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JPWO2018190117A1 - 電源制御装置 - Google Patents

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JPWO2018190117A1
JPWO2018190117A1 JP2019512413A JP2019512413A JPWO2018190117A1 JP WO2018190117 A1 JPWO2018190117 A1 JP WO2018190117A1 JP 2019512413 A JP2019512413 A JP 2019512413A JP 2019512413 A JP2019512413 A JP 2019512413A JP WO2018190117 A1 JPWO2018190117 A1 JP WO2018190117A1
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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。【選択図】図４

Description

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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EP2717414B1 (en) * 2011-05-25 2018-04-18 Hitachi, Ltd. Charging system
CN106233606B (zh) * 2014-04-15 2019-04-19 丹麦技术大学 谐振dc-dc功率转换器组件
US10286795B2 (en) * 2014-04-16 2019-05-14 Mitsubishi Electric Corporation Charging device for electric vehicle

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