A-1-2 2004 年電子情報通信学会基礎・境界ソサイエティ大会 E 級発振器を用いた共振形 dc/dc コンバータ Resonant dc/dc Converter with Class E Oscillator 長谷宏之 Hiroyuki Hase 関屋大雄 Hiroo Sekiya 呂建明 Jianming Lu 谷萩隆嗣 Takashi Yahagi 千葉大学大学院自然科学研究科 Graduate School of Science and Technology, Chiba University 1 はじめに E 級は電力増幅器の動作クラスの一つである. E 級動作条件と呼ばれるスイッチング条件を満足することにより, スイッチにおける電力消費を最小化し, 高周波数動作下において高電力変換効率が可能である. 本稿では E 級発振器 [1] と E 級整流器 [2] から構成される共振形 dc/dc コンバータを提案する. 提案する回路は, MOSFET を駆動させるための制御回路を有しないため, 回路全体の効率を容易に求めることが可能となる. また, E 級発振器および E 級整流器は E 級動作条件を満足するため, 高周波数動作下において高効率を実現する. VD 6V SD LC 1.59mH Rd1 ic 750kΩ vs S Rd2 i CS 1.79nF vf 750kΩ 7.80µH 980pF L0 C0 v C1 268µH LF C2 15.6nF iF v1 1.37nF D v2 CF iD 472nF 10Ω vF R I0 if Lf 4.13µH 図1 2 回路構成図 1 に提案する共振形 dc/dc コンバータの回路構成を示す. 提案する回路は E 級発振器 [1] と E 級整流器 [2] から構成される. 分圧抵抗 Rd1 および Rd2 を用いることにより, スイッチ SD を入れれば回路は発振を開始する. 図 2(a) に提案する共振形 dc/dc コンバータの動作波形を示す. スイッチ電圧 vs は, スイッチのターンオン時におけるスイッチ電圧およびスイッチ電圧の傾きが零となる E 級動作条件を満足する. 電圧 v2 を共振回路を通してフィードバックすることにより得られる電圧 vf は MOSFET の駆動信号になる. また, 発振器の出力である, 共振回路 L0 C0 を流れる交流電流は整流器を用いることにより直流電圧として出力される. E 級発振器および E 級整流器は E 級動作条件を満足するため, 高周波数動作下において高効率を実現する. 回路構成. vF 4 π θ 2π π θ 2π π θ 2π π θ 2π vs 0 22 v1+v2 0 18 vf 0 15 3 0 -9 a b 図 2 (a) 動作波形 (b) 実験波形. Vertical: vF : 5V/div, vS , v1 + v2 and vf : 10V/div. Horizontal: 200ns/div. MOSFET における駆動信号の位相の一致, 駆動信号の最大値を MOSFET の規格内に納めることも満足している. 回路実験では, 出力電力 1.55W, 2.00MHz の動作において 78.9%の電力変換効率を達成した. 図 2 より, 実験結果と計算結果の良好な一致が確認された. 3 設計方法提案する共振形 dc/dc コンバータを設計するためには, θ = 0 と θ = 2π における動作波形の境界値条件に加えて, E 級動作条件および所望の出力電圧を考慮する. さらに, MOSFET における駆動信号の位相の一致, 駆動信号の最大値を MOSFET の規格内に納めることも考慮する. 導出された代数方程式にルンゲ・クッタ法およびニュートン法を適用することにより [3], 上記の条件を同時に満たす素子値が図 1 のように導出される. 5 まとめ本稿では E 級発振器と E 級整流器から構成される共振形 dc/dc コンバータを提案した. 回路実験において, 出力電力 1.55W, 2.00MHz の動作において 78.9%の電力変換効率を達成した. 参考文献 [1] J.Evert and M.Kazimierczuk, “Class E HighEfficiency Tuned Power Oscillator”, IEEE J.SolidState Circuits, vol. SC-16, NO. 2, Apr.1981. 4 実験結果設計仕様として, 入力電圧 VD = 6V, 出力電圧 Vo = 4V, 出力抵抗 R = 10Ω を与える. MOSFET には IRF530 を用いるため, そのスレッショルド電圧は 3V である. また, MOSFET における駆動信号の最大値は 15V とする. 図 2(b) に提案した共振形 dc/dc コンバータの実験結果を示す. 実験波形は E 級動作条件を満足しており, かつ所望の出力電圧を達成していることが分かる. さらに, [2] M.Kazimierczuk, “Analysis of Class E Zero-VoltageSwitching Rectifier”, IEEE Transactions on Circuits and Systems, vol. 37, NO. 6, June. 1990. [3] H.Sekiya, I.Sasase and S.Mori “Computation of design values for class E amplifiers without using waveform equations”, IEEE Trans.Circuits Syst-I, vol. 49, NO. 7, Jul. 2002. 2