と前記ＦＥＴのゲート端子とを接続し、インピーダンスが、当該ＦＥＴのゲート−ソース間の寄生容量及びゲート−ドレイン間の寄生容量とにより、当該ＦＥＴのゲート端子に印加される電圧波形を半波正弦波状とし、且つ、当該ゲート端子に印加されるピーク電圧を当該電圧信号よりも高い電圧とする定数に設定された信号線と
を備えた共振型高周波電源装置用スイッチング回路。
【請求項１０】
前記ＦＥＴに並列接続されたコンデンサを備えた
ことを特徴とする請求項９記載の共振型高周波電源装置用スイッチング回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】トランジスタ技術２００５年２月号１３章
【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、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。【０００５】
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ＦＥＴ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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る共振型高周波電源装置は、一端に直流電圧が印加されるインダクタと、インダクタの他端にドレイン端子が接続されたＦＥＴと、ＦＥＴに並列接続されたコンデンサ、及び電力伝送用アンテナが接続される一対の端子のうちの交流電圧が出力される端子と当該ＦＥＴのドレイン端子とを接続する直列接続されたインダクタ及びコンデンサを有する共振回路素子と、２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号を出力する高周波パルスドライブ回路と、高周波パルスドライブ回路の電圧信号が出力される端子とＦＥＴのゲート端子とを接続し、インピーダンスが、当該ＦＥＴのゲート−ソース間の寄生容量及びゲート−ドレイン間の寄生容量とにより、当該ＦＥＴのゲート端子に印加される電圧波形を半波正弦波状とし、且つ、当該ゲート端子に印加されるピーク電圧を当該電圧信号よりも高い電圧とする定数に設定された信号線とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
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ＦＥＴ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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】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）。
【図２】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。
【図３】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）。
【図４】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）。
【図５】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）。
【図６】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）。
【図７】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）。
【図８】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）。
【図９】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）。
【図１０】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）。
【図１１】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）。
【図１２】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）。
【図１３】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）。
【図１４】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）。
【図１５】従来の共振型高周波電源装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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。
【００１０】
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。パワー素子Ｑ１のＤ端子は、一端に直流電圧Ｖｉｎが印加されるインダクタＬ１の他端に接続されている。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。
【００１１】
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。コンデンサＣ１は、パワー素子Ｑ１に並列接続されている。また、インダクタＬ２及びコンデンサＣ２は、共振型送信アンテナ１０が接続される一対の端子のうちの出力電圧Ｖｏｕｔが出力される端子とパワー素子Ｑ１のＤ端子とを接続するように直列接続されている。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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
また、高周波パルスドライブ回路１の電圧信号が出力される端子とパワー素子Ｑ１のＧ端子とを接続する信号線のインピーダンスＺ１は、パワー素子Ｑ１の寄生容量（Ｃｇｓ＋Ｃｇｄ）とにより、パワー素子Ｑ１のＧ端子に印加される電圧波形を半波正弦波状とし、且つ、そのＧ端子に印加されるピーク電圧を上記電圧信号よりも高い電圧とする定数に設定される。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
また図１では、パワー素子Ｑ１を用いてシングル構成とした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（第１のＦＥＴ，第２のＦＥＴ）Ｑ１，Ｑ１１を用いてプッシュプル構成とした場合にも同様に本発明を適用可能である。
なお、図１２に示すプッシュプル構成において、トランスＴ１は、１次側巻線及び２次側巻線を有するプッシュプル用のトランスである。また、インダクタＬ１は、一端に直流電圧Ｖｉｎが印加され、トランスＴ１の１次側巻線の中点の端子に他端が接続されている。また、パワー素子Ｑ１，Ｑ１１のＳ端子はそれぞれ接地されている。また、パワー素子Ｑ１に対して第１の共振回路素子（コンデンサＣ１，Ｃ２及びインダクタＬ２）が設けられ、パワー素子Ｑ１１に対して第２の共振回路素子（コンデンサＣ１１，Ｃ１２及びインダクタＬ１２）が設けられている。ここで、コンデンサＣ１は、パワー素子Ｑ１に並列接続されている。また、インダクタＬ２及びコンデンサＣ２は、トランスＴ１の１次側巻線の一端の端子とパワー素子Ｑ１のＤ端子とを接続するように直列接続されている。同様に、コンデンサＣ１１は、パワー素子Ｑ１１に並列接続されている。また、インダクタＬ１２及びコンデンサＣ１２は、トランスＴ１の１次側巻線の他端の端子とパワー素子Ｑ１１のＤ端子とを接続するように直列接続されている。また、高周波パルスドライブ回路１は、２ＭＨｚを超える高周波数のパルス状の電圧信号及び当該電圧信号に対して逆位相の電圧信号をそれぞれ出力する。そして、高周波パルスドライブ回路１の一方の電圧信号が出力される端子とパワー素子Ｑ１のＧ端子とを接続する第１の信号線のインピーダンスＺ１は、パワー素子Ｑ１の寄生容量（Ｃｇｓ＋Ｃｇｄ）とにより、パワー素子Ｑ１のＧ端子に印加される電圧波形を半波正弦波状とし、且つ、当該Ｇ端子に印加されるピーク電圧を上記電圧信号よりも高い電圧とする定数に設定される。同様に、高周波パルスドライブ回路１の他方の電圧信号が出力される端子とパワー素子Ｑ１１のＧ端子とを接続する第２の信号線のインピーダンスＺ１１は、パワー素子Ｑ１１の寄生容量（Ｃｇｓ＋Ｃｇｄ）とにより、パワー素子Ｑ１１のＧ端子に印加される電圧波形を半波正弦波状とし、且つ、当該Ｇ端子に印加されるピーク電圧を上記電圧信号よりも高い電圧とする定数に設定される。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
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。
【符号の説明】
【００２６】
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）。
【要約】
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。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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