整流回路の出力を所望の電源電圧に変換するコンバーターの原理：福田昭のデバイス通信（366） imecが語るワイヤレス電力伝送技術（20）（1/2 ページ）

今回は、レクテナの後段に位置する直流コンバータ（昇圧と降圧）について解説する。

[福田昭，EE Times Japan]

　（ご注意）今回は前回の続きとなっています。まず前回の内容を読まれることを推奨します。

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整流回路が出力する電圧を最適な値に変換する

　前回までは、ダイオードを使った整流回路を解析する4つの手法を4回にわたって説明してきた。今回はいったん、ワイヤレス電力伝送システムの受信側回路に戻ろう。アンテナと整流回路で構成する「レクテナ（Rectenna：rectifying antenna）」の後段には、電源電圧（直流電圧）を変換するコンバーターが欠かせない。整流回路の出力電圧は、負荷となる受信側のバッテリーや電子回路などにとって、適しているとは限らないからだ。

マイクロ波（電磁波）で電力を送受信するシステムのブロック図。受信側（受電側）のアンテナとインピーダンス整合回路、整流器を組み合わせた素子が「レクテナ（Rectenna：rectifying antenna）」である［クリックで拡大］ 出所：imecおよびEindhoven University of Technology（IEDMショートコースの講演「Practical Implementation of Wireless Power Transfer」のスライドから）

レクテナ（とその関連回路）を解説するサブパートのアウトライン。「6.1　アンテナ」「6.2　整流器」「6.3　直流ブースト変換器（コンバーター）」「6.4　直流バック変換器（コンバーター）」「6.5　結論」で構成する。今回は「6.3　直流ブースト変換器（コンバーター）」と「6.4　直流バック変換器（コンバーター）」を扱う［クリックで拡大］ 出所：imecおよびEindhoven University of Technology（IEDMショートコースの講演「Practical Implementation of Wireless Power Transfer」のスライドから）

　整流回路の出力電圧を最適な値に変換するコンバーター（DC-DCコンバーター）は大別すると、入力電圧を昇圧するコンバーター（直流ブーストコンバーター）、入力電圧を降圧するコンバーター（直流バックコンバーター）に分けられる。

スイッチドキャパシタによる昇圧回路

　ブーストコンバーター（昇圧型コンバーター）の代表的な回路は、クロック同期スイッチとコンデンサ（キャパシタ）で構成する「スイッチドキャパシタ（Switched Capacitor）」だろう。スイッチドキャパシタは電源回路だけでなく、可変抵抗回路やフィルタ回路などにも使われる。アナログ回路群を構成する基本回路の1つだ。

　逆相のクロックに同期する2対のスイッチ（スイッチ1とスイッチ2）、それから2個のキャパシタ（キャパシタ1とキャパシタ2）で構成した、下図のようなスイッチドキャパシタ回路を考えよう。

直流ブーストコンバーターの例（スイッチドキャパシタ回路）と基本動作［クリックで拡大］ 出所：imecおよびEindhoven University of Technology（IEDMショートコースの講演「Practical Implementation of Wireless Power Transfer」のスライドから）

　スイッチ1が閉じている期間（スイッチ2が開いている期間）は、キャパシタ1が充電される。キャパシタ1の両端の電圧V_C1は入力電圧Vinと等しくなる。キャパシタ2は充電されない。出力電圧V_outはゼロになる。

　逆にスイッチ2が閉じている期間（スイッチ1が開いている期間）は、キャパシタ1の電圧は変わらず、キャパシタ2が入力電圧V_inに充電される。出力電圧V_outは入力電圧V_inの2倍に昇圧される。この後、出力電圧は入力電圧の2倍を維持しようとする。

　スイッチドキャパシタは雑音が少なく、電源としての品質は高い。一方で出力電流が小さいという弱点がある。