JP2004510397A - 制御式自励発振変調器、およびそのような変調器を用いた電力変換システム - Google Patents

Abstract

制御式発振変調器は、パルス変調用の比較器および電力増幅段と、安定な発振状態を保証する第１フィードバック手段（２１）および第１フォワード手段（２２）を備える高次発振ループとを備える。この変調器は、変調器に接続された負荷（５）に対して前記電力増幅段によって供給される電流の値（ｉ_Ｌ）を測定するように構成された電流測定手段を特徴とし、前記第１フィードバック手段（２１）に供給される前記測定値が、前記測定値（ｉ_Ｌ）に基づいて前記第１フィードバック信号を生成するようにされた伝達関数を有し、前記第１フォワード手段（２１）が、前記第１フィードバック手段および入力信号（Ｖ_ｉ）に基づいて前記変調信号を生成するようにされた伝達関数を有する。応用例は、誘導負荷を伴う一般的なＤＣ−ＤＣ電力変換およびＤＣ−ＡＣ電力変換である。好ましい実装では、電流フィードバックによる精密相互コンダクタンス増幅器である。さらに好ましい実施形態では、制御式発振変調器は、音声増幅の目的で精密電圧電力増幅器を実装する。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、パルス変調用の比較器と電力増幅段、および安定な発振状態を保証する第１フィードバック手段と第１フォワード手段とを備える高次発振ループを備え、前記第１フィードバック手段が、前記第１フォワード手段に第１フィードバック信号を供給するように構成され、前記第１フォワード手段が、前記比較器に変調信号を供給するように構成される自励発振変調器に関する。
【０００２】
本発明はまた、そのような変調器を用いたＤＣ−ＡＣ変換システム（例えば音声増幅）、ＤＣ−ＤＣ変換システム、またはＡＣ−ＡＣ変換システムなどのスイッチング電力変換システムに関する。有利には、本発明は、任意のシステム、具体的には高効率音声増幅のような精密ＤＣ−ＡＣ変換システムで電力変換を改善するのに使用することができる。
【０００３】
（技術的背景）
パルス変調器は、どんな電力変換システムでも中心的な要素である。ほとんどのスイッチング電力変換器は、領域（ＤＣまたはＡＣ）間での効率的な変換を制御する手段としてのパルス幅変調（ＰＷＭ）に基づく。
【０００４】
典型的な電力変換器は、ＰＷＭ変調器、スイッチング電力変換段、フィルタ、および制御システムを含む。この種の従来技術のシステムは、米国特許第４７２４３９６号（１９８８）と、Ａｔｔｗｏｏｄ氏によるＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＡＥＳ，Ｎｏｖ．１９８３．ｐ．８４２−８５３に記載されている。しかし、ＰＷＭは、主にキャリア・ジェネレータの実装のために、当技術分野でやはり周知のいくつかの欠点を有する。これにより、システムの帯域幅が制限され、設計が複雑になる。さらに、安定かつ堅固な制御システムの設計が難しい。
【０００５】
これらの欠点を克服するために、制御式自励発振変調器（ＣＯＭ）が、本出願人の国際特許出願ＰＣＴ／ＤＫ９７／００４９７で紹介された。そこで開示される変調器は、キャリア・ジェネレータが不要であり、前記文書で詳細に説明されているいくつかの利点を有する。
【０００６】
この技法に伴う問題は、フィルタ・インダクタ電流を保証するために多量かつ高価な電力構成要素が必要であることである。さらに、変調器が無効負荷またはオープン・ロードに接続されるときに問題が生じ、例えばＲＣ−Ｚｏｂｅｌ補償が必要となる可能性がある。ＣＯＭ技術もまた、広い帯域幅を有するシステムで実装するのが難しい。手短に言えば、ＣＯＭ手法により従来のＰＷＭ技術の欠点の一部が克服されるとしても、いくつかの制限が依然として存在すると言うことができる。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４７２４３９６号
【特許文献２】ＰＣＴ／ＤＫ９７／００４９７
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ＡＥＳ，Ｎｏｖ．１９８３．ｐ．８４２−８５３
【０００８】
（発明の目的）
したがって、本発明者の主な目的は、スイッチング電力変換システムにおいて従来の技法に関係する根本的な問題を克服する優れた変調技法を提供することである。
【０００９】
２番目の目的は、一般の電力変換システムで、従来技術と比較して、性能、トポロジの単純化、堅固性および安定性の改善の点で顕著な利点をもたらすパルス変調を提供することである。
【００１０】
（発明の概要）
上記の目的は、変調器に接続された負荷に電力増幅段によって供給される電流の値を測定するように構成された電流測定手段を特徴とし、その測定値が第１フィードバック手段に供給され、第１フィードバック手段が、その測定値に基づいて第１フィードバック信号を生成するようにされた伝達関数を備え、第１フォワード手段が第１フィードバック信号と入力信号に基づいて変調信号を生成するようにされた伝達関数を有する、上述のタイプの制御式自励発振変調器（ＣＯＭ）によって達成される。
【００１１】
負荷に供給される電流を測定することによって、負荷の制御が大きく改善され、さらに負荷を補償する必要がなくなる。さらに、変調器が強力な広帯域制御システムとして動作するので、どんなフィルタ・インダクタ電流も補償され、電力構成要素に対する要件が軽減される。
【００１２】
電流測定自体が一次の伝達関数を実現し、したがって、発振ループ内に第１の極を導入するので、設計が単純になる。モバイル・パーソナル・オーディオ装置など小型化が重要な応用例では特に、このことは従来技術に勝る重要な利点である。
【００１３】
したがって、本発明によるＣＯＭは、ＣＯＭ技術の利点を電流制御式ＰＷＭ技術の利点と組み合わせ、以下の特徴を示すシステムを得ること目指している。
このシステムは本質的に不安定である。
キャリア・ジェネレータが不要であり、構成要素が節約される。
電源変数Ｖ_ｓが実効ループ伝達関数から除去される。
このシステムは広帯域制御システムとして動作する。
クリーンな変調（フィードバックノイズや、不十分なキャリア信号がない）。
効率およびＥＭＩを改善するための制御可能可変スイッチング周波数。
【００１４】
これにより、本発明による変調器は、オーディオ応用例などの、すべてのタイプの精密ＤＣ−ＡＣ変換応用例に非常に適している。
【００１５】
変調器は、増幅段から出力電圧をフィードバックする手段を含むことが好ましい。これにより、中央の電力変換段を取り囲む変調システムと制御システムを組み合わせた非常にコンパクトな設計が可能となる。組合せ電圧／電流フィードバックＰＷＭシステムは当技術分野で周知であるが、前記ＣＯＭベースの２ループ・トポロジは有利な改良であり、当技術分野で新規なものである。
【００１６】
電圧フィードバックの実施態様によれば、第１フィードバック手段が前記出力電圧に接続され、前記電流値および前記電圧に基づいて前記第１フィードバック信号を生成する。これは、２重フィードバックを実装するための有利な方式とすることができ、構成要素の数が削減される。
【００１７】
電圧フィードバックの別の実施態様によれば、変調器は、前記出力電圧に接続され、第２フィードバック信号を生成するようにされた第２フィードバック手段と、前記第２フィードバック信号および第２信号に基づいて前記第１フォーワード・ブロックに前記入力信号を供給するようにされた第２フォワード手段とを備える。この実装は若干複雑であるが、様々な伝達関数を用いて電流を測定し、電圧をフィードバックすることが望ましい応用例では有利であることがある。
【００１８】
電力増幅段は出力フィルタを備えることができ、次いで第２フィードバック手段を前記出力フィルタからの出力に接続することができる。これにより、電圧をフィードバック経路でフィードバックする前に電圧の第１フィルタリングを行うことが可能となる。
【００１９】
好ましい実施態様では、電流測定用の手段が、ピーク電流および長期電流の制限として保護機能を実現するようにされている。
【００２０】
有利には、制御式発振変調器は、例えばオーディオで使用する電力増幅器のような精密電圧／電流制御式ＤＣ−ＡＣ変換で使用することができる。
【００２１】
本発明の好ましい実施形態を、添付の図面を参照しながら以下でさらに説明する。
【００２２】
（好ましい実施例の詳細な説明）
従来技術によるＣＯＭの基本的原理を、図１の概括的なブロック図に示す。これは電圧フィードバックを使用するので、ＶＣＯＭと呼ぶことにする。入力電圧Ｖ_ｉがフォーワード・ブロック２に供給され、フォーワード・ブロック２はフィードバック・ブロック１による供給も受け、誤り情報を導出し、処理する。補償後信号Ｖ_ｂが非ヒステリシス比較器３に供給され、ＤＣ電圧であることが好ましい電圧Ｖ_ＤＣと比較される。得られるパルス変調信号は、Ｖ_ｓの供給を受けるスイッチング電力変換段４で電力増幅され、電力パルス信号Ｖ_ｐが生成され、前記パルス信号が誘導負荷５を駆動する。
【００２３】
ブロック１は、出力電圧Ｖ_ｐからの出力情報を処理し、システムの全伝達関数特性を制御する。制御式発振変調器は、ブロック１および２内の少なくとも合計２つの極を特徴とし、変調器および電力段の伝播遅延と組み合わせて、Ｖ_ＤＣと比較される正弦状の変調信号Ｖ_ｂを生成する。これらの仮定の下で、システムは、正のフィードバックの周波数で発振するシステムを認識する。ブロック１は、Ｖ_ｉから出力変数への全伝達関数特性を制御するように実装される。
【００２４】
ある帯域幅にわたって一定の利得Ｋが望ましいと仮定すると、以下の伝達関数が適していることがわかる。
【数１】

【００２５】
この例では、Ａブロック１は、発振周波数よりも一般に１／１０未満である低周波数に位置する極ｓ＝−１／τ_１で一次の特性を有するので、発振条件は、τ_０により、ｓ＝−１／τ_０に位置する２つの極で容易に決定される。「制御式発振変調（ＣＯＭ）」に対する要件は、
【数２】

上式で、所望のシステム発振周波数はω_０である。したがって、この好ましい例では、制御式発振に対する条件は、
【数３】

【００２６】
ＶＣＯＭシステムは、比較器およびスイッチング電力段の非線形な利得特性のために、ω_０で強制的に発振することになる。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態として図２のシステムを考慮する。この変調器では、変調信号Ｖ_ｂを生成する際に入力として使用されるのは、負荷に送達される電流ｉ_Ｌの値である。電流ｉ_Ｌは、増幅段４の後ろに配置される電流測定手段６で測定される。
【００２８】
この場合のブロック１１および１２の有利な伝達関数は、
【数４】

【００２９】
電流制御式ＣＯＭシステム（以下ＣＣＯＭと呼ぶ）が、復調のために二次（Ｌ，Ｃ）フィルタによる負荷を受けると仮定すると、ループ伝達関数は、
【数５】

上式で、
【数６】

【００３０】
したがって、ＣＣＯＭシステムでの制御式発振に対する条件は、
【数７】

【００３１】
ＣＣＯＭシステムに対するパラメータ値の例は、
【表１】

【００３２】
多くの周知の方式を使用して、代替パラメータおよび代替の極の配置を用いたＣＣＯＭシステムを実装できることを当業者は理解されよう。したがって、この例は例示に過ぎず、一定の帯域内相互コンダクタンス１／Ｚ_ｍを有する単純な広帯域相互コンダクタンス増幅器システムを説明しているに過ぎない。
【００３３】
有利には、図２に示すＣＣＯＭ変調器は、従来技術によるＶＣＯＭと組み合わせることができ、この組合せの２つの好ましい実施形態を図３および４に示す。
【００３４】
有利には、この組合せ変調器は、二次復調フィルタおよびグローバル電圧ループを備える汎用高性能ＤＣ−ＡＣ変換システムに実装することができる。
【００３５】
図３では、フィードバック・ブロック２１の伝達関数Ａ’が、増幅段４から電圧フィードバックを受け取り、測定された電流値ｉ_Ｌを受け取るようにされている。フォーワード・ブロック２２の伝達関数Ｂ’の適切な調節も行われる。
【００３６】
別の例は、２つの追加のブロック３１および３２が導入された、図４の広帯域定利得電力増幅器である。したがってこの増幅器は、電圧フィードバック経路３３によって囲まれた、図２によるＣＣＯＭ　３０を備える。出力フィルタ３４の後に電圧信号Ｖ_ｏが得られ、出力フィルタ３４はブロック３１に接続されている。次いで、生成された信号Ｖ_ｏはブロック３２に供給される。ブロック３２には入力電圧Ｖ_ｉも供給される。ブロック３２からの出力は、フィードバック・ブロック１１からの信号Ｖ_ａと共に、ＣＣＯＭ　３０のフォーワード・ブロック１２に供給される。ブロック３１および３２の好ましい伝達関数は、
【数８】

【００３７】
Ｋ_Ｄを調節することによって、所望の電圧ループ帯域幅ｆ_ｖが容易に実現される。パラメータの例は、
【表２】

【００３８】
多くの周知の方式を使用して、ＣＯＭシステムのブロック中の伝達関数を実現できることを当業者は理解されよう。システム利得Ｋは、システムの帯域幅内で一定に維持される。
【００３９】
本発明の代替の有利な実施形態は、帯域内ループ利得が組合せＣＯＭ変調器／フィードバック制御システムによる改良型フィードバック補償に対してより急勾配となる（しかし、−１２ｄｂ／オクターブ未満）ような、ＣＯＭシステムの２極補償である。このことを例えばＢブロックで実現できることを当業者は理解されよう。
【００４０】
本発明の他の実施形態は、伝達関数を制御し、クリッピング特性を改善した入力フィルタリング／制限セクションを含む。有利には、クリッピング特性はソフト・クリッピング・タイプである。加えて、リミッタは、動作の際の発振器動作を継続させ、制御ループを保つ。適切に実現されたリミッタ機能の第３の利点は、過負荷からの回復中に遅れがないことである。このような制限機能を実現する多くの周知の方式を当業者は理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
電圧フィードバックに基づく従来技術の制御式発振変調器を示す図である。
【図２】
本発明の第１実施形態のブロック図を示す図である。
【図３】
本発明の第２実施形態のブロック図を示す図である。
【図４】
本発明の第３実施形態のブロック図を示す図である。

Claims (9)

1. パルス変調用の比較器と電力増幅段、および安定な発振状態を保証する第１フィードバック手段と第１フォワード手段を備える高次発振ループを備える制御式自励発振変調器であって、前記第１フィードバック手段が、前記第１フォワード手段に第１フィードバック信号を供給するように構成され、前記第１フォワード手段が、前記比較器に変調信号を供給するように構成される制御式自励発振変調器において、
   変調器に接続された負荷に対して前記電力増幅段によって供給される電流の値を測定し、その測定値が前記第１フィードバック手段に供給されるように構成された電流測定手段を有することを特徴とし、
   前記第１フィードバック手段が、前記測定値に基づいて前記第１フィードバック信号を生成するようにされた伝達関数を有し、前記第１フォワード手段が、前記第１フィードバック手段および入力信号に基づいて前記変調信号を生成するようにされた伝達関数を有する制御式自励発振変調器。
2. 前記増幅段から出力電圧をフィードバックする手段をさらに含む請求項１に記載の制御式自励発振変調器。
3. 前記第１フィードバック手段が前記出力電圧に接続され、前記第１フィードバック手段が、前記電流値および前記電圧に基づいて前記第１フィードバック信号を生成するようにされた請求項２に記載の制御式自励発振変調器。
4. 前記出力電圧に接続され、第２フィードバック信号を生成するようにされた第２フィードバック手段と、
   前記第２フィードバック信号および第２信号に基づいて前記入力信号を前記第１フォーワード・ブロックに供給するようにされた第２フォワード手段とをさらに備える請求項２に記載の制御式自励発振変調器。
5. 前記電力増幅段が出力フィルタを備え、前記第２フィードバック手段が、前記出力フィルタからの出力に接続される請求項４に記載の制御式自励発振変調器。
6. 変調深さを制御するためのリミッタ手段をさらに備える前記請求項のいずれかに記載の制御式自励発振変調器。
7. 電流測定用の前記手段が、ピーク電流および長期電流の制限として保護関数を実装するようにされた請求項６に記載の制御式自励発振変調器。
8. 前記請求項のいずれかに記載の変調器を実装する電力変換システム。
9. 電気力学的変換器負荷を直接駆動するのに使用される請求項８に記載の電力変換システム。

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