JPH0158754B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、スイツチ素子に断時にかかる電圧
波形が共振の孤になるようなスイツチング式電力
増幅器等に用いられる電力供給回路に関するもの
である。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来のスイツチング式電力増幅器としては、チ
ヨツパ方式やフルブリツヂ方式にみられるように
入力電源電圧を直接矩形波状にスイツチングし、
その導通時間幅を変えて負荷への伝送電力を変え
るものと、Ｄ級電力増幅器にみられるように外部
回路を追加することにより入力電源電圧を直接切
り換えないスイツチング回路を構成して、スイツ
チ素子にかかる電圧または流れる電流を共振の孤
になるようにし、負荷への電力供給量は別途コン
パータまたは変調器等を用いて行なうものとが知
られている。

チヨツパ方式でのスイツチング損失はスイツチ
ング周波数が増大するにつれてスイツチ素子の遷
移損失が増大し、そのスイツチング周波数の限界
はスイツチ素子のスイツチングスピードによつて
決まる。一方、Ｄ級電力増幅器ではスイツチング
周波数が増大してもスイツチ素子の遷移損失は余
り増大せず高効率なスイツチングができる。しか
し反面、スイツチ素子にかかる電圧波形の共振条
件が外部回路によつて決つているので、スイツチ
素子の導通幅やスイツチング周期を変えても負荷
への供給電力は広範囲に変わらない。そのために
このＤ級電力増幅器での電力の制御には、前後に
もう一つの可変電圧装置を設置する必要があり、
構成の複雑化を招く欠点があつた。

〔発明の目的〕

この発明の目的は、電圧共振波形を利用したス
イツチング式電力増幅器等において、共振波形を
保ちながら負荷への供給電力を広範囲に制御でき
る電力供給回路を提供することである。

〔発明の概要〕

この発明は、電圧共振形スイツチングのための
主スイツチ素子とは別に、共振によるフライバツ
クパルスのエネルギー蓄積用である。第１のイン
ダクタンスおよびフオワードパルスの電流平滑用
である第２のインダクタンスのいずれかまたは両
方に補助スイツチ素子を直列に接続し、この補助
スイツチの導通幅を制御することによつて、負荷
への供給電力を制御するようにしたものである。

〔発明の効果〕

この発明によれば、補助スイツチ素子の制御に
よつて負荷への供給電力を制御でき、主スイツチ
素子の導通幅およびスイツチング周期は基本的に
一定でよいため、共振条件は正しく維持される。
従つて電圧共振形スイツチングによる電力供給回
路の高効率という長所を生かしつつ、負荷への供
給電力を広範囲に制御することが可能となる。

〔発明の実施例〕

第１図はこの発明の一実施例を示す回路構成図
である。図において１は入力直流電源であり、こ
の電源１の一端に主スイツチ素子２と共振用コン
デンサ３との並列回路の一端が接続され、この並
列回路の他端と電源１の他端との間に第１の補助
スイツチ４を介して第１のインダクタ５が接続さ
れるとともに、第２の補助スイツチ６および第２
のインダクタ７を直列に介して整流用ダイオード
ブリツジ８と平滑用コンデンサ９からなる整流平
滑回路が接続されている。そしてこの整流平滑回
路の出力が負荷１０に供給される。なお、各スイ
ツチ素子２，４，６にはそれぞれ逆並列にダンパ
ーダイオード１１，１２，１３が接続されてい
る。

ここで第１図の動作を説明するために若干の仮
定をする。主スイツチ素子２は一定導通幅および
周期で開閉し、第１図の回路は定常状態に達して
いるとする。すなわちコンデンサ３の端子電圧υ_C
は第３図ｂに示すように主スイツチ素子２が導通
する寸前ｔ＝０には零電位に、また平滑用コンデ
ンサ９の端子電圧つまり出力電圧Ｅ outは一定
となり、等価的に第２図に示すように電池１４
（以下、出力等価電池という）と見なせるものと
する。

先づ簡単のために補助スイツチ素子４，６が常
時導通状態になつている条件での動作の説明をす
る。

主スイツチ素子２が閉じている期間の等価回路
は第２図ａに示すようになる。この場合、第１の
インダクタ５には第３図ａの曲線２１に示すよう
に電源１の電圧Ｅ inとインダクタ５のインダク
タンス値L₁との比Ｅ in／L₁を比例係数として時
間ｔとともに比例して増加する電流i₁が流れる。
一方、第２のインダクタ７には第３図ｃの曲線２
３に示すように電源１の電圧Ｅ inと出力電圧Ｅ
outとの差とインダクタ７のインダクタンス値
L₂との比（Ｅ in―Ｅ out）／L₂を比例係数と
して時間ｔとともに比例して増加する電流i₂が流
れる。そして主スイツチ素子２にはインダクタ
５，７にそれぞれ流れる電流の和が流れ、主スイ
ツチ素子２の導通期間Ｔ onだけ継続する。

次に主スイツチ素子２が開くと、インダクタ７
には慣性電流が期間t₁の間流れるが、この期間t₁
の等価回路は第２図ｂに示すようになる。すなわ
ち、インダクタ５に流れていた電流は先ず電源１
を経由して共振用コンデンサ３を充電する。一
方、インダクタ７に流れていた慣性電流も出力等
価電池１４と電源１を経由して同コンデンサ３を
充電する。したがつてコンデンサ３の端子電圧υ_C
は第３図ｂの曲線２２のτ₁期間に示すようにコン
デンサ３の容量値とインダクタ５，７の並列合成
インダクタンス値で共振した状態で上昇する。

そして次に、インダクタ７の慣性電流が流れな
くなると、インダクタ７の端子電圧は零になるの
で、ダイオードブリツジ８にには今までと逆極性
で電圧が印加され、出力等価電池１４に対するダ
イオードの組合せが変わり、第２図ｃに示すよう
になる。

この第２図ｃの状態の期間ｔ＝（Ｔ on＋τ₁）
〜（Ｔ―τ₃）（但し、Ｔは主スイツチ素子２のス
イツチング周期）は主にインダクタ５に蓄えられ
ていた慣性電流によつて出力等価電池１４に第３
図ｄに示すように電力が供給され、同時にコンデ
ンサ３に充電が行なわれる。そしてコンデンサ３
の充電が終り、その端子電圧ν_Cが最大値電圧に達
した後はコンデンサ３に蓄えられた電荷が電流１
を径由し、さらにインダクタ５と出力等価電池１
４を経由してインダクタ７に流れ込む。この共振
の過程が更に進んでゆくと、やがてコンデンサ３
の端子電圧υ_Cは主スイツチ素子２に逆並列につな
がつているダンパーダイオード１１を導通させる
極性となる。その結果、等価回路は再び第２図ａ
に戻る。このダイオード１１が導通している期間
τ₃はインダクタ５，７に残つていた慣性電流が電
源１に戻つている。

以上が第１図の回路の電力制御を行なわない場
合の基本動作であるが、ここで出力等価電池１４
に供給する電力を制御するために主スイツチ素子
２の導通幅を単純に変えると、回路の動作にいか
なる不都合が生ずるかを説明する。

先ず負荷１０が軽くなつたとき主スイツチ素子
２の導通幅Ｔ onをＴ on′まで狭くして出力電
力を絞ると、インダクタ５に流れる電流ｉは第３
図ａの曲線３１に示すようにＴ on′まで直線的
に増加し、その後回路実数によつて決まる共振条
件で振動する。一方、コンデンサ３の端子電圧υ_C
は第３図ｂの曲線３２に示すように主スイツチ素
子２が断になつた後、電源１の電圧Ｅ inを中心
に回路定数によつて決る共振条件で振動するが、
振動の始まる時刻ｔ＝Ｔ on′での共振エネルギ
ーが小さいためにその振幅は小さく、このためυ_C
は零電位に戻れなくなる。このようにコンデンサ
３の端子電圧υ_Cが有限の値のまま主スイツチ素子
２の次のスイツチング周期が始まると、主スイツ
チ素子２で（１／２Cυ_C ²）×Ｔのエネルギーを一 瞬の内の消費することになり、主スイツチ素子２
のスイツチング時の温度上昇は大きくなる。これ
が許容値を越えれば主スイツチ素子２は破損す
る。この不都合は主スイツチ素子２の導通時Ｔ
on′にインダクタ５に蓄えられている磁気エネル
ギーが少ないために生ずる。そこでインダクタ５
にはコンデンサ３の端子電圧υ_Cの共振の孤が次の
スイツチング周期の始まる前に零電位に戻れる
程、十分エネルギーが蓄えられていなければなら
ない、 しかし、主スイツチ素子２については常に導通
幅Ｔ on、周期Ｔの比が50％前後の一定の状態
でスイツチング動作させておいて、例えば第２の
補助スイツチ素子７の導通幅を変えて負荷１０へ
の供給電力を制御し、一方、コンデンサ３の端子
電圧υ_Cの共振条件を維持できるのに十分な導通幅
Ｔ on″で第１の補助スイツチ素子４を開閉すれ
ば、コンデンサ４の端子電圧υ_C電圧共振条件を常
に保つた状態で負荷１０への供給電力を自由に変
えることができる。

また、この実施例によれば補助スイツチ素子
４，６を設けたことにより、次のような副次的な
効果が得られる。すなわち、第１にこの第１図の
回路を補助スイツチ素子４，６を開くことによつ
て一時停止させ、再びスタートさせるようにする
と、コンデンサ３は主スイツチ素子２の導通開始
時点では電源１の電圧Ｅ inに充電されていない
ことになるので、回路の起動時に主スイツチ素子
２に過大電流が流れるのを防止することができ
る。

また、第２の通常第１図のような回路の投入時
には平滑用コンデンサ９の端子電圧は零であるた
めに、第３図ｃの曲線２４の傾斜は急峻になつ
て、主スイツチ素子２に過大な電流が流れ、もし
この過大電流に耐えるスイツチ素子を用意しよう
とすると定常負荷時の十倍近い耐電流のものが必
要となる。しかし第１図の回路ではフライバツク
パルスだけでも負荷１０に電力エネルギーを伝達
できるため、この回路の投入時は主に第１の補助
スイツチ４だけを開閉して第１のインダクタ５に
蓄えた磁気エネルギーを負荷１０に供給し、平滑
用コンデンサ９の端子電圧が十分立ち上つて来た
頃を見はからつてから第２の補助スイツチ７を開
閉すれば、主スイツチ素子２は定時状態に比べて
過大な電流は流れることはなくなるので、耐電流
の低いもので済むことになる。

第３図に、第１図において補助スイツチ素子
４，６がなくこの部分が常時接続されているとす
ると、主スイツチ素子２がある周期で一定期間開
閉動作をした後主スイツチ素子２が開いた状態で
休止した場合、インダクタ５，７の残留エネルギ
ーが電源１を経由して振動しつつ、負荷１０およ
び回路の損失によつて減衰するが、補助スイツチ
素子４，６を用いることによつてこのような減衰
振動をなくすことができる。すなわち、主スイツ
チ素子２と補助スイツチ素子４，６とが同期して
開閉することにより、インダクタ５，７に蓄積さ
れていた残留エネルギーはダイオードブリツジ８
を経由して電源１に戻るので、効率の向上を図る
ことが可能となる。

尚、第１図において特に大電力を扱う場合のよ
うに主スイツチ素子２として自身で電流を切れる
ジヤイントトランジスタやゲートターンオフサイ
リスタを用いれば補助スイツチ４，６は単にサイ
リスタ等を用いても転流回路は必要としない。

この発明は上述の実施例に限るものではなく、
例えば第１の補助スイツチ４と第１のインダクタ
５およびダイオード１２を省略しても、電圧共振
条件を保ちつつ第２の補助スイツチ６によつて負
荷への供給電力の制御を行なうことができる。ま
た逆に第１のインダクタ５がある場合は、第２の
補助スイツチ６を省いて第１の補助スイツチ４の
みによつて負荷への供給電力の制御を行なうこと
も可能である。また第２のインダクタ７は負荷の
前に変成器を挿入する場合、その洩れインダクタ
ンスで代用しても良い。尚、洩れインダクタンス
とは変調器の２次側をシヨートして一次側からみ
えるインダクタンスである。

さらに、この発明に係る回路はスイツチング式
電力増幅器およびスイツチング式電源のいずれに
も適用が可能であり、前者の場合は例えば補助ス
イツチング素子を入力信号で変調されたパルス幅
変調波でスイツチングさせ、後者の場合は負荷へ
の電圧の変動に応じてスイツチングさせればよ
い。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す回路構成
図、第２図はその各動作モードにおける等価回路
図、第３図は第１図の各部の動作波形図である。 １…入力直流電源、２…主スイツチ素子、３…
共振用コンデンサ、４…第１の補助スイツチ素
子、５…第１のインダクタ、６…第２の補助スイ
ツチ素子、７…第２のインダクタ、８…軽流用ダ
イオードブリツジ、９…平滑用コンデンサ、１０
…負荷、１１〜１３…ダンパーダイオード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入力直流電源の一端に所定の導通幅および周
   期で開閉する主スイツチ素子と共振用コンデンサ
   との並列回路の一端を接続し、この並列回路の他
   端と入力直流電源の他端との間にインダクタを介
   して整流平滑回路を接続し、この整流平滑回路を
   介して負荷に電力を供給する電力供給回路におい
   て、前記インダクタと直列に補助スイツチ素子を
   接続し、この補助スイツチ素子の導通幅を制御す
   ることによつて負荷への供給電力を制御するよう
   にしたことを特徴とする電力供給回路。 ２ インダクタは変成器の洩れインダクタンスに
   より構成することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の電力供給回路。 ３ 入力直流電源の一端に所定の導通幅および周
   期で開閉する主スイツチ素子と共振用コンデンサ
   との並列回路の一端を接続し、この並列回路の他
   端と入力直流電源の他端との間に第１のインダク
   タを接続するとともに、第２のインダクタを介し
   て整流平滑回路を接続し、この整流平滑回路を介
   して負荷に電力を供給する電力供給回路におい
   て、前記第１、第２のインダクタの少なくとも一
   方と直列に少なくとも１つの補助スイツチ素子を
   接続し、この補助スイツチ素子の導通幅を制御す
   ることによつて負荷への供給電力を制御するよう
   にしたことを特徴とする電力供給回路。 ４ 第２のインダクタは変成器の洩れインダクタ
   ンスにより構成することを特徴とする特許請求の
   範囲第３項記載の電力供給回路。