谐振型高频电源装置以及谐振型高频电源装置用开关电路

摘要

本发明涉及一种谐振型高频电源装置，具有进行开关动作的功率元件，该谐振型高频电源装置具有高频脉冲驱动电路(1)，该高频脉冲驱动电路(1)向功率元件发送超过2MHz的高频脉冲状的电压信号，驱动该功率元件，并且利用来自高频脉冲驱动电路(1)的电压信号的信号线的阻抗和功率元件的寄生电容，使该电压信号进行部分谐振。

说明书

技术领域

本发明涉及一种以高频进行电力传输的谐振型高频电源装置以及谐振 型高频电源装置用开关电路。

背景技术

图15所示的以往的谐振型高频电源装置中，作为功率元件Q1，使用了 用于RF(RadioFrequency，射频)的高频FET(FieldEffectTransistor， 场效应晶体管)。而且，为了驱动该高频FET，使用了变压器型驱动电路 101和RF功率放大器电路102，并且为了驱动RF功率放大器电路102，使 用了多输出型电源电路103(例如参照非专利文献1)。

【现有技术文献】

【非专利文献】

非专利文献1：晶体管技术2005年2月号13章

发明内容

发明所要解决的技术问题

但是，非专利文献1中公开的以往结构中，为了驱动功率元件Q1，使 用了变压器型驱动电路101，并且作为功率元件Q1的Vgs驱动信号，施加 了交流的正弦波电压。因此，在使功率元件Q1断开的期间内，会对Vgs施 加负电压，因此会在功率元件Q1的寄生电容即Cgs和Cgd中积蓄与该负电 压相当的电荷(Q＝CV)。而且，为了在下一个期间内使功率元件Q1导通， 必须将该积蓄的电荷放一次电，然后再用正电压进行充电。而且，由于要 通过重复这种动作来开关功率元件Q1，所以会存在需要较大的电力来驱动 功率元件Q1的课题。

此外，上述驱动动作还是使延迟功率元件Q1的开关速度变慢的主要原 因。因此，其会导致功率元件Q1的开关损耗的增加。因此，存在以下课题: 即作为高频电源装置的功耗大，其成为功率转换效率降低的原因。

本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种谐振型高频 电源装置以及谐振型高频电源装置用开关电路，其通过不使用变压器型驱 动电路而驱动功率元件，从而以低功耗来实现高效率化，并且能够进行超 过2MHz的高频动作。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明所涉及的谐振型高频电源装置具有进行开关动作的功率元件，该 谐振型高频电源装置具有高频脉冲驱动电路，该高频脉冲驱动电路向功率 元件发送超过2MHz的高频脉冲状的电压信号，驱动该功率元件，并且利用 来自高频脉冲驱动电路的电压信号的信号线的阻抗和功率元件的寄生电 容，使该电压信号进行部分谐振。

发明效果

根据本发明，由于采用如上结构，因此可通过不使用变压器型驱动电路 而驱动功率元件，从而以低功耗来实现高效率化，并且能够进行超过2MHz 的高频动作。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的结构的 图(功率元件为单一结构时)。

图2是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的V1波 形与Vg波形的关系的图。

图3是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其他结 构的图(使用混合化的元件时)。

图4是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其他结 构的图(使用混合化的元件时)。

图5是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其他结 构的图(使用混合化的元件时)。

图6是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其他结 构的图(使用混合化的元件时)。

图7是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其他结 构的图(使用混合化的元件时)。

图8是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其他结 构的图(使用混合化的元件时)。

图9是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其他结 构的图(使用混合化的元件时)。

图10是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其他 结构的图(使用混合化的元件时)。

图11是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其他 结构的图(使用混合化的元件时)。

图12是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其他 结构的图(功率元件为推挽式结构时)。

图13是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其他 结构的图(设有谐振条件可变型LC电路时)。

图14是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的其他 结构的图(设有谐振条件可变电路时)。

图15是表示以往的谐振型高频电源装置的结构的图。

具体实施方式

以下参照附图，详细说明本发明的实施方式。

实施方式1

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的谐振型高频电源装置的结构的 图。另外，图1中示出功率元件Q1为单一结构时的电路。

谐振型高频电源装置如图1所示，由功率元件Q1、谐振电路元件(电 容器C1、C2以及电感器L2)、电感器L1、高频脉冲驱动电路1、可变型脉 冲信号产生电路2以及偏置用电源电路3构成。此外，Cgs和Cgd是功率元 件Q1的寄生电容，Z1是高频脉冲驱动电路1与功率元件Q1的G端子间的 信号线(线、基板上图案等)的阻抗。

另外，谐振型发送天线(电力传输用发送天线)10是具有LC谐振特性 的电力传输用谐振型天线(并不仅限定于非接触型)。该谐振型发送天线 10可以是磁场共振型、电场共振型以及电磁感应型中的任一种。

功率元件Q1是进行开关动作以将输入的直流电压Vin转换为交流的开 关元件。作为该功率元件Q1，不仅限于用于RF的FET，例如可使用 Si-MOSFET、SiC-MOSFET、GaN-FET等元件。

谐振电路元件(电容器C1、C2以及电感器L2)是用于使功率元件Q1 的开关动作进行谐振开关的元件。利用由该电容器C1、C2以及电感器L2 构成的谐振电路元件，能够与谐振型发送天线10之间使谐振条件一致。

电感器L1的作用是，在每次功率元件Q1的开关动作时暂时保持输入的 直流电压Vin的能量。

高频脉冲驱动电路1是向功率元件Q1的G端子发送超过2MHz的高频脉 冲状的电压信号并驱动功率元件Q1的电路。此时，利用来自高频脉冲驱动 电路1的电压信号的信号线的阻抗Z1和功率元件Q1的寄生电容(Cgs+ Cgd)，使该电压信号部分谐振，然后输入至功率元件Q1的G端子。该高 频脉冲驱动电路1是通过FET元件等将输出部构成为推挽式电路且能够高 速地进行ON/OFF输出的电路。

可变型脉冲信号产生电路2是向高频脉冲驱动电路1发送逻辑信号等超 过2MHz的高频脉冲状电压信号并驱动高频脉冲驱动电路1的电路。该可变 型脉冲信号产生电路2由用来设定频率的振荡器和触发器、反相器等逻辑 IC构成，具有变更脉冲幅度、输出反转脉冲等功能。

偏置电源电路3向可变型脉冲信号产生电路2和高频脉冲驱动电路1供 给驱动电力。

接着，说明如上构成的谐振型高频电源装置的动作。

首先，输入的直流电压Vin通过电感器L1施加至功率元件Q1的D端子。 然后，功率元件Q1通过ON/OFF的开关动作将该电压转换为正电压的交流 状电压。实施该转换动作时，电感器L1起到暂时保持能量的作用，帮助其 将直流电转换为交流电。

此处，功率元件Q1的开关动作中，通过由电容器C1、C2以及电感器 L2构成的谐振电路元件来设定谐振开关条件以使ZVS(零电压开关)成立， 使得Ids电流与Vds电压积所引起的开关损耗为最小。通过该谐振开关动 作，以RTN电压为轴的交流电压输出至输出电压Vout。

通过将接收到来自可变型脉冲信号产生电路2的任意脉冲状的电压信 号后的高频脉冲驱动电路1输出的脉冲状的电压信号输入至功率元件Q1的 G端子，从而驱动功率元件Q1。

此时，功率元件Q1的G端子的电压Vg会因阻抗Z1与寄生电容(Cgs +Cgd)的瞬态响应，形成图2所示的部分谐振波形，其峰值电压为高于V1 电压的电压，并施加至功率元件Q1的G端子。由此，能够以高速且低ON 电阻的方式驱动功率元件Q1。

此外，功率元件Q1的驱动频率为谐振型高频电源装置的动作频率，根 据可变型脉冲信号产生电路2内部的振荡器电路的设定来决定。

如上所述，根据本实施方式1，其构成为，具有高频脉冲驱动电路1， 该高频脉冲驱动电路1将超过2MHz的高频脉冲状的电压信号发送至功率元 件Q1，驱动该功率元件，并且利用来自高频脉冲驱动电路1的电压信号的 信号线的阻抗Z1和功率元件Q1的寄生电容(Cgs+Cgd)，使该电压信号 部分谐振，因此能够通过部分谐振使功率元件Q1的G端子的电压Vg高于 电压V1，并且能够使该电压Vg形成为半波正弦波状，所以在不使用现有技 术的变压器型驱动电路101且进行超过2MHz的高频动作的谐振型高频电源 装置中，能够获得低功耗且高达90％以上的功率转换效率特性。此外，还能 够实现装置的简易化、小型化以及低成本化。

另外，图1中，还可使用将各部分混合化的元件(谐振型高频电源装置 用开关电路)4。图3表示将功率元件Q1、阻抗Z1以及高频脉冲驱动电路 1混合化后的元件4，图4表示将功率元件Q1、阻抗Z1以及电容器C1混合 化后的元件4，图5表示将功率元件Q1、阻抗Z1、电容器C1以及高频脉冲 驱动电路1混合化后的元件4，图6表示将功率元件Q1、阻抗Z1、电容器 C1、高频脉冲驱动电路1以及可变型脉冲信号产生电路2混合化后的元件4， 图7表示将功率元件Q1、阻抗Z1以及电容器C2混合化后的元件4，图8 表示将功率元件Q1、阻抗Z1、电容器C2以及高频脉冲驱动电路1混合化 后的元件4，图9表示将功率元件Q1、阻抗Z1以及电容器C1、C2混合化 后的元件4，图10表示将功率元件Q1、阻抗Z1、电容器C1、C2以及高频 脉冲驱动电路1混合化后的元件4，图11表示将功率元件Q1、阻抗Z1、电 容器C1、C2、高频脉冲驱动电路1以及可变型脉冲信号产生电路2混合化 后的元件4。

此外，图1中示出了功率元件Q1为单一结构时的电路，但并不限定于 此，例如图12所示，功率元件Q1为推挽式结构时，也同样可使用本发明。

此外，图1的说明中谐振电路元件(电容器C1、C2以及电感器L2)的 常数是固定的，并将谐振条件设为固定，但并不限定于此，例如图13所示， 也可使用谐振条件为可变的谐振条件可变型LC电路5。此外，例如图14 所示，还可另行设置使上述谐振电路元件(电容器C1、C2以及电感器L2) 的谐振条件为可变的谐振条件可变电路6。

此外，本申请发明可在其发明范围内，对实施方式的任意的构成要素进 行变形或省略。

【工业上的实用性】

本发明所涉及的谐振型高频电源装置以及谐振型高频电源装置用开关 电路通过不使用变压器型驱动电路而驱动功率元件从而以低功耗来实现高 效率化，能够进行超过2MHz的高频动作，适用于以高频进行电力传输的谐 振型高频电源装置以及谐振型高频电源装置用开关电路等。

(标号说明)

1高频脉冲驱动电路

2可变型脉冲信号产生电路

3偏置用电源电路

4混合化元件(谐振型高频电源装置用开关电路)

5谐振条件可变型LC电路

6谐振条件可变电路

10谐振型发送天线(电力传输用发送天线)