非接触で充電される電子装置及び高周波整流器
【課題】高周波帯且つ大電力の交流電力を高効率に整流することができる高周波整流器を提供する。
【解決手段】伝送線路Ｌを伝送する高周波の交流電力を非同期整流する接合型のＦＥＴ１０１と、このＦＥＴ１０１により整流された電力を後段回路へ導くチョークコイル１０２と、ＦＥＴ１０１の出力側とチョークコイル１０２の入力側との間に接続され、整流後の電力に含まれる交流成分に対するインピーダンスを高めるオープンスタブ１０４とを備えた高周波整流器とする。ＦＥＴ１０１は、そのゲート端子Ｇが寄生容量成分を相殺するための誘導性素子１０７を介して接地されており、そのソース端子Ｓ及びドレイン端子Ｄの少なくとも一方が伝送線路Ｌに接続されている。
【解決手段】伝送線路Ｌを伝送する高周波の交流電力を非同期整流する接合型のＦＥＴ１０１と、このＦＥＴ１０１により整流された電力を後段回路へ導くチョークコイル１０２と、ＦＥＴ１０１の出力側とチョークコイル１０２の入力側との間に接続され、整流後の電力に含まれる交流成分に対するインピーダンスを高めるオープンスタブ１０４とを備えた高周波整流器とする。ＦＥＴ１０１は、そのゲート端子Ｇが寄生容量成分を相殺するための誘導性素子１０７を介して接地されており、そのソース端子Ｓ及びドレイン端子Ｄの少なくとも一方が伝送線路Ｌに接続されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触で充電される電子装置及び高周波の交流電力を大容量で高効率に整流するための高周波整流器に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話や携帯情報端末等の電子装置を非接触で充電する方式として、電磁誘導方式がある。電磁誘導方式では、給電する側の電子装置（以下、「給電元装置」という。）のコイルから、給電を受ける電子装置（以下、「給電先装置」という。）が備えるコイルへ交流電力が非接触で伝達される。
給電先装置では、受電した交流電力を整流器で直流電力に変換し、内蔵の充電池に充電する。このような電磁誘導方式では、互いのコイルの位置ずれにより、電力効率が低下したり、異物の進入により加熱されたり、電磁波やノイズの影響が出たりするという問題がある。
【０００３】
このような電磁誘導方式の問題に対しては、電磁界共鳴方式や電波受信方式による非接触充電が有効となる。特許文献１には、電磁界共鳴方式による非接触充電の技術が開示されており、特許文献２には、電波受信方式による非接触充電の技術が開示されている。電磁界共鳴方式や電波受信方式では、電磁誘導方式のように数［ｋＨｚ］〜数十［ＭＨｚ］の低周波による磁界を利用した給電とは異なり、数百［ＭＨｚ］〜数［ＧＨｚ］の高周波の電磁界を利用して給電を行う。高周波による充電では、無線通信でよく使用される高周波帯の周波数を扱うため、比較的容易に小型化が可能となる。
【０００４】
高周波の交流電力による充電では、交流電力を整流するための整流素子に、順方向の電圧降下が小さく、逆回復時間の短いショットキー・バリア・ダイオード（以下、「ＳＢＤ」という）が多用されている。例えば、特許文献３には、整流回路にＳＢＤを用いていることが示されている。
但し、ＳＢＤは、高周波帯において高耐電圧、高電流定格のものが殆ど無いために、使用周波数がギガヘルツ帯のような高周波になると、整流効率が低下する。複数のＳＢＤを並列に接続することで高周波帯に対応させることができるが、複数のＳＢＤの特性にバラツキ等があると電力分配が均一でなくなり、入力された交流電力が１つのＳＢＤに集中して整流効率の低下や素子の破損が起きるという問題がある。また、電流定格の大きい高周波帯対応のＳＢＤを特別に製作することもで高周波帯に対応することもできるが、コスト面で現実的ではない。
【０００５】
非特許文献１には、ＳＢＤよりも高周波での整流効果が期待できる電界効果トランジスタ（以下、「ＦＥＴ」（Field Effect Transistor）という。）を用いた整流回路が開示されている。この非特許文献１では、ＦＥＴにＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）を用いている。非特許文献１に示された整流回路は、高周波で小電力，例えば数十ｍＷ程度の小電力に対しては所定の効率で整流を行う。しかし、１［Ｗ］以上の大電力の交流電力に対しては、ＦＥＴの内部リアクタンス負荷の影響を受けて整流効率が低下してしまう。また、直流電力が接地に対して負電位になっており、この整流回路に接続される回路の使い勝手が悪い。
また、非特許文献１では、伝送線路とＦＥＴのゲート端子との間に出力フィルタが挿入されているために、回路の小型化が困難であり、携帯電話等のような小型の電子装置への採用には不適であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−０５０１４０号公報
【特許文献２】特開２００９−２５３７６３号公報
【特許文献３】特開２００６−３４５６３７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】2006 年 電子情報通信学会総合大会. S-12. CBS-1-7.「マイクロ波電力伝送におけるＨＥＭＴを用いた整流回路に関する検討」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように整流素子にＳＢＤを用いた場合には、高周波の交流電力に対する整流効率が低下するという問題があり、他方、整流素子にＦＥＴを用いた場合には、大電力に対する整流効率が低下する問題があった。
そのため、電磁界共鳴方式や電波受信方式による非接触充電は、容量の小さい充電池を小電力（数十［ｍＷ］）で充電する用途に限られていた。
しかし、スマートフォン等のような携帯型の電子装置で必要とされる中電力（１〜４［Ｗ］程度）による急速充電を非接触充電で行うことへの要望は大きい。
【０００９】
本発明の課題は、高周波の大電力を高効率に整流することができる高周波整流器、及び、非接触による急速充電が可能な電子装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する本発明の高周波整流器は、伝送線路上の高周波の交流電力を非同期整流する接合型のＦＥＴと、このＦＥＴで整流された電力を後段回路へ導くチョークコイルと、前記ＦＥＴの出力側と前記チョークコイルの入力側との間に接続され、整流後の電力に含まれる交流成分に対するインピーダンスを高める第１オープンスタブとを備え、前記ＦＥＴは、そのゲート端子が寄生容量成分を相殺するための誘導性素子を介して接地されており、そのソース端子及びドレイン端子の少なくとも一方が前記伝送線路に接続されている、高周波整流器である。
【００１１】
このように構成される高周波整流器は、接合型のＦＥＴを非同期整流用の素子として用いたので、大電力の受電を行うことが可能となる。また、ＦＥＴのゲート端子に接続される誘導性素子が当該ＦＥＴの寄生容量成分を相殺し、高周波抵抗による内部損失を低下させるので、整流素子にＦＥＴを用いた場合の整流効率の低下が防止される。また、チョークコイルが電流変化を妨げる向きに誘導電流を流し、第１オープンスタブが、整流後の電力における交流成分、例えば高調波成分に対してチョークコイルの負荷を高インピーダンスにするので、例えばリップルのような振幅変動の少ない直流電力を得ることができる。
【００１２】
ある実施の態様では、前記チョークコイルの出力側に、交流電力を全反射させる第２オープンスタブが接続されている。この第２オープンスタブにより、交流電力がチョークコイルの出力側、すなわち後段回路側に流れ込むことを防止し、当該交流電力をチョークコイルに再入力させるので、大電力入力時の整流効率の低下が抑制される。
【００１３】
他の実施の態様では、前記ＦＥＴのソース端子に、当該ソース端子のリアクタンス負荷を大きくするための第３オープンスタブが接続されている。この第３オープンスタブにより、ＦＥＴの寄生リアクタンスによる負荷の影響が低減するので、当該第３オープンスタブが存在しない場合よりも高調波の整流効率が高まる。
【００１４】
他の実施の態様では、前記ＦＥＴの入力側に、容量性素子で構成された入力インピーダンス整合回路が設けられている。容量性素子は高周波の交流電力に対する損失が小さいため、整流効率を低下させることなく、また、回路構成の増大を抑えつつ、ＦＥＴの入力側のインピーダンス整合をとることができる。
【００１５】
本発明の電子装置は、上記のいずれかの態様の高周波整流器と、この高周波整流器で整流された電力を充電池に充電するための制御を行う充電制御器と、を備えて成る装置である。高周波整流器によって高周波帯での整流効率を高めることができるので、大電力を受電して充電池への急速充電を行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の高周波整流器によれば、整流素子として接合型のＦＥＴ（その内部ダイオード）を用い、そのゲート端子に接続される誘導性素子により当該ＦＥＴの寄生容量成分を相殺するとともに、チョークコイルにより電流の振幅変化を抑制し、さらに、第１オープンスタブで整流後の電力における交流成分に対してチョークコイルの負荷を高インピーダンスにするので、入力される交流電力の増大時の効率低下や整流された電力の振幅変動が防止され、大電力給電に対応することが容易となるという特有の効果が得られる。
これにより、携帯電話等のような小形の電子装置への非接触充電を大電力で安定的に行うことができ、急速充電や大容量の充電池への充電が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】電磁界共鳴方式の充電システムの構成図である。
【図１Ｂ】電波受信方式の充電システムの構成図である。
【図２】本実施形態の高周波整流器の詳細な構成図である。
【図３】高周波整流器の変形例の詳細な構成図である。
【図４Ａ】高周波整流器の実装例を示した図である。
【図４Ｂ】高周波整流器の実装例を示した図である。
【図４Ｃ】高周波整流器の実装例を示した図である。
【図５】本実施形態の高周波整流器と従来の整流回路との整流効率の特性を比較する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１Ａは電磁界共鳴方式による充電システムの構成図である。給電元装置２から給電先装置１へは、コイル２１、１４を介して電力が給電される。また、図１Ｂは、電波受信方式による充電システムの構成図である。給電元装置２から給電先装置１へは、電波により電力が給電される。そのために図１Ｂでは、給電元装置２が電波を空間へ放射するための送信部２２を有し、給電先装置１が給電元装置２から放射された電波を受信するための受信部１５を有している。このように、図１Ａ、Ｂの例では電力の受け渡し方式が異なるが、他の構成は、ほぼ同じである。
【００１９】
本実施形態例において、給電元装置２は、給電先装置１に高周波の交流電力を電磁界共鳴方式或いは電波受信方式により給電する。交流電力の周波数は、例えば数百［ＭＨｚ］〜数［ＧＨｚ］である。
【００２０】
給電先装置１は、例えばスマートフォンのような携帯情報端末あるいはその構成装置であって、高周波整流器１０、充電制御器１１、充電池１２、及び報知部１３を備えている。
高周波整流器１０は、給電元装置２から給電された高周波の交流電力を直流電力に整流する。高周波整流器１０から出力される直流電力は、充電制御器１１の制御により充電池１２に充電される。充電制御器１１は、充電池１２の充電量等の充電状態の監視と、報知部１３の制御をも行う。具体的には、充電池１２の充電状態に見合った報知信号を生成し、この報知信号により、所定の色のライトの点灯、文字表示或いは音により外部へ報知する。
【００２１】
高周波整流器１０の詳細な構成例を図２に示す。この高周波整流器１０は、高周波整流器１０の入力インピーダンス整合を行う整合回路１００と、整合回路１００の出力側の伝送線路Ｌを伝送する交流電力を非同期整流するＦＥＴ１０１と、このＦＥＴ１０１の後段側に伝送線路Ｌと並列に設けられたコンデンサ１０３と、ＦＥＴ１０１の出力側とチョークコイル１０２の入力側との間に設けられたオープンスタブ（第１オープンスタブ）１０４と、チョークコイル１０２の出力側とコンデンサ１０３との間に設けられたオープンスタブ（第２オープンスタブ）１０５とを有しており、これらの部品により整流された電力を充電制御器１１に伝達する。
なお、伝送線路Ｌとは、入力された交流電力を整流した後、後段回路へ直流電力として伝達するための伝送線路である。
【００２２】
整合回路１００はリアクタンス素子、好適には容量性素子で構成される。これは、誘導性素子では純抵抗成分があり、この純抵抗成分の影響を受けて損失が生じ、整流効率が悪化してしまうためである。
【００２３】
ＦＥＴ１０１は、電圧駆動型でバイポーラトランジスタよりも入力インピーダンスが高く、ゲート端子に大電力が生じず、高周波回路や大電力の回路に適しているＨＥＭＴやＭＥＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor）のような、接合型のＦＥＴである。接合型のＦＥＴは、順方向降下電圧が小さいダイオードとして動作可能であり、交流電力の振幅が正極性のときに内部ダイオードが非導通（オフ））になり、また、振幅が負極性のときに内部ダイオードが導通（オン）になるように動作して、ＦＥＴ１０１として非同期整流動作を行う。
なお、接合型ではないＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）型のＦＥＴでは、一般に高周波帯に対応し且つ電流定格の大きい寄生ダイオードを備えたものが殆ど無く、また大きな逆回復時間が生じるため、ＳＢＤ同様に高周波の整流には不向きである。
【００２４】
ＦＥＴの組成は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）等の化合物であるものが望ましい。特に、ＧａＡｓは、ＳｉＣに比べて高速に動作して浮遊容量も少ないので高周波特性が良好であり、集積化が可能なので、大電力に対応することができて便利である。ＧａＮは、耐電圧、電流定格を非常に大きくとることができるために特性的には充分であるが、現状では高価である。そのため、本実施形態では、安価でプロセス技術も確立されており、開発が容易なＧａＡｓを用いたＦＥＴを用いている。
【００２５】
ＦＥＴ１０１は、ゲート端子Ｇが誘導性素子１０７を介して接地され、ドレイン端子Ｄ及びソース端子Ｓが伝送線路Ｌに接続される。このように接続することで、ＦＥＴ１０１は、ゲート端子Ｇ−ドレイン端子Ｄ間及びゲート端子Ｇ−ソース端子Ｓ間の２つの内部ダイオードを利用した非同期整流が可能である。
【００２６】
誘導性素子１０７は、例えばチップインダクタや導体パターンで構成され、そのリアクタンスは、ＦＥＴ１０１のゲート端子Ｇ−ソース端子Ｓ間及びゲート端子Ｇ−ドレイン端子Ｄ間のキャパシタによるリアクタンスを、使用周波数において打ち消すように設定する。
ＦＥＴのゲート端子Ｇ−ソース端子Ｓ間及びゲート端子Ｇ−ドレイン端子Ｄ間のキャパシタには、ＦＥＴ内に構成される真性キャパシタと、パッケージ、リード等のＦＥＴの使用環境によって生ずるキャパシタである寄生キャパシタとがある。ゲート端子Ｇ−ソース端子Ｓ間の真性キャパシタをＣｇｓ、寄生キャパシタをＣｇｓ’、ゲート端子Ｇ−ドレイン端子Ｄ間の真性キャパシタをＣｇｄ、寄生キャパシタをＣｇｄ’、ゲート端子ＧのボンディングワイヤやリードフレームのインダクタンスをＬｇ、誘導性素子１０７のインダクタンスをＬ１とすると、使用周波数Ｆは、下記の式で与えられる。
Ｆ＝１／［２π√｛（Ｃｇｓ＋Ｃｇｓ’）
＋（Ｃｇｄ＋Ｃｇｄ’）｝
＊（Ｌ１＋Ｌｇ）］
【００２７】
誘導性素子１０７は、例えばこの式においてインダクタンスＬ１が適切になるように設定する。このようにそのリアクタンスが設定された誘導性素子１０７により、ＦＥＴ１０１の寄生キャパシタンスの影響が消されてリアクタンス負荷が低減し、ＦＥＴ１０１の高周波抵抗による内部損失を低下させて整流効率の低下を防止する。また、接地に対してもＦＥＴ１０１のドレイン端子Ｄ及びソース端子Ｓ側が正電位となるため、ＦＥＴを整流素子として用いている従来の高周波整流器に比べて使い勝手が良くなる。
【００２８】
通常、高周波に対応して耐電圧の大きいＦＥＴは、ソース接地での使用が想定されている。そのために、このようなＦＥＴの実装品には、一般的に、ゲート端子Ｇが１端子、ドレイン端子Ｄが１端子、ソース端子Ｓが２端子を有する４端子が設けられる。本実施形態のＦＥＴ１０１は、ソース端子Ｓを伝送線路Ｌに接続するが、この場合、ソース端子Ｓを対称に伝送線路Ｌに接続すると、ゲート端子Ｇが１端子、ソース端子Ｓが２端子の３端子入力となり、端子構造も異なるものが多いため、電力分配が難しくなる。そのため、本実施形態では、２つのソース端子Ｓの一方を伝送線路Ｌに接続し、他方を開放し、或いは、ソース端子Ｓ同士を導体パターンで短絡させることで、電力分配を容易にしている。
【００２９】
ＦＥＴ１０１の２つのソース端子Ｓの一方を伝送線路Ｌに接続し、他方を開放にした場合、開放にしたソース端子Ｓのリアクタンス負荷が、導体パターン等から生じる寄生キャパシタによる影響で低下する場合がある。このリアクタンス負荷の低下は、伝送線路Ｌに接続されたソース端子Ｓからの入力に影響を与え、整流効率を低下させる一因となる。そこで、本実施形態では、オープンスタブ（第３のオープンスタブ）１０６をソース端子Ｓに接続している。このオープンスタブ１０６は、ソース端子Ｓのリアクタンス負荷が使用周波数で大きくなる（使用周波数近傍で共振しない）ように設定され、ソース端子Ｓからの影響を抑制することで、整流効果の低減を改善するように動作する。
【００３０】
一般的にＦＥＴは、ゲート端子Ｇ−ドレイン端子Ｄ間と、ゲート端子Ｇ−ソース端子Ｓ間とが対称構造になっているので、２つの内部ダイオードは同じ特性となる。しかし、ＦＥＴの中には、特性改善のために意図的に対称構造を崩しているものがある。
このようなＦＥＴの場合、２つの内部ダイオードの特性が異なるために、整流効率の低下や電力配分が不均一になり、電流に偏りが生じて、半導体が破損することがある。このようなＦＥＴを用いる場合は、図３に示す高周波整流器１０の変形例ように、２つのソース端子Ｓの両方を開放にするとともに、開放によるリアクタンス負荷の影響を低減するようにオープンスタブ１０６を付加することで、電流定格が低下するが整流効率の低下やＦＥＴの破損の可能性を低減させることができる。
ここで、ソース端子Ｓに代えてドレイン端子Ｄを開放することも可能である。しかし、前述の通り、一般にソース端子Ｓが２端子で構成されているために、高周波においてはインピーダンスの整合をとることが難しくなり、また、ドレイン端子Ｄと比べて耐電圧が低いものが多いため、ドレイン端子Ｄの開放は好適ではない。
【００３１】
また、ＦＥＴ１０１を伝送線路Ｌと並列に用いる本実施形態と異なり、ＦＥＴのソース端子Ｓとドレイン端子Ｄを出力側、ゲート端子Ｇを入力側の伝送線路Ｌにそれぞれ接続して直列に用いる方式も可能である。しかし、ゲート端子Ｇ−ソース端子Ｓ間及びゲート端子Ｇ−ドレイン端子Ｄ間のインピーダンスと入出力インピーダンスとの整合をとるのが難しく、また、ＦＥＴの内部抵抗による電力消費が生じるため、本実施形態の場合よりも整流効率は低下する。
【００３２】
チョークコイル１０２は、伝送線路Ｌに直列に接続され、コンデンサ１０３は、伝送線路Ｌに並列に接続される。チョークコイル１０２は、チップコイル等で構成でき、定数は使用する交流電力の周波数や電流値、抵抗成分（直流抵抗）に応じて設定される。コンデンサ１０３の容量は、使用する交流電力の周波数や出力負荷に応じて設定される。チョークコイル１０２の定数及びコンデンサ１０３の容量は、損失と平滑度の度合いに応じてトレードオフとなる。
【００３３】
チョークコイル１０２は、ＦＥＴ１０１が非導通（ＦＥＴの内部ダイオードがオフ）のときに電流が流れ込んでエネルギーを蓄え、ＦＥＴ１０１が導通（ＦＥＴの内部ダイオードがオン）のときに蓄えたエネルギーを放出することで、電流変化を妨げる向きに誘導電流を流す。つまり、チョークコイル１０２は、電流が流れようとすると電流を妨げるように動作し、電流が減ると電流を流し続けるように動作する。このようなチョークコイル１０２による高周波電流の変化を阻止する動作、及びコンデンサ１０３による充放電や不要な高周波抵抗を下げて高調波信号を短絡させてＦＥＴ１０１による整流で生じるリップルを抑える動作により、振幅変動が抑制された直流電力が安定的に得られる。
【００３４】
オープンスタブ１０４，１０５は、例えば導体パターンで形成される。
オープンスタブ１０４は、整流された電力に含まれる交流成分、例えばＦＥＴ１０１の歪みにより発生する高調波成分に対して、伝送線路Ｌの負荷が高インピーダンス負荷になるように形成する。これにより高調波電流の通電が抑えられる。スタブ長は、例えば二次高調波波長（λ）に対して１／４とする。
オープンスタブ１０５は、入力された電力の交流成分を全反射させ、整流後の電力の交流成分が出力側に流れこむのを防いで、チョークコイル１０２に再入力させる。スタブ長は、例えば整流前の交流電力の波長に対して略１／４とする。
【００３５】
オープンスタブ１０５をチョークコイル１０２の入力側に接続することも可能であるが、用途の異なるオープンスタブを複数付加すると調整や構成が難しくなり、また、交流電力をチュークコイル１０２に再入力することにより、チョークコイル１０２により大電力を蓄えることができなくなる。よって、オープンスタブ１０４をチョークコイル１０２の入力側に、オープンスタブ１０５をチョークコイル１０２の出力側に設けることが好ましい。
【００３６】
高周波整流器１０の具体的な実装例を図４Ａ〜４Ｃに示す。
図４Ａは、厚さ１．０［ｍｍ］、縦横２［ｃｍ］×２［ｃｍ］のＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）製の基板１０８上に上記部品を形成した、いわゆる片面直付型の高周波整流器１０の例である。この高周波整流器１０は、整合回路１００に入力される交流電力の周波数をＦ＝１［ＧＨｚ］に設定し、ＦＥＴ１０１にはＧａＡｓ製のものを用い、２つのソース端子Ｓの一方を伝送線路Ｌに接続し、他方を開放し、オープンスタブ１０６を接続している。すなわち、図２に対応したものとなっている。
【００３７】
整合回路１００は、伝送線路Ｌにチップコンデンサ１１０を挿入接続するとともに、もう一つのチップコンデンサ１１１を、チップコンデンサの出力側に並列に接続して構成される。この実装例では、入力インピーダンスが１［ＧＨｚ］で整合するように、チップコンデンサ１１０を２７０［ｐＦ］、チップコンデンサ１１１を８［ｐＦ］としている。出力側のコンデンサ１０３は１０００［ｐＦ］である。容量性素子で構成されるため、高周波抵抗による損失を防止することができる。また、スタブを用いて構成する場合よりも回路を小型化することができる。
【００３８】
ＦＥＴ１０１のゲート端子Ｇに接続される誘導性素子１０７及びチョークコイル１０２には、巻線型チップインダクタを用いている。ＦＥＴ１０１は、内部合成容量が約７［ｐＦ］、ゲートインダクタが約［２ｎＨ］のものである。そのために、誘導性素子１０７のインダクタを１．５［ｎＨ］、チョークコイル１０２のインダクタを３９０［ｎＨ］に設定している。また、オープンスタブ１０４のスタブ長ｌ１を高調波電流を抑制するために２６［ｍｍ］とし、オープンスタブ１０５のスタブ長ｌ２を高周波成分反射用に５２［ｍｍ］に設定し、オープンスタブ１０６のスタブ長ｌ３を寄生容量成分の相殺用に６［ｍｍ］に設定している。
【００３９】
図４Ｂは、図４Ａの例からオープンスタブ１０５，１０６を除いた構成である。図４Ｃは、図４Ａの例からオープンスタブ１０６を除いた構成である。
【００４０】
図５は、例えば非特許文献１に示される従来のＦＥＴ使用の高周波整流器、従来のＳＢＤ使用の高周波整流器、及び図４Ａ〜４Ｃに示す本実施形態の高周波整流器１０の各々の整流効率を比較するための図である。図５に示されるように、入力される交流電力が１〜４［Ｗ］の場合、従来のＦＥＴ使用の高周波整流器の整流効率（図中、２点破線で表される）は１０〜２０％である。また、従来のＳＢＤ使用の高周波整流器の整流効率（図中、１点破線で表される）は、２Ｗ以下の小電力では５０％前後の効率が得られるものの、２Ｗ以上で急激に効率が下がり、３Ｗ付近で効率が０％、即ちＳＢＤに破壊が生じる。なお、ここでは、伝送線路に対して１５個のＳＢＤを並列に接続した構成の高周波整流器を用いている。
これらに対して、本実施形態による高周波整流器１０の整流効率（図中、図４Ａに対応する特性が実線（Ａ）で表され、図４Ｂに対応する特性が破線（Ｂ）で表され、図４Ｃに対応する特性が点線（Ｃ）で表される）は、最も効率が悪化する４［Ｗ］時でも５０％程度あり、整流効率が格段に改善されている。本実施形態の高周波整流器１０では、図４Ａの例が最も高効率で整流を行っており、次いで、図４Ｃ、図４Ｂの順で、整流効率が高い。
【００４１】
このように、本実施形態の高周波整流器１０は、整流素子として、耐電圧、電流定格の大きい汎用の高周波用で、ＧａＡｓで構成された接合型のＦＥＴ１０１の内部ダイオードを使用し、ＦＥＴ１０１の各端子において生じる寄生容量成分については誘導性素子１０７で相殺し、チョークコイル１０２の入力側に例えば高調波電流を抑制するためのオープンスタブ１０４、チョークコイル１０２の出力側に高周波成分の反射用のオープンスタブ１０５を接続することにより、数百［ＭＨｚ］以上の高周波における整流効率の低下を防止し、１[Ｗ]以上の大電力の給電時においても、高効率に交流電力を整流することができる。
また、伝送線路Ｌに、ＦＥＴ１０１のドレイン端子Ｄ及びソース端子Ｓ、あるいはドレイン端子Ｄが直接接続されるため、出力フィルタがゲート端子と伝送線路との間に挿入される従来のこの種の高周波整流器に比べて、回路全体の小型化を図ることができる。
そのため、給電先装置１の充電制御器１１で、高周波整流器１０で整流された電力を充電池に充電するための制御を行うことにより、携帯電話等のような小形の電子装置への非接触充電を高周波且つ大電力で行うことができ、急速充電や大容量の充電池への充電が容易になる。
【符号の説明】
【００４２】
１…給電先装置、１０…高周波整流器、１００…整合回路、１０１…ＦＥＴ、１０２…チョークコイル、１０３…コンデンサ、１０４、１０５，１０６…オープンスタブ、１０７…誘導性素子、１０８…基板、１１０，１１１…チップコンデンサ、１１…充電制御器、１２充電池、１３…報知部、１４…コイル、１５…受信部、２…給電元装置、２１…コイル、２２…送信部、Ｌ…伝送線路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触で充電される電子装置及び高周波の交流電力を大容量で高効率に整流するための高周波整流器に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話や携帯情報端末等の電子装置を非接触で充電する方式として、電磁誘導方式がある。電磁誘導方式では、給電する側の電子装置（以下、「給電元装置」という。）のコイルから、給電を受ける電子装置（以下、「給電先装置」という。）が備えるコイルへ交流電力が非接触で伝達される。
給電先装置では、受電した交流電力を整流器で直流電力に変換し、内蔵の充電池に充電する。このような電磁誘導方式では、互いのコイルの位置ずれにより、電力効率が低下したり、異物の進入により加熱されたり、電磁波やノイズの影響が出たりするという問題がある。
【０００３】
このような電磁誘導方式の問題に対しては、電磁界共鳴方式や電波受信方式による非接触充電が有効となる。特許文献１には、電磁界共鳴方式による非接触充電の技術が開示されており、特許文献２には、電波受信方式による非接触充電の技術が開示されている。電磁界共鳴方式や電波受信方式では、電磁誘導方式のように数［ｋＨｚ］〜数十［ＭＨｚ］の低周波による磁界を利用した給電とは異なり、数百［ＭＨｚ］〜数［ＧＨｚ］の高周波の電磁界を利用して給電を行う。高周波による充電では、無線通信でよく使用される高周波帯の周波数を扱うため、比較的容易に小型化が可能となる。
【０００４】
高周波の交流電力による充電では、交流電力を整流するための整流素子に、順方向の電圧降下が小さく、逆回復時間の短いショットキー・バリア・ダイオード（以下、「ＳＢＤ」という）が多用されている。例えば、特許文献３には、整流回路にＳＢＤを用いていることが示されている。
但し、ＳＢＤは、高周波帯において高耐電圧、高電流定格のものが殆ど無いために、使用周波数がギガヘルツ帯のような高周波になると、整流効率が低下する。複数のＳＢＤを並列に接続することで高周波帯に対応させることができるが、複数のＳＢＤの特性にバラツキ等があると電力分配が均一でなくなり、入力された交流電力が１つのＳＢＤに集中して整流効率の低下や素子の破損が起きるという問題がある。また、電流定格の大きい高周波帯対応のＳＢＤを特別に製作することもで高周波帯に対応することもできるが、コスト面で現実的ではない。
【０００５】
非特許文献１には、ＳＢＤよりも高周波での整流効果が期待できる電界効果トランジスタ（以下、「ＦＥＴ」（Field Effect Transistor）という。）を用いた整流回路が開示されている。この非特許文献１では、ＦＥＴにＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）を用いている。非特許文献１に示された整流回路は、高周波で小電力，例えば数十ｍＷ程度の小電力に対しては所定の効率で整流を行う。しかし、１［Ｗ］以上の大電力の交流電力に対しては、ＦＥＴの内部リアクタンス負荷の影響を受けて整流効率が低下してしまう。また、直流電力が接地に対して負電位になっており、この整流回路に接続される回路の使い勝手が悪い。
また、非特許文献１では、伝送線路とＦＥＴのゲート端子との間に出力フィルタが挿入されているために、回路の小型化が困難であり、携帯電話等のような小型の電子装置への採用には不適であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−０５０１４０号公報
【特許文献２】特開２００９−２５３７６３号公報
【特許文献３】特開２００６−３４５６３７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】2006 年 電子情報通信学会総合大会. S-12. CBS-1-7.「マイクロ波電力伝送におけるＨＥＭＴを用いた整流回路に関する検討」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように整流素子にＳＢＤを用いた場合には、高周波の交流電力に対する整流効率が低下するという問題があり、他方、整流素子にＦＥＴを用いた場合には、大電力に対する整流効率が低下する問題があった。
そのため、電磁界共鳴方式や電波受信方式による非接触充電は、容量の小さい充電池を小電力（数十［ｍＷ］）で充電する用途に限られていた。
しかし、スマートフォン等のような携帯型の電子装置で必要とされる中電力（１〜４［Ｗ］程度）による急速充電を非接触充電で行うことへの要望は大きい。
【０００９】
本発明の課題は、高周波の大電力を高効率に整流することができる高周波整流器、及び、非接触による急速充電が可能な電子装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する本発明の高周波整流器は、伝送線路上の高周波の交流電力を非同期整流する接合型のＦＥＴと、このＦＥＴで整流された電力を後段回路へ導くチョークコイルと、前記ＦＥＴの出力側と前記チョークコイルの入力側との間に接続され、整流後の電力に含まれる交流成分に対するインピーダンスを高める第１オープンスタブとを備え、前記ＦＥＴは、そのゲート端子が寄生容量成分を相殺するための誘導性素子を介して接地されており、そのソース端子及びドレイン端子の少なくとも一方が前記伝送線路に接続されている、高周波整流器である。
【００１１】
このように構成される高周波整流器は、接合型のＦＥＴを非同期整流用の素子として用いたので、大電力の受電を行うことが可能となる。また、ＦＥＴのゲート端子に接続される誘導性素子が当該ＦＥＴの寄生容量成分を相殺し、高周波抵抗による内部損失を低下させるので、整流素子にＦＥＴを用いた場合の整流効率の低下が防止される。また、チョークコイルが電流変化を妨げる向きに誘導電流を流し、第１オープンスタブが、整流後の電力における交流成分、例えば高調波成分に対してチョークコイルの負荷を高インピーダンスにするので、例えばリップルのような振幅変動の少ない直流電力を得ることができる。
【００１２】
ある実施の態様では、前記チョークコイルの出力側に、交流電力を全反射させる第２オープンスタブが接続されている。この第２オープンスタブにより、交流電力がチョークコイルの出力側、すなわち後段回路側に流れ込むことを防止し、当該交流電力をチョークコイルに再入力させるので、大電力入力時の整流効率の低下が抑制される。
【００１３】
他の実施の態様では、前記ＦＥＴのソース端子に、当該ソース端子のリアクタンス負荷を大きくするための第３オープンスタブが接続されている。この第３オープンスタブにより、ＦＥＴの寄生リアクタンスによる負荷の影響が低減するので、当該第３オープンスタブが存在しない場合よりも高調波の整流効率が高まる。
【００１４】
他の実施の態様では、前記ＦＥＴの入力側に、容量性素子で構成された入力インピーダンス整合回路が設けられている。容量性素子は高周波の交流電力に対する損失が小さいため、整流効率を低下させることなく、また、回路構成の増大を抑えつつ、ＦＥＴの入力側のインピーダンス整合をとることができる。
【００１５】
本発明の電子装置は、上記のいずれかの態様の高周波整流器と、この高周波整流器で整流された電力を充電池に充電するための制御を行う充電制御器と、を備えて成る装置である。高周波整流器によって高周波帯での整流効率を高めることができるので、大電力を受電して充電池への急速充電を行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の高周波整流器によれば、整流素子として接合型のＦＥＴ（その内部ダイオード）を用い、そのゲート端子に接続される誘導性素子により当該ＦＥＴの寄生容量成分を相殺するとともに、チョークコイルにより電流の振幅変化を抑制し、さらに、第１オープンスタブで整流後の電力における交流成分に対してチョークコイルの負荷を高インピーダンスにするので、入力される交流電力の増大時の効率低下や整流された電力の振幅変動が防止され、大電力給電に対応することが容易となるという特有の効果が得られる。
これにより、携帯電話等のような小形の電子装置への非接触充電を大電力で安定的に行うことができ、急速充電や大容量の充電池への充電が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】電磁界共鳴方式の充電システムの構成図である。
【図１Ｂ】電波受信方式の充電システムの構成図である。
【図２】本実施形態の高周波整流器の詳細な構成図である。
【図３】高周波整流器の変形例の詳細な構成図である。
【図４Ａ】高周波整流器の実装例を示した図である。
【図４Ｂ】高周波整流器の実装例を示した図である。
【図４Ｃ】高周波整流器の実装例を示した図である。
【図５】本実施形態の高周波整流器と従来の整流回路との整流効率の特性を比較する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１Ａは電磁界共鳴方式による充電システムの構成図である。給電元装置２から給電先装置１へは、コイル２１、１４を介して電力が給電される。また、図１Ｂは、電波受信方式による充電システムの構成図である。給電元装置２から給電先装置１へは、電波により電力が給電される。そのために図１Ｂでは、給電元装置２が電波を空間へ放射するための送信部２２を有し、給電先装置１が給電元装置２から放射された電波を受信するための受信部１５を有している。このように、図１Ａ、Ｂの例では電力の受け渡し方式が異なるが、他の構成は、ほぼ同じである。
【００１９】
本実施形態例において、給電元装置２は、給電先装置１に高周波の交流電力を電磁界共鳴方式或いは電波受信方式により給電する。交流電力の周波数は、例えば数百［ＭＨｚ］〜数［ＧＨｚ］である。
【００２０】
給電先装置１は、例えばスマートフォンのような携帯情報端末あるいはその構成装置であって、高周波整流器１０、充電制御器１１、充電池１２、及び報知部１３を備えている。
高周波整流器１０は、給電元装置２から給電された高周波の交流電力を直流電力に整流する。高周波整流器１０から出力される直流電力は、充電制御器１１の制御により充電池１２に充電される。充電制御器１１は、充電池１２の充電量等の充電状態の監視と、報知部１３の制御をも行う。具体的には、充電池１２の充電状態に見合った報知信号を生成し、この報知信号により、所定の色のライトの点灯、文字表示或いは音により外部へ報知する。
【００２１】
高周波整流器１０の詳細な構成例を図２に示す。この高周波整流器１０は、高周波整流器１０の入力インピーダンス整合を行う整合回路１００と、整合回路１００の出力側の伝送線路Ｌを伝送する交流電力を非同期整流するＦＥＴ１０１と、このＦＥＴ１０１の後段側に伝送線路Ｌと並列に設けられたコンデンサ１０３と、ＦＥＴ１０１の出力側とチョークコイル１０２の入力側との間に設けられたオープンスタブ（第１オープンスタブ）１０４と、チョークコイル１０２の出力側とコンデンサ１０３との間に設けられたオープンスタブ（第２オープンスタブ）１０５とを有しており、これらの部品により整流された電力を充電制御器１１に伝達する。
なお、伝送線路Ｌとは、入力された交流電力を整流した後、後段回路へ直流電力として伝達するための伝送線路である。
【００２２】
整合回路１００はリアクタンス素子、好適には容量性素子で構成される。これは、誘導性素子では純抵抗成分があり、この純抵抗成分の影響を受けて損失が生じ、整流効率が悪化してしまうためである。
【００２３】
ＦＥＴ１０１は、電圧駆動型でバイポーラトランジスタよりも入力インピーダンスが高く、ゲート端子に大電力が生じず、高周波回路や大電力の回路に適しているＨＥＭＴやＭＥＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor）のような、接合型のＦＥＴである。接合型のＦＥＴは、順方向降下電圧が小さいダイオードとして動作可能であり、交流電力の振幅が正極性のときに内部ダイオードが非導通（オフ））になり、また、振幅が負極性のときに内部ダイオードが導通（オン）になるように動作して、ＦＥＴ１０１として非同期整流動作を行う。
なお、接合型ではないＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor ）型のＦＥＴでは、一般に高周波帯に対応し且つ電流定格の大きい寄生ダイオードを備えたものが殆ど無く、また大きな逆回復時間が生じるため、ＳＢＤ同様に高周波の整流には不向きである。
【００２４】
ＦＥＴの組成は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）等の化合物であるものが望ましい。特に、ＧａＡｓは、ＳｉＣに比べて高速に動作して浮遊容量も少ないので高周波特性が良好であり、集積化が可能なので、大電力に対応することができて便利である。ＧａＮは、耐電圧、電流定格を非常に大きくとることができるために特性的には充分であるが、現状では高価である。そのため、本実施形態では、安価でプロセス技術も確立されており、開発が容易なＧａＡｓを用いたＦＥＴを用いている。
【００２５】
ＦＥＴ１０１は、ゲート端子Ｇが誘導性素子１０７を介して接地され、ドレイン端子Ｄ及びソース端子Ｓが伝送線路Ｌに接続される。このように接続することで、ＦＥＴ１０１は、ゲート端子Ｇ−ドレイン端子Ｄ間及びゲート端子Ｇ−ソース端子Ｓ間の２つの内部ダイオードを利用した非同期整流が可能である。
【００２６】
誘導性素子１０７は、例えばチップインダクタや導体パターンで構成され、そのリアクタンスは、ＦＥＴ１０１のゲート端子Ｇ−ソース端子Ｓ間及びゲート端子Ｇ−ドレイン端子Ｄ間のキャパシタによるリアクタンスを、使用周波数において打ち消すように設定する。
ＦＥＴのゲート端子Ｇ−ソース端子Ｓ間及びゲート端子Ｇ−ドレイン端子Ｄ間のキャパシタには、ＦＥＴ内に構成される真性キャパシタと、パッケージ、リード等のＦＥＴの使用環境によって生ずるキャパシタである寄生キャパシタとがある。ゲート端子Ｇ−ソース端子Ｓ間の真性キャパシタをＣｇｓ、寄生キャパシタをＣｇｓ’、ゲート端子Ｇ−ドレイン端子Ｄ間の真性キャパシタをＣｇｄ、寄生キャパシタをＣｇｄ’、ゲート端子ＧのボンディングワイヤやリードフレームのインダクタンスをＬｇ、誘導性素子１０７のインダクタンスをＬ１とすると、使用周波数Ｆは、下記の式で与えられる。
Ｆ＝１／［２π√｛（Ｃｇｓ＋Ｃｇｓ’）
＋（Ｃｇｄ＋Ｃｇｄ’）｝
＊（Ｌ１＋Ｌｇ）］
【００２７】
誘導性素子１０７は、例えばこの式においてインダクタンスＬ１が適切になるように設定する。このようにそのリアクタンスが設定された誘導性素子１０７により、ＦＥＴ１０１の寄生キャパシタンスの影響が消されてリアクタンス負荷が低減し、ＦＥＴ１０１の高周波抵抗による内部損失を低下させて整流効率の低下を防止する。また、接地に対してもＦＥＴ１０１のドレイン端子Ｄ及びソース端子Ｓ側が正電位となるため、ＦＥＴを整流素子として用いている従来の高周波整流器に比べて使い勝手が良くなる。
【００２８】
通常、高周波に対応して耐電圧の大きいＦＥＴは、ソース接地での使用が想定されている。そのために、このようなＦＥＴの実装品には、一般的に、ゲート端子Ｇが１端子、ドレイン端子Ｄが１端子、ソース端子Ｓが２端子を有する４端子が設けられる。本実施形態のＦＥＴ１０１は、ソース端子Ｓを伝送線路Ｌに接続するが、この場合、ソース端子Ｓを対称に伝送線路Ｌに接続すると、ゲート端子Ｇが１端子、ソース端子Ｓが２端子の３端子入力となり、端子構造も異なるものが多いため、電力分配が難しくなる。そのため、本実施形態では、２つのソース端子Ｓの一方を伝送線路Ｌに接続し、他方を開放し、或いは、ソース端子Ｓ同士を導体パターンで短絡させることで、電力分配を容易にしている。
【００２９】
ＦＥＴ１０１の２つのソース端子Ｓの一方を伝送線路Ｌに接続し、他方を開放にした場合、開放にしたソース端子Ｓのリアクタンス負荷が、導体パターン等から生じる寄生キャパシタによる影響で低下する場合がある。このリアクタンス負荷の低下は、伝送線路Ｌに接続されたソース端子Ｓからの入力に影響を与え、整流効率を低下させる一因となる。そこで、本実施形態では、オープンスタブ（第３のオープンスタブ）１０６をソース端子Ｓに接続している。このオープンスタブ１０６は、ソース端子Ｓのリアクタンス負荷が使用周波数で大きくなる（使用周波数近傍で共振しない）ように設定され、ソース端子Ｓからの影響を抑制することで、整流効果の低減を改善するように動作する。
【００３０】
一般的にＦＥＴは、ゲート端子Ｇ−ドレイン端子Ｄ間と、ゲート端子Ｇ−ソース端子Ｓ間とが対称構造になっているので、２つの内部ダイオードは同じ特性となる。しかし、ＦＥＴの中には、特性改善のために意図的に対称構造を崩しているものがある。
このようなＦＥＴの場合、２つの内部ダイオードの特性が異なるために、整流効率の低下や電力配分が不均一になり、電流に偏りが生じて、半導体が破損することがある。このようなＦＥＴを用いる場合は、図３に示す高周波整流器１０の変形例ように、２つのソース端子Ｓの両方を開放にするとともに、開放によるリアクタンス負荷の影響を低減するようにオープンスタブ１０６を付加することで、電流定格が低下するが整流効率の低下やＦＥＴの破損の可能性を低減させることができる。
ここで、ソース端子Ｓに代えてドレイン端子Ｄを開放することも可能である。しかし、前述の通り、一般にソース端子Ｓが２端子で構成されているために、高周波においてはインピーダンスの整合をとることが難しくなり、また、ドレイン端子Ｄと比べて耐電圧が低いものが多いため、ドレイン端子Ｄの開放は好適ではない。
【００３１】
また、ＦＥＴ１０１を伝送線路Ｌと並列に用いる本実施形態と異なり、ＦＥＴのソース端子Ｓとドレイン端子Ｄを出力側、ゲート端子Ｇを入力側の伝送線路Ｌにそれぞれ接続して直列に用いる方式も可能である。しかし、ゲート端子Ｇ−ソース端子Ｓ間及びゲート端子Ｇ−ドレイン端子Ｄ間のインピーダンスと入出力インピーダンスとの整合をとるのが難しく、また、ＦＥＴの内部抵抗による電力消費が生じるため、本実施形態の場合よりも整流効率は低下する。
【００３２】
チョークコイル１０２は、伝送線路Ｌに直列に接続され、コンデンサ１０３は、伝送線路Ｌに並列に接続される。チョークコイル１０２は、チップコイル等で構成でき、定数は使用する交流電力の周波数や電流値、抵抗成分（直流抵抗）に応じて設定される。コンデンサ１０３の容量は、使用する交流電力の周波数や出力負荷に応じて設定される。チョークコイル１０２の定数及びコンデンサ１０３の容量は、損失と平滑度の度合いに応じてトレードオフとなる。
【００３３】
チョークコイル１０２は、ＦＥＴ１０１が非導通（ＦＥＴの内部ダイオードがオフ）のときに電流が流れ込んでエネルギーを蓄え、ＦＥＴ１０１が導通（ＦＥＴの内部ダイオードがオン）のときに蓄えたエネルギーを放出することで、電流変化を妨げる向きに誘導電流を流す。つまり、チョークコイル１０２は、電流が流れようとすると電流を妨げるように動作し、電流が減ると電流を流し続けるように動作する。このようなチョークコイル１０２による高周波電流の変化を阻止する動作、及びコンデンサ１０３による充放電や不要な高周波抵抗を下げて高調波信号を短絡させてＦＥＴ１０１による整流で生じるリップルを抑える動作により、振幅変動が抑制された直流電力が安定的に得られる。
【００３４】
オープンスタブ１０４，１０５は、例えば導体パターンで形成される。
オープンスタブ１０４は、整流された電力に含まれる交流成分、例えばＦＥＴ１０１の歪みにより発生する高調波成分に対して、伝送線路Ｌの負荷が高インピーダンス負荷になるように形成する。これにより高調波電流の通電が抑えられる。スタブ長は、例えば二次高調波波長（λ）に対して１／４とする。
オープンスタブ１０５は、入力された電力の交流成分を全反射させ、整流後の電力の交流成分が出力側に流れこむのを防いで、チョークコイル１０２に再入力させる。スタブ長は、例えば整流前の交流電力の波長に対して略１／４とする。
【００３５】
オープンスタブ１０５をチョークコイル１０２の入力側に接続することも可能であるが、用途の異なるオープンスタブを複数付加すると調整や構成が難しくなり、また、交流電力をチュークコイル１０２に再入力することにより、チョークコイル１０２により大電力を蓄えることができなくなる。よって、オープンスタブ１０４をチョークコイル１０２の入力側に、オープンスタブ１０５をチョークコイル１０２の出力側に設けることが好ましい。
【００３６】
高周波整流器１０の具体的な実装例を図４Ａ〜４Ｃに示す。
図４Ａは、厚さ１．０［ｍｍ］、縦横２［ｃｍ］×２［ｃｍ］のＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）製の基板１０８上に上記部品を形成した、いわゆる片面直付型の高周波整流器１０の例である。この高周波整流器１０は、整合回路１００に入力される交流電力の周波数をＦ＝１［ＧＨｚ］に設定し、ＦＥＴ１０１にはＧａＡｓ製のものを用い、２つのソース端子Ｓの一方を伝送線路Ｌに接続し、他方を開放し、オープンスタブ１０６を接続している。すなわち、図２に対応したものとなっている。
【００３７】
整合回路１００は、伝送線路Ｌにチップコンデンサ１１０を挿入接続するとともに、もう一つのチップコンデンサ１１１を、チップコンデンサの出力側に並列に接続して構成される。この実装例では、入力インピーダンスが１［ＧＨｚ］で整合するように、チップコンデンサ１１０を２７０［ｐＦ］、チップコンデンサ１１１を８［ｐＦ］としている。出力側のコンデンサ１０３は１０００［ｐＦ］である。容量性素子で構成されるため、高周波抵抗による損失を防止することができる。また、スタブを用いて構成する場合よりも回路を小型化することができる。
【００３８】
ＦＥＴ１０１のゲート端子Ｇに接続される誘導性素子１０７及びチョークコイル１０２には、巻線型チップインダクタを用いている。ＦＥＴ１０１は、内部合成容量が約７［ｐＦ］、ゲートインダクタが約［２ｎＨ］のものである。そのために、誘導性素子１０７のインダクタを１．５［ｎＨ］、チョークコイル１０２のインダクタを３９０［ｎＨ］に設定している。また、オープンスタブ１０４のスタブ長ｌ１を高調波電流を抑制するために２６［ｍｍ］とし、オープンスタブ１０５のスタブ長ｌ２を高周波成分反射用に５２［ｍｍ］に設定し、オープンスタブ１０６のスタブ長ｌ３を寄生容量成分の相殺用に６［ｍｍ］に設定している。
【００３９】
図４Ｂは、図４Ａの例からオープンスタブ１０５，１０６を除いた構成である。図４Ｃは、図４Ａの例からオープンスタブ１０６を除いた構成である。
【００４０】
図５は、例えば非特許文献１に示される従来のＦＥＴ使用の高周波整流器、従来のＳＢＤ使用の高周波整流器、及び図４Ａ〜４Ｃに示す本実施形態の高周波整流器１０の各々の整流効率を比較するための図である。図５に示されるように、入力される交流電力が１〜４［Ｗ］の場合、従来のＦＥＴ使用の高周波整流器の整流効率（図中、２点破線で表される）は１０〜２０％である。また、従来のＳＢＤ使用の高周波整流器の整流効率（図中、１点破線で表される）は、２Ｗ以下の小電力では５０％前後の効率が得られるものの、２Ｗ以上で急激に効率が下がり、３Ｗ付近で効率が０％、即ちＳＢＤに破壊が生じる。なお、ここでは、伝送線路に対して１５個のＳＢＤを並列に接続した構成の高周波整流器を用いている。
これらに対して、本実施形態による高周波整流器１０の整流効率（図中、図４Ａに対応する特性が実線（Ａ）で表され、図４Ｂに対応する特性が破線（Ｂ）で表され、図４Ｃに対応する特性が点線（Ｃ）で表される）は、最も効率が悪化する４［Ｗ］時でも５０％程度あり、整流効率が格段に改善されている。本実施形態の高周波整流器１０では、図４Ａの例が最も高効率で整流を行っており、次いで、図４Ｃ、図４Ｂの順で、整流効率が高い。
【００４１】
このように、本実施形態の高周波整流器１０は、整流素子として、耐電圧、電流定格の大きい汎用の高周波用で、ＧａＡｓで構成された接合型のＦＥＴ１０１の内部ダイオードを使用し、ＦＥＴ１０１の各端子において生じる寄生容量成分については誘導性素子１０７で相殺し、チョークコイル１０２の入力側に例えば高調波電流を抑制するためのオープンスタブ１０４、チョークコイル１０２の出力側に高周波成分の反射用のオープンスタブ１０５を接続することにより、数百［ＭＨｚ］以上の高周波における整流効率の低下を防止し、１[Ｗ]以上の大電力の給電時においても、高効率に交流電力を整流することができる。
また、伝送線路Ｌに、ＦＥＴ１０１のドレイン端子Ｄ及びソース端子Ｓ、あるいはドレイン端子Ｄが直接接続されるため、出力フィルタがゲート端子と伝送線路との間に挿入される従来のこの種の高周波整流器に比べて、回路全体の小型化を図ることができる。
そのため、給電先装置１の充電制御器１１で、高周波整流器１０で整流された電力を充電池に充電するための制御を行うことにより、携帯電話等のような小形の電子装置への非接触充電を高周波且つ大電力で行うことができ、急速充電や大容量の充電池への充電が容易になる。
【符号の説明】
【００４２】
１…給電先装置、１０…高周波整流器、１００…整合回路、１０１…ＦＥＴ、１０２…チョークコイル、１０３…コンデンサ、１０４、１０５，１０６…オープンスタブ、１０７…誘導性素子、１０８…基板、１１０，１１１…チップコンデンサ、１１…充電制御器、１２充電池、１３…報知部、１４…コイル、１５…受信部、２…給電元装置、２１…コイル、２２…送信部、Ｌ…伝送線路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送線路上の高周波の交流電力を非同期整流する接合型の電界効果トランジスタと、
この電界効果トランジスタで整流された電力を後段回路へ導くチョークコイルと、
前記電界効果トランジスタの出力側と前記チョークコイルの入力側との間に接続され、整流後の電力に含まれる交流成分に対するインピーダンスを高める第１オープンスタブとを備え、
前記電界効果トランジスタは、そのゲート端子が寄生容量成分を相殺するための誘導性素子を介して接地されており、そのソース端子及びドレイン端子の少なくとも一方が前記伝送線路に接続されている、
高周波整流器。
【請求項２】
前記チョークコイルの出力側に、交流電力を全反射させる第２オープンスタブが接続されている、
請求項１記載の高周波整流器。
【請求項３】
前記電界効果トランジスタのソース端子に、当該ソース端子のリアクタンス負荷を大きくするための第３オープンスタブが接続されている、
請求項１または２記載の高周波整流器。
【請求項４】
前記電界効果トランジスタの入力側に、容量性素子で構成された入力インピーダンス整合回路が設けられている、
請求項１乃至３のいずれか１項記載の高周波整流器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の高周波整流器と、
この高周波整流器で整流された電力を充電池に充電するための制御を行う充電制御器と、を備えて成る、
非接触充電による給電を受ける電子装置。
【請求項１】
伝送線路上の高周波の交流電力を非同期整流する接合型の電界効果トランジスタと、
この電界効果トランジスタで整流された電力を後段回路へ導くチョークコイルと、
前記電界効果トランジスタの出力側と前記チョークコイルの入力側との間に接続され、整流後の電力に含まれる交流成分に対するインピーダンスを高める第１オープンスタブとを備え、
前記電界効果トランジスタは、そのゲート端子が寄生容量成分を相殺するための誘導性素子を介して接地されており、そのソース端子及びドレイン端子の少なくとも一方が前記伝送線路に接続されている、
高周波整流器。
【請求項２】
前記チョークコイルの出力側に、交流電力を全反射させる第２オープンスタブが接続されている、
請求項１記載の高周波整流器。
【請求項３】
前記電界効果トランジスタのソース端子に、当該ソース端子のリアクタンス負荷を大きくするための第３オープンスタブが接続されている、
請求項１または２記載の高周波整流器。
【請求項４】
前記電界効果トランジスタの入力側に、容量性素子で構成された入力インピーダンス整合回路が設けられている、
請求項１乃至３のいずれか１項記載の高周波整流器。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項記載の高周波整流器と、
この高周波整流器で整流された電力を充電池に充電するための制御を行う充電制御器と、を備えて成る、
非接触充電による給電を受ける電子装置。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−５５２９（Ｐ２０１３−５５２９Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３２４５７（Ｐ２０１１−１３２４５７）
【出願日】平成２３年６月１４日（２０１１．６．１４）
【出願人】（０００００６７５８）株式会社ヨコオ (158)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１４日（２０１１．６．１４）
【出願人】（０００００６７５８）株式会社ヨコオ (158)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]